Toptailieu biên soạn và sưu tầm lời giải bài tập Vật Lí 10 Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn sách Kết nối tri thức hay, chi tiết sẽ giúp học sinh dễ dàng trả lời câu hỏi Vật Lí 10 Bài 21 từ đó học tốt môn Lí 10.

Vật Lí 10 Kết nối tri thức Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Khởi động trang 83 Vật lí 10: Nếu dùng tay để siết chặt một đai ốc thì việc đó rất khó, tuy nhiên với dụng cụ thích hợp như cờ lê thì việc siết chặt đai ốc trở nên dễ dàng.

Tác dụng của dụng cụ này thay đổi thế nào nếu ta tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn?

Lời giải:

Khi tăng độ lớn của lực hoặc sử dụng cờ lê dài hơn thì momen của lực gây ra tác dụng làm quay lớn hơn sẽ giúp cho việc vặn đai ốc càng dễ hơn.

I. Moment lực

Câu hỏi trang 83 Vật lí 10

Câu hỏi trang 83 Vật lí 10: 

Câu hỏi 1 trang 83 Vật lí 10: Mô tả thao tác dùng búa để nhổ đinh.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ, vận dụng kiến thức đã học

Lời giải:

Cho đinh vào đầu búa, tay cầm vào đuôi cán búa, càng cách xa đầu búa thì càng nhổ dễ, dùng một lực từ cánh tay hướng xuống dưới và nhổ đinh lên.

Câu hỏi 2 trang 83 Vật lí 10: Lực nên đặt vào đâu trên cán búa để nhổ đinh được dễ dàng? Khi đó cánh tay đòn (d) của lực lớn hay nhỏ?

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ, vận dụng kiến thức đã học

Lời giải:

Lực $\overrightarrow{F}$ nên đặt vào đuôi cán búa để nhổ đinh được dễ dàng. Khi đó cánh tay đòn (d) của lực lớn.

Câu hỏi 3 trang 83 Vật lí 10: Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc những yếu tố nào?

Lời giải:

Tác dụng làm quay của lực phụ thuộc vào những yếu tố:

+ Cánh tay đòn (d)

+ Độ lớn của lực

+ Vị trí của trục quay.

Câu hỏi trang 83 Vật lí 10: Hình 21.2 mô tả một chiếc thước mảnh OA, đồng chất, dài 50 cm, có thể quay quanh trục quay cố định ở đầu O.

Câu hỏi 1 trang 83 Vật lí 10: Trong các tình huống ở Hình 21.2a, b, thước OA quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ?

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải:

- Hình 21.2a, thước OA quay theo chiều kim đồng hồ

- Hình 21.2b, thước OA quay ngược chiều kim đồng hồ

Câu hỏi 2 trang 83 Vật lí 10: Tính moment lực ứng với mỗi tình huống trong Hình 21.2.

Phương pháp giải:

Biểu thức tính moment lực: M = F.d

Trong đó:

+ M: moment lực F (N.m)

+ F: lực tác dụng lên vật làm vật quay (N)

+ d: khoảng cách từ tâm quay đến giá của lực F (cánh tay đòn của lực F) (m)

Lời giải:

- Hình 21.2a:

Ta có F = 4 N; d = 50 cm = 0,5 m

=> Moment lực trong hình 21.2a là: M = F.d = 4.0,5 = 2 (N.m)

- Hình 21.2b:

Ta có F = 2 N; d = 50.$\cos {20}^o$ cm = 0,5.$\cos {20}^o$ m

=> Moment lực trong hình 21.2b là: M = F.d = 2.0,5.$\cos {20}^o$ = 0,94 (N.m)

II. Quy tắc Moment lực

Câu hỏi trang 84 Vật lí 10

Câu hỏi trang 84 Vật lí 10: 

Câu hỏi 1 trang 84 Vật lí 10: Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_1}$ thì đĩa quay theo chiều nào?

Phương pháp giải:

Quan sát hình

Lời giải:

Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_1}$ thì đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi 2 trang 84 Vật lí 10: Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_2}$ thì đĩa quay theo chiều nào?

Phương pháp giải:

Quan sát hình

Lời giải:

Nếu bỏ lực $\overrightarrow{F_2}$ thì đĩa quay theo chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi 3 trang 84 Vật lí 10: Khi đĩa cân bằng lập tích $F_1.d_1$ và $F_2.d_2$ rồi so sánh.

