NGHÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 10.

Do thấy được tầm quan trọng của vấn đề, Newton dă nêu lên thành một trong ba định luật cơ bản của cơ học: “Mọi vật thể đều có tính chất giữ nguyên trạng tháiđứng yên hoặc chuyển động thẳ

A MỞ ĐẦU

Nhằm thực hiện tốt mục tiờu dạy học, theo tụi việc nghiờn cứu cấu trỳcchương trỡnh, nội dung kiến thức và cỏch thể hiện nội dung đú trong sỏch giỏokhoa Vật lớ phổ thụng là rất cần thiết đối với một giỏo viờn Vật lớ Bởi lẽ núcũng là nhiệm vụ chớnh của “Phõn tớch chương trỡnh vật Lớ phổ thụng”, mộtphần quan trọng của chuyờn ngành Phương phỏp dạy học Vật lớ

Qua phõn tớch đú sẽ giỳp chỳng ta cú cỏi nhỡn sõu hơn, tổng quỏt hơn vềchương trỡnh, SGK Vật lớ hiện nay, từ đú cú thể điều chỉnh cỏch dạy phự hợpnhằm truyền thụ kiến thức đến học sinh một cỏch dễ dàng hơn và phỏt huyđược tớnh tớch cực trong học tập của học sinh

Cơ học là một phần của Vật lớ học nghiờn cứu hiện tượng chuyển động cơhọc của cỏc vật Trong đú động học chỉ nghiờn cứu chuyển động của vật thể

mà khụng đề cập đến nguyờn nhõn gõy ra chuyển động Do đú động lực học

đó giải quyết vấn đề này Nội dung cơ bản của phần “Động lực học chất điểm” nghiờn cứu cỏc khỏi niệm lực và khối lượng; cỏc định luật I, II và III

của Niu-tơn Đú là cơ sở chi phối toàn bộ cơ học núi chung Ngoài ra nộidung chương này cũn đề cập đến những loại lực hay gặp trong cơ học: lựchấp dẫn, lực đàn hồi, lực ma sỏt

Nhằm nghiờn cứu sõu sắc cỏch kiến thức cơ bản trong phần động họcchất điểm và động lực học chất điểm để làm tư liệu tham khảo khi giảng dạy,gúp phần nõng cao chất lượng dạy và học mụn vật lý ở phần này Chỳng tụichọn đề tài: NGHấN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN ĐỘNG LỰCHỌC CHẤT ĐIỂM TRONG CHƯƠNG TRèNH VẬT Lí 10

II KIẾN THỨC VẬT Lí PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM

Lực Quy tắc tổng hợp và phân tích lực

Ba định luật Niu-tơn Khối lợng

Lực hấp dẫn Trọng lực.

Chuyển động ném ngang và ném xiên Lực ma sát Hệ số ma sát.

Lực đàn hồi Định luật Húc Lực căng của dây.

Cân bằng của chất điểm Tổng hợp và phân tích các lực đồng quy Quy

tắc hình bình hành

Chuyển động của một vật trên mặt phẳng ngang và trên mặt phẳng nghiêng Hệ vật chuyển động

Hệ quy chiếu phi quán tính Lực quán tính Lực quán tính li tâm Trọng

lợng và hiện tợng tăng, giảm, mất trọng lợng

III CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN PHẦN CÁC LỰC CƠ HỌC

1 Cỏc khỏi niệm: Trọng lực, trọng lượng, lực đàn hồi, lực ma sỏt, lực

quỏn tớnh, hệ quy chiếu quỏn tớnh, hệ quy chiếu phi quỏn tớnh, lực hướngtõm, lực quỏn tớnh li tõm, hệ vật, ngoại lực, nội lực

2 Cỏc định luật: Cỏc định luật riờng cho từng loại lực trong cơ học

1 Các khái niệm

1 1 Quán tính

Khi trình bày khái niệm quán tính trong sách giáo khoa, các chuyên gia gặp rất nhiều khó khăn vì tính chất hai nghĩa cùa quán tính theo các cách hiểu gắn 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 vật thề Do thấy được tầm quan trọng của vấn đề, Newton dă nêu lên thành một trong

ba định luật cơ bản của cơ học: “Mọi vật thể đều có tính chất giữ nguyên trạng tháiđứng yên hoặc chuyển động thẳng đều chừng nào còn chưa có lực tác dụng lên nó” Như vậy, quán tính theo định luật I Newton diễn tả được hiểu là tính chất bảo toàn trạng thái chuyển dộng của vật Vì vậy, người ta còn gọi định luật I Newton làđịnh luật quán tính Nếu hiểu theo nghĩa này thì quán tính là một tính chất phổ biến, không đổi và không tách rời mọi vật Mọi vật đều có quán tính như nhau Vậy thì quán tính không phải là một đại lượng vật lí và không thể nói đến “số đo quán tính”

Theo cách hiểu thứ hai, thuật ngữ quán tính gắn liền với định luật II Newton.Một vật thể khi chịu tác dụng của một lực hãm thì trước khi dừng lại còn có thể đi hết một khoảng cách nào đó “theo quán tính” Như vậy, thuật ngữ quán tính ở đây nói rằng, để biến đổi vận tốc chuyển động của một vật dưới tác dụng cùa một vật bất kỳ cần phải có một thời gian xác dinh, tức là lực xác định gia tốc chứ không phải xác định vận tốc Dưới tác dụng của một lực như nhau, các vật thề khác nhau

sẽ thu được các gia tốc khác nhau Với ý nghĩa này, ta có thể đưa ra số đo “mức quán tính” cùa mỗi vật

Cho đến nay, các sách giáo khoa vẫn sử dụng tính chất hai nghĩa của quán tính một cách thận trọng Tính chất “quán tính” hiểu theo cách thứ nhất cùng với định luật I Newton, là tính chất bảo toàn vận tốc của vật thể, hay nói chính xác hơnquán tính là hiện tượng bào toàn vận tốc của vật thể trong chuyến động Và người

ta dùng dến thuật ngữ “mức quán tính” dê diễn tả tính chất của vậtt thể gắn liền vớiđịnh luật II Newton Mức quán tính là tính chất của vật thể thu dược gia tốc khác nhau dưới tác dụng của những lực khác nhau Do đó, khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật Do vật thể có quán tính mà nó có mức quán tính Tuy nhiên, hai khái niệm “quán tính” và “mức quán tính” hoàn toàn không đồng nhất với nhau

1.2 Khái niệm lực và khối lượng

Lực và khối lượng là hai khái niệm rất cơ bản của động lực học Không thể nói đến các định luật của chuyển động nếu không có hai đại lượng này Mặc khác, hai đại lượng này chỉ có thế trình bày một cách trọn vẹn sau khi đã trình bày các định luật Newton

