Phát triển tư duy cho học sinh lớp 10 qua việc giải bài tập về lực ma sát.

Phát triển tư duy cho học sinh lớp 10 qua việc giải bài tập về lực ma sát.

Gv: TrươngThị Nguyên 1

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT HẬU LỘC I

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

“PHÁT TRIỂN TƯ DUY CHO HỌC SINH LỚP 10 QUA VIỆC GIẢI

A ĐẶT VẤN ĐỀ.

I LÝ DO CHỌN DỀ TÀI

Lực ma sát là một trong những hiện tượng rất quen thuộc với chúng ta

nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một bức tranh đầy đủ về sự xuất hiện lực

ma sát và bản chất lực ma sát vẫn chưa được làm sáng tỏ

Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy khi giải bài tập về lực ma sáttrong phần Động lực học chất điểm của chương trình Vật lý lớp 10 các em còngặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lý như: không tìm được hướnggiải quyết vấn đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, khôngtổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyếtmột vấn đề chung, hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máymóc các công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của chúng Xuất phát từ thực

tế trên, với một số kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và qua tham khảo một

số tài liệu, tôi chọn đề tài “Phát triển tư duy cho học sinh lớp 10 qua việc giải bài tập về lực ma sát” nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản,

từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ýnghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo,phát triển khả năng tư duy, giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn

II NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1.Tìm hiểu về lực ma sát

2 Thực trạng đề tài

3 Giải pháp thực hiện

4 Kết quả đạt được

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1 Đối tượng nghiên cứu:

Kiến thức về lực ma sát nói chung và một số dạng bài tập về lực ma sát

2 Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 10A1; 10A2 trường THPT Hậu Lộc I

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

-Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

-Phương pháp nghiên cứu tài liệu và sản phẩm hoạt động sư phạm

-Phương pháp thống kê,tổng hợp, so sánh

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ.

I TÌM HIỂU VỀ LỰC MA SÁT.

1 Tìm hiểu biết chung về lực ma sát.

1.1 Lực ma sát xuất hiện như thế nào?

Lực ma sát có thể được định nghĩa như sau: Lực ma sát là lực cản xuất hiệngiữa hai mặt tiếp xúc giữa hai vật đang chuyển động tương đối hay có xu hướng chuyển động tương đối với nhau

Lực ma sát làm chuyển hoá động năng của chuyển động tương đối của các

bề mặt thành năng lượng ở dạng khác Việc chuyển hóa năng lượng thường do

va chạm phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ

trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được tích luỹ mộtphần thành điện năng hay quang năng Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt chủ yếu được chuyển hoá thành nhiệt năng.

Về bản chất vật lý, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là

lực điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên, giữa các nguyên tử, phân tử

Theo quan điểm hiện đại, ma sát là kết quả tương tác của nhiều dạng tương

tác phức tạp khác nhau khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịchchuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra các quá trình cơ, lý, hoá, điện Quan

hệ giữa các quá trình đó rất phức tạp, phụ thuộc vào tính chất tải, vận tốc trượt,vật liệu và môi trường

1.3 Nguyên nhân sinh ra lực ma sát

Chúng ta biết rằng hai mặt tiếp xúc với nhau luôn có những chỗ gồ ghề, mấp

mô nên diện tích tiếp xúc thực sự giữa hai mặt rất bé so với diện tích toàn phần giữa hai mặt Những nguyên tử, phân tử vật rắn tại phần tiếp xúc thực sự này sẽ tương tác với nhau bằng lực tương tác phân tử (lực điện từ) Muốn cho vật chuyển động được trên mặt vật rắn khác thì cần phải đặt một lực tiếp tuyến với mặt tiếp xúc để thắng lực cản sinh ra do tương tác giữa các phân tử Lực cản nàychính là một trong những nguyên nhân sinh ra ma sát