Phương pháp giải:

Biểu thức tính moment lực: M = F.d

Trong đó:

+ M: moment lực F (N.m)

+ F: lực tác dụng lên vật làm vật quay (N)

+ d: khoảng cách từ tâm quay đến giá của lực F (cánh tay đòn của lực F) (m)

Lời giải:

Moment lực $\overrightarrow{F_1}$ là: $M_1=F_1.d_1$

Moment lực $\overrightarrow{F_2}$ là: $M_2=F_2.d_2$

Do vật cân bằng nên $M_1=M_2$ => $F_1.d_1=F_2.d_2$

III. Ngẫu lực

Câu hỏi trang 84 Vật lí 10:

a) Sử dụng kiến thức về moment lực giải thích vì sao chiếc bập bênh đứng cân bằng.

b) Cho biết người chị (bên phải) có trọng lượng P2 = 300 N, khoảng cách d2 = 1 m, còn người em có trọng lượng P1 = 200 N. Hỏi khoảng cách d1 phải bằng bao nhiêu để bập bênh cân bằng nằm ngang?

Phương pháp giải:

Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định: Tổng các moment lực tác dụng lên vật (đối với một điểm bất kì ) bằng 0.

$F_1.d_1=F_2.d_2$

Lời giải:

a) Chiếc bập bênh đứng cân bằng do moment lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ bằng moment lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.

b) Lực của người em và người chị tác dụng lên bập bênh là trọng lực P

Do bập bênh cân bằng nên ta có:

$$\begin{gathered} F_1.d_1=F_2.d_2\iff P_1.d_1=P_2.d_2 \\ \Rightarrow d_1=\frac{P_2}{P_1}.d_2=\frac{300}{100}.1=3 \left(m\right) \end{gathered}$$

IV. Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn

Hoạt động trang 85 Vật lí 10

Hoạt động 1 trang 85 Vật lí 10: Đặt một chiếc thước dài trên bàn. Cho một bạn nâng một đầu thước lên và giữ yên (Hình 21.7). Hỏi:

- Khi thay đổi lực nâng $\overrightarrow{F}$ ta thấy thước quay quanh trục nào?

- Khi thước đang đứng yên ở vị trí như Hình 21.7, ta có thể áp dụng quy tắc moment lực được không và áp dụng như thế nào?

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải:

- Khi thay đổi lực nâng $\overrightarrow{F}$ ta thấy thước quay quanh trục AB

- Khi thước đang đứng yên ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực được. Cách áp dụng:

+ Buộc dây vào đầu B và treo vào một điểm cố định, khi đó thước sẽ đứng yên

Hoạt động 2 trang 85 Vật lí 10: Khi một vật không có điểm tựa cố định. Ví dụ, thanh cứng tựa vào bức tường nhẵn, đầu dưới của thanh đặt trên bàn nhám (Hình 21.8). Khi đó ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực được không và áp dụng như thế nào?

Lời giải:

Ta có thể áp dụng được quy tắc moment lực. Cách áp dụng:

+ Cách 1: Để thẳng thanh cứng và cho thanh tựa vào tường, khi đó thanh sẽ đứng yên

+ Cách 2: Để thanh nằm ngang trên mặt bàn nhám.

Câu hỏi trang 85 Vật lí 10: Áp dụng điều kiện cân bằng tổng quát vào thanh cứng tựa tường (Hình 21.8).

a) Viết điều kiện cân bằng thứ nhất

b) Viết điều kiện cân bằng thứ hai đối với trục quay A.

Phương pháp giải:

Điều kiện cân bằng của một vật rắn:

+ Tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0.

+ Tổng các moment lực tác dụng lên vật đối với một điểm bất kì bằng 0 (nếu chọn một chiều quay là chiều dương).

Lời giải: 

a) Điều kiện cân bằng thứ nhất: Tổng các lực tác dụng lên vật bằng 0.

=> $\overrightarrow{N_A}+\overrightarrow{N_B}+\overrightarrow{P}+\overrightarrow{F_{msn}}=\overrightarrow{0}$

b) Điều kiện cân bằng thứ hai đối với trục quay A. Chọn chiều quay theo kim đồng hồ là chiều dương

+ Tại G:  $\overrightarrow{P}$ làm thanh có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ: $M_G>0$

+ Tại B: $\overrightarrow{N_B}$ làm thanh có xu hướng quay ngược chiều kim đồng hồ: $M_B<0$

=> Điều kiện cân bằng đối với trục quay A: $M_G-M_B=0\iff M_G=M_B$

Em có thể trang 85 Vật lí 10: Giải thích được sự cân bằng moment trong Hình 21.9.

Lời giải:

Hình 21.9 mô tả cấu trúc bên trong của một cánh tay người đang giữ một vật nặng.

- Búi cơ cung cấp một lực hướng lên. Lực của búi cơ tác dụng làm cẳng tay quay ngược chiều kim đồng hồ quanh trục quay là khớp khuỷu tay (trục quay O).

- Trọng lực hướng xuống dưới. Trọng lực của vật làm cẳng tay quay theo chiều kim đồng hồ quanh trục quay là khớp khuỷu tay (trục quay O).

=> Tay ta giữ được vật nặng vì moment của lực tác dụng bởi búi cơ bằng với moment lực gây ra bởi trọng lượng của vật nặng đối với khớp khuỷu tay.