1.2.1 Lực

1.2.1.1 Nội dung khái niệm

Để đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác, người ta đưa ra khái niệm lực Newton cho rằng: “Lực đặt vào là sự tác dụng tiến hành trên vật thể để làm thay đổi trạng thái đứng yên hay là chuyển động thẳng đều của nó” Đây chính

là ý nghĩa của khái niệm lực Feyman lại cho rằng: “Lực là cái mà nếu không có nóthì vật sẽ đứng yên hoặc chuyền động thẳng đều” Cả hai cách phát biểu này chỉ đềcập đến khái niệm mà chưa nói rõ lực là một đại lượng vật lí để có thế đo và biểu diễn được bằng số

Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi một vật chịu một tác dụng bên ngoài thì trạng thái chuyển động của vật thay đối Lực đặc trưng cho tương tác giữa các vật

và là nguyên nhân gây ra sự thay đôi trạng thái chuyên động của các vật Đại lượngđặc trưng cho sự thay đổi trạng thái chuyển động là vectơ gia tốc ⃗a Do đó

ta có thể nói lực là nguyên nhân gây ra gia tốc cùa chuyên động Lực được định nghĩa như là một ảnh hưởng gây ra gia tốc cho vật Như vậy, một vật chuyển động

có gia tốc là do lực tác dụng lên nó Thực nghiệm chứng to rằng gia tốc cua vật tý

lộ với lực tác dụng lcn nó: ⃗a ~ ⃗F

Từ trước đến nay, người ta vẫn cho rằng lực có hai biểu hiện: biểu hiện tĩnh học (gây ra biến dạng) và biểu hiện động lực học (gây ra gia tốc) Vỉ thế mà nhiều sách giáo khoa đã định nghĩa: “Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của vật này vào vật khác, kết quả là truyền gia tốc cho vật hoặc làm cho vật bị biến dạng” Hai bộ sách giáo khoa cho chương trinh cơ bản và nâng cao cũng đưa ra những định nghĩa tương tự như vậy Sách giáo khoa cho chương trình cơ bản hình thành định nghĩa về khái niệm lực từ những kiến thức đã học ở Trung học cơ sở và nhắc lại định nghĩa lực dưới dạng thông báo: “Lực là đại lượng vectơ đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác mà kết quả là gây ra gia tốc cho vật hoặc làm cho vậtbiên dạng” Sách giáo khoa cho chương trình nâng cao không đưa ra định nghĩa cụ thể về lực mà chỉ nhắc lại các ý chính về định nghĩa này là "đặc trưng cho tác dụngcủa vật này lên vật khác, làm cho vận tốc của vật thay đổi hoặc làm cho vật biến dạng" Về đặc điểm của lực, sách giáo khoa cho chương trình cơ bản nêu: “lực là một đại lượng vectơ nên có thề biểu diễn bằng một vectơ ⃗F ”.Còn sách giáo khoacho chương trình nâng cao chỉ nêu ra như một thông báo và dùng hình 13.1 (trang 60) dưới dạng mô hình hoá làm ví dụ về một vectơ lực cụ thể

Theo quan niệm hiện đại, lực chỉ có một tác dụng động lực học là gây ra gia tốc tức làm biến đổi chuyển động Hệ quả của sự biến đồi chuyển động không đều của các phần tử của vật là làm vật bị biến dạng Bởi vậy, chỉ nên định nghĩa: “Lực tác dụng lên vật là một đại lượng vectơ bằng tích của khối lượng m với gia tốc a

mà vật thu được dưới tác dụng của lực”

p

Công thức của định luật II Newton ⃗F=m⃗a bao giờ cũng cho phép xác định

được mối liên hệ trên giữa ba đại lượng khi ta đo F, m, a một cách độc lập Như vậy, lực tác dụng lên vật bằng tích của khối lượng m với gia tốc a mà vật thu được dưới tác dụng của lực Đồng thời, công thức trên cùng cho ta nhận biết được một cách chính xác khái niệm lực, thấy được lực là một đại lượng vectơ Do đó, công thức trên vừa là công thức cùa định luật II Newton vừa là công thức định nghĩa lực

Các lực được xét trong cơ học thường được chia ra thành các lực khác nhau tuỳ vào sự tiếp xúc trực tiếp giữa các vật (áp lực, lực ma sát, ) và các lực xuất hiện là nhờ vào các trường phát sinh từ các vật tương tác (trường hấp dẫn, trường điện từ, )

Mặc dù các lực tồn tại trong tự nhiên có vẻ đa dạng và phong phú song có thề phân biệt cá thảy bốn dạng tương tác cơ bản : tương tác hấp dẫn, tương tác điện

từ, tương tác yếu và tương tác mạnh

* Lực tĩnh điện giữa hai hạt tích điện:

trong đó q1q2 lần lượt là điện tích của hai hạt

F=G. m1m2

r2

F=k q1q2

r2

k là hệ số tỉ lệ phụ thuộc việc chọn hệ đơn vị.

1.2.1.2 Một số lưu ý khi dạy học

Khái niệm lực thường được mọi chương trình và sách giáo khoa trình bày theo hai giai đoạn: giai đọan trực giác và giai đoạn logic

Giai đoạn trực giác bắt đầu từ lớp đầu tiên khi học sinh được học vật lí Lực

là sự ảnh hưởng haỵ tác dụng của vật này lên vật khác Lúc này, người ta phải dùng những thí dụ rất “trực giác” đề học sinh có thể hiểu được như thế nào là sự ảnh hưởng hay tác dụng của vật này lên vật khác Chẳng hạn vật thể rơi có gia tốc xuống mặt đất là do trái đất ảnh hưởng (tác dụng) lên nó, các mẩu sắt vụn bị nam châm hút khi đưa chúng lại gần nam châm là do nam châm ảnh hướng (tác dụng) lên nó, Phải chăng những ảnh hường (tác dụng) đó là giống nhau và có cùng bản chất? Từ những trực giác sơ khai như thế đi dần đến trực giác cao hơn: lực là đại lượng vật lí đặc trưng cho tác dụng cùa vật này lên vật khác mà kết quả là vật thu gia tốc hoặc làm cho vật bị biến dạng Mặc dầu khái niệm lực được đề cập còn mơ

hồ, chưa rõ ràng và chưa xác định trong giai doạn trực giác, nhưng giai đoạn này làgiai đoạn rất quan trọng đê hình thành được khái niệm lực một cách chính ở giai đoạn lôgic

Giai đoạn logic xảy ra khi đã có định luật II Newton với công thức ⃗F=m⃗a

Lúc này học sinh có thể định nghĩa định lượng về lực

Trong khi giảng dạy khái niệm lực, giáo viên cũng cần nhấn mạnh những đặc điểm của lực Thực nghiệm xác minh rằng lực được dặc trưng bởi các yếu tố sau :

