Phương pháp giải bài tập tổng hợp và phân tích lực, điều kiện cân bằng của chất điểm môn Vật Lý 10 năm 2021-2022

Vấn đề cấn nắm:

- Tổng hợp và phân tích lực. Điều kiện cân bằng của chất điểm.

- Các lực cơ học.

- Các định luật Niu-tơn.

- Chuyển động ném ngang.

1.1. Lực. Cân bằng lực

Lực là đại lượng véc tơ đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác mà kết quả là gây ra gia tốc cho vật hoặc làm cho vật biến dạng.

- Đường thẳng mang véc tơ lực gọi là giá của lực.

- Đơn vị của lực là Niutơn (N).

- Các lực cân bằng là các lực khi tác dụng đồng thời vào một vật thì không gây ra gia tốc cho vật.

Chú ý: Hai lực cân bằng là hai lực cùng tác dụng lên một vật, cùng giá, cùng độ lớn và ngược chiều.

1.2.Tổng hợp lực

a. Định nghĩa

Tổng hợp lực là thay thế các lực tác dụng đồng thời vào cùng một vật bằng một lực có tác dụng giống hệt các lực ấy. Lực thay thế gọi là hợp lực.

b. Qui tắc hình bình hành

Nếu hai lực đồng qui làm thành hai cạnh của một hình bình hành, thì đường chéo kể từ điểm đồng qui biểu diễn hợp lực của chứng.

\(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_1}}  + \overrightarrow {{F_2}} \)

c. Điểu kiện cân bằng của chất điểm

Muốn cho một chất điếm đứng cân bằng thì hợp lực của các lực tác dụng lên nó phải bằng không.

\(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_1}}  + \overrightarrow {{F_2}}  + ... = \overrightarrow 0 \) 

1.3. Phân tích lực

a. Định nghĩa

Phân tích lực là thay thế một lực bằng hai hay nhiều lực có tác dụng giống hệt như lực đó.

Các lực thay thế gọi là các lực thành phần.

b. Phân tích một lực thành hai lực thành phần trên hai phương cho trước

Để phân tích lực \(\overrightarrow F \) thành hai lực \(\overrightarrow {{F_1},} \overrightarrow {{F_2}} \) theo hai phương Ox, Oy ta kẻ từ ngọn của \(\overrightarrow F \) hai đường thẳng song song với hai phương, giao điếm với hai phương chỉnh là ngọn của các véc tơ lực thành phần.

2.1. Tổng hợp và phân tích lực

Phương pháp giải:

 

\(\vec F = {\vec F_1} + {\vec F_2}\)

Về độ lớn:

+ Nếu: \({\vec F_1} \uparrow  \downarrow {\vec F_2} \Rightarrow F = {F_1} + {F_2}\) 

+ Nếu: \({\vec F_1} \uparrow  \downarrow {\vec F_2} \Rightarrow F = \left| {{F_1} - {F_2}} \right|\)

+ Nếu: \({\vec F_1} \bot {\vec F_2} \Rightarrow F = \sqrt {F_1^2 + F_2^2} \)

+ Nếu: \(\left( {{{\vec F}_1},{{\vec F}_2}} \right) = \alpha  \Rightarrow F = \sqrt {F_1^2 + F_2^2 + 2{F_1}{F_2}cos\alpha } \)

Trường hợp: \({F_1} = {F_2} =  > F = 2{F_1}cos\frac{\alpha }{2}\) 

Ví dụ 1: Một chất điểm chịu tác dụng đồng thời của ba lực \({\vec F_1},{\vec F_2},{\vec F_3}\). Biết độ lớn của các lực là \({F_1} = 5N,{F_2} = 2N,{F_3} = 3N\). Tìm độ lớn hợp lực tác dụng lên chất điểm đó.

A. \(F = 2\sqrt 2 N\)                  

B. F = 2N

C. F = 4N

D. \(F = 2\sqrt 3 N\)

Lời giải:

\(\vec F = {\vec F_1} + {\vec F_2} + {\vec F_3} = {\vec F_{13}} + {\vec F_2}\) với \({\vec F_{13}} = {\vec F_1} + {\vec F_3}\) là hợp lực của \({\vec F_1};{\vec F_3}\) 

\({F_{13}} = \left| {{F_1} - {F_3}} \right| = 2N \to F = \sqrt {F_2^2 + F_{13}^2}  = 2\sqrt 2 N\) 

Đáp án A.

Ví dụ 2: Một chất điểm đứng yên dưới tác dụng của ba lực đồng phẳng có độ lớn 12N, 16N và 20N. Góc giữa hai lực 16N và 12N bằng bao nhiêu?

A. 90⁰.                                B. 53,1⁰.                            C. 36,9⁰.                            D. 31⁰.

Lời giải:

Điều kiện cân bằng của chất điểm: \({\vec F_1} + {\vec F_2} + {\vec F_3} = {\vec F_1} + {\vec F_2} =  - {\vec F_3}:{\vec F_1};{\vec F_2}\) là hai cạnh kề của hình bình hành có đường chéo là \( - {\vec F_3}\).

