bài giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 chơng dạy học phần động lực học chất điểm tĩnh học I đặc điểm phần động lực học tĩnh học Trong phần động học, để giải toán học, đà lần lợt giải mắt xích khác nhau: hệ quy chiếu, vận tốc, gia tốc cuối đến thành lập phơng trình chuyển động Nhng làm để xác định đợc gia tốc? Sự xuất gia tốc tuân theo quy luật tự nhiên? Phần học nghiên cứu nguyên nhân chuyển động gọi động lực học Nội dung phần động lực học định luật chuyển động, khái niệm bản: lực khối lợng, định luật riêng cho loại lực học phơng pháp động lực học Khác với sách giáo khoa nhiỊu n−íc, s¸ch gi¸o khoa cđa chóng ta coi c¸c định luật Newton nh nguyên lý lớn Những nguyên lý làm tảng cho việc tìm kiếm định luật vật lý khác nh cho việc xây dựng phát triển học Với quan niệm đó, sách giáo khoa trình bày ba định luật dới dạng tiên đề đờng quy nạp thực nghiệm Lực khối lợng hai khái niệm mà Newton đà sử dụng để khái quát hóa định lợng kết quan sát tợng tơng tác vật nh chuyển động chúng Hai khái niệm đợc hình thành mối liên hệ chặt chẽ với ba định luật Newton Xét mặt logic, hình thành đợc khái niệm lực mà không cần đến khái niệm khối lợng Ngợc lại, hình thành đợc khái niệm khối lợng mà bỏ qua khái niệm lực Do nhấn mạnh vai trò trực giác việc hình thành hai khái niệm lực khối lợng nên sách giáo khoa đà trình bày cách hình thành hai khái niệm theo hai giai đoạn: giai đoạn trực giác giai đoạn logic Phần tĩnh học nghiên cứu trạng thái cân để tìm điều kiện đứng yên cho vật Theo quan niệm động lực học đứng yên trờng hợp đặc biệt trạng thái cân vận tốc không Do vËy, cã thĨ sư dơng c¸c kiÕn thøc cđa phần động lực học để nghiên cứu điều kiện cân Chính mà phần tĩnh học đợc xếp sau phần động lực học II khái niệm quán tính Trong phần động lực học, hầu hết sách giáo khoa đề cập thuật ngữ quán tính 30 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Thông thờng, ngời ta hiểu quán tính tính chất vật thể mà định luật I Newton diễn tả: Mọi vật thể có tính chất giữ nguyên trạng thái đứng yên chuyển động thẳng chừng cha có lực tác dụng lên Tính chất vật thể gọi quán tính Chính cách hiểu nh mà ngời ta gọi định luật I Newton định luật quán tính Nếu theo cách hiểu khái niệm quán tính gắn liền với định luật I Newton quán tính mét tÝnh chÊt vèn cã víi møc ®é nh− tất vật thể vật lý mà không loại trừ vật thể Quán tính hiểu theo nghĩa tính chất phổ biến, không đổi không tách rời vật Mọi vật có quán tính nh Vậy quán tính đại lợng vật lý nói ®Õn “sè ®o qu¸n tÝnh” nh− chóng ta th−êng ®· nghe Cã thĨ hiĨu qu¸n tÝnh theo mét ý nghÜa khác nói rằng, vật thể chịu tác dụng lực hÃm trớc dừng lại hết khoảng cách theo quán tính Thuật ngữ quán tính dùng nãi r»ng, ®Ĩ biÕn ®ỉi vËn tèc chun ®éng cđa vật dới tác dụng vật cần phải có thời gian xác định, tức lực xác định gia tốc xác định vận tốc Theo cách hiểu này, thuật ngữ quán tính gắn liền với định luật II Newton Với ý nghĩa này, ta đa đợc số đo định lợng, tức số đo mức quán tính vật Bởi vì, dới tác dụng lực nh vật thể khác đòi hỏi thời gian không nh để biến đổi vận tốc, tức thu đợc gia tốc khác Chính tính chất hai nghĩa quán tính nên làm cho chuyên gia khó khăn trình bày khái niệm sách giáo khoa vật lý phổ thông Trong khó khăn đó, có ý tởng muốn kết hợp hai cách lý giải cách cho quán tính xu hớng vật thể bảo toàn vận tốc nó, lực tác dụng lên vật thể đấu tranh với xu hớng thắng Trong thực tế, ý tởng đà bị phê phán cách có lý, không nói đợc vật có xu hớng bảo toàn vận tốc bắt đầu thay đổi vận tốc dới tác dụng vật nhỏ Do khó khăn khắc phục đợc, nên nay, sách giáo