Sáng kiến kinh nghiệm: Tĩnh học vật rắn vật lý 10

Tĩnh học vật rắn PHẦN MỞ ĐẦU  I Bối cảnh đề tài Trong năm học 2014 – 2015, nhà trường phân công giảng dạy chuyên đề “Tĩnh học vật rắn” cho lớp 10 chuyên Lý Và từ thực tế giảng dạy nhận thấy, để làm tập nâng cao, khó chuyên đề thật khơng dễ đa số học sinh II Lý chọn đề tài Như điều biết, chương trình Vật Lý lớp 10 chương “Tĩnh học vật rắn” chương nối tiếp sau chương động lực học Kiến thức chương quan trọng, giải nhiều tốn thực tế, giúp học sinh có liên hệ kiến thức hàn lâm thực tiễn sống từ có đam mê mơn Để hoàn thành tốt nhiệm vụ giao nhằm giúp em học sinh hiểu vận dụng tốt chuyên đề này, đồng thời xuất phát từ bối cảnh trên, thiết nghĩ việc nghiên cứu chuyên đề “Tĩnh học vật rắn” thật cần thiết III Phạm vi đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu chương “Tĩnh học vật rắn” chương trình Vật Lý 10 Nâng cao IV Mục đích nghiên cứu Đề tài nhằm giúp học sinh nắm vững kiến thức chương “Tĩnh học vật rắn” Đồng thời rèn luyện kỹ giải tập, mà đặc biệt tập khó phục vụ cho việc thi chọn học sinh giỏi, mục đích đề tài V Điểm kết nghiên cứu Thực tế giảng dạy cho thấy nhiều học sinh áp dụng tốt kiến thức học để giải tập đơn giản Nhưng yêu cầu em dùng kiến thức để giải tập tương đối khó hơn, cần có tư cao đại đa số em khơng làm Trong đề tài có điểm sau: - Giúp học sinh vận dụng kiến thức học, đồng thời hướng dẫn cho em cách tư logic để giải tập hay khó GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn - Giúp cho người dạy thấy học sinh thường vướng mắc phần nào, yếu mặt từ có kế hoạch bồi dưỡng thêm cho em, rút kinh nghiệm cho thân trình giảng dạy PHẦN NỘI DUNG  Tĩnh học phần vật lý học, nghiên cứu trạng thái cân vật rắn (vật rắn tuyệt đối) tác dụng lực Tĩnh học giải hai vấn đề sau: + Thu gọn hệ lực, tức biến đổi hệ lực cho thành hệ lực khác tương đương với đơn giản Hệ lực thu gọn dạng đơn giản gọi hệ lực tối giản, tập hợp dạng tối giản khác hệ lực gọi dạng chuẩn hệ lực + Thiết lập điều kiện hệ lực mà tác dụng vật rắn cân gọi điều kiện cân hệ lực Để giải hai vấn đề trên, tĩnh học người ta sử dụng phương pháp tiên đề, tức phương pháp dựa khái niệm hệ tiên đề, dựa phép suy luận logic để tìm qui luật đối tượng nghiên cứu Các khái niệm hệ tiên đề quan trọng tảng để xây dựng nên mơn học, thiếu mơn học khơng cịn ý nghĩa khơng có khoa học GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn Phần I TÓM TẮT LÝ THUYẾT I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trong tĩnh học có ba khái niệm là: Vật rắn tuyệt đối, cân lực 1.1 Vật rắn tuyệt đối Vật rắn tuyệt đối (vật rắn) tập hợp vô hạn chất điểm mà khoảng cách hai chất điểm ln ln không đổi Trong trường hợp biến dạng vật q nhỏ bỏ qua khơng đóng vai trị quan trọng q trình khảo sát vật coi vật rắn tuyệt đối 1.2 Cân Vật rắn gọi cân vị trí khơng thay đổi so với vị trí vật chọn làm mốc gọi hệ qui chiếu Trong tĩnh học hệ qui chiếu chọn hệ qui chiếu quán tính cân vật rắn gọi cân tuyệt đối Thực tế ta khơng thể tìm hệ qui chiếu quán tính nghĩa mà có hệ qui chiếu gần hệ qui chiếu quán tính, ví dụ hệ qui chiếu gắn với mặt đất coi gần hệ qui chiếu quán tính 1.3 Lực Tác dụng tương hỗ học vật lên vật khác gọi lực, chịu lực tác dụng vật rắn bị biến dạng thay đổi trạng thái chuyển động Ta dùng