SKKN KINH NGHIỆM bồi DƯỠNG học SINH GIỎI DẠNG bài tập cân BẰNG vật rắn vật lý lớp 10

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT THIỆU HÓA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI: KINH NGHIỆM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI DẠNG BÀI TẬP CÂN BẰNG VẬT RẮN VẬT LÝ LỚP 10 Người thực hiện: Đỗ Đình Tuân Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực mơn: Vật lý THANH HĨA NĂM 2019 MỤC LỤC STT NỘI DUNG I MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA SKKN II NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.2 BÀI TẬP MINH HỌA 2.3 BÀI TẬP THAM KHẢO 2.4 HIỆU QUẢ CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM III KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO TRANG 2 2 3 3 15 18 18 19 I MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong q trình giảng dạy vật lý thân tơi tâm đắc làm để giúp học sinh nắm kiến thức nâng cao yêu cầu thiết thực mà giáo viên cần phải quan tâm, nghiên cứu Theo kinh nghiện thân: điều giáo viên phải làm tạo thái độ động học tập đắn, tích cực cho học sinh, để có điều giáo viên phải giúp học sinh nắm vững kiến thức sách giáo khoa, biết phân loại phương pháp giải tập cho phù hợp Thực tế, chương trình vật lý lớp 10 có nội dung tương đối khó, nhiều học sinh nói chung, có nhiều dạng nhiều phương pháp giải khác Khi giảng dạy học sinh nhiều năm chương ‘‘cân vật rắn’’ nhận thấy khả tiếp thu em chậm, đến tiết ôn thi học sinh thường cảm thấy không tự tin lúng túng việc tiếp thu kiến thức giải tập Riêng với mơn Vật lí, đổi phương pháp dạy học khắc phục phương pháp truyền thụ chiều, rèn luyện thói quen, nếp sống tư sáng tạo người học Để thực nhiệm vụ cần phải bồi dưỡng cho học sinh phương pháp học tập để phát triển tư nhận thức kỹ vận dụng kiến thức vào thực tế Muốn nâng cao chất lượng học tập mơn vật lí phải có nhiều yếu tố đồng hành việc áp dụng phương pháp hướng dẫn giải tập vật lý đóng vai trị quan trọng Trong q trình giải mơn vật lí lớp 10 nói chung tập phần “ cân vật rắn ” nói riêng Việc định hướng cho em giải tập cần thiết, nhằm giúp cho em làm quen với việc giải tập dạng dạng nâng cao để thi tốt kì thi học sinh giỏi … Với lí mà tơi nghiên cứu viết đề tài “Kinh nghiệm bồi dưỡng học sinh giỏi chương cân vật rắn vật lý 10” Với biện pháp này, đề tài giúp học sinh có thái độ học tập tích cực hơn, tự vận dụng vấn đề cách sáng tạo hơn, từ học sinh cảm thấy say mê học mơn vật lí 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU + Phân loại dạng cân vật rắn, chia dạng tập phù hợp + Đưa cách giải xác cho tốn “cân vật rắn” + Chỉ sai lầm mà học sinh dễ mắc phải giải toán “cân vật rắn” từ hướng dẫn học sinh cách giải xác + Tạo tập tài liệu phục vụ thân, đồng nghiệp em học sinh lớp 10 q trình ơn thi HSG cấp Tỉnh 1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1.3.1 Đối tượng sử dụng đề tài: + Giáo viên dạy môn Vật lý lớp 10 tham khảo để hướng dẫn học sinh giải tập, đặc biệt q trình ơn thi HSG cấp tỉnh + Học sinh học lớp 10 luyện tập để kiểm tra, thi HSG cấp tỉnh 1.3.2 Phạm vi áp dụng: Chương Cân vật rắn Vật lý lớp 10 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hệ thống công thức, kiến thức liên quan phương pháp giải cho dạng Tập hợp tập điển hình sách giáo khoa, sách tập, tài liệu tham khảo, đề thi HSG cấp tỉnh tỉnh toàn quốc Có hướng dẫn giải đáp số tập minh họa để em học sinh kiểm tra so sánh với giải 1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA SKKN + Học sinh thường lúng túng gặp tập cân vật rắn khơng biết thuộc dạng nào, dùng phương pháp Vì tơi phân dạng cụ thể, rõ ràng để em nhận biết từ đưa phương pháp giải xác + Phần khó cân vật rắn tập cân tổng quát vật rắn có trục quay cố định, trục quay tức thời, em thường khơng biết cách phân tích lực (phương, chiều) tác dụng lên vật rắn nên lúng túng cách giải Trong sáng kiến cho em cách phân tích lực tác dụng lên vật rắn cách xác, đầy đủ đưa phương pháp giải cho dạng cân để em dễ dàng nắm bắt làm tập + Cung cấp cho học sinh quy tắc phân tích phản lực tác dụng trục quay: - Nếu trục quay cố định (bản lề) phản lực trục quay có phương qua điểm đồng quy lực tác dụng lên vật - Nếu trục quay tức thời (vật tựa vào tường) phản lực tác dụng trục quay có phương vng góc với mặt phẳng tiếp xúc II NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN 2.1.1 Phân dạng cân vật rắn Cân vật rắn chia thành dạng: + Cân vật rắn chịu tác dụng lực không song song + Cân vật rắn có trục quay cố định + Điều kiện cân tổng quát vật rắn 2.1.2 Điều kiện cân vật chịu tác dụng lực không song song là: F F2 F3 (1)F1 F2 F3(2) Vậy lực thỏa mãn: đồng phẳng (cùng mặt phẳng), đồng quy, hợp lực cân với lực thứ F12 Phương pháp giải: Với trường hợp vật cân chịu tác dụng lực không song song Cách 1: Từ phương trình (2) ta tổng hợp lực F1 , F F F =- F3 F12 theo quy tắc hình bình hành, ta có F12 F Ta có F F 12 12 F3 Từ giản đồ véc tơ sử dụng hàm số cos sin tam giác ta tính tốn kết toán F3 Cách 2: chọn hệ trục tọa độ oxy phù hợp, sau chiếu phương trình (1) lên ox, oy Ta được: F1x + F2x + F3x = F1y + F2y + F3y = Giải hệ phương trình ta kết toán 2.1.3 Cân vật rắn có trục quay cố định a) Định nghĩa momen lực : Là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm vật quay lực Biểu thức : M F.d ( đơn vị : N.m ) Trong : F độ lớn lực tác dụng F1 d d cách tay đòn F1 Cánh tay đòn khoảng cách từ trục quay đến giá lực d F AB.sin cách tay đòn d F2 AC.sin lực F1 cách tay đòn lực F A C d F F2 B b) Điều kiện cân bằng: M = M’ M tổng mô men lực làm cho vật quay chiều kim đồng hồ M’ tổng mô men lực làm cho vật quay ngược chiều kim đồng hồ Phương pháp: Xác định độ lớn lực làm vật quay chiều kim đồng hồ cánh tay đòn chúng F1, d1 ; F2, d2 ; ; Fn, dn Xác định độ lớn lực làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ cánh tay đòn chúng F1’, d1’ ; F2’, d2’ ; ; Fn’, dn’ Từ điều kiện cân ta có : F1.d1 + F2.d2 + + Fn.dn = F1’.d1’ + F2’.d2’ + + Fn’.dn’ 2.1.4 Điều kiện cân tổng quát vật rắn Phương pháp: +) Phân tích lực tác dụng vào vật +) Xác định vị trí trục quay vật +) Điều kiện để vật không chuyển động tịnh tiến F (1) (tổng hợp lực tác dụng vào vật 0) +) Điều kiện để vật không quay M = M’ (2) M tổng Momen lực vật quay theo chiều kim đồng hồ M’ tổng Momen lực vật quay ngược chiều kim đồng hồ +) Từ phương trình (1) (2) ta giải kết tốn 2.2 CÁC VÍ DỤ MINH HỌA 2.2.1 Ví dụ minh họa dạng cân vật chịu tác dụng lực không song song Bài 1: Một vật có khối lượng 3kg treo hình vẽ,thanh AB vng góc với tường thẳng đứng, CB lệch góc 600 so với phương ngang Tính lực căng dây BC áp lực AB lên tường hệ cân Lấy g 10m / s2 C A 1200 B Giải: Ta có P = mg = 3.10=30 (N) Cách 1: Biểu diễn lực hình vẽ Theo điều kiện cân TBCTABP0 PT0 T C P T A P T với T T AB T BC Từ giản đồ véc tơ ta có: P T BC sin 30 T BC B TBC 300 P P T BC 30 20 3(N) cos 30 0T cos 300 T T AB T sin 30 AB T T AB BC BC 20 10 3(N) Cách 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy hình vẽ Theo điều kiện cân bằng: TBC TAB P Chiếu theo Ox: - TAB + TxBC = TAB = TBC.sin300 y Chiếu theo Oy: TyBC P cos 30 TBC P P TBC AB TyBC300 TBC 20 3(N) cos 30 Thay vào ( ) ta có : T C 30 10 3(N) 20 A T AB TxBC x B P Bài 2: Cho vật có khối lượng kg treo hình vẽ, có bán kính 10 cm Với dây treo có chiều dài 20 cm Xác định lực căng dây lực tác dụng vật lên tường Lấy g 10m / s2 Giải: Ta có P = mg = 6.10=60 (N) sin R 10 l 20 30 Cách 1: Biểu diễn lực hình vẽ Theo điều kiện cân F T T TNP0FT0 FN F T P Cos30 PF P 60 40 3(N) T 40 3(N) F Cos30 Sin30 N N F.Sin30 F 0 40 20 3(N) TOB thành hai lực Cách 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy hình vẽ Phân tích hình vẽ Theo điều kiện cân y Tx T y P N Chiếu theo Ox: T N T.Sin30 T N (1) x T Chiếu theo Oy: T P Cos30 P T P T y Cos30 40 3(N) T x ,Ty T y O N x x P Thay vào ( ) ta có: N 40 20 3(N) Bài 3: Thanh nhẹ AB nằm ngang gắn vào tường A, Đầu B nối với tường dây BC không dãn.Vật có khối lượng m = 1,2 kg treo vào B dây BD Biết AB = 20cm, AC = 48cm.Tính lực căng dây BC lực nén lên AB Giải: Ta có P = mg = 1,2.10=12(N) cos CA CA 48 12 ; tan CB CA AB 52 13 Cách 1: Biểu diễn lực hình vẽ Theo điều kiện cân TNP0 FN0 F tan 20 AC 48 ; sin 12 AB 20 CB 52 13 C T F N F N PT T cos AB P cos N F P 12 13 N 12 13 P tan 12 5N 12 A F B N P Chiếu theo Oy: Cách 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy hình vẽ Phân tích TOB thành hai lực T xOB kiện cân hình ,TyOB TNP0 T x T y N P Chiếu theo Ox: N Tx N Tx N sin T (1) y A vẽTheo điều O Tx P BT Ty N x Giải: Ta có: P mg 10.10 100 N F Theo điều kiện cân Momen lực M M F.d F F P.d P dF P Với d P cos 30 AB d F sin 60 AB F.sin 60 30 0 30 AB 100.cos AB F 50N A 60 B P d P Bài 5: Một người nâng ván AB có khối lượng 40 kg với lực F để ván nằm yên hợp với mặt đường góc 30o Xác định độ lứn lực trường hợp : a Lực F hướng vuông góc với ván b Lực F hướng vng góc với mặt đất F Giải: Ta có: P mg 40.10 400 N F a Theo điều kiện cân Momen lực M MP F.d F P.dP Với d P cos 30 AB ; d F AB AB B F 300 F.AB 400.cos 30 F A 1003N d P P b Theo điều kiện cân Momen lực M F MP F.d F F P.dP B Với d P cos 30 AB 300 d F cos 30 F.AB.cos 30 0 P AB AB 400.cos 30 N2 F 200 Bài 6: Một AB có khối lượng 15kg có trọng tâm G chia đoạn AB theo tỉ lệ BG=2AG hình vẽ Thanh AB treo lên trần nhà dây nhẹ , khơng dãn , góc =30o Dây BC vng góc với AB Biết AB dài 1,2 m Tính lực căng dây dây BC ? Giải: Ta có: P mg 15.10 150 N A d P AG B C Theo điều kiện cân M T MP F.d T G P.dP P C B T Với d P cos 30 d AG AB 3AG T T.3.AG P.cos 30 0.AG 25 N T.3 150 Bài 7: Cho gỗ hình hộp chữ nhật hình vẽ có khối lượng 50 kg với OA=80cm;AB=40cm Xác định lực F tối thiểu để làm quay khúc gỗ quanh cạnh qua O Lấy g=10m/s2 Giải: Ta có: P mg 50.10 500 N BA F O Theo điều kiện cân Momen lực M F MP F.d F P.dP AB Với d P dF 20 cm AO 80 2 B A d d 40 cm PF P F.0,4 500.0,2 F 250 N F O Bài 8: Thanh đồng chất AB = 1,2m, trọng lượng P = 10N Người ta treo trọng vật P1 = 20N, P2 = 3N A, B đặt giá đỡ O để cân Tính OA Giải: Các lực tác dụng lên AB: Các trọng lượng P1,P2 ,P đặt A, B, I Theo điều kiện cân Momen ta có MP MP I OB MP P1.OA+P.OI=P2.OB P1 OA + P(OA – AI) = P2 (AB – OA) OA A P1 P2 AB P.AI 0,7m P1P2P P P2 2.2.3 Ví dụ minh họa dạng cân tổng quát vật rắn Bài 1: Thanh BC khối lượng m1 = 2kg, gắn vào tường lề C Dầu B treo vật nặng có khối lượng m2 = 2kg giữ cân nhờ dây AB hình vẽ Biết AB AC, AB AC Xác định phản lực C BC tác dụng lên Lấy g 10 m / s2 Giải: Ta có lực tác dụng lên BC: - Trọng lực P1 thanh: P1 m1 g 2.10 20 N - Lực căng dây treo m2, trọng lực P2 m2 P2 m2 g 2.10 20 N - Lực căng T dây AB 10 A C B m2 MT M T.CA MPT d T P1 d P1 P2 dP2 P P1 P2 AB Theo AC AB T P Theo điều kiện cân lực : P1P2TN0 - Chiếu (1) lên Ox: T N x N x T 30N P P N N P P 40N y y tường tác dụng lên BC N x2 N y2 50N N Với tan Nx Ny C 30 40 (1) y x N P1 O x Phản lực 370 A C Bài 2: Thanh AB khối lượng m = 2kg; đầu B dựng vào góc tường, đầu A nối với dây treo AC cho BC = AC BC góc với AC Tìm lực tác dụng lên Lấy B g 10 m / s2 P2 y P2 30N - Chiếu (1) lên Oy: B I N N AB T A - Lực đàn hồi N lề C Theo điều kiện cân Momen: vuông Giải: Vì BC = AC nên 45 Theo điều kiện cân Momen: M P M P.d T T.AB sin T P P T d AB cos mg 2.1 10 N 2tg 2.1 T C T A B Chọn hệ quy chiếu Oxy hình vẽ Chiếu Oy: N1 P m g 2.10 20 N Chiếu Ox: N T 10N Bài 3: Thanh AB có khối lượng m = 15kg, đầu A tựa N2 P B C sàn nhám, đầu B nối với tường dây BC nằm ngang, góc 600 a Xác định độ lớn lực tác dụng lên AB Tìm giá b Cho hệ số ma sát AB sàn k A trị để cân Biết dây BC nằm ngang Lấy g 10 m / s2 Giải: a Ta có P mg 1, 5.10 150 N Theo điều kiện cân vật rắn quay quanh trục A: M T M P T d T P.dP y C x O N1 Theo điều kiện cân lực: PTN1N20 y O x T N B O Pf 11 A m s T.AB.sin P 11 150 22 T AB cos * 253N Chọn hệ quy chiếu Oxy hình vẽ Theo điều kiện cân vật rắn P N f ms (1) T f ms T f ms 25 N Chiếu (1) lên Ox: Chiếu (1) lên Oy : P N N P 150 N P.cotg b Từ ( * ) ta có: T Lúc Fms lực ma sát nghỉ: Fms kN mg.cot g k.mg cot g 2k 30 Bài 4: Thanh BC nhẹ, gắn vào tường lề C Đầu B treo vật nặng có khối lượng m = 4kg giữ cân nhờ dây treo AB Cho AB = 30cm, AC = 40cm Xác định lực tác dụng lên BC Lấy g 10 m / s2 B Giải: Cân trục quay C: MT MP T.AC P mg 40N; T P.AB AB AC Phản lực N có hướng CB Theo điều kiện cân vật rắn TPN0 Chiếu lên hệ trục Oxy N.sin Mà sin T N BC AB AC N P C T sin AB AB T A mg 30N x O N 50N y Bài 5: Cho vật có khối lượng m = 6kg treo vào tường dây BC AB Thanh AB gắn vào tường lề A, ta có AB = 30cm BC = 60cm Tìm lực tác dụng lên AB hai trường hợp sau: a Bỏ qua khối lượng b Khối lượng AB 3kg A C Khi tăng góc ACB lực căng dây BC thay đổi ? Giải: Ta có P mg 6.10 60 kg A 12 C T N B y B P x AB 30 SinACB BC 60 ACB 30 ABC 60 a) Phản lực N có hướng AB T P N 0;T P 40N Chiếu lên Oy T.cos 30 P T P 60 403N cos 300 Chiếu lên Ox T.sin 30 N N 40 b, Phản lực N có phương nằm góc 20 N Cân trục quay A: M M T P1 M P2 T.AB sin 60 P1 AB P2.AB 50 Ny 3.10.0,5 60 T C A 3N N Chiếu theo Oy: N y Ty P1 P2 Ny T I y Ty B Tx x x O P1 P Phương trình cân lực: T P P N Chiếu theo Ox : N x Tx T cos 60 50 25 N 30 60 50 N 3 15 N N x2 N y2 152 Vậy N Tx N 10 25 T cos 60 x N T 21 N 50 25 N P P ' T ' cos (m m ')g T ' cos y mg 2.Theo ý a ta có: T P Theo ý b ta có: T cos ACB P cos 2 ACB Vậy tăng ACB lực căng T tăng D Bài 6: Thanh AB khối lượng m1 = 10kg, chiều dài l = 3m gắn vào tường lề A Đầu B treo vật 13 A B C m2 nặng m2 = 5kg Thanh giữ cân nằm ngang nhờ dây treo CD; góc Tìm lực tác dụng lên AB biết AC = 2m 450 Giải: Ta có P1 m1 g 10.10 100 N P2 m2 g 5.10 50 N Theo điều kiện cân vật rắn quay quanh truch cố định: M M T P1 M P2 T.AC sin 45 P AB P T AC sin 453 100 T D AB P AB 2 50 P y T yT N 150 N 2 A G O Tx C B P2 P1 Theo điều kiện cân lực vật rắn: x P1P2TN0 Chọn hệ quy chiếu Oxy hình vẽ Chiếu theo Ox ta có: N T cos 45 150 2 150 N C Bài 7: Thanh AB đặt hình vẽ có đầu A tựa sàn, đầu B treo dây BC Biết BC = AB = a Xác định giá trị hệ số ma sát AB sàn để AB cân 60 B A Giải: Theo điều kiện cân vật rắn trục quay mg A: M T M P T.d P.d P T T T T yy Theo điều kiện cân vật rắn chịu tác dụng lực : P T N F ms Chon hệ trục Oxy hình vẽ : T mg Chiếu lên Ox : F ms Chiếu lên Oy : N mg Để cân Fms kN k T mg TGx N f O x P ms mg 3mg 4 0, 58 Bài 8: Cho thang có khối lượng m = 20kg dựa vào tường trơn nhẵn góc nghiêng Hệ số ma sát thang sàn k = 0,6 a Thang đứng yên cân bằng, tìm lực tác dụng lên thang 450 14 b Tìm giá trị để thang đứng yên không trượt sàn c Một người khối lượng m’= 40kg leo lên thang 450 Hỏi người lên đến vị trí O’ thang thang bị trượt Chiều dài thang l = 2m Giải: a Trọng lượng thanh: P = mg = 200N Theo điều kiện cân Momen MM P P AB cos N AB.sin NB N B Theo điều kiện cân lực N P N A N B F ms N A P 200N; Fms NB P F B ms NA 100N b, Điều kiện: Fms