Cộng các vectơ lực, xác định hợp lực, nhận biết cân bằng và phân tích trọng lực trên mặt phẳng nghiêng.
Phát biểu được khái niệm tổng hợp lực, hợp lực, các lực cân bằng và phân tích lực. Vẽ được quy tắc hình bình hành cho hai lực đồng quy; xác định độ lớn và hướng hợp lực trong các trường hợp đặc biệt.
Vẽ đúng điểm đặt, phương, chiều của các vectơ lực; dự đoán và kiểm chứng hợp lực bằng mô phỏng; phân tích trọng lực thành thành phần song song và vuông góc với mặt phẳng nghiêng; trình bày lời giải bằng hình và công thức có đơn vị.
Giới hạn: Xét các lực đồng quy tác dụng lên cùng một vật; trong mô phỏng coi vật như chất điểm. Khi phát biểu điều kiện cân bằng chuyển động, xét trong hệ quy chiếu quán tính. Đối với vật rắn, cân bằng quay còn liên quan mômen lực (học ở bài sau).
Tổng hợp lực là thay thế các lực cùng tác dụng vào một vật bằng một lực có tác dụng tương đương, gọi là hợp lực. Hai lực đồng quy được cộng như hai vectơ: chuyển hai vectơ về cùng gốc, dựng hình bình hành, đường chéo từ gốc chung là hợp lực.
Hợp lực là vectơ nên phép cộng phải xét cả phương và chiều; không được mặc nhiên lấy độ lớn bằng \(F_1+F_2\).
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\vec F_1,\vec F_2\) | Hai lực đồng quy (vectơ) | N |
| \(\vec F_{\mathrm{hl}}\) | Hợp lực (vectơ) | N |
Điều kiện: các lực được đặt về cùng gốc để cộng vectơ; chỉ thay thế tác dụng tịnh tiến của hệ lực lên chất điểm. Với vật rắn, vị trí đường tác dụng cũng quan trọng.
Góc \(\alpha\) là góc nhỏ không vượt quá \(180^\circ\) giữa hai hướng lực. Ba ca chuẩn: cùng chiều \(\alpha=0^\circ\), lực cộng độ lớn; ngược chiều \(\alpha=180^\circ\), lực trừ độ lớn; vuông góc \(\alpha=90^\circ\), dùng định lí Pythagore.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F_1,F_2\) | Độ lớn hai lực, không âm | N |
| \(F_{\mathrm{hl}}\) | Độ lớn hợp lực, không âm | N |
| \(\alpha\) | Góc giữa hai lực | độ hoặc rad |
Điều kiện: hai lực đồng quy. Nếu có từ ba lực trở lên, cộng các thành phần của tất cả lực theo các trục tọa độ.
\(\beta\) được đo có hướng từ trục Ox dương đến vectơ lực. \(F_x\), \(F_y\) là thành phần đại số, có thể âm; ngược lại \(F\) luôn là độ lớn không âm. Phân tích là phép làm ngược của tổng hợp.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F\) | Độ lớn của lực ban đầu | N |
| \(F_x,F_y\) | Thành phần đại số theo Ox, Oy | N |
| \(\beta\) | Góc có hướng với Ox dương | độ hoặc rad |
Điều kiện: hai trục Ox, Oy vuông góc; hướng dương và cách đo góc được xác định trước.
Các lực cân bằng có hợp lực bằng vectơ không: \(\sum\vec F=\vec 0\). Với hai lực cùng tác dụng lên một chất điểm, điều này đòi hỏi hai lực bằng độ lớn, cùng phương, ngược chiều. Trong hệ quy chiếu quán tính, vật có thể đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều, chứ không nhất thiết đứng yên.
Ví dụ: quyển sách đứng yên trên bàn chịu trọng lực \(\vec P\) hướng xuống và phản lực của bàn \(\vec N\) hướng lên; hai lực này tác dụng cùng lên quyển sách và cân bằng nhau. Không nhầm với cặp lực – phản lực tác dụng lên hai vật khác nhau.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\vec F_i\) | Các vectơ lực tác dụng lên vật | N |
| \(\vec 0\) | Vectơ không | N |
Điều kiện: áp dụng cho cân bằng tịnh tiến của chất điểm; với vật rắn muốn cân bằng hoàn toàn cần xét thêm mômen lực.