Nhận thấy \({12^2} + {16^2} = {20^2}\) tức là \(F_1^2 + F_2^2 = F_3^2\) nên hình bình hành trên là hình chữ nhật. Vậy góc giữa hai lực 16N và 12N bằng 90⁰.

Đáp án A

Ví dụ 3: Cho hai lực đồng quy có độ lớn 4N và 5N hợp nhau một góc \(\alpha \). Biết rằng hợp lực của hai lực trên có độ lớn bằng 7,8N. Giá trị của \(\alpha \) là

A. \({60^0}15'\)      

B. \({119^0}44'\)

C. \({7^0}15'\)

D. \({172^0}44'\)

Lời giải:

\({F^2} = F_1^2 + F_2^2 + 2{F_1}{F_2}cos\alpha  \to cos\alpha  = \frac{{{F^2} - F_1^2 - F_2^2}}{{2{F_1}{F_2}}}\) 

Đáp án A.

Ví dụ 4: Một chất điểm chịu tác dụng của ba lực đồng phẳng. Biết ba lực này từng đôi một tạo với nhau một góc \({120^0}\) và có độ lớn của các lực là \({F_1} = {F_2} = 5N;{F_3} = 10N\). Tìm độ lớn hợp lực tác dụng lên chất điểm.

A. F =5N.                          

B. F =10N.                       

C. F =20N.                       

D. F =0N.

Lời giải:

\(\vec F = {\vec F_1} + {\vec F_2} + {\vec F_3} = {\vec F_{12}} + {\vec F_3}\) với \({\vec F_{12}} = {\vec F_1} + {\vec F_2}\)

Dễ thấy \(\Delta OMN\) là tam giác cân có góc bằng \({60^0}\) nên nó là tam giác đều.

\( \to {F_{125}} = {F_1} = 5N\) 

Vậy \(F = \left| {{F_3} - {F_{12}}} \right| = 5N\) 

Đáp án A.

2.2. Dạng 2: Điều kiện cân bằng của chất điểm

Phương pháp giải:

Điều kiện để một chất điểm nằm cân bằng là hợp lực của các lực tác dụng lên nó phải bằng 0.

\\(vec F = {\vec F_1} + {\vec F_2} + ... + {\vec F_n} = \vec 0\)

Cách 1: Áp dụng quy tắc hình bình hành lần lượt cho từng cặp lực rồi áp dụng các kiến thức hình học để tính.

Cách 2: Trong trường hợp có nhiều lực tác dụng, có thể dùng phương pháp chiếu véc tơ lên các trục tọa độ để tính.

Bằng cách chiếu (1) lên các trục tọa độ Ox, Oy ta được hệ phương trình đại số:

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{{F_{1x}} + {F_{2x}} + ...{F_{nx}} = 0}\\
{{F_{1y}} + {F_{2y}} + ... + {F_{ny}} = 0}
\end{array}} \right.\) 

Ví dụ 1: Một đèn tín hiệu giao thông được treo tại chính giữa một dây nằm ngang làm dây bị võng xuống. Biết trọng lượng đèn là 100N và góc giữa hai nhánh dây là 150⁰. Tìm lực căng của mỗi nhánh dây.

A. 386,4N.                         

B. 193,2N.                       

C. 173,2N.                       

D. 200N.

Lời giải:

Điều kiện cân bằng của điểm treo O:

\({\vec T_1} + {\vec T_2} + \vec P = 0 \to {\vec T_1} + {\vec T_2} =  - \vec P\) 

Do đối xứng nên \({T_1} = {T_2} = T\). Từ hình vẽ ta có:

\(P = 2Tcos{75^0} \to T = \frac{P}{{2cos{{75}^0}}} \approx 193,2N\) 

Đáp án B.

Ví dụ 2: Người ta treo một cái đèn trọng lượng P = 3N vào một giá đỡ gồm hai thanh cứng nhẹ AB và AC như hình vẽ. Biết rằng \(\alpha  = {60^0}\) và \(g = 10m/{s^2}\). Hãy xác định lực độ lớn lực mà đèn tác dụng lên thanh AB.

A. 5,2 N.                            

B. 1,7 N.                          

C. 2,6 N.                          

D. 1,5 N.

Lời giải:

Các lực tác dụng lên điểm A như hình vẽ.

Điều kiện cân bằng của A:

\({\vec T_1} + {\vec T_2} + \vec P = \vec 0\)

Chiếu lên các trục Oy:

\({T_2}cos\alpha  - P = 0 \to {T_2} = \frac{P}{{cos\alpha }} = 6N.\) 

Chiếu lên Ox

\({T_1} - {T_2}\sin \alpha  = 0 \to {T_1} = {T_2}\sin \alpha  = 3\sqrt 3 N.\) 

Đáp án A

Ví dụ 3: Một vật có trọng lượng 60N được treo vào vòng nhẫn nhẹ O ( coi là chất điểm). Vòng nhẫn được giữ bằng hai dây nhẹ OA và OB. Biết OA nằm ngang còn OB hợp với phương thẳng đứng góc 45⁰ (hình vẽ). Tìm lực căng của dây OA và OB.

