tiểu luận nghiên cứu các định luật niutơn

Cơ học gồm các phần: Động học nghiêncứu những đặc trưng của chuyển động và những dạng chuyển động khác nhau;Động lực học nghiên cứu mối liên hệ của chuyển động với sự tương tác giữa cácv

MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU 2

Phần NỘI DUNG 3

1 Quán tính 4

2 Các định luật Newton 5

5

5

2.1.1.1 Trạng thái đứng yên và chuyển động thẳng đều 5

8

9

9

2.2.1 Nội dụng kiến thức 9

12

13

13

16

3 Khái niệm lực và khối lượng 16

16

16

19

20

21

Phần KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

MỞ ĐẦU

Cơ học là một phần của vật lí học nghiên cứu hiện tượng chuyển động cơhọc của các vật, tức là nghiên cứu sự thay đổi vị trí của vật thể trong không gianđối với các vật thể khác theo thời gian Cơ học gồm các phần: Động học nghiêncứu những đặc trưng của chuyển động và những dạng chuyển động khác nhau;Động lực học nghiên cứu mối liên hệ của chuyển động với sự tương tác giữa cácvật; Tĩnh học là một phần của động lực học nghiên cứu trạng thái cân bằng củacác vật

Cho đến nay, nhiều nhà khoa học, các chuyên gia xây dựng chương trình

và tác giả sách giáo khoa theo khuynh hướng chú trọng tính logic của vật lí họccho rằng, nghiên cứu vật lí phải lấy việc nghiên cứu cơ học làm nền tảng để tiếptục nghiên cứu các hiện tượng nhiệt, điện, từ, quang,… sau này

Trong chương trình vật lí phổ thông của nước ta, cơ học được chia thành 5phần: Động học, động lực học, Tĩnh học, Các định luật bảo toàn, Dao động vàsóng cơ học Nội dung cơ bản của chương “Động lực học chất điểm” là các kháiniệm cơ bản: lực và khối lượng; các định luật Newton; những loại lực hay gặptrong cơ học: lực hấp dẫn, lực đàn hồi, lực ma sát; các định luật riêng cho từngloại lực trong cơ học và phương pháp động lực học

Phần nghiên cứu trong tiểu luận này là các kiến thức cơ bản của phần cácđịnh luật Newton Nội dung của nó bao gồm: các khái niệm cơ bản, các định luậtNewton Tuy nhiên, do đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các định luậtNewton mà chưa nghiên cứu đến các lực cơ học và các định luật riêng về cácloại lực cơ học, nên đề tài không nghiên cứu sâu vào phần ứng dụng các địnhluật Newton để khảo sát chuyển động của các vật

Để hoàn thành tiểu luận, phương pháp chủ yếu là nghiên cứu lí thuyết baogồm: nghiên cứu sách giáo khoa, thu thập, lựa chọn, phân tích, tổng hợp các tàiliệu liên quan từ thư viện, các nhà sách và từ các tài liệu trên internet.

NỘI DUNG

1 Quán tính

Khi trình bày khái niệm quán tính trong sách giáo khoa, các chuyên giagặp rất nhiều khó khăn vì tính chất hai nghĩa của quán tính theo các cách hiểugắn liền với định luật I Newton và định luật II Newton

Galilê ( 1564 - 1642 ) là người đầu tiên phát hiện ra quán tính của các vậtthể Do thấy được tầm quan trọng của vấn đề, Newton đã nêu lên thành mộttrong ba định luật cơ bản của cơ học: “Mọi vật thể đều có tính chất giữ nguyêntrạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều chừng nào còn chưa có lực tácdụng lên nó” Như vậy, quán tính theo định luật I Newton diễn tả được hiểu làtính chất bảo toàn trạng thái chuyển động của vật Vì vậy, người ta còn gọi địnhluật I Newton là định luật quán tính Nếu hiểu theo nghĩa này thì quán tính làmột tính chất phổ biến, không đổi và không tách rời mọi vật Mọi vật đều cóquán tính như nhau Vậy thì quán tính không phải là một đại lượng vật lí vàkhông thể nói đến “số đo quán tính”

Theo cách hiểu thứ hai, thuật ngữ quán tính gắn liền với định luật IINewton Một vật thể khi chịu tác dụng của một lực hãm thì trước khi dừng lạicòn có thể đi hết một khoảng cách nào đó “theo quán tính” Như vậy, thuật ngữquán tính ở đây nói rằng, để biến đổi vận tốc chuyển động của một vật dưới tácdụng của một vật bất kỳ cần phải có một thời gian xác định, tức là lực xác địnhgia tốc chứ không phải xác định vận tốc Dưới tác dụng của một lực như nhau,các vật thể khác nhau sẽ thu được các gia tốc khác nhau Với ý nghĩa này, ta cóthể đưa ra số đo “mức quán tính” của mỗi vật

Cho đến nay, các sách giáo khoa vẫn sử dụng tính chất hai nghĩa của quántính một cách thận trọng Tính chất “quán tính” hiểu theo cách thứ nhất cùng vớiđịnh luật I Newton, là tính chất bảo toàn vận tốc của vật thể, hay nói chính xáchơn quán tính là hiện tượng bảo toàn vận tốc của vật thể trong chuyển động Vàngười ta dùng đến thuật ngữ “mức quán tính” để diễn tả tính chất của vật thể gắnliền với định luật II Newton Mức quán tính là tính chất của vật thể thu được giatốc khác nhau dưới tác dụng của những lực khác nhau Do đó, khối lượng là đạilượng đắc trưng cho mức quán tính của vật Do vật thể có quán tính mà nó cómức quán tính Tuy nhiên, hai khái niệm “quán tính” và “mức quán tính” hoàntoàn không đồng nhất với nhau

Isaac Newton 46 tuổi (Bức vẽ của Godfrey Kneller năm 1689)

2 Các định luật Newton

Isaac Newton (phát âm như Isắc

Niu-tơn) là một nhà vật lý, nhà thiên văn học, nhà

triết học tự nhiên và nhà toán học vĩ đại người

Anh Isaac Newton sinh ra trong một gia đình

nông dân Theo lịch Julius, ông sinh ngày 25

tháng 12 năm 1642 và mất ngày 20 tháng 3

năm 1727; theo lịch Gregory, ông sinh ngày 4

tháng 1 năm 1643 và mất ngày 31 tháng 3

năm 1727 Luận thuyết của ông về

Philosophiae Naturalis Principia

Mathematica “Những nguyên lí toán học của

triết học về tự nhiên” xuất bản năm 1687, đã

mô tả về vạn vật hấp dẫn và 3 định luật

Newton, được coi là nền tảng của cơ học cổ

điển, đã thống trị các quan niệm về vật lý,

khoa học trong suốt 3 thế kỷ tiếp theo

2.1 Định luật I Newton

2.1.1 Nội dung kiến thức

2.1.1.1 Trạng thái đứng yên và chuyển động thẳng đều

Các vật xung quanh ta ở trạng thái chuyển động rất khác nhau Trạng tháichuyển động ở đây được đặc trưng bởi vận tốc (hay tổng quát là động lượng) củachuyển động Có những vật đứng yên, có những vật chuyển động thế này, cónhững vật chuyển động thế khác Như vậy, cái gì chi phối những chuyển độngcủa vật? Trước tiên, ta hãy xét trạng thái đứng yên của vật

Trước Newton, Aristôt (384 - 322 TCN) có quan niệm sai lầm cho rằngtrạng thái đứng yên là trạng thái tự nhiên của mọi vật khi không có vật nào tácdụng lên nó Theo ông và các học trò của ông thì một vật chỉ chuyển động khi takéo vật, tức là tác dụng vào vật một lực, còn khi thôi kéo vật (thôi tác dụng lực)thì vật đứng yên

Hãy xét một hòn bi sắt treo ở đầu một sợi dây cao su mắc trên một giá thínghiệm Ở đây, ta thấy có hai vật ảnh hưởng đến trạng thái đứng yên của hòn bi:trái đất và sợi dây cao su Những đồ vật khác trong phòng và người đi lại ở trongphòng cũng không có ảnh hưởng đáng kể đến hòn bi Như thế, trái đất kéo hòn bi

xuống dưới và sợi dây cao su căng kéo nó lên trên Nếu tác dụng kéo xuống củatrái đất lớn hơn tác dụng kéo lên của sợi dây thì dây sẽ bị dãn quá mức và bị đứt.Còn nếu sợi dây đủ bền, nó chỉ bị dãn ra một chút và hòn bi sẽ nằm yên khi tácdụng của trái đất và sợi dây cao su cân bằng lẫn nhau Như thế, dù vẫn chịu tácdụng của trái đất và sợi dây cao su nhưng hòn bi vẫn đứng yên khi nào tác dụngcủa trái đất và sợi dây cao su còn cân bằng lẫn nhau.

