Ba định luật Niu-tơn (Newton) là ba định luật nền tảng của cơ học cổ điển, mô tả mối quan hệ giữa lực tác dụng và chuyển động của vật: định luật I về quán tính, định luật II về gia tốc với công thức F = m·a, và định luật III về lực – phản lực. Đây là phần kiến thức trọng tâm của Vật lý lớp 10, đồng thời là công cụ để giải hầu hết bài toán động lực học. Dưới đây bạn sẽ tìm thấy nội dung phát biểu chuẩn của từng định luật, công thức kèm đơn vị, bảng tóm tắt, ứng dụng thực tế và bốn bài tập có lời giải chi tiết từng bước.
Ba định luật Niu-tơn là gì?
Ba định luật Niu-tơn do nhà bác học người Anh Isaac Newton công bố năm 1687, là cơ sở của cơ học cổ điển. Trước Newton, người ta tin rằng muốn vật chuyển động thì phải liên tục tác dụng lực lên nó. Newton chỉ ra điều ngược lại: lực không duy trì chuyển động, lực làm thay đổi chuyển động.
Ba định luật trả lời ba câu hỏi khác nhau:
- Định luật I: Khi nào vật giữ nguyên trạng thái chuyển động?
- Định luật II: Khi có lực, vật thay đổi vận tốc nhanh chậm ra sao?
- Định luật III: Lực giữa hai vật tương tác với nhau như thế nào?
Định luật I Niu-tơn (định luật quán tính)
Phát biểu: Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc hợp lực tác dụng lên vật bằng 0 thì vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.
Điều kiện của định luật viết gọn là Fhl = 0, khi đó gia tốc a = 0 và vận tốc của vật không đổi cả về hướng lẫn độ lớn.
Quán tính là gì?
Quán tính là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc của mình cả về hướng và độ lớn. Vì tính chất này mà định luật I còn được gọi là định luật quán tính.
Khối lượng là số đo mức quán tính của vật. Vật có khối lượng càng lớn thì quán tính càng lớn, tức là càng khó làm thay đổi vận tốc của nó. Đẩy một chiếc xe đạp đứng yên cho chuyển động dễ hơn nhiều so với đẩy một chiếc ô tô, vì khối lượng ô tô lớn hơn rất nhiều.
Lưu ý: quán tính không phải là một lực. Không tồn tại “lực quán tính” nào đẩy người về phía trước khi xe phanh gấp trong hệ quy chiếu mặt đất; đó chỉ là biểu hiện của việc cơ thể muốn giữ nguyên vận tốc cũ.
Định luật II Niu-tơn
Phát biểu: Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
Công thức: a = F/m hay F = m · a
Trong đó:
- F là hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên vật, đơn vị niutơn (N).
- m là khối lượng của vật, đơn vị kilôgam (kg).
- a là gia tốc của vật, đơn vị mét trên giây bình phương (m/s2).
Hai điểm bạn cần nhớ kỹ:
- Gia tốc luôn cùng hướng với hợp lực, không phải cùng hướng với vận tốc. Khi ô tô hãm phanh, hợp lực hướng ngược chiều chuyển động nên gia tốc cũng ngược chiều chuyển động, vận tốc giảm dần.
- Đơn vị: 1 N = 1 kg · m/s2. Một niutơn là lực truyền cho vật khối lượng 1 kg một gia tốc 1 m/s2.
Một hệ quả quen thuộc của định luật II là công thức trọng lực P = m · g, trong đó g là gia tốc rơi tự do (thường lấy g = 9,8 m/s2 hoặc làm tròn 10 m/s2). Bạn có thể xem thêm bài phân tích chi tiết về trọng lực và công thức tính trọng lượng để hiểu rõ sự khác nhau giữa khối lượng và trọng lượng.
Định luật III Niu-tơn (lực và phản lực)
Phát biểu: Khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì đồng thời vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này cùng phương, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau.
Biểu thức vectơ: FAB = − FBA
Vì sao lực và phản lực không triệt tiêu nhau?
Đây là chỗ học sinh nhầm nhiều nhất. Hai lực trực đối chỉ triệt tiêu nhau khi chúng cùng đặt vào một vật. Trong khi đó, lực và phản lực luôn đặt vào hai vật khác nhau: một lực đặt vào vật A, lực kia đặt vào vật B. Vì không cùng điểm đặt trên cùng một vật nên chúng không thể cân bằng nhau, và mỗi vật vẫn thu được gia tốc riêng theo định luật II.
