1.5.2 .Về tình hình dạy của giáo viên
2.2.Nội dung khoa học một số kiến thức trong chương “Động lực học chất
2.2.1. Định luật I Niu-tơn
Trong hệ quy chiếu quán tính, định luật Niu-tơn thứ nhất được phát biểu như sau :Nếu tổng hợp lực tác dụng lên một vật bằng khơng thì khối tâm của nó tiếp tục
trạng thái chuyển động như cũ. Như vậy, một vật ban đầu nằm yên thì sẽ vẫn nằm yên nếu như tổng hợp lực tác dụng lên nó bằng khơng và nếu vật đang chuyển động sẽ chuyển vẫn chuyển động với vận tốc cũ, theo hướng cũ. Điều ngược lại cũng xảy ra: Nếu ta thấy một vật chuyển động với vận tốc khơng đổi theo một đường thẳng thì hợp lực tác dụng lên vật bằng 0.
Định luật I Niu-tơn không phải được nghiệm đúng trong mọi hệ qui chiếu. Hãy xét hai hệ quy chiếu chuyển động tương đối với nhau với một gia tốc nào đó. Nếu một vật đứng yên trong hệ quy chiếu này thì chắc chắn sẽ chuyển động có gia tốc đối với hệ quy chiếu kia. Định luật I Niu-tơn được nghiệm đúng trong hệ quy chiếu qn tính. Người ta cịn gọi định luật này là định luật qn tính.
Có vơ số hệ quy chiếu quán tính. Chẳng hạn một hệ quy chiếu chuyển động thẳng đều so với một hệ quy chiếu qn tính nào đó cũng là một hệ quy chiếu quán tính. Thực nghiệm xác định được rằng hệ quy chiếu có tâm trùng với Mặt Trời và các trục hướng về phía các ngơi sao đã được chọn một cách phù hợp là một hệ quy chiếu quán tính. Nếu một hệ quy chiếu bất kì chuyển động thẳng đều so với hệ quy chiếu trên thì sẽ là một hệ quy chiếu quán tính.
Trái Đất của chúng ta, ngoài chuyển động tự quay quanh trục của nó cịn chuyển động xung quanh Mặt Trời với quỹ đạo có dạng elip. Do đó hệ quy chiếu gắn với Trái Đất sẽ chuyển động với một gia tốc nào đó đối với hệ quy chiếu gắn với Mặt Trời. Vì vậy, hệ quy chiếu gắn với Trái Đất không là hệ quy chiếu quán
tính. Tuy nhiên, gia tốc của hệ quy chiếu gắn với Trái Đất đối với hệ quy chiếu gắn với Mặt Trời là rất nhỏ. Trong một số trường, hợp hệ quy chiếu gắn với mặt Đất vẫn được xem là hệ quy chiếu quán tính.
2.2.2. Định luật II Niu-tơn
Định luật II Niu-Tơn được Niu-tơn phát hiện nhờ trực giác thiên tài của mình, trên cơ sở khái quát hoá từ rất nhiều sự kiện quan sát được. Cách phát biểu ban đầu của định luật I Niu-tơn là : “Tốc độ biến thiên động lượng của một vật tỉ lệ với hợp lực tác dụng lên vật và có hướng của lực đó:F d p
dt
=
ur ur
”. Như vậy, lực là nguyên nhân làm biến đổi chuyển động chứ không gây ra chuyển động. Ngày nay, cách phát biểu định luật II Niu-tơn thường dùng là : “Chuyển động của một chất điểm chịu tác dụng của các lực có tổng hợp Fur¹0
là một chuyển động có gia tốc. Gia tốc của chất điểm tỉ lệ thuận với tổng hợp lực Fur
và tỉ lệ nghịch với khối lượng chất điểm ấy a K F
m
=
ur r
”.Trong hệ đơn vị SI hệ số tỉ lệ K=1 biểu thức định luật Niu-
tơn thứ hai có dạng: a F m
=
ur r
. Trường hợp riêng, khi Fur=0
thì gia tốc ar=0
tức là vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Đó cũng là những khẳng định của định luật I Niu-tơn. Điều đó dễ gây hiểu nhầm rằng định luật I Niu-tơn là hệ quả của định luật Niu-tơn thứ hai. Thực tế là định luật I Niu tơn được trình bày độc lập với định luật II Niu-tơn vì định luật này khẳng định sự tồn tại của hệ quy chiếu quán tính.
