Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 22: Thực hành: Tổng hợp lực

Khởi động trang 86 Vật Lí 10: Hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ tác dụng lên một vật. Làm thế nào xác định hợp lực của hai lực này bằng dụng cụ thí nghiệm?

Lời giải:

Để xác định hợp lực của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ ta cần thay thế hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ bằng một lực $\overrightarrow{F}$ sao cho tác dụng của lực $\overrightarrow{F}$ giống như tác dụng của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$.

Sau đó tiến hành tổng hợp lực bằng các quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều hoặc tổng hợp hai lực đồng quy.

I. Tổng hợp hai lực đồng quy

1. Dụng cụ thí nghiệm (Hình 22.1)

2. Thiết kế phương án thí nghiệm

Câu hỏi trang 86 Vật Lí 10: Gắn đế nam châm lên bảng thép, móc sợi dây cao su vào đế nam châm, đặt hai lực kế lên bảng thép và móc hai lực kế vào đầu còn lại của dây cao su. Dịch chuyển hai lực kế để kéo sợi dây cao su làm dây dãn ra một khoảng và thảo luận:

1. Làm thế nào để hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ đồng quy?

2. Làm thế nào để thay thế tác dụng của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ bằng một lực $F$ mà dây cao su vẫn dãn một đoạn và hướng như ban đầu?

3. Làm thế nào xác định lực tổng hợp của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$?

Lời giải:

1. Để hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ đồng quy ta cần 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.

2. Để thay thế tác dụng của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ bằng một lực $\overrightarrow{F}$ mà dây cao su vẫn dãn một đoạn và hướng như ban đầu ta cần đánh dấu vị trí dãn của sợi dây cao su dưới tác dụng của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$, sau đó thay thế chỉ dùng 1 lực kế để kéo sao cho lúc này dây cao su vẫn dãn đúng như vị trí cũ, khi đó đọc giá trị số chỉ của lực kế chính là độ lớn lực F.

3. Lực tổng hợp của hai lực có độ lớn bằng số chỉ của lực kế ở ý 2 và có phương trùng với phương của lực kế khi đó.

3. Tiến hành thí nghiệm

4. Kết quả thí nghiệm

Xử lí kết quả thí nghiệm

Tính giá trị trung bình và sai số:

${\overline{F}}_{tn}=\mathrm{...}$; ${\overline{\Delta F}}_{tn}=\mathrm{...}$; ${\overline{F}}_{lt}=\mathrm{...}$; ${\overline{\Delta F}}_{lt}=\mathrm{...}$

Lời giải:

Tham khảo bảng kết quả thí nghiệm dưới:

${\overline{F}}_{tn}=\frac{F_{tn1}+F_{tn2}+F_{tn3}}{3}=\frac{10,3+9,8+10,1}{3}=10,07N$

${\overline{\Delta F}}_{tn}=\frac{\Delta F_{tn1}+\Delta F_{tn2}+\Delta F_{tn3}}{3}=\frac{0,23+0,27+0,03}{3}=0,18N$

${\overline{F}}_{lt}=\frac{F_{lt1}+F_{lt2}+F_{lt3}}{3}=\frac{10,0+9,9+10,13}{3}=10,01N$

${\overline{\Delta F}}_{lt}=\frac{\Delta F_{lt1}+\Delta F_{lt2}+\Delta F_{lt3}}{3}=\frac{0,01+0,11+0,12}{3}=0,08N$

Hoạt động trang 87 Vật Lí 10: Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm

1. So sánh các kết quả hợp lực thu được bằng lí thuyết và bằng thí nghiệm, rút ra kết luận.

2. Em có thể đề xuất một phương án thí nghiệm khác để tiến hành thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy.

Lời giải:

1. Kết quả hợp lực thu được bằng lí thuyết và bằng thí nghiệm gần giống nhau.

2. Phương án thí nghiệm:

Dụng cụ:

+ Bảng

+ Hai ròng rọc động

+ Sợi dây chỉ

+ Các quả cân

- 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.

- 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.

- 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 2N). Kết quả thực hiện được tham khảo bảng mẫu dưới đây:

+ Xử lí kết quả bằng công thức: $F^2=F_1^2+F_2^2+2F_1{F}_2\cos \alpha$ để so sánh với kết quả thực hành (cột F)

II. Tổng hợp hai lực song song

1. Dụng cụ thí nghiệm (Hình 22.3)

2. Thiết kế phương án thí nghiệm

Hoạt động trang 88 Vật Lí 10: Gắn hai đế nam châm lên bảng thép, treo thanh kim loại lên hai đế nam châm bằng hai lò xo, treo các quả nặng vào hai đầu thanh, làm lò xo dãn ra một khoảng và thảo luận:

1. Làm thế nào thay thế hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ bằng một lực $\overrightarrow{F}$ mà thanh vẫn ở vị trí như khi chịu tác dụng của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$?

