Bài Tập Định Luật 2 Newton Có Giải

Định luật 2 Newton là một trong những khái niệm nền tảng của cơ học cổ điển, mô tả mối quan hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc của một vật. Nắm vững định luật này là chìa khóa để giải quyết các bài tập vật lý liên quan đến chuyển động của vật thể. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn sâu sắc về định luật 2 Newton, kèm theo các bài tập có giải chi tiết để bạn rèn luyện và củng cố kiến thức.

Định Luật 2 Newton: Khái Niệm và Công Thức

Định luật 2 Newton phát biểu rằng gia tốc của một vật tỷ lệ thuận với tổng lực tác dụng lên vật và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật. Định luật này được biểu diễn bằng công thức toán học đơn giản:

F = m.a

Trong đó:

F là tổng lực tác dụng lên vật (đơn vị là Newton, ký hiệu N)
m là khối lượng của vật (đơn vị là kilogam, ký hiệu kg)
a là gia tốc của vật (đơn vị là mét trên giây bình phương, ký hiệu m/s²)

Từ công thức này, ta có thể rút ra một số kết luận quan trọng:

Lực là nguyên nhân gây ra gia tốc: Một vật chỉ có gia tốc khi có lực tác dụng lên nó.
Phương và chiều của gia tốc: Gia tốc của vật có cùng phương và chiều với tổng lực tác dụng lên nó.
Khối lượng là đại lượng đo lường sự ì của vật: Vật có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi trạng thái chuyển động, tức là càng khó tăng tốc hoặc giảm tốc.

Bài Tập Vận Dụng Định Luật 2 Newton

Để hiểu rõ hơn về cách áp dụng định luật 2 Newton, hãy cùng phân tích một số bài tập ví dụ sau:

Bài tập 1: Một vật có khối lượng 2 kg đang nằm yên trên mặt phẳng ngang. Tác dụng lên vật một lực kéo theo phương ngang có độ lớn 10 N. Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0.2. Tính gia tốc của vật và quãng đường vật đi được sau 5 giây.

Giải:

Bước 1: Xác định các lực tác dụng lên vật:
- Trọng lực P = m.g = 2 kg x 9.8 m/s² = 19.6 N
- Phản lực N cân bằng với trọng lực P, nên N = P = 19.6 N
- Lực ma sát Fms = μ.N = 0.2 x 19.6 N = 3.92 N
- Lực kéo Fk = 10 N
Bước 2: Tính tổng lực tác dụng lên vật:
- Vì lực kéo và lực ma sát ngược chiều nhau, nên ta có: F = Fk – Fms = 10 N – 3.92 N = 6.08 N
Bước 3: Áp dụng định luật 2 Newton để tính gia tốc:
- a = F/m = 6.08 N / 2 kg = 3.04 m/s²
Bước 4: Tính quãng đường vật đi được sau 5 giây:
- Áp dụng công thức: s = v0.t + (1/2).a.t²
- Do vật ban đầu nằm yên nên v0 = 0
- Vậy, s = (1/2).3.04 m/s².(5 s)² = 38 m

Kết luận: Vật chuyển động nhanh dần đều với gia tốc 3.04 m/s² và đi được quãng đường 38 m sau 5 giây.

Bài tập 2: Một quả bóng có khối lượng 0.5 kg được đá lên theo phương thẳng đứng với vận tốc ban đầu là 10 m/s. Lấy g = 10 m/s². Tính độ cao cực đại mà quả bóng đạt được.

Giải:

Bước 1: Xác định các lực tác dụng lên quả bóng:
- Trọng lực P = m.g = 0.5 kg x 10 m/s² = 5 N
Bước 2: Áp dụng định luật 2 Newton:
- F = m.a = -m.g (do gia tốc ngược chiều với chiều dương)
Bước 3: Tính gia tốc:
- a = -g = -10 m/s²
Bước 4: Tính độ cao cực đại:
- Tại độ cao cực đại, vận tốc của quả bóng bằng 0 (v = 0)
- Áp dụng công thức: v² – v0² = 2.a.s
- Ta có: 0 – (10 m/s)² = 2.(-10 m/s²).s
- Suy ra: s = 5 m

Kết luận: Quả bóng đạt được độ cao cực đại là 5 m.

Lưu ý khi giải bài tập định luật 2 Newton:

Chọn hệ quy chiếu: Xác định rõ hệ quy chiếu để biểu diễn chính xác phương và chiều của các đại lượng véc tơ như lực và gia tốc.
Vẽ sơ đồ lực: Vẽ sơ đồ lực tác dụng lên vật để dễ dàng phân tích và tính toán.
Phân tích lực: Phân tích các lực thành các thành phần theo các phương tọa độ đã chọn.
Áp dụng định luật 2 Newton cho từng phương: Viết phương trình định luật 2 Newton cho từng phương tọa độ.
Giải hệ phương trình: Giải hệ phương trình thu được để tìm ra các đại lượng cần tìm.