HAT Physics Learning • Vật lí 10 • Kết nối tri thức

BÀI 14. ĐỊNH LUẬT 1 NEWTON

Khám phá quán tính bằng lập luận khoa học, hình minh họa và thí nghiệm tương tác.

📘 Chương III · Động lực học⏱ 2 tiết📝 22 câu · 10 điểm

01 · MỤC TIÊU

Mục tiêu học tập

01 · Định hướng

Mục tiêu học tập

Kiến thức

Nhận biết lực không cần thiết để duy trì chuyển động thẳng đều; phát biểu được định luật I Newton, phân biệt điều kiện hợp lực bằng 0 với trường hợp không có lực nào tác dụng; hiểu quán tính.

Năng lực

Dự đoán rồi giải thích kết quả thí nghiệm máng nghiêng Galileo; phân tích sơ đồ lực cân bằng; quan sát mô phỏng và đọc đồ thị v–t; giải thích hiện tượng phanh gấp, dây an toàn.

Câu hỏi mở đầu: Khi một chiếc xe đạp thôi được đạp và dần dừng lại, có phải vì mọi chuyển động đều cần một lực đẩy liên tục? Nếu bỏ được ma sát và lực cản, điều gì xảy ra?

02 · KHÁM PHÁ

Kiến thức trọng tâm và công thức

02 · Khám phá

Kiến thức trọng tâm và công thức

1. Từ câu hỏi về lực đến lập luận của Galileo

Trong thực tế, xe trên đường bị chậm lại vì có các lực cản như ma sát lăn và lực cản không khí. Không nên kết luận rằng vật dừng lại vì “hết lực đẩy” hay vì có một lực tự nhiên khiến mọi chuyển động mất đi. Galileo tưởng tượng hai máng nghiêng nối nhau: giảm dần độ dốc của máng lên sẽ khiến bi phải đi xa hơn để đạt cùng độ cao, trong điều kiện lí tưởng không hao phí cơ năng.

Hình 14.1. Khi máng bên phải càng thoải, bi cần đi xa hơn để đạt độ cao ban đầu. Giới hạn lí tưởng của máng nằm ngang gợi ý chuyển động thẳng đều không cần lực đẩy liên tục. Đây là mô hình lí tưởng hóa, không phải ghi hình thí nghiệm thật.

Suy luận quan trọng: Lực là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc chứ không phải điều kiện bắt buộc để duy trì một vận tốc không đổi. Chuyển động thẳng đều khi hợp lực bằng 0 là kết luận của mô hình cơ học trong hệ quy chiếu quán tính.

2. Định luật I Newton

Phát biểu: Nếu một vật không chịu lực nào hoặc chịu các lực có hợp lực bằng 0, vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên; vật chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều. Trạng thái không đổi bao gồm cả hướng và độ lớn vận tốc.

Công thức

Định luật I Newton: điều kiện hợp lực bằng không

\[\sum \vec F = \vec 0 \quad\Longrightarrow\quad \vec v=\text{hằng số}\]

Một vật đang đứng yên tiếp tục đứng yên; vật đang chuyển động tiếp tục chuyển động thẳng đều khi hợp lực tác dụng lên nó bằng không. Dấu suy ra chỉ điều kiện duy trì trạng thái, không phải công thức tính lực từ vận tốc.

Kí hiệu	Tên gọi, ý nghĩa	Đơn vị SI
\(\sum \vec F\)	Hợp lực của tất cả ngoại lực	newton (N)
\(\vec v\)	Vectơ vận tốc; không đổi cả độ lớn và hướng	m/s

Điều kiện: Xét vật trong một hệ quy chiếu quán tính; dùng cho chuyển động tịnh tiến của vật hoặc khối tâm.

Công thức

Vận tốc không đổi theo thời gian

\[v(t)=v_0 \quad (\sum \vec F=\vec 0)\]

Với chuyển động trên một trục tọa độ, thành phần vận tốc không đổi. Xe có thể có vận tốc âm nếu đi ngược chiều dương đã chọn.

Kí hiệu	Tên gọi, ý nghĩa	Đơn vị SI
\(v(t)\)	Thành phần đại số của vận tốc tại thời điểm t	m/s
\(v_0\)	Thành phần đại số của vận tốc ban đầu	m/s
\(t\)	Thời gian kể từ lúc khảo sát	s

Điều kiện: Hợp lực bằng không trên toàn khoảng thời gian đang xét.

