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

BÀI 15. ĐỊNH LUẬT II NEWTON

Từ hợp lực đến gia tốc; khối lượng và quán tính; kiểm chứng bằng thí nghiệm.

📘 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

Phát biểu và viết được Định luật II Newton dưới dạng vectơ; giải thích được gia tốc cùng hướng với hợp lực. Mô tả định lượng quan hệ a ∼ F khi m không đổi và a ∼ 1/m khi F không đổi; nhận biết khối lượng là thước đo mức quán tính.

Năng lực Vật lí

Vẽ sơ đồ lực có kí hiệu vectơ; phân tích lực theo trục; đo, xử lí, nhận xét số liệu và hai đồ thị; giải bài toán chuyển động dưới tác dụng hợp lực không đổi, nêu điều kiện lí tưởng hóa.

Vấn đề khởi động: Cùng đẩy một xe trống và xe chất đầy hàng bằng lực như nhau, xe nào dễ tăng tốc hơn? Nếu giữ nguyên xe nhưng đẩy mạnh gấp đôi, gia tốc thay đổi ra sao?

02 · KHÁM PHÁ

Kiến thức trọng tâm và công thức

02 · Khám phá

Kiến thức trọng tâm và công thức

1. Định luật II Newton: hợp lực quyết định gia tốc

Trong hệ quy chiếu quán tính, gia tốc của một vật cùng hướng với hợp lực tác dụng lên vật; độ lớn gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn hợp lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng. Khi có nhiều lực, phải tổng hợp các vectơ lực trước khi tính gia tốc, không cộng các độ lớn một cách tùy tiện.

Công thức

Định luật II Newton – dạng vectơ

\[\boxed{\sum\vec{F}=m\vec{a}}\]

Gia tốc cùng hướng với vectơ hợp lực; nếu hợp lực khác không, vật có gia tốc, nhưng không nhất thiết chuyển động cùng chiều gia tốc tại thời điểm đang xét.

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị SI
\(\sum\vec F\)	Hợp lực các ngoại lực tác dụng lên vật (vectơ)	newton (N)
\(m\)	Khối lượng vật, m > 0	kilôgam (kg)
\(\vec a\)	Gia tốc (vectơ)	m/s²

Điều kiện: cơ học Newton trong hệ quy chiếu quán tính, khối lượng không đổi; áp dụng cho chất điểm hay chuyển động của khối tâm.

Công thức

Độ lớn gia tốc

\[a=\frac{F_{\mathrm{hl}}}{m}\]

Với F_hl là độ lớn hợp lực (không phải vectơ), gia tốc có độ lớn a ≥ 0. Khi cố định khối lượng, đồ thị a theo F_hl là đường thẳng qua gốc.

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị SI
\(a\)	Độ lớn gia tốc	m/s²
\(F_{\mathrm{hl}}\)	Độ lớn hợp lực	N
\(m\)	Khối lượng	kg

Điều kiện: F_hl không âm; không dùng độ lớn để xác định chiều chuyển động.

Công thức

Chiếu Định luật II Newton lên trục Ox

\[\sum F_x = ma_x\]

Ở bài toán một chiều, tổng các thành phần đại số lực theo chiều dương Ox có thể dương hoặc âm; dấu của a_x xác định chiều gia tốc.

Kí hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị SI
\(\sum F_x\)	Tổng các thành phần đại số của lực theo Ox	N
\(a_x\)	Thành phần đại số gia tốc trên Ox	m/s²
\(m\)	Khối lượng	kg

Lưu ý: F_x là thành phần đại số, không phải kí hiệu vectơ lực. Các lực thực vẫn ghi \(\vec F_1,\vec F_2,\vec P,\vec N\) trên hình.

2. Khối lượng và quán tính

Khối lượng càng lớn, vật càng khó thay đổi vận tốc khi chịu cùng hợp lực. Đây là ý nghĩa khối lượng như thước đo mức quán tính trong cơ học Newton. Ví dụ: với 8 N hợp lực, vật 2 kg có độ lớn gia tốc 4 m/s², còn vật 4 kg chỉ có 2 m/s².

Hình 15.1. Hai xe được đẩy bằng hợp lực có cùng độ lớn; xe có khối lượng gấp đôi chỉ đạt nửa gia tốc. Mũi tên nằm trên chữ F thể hiện kí hiệu vectơ lực. Hình sơ đồ, không phải ảnh thí nghiệm.