Ma sát động thường nhỏ hơn ma sát nghỉ cực đại lên một đơn vị diện tích sẽ tương tác với nhau bằng lực tương tác phân tử Tóm lại, nguyên nhân sinh ra lực

ma sát là do sự tương tác giữa các nguyên tử, phân tử ở những vùng tiếp xúc thực sự giữa các vật

1.4 Hệ số ma sát

Hệ số ma sát không phải là một đại lượng có đơn vị, nó biểu thị tỉ số lực

ma sát nằm giữa hai vật trên lực tác dụng đồng thời lên chúng Hệ số ma sát này phụ thuộc vào chất liệu làm nên vật

Hệ số ma sát là một đại lượng mang tính thực nghiệm, nó được xác định

ra trong quá trình thực nghiệm chứ không phải vì tính toán

- Độ lớn biến đổi theo lực tiếp tuyến sao cho luôn cân bằng với lực này :+ Tăng dần lực tiếp tuyến thì lực ma sát nghỉ cũng tăng dần, vật chưa chuyểnđộng.

+ Khi lực tiếp tuyến đạt tới một giá trị tới hạn F0, lực ma sát nghỉ cũng đạt tớigiá trị tới hạn F0.

+ Tiếp tục tăng lực tiếp tuyến lớn hơn F0, lực ma sát nghỉ không tăng nữa màvật bắt đầu chuyển động Thực nghiệm chứng tỏ F0 tỷ lệ với áp lực ép vuông góclên mặt tiếp xúc :

a Sự xuất hiện của lực ma sát trượt:

Thực chất, lực ma sát trượt là một loại lực cơ bản trong tự nhiên Khi hai vật chuyển động trên bề mặt của nhau, năng lượng bị mất mát do ma sát Khi độ nhám của hai bề mặt tiếp xúc còn đáng kể thì lực ma sát sinh ra do sự móc ngoặc cơ học giữa các đồi chỗ lồi lên của hai mặt tiếp xúc Khi ấy lực ma sát phụ thuộc vào độ nhám Độ nhám của hai bề mặt tiếp xúc giảm thì lực ma sát giảm Tuy nhiên khi độ nhám giảm đến một mức nào đó thì lực ma sát lại tăng lên Khi ấy, lực ma sát xuất hiện là do lực tương tác phân tử giữa các phân tử của cả hai mặt ở chỗ tiếp xúc thực sự với nhau Và các phép tính toán cho thấy

cả lực tương tác phân tử này lẫn độ nhám cũng chỉ chịu trách nhiệm một phần

về sự xuất hiện của lực ma sát

Trong thực tế, lực ma sát trượt phụ thuộc vào vận tốc mà không phụ thuộc vào nhiệt độ như một số quan niệm trước đây từng nhầm tưởng

b.Các đặcđiểm của lực ma sát trượt:

- Phụ thuộc vận tốc tương đối giữa hai vật : Lực ma sát trượt tác dụng lên mộtvật luôn cùng phương và ngược chiều với vận tốc tương đối của vật ấy với vậtkia Lực ma sát trượt có xu hướng cản trở sự chuyển động tương đối đó

VD1: Hình 1

+ B tác dụng lên A một lực F  mst vAB( vận tốc của A đối với B)

+ A tác dụng lên B một lực F'mst   vBA( vận tốc của B đối với A)

VD2: Xét hình trụ đang quay rơi xuống mặt đất.

mst

F làm giảm chuyển động quay, đồng thời gây ra gia

tốc chuyển động tịnh tiến của khối tâm C,  giảm và

vCtăng đến một lúc nào đó  R vCthì hiện tượng

trượt không còn mà lăn không trượt, không có ma sát

trượt

- Độ lớn của lực ma sát trượt : Nếu vận tốc chuyển

động tương đối giữa hai vật không lớn lắm thì có thể

coi lực ma sát trượt không đổi và bằng lực ma sát nghỉ cực đại:

F   N

Trong đó : + tlà hệ số ma sát trượt, hầu như không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc mà phụ thuộc vào tính chất của mặt tiếp xúc ( nhẵn hay không, vật liệu tạo nên mặt tiếp xúc….)

