Bài giảng Môn Vật lý lớp 10 - Bài 3: Tổng hợp lực

BÀI 3: TỔNG HỢP LỰC
I/MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
- Dùng qui tắc hình bình hành để tổng hợp hai lực đồng qui, sau đó kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm. 
- Dùng qui tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều để xác định lực tổng hợp, sau đó kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm.
- Rèn luyện kĩ năng thực hành, giải các bài toán tổng hợp nhiều lực đồng quy và các lực song song cùng chiều 
II/ CƠ SỞ LÍ THUYẾT 
Tổng hợp hai lực đồng quy
 Giả sử hai lực đồng quy và tác dụng lên một vật Ta phải xác định lực tổng hợp của các lực thành phần và . Áp dụng quy tắc hình bình hành để xác định lực tổng hợp của hai lực đồng quy và . 
 - Muốn vậy, phải trượt các lực và trên giá của chúng về điểm đồng quy. Bằng quy tắc hình bình hành, dựng véc tơ . 
 2. Tổng hợp hai lực song song cùng chiều.
 Cho hai lực và song song cùng chiều tác dụng lên thanh AB
 - Hợp của hai lực và song song cùng chiều tác dụng lên thanh AB là một lực song song cùng chiều với hai lực đó. Lực này có độ lớn bằng tổng độ lớn hai lực P = P1 + P2. Giá của lực nằm trong mặt phẳng chứa hai lực và , chia khoảng cách giữa hai lực (chia trong) theo tỉ lệ: 
d1
d2
a
O
A
B
Hình 2: Sơ đồ tổng hợp hai lực song song cùng chiều
 - Kết quả tính toán độ lớn và điểm đặt của lực F trên hình 2 là cơ sở để tiến hành thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều.
III. Dụng cụ thí nghiệm
1. Dụng cụ thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy.
Hình 3:
Tổng hợp hai lực đồng quy
- Bảng sắt được gắn lên giá có đế 3 chân.
- Thước đo góc, được in trên tấm bìa màu trắng dày 0,15 đến 0,2mm, ép plastic, có kích thước 200x200 mm. Độ chia nhỏ nhất 10.
- Thước đo chiều dài có độ chia nhỏ nhất 1 mm
- Hai lực kế ống 5N, hai vòng kim loại có đế nam châm xuyến mạ kẽm. Nhờ hai nam châm này, ta có thể định vị hai lực kế trên bảng sắt.
- Lò xo 5N có nam châm để gắn dính lên bảng sắt.
- Một dây chỉ bền và một dây cao su.
- Một đế nam châm để buộc dây cao su.
- Một viên phấn
2. Dụng cụ thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều
 - Hai lò xo xoắn 5N, dài khoảng 60 mm.
 - Ba dây cao su.
- Thanh treo qua nặng, bằng kim loại nhẹ, cứng, dài 400 mm, để treo các quả nặng tổng cộng đến 10N mà không bị biến dạng. Trên thanh có gắn thước 400 mm và 3 con trượt có gắn móc treo, hai đầu có lỗ móc treo 2 lò xo 5N.
- Thanh định vị, bằng kim loại nhẹ, mỏng, dài 300 mm, sơn màu đen, gắn được lên bảng sắt.
- Cuộn dây treo, nhẹ, mềm và có màu tối.
- Hộp các quả nặng có khối lượng bằng nhau 50g.
- Giá đỡ có trục F10 mm, cắm lên đế 3 chân và bảng sắt.
- Hai đế nam châm để buộc dây cao su.
- Thước đo chiều dài có độ chia nhỏ nhất 1 mm.
- Một viên phấn
Hình 4: Tổng hợp hai lực song song cùng chiều
IV. Các bước tiến hành thí nghiệm 
1. Thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy
 Tìm hiểu kĩ các dụng cụ để lắp đặt, bố trí thí nghiệm 
Bước 1. Tổng hợp hai lực đồng quy theo quy tắc hình bình hành
- Buộc một đầu của dây cao su vào đế nam châm, đầu kia của dây cao su được thắt vào giữa dây chỉ. Hai đầu dây chỉ được buộc vào móc của hai lực kế.
- Kéo hai lực kế sao cho dây cao su song song mặt phẳng bảng tới vị trí A
- Dùng phấn đánh dấu lên bảng sắt: điểm A của đầu dây cao su, phương của hai lực và do hai lực kế tác dụng vào dây. Ghi các số liệu của chỉ số các lực kế vào bảng số liệu.