khoa phải lòng sử dụng tính chất hai nghĩa thuật ngữ quán tính, nhng sử dụng có thận trọng Tính chất quán tính hiểu theo cách thứ với định luật I Newton Để diễn tả hết tính chất thuật ngữ gắn với định luật II Newton, ngời ta dùng đến thuật ngữ mức quán tính Nh vậy: - Quán tính tính chất bảo toàn vận tốc vật thể, hay nói xác quán tính tợng bảo toàn vËn tèc cđa vËt thĨ chun ®éng - Møc quán tính tính chất vật thể thu đợc gia tốc khác dới tác dụng lực không Do đó, khối lợng vật đại lợng đặc trng cho mức quán tính Do vật thể có quán tính mà có mức quán tính Tuy nhiên hai khái niệm quán tính mức quán tính hoàn toàn không đồng với 31 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 III định luật chuyển động 3.1 §Þnh lt I Newton 3.1.1 Néi dung kiÕn thøc Tr−íc Newton, Aristôt có quan niệm sai lầm cho trạng thái đứng yên trạng thái tự nhiên vật vật tác dụng lên Theo ông học trò ông kéo vật, tức tác dụng vào vật lực, vật chuyển động, kéo (tức tác dụng) vật đứng yên MÃi sau Galilê Newton đà dùng phơng pháp thực nghiệm để bác bỏ cách giải thích đa cách giải thích tợng đứng yên Xét mặt động lực học đứng yên trờng hợp đặc biệt trờng hợp chuyển động thẳng vận tốc ban đầu không Nếu nhìn lại lịch sử phát triển vật lý học Galilê đợc coi ngời sử dụng phơng pháp thực nghiệm Ông thả bi lăn loại máng nghiêng nhẵn nhận thấy bi chuyển động nhanh dần lăn xuống máng nghiêng chuyển động chậm dần lăn ngợc lên Ông dùng mặt phẳng nằm ngang hai máng nghiêng để thực thí nghiệm nh đợc mô tả hình vẽ Thả bi từ độ cao ban đầu h máng nghiêng1, bi lăn xuống lại lăn ngợc lên máng nghiêng h1 Galilê nhận thấy hình nh bi muốn lăn lên máng đạt đến độ cao độ cao h ban đầu Ông hạ thấp độ nghiêng máng bi lăn máng đợc đoạn đờng dài Từ thí nghiệm tơng tự nh vậy, Galilê suy thay máng mặt phẳng nằm ngang, nhẵn lý tởng bi lăn với vận tốc không đổi mÃi mÃi chẳng đạt đến độ cao ban đầu Nhng định luật I đơn sản phẩm phơng pháp thực nghiệm mà sản phẩm trí tởng tợng phong phú, trình độ t cao, trực giác thiên tài Galilê Newton Trong Những nguyên lý toán học triết học tự nhiên, Newton viết: Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng chịu tác dụng lực làm thay đổi trạng thái Đấy nội dung định luật I Newton Định luật I nói rằng, tác dụng vật bảo toàn vận tốc Nhờ tin vào điều mà Galilê Newton đà phát vật có quán tính Nhng ý nghĩa quan trọng mà định luật I mang lại cho khoa học ph¸t hiƯn hƯ quy chiÕu qu¸n tÝnh ThËt vËy, theo định luật I Newton vật tự đứng yên chuyển động thẳng Nếu ta đứng hệ quy chiếu gắn với 32 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 vật tự quan sát vật tự khác đứng yên hay chuyển động thẳng Có nhiều hệ quy chiếu gắn với vật tự nh chúng tơng đơng Những hệ quy chiếu gọi hệ quy chiếu quán tính Một câu hỏi đà từ lâu đợc nhiều ngời quan tâm: định luật I có phải trờng hợp riêng định luật II hay không? Nếu nh cần phải trình bày định luật I? Về hình thức định luật I suy từ định luật II Thật vậy, từ công thức ®Þnh luËt II F = ma F = a = Nhng định luật I định luật độc lập bao hàm nội dung quan trọng nh vừa trình bày Ngoài ra, định luật I chứa nội dung quan trọng khác: tính đồng thời gian, tính đồng chất đẳng hớng không gian Thời gian trôi nh hệ quy chiếu quán tính khác Mọi điểm không gian, phơng không gian bình đẳng nh Đây t tởng thống soái làm sở để xây dựng học Newton vật lý học cổ điển 3.1.2 Một số lu ý dạy học Nh đà trình bày, định luật I đợc trình bày dới dạng tiên đề không giống nh định luật vật lý khác rút từ thực nghiệm Muốn để học sinh tin vào đắn định luật I, giáo viên phải biết chọn lựa để mô