Chủ đề 5. Chuyển động tròn và biến dạng

Biết kim phút của đồng hồ treo tường có chiều dài a = 10,0 cm.

a) Tính độ dịch chuyển góc và quãng đường đi của điểm đầu kim phút trong khoảng thời gian t = 15,0 phút.

b) Biết tỉ số tốc độ của điểm đầu kim phút và tốc độ của điểm đầu kim giờ là 15,0. Tính chiều dài của kim giờ.

Một người xách một xô có nước và vung tay làm xô nước quay trong mặt phẳng thẳng đứng, theo một vòng tròn đường kính 1,6 m. Biết khối lượng xô và nước là 5,0 kg. Lấy

a) Tính tốc độ nhỏ nhất mà xô nước phải được quay để khi ở đỉnh hình tròn, đáy xô quay lên trên, miệng hướng xuống dưới mà nước vẫn ở trong xô.

b) Giả sử khi xô nước ở dưới cùng của đường tròn có tốc độ là 3,2 m/s. Xác định phương, chiều và độ lớn của lực tác dụng lên tay của người đó.

Coi Trái Đất là hình cầu có bán kính R = 6400 km và quay quanh trục với chu kì 24,0 giờ. Tính gia tốc hướng tâm do Trái Đất chuyển động quay quanh trục gây ra cho một người đang đứng ở
a) xích đạo.
b) vĩ tuyến .

Một người lái xe chữa cháy nhận lệnh đến một vụ cháy đặc biệt quan trọng. Đường nhanh nhất có thể đến đám cháy phải qua một chiếc cầu có dạng cung tròn với bán kính cong R = 50,0 m và cầu chỉ chịu được áp lực tối đa 60 000 N. Xe chữa cháy có trọng lượng 190 000 N. Giả thiết chỉ có xe chữa cháy chuyển động tròn đều qua cầu thì cần điều khiển xe chạy với tốc độ như thế nào để cầu không bị quá tải?

Chuyển động của Mặt Trăng quanh Trái Đất được xem gần đúng là chuyển động tròn đều. Thời gian Mặt Trăng quay một vòng quanh Trái Đất khoảng 27,3 ngày. Khoảng cách trung bình từ tâm của Trái Đất đến tâm của Mặt Trăng là . Hãy xác định

a) tốc độ của Mặt Trăng (theo đơn vị km/h và m/s) và quãng đường Mặt Trăng chuyển động sau một ngày.

b) gia tốc hướng tâm của Mặt Trăng (theo đợn vị ).

Một chiếc xe chuyển động theo hình vòng cung với tốc độ 36 km/h và gia tốc hướng tâm . Giả sử xe chuyển động tròn đều. Xác định

a) bán kính đường vòng cung.

b) góc quét bởi bán kính quỹ đạo (theo rad và độ) sau thời gian 3 s.

Một trái bóng được buộc vào một sợi dây và quay tròn đều trong mặt phẳng ngang như Hình 5.1. Trái bóng quay một vòng trong 1 s với tốc độ 0,5 m/s. Biết góc hợp bởi dây và phương thẳng đứng là . Tính bán kính quỹ đạo và chiều dài L của sợi dây.

Hình 5.1

Một vật nặng có khối lượng 4 kg được buộc vào đầu một sợi dây dài L = 1,2 m. Người ta dùng một máy cơ để quay đầu còn lại của dây sao cho vật nặng chuyển động tròn đều. Biết lực căng tối đa để dây không đứt có giá trị bằng 300 N. Để dây không đứt, vật được phép quay với tốc độ tối đa là bao nhiêu?

Cho bán kính Trái Đất khoảng và gia tốc trọng trường ở gần bề mặt Trái Đất là . Một vệ tinh chuyển động tròn đều gần bề mặt Trái Đất phải có tốc độ bao nhiêu để không rơi xuống mặt đất?

