Lý thuyết và Bài tập môn Vật lí Lớp 10 - Chủ đề 3: Cân bằng và chuyển động của vật rắn

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập môn Vật lí Lớp 10 - Chủ đề 3: Cân bằng và chuyển động của vật rắn

1. CHƯƠNG CHỦ ĐỀ 3: CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM Trang 1
2. PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực, ba lực không song song 1. Phương pháp giải Bài toán cân bằng của vật rắn chịu tác dụng Ví dụ: Một quả cầu đồng chất có trọng lượng của hai lực, ba lực không song song, ta làm theo 4 50 N được treo vào tường nhờ một sợi dây. Khi cân bước sau: bằng dây lệch góc 45° so với phương thẳng đứng. Tính lực căng của dây treo? Hướng dẫn Bước 1: Xác định và biểu diễn các lực tác dụng lên Tác dụng lên quả cầu có trọng lực vật. P, sức căng dây T cùng đi qua trọng Bước 2: Trượt các lực về chung gốc. tâm và phản lực Q của tường vuông góc với tường. Vật đứng yên nên ba lực này phải đồng quy tại tâm của quả cầu. Bước 3: Áp dụng điều kiện cân bằng đối với vật rắn Từ điều kiện cân bằng của vật rắn ta chịu tác dụng của hai lực, ba lực không song song. suy ra:    T Q P Bước 4: Từ hình vẽ, sử dụng các kiến thức hình học để tính toán. Từ tam giác lực trên hình vẽ: P 50 T 50 2N. cos cos 450 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một vật khối lượng 1 kg được giữ trên mặt phẳng nghiêng góc 30° bằng một sợi dây song song với mặt phẳng nghiêng. Bỏ qua mọi ma sát. Lấy g = 10 m/s2 . Lực căng của sợi dây bằng A. 10 N.B. 5 N.C. 8 N.D. 12 N. Hướng dẫn Tác dụng lên vật có lực căng dây T, trọng lực P cùng đi qua trọng tâm và phản lực Q của mặt phẳng nghiêng. Vì vật nằm cân bằng nên ba lực này phải đồng quy ở trọng tâm của vật. Từ điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song    song ta có: T P Q Từ tam giác lực trên hình vẽ ta thấy lực căng dây T: T = P.sin = mgsin = 1.10.sin300 = 5N. Chọn B. Ví dụ 2: Hai mặt phẳng đỡ tạo với phương ngang các góc 45°. Trên hai mặt phẳng đó người ta đặt một quả cầu đồng chất có khối lượng 2 kg. Bỏ qua mọi ma sát và lấy g = 10 m/s 2. Hỏi áp lực của quả cầu lên mỗi mặt phẳng đỡ bằng bao nhiêu? A. 20 NB. 28 NC. 14 ND. 1.4 Trang 2
3. Hướng dẫn Tác dụng lên vật có trọng lực P và các phản lực Q 1, Q2 của các mặt phẳng đỡ. Ba lực này đồng quy tại tâm quả cầu. Do tính đối xứng nên hai phản lực bằng nhau về độ lớn Q 1 = Q2 = Q. Từ điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song:    Q1 Q2 P Từ hình vẽ ta thấy hai mặt đỡ vuông góc với nhau, mà các phản lực vuông góc với mặt đỡ nên chúng cũng vuông góc với nhau. P 2.10 Ta có: P2 Q2 Q2 Q 1 10 2 14N. 2 2 Chọn C. Ví dụ 3: Một chiếc đèn có trọng lượng P = 50 N được treo vào tường nhờ một sợi dây. Muốn cho đèn ở xa tường hơn người ta dùng một thanh chống nằm ngang, một đầu thanh chống vào tường và một đầu thanh tì vào điểm B của sợi dây như hình vẽ. Bỏ qua trọng lượng của thanh. Khi hệ nằm cân bằng thì dây hợp với tường góc 45°. Phản lực của thanh bằng A. 25 N.B. 50 N.C. 100 N.D. 50 2N Hướng dẫn Tác dụng lên đèn có lực căng dây T1 và trọng lực P. Vì đèn nằm cân bằng nên T1 = P. Tác dụng lên thanh chống có phản lực Q của tường, lực căng dây T 1 và T2. Thanh nằm cân bằng nên ba