tả thí nghiệm tình cho học sinh nhận xét Trớc phải cho học sinh xét xem điều kiện vật đứng yên hay chuyển động thẳng Thí nghiệm thả viên bi lăn máng nghiêng Galilê thí nghiệm điển hình Có thể mô tả thí nghiệm khác: Cho viên bi lăn mặt bàn, sau thời gian viên bi dừng lại ma sát Nếu giảm dần ma sát chuyển động xảy nh nào? chuyển động không ma sát? 3.2 Định luật II Newton 3.2.1 Nội dung kiến thức Định luật II đợc trình bày dới dạng nguyên lý dới dạng định luật vật lý thông thờng Phải thừa nhận định luật II nh nguyên lý đợc Newton phát sở việc khái quát hóa từ nhiều kiện quan sát đợc, kể quan sát lĩnh vực thiên văn, kết hợp với trực giác thiên tài riêng ông Chính mà nguyên tắc, tạo đợc thí nghiệm riêng lẻ đủ t cách để kiểm tra tính đắn định luật Newton viết: Sự thay đổi chuyển động tỷ lệ với lực chuyển động đặt vào xảy theo hớng mà lực tác dụng lên hớng Trong cách phát biểu nguyên thủy Newton, thấy lực gây nên thay đổi chuyển động gây chuyển động nh ngời ta nghĩ trớc Nhng thuật ngữ thay đổi chuyển động khó hiểu, chuyển động trình đâu phải đại lợng vật lý 33 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Cách phát biểu mà ngày nhà khoa học cho xác là: Lực tác dụng lên vật tích khối lợng vật thể nhân với gia tốc mà vật thu đợc Đó nội dung định luật nói lên đợc mối liên hệ vật tồn tự nhiên Mặc dầu vậy, để đặc biệt ý đến tính nhân định luật, nội dung định luật đợc diễn đạt nh sau: Gia tốc mét vËt thĨ tû lƯ thn víi lùc t¸c dơng vào vật tỷ lệ nghịch với khối lợng Định luật II Newton định luật phổ biến luôn cho tơng tác cho dù chất tơng tác hoàn toàn khác nhau, vật tơng tác hoàn toàn khác Nời ta sử đụng định luật II để nghiên cứu chuyển động viên đạn, phân tử, gió, sao, chi tiết khí Định luật II Newton định luật động lực học nhờ định luật mà ta tìm đợc gia tốc chuyển động Nếu biết thêm điều kiện ban đầu hoàn toàn giải đợc toán chuyển động vật 3.2.2 Một số lu ý dạy học Cái quan trọng dạy học định luật II phải làm cho học sinh hiểu râ c«ng r r thøc F = ma : r - F tổng hợp tất lực bên tác dụng lên vật gia tốc mà vật thu đợc gia tốc tổng hợp (mỗi lực riêng lẻ gây gia tốc thành phần), - m khối lợng vật hay nhiều vật liên kết chặt chẽ với trình chuyển động dới tác dụng lực, - Công thức cho tất các loại lực loại chuyển động Khi trình bày định luật II, nhiều sách giáo khoa có đa thí nghiệm, nhng thí nghiệm minh họa ý định dùng thí nghiệm để rút định luật 3.3 Định luật III Newton 3.3.1 Nội dung kiến thức Định luật III Newton xác định đặc tính tơng tác vật đợc Newton phát biểu lần đầu rằng: Tác dụng ngợc chiều với phản tác dụng Nói khác đi, lực tác dụng hai vật lên bao giê cịng b»ng vµ h−íng vỊ hai phÝa ngợc Với cách phát biểu tổng quát nh thế, định luật III Newton cho trờng hợp tơng tác, dù chất lực tơng tác vật tham gia tơng tác chuyển động với vận tốc nh Mặc dầu vậy, định luật III nói đến đặc tính tơng tác không đề cập tới nguyên nhân đặc tính đó, tức cho biết có lực tác dụng thiết phải có lực phản tác dụng, không cho biết nh 34 giảng phân tích chơng trình vật lÝ phỉ th«ng - 2004 3.3.2 Mét sè l−u ý dạy học Mỗi định luật Newton nguyên lý lớn Tuy nhiên thừa nhận định luật II dùng thí nghiệm hai vật tơng tác, so sánh tỷ số gia tốc mà hai vật thu đợc để từ dễ dàng rút đợc định luật III Dĩ nhiên làm ngợc lại, từ thừa nhận tính đắn định luật III, dùng thí nghiệm tơng tác hai vật suy định luật II Bởi sách giáo khoa thờng trình bày định luật II trớc định luật III, nên định luật III thờng đợc trình bày dới dạng định luật rút từ thực nghiệm Mặc dầu có nhiều cách phát biểu khác nội dung định luật III Newton