Ví dụ: bạn đẩy tường một lực 100 N, tường đẩy lại bạn đúng 100 N. Bạn không bị bay ra sau vì còn có lực ma sát nghỉ của sàn giữ chân bạn lại. Nếu bạn đứng trên sàn băng trơn trượt, chính lực phản tác dụng của tường sẽ đẩy bạn trượt ra xa.
Đặc điểm của cặp lực – phản lực:
- Luôn xuất hiện và mất đi đồng thời.
- Cùng loại (đều là lực hấp dẫn, hoặc đều là lực đàn hồi, hoặc đều là lực ma sát…).
- Cùng độ lớn, cùng giá, ngược chiều.
- Đặt vào hai vật khác nhau nên không cân bằng nhau.
Bảng tóm tắt ba định luật Niu-tơn
| Định luật | Nội dung chính | Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Định luật I | Hợp lực bằng 0 thì vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều | Fhl = 0 → a = 0 | Nêu lên tính quán tính của vật |
| Định luật II | Gia tốc cùng hướng hợp lực, tỉ lệ thuận với lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng | F = m · a (1 N = 1 kg·m/s2) | Định lượng quan hệ lực – gia tốc |
| Định luật III | Lực và phản lực cùng độ lớn, ngược chiều, đặt vào hai vật khác nhau | FAB = − FBA | Mô tả tương tác luôn có hai chiều |
Ứng dụng thực tế của ba định luật Niu-tơn
- Dây an toàn và túi khí trên ô tô (định luật I): khi xe dừng đột ngột, cơ thể do quán tính vẫn muốn giữ vận tốc cũ nên lao về phía trước. Dây an toàn giữ người lại, túi khí kéo dài thời gian va chạm nên giảm lực tác dụng.
- Tựa đầu ghế xe (định luật I): khi bị xe khác tông từ phía sau, thân người bị đẩy tới trước còn đầu có xu hướng đứng yên, tựa đầu giúp hạn chế chấn thương cổ.
- Tính lực kéo của động cơ (định luật II): kỹ sư dựa vào F = m·a để chọn công suất động cơ đủ tăng tốc cho khối lượng xe thiết kế.
- Súng giật lùi khi bắn (định luật III): súng đẩy viên đạn về phía trước, đạn đẩy súng về phía sau với lực bằng đúng như vậy.
- Tên lửa và máy bay phản lực (định luật III): động cơ phụt khí nóng về phía sau, khối khí đẩy tên lửa tiến về phía trước. Đây là lý do tên lửa vẫn bay được trong chân không, nơi không có gì để “đẩy vào”.
- Bơi lội, đi bộ (định luật III): bạn đạp nước hoặc đạp mặt đất về phía sau, nước và mặt đất đẩy bạn tiến lên phía trước.
Bài tập vận dụng ba định luật Niu-tơn có lời giải
Bài 1: Tính gia tốc khi biết lực và khối lượng
Đề: Một vật khối lượng 2 kg đang nằm trên mặt sàn nhẵn, chịu tác dụng của hợp lực 10 N theo phương ngang. Tính gia tốc của vật.
Tóm tắt: m = 2 kg; F = 10 N; a = ?
Công thức: theo định luật II Niu-tơn, a = F/m.
Thay số: a = 10 / 2 = 5.
Kết quả: a = 5 m/s2, gia tốc cùng hướng với lực tác dụng.
Bài 2: Tính lực kéo của động cơ ô tô
Đề: Một ô tô khối lượng 1.200 kg đang đứng yên, sau 10 s đạt vận tốc 20 m/s. Coi chuyển động là thẳng nhanh dần đều và bỏ qua ma sát. Tính hợp lực tác dụng lên xe.
Tóm tắt: m = 1.200 kg; v0 = 0; v = 20 m/s; t = 10 s; F = ?
Bước 1 – tính gia tốc: a = (v − v0)/t = (20 − 0)/10 = 2 m/s2.
Bước 2 – áp dụng định luật II: F = m · a = 1.200 × 2 = 2.400.
Kết quả: F = 2.400 N, hướng theo chiều chuyển động của xe.
Bài 3: Bài toán có lực ma sát
Đề: Kéo một thùng hàng khối lượng 5 kg trên sàn ngang bằng lực 20 N theo phương ngang. Lực ma sát tác dụng lên thùng là 5 N. Tính gia tốc của thùng.
Tóm tắt: m = 5 kg; Fkéo = 20 N; Fms = 5 N; a = ?
Bước 1 – tính hợp lực: lực ma sát ngược chiều lực kéo nên Fhl = 20 − 5 = 15 N.
Bước 2 – áp dụng định luật II: a = Fhl/m = 15 / 5 = 3.