+ Điểm đặt của lực là điểm đặt mà tại đó vật nhận được tác dụng cơ học từ các vật khác

+ Phương, chiều cùa lực là phương, chiều chuyển động của chất điểm từ trạng thái nghỉ dưới tác dụng cơ học

+ Cường độ của lực là số đo độ mạnh yếu của tương tác cơ học

+ Lực là đại lượng vectơ

1.2.2 Khối lượng

1.2.2.1 Nội dung khái niệm

Định luật II Newton và định luật vạn vật hấp dẫn là hai định luật hoàn toàn độc lập với nhau Tuy nhiên trong hai định luật này đều xuất hiện khái niệm khối lượng Do đó có hai khái niệm đã xuất hiện trong lịch sử phát triển của vật lí học: khối lượng quán tính và khối lượng hấp dần Mặc dầu hai khái niệm này hoàn toàn khác nhau về vai trò trong cơ học nhưng lại trùng nhau đến kỳ lạ Khối lượng quántính và khối lượng hấp dẫn vẫn không phân biệt được sự khác nhau dù rằng đã có nhiều công trình nghiên cứu quan tâmđến vấn đề này Hâu hết sách giáo khoa phổ thông ở các nước chỉ hình thành khối lượng quán tính và dùng chung cho cả trườnghợp trường hấp dẫn.

Lúc đầu khối lượng chỉ được hiểu là một đại lượng dùng để chỉ lượng vật chất chứa trong vật Sau khi có định luật II Newton thì khối lượng mới được hiểu một cách chính xác

Thực nghiệm cho thấy rằng, đối với hai vật thể tương tác với nhau thì tỷ số gia tốc mà chúng thu được là như nhau Tỷ số này không phụ thuộc vào tính chất tương tác mà chỉ phụ thuộc vào một tính chất đặc biệt nào đó vốn có của mỗi vật thể Tính chất ấy được biểu hiện bằng một đại lượng vật lí là khối lượng

Theo định luật II Newton, khối lượng được dùng để chỉ mức quán tính của vật Cùng một lực tác dụng như nhau, vật nào thay đổi vận tốc nhanh hơn tức thu được gia tốc lớn hơn thì có khối lượng nhỏ hơn và ngược lại Từ đó ta có định nghĩa: “Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật” Bởi vậy, khôi lượng này được gọi là khối lượng quán tính Cách hiểu mới này cho phép ta

so sánh khối lượng cỉa các vật bất kỳ, dù chúng được làm bằng cùng một chất hay bằng các chất khác nhau Vật thể nào có mức quán tính lớn hơn thì có khối lượng lớn hơn và ngược lại

(3.1.1.1)

Hệ thức (3.1.1.1) cho chúng ta phương pháp đo khối lượng một vật bất kỳ, từ khối lượng của một électron nhỏ bé đến khối lượng của các hành tinh to lớn,

Một phương pháp khác dùng để đo khối lượng của một vật mà trong thực tế người ta thường dùng là phương pháp cân Phương pháp này lại liên quan đến một định luật khác, đó là định luật vạn vật hấp dẫn Bởi vậy, khối lượng

ở đây được gọi là khối lượng hấp dần Mặc dù hai khái niệm khối lượng này khác nhau nhưng chúng lại trùng nhau, do đó mà người ta gọi chung là khối lượng

Như vậy, khối lượng là số đo mức quán tính của vật Đó chính là ý nghĩa cùakhối lượng trong cơ học Newton

1.2.2.2 Một số lưu ý khi dạy học

|⃗a1|

|⃗a2|=

m2

m1

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

Khái niệm khối lượng cũng được trình bày theo hai giai doạn giống như kháiniệm lực: giai đoạn trực giác và giai đoạn logic

Lúc đầu, ớ giai đoạn trực giác, khối lượng được hiểu là lượng chất chứa trong vật theo cách hiểu sơ khai của Newton, hoặc hiểu theo quan niệm hiện đại:

“Khối lượng của một vật là một số tỷ lệ với mật độ nuclon và thể tích của vật” Định nghĩa khối lượng như thế không thật hoàn toàn chính xác Theo quan niệm này, khối lượng là một đại lượng vô hướng, có giá trị dương, không đổi với mọi vật và có tính cộng được

Giai đoạn logic được hình thành khi đà có định luật II Newton Ở giai đoạn này, khối lượng được hiểu là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức quán tính của mỗi vật

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 Nevvton sinh ra trong một gia

đình nông dân Theo lịch Julius, ông sinh

ngày 25 tháng 12 năm 1642 và mấtt 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

cùa 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 cồ 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 thái chuyển động ớ đây được đặc trưng bởi vận tốc (hay tồng quát là động lượng) của chuyển động Có những vật đứng yên, có những vật chuyền động thế này, có những vật chuyên động thế khác Như vậy, cái gì chi phối những chuyển động của vật? Trước tiên, ta hãy xét trạng thái đứng yên của vật

Trước Newton, Aristôt (384 - 322 TCN) có quan niệm sai lầm cho rằng trạng thái đứng yên là trạng thái tự nhiên cùa mọi vật khi không có vật nào tác

dụng lên nó Theo ỏng và các học trò cua ông thì một vật chỉ chuyên động khi ta kéo vật, tức là tác dụng vào vật một lực, còn khi thôi kéo vật (thôi tác dụng lực) thivật đứng yên.

Hãy xét một hòn bi sắt treo ở đầu một sợi dây cao su mắc trên một giá thí nghiệm 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 trong phòng 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 của trái 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 tác dụng của trái đất và sợi dây cao su cân bằng lẫn nhau Như thế, dù vẫn chịu tác dụng của trái đất và sợi dây cao su nhưng hòn bi vẫn đứng yên khi nào tác dụng cùa trái đất và sợi dây cao su còn cân bằng lẫn nhau

Như vậy, tác dụng cùa các vật xung quanh lên một vật đứng yên là tác dụng cân bằng Khi sự cân bằng bị phá vỡ, vật không còn ở trạng thái đứng yên nữa 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 tác dụng 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 cùng có gia tốc bằng không Xét về mặt động lực học thì đứng yên chi là trường hợp riêng của chuyển động thẳng đều khi vận tốc ban đầu bằng không Như vậy, một vật 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 đã quan niệm rằng: muốn cho một vật duy trì một vận tốc không đổi thi phải có một lực tác dụng lên nó Quan niệm này đã được khẳng định và truyền bá Nó đã thống trị nền Vật lý thế giới trong nhiều thế kỷ

