Giải sách bài tập Vật lí lớp 10 Bài 14: Moment lực. Điều kiện cân bằng của vật - Chân trời sáng tạo

Giải SBT Vật lí 10 trang 43

A. Trắc nghiệm

Câu 14.1 trang 43 SBT Vật lí 10: Chọn phát biểu đúng

A. Moment lực tác dụng lên vật là đại lượng vô hướng.

B. Moment lực đối với một trục quay được đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó.

C. Moment lực là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu của lực.

D. Đơn vị của moment lực là N/m.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

A sai vì moment lực tác dụng lên vật là đại lượng có hướng.

B đúng.

C sai vì moment lực đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực.

D sai vì đơn vị moment lực là N.m.

Câu 14.2 trang 43 SBT Vật lí 10: Moment lực đối với một trục quay là đại lượng đặc trưng cho tác dụng

A. làm vật quay.

B. làm vật chuyển động tịnh tiến.

C. vừa làm vật quay vừa chuyển động tịnh tiến.

D. làm vật cân bằng.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Moment lực đối với một trục quay là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm vật quay.

Câu 14.3 trang 43 SBT Vật lí 10: Chọn từ/ cụm từ thích hợp trong bảng dưới đây để điền vào chỗ trống:

Ngẫu lực là hệ hai lực (1) …, (2) …, có độ lớn (3) … và cùng tác dụng vào một vật. Dưới tác dụng của ngẫu lực, chỉ có chuyển động (4) … của vật bị biến đổi.

Lời giải:

Ngẫu lực là hệ hai lực (1) song song, (2) ngược chiều, có độ lớn (3) bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật. Dưới tác dụng của ngẫu lực, chỉ có chuyển động (4) quay của vật bị biến đổi.

Câu 14.4 trang 43 SBT Vật lí 10: Trong các nhận định dưới đây, nhận định nào là đúng?

(Câu hỏi nhiều lựa chọn)

A. Có thể dùng quy tắc hợp lực song song (ngược chiều) để tìm hợp lực của ngẫu lực.

B. Ngẫu lực là hệ gồm hai lực song song, ngược chiều và có độ lớn bằng nhau.

C. Moment của ngẫu lực tính theo công thức: M = F.d (trong đó d là cánh tay đòn của ngẫu lực).

D. Nếu vật không có trục quay cố định chịu tác dụng của ngẫu lực thì nó sẽ quay quanh một trục đi qua trọng tâm và vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực.

E. Khi lực tác dụng càng lớn thì moment của lực càng lớn.

F. Khi tác dụng một lực $\overrightarrow{F}$ có giá đi qua trọng tâm của một vật thì vật đó sẽ vừa có chuyển động tịnh tiến, vừa có chuyển động quay.

Lời giải:

Các nhận định đúng:

B. Ngẫu lực là hệ gồm hai lực song song, ngược chiều và có độ lớn bằng nhau.

C. Moment của ngẫu lực tính theo công thức: M = F.d (trong đó d là cánh tay đòn của ngẫu lực).

D. Nếu vật không có trục quay cố định chịu tác dụng của ngẫu lực thì nó sẽ quay quanh một trục đi qua trọng tâm và vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực.

E. Khi lực tác dụng càng lớn thì moment của lực càng lớn.

A sai vì không thể tìm được hợp lực của ngẫu lực.

F sai vì khi tác dụng một lực $\overrightarrow{F}$ có giá đi qua trọng tâm của một vật thì vật đó sẽ chuyển động tịnh tiến.

Giải SBT Vật lí 10 trang 44

Câu 14.5 trang 44 SBT Vật lí 10: Trên hai đĩa của một cân thăng bằng, người ta đặt hai đồng hồ cát giống hệt nhau có cùng trọng lượng. Cân ở trạng thái cân bằng, người ta nhanh tay lật ngược một trong hai đồng hồ cát, hiện tượng xảy ra tiếp theo là

A. cân bên đồng hồ cát bị lật sẽ nghiêng xuống.

B. cân bên đồng hồ cát không bị lật sẽ nghiêng xuống.

C. cân vẫn thăng bằng.

D. cân bị nghiêng về phía đồng hồ cát không bị lật, sau khi cát chảy hết thì cân nghiêng về phía còn lại.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

Coi quá trình lật ngược chiếc đồng hồ cát là rất nhanh. Trong quá trình cát chảy xuống, cân vẫn thăng bằng vì trọng lượng ở hai bên đĩa không đổi.