Như vậy, tác dụng của các vật xung quanh lên một vật đứng yên là tácdụng cân bằng Khi sự cân bằng bị phá vỡ, vật không còn ở trạng thái đứng yênnữa Một vật chịu tác dụng duy nhất từ một vật khác không bao giờ đứng yên.Trái lại, một vật đứng yên chịu nhiều tác dụng từ các vật khác và nếu các tácdụng đó cân bằng lẫn nhau thì vật sẽ đứng yên mãi mãi

Trạng thái chuyển động thẳng đều giống trạng thái đứng yên ở chỗ cũng

có gia tốc bằng không Xét về mặt động lực học thì đứng yên chỉ là trường hợpriêng của chuyển động thẳng đều khi vận tốc ban đầu bằng không Như vậy, mộtvật chuyển động thẳng đều là do chịu những tác dụng như thế nào?

Xuất phát từ các hiện tượng thực tế trong đời sống hằng ngày, Aristôt đãquan niệm rằng: muốn cho một vật duy trì một vận tốc không đổi thì phải có mộtlực tác dụng lên nó Quan niệm này đã được khẳng định và truyền bá Nó đãthống trị nền Vật lý thế giới trong nhiều thế kỷ

Theo quan này, một vật muốn duy trì chuyển động nhất thiết phải chịu tácdụng của vật khác, tức có lực tác dụng lên vật Chiếc xe đẩy không thể tiếp tụcchuyển động nếu không có người kéo hay đẩy nó Một thí nghiệm đơn giản sauđây sẽ cho kết luận đúng đắn về vấn đền này

Đặt một hòn bi lên mặt bàn nằm ngang và búng tay cho nó chuyển động.Ảnh chụp bằng phương pháp hoạt nghiệm sẽ giúp xác định vị trí của hòn bi saunhững khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau Bức ảnh cho thấy chuyển động củahòn bi lúc đầu gần như thẳng đều, sau đó chậm dần và dừng lại

Như thế, tác dụng của cái búng tay lên hòn bi làm thay đổi chuyển độngcủa nó (từ trang thái nghỉ sang trạng thái chuyển động) Sau cái búng tay, hòn bivẫn tiếp tục chuyển động Tác dụng theo phương thẳng đứng của trái đất và mặtbàn lên hòn bi cân bằng lẫn nhau Vậy chuyển động của hòn bi vẫn được duy trìkhi không có một lực nào tiếp tục đẩy nó theo phương ngang Quan niệm củaAristôt đã mắc sai lầm Nhưng tại sao chuyển động không được duy trì mãi mãi?

Nếu cho hòn bi lăn trên những mặt bàn khác nhau thì chuyển động củahòn bi được duy trì lâu hay không phụ thuộc vào mức độ nhẵn của mặt bàn Vớinhững mặt gồ ghề, quãng đường chuyển động sau cái búng tay rất ngắn Quãngđường chuyển động càng dài khi mạt phẳng càng nhẵn bóng Chuyển động của

hòn bi bị cản trở do tác dụng ma sát giũa mặt bàn với nó Nếu khử bỏ được tácdụng ma sát, hoặc nếu đẩy hòn bi một tác dụng theo phương ngang cân bằng vớitác dụng ma sát đó, có thể hình dung hòn bi sẽ chuyển động thẳng đều mãi mãi.

Như vậy, một vật giữ nguyên trạng thái chuyển động thẳng đều chừng nàotác dụng của các vật xung quanh đặt lên nó cân bằng lẫn nhau

Trong thực tế, mọi vật chuyển động đều chịu cản trở của ma sát Ma sátchỉ có thể được làm giảm bớt chứ không thể nào loại bỏ được hoàn toàn Vì thếchuyển động sẽ không được duy trì lâu nếu không có một tác dụng khác đủ cânbằng với tác dụng ma sát Chính vì không thấy được vai trò của ma sát mà cònngười đã có những quan niệm sai lầm Mãi sau này Galilê và Newton đã dụngphương pháp thực nghiệm đưa ra một cách giải thích về trạng thái đứng yên vàchuyển động thẳng đều

Galilê là người đầu tiên đã phát hiện ra sai lầm đó Ông đã tiến hànhnhững thí nghiệm nghiên cứu chuyển động của hòn bi trên một loại máng rấtnhẵn Khi đặt máng nằm nghiêng, hòn bi lăn xuống nhanh dần đều; nếu búngcho hòn bi chuyển động ngược lên thì nó chuyển động chậm dần đều Như vậynếu búng cho hòn bi chuyển động trên cái máng nằm ngang thì chuyển động củahòn bi là như thế nào?