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

Đặt một hòn bi lên mặt bàn nằm ngang và búng tay cho nó chuyến động Ảnh chụp bằng phương pháp hoạt nghiệm sẽ giúp xác định vị trí của hòn bi sau những khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau Bức ảnh cho thấy chuyển động cùa hòn 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 chuyên động cùa

nó (từ trang thái nghỉ sang trạng thái chuyển động) Sau cái búng tay, hòn bi vẫn tiếp tục chuyển động Tác dụng theo phương thắng đứng của trái đất và mặt bàn lên hòn bi cân bằng lẫn nhau Vậy chuyển động của hòn bi vẫn được duy trì khi

không có một lực nào tiếp tục đẩy nó theo phương ngang Quan niệm của Aristôt

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 của hòn

bi được duy trì lâu hay không phụ thuộc vào mức độ nhẵn của mặt bàn Với những mặt gồ ghề, quăng đường chuyển dộng sau cái búng tay rắt ngắn Quãng đường chuyển dộng càng dài khi mặt phẳng càng nhẵn bóng Chuyển động của hòn bi bị can trở do tác dụng ma sát giữa mặt bàn với nó Nếu khử bỏ được tác dụng ma sát, hoặc nếu đẩy hòn bi một tác dụng theo phương ngang cân bàng với tác 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 nào tác 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 sát chỉ

có thể được làm giảm bớt chứ không thể nào loại bỏ được hoàn toàn Vì thế

chuyền dộng sẽ không được duy trì lâu nếu không có một tác dụng khác đủ cân bằng với tác dụng ma sát Chính vì không thấy được vai trò của ma sát mà còn người đã có những quan niệm sai lầm Mãi sau này Galilê và Newton đã dụng phương pháp thực nghiệm đưa ra một cách giải thích về trạng thái đứng yên và chuyển động thẳng đều

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

Ông dùng một mặt phẳng nằm ngang và hai máng nghiêng để thực hiện một thí nghiệm được mô tả trên hình vẽ Thả hòn bi từ độ cao ban dầu h trên máng nghiêng 1, hòn bi lăn xuống rồi lại lăn ngược lên máng nghiêng 2 Galilê nhận thấyhình như hòn bi muốn lăn lên máng nghiêng 2 để đạt đến độ cao bằng độ cao h banđầu

Ông càng hạ thắp độ nghiêng cùa máng thì đề đạt được độ cao ban đầu, hòn

bi trên máng 2 lăn đoạn dường dài hơn Từ những thí nghiệm tương tự như vậy, Galilê suy ra rằng nếu thay máng 2 bằng một mặt phẳng nằm ngang, nhẵn lý tườngthì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi vì chẳng bao giờ có thể đạt tới độ cao ban dầu

2.1.1.2 Định luật I Newton

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

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

nó chịu tác dụng cua các lực làm thay đổi trạng thái đó ” Đó chính là nội dung cùađịnh luật I Newton Định luật I Newton nêu lên một tính chất rất tổng quát của vật thể là tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động Vì vậy định luật I Newton còn gọi

là định luật quán tính và chuyển động thẳng đều được gọi là chuyển động theo quán tính Định luật I chỉ ra rằng lực không phải là nguyên nhân gây ra chuyển động hay duy trì chuyển động của các vật, mà đúng hơn là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyền động (thay đổi vận tốc/động lượng của vật) Nhờ sự đúng đắn của định luật I Newton, người ta mới phát hiện ra lực ma sát tác dụng lênmột vật chuyên động

Ngoài ra cũng có thê phát biểu định luật I như sau: “Một vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều chừng nào nó không chịu tác dụng nào từ vật khác hoặc tác dụng của các vật xung quanh vật là tác dụng cân bằng 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 phầm của tư duy con người Với khái niệm vật tự do, định luật I Newton có thể phát biểu như sau: “Vật tự do hoặc mãi mãi đứng yên hoặc mãi mãi chuyển động thẳng đều”

Như đã biết ở phần động học, chuyển động của một vật có tính chất tương đối, phụ thuộc hệ quy chiếu được chọn để xét chuyển động đó Theo thực nghiệm thì trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều nói đến trong định luật I

Newton là xét trong hệ quy chiếu gắn với vật tự do Nếu ta đứng trong hệ quy chiếu đó thì sẽ quan sát các vật tự do khác đứng yên hay chuyển động thẳng đều

Có rất nhiều hệ quy chiếu gắn với các vật tự do như vậy và chúng đều tương đươngnhau Hệ quy chiêu đó gọi là hệ quy chiêu quán tính Trong hệ quy chiếu quán tính, định luật I Newton được nghiệm đúng

Định luật I Newton không phải dơn thuần là sản phẩm của phương pháp thực nghiệm mà còn là sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú, của trình độ tư duy cao, và cùa trực giác thiên tài của Galilê và Newton Và ý nghĩa quan trọng màđịnh luật I Newton mang lại cho khoa học là phát hiện ra hệ quy chiếu quán tính

Hệ quy chiếu quán tính là sản phẩm của tư duy của con người gắn liền với vật tự

do Các hệ quy chiếu khác mà có vật chuyển động thẳng đều trong đó cũng là hệ quy chiếu quán tính

Trong thực tế, không có hệ quy chiếu nào là hệ quy chiếu quán tính hoàn toàn Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp cụ thể, một hệ quy chiếu có thể coi gần đúng là hệ quy chiếu quán tính Ví dụ, khi xét chuyển động của các vật trên bề mặt Trái đất, người ta thường xem hệ quy chiếu gẳn với mặt đất như một hệ quy chiếu quán tính

Chất điềm đứng yên có vận tốc ⃗v=⃗0 , chất điểm chuyển động thẳng đều có

vận tốc ⃗v không đổi Trong cả hai trường hợp đó, vận tốc ⃗v đều không đổi Vì thế, theo Newton thì thời gian trôi đi trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau lànhư nhau Mọi điểm trong không gian, mọi phương trong không gian đều bình đẳng như nhau Vậy định luật I Newton còn chứa một nội dung rất quan trọng khác Đó là tính đồng nhất của thời gian, tính đồng chất và đẳng hướng của không gian Đây chính là tư tưởng thống soái là cơ sở để xây dựng cơ học Newton và vật

lí học cồ điển Định luật I Newton là một định luật có ý nghĩa rất quan trọng cho cơhọc 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, định luật

I Newton được trình bày dưới dạng tiên đề Muốn tạo lòng tin vào sự đúng đắn củađịnh luật, trước tiên giáo viên phải cho học sinh xét xem trong điểu kiện nào thì vậtđứng yên hay chuyền động thẳng đều Kế đến, giáo viên phải biết chọn lựa để mô

tả các thí nghiệm tình huống rồi cho học sinh nhận xét Thí nghiệm 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 chương trình nâng cao đều bẳt đầu từ thí nghiệm lịch sử của Ga-li-lê Sau khi yêu cầu học 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 cùa 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 chuyển động, và đặt thêm một vài tình huống nếu giảm dần ma sát hay chuyển động không 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 sơ của việc khái quát hoá từ rất 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 II như 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 dồi chuyển động tỷ lệ với lực chuyển động đặt vào và xảy ra theo hướng mà lực tác dụng lên hướng đó”

