Tài liệu luyện thi học sinh giỏi môn Vật lý Lớp 12 - Bài tập vật lý chất rắn

Nội dung text: Tài liệu luyện thi học sinh giỏi môn Vật lý Lớp 12 - Bài tập vật lý chất rắn

1. LUYỆN THI HSG BÀI TẬP VẬT LÝ CHẤT RẮN Bài 1: Cho hệ vật gồm ròng rọc là đĩa tròn đồng chất bán kính R, khối lượng M = 500 g có thể quay xung quanh trục nằm ngang đi qua tâm ròng rọc, một sợi dây nhẹ không dãn vắt qua rãnh ròng rọc, hai đầu sợi dây nối với các vật nặng có khối lượng m 1 = 500 g, m2 = 300 g ( Hình 1 ). Bỏ qua mọi ma sát, dây không trượt trên rãnh ròng rọc. Tính gia tốc hai vật và lực căng dây hai bên ròng rọc. Đơn vị tính: Gia tốc (m/s2), lực (N). m1 2 a = 1,8679 ( m/s ) m2 Đs: Hình 1 T1 = 3,9694 ( N ) T = 3,5024 ( N ) 2 m2 Câu 2 (2,5 điểm): Hai vật có khối lượng m 1 và m2 được nối với nhau bằng một sợi dây nhẹ, không dãn vắt qua một ròng rọc có trục quay nằm ngang và cố định gắn vào mép bàn (hình 3). Ròng rọc có momen quán tính I và bán kính R. Coi rằng dây không trượt trên ròng rọc khi quay. Biết hệ số ma sát giữa vật m2 và mặt bàn là , bỏ qua ma sát trục quay. a. Xác định gia tốc của m1 và m2. m1 b. Tìm điều kiện giữa khối lượng m1, m2 và hệ số ma sát mặt bàn  để hệ thống nằm cân bằng. Hình 3 Câu 3. ( 3 điểm ) Một vật nhỏ khối lượng m trượt không ma sát từ đỉnh một bán cầu bán kính R = 30cm. Tại độ cao nào so với mặt phẳng ngang vật sẽ tách khỏi bề mặt của báncầu HD - Muốn cho vật còn trượt được trên mặt cầu thì hợp lực ( P.cos - N ) phải tạo tra cho vật một lực hướng tâm v2 mg.cos - N = m R N 2 v - Vật sẽ bắt đầu rời khỏi mặt cầu khi N = 0 mg.cos = m h R P v2 O cos = (1) gR 1 - Theo định luật bảo toàn cơ năng : mg.R = mgh + mv2 v 2 = 2g( R - h ) (2) 2 h và cos = (3) R 2 2 Từ (1), (2) và (3) h = .R = . 30 = 20 (cm) 3 3 Bài 4: Một cuộn dây chỉ gồm 2 đĩa như nhau bán kính R, khối lượng m được gắn vào trục có bán kính r, khối lượng không đáng kể. Một sợi dây chỉ được cuốn vào trục và gắn lên trần, khoảng m cách từ cuộn chỉ đến trần là D. Sau đó thả cho hệ chuyển động. 1 a, Tại thời điểm ban đầu sợi dây phải tạo với phương thẳng một góc bao nhiêu để khi thả cuộn dây không lắc lư. b, Tính gia tốc chuyển động của tâm cuộn chỉ. m 2 Bài5 : Cho một hệ cơ học như hình vẽ .Hình trụ đặc có khối lượng m1 = 300 g , m2 = 400 g. Nối với nhau bởi sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể , xem dây không trượt trên ròng rọc. Lấy g = 10 m/s2. Hãy xác định gia tốc của hệ và sức căng của dây . m1 – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 1m2
2. Bài 6 : Cho ròng rọc là một đĩa tròn có khối lượng m1 = 100 g, quay xung quanh một trục nằm ngang đi qua tâm O. Trên ròng rọc có cuốn một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể ,đầu kia của dây treo một vật nặng có khối lượng m2 = 50 g . Để vật nặng tự do chuyển động. Tìm gia tốc của vật nặng và sức căng của dây . Lấy g = 10 m/s2 Bài8 : Một đĩa tṛòn, trụ rỗng, quả cầu đặc, có khối lượng m , bán kính R, quay quanh trục đi qua tâm với vận tốc góc 0 ṿòng/phút. Tác dụng lên vật một lực hãm tiếp tuyến với vành đĩa ( trụ, quả cầu) và vuông góc với trục quay. Sau t phút thì vật dừng lại. Tìm giá trị của mômen lực hãm đối với trục quay . Bài 9 : Một đĩa tṛòn có khối lượng m = 3kg , bán kính R = 0,6m , quay quanh trục đi qua tâm đĩa với vận tốc góc 0 600 ṿòng/phút. Tác dụng lên đĩa một lực hãm tiếp tuyến với vành đĩa và vuông góc với trục quay. Sau 2 phút thì đĩa dừng lại, tìm độ lớn của lực hãm tiếp tuyến. Bài 10 : Từ độ cao h = 0,7 m trên mặt phẳng nghiêng, người ta cho một quả cầu đặc, một đĩa tròn, một trụ đặc, một vành tròn, 0 0 0 một trụ rỗng, có cùng bán kính, lăn không trượt trên mặt phẳng nghiêng đó Biết = 30 ,60 , 45 , lấy g = 9,8 m/s2. Hãy xác định : a. Vận tốc dài của các vật ở cuối mặt phẳng nghiêng. gia tốc khối tâm của các vật. h b. Thời gian chuyển động của vật khi đi hết mặt phẳng nghiêng đó. (coi vận tốc ban đầu của các vật đều bằng không). c. Tìm giá trị của lực ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng. d. Nếu góc nghiêng thay đổi, hệ số ma sát không đổi thì góc nghiêng phải bằng bao nhiêu để các h́ình lăn không trượt. e. Tìm giá của hệ số ma sát sao cho sự lăn không xẩy ra. f. Tìm động năng của các vật sau t giây kể từ lúc bắt đầu chuyển động Bài 11: Một bao cát có khối lượng M, được treo bởi sợi dây không dãn chiều dài l, khối lượng không đáng kể. Một viên đạn có khối lượng m bay theo phương ngang ( h.vẽ). Hỏi tại vị trí thấp của bao cát thì vận tốc bé nhất của viên đạn m M phải bằng bao nhiêu để khi viên đạn cắm vào bao cát, thì cả bao cát và viên đạn chuyển động quay tròn trong mặt phẳng M thẳng đứng quanh điểm treo. M Bài 12 : Cho một hệ cơ học như hình vẽ m1 = 400g , m2 = 200g , ròng rọc là một đĩa tròn có khối lượng m3 = 100g . Giữ m2 chạm đất thì m1 cách mặt đất một khoảng h1 = 2m. Cho dây không dãn , khối lượng không đáng kể . m3 a. Hãy xác định gia tốc chuyển động của hệ và sức căng của các đoạn dây. b. Tính độ cao cực đại mà m2 có thể đạt được. m1 h1 m2 Bài 13 : Một vật nhỏ trượt không ma sát từ đỉnh một mặt cầu có bán kính R = 1,2m. Mặt cầu đặt trên mặt đất, lấy g = 9,8m/s2. Xác định : a. Vị trí vật bắt đầu rời khỏi mặt cầu so với mặt đất. b. Vận tốc của vật khi chạm đất. R Bài 14 : Một đĩa tṛòn đồng chất khối lượng m1 =100kg, bán kính R = 1,5m, quay không ma sát quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm với vận tốc góc 10 vòng/phút . Một người có khối lượng m2= 50kg đứng ở mép đĩa và đi dần vào tâm đĩa dọc theo phương bán kính. Xác định : a. Vận tốc góc của đĩa khi người đứng ở tâm đĩa. l b. Công mà người đã thực hiện khi người đi từ mép đĩa vào tâm đĩa .(Coi người là một chất điểm ). Bài 15 : Một thanh đồng chất thiết diện mảnh, chiều dài l (m), quay xung quanh trục nằm ngang đi qua một đầu của thanh. Lúc đầu thanh ở vị trí nằm ngang , thả thanh chuyển động tự do. Tìm gia tốc góc và vận tốc góc của thanh khi thanh đi qua vị trí hợp với phương thẳng đứng một góc và khi thanh đi qua vị trí cân bằng. Lấy g = 9,8m/s2 – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 2
3. T1 T2 a0 Bài 16 : Cho một hệ cơ học được gắn vào thang máy như hình vẽ. Thang máy chuyển động đi lên với gia tốc 2 P1 a0 = 2m/s . Cho : m1 = 2kg, m2 = 1kg, m3 = 1,5kg, m4 = 5kg . Dây không dãn khối lượng không đáng kể, xem dây không trượt trên ròng rọc . Tính : a. Gia tốc chuyển động của các vật đối với mặt đất. b. Sức căng của các đoạn dây. c. áp lực của m lên m . 2 1 m3 a0 m4 m2 m1 Bài 17 : Cho một hệ cơ học được gắn vào thang máy (hình vẽ). Thang máy chuyển động đi lên (hoặc đi xuống) với gia tốc a0 2 2 (m/s ) Cho: m1 (kg) > m2 (kg), Dây không dãn khối lượng không đáng kể, xem dây không trượt trên ròng rọc, lấy g =10m/s . Tính gia tốc chuyển động của các vật đối với thang máy. m1 P2 m2 Bài 18 : Cho một hệ cơ học được gắn vào thang máy (hình vẽ). Thang máy chuyển động đi lên (hoặc đi xuống) với gia tốc a0 2 2 (m/s ). Cho : m1 (kg)< m2 (kg). Dây không dãn khối lượng không đáng kể, xem dây không trượt trên ròng rọc, lấy g =10m/s . Tính gia tốc chuyển động của các vật đối với thang máy.Tính sức căng của sợi dây. Bài 19 : Một vật có khối lượng m(kg)chuyển động trên sàn thang máy dưới tác dụng của lực F (N) theo phương ngang. Hệ số ma sát giữa vật và sàn là   2 a0 k . Thang máy chuyển động lên trên ( hoặc chuyển động xuống dưới) với gia tốc a0 (m / s ) . Tính F gia tốc của vật đối với sàn thang máy. Lấy g =9,8m/s2 Bài 20 : Một thanh đồng chất có chiều dài l = 5m đang ở vị trí thẳng đứng thì bị đổ xuống. g=10m/s2 a. Xác định vận tốc của đỉnh thanh khi nó chạm đất . x b. Xác định độ cao của điểm M trên thanh sao cho khi điểm M chạm đất th́ì vận tốc của nó đúng bằng vận tốc chạm đất của vật rơi tự do từ độ cao đó. Bài 21 : Một sợi dây không dãn vắt qua ròng rọc, một đầu buộc vật có khối lượng m1 = 300g, đầu kia có cái / 2 Fms vòng khối lượng m2 = 200g trượt có ma sát trên dây. Gia tốc của vật m2 đối với dây là a = 0,5m/s . Bỏ qua khối lượng của dây, xem dây không trượt trên ròng rọc. Hãy xác định T1 a. Gia tốc của vật m1 m m1 2 b. Lực ma sát giữa vòng và dây. P2 P1 Bài 22 : Một sợi dây không dãn khối lượng không đáng kể được cuộn trên hình trụ đặc có khối lượng m (kg). Một đầu dây được gắn vào trần thang máy, thang máy chuyển động thẳng đứng lên trên (xuống dưới) m 2 với gia tốc a0 (m/s ). Tính : a0 a. Gia tốc của khối tâm hình trụ đối với thang máy và đối với mặt đất b. Lực căng của dây . Bài 23 : Một chiếc thuyền dài l =4m, khối lượng m = 100kg nằm yên trên mặt nước. Hai người có khối lượng m1 = 60kg , m2 = 40kg đứng ở hai đầu thuyền . Hỏi thuyền dịch chuyển một đoạn bằng bao nhiêu ? so với mặt nước khi : 0 a. Khi người có khối lượng m1 đến vị trí người có khối lượng m2 b. Hai người cùng đi đến giữa thuyền với cùng vận tốc. l m1 m – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới 2nhất 3 A
4. Bài 24 : Một thanh có khối lượng m1 = 1kg, chiều dài l = 1,5m có thể quay tự do xung quanh một trục nằm ngang đi qua đầu mút của thanh . Một viên đạn có khối lượng m2 = 0,1kg , bay theo phương nằm ngang với vận tốc V = 400m/s tới xuyên vào đầu kia của thanh và mắc vào thanh. Tìm vận tốc góc của thanh ngay sau khi viên đạn cắm vào thanh . 3m2 m1 2 3m2Vd 3.0,1.400 ĐS l  A m2l.Vd  A 61,54 rad / s 3 (3m2 m1 ).l (3.0,1 1).1,5 Bài 25 : Một đĩa tròn đồng chất bán kính R , khối lượng m có thể quay xung quanh trục nằm ngang vuông góc với đĩa và cách tâm đĩa một đoạn R/2 . Đĩa bắt đầu quay từ vị trí ứng với vị trí cao nhất của tâm đĩa với vận tốc ban đầu bằng 0. Hăy xác định mô men động lượng của đĩa đối với trục quay khi đĩa đi qua vị trí thấp nhất . Bài giải: 2 1 R 3mR2 Mômen quán tính của đĩa đối với trục quay là: I mR2 m 2 2 4 áp dụng định luật bảo toàn năng lượng: 1 I 2 L2 6m2 gR3 3 mgR I 2 L 2mgRI mR gR 2 2I 2I 4 2 Bài 26 : Cho một hệ cơ học như hình vẽ : Cho m1 = 1 kg , m2 = 3 kg . Ròng rọc hai nấc có mômen quán tính đối với trục quay đi qua tâm là I = 8.104kgm2, bán kính bé r = 20cm , bán kính lớn R =40cm. Cho dây không R r dãn khối lượng không đáng kể . Hăy xác định gia tốc góc của hệ và sức căng của các đoạn dây . (m R m R )g a 1 1 2 2 1 I m 2m R m R 1 1 1 2 2 m R2 2 Bài 27 Khảo sát chuyển động lăn của một vật rắn trên mặt phẳng nghiêng Từ mức cao nhất của một mặt phẳng nghiêng, một hình trụ đặc và một quả cầu đặc có cùng khối lượng và bán kính, đồng thời bắt đầu lăn không trượt xuống dưới. Tìm tỷ số các vận tốc của hai vật tại một một mức ngang nào đó. Lời giải Gọi vc là vận tốc của quả cầu sau khi lăn xuống được độ cao h. vT là vận tốc của hình trụ sau khi lăn xuống được độ cao h. A Khi quả cầu, hình trụ lăn không trượt xuống dưới, thì điểm đặt của lực ma sát tĩnh nằm trên trục quay tức thời, mà tại đó vận tốc của các điểm tại bằng không và không ảnh hưởng tới cơ năng toàn phần của vật. Vai trò của lực ma sát ở đây là đảm bảo cho vật lăn thuần tuỳ không trượt và đảm B bảo cho độ giảm thế năng hoàn toàn chuyển thành độ tăng động năng tịnh tiến và chuyển động năng quay của vật. Vì các lực tác dụng lên hình trụ đặc và quả cầu đều là : p ( lực thế ),  ( theo phương pháp tuyến) và lực ma sát tĩnh Fms . Ta có  và Fms không sinh công Acác lực không thế = 0 cơ năng của hệ được bảo toàn. Như vậy ta có thể áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho chuyển động của quả cầu và hình trụ: mv 2  2 mv 2  2 Với quả cầu: mgh = c c c ( 1 ) Với hình trụ: mgh =    ( 2 ) 2 2 2 2 2mR2 v mR2 v Trong đó:  ;  c  ;   c 5 c R  2  R – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 4
5. 7mv 2 3mv 2 v 2 15 v 15 Thay vào ( 1 ) và ( 2 ) ta có: mgh = c ; mgh =  c c 2 10 4 v 14 v 14 Bài 28: Khảo sát chuyển động lăn của một vật trụ rắn trên mặt phẳng nghiêng 1 Một hình trụ đồng chất khối tâm C, bán kinh R, momen quán tính I =mR2 đối với trục của nó. Được đặt không 2 vận tốc đầu trên mặt phẳng nghiêng góc . Gọi f là hệ số ma sát trượt giữa hình trụ và mặt phẳng nghiêng. y 1) Xác định gia tốc hình trụ. Chứng tỏ rằng có trượt hay không là tuỳ theo giả thiết của so với giả thiết 0 nào đó cần xác định. N Lời giải C O P 1) Xác định gia tốc hình trụ Fms Giả sử trụ lăn không trựơt: x 1 2 a Psin -Fms=ma Fms.R = I mR Suy ra: Fms 2 R 1 2 = ma a = g sin 2 3 2 Điều kiện Fms=mg sin fmg cos tg 3 f Tức là 0 với tg = 3f thì trụ lăn không trượt. 3 0 Trường hợp > 0 Fms là ma sát trượt . Ta có: Fms = fmgcos . mg sin Fms a2 = = g(sin - fcos ). m F .R 2 fg  ms cos I R Bài 29 Một bánh đà có dạng là một hình trụ đồng nhất khối lượng M, bán kính R quay quanh trục cố định nằm ngang. Một sợi dây quấn quanh bánh đà, đầu kia của sợi dây buộc một vật nặng có khối lượng m. Quả nặng được nâng lên rồi buông ra cho rơi xuống. Sau khi rơi được độ cao h, quả nặng bắt đầu làm căng sợi dây và quay bánh đà. Tìm vận tốc góc của bánh đà tại thời điểm đó ( hình vẽ ) . Lời giải Vận tốc của vật nặng m tại cuối độ cao h tính được nhờ áp dụng định luật bảo toàn cơ năng : v 1 = 2gh ( 1) M Khi vật nặng bắt đầu làm căng dây, xuất hiện tương tác giữa vật nặng và bánh đà. Vì tương tác xảy ra trong thời gian được xem là rất ngắn nên ta có gần đúng bảo toàn mô men xung lượng (đối với trục quay): Lngay trước trước tương tác = L ngay trước sau tương tác m.v1.R = m.v2.R + I . (2) Trong đó v2 là vận tốc của vật m ngay sau tương tác, I là mômen quán tính của bánh đà đối với trục quay,  là vận tốc góc của bánh đà ngay sau tưong tác. m 1 2 Ta có: I = .M.R ( 3 ) v2 = .R ( 4 ) Từ ( 1), ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ) ta tính được : h 2 2m 2gh  m 2M .R – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 5
6. Bài 30. Điều kiện cân bằng của vật rắn Một quả cầu bán kính R, khối lượng m đặt trên mặt phẳng không nhẵn C nghiêng một góc so với mặt phẳng ngang. Quả cầu được giữ cân bằng nhờ sợi dây AC song song với mặt phẳng nghiêng như hình vẽ. Biết quả cầu còn nằm cân A bằng với góc lớn nhất 0. Hãy tính: a. Hệ số ma sát giữa quả cầu với mặt phẳng nghiêng O b. Lực căng T của dây AC khi đó. Lời giải a. Tìm hệ số ma sát: Điều kiện cân bằng của quả cầu: P N T F ms 0(1);M P / A M Fms / A (2) Chiếu (1) lên Ox, Oy: Psin +T + Fms = 0 (3’). Pcos + N = 0 (3) Fms Từ (2) ta có: PRsin = Fms.2R Fms = P/2 sin (4). Vì quả cầu không trượt Fms kN k (5) N Psin tg Thay (3), (4) vào (5): k 2Pcos 2 b. Lực căng dây ứng với = 0. Từ (3’) T = Psin - Fms = Psin - kN; T = Psin 0 - kPcos 0. Bài 31. Điều kiện để một vật rắn lăn qua một điểm cản Một khối gỗ hình trụ đồng chất khối lượng m = 10kg, bán kính R = 10cm được đặt trên một khối M như hình vẽ. Góc tạo bởi bán kính OA và OB với phương thẳng đứng lần lượt là 600 và 300 O Bỏ qua ma sát. Tính áp lực đè lên M tại A và B khi M đứng yên và khi M chuyển động A với gia tốc a = 2m/s2 trên phương nằm ngang hướng từ trái sang phải. 0 B Nếu có ma sát tìm a của M để khối gỗ lăn quanh A. Cho g = 10m/s2. 0 H Lời giải a. Khi hệ đứng yên. Vật chịu tác dụng của ba lực.Trọng lực P, phản lực N A, phản lực N B như hình vẽ: Áp dụng quy tắc momen lực đối với trục quay qua B: N AR = P.R.sin 0 Hay NA = mgsin60 = 10.20.0,5 = 50 (N) b. Khi m nằm yên trên M mà M chuyển động Xét trong hệ quy chiếu gắn với M. Vật chịu tác dụng thêm bởi lực quán tính fqt. Áp dụng quy tắc mômen đối với trục quay đi qua B. NAR = P.Rsin + ma0cos; NA = mgsin + ma0cos. 3 NA = 10.10.0,5 + 10.2. 50 10. 3 67,3N 2 Áp dụng quy tắc mômen đối với trục quay đi qua A: NBR + fqtRsin = pRcos. 3 NB =mgcos - ma0 sin = 10.10. - 10.2.0,5 = 503 - 10 = 76,6 N 2 g cos  2 c. Khi m lăn qua A Để m lăn qua A thì phải có: Fqt. R. sin  > P. Rcos a 10 3 17,3m / s 0 sin  Bài 32 Một thanh đồng chất có chiều dài l đang ở vị trí thẳng đứng thì bị đổ xuống. Hãy xác định : a, Vận tốc dài của đỉnh thanh khi nó chạm đất? – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 6
7. b, Vị trí của điểm M trên thanh sao cho khi M chạm đất thỡ vận tốc của nú đúng bằng vận tốc chạm đất của một vật rơi tự do từ vị trí M? Lời giải a, Khi thanh đổ xuống có thể xem thanh quay quanh điểm O với vận tốc góc w . Khi thanh ở vị trí thẳng đứng thì thanh có thế năng (thay thanh bằng chất điểm nằm tại khối tâm G mgl cách O một đoạn l/2) U = 2 Khi chạm đất thì thế năng của thanh biến hoàn toàn thành động năng quay của thanh : 2 1 1 ml 2 mgl 3g 2  Kquay= I = = Từ đó : w = 2 2 3 2 l Vận tốc dài của đỉnh thanh được tính theo công thức v = w l = 3gl b, Ta biết rằng vật rơi tự do ở độ cao h khi chạm đất thì có vận tốc là v = 2gh . Áp dụng công thức này với điểm M có độ cao x M : vM = 2gxM Theo đầu bài : 2gxM = 3g 2 xMw = xM Từ đó tìm được : xM = l v l 3 A m Bài 33. Dùng định luật bảo toàn xung lượng khảo sát chuyển động quay của thanh đồng chất Một thanh AB đồng chất tiết diện đều, khối lượng m chiều dài l, đặt trên mặt phẳng ngang và dễ dàng quay quanh trục quay cố định đi qua trọng tâm G và vuông góc mặt phẳng nằm ngang. G Ban đầu nằm yên. Một hòn bi khối lượng m chuyển động với vận tốc v 0 (theo phương nằm ngang và có hướng vuông góc với thanh AB) đập vào đầu A của thanh. Va chạm là hoàn toàn đàn hồi. Biết hệ số ma sát giữa thanh và mặt phẳng nằm ngang là . Tìm góc quay cực đại của thanh sau va chạm. Lời giải B Sau khi vừa va chạm vật có vận tốc v, thanh có vận tốc góc  l l 1 2 1 + Bảo toàn mômen động lượng: mv0 m v ml  v v l (1) 2 2 12 0 6 1 1 1 1 1 + Bảo toàn năng lượng mv 2 ml 2 2 mv 2 v 2 l 2 2 v 2 (2) 2 0 2 12 2 0 12 3v Từ (1) và (2)  0 (3). l 2 1 2 1 1 2 3v0 l 3 v0 Áp dụng định lý động năng: IG Ams ml mg  . Vậy:  2 2 12 l 4 2 gl Bài 34 Một cái tời trống quay xem như hình trụ tâm O cũng là khối tâm có bán kính R, momen quán tính I đối với trục của nó. Một dây cáp khối lượng không đáng kể, hoàn toàn mềm được quấn quanh trống đầu dưới của dây cáp nối với tải khối lượng m. Trống có thể quay không ma sát quanh trục cố định nhờ động cơ tác động một ngẫu lực có momen M = const. Xác định gia tốc thẳng đứng của tải trọng. Lời giải Cách 1: Sử dụng phương pháp động lực học T ro n g Gọi T là lực căng dây,  là gia tốc góc của trống. ay là gia tốc của tải m M R M ô to M - TR = I O T g Ta có: T - mg = may m m g – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 7
8. mRM mgI ay =  R tìm được T = mR2 I T mg MR mR2 g ay = m mR2 I Câu 35. Trên một mặt phẳng ngang có một cuộn chỉ khối lượng m, bán kính vành ngoài là R, phần lõi là r. Mô men quán tính ch\ủa nó đối với trục đi qua tam là bmR2, với b là một số tỉ lệ nguyên. Quấn vào lõi cuộn chỉ một sợi dây rồi kéo đầu dây bằng một lực F có cường độ không đổi và hợp với phương ngang góc , làm cho nó lăn không trượt. Hãy tìm: 1, Độ lớn và hướng của véc tơ gia tốc của trục cuộn chỉ. 2, Công của lực F sau thời gian t kể từ lúc nó bắt đầu chuyển động. Câu 36 (3 điểm) Một bánh xe không biến dạng khối lượng m, bán kính R, có trục hình trụ bán kính r tựa lên hai đường ray song song nghiêng góc α so với mặt phẳng nằm ngang như hình vẽ 1. Cho biết hệ số ma sát của đường ray với trục bánh xe là μ , momen quánR r tính của bánh xe (kể cả trục) đối với trục quay qua tâm là I = mR2. a. Giả sử trục bánh xe lăn không trượt trên đường ray. Tìm lực ma sát giữa trục bánh xe và đường ray. b. Khi góc nghiêng α đạt tới giá trị tới hạn α0 thì trục bánh xe trượt trên đường ray. Tìm α0 . HD: a. Khi bánh xe lăn không trượt, ta có các phương trình chuyển động a * tịnh tiến: mgsinα F ma * quay: F .r I.γ với γ và I m.R 2 hình 1 ms ms r gsinα R 2 Từ các phương trình này rút ra a 2 suy ra Fms 2 2 mgsinα R R r 1 r b. Để bánh xe chỉ trượt trên đường ray, lực ma sát đạt giá trị cực đại Fms Fmsmax μ.N μ.mgcosα0 R 2 R 2 r 2 Theo kết quả câu a/ thì F mgsinα (do α α ) tanα μ ms R 2 r 2 0 0 0 R 2 Câu 37 PHẦN CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN  Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn - Hệ lực bất kì tác dụng lên vật rắn tương đương với r + Một tổng lực  F đặt tại G + Một ngẫu lực - Điều kiện cân bằng tổng quát: r  F = 0  M = 0 – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 8
9. v = 0, 0 0  M : tổng đại số các mômen đối với một trục quay bất kì  Phương pháp: - Trình tự khảo sát + Xác định vật cân bằng cần khảo sát, thường là những vật chịu tác dụng của những lực đã cho và cần tìm + Phân tích lực tác dụng lên vật + Viết phương trình cân bằng r  Fx 0  F = 0 F 0 Giải hệ thống phương trình tìm ẩn  y  M =  M  Bài tập: 1. Thanh AB có khối lượng m 1 = 1kg gắn vào bức tường thẳng đứng bởi bản lề B, đầu A treo một vật nặng có khối lượng m2 = 2kg và được giữ cân bằng nhờ dây C A AC nằm ngang (đầu C cột chặt vào tường), khi đó góc = 30 0 (hình). Hãy xác định lực căng dây và hướng, độ lớn của phản lực của tường lên đầu B. Lấy g = m2 2 10m/s . B ĐS: T 25 3 N ; N 52,6 N ;  550 . 2. Một thanh AB dài 2m khối lượng m = 3kg được giữ nghiêng một góc trên mặt sàn nằm ngang bằng một sợi dây nằm ngang BC dài 2m nối đầu B của thanh với một bức tường đứng thẳng; đầu A của thanh tự lên mặt sàn. Hệ số ma sát giữa thanh và mặt sàn 3 bằng . C B 2 l a. Tìm các giá trị của để thanh có thể cân bằng. A D b. Tính các lực tác dụng lên thanh và khoảng cách AD từ đầu A của thanh đến góc tường khi = 600. Lấy g = 10m/s2 ĐS: a. 300 ; b. N = 30 N, T 5 3 N ; AD = 1 m. 3. Người ta đặt mặt lồi cảu bán cầu trên một mặt phẳng nằm ngang. Tại mép A của bán cầu đặt một vật nhỏ làm cho mặt phẳng bán cầu nghiêng đi một góc O. m2 B so với mặt nằm ngang. Biết khối lượng của bán cầu là m 1, của vật nhỏ là G. 3R C m2, trọng tâm G của bán cầu cách tâm hình học O của mặt cầu là trong đó 8 R là bán kính của bán cầu. Tính góc .Áp dụng: m1 = 800g; m2 = 150g 8m ĐS: tan 2 ; 26,50 . 3m1 4. Thanh AB, đầu B gắn vào bản lề và ép khối trụ tại C như hình. Cho trọng 0 lượng khối trụ là P; = 60 ; đầu A nằm trên đường thẳng đứng qua O. Tìm A F các phản lực ở trục B; phản lực của nền và tường; lực ép tại C. Cho lực tác dụng vào A là F , bỏ qua trọng lượng của thanh AB. C O. E B 3 3 F 3 ĐS: N F 3 ;N P F ; N F ; N ; N F . D C D 2 E 2 Bx 2 By 2 – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 9
10. 5. Một vật có trọng lượng P = 100N được giữ đứng yên trên mặt phẳng nghiêng góc bằng lực F có phương nằm ngang như hình vẽ. Biết hệ số ma sát  = 0,2. Tính giá trị lực F lớn nhất và bé nhất. Lấy g = 10m/s2 . F ĐS: Fmax = 77,77 N; Fmin = 27,27 N. 6. Một vật khối lượng m = 30kg được treo ở đầu cảu thanh nhẹ AB. Thanh được giữu cân bằng nhờ dây AC như hình vẽ. Tìm lực căng dây AC và lực nén thanh AB. Cho A = 300 và  = 600. Lấy g = 10m/s2.  