nhng dạy học giáo viên phải ý nhấn mạnh cho học sinh: - Lùc bao giê cịng xt hiƯn tõng cỈp (lực tác dụng lực phản tác dụng) xuất cách đồng thời - Cặp lực có chất (cùng lực hấp dẫn, lực ma sát, lực đàn hồi, lực tĩnh điện ) - Hai lực cặp lực đặt vào hai vật khác - Đây cặp lực trực đối (có độ lớn, phơng ngợc chiều) IV Khái niệm lực khối lợng Lực khối lợng hai đại lợng động lực học Nếu hai đại lợng nói đến định luật chuyển động Mặt khác, hai đại lợng trình bày cách trọn vẹn trớc trình bày định luật Newton 4.1 Kh¸i niƯm lùc 4.1.1 Néi dung kh¸i niƯm Newton cho rằng: Lực đặt vào tác dụng tiến hành vật thể để làm thay đổi trạng thái đứng yên chuyển động thẳng nó, ý nghĩa khái niệm lực Feyman lại nói rằng: Lực mà vật đứng yên hay chuyển động thẳng Hai cách phát biểu đề cập đến khái niệm cha nói rõ lực đại lợng vật lý để đo biểu diễn đợc số Từ trớc đến ngời ta vÉn cho r»ng lùc cã hai biĨu hiƯn: - Biểu tĩnh học: gây biến dạng - Biểu động lực học: gây gia tốc (làm biến ®ỉi chun ®éng) Do ®ã, nhiỊu s¸ch gi¸o khoa ®· định nghĩa: Lực đại lợng đặc trng tác dụng vật vào vật khác, kết truyền gia tốc cho vật làm cho vật biến dạng Quan điểm đại lực cho lực có tác dụng động lực học gây gia tốc, biến dạng hệ biến đổi chuyển động không 35 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 phần tử vật Bởi nên định nghĩa: Lực tác dụng lên vật đại lợng vectơ tích khối lợng m với gia tốc a mà vật thu đợc dới tác dụng lực r r Công thức F = ma vừa công thức định luật II Newton nhng công thức định nghĩa lực Đó công thức định luật đo ba đại lợng F, m, a cách độc lập ta có đợc mối liên hệ (Lực ) Đó định nghĩa cho ta nhận biết đợc cách xác khái niệm lực (Lực ) 4.1.2 Một số lu ý dạy học Mọi chơng trình sách giáo khoa thờng trình bày khái niệm lực theo hai giai đoạn: giai đoạn trực giác giai đoạn logic - Giai đoạn trực giác lớp học sinh đợc học vật lý Lực ảnh hởng (hay tác dụng) vật lên vật khác Nhng ảnh hởng (tác dụng)? ảnh hởng (tác dụng) xảy nh nào? Ngời ta phải thí dụ trực giác Vật thể rơi có gia tốc xuống mặt đất trái đất ảnh hởng (tác dụng) lên Do đặt gần nam châm mà mẫu sắt chuyển động nam châm ảnh hởng (tác dụng) lên Phải ảnh hởng (tác dụng) giống có chất Từ trực giác sơ khai dần đến trực giác cao hơn: lực đại lợng vật lý đặc trng cho tác dụng học mà kết truyền gia tốc cho vật làm cho vật biến dạng Trong giai đoạn trực giác này, khái niệm lực đợc đề cập mơ hồ, cha rõ ràng, cha xác định nhng quan trọng để hình thành đợc khái niệm lực cách xác giai đoạn logic r r - Giai đoạn lôgic xẩy sau đà có định luật II Newton F = ma Từ học sinh có đợc định nghĩa định lợng lực 4.2 Khối lợng 4.2.1 Nội dung khái niệm Khái niệm khối lợng đà xuất hai định luật hoàn toàn độc lập với nhau: định luật thứ II Newton định luật vạn vật hấp dẫn Chính vậy, lịch sử phát triển cđa vËt lý häc xt hiƯn hai kh¸i niƯm: Khèi lợng quán tính khối lợng hấp dẫn Hai khái niệm khối lợng hoàn toàn khác vai trò học nhng lại trùng đến kỳ lạ Nhiều công trình nghiên cứu quan tâm đến vấn đề nhng không phân biệt đợc khác khối lợng quán tính khối lợng hấp dẫn Hầu hết sách giáo khoa phổ thông nớc hình thành khối lợng quán tính dùng chung cho trờng hợp hấp dẫn Theo cách hiểu sơ khai Newton khối lợng đại lợng lợng vật chất chứa vật Khái niệm đợc hiểu xác sau có định luật II III Newton 36 giảng phân tích chơng trình vËt lÝ phỉ th«ng - 2004 Qua nhiỊu thÝ nghiƯm, ng−êi ta nhËn thÊy r»ng, ®èi víi hai vËt thĨ tơng tác với tỷ số gia tốc mà chúng thu đợc nh Tỷ số không phụ thuộc vào tính chất tơng tác mà phụ thuộc vào tính chất đặc biệt tan biến bên vật thể tham