Nội dung khoa học một số kiến thức trong chƣơng “Động lực học chất

1.5.2 .Về tình hình dạy của giáo viên

2.2. Nội dung khoa học một số kiến thức trong chƣơng “Động lực học chất

2.2.1. Định luật I Niu-tơn

Trong hệ quy chiếu quán tính, định luật Niu-tơn thứ nhất đƣợc phát biểu nhƣ 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. Nhƣ vậy, một vật ban đầu nằm yên thì sẽ vẫn nằm

yên nếu nhƣ 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 hƣớng cũ. Điều ngƣợc lại cũng xảy ra: Nếu ta thấy một vật chuyển động với vận tốc không đổi theo một đƣờng thẳng thì hợp lực tác dụng lên vật bằng 0.

Định luật I Niu-tơn không phải đƣợc nghiệm đúng trong mọi hệ qui chiếu. Hãy xét hai hệ quy chiếu chuyển động tƣơng 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 đƣợc nghiệm đúng trong hệ quy chiếu quán tính. Ngƣời ta cịn gọi định luật này là định luật qn tính.

Có vơ số hệ quy chiếu qn 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 qn tính. Thực nghiệm xác định đƣợc rằng hệ quy chiếu có tâm trùng với Mặt Trời và các trục hƣớng về phía các ngôi sao đã đƣợc 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 khơng là hệ quy chiếu qn

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 trƣờng, hợp hệ quy chiếu gắn với mặt Đất vẫn đƣợc xem là hệ quy chiếu quán tính.

2.2.2. Định luật II Niu-tơn

Định luật II Niu-Tơn đƣợc Niu-tơn phát hiện nhờ trực giác thiên tài của mình, trên cơ sở khái qt hố từ rất nhiều sự kiện quan sát đƣợc. Cách phát biểu ban đầu của định luật I Niu-tơn là : “Tốc độ biến thiên động lƣợng của một vật tỉ lệ với hợp lực tác dụng lên vật và có hƣớng của lực đó:F d p

dt

 ur ur

”. Nhƣ 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 thƣờng dùng là : “Chuyển động của một chất điểm chịu tác dụng của các lực có tổng hợp Fur 0 là một chuyển động có gia tốc. Gia tốc của chất điểm tỉ lệ thuận với tổng hợp lực F

ur và tỉ lệ nghịch với khối lƣợng 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

. Trƣờng hợp riêng, khi Fur 0thì gia tốc ar 0tức 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 đƣợc 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 tƣơng tác, cho dù các tƣơng tác đó có bản chất khác nhau. Ngƣời 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 đƣợc gia tốc của chuyển động, do đó giải đƣợc 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 F

ur

thì chất điểm B cũng tác dụng lên chất điểm A một lực F'

ur . F ur và F' ur tồn tại đồng thời, cùng phƣơng, ngƣợc chiều và cùng độ lớn”. Biểu thức : Fur+ urF'= 0

Nhƣ vậy, định luật III Niu-tơn chỉ ra đặc tính tƣơng 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 trƣờng hợp tƣơng tác, dù bản chất của lực tƣơng tác là gì và các vật tƣơng tác chuyển động với vận tốc thế nào đi nữa.

2.2.4. Lực và khối lượng

Lực và khối lƣợng là hai đại lƣợng cơ bản của động lực học. Nếu khơng có lực và khối lƣợng thì khơng thể nói gì về các định luật của động lực học. Ngƣợc lại các định luật của động lực học làm rõ hai đại lƣợng này.

Nhiều SGK định nghĩa: “Lực là đại lƣợng đặc trƣng cho tác dụng của vật này lên vật khác. Kết quả là làm vật biến dạng hoặc thu đƣợc 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 còn 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 lƣợng vectơ đƣợc tính bằng là tích của khối lƣợng của vật và gia tốc mà vật thu đƣợc dƣới tác dụng của lực”. Công thức Fur mar nhƣng cũng là công thức định luật II Niu-tơn vừa là công thức định nghĩa lực.