Câu 14.6 trang 44 SBT Vật lí 10: Một bu lông nối khung chính và khung sau của xe đạp leo núi cần moment lực 15 N.m để siết chặt. Nếu bạn có khả năng tác dụng lực 40 N lên cờ lê theo một hướng bất kì thì chiều dài tối thiểu của cờ lê để tạo ra moment lực cần thiết là bao nhiêu?

A. 0,38 m.

B. 0,33 m.

C. 0,21 m.

D. 0,6 m.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Ta có: M = F.d  $\Rightarrow d=\frac{M}{F}=\frac{15}{40}=0,375m$

Câu 14.7 trang 44 SBT Vật lí 10: Khi tác dụng một lực $\overrightarrow{F}$ vuông góc với cánh cửa, có độ lớn không đổi vào các vị trí khác nhau như Hình 14.1. Moment lực gây ra tại vị trí nào là lớn nhất?

A. Điểm A.

B. Điểm B.

C. Điểm C.

D. Điểm D.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Moment lực M = F.d

Dựa vào hình ảnh ta có thể thấy điểm D có cánh tay đòn lớn nhất so với trục quay.

Câu 14.8 trang 44 SBT Vật lí 10: Một quả cầu có trọng lượng P = 40 N được treo vào tường nhờ 1 sợi dây hợp với mặt tường một góc $\alpha =30°$ như Hình 14.2. Bỏ qua ma sát ở chỗ tiếp xúc giữa quả cầu và tường. Phản lực do tường tác dụng lên quả cầu có độ lớn gần nhất với giá trị nào dưới đây?

A. 23 N.      B. 22 N.      C. 21 N.      D. 20 N.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Theo điều kiện cân bằng, ta có: $\overrightarrow{P}+\overrightarrow{N}+\overrightarrow{T}=\overrightarrow{0}$

Chiếu lên Ox: $P=T.\cos \alpha \Rightarrow T=\frac{P}{\cos \alpha }$

Chiếu lên Oy:

$$\begin{gathered} N=T.\sin \alpha =\frac{P}{\cos \alpha }.\sin \alpha \\ =P.\tan \alpha =40.\tan {30}^0=23,1N \end{gathered}$$

Giải SBT Vật lí 10 trang 45

B. Tự luận

Bài 14.1 trang 45 SBT Vật lí 10: Tác dụng các lực $\overrightarrow{F}$ có độ lớn như nhau vào cùng một vị trí trên vật nhưng khác hướng (Hình 14.3). Trường hợp nào moment của lực $\overrightarrow{F}$ có tác dụng làm quay vật quanh O là lớn nhất? Giải thích.

Lời giải:

Đối với trục quay O, trường hợp a có moment của lực $\overrightarrow{F}$ làm quay vật là lớn nhất vì độ dài cánh tay đòn lúc này là lớn nhất, trường hợp b có moment của lực $\overrightarrow{F}$ làm quay vật là nhỏ nhất (bằng 0) vì lực có phương đi qua trục quay.

Bài 14.2 trang 45 SBT Vật lí 10: Xác định moment do lực $\overrightarrow{F}$ có độ lớn 10 N tác dụng vuông góc lên cờ lê để làm xoay bu lông (Hình 14.4). Biết cờ lê có chiều dài 15 cm và khoảng cách từ điểm đặt của lực đến bu lông vào cỡ 11 cm.

Lời giải:

Moment lực: $M=F.d=10.0,11=1,1N.m$

Bài 14.3 trang 45 SBT Vật lí 10: Một xe cẩu có chiều dài cần trục l = 20 m và nghiêng 30⁰ so với phương thẳng đứng. Đầu cần trục có treo một thùng hàng nặng 2 tấn như Hình 14.5. Xác định moment lực do thùng hàng tác dụng lên đầu cần trục đối với trục quay đi qua đầu còn lại của cần trục gắn với thân máy. Lấy g = 9,8 m/s².

Lời giải:

Ta có:

$$\begin{gathered} M=F.d=m.g.d \\ =2000.9,\mathrm{8.20.}\sin 30°=196000N.m \end{gathered}$$

Bài 14.4 trang 45 SBT Vật lí 10: Biển quảng cáo của một quán cà phê được treo cân bằng nhờ một dây nằm ngang và dây còn lại hợp với trần một góc α như Hình 14.6.

a. Giữ cho một dây luôn căng và có phương nằm ngang, thay đổi vị trí và độ dài dây treo trên trần. Xác định điều kiện góc α để hệ có thể cân bằng.

b. Biển quảng cáo có trọng lượng là P, tính lực căng trên hai dây treo.

Lời giải:

a. Điểm treo chịu tác dụng của trọng lực $\overrightarrow{P}$ hướng thẳng đứng xuống, lực căng dây $\overrightarrow{T_1}$ và $\overrightarrow{T_2}$.