Định luật II Newton cho thấy lực là nguyên nhân làm vật biến đổi chuyển động (chuyển động có gia tốc) chứ không phải gây ra chuyển động như người ta đãnghĩ trước dây Như vậy, định luật II Newton xét vật ở trạng thái không cô lập, nghĩa là chịu tác dụng của những lực từ bên ngoài Chuyển động cua một vật chịu tác dụng của các lực mà hợp lực của các lực đó khác không là một chuyên động có gia tốc

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

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

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

ta có:

(2.2.1.2)

Định luật II luôn luôn đúng cho mọi sự tương tác, cho dù bản chất tương tác

ấy hoàn toàn khác nhau, các vật tương tác là hoàn toàn khác nhau Vì vậy, định luật II là một định luật phổ biến Định luật II được sử dụng để nghiên cứu chuyển động, của viên đạn, của phân tử, của gió, của một chi tiết cơ khí, của các vì sao,

Phương trình (2.2.1.1) chính là phương trình của định luật II Newton

Phương trình này cũng chính là phương trình cơ bản của cơ học chất điểm Thật vậy, giả sử xét một chất điểm chịu tác dụng của một lực ⃗F đã biết, thì trong (2.2.1.1), nếu biết khối lượng của chất điểm ta sẽ tính được gia tốc của chuyển động Biết gia tốc, ta sẽ tính được vận tốc, do đó tìm đuợc phương trình đường đi của chất điểm Và nếu biết được điều kiện ban đầu thì ta sẽ xác định được vị trí củachất điểm ở mọi thời điểm bất kì Nói tóm lại, nếu viết được tường minh phương

trình (2.2.1.1) và biết các điều kiện ban đầu thì ta sẽ giải quyết được nhiệm vụ cơ bản của cơ học là xác định vị trí của vật ở mọi thời điềm bất kì.

Như vậy, định luật II Newton là định luật cơ bản của động lực học, vì nhờ định luật mà ta tìm được gia tốc của chuyển động Ngoài ra, nếu còn biết thêm các điều kiện ban đầu thì hoàn toàn có thể giải quyết được bài toán cơ bản về chuyển động của các vật

Nếu vật chịu nhiều lực tác dụng đồng thời thì trong (2.2.1.1) ⃗F là tổng củacác lực đó

Còn nếu ⃗F=⃗0 , tức là không có lực tác dụng lên vật, hoặc các lực tác dụng lên vật cân bằng lẫn nhau, khi đó gia tốc ⃗a=⃗0 , tức là vận tốc ⃗v = const, vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều Vì thế, đứng về mặt toán học để xét, định luật I có thể được suy ra từ định luật II Nhưng định luật I vẫn là một định luật độc lập vì nó bao hàm những nội dung và ý nghĩa quan trọng như đã trình bày ở trên

* Định luật II Newton được viết dưới dạng toán học như sau:

trong đó:

⃗

F là tổng ngoại lực tác dụng lên vật (trong SI, lực đo bằng đơn vị N)

⃗p là động lượng của vật (trong SI, động lượng đo bằng đơn vị kg m/s2)

t là thời gian (trong SI, thời gian đo bằng đơn vị s)

* Định luật II Newton trong cơ học cổ điển

Trong cơ học cổ điển, khối lượng có giá trị không đổi, bất kể chuyển động của vật

Do đó, phương trình định luật II Newton trở thành:

a là gia tốc của vật (trong SI, gia tốc đo bằng đơn vị m/s2)

* Định luật II Newton trong thuyết tương đối hẹp

Định luật II giúp dưa ra một định nghĩa cụ thể và chính xác cho khái niệm lực và khối lượng Ngoài ra, định luật II Newton còn là nền tảng của định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng Hai định luật này có ý nghĩa quan trọng trong việc đơn giản hóa nghiên cứu về chuyển động và tương tác giữa các vật.

Định luật II cho phép đưa ra cách xác định khối lượng của một vật mà khôngdùng đến cân

2.2.2 Một số lưu ý khi dạy học

Công thức của định luật II Newton là phương trình cơ bản của cơ học chất điểm Khi dạy định luật II Newton, quan trọng nhất là lúc đưa ra công thức

⃗

F=m⃗a giáo viên phải làm cho học sinh hiểu rõ:

* Trong công thức, ⃗F là tổng hợp của tất cả các lực bên ngoài tác dụng lênvật Khi đó, gia tốc mà vật thu được chính là gia tốc tổng hợp (mỗi lực riêng lẻ chỉ gây ra các gia tốc thành phần),

* m là khối lượng của một vật hoặc nhiều vật liên kết chặc chẽ với nhau trong quá trình chuyển động dưới tác dụng của lực,

* Công thức trên đúng cho tất cả các loại lực và mọi loại chuyển động

Vì định luật II Newton cũng được trình bày dưới dạng nguyên lý chứ không phải dưới dạng một định luật vật lí thông thường, nên các thí nghiệm ở các sách giáo khoa được đưa vào không phải để rút ra nội dung định luật mà đó là những thínghiệm minh họa

2.3 Định luật III Newton

2.3.1 Nội dung kiến thức

Thực nghiệm chứng tỏ rằng không bao giờ có tác dụng một phía Khi vật A tác dụng lên vật B thì ngược lại vật B cũng tác dụng lên vật A Ta nói chúng tương tác nhau Có thể lấy nhiều ví dụ xung quanh ta để minh họa Chẳng hạn, khi đi chân đạp vào đất, đồng thời đất cũng tác dụng đẩy ta làm ta di chuyển được; khi bơi, vận dộng viên tác dụng vào nước một lực đẩy nước ra phía sau, ngược lại nước đẩy vận động viên về phía tnrớc Trong hình (2.3.1), ta thấy nếu người tác dụng vào tường một lực ⃗F1 , thì tường cũng tác dụng lại người một lực ⃗F2 , hay người tác dụng vào tường một lực 100N thì cũng chịu lại một lực 100N do tường tác dụng,

F a=m0A a

A A'

/

Sắt non Nam châm

17

-Hình 16.2 trang 71 SGK nâng cao

Các thí dụ này cho thấy rằng lực có tác dụng tương đương của một vật thì cócùng một bản chất (cùng là lực điện từ, hoặc cùng là lực hấp dẫn, )

Như vậy, khi chất điểm A tác dụng lên chất điếm B một lực ⃗F thì ngược lại chất điểm B sẽ tác dụng lên chất điểm A một lực ⃗F' , hai lực ⃗F và ⃗F' tồntại đồng thời, cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn Nói cách khác, tổng hình học các lực tương tác giữa các chất điếm bằng không: ⃗F + ⃗F' = ⃗0