C m B ĐS: T = 300 N; N = 300 3 N . Bài 7: Một thanh sắt dài AB = 1,5m khối lượng m = 3kg được giữ nghiêng một góc trên mặt sàn ngang bằng một sợi dây BC nằm ngang dài BC = 1,5m nối đầu trên B của thanh với một bức C B tường thẳng đứng, đầu dưới A của thanh tựa lên mặt sàn. 3 Hệ số ma sát giữa thanh và mặt sàn bằng a 2 A 1, Góc nghiêng phải có giá trị bao nhiêu để thanh có thể cân bằng 2, tìm các lực tác dụng lên thanh và khoảng cách OA từ đầu A của thanh đến góc tường khi = 450. Lấy g = 10m/s2 Bài 8: Một vật A hình hộp khối luợng m = 50kg, có thiết diện thẳng là hình A r B chữ nhật ABCD(cạnh AB = CD = a = 1m; BC = AD = b = 0,7m) được đặt F trên sàn nhà sao cho mặt CD tiếp xúc với sàn r G 1, Tác dụng vào giữa mặt BC một lực F theo phương nằm ngang. r Tìm giá trị củaF để có thể làm vật bị lật. D Tìm hệ số ma sát giữa vật và sàn C 2, Đặt lên sàn nhà vật B hình khối lập phương, khối lượng m = 60kg, có thiết diện thẳng là hình vuông r ABCD, cạnh a = 1m, mặt CD tiếp xúc với sàn.Tác dụng vào A một lực F hướng xuống sàn và hợp với AB một góc = 300. hệ số ma sát giữa vật B và sàn phải bằng bao nhiêu để vật không tịnh tiến trên sàn r nhà? Tìm giá trị nhỏ nhất của F để có thể làm lật vật B. Lấy g = 10m/s2 Bµi 9: Mét vËt h×nh trô b»ng kim lo¹i cã khèi l­îng m = 100kg, b¸n kÝnh tiÕt diÖn R = 10cm. Buéc vµo h×nh trô mét sîi d©y ngang cã ph­¬ng ®i qua trôc h×nh trô ®Ó kÐo h×nh trô lªn bËc thang cao O1O2 = 5cm. T×m ®é lín tèi O r F 2 O thiÓu cña lùc F cÇn dïng ®Ó kÐo d©y. LÊy g = 10m/s §S: F 1732N P 1 O 2 A – Website chuyên đề thi – tài liệu file wordA mới nhất 10 B I B
11. Bµi 10: Thanh AB chiÒu dµi l = 2m, khèi l­îng m = 3kg a, Thanh ®­îc treo c©n b»ng trªn hai d©y t¹i I vµ B nh­ h×nh ; AI = = 25cm. Dùa trªn ®iÒu kiÖn c©n b»ng cña vËt r¾n, tÝnh c¸c lùc t¸c dông lªn thanh b, Thanh ®­îc treo b»ng mét sîi d©y ë ®Çu B, ®Çu A tùa trªn c¹nh bµn. TÝnh c¸c lùc t¸c dông lªn thanh khi thanh c©n b»ng, biÕt = 300 §S: a, TI = 17, 14N, TB = 12,86N b, T = 15N, Fms = 7,5N, N = 13N Bµi 11: Ng­êi cã träng l­îng P1 = 500N, ®øng trªn ghÕ treo träng l­îng P2 = 300N nh­ h×nh vÏ. ChiÒu dµi AB = 1,5m. Hái ng­êi cÇn kÐo d©y mét lùc bao nhiªu vµ ®øng ë vÞ trÝ nµo ®Ó hÖ c©n b»ng? Bá qua träng l­îng rßng räc §S: T = 200N, AC = 0,25m A B Bµi 12: Thang cã khèi l­îng m = 20kg ®­îc dùa vµo t­êng tr¬n nh½n d­íi gãc B nghiªng . HÖ sè ma s¸t gi÷a thang vµ sµn lµ  = 0,6 B a, Thang ®øng yªn c©n b»ng, t×m c¸c lùc t¸c dông lªn thang nÕu = 450 b, T×m c¸c gi¸ trÞ cña ®Ó thang ®øng yªn kh«ng tr­ît trªn sµn nhµ b, Mét ng­êi khèi l­îng m/ = 40kg leo lªn thang khi = 450. Hái ng­êi nµy lªn ®Õn vÞ trÝ O/ nµo th× thang sÏ bÞ tr­ît. ChiÒu dµi thang l = 20m 0 / §S: a, NA = 200N; NB = Fms = 100N b, 40 c, AO > 1,3m A Bµi 13: Ng­êi ta ®Æt mét ®Üa trßn cã ®­êng kÝnh 50cm vµ cã khèi l­îng 4kg ®øng th¼ng trªn mÆt ph¼ng nghiªng. Gi÷ ®Üa b»ng mét sîi d©y n»m ngang mµ mét ®Çu buéc vµo ®iÓm A cao nhÊt trªn vµnh ®Üa, cßn ®Çu A kia buéc chÆt vµo ®iÓm C trªn mÆt ph¼ng nghiªng sao cho d©y AC C n»m ngang vµ n»m trong mÆt cña ®Üa. BiÕt gãc nghiªng cña mÆt ph¼ng nghiªng lµ 300 , hÖ sè ma s¸t gi÷a ®Üa vµ mÆt ph¼ng nghiªng lµ  a, H·y tÝnh lùc c¨ng cña d©y AC b, NÕu t¨ng gãc nghiªng mét l­îng rÊt nhá th× ®Üa kh«ng cßn ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. H·y tÝnh gi¸ trÞ cña hÖ sè ma s¸t  – Website chuyên đề thi – tài liệu file word mới nhất 11