Giải SGK Vật Lí 10 (Cánh diều) Bài 5: Tổng hợp và phân tích lực

Giải Vật Lí 10 Bài 5:Tổng hợp và phân tích lực

Mở đầu trang 65 Vật Lí 10: Ngày 23-3-2021, siêu tàu Ever Given (E-vơ Ghi-vờn), mang cờ Panama (Pa-na-ma), bị mắc cạn tại kênh đào Suez, làm tê liệt tuyến vận tải hàng hải quan trọng bậc nhất thế giới. Để giải cứu con tàu dài 400 m, rộng 59 m, chở 224 nghìn tấn hàng hóa, người ta đã phải huy động các tàu lai dắt để kéo mũi tàu Ever Given trở lại đường lưu thông qua kênh đào. Các tàu lai dắt không chuyển động cùng hướng nhưng hợp lực kéo của chúng vẫn giúp kéo mũi tàu Ever Given khỏi điểm mắc cạn. Vì sao như vậy?

Lời giải:

Vì lực tổng hợp của hai lực kéo do 2 tàu kéo lai dắt tác dụng lên siêu tàu Ever Given có hướng xác định tiến về phía trước (hướng này giúp siêu tàu có thể di chuyển ra khỏi nơi mắc cạn).

I. Tổng hợp lực đồng quy

Câu hỏi 1 trang 65 Vật Lí 10: Biểu diễn quy tắc cộng vectơ cho trường hợp lực F₂ ngược chiều với lực F₁ khi F₁ > F₂ và khi F₁ <  F₂.

Lời giải:

Quy tắc cộng vectơ: $\overrightarrow{F_{12}}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}$

Lực F₂ ngược chiều với lực F₁:

+ Khi F₁ > F₂: F₁₂ = F₁ – F₂

+ Khi F₁ < F₂: F₁₂ = F₂ – F₁

Câu hỏi 2 trang 66 Vật Lí 10: Thảo luận, đề xuất phương án và thực hiện thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy cùng phương.

Lời giải:

- Dụng cụ: 

+ 2 quả nặng có khối lượng là m và 2m.

+ 1 lực kế có giới hạn đo phù hợp.

+ 1 chiếc thước dài được gắn cố định theo phương ngang trên mặt bàn nhẵn.

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Móc một đầu của lực kế vào 1 quả nặng có khối lượng m và kéo vật di chuyển trên bàn sát với thước đến khi ổn định, dọc theo phương của thước nằm ngang. Đọc số chỉ của lực kế khi đó.

+ Thay thế quả nặng trên bằng quả nặng còn lại có khối lượng 2m. Làm thao tác như trên và đọc số chỉ lực kế khi đó.

+ Gắn 2 quả nặng lại với nhau thành hệ (khối lượng lúc này là 3m). Thực hiện thao tác như trên và đọc số chỉ lực kế khi đó.

+ Làm lại thí nghiệm nhiều lần để được kết quả chính xác hơn.

- Kết quả: Số chỉ lực kế lần thứ 3 bằng tổng số chỉ lực kế 2 lần trước đó.

Câu hỏi 3 trang 66 Vật Lí 10: Xác định độ lớn và hướng của hợp lực F bằng cách dựng các vectơ lực P và lực F_đ đúng tỉ lệ. Đối chiếu với kết quả tính.

Lời giải:

Ta thu được vectơ hợp lực F hướng xuống dưới và có độ lớn 0,4 N phù hợp với kết quả tính toán.

Thực hành trang 67 Vật Lí 10: Thí nghiệm ở hình 5.6 cho phép nghiệm lại kết quả tổng hợp hai lực F₁, F₂ vuông góc với nhau và có độ lớn tương ứng theo tỉ lệ 4 : 3 (như ví dụ với quả cầu lông nói trên). Trong thí nghiệm này, lực kéo F₁ tạo với dây treo 4 quả cân và lực kéo F₂ tạo với dây treo 3 quả cân đã giữ cho chùm 5 quả cân không rơi.

- Hãy biểu diễn các lực thành phần F₁, F₂ trong thí nghiệm.

- Nhận xét về liên hệ giữa hợp lực F của hai lực F₁, F₂ với trọng lực của chùm 5 quả cân. Từ đó, thảo luận đề xuất phương án xác định hợp lực F.

- Tiến hành thí nghiệm để xác định hợp lực F. Kết quả thực hiện được ghi theo mẫu sau:

- So sánh kết quả thu được qua thí nghiệm với kết quả tính ở trên và rút ra quy tắc tổng hợp hai lực đồng quy vuông góc.

Lời giải:

- Biểu diễn các lực thành phần $\overrightarrow{F_1};\overrightarrow{F_2}$

- Lực tổng hợp $\overrightarrow{F}$ của 2 lực thành phần $\overrightarrow{F_1};\overrightarrow{F_2}$ cân bằng với trọng lực $\overrightarrow{P}$ của chùm 5 quả cân: F = P

- Đề xuất phương án xác định hợp lực F:

+ Đo độ lớn các lực thành phần $\overrightarrow{F_1};\overrightarrow{F_2}$và góc hợp bởi 2 lực đó là góc $\alpha$. Độ lớn các lực dựa vào số quả cân được treo.

+ Sử dụng công thức định lí hàm cosin trong tam giác xác định độ lớn F theo lí thuyết thông qua: $F^2=F_1^2+F_2^2+2F_1{F}_2\cos \alpha$

+ Đo độ lớn trọng lực P (thông qua số quả cân được treo) thì gián tiếp xác định được độ lớn hợp lực F theo thí nghiệm.