Ông dùng một mặt phẳng nằm ngang và hai máng nghiêng để thực hiệnmột thí nghiệm được mô tả trên hình vẽ Thả hòn bi từ độ cao ban đầu h trênmáng nghiêng 1, hòn bi lăn xuống rồi lại lăn ngược lên máng nghiêng 2 Galilênhận thấy hình như hòn bi muốn lăn lên máng nghiêng 2 để đạt đến dộ cao bằng

độ cao h ban đầu

2

2 1

1

Ông càng hạ thấp độ nghiêng của máng thì để đạt được độ cao ban đầu,hòn bi trên máng 2 lăn đoạn đường dài hơn Từ những thí nghiệm tương tự nhưvậy, Galilê suy ra rằng nếu thay máng 2 bằng một mặt phẳng nằm ngang, nhẵn lýtưởng thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi vì chẳng bao giờ có thể đạttới độ cao ban đầu.

2.1.1.2 Định luật I Newton

Như đã trình bày ở trên ta thấy: Một vật giữ nguyên trạng thái đứng yênhoặc chuyển động thẳng đều chừng nào tác dụng của các vật khác đặt lên nó cânbằng lẫn nhau Nếu không chịu tác dụng bởi một tổng lực khác không thì một vậtđang đứng yên sẽ đứng yên mãi mãi, và một vật đang chuyển động sẽ chuyểnđộng thẳng đều mãi mãi

Trong cuốn “Những nguyên lí toán học của triết học về tự nhiên”, Newtonviết “Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều trừ phi

nó chịu tác dụng của các lực làm thay đổi trạng thái đó ” Đó chính là nội dungcủa định luật I Newton Định luật I Newton nêu lên một tính chất rất tổng quátcủa vật thể là tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động Vì vậy định luật INewton còn gọi là định luật quán tính và chuyển động thẳng đều được gọi làchuyển động theo quán tính Định luật I chỉ ra rằng lực không phải là nguyênnhân gây ra chuyển động hay duy trì chuyển động của các vật, mà đúng hơn lànguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyển động (thay đổi vận tốc/độnglượng của vật) Nhờ sự đúng đắn của định luật I Newton, người ta mới phát hiện

ra lực ma sát tác dụng lên một vật chuyển động

Ngoài ra cũng có thể phát biểu định luật I như sau: “Một vật giữ nguyêntrạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều chừng nào nó không chịu tácdụng nào từ vật khác hoặc tác dụng của các vật xung quanh vật là tác dụng cânbằng nhau”

Một vật không chịu tác dụng nào từ các vật khác được gọi là vật tự do.

Trong thực tế không có vật hoàn toàn tự do Như vậy, vật tự do là sản phẩm của

tư duy con người Với khái niệm vật tự do, định luật I Newton có thể phát biểunhư sau: “Vật tự do hoặc mãi mãi đứng yên hoặc mãi mãi chuyển động thẳngđều”

Như đã biết ở phần động học, chuyển động của một vật có tính chất tươngđối, phụ thuộc hệ quy chiếu được chọn để xét chuyển động đó Theo thựcnghiệm thì trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều nói đến trong địnhluật I Newton là xét trong hệ quy chiếu gắn với vật tự do Nếu ta đứng trong hệquy chiếu đó thì sẽ quan sát các vật tự do khác đứng yên hay chuyển động thẳngđều Có rất nhiều hệ quy chiếu gắn với các vật tự do như vậy và chúng đều tương

đương nhau Hệ quy chiếu đó gọi là hệ quy chiếu quán tính Trong hệ quy chiếu

quán tính, định luật I Newton được nghiệm đúng

Định luật I Newton không phải đơn thuần là sản phẩm của phương phápthực nghiệm mà còn là sảm phẩm của trí tưởng tượng phong phú, của trình độ tưduy cao, và của trực giác thiên tài của Galilê và Newton Và ý nghĩa quan trọng

mà định luật I Newton mang lại cho khoa học là phát hiện ra hệ quy chiếu quántính Hệ quy chiếu quán tính là sản phẩm của tư duy của con người gắn liền vớivật tự do Các hệ quy chiếu khác mà có vật chuyển động thẳng đều trong đócũng là hệ quy chiếu quán tính

