Chương III. Động lực học

Bài 22. Thực hành: Tổng hợp lực

Hướng dẫn thực hành tổng hợp lực, kiểm nghiệm quy tắc hình bình hành.

🟡 Trung bình 45 phút

Lý thuyết Thực hành: Tổng hợp lực

1 1. Mục đích thí nghiệm

Kiểm nghiệm quy tắc hình bình hành về tổng hợp lực
Rèn luyện kỹ năng sử dụng dụng cụ đo lực
Vẽ hình biểu diễn các vectơ lực
So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết

2 2. Dụng cụ thí nghiệm

Bộ dụng cụ tổng hợp lực (bao gồm giá, ròng rọc, dây)
Các quả cân có khối lượng đã biết
Thước đo góc
Giấy vẽ hoặc bảng gỗ
Bút chì, thước kẻ

3 3. Cơ sở lý thuyết - Quy tắc hình bình hành

Quy tắc hình bình hành:

Hợp lực của hai lực đồng quy được biểu diễn bằng đường chéo của hình bình hành có cạnh là hai vectơ lực đó.

$$\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2}$$

Biểu thức độ lớn:

$$F = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2F_1F_2\cos\alpha}$$

Trong đó α là góc giữa hai lực.

4 4. Các trường hợp đặc biệt

Trường hợp 1: Hai lực cùng phương, cùng chiều

F = F₁ + F₂

Trường hợp 2: Hai lực cùng phương, ngược chiều

F = |F₁ - F₂|

Trường hợp 3: Hai lực vuông góc

F = √(F₁² + F₂²)

Trường hợp 4: Hai lực bằng nhau hợp với nhau góc α

F = 2F₁ × cos(α/2)

5 5. Tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như hình vẽ, ghi các vị trí O, A, B trên giấy

Bước 2: Treo các quả cân để tạo hai lực F₁ và F₂ tác dụng vào điểm O

Bước 3: Vẽ các vectơ lực F₁ và F₂ theo tỉ lệ xích đã chọn

Bước 4: Vẽ hình bình hành với các cạnh là F₁ và F₂

Bước 5: Xác định hợp lực F từ đường chéo của hình bình hành

Bước 6: So sánh kết quả thực đo với kết quả tính toán từ công thức

Bước 7: Tính sai số và rút ra kết luận

Các dạng bài tập

1 Dạng 1: Tính hợp lực bằng quy tắc hình bình hành

Phương pháp giải

Phương pháp giải:

Vẽ hình bình hành với hai cạnh là F₁ và F₂
Xác định đường chéo (hợp lực)
Tính độ lớn bằng công thức

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1

Ví dụ 1: Cho hai lực F₁ = 3 N, F₂ = 4 N hợp với nhau góc 90°. Tính độ lớn hợp lực.

GIẢI

Giải:

F = √(F₁² + F₂²) = √(3² + 4²) = √(9 + 16) = √25 = 5 N

VÍ DỤ 2

Ví dụ 2: Hai lực F₁ = 6 N, F₂ = 8 N có góc giữa chúng là 60°. Tính hợp lực.

GIẢI

Giải:

F = √(6² + 8² + 2×6×8×cos60°)

F = √(36 + 64 + 96×0,5) = √(36 + 64 + 48) = √148 ≈ 12,17 N

2 Dạng 2: Bài toán về điều kiện cân bằng

Phương pháp giải

Phương pháp giải:

Vật cân bằng khi tổng hợp lực bằng 0
Vẽ hình, xác định các lực
Giải phương trình vectơ

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1

Ví dụ 1: Một vật chịu tác dụng của hai lực F₁ = 10 N hướng Đông, F₂ hướng Bắc. Để vật cân bằng, cần lực F₃ bằng bao nhiêu?

GIẢI

Giải:

Để cân bằng: F₁ + F₂ + F₃ = 0

F₃ = -(F₁ + F₂)

F₃ có độ lớn = √(10² + 10²) = 10√2 ≈ 14,14 N

Hướng: Tây Nam (ngược với hướng Đông Bắc)

VÍ DỤ 2

Ví dụ 2: Cho ba lực đồng phẳng cân bằng. F₁ = 20 N theo phương ngang, F₂ = 20 N hợp với F₁ góc 120°. Tìm F₃.

GIẢI

Giải:

Tổng hợp F₁ và F₂:

F₁₂ = √(20² + 20² + 2×20×20×cos120°)

= √(400 + 400 + 800×(-0,5)) = √(400 + 400 - 400) = √400 = 20 N

F₃ phải ngược hướng với F₁₂ và có độ lớn 20 N để cân bằng.

3 Dạng 3: Bài toán thực tế về tổng hợp lực

Phương pháp giải

Phương pháp giải:

Phân tích các lực trong tình huống thực tế
Vận dụng quy tắc hình bình hành

Ví dụ minh họa

VÍ DỤ 1

Ví dụ 1 (Thực tế): Tại sao neo tàu phải thả xuống đáy biển thay vì thả nổi trên mặt nước?

GIẢI

Giải:

Khi neo thả xuống đáy, dây neo tạo góc với mặt nước. Lực căng dây neo có thể được phân tích thành hai thành phần: thành phần ngang giữ tàu, thành phần thẳng đứng neo giữ tàu không trôi. Tổng hợp lực giữ tàu ổn định hơn.

VÍ DỤ 2

Ví dụ 2 (Thực tế): Khi kéo co, tại sao cần giữ dây ngang và không kéo lên trên?

GIẢI

Giải:

Khi kéo ngang, toàn bộ lực kéo đối phương theo phương ngang. Nếu kéo lên, một phần lực hướng lên làm giảm hiệu quả kéo (thành phần hữu ích giảm theo cos của góc).