Chú ý rằng tuy tổng hình học các lực ⃗F và ⃗F' bằng không nhưng tác dụng của chúng không khử nhau vì điểm đặt của chúng khác nhau

Đó chính là nội dung của định luật III Newton Định luật III Newton xác định đặc tính tương tác của các vật được Newton phát biếu lần đầu như sau: “Tác dụng bao giờ cũng bằng và ngược chiều với phản tác dụng Nói khác đi, các lực tácdụng của hai vật lên nhau bao giờ cũng bằng nhau và hướng về hai phía ngược nhau”

Với cách phát biểu như thế, định luật IIỈ đúng cho mọi trường hợp tương tác,

dù lực tương tác có bản chất là gì và vận tốc của các vật tham gia tương tác như thếnào đi nữa

Tuy nhiên, định luật III chỉ nói đến đặc tính của sự tương tác chứ không đề cập tới nguyên nhân của đặc tính đó, tức là định luật chỉ cho biết rằng hễ có lực tácdụng thì nhất thiết phải có lực phản tác dụng mà không cho biết vì sao như vậy

Ta xét một hệ chất điểm cô lập, nghĩa là một hệ không chịu tác dụng của ngoại lực, trong hệ chỉ có các nội lực tương tác giữa các chất điểm của hệ Nếu ta xét từng đôi chất điểm của hệ thì tổng hai lực tương tác giữa chúng bằng không Như vậy, tổng các nội lực của một hộ chất điểm cô lập (hệ kín) bằng không

Định luật III Newton cho thấy rằng các nội lực trong một hệ chỉ có tác dụng làm thay đồi trạng thái chuyển động của các chất điểm trong hệ, nhưng không làm thay đổi chuyển động của toàn bộ hệ Có thể lấy chuyển động của xe lửa để minh họa điều này Khi động cơ hơi nước của xe lửa hoạt dộng, nó làm quay các bánh xe

phát động Những lực do hơi nước tác dụng lên động cơ chỉ là nội lực, như thế thì toàn bộ đoàn tàu không dịch chuyển được Điều này sẽ được thấy rõ khi đường rayrất trơn, khi đó động cơ hơi nước chỉ làm quay tại chỗ bánh xe phát động Sở dĩ đoàn tàu dịch chuyển được là do khi các bánh xe đó quay, tại những chỗ tiếp xúc giũa bánh xe và đường ray có lực tác dụng tương hỗ giữa bánh xe và đường ray, lực này đóng vai trò là ngoại lực và làm tàu thay đổi trạng thái chuyển động.

Định luật III cũng cho phép đo khối lượng bằng tương tác Phương pháp nàythường chỉ dùng khi xác định khối lượng của những vật vô cùng lớn hay vô cùng bé

Phương trình của định luật II Newton (phương trình cơ bản của cơ học)

cho phép ta tìm được gia tốc cùa chuyển động

Khi ứng dụng phương trình cơ bản của cơ học để khảo sát chuyên động của các vật, trước hết phải phân tích xem vật chịu tác dụng của các ngoại lực nào, và xác định tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên vật Thường các ngoại lực được chia làm 2 loại: các lực tác dụng từ bên ngoài (hút, kéo, đẩy, ) và các lực liên kết (phảnlực và lực ma sát, lực căng)

Định luật III Newton được ứng dụng để khảo sát các lực liên kết, nghĩa là các lực liên kết giữa một vật đang chuyển động với các vật khác liên kết với nó

2.3.2 Một số lưu ý khi dạy học

Các định luật Newton là các nguyên lí lớn Tuy nhiên, nếu thừa nhận định luật II thì có thể dùng thí nghiệm về hai vật tương tác để rút ra định luật III Hoặc ngược lại, từ sự thừa nhận định luật III, dùng thí nghiệm về sự tương tác giữa hai vật để suy ra định luật II Các sách giáo khoa thường trình bày định luật II trước định luật III, vì thế mà định luật III thường được trình bày dưới dạng một định luật rút ra từ thực nghiệm

Một điều quan trọng nữa khi dạy định luật III Newton là giáo viên phải chú

ý nhấn mạnh cho học sinh nhừững lưu ý sau :

* Lực bao giờ cũng xuất hiện thành từng cặp (lực tác dụng và lực phản tác dụng) và xuất hiện một cách đồng thời

* Đặc điểm của lực và phản lực:

+ Cặp lực này bao giờ cũng có cùng bản chất (cùng là lực ma sát, cùng là đàn hồi, cùng là lực điện từ, hoặc cùng là lực hấp dẫn, )

+ Hai lực trong cặp lực này đặt vào hai vật khác nhau

+ Cặp lực này là một cặp lực trực đối (cùng độ lớn, cùng phương, ngược chiều)

Khi một vật bị biến dạng thì ở vật xuất hiện một lực có xu hướng làm cho nólấy lại hình dạng và kích thước cũ Loại lực này gọi là lực đàn hồi.

Ví dụ: Dùng tay ấn một quả bóng cao su, quả bóng bị dẹp xuống; bỏ tay ra, nó

sẽ phồng lên như cũ; điều này chứng tỏ ở quả bóng bị dẹp có xuất hiện lực đàn hồi.Lực đàn hồi xuất hiện khi lò xo bị nén hoặc dãn, lực căng dây…

1.2 Cơ chế của lực đàn hồi [10]

Khi một số lớn nguyên tử hợp lại để tạo thành một vật rắn, chẳng hạn một cáiđinh sắt, thì chúng ở những vị trí cân bằng trong một mạng ba chiều, tức là một sựsắp xếp lặp đi lặp lại, trong đó mỗi nguyên tử có một khoảng cách cân bằng hoàntoàn xác định, tới các nguyên tử lân cận

Các nguyên tử được giữ với nhau bằng lực liên kết nguyên tử Mạng thì cực kỳcứng, đó là một cách khác để nói rằng “các lò xo liên nguyên tử” là cực kỳ cứng

Đó chính là lý do khiến chúng ta cảm thấy rằng nhiều vật thông thường như cáithang, cái bàn, các thìa là cứng hoàn toàn Một số đồ vật thông thường, như vòi cao

su để tưới vườn, găng tay cao su, hoàn toàn không gây cho cho ta một ấn tượng vậtrắn nguyên tử các chất ấy không tạo thành một mạng cứng, mà xếp xếp thành mộtchuỗi phân tử dài, uốn được, mỗi chuỗi chỉ liên kết lỏng lẻo với các chuỗi lân cận.Mọi vật rắn đều đàn hồi ở mức độ nào đó, nghĩa là ta có thể làm thay đổi kíchthước của chúng một cách kéo đẩy, xoắn hoặc nén chúng

1.3 Những đặc điểm của lực đàn hồi

Chúng ta sẽ nghiên cứu những đặc điểm của lực đàn hồi qua các ví dụ sau:

* Treo một lò xo vào giá đỡ như hình vẽ Dùng tay kéo đầu dưới của lò xo (tácdụng vào vào lò xo một lực), ta thấy lò xo bị dãn ra theo hướng của ngoại lực và do

đó xuất hiện lực đàn hồi để cân bằng với ngoại lực Khi buông tay, lực đàn hồi làmcho các vòng của lò xo dịch chuyển theo hướng ngược lại để trở về trạng thái cũ

Vậy lực đàn hồi xuất hiện khi vật bị biến dạng và có hướng ngược với hướng của biến dạng

* Dùng một lò xo và một số quả

cân giống nhau rồi bố trí thí nghiệm

như hình vẽ Khi chưa treo quả cầu vào

lò xo, lò xo chưa bị giãn và có độ dài tự

nhiên, khi treo quả cân (gọi là tải) có

trọng lượng Pvào lò xo, lò xo giãn ra

đến một mức nào đó thì dừng lại

Robert Hooke (1635 – 1703)

Theo định luật III Newton thì lực mà quả cân kéo lò xo và lực của lò xo kéoquả cân luôn có độ lớn bằng nhau và bằng F

Khi quả cân đứng yên ta có F = P = m.g

Treo tiếp 1, 2 quả cân vào lò xo ở mỗi lần, ta đo chiều dài của lò xo khi có tải

và l0 khi bỏ tải rồi tính độ giãn

Thí nghiệm trên cho thấy: lực đàn hồi tỉ lệ với độ dãn của lò xo.

* Nếu tăng trọng lượng quả cân lên mãi, thì thí nghiệm cho thấy nếu trọnglượng qủa cân vượt quá một giá trị xác định thì khi gỡ quả cân ra, lò xo không thể

trở về chiều dài ban đầu nữa Giá trị này gọi là giới hạn đàn hồi của lò xo

Thực nghiệm cho thấy các kết quả trên vẫn đúng cho bất kì vật đàn hồi nàokhác

1.4 Định luật Húc (Hooke)

1.4.1 Cơ sở đưa đến định luật Hooke

Chính các định luật Newton đã làm nảy sinh ra giả

thuyết nghiên cứu thực nghiệm về lực đàn hồi và đề ra

những phương pháp tiến hành cụ thể Lợi dụng đặc

điểm của trọng lực đã biết cho tác dụng vào lò xo các

lực gấp đôi gấp ba…Sự cân bằng lực là cơ sở để xác

định độ lớn của lực đàn hồi thông qua lực cân bằng với

nó là trọng lực

Sự cân bằng lực là cơ sở cụ thể để xác định độ lớn của lực đàn hồi

Từ thực nghiệm đó nhà bác học người Anh Rôbơt Húc (Robert Hooke) đã tìm rađược định luật Húc

1.4.2 Nội dung định luật

Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn của lực đàn hồi tỉ lệ thuận với độ biến dạng của

vật đàn hồi.

số k càng lớn; nó phụ thuộc vào kích thước và bản chất của vật đàn hồi.

1.4.4 Phạm vi áp dụng của định luật Hooke

Thí nghiệm còn cho thấy, nếu trọng

lượng của tải vượt quá một giá trị nào đó thì

độ giãn của lò xo sẽ không còn tỉ lệ với

trọng lượng của tải và khi bỏ tải đi thì lò xo

không co được về đến chiều dài ban đầu

nữa ta nói, lò xo đã bị kéo giãn quá giới

hạn đàn hồi của nó

Đồ thị cho biết giới hạn E của một lò xo

Nếu ta kéo lò bằng một lực lớn tương ứng

với với điểm A thì sau khi thôi kéo, thì lò xo vẫn còn một độ dãn là OS Định luậtHooke chỉ đúng trong đoạn OE

Định luật chỉ đúng trong giới hạn đàn hồi của vật nghĩa là sau khi ngoại lực thôitác dụng vật lấy lại hình dạng ban đầu

1.5 Các lực đàn hồi thường gặp

Biến dạng của vật thể nói chung (vật rắn) là rất đa dạng, do đó lực đàn hồi xuấthiện gắn liền được phân làm nhiều loại Trong chương trình vật lí phổ thông hiệnnay, lực đàn hồi được xét đến bao gồm lực đàn hồi của lò xo, lực căng dây và phảnlực pháp tuyến

1.5.1 Lực đàn hồi của lò xo

Khi ta kéo hoặc nén làm lò xo biến dạng thì trên lò xo sẽ xuất hiện lực đàn hồi chống lại sự biến dạng đó (xem Hình 2.1) Trên quan điểm vi mô, lực đàn hồi có bản chất là lực tương tác điện từ giữa các phân tử của vật

Với các biến dạng nhỏ lực đàn hồi tuân theo định luật Hooke:

đh

F k l

Trong đó: l là độ dịch chuyển (hay độ biến dạng) của lò xo ra khỏi vị trí cân

bằng; k là độ cứng hay hệ số đàn hồi của lò xo

Khi cùng chịu một ngoại lực gây biến dạng, lò xo nào càng cứng thì càng ít bịbiến dang, do đó hệ số càng lớn; nó phụ thuộc vào chất thép dùng làm lò xo, sốvòng của lò xo, đường kính của vòng xoắn và đường kính của tiết diện dây

Với các lò xo ghép nối tiếp: 1 2

Trường hợp dây vắt qua ròng rọc Nếu khối lượng của dây, của ròng rọc và masát ở trục quay không đáng kể thì lực căng trên hai nhánh dây đều có độ lớn bằngnhau

1.5.3 Phản lực pháp tuyến

Khi một vật ép lên bề mặt giá đỡ một lực theo phương vuông góc với bề mặt thì

bề mặt giá đỡ sẽ biến dạng (biến dạng có thể rất nhỏ không nhìn thấy được bằngmắt thường) và tác dụng trở lại vật một lực đàn hồi Ở trạng thái cân bằng (giá đỡkhông biến dạng thêm) thì lực đàn hồi của giá đỡ có độ lớn bằng lực ép nhưng cóhướng ngược lại (vuông góc với bề mặt tiếp xúc và có chiều từ giá đỡ vào vật)

Lực mà giá đỡ tác dụng vào vật được gọi là phản lực pháp tuyến.