Trong thực tế, không có hệ quy chiếu nào là hệ quy chiếu quán tính hoàntoàn Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp cụ thể, một hệ quy chiếu có thể coi gầnđúng là hệ quy chiếu quán tính Ví dụ, khi xét chuyển động của các vật trên bềmặt Trái đất, người ta thường xem hệ quy chiếu gắn với mặt đất như một hệ quychiếu quán tính

Chất điểm đứng yên có vận tốc v= 0, chất điểm chuyển động thẳng đều cóvận tốc v không đổi Trong cả hai trường hợp đó, vận tốc v đều không đổi Vìthế, theo Newton thì thời gian trôi đi trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau

là như nhau Mọi điểm trong không gian, mọi phương trong không gian đều bìnhđẳng như nhau Vậy định luật I Newton còn chứa một nội dung rất quan trọngkhác Đó là tính đồng nhất của thời gian, tính đồng chất và đẳng hướng củakhông gian Đây chính là tư tưởng thống soái là cơ sở để xây dựng cơ họcNewton và vật lí học cổ điển Định luật I Newton là một định luật có ý nghĩa rấtquan trọng cho cơ học cổ điển

2.1.2 Một số lưu ý khi dạy học

Không giống như các định luật vật lí khác là rút ra từ thực nghiệm, địnhluật I Newton được trình bày dưới dạng tiên đề Muốn tạo lòng tin vào sự đúngđắn của định luật, trước tiên giáo viên phải cho học sinh xét xem trong điều kiệnnào thì vật đứng yên hay chuyển động thẳng đều Kế đến, giáo viên phải biếtchọn lựa để mô tả các thí nghiệm tình huống rồi cho học sinh nhận xét Thínghiệm thả hòn bi trên máng nghiêng của Galilê là một thí nghiệm điển hình

Như đã thấy, cả hai bộ sách giáo khoa cho chương tình chuẩn và chươngtrình nâng cao đều bắt đầu từ thí nghiệm lịch sử của Ga-li-lê Sau khi yêu cầuhọc sinh nhận xét thí nghiệm, sách giáo khoa thông báo nội dung định luật I như

một nguyên lý: “Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác

dụng của các lực có hợp lực bằng không, thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều” Sách giáo khoa cho chương trình nâng cao còn

đưa ra thí nghiệm trên đệm không khí ở hình 14.2 (trang 65), và sách giáo khoa cho chương trình cơ bản đưa thêm thí nghiệm ở mục "Em có biết?" ở cuối bài

(trang 65, 66) Ngoài ra có thể mô tả thêm một vài thí nghiệm khác về chuyểnđộng, và đặt thêm một vài tình huống nếu giảm dần ma sát hay chuyển độngkhông có ma sát thì sẽ như thế nào?

2.2 Định luật II Newton

2.2.1 Nội dung kiến thức

Định luật II được Newton phát hiện trên cơ sở của việc khái quát hoá từrất nhiều sự kiện quan sát được, kể cả những quan sát trong lĩnh vực thiên văn,kết hợp với trực giác thiên tài của riêng ông Vì thế phải thừa nhận định luật IInhư một nguyên lí chứ không phải dưới dạng một định luật vật lí thông thường

Nội dung của định luật II được Newton viết: “Sự thay đổi chuyển động tỷ

lệ với lực chuyển động đặt vào và xảy ra theo hướng mà lực tác dụng lên hướngđó”

Định luật II Newton cho thấy lực là nguyên nhân làm vật biến đổi chuyểnđộng (chuyển động có gia tốc) chứ không phải gây ra chuyển động như người ta

đã nghĩ trước đây Như vậy, định luật II Newton xét vật ở trạng thái không côlập, nghĩa là chịu tác dụng của những lực từ bên ngoài Chuyển động của một vậtchịu tác dụng của các lực mà hợp lực của các lực đó khác không là một chuyểnđộng có gia tốc

Định luật II Newton còn được phát biểu dưới nhiều cách khác nhau Ngàynay, các nhà khoa học cho rằng cách phát biểu chính xác nhất là: “Lực tác dụnglên vật bằng tích khối lượng vật thể nhân với gia tốc mà vật thu được”

a m

F=  (2.2.1.1)Cách diễn đạt nội dung của định luật như thế này nói lên được mối liên hệcủa các sự vật tồn tại trong tự nhiên

Tuy nhiên, để đặc biệt nhấn mạnh đến tính nhân quả của định luật, nộidung của định luật còn được phát biểu như sau: “Gia tốc của một vật tỷ lệ thuậnvới lực tác dụng vào vật và tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó” Theo cách phátbiểu này, ta có:

m

F a

vì sao,…