Xây dựng bài thí nghiệm về lực ma sát nhằm phát huy năng lực sáng tạo trong dạy học chủ đề lực ma sát vật lý 10

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT HOẰNG HÓA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VỀ LỰC MA SÁT NHẰM PHÁT HUY NĂNG LỰC SÁNG TẠO TRONG DẠY HỌC CHỦ ĐỀ LỰC MA SÁT – VẬT LÍ 10 Người thực hiện: Đỗ Thị Dương Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc mơn: Vật lí THANH HOÁ NĂM 2021 I MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .2 II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Thực trạng, kết quả, vấn đê nghiên cứu 1.1 Thực trạng 1.2 Nguyên nhân tồn tại, hạn chế 1.3 Phân tích, đánh giá tính cấp thiết sáng kiến Giải pháp để thực sáng kiến 2.1 Nội dung kiến thức trọng tâm lực ma sát 2.1.1 Giới thiệu tượng ma sát 2.1.2 Phân loại lực ma sát 2.1.3.Ứng dụng ma sát 2.1.4.Các biện pháp làm giảm ma sát 2.2 Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu tượng ma sát .7 2.2.1 Công việc chuẩn bị .7 2.2.2 Hệ thống thí nghiệm 2.2.2.1 Đo hệ số ma sát theo phương ngang lực kế 2.2.2.2 Đo hệ số ma sát nghỉ vật trượt mặt phẳng nghiêng .9 2.2.2.3 Xác định hệ số ma sát trượt thơng qua gia tốc trượt góc nghiêng 2.2.2.4 Đề xuất số phương án xác định hệ số ma sát 2.3 Tóm tắt lí thuyết sai số 2.3.1 Phép đo đại lượng vật lí 2.3.2 Sai số phép đo 2.4 Thực hành thí nghiệm 10 2.4.1 Đo hệ số ma sát theo phương ngang lực kế .10 2.4.1.1.Sử dụng lực kế kéo vật theo phương ngang 10 2.4.1.2.Xác định lực ma sát trượt vật trượt 14 2.4.2 Đo hệ số ma sát nghỉ vật trượt mặt phẳng nghiêng .14 2.4.2.1 Đo góc nghiêng ván trượt để tính hệ số ma sát nghỉ cực đại .14 2.4.2.2 Xác định góc nghiêng ván trượt vật kê 15 2.4.3 Xác định hệ số ma sát trượt thông qua gia tốc trượt góc nghiêng 16 2.4.3.1 Dùng thí nghiệm chuẩn 16 2.4.3.2 Thay đổi bề mặt tiếp xúc mặt phẳng nghiêng 19 2.4.4 Đề xuất số phương án xác định hệ số ma sát .20 2.4.4.1 Thay lực kế khối lượng kéo vật trượt 20 2.4.4.2 Dùng lượng đàn hồi (lò xo, dây chun) 21 Kết khả áp dụng, nhân rộng 21 3.1 Đánh giá kết sau thử nghiệm .21 3.2 Dự kiến đóng góp đề tài .22 Giải pháp tổ chức thực .22 III KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 23 Kết luận .23 Đề xuất kiến nghị 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 I MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trước phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật giới yêu cầu hội nhập Quốc tế Đòi hỏi giáo dục Việt Nam cần phải đào tạo người lao động thích ứng với yêu cầu thời đại, có tri thức khoa học cơng nghệ tiên tiến, có kiến thức chun mơn sâu, đồng thời có lực hành động, lực cộng tác làm việc, khả giải vấn đề phức hợp tình thay đổi, khả học tập suốt đời, sử dụng ngoại ngữ giao tiếp làm việc, có tính tự lực trách nhiệm cao Chuyển mạnh trình giáo dục từ chủ yếu trang bị kiến thức sang phát triển toàn diện lực phẩm chất người học Học đôi với hành; lý luận gắn với thực tiễn; giáo dục nhà trường kết hợp với giáo dục gia đình giáo dục xã hội” Trong có mục tiêu cụ thể là: “Đối với giáo dục phổ thông, tập trung phát triển trí tuệ, thể chất, hình thành phẩm chất, lực công dân, phát bồi dưỡng khiếu, định hướng nghề nghiệp cho học sinh Nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện, trọng giáo dục lý tưởng, truyền thống, đạo đức, lối sống, ngoại ngữ, tin học, lực kĩ thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn Phát triển khả sáng tạo, tự học, khuyến khích học tập suốt đời” Nằm chương trình giáo dục phổ thơng, vật lí mơn khoa học thực nghiệm có vai trò trung tâm, gắn liền với phát triển số ngành khoa học tin học, vật liệu mới, mơi trường, y tế, Sử dụng thí nghiệm hay tập thí nghiệm dạy học vật lý quan trọng, khơng tăng tính hấp dẫn cho mơn học, gây hứng thú, tị mị, kích thích ham hiểu biết, mà cịn giúp hiểu biết sâu sắc kiến thức lý thuyết học, tượng vật lí Mặt khác, thơng qua tiến hành thí nghiệm rèn kĩ năng, kĩ xảo góp phần vào giáo dục kĩ thuật cho học sinh, rèn luyện phẩm chất người lao động mới, như: đức tính cẩn thận, kiên trì, trung thực, có lực sáng tạo ứng dụng kiến thức khoa học vào thực tiễn sản xuất, đời sống Thí nghiệm vật lí góp phần đơn giản hoá tượng, làm bật khía cạnh cần nghiên cứu, tạo trực quan sinh động nhằm hỗ trợ cho tư trừu tượng học sinh, giúp học sinh dễ quan sát, dễ theo dõi dễ tiếp thu Để có khiếu, trực giác vật lý, học sinh phổ thông cần rèn luyện thông qua thực nghiệm, thực nghiệm chất tượng tự nhiên bộc lộ để tìm tịi, quan sát, phát Thực tiễn cho thấy kiến thức chủ đề ma sát gắn liền với thực tiễn, có nhiều ứng dụng đời sống giảng dạy chương trình cấp học tổ chức nhiều thí nghiệm để phát triển lực học sinh Với lí tơi nghiên cứu đề tài “Xây dựng thí nghiệm lực ma sát nhằm phát huy lực sáng tạo dạy học chủ đề lực ma sát vật lí lớp 10” Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu sở lí luận vai trị thí nghiệm phát triển, rèn luyện lực thực nghiệm học sinh - Gợi mở cho học sinh xây dựng tiến hành đo đạc, tìm hiểu ý nghĩa vật lý tập thí nghiệm chủ đề lực ma sát nhằm phát triển lực thực nghiệm học sinh Đối tượng nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu thí nghiệm lực ma sát xây dựng tập liên quan - Học sinh lớp 10 trường THPT Hoằng Hóa - Giáo viên dạy mơn Vật lí trường Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận: Tìm hiểu, phân tích, tổng hợp tài liệu giáo dục học, phương pháp nghiên cứu khoa học, lí luận dạy học vật lý Năng lực thực nghiệm học sinh - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: tiến hành xây dựng thí nghiệm, đề xuất phương án thí nghiệm, kết thực nghiệm làm sáng tỏ sở lí thuyết II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Thực trạng, kết quả, vấn đê nghiên cứu 1.1 Thực trạng Vật lí mơn khoa học ứng dụng, hầu hết kiến thức Vật lí rút từ việc quan sát kết thí nghiệm dùng thí nghiệm để kiểm chứng lại lí thuyết dùng kiến thức để giải thích tượng tự nhiên xảy sống Vì vận dụng kiến thức sống giữ vai trò quan trọng giảng dạy Vật lí chương trình phổ thơng, giáo viên cần khơi gợi học sinh khả áp dụng kiến thức vật lí học ứng dụng vào sống Hầu hết giáo viên trọng đến truyền đạt kiến thức Vật lí cho học sinh mà quan tâm đến việc rèn luyện, bồi dưỡng lực cho học sinh Ví dụ lực thực nghiệm, lực giao tiếp, lực đánh giá, phản biện, bác bỏ nhận định, quan điểm Việc sử dụng thí nghiệm dạy học rèn luyện lực thực nghiệm cho học sinh hạn chế Do nguyên nhân sau: + Nội dung kiến thức tiết học tương đối nhiều, thời gian để tiến hành thí nghiệm theo nhóm hạn chế nên giáo viên ngại làm thí nghiệm + Cơ sở vật chất mơn học Vật lí cịn hạn chế thiếu thiết bị, thí nghiệm chưa chuyên nghiệp lắp ráp thí nghiệm nhiều thời gian độ chuẩn xác kết đo thấp dẫn Việc thực thí nghiệm gặp nhiều khó khăn nên học sinh có điều kiện tiếp xúc với thí nghiệm thực hành Giáo viên sử dụng thí nghiệm theo quy định giáo dục Đối với thí nghiệm thực hành, chủ yếu giáo viên tiến hành thí nghiệm, học sinh quan sát thực lại học sinh thực theo hướng dẫn sách giáo khoa Các thí nghiệm thực khóa, có thường mang tính chất minh họa kiến thức, khơng kèm với nhiệm vụ nhận thức, khơng dùng thí nghiệm để rút kết luận kiến thức cần xây dựng, khơng có thí nghiệm kiểm tra tính đứng đắn giả thuyết Việc bổ xung tập thí nghiệm sách giáo khoa Giáo viên chưa hướng dẫn cho học sinh tự chế tạo tiến hành thí nghiệm đơn giản Nguyên nhân chủ yếu quỹ thời gian hạn hẹp Việc chuẩn bị thí nghiệm cho tiết dạy nhiều thời gian Hầu hết học sinh học theo cách học thuộc kiến thức, biết cách giải tập, chưa trọng đến việc nghiên cứu để giải vấn đề thí nghiệm hay để phát triển lực học tập môn Do phương pháp dạy học định hướng kiến thức phương pháp dạy học chủ yếu mục tiêu đa số học sinh học để đáp ứng cho việc thi vào trường Đại học, mà chưa đặt mục đích học kiến thức, kĩ vận dụng vào thực tiễn Học sinh chưa tham gia phương pháp dạy học tích cực học theo nhóm, phương pháp dạy học dự án, ngoại khóa Học sinh hoạt động, động não, khơng chủ động tích cực lĩnh hội kiến thức Học sinh lúng túng phải giải vấn đề gắn với thực tiễn Trong học lớp có buổi thực hành thí nghiệm Học sinh làm thí nghiệm thực hành cuối chương, chủ yếu để hoàn thành thí nghiệm theo hướng dẫn sách giáo khoa thu thập báo cáo kết Học sinh chưa biết đề xuất phương án thí nghiệm hình dung thiết bị cần có để lắp ráp cho thí nghiệm Khi học kiến thức ma sát Kiến thức đưa giáo viên phân tích sở lí thuyết thí nghiệm trình bày sách Khi học phần học sinh thường nhầm lẫn độ lớn lực ma sát nghỉ độ lớn lực ma sát nghỉ cực đại, nhầm lẫn biểu diễn véc tơ lực ma sát nghỉ tác dụng lên vật Các em ghi nhận kiến thức cho áp dụng để hoàn thành tập sách Học sinh quan tâm đến vai trị ma sát, không hiểu biết ứng dụng ma sát phần kiến thức gần gũi nhiều ứng dụng thực tế 1.2 Nguyên nhân tồn tại, hạn chế [1] Vật lý mơn học khó trường phổ thơng, khơng có giảng, phương pháp phù hợp, dễ làm cho học sinh thụ động tiếp thu Đã có tượng số phận học sinh không muốn học vật lí, ngày lạnh nhạt với giá trị thực tiễn vật lí Nguyên nhân chương trình cịn nặng mặt kiến thức Trong tiết học, với nội dung kiến thức tương đối nhiều, giáo viên cố gắng để chuyển tải kiến thức cho học sinh, nên thời gian để liên hệ thực tế mở rộng, thực thí nghiệm, nâng cao kiến thức hạn chế Hơn nữa, sở vật chất dành cho phịng học mơn Vật lí nhiều trường cịn hạn chế nên thực thí nghiệm gặp nhiều khó khăn; học sinh có điều kiện tiếp xúc với thí nghiệm thực hành để hiểu tượng thực tế học Đó chưa kể đến việc xét tổ hợp môn vào Đại học, Cao đẳng số ngành học khơng có mơn Vật lí nên học sinh đầu tư vào mơn học Ngun nhân thứ hai từ người trực tiếp giảng dạy mơn học Cịn giáo viên chưa quan tâm mức tới đối tượng giáo dục; chưa đặt cho nhiệm vụ trách nhiệm nghiên cứu, tượng dùng đồng loạt cách dạy, giảng cho nhiều lớp, nhiều hệ học trị khơng Giáo viên dạy “chay” nhiều, mô tả tượng Vật lí thuật ngữ khoa học trừu tượng khó hiểu với học sinh Giáo viên dạy Vật lí mà xa rời kiến thức thực tế Vật lí lại mơn học gắn liền với thực nghiệm thực tế Nguyên nhân thứ ba cách đề kiểm tra đánh giá học sinh theo lối mịn cũ hỏi lí thuyết học thuộc từ sách giáo khoa; tập dùng để kiểm tra đánh giá phần lớn áp dụng công thức để tính tốn đơn thuần; đề kiểm tra chưa gắn liền kiến thức với thực tiễn thí nghiệm thực hành; điều khiến học sinh học theo xu hướng đề giáo viên 1.3 Phân tích, đánh giá tính cấp thiết sáng kiến Nêu ba nguyên nhân tồn trên, để khơi dậy niềm đam mê học sinh với môn Vật lí, phải thay đổi khơi dậy niềm đam mê mơn Vật lí: Thứ nhất, phải thay đổi phương pháp dạy