3. Quan hệ tỉ lệ và đơn vị lực

Khi m không đổi: \(a\propto F_{\mathrm{hl}}\). Khi F_hl không đổi: \(a\propto 1/m\). Một newton là độ lớn lực làm vật 1 kg có gia tốc 1 m/s².

\[1\,\mathrm N = 1\,\mathrm{kg\,m/s^2}\]

4. Quy trình giải một bài toán lực – gia tốc

Chọn vật → vẽ từng vectơ lực → chọn trục → viết \(\sum\vec F=m\vec a\) → chiếu trục → thay số và kiểm tra đơn vị. Không vẽ lực quán tính như một ngoại lực thực trong hệ quy chiếu quán tính.

Ví dụ 1 · Kéo xe và ma sát

Xe 4 kg chịu lực kéo \(\vec F_k\) hướng phải có độ lớn 14 N và lực ma sát \(\vec F_{ms}\) hướng trái có độ lớn 6 N. Chọn Ox hướng phải: \(\sum F_x=14-6=8\) N, \(a_x=8/4=2\) m/s², hướng phải. Vì gia tốc cùng hướng với hợp lực, xe đang đi ngược chiều vẫn có thể đang chậm dần.

Ví dụ 2 · Phanh xe

Xe 1 000 kg chuyển động về chiều dương với tốc độ đầu 20 m/s, hợp lực hãm ngược chiều chuyển động có độ lớn 4 000 N. \(a_x=-4\) m/s²; thời gian dừng \(t=(0-20)/(-4)=5\) s; quãng đường đến lúc dừng \(s=20\cdot5+\tfrac12(-4)\cdot25=50\) m. Bỏ qua thay đổi lực hãm và điều kiện đường.

Ví dụ 3 · Hai lực vuông góc

Vật 2 kg chịu hai lực đồng quy \(\vec F_1\) và \(\vec F_2\) vuông góc, có độ lớn lần lượt 6 N và 8 N. Độ lớn hợp lực \(F_{hl}=\sqrt{6^2+8^2}=10\) N; độ lớn gia tốc \(a=10/2=5\) m/s². Hướng \(\vec a\) trùng hướng hợp lực, không trùng riêng một lực thành phần.

Điểm dễ nhầm: \(\vec F\) biểu diễn lực (vectơ); \(F\) biểu diễn độ lớn. \(\vec a\) biểu diễn gia tốc; \(a_x\) là thành phần đại số gia tốc. Gia tốc ngược hướng vận tốc có thể làm vật chậm dần; gia tốc không phải là vận tốc.

03 · QUAN SÁT

Quan sát thí nghiệm và mô phỏng

03 · Quan sát

Thí nghiệm và mô phỏng

Hãy đưa ra dự đoán trước mỗi phép thử, ghi lại giá trị \(m\), tổng lực \(\sum F_x\), gia tốc \(a_x\), sau đó kiểm chứng bằng điều khiển và đồ thị.

🧪 Mô phỏng HAT

Xe chuyển động: khảo sát sự phụ thuộc của gia tốc vào lực và khối lượng

Khối lượng 2 kg Lực F₁ theo Ox +8 N Lực F₂ theo Ox −2 N Vận tốc đầu v₀ₓ 0 m/s

Hợp lực trên Ox6,00 N

Gia tốc trên Ox3,00 m/s²

Vận tốc0 m/s

Thời gian0 s

Trên điện thoại: vuốt ngang trong khung sơ đồ hoặc đồ thị để đọc rõ các nhãn.

Sẵn sàng đo.

Quan sát và trả lời

Giữ m = 2 kg; khi tăng độ lớn hợp lực gấp đôi và giữ hướng, gia tốc thay đổi như thế nào?
Giữ hợp lực dương = 6 N, lần lượt đổi m từ 2 kg lên 4 kg. Tỉ số gia tốc bằng bao nhiêu?
Chọn F₁ = 4 N, F₂ = −10 N và v₀ = +4 m/s: gia tốc hướng nào? Ban đầu xe nhanh hay chậm dần?