gia tơng tác Tính chất vốn có vật thể đợc biểu diễn đại lợng vật lý - khèi l−ỵng Thc tÝnh vèn cã cđa mäi vËt thể biểu chúng tơng tác mà ®ang nãi lµ: mn lµm thay ®ỉi vËn tèc, vËt thể cần có thời gian (đó quán tính) Bởi vậy, khối lợng gọi khối lợng quán tính Vật thể có khối lợng lớn có mức quán tính lớn r a1 m2 r = a2 m1 Hệ thức cho phơng pháp đo khối lợng vật (dù khối lợng to lớn nh hành tinh nhỏ bé nh electron ) Nhng cách viết nh cách quy ớc, lại không viết: r m2 a1 r = a2 m1 Nếu quy ớc viết nh sai? Nhng té viết nh khối lợng tính cộng đợc Điều không phù hợp với định luật bảo toàn khối lợng học cổ điển Trong thực tế, để đo khối lợng vật, ngời ta lại dùng phơng pháp khác - phơng pháp cân Phơng pháp liên quan đến định luật vạn vật hấp dẫn Bởi vậy, khối lợng ta nhận đợc gọi khối lợng hấp dẫn Nh vậy, ý nghĩa thực khối lợng gì? Khối lợng số đo mức quán tính vật Trong học Newton, khối lợng ý nghĩa khác 4.2.2 Một số lu ý dạy học Cũng nh khái niệm lực, khái niệm khối lợng đợc trình bày theo hai giai đoạn giai đoạn trực giác, khối lợng đợc trình bày theo quan niệm Newton lợng chất chứa vật Đây quan niệm dễ hiểu Theo cách nói đại Khối lợng vật số tỷ lệ với mật độ nuclon thể tích vật Định nghĩa khối lợng lợng vật chất, lợng nuclon hoàn toàn hợp lý nhng không thật hoàn toàn xác Theo quan niệm này, khối lợng đại lợng vô hớng, có giá trị dơng, không đổi, đặc trng cho vật có tính chất cộng đợc 37 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Giai đoạn logic đợc hình thành đà có định luật II Newton Từ mối liên F hệ ®· biÕt: m = , ta suy khèi l−ỵng vật đại lợng vật lý đặc trng a cho mức quán tính vật V lực học Trong chơng trình học phổ thông đề cập đến ba loại lực, lực hấp dẫn, lực đàn hồi lực ma sát Các định luật riêng lực định luật thực nghiệm mà sở quan trọng định luật Newton Không có ba định luật Newton sở để xác định tính chất riêng cđa tõng lo¹i lùc 5.1 Lùc hÊp dÉn Tõ rÊt lâu ngời ta cho Trái đất nơi có lực hút vật thể phía Đến kỷ XVII, từ quan sát thiên văn, Newton liên hệ rơi tự vật mặt đất với chuyển động mặt trăng xung quanh trái đất cho có lực hút trái đất lên mặt trăng đà làm cho mặt trăng quay xung quanh trái đất Từ lập luận đó, Newton tiến tới giải thích chuyển động hành tinh hệ mặt trời Dựa vào số liệu quan sát thiên văn mà đặc biệt chuyển động mặt trăng xung quanh trái đất, so sánh gia tốc hớng tâm mặt trăng gia tốc rơi tự vật gần mặt đất theo cách lập luận Newton cho lực hấp dẫn loại lực phổ biến toàn vũ trụ Mọi khối lợng nguồn lực hấp dẫn Khối lợng lớn lực hấp dẫn lớn xa tâm hấp dẫn lực nhỏ Từ Newton khái quát hóa nêu lên thành định luật vạn vËt hÊp dÉn: F=G m1 m r2 ®ã G = 6,67.10 11 Nm kg Định luật vạn vật hấp dẫn đà đề giả thuyết thực nghiệm: có lực kế nhạy ta tạo đợc thí nghiệm đo trực tiếp lực hấp dẫn vật thông thờng, miễn vật có khối lợng đủ lớn Cavendish ngời dựng đợc thí nghiệm tinh vi để đo trực tiếp lực hấp dẫn số hấp dẫn Đó thí nghiệm lịch sử không để kiểm chứng giả thuyết tồn lực hấp dẫn vật bình thờng mà tìm đợc số hấp dẫn, góp phần hoàn chỉnh công thức tính lực hấp dẫn mà ngày chóng ta cịng biÕt Träng lùc chØ lµ trờng hợp riêng lực hấp dẫn, lực hút trái đất lên vật đặt gần mặt đất Sự kiện đo gia tốc rơi tự sở thực nghiệm để xác định đặc ®iĨm cđa träng lùc Nh÷ng tÝnh chÊt rÊt quan träng trọng lực đặt vào vật, hớng thẳng đứng xuống dới, phụ thuộc vào độ cao vĩ độ địa lí 38 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Trọng lợng khái niệm đợc nhà khoa học tác giả sách giáo khoa tranh luận gay gắt cho ®Õn vÉn ch−a thèng nhÊt quan ®iĨm Quan niƯm thứ cho