Công thức

Tọa độ của vật khi hợp lực bằng không

\[x=x_0+v_0t\]

Khi hợp lực bằng không và vận tốc ban đầu khác 0, tọa độ biến thiên tuyến tính theo thời gian; nếu vận tốc đầu bằng 0 thì tọa độ không đổi.

Kí hiệu	Tên gọi, ý nghĩa	Đơn vị SI
\(x\)	Tọa độ tại thời điểm t	m
\(x_0\)	Tọa độ ban đầu	m
\(v_0\)	Thành phần vận tốc ban đầu	m/s
\(t\)	Thời gian	s

Điều kiện: Chuyển động theo một đường thẳng trong hệ quy chiếu quán tính; v₀ không đổi.

Trường hợp A: Đứng yên

Sách đặt yên trên bàn: trọng lực hướng xuống và lực đỡ của bàn hướng lên cân bằng nhau. Vật vẫn đứng yên dù có hai lực tác dụng.

Trường hợp B: Chuyển động thẳng đều

Xe trượt trên máng đệm khí nằm ngang (xấp xỉ giảm ma sát), sau khi thôi đẩy vẫn tiếp tục chuyển động gần như thẳng đều. Nếu có lực cản nhỏ, xe sẽ giảm tốc chậm.

3. Quán tính và các ngộ nhận cần tránh

Quán tính là thuộc tính của mọi vật biểu hiện xu hướng giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Khối lượng là thước đo quán tính trong cơ học Newton; khối lượng lớn hơn thường khó thay đổi vận tốc hơn khi chịu cùng một hợp lực.

Phân biệt: Quán tính không phải là lực. Không tồn tại “lực quán tính đẩy người về phía trước” trong cách giải thích bằng hệ quy chiếu gần quán tính gắn với mặt đường: khi xe phanh, thân người có xu hướng giữ vận tốc cũ, còn dây an toàn tác dụng lực để làm giảm vận tốc cơ thể. Trong hệ quy chiếu đang gia tốc có thể dùng lực quán tính biểu kiến, nhưng cần nêu rõ hệ quy chiếu.

4. Ví dụ mẫu có giải thích

Ví dụ 1 – Các lực có cân bằng?

Quyển sách khối lượng 1,5 kg nằm yên trên bàn ngang, lấy g = 10 m/s². Trọng lực P = mg = 15 N hướng xuống; khi sách cân bằng, phản lực N = 15 N hướng lên. Tổng vectơ hai lực bằng 0, không phải sách không chịu lực.

Ví dụ 2 – Chuyển động khi hợp lực bằng 0.

Xe chuyển động thẳng với vận tốc ban đầu 3 m/s. Giả sử từ lúc t = 0, hợp lực lên xe bằng 0 và hệ quy chiếu quán tính. Sau 8 s: x – x₀ = v₀t = 24 m; vận tốc vẫn bằng 3 m/s.

Ví dụ 3 – Vì sao xe dừng khi thôi đạp?

Hợp lực không bằng 0 vì ma sát và lực cản không khí vẫn tồn tại. Xe giảm tốc không hề mâu thuẫn với định luật I Newton. Nếu loại bỏ được mọi lực cản và không có lực khác dọc chiều chuyển động, xe sẽ giữ nguyên vận tốc.

03 · QUAN SÁT

Thí nghiệm và mô phỏng

03 · Quan sát

Thí nghiệm và mô phỏng

Trước khi thay đổi các thông số, hãy dự đoán xe sẽ đứng yên, chuyển động thẳng đều hay thay đổi tốc độ. Sau đó chạy thí nghiệm để kiểm chứng.

🧪 Mô phỏng tự xây dựng

Xe trượt trên đường thẳng: lực tác dụng và lực cản

Khối lượng 2 kg Vận tốc đầu 3 m/s Lực kéo/đẩy 0 N Lực cản ma sát 0 N

Thời gian0,00 s

Vận tốc3,00 m/s

Gia tốc0,00 m/s²

Hợp lực ngang0,00 N

Tọa độ0,00 m

Mô hình một chiều; chưa chạy.

Hướng dẫn quan sát

Chọn “Lí tưởng: ΣF = 0”, vận tốc đầu 3 m/s: vận tốc và độ dốc đồ thị v–t có đổi theo thời gian không?
Thêm lực cản 2 N, bỏ lực kéo: xe tiếp tục đi mãi hay có thể dừng? Lực cản hướng thế nào?
Chọn hai lực ngang cân bằng (lực kéo 3 N, ma sát 3 N), vận tốc ban đầu 2 m/s. Xe có thể chuyển động thẳng đều dù đang chịu lực không?

