Giải bài tập Vật lý 10 Bài 21: Chuyển động tịnh tiến của vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định
§21. CHUYÊN ĐỘNG TỊNH TIÊN CỦA VẬT RAN. CHUYỂN ĐỌNG quay của vật ran QUANH MỘT TRỤC CÔ ĐỊNH A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn Định nghĩa Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó dưỡng nổi hai điểm bất kì của vật luôn luôn song song với chinh nó ở vị tri ban dầu. Gia tốc của vật chuyển động tịnh tiến Gia tốc của vật: á = -- hay F = ma (21.1) m trong đó F = F| + F-2 + ... là hợp lực của các lực tác dụng vào vặt, còn. m là khối lượng của vật. Trong trường họp vật chuyển động tịnh tiên thẳng, ta nén chọn hệ trục tọa độ Đề-các, có trực Ox cùng hướng với chuyển động, rói chiếu phương trinh vecto' F = má lẽn trục tọa độ đó. Ox : Fix + F2x + ... = ma (21.2) Trong nhiểu trường họp phương trình (21.2) không dủ đê’ tính gia tốc a. Khi ấy cần thêm một phựơng trinh nua bằng cách chiếu phương trinh vecto F = má lên trục Oy Oy: F,Y + Frv + ... = 0 (21.3)' Chuyển động quay của vật rán quanh một trục cố định Dặc điếm của chuyên dộng quay. Tóc độ góc Khi một vật rẩn quay quanh một trục cô' dịnh. thi mọi diêm của vật đếu quay đúọc cùng một góc trong cùng một khoáng thời gian. NÓI cách khác, mọi diểm của vật có cùng tốc độ góc (!) (co gọi là tốc dộ góc của vật). Vật quay dều thì (!) = const. Vật quay nhanh dần thi (0 tăng dán. Vật quay chậm dẩn thi ro giảm dần. . - Tác dụng của momen lực đối với một vật quay quanh một trục Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cô' định làm thay dôi tốc dộ góc của vật. Momen quán tinh Tác dụng cùng một mómen lục lên các vật khác nhau, tốc độ góc của vặt nào tăng chậm hơn thi vật đó có mức quán tính lớn hơn và ngược lai Đai lượng dặc’trưng cho mức quán tính của Vạt trong chuyển dộng quay gọi là momen quán tinh của vật. Momen quán tính của một vặt dối với một trục quay phu thuộc vào khói lượng của vật và vào sự phân bố khói lượng đó đôi vớĩ trục quay. Khối lượng của vật càng lớn và được phản bô’ càng xa trục quay thi momen quán tính càng lớn va ngược lai. B. HOẠT ĐỘNG C1. Chuyển động của những vật sau đây có phải là chuyển động tịnh tiến không? Tại sao? Chuyển động của bè nứa trên một đoạn sông phẳng. Chuyển động của người ngồi trong chiếc đu đang quay (Hình 21.1). C2. Tại sao khi hai vật có trọng lượng bằng nhau thì ròng rọc vẫn đứng yên sau khi thả tay? (Hình 21.2). C3. Đo thời gian chuyển động của vật 1 cho đến khi chạm sàn (gọi là t0). C4. Đo thời gian chuyển động t, của vật 1 cho tới khi chạm sàn. So sánh h với t0 rồi rút ra kết luận về mức quán tính của vật. C5. Đo thời gian chuyển động t2 của vật 1 cho tới khi chạm sàn, so sánh với t0 để rút ra kết luận về mức quán tính của vật. Hình 21.1 h Hình 21.2 Hình 21.3 c. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Thế nào là chuyển động tịnh tiến? Cho một ví dụ về chuyển động tịnh tiến thăng và một ví dụ về chuyển động tịnh tiến cong. Có thể áp dụng định luật II Niu-tơn cho chuyển động tịnh tiến được không? Tại sao? Momen lực có tác dụng như thế nào đối với một vật quay quanh một trục cô’ định? Mifc quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc những yếu tô' nào? Một vật có khối lượng m = 40kg bắt đầu trượt trên sàn nhà dưới tác dụng của một lực nằm ngang F = 200N. Hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn Pt = 0,25. Hãy tính: Gia tô'c của vật; Vận tốc của vật ở cuối giây thứ ba; Đoạn đường mà vật đi được trong 