Mục lục bài họcĐang ở d02-b1
← AP Physics C: Mechanics
0/28 bài đã học xong
Chương 2 · Unit 2 — Force and Translational Dynamics · Bài 1/4 của chương · bài 5/28 của AP Physics C: Mechanics

Newton's Laws in Calculus Form and Free-Body Diagrams

Ba định luật Newton dạng giải tích và sơ đồ vật tự do
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

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.

Giải thích tiếng Việt

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.

Hệ thật A B Sơ đồ tự do của A m_A g N (B đẩy A) Sơ đồ tự do của B N' (sàn đẩy B) N (A đẩy B) m_B g Cặp N và N cùng độ lớn, ngược chiều — nhưng nằm ở HAI sơ đồ khác nhau. Vẽ cả hai vào cùng một sơ đồ là tự khử mất lực, hệ hoá ra không gia tốc. Mỗi vật một hộp: chỉ vẽ lực do VẬT KHÁC tác dụng LÊN hộp đó.
Vì sao phải tách hai sơ đồ. Khối A nằm trên khối B. Lực $N$ (B đẩy A lên) và $N$ (A đẩy B xuống) là một cặp trực đối: cùng độ lớn, ngược chiều, nhưng một cái thuộc sơ đồ của A, một cái thuộc sơ đồ của B. Nếu vẽ cả hai vào một hình, chúng khử nhau và bạn sẽ kết luận hệ không có lực nào theo phương đứng — kết luận đó luôn sai. Cặp trực đối chỉ khử nhau khi ta chủ động gộp A và B thành một hệ duy nhất, và khi đó chúng trở thành nội lực, không được vẽ nữa.
Ví dụ — lực phụ thuộc thời gian

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.

Giải.

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.

Bẫy hay mất điểm — Lỗi đắt nhất của bài lực phụ thuộc thời gian là bê nguyên bốn công thức động học đều ($v=v_0+at$, $v^2=v_0^2+2a\Delta x$…) vào bài có $F(t)$. Chúng chỉ đúng khi $a$ hằng, mà $F(t)$ thì theo định nghĩa là không hằng. Cách chặn: trước khi viết dòng đầu tiên, đọc biểu thức lực và tự hỏi "có chữ $t$ hay chữ $v$ trong đó không?". Có thì gạch bỏ bốn công thức kia khỏi đầu và viết ngay dấu tích phân. Lỗi thứ hai cùng họ: quên hằng số tích phân — rubric AP luôn có một điểm riêng cho việc áp điều kiện đầu.
Phải nhớ — Một vật, một hộp, chỉ lực do vật khác tác dụng lên nó. Lực hằng thì đại số, lực phụ thuộc $t$ thì tích phân theo $t$, lực phụ thuộc $v$ thì tách biến — chọn nhầm đường ngay dòng đầu là hỏng cả bài.

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.

Làm bài tập chương →