Một mô tơ điện quay quanh trục với tốc độ 3600 rpm. Tính tốc độ góc của mô tơ này. (Biết revolutions per minute: vòng/phút).

Mặt Trăng quay quanh Trái Đất một vòng mất 27,3 ngày. Biết lực hấp dẫn giữa các vật có khối lượng tính theo công thức:  ; với là hằng số hấp dẫn, và lần lượt là khối lượng của hai vật và r là khoảng cách giữa hai khối tâm của chúng. Biết khối lượng của Trái Đất khoảng . Tính khoảng cách giữa tâm Trái Đất và Mặt Trăng.

Một chiếc xe đua có khối lượng 800 kg chạy với tốc độ lớn nhất (mà không bị trượt) theo đường tròn nằm ngang có bán kính 80 m (Hình 5.2) được một vòng sau khoảng thời gian 28,4 s. Lấy . Tính

a) gia tốc hướng tâm của xe.

b) hệ số ma sát nghỉ giữa các bánh xe và mặt đường.

Hình 5.2

Một vệ tinh địa tĩnh (là vệ tinh có vị trí tương đối không đổi đối với một vị trí trên Trái Đất - Hình 5.3) chuyển động quanh Trái Đất với lực hướng tâm là lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vệ tinh . Biết gia tốc trọng trường tại mặt đất được tính theo biểu thức: ; với là hằng số hấp dẫn, M và R lần lượt là khối lượng và bán kính Trái Đất. Lấy gia tốc trọng trường tại mặt đất bằng và bán kính Trái Đất khoảng . Tính

a) bán kính quỹ đạo của vệ tinh.

b) tốc độ của vệ tinh trên quỹ đạo.

Hình 5.3

Một vệ tinh địa tĩnh có độ cao so với mặt đất h = 36500 km. Tính tốc độ dài và gia tốc hướng tâm của vệ tinh. Biết vệ tinh quay trong mặt phẳng xích đạo và bán kính Trái Đất R = 6400 km.

Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời theo một quỹ đạo coi như tròn, bán kính . Mặt Trăng quay quanh Trái Đất theo một quỹ đạo coi như tròn, bán kính . Cho chu kì quay của Trái Đất: T_D = 365,25 ngày; chu kì quay của Mặt Trăng: T_T = 27,25 ngày.

a) Tính quãng đường Trái Đất vạch được trong thời gian Mặt Trăng quay đúng một vòng (1 tháng âm lịch).

b) Tính số vòng quay của Mặt Trăng quanh Trái Đất trong thời gian Trái Đất quay đúng một vòng (1 năm).

Trái Đất quay quanh trục bắc - nam với chuyển động đều mỗi vòng hết 24 h.

a) Tính vận tốc góc của Trại Đất.

b) Tính vận tốc dài của một điểm trên mặt đất có vĩ độ .Cho bán kính Trái Đất .

c) Một vệ tinh viễn thông quay trong mặt phẳng xích đạo và đứng yên đối với mặt đất (vệ tinh địa tĩnh) ở độ cao . Tính vận tốc dài của vệ tinh

Một vật nặng có khối lượng bằng 5,0 kg được buộc vào một dây dài 0,8 m và thả cho chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng như Hình 5.4. Khi qua vị trí cân bằng O, vật có tốc độ 2,8 m/s. Lấy . Tính gia tốc hướng tâm và lực căng dây khi vật đi qua vị trí cân bằng O.

Hình 5.4

Một đồng hồ có kim giờ dài 3 cm, kim phút dài 4 cm, kim giây dài 6 cm. Giả sử các kim quay đều. So sánh tốc độ và gia tốc hướng tâm của
a) đầu kim giây và đầu kim phút.
b) đầu kim phút và đầu kim giờ.

Một người đi xe đạp có đường kính bánh xe là 10 cm, bánh đĩa có 48 răng, bánh líp có 18 răng. Người này đạp được 60 vòng. Tìm quãng đường xe đi được.