rằng, lực tác dụng lên giá đỡ hay dây treo có lực tác dụng trái đất lên vật gọi trọng lợng vật Khi vật chuyển động thang máy, tùy theo gia tốc chuyển động thang máy khác mà vật tăng, giảm trọng lợng không trọng lợng Nh trọng lợng vật nhng không đặt vào vật mà lại đặt vào vật khác (giá đỡ hay dây treo) chất trọng lợng lực hấp dẫn mà lực đàn håi Quan niƯm thø hai xt ph¸t tõ sù kiƯn muốn đo lực hút trái đất vào vật, tức muốn đo trọng lực vật ta phải dùng lực kế Con số đọc đợc lực kế trọng lợng vật Rõ ràng đặt lực kế hệ chuyển động có gia tốc khác lực kế giá trị khác nhau, nghĩa trọng lợng vật thay đổi Theo quan niệm trọng lợng vật lực mà vật tác dụng lên vật xung quanh Trong trờng hợp lực mà vật tác dụng lên lò xo, tức tơng t¸c víi c¸c vËt xung quanh Quan niƯm thø ba cho trọng lợng vật hợp lực trọng lực lực quán tính tác dụng lên vật Trong hệ quy chiếu quán tính, vật bị tác dơng bëi träng lùc P=mg vµ vËt cịng cã träng lợng P, hệ quy chiếu không quán tÝnh, mäi vËt cã träng l−ỵng P + Fqt Trong sách giáo khoa thí điểm phân ban, có nhóm tác giả lại quan niệm trọng lợng vật độ lớn trọng lực tác dụng lên vật Từ làm xuất thuật ngữ trọng lực biểu kiến, trọng lợng biểu kiến 5.2 Lực đàn hồi Lực đàn hồi xuất có biến dạng vật thể có hớng ngợc với hớng có xu hớng dịch chuyển tơng đối phần tử vật chất xảy biến dạng Chính định luật Newton làm nảy sinh giả thuyết nghiên cứu thực nghiệm lực đàn hồi đề phơng pháp tiến hành thí nghiệm cụ thể Lợi dụng đặc điểm trọng lực đà biết, ngời ta cho tác dụng vào xo lực gấp đôi, gấp ba Sự cân lực sở để xác định độ lớn lực đàn hồi thông qua lực cân với trọng lực Định luật Hooker định luật thực nghiệm cho thấy: - Biểu thức lực đàn hồi đơn giản F = -kx, - Độ lớn lực đàn hồi phụ thuộc vào độ biến dạng x Định luật Hooker sở để tạo lực kế 5.3 Lực ma sát Các lực ma sát thờng đợc chia làm hai loại: ngoại ma sát nội ma sát Lực ngoại ma sát xuất bề mặt tiếp xúc hai vật thể Nội ma sát lực tơng tác theo phơng tiếp tuyến lớp cïng mét chÊt cã xu h−íng chun ®éng ®èi với Trong chơng trình vật lý phổ thông, ngời ta thờng đề cập đến gọi ma sát khô (ma sát nghỉ, ma sát trợt, ma sát lăn) 39 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 5.3.1 Ma sát nghỉ Ma sát nghØ xt hiƯn ë bỊ mỈt tiÕp xóc cđa hai vật rắn hai vật rắn có xu hớng chuyển động Độ lớn ma sát nghỉ nhận giá trị từ đến à0N, µ0 lµ hƯ sè ma s¸t nghØ phơ thc vµo chất vật lý chất độ nhám bề mặt tiếp xúc, N lực nén vuông góc với bề mặt tiếp xúc 5.3.2 Ma sát trợt Ma sát trợt xuất bề mặt tiếp xúc hai vật rắn chúng chuyển động "trợt" lên Khi vật chuyển động với vận tốc nhỏ, độ lớn lực ma sát nghỉ F = àN, hệ số ma sát trợt (thờng hệ số ma sát nghỉ à0 lớn hệ số ma sát trợt đến 25%), N lực nén vuông góc với bề mặt tiếp xúc Tuy nhiên, Culon Amonton đà thực nghiệm độ lớn lực ma sát trợt phụ thuộc vào vận tốc tơng đối chuyển động 5.3.3 Ma sát lăn Ma sát lăn xuất có lăn vật lên bề mặt vật khác, có độ lớn tỷ lệ với hệ số ma sát lăn àl, tỷ lệ với lực nén vuông góc tỷ lệ nghịch với bán kính vật lăn àl có thứ nguyên độ dài VI Bài tập động lực học Để giải đợc toán động lực học, phải sử dụng phơng pháp động lực học (ĐLH), tức phơng pháp vận dụng ba định luật Newton định luật riêng loại lực vào việc giải tập học Phơng pháp ĐLH phải đợc coi kiến thức quan trọng cần truyền thụ cho học sinh Khác với kiến thức vật tợng, kiến thức phơng pháp môn loại kiến thức không tờng minh Thông qua việc giải hệ thống tập có chọn lọc, học học tự cảm nhận lấy theo cách riêng kiến thức phơng pháp Phơng pháp ĐLH vận dụng phơng pháp tọa độ toán học vào việc diễn