2. Làm thế nào để hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ song song.

3. Làm thế nào xác định tổng hợp của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$,${\overrightarrow{F}}_2$.

Lời giải:

1. Để thay thế hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ bằng một lực $\overrightarrow{F}$ mà thanh vẫn ở vị trí như khi chịu tác dụng của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ ta làm như sau:

Bước 1: Dùng bút dạ đánh dấu vị trí thanh và vị trí A, B lên bảng thép, đồng thời dùng bút ghi lại giá trị F₁ và F₂.

Bước 2: Tháo các quả nặng và móc tất cả quả nặng đã dùng vào một móc treo trên thanh kim loại.

Bước 3: Điều chỉnh con trượt sao cho vị trí của thanh kim loại trùng với vị trí ban đầu đã được đánh dấu.

2. Xác định 2 lực song song:

Điều kiện: $\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}.$ 

3. Xác định lực tổng hợp của hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$, ${\overrightarrow{F}}_2$:

Độ lớn: bằng với trọng lượng của các quả nặng.

Vị trí điểm đặt: đo độ dài OA từ điểm O treo các quả nặng tới A.

3. Tiến hành thí nghiệm

4. Kết quả thí nghiệm

Xử lí kết quả thí nghiệm: ${\overline{OA}}_{tn}=\mathrm{...}$; ${\overline{\Delta OA}}_{tn}=\mathrm{...}$

Lời giải:

Tham khảo bảng kết quả

Từ các số liệu tính OA_lt theo công thức $\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}=\frac{OB}{O{A}_{lt}}=\frac{AB-O{A}_{lt}}{O{A}_{lt}}$ với O, O₁, O₂ lần lượt là điểm đặt của các lực F, F₁, F₂.

${\overline{OA}}_{tn}=\frac{O{A}_{tn1}+O{A}_{tn2}+O{A}_{tn3}}{3}=\frac{39,6+40,7+40,3}{3}=40,2mm$

${\overline{\Delta OA}}_{tn}=\frac{\Delta O{A}_{tn1}+\Delta O{A}_{tn2}+\Delta O{A}_{tn3}}{3}=\frac{0,6+0,5+0,1}{3}=0,4mm$

Hoạt động trang 89 Vật Lí 10: Nhận xét và đánh giá kết quả thí nghiệm

1. So sánh các kết quả hợp lực tổng hợp thu được bằng tính toán và bằng thí nghiệm, rút ra kết luận.

2. Em có thể đề xuất một phương án thí nghiệm khác để tiến hành thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều.

Lời giải:

1. Các kết quả hợp lực thu được bằng tính toán và bằng thí nghiệm gần bằng nhau.

Kết luận: Hợp lực của hai lực song song, cùng chiều ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ có đặc điểm:

- Độ lớn: $F=F_1+F_2$ 

- Điểm đặt: ở vị trí sao cho giá của hợp lực chia khoảng cách giữa hai giá của hai lực song song thành những đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy: $\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}$ 

2. Phương án thí nghiệm khác:

Bố trí thí nghiệm như hình vẽ.

Móc các quả cân vào sợi dây và treo qua ròng rọc cố định.

Từ khối lượng của quả cân, đo được lực thành phần và lực tổng hợp ở giữa, đồng thời đo được khoảng cách giữa giá của các lực để rút ra tỉ lệ $\frac{F_1}{F_2}=\frac{d_2}{d_1}$.

Em có thể trang 89 Vật Lí 10: Chế tạo một chiếc cân thăng bằng đơn giản bằng các vật liệu dễ tìm (Hình 22.5):

1. Một thanh thước gỗ có vạch chia.

2. Một chai nước 500 ml.

3. Các dây treo.

4. Vật cần cân.

Lời giải:

HS tự thiết kế cân ở nhà như hình vẽ 22.5.

Cơ sở lí thuyết: khi treo các vật vào cân thì cân sẽ bị lệch, để cân thăng bằng sẽ phải di chuyển điểm treo của chai nước cho đến khi thanh thước nằm ngang.

- Trọng lượng vật cần đo là P₁.

- Từ thể tích chai nước tính được trọng lượng của nó là P₂.

- Đo khoảng cách từ giá của các lực $\overrightarrow{P_1};\overrightarrow{P_2}$ đến trục quay là d₁ và d₂.

- Sử dụng công thức: $\frac{P_1}{P_2}=\frac{d_2}{d_1}\Rightarrow P_1=\frac{d_2}{d_1}.P_2\Rightarrow m_1=\mathrm{...}$