Định luật II Niu-tơn là một định luật phổ biến vì nó ln đúng cho mọi sự tương tác, cho dù các tương tác đó có bản chất khác nhau. Người ta dùng định luật này để nghiên cứu chuyển động của viên đạn, của các vì sao, của phân tử, của các chi tiết máy…Nhờ định luật II Niu-tơn có thể tính được gia tốc của chuyển động, do đó giải được bài tốn cơ bản về chuyển động của các vật.
2.2.3. Định luật III Niu-tơn
Nội dung định luật III Niu-tơn : “Khi chất điểm A tác dụng lên chất điểm B một lực Fur
thì chất điểm B cũng tác dụng lên chất điểm A một lực Fur' . Fur
và Fur' tồn tại đồng thời, cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn”.Biểu thức : Fur
+ Fur' = 0 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như vậy, định luật III Niu-tơn chỉ ra đặc tính tương tác của các vật nghĩa là cứ có lực tác dụng thì sẽ có lực phản tác dụng. Định luật III Niu-tơn đúng cho mọi trường hợp tương tác, dù bản chất của lực tương tác là gì và các vật tương tác chuyển động với vận tốc thế nào đi nữa.
2.2.4. Lực và khối lượng
Lực và khối lượng là hai đại lượng cơ bản của động lực học. Nếu khơng có lực và khối lượng thì khơng thể nói gì về các định luật của động lực học. Ngược lại các định luật của động lực học làm rõ hai đại lượng này.
Nhiều SGK định nghĩa: “Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác. Kết quả là làm vật biến dạng hoặc thu được gia tốc”. Với cách định nghĩa này thì lực có hai biểu hiện: Biểu hiện tĩnh học là làm vật biến dạng; Biểu hiện động lực học là gây ra gia tốc. Quan điểm hiện đại cho rằng lực chỉ có một biểu hiện là gây ra gia tốc cịn biến dạng là hệ quả của việc biến đổi chuyển động không đều của các phân tử vật chất. Do đó, chỉ định nghĩa “Lực tác dụng lên vật là đại lượng vectơ được tính bằng là tích của khối lượng của vật và gia tốc mà vật thu được dưới tác dụng của lực”. Công thức F maur= r
nhưng cũng là công thức định luật II Niu-tơn vừa là công thức định nghĩa lực.
Do khái niệm khối lượng xuất hiện trong định luật vạn vật hấp dẫn và định luật II Niu-tơn nên trong lịch sử Vật lí xuất hiện hai khái niệm khối lượng là khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn. Qua nhiều thí nghiệm, người ta thấy rằng tỉ số gia tốc mà hai vật thể thu được khi chúng tương tác là như nhau. Tỉ số này không phụ thuộc vào bản chất tương tác mà chỉ phụ thuộc vào một tính chất nào đó tan biến trong chính bên trong vật thể. Tính chất này là vốn có của mỗi vật thể và được biểu diễn bởi khối lượng. Thuộc tính vốn có mà mọi vật thể đều biểu hiện khi tham gia tương tác là: muốn thay đổi vận tốc cần có thời gian (đó là qn tính). Khi đó khối lượng được gọi là khối lượng qn tính. Vật nào có khối lượng lớn hơn sẽ có mức qn tính lớn hơn 1 2 1 2 a m m a = uur
uur Hệ thức này cho chúng ta phương pháp đo khối lượng của một vật bất kì dù là nhỏ bé như một electrôn hay lớn như các hành tinh.
Tuy nhiên trong thực tế, để đo khối lượng của một vật thể chúng ta dùng phép cân và khối lượng đo được là khối lượng hấp dẫn.
Hai khái niệm khối lượng hấp dẫn và khối lượng qn tính hồn tồn khác nhau về vai trị trong cơ học nhưng chúng lại hoàn toàn trùng nhau. Trong cơ học Niu- tơn thì ý nghĩa duy nhất của khối lượng là: khối lượng là số đo mức quán tính.
2.2.5. Các loại lực cơ học
Lực hấp dẫn là lực hút giữa mọi vật và có độ lớn tỉ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai vật.
Theo Niu-tơn, vật có khối lượng m bị kéo về gần vật có khối lượng M với gia tốc : g GM2
r
= với G là hằng số hấp dẫn; r là khoảng cách giữa hai vật.
