Lý thuyết Tổng hợp và phân tích lực. Cân bằng lực (Kết nối tri thức 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 13: Tổng hợp và phân tích lực. Cân bằng lực – Kết nối tri thức

A. Lý thuyết Tổng hợp và phân tích lực. Cân bằng lực

I. Tổng hợp lực – Hợp lực tác dụng

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

– Lực thay thế gọi là hợp lực.

– Về mặt toán học, ta có thể tìm hợp lực bằng phép cộng vectơ

$\overrightarrow{\text{ F}}\text{ =}\overrightarrow{{\text{ F}}_{\text{1}}}\text{ +}\overrightarrow{{\text{ F}}_{\text{2}}}\text{ +}\overrightarrow{{\text{ F}}_{\text{3}}}\text{ +}...$

1. Tổng hợp hai lực cùng phương

– Nếu 2 lực tác dụng lên cùng một vật có cùng phương, cùng chiều thì hợp lực là một vectơ có

+Phương, chiều: Cùng chiều với các lực thành phần

+Độ lớn: bằng tổng độ lớn của hai lực thành phần

+ Điểm đặt: Đặt tại vật

– Nếu 2 lực tác dụng lên cùng một vật có cùng phương, ngược chiều thì hợp lực là một vectơ có

+ Phương, chiều: Cùng chiều với lực có độ lớn lớn hơn

+ Độ lớn: là giá trị tuyệt đối hiệu của hai lực

+ Điểm đặt: Đặt tại vật

2. Tổng hợp hai lực đồng quy – Quy tắc hình bình hành

– Tổng hợp lực của hai lực đồng quy tuân theo quy tắc hình bình hành.

+ Bước 1: Dời hai vectơ $\overrightarrow{{\mathrm{F}}_1}$ và  $\overrightarrow{{\mathrm{F}}_2}$ trượt trên giá của chúng đến khi gốc của hai vectơ đồng quy tại O.

+ Bước 2: Vẽ một hình bình hành có hai cạnh liền kề trùng với hai vectơ $\overrightarrow{{\mathrm{F}}_1}$ và $\overrightarrow{{\mathrm{F}}_2}$.

+ Bước 3: Vẽ đường chéo hình bình hành có cùng gốc O. Vectơ hợp lực $\overrightarrow{\mathrm{F}}$ trùng với đường chéo này

II. Các lực cân bằng và không cân bằng

1. Các lực cân bằng

– Xét trường hợp một vật đứng yên dưới tác dụng của nhiều lực, khi đó tổng hợp tác dụng lên vật bằng 0. Ta nói các lực tác dụng lên vật là các lực cân bằng và vật ở trạng thái cân bằng

$\overrightarrow{\text{ F}}\text{ =}\overrightarrow{{\text{ F}}_{\text{1}}}\text{ +}\overrightarrow{{\text{ F}}_{\text{2}}}\text{ +}\overrightarrow{{\text{ F}}_{\text{3}}}\text{ +}...\text{= }\overrightarrow{0}$

Ví dụ

Quan sát một quyển sách đang nằm yên trên bàn, quyển sách đang chịu tác dụng của hai lực cân bằng vì tổng hợp hai lực tác dụng lên sách bằng không, quyển sách nằm yên.

2. Các lực không cân bằng

Khi hợp lực của các lực khác 0 thì các lực này không cân bằng. Hợp lực hay các lực không cân bằng này tác dụng vào một vật có thể làm thay đổi vận tốc của vật.

Chiếc xe chịu tác dụng của các lực không cân bằng

III. Phân tích lực

– Phân tích lực là phép thay thế một lực thành hai lực thành phần có tác dụng giống hệt như lực ấy.

– Thường thì người ta phân tích lực thành hai lực vuông góc với nhau để lực thành phần này không có tác dụng theo phương của lực thành phần kia.