* Ví dụ: Một người khối lượng m đứng trong thang máy Giả sử thang máy

chuyển động lên (xuống) theo phương thẳng đứng với gia tốc a Khi đó bằngtính toán ta có phản lực pháp tuyến của sàn thang máy tác dụng lên người là

N m a g 

1.6 Lực đàn hồi xét cho vật có biến dạng lớn

Với các biến dạng bé, đa số lò xo tuân theo liên hệ tuyến tính giữa lực đàn hồi

và biến dạng (định luật Hooke) Hệ số đàn hồi của lò xo được định nghĩa là hằng

số k: (N/m) hay (Nm/radian) Với P hay C là lực (với lò xo kéo/nén) hay mômenlực (với lò xo quay); f hay θ là độ co giãn hay góc quay Nghịch đảo độ cứng, 1/k,

là độ dẻo Thực tế nhiều ứng dụng đòi hỏi các lò xo có liên hệ giữa lực và biếndạng không tuyến tính Bảng dưới tóm tắt các trường hợp cơ bản Tuyến tính Các

lò xo có đặc tính gần với định luật Hooke nhất là các lò xo xoắn ốc với rất nhiềuvòng xoắn, dùng trong các thiết bị đo hay trong đồng hồ Gần tuyến tính Đây là các

lò xo thông dụng trong công nghiệp, tuân thủ gần đúng định luật Hooke ở nhữngbiến dạng nhỏ hay trên các đoạn nhỏ chứ không trên toàn bộ lò xo Các lò xo sảnxuất đại trà, dù cùng lô sản xuất, cũng có thể có tính chất thay đổi mạnh từ cái nàyđến cái kia, với độ cứng có thể thay đổi đến 20% Tuyến tính lệch Để làm biếndạng loại lò xo này, lực tác động cần vượt qua một ngưỡng nhất định Sau ngưỡng

đó, biến dạng là gần tuyến tính với lực Phi tuyến dương tính Đối với dạng này,biến dạng lớn đòi hỏi lực lớn hơn là quan hệ tuyến tính Trung tính hay Âm tínhCác lò xo kiểu này có thể là tấm sắt bị hút bởi nam châm

Trong trường lực của nam châm, khi tấm sắt bị đẩy ra xa, lực hút giảm Biến đổiLoại lò xo này có thể được ứng dụng trong các phím bấm Chúng tạo nên các tín

hiệu bấm chính xác, và cảm giác giác sử dụng thuận tiện Không hồi phục Loại lò

xo này giữ nhiều trạng thái nghỉ, và chuyển từ trạng thái này sang trạng thái kia khibiến dạng vượt qua một giới hạn nhất định Trong giới hạn, biến dạng vẫn có thểhồi phục

1.7 Ứng dụng của lực đàn hồi trong kỹ thuật

Ngày nay, lực đàn hồi của lò xo được ứng dụng rộng rãi Một số ví dụ như:

đo lường

 Bộ phận giảm xóc trong xe cộ

 Phát âm (chuông, loa phóng thanh )

 Lưu trữ năng lượng (dây cót đồng hồ)

 Công tắc điện

 Bám giữ vật (kẹp quần áo)

Định luật Hooker là cơ sở để tạo ra lực kế

2 LỰC MA SÁT

2.1 Khái niệm về ma sát [8]

Trong vật lý học, lực ma sát là loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất,chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt

Lực ma sát thường gắn liền với tính cản trở chuyển động và được tắt là ma sát

 Quan điểm cổ điển

Lực ma sát Fms tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến N: F ms = μ N

trong đó N: tải trọng pháp tuyến (độ lớn phản lực pháp tuyến);

μ: hệ số ma sát, μ =const

 Quan điểm hiện đại

Lực ma sát xuất hiện là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau,khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể,trong đó diễn ra các quá trình cơ, lý, hoá, điện quan hệ của các quá trình đó rấtphức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường

F ms = - μ.N trong đó

μ: hệ số ma sát, μ = f(p,v,C); p: yếu tố tải trọng; v: vận tốc;

C: điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường);

Như vậy hệ số ma sát không phải là một hằng số mà chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố:

 Ảnh hưởng của tải trọng

 Ảnh hưởng của vận tốc

 Ảnh hưởng của điều kiện ma sát

Trong chương trình vật lí phổ thông chỉ xét đến lực ma sát theo quan điểm cổđiển

- Dựa vào đặc tính quá trình ma sát:

+ Ma sát bình thường là quá trình ma sát trong đó chỉ xảy ra hao mòn tất yếu

và cho phép (xảy ra từ từ, chỉ trên lớp cấu trúc thứ cấp, không xảy ra sự phá hoạikim loại gốc), trong phạm vi giới hạn của tải trọng, vận tốc trượt và điều kiện masát bình thường

+ Ma sát không bình thường là quá trình ma sát trong đó các yêu tố tải trọng,điều kiện ma sát và vận tốc vượt ra ngoài phạm vi giới hạn, xảy ra hư hỏng: trócloại 1, loại 2, mài mòn

Người ta tìm các biện pháp thiết kế, công nghệ, sử dụng để mở rộng phạm vicho phép của các yêu tố tải trọng, điều kiện ma sát và vận tốc theo hướng tănghoặc giảm.

Ngoài ra các lực ma sát còn được chia làm:

- Ngoại ma sát và nội ma sát Lực ngoại ma sát xuất hiện ở bề mặt tiếp xúcgiữa hai vật thể Nội ma sát là lực tương tác theo phương tiếp tuyến giữa các lớpcủa cùng một chất khi có xu hướng chuyển động tương đối với nhau [5]

- Ma sát nhớt, ma sát âm (khái niệm này dùng trong xây dựng) Ma sát nhớt là

ma sát xuất hiện khi vật chuyển động trong các khối chất lỏng hoặc giữa các lớpchất lỏng chuyển động Còn ma sát âm là loại lực ma sát hướng cùng hướng vớihướng của lực tác dụng Trong ngành xây dựng đặc biệt chú ý đến loại ma sát này.Bởi vì nó cùng hướng với trọng lực nên có thể kéo cả công trình lún xuống

Hiện nay, chưa có một lý thuyết nào về ma sát có khả năng miêu tả chính xácmọi trưòng hợp Trong ngành kỹ thuật, người ta chia thành nhiều trưòng hợp, vàxét ở mực độ gần đúng nào đó

Trong thực tế có một số trường hợp người ta xem lực cản của của môi trường

là lực ma sát giữa vật và các lớp không khí

2.3 Các tính chất của lực ma sát

Trong chương trình cơ học vật lý phổ thông chỉ đề cập đến ma sát khô, tồn tạigiữa các mặt cứng, khô, có xu hướng chuyển động trượt hoặc lăn so với nhau vớitốc độ tương đối nhỏ ( Ma sát nghỉ, ma sát lăn, ma sát trượt) Do đó chúng ta chỉtìm hiểu một số tính chất của ba lực này

2.3.1 Lực ma sát nghỉ và lực ma sát trượt

Các tính chất của lực ma sát được khảo sát qua các thí nghiệm sau: [9]

- TN1: Quan sát một vật chuyển động trượt trên mặt phẳng ngang với vận tốcđầu ⃗v0 Ta thấy rằng vật sẽ chuyển động chậm dần và dừng lại Tức là gia tốccủa vật khác không và ngược chiều với vận tốc Theo định luật 2 Newton, điều này