Định luật 2 Newton là một trong những nền tảng cơ bản của vật lý cổ điển, mô tả mối quan hệ giữa lực tác dụng lên một vật, khối lượng của vật và gia tốc mà nó thu được. Hiểu rõ về định luật này là chìa khóa để giải quyết nhiều bài toán trong cơ học.
1. Nội dung định luật 2 Newton
Định luật 2 Newton phát biểu rằng: “Gia tốc của một vật tỉ lệ thuận với hợp lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Vectơ gia tốc có cùng hướng với vectơ hợp lực.”
2. Công thức định luật 2 Newton
Công thức toán học của định luật 2 Newton như sau:
Trong đó:
- F là hợp lực tác dụng lên vật (đơn vị: Newton, N).
- m là khối lượng của vật (đơn vị: kilogram, kg).
- a là gia tốc của vật (đơn vị: mét trên giây bình phương, m/s²).
Từ công thức trên, ta có thể suy ra các công thức liên quan:
- Lực tác dụng: F = ma
- Khối lượng của vật: m = F/a
- Gia tốc của vật: a = F/m
Khi vật chịu tác dụng đồng thời của nhiều lực, ta cần tính hợp lực của các lực đó trước khi áp dụng định luật 2 Newton:
Hợp lực này sẽ thay thế cho F trong công thức F = ma.
Ví dụ về độ lớn của các lực thường gặp:
- 1 N (Newton): Lực cần thiết để tăng tốc một vật có khối lượng 1 kg với gia tốc 1 m/s².
- 2 N (Đl 2 Newton): Lực cần thiết để tăng tốc một vật có khối lượng 2 kg với gia tốc 1 m/s², hoặc một vật có khối lượng 1 kg với gia tốc 2 m/s².
3. Mở rộng và Lưu ý
-
Vectơ gia tốc và vectơ lực: Vectơ gia tốc luôn cùng hướng với vectơ lực tác dụng. Điều này có nghĩa là vật sẽ chuyển động theo hướng của lực.
-
Định luật 1 Newton: Định luật 1 Newton là trường hợp đặc biệt của định luật 2 Newton khi hợp lực tác dụng lên vật bằng không (F = 0). Khi đó, gia tốc của vật bằng không (a = 0), tức là vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.
-
Khối lượng: Khối lượng là một đại lượng vô hướng, đặc trưng cho mức quán tính của vật. Vật có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi trạng thái chuyển động của nó.
-
Trọng lực và khối lượng: Mối quan hệ giữa trọng lực (P) và khối lượng (m) của một vật được biểu diễn bằng công thức:
Trong đó:
- P là trọng lượng của vật (N).
- g là gia tốc trọng trường (thường lấy g = 9.8 m/s² hoặc g = 10 m/s²).
- m là khối lượng của vật (kg).
4. Bài tập vận dụng định luật 2 Newton
Bài 1: Một vật có khối lượng 2 kg chịu tác dụng của một lực 4N. Tính gia tốc của vật.
Giải:
Áp dụng công thức định luật 2 Newton: a = F/m = 4N / 2kg = 2 m/s².
Bài 2: Một xe ô tô có khối lượng 1000 kg đang chuyển động với gia tốc 0.5 m/s². Tính lực kéo của động cơ xe (bỏ qua lực cản).
Giải:
Áp dụng công thức định luật 2 Newton: F = ma = 1000 kg * 0.5 m/s² = 500 N.
Bài 3: Một vật có khối lượng m = 0,5 kg đang nằm yên trên mặt sàn. Tác dụng lên vật một lực kéo F = 2.5 N theo phương ngang. Biết hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là μ = 0,2. Tính gia tốc của vật.
Giải:
- Lực ma sát trượt: Fms = μmg = 0,2 0,5 kg 9.8 m/s² = 0.98 N.
- Hợp lực tác dụng lên vật: Fhl = F – Fms = 2.5 N – 0.98 N = 1.52 N.
- Gia tốc của vật: a = Fhl/m = 1.52 N / 0.5 kg = 3.04 m/s².
Bài 4: Một vật khối lượng 4kg chuyển động dưới tác dụng của lực F. Vật tăng tốc từ 2m/s lên 8m/s trong thời gian 3s. Tính lực F tác dụng lên vật.
Giải:
- Gia tốc của vật: a = (v – v0) / t = (8 m/s – 2 m/s) / 3 s = 2 m/s².
- Lực tác dụng lên vật: F = ma = 4 kg * 2 m/s² = 8 N.
Bài 5: Một vật có khối lượng 250g bắt đầu chuyển động nhanh dần đều, nó đi được 1,2m trong 4s. Tính lực kéo, biết lực cản bằng 0,04N.
Giải:
Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe
Theo định luật II newton ta có F – Fc = ma => F = ma + Fc (1)
Mà s = v0t + (1/2)at² => 1,2 = 0.4 + (1/2)a.4² => a = 0,15m/s²
=> F = ma + Fc = 0,25.0,15 + 0,04 = 0,0775N
Kết luận:
Định luật 2 Newton là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động của vật. Việc nắm vững công thức và hiểu rõ ý nghĩa vật lý của các đại lượng là rất quan trọng để áp dụng định luật này một cách chính xác.