véctơ để biểu diễn lực gọi véctơ lực có đặc điểm sau: - Gốc véctơ điểm đặt lực - Phương chiều véctơ phương chiều tác dụng lực Giá lực  F - Độ dài véctơ (môđun) biểu thị độ lớn lực theo tỉ lệ xích - Đường thẳng mang véctơ lực gọi giá lực hay đường tác dụng lực II CÁC HỆ TIÊN ĐỀ GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn 2.1 Tiên đề hai lực cân Điều kiện cần đủ hệ hai lực cân chúng có giá (đường tác dụng), độ lớn ngược chiều   F  F 2.2 Tiên đề thêm bớt hai lực cân Tác dụng hệ lực cho không đổi ta thêm bớt hai lực cân * Hệ quả: Tác dụng lực không thay đổi ta trượt véctơ lực giá 2.3 Tiên đề hình bình hành lực Hệ hai lực đặt điểm tương đương với lực đặt điểm đặt chung có vectơ lực đường chéo hình bình hành mà hai cạnh hai lực thành phần    F F F  F  F1 O  F2 Nhờ tiên đề ta tổng hợp hai hay nhiều lực đồng qui phân tích lực thành hai lực theo qui tắc hình bình hành 2.4 Tiên đề lực tác dụng lực phản tác dụng Lực tác dụng (lực) lực phản tác dụng (phản lực) hai vật có giá, độ lớn ngược chiều nhau, lưu ý chúng đặt vào hai vật khác nên chúng hệ lực cân 2.5 Tiên đề hóa rắn Một vật biến dạng cân tác dụng hệ lực hóa rắn lại cân Nhờ ta áp dụng điều kiện cân vật rắn cho trường hợp vật biến dạng cân (ví dụ lị xo bị nén, kéo) điều chưa đủ để giải tốn mà phải thêm giả thuyết biến dạng (ví dụ định luật Húc) 2.6 Tiên đề giải phóng liên kết Vật không tự (tức vật chịu liên kết) cân coi vật tự cân giải phóng liên kết, thay tác dụng liên kết giải phóng phản lực liên kết tương ứng GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn Sau cách xác định phản lực liên kết số liên kết thường gặp (ta không xét đến lực ma sát liên kết) * Liên kết tựa: hai vật tựa lên theo bề mặt, theo đường, theo mặt đường, theo điểm bề mặt, theo điểm đường phản lực liên kết vng góc với mặt tựa đường tựa  N  N  N  N * Liên kết dây mềm, mảnh: Phản lực dây ln ln lực căng dây, có điểm đặt chổ dây nối với vật, phương trùng với dây, chiều từ hai đầu dây hướng vào  T  T  T' * Liên kết nhờ ổ trục dạng hình trụ, liên kết lề: Trong trường hợp trục ổ, hay trục lề vng góc với mặt phẳng chứa hệ lực Khi phản lực ổ trục có hướng nằm mặt phẳng vng góc với ổ trục * Liên kết gối: để đỡ dầm, khung, người ta thường dùng liên kết gối cố định gối lăn Phản lực liên kết gối cố định xác định liên kết lề, phản lực liên kết gối lăn xác định liên kết tựa * Liên kết ngàm: vật chịu liên kết vật gây liên kết nối cứng với nhau, ví dụ trụ chơn xuống Phản lực liên kết ngàm phẳng gồm hai lực vng góc với ngẫu lực nằm mặt phẳng hai lực thành phần GV: Lê Chí Hiếu  N1  N2 M Tĩnh học vật rắn * Lên kết nhờ nhẹ: có lực tác dụng hai đầu cịn dọc khơng có lực tác dụng trọng lượng khơng đáng kể Phản lực liên kết nằm dọc theo đường nối đầu Nói chung, liên kết có nhiều dạng khác nhau, nguyên tắc chung để xác định phản lực liên kết là: tương ứng với hướng di chuyển thẳng bị cản trở có phản lực ngược chiều, tương ứng với hướng di chuyển quay bị cản trở có ngẫu phản lực ngược chiều * Chú ý: Trong phần ta không xét đến lực ma sát, có lực ma sát (thơng    thường lực ma sát nghỉ vật cân bằng) phản lực tổng hợp phải R  Fmsn  N Lực ma sát nghỉ có chiều ngược với hướng (xu hướng) chuyển động vật cân có giá trị từ  Fmsn  N tùy thuộc vào ngoại lực tác dụng vào vật  R  Fmsn  Fmsn   N   R  N   N   Góc  tạo R N thay đổi từ đến giá trị  max với tan  max   R  N  Fmsn Fmsn max  N III CÁC ĐỊNH NGHĨA KHÁC 3.1 Mômen lực điểm mômen lực trục 3.1.1 Mômen lực điểm  Mômen lực F điểm O đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay lực quanh điểm O, kí hiệu MF/O có độ lớn là: M F / O  Fd O d  F H [ N m]  d = OH khoảng cách từ O đến giá lực F (gọi cách tay đòn lực  điểm O), đơn vị mômen lực N.m Từ công thức ta thấy F có giá qua điểm O d = MF/O = 3.1.2 Mơmen lực trục GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn  Mômen lực F nằm mặt phẳng vng góc với trục quay  đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay lực quanh trục đo tích lực với cánh tay đòn  O  F d H M F /   Fd [ N m] d = OH cánh tay địn (khoảng cách từ giao điểm O trục quay với mặt phẳng chứa lực tới giá lực)  * Lưu ý: Nếu lực F có giá cắt trục quay song song với trục quay  mơmen lực trục quay  Nếu lực F khơng nằm mặt phẳng vng góc với trục quay có mơmen trục quay, ta phân tích   lực F thành lực thành phần F1 có giá song song với trục  quay F2 nằm mặt phẳng vng góc với trục quay,  F1  O  F   F2 d H M F1 /   M F /   M F2 /  (với F2  F cos  ) * Mở rộng: Thật mômen lực điểm hay trục đại lượng véctơ nhiên chương trình vật lý phổ thơng để đơn giản ta tính giá trị đại số xác định chiều quay vật có mơmen lực tác dụng 3.2 Ngẫu lực Ngẫu lực hai lực có độ lớn, có giá song song, ngược chiều tác dụng vào vật Nếu vật rắn trục quay cố định tác dụng ngẫu lực vật rắn quay quanh trục qua trọng tâm vng góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực Nếu vật rắn có trục quay cố định tác dụng ngẫu lực vật rắn quay quanh trục quay cố định Ba đặc trưng quan trọng ngẫu lực mặt phẳng tác dụng (mặt phẳng chứa ngẫu lực), chiều quay ngẫu lực mặt phẳng tác dụng mômen ngẫu lực trục quay  F Mômen ngẫu lực trục quay vng góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực là: M  Fd d F' [ N m] d cánh tay địn ngẫu lực (khoảng cách hai giá hai lực thành phần) 3.3 Hệ lực GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn - Hệ lực phẳng: Tất lực tác dụng lên vật nằm mặt phẳng - Hệ lực không gian: Các lực tác dụng lên vật phân bố không gian - Hệ lực đồng qui: Các lực tác dụng lên vật có giá cắt điểm, điểm gọi điểm đồng qui Để tìm hợp lực hệ lực đồng qui ta trượt lực đến điểm đồng qui áp dụng qui tắc hình bình hành để tìm hợp lực - Hệ lực song song: Các lực tác dụng lên vật có giá song song với * Qui tắc hợp hai lực song song chiều: Hợp lực hai lực song song chiều lực có phương song song với hai lực thành phần, chiều với hai lực thành phần, có độ lớn tổng độ d1 lớn hai lực thành phần, có giá nằm mặt phẳng hai lực thành phần chia đoạn thẳng nối giá  d2 F1 hai lực thành phần đoạn tỉ lệ nghịch với hai lực  F2  F  F1  F2   F1 d  F  d (chia )   F * Qui tắc hợp hai lực song song trái chiều: Hợp hai lực song song trái chiều lực song song chiều với lực có độ lớn lớn hơn, có độ lớn hiệu độ lớn hai lực thành phần, có giá nằm mặt phẳng hai lực thành phần có khoảng cách đến giá hai lực thành phần tuân theo công thức sau:   F  F1  F2 ( F1  F2 )  F1 d (chia )    F2 d1 d2  F2 d1  F  F1 3.4 Trọng tâm (khối tâm) 3.4.1 Định nghĩa: Trọng tâm (khối tâm) vật điểm đặt trọng lực tác dụng lên vật 3.4.2 Các định lí trọng tâm GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn * Định lí 1: Nếu vật rắn đồng chất có tâm (trục, mặt phẳng) đối xứng trọng tâm nằm tâm (trục, mặt phẳng) đối xứng * Định lí 2: Nếu vật rắn gồm phần mà trọng tâm phần nằm đường thẳng (mặt phẳng) trọng tâm vật nằm đường thẳng (mặt phẳng) * Định lí 3: Nếu vật rắn ghép từ n phần phần có khối lượng mi trọng tâm Gi (xi; yi; zi) biết tọa độ trọng tâm G (x; y; z) vật xác định công thức: n x m x i i i n m n ; y i m y i n i i n m i ; z m z i i i n m i * Định lí (cơng thức Guynđanh 1): Diện tích S sinh đường cong phẳng (C) quay quanh trục đồng phẳng  khơng cắt xác định cơng thức S  2Ld đó: L độ dài đường cong (C), d khoảng cách từ trọng tâm G đường cong (C) đến trục  * Định lí (cơng thức Guyđanh 2): Thể tích V sinh phẳng quay quanh trục  đồng phẳng khơng cắt xác định cơng thức V  2Sd đó: S diện tích phẳng, d khoảng cách từ trọng tâm G phẳng đến trục   Áp dụng định lí ta tìm được: - Trọng tâm mảnh đồng chất điểm - Trọng tâm vật đồng chất có dạng hình trịn, hình vng, hình chữ nhật, hình bình hành, khối cầu, khối lập phương, khối chữ nhật tâm chúng - Trọng tâm vật đồng chất hình tam giác giao điểm ba đường trung tuyến - Trọng tâm vật đồng chất, phẳng mỏng, có dạng hình quạt AOB với bán  kính R góc tâm AOB  2 nằm trục đối xứng Ox quạt cách tâm O khoảng OG  OG  2R sin   (  đo radian) quạt nửa hình trịn tức   3 4R 3 GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn - Trọng tâm vật đồng chất có dạng bán cầu tâm O bán kính R nằm trục đối xứng bán cầu cách tâm O khoảng OG  3R - Trọng tâm vật đồng chất có dạng cung trịn AB với bán kính R góc  tâm AOB  2 nằm trục đối xứng Ox cung cách O khoảng OG  R sin   2R (  đo radian) cung AB nửa hình trịn tức   OG    IV CÁC ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA VẬT RẮN 4.1 Vật rắn khơng có chuyển động quay quanh trục Điều kiện cần đủ để vật rắn khơng có chuyển động quay quanh trục trạng thái cân tổng (hợp) lực tác dụng lên vật   F  i 0 4.2 Vật rắn có trục quay cố định (hoặc tức thời) Điều kiện cần đủ để vật rắn có trục quay cố định (hoặc tức thời) trạng thái cân tổng momen lực làm vật quay theo chiều tổng mômen lực làm cho vật quay theo chiều ngược lại M  M' 4.3 Điều kiện cân tổng quát vật rắn (vật rắn vừa có chuyển động tịnh tiến vừa có chuyển động quay)    Fi    M   M ' V CÁC DẠNG CÂN BẰNG CỦA VẬT RẮN 5.1 Cân vật tựa lên điểm trục cố định * Cân không bền: Đưa vật khỏi vị trí cân đoạn nhỏ vật tiếp tục rời xa vị trí cân Trọng tâm vật vị trí cao so với vị trí khác vật * Cân bền: Đưa vật khỏi vị trí cân đoạn nhỏ vật tự trở vị trí cân cũ Trọng tâm vị trí thấp có GV: Lê Chí Hiếu 10 Tĩnh học vật rắn Tóm lại, chiều dài thõa mãn R hợp phương ngang cos    L  R nằm cân góc L  L2  32 R 8R Cũng cần lưu ý thêm ngắn đường kính mặt bán cầu (L tg15o = 0,09 28 Tĩnh học vật rắn Bài 18 Hai khối vuông giống nhau, khối lượng khối M, kéo lực F qua hai dây nối AC = BC hình vẽ Góc ACB =  Hệ số ma sát hai khối k, khối M gắn chặt với đất Tìm F để khối M đứng yên ĐS: F < Mg F < 2kMg (với ktg  < 1)  ktg Bài 19 Khối đồng chất hình hộp khối lượng M có cạnh a, b gắn với m qua ròng rọc, dây nối Hệ số ma sát M sàn k Tìm điều kiện để hệ đứng yên cân ĐS: M M b     1   m m k a  Bài 20 Trong xiếc mô tô bay, người mơ tơ thành hình trụ thẳng đứng bán kính R = 9m Khối tâm người xe cách thành trụ h = 1m vạch đường tròn nằm ngang, vận tốc 20m/s Tìm góc nghiêng  xe với phương ngang ĐS: 11o Bài 21 Vật khối lượng M trượt mặt bàn nhẵn Trên M khối hộp lập phương m gắn với M O Hỏi với giá trị cực đại F nằm ngang đặt lên M hình hộp khơng bị lật? ĐS: F = (M + m)g Bài 22 Khối trụ tiết diện lục giác đặt mặt ngang, chịu lực F nằm ngang Xác định hệ số ma sát trụ với sàn để khối trụ trượt mà không quay ĐS: k   0, 577 Bài 23 Trên mặt bàn nhẵn nằm ngang, tạ gồm hai cầu nhỏ nối với nhẹ, chiều dài l, đặt thẳng đứng Truyền cho cầu vận tốc đầu v theo phương ngang Xác định l để cầu bị nhấc khỏi bàn bắt đầu chuyển động v2 ĐS: l  2g Bài 24 Bánh xe bán kính R, khối lượng M có gắn vật nhỏ khối lượng m kéo mặt ngang lăn khơng trượt Hỏi với vận tốc bánh xe nảy khỏi mặt ngang GV: Lê Chí Hiếu 29 Tĩnh học vật rắn chuyển động? ĐS: v  gR (1  M ) m PHẦN KẾT LUẬN  Qua trình nghiên cứu giảng dạy chuyên đề “Tĩnh học vật rắn” nhận thấy học sinh thường gặp khó khăn khâu phân tích lực vận dụng quy tắc cân Để khắc phục tình trạng giáo viên cần cung cấp cho học sinh kiến thức tảng thật vững, kế cần hướng dẫn học sinh làm số dạng tập điển hình từ dễ đến khó, dạng cần cho học sinh thấy điểm mấu chốt đề nằm đâu, đồng thời rõ điểm mà học sinh thường sai Sau cho học sinh làm tập luyện tập để kiểm tra mức độ tiếp thu học sinh, mặt khác cần cung cấp cho học sinh tài liệu tham khảo phù hợp để tự học nhà thời lượng dạy lớp khơng đủ để truyền đạt hết kiến thức cho học sinh LIÊN HỆ NHẬN FILE WORD CÁC CHUYÊN ĐỀ LTĐH CÓ GIẢI CHI TIẾT BÁM SÁT CẤU TRÚC BỘ GD, VA NHIỀU TÀI LIỆU HAY KHÁC (DẠY HSG, SKKN, ĐỀ THI HK ) LH THẦY HIẾU 0975219981 (GV TRƯỜNG CHUYÊN BẾN TRE TỈNH BẾN TRE) HIỆN NAY VIỆC BIÊN SOẠN CÁC BÀI DẠY LTDH, DẠY THÊM THƯỜNG TỐN KÉM RẤT NHIỀU THỜI GIAN VÀ CÔNG SỨC VÌ VẬY VỚI MONG MUỐN HỖ TRỢ Q THẦY CƠ TRONG VIỆC CHUẨN BỊ TÀI LIỆU GIẢNG DẠY TÔI XIN CHIA SẼ VỚI QUÝ THẦY CÔ BỘ TÀI LIỆU MÀ TƠI ĐÃ NHIỀU NĂM BIÊN SOẠN GIẢNG DẠY CĨ CHỈNH SỬA BỔ SUNG NHIỀU LẦN CHO HOÀN THIỆN VỚI MONG MN THU LẠI CHÚT PHÍ NHẰM BÙ ĐẮP SỨC LAO ĐỘNG CÁM ƠN Q THẦY CƠ GV: Lê Chí Hiếu 30 Tĩnh học vật rắn TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình, 2006, Vật lý 10, Nhà xuất Giáo dục, 232 trang Lương Duyên Bình, 2006, Bài tập vật lý 10, Nhà xuất Giáo dục,199 trang Bùi Quang Hân (chủ biên), 1998, Giải toán vật lí 10, tập 1, Nhà xuất Giáo dục, 338 trang Nguyễn Thế Khôi, 2006, Vật lý 10 nâng cao, Nhà xuất Giáo dục, 336 trang Phạm Văn Thiều, 2009, Một số vấn đề nâng cao vật lí trung học phổ thơng, Nhà xuất Giáo dục, 212 trang GV: Lê Chí Hiếu 31 ... nên mơn học, thiếu mơn học khơng cịn ý nghĩa khơng có khoa học GV: Lê Chí Hiếu Tĩnh học vật rắn Phần I TÓM TẮT LÝ THUYẾT I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Trong tĩnh học có ba khái niệm là: Vật rắn tuyệt... sát vật coi vật rắn tuyệt đối 1.2 Cân Vật rắn gọi cân vị trí khơng thay đổi so với vị trí vật chọn làm mốc gọi hệ qui chiếu Trong tĩnh học hệ qui chiếu chọn hệ qui chiếu qn tính cân vật rắn gọi... THẦY CÔ GV: Lê Chí Hiếu 30 Tĩnh học vật rắn TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình, 2006, Vật lý 10, Nhà xuất Giáo dục, 232 trang Lương Duyên Bình, 2006, Bài tập vật lý 10, Nhà xuất Giáo dục,199