Thông thường t  n, trong một số trường hợp, hệ số ma sát nghỉ xấp xỉ bằng

hệ số ma sát trượt:t  n, cũng có trường hợp chúng chênh nhau đáng kể

+ N là áp lực vuông góc

2.3 Lực ma sát lăn :

a Sự xuất hiện lực ma sát lăn : Khi một vật lăn trên mặt một vật khác, lực masát lăn xuất hiện ở chỗ tiếp xúc giữa hai vật và có tác dụng cản trở sự lăn đó

b Các đặc điểm của lực ma sát lăn:

Lực ma sát lăn cũng tỷ lệ với áp lực N giống như ma sát trượt và ma sátnghỉ, nhưng hệ số ma sát lăn nhỏ hơn hệ số ma sát trượt hàng chục lần

F   N

Trong đó l là hệ số ma sát lăn và l  t  n

2.4 Lực nội ma sát ( lực nhớt ) và tốc độ giới hạn:

- Chất lưu là chất có thể chảy, nói chung đó là chất khí hoặc chất lỏng Khi có

vận tốc tương đối giữa một chất lưu và một vật rắn ( hoặc do chuyển động trongchất lưu, hoặc chất lưu chảy qua một vật) thì vật chịu tác dụng một lực cản FC

hay còn gọi là lực nhớt Lực này chống lại chuyển động tương đối và hướng vềphía chất lưu chảy đối với vật

- Xét trường hợp chất lưu là chất khí, trong trường hợp này độ lớn của lực cản

C

F  C ATrong đó: + là khối lượng riêng của không khí ( kg3

m ) + A là tiết diện hiệu dụng của vật : là tiết diện ngang vuông góc với vận tốc v ) ( m2)

+ v : tốc độ của vật rắn (

s )

Thực ra hệ số cản C ( giá trị điển hình từ 0,4 đến 1,0 ) không hẳn là hằng số đối với một vật đã cho, vì nếu v thay đổi đáng kể thì C cũng có thể thay đổi đáng

kể Ở đây ta bỏ qua hiện tượng phức tạp này

Phương trình trên cho thấy, khi một vật rơi từ trạng thái nghỉ xuống, qua không khí thì FC tăng dần từ 0 cùng với sự tăng của tốc độ Nếu vật rơi một đoạnđường đủ lớn thì cuối cùng FC sẽ bằng trọng lượng P của vật, và hợp lực tác dụng vào vật theo phương thẳng sẽ bằng không Theo định luật thứ II Newton khi đó gia tốc của vật cũng phải bằng không và sau đó tốc độ của vật không tăngnữa Lúc này vật rơi với tốc độ giới hạn không đổi vt mà ta có thể tìm được bằngcách cho

2

1 v 2

II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI.

Các bài toán động lực học khó giải hơn khi có lực ma sát vì do khả năng nắm vững và vận dụng kiến thức về lực ma sát của HS còn hạn chế

VD:Các em cứ xem lực ma sát trượt là tích của hệ số ma sát và trọng lực thay vì

là phản lực của pháp tuyến.Nên khi làm bài tập về mặt phẳng ngang và nghiêng các em sẽ thấy rõ điều này

Khi ra bài tập trên lớp cũng như về nhà, đa số giáo viên sử dụng bài tập

từ sách giáo khoa và sách bài tập mà chưa có sự đầu tư khai thác những bài tậpphù hợp với trình độ học sinh Giáo viên ngại tìm kiếm tài liệu để khai thác hệthống bài tập phong phú, chưa quan tâm đến hệ thống bài tập định hướng hoạtđộng học tập cho học sinh trong giờ học để kích thích tư duy của các em, giúpcác em độc lập trong khi giải bài tập

Trong quá trình giảng dạy, tôi đã phân luồng đối tượng HS bằng phương pháp chia nhóm Kết hợp nhuần nhuyễn các phương pháp gợi mở, nêu vấn đề cho HS thảo luận để phát huy tối đa tính tích cực, chủ động trong học tập của

HS nhằm giúp HS biết cách tính lực ma sát

III GIẢI PHÁP THỰC HIỆN.