A. \(30\sqrt 2 N\) và \(60\sqrt 2 N\).                                              

B. 60N và \(60\sqrt 2 N\).       

C. \(30\sqrt 2 N\) và 120N                                             

D. 40N và \(60\sqrt 2 N\).

Lời giải:

Các lực tác dụng vào điểm treo O như hình vẽ.

Góc \(\alpha \) là góc giữa OP và OB, \(\alpha  = {45^0}\) 

\(\begin{array}{l}
OI = OKcos\alpha  \Rightarrow OK = \frac{{OI}}{{cos\alpha }}\\
 \Rightarrow {T_{OB}} = \frac{P}{{cos\alpha }} = 60\sqrt 2 N
\end{array}\) 

Tương tự: \(OL = KI =  > KI = OK\sin \alpha \)

\( \Rightarrow {T_{OA}} = {T_{OB}}.\sin {45^0} = 60N\)

Đáp án B.

Câu 1: Điều này sau đây là sai khi nói về đặc điểm của hai lực cân bằng?

  A. Cùng chiều                    B. Cùng giá                       C. Ngược chiều                D. Cùng độ lớn

Câu 2: Cho hai lực \({\vec F_1}\) và \({\vec F_2}\) đồng quy. Điều kiện nào sau đây để độ lớn hơn lực của hai lực bằng tổng của \({\vec F_1}\) + \({\vec F_2}\)?

  A. Hai lực song song ngược chiều.                             

  B. Hai lực vuông góc nhau.                                         

  C. Hai lực hợp nhau một góc 60⁰.                               

  D. Hai lực song song cùng chiều.

Câu 3: Cho hai lực \({\vec F_1}\) và \({\vec F_2}\) đồng quy. Điều kiện nào sau đây để độ lớn của hợp lực của hai lực bằng 0?

  A. Hai lực song song ngược chiều                              

  B. Hai lực song song, cùng chiều, có độ lớn bằng nhau                                       

  C. Hai lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau                                     

  D. Hai lực có độ lớn bằng nhau.

Câu 4: Gọi \({\vec F_1}\), \({\vec F_2}\) là độ lớn của hai lực thành phần, F là độ lớn hợp lực của chúng. Câu nào sau đây là đúng?

  A. F luôn lớn hơn \({\vec F_1}\) và \({\vec F_2}\)                      

  B. F không bao giờ nhỏ hơn cả \({\vec F_1}\) và \({\vec F_2}\)                  

  C. F không bao giờ bằng \({\vec F_1}\) và \({\vec F_2}\)                

  D. \(\left| {{F_1} - {F_2}} \right| \le F \le {F_1} + {F_2}\) 

Câu 5: Chọn câu đúng: Hợp lực của hai lực có độ lớn F và 2F có thể:

  A. có thể nhỏ hơn F.                                                    B. có thể lớn hơn 3F.

  C. luôn lớn hơn 2F.                                                      D. có thể bằng 2F.

Câu 6: Hai lực có độ lớn 3N và 4N cùng tác dụng vào một chất điểm. Độ lớn của hợp lực không thể nhận giá trị nào sau đây?

  A. 1 N.                                B. 7 N.                              C. 5 N.                              D. 12 N.

Câu 7: Hai lực có độ lớn 3N và 5N hợp với nhau góc 60⁰. Tìm độ lớn của hợp lực.

  A. 7 N.                                B. 4,4 N.                           C. 8 N.                              D. 5,8 N.

Câu 8: Hợp lực của hai lực có độ lớn 3N và 4N có độ lớn là 5N. Góc giữa hai lực đó bằng bao nhiêu?

  A. 90⁰                                 B. 60⁰                                C. 30⁰                                D. 45⁰

Câu 9: Một chất chịu hai lực tác dụng có cùng độ lớn 40N và hợp với nhau góc 120⁰. Tính độ lớn của hợp lực tác dụng lên chất điểm

  A. 80 N.                              B. \(40\sqrt 3 N.\)                        C. 40 N.                            D. \(20\sqrt 3 N.\).

Câu 10: Cho \({F_1} = {F_2} = 5\sqrt 3 N\) và góc giữa hợp lực \(\vec F\) với \({\vec F_1}\) bằng 300. Góc giữa \({\vec F_1}\) và \({\vec F_2}\) là

  A. 30⁰.                                B. 90⁰.                               C. 120⁰.                             D. 60⁰.

---(Nội dung đầy đủ, chi tiết từ câu 11 đến câu 17 của tài liệu các em vui lòng xem Online hoặc Đăng nhập vào HOC247 đề tải về máy)---

ĐÁP ÁN

1.A	2.D	3.C	4.D	5.D	6.D	7.A	8.A	9.C	10.D
11.B	12.A	13.D	14.C	15.A	16.C	17.A

 

Trên đây là trích dẫn một phần nội dung tài liệu Phương pháp giải bài tập tổng hợp và phân tích lực, điều kiện cân bằng của chất điểm môn Vật Lý 10 năm 2021-2022. Để xem thêm nhiều tư liệu hữu ích khác, các em đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập.