CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG HSG VẬT LÝ LỚP 8 PHẦN CƠ HỌCChuyên đề này chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và khai thác một số bài tập có nội dung thực nghiệm liên quan đến các lực cơ học trong nội dung chương trình bồi dưỡng học sinh giỏi vật lý, cuối lớp 8 ở trường THCS.Thông qua chuyên đề này giúp học sinh định hướng được phương pháp để giải bài tập có nội dung thực nghiệm liên quan đến các lực cơ học và các nội dung tương tự khác nhằm góp phần nâng cao chất lượng đội tuyển học sinh giỏi. Thời lượng dự kiến khoảng 15 đến 18 tiết.
Trang 1PHÒNG GIÁO DỤC – ĐÀO TẠO BÌNH XUYÊN
TRƯỜNG THCS LÝ TỰ TRỌNG
NGƯỜI THỰC HIỆN: LƯU VĂN BÍCH CHỨC VỤ: GIÁO VIÊN
ĐƠN VỊ CÔNG TÁC: TRƯỜNG THCS LÝ TỰ TRỌNG
THÁNG 10 NĂM 2015
Trang 21 Phạm vi, đối tượng, mục đích của chuyên đề
Chuyên đề này chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và khai thác một số bài tập có nội dung thực nghiệm liên quan đến các lực cơ học trong nội dung chương trình bồi dưỡng học sinh giỏi vật lý, cuối lớp 8 ở trường THCS Lý Tự Trọng
Thông qua chuyên đề này giúp học sinh định hướng được phương pháp để giải bài tập có nội dung thực nghiệm liên quan đến các lực cơ học và các nội dung tương tự khác nhằm góp phần nâng cao chất lượng đội tuyển học sinh giỏi Thời lượng dự kiến khoảng 15 đến 18 tiết
2 Một số kiến thức vật lý về lực cơ học
a Định nghĩa lực
Lực là đại lượng vectơ – đại lượng
có hướng (điểm đặt, phương, chiều và
độ lớn) – đặc trưng cho tác dụng của
vật này lên vật khác, kết quả là làm vật
biến đổi chuyển động (truyền gia tốc
cho vật) hoặc làm cho vật biến dạng
Người ta biểu diễn lực bằng một vectơ (mũi tên) có gốc chỉ điểm đặt của lực,
có hướng chỉ hướng của vectơ gia tốc mà lực gây ra cho vật (hướng mũi tên là hướng của lực) và có độ dài chỉ độ lớn của lực theo một tỉ xích quy
ước
Đường thẳng chứa vectơ lực gọi là giá của lực (AB)
Hai lực cân bằng là hai lực cùng đặt vào vật và có cùng giá (cùng
phương), cùng độ lớn nhưng ngược chiều
b Tổng hợp lực
Tổng hợp lực là thay thế nhiều lực tác dụng đồng thời vào một vật bằng một lực có tác dụng giống hệt như toàn bộ
các lực ấy Lực thay thế này gọi là
hợp lực
Quy tắc hình bình hành: Nếu hai
lực đồng quy được biểu diễn về độ lớn và về hướng bằng hai cạnh của một hình
P T
O
1 F
F 2
F
F
A
Giá của lực
B
Tỉ xích 1N
F = 3N
Trang 3bình hành vẽ từ điểm đồng quy, thì hợp lực của chúng được biểu diễn về độ lớn
và về hướng bằng đường chéo của hình bình hành đó
Độ lớn của hợp lực
- Khi F1 và F2 cùng phương, cùng chiều (góc hợp bởi F1 và F2 bằng 00):
F = F1 + F2
- Khi F1 và F2 cùng phương, ngược chiều (góc hợp bởi F1 và F2 bằng 1800):
F = F1 – F2 (với F1 > F2)
- Khi F1 và F2 vuông góc (góc hợp bởi F1 và F2 bằng 900):
2 2
1 2
F F F
- Khi F1 và F2 không cùng phương (góc hợp bởi F1 và F2 bằng α):
2 2 2
1 2 1 2 1 2
F F F 2F F cos(F , F ) hay 2 2 2
1 2 1 2
F F F 2F F cos
c Lực hấp dẫn và trọng lực
Niu-tơn là người đầu tiên đã kết hợp được những kết quả quan sát thiên văn
về chuyển động của các hành tinh với những kết quả nghiên cứu về sự rơi của
các vật trên Trái Đất và do đó đã phát hiện ra rằng mọi vật trong Vũ trụ đều hút
nhau với một lực, gọi là lực hấp dẫn
Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng đã giữ cho Mặt Trăng chuyển động quanh Trái Đất
Lực hấp dẫn giữa Mặt Trời và các hành tinh đã giữ cho các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời
Khác với lực đàn hồi và lực ma sát là lực tiếp xúc, lực hấp dẫn là lực tác dụng
từ xa, qua khoảng không gian giữa các vật
Định luật vạn vật hấp dẫn
Những đặc điểm của lực hấp dẫn đã được Niu-tơn nêu lên thành định luật sau
đây, gọi là định luật vạn vật hấp dẫn: Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm bất kì tỉ
lệ thuận với tích của các khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng
1 2
m m
r
Trang 4Trong đó
G là hằng số hấp dẫn, bằng 6,67.10-11 (
2 2
Nm
kg );
m1, m2 là khối lượng của hai chất điểm (kg);
r là khoảng cách giữa hai chất điểm (m)
Hệ thức trên áp dụng được cho các vật thông thường trong hai trường hợp:
- Khoảng cách giữa hai vật rất lớn so với kích thước của chúng
- Các vật đồng chất và có dạng hình cầu Khi ấy r là khoảng cách giữa hai tâm
và lực hấp dẫn nằm trên đường nối tâm
Theo Niu-tơn thì trọng lực mà Trái Đất tác dụng lên một vật là lực hấp dẫn giữa Trái Đất và vật đó P G mM 2
(R h)
(1)
Trong đó, m là khối lượng của vật, h là độ cao của vật so với mặt đất, M và R
là khối lượng và bán kính của Trái Đất
Mặt khác ta lại có P = mg (2)
Từ (1) và (2) ta có g G M 2
(R h)
là gia tốc rơi tự do của vật ở độ cao h so với
mặt đất Nếu h << R (vật ở gần mặt đất) thì g G M2
R
Gia tốc rơi tự do phụ thuộc độ cao nếu độ cao h khá lớn và là như nhau đối với các vật ở gần mặt đất (h << R) Các hệ quả này hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm và là một bằng chứng về sự đúng đắn của định luật vạn vật hấp dẫn
d Lực đàn hồi của lò xo
Khi kéo dãn một lò xo, làm xo xo bị biến dạng Nếu ngừng tác dụng lực, ta nhận thấy sẽ xuất hiện một lực giúp lò xo tự lấy lại hình dạng ban đầu
Biến dạng này được gọi là biến dạng đàn hồi Lực giúp lò xo lấy lại hình dạng ban đầu được gọi là lực đàn hồi
Lực đàn hồi không chỉ xuất hiện ở lò xo mà còn xuất hiện ở các vật liệu khác
có khả năng biến dạng đàn hồi
Vậy, lực đàn hồi xuất hiện khi nào? Nó có tác dụng gì?
Trang 5Lực đàn hồi là lực xuất hiện khi vật bị biến dạng đàn hồi, và có xu hướng chống lại nguyên nhân gây ra biến dạng (giúp vật lấy lại hình dạng ban đầu)
Khi một lò xo bị biến dạng (nén hay dãn) thì đều xuất hiện lực đàn hồi
- Phương: trùng với trục của lò xo
- Chiều: ngược chiều với biến dạng của lò xo
- Độ lớn: tỉ lệ thuận với độ biến dạng (biến dạng càng nhiều thì lực đàn hồi càng lớn)
Giá trị cụ thể của lực đàn hồi được tính theo Định luật Húc: Trong giới hạn
đàn hồi, lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo
dh
F = k l Trong đó
k là độ cứng của lò xo (N/m);
0
l l l
là độ biến dạng của lò xo (m);
(l0 là chiều dài tự nhiên của lò xo, l là chiều dài sau khi bị biến dạng của lò xo);
Dấu (-) thể hiện rằng lực đàn hồi ngược hướng với biến dạng
Một trong những ứng dụng thường thấy của lực đàn hồi của lò xo là lực kế
Lực kế là dụng cụ dùng để đo độ lớn của lực tác dụng
Tùy theo công dụng mà lực kế có các cấu tạo và hình dạng khác nhau Tuy nhiên bộ phận chính của lực kế vẫn là một lò xo (với độ cứng phù hợp)
e Lực ma sát
Lực ma sát trượt
Khi một vật chuyển động trượt trên bề mặt thì bề mặt tác dụng lên vật tại chỗ tiếp xúc một lực ma sát trượt, cản trở chuyển động của vật trên bề mặt đó
Kết quả các thí nghiệm cho ta kết luận về độ lớn của lực ma sát trượt phụ thuộc vào:
- Không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và tốc độ của vật
- Tỉ lệ với độ lớn của áp lực
- Phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của hai mặt tiếp xúc
Công thức của lực ma sát trượt Fmst N
Trang 6Trong đó: µ là hệ số ma sát;
N là áp lực của vật lên mặt chuyển động
Lực ma sát lăn
Lực ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt một vật khác, để cản lại chuyển động lăn của vật
Thí nghiệm cho ta thấy lực ma sát lăn cũng tỉ lệ áp lực, nhưng hệ số ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều lần (hàng chục lần) hệ số ma sát trượt
Công thức của lực ma sát lăn Fmsl N
Trong đó: µ là hệ số ma sát;
N là áp lực của vật lên mặt chuyển động
Lực ma sát nghỉ
Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi một vật nằm yên trên bề mặt vật khác mà vật
đó chịu tác dụng của lực nhưng chưa có sự biến đổi chuyển động (chống lại sự biến đổi chuyển động của vật)
Những đặc điểm của lực ma sát nghỉ:
Lực ma sát nghỉ có điểm đặt trên vật, có phương song song với mặt tiếp xúc
và có chiều ngược chiều với lực tác dụng vào vật khi vật còn chưa chuyển động Khi lực tác dụng song song với mặt tiếp xúc lớn hơn một giá trị nào đó thì vật
sẽ trượt Như vậy Fmsn Max Fmst N
Lực ma sát nghỉ cực đại xấp xỉ bằng lực ma sát trượt và có thể dùng công thức tính lực ma sát trượt để tính lực ma sát nghỉ cực đại
f Lực đẩy Ác – si – mét
Lực đẩy Ác – si – mét là lực tác dụng bởi chất lỏng hay chất khí lên một vật nhúng trong nó
Khi xét hệ ở gần Trái Đất lực đẩy Ác – si – mét có cùng độ lớn và ngược chiều với trọng lượng phần chất lỏng hay chất khí bị vật chiếm chỗ
Trong trường hợp bỏ qua lực đẩy của không khí, độ lớn lực đẩy Ác – si – mét được tính F = P1 – P2 = dV
Trong đó: F là độ lớn lực đẩy Ác – si – mét (N);
P1 là độ lớn trọng lực (trọng lượng) vật ngoài không khí (N);
Trang 7P2 là độ lớn hợp lực tác dụng vào vật trong chất lỏng (N);
d là trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3);
V là thể tích phần vật chiếm chỗ trong chất lỏng (m3)
g Điều kiện cân bằng của đòn bẩy
Mô-men lực đối với một trục quay là là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực và được đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó
M = F.l Trong đó: M là mô-men lực (N.m);
F là lực tác dụng vào vật (N);
l là khoảng cách từ giá của lực tác dụng đến trục quay (m) Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định (đòn bẩy)
Từ nhiều thí nghiệm khác nhau ta rút ra được điều kiện cân bằng của một vật có
trục quay cố định gọi là quy tắc mô-men lực: Muốn cho một vật có trục quay cố
định ở trạng thái cân bằng, thì tổng các mô-men lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các
mô-men lực có xu hướng làm vật quay theo
chiều ngược lại
Với một đòn bẩy thì 1 2
1 1 2 2
2 1
F l
Fl F l
F l
3 Các bước chung để giải bài tập có nội dung thực nghiệm Vật lý
Bước 1: Đọc hiểu đề bài
Bước 2: Phân tích nội dung bài tập thí nghiệm
Bước 3: Xác định phương án thí nghiệm
Bước 4: Tiến hành các thao tác thí nghiệm
Bước 5: Kiểm tra câu trả lời so với kết quả thí nghiệm
Bài tập minh họa
Cho một lực kế có giới hạn đo 2N, một sợi dây, một thước thẳng có độ chia nhỏ nhất 1mm và một thanh sắt đồng chất , ti ết diện đều ( của giá thí nghiệm) Hãy xác định trọng lượng của một viên gạch với mức chính xác cao nhất cho phép
1 F
A
l1
O
2 F
B
l2
Trang 8Hướng dẫn
• Bước 1: Tìm hiểu mối liên hệ giữa lực kế với trọng lượng viên gạch thông
qua đòn bẩy để xác định trọng lượng viên gạch
• Bước 2: Xác định trọng lượng của viên gạch với lực kế, sợi dây, thước
thẳng và thanh sắt Điều này chứng tỏ phải tìm mối liên hệ giữa trọng lượng của viên gạch với độ lớn số chỉ của lực kế được kéo thông qua đòn bẩy là thanh sắt
• Bước 3: Tiến hành theo phương án thí nghiệm đòn bẩy, một đầu treo viên
gạch và đầu kia kéo thông qua lực kế để thanh ở vị trí nằm ngang
• Bước 4: Tiến hành thí nghiệm:
Buộc dây vào chính giữa điểm O của thanh sắt
rồi treo lên, điều chỉnh cho thanh nằm ngang có
thể quay quanh điểm O
Dùng dây buộc viên gạch và treo vào đầu A của
thanh sắt
Buộc dây vào đầu B của thanh sắt, móc lực kế vào dây và kéo xuống theo
phương thẳng đứng sao cho thanh nằm ngang Khi đó P OB P FOB
F OA OA
Ta thấy khi OA và OB càng dài thì sai số tương đối khi đó càng nhỏ, kết quả xác định P càng chính xác Vì thế nên chọn điểm B xa điểm O nhất, còn vị trí điểm A cần điều chỉnh sao cho lực kế chỉ lực kéo xuống lớn nhất không quá giới hạn (F = 2N) mà thanh sắt được giữ nằm ngang
• Bước 5: Xác định OA, OB bằng thước thẳng, xác định F theo số chỉ của lực
kế và tính toán được P chính là trọng lượng viên gạch với mức chính xác cao nhất cho phép
4 Một số bài tập vận dụng
Bài 1 Cho một ống nghiệm chia độ, một bình thủy tinh hình trụ đựng nước, một
cốc đựng nước, một chai đựng dầu ăn, một gói muối tinh khô Cho rằng, đã biết trước khối lượng riêng của nước Hãy xác định với mức chính xác nhất :
a Khối lượng riêng của muối tinh khô
Trang 9b Khối lượng riêng của nước muối bão hòa (không thể hòa tan thêm muối nữa trong nước)
c Khối lượng riêng của dầu ăn
Hướng dẫn
a Đổ vào ống nghiệm A chia độ (lau khô) một lượng muối tinh khô sao cho khi thả ống đó vào bình hình trụ B chứa nước thì ống đó chìm tới mức mà miệng ống chỉ cao hơn mặt nước đúng khoảng xác định a nào đó Xác định thể tích V1
của muối lúc đó
Đổ hết muối tinh ra, rồi đổ nước vào ống nghiệm A sao cho khi thả vào nước trong bình B thì ống A chứa nước này cũng chìm tới đúng mức như trên Xác định thể tích V2 của nước lúc đó
Ta có P1 + PA = P2 + PA Từ đó ta có P1 = P2
Kí hiệu trọng lượng riêng của muối là d1, của nước là d2 Ta suy ra, d1V1 = d2V2
Vậy, 1 2
2 1
d V
d V vì 1 1
d D
d D nên 1 2
2 1
D V
1 2
1
V
D D
V
trong đó biết khối
lượng riêng của nước là D2
Ta tính được khối lượng riêng D1 của muối tinh khô
b Hòa tan muối tinh vào nước đến mức khuấy rất kỹ mà muối không thể ta hết
Đổ nước muối vào ống nghiệm A sao cho ống A chìm tới đúng mức như trên Xác định thể tích nước muối V3 ta tính được khối lượng riêng D3 của nước muối
3 2
3
V
D D
V
c Thay nước muối bằng dầu ăn, làm thí nghiệm tương tự để xác định thể tích V4
của dầu ăn
Khối lượng riêng của dầu ăn là 2
4 2
4
V
D D
V
Bài 2 Thả một chiếc lọ nhỏ có nút kín, bên trong có chứa một ít nước sao cho lọ
này chỉ còn nổi một phần rất nhỏ trên mặt nước đựng trong chậu thủy tinh hình trụ
có thành rất mỏng Chỉ được dùng một thước chia tới milimet Hãy xác định :
Trang 10a Áp lực tác dụng lên đáy chậu tăng thêm bao nhiêu khi thả chiếc lọ vào chậu nước
b Độ chênh lệch áp suất giữa một điểm ở đáy chậu và một điểm ở chính giữa cột nước bên trong của chậu
Cho rằng, đã biết trước khối lượng riêng của nước
Hướng dẫn
a Đo độ sâu của nước trong chậu thủy tinh hình trụ trước và sau khi thả lọ nhỏ chứa nước vào đó Tính độ chênh lệch ∆h giữa hai lần đo trên là ∆h = h2 – h1
Độ tăng áp suất lên đáy chậu so với khi chưa thả lọ vào chậu là
p = p2 – p1 = dh2 – dh1 = d∆h (trong đó d là trọng lượng riêng của nước)
Độ tăng áp lực lên đáy chậu là P = p.S = p
2
C
4
Trong đó, C là chu vi của chậu đo bằng thước
b Áp suất tại điểm chính giữa cột nước bên trong chậu nước là 2
3
h
2
và tại đáy chậu là p2 = dh2
Vậy, độ chênh lệch áp suất là 2 2
2
p ' d h d
Bài 3 Xác định khối lượng riêng của đá cuội (than đá, thủy tinh) Cho phép dùng
lực kế, sợi dây, bình nước, đá cuội (mẩu than đá hoặc lọ thủy tinh thành dày)
Cho rằng, đã biết trước khối lượng riêng của nước
Hướng dẫn
Buộc hòn đá cuội bằng sợi dây rồi treo vào lực kế để xác định trọng lượng P của nó
Khi nhúng cho hòn đá ngập chìm trong nước chứa ở bình thì lực kế chỉ hợp lực
F = P – FA , trong đó, FA là lực đẩy Ác – si – mét do nước đẩy hòn đá
Ta có FA = P – F
Trang 11Vì FA = doV (do là trọng lượng riêng của nước) nên ta tính được trọng lượng
riêng của hòn đá là o
A o
F
d
Vậy, khối lượng riêng đá cuội là D Do P
P F
Bài 4 Xác định khối lượng riêng của một chất lỏng chưa biết Cho bình đựng chất
lỏng cần nghiên cứu, bình đựng nước (biết khối lượng riêng của nước là Do), lọ nhỏ
có nút kín, lực kế, sợi dây
Hướng dẫn
Đổ nước vào lọ, đậy nút kín, buộc dây vào lọ rồi treo vào lực kế để xác định
trọng lượng P của lọ nước
Nhúng ngập lọ vào nước, lực đẩy Ác – si – mét của nước tác dụng vào lọ là
FA = P – F = doV
Nhúng ngập lọ vào chất lỏng cần nghiên cứu, lực kế chỉ F’
Lực đẩy Ác – si – mét của chất lỏng tác dụng vào lọ là F’A = P – F’ = d’V
suy ra A
d ' F' P F' D'
Vậy khối lượng riêng của chất lỏng là D' Do P F'
P F
(với Do là khối lượng
riêng của nước)
Bài 5 Cho một bình chia độ hình trụ rỗng, một cân đòn có một hộp quả, một bình
nước, một gói muối tinh khô, một quả trứng, một que nhỏ Hãy tìm ít nhất hai cách
để xác định khối lượng riêng của trứng
Hướng dẫn
Cách 1 Xác định khối lượng của quả trứng m bằng cân, thể tích của nó V bằng
bình chia độ Tính ra khối lượng riêng của trứng là D m
V
Cách 2 Hòa tan dần dần muối ăn vào nước cho đến khi trứng nổi mà gần như
không bị nhô lên khỏi mặt nước muối