lực này đồng quy tại B và:    T2 Q T1 0 Từ tam giác lực trên hình vẽ ta có: Q = T1.tan45 = T1 = 50N. Chọn B. Dạng 2: Cân bằng của vật rắn có trục quay cố định 1. Phương pháp giải Với bài tập cân bằng của vật rắn có trục quay Ví dụ: Một thanh cứng trọng lượng 20 N một cố định ta làm theo 3 bước sau: đầu được gắn vào tường nhờ một bản lề, đầu còn lại được treo vào sợi dây thẳng đứng. Tính độ lớn lực căng dây? Hướng dẫn Bước 1: Xác định trục quay. Thanh cứng có thể quay quanh bản lề nên đó chính là trục quay của thanh. Trang 3
4. Bước 2: Xác định các lực không đi qua trục quay, Tác dụng lên thanh có: xu hướng làm cho vật quay theo chiều nào và cánh Trọng lực P có xu hướng làm thanh quay cùng tay đòn của lực đó. chiều kim đồng hồ, trọng lực P đặt tại trọng tâm thanh nên giá của nó cách trục quay đoạn 0,5 L (L là chiều dài thanh) Lực căng dây T có xu hướng làm thanh quay ngược chiều kim đồng hồ, giá của nó cách trục quay đoạn L. Thanh nằm cân bằng nên theo quy tắc momen Bước 3: Áp dụng quy tắc momen đối với trục quay. ta có:   M P/O MT /O P.dP T.dT L P P. T.L T 10N 2 2 Chú ý: cánh tay đòn của lực là độ dài đoạn vuông góc hạ từ trục quay đến giá của lực đó. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Một thanh cứng AB dài 7 m, khối lượng không đáng kể có trục quay O.   Hai đầu thanh chịu tác dụng của hai lực F1 và F2 . Biết F1 = 50 N, F2 = 200 N và OA= 2 m. Đặt vào thanh một lực F3 hướng lên có giá cách trục quay O một đoạn 3 m. Tính độ lớn F3 để thanh nằm cân bằng? A. 100 N.B. 200 N.C. 300 N.D. 500 N. Hướng dẫn Tác dụng lên thanh có: Lực F1 có xu hướng làm thanh quay ngược chiều kim đồng hồ, có giá cách trục quay đoạn OA = 2 m. Lực F2 có xu hướng làm thanh quay cùng chiều kim đồng hồ, có giá cách trục quay đoạn OB = AB - OA = 7 - 2 = 5 m. Lực F3 có xu hướng làm thanh quay ngược chiều kim đồng hồ, có giá cách trục quay đoạn OC = 3 m. Theo quy tắc momen ta có: M  M  M  F1 /O F3 /O F2 /O F1.OA + F3.OC = F2.OB 50.2 + F3.3 = 200.5 F3 = 300N Chọn C. Ví dụ 2: Một thanh nhẹ đồng chất AB có trọng lượng 30 N, đầu A được gắn vào tường nhờ một bản lề, đầu B được treo vào tường bằng một sợi dây căng nằm ngang. Khi cân bằng, thanh hợp với phương thẳng đứng một góc 30°. Lực căng dây có độ lớn bằng A. 15 N.B. 30 N.C. 10 N.D. 5 3 N. Hướng dẫn Đầu A của thanh được gắn vào tường nhờ bản lề nên trục quay của thanh là tại A. Gọi L là chiều dài của thanh. Tác dụng lên thanh có: Trang 4
5. • Trọng lực P có xu hướng làm thanh quay cùng chiều kim đồng hồ. Giá của trọng lực thẳng đứng đi qua trọng tâm O. • Từ A hạ AH vuông góc với P khi đó AH là cánh tay đòn của trọng lực. Xét tam giác vuông OAH ta có: L L AH AO.sin .sin 300 . 2 4 • Lực căng dây T có xu hướng làm thanh quay ngược chiều kim đồng hồ. Giá của nó nằm ngang đi qua đầu B nên ta có BC vuông góc với CA do đó CA là cánh tay đòn của T. Xét tam giác vuông ABC ta có: L 3 AC AB.cos L.cos300 . 