– Chỉ khi xác định một lực có tác dụng theo hai phương vuông góc nào thì mới phân tích lực theo hai phương vuông góc đó.

Ví dụ: Xét một vật đang trượt trên mặt phẳng nghiêng, nhẵn. Trọng lực $\overrightarrow{\mathrm{P}}$ có tác dụng: một mặt nó ép vật vào mặt phẳng nghiêng, mặt khác nó kéo vật theo mặt phẳng xuống dưới. Vì thế ta phân tích trọng lực $\overrightarrow{\mathrm{P}}$ theo hai phương vuông góc.

B. Trắc nghiệm Tổng hợp và phân tích lực. Cân bằng lực

Câu 1: Có hai lực đồng quy $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ . Gọi $\alpha$ là góc hợp bởi $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ và $\overrightarrow{F}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}$ . Nếu $F=F_1-F_2$ thì :

A. $\alpha =0^0$ .

B. $\alpha =\text{9}{0}^0$ .

C. $\alpha ={180}^0$ .

D. $0<a<{90}^0$ .

Đáp án đúng là: C.

C – đúng vì trường hợp này độ lớn lực tổng hợp bằng hiệu hai lực thành phần nên $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ là hai lực cùng phương, ngược chiều. Suy ra góc xen giữa hai lực bằng 180⁰.

Câu 2: Phân tích lực là phép

A. tổng hợp hai lực song song, cùng chiều.

B. phân tích một lực thành hai lực song song, ngược chiều.

C. thay thế một lực thành hai lực thành phần có tác dụng giống hệt lực ấy.

D. phân tích một lực thành nhiều lực bất kì.

Đáp án đúng là: C

Phân tích lực là phép thay thế một lực thành hai lực thành phần có tác dụng giống hệt lực ấy.

Câu 3: Một vật đứng yên dưới tác dụng của 3 lực 12N, 20N, 16N. Nếu bỏ lực 20N thì hợp lực của 2 lực còn lại có độ lớn bằng bao nhiêu ?

A. 4 N.

B. 20 N.

C. 28 N.

D. Chưa có cơ sở kết luận.

Đáp án đúng là: B.

B – đúng vì vật đứng yên nên hợp lực của ba lực trên bằng 0, hợp lực của hai lực còn lại sẽ có độ lớn bằng lực thứ ba. Hợp lực của hai lực 12 N và 16 N sẽ có độ lớn bằng 20 N.

Câu 4: Phân tích lực $\overrightarrow{F}$ thành hai lực ${\overrightarrow{F}}_1$ và ${\overrightarrow{F}}_2$ hai lực này vuông góc nhau. Biết độ lớn của lực F = 100N ; F₁ = 60N thì độ lớn của lực F₂ là:

A. ${\text{F}}_{\text{2}}=40$ N.

B. $\sqrt{13600}$N.

C. ${\text{F}}_{\text{2}}=80$ N.

D. ${\text{F}}_{\text{2}}=\text{6}40$ N.

Đáp án đúng là: C.

Ta sử dụng quy tắc hình bình hành cho hai lực vuông góc

$\text{F =}\sqrt{{\text{F}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{+F}}_{\text{2}}^{\text{2}}}\Rightarrow 100=\sqrt{{60}^2+{\text{F}}_{\text{2}}^{\text{2}}}\Rightarrow {\text{F}}_{\text{2}}=80$ N.

Câu 5: Cho hai lực đồng quy có độ lớn F₁ = F₂ = 30 N. Góc tạo bởi hai lực là 120^o. Độ lớn của hợp lực :

A. 60 N

B. $30\sqrt{2}$ N.

C. 30 N.

D.$15\sqrt{3}$ N .

Đáp án đúng là: C.