Trong đề này, tôi sắp xếp bài tập theo thứ tự từ dễ đến khó, từ cơ bản đến nâng cao

Bài 1 Một vật nhỏ khối lượng m chuyển động theo trục Ox trên mặt phẳng nằm

ngang dưới tác dụng của lực kéo F theo hướng hợp với Ox góc   0 Hệ số masát trượt trên mặt ngang bằng t.Xác định gia tốc chuyển động của vật

1 Hướng dẫn giải:

Trong bài toán này HS chỉ cần xác định các lực tác dụng vào vật Đây là bài toán

cơ bản mà HS hay gặp Trọng lực P= Phản lực N

2 Giải bài toán :

thẳng đứng hướng lên trên

*Phương trình định luật II Niu-tơn dưới dạng véc tơ:

F+ Fms+ P+N = m a (1)Chiếu (1) lên Ox : ma = F2 - Fms

Riêng chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng thì lại khác, vật chỉ chịumột phản lực của mặt phẳng nghiêng lên vật đúng bằng thành phần của trọng lựcmgcosα do đó lực ma sát được xác định là Fms = kN = kmgcosα = kPcosα

Trong đó α là góc hợp bởi mặt phẳng nghiêng với mặt phẳng ngang

Bài 2 : Một vật đang chuyển động trên đường ngang với vận tốc 20m/s thì trượt

lên một cái dốc dài 100m, cao 10m

a) Tìm gia tốc của vật khi lên dốc Vật có lên hết dốc không?

Nếu có thì vận tốc của vật ở đỉnh dốc và thời gian lên dốc?

b) Nếu trước khi trượt lên dốc, vận tốc của vật chỉ là 15m/s thì đoạn lên dốc củavật là bao nhiêu?

Tính vận tốc của vật khi trở lại chân dốc? và thời gian kể từ khi vật bắt đầu trượtlên dốc cho đến khi nó trở lại chân dốc?

Cho biết hệ số ma sát giữa vật và dốc là k = 0,1 Lấy g = 10 m/s2

h l

2 Giải bài toán :

a) Chọn hệ quy chiếu :

+ Trục Ox dọc theo mặt dốc hướng lên

+ Trục Oy vuông góc với mặt dốc hướng từ dưới lên

Các lực tác dụng lên vật khi lên dốc : Trọng lực P, phản lực đàn hồi Nvà lực

ma sát Fms Theo định luật II Newton ta có :

ms

P N F   ma (1)Chiếu phương trình (1) lên trục Ox và lên trục Oy ta có :

m

kP P



Ta thấy S l nên vật sẽ đi hết dốc

* Khi lên đến đỉnh dốc, gọi vận tốc lúc đó của vật là v1 được tính theo công thức:

Chiều dài tối đa S1 mà vật có thể đi trên mặt dốc là :

2 1

0 15

56, 4( ) 2.( 1,995)

Nghĩa là vật không lên hết dốc mà dừng lại tại điểm A cách chân dốc 56,4 m sau đó, do tác dụng của trọng lực ( Psin ) lại trượt xuống dốc

Lập luận tương tự như ở phần 1 , ta tìm được gia tốc của vật khi xuống dốc :

a g   k g  (6) Thay số ta được :

1

2 2.56, 4

150( ) 0,005

t    s

Vậy thời gian tổng cộng kẻ từ khi vật bắt đầu trượt từ chân dốc cho đến khi nótrở lại chân dốc bằng : t1 t2  150 7,52 157, 2( )   s

3.lưu ý:

Đây là dạng bài toán về chuyển động trên mặt phẳng nghiêng, cần chú ý rằng do

có lực ma sát mà gia tốc của vật lúc đi lên và lúc đi xuống là khác nhau

Như ta thấy, gia tốc lúc vật trượt lên : ag(sin   kcos   và luôn có a 0Cần vẽ đúng chiều của lực ma sát

Bài 3: Một xe tải có khối lượng m1 = 10 tấn kéo theo một xe rơ moóc khối

lượng m2 = 5 tấn Hệ xe tải và xe rơ moóc chuyển động nhanh dần đều trên đoạnđường thẳng ngang Sau khoảng thời gian t = 100(s) Kể từ từ lúc khởi hành ,

vận tốc của hệ xe tải và xe rơ

moóc đạt trị số v 72km h/ Hệ số

ma sát giữa bánh xe và mặt

đường là 0,1 Lấy g = 9,8m/s2

a Tính lực kéo F của động cơ xe

tải trong thời gian t = 100s nói

trênb Khi hệ xe tải và rơ moóc

đang chuyển động với vận tốc

72km/h thì xe tải tắt máy và hãm

phanh.Khi đó hệ này chuyển động chậm dần đều và dịch chuyển thêm một đoạn

S = 50m trước khi dừng hẳn Tính lực F hãm của phanh xe và lực F’ do xe rơ

moóc tác dụng lên xe tải

sau đó nếu ta tắt máy và hãm phanh thì lúc này chuyển động của vật là chậm dầnđều và hệ này sẽ chuyển động thêm một đoạn đường nữa rồi dừng hẳn do lúc

này hệ vật chịu sự cản trở của hai lực : F F h, ms

2 Giải bài toán : Chọn hệ quy chiếu gồm : Trục Ox có phương nằm ngang và

hướng sang phải, trục Oy có phương thẳng đứng hướng lên trên

Xét hệ vật gồm xe tải (m1) và rơ moóc (m2) Các lực tác dụng vào hệ vật :

moóc N N 1, 2là phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên xe tải và xe rơ moóc Fms1,Fms2là lực ma sát giữa mặt đường với xe tải và xe rơ moóc

Chiếu (1) lên các trục của hệ quy chiếu:

Vậy : lực kéo của động cơ xe tải : F k  17,7.10 ( ) 3 N

b) Khi hãm phanh, hệ xe tải và xe rơ moóc dịch chuyển thêm được một đoạn đường S = 50m và vận tốc giảm dần đều từ v = 72 km/h xuống 0 nên gia tốc chuyển động chậm dần đều của hệ là : Áp dụng công thức

m a

Bài 4: Một vật có khối lượng m đứng yên trên đỉnh một mặt phẳng nghiêng nhờ

lực ma sát Hỏi sau bao lâu vật sẽ ở chân mặt phẳng nghiêng nếu mặt phẳngnghiêng bắt đầu chuyển động theo phương ngang với gia tốc a0 = 1m/s2 (hình

vẽ ) Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là l = 1m , góc nghiêng α = 30o, hệ số masát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là k =

0,6

1 Hướng dẫn giải Hệ vật gồm nêm và vật

m cùng chuyển động nhưng trong các hệ

quy chiếu khác nhau nên chuyển động

trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất, và vật

chuyển động trong hệ quy chiếu gắn với

nêm Do đó ta phải lập hai hệ quy chiếu

khác nhau đối với từng vật này

- Khi nêm chuyển động tịnh tiến với gia

tốc ao,ngoài các lực tác dụng lên vật m là P F N , ms, còn có lực quán tính xuất hiện

do chuyển động của nêm Viết phương trình định luật II Newton cho vật m trong

hệ quy chiếu gắn với nêm rồi chiếu phương trình đó lên các trục tọa độ đã chọn

và căn cứ vào dữ kiện bài toán cho tìm lời giải cho bài toán

2 Giải bài toán :Xét chuyển động của vật trong hệ quy chiếu gắn với mặt phẳng

nghiêng của nêm Hệ quy chiếu này chuyển động tịnh tiến với gia tốc ao Vậy