Một đĩa tròn quay đều quanh trục đi qua tâm của nó. Biết rằng một điểm A nằm trên vành đĩa có tốc độ , một điểm B nằm trên mặt đĩa và cách trục quay 20 cm có tốc độ . Tìm số vòng quay của đĩa trong 1 phút, chu kỳ quay của đĩa và gia tốc hướng tâm của điểm A.

Một máy bay bay vòng trong một mặt phẳng nằm ngang với tốc độ dài 800 km/h. Lấy . Tính bán kính nhỏ nhất của đường vòng để gia tốc hướng tâm của máy bay có độ lớn không quá 10 lần gia tốc trọng lực g.

Xe khối lượng 1,0 tấn chuyển động đều đi qua một cầu vồng lên có bán kính R=50 m. Khi đi qua đỉnh cầu, xe đè lên cầu một lực có độ lớn 7,8 kN. Hỏi khi xe đi qua vị trí mà bán kính cong của cầu hợp với phương thẳng đứng góc (), thì xe đè lên cầu một lực có độ lớn bao nhiêu?

Một máy bay thực hiện một vòng nhào lộn có bán kính 400 m trong mặt phẳng thẳng đứng với vận tốc 540 km/h.

a) Tìm lực do người lái có khối lượng m = 60 kg nén lên ghế ngồi khi máy bay đi qua điểm cao nhất và thấp nhất của vòng nhào.

b) Muốn người lái không nén lên ghế ngồi ở điểm cao nhất của vòng nhào thì vận tốc máy bay phải là bao nhiêu?

Một vật nhỏ được đặt ở mép một bàn xoay có bán kính 0,4 m, có hệ số ma sát nghỉ là 0,4. Hỏi bàn phải quay với tốc độ bao nhiêu (tính theo vòng/s) để vật có thể văng ra khỏi bàn? 

Người đi xe đạp có khối lượng tổng cộng 60 kg, đi trong một vòng xiếc. Khi người này đi qua điểm cao nhất trong vòng với vận tốc tối thiểu 8 m/s thì người này không bị rơi. Hỏi khi người này đi qua điểm cao nhất của vòng xiếc với vận tốc 10 m/s thì người nén lên vòng xiếc một lực có độ lớn bao nhiêu?

Một vật nhỏ m đặt lên một đĩa tròn đang quay đều với vận tốc 78 vòng/phút. Để vật đứng yên trên mặt đĩa ở khoảng cách lớn nhất từ vật đến trục quay là 7 cm thì hệ số ma sát nghỉ giữa vật và mặt sàn phải là bao nhiêu?

Một quả cầu khối lượng m = 10 g treo vào một sợi dây nhẹ không co giãn l = 22 cm. Quay quả cầu để nó chuyển động tròn đều trong mặt phẳng nằm ngang vuông góc trục quay thẳng đứng với vận tốc không đổi là 1,5 vòng/s. Tìm lực căng dây và góc lệch α giữa dây treo so với thẳng đứng.

Một ống hình trụ bán kính 10 cm, một vật nhỏ được đặt áp vào thành trong của bình. Biết hệ số ma sát nghỉ giữa vật và thành bình là 0,3. Hỏi ống phải quay quanh trục đối xứng của nó với tốc độ góc bằng bao nhiêu để vật bám được vào thành trong của bình mà không bị rơi.

Một người đi xe đạp có khối lượng tổng cộng 60 kg trên một vòng xiếc có bán kính 6,4 m. Tìm
a) tốc độ tối thiểu của xe để người đi qua điểm cao nhất của vòng xiếc mà không bị rơi.
b) lực ép lên vòng tại vị trí cao nhất với vận tốc 10 m/s.

Hình 5.5 mô tả đồ thị lực tác dụng - độ biến dạng của một vật rắn. Giới hạn đàn hồi của vật là điểm nào trên đồ thị?

