Định luật II Newton: F=ma Hướng dẫn

Tổng quan

Khảo sát mối quan hệ định lượng giữa gia tốc, hợp lực và khối lượng bằng phương pháp kiểm soát biến và đồng hồ bấm giờ kiểu băng giấy để kiểm chứng Định luật II Newton $F = ma$.

Bối cảnh

Khái niệm chính

Công thức và diễn giải

Các bước thí nghiệm

1. 1

   Khảo sát mối quan hệ giữa gia tốc và lực

   Giữ khối lượng xe $M = 0.5\text{kg}$ không đổi. Đặt lực kéo $F$ lần lượt là $1.0\text{N}$, $1.5\text{N}$, $2.0\text{N}$ và $2.5\text{N}$, thực hiện thí nghiệm tương ứng và ghi lại gia tốc. Quan sát: khi khối lượng không đổi, gia tốc thay đổi như thế nào theo lực kéo? (Gợi ý: Thử vẽ đồ thị $a\text{-}F$)
2. 2

   Khảo sát mối quan hệ giữa gia tốc và khối lượng

   Giữ lực kéo $F = 1.0\text{N}$ không đổi. Đặt khối lượng xe $M$ lần lượt là $0.5\text{kg}$, $1.0\text{kg}$ và $1.5\text{kg}$, thực hiện thí nghiệm tương ứng và ghi lại gia tốc. Quan sát: khi lực không đổi, gia tốc thay đổi như thế nào theo khối lượng? (Gợi ý: Thử vẽ đồ thị $a\text{-}1/M$)
3. 3

   Phân tích băng giấy

   Quan sát sự phân bố các điểm đếm trên băng giấy. Cứ 5 điểm lấy 1 điểm đếm, và khoảng thời gian giữa các điểm đếm liền kề là $T = 0.1\text{s}$. Đo khoảng cách giữa các điểm đếm liền kề $x_1, x_2, ..., x_6$. Suy nghĩ: Tại sao khoảng cách giữa các điểm đếm liền kề ngày càng lớn? Điều này cho biết xe đang thực hiện loại chuyển động nào?
4. 4

   Giới thiệu ma sát

   Điều chỉnh hệ số ma sát từ $0$ lên $0.1$ hoặc cao hơn. Lặp lại thí nghiệm ở Bước 1 và quan sát độ lệch của gia tốc đo được so với giá trị lý thuyết. Suy nghĩ: Sự khác biệt giữa gia tốc đo được bằng thực nghiệm và giá trị lý thuyết là gì? Làm thế nào để giải thích sự khác biệt này? Làm thế nào để 'cân bằng ma sát' trong các thí nghiệm thực tế?

Mục tiêu học tập

• Mô tả chính xác nội dung và ý nghĩa vật lý của Định luật II Newton
• Nắm vững việc áp dụng phương pháp kiểm soát biến trong các thí nghiệm vật lý
• Sử dụng thành thạo phương pháp sai phân liên tiếp để xử lý dữ liệu băng giấy và tính gia tốc
• Hiểu các kết luận thực nghiệm về $a \propto F$ (khối lượng không đổi) và $a \propto 1/m$ (lực không đổi)
• Phân tích các nguồn sai số thực nghiệm và đề xuất các biện pháp cải thiện

Ứng dụng thực tế

• Hiệu suất tăng tốc ô tô: Cung cấp lực đẩy lớn hơn từ động cơ hoặc giảm khối lượng thân xe đều có thể cải thiện hiệu suất tăng tốc. Xe đua F1 sử dụng thân xe bằng sợi carbon chính xác là để giảm khối lượng.
• Phóng tên lửa: Quá trình đốt cháy nhiên liệu tên lửa cung cấp lực đẩy. Khi nhiên liệu được tiêu thụ và khối lượng giảm, gia tốc tiếp tục tăng với lực đẩy không đổi.
• Khởi động thang máy: Khi thang máy gia tốc đi lên từ trạng thái nghỉ, cảm giác 'quá tải' mà mọi người trải qua là biểu hiện của hợp lực bên ngoài.
• Túi khí: Giảm lực va chạm bằng cách kéo dài thời gian va chạm về cơ bản là sử dụng sự biến dạng của $F = ma$, $F = m \cdot \Delta v / \Delta t$.
• Huấn luyện thể thao: Gia tốc xuất phát của vận động viên chạy nước rút liên quan trực tiếp đến lực đạp xuống đất và trọng lượng cơ thể, đây cũng là cơ sở khoa học cho việc kiểm soát cân nặng.

Sự hiểu lầm phổ biến

Đọc thêm

• Các định luật chuyển động của Newton - Wikipedia
• Phương trình chuyển động - Wikipedia