Đặt trục Ox song song với mặt phẳng nghiêng, chọn chiều dương xuống dốc; Oy vuông góc mặt phẳng nghiêng và hướng vào mặt phẳng khi chỉ xét các thành phần của trọng lực. Phân tích \(\vec P\) thành \(\vec P_{\parallel}\) hướng xuống dốc và \(\vec P_{\perp}\) hướng ép vào mặt phẳng.
\(\theta\) là góc nghiêng của mặt phẳng so với phương ngang; \(\vec P_{\parallel}+\vec P_{\perp}=\vec P\). Lưu ý: hai thành phần này là cách biểu diễn một trọng lực, không phải hai lực mới cộng thêm vào trọng lực.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(m\) | Khối lượng vật | kg |
| \(g\) | Gia tốc trọng trường (độ lớn) | m/s² |
| \(P_{\parallel},P_{\perp}\) | Độ lớn thành phần trọng lực | N |
| \(\theta\) | Góc nghiêng mặt phẳng | độ hoặc rad |
Điều kiện: hình học mặt phẳng nghiêng, trọng lực thẳng đứng; công thức này chưa xét ma sát hay các ngoại lực khác. Khi mặt phẳng nhẵn và vật chỉ chịu trọng lực cùng phản lực, vật không cân bằng theo phương dốc nếu \(\theta>0\).
Trước mỗi hoạt động, hãy dự đoán kết quả, thay thông số, kiểm tra hình và số liệu, rồi tự rút ra kết luận.
Các lực đồng quy trong mặt phẳng; F₁ nằm theo Ox dương và F₂ quay ngược chiều kim đồng hồ. Vẽ theo tỉ lệ tự động để giữ hình trong khung.
Mô hình: hai lực cùng tác dụng lên một chất điểm, không xét mômen lực; các giá trị và hình đều là số liệu mô phỏng. Hình vẽ áp dụng quy tắc hình bình hành; khi \(F_{\mathrm{hl}}=0\), hướng hợp lực không xác định.
Giả sử g = 9,8 m/s², bỏ qua ma sát trong hình phân tích; đây chưa phải sơ đồ đầy đủ các lực tác dụng lên vật.
Mô hình: trọng lực \(\vec P\) hướng thẳng đứng; hai thành phần là phép phân tích vectơ, không cộng thêm vào \(\vec P\). Nếu cần lập sơ đồ lực đầy đủ phải xét phản lực \(\vec N\) và các lực khác (nếu có).
Dụng cụ: bảng từ/giá đỡ, ba lực kế lò xo có giới hạn đo phù hợp, vòng nối nhỏ, dây không dãn, giấy ghi góc và thước đo độ.
Lưu ý: lực kế thứ ba cân bằng với hợp lực hai lực kế đầu, nên cùng độ lớn và ngược chiều với hợp lực. Chọn lực phù hợp thang đo và thực hiện dưới sự hướng dẫn của giáo viên. Đây là hoạt động đề xuất, không gán số liệu giả là kết quả thực đo.
Mở rộng: PhET – Vector Addition (mở ngoài). Liên kết không sử dụng iframe YouTube để tránh lỗi 153.
Hệ thống hóa sáu nhánh về lực, quy tắc hình bình hành, cân bằng và phân tích lực. Bấm vào sơ đồ để phóng to.
Đầu tiên xác định đúng vật đang xét; sau đó vẽ các vectơ lực thật cùng tác dụng lên vật; cuối cùng mới cộng hoặc phân tích theo các trục. Những thành phần của một lực là công cụ tính toán, không được cộng thêm một lần nữa vào sơ đồ lực.
Nguồn nội dung tham khảo: SGK Vật lí 10 – Kết nối tri thức với cuộc sống, Bài 13, Chương III (trang 56–59). Hình, mô phỏng và câu hỏi do HAT biên soạn mới trên cơ sở kiến thức bài học.