A. Điểm A.

B. Điểm B.

C. Điểm C.

D. Điểm D.

Hình 5.5

Hình 5.6 mô tả đồ thị biểu diễn sự biến thiên của lực tác dụng theo độ biến dạng của một lò xo.

a) Đoạn nào của đồ thị thể hiện tính đàn hồi của lò xo?

b) Thiết lập hệ thức giữa lực tác dụng và độ biến dạng của lò xo khi lò xo có tính đàn hồi.

Hình 5.6

Hình 5.7 mô tả đồ thị biểu diễn độ biến dạng của lò xo A và B theo lực tác dụng. Lò xo nào có độ cứng lớn hơn? Giải thích.

Hình 5.7

Gắn chặt một vật nặng lên một lò xo thẳng đứng như Hình 5.8, ép lò xo nén xuống một đoạn và thả đột ngột để vật chuyển động thẳng đứng. Mô tả chuyển động của vật ngay sau khi thả. Giải thích.

Hình 5.8

Một học sinh thực hiện thí nghiệm như Hình 5.9 để đo độ cứng của hai lò xo A và B có cùng chiều dài tự nhiên. Cho biết hai vật nặng có cùng khối lượng. Hãy vẽ phác thảo đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa độ dãn và lực tác dụng lên các lò xo A và B trên cùng một đồ thị.

Hình 5.9

Trên Hình 5.10, ta có đồ thị biểu diễn độ biến dạng của một lò xo khi chịu tác dụng lực. Đoạn nào của đường biểu diễn cho thấy lò xo biến dạng theo định luật Hooke? Giải thích.

Hình 5.10

Treo lần lượt các vật A và B có khối lượng là m_A và m_B vào cùng một lò xo đang treo thẳng đứng như Hình 5.11. Nhận xét gì về mối quan hệ giữa khối lượng của hai vật này là đúng?

A. .
B.
C. .
D. .

Hình  5.11

Một lò xo có chiều dài tự nhiên 40 cm được treo thẳng đứng. Khi treo vào đầu tự do của nó một vật có khối lượng 4 kg thì lò xo có chiều dài 50 cm (ở vị trí cân bằng). Lấy . Tính độ cứng của lò xo.

Một học sinh thực hiện thí nghiệm đo độ cứng của một lò xo và thu được kết quả như Hình 5.12. Xác định độ cứng của lò xo này.

Hình 5.12

Một lò xo được treo thẳng đứng. Lần lượt treo vào đầu còn lại của lò xo các vật có khối lượng m thay đổi được thì chiều dài l của lò xo cũng thay đổi theo. Mối liên hệ giữa chiều dài và khối lượng vật được treo vào lò xo được thể hiện trong đồ thị Hình 5.13. Lấy .

a) Xác định chiều dài tự nhiên của lò xo.

b) Tính độ dãn của lò xo khi m = 60 g.

c) Tính độ cứng của lò.

Hình 5.13

Hình 5.14 thể hiện đường biểu diễn sự phụ thuộc của lực theo độ biến dạng của một lò xo có độ cứng k. Hãy vẽ trên cùng đồ thị đường biểu diễn sự biến thiên của lực theo độ biến dạng của các lò xo có độ cứng 3k và k/2.

Hình 5.14

Một lò xo đang treo thẳng đứng. Lần lượt treo vào đầu còn lại của lò xo các vật có khối lượng và thì lò xo có độ dãn tương ứng với khối lượng vật treo là 9 cm và 3 cm. Tính theo .

Hai lò xo có độ cứng lần lượt là và được treo thẳng đứng. Lần lượt treo vào đầu còn lại của hai lò xo một vật có khối lượng m thì độ dãn của hai lò xo có độ cứng và lần lượt là 8 cm và 2 cm. Lấy .
a) Tính tỉ số .
b) Tính và khi m = 0,4 kg.

Một lò xo nhẹ có độ cứng k = 50 N/m và chiều dài tự nhiên . Người ta móc hai đầu của lò xo vào hai điểm A, B có AB = 14,0 cm. Xác định độ lớn, phương và chiều của các lực đàn hồi mà lò xo tác dụng lên điểm A và điểm B.

Khi treo vào đầu dưới của một lò xo vật khối lượng thì lò xo có chiều dài 24,0 cm. Khi treo vật khối lượng thì lò xo có chiều dài 22,0 cm. Khi treo đồng thời cả và thì lò xo có chiều dài bao nhiêu? Lấy , biết lò xo không bị quá giới hạn đàn hồi.

Một diễn viên xiếc đang leo lên một sợi dây được treo thẳng đứng từ trần nhà cao. Sợi dây co giãn tuân theo định luật Hooke và có khối lượng không đáng kể. Chiều dài tự nhiên của dây là 5 m, khi diễn viên leo lên, nó dài 5,8 m. Khối lượng của diễn viên là 55 kg. Tính độ cứng của sợi dây. Lấy .

Lò xo có độ cứng k = 50,0 N/m, chiều dài tự nhiên , một đầu lò xo cố định vào điểm treo O, đầu còn lại có gắn vật m = 200 g. Quay hệ quanh trục thẳng đứng đi qua O, thì thấy m vạch một đường tròn trong mặt phẳng ngang và lò xo hợp với trục lò xo góc bằng . Tính chiều dài lò xo và số vòng quay trong 1 phút.

Một lò xo có chiều dài tự nhiên 20,0 cm, một đầu cố định, đầu còn lại có treo vật khối lượng 200 g thì lò xo dài 24,0 cm.

a) Tìm độ cứng lò.

b) Nếu thay vật trên thành vật khác khối lượng 500 g thì lò xo dài bao nhiêu?

Một lò xo có chiều dài tự nhiên , một đầu cố định, đầu còn lại có treo vật nặng m, thì lò xo dài 28,0 cm. Nếu gắn thêm một gia trọng nhỏ Δm = 100 g chung với m thì lò xo dài 28,5 cm. Tìm m và độ cứng lò xo. 

Một lò xo nhẹ một đầu cố định. Khi treo vào đầu còn lại vật khối lượng 300 g thì lò xo dài 31,0 cm. Nếu treo vào đầu còn lại vật khối lượng 500 g thì lò xo dài 33,0 cm. Tìm chiều dài tự nhiên và độ cứng của lò xo.

Một lò xo nhẹ khi bị kéo bởi lực thì nó có chiều dài . Khi bị nén bởi lực thì nó có chiều dài 0,8 m. Tìm độ cứng và chiều dài tự nhiên của lò xo.

Một lò xo có chiều dài tự nhiên là một đầu cố định. Khi treo vào đầu còn lại của lò xo vật m thì lò xo dài . Khi treo vật m' vào lò xo thì lò xo có chiều dài . Biết . Tìm m và m′.

Hai lò xo có chiều dài tự nhiên và độ cứng lần lượt là , và , . Đem hai lò xo này mắc với vật m như Hình 5.15. Trong đó AB = 50 cm, vật m có kích thước không đáng kể nằm cân bằng tại trung điểm O của AB. Tính khối lượng m.

Hình 5.15

Một lò xo khi treo vật m = 100 g sẽ dãn ra 5 cm. Cho .

a) Tìm độ cứng của lò xo.

b) Khi treo vật m', lò xo dãn 3 cm. Tìm m'.

Vật khối lượng 100 g gắn vào đầu lò xo dài 20 cm, độ cứng 20 N/m, quay tròn đều trong mặt phẳng ngang với tần số 60 vòng/ phút. Tính độ dãn của lò xo.

Một lực kế lò xo có chiều dài tự nhiên 20 cm, mang vật nặng 300 g, treo lên trần một thang máy đang đứng yên thì lò xo dài 28 cm.

a) Tìm độ cứng của lò xo

b) Sau đó thang máy chuyển động, thì lò xo dài 27 cm. Xác định chiều chuyển động và gia tốc của thang máy.