Để hệ cân bằng thì $\overrightarrow{P}+\overrightarrow{T_1}+\overrightarrow{T_2}=\overrightarrow{0}$. Ta thấy:

+ Trên phương (Oy), thành phần trọng lực $\overrightarrow{P}$ hướng xuống luôn cân bằng với thành phần $\overrightarrow{T_{1y}}$ hướng lên.

+ Trên phương (Ox), lực căng dây $\overrightarrow{T_2}$ luôn căng và có phương nằm ngang nên thành phần $\overrightarrow{T_{1y}}$ phải hướng theo chiều âm của trục (Ox).

Do đó, góc α phải thoả điều kiện: $0°<\alpha <90°$.

b. Áp dụng điều kiện cân bằng của hệ:

$\overrightarrow{P}+\overrightarrow{T_1}+\overrightarrow{T_2}=\overrightarrow{0}\left(*\right)$

Chiếu (*) lên (Ox) và (Oy): $\left\{\begin{array}{c}{T}_1.\sin \alpha =P\\ T_1.cos\alpha =T_2\end{array}\right.$

Vậy $T_1=\frac{P}{\sin \alpha }$ và $T_2=\frac{P}{tan\alpha }$

Giải SBT Vật lí 10 trang 46

Bài 14.5 trang 46 SBT Vật lí 10: Một con tàu vượt biển lớn bị mắc cạn gần đường bờ biển (tương tự trường hợp của tàu Costa Concordia vào ngày 13/01/2012 tại Ý) và nằm nghiêng ở một góc như Hình 14.7. Người ta đã sử dụng các tàu cứu hộ để gây ra một lực F = 5,0.10⁵ N tác dụng vào điểm A của tàu theo phương ngang để giúp tàu thẳng đứng trở lại. Xác định moment lực của lực tác dụng này tương ứng với trục quay đi qua điểm tiếp xúc của tàu với mặt đất.

Lời giải:

Ta có:

$$\begin{gathered} M=F.d={5.10}^5\mathrm{.30.}\cos 10° \\ =1,{48.10}^{7}N.m \end{gathered}$$

Bài 14.6 trang 46 SBT Vật lí 10: Ta cần tác dụng một moment ngẫu lực 12N.m để làm quay bánh xe như Hình 14.8. Xác định độ lớn lực tác dụng vào bánh xe ở Hình 14.8a và Hình 14.8b. Từ đó, hãy cho biết trường hợp nào sẽ có lợi hơn về lực.

Lời giải:

Hình 14.8a: Độ lớn lực tác dụng: F₁ = F₂ = $\frac{M}{d}=\frac{12}{0,4}=$30N

Hình 14.8b: Độ lớn lực tác dụng: $F_1=F_2=\frac{M}{d}=\frac{12}{0,23}=52N$

Vậy, tác dụng ngẫu lực vào vị trí như ở Hình 14.8a để có lợi hơn về lực.

Giải SBT Vật lí 10 trang 47

Bài 14.7 trang 47 SBT Vật lí 10: Có 1 quả bóng kém chất lượng trong số 13 quả bóng giống hệt nhau, biết quả bóng kém chất lượng có khối lượng nhẹ hơn các quả bóng còn lại và các quả bóng tốt có khối lượng bằng nhau. Hãy tìm cách xác định quả bóng kém chất lượng với dụng cụ hỗ trợ là 1 cân thăng bằng chỉ với tối đa 3 lần đo.

Lời giải:

Ứng dụng quy tắc moment đối với cân thăng bằng, thực hiện lần lượt các bước:

Bước 1: Lấy 6 quả bóng bất kì đặt lên mỗi đĩa cân. Nếu cân thăng bằng thì quả bóng còn lại là quả bóng kém chất lượng. Nếu đĩa cân bên nào nâng lên tức là trong đĩa cân đó có quả bóng kém chất lượng.

Bước 2: Bỏ tất cả quả bóng ra. Lấy 6 quả bóng bên đĩa cân nâng lên ở bước 1 chia đều cho 2 đĩa cân, nếu đĩa cân bên nào nâng lên tức là trong đĩa cân đó có quả bóng kém chất lượng.

Bước 3: Bỏ tất cả quả bóng ra. Trong 3 quả bóng bên đĩa cân nâng lên ở bước 2, đặt lên mỗi đĩa cân một quả bóng bất kì. Nếu cân thăng bằng thì quả bóng còn lại là quả bóng kém chất lượng, nếu đĩa cân nào nâng lên tức là trong đĩa cân đó có quả bóng kém chất lượng.