+ So sánh độ lớn của F theo lí thuyết và thực hành để rút ra kết luận: $F=\sqrt{F_1^2+F_2^2}$

- Tiến hành thí nghiệm để xác định hợp lực F (sử dụng số quả cân để gián tiếp xác định độ lớn của các lực, ví dụ 2 quả cân thì coi như lực có độ lớn 2 N). Kết quả thực hiện được tham khảo bảng mẫu dưới đây:

+ Xử lí kết quả bằng công thức: $F^2=F_1^2+F_2^2+2F_1{F}_2\cos \alpha$ và so sánh với kết quả thực hành (cột F). Ta thấy số liệu thu được gần bằng với kết quả tính toán.

- Quy tắc tổng hợp 2 lực đồng quy vuông góc: $F=\sqrt{F_1^2+F_2^2}$

Câu hỏi 4 trang 67 Vật Lí 10: Thảo luận để thiết kế phương án thí nghiệm khác không cần sử dụng hệ thống ròng rọc và các quả cân. Có thể dùng lực kế đo trực tiếp các lực.

Lời giải:

- Dụng cụ:

+ Bảng thép (1)

+ Hai lực kế ống 5 N, có đế nam châm (2)

+ Thước đo góc có độ chia nhỏ nhất 1^o được in trên tấm mica trong suốt (3)

+ Một đế nam châm có móc để buộc dây cao su (4)

+ Dây chỉ bền và một dây cao su (5)

+ Giá đỡ có trục 10 mm, cắm lên đế ba chân (6)

+ Bút dùng để đánh dấu

- Tiến hành thí nghiệm:

Xác định 2 lực thành phần F₁ và F₂.

+ Đặt bảng thép lên giá đỡ. Gắn đế nam châm có móc buộc sợi dây cao su vào móc. Buộc sợi dây chỉ vào dây cao su. Móc hai lực kế vào đầu còn lại của sợi chỉ và gắn hai lực kế lên bảng.

+ Gắn thước đo góc lên bảng bằng nam châm

+ Di chuyển hai lực kế sao cho dây cao su và các đoạn dây chỉ song song với mặt phẳng và tâm O của thước trùng với giao điểm của sợi dây và dây cao su.

+ Đánh dấu lên bảng sắt điểm A₁ của đầu dây cao su, phương của hai lực $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ do hai lực kế tác dụng vào dây, có độ lớn tương ứng theo tỉ lệ 4 : 3.

+ Ghi các số liệu F₁, F₂ từ số chỉ của hai lực kế và góc giữa hai lực vào bảng 1

Xác định lực tổng hợp F_hl của hai lực thành phần F₁ và F₂.

+ Tháo một lực kế và bố trí thí nghiệm như hình dưới

+ Di chuyển lực kế sao cho đầu dây cao su trùng điểm A₁ đã đánh dấu và ghi giá trị của lực F_hl vào bảng 1

Bảng 1

+ Sử dụng công thức toán học về định lí hàm số cosin để tìm hợp lực F_hl và so sánh với thực nghiệm.

- Tham khảo bảng kết quả dưới:

 - Nhận xét: độ lớn lực tổng hợp qua thực nghiệm và tính toán gần bằng nhau.

Luyện tập 1 trang 68 Vật Lí 10: Xác định hợp lực của hai tàu kéo trong trường hợp mô tả ở hình 5.2. Coi độ lớn lực kéo của hai tàu như nhau, bằng 16.10³ N và góc giữa hai lực kéo là 60^o

Lời giải:

Độ lớn hợp lực F là: $F=\sqrt{F_1^2+F_2^2+2F_1{F}_2.\cos \alpha }$ với góc $\alpha ={60}^0$

Thay số: $F=\sqrt{{\left({16.10}^3\right)}^2+{\left({16.10}^3\right)}^2+2{\left({16.10}^3\right)}^2.\cos {60}^0}$

$\Rightarrow F\approx 27713N$ 

II. Phân tích lực

Luyện tập 2 trang 70 Vật Lí 10: Hãy chứng tỏ rằng trong trường hợp con nhện ở trên, lực T cân bằng với hợp lực của hai lực P và F_đ

Lời giải:

Lực tổng hợp của hai lực F_đ và P là lực F.

Dùng thước để xác định phương, độ dài của lực F và lực T thì nhận thấy:

- Lực F cùng phương, cùng độ dài với lực T, nhưng ngược chiều.

- Chứng tỏ lực T cân bằng với hợp lực của hai lực P và F_đ.

Tìm hiểu thêm trang 70 Vật Lí 10: Cấu trúc vòm được cho là xuất hiện từ đầu thiên niên kỉ thứ hai trước công nguyên. Cho đến nay, dạng kiến trúc này trở nên rất phổ biến. Trong hầu hết các công trình kiến trúc nổi tiếng trên thế giới và ở Việt Nam, ta đều tìm thấy cấu trúc này.

Hãy biểu diễn các lực tác dụng lên viên gạch ở đỉnh vòm và giải thích vì sao cấu trúc này có thể đứng vững.

Lời giải:

Lực ép Q từ những viên gạch ở trên xuống mái vòm có phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống dưới, phản lực N có phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên trên.

Hai lực này có độ lớn bằng nhau nên hợp lực bằng 0. Điều đó chứng tỏ cấu trúc mái vòm bền vững.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 3: Ba định luật Newton về chuyển động

Bài 4: Khối lượng riêng. Áp suất chất lỏng

Bài 6: Mômen lực. Điều kiện cân bằng của vật

Bài tập chủ đề 2

Bài 1: Năng lượng và công