Định luật 2 Newton là một trong những nền tảng cơ bản của vật lý học, mô tả mối quan hệ giữa lực tác dụng lên một vật, khối lượng của vật và gia tốc mà vật thu được. Hiểu rõ và vận dụng thành thạo Công Thức Của định Luật 2 Newton là yếu tố then chốt để giải quyết nhiều bài toán vật lý khác nhau.
1. Phát biểu định luật 2 Newton:
Gia tốc của một vật có:
- Cùng hướng với lực tác dụng lên vật.
- Độ lớn tỉ lệ thuận với độ lớn của lực tác dụng.
- Độ lớn tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
2. Công thức định luật 2 Newton:
Công thức tổng quát:
Trong đó:
- F là độ lớn của 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).
Công thức này cho thấy lực tác dụng càng lớn thì gia tốc của vật càng lớn, và khối lượng của vật càng lớn thì gia tốc của vật càng nhỏ khi chịu tác dụng của cùng một lực.
Khi vật chịu tác dụng của nhiều lực, ta sử dụng hợp lực:
Trong đó: F là hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên vật.
3. Mở rộng và các trường hợp đặc biệt:
-
Vectơ gia tốc và vectơ lực: Vectơ gia tốc luôn cùng hướng với vectơ lực tác dụng lên vật.
-
Định luật 1 Newton (trường hợp đặc biệt): Nếu không có lực nào tác dụng lên vật hoặc hợp lực bằng 0, vật sẽ giữ nguyên trạng thái chuyển động (đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều). Đây là một trường hợp đặc biệt của định luật 2 Newton khi F = 0, dẫn đến a = 0.
-
Khối lượng và quán tính: Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật. Vật có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi trạng thái chuyển động.
-
Mối quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng: Trọng lượng của một vật là lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên vật, được tính bằng công thức:
Trong đó:
* P là trọng lượng của vật (N)
* m là khối lượng của vật (kg)
* g là gia tốc trọng trường (xấp xỉ 9.8 m/s² hoặc 10 m/s²)4. Ứng dụng của công thức định luật 2 Newton qua các ví dụ:
Ví dụ 1: Một xe tải có khối lượng 2000 kg bắt đầu chuyển động dưới tác dụng của một lực kéo 5000 N. Tính gia tốc của xe.
Giải:
Áp dụng công thức định luật 2 Newton: a = F/m = 5000 N / 2000 kg = 2.5 m/s².
Ví dụ 2: Một vật có khối lượng 5 kg đang chuyển động với vận tốc 2 m/s thì chịu tác dụng của một lực hãm 10 N. Tính gia tốc của vật và quãng đường vật đi được cho đến khi dừng lại.
Giải:
- Gia tốc của vật: a = F/m = -10 N / 5 kg = -2 m/s² (dấu âm chỉ lực hãm làm chậm chuyển động).
- Vận tốc ban đầu v0 = 2 m/s, vận tốc cuối v = 0 m/s.
- Áp dụng công thức liên hệ giữa vận tốc, gia tốc và quãng đường: v² – v0² = 2as
- Suy ra: s = (v² – v0²) / 2a = (0² – 2²) / (2 * -2) = 1 mét.
Ví dụ 3: Một người đẩy một thùng hàng khối lượng 50 kg trên sàn nhà nằm ngang với lực 200 N theo phương ngang. Biết hệ số ma sát trượt giữa thùng hàng và sàn nhà là 0.2. Tính gia tốc của thùng hàng.
Giải:
- Lực ma sát trượt: Fms = μ N = μ mg = 0.2 50 kg 9.8 m/s² = 98 N
- Hợp lực tác dụng lên thùng hàng: F = Fđẩy – Fms = 200 N – 98 N = 102 N
- Gia tốc của thùng hàng: a = F/m = 102 N / 50 kg = 2.04 m/s²
Ví dụ 4: 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
Chiếu lên chiều dương ta có F – Fc = ma => F = ma + Fc (1)
Mà s = v0t + at2 => 1,2 = 0.4 + a.42 => a = 0,15m/s2
=> F = ma + Fc = 0,25.0,15 + 0,04 = 0,0775N
5. Lưu ý khi sử dụng công thức định luật 2 Newton:
- Hệ đơn vị: Phải sử dụng hệ đơn vị chuẩn (SI) khi tính toán (kg, m, s, N).
- Phương của lực và gia tốc: Lực và gia tốc là các đại lượng vectơ, cần chú ý đến phương và chiều khi tính toán.
- Hợp lực: Nếu có nhiều lực tác dụng, cần tính hợp lực trước khi áp dụng công thức.
- Hệ quy chiếu: Chọn hệ quy chiếu phù hợp để phân tích bài toán.
Hiểu và vận dụng linh hoạt công thức của định luật 2 Newton là chìa khóa để giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động và lực trong vật lý. Việc luyện tập thường xuyên với các ví dụ khác nhau sẽ giúp bạn nắm vững kiến thức và áp dụng thành công vào thực tế.