tả công thức vật lý nh việc giải tập vật lý Tuy nhiên, muốn sử dụng xác phơng pháp tọa độ cần phải thống sử dụng ba loại ký hiệu cho đại lợng vectơ nh sau: - Ký hiệu F để vectơ lực - Ký hiệu Fx, Fy để hình chiếu vectơ lực lên trục täa ®é ox, oy - Ký hiƯu F ®Ĩ chØ độ lớn vectơ lực Có thể tiến hành giải toán động lực học theo bớc sau: Nghiên cứu đầu Đặc biệt ý đến vẽ hình biểu diễn lực hình vẽ đổi đơn vị cần thiết 40 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Phân tích tợng Trong phần thờng sử dụng định luật III Newton định luật riêng loại lực để phân tích xem có lực tác dụng lên vật Viết phơng trình định luật II Newton dới dạng vectơ F1 + F2 + = ma Chän trôc täa độ ox, oy chiếu phơng trình vectơ lên trục tọa độ để có đợc phơng trình vô hớng Căn vào điều kiện ban đầu (v0, x0, y0) xác định dạng chuyển động viết phơng trình chuyển động tơng ứng Giải hệ phơng trình Biện luận kết VII Thí nghiệm động lực học Trớc đây, ngời ta quan niệm định luật Newton đợc hình thành nh định luật vật lý khác, nên đà sử dụng nhiều thí nghiệm khác để hình thành định luật II định luật III Newton Ngày nay, quan niệm đà đợc thay đổi, với trợ giúp đệm không khí máy vi tính, ngời ta đà tiến hành thành công thí nghiệm định luật II III Newton Những thí nghiệm mang tính chất minh häa VIII tÜnh häc 8.1 Néi dung kiÕn thøc Nội dung chủ yếu phần tĩnh học xét cân vật rắn Vật rắn vật có kích thớc đáng kể hầu nh không bị biến dạng bị gÃy dới tác dụng lực Mỗi vật rắn có điểm đặc biệt gọi trọng tâm vật Cần lu ý học sinh phổ thông không cần đa thuật ngữ khác nh khối tâm, tâm quán tính, thuật ngữ lại gắn với nhóm tợng vật lý mà tợng vừa khó, vừa không thiết thực đa số học sinh bậc trung học phổ thông Trong trờng hợp tổng quát, chịu tác dụng hay nhiều lực vật rắn thu gia tốc chuyển động Chuyển động vật rắn phức tạp vừa chuyển động tịnh tiến có gia tốc nh chất điểm, đồng thêi nã võa quay xung quanh mét trơc ®i qua trọng tâm vật Sự có mặt chuyển động quay nét đặc trng chuyển động vật rắn Ngời ta chứng minh đợc rằng, trờng hợp tổng quát, hệ lực tác dụng vào vật rắn rút gọn lực đặt trọng tâm vật mômen lực Lực tổng lực hợp lực nh trờng hợp chất điểm Do đó, điều kiện cân tổng quát là: - Tổng lực đặt lên vật không - Tổng đại số mômen lực trục quay không 41 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Muốn vật đứng yên phải thêm điều kiện vận tốc ban đầu vật không 8.2 Một số lu ý cần thiết Đối với đa số học sinh, chơng trình không yêu cầu cao, tức không xét cân vật rắn trờng hợp tổng quát, mà xét cân hai trờng hợp riêng, đơn giản Đó trờng hợp cân vật có trục quay cố định trờng hợp cân vật chuyển động quay (cân vật không quay đợc) Đối với trờng hợp vật có trục quay cố định dới tác dụng lực, vật chuyển động tịnh tiến đợc Do đó, vật quay quanh trục mà Nói cách khác, chuyển động tịnh tiến bị khử phản lực trục quay Hiểu trạng thái cân vật chuyển động quay? Giả sử có hai lực F1 F2 tác dụng đồng thời vào vật rắn làm cho chuyển động tịnh tiến mạng thái cân vật gọi trạng thái cân chuyển động quay Một thí không quay Muốn hợp lực hai lực phải có giá qua trọng tâm vật Ta buộc vật đứng yên hay chuyển động tịnh tiến thẳng cách đặt thêm vào vật lực thứ ba trực hợp lực Khi đó, ví dụ phổ biến trạng thái cân vật đợc treo vào giá đỡ một, hai sợi dây Khi dây treo, vật rơi tự do, nghĩa chuyển động tịnh tiến (vì vận tốc ban đầu vật không) Trong trờng hợp đó, dây treo có tác dụng khử chuyển động tịnh tiến vật Nh vậy, trạng thái vật treo dây trạng thái cân chuyển động quay Xét điều kiện cần lúc thật đơn giản Đối với trờng hợp có liên kết mà