Mục lục bài họcĐang ở d02-b1
Newton's Laws in Calculus Form and Free-Body Diagrams
The three laws, stated the way Physics C uses them
First law. There exist reference frames — inertial frames — in which a body with zero net force keeps a constant velocity vector. The first law is not a special case of the second; it is the statement that defines when the second law may be written at all.
Second law. The exam version is the momentum form:
$$\sum \vec F=\frac{d\vec p}{dt}$$For constant mass this reduces to $\sum\vec F=m\vec a$, but you should read the general form first: it is what makes a time-dependent force $F(t)$ a calculus problem rather than an algebra problem. Once $a(t)=F(t)/m$ is known, velocity and position follow by integration, with the constants fixed by the initial conditions.
$$v(t)=v_0+\frac1m\int_0^t F(t')\,dt',\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v(t')\,dt'$$Third law. $\vec F_{AB}=-\vec F_{BA}$: equal magnitude, opposite direction, same type of interaction, and — the part that is tested — acting on different bodies. A third-law pair therefore never appears on the same free-body diagram.
Free-body diagram procedure. Isolate one body; draw only forces exerted on it by other objects; choose axes that make the acceleration lie along one axis; write $\sum F_x$ and $\sum F_y$ separately. Contact forces (normal, friction, tension) are constraint forces: their magnitudes are unknowns to be solved for, not formulas to be recalled.
Định luật I không phải trường hợp riêng của định luật II. Nó khẳng định có tồn tại hệ quy chiếu quán tính — và chỉ trong hệ đó mới được phép viết $\sum\vec F=m\vec a$. Ngồi trên xe đang phanh mà vẫn viết định luật II như thường là chỗ sai gốc của rất nhiều bài.
Định luật II ở Physics C viết dạng động lượng: $\sum\vec F=\dfrac{d\vec p}{dt}$. Với khối lượng không đổi thì thành $m\vec a$, nhưng nhớ dạng tổng quát trước, vì đó là cửa vào của toàn bộ phần giải tích: khi lực phụ thuộc thời gian $F(t)$, ta không có gia tốc hằng, nên cấm dùng bốn công thức động học đều. Đường đi bắt buộc là lấy tích phân:
$$a(t)=\frac{F(t)}{m},\qquad v(t)=v_0+\int_0^t a\,dt',\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v\,dt'$$Hằng số tích phân lấy từ điều kiện đầu — quên hằng số là mất trọn một mắt xích rubric.
Định luật III: hai lực cùng độ lớn, ngược chiều, cùng bản chất, và đặt lên hai vật khác nhau. Vì thế một cặp lực trực đối không bao giờ cùng xuất hiện trên một sơ đồ tự do.
Quy trình vẽ sơ đồ tự do: cô lập MỘT vật; chỉ vẽ lực do vật khác tác dụng lên nó; chọn trục sao cho gia tốc nằm trên một trục; viết riêng $\sum F_x$ và $\sum F_y$. Phản lực pháp tuyến, lực căng, ma sát nghỉ là lực liên kết — chúng là ẩn phải giải ra, không phải công thức để thuộc lòng.
Một vật khối lượng $m=2$ kg nằm yên trên mặt ngang nhẵn. Từ $t=0$ chịu lực nằm ngang $F(t)=\left(6t-3t^2\right)$ N với $t$ tính bằng giây. Tìm vận tốc lớn nhất của vật và thời điểm đạt được nó.
Lực đổi theo thời gian nên gia tốc không hằng: không được dùng $v=v_0+at$.
$$a(t)=\frac{F(t)}{m}=3t-1{,}5t^2$$Lấy tích phân với $v(0)=0$:
$$v(t)=\int_0^t\left(3t'-1{,}5t'^2\right)dt'=1{,}5t^2-0{,}5t^3$$Vận tốc cực đại khi $\dfrac{dv}{dt}=a=0$, tức $3t-1{,}5t^2=0\Rightarrow t=2$ s (loại $t=0$).
$$v(2)=1{,}5(4)-0{,}5(8)=6-4=2\ \text{m/s}$$Chú ý mắt xích quan trọng: vận tốc cực đại xảy ra đúng lúc lực đổi dấu, không phải lúc lực cực đại. Lực cực đại ở $t=1$ s, và tại đó vật mới đi được một phần đường.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 2 — Force and Translational Dynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.