Trọng lực và lực căng, Vật lí 10: P = mg xuống, dây kéo ra khỏi vật
Lớp 10Vật líKết nối tri thức

Lý thuyết Trọng lực và lực căng – Vật Lí 10 Kết nối tri thức (Bài 17)

Trả lời nhanh

Trọng lực là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên vật, có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống, đặt tại trọng tâm, công thức P = mg; độ lớn của nó gọi là trọng lượng P = mg (đơn vị N). Lực căng dây T xuất hiện khi dây bị kéo căng, có phương trùng với dây và chiều hướng vào phía giữa sợi dây, chống lại sự kéo dãn.

I. Trọng lực và trọng lượng

1. Trọng lực là gì?

Trái Đất hút mọi vật về phía nó. Lực hút đó chính là trọng lực, kí hiệu P (vectơ). Trọng lực là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên vật và gây ra cho vật gia tốc rơi tự do g.

Khi ở gần mặt đất, trọng lực có các đặc điểm:

  • Phương: thẳng đứng.
  • Chiều: từ trên xuống dưới (hướng về tâm Trái Đất).
  • Điểm đặt: tại trọng tâm của vật.
  • Độ lớn: P = mg.

Công thức vectơ P = mg suy ra từ định luật II Newton: vật rơi tự do chỉ chịu trọng lực nên gia tốc của nó là g, do đó lực gây ra gia tốc ấy bằng mg.

2. Trọng lượng

Trọng lượng của vật là độ lớn của trọng lực tác dụng lên vật: P = m·g. Đơn vị là niutơn (N). Có thể đo trọng lượng bằng lực kế hoặc cân lò xo: treo vật vào lực kế, khi vật đứng yên số chỉ của lực kế bằng trọng lượng của vật.

Gia tốc rơi tự do g phụ thuộc vị trí. Ở mặt đất ta thường lấy g ≈ 9,8 m/s2 (đề bài có thể cho g = 10 m/s2 để tính nhanh – luôn đọc kĩ đề). Trên Mặt Trăng g chỉ khoảng 1,6 m/s2.

3. Phân biệt khối lượng và trọng lượng

Tiêu chí Khối lượng (m) Trọng lượng (P)
Bản chất Số đo lượng chất của vật, đặc trưng cho mức quán tính Độ lớn của lực hút của Trái Đất lên vật
Đại lượng Vô hướng, luôn dương Là độ lớn của một lực (trọng lực là vectơ)
Đơn vị kg N
Khi đổi vị trí Không đổi Thay đổi theo g
Dụng cụ đo Cân Lực kế

Mẹo nhớ: “Khối lượng đi đâu cũng mang theo, trọng lượng thì tuỳ nơi có g lớn hay bé.” Một phi hành gia 70 kg lên Mặt Trăng vẫn nặng 70 kg (khối lượng) nhưng “nhẹ” hơn nhiều vì trọng lượng giảm.

II. Lực căng dây

1. Khái niệm

Dùng hai tay kéo giãn một sợi dây cao su, ta thấy dây cũng kéo ngược lại tay. Khi một sợi dây bị kéo căng thì tại mọi điểm trên dây, kể cả hai đầu, xuất hiện lực chống lại sự kéo giãn đó. Lực này gọi là lực căng dây, kí hiệu T, đơn vị N.

2. Đặc điểm của lực căng do dây tác dụng lên vật

  • Điểm đặt: tại chỗ dây tiếp xúc với vật (đầu dây buộc vào vật).
  • Phương: trùng với phương của sợi dây.
  • Chiều: ngược với chiều lực mà vật kéo giãn dây, tức hướng từ vật vào phía giữa sợi dây.
  • Độ lớn: không có công thức riêng, phải tìm từ điều kiện cân bằng hoặc định luật II Newton.

Với dây nhẹ (khối lượng không đáng kể) và không dãn, lực căng có cùng độ lớn tại mọi điểm trên dây. Khi dây vắt qua ròng rọc nhẹ, bỏ qua ma sát, lực căng ở hai phía ròng rọc cũng bằng nhau, chỉ đổi hướng.

Sơ đồ vật treo bằng dây cân bằng dưới tác dụng của lực căng T hướng lên và trọng lực P hướng xuống
Vật treo đứng yên: lực căng T và trọng lực P cùng phương, ngược chiều, bằng nhau về độ lớn.

III. Cách giải bài tập có trọng lực và lực căng

  1. Xác định vật cần khảo sát, vẽ hình và đánh dấu các lực tác dụng lên vật (trọng lực P, lực căng T, và các lực khác nếu có).
  2. Chọn chiều dương (thường chọn theo chiều gia tốc hoặc hướng lên).
  3. Viết định luật II Newton: P + T = ma, rồi chiếu lên trục đã chọn.
  4. Giải ra T hoặc a, kiểm tra đơn vị và so sánh với giới hạn chịu lực của dây (nếu đề cho).

Ví dụ 1: Vật treo đứng yên

Treo vật 5 kg vào một sợi dây, vật đứng yên. Tính lực căng của dây, lấy g = 9,8 m/s2.

Giải: Vật cân bằng nên T = P = mg = 5 × 9,8 = 49 N.

Ví dụ 2: Vật được kéo lên nhanh dần (mở rộng)

Vật 2 kg treo vào dây, kéo lên thẳng đứng với gia tốc 1 m/s2. Tính lực căng, g = 9,8 m/s2.