vật chuyển động tịnh tiến điều kiện cân vật tổng lực tác dụng lên vật không, thí dụ nh chuyến động ngăn kéo, pittông xilanh Một nội dung phần tĩnh học nêu bật đợc khác vật rắn với chất điểm để chuẩn bị cho việc nghiên cứu tìm điều kiện cân cho vật Đó là: - Vật rắn có kích thớc đáng kể, lực tác dụng vào vật nhng lại điểm đặt - Tác dụng lực vật rắn không thay đổi ta di chuyển vectơ lực giá Đối với vật rắn điểm đặt không quan trọng giá lực - Vật rắn có điểm đặc biệt gọi trọng tâm Trọng tâm điểm đặt hợp lực tất trọng lực nguyên tố tác dụng lên phần tử nhỏ (nguyên tố) vật Trọng tâm nằm vật Trọng tâm điểm đặc biệt vì: - Nếu ném vật rắn lên đệm không khí (chuyển động ma sát), vật chuyển động tự theo tất phơng ngang nhng dễ dàng quan 42 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 sát đợc trọng tâm chuyển động thẳng Chính lý mà trọng tâm dợc gọi tâm quán tính để đặc điểm chuyển động quán tính vật rắn, - Nếu tác dụng vào vật rắn lực có giá qua trọng tâm vật chuyển động tịnh tiến giống nh chất điểm có khối lợng tập trung trọng tâm, - Nếu lực tác dụng vào vật mà có giá không qua trọng tâm vật vừa chuyển động tịnh tiến võa chun ®éng quay quanh mét trơc ®i qua träng tâm.Sách giáo khoa cố ý sử dụng thêm khái niệm tổng vectơ tác dụng lên vật rắn nói chung khái niệm khác với khái niệm hợp lực 8.3 Bài tập tĩnh học Cái khó tập phần tĩnh học vấn đề phân tích lực Việc phân tích lực phụ thuộc nhiều vào đặc điểm loại liên kết nh liên kết dây mềm, liên kết lề (liên kết khớp động) liên kết chặt Liên kết chặt gọi hệ siêu tĩnh Không thể dùng tĩnh học để giải đợc toán siêu tĩnh Vì toán tĩnh học chơng trình vật lý phổ thông đề cập đến liên kết dây mềm liên kết lề mà Để giải loại toán cần áp dụng điều kiện cân đủ 8.3.1 Liên kết dây mềm Liên kết dây mềm liên kết đơn giản dây có đặc điểm chịu lực kéo dÃn Nếu treo vật vào hai dây treo (hình vẽ) dới tác dụng trọng lực lên vật mà vật tác dụng kéo căng hai dây Lực vật tác dụng lên hai dây phân tích thành hai thành phần theo phơng hai dây B 8.3.2 Liên kết b»ng b¶n lỊ C A A P1 Gi¶ sư cã cứng AB có khối lợng không đáng kể, quay quanh trục quay cố định B gắn chặt với tờng Nếu treo vào đầu A vật m, dới tác dụng trọng lực mà vật m tác dụng lên đầu A lực P có tác dụng làm quanh xung quanh lề B ®ång thêi nÐn (hay kÐo d·n) AB Do C phân tích P thành hai lực thành phần P1 vuông góc với P2 dọc theo Nếu ta giữ cho không quay cách dùng thêm dây chằng AC lực P gây tác dụng kéo căng dây tác dụng nén B AB Trong trờng hợp ta phân tích P theo hai C phơng AC AB NÕu b©y giê ta thay d©y AC b»ng mét cứng AC có khối lợng không đáng kể, liên kết với AB với tờng lề Khi cân bằng, B hợp lực lực tác dụng lên phải hớng 43 P2 P A A A giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 dọc theo vào trục quay Do ta phân tích lực P theo hai phơng dọc theo hai AB AC Nên ý đến tác dụng lề Nhờ có lề mà cứng chịu tác dụng lực kéo dÃn lực nén dọc theo không chịu tác dụng uốn lực có phơng vuông góc với 44 ... chuyển động trình đâu phải đại lợng vật lý 33 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 Cách phát biểu mà ngày nhà khoa học cho xác là: Lực tác dụng lên vật tích khối lợng vật thể nhân... ®éng Trong chơng trình vật lý phổ thông, ngời ta thờng đề cập đến gọi ma sát khô (ma sát nghỉ, ma sát trợt, ma sát lăn) 39 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 5 .3. 1 Ma sát nghỉ... chuyển động không 35 giảng phân tích chơng trình vật lí phổ thông - 2004 phần tử vật Bởi nên định nghĩa: Lực tác dụng lên vật đại lợng vectơ tích khối lợng m với gia tốc a mà vật thu đợc dới tác