- Dựng hình bình hành có cạnh là các lực và theo tỉ lệ xích chọn trước. Dựng véc tơ bằng quy tắc hình bình hành. Đo chiều dài l của véc tơ , tính giá trị của R theo tỉ lệ xích đã chọn, ghi vào bảng số liệu 1.
Bước 2. Kiểm nghiệm lại véc tơ đã dựng được ở trên 
- Dùng một lực kế để kéo dây cao su dãn song song với mặt phẳng bảng cũng tới đúng điểm A nói trên. Đọc giá trị trên lực kế và ghi vào bảng số liệu 1
- Thực hiện lặp lại hai lần bước thí nghiệm này để nhận được các giá trị R2, R3. Ghi lại các giá trị R2, R3 tương ứng vào bảng số liệu, tính giá trị trung bình và sai số .
Bước 3. Tiến hành hai bước thí nghiệm trên ứng với các cặp lực mới và có phương, chiều và độ lớn khác.
- So sánh các kết quả tổng hợp lực thu được bằng tính toán và bằng thí nghiệm kiểm chứng, rút ra kết luận.
2. Thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều
 Tìm hiểu kĩ các dụng cụ để lắp đặt, bố trí thí nghiệm 
 Bước 1. Tổng hợp theo quy tắc hợp hai lực song song cùng chiều
 - Gắn hai nam châm lên bảng sắt, sau đó treo thanh kim loại lên hai đế nam châm bằng hai dây cao su (hoặc bằng 2 lò xo). 
 - Chọn vị trí 2 móc treo quả nặng ở trên thước (vị trí A và B), các vị trí này có thể lựa chọn bất kì bằng cách trượt các miếng mica trong khe kẹp của thước. Tuy nhiên nên chọn trùng với các vạch chia của thước để tránh sai số khi đo. 
 - Treo các quả nặng vào hai lỗ móc của miếng mica. Vị trí treo các quả nặng là điểm đặt A, B của các lực thành phần , tương ứng.
 - Đặt thước định vị có 2 nam châm phía dưới vào bảng từ (hoặc căng dây cao su), điều chỉnh cho thước định vị (hoặc dây cao su) và thước treo quả nặng song song với nhau ( hoặc trùng khít nhau).
 - Dùng phấn vẽ thanh và hai lực , lên bảng sắt. Áp dụng các công thức của quy tắc hợp lực song song cùng chiều để xác định độ lớn và điểm đặt O (độ dài a của đoạn OA) của hợp lực . Ghi các giá trị P, a vào bảng số liệu 2.
Bước 2. Kiểm nghiệm lại độ lớn, phương chiều của véc tơ đã dựng được ở trên 
 - Móc các quả nặng đã dùng ở trên vào một điểm nào đó trong khoảng AB sao cho vị trí của thanh kim loại trùng với vị trị ban đầu đã được đánh dấu. Đo và ghi vào bảng số liệu (bảng 2) giá trị độ dài a1 từ điểm treo các quả nặng tới A. 
 - Lặp lại bước thí nghiệm này thêm hai lần, tìm a2 và a3 tương ứng và ghi vào bảng số liệu 2.
 - Tính các giá trị và . So sánh kết quả từ thực nghiệm với kết quả tính theo lí thuyết
Bước 3. Tiến hành hai bước thí nghiệm trên trong trường hợp thay đổi số quả nặng treo tại A và B và độ dài AB cũng thay đổi. 
- So sánh các kết quả hợp lực thu được bằng tính toán và bằng thí nghiệm kiểm chứng, rút ra kết luận.
V. Các vấn đề cần chú ý
1. Quá trình tổng hợp hai lực đồng quy.
 Trong quá trình thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy, mức độ chính xác của kết quả thu được phụ thuộc nhiều vào kĩ năng thực hành. Cần chú ý các vấn đề sau:
 - Khi dùng các lực kế để kéo, nếu ống lực không thẳng đứng, lò xo trong ống có thể chạm vào vỏ gây nên ma sat, làm giảm trị số của lực kế
 - Nếu phương của hai lực kế và dây cao su không song song với mặt phẳng bảng sắt, các lò xo trong lực kế cũng chạm vào vỏ làm kết quả thí nghiệm thiếu chính xác
 - Không thực hiện thí nghiệm trong trường hợp dùng lực kéo quá lớn vượt giới hạn đàn hồi của lò xo trong lực kế (vượt chỉ số lớn nhất của lực kế)
2. Quá trình tổng hợp hai lực song song cùng chiều.
 - Treo các quả nặng vào hai lỗ móc của miếng mica, nên chọn số quả nặng hai bên không như nhau để độ nghiêng của thước bất kì. 