Giải: Chọn chiều dương hướng lên: T − P = ma ⇒ T = m(g + a) = 2 × (9,8 + 1) = 21,6 N. Lực căng lớn hơn trọng lượng (19,6 N) vì dây vừa phải đỡ vật vừa làm vật tăng tốc.

Ví dụ 3: Treo bằng hai dây đối xứng

Vật 6 kg treo đứng yên bằng hai dây giống nhau, mỗi dây hợp với phương ngang một góc 30°. Tính lực căng mỗi dây, lấy g = 10 m/s2.

Giải: Theo phương ngang hai lực căng triệt tiêu nhau. Theo phương thẳng đứng: 2T·sin 30° = P = 6 × 10 = 60 N. Vì sin 30° = 0,5 nên T = 60 N. Chú ý: mỗi dây gánh một lực bằng cả trọng lượng, dù mỗi dây chỉ “đỡ một nửa” theo cảm nhận – đó là lí do dây càng nằm ngang càng dễ đứt.

IV. Lỗi sai thường gặp

  • Gọi nhầm “khối lượng 10 kg” là “trọng lượng 10 kg”. Trọng lượng phải tính bằng N: 10 kg ứng với khoảng 98 N (hoặc 100 N nếu g = 10).
  • Cho rằng T luôn bằng P. Chỉ đúng khi vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều theo phương thẳng đứng; khi vật có gia tốc thì khác.
  • Vẽ lực căng hướng vào vật. Dây chỉ kéo, không đẩy: lực căng tác dụng lên vật luôn hướng dọc theo dây về phía dây.
  • Dùng một giá trị g cho mọi nơi. Trên Mặt Trăng hay trên đỉnh núi cao, g khác mặt đất nên P khác.
  • Quên đổi đơn vị (gam sang kg) trước khi tính P = mg.

V. Câu hỏi ôn nhanh (có đáp án)

Câu 1. Nhận xét nào sai? A. Khối lượng không đổi theo vị trí. B. Trọng lượng phụ thuộc g. C. P = mg nên trọng lượng và khối lượng của vật đều không đổi khi đổi nơi. D. Biết khối lượng và g có thể tính trọng lượng.
Đáp án: C. Khối lượng không đổi nhưng g đổi theo vị trí nên trọng lượng đổi.

Câu 2. Vật 10 kg treo thẳng đứng, đứng yên. Lực căng dây (g = 10 m/s2) là: A. 100 N; B. 10 N; C. 150 N; D. 200 N.
Đáp án: A. T = P = 10 × 10 = 100 N; các phương án còn lại không bằng trọng lượng nên vật không thể cân bằng.

Câu 3. Dây chịu được lực căng tối đa 10 N, treo vật 2 kg (g = 10 m/s2). Dây có đứt không?
Đáp án: Có. T = P = 20 N > 10 N.

VI. Bài luyện tập

  1. Vật 3 kg trên Trái Đất (g = 9,8 m/s2) và trên Mặt Trăng (g = 1,6 m/s2). Tính trọng lượng ở hai nơi và nêu khối lượng ở Mặt Trăng.
    Đáp án: 29,4 N và 4,8 N; khối lượng vẫn là 3 kg.
  2. Một dây chịu được lực căng tối đa 50 N. Treo vật 4 kg (g = 10 m/s2). (a) Đứng yên thì dây có đứt không? (b) Kéo lên nhanh dần đều với a = 3 m/s2 thì sao?
    Đáp án: (a) T = 40 N < 50 N, không đứt. (b) T = 4 × (10 + 3) = 52 N > 50 N, dây đứt.
  3. Treo một vật vào lực kế, vật đứng yên, lực kế chỉ 14,7 N. Tìm khối lượng vật (g = 9,8 m/s2).
    Đáp án: m = P/g = 14,7 : 9,8 = 1,5 kg.

VII. Học tiếp các bài liên quan

Tóm tắt kiến thức cần nhớ

  • Trọng lực: lực hút của Trái Đất; phương thẳng đứng, chiều xuống, đặt ở trọng tâm; P = mg.
  • Trọng lượng P = mg (N) đổi theo g; khối lượng m (kg) không đổi.
  • Lực căng T: dọc theo dây, hướng vào giữa dây, đặt ở chỗ dây nối với vật.
  • Vật treo cân bằng: T = P; vật có gia tốc: dùng định luật II Newton.

Câu hỏi thường gặp

Trọng lực và trọng lượng khác nhau thế nào?

Trọng lực là lực (vectơ) do Trái Đất tác dụng lên vật, kí hiệu P có hướng thẳng đứng xuống dưới. Trọng lượng là độ lớn của trọng lực, tính bằng P = mg và đo bằng niutơn (N).

Lực căng dây có phương và chiều như thế nào?

Lực căng có phương trùng với sợi dây, chiều hướng từ vật vào phía giữa sợi dây (ngược với chiều lực do vật kéo giãn dây) và đặt tại chỗ dây nối với vật.

Khi nào lực căng dây bằng trọng lượng của vật?

Khi vật treo bằng một sợi dây thẳng đứng và đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Khi vật chuyển động có gia tốc theo phương thẳng đứng thì T khác P và phải tính bằng định luật II Newton.

Vì sao trọng lượng thay đổi còn khối lượng thì không?

Khối lượng là lượng chất của vật nên không phụ thuộc vị trí. Trọng lượng P = mg phụ thuộc gia tốc rơi tự do g, mà g thay đổi theo vị trí (độ cao, hành tinh), nên trọng lượng thay đổi.

Bài học liên quan