Mô hình định lượng: chất điểm một chiều, m không đổi, không xét va chạm ở mép khung; lực cản trượt có độ lớn cố định, ngược chiều vận tốc. Khi đứng yên, lực ma sát nghỉ được lấy tối đa bằng mức lực cản do người dùng chọn (mô hình giản lược). Gia tốc tính từ hợp lực ngang/m; mô phỏng không thay thế số liệu thí nghiệm thật.

🧪 PhET – University of Colorado Boulder

Lực và chuyển động: Các lực cân bằng, ma sát và vận tốc

Quan sát và trả lời

Khi đặt tổng lực bằng 0, vật đang đứng yên có bắt đầu chuyển động không?
Khi đang trượt và ma sát được giảm đến 0, điều gì xảy ra với vận tốc sau khi ngừng đẩy?
Nếu các lực kéo hai phía bằng nhau, có thể suy luận vận tốc của vật bắt buộc bằng 0 không?

Nguồn mô phỏng: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder. Nội dung có thể không nhúng được nếu trình duyệt hoặc máy chủ chặn iframe; khi đó dùng đường dẫn nguồn.

Quan sát ngoài lớp học: Có thể làm thí nghiệm đồng xu trên tấm bìa đặt trên cốc, gạt ngang tấm bìa thật nhanh và quan sát đồng xu rơi xuống cốc (giáo viên hướng dẫn, dùng vật không sắc và cốc nhựa). Hãy giải thích bằng quán tính và lực ma sát trong thời gian rất ngắn. Đây là hoạt động trải nghiệm, không thay cho mô phỏng lực dọc một trục.

04 · LUYỆN TẬP

Luyện tập theo cấu trúc đề mới

04 · Luyện tập

Luyện tập theo cấu trúc đề mới

8ABCD · 2,00 điểm

4Đúng/Sai · 4,00 điểm

8Trả lời ngắn · 2,00 điểm

2Tự luận · 2,00 điểm

Quy tắc chấm thống nhất: ABCD đúng +0,25; trả lời ngắn đúng +0,25; mỗi câu Đúng/Sai có 4 ý, đúng 0/1/2/3/4 ý lần lượt được 0 / 0,10 / 0,25 / 0,50 / 1,00 điểm. Tự luận chấm theo tiêu chí riêng (2 × 1,00 điểm). Trước khi chấm tự luận, điểm chỉ là tạm tính trên 8 điểm được chấm tự động.

05 · HỆ THỐNG HÓA

Bản đồ tư duy bài học

05 · Bản đồ tư duy

Bản đồ tư duy bài học

Tóm tắt khái niệm, điều kiện áp dụng, thí nghiệm và vận dụng. Có thể phóng to và vuốt ngang để xem trên điện thoại.

Sơ đồ HAT tự tạo, tổng kết Bài 14.

Xem bản đồ ở dạng danh sách

06 · MỞ RỘNG

Em có biết?

06 · Mở rộng

Em có biết?

📜 Lịch sử

Từ Galileo đến Newton

Đầu thế kỉ XVIIGalileo dùng chuyển động trên máng nghiêng và lập luận lí tưởng hóa để phản biện ý tưởng rằng lực cần thiết để duy trì mọi chuyển động.
1687Isaac Newton công bố Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, nêu các định luật chuyển động và phát triển khung cơ học cổ điển.

🚗 Ứng dụng

Quán tính và an toàn khi đi xe

Dây an toàn tác dụng lực lên cơ thể khi xe giảm tốc đột ngột.
Không chất hàng rời thiếu buộc chặt; khi phanh, hàng hóa có xu hướng duy trì vận tốc cũ.
Đầu tựa ghế giúp giảm nguy cơ tổn thương cổ trong một số va chạm từ phía sau.

👤 Nhà khoa học

Isaac Newton (1642/1643–1727)

Newton sinh vào ngày 25/12/1642 theo lịch Julius (tương ứng ngày 4/1/1643 theo lịch Gregory). Trong cơ học của ông, định luật I xác định trạng thái chuyển động của vật khi hợp lực bằng 0 và làm cơ sở xác định hệ quy chiếu quán tính.

Câu hỏi suy nghĩ: Trong xe buýt đang tăng tốc, vì sao hành khách có thể thấy mình “ngả ra sau” so với xe? Hãy trình bày trước tiên bằng hệ quy chiếu gần quán tính gắn với mặt đường.

Tham khảo chuyên môn: SGV Vật lí 10 (Kết nối tri thức); mô phỏng PhET “Forces and Motion: Basics”.