Định Luật 2 Newton
Công thức $\vec{F} = m\vec{a}$ · Khối lượng & quán tính · Vận dụng giải bài toán động lực học
Qua quan sát và thực nghiệm, người ta nhận thấy gia tốc của một vật không chỉ phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn liên quan trực tiếp đến khối lượng của vật. Newton đã tổng quát hóa mối quan hệ này thành định luật nền tảng của cơ học.
▸ Ý nghĩa các đại lượng & đơn vị
| Kí hiệu | Đại lượng | Đơn vị (SI) |
|---|---|---|
| $\vec{F}$ | Lực tác dụng lên vật | $\text{N}$ (newton) |
| $m$ | Khối lượng của vật | $\text{kg}$ (kilôgam) |
| $\vec{a}$ | Gia tốc của vật | $\text{m/s}^2$ |
Lực $1$ N tác dụng lên vật $1$ kg sẽ gây gia tốc $1$ m/s² theo hướng của lực.
• Khối lượng càng lớn → gia tốc càng nhỏ (tỉ lệ nghịch).
• $\vec{a}$ và $\vec{F}$ luôn cùng hướng.
▸ Khối lượng và quán tính
Định luật 2 Newton mở ra một cách hiểu sâu hơn về khối lượng: khi nhiều vật khác nhau chịu cùng một lực, vật nào có khối lượng lớn hơn sẽ thu được gia tốc nhỏ hơn — nghĩa là khó thay đổi vận tốc hơn. Tính chất này gọi là quán tính.
Trong ngữ cảnh này, khối lượng còn được gọi là khối lượng quán tính.
▸ Tính chất của khối lượng
• Xe đạp $m_1 = 50$ kg → $a_1 = \dfrac{100}{50} = 2$ m/s².
• Xe tải $m_2 = 5000$ kg → $a_2 = \dfrac{100}{5000} = 0{,}02$ m/s².
Xe tải có khối lượng lớn gấp $100$ lần → gia tốc nhỏ gấp $100$ lần → khó thay đổi vận tốc hơn nhiều.
▸ Hợp lực khi vật chịu nhiều lực
Khi vật chịu tác dụng đồng thời của nhiều lực $\vec{F_1}, \vec{F_2}, \vec{F_3}, \ldots$, thì $\vec{F}$ trong công thức $\vec{F} = m\vec{a}$ chính là hợp lực (tổng vectơ) của tất cả các lực đó:
🔵 Một số trường hợp đơn giản:
| Các lực | Hợp lực |
|---|---|
| Cùng phương, cùng chiều | $F = F_1 + F_2$ (cùng chiều với 2 lực thành phần) |
| Cùng phương, ngược chiều | $F = |F_1 - F_2|$ (cùng chiều với lực lớn hơn) |
| Vuông góc với nhau | $F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2}$ |
| Hai lực cân bằng | $F = 0$ (hợp lực bằng 0) |
$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5$ N.
Định luật 2 Newton thường được kết hợp với các công thức động học để giải các bài toán về lực, gia tốc, vận tốc và quãng đường.
▸ Bộ công thức cần nhớ
$v = v_0 + at$
$s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2$
$v^2 - v_0^2 = 2as$
▸ Quy trình giải
Giải:
• Gia tốc: $a = \dfrac{F}{m} = \dfrac{0{,}1}{0{,}2} = 0{,}5$ m/s².
• Vận tốc sau $10$ s: $v = v_0 + at = 2 + 0{,}5 \cdot 10 = 7$ m/s.
• Quãng đường: $s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2 = 20 + 25 = 45$ m.
Giải:
• Từ $s = v_0 t + \dfrac{1}{2}at^2$: $24 = 2 \cdot 4 + \dfrac{1}{2} \cdot a \cdot 16$ → $a = 2$ m/s².
• Áp dụng định luật 2: $F_K - F_C = ma$.
• $F_K = ma + F_C = 0{,}5 \cdot 2 + 0{,}5 = 1{,}5$ N.
Giải:
• Gia tốc: $a = \dfrac{v - v_0}{t} = \dfrac{0 - 20}{5} = -4$ m/s² (chậm dần).
• Lực hãm: $F_h = m \cdot |a| = 1000 \cdot 4 = 4000$ N.
• Lực cùng chiều dương → mang dấu $+$. Lực ngược chiều dương → mang dấu $-$.
• Gia tốc cùng chiều chuyển động → vật nhanh dần. Gia tốc ngược chiều chuyển động → vật chậm dần.
▸ Vật trên mặt phẳng nghiêng
Khi vật trượt trên mặt phẳng nghiêng góc $\alpha$, ta cần phân tích kỹ các lực tác dụng và chiếu chúng lên hai trục tọa độ.
▸ Quy trình giải bài toán mặt phẳng nghiêng
Trượt lên: $a = -g(\sin\alpha + \mu\cos\alpha)$
Không có ma sát: $a = g\sin\alpha$
Giải: Áp dụng $a = g(\sin\alpha - \mu\cos\alpha)$:
$a = 10 \cdot (\sin 30° - 0{,}1 \cdot \cos 30°) = 10 \cdot (0{,}5 - 0{,}1 \cdot 0{,}866) \approx 4{,}13$ m/s².
▸ Bài toán thực tế gắn với quán tính
Vật có khối lượng càng lớn thì quán tính càng lớn — càng khó tăng tốc hoặc giảm tốc. Đây là cơ sở để phân tích các tình huống thực tế.
Phân tích: Cùng $v_0$ và cùng $s$ → cùng gia tốc $a = \dfrac{-v_0^2}{2s}$.
Áp dụng $F = ma$: $\dfrac{F_2}{F_1} = \dfrac{m_2}{m_1} = \dfrac{10\,000}{100} = \mathbf{100}$ lần.
• Tàu hỏa cần phanh sớm vì khối lượng cực lớn → lực phanh phải rất mạnh và kéo dài.
• Xe đua nhẹ → tăng tốc nhanh hơn xe nặng cùng công suất động cơ.
• Đơn vị: $1$ N $= 1$ kg $\cdot$ $1$ m/s².
• Hợp lực: $\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \ldots$ (tổng vectơ).
• Khối lượng đặc trưng cho mức quán tính — vật nặng càng khó thay đổi vận tốc.
• Tính chất khối lượng: vô hướng, dương, không đổi, cộng được.
• Quy trình giải: liệt kê lực → viết $\vec{F}_{hl} = m\vec{a}$ → chiếu lên trục → kết hợp công thức động học.
• Mặt phẳng nghiêng: $a = g(\sin\alpha - \mu\cos\alpha)$ (trượt xuống).
Để xem lý thuyết đầy đủ (kèm các phương pháp giải nâng cao, ví dụ chi tiết về mặt phẳng nghiêng, hệ vật liên kết, mẹo & sai lầm thường gặp khi vận dụng định luật), hãy tham khảo bài viết bên dưới:
📚 Xem thêm: Lý thuyết đầy đủ + Phương pháp giải các dạng + Ví dụ chi tiết tại Edus.vnSau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 22 câu bám sát chương trình SGK Vật Lí 10!
Cùng luyện Bài 15 — Định luật 2 Newton!
22 câu: 17 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn