Cùng một lực đẩy, tại sao chiếc xe đạp nhẹ lại lăn đi vù vù, còn chiếc xe tải nặng thì ì ạch mãi mới nhích được một chút? Cùng một chiếc xe, tại sao đẩy nhẹ thì nó lăn từ từ, đẩy mạnh thì nó vọt lên nhanh? Câu trả lời nằm trong một trong những công thức quan trọng nhất của Vật lí lớp 10 — công thức định luật 2 Newton. Bài viết này sẽ giải thích công thức ấy thật cặn kẽ: từng ký hiệu nghĩa là gì, lực – khối lượng – gia tốc liên hệ với nhau ra sao, và làm thế nào để áp dụng vào bài tập mà không sai một con số nào.
Định luật 2 Newton nói gì? Công thức F = m·a
Nhà vật lí Isaac Newton phát hiện ra rằng: khi một lực tác dụng lên một vật, vật sẽ thu được một gia tốc. Gia tốc ấy tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Viết gọn lại thành công thức:
F = m · a
Trong đó:
- F là lực tác dụng lên vật, đo bằng niutơn, ký hiệu N. 1 N là lực cần thiết để làm vật có khối lượng 1 kg thu được gia tốc 1 m/s².
- m là khối lượng của vật, đo bằng ki-lô-gam, ký hiệu kg. Khối lượng càng lớn, vật càng "ì", càng khó thay đổi vận tốc.
- a là gia tốc mà vật thu được, đo bằng mét trên giây bình phương, ký hiệu m/s². Gia tốc cho biết vận tốc của vật thay đổi nhanh hay chậm.
Ba đại lượng này gắn chặt với nhau: lực gây ra gia tốc, khối lượng cản trở sự thay đổi vận tốc. Cũng từ công thức gốc, ta suy ra hai dạng hay dùng không kém:
- Tính gia tốc: a = F/m — biết lực và khối lượng thì chia ra gia tốc.
- Tính khối lượng: m = F/a — biết lực và gia tốc thì chia ra khối lượng.
Một điểm rất quan trọng mà nhiều bạn hay bỏ qua: lực và gia tốc đều là đại lượng vectơ — chúng có hướng. Gia tốc luôn cùng hướng với lực tác dụng. Đẩy xe về phía trước thì xe tăng tốc về phía trước; kéo xe lại thì xe giảm tốc. Trong bài tập lớp 10, khi chỉ xét chuyển động thẳng, ta thường làm việc với độ lớn nên chỉ cần nhớ: lực càng lớn thì gia tốc càng lớn, khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ.
Hiểu sâu mối liên hệ: lực gấp đôi, khối lượng gấp đôi thì sao?
Công thức F = m·a không chỉ để tính toán — nó kể một câu chuyện về cách thế giới vận hành. Hãy xem bảng dưới đây để thấy rõ từng mối liên hệ:
| Thay đổi | Gia tốc thay đổi thế nào | Ví dụ |
|---|---|---|
| Lực tăng gấp đôi, khối lượng không đổi | Gia tốc tăng gấp đôi | Đẩy xe với lực 10 N thay vì 5 N thì xe tăng tốc nhanh gấp đôi |
| Lực không đổi, khối lượng tăng gấp đôi | Gia tốc giảm một nửa | Cùng lực đẩy, xe chở thêm hàng nặng gấp đôi thì tăng tốc chậm đi một nửa |
| Lực tăng gấp 3, khối lượng tăng gấp 3 | Gia tốc không đổi | Xe tải nặng gấp 3 lần xe con nhưng động cơ cũng mạnh gấp 3 lần thì tăng tốc như nhau |
Chính vì vậy, khối lượng còn được gọi là "số đo quán tính" của vật: khối lượng càng lớn, vật càng "lì", càng khó thay đổi vận tốc. Một chiếc xe tải 10 tấn cần lực động cơ lớn hơn rất nhiều so với xe máy chỉ để đạt cùng một gia tốc — đó là lý do xe tải tăng tốc chậm hơn hẳn dù động cơ của nó mạnh hơn.
Một ứng dụng quen thuộc: khi chơi kéo co, đội nào kéo mạnh hơn (lực lớn hơn) sẽ thắng; nhưng nếu hai đội kéo ngang nhau, dây đứng yên — tổng lực bằng không, gia tốc bằng không. Chuyện "tổng lực bằng không" dẫn ta sang trường hợp đặc biệt rất hay ra trong đề thi.
Trường hợp đặc biệt: khi F = 0 thì chuyện gì xảy ra?
Theo công thức, nếu hợp lực tác dụng lên vật bằng 0 thì a = F/m = 0 — vật không có gia tốc, tức là vận tốc của nó không thay đổi. Vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên; vật đang chuyển động thẳng đều sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều với đúng vận tốc đó. Đây chính là nội dung của định luật 1 Newton, và định luật 2 đã bao hàm nó như một trường hợp riêng.
Ví dụ đời thường: một cuốn sách nằm yên trên bàn — trọng lực kéo nó xuống, mặt bàn đẩy nó lên, hai lực cân bằng nhau nên hợp lực bằng 0, sách nằm yên mãi. Một hòn bi lăn trên mặt bàn nhẵn gần như không có ma sát: sau khi được đẩy một cái, nó lăn đều mãi cho tới khi chạm mép bàn. Trong đề thi, cứ thấy câu "vật chuyển động thẳng đều" thì hãy nghĩ ngay tới F = 0 — đó là chìa khóa mở bài.
4 ví dụ minh họa có lời giải chi tiết từng bước
Ví dụ 1. Một vật có khối lượng 2 kg, chịu tác dụng của lực 6 N. Tính gia tốc của vật.
Lời giải: Áp dụng a = F/m = 6 ÷ 2 = 3 m/s². Đáp số: 3 m/s².
Ví dụ 2 (ví dụ bắt buộc). Một vật có khối lượng m = 2 kg, thu được gia tốc a = 3 m/s². Tính lực tác dụng lên vật.
Lời giải: Áp dụng công thức định luật 2 Newton F = m·a = 2 × 3 = 6 N. Đáp số: 6 N.
Ví dụ 3. Một lực F = 10 N tác dụng lên vật có khối lượng m = 5 kg. Tính gia tốc của vật. Nếu muốn gia tốc tăng gấp đôi thì phải tác dụng lực bao nhiêu?
Lời giải: Gia tốc a = F/m = 10 ÷ 5 = 2 m/s². Muốn gia tốc tăng gấp đôi thành 4 m/s² mà khối lượng không đổi thì lực phải tăng gấp đôi: F = m·a = 5 × 4 = 20 N. Đáp số: 2 m/s²; cần lực 20 N.
Ví dụ 4. Một ô tô có khối lượng 1000 kg đang tăng tốc với gia tốc 2 m/s². Tính lực phát động của động cơ (bỏ qua ma sát). Một người nặng 60 kg đứng trên mặt đất thì trọng lượng của người đó là bao nhiêu? (lấy g = 10 m/s²)
Lời giải: Lực phát động F = m·a = 1000 × 2 = 2000 N. Trọng lượng là lực hút của Trái Đất tác dụng lên người: P = m·g = 60 × 10 = 600 N. Đáp số: 2000 N; 600 N.
Khi làm bài tập, nếu cần bấm nhanh các phép nhân chia, bạn có thể dùng máy tính Casio online miễn phí ngay trên trình duyệt để kiểm tra lại kết quả của mình.
Lỗi sai thường gặp khi dùng công thức định luật 2 Newton
Lỗi 1: Nhầm đơn vị gam với ki-lô-gam. Đề cho khối lượng 500 g, nhiều bạn thay thẳng 500 vào công thức F = m·a, ra lực lớn gấp 1000 lần đáp án đúng. Phải đổi 500 g = 0,5 kg trước khi tính. Quy tắc: khối lượng trong công thức F = m·a luôn tính bằng kg.
Lỗi 2: Nhầm lực với trọng lượng. Trọng lượng P = m·g chỉ là một loại lực riêng — lực hút của Trái Đất. Không phải bài nào có khối lượng cũng dùng P = m·g; chỉ dùng khi đề hỏi về trọng lượng hoặc vật rơi tự do, vật treo, vật trên mặt đất. Bài toán đẩy xe, kéo vật thì dùng lực F theo đề cho.
Lỗi 3: Quên rằng lực và gia tốc có hướng. Khi hai lực ngược chiều nhau, hợp lực bằng hiệu của chúng, không phải tổng. Ví dụ lực đẩy 10 N về phía trước, lực ma sát 4 N về phía sau thì hợp lực chỉ còn 6 N về phía trước, gia tốc tính theo 6 N chứ không phải 10 N.
Lỗi 4: Tính gia tốc từ vận tốc mà quên thời gian. Gia tốc là độ thay đổi vận tốc trong một đơn vị thời gian: a = (v − v₀)/t. Nhiều bạn thấy vận tốc tăng từ 0 lên 10 m/s thì kết luận a = 10 m/s² — sai, vì còn phải chia cho thời gian tăng tốc. Nếu mất 5 giây thì a = 10 ÷ 5 = 2 m/s².
Bài tập tự luyện có đáp án
| Câu | Đề bài | Đáp án |
|---|---|---|
| 1 | Vật có khối lượng 4 kg, gia tốc 2,5 m/s². Tính lực tác dụng lên vật. | 10 N (4 × 2,5 = 10) |
| 2 | Lực 15 N tác dụng lên vật có khối lượng 3 kg. Tính gia tốc của vật. | 5 m/s² (15 ÷ 3 = 5) |
| 3 | Lực 30 N làm vật thu được gia tốc 6 m/s². Tính khối lượng của vật. | 5 kg (30 ÷ 6 = 5) |
| 4 | Ô tô khối lượng 800 kg, lực phát động 1600 N (bỏ qua ma sát). Tính gia tốc của ô tô. | 2 m/s² (1600 ÷ 800 = 2) |
| 5 | Hợp lực tác dụng lên vật bằng 0. Vật đang chuyển động thẳng đều với vận tốc 5 m/s sẽ ra sao? | Tiếp tục chuyển động thẳng đều với vận tốc 5 m/s (a = 0) |
Muốn thử sức với nhiều câu trắc nghiệm về các định luật Newton hơn nữa, bạn có thể luyện trong ngân hàng 500 câu hỏi trắc nghiệm Vật lí 10 theo chủ đề — có đáp án và giải thích chi tiết từng câu.
Câu hỏi thường gặp về công thức định luật 2 Newton
Định luật 2 Newton khác định luật 1 ở điểm nào? Định luật 1 nói về trường hợp không có lực tác dụng (vật giữ nguyên trạng thái), định luật 2 nói về trường hợp có lực tác dụng (vật thu gia tốc a = F/m). Định luật 2 bao hàm cả định luật 1 khi F = 0.
1 niutơn (1 N) lớn cỡ nào? 1 N xấp xỉ bằng trọng lượng của một quả táo nhỏ (khối lượng khoảng 100 g). Lực 6 N trong ví dụ 2 tương đương trọng lượng của khoảng 6 quả táo — rất nhỏ, nhưng đủ làm vật 2 kg tăng tốc 3 m/s².
Vì sao xe tải tăng tốc chậm hơn xe con? Vì khối lượng xe tải lớn hơn nhiều nên với cùng một lực phát động, gia tốc a = F/m sẽ nhỏ hơn. Muốn tăng tốc nhanh như xe con, động cơ xe tải phải tạo ra lực lớn hơn tương ứng.
Gia tốc có thể âm không? Có. Gia tốc âm nghĩa là vận tốc đang giảm — vật chuyển động chậm dần. Ví dụ xe đang chạy mà phanh lại thì gia tốc ngược chiều chuyển động, mang dấu âm nếu chọn chiều chuyển động làm chiều dương.
Công thức F = m·a có dùng được cho mọi trường hợp không? Trong chương trình phổ thông, công thức này dùng cho vật chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng và khối lượng không đổi — tức là hầu hết mọi bài tập lớp 10. Ở vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, phải dùng cơ học tương đối tính, nhưng đó là chuyện của đại học.
Kết luận
Công thức định luật 2 Newton F = m·a gói gọn một quy luật lớn của tự nhiên: lực sinh ra gia tốc, khối lượng chống lại sự thay đổi. Nhớ ba điều: đơn vị phải đúng (N – kg – m/s²), lực gấp đôi thì gia tốc gấp đôi, khối lượng gấp đôi thì gia tốc giảm một nửa. Và đừng quên trường hợp đặc biệt F = 0 — vật giữ nguyên trạng thái chuyển động của nó. Nắm chắc công thức này, bạn đã có trong tay chìa khóa để mở hầu hết các bài tập Động lực học lớp 10. Luyện thêm với ngân hàng câu hỏi Vật lí 10 để biến kiến thức thành điểm số nhé.