Một thang máy có khối lượng tổng cộng M, chuyển động theo phương thẳng đứng theo chiều từ dưới lên có đồ thị vận tốc thời gian như Hình 5.16. Lấy .

a) Một người khối lượng đứng trên sàn thang máy. Tìm trọng lượng người trong từng giai đoạn chuyển động của thang máy.

b) Trên trần thang máy có treo một lực kế lò xo mang vật nặng m =1,0 kg. Tìm số chỉ lực kế trong từng giai đoạn chuyển động.

c) Biết rằng trong giai đoạn OA và BC lò xo dài lần lượt là 30,10 cm và 29,80 cm. Tìm chiều dài lò xo trong giai đoạn AB.

Hình 5.16

Một lực kế lò xo mang vật nặng treo trên trần một thang máy đang đứng yên thì lực kế chỉ 10 N. Sau đó thang máy chuyển động, lực kế chỉ 8 N.

a) Tìm chiều và gia tốc chuyển động của thang máy.

b) Lò xo có chiều dài tự nhiên 50 cm, độ cứng 100 N/m. Tìm chiều dài lò xo khi thang máy đứng yên và khi thang máy chuyền động.

Một lò xo có độ cứng k = 400 N/m một đầu gắn cố định. Tác dụng một lực vào đầu còn lại của lò xo và kéo đều theo phương dọc trục lò xo đến khi lò xo bị dãn 10,0 cm. Biết lò xo không bị quá giới hạn đàn hồi. Tính công của lực kéo.

Cho hệ vật như Hình 5.17. Ban đầu hai vật được giữ sao cho lò xo bị nén một đoạn 10,0 cm (lò xo nhẹ và không gắn vào vật) sau đó đốt sợi dây nối hai vật. Cho ; ; độ cứng của lò xo k = 45,0 N/m. Bỏ qua lực ma sát và lực cản của không khí tác dụng lên các vật.

a) Tính gia tốc của mỗi vật ngay sau khi sợi dây đứt.

b) Biết rằng khi hai vật rời nhau thì chuyển động với tốc độ là 3,00 m/s. Tính tốc độ của .

Hình 5.17

Cho các dụng cụ sau:

- Giá thí nghiệm đã gắn thước đo độ dài: 1 cái.

-  Lò xo chưa biết độ cứng: 1 cái.

- Vật có móc treo đã biết trọng lượng là :1 quả.

- Một vật X có móc treo cần xác định trọng lượng .

Hãy trình bày một phương án thí nghiệm để tìm trọng lượng của vật X.

Cho các dụng cụ sau:

- Lực kế: 1 cái.

- Thước đo độ dài: 1 cái.

- Lò xo cần xác định độ cứng: 1 cái.

Hãy sắp xếp theo thứ tự các bước thực hiện của một phương án thí nghiệm để đo độ cứng của một lò xo đã cho:

1. Lập bảng số liệu (độ dãn của lò xo, số chỉ lực kế), xử lý kết quả.
2. Kéo đầu còn lại của lò xo theo phương thẳng đứng và giữ cố định vị trí. Đo độ dài của lò xo và số chỉ lực kế.
3. Treo một đầu lò xo vào lực kế sau đó chỉnh số 0 cho lực kế.
4. Thực hiện phép đo độ dài và số chỉ lực kế 5 lần.
5. Đo chiều dài tự nhiên của lò xo.

Lưu ý: kết quả đo sẽ chuẩn xác khi lò xo biến dạng trong giới hạn đàn hồi và lò xo được giữ thẳng.

Một vật m = 50,0 g gắn vào đầu một lò xo có chiều dài tự nhiên 30,0 cm, độ cứng k = 300 N/m. Đầu còn lại lò xo gắn cố định vào điểm O. Cho vật quay tròn đều quanh O trong mặt phẳng ngang, với quỹ đạo có bán kính R = 35,0 cm. Tìm số vòng của vật trong 1 phút.