Áp dụng công thức: ${\text{F}}^{\text{2}}{{\text{= F}}_{\text{1}}}^{\text{2}}{\text{+ F}}_{\text{2}}^{\text{2}}{\text{+ 2F}}_{\text{1}}{\text{F}}_{\text{2}}.\cos \alpha$

$\Rightarrow {\text{F}}^{\text{2}}={2.30}^2+\mathrm{2.30.30.}\cos {120}^0$

$\Rightarrow \text{F = 30 N}$

Câu 6: Gọi F₁ , F₂ là độ lớn của hai lực thành phần, F là độ lớn hợp lực của chúng. Câu nào sau đây là đúng ?

A. F không bao giờ nhỏ hơn cả F₁ và F₂.

B. F không bao giờ bằng F₁ hoặc F₂.

C. F luôn luôn lớn hơn cả F₁ v F₂.

D. Trong mọi trường hợp: $\left(F_1-F_2\right)\le F\le \left(F_1+F_2\right)$ .

Đáp án đúng là: D.

A, B, C – Sai.

D – đúng.

Câu 7: Lực tổng hợp của hai lực đồng quy có độ lớn lớn nhất khi hai lực thành phần

A. Cùng phương, cùng chiều.

B. Cùng phương, ngược chiều.

C. Vuông góc với nhau.

D. Hợp với nhau một góc khác không.

Đáp án đúng là: A.

A – đúng vì khi hai lực cùng phương, cùng chiều thì lực tổng hợp có độ lớn ${\text{F = F}}_{\text{1}}{\text{+ F}}_{\text{2}}$ .

Câu 8: Độ lớn của hợp lực hai lực đồng quy hợp với nhau góc α là:

A. ${\text{F}}^{\text{2}}{{\text{= F}}_{\text{1}}}^{\text{2}}{\text{+ F}}_{\text{2}}^{\text{2}}{\text{+ 2F}}_{\text{1}}{\text{F}}_{\text{2}}.\cos \alpha$ .

B. $F^2={F_1}^2+F_2^2-2F_1{F}_2.\cos \alpha$ .

C. $F=F_1+F_2-2F_1{F}_2.\cos \alpha$ .

D. $F_2={F_1}^2+F_2^2-2F_1{F}_2$ .

Đáp án đúng là: A.

A – đúng vì theo quy tắc hình bình hành khi tổng hợp hai lực đồng quy ta có:

${\text{F}}^{\text{2}}{{\text{= F}}_{\text{1}}}^{\text{2}}{\text{+ F}}_{\text{2}}^{\text{2}}{\text{+ 2F}}_{\text{1}}{\text{F}}_{\text{2}}.\cos \alpha$ .

Câu 9: Có hai lực đồng qui có độ lớn bằng 9 N và 12 N. Trong số các giá trị sau đây, giá trị nào có thể là độ lớn của hợp lực?

A. 25 N.

B. 15 N .

C. 2 N.

D. 1 N.

Đáp án đúng là: B.

B – đúng vì $\left(F_1-F_2\right)\le F\le \left(F_1+F_2\right)\Rightarrow \left(12-9\right)\le F\le \left(12+9\right)\Rightarrow 3\le F\le 21$ .

Câu 10: Có hai lực đồng quy $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ . Gọi $\alpha$ là góc hợp bởi $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ và $\overrightarrow{F}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}$ . Nếu $F=F_1+F_2$ thì :

A. $\alpha =0^0$.

B. $\alpha =\text{9}{0}^0$ .

C. $\alpha ={180}^0$ .

D. $0<a<{90}^0$ .

Đáp án đúng là: B.

B – đúng vì trường hợp này độ lớn lực tổng hợp bằng tổng hai lực thành phần nên $\overrightarrow{F_1}$ và $\overrightarrow{F_2}$ là hai lực cùng phương, cùng chiều. Suy ra góc xen giữa hai lực bằng 0⁰.

Xem thêm các bài tóm tắt lý thuyết Vật lí 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 12: Chuyển động ném

Bài 14: Định luật 1 Newton

Bài 15: Định luật II Newton

Bài 16: Định luật III Newton