- Do góc nghiêng của cầu là không đổi, để ô tô không bị lăn hay trượt xuống thì lực ma sát nghỉ cực đại sẽ phải lớn hơn hoặc bằng giá trị xác định, từ đó các kĩ sư sẽ tính toán được[r]
(1)Bài 25: Thực hành: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT I- Mục tiêu cần đạt:
- Giúp học sinh xác định hệ số ma sát trượt hệ số ma sát nghỉ cực đại hai vật thực nghiệm
1 Kiến thức:
- Củng cố kiến thức lực ma sát, cân lực, động học, động lực học tĩnh học
- Biết vận dụng kiến thức để thiết kế phương án xác định hệ số ma sát
2 Kĩ năng:
- Biết cách dùng lực kế, mặt phẳng nghiêng, thước đo góc, cổng quang điện, … , qua củng cố thao tác thí nghiệm xử lí kết
- Hình thành, củng cố kĩ làm việc nhóm cho học sinh
- Phát triển lực phân tích, tổng hợp, suy nghĩ logic, tự thiết kế phương án cho học sinh
3 Thái độ
- Rèn luyện thái độ tích cực việc thiết kế phương án thí nghiệm làm việc nhóm
- Có thái độ giữ gìn, cẩn thận sử dụng thiết bị thí nghiệm đồng thời có thái độ đắn việc đo đạc xử lí số liệu
II – Chuẩn bị Giáo viên
Chuẩn bị sẵn dụng cụ cần thiết để cuối lớp, bao gồm:
- Mặt phẳng nghiêng ( MPN ) có gắng thước đo góc dây rọi
- Nam châm điện gắn đầu (MPN) có hộp cơng tắc đóng ngắt thả vật thực thí nghiệm
- Giá đỡ thay độ cao
(2)- Đồng hồ số - Cổng quang điện E
- Thước thẳng có độ chia nhỏ mm - Miếng Ê ke dùng để xác định vị trí vật - Khối gỗ hình chữ nhật, ván phẳng - Lực kế
- “Phao cứu trợ” Học sinh
- Ôn tập đặc điểm lực ma sát, định luật II Niu-tơn phương pháp động lực học
- Chuẩn bị trước phương án thiết kế để đo hệ số ma sát nghỉ cực đại hệ số ma sát trượt
II- Tiến trình dạy học
Hoạt động giáo viên
Hoạt động học sinh
Nội dung viết bảng ?Trước vào học mới, cô
và em quan sát hình ảnh sau Sau quan sát hình ảnh em nói cho biết nhận xét em hình ảnh
- Chúng ta quan sát hình ảnh cầu Ejima Ohashi (Eshima Ohashi) thành phố Matsue, Nhật Bản, biết đến cầu dốc đứng giới Nhiều người cho rằng, việc xây dựng cầu
-Đó hình ảnh cầu Trên cầu có phương tiện lưu thơng Một đặc điểm cầu dốc so với cầu bình thường khác
(3)một nhóm kỹ sư nghiệp dư, khơng tính tốn trước khó khăn gặp phải cho người đường Tuy nhiên, thực tế lại cho thấy lý cầu Ejima q cao dốc cần dành khơng gian cho tàu lớn 500 bên ?Yêu cầu đặt kĩ sư phải thiết kế cầu có đặc điểm (khi độ dốc không đổi), để có tơ phanh cầu, bánh xe khơng tự lăn mà khơng tự trượt được? Gợi ý: Các em liên hệ kiến thức trước, coi vật đặt mặt phẳng nghiêng - Do góc nghiêng cầu khơng đổi, để ô tô không bị lăn hay trượt xuống lực ma sát nghỉ cực đại phải lớn giá trị xác định, từ kĩ sư tính tốn hệ số ma sát nghỉ cực đại cần thiết Họ phải chọn cách chế tạo, tìm vật liệu phù hợp để làm mặt cầu cho hệ số ma sát nghỉ mặt cầu bánh xe ô tô lớn giá trị tính Vì vậy, kĩ sư phải đo hệ số ma sát nghỉ trường hợp khác để tìm vật liệu phù hợp, thỏa mãn yêu cầu đặt Vậy có cách để đo hệ số ma sát? Hôm tìm hiểu
- Ơ tơ khơng lăn khơng trượt có lực ma sát nghỉ tác dụng lên tơ Tổng vecto lực tác dụng lên vật
Dựa vào sở lí thuyết,
II- Xác định hệ số ma sát nghỉ
(4)em cho biết hệ số ma sát tính nào?
? Lớp có bạn có phương án xác định hệ số ma sát nghỉ chưa nhỉ? Gợi ý: Dựa vào tình nêu đầu - Ta xét vật khối lượng m nằm mặt phẳng nghiêng có góc nghiêng α (gv vẽ hình lên bảng)
? Có lực tác dụng lên vật?
? Vậy em làm cách để xác định hệ số ma sát nghỉ cực đại trường hợp này?
? Thế em lại đo góc nghiêng vật bắt đầu chuyển động?
- Bây giờ, theo phương án này, em làm nhanh giấy, thử biểu
- Em đo hệ số ma sát nghỉ cực đại vật mặt phẳng nghiêng
- Trọng lực ⃗P
, phản lực ⃗N ,
lực ma sát
⃗F
ms hướng lên
trên, chống lại xu hướng chuyển động vật
- Em nâng dần góc nghiêng mặt phẳng đến vật bắt đầu chuyển động đo góc nghiêng dùng
phương pháp động lực học để tính hệ số ma sát nghỉ cực đại - Vì vật chịu tác dụng lực ma sát nghỉ, lực ma sát nghỉ đạt giá trị lớn
μ=Fms N
Phương án 1: Xác định hệ số ma sát nghỉ mặt phẳng nghiêng
- Cách làm: Nâng dần mặt phẳng nghiêng
(5)diễn mối quan hệ hệ số ma sát nghỉ đại lượng cho ? Các em có nhận xét kết trên?
? Thế có cách xác định góc nghiêng α nhỉ?
? Ngồi cách cịn đo hệ số ma sát nghỉ cực đại cách khác không?
Gợi ý: Dùng lực kế
? Tại số lực kế lúc vật bắt đầu chuyển động lại độ lớn lực ma sát nghỉ?
- Muốn xác định hệ số ma sát nghỉ cực đại ta phải đo góc nghiêng α
- Dùng thước đo góc dây rọi, dùng thước kẻ đo cách cạnh tính trực tiếp
tanα
- Dùng lực kế kéo vật mặt phẳng nằm ngang, đến lúc vật bắt đầu chuyển động đọc số lực kế, độ lớn lực ma sát nghỉ cực đại Từ suy giá trị hệ số ma sát nghỉ cực đại
- Trong trình kéo vật mà vật chưa chuyển động lực ma sát nghỉ ln lực đàn hồi lực kế, vật bắt đầu chuyển động lực đàn hồi lực ma sát
- Đo góc nghiêng α: +Thước đo góc, dây rọi
+Dùng thước kẻ
Phương án 2: Xác định hệ số ma sát nghỉ mặt phẳng ngang
⃗F
kế
(6)? Công thức biểu diễn hệ số ma sát nghỉ cực đại trường hợp gì?
*Lưu ý: kéo lực kế phải việc phải kéo từ từ, cịn phải kéo lực kế cho trục nằm song với mặt phẳng nằm ngang, trực lực ma sát nghỉ lực ma sát nghỉ lực đàn hồi lực kế hai lực cân
- Như biết, kết phép đo
khơng hồn toàn với giá trị thật đại lượng cần đo Nói cách khác với phép đo ta phải lấy giá trị gần tính sai số đại lượng cần đo - Chúng ta chưa có dụng cụ để đo trực tiếp hệ số ma sát Như hệ số ma sát đại lượng đo gián tiếp Sai số hệ số ma sát phụ thuộc vào sai số đại lượng tính
? Em cho cô biết sai số hệ số ma sát nghỉ cực đại hai phương án tính khơng?
? Nếu tanα tính
bằng thương chiều cao mặt phẳng h với chiều dài cạnh đáy d sai số
nghỉ cực đại
- Phương án 1: Sai số hệ số ma sát nghỉ phụ thuộc vào sai số góc
nghiêng α
μnmax=Fkế N
b, Xử lí số liệu
Phương án 1:
μnmax=tanα
Trong đó,
α= ´α ± ∆ α đo
(7)hệ số ma sát trượt tính nào?
- Phương án 2: Sai số hệ số ma sát nghỉ phụ thuộc vào số lực kế
∆ μ µ =
∆ h h +
∆ d d
Phương án 2:
∆ μ=∆ Fmax mg
? Quay trở lại phương án 1, vật không nằm yên mặt phẳng mà vật trượt xuống sao? Khi đó, hệ số ma sát trường hợp hệ số ma sát gì? Và ta phải xác định hệ số ma sát cách nào?
? Xét vật trượt không vận tốc ban đầu mặt
phẳng nghiêng góc α so
với phương ngang Em thiết lập biểu thức tính hệ số ma sát trượt vật mặt phẳng nghiêng? * Lớp thảo luận theo nhóm bàn Thời gian thực nhiệm vụ phút Sau hoàn thành nhóm trình bày kết lên bảng
- Nhận xét kết ? Từ biểu thức, em cho cô biết để xác định hệ số ma sát trượt ta cần đo đại lượng nào? * Lưu ý: thực hành cần ý tới góc nghiêng đủ lớn cho vật
- Là hệ số ma sát trượt Em tính thêm gia tốc, áp dụng định luật II Niu-tơn giải tốn phương pháp động lực học tính hệ số ma sát nghỉ trường hợp
- Lớp thảo luận
- Cần đo góc
nghiêng α (dùng
thước đo góc dùng hàm lượng giác phần trên)
III- Xác định hệ số ma sát trượt a, Thiết kế thí nghiệm
Phương án 3: Xác định hệ số ma sát trượt mặt phẳng nghiêng
μ=tanα− a gcosα
- Đo góc nghiêng
(8)trượt khơng vận tốc ban đầu Góc nghiêng thích
hợp vào khoảng 20-300
(Có thể hỏi HS khác HS không trả lời tiếp)
? Để đo gia tốc a phải tính thơng qua biểu thức cần đo đại lượng nào?
(Có thể hỏi rõ để kiểm tra kiến thức HS thấy hs chưa chắn rõ ràng: Em dựa vào biểu thức sao?)
? Em dùng dụng cụ để đo thời gian? Vì sao? (- Nếu lựa chọn em dùng dụng cụ nào? Vì sao?)
- Thêm lợi ích dùng cổng quang điện là: quãng đường vật
khoảng cách cổng quang
- Sau phân tích thiết kế xác định hệ số ma sát trượt cách cho vật trượt không vận tốc mặt phẳng nghiêng em nêu bước tiến hành thiết kế - Chốt phương án thí nghiệm kết hợp gộp xếp bước tiến
- Cần đo gia tốc a Do vật trượt mặt phẳng nghiêng nên chuyển động vật chuyển động nhanh dần mà vật trượt không vận tốc đầu => a=2s
t2
+ Đo quãng đường s, thời gian chuyển động t
+ Đồng hồ bấm giây
+ Cổng quang điện - Dùng cổng quang điện đo xác
- Nêu bước tiến hành
- Xác định gia tốc a
Trong đó,
a=2s t2
(9)hành sgk
? Ngoài phương án 3, có cách khác để xác định hệ số ma sát trượt không?
Gợi ý: Nhớ lại ví dụ lực ma sát
? Tại em lại kéo ván đều? Nếu kéo nhanh dần có hay khơng?
? Vì số lực kế lại độ lớn lực ma sát Em chứng minh cho lớp ý kiến em? * Biểu diễn vẽ lực theo mô tả học sinh Gọi tên vật vật 1, ván vật để dễ kí hiệu lực hình cho học sinh dễ mô tả
- Lưu ý cho học sinh: cần kéo ván Chúng ta làm để kiểm tra chuyển động ván? (Gợi ý: có dụng cụ thí nghiệm giúp giải yêu cầu không?)
- Vậy áp dụng băng giấy cần rung em thiết kế vị trí đặt chúng hoạt động để giúp ta
Cho vật chuyển động mặt phẳng ngang - Đặt vật lên ván
- Một đầu lực kế cố định, đầu lại gắn vào vật
- Kéo ván - Không kéo số lực kế độ lớn lực ma sát - Nêu, phân tích lực tác dụng lên vật ván (tại chỗ)
- Có dụng cụ: băng giấy cần rung dùng đo gia tốc rơi tự vật
Phương án 4: Xác định hệ số ma sát trượt mặt phẳng ngang
(10)kiểm tra chuyển động ván? * Hỏi lớp xem có thêm học sinh biết khơng khơng GV trình bày
+ Nêu lại sơ nguyên tắc hoạt động dụng cụ: băng giấy cần rung Khi băng giấy chuyển động qua thoi chấm mực cần rung 0,02s thoi chấm mực văng mực lên băng giấy Nếu vật chuyển động vết mực liên tiếp băng giấy đánh dấu khoảng + Áp dụng: gắn băng giấy vào đầu lại ván Lắp cần rung băng giấy Lưu ý: cần rung cách hệ chuyển động ban đầu khoảng quan sát vết mực cần ý quan sát cần bỏ qua vết mực ban đầu lúc đầu có khoảng chênh thời gian thực thí nghiệm thoi mực chấm mực
- GV chốt phương án cách tiến hành:
Trong sgk mơ tả rõ tiến trình thực thí nghiệm nhiên để thuận tiện việc tiến hành xếp lại (gv ghi bước lên bảng)
- Lắng nghe phản hồi chưa hiểu
- Học sinh giáo viên thống
nhất bước làm - Cách làm:+ Đo khối lượng
của vật để tìm phản lực N
(11)? Tương tự hệ số ma sát nghỉ, xử lí số liệu hệ số ma sát trượt nào?
*Chú ý: gia tốc a đại lượng đo gián tiếp
vào ván liên kết với cần rung + Đặt vật tiếp xúc với ván mặt phẳng ngang + Kéo ván + Thực 3-4 lần
b, Xử lí số liệu - Phương án 3:
μ=tanα− a gcosα
Trong đó,
∆ a=2∆ s t2 α= ´α ± ∆ α
- Phương án 4:
∆ μ=∆ Fms mg
IV- Tiến hành thí nghiệm
Phân chia hoạt động cho học sinh làm thí nghiệm
* Chia lớp thành nhóm thực hành thí nghiệm:
- (Nếu có nhiều thời gian) Sau lớp thực hành đo hệ số ma sát Lớp thực hành theo trạm, chia lớp làm bốn nhóm, tương ứng với bốn phương án thí nghiệm Mỗi nhóm quyền chọn phương án thí nghiệm để làm trước, sau làm xong chuyển sang thí nghiệm nhóm khác Cứ thế, bốn nhóm làm bốn thí nghiệm, báo cáo kết với cô đối chiếu kết với nhóm khác Thời gian thực hành: 20 phút (cô giáo ghi lên bảng)
- (Nếu khơng có nhiều thời gian) Do hơm khơng cịn nhiều thời gian nên làm hai phương án thí nghiệm (một đo hệ số ma sát trượt, đo hệ số ma sát nghỉ) Lớp chia thành bốn nhóm, nhóm làm hai phương án Do phương án phức tạp phải dùng cần rung để kiểm
(12)ma sát nghỉ, nhóm chọn cho phương án tùy thích Dụng cụ thí nghiệm để cuối lớp, nhóm cử vài bạn xuống lấy đi, nhớ cầm cẩn thận Thời gian thực hành: 10 phút (cô giáo ghi lên bảng)
*Trong bạn xuống lấy dụng cụ thí nghiệm em cịn lại nhóm tranh thủ thiết kế bảng ghi số liệu, để thuận tiện cho việc ghi chép xử lí số liệu Nếu gặp khó khăn lên hỏi cơ, cô chuẩn bị “phao cứu hộ” bảng báo cáo để em tham khảo, lưu ý “phao cứu hộ” phát lần thứ sau phút thứ sau phút lần Cả lớp rõ chưa nhỉ?
“Phao cứu hộ”
Phương án 4: Đo hệ số ma sát trượt mp ngang
Fo kế =…… m = ……
n Fms=Fkế μ=
Fms mg
1 F1= μ1=¿
2 F2= μ2=¿
3 F3= μ3=¿
Giá trị trung bình
´
F=¿ ´μ=¿
Sai số ∆ F=¿ ∆ μ=¿
Viết kết phép đo hệ số ma sát trượt
μt= ±
Phương án 3: Đo hệ số ma sát trượt mp nghiêng
n t
a =
2s
t2 μt=tanα−
a gcosα
1 t1 = a1 = 1 =
2 t2 = a2 = 2 =
3 t3 = a3 = 3 =
Giá trị trung bình
(13)Sai số ∆ a=¿ ∆ μ=¿
Viết kết phép đo hệ số ma sát trượt
μt= ±
Phương án 2: Đo hệ số ma sát nghỉ mp ngang
Fo kế =…… m = ……
n Fmsmax=Fkế μ=
Fmsmax mg
1 F1= μ1=¿
2 F2= μ2=¿
3 F3= μ3=¿
Giá trị trung bình
´
F=¿ ´μ=¿
Sai số ∆ F=¿ ∆ μ=¿
Viết kết phép đo hệ số ma sát nghỉ
μn= ±
Phương án 1: Đo hệ số ma sát nghỉ mp nghiêng
Cách 1: đo góc thước đo độ
n α μ=tanα
1 α1 1 =
2 α2 2 =
3 α3 3 =
Giá trị trung bình
´
α=¿ μt =
Sai số ∆ α=¿ ∆ μ=¿
Cách 2: cách xác định tanα thước kẻ
n h d μ=h
(14)1 h1 d1 1 =
2 h2 d2 2 =
3 h3 d3 3 =
Giá trị trung
bình
´
h=¿ d´=¿ μt =
Sai số ∆ h=¿ ∆ d=¿ ∆ μ=¿
Viết kết phép đo hệ số ma sát nghỉ
μn= ±
Bảng thí nghiệm tham khảo đo hệ số ma sát nghỉ: Phương án 1:
Lần đo Góc nghiêng α μnmax
1 30 0.577
2 31 0.601
3 29 0.554
Phương án 2: g=9.8 m/s2
Lần M(kg) Fkế (N) μnmax
1 0.15 0.826 0.562
2 0.15 0.825 0.561
3 0.15 0.82 0.558
4 0.18 0.988 0.56
5 0.18 0.982 0.557