Theo định luật II Niu-tơn, vật m chuyển động với gia tốc g thì lực hấp dẫn F = mg hay F GMm2
r
= . Biểu thức này chính là biểu thức của định luật vạn vật hấp dẫn. Trong cơng thức này, kích thước các vật được coi là rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
Lực hấp dẫn là một trong bốn loại lực cơ bản của tự nhiên (Lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh) theo mơ hình chuẩn được chấp nhận trong Vật lí hiện đại. Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện như một ngoại lực tác dụng lên vật thể. Lực hấp dẫn giúp gắn kết các vật chất để tạo nên Trái đất. Lực hấp dẫn làm các vật thể rơi về phía Trái Đất. Lực hấp dẫn giữ Trái Đất và các hành tinh khác chuyển động quanh Mặt trời trên quĩ đạo của chúng…Trọng lực là trường hợp riêng của lực hấp dẫn, đó là lực hút của Trái Đất lên các vật đặt gần bề mặt Trái Đất. Sự kiện đo gia tốc rơi tự do là cơ sở để xác định đặc điểm của trọng lực. Trọng lực được đặt vào vật, hướng thẳng đứng xuống dưới và phụ thuộc vào độ cao của vật và vĩ độ địa lí.
Trọng lượng là một khái niệm mà đến nay các nhà khoa học chưa có sự thống nhất về quan điểm. Có quan niệm cho rằng trọng lượng là lực tác dụng của vật lên các vật xung quanh. Muốn đo trọng lượng của một vật ta dùng lực kế. Con số đọc được trên lực kế là lực mà vật tác dụng lên lò xo và cũng chính là trọng lượng của vật.
Quan niệm khác cho rằng lực tác dụng lên giá đỡ hay dây treo do có lực tác dụng của Trái Đất lên vật là trọng lượng của vật. Do đó khi vật nằm trong thang máy chuyển động có gia tốc thì trọng lượng của vật có thể tăng, giảm, khơng trọng lượng. Vậy bản chất của trọng lượng không phải lực hấp dẫn mà là lực đàn hồi.
Quan niệm thứ ba cho rằng trọng lượng là hợp lực của trọng lực và lực quán tính. Trong hệ qui chiếu qn tính thì trọng lượng bằng trọng lực. Cịn trong hệ qui chiếu phi qn tính thì trọng lượng bằng tổng của trọng lực và lực quán tính.
Lực đàn hồi là lực sinh ra khi một vật đàn hồi bị biến dạng và có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Trong giới hạn đàn hồi, lực đàn hồi được xác định gần đúng theo định luật Húc: F = -kx. Trong đó x là độ biến dạng; k là hệ số đàn hồi (hay độ cứng). Lực đàn hồi có bản chất là lực tương tác giữa các phân tử hay nguyên tử, tức là lực điện từ giữa các electron và proton bên trong vật đàn hồi.
Ma sát là một loại lực cản xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa các vật. Lực ma sát làm chuyển hoá động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành dạng năng lượng khác (điện năng, quang năng và chủ yếu là năng lượng nhiệt). Nguyên nhân là do sự va chạm của các phân tử ở bề mặt hai vật tiếp xúc. Các lực ma sát được chia làm hai loại: nội ma sát và ngoại ma sát. Lực ngoại ma sát xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa hai vật. lực nội ma sát là lực tương tác theo phương tiếp tuyến giữa các lớp của cùng một chất khi có xu hướng chuyển động tương đối với nhau. Trong chương trình Vật lí phổ thơng thường đề cập đến lực ma sát khô (Ma sát nghỉ, ma sát trượt, ma sát lăn). Lực ma sát nghỉ xuất hiện trên mặt tiếp xúc giữa hai vật khi chúng có xu hướng chuyển động tương đối với nhau. Lực ma sát nghỉ có độ lớn từ 0 đến 0N, khi vật bắt đầu chuyển động Fmsn= nN Với n là hệ số ma sát nghỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất và độ nhám của các bề mặt tiếp xúc; Nlà lực nén vng góc với bề mặt tiếp xúc.
Lực ma sát trượt xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa hai vật khi chúng có chuyển động “trượt” trên nhau và có xu hướng chống lại chuyển động trượt. Khi vật chuyển động với vận tốc khơng lớn thì độ lớn của lực ma sát trượt được tính bằng cơng thức Fmst= tNtrong đó tlà hệ số ma sát trượt. Hệ số ma sát trượt thường nhỏ hơn hệ số ma sát nghỉ.
Lực ma sát lăn xuất hiện khi chuyển động lăn của vật này trên bề mặt vật khác. Độ lớn của lực ma sát lăn tỉ lệ với hệ số ma sát lăn, tỉ lệ với lực nén