Kết quả: a = 3 m/s2, cùng chiều với lực kéo. Bạn có thể ôn lại cách xác định độ lớn và chiều của lực ma sát trong các bài toán cơ học trước khi làm dạng bài này.
Bài 4: Phân biệt cặp lực cân bằng và cặp lực – phản lực
Đề: Một người khối lượng 50 kg đứng yên trên sàn nhà nằm ngang, lấy g = 10 m/s2. Tính lực sàn đẩy lên người và lực người ép xuống sàn. Hai lực nào là cặp lực – phản lực?
Tóm tắt: m = 50 kg; g = 10 m/s2; N = ?; N’ = ?
Bước 1 – tính trọng lượng: P = m · g = 50 × 10 = 500 N, hướng thẳng đứng xuống dưới.
Bước 2 – áp dụng định luật I: người đứng yên nên hợp lực tác dụng lên người bằng 0, suy ra N = P = 500 N, hướng thẳng đứng lên trên.
Bước 3 – áp dụng định luật III: người ép xuống sàn một lực N’ có độ lớn bằng N, tức 500 N, hướng xuống dưới.
Kết quả: N = N’ = 500 N. Cặp lực – phản lực là N (sàn tác dụng lên người) và N’ (người tác dụng lên sàn) vì chúng đặt vào hai vật khác nhau. Còn N và P chỉ là cặp lực cân bằng vì cả hai cùng đặt vào người.
Những lỗi thường gặp khi học ba định luật Niu-tơn
- Nhầm lực và phản lực với hai lực cân bằng. Hãy luôn hỏi: hai lực này đặt vào một vật hay hai vật? Cùng một vật là lực cân bằng, hai vật khác nhau mới là lực – phản lực.
- Quên đổi đơn vị. Khối lượng phải quy về kg, quãng đường về mét, thời gian về giây thì kết quả mới ra đúng niutơn.
- Dùng lực thành phần thay vì hợp lực trong công thức F = m·a. F trong định luật II luôn là hợp lực của mọi lực tác dụng lên vật.
- Cho rằng vật chuyển động thì phải có lực kéo. Theo định luật I, vật chuyển động thẳng đều khi hợp lực bằng 0; muốn giữ tốc độ không đổi chỉ cần lực kéo bù đúng lực cản.
Câu hỏi thường gặp
Ba định luật Niu-tơn gồm những định luật nào?
Gồm định luật I về quán tính, định luật II về gia tốc với công thức F = m·a, và định luật III về lực – phản lực.
Công thức của định luật II Niu-tơn là gì?
Công thức là F = m·a, hay a = F/m. Trong đó F là hợp lực tính bằng niutơn, m là khối lượng tính bằng kilôgam, a là gia tốc tính bằng m/s². Đơn vị 1 N = 1 kg·m/s².
Vì sao lực và phản lực không triệt tiêu nhau?
Vì hai lực này đặt vào hai vật khác nhau chứ không cùng đặt vào một vật. Chỉ hai lực cùng đặt vào một vật mới có thể cân bằng và triệt tiêu tác dụng của nhau.
Quán tính là gì và có liên hệ gì với khối lượng?
Quán tính là tính chất bảo toàn vận tốc cả về hướng và độ lớn của vật. Khối lượng chính là số đo mức quán tính: vật có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi vận tốc.
Định luật I Niu-tơn áp dụng khi nào?
Áp dụng khi vật không chịu lực nào tác dụng hoặc hợp lực tác dụng lên vật bằng 0. Khi đó gia tốc bằng 0, vật đứng yên tiếp tục đứng yên và vật đang chuyển động tiếp tục chuyển động thẳng đều.
Tên lửa bay được trong chân không nhờ định luật nào?
Nhờ định luật III Niu-tơn. Động cơ phụt khối khí nóng về phía sau, khối khí đó tác dụng ngược trở lại tên lửa một lực cùng độ lớn hướng về phía trước nên tên lửa tiến lên mà không cần môi trường bên ngoài.
Kết luận
Tóm lại, ba định luật Niu-tơn gồm định luật quán tính, định luật F = m·a và định luật lực – phản lực, tạo thành nền tảng của cơ học cổ điển. Khi giải bài tập, bạn nên theo trình tự: xác định đủ các lực tác dụng, tính hợp lực, rồi mới áp dụng định luật II để tìm gia tốc. Đừng quên phân biệt cặp lực cân bằng với cặp lực – phản lực, đây là điểm dễ mất điểm nhất. Bạn có thể luyện thêm phần động học với các công thức tính quãng đường trong chuyển động để hoàn thiện kiến thức cơ học lớp 10.