 - Độ chính xác của việc xác định điểm đặt của lực tổng hợp (độ dài a) phụ thuộc nhiều vào kĩ năng dùng phấn để đánh dấu các điểm đặt của các lực và dựng các lực thành phần trên bảng sắt 
BÀI BÁO CÁO
TỔNG HỢP HAI LỰC
Họ và tên :……………………………………; Lớp:………., ngày thực hành:……………
I/MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
1) Kiểm nghiệm lại quy tắc tổng hợp hai lực đồng quy và quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều.
2) Rèn luyện kĩ năng sử dụng lực kế.
3)	
II/ CƠ SỞ LÍ THUYẾT: Trả lời các câu hỏi sau đây: 
Tổng hợp lực là gì? Nêu quy tắc tổng hợp lực đồng quy và song song? Các công thức về tổng hợp lực được áp dụng trong phương án thực hành này?
III/TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: 
1.Tổng hợp hai lực đồng quy:
Phần1:
a) Phối hợp xê dịch lực kế A, B, lò xo và thước đo góc trên bảng từ, điều chỉnh móc lực kế A và B có phương trùng với trục hai lực và hợp với nhau một góc = 600 1200
b) Nhánh móc vào lò xo có phương trùng với phương thẳng đứng và trùng với phương của đường thẳng 0-0 trên thước đo góc.
c) Giao điểm của ba nhánh dây treo trùng với tâm của thước đo góc 0 900
Phần 2: 
a) Dùng giấy A4 biểu diễn các véc tơ và theo thước đo góc giữa 2 véc tơ này theo tỉ lệ xích chọn trước 
b) Dùng thước đo chiều dài đường chéo biểu diễn là l . Tính giá trị R theo tỉ lệ xích đã chọn. ghi vào bảng 1
Bảng 1:
Lần đo
F1 (N)
F2 (N)
Tỉ lệ xích
1 mm ứng với
(từ hình vẽ)
(từ thí nghiệm)
l (mm)
R(mm)
R1
R2
R3
R=
1
……………..N
2
……………..N
3
……………..N
2.Tổng hợp hai lực song song cùng chiều :
Phần1:
a) Móc lần lượt ở hai điểm A và B: 3 quả nặng, 2 quả nặng, dùng thước đánh dấu vị trí này của thước 
b) Móc 5 quả nặng vào một điểm O trong khoảng AB sao cho thanh trùng vị trí đánh dấu. Đo và ghi a = OA. Lặp lại thí nghiệm ghi vào bảng 2
Phần2:
a) Biểu diễn trên giấy A4 các véc tơ và theo tỉ lệ xích chọn trước tính toán giá tri của hợp lực P ghi vào bảng 2
Bảng 2:
Lần đo
P1
(N)
P2
(N)
( từ tính toán)
(từ thí nghiệm)
P(N)
a
(mm)
P(N)
Độ dài của đoạn OA: a = OA (mm)
a1
a2
a3
a = 
1
2
3
IV/ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
1.Tính toán các giá trị trung bình và hoàn thiện bảng 1; bảng 2.
2. So sánh các giá trị R được xác định bằng cách áp dụng quy tắc hình bình hành với các giá trị đo được bằng lực kế trong 3 lần thí nghiệm và rút ra kết luận:
3. So sánh các giá trị P được xác định bằng cách tính toán với các giá trị đo được bằng lực kế trong 3 lần thí nghiệm và rút ra kết luận:
	Trả lời các câu hỏi
Gọi G là trọng tâm của vật rắn có khối lượng m. Vật được treo bằng một sợi dây mảnh chịu được lực căng tối đa có giá trị Tmax. Người ta đồng thời tác dụng hai lực và lên vật làm dây treo bị đứt.
 a. Hãy nêu lên các điều kiện của hai lực và để sau khi dây bị dứt, toàn bộ vật chỉ chuyển động tịnh tiến cùng trọng tâm G, nhưng không bị quay, trong quá trình chuyển động theo phương thẳng đứng.
 b. Trong trường hợp hai lực và như thế nào thì vật vừa chuyển động tịnh tiến vừa quay.
(Hãy vận dụng kiến thức về tổng hợp các lực đồng quy, hợp các lực song song, và mô men lực để giải thích.)