3 giây đầu. Lấy g = 10 m/s2. Một vật có khối lượng m = 4,0kg chuyển động trên mặt sàn nằm ngang dưới tác dụng của một lực F hợp với hướng chuyển động một góc a = 30° (Hình 21.4). Hệ sô' ma sát trượt giữa vật và sàn là Pt = 0,30. Tính độ lớn của lực để: F ■rrT7-^T7777777F^77Fnrrr77T77777rT77'. Hình 21.4 vật chuyển động với gia tốc bằng 1,25 m/s2; vật chuyển động thẳng đều. Lấy g = 10 m/s2. Một xe ca có khôi lượng 1250kg được dùng để kéo một xe moóc có khôi lượng 325kg. Cả hai xe cùng chuyển động với gia tốc 2,15 m/s2. Bỏ qua chuyển động quay của các bánh xe. Hãy xác định: hợp lực tác dụng lên xe ca; hợp lực tác dụng lên xe moóc. Một vật đang quay quanh một trục với tốc độ góc to = 6,28 rad/s. Nếu bỗng nhiên momen lực tác dụng lên nó mất đi thì vật dừng lại ngay. vật đổi chiều quay. c. vật quay đều với tốc độ góc (ữ = 6,28 rad/s. D. vật quay chậm dần rồi dừng lại. Chọn đáp án đúng. Đô'i với vật quay Quanh một trục cô' định, câu nào sau đây là đúng? Nếu không chịu momen lực tác dụng thì vật phải đứng yên. Khi không còn momen lục tác dụng thì vật đang quay sẽ lập túc dùng lại. c. Vật quay được là nhờ có momen lực tác dụng lên nó. D. Khi thấy tốc độ góc của vật thay đổi thì chắc chắn là đã có momen lực tác dụng lên vật. Mức quán tính của một vật quay quanh một trục không phụ thuộc vào khối lượng của vật. hình dạng và kích thước của vật. c. tô'c độ góc của vật. D. vị trí của trục quay. Chọn đáp án đúng. D. LỜI GIẢI • Hoạt động Cl. - Khi bè nứa trôi trên một đoạn sông phảng thì các giá của mỗi cây nứa trong bè đều song song với nhau (thỏa mãn định nghĩa của CĐTT) nên chuyển động của bè nứa là CĐTT (chuyển động tịnh tiến). - Khi chiếc đu quay, người ngồi trong đó vẫn luôn trong tư thế thân người thẳng đứng lên (thỏa mãn định nghĩa CĐTT) nên chuyển động của người ngồi trong đu quay là CĐTT. C2. Khi trọng lượng hai vật bàng nhau thì lực căng T| = T;;, momen cua hai lực dối với trục ròng rọc cân bàng nhau nên ròng rọc dứng yen. C4. - Khi giám khối lượng ròng rọc, sẽ đo được ti mức quán tính cùa ròng rộc nho. - Khi tăng khối lượng của ròng rọc thì đo được ti > ti. (•> giam mức quán tính lớn. C5. Khi thay bàng loại ròng rọc có khôi lượng phân bõ chủ yếu ớ vành ngoài thì sẽ đo được t-2 > to co giảm mức quán tính lớn hơn. • Câu hỏi và bài tập 1. Học sinh xem trang 111 SGK. 2, Học sinh xem trang 111, 112 SGK. Học sinh xem trang 113 SGK. 4. Học sinh xem trang 114 SGK. a) Khi trượt, hệ lực tác dụng vào vật như hình 21.5 nên vật chuyến động tịnh tiến. Áp dụng định luật II Niu-tơn, ta có: má = F + p + N + Foist Chiếu (1) lên Oy, được: 0 = -P + N => N = p = mg (1) F,OS| = p,.N = Hi.mg = 0,25.40.10 = 100 (N) Chiếu (1) lên Ox, được: ma = F - F,„S1 F - F 200 - 100 _ . , 2 => a = -—--- = 2,5 (m/s 40 = 2,5 (m/s2) b) v = at = 2,5.3 = 7,5 (m/s) Hệ lực tác dụng vào vật làm vật trượt (tịnh tiến). Áp dụng định luật II Niu-tơn N . p Hình 21.5 Ta có má = F + p + N + Fmsi Chiếu (1) lên Oy, được: 0 = Fsina - p + N N = mg Fsina N = 4.10 F.~'= 40 - - 2 2 74 - Giãi bài tập vật lí 10 F 4a + 12 = F( -777777,7777777777777777777777' mst F= 4a+12 1,016 p Hình 21.6 a) a = 1,25-^ thì F = s2 4.1,25 + 12 1,016 - 16,73(N) b) a = 0 thì F = <* 11,8(N) s2 1,016 Hợp lực tác dụng lên xe ca: Fhlj = mia = 1250.2,15 — 2688 (N) Hợp lực tác dụng lên xe moóc: Fh!2 = m2a = 325.2,15 — 699 (N) D. Khi momen lực tác dụng lên vật mất đi thì chỉ còn momen cản tác dụng làm vật chậm dần rồi dừng (khi đừng mômen cản cũng mất). D c