Do khái niệm khối lƣợng 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 lƣợng là khối lƣợng quán tính và khối lƣợng hấp dẫn. Qua nhiều thí nghiệm, ngƣời ta thấy rằng tỉ số gia tốc mà hai vật thể thu đƣợc khi chúng tƣơng tác là nhƣ nhau. Tỉ số này không phụ thuộc vào bản chất tƣơng 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 đƣợc biểu diễn bởi khối lƣợng. Thuộc tính vốn có mà mọi vật thể đều biểu hiện khi tham gia tƣơng tác là: muốn thay đổi vận tốc cần có thời gian (đó là qn tính). Khi đó khối lƣợng đƣợc gọi là khối lƣợng qn tính. Vật nào có khối lƣợng 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 phƣơng pháp đo khối lƣợng của một vật bất kì dù là nhỏ bé nhƣ một electrôn hay lớn nhƣ các hành tinh.

Tuy nhiên trong thực tế, để đo khối lƣợng của một vật thể chúng ta dùng phép cân và khối lƣợng đo đƣợc là khối lƣợng hấp dẫn.

Hai khái niệm khối lƣợng hấp dẫn và khối lƣợng qn tính hồn tồn khác nhau về vai trị trong cơ học nhƣng chúng lại hoàn toàn trùng nhau. Trong cơ học Niu- tơn thì ý nghĩa duy nhất của khối lƣợng là: khối lƣợng 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 lƣợng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách giữa hai vật.

Theo Niu-tơn, vật có khối lƣợng m bị kéo về gần vật có khối lƣợng 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 thƣớc các vật đƣợc 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 đƣợc chấp nhận trong Vật lí hiện đại. Trong cơ học cổ điển, lực hấp dẫn xuất hiện nhƣ 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 trƣờng 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 đƣợc đặt vào vật, hƣớng thẳng đứng xuống dƣới và phụ thuộc vào độ cao của vật và vĩ độ địa lí.

Trọng lƣợng là một khái niệm mà đến nay các nhà khoa học chƣa có sự thống nhất về quan điểm. Có quan niệm cho rằng trọng lƣợng là lực tác dụng của vật lên các vật xung quanh. Muốn đo trọng lƣợng của một vật ta dùng lực kế. Con số đọc đƣợc trên lực kế là lực mà vật tác dụng lên lị xo và cũng chính là trọng lƣợng 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 lƣợng của vật. Do đó khi vật nằm trong thang máy chuyển động có gia tốc thì trọng lƣợng của vật có thể tăng, giảm, khơng trọng lƣợng. Vậy bản chất của trọng lƣợng không phải lực hấp dẫn mà là lực đàn hồi.

Quan niệm thứ ba cho rằng trọng lƣợng là hợp lực của trọng lực và lực quán tính. Trong hệ qui chiếu qn tính thì trọng lƣợng bằng trọng lực. Cịn trong hệ qui chiếu phi qn tính thì trọng lƣợng 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 hƣớng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Trong giới hạn đàn hồi, lực đàn hồi đƣợc 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 tƣơng 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 tƣơng đối giữa các bề mặt thành dạng năng lƣợng khác (điện năng, quang năng và chủ yếu là năng lƣợng nhiệt). Nguyên nhân là do sự va chạm của các phân tử ở bề mặt hai vật tiếp xúc. Các lực ma sát đƣợc 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 tƣơng tác theo phƣơng tiếp tuyến giữa các lớp của cùng một chất khi có xu hƣớng chuyển động tƣơng đối với nhau. Trong chƣơng trình Vật lí phổ thơng thƣờng đề cập đến lực ma sát khô (Ma sát nghỉ, ma sát trƣợt, ma sát lăn). Lực ma sát nghỉ xuất hiện trên mặt tiếp xúc giữa hai vật khi chúng có xu hƣớng chuyển động tƣơng 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 trƣợt xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa hai vật khi chúng có chuyển động “trƣợt” trên nhau và có xu hƣớng chống lại chuyển động trƣợt. Khi vật chuyển động với vận tốc khơng lớn thì độ lớn của lực ma sát trƣợt đƣợc tính bằng cơng thức Fmst tNtrong đó tlà hệ số ma sát trƣợt. Hệ số ma sát trƣợt thƣờng 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