Làm thế nào để “khám phá” định luật II Newton?

24

Vật lý 8, 9, 10

Sách đã xuất bản “Làm thế nào để “khám phá” định luật II Newton?” dành cho học sinh lớp 8, “Khí chuyển thể lỏng” dành cho học sinh lớp 9, “Phương trình sóng” dành cho học sinh lớp 10.
Các tài liệu được chuẩn bị bởi I.K. Belkin.

Làm thế nào để “khám phá” định luật II Newton?

Newton, trong tác phẩm nổi tiếng “Các nguyên lý toán học của vật lý tự nhiên”, định nghĩa lực như sau:

“Lực tác dụng là tác dụng được thực hiện lên một vật để làm thay đổi trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều của nó.”
Nói cách khác, lực là nguyên nhân gây ra gia tốc. Newton xây dựng định luật chuyển động thứ hai như sau:

“Sự thay đổi trong chuyển động tỷ lệ thuận với lực tác dụng lên chuyển động và xảy ra theo hướng của đường thẳng mà lực này tác dụng.”
Từ “thay đổi chuyển động” chắc chắn có nghĩa là sự thay đổi tốc độ chuyển động, vì tốc độ là đặc tính định lượng chính của chuyển động và hướng của vectơ tốc độ là hướng chuyển động. Do đó, định luật thứ hai của Newton áp dụng cho phát biểu rằng gia tốc (không liên quan đến sự thay đổi tốc độ) của một vật tỉ lệ thuận với lực tác dụng lên nó và có hướng giống như lực.

Nhưng từ “tỷ lệ” gợi ý rằng lực có thể được biểu thị bằng số. Trong khi đó, định nghĩa lực bằng lời ở trên không cho phép chúng ta so sánh lực như một hệ số. Do đó, người ta vẫn chưa rõ chính xác bằng cách nào Newton “biết” được rằng gia tốc và lực có liên hệ với nhau theo cách đã nêu trong định luật của ông. Nhưng rõ ràng định luật thứ hai của Newton là một định luật chỉ có thể thu được từ kinh nghiệm. Kinh nghiệm gì? Thật không may, Newton không thấy cần thiết phải kể lại điều này trong cuốn sách của mình. Nhưng không khó để tưởng tượng một trải nghiệm như vậy sẽ như thế nào.

Trước hết, đối với thí nghiệm, bạn cần sử dụng một lực không phụ thuộc vào vật thể tác dụng lực đó. Điều kiện này được thỏa mãn, ví dụ, bằng lực của sự xuất hiện urgo xóa (nén). Nó chỉ bị giới hạn bởi độ giãn của lực tác dụng và với độ giãn cho trước, lực tác dụng lên bất kỳ vật nào gắn với nó với cùng một lực.

Nếu chúng ta sử dụng lực Urgostyling cho thí nghiệm thì mối liên hệ giữa lực và gia tốc có thể được thiết lập theo hai cách.

Phương pháp một. Lực tạo kiểu được áp dụng theo kiểu kéo dãn (nén) được coi là bằng một (tiêu chuẩn của lực). Một số vật thể được gắn vào vật đính kèm và gia tốc của vật thể thay đổi khi nó chuyển động dưới tác dụng của một lực (tất nhiên, khi vật chuyển động với một phần kéo dài thì vật tác dụng sẽ không thay đổi!). Sau đó, vào cùng một vật thể, tức là với một vật thể có cùng khối lượng, 2, 3, 4, v.v. được gắn vào. Các đơn vị tương tự và bị kéo căng (nén) tương tự được áp dụng và gia tốc được truyền vào cơ thể bởi các lực bây giờ bằng hai đơn vị run, bốn, v.v. lại thay đổi.

Với tất cả những thay đổi này, khối lượng $m$ của cơ thể vẫn giữ nguyên. Do đó, phải có một đại lượng nào đó gắn liền với lực và gia tốc, giống nhau trong mọi thí nghiệm. Nó nên được đánh đồng với massela. Một thí nghiệm như vậy sẽ cho thấy rằng tỷ số $F/a$ sẽ bằng nhau đối với bất kỳ tác dụng lực nào, vì vậy chúng ta có thể viết

$$m = \frac{F}{a},$$ hoặc $F = ma.$

Phương pháp này yêu cầu lựa chọn sơ bộ về mức độ bền. Khi đó, sự thay đổi gia tốc giúp xác định khối lượng của vật và biểu thị nó bằng một con số nhất định.

Phương pháp hai. Lấy ứng dụng làm biến dạng một cách tùy ý, để một loại lực tạo kiểu nào đó phát sinh cho đến khi nó thay đổi. Để ứng dụng