Giả thiết: xe là chất điểm chuyển động một chiều trên mặt phẳng ngang không ma sát; trọng lực và phản lực cân bằng; các lực ngang không đổi, khối lượng không đổi. Đồ thị bên trái quét hợp lực khi giữ khối lượng hiện tại; đồ thị bên phải quét 1/m khi giữ hợp lực hiện tại. Đây là số liệu mô hình, không phải phép đo thật.

🎥 Thí nghiệm thật · YouTube

Xe lăn trên đường ray ma sát nhỏ, đo vận tốc bằng cổng quang

Quan sát và trả lời

Thiết bị nào dùng để đo vận tốc xe trước và sau khi đi qua đoạn đường thí nghiệm?
Từ số liệu vận tốc đầu, vận tốc cuối và thời gian, tính gia tốc bằng cách nào?
Vì sao số liệu thực nghiệm có thể lệch so với dự đoán lí tưởng?

Nguồn: QuantumBoffin, Newton's Second Law: Experiment (2021). Video chứa một phép đo bất thường được tác giả giữ lại; đây là cơ hội thảo luận sai số thí nghiệm. Chỉ phát sau khi người học nhấn; phụ thuộc kết nối và chính sách nhúng của YouTube.

🧪 PhET · University of Colorado Boulder

Thử thay đổi lực và khối lượng với mô phỏng độc lập

Quan sát và trả lời

Với lực như nhau, xe tải nặng tăng tốc giống xe nhẹ không?
Khi xuất hiện ma sát, tại sao phải dùng hợp lực thay vì lực đẩy để tính gia tốc?

Nguồn: PhET Interactive Simulations. Phần nhúng có thể bị chính sách của máy chủ chặn; sử dụng liên kết nguồn nếu cần.

04 · LUYỆN TẬP

Luyện tập theo cấu trúc đề mới

04 · Luyện tập

Luyện tập Bài 15 – Định luật II Newton

8ABCD · 2,00 điểm

4Đúng/Sai · 4,00 điểm

8Trả lời ngắn · 2,00 điểm

2Tự luận · 2,00 điểm

Nguyên tắc: Đúng/Sai bốn ý: đúng 0/1/2/3/4 ý được 0/0,10/0,25/0,50/1,00 điểm. Trắc nghiệm ABCD và trả lời ngắn tự chấm; tự luận đánh giá riêng theo tiêu chí.

05 · HỆ THỐNG HÓA

Bản đồ tư duy bài học

05 · Bản đồ tư duy

Bản đồ tư duy Bài 15

Tổng hợp mối liên hệ lực – gia tốc – khối lượng và phương pháp thí nghiệm. Bấm để phóng to.

Sơ đồ kiến thức Định luật II Newton: sáu nhánh. Bản đồ dùng kí hiệu Unicode ngắn gọn để tránh tràn công thức trên điện thoại.

Xem sơ đồ dạng danh sách

06 · MỞ RỘNG

Em có biết?

06 · Em có biết?

Em có biết?

📜 Lịch sử

Từ Galileo đến Newton

Thế kỉ XVIIGalileo phát triển cách khảo sát chuyển động bằng quan sát và thí nghiệm có kiểm soát.
1687Newton công bố Principia, đặt nền móng cho hệ định luật chuyển động.
Ngày nayCảm biến lực, cổng quang và camera tốc độ cao giúp kiểm tra định lượng mô hình.

🔧 Ứng dụng

Thiết kế xe và an toàn

Xe càng nặng càng cần hợp lực lớn hơn để tạo cùng mức gia tốc, trong điều kiện khác như nhau.
Quãng đường phanh phụ thuộc tốc độ ban đầu và gia tốc hãm; không suy diễn lực phanh không đổi trong mọi điều kiện mặt đường.
Thiết kế thang máy phải giới hạn gia tốc để đảm bảo an toàn và sự thoải mái.

👤 Nhà khoa học

Isaac Newton (1642–1727)

Định luật II Newton cho phép kết nối định lượng sự thay đổi chuyển động với hợp lực tác dụng và khối lượng. Trong một hệ quán tính, nếu hợp lực cùng hướng với vận tốc, tốc độ có thể tăng; nếu ngược hướng với vận tốc, tốc độ có thể giảm. Đây là cơ sở của phân tích động lực học trong kĩ thuật.

Đối chiếu: Vật lí 10 – Kết nối tri thức, Bài 15; PhET Interactive Simulations (Đại học Colorado Boulder).