Cho tam giác đều ABC, cạnh a. Đặt tại các đỉnh A, B, C các chất điểm có khối lượng bằng nhau và bằng m. Đặt thêm một chất điểm có khối lượng 3m tại A. Mômen quán tính đối với trục quay chứa khối tâm G của hệ và chứa đỉnh A là:
Trả lời:
Đáp án đúng: D
Để giải bài toán này, ta cần xác định vị trí khối tâm G của hệ, sau đó tính mômen quán tính của từng chất điểm đối với trục quay đi qua A và G.
1. **Xác định vị trí khối tâm G:**
- Ban đầu, khối tâm của tam giác đều ABC (với ba chất điểm khối lượng m) nằm tại trọng tâm của tam giác. Gọi trọng tâm này là O.
- Khi đặt thêm chất điểm 3m tại A, khối tâm G của hệ mới sẽ dịch chuyển về phía A.
- Gọi AG = x. Áp dụng công thức tính vị trí khối tâm:
x = (m*AO + m*BO + m*CO + 3m*0) / (m + m + m + 3m) = (m*AO + m*BO + m*CO) / (6m) = AO/2
Do O là trọng tâm tam giác đều nên AO = (2/3) * h, với h là đường cao của tam giác. Ta có h = a√3 / 2. Vậy AO = a√3 / 3. Từ đó suy ra AG = AO/2 = a√3 / 6.
2. **Tính mômen quán tính:**
- Mômen quán tính của chất điểm khối lượng m tại B: IB = m * BG2. BG = √[AB2 + AG2 - 2*AB*AG*cos(π/6)] = √[a2 + a2/12 - 2*a*a√3/6*√3/2 ] = √(10/12 * a2) = a√(5/6). Vậy IB = 5/6 ma2.
- Mômen quán tính của chất điểm khối lượng m tại C: Tương tự như B, IC = 5/6 ma2.
- Mômen quán tính của chất điểm khối lượng m tại A: I = m*(AG)2 = m*(a√3/6)2 = ma2/12.
- Mômen quán tính của chất điểm khối lượng 3m tại A: I = 3m*(0)2 = 0.
- Áp dụng định lý trục song song, I = IB + IC = 5/6 ma2 + 5/6 ma2 = (5/3)ma2.
3. **Kiểm tra lại và tính toán theo cách khác:**
Gọi H là hình chiếu của B lên đường thẳng AG. Ta có BH = AB*sin(π/3) = a*√3/2
GH = √(BG2 - BH2) = √(5/6 a2 - 3/4 a2) = √(1/12 a2) = a/(2√3)
Khoảng cách từ B tới trục quay AG = BH = a√3/2. Tương tự cho C.
Vậy I = m*(a√3/2)2 + m*(a√3/2)2 = 2*m*3/4*a2 = (3/2)*ma2
Vậy mômen quán tính của hệ đối với trục quay đi qua A và G là I = (3/2)ma2.
500+ câu hỏi ôn tập trắc nghiệm môn Vật lý đại cương sẽ là đề cương ôn thi hữu ích dành cho các bạn sinh viên Đại học - Cao đẳng ôn thi môn đại cương dễ dàng hơn. Mời các bạn cùng tham khảo!
50 câu hỏi 60 phút