2 Áp dụng quy tắc momen với trục quay tại A: L L 3 P 3 30 3 M  M  P.d T.d P. T. T 5 3N P/A T /A P T 4 2 6 6 Chọn D. Ví dụ 3: Một thanh dài AO đồng chất có khối lượng 2 kg. Đầu O của thanh được gắn vào tường thẳng đứng nhờ một bản lề, còn đầu A của thanh được treo vào tường bằng một sợi dây. Khi cân bằng thanh nằm ngang vả sợi dây tạo với thanh một góc 30°. Lấy g = 10 m/s2. Lực căng của sợi dây bằng A. 10 N.B. 20 N.C. 20 3 ND. 10 3 N. Hướng dẫn Đầu O của thanh được gắn vào tường nhờ một bản lề nên thanh có thể quay quanh trục quay qua O. Gọi L là chiều dài của thanh. Tác dụng lên thanh có: • Trọng lực P có xu hướng làm thanh quay cùng chiều kim đồng hồ, có phương thẳng đứng vuông góc với thanh và giá đi qua trọng tâm G của 1 thanh. Do đó OG chính là cánh tay đòn của P: OG L 2 • Lực căng dây T có xu hướng làm thanh quay ngược chiều kim đồng hồ, có phương hợp với phương ngang góc 30°. Từ O hạ OH vuông góc với dây AB, ta có OH chính là cánh tay đòn của lực căng dây T. L Xét tam giác vuông OAH ta có: OH OA.sin L.sin 300 . 2 Áp dụng quy tắc momen: L L M  M  P.OG T.OH P. T. T P mg 2.10 20N. P/O T /O 2 2 Chọn B PHẦN 3: BÀI TẬP TỔNG HỢP Câu 1. Thanh nhẹ đồng chất AB = 1,6 m. Người ta treo các trọng vật P 1 = 15 N, P2 = 25 N lần lượt tại A, B và đặt giá đỡ tại O để thanh cân bằng và nằm ngang. Tính OA? Trang 5
6. A. 0,5 m.B. 1 m.C. 1,2 m.D. 1,5 m. Câu 2. Một quả cầu có khối lượng 1,5 kg được treo vào tường nhờ một sợi dây. Dây hợp với tường góc 45°. Cho g = 9,8 m/s2. Bỏ qua ma sát ở chỗ tiếp xúc giữa quả cầu và tường. Lực ép của quả cầu lên tường là: A. 20 N.B. 10,4 N.C. 14,7 N.D. 17 N. Câu 3. Một chiếc thước có khối lượng không đáng kể dài 1,1 m đặt trên một điểm tựa O như hình vẽ. Người ta móc ở hai đầu A và B của thước hai quả cân có khối lượng lần lượt là m 1 = 500 g và m2 = 600 g thì thấy thước cân bằng và nằm ngang. Tính các khoảng cách OA và OB? A. 0,6 m và 0,5 m.B. 0,5 m và 0,6 m. C. 0,8 m và 0,4 m.D. 0,4 m và 0,8 m. Câu 4. Cho vật được đỡ bởi hai thanh như hình vẽ. Biết gia tốc trọng trường g = 10 m/s 2 và các phản lực do thanh tác dụng lên vật hướng dọc theo thanh. Lực do thanh (1) tác dụng lên vật là 50 N. Khối lượng của vật là: A. 2,5 kg.B. 5 kg.C. 7,5 kg.D. 10 kg. Câu 5. Một quả cầu bán kính bằng 20 cm được treo cân bằng vào tường thẳng đứng bằng một sợi dây dài 40 cm nối xuyên qua tâm quả cầu. Trọng lượng quả cầu bằng 30 N. Độ lớn lực căng dây bằng: A. 30 N.B. 15 N.C. 15 3N. D. 20 3N. Câu 6. Một thanh gỗ dài 1,5 m nặng 12 kg, một đầu được gắn vào trần nhà nhờ một bản lề, đầu còn lại được buộc vào một sợi dây và gắn vào trần nhà sao cho phương của sợi dây thẳng đứng và giữ cho tấm gỗ nằm nghiêng hợp với trần nhà nằm ngang một góc . Biết trọng tâm của thanh gỗ cách đầu gắn bản lề 50 cm. Tính lực căng của sợi dây? Lấy g = 10 m/s2. A. 20 N.B. 30 N.C. 40 N.D. 80 N. Câu 7. Một vật được giữ vào tường nhờ một sợi dây treo và môt thanh cứng. Vật nặng 5 kg và lực do thanh tác dụng lên vật là 25 N và hướng dọc theo thanh. Xác định góc , biết g = 10 m/s2? A. 60°.B. 30 0.C. 45°.D. 15°. 1 Câu 8. Một thanh sắt dài, đồng chất, tiết diên đều, đươc đặt trên bàn sao cho chiều dài của nó nhô ra 4  khỏi bàn. Tại đâu nhô ra, người ta đặt một lực F hướng thẳng đứng xuống dưới. Khi lực đạt tới giá trị 40 N thì đầu kia của thanh sắt bắt đầu bênh lên. Lấy g = 10 m/s2. Tính khối lượng của thanh? Trang 6
7. A. 2 kg.B. 4 kg.C. 6 kg.D. 3 kg. Đáp án: 1-B 2-C 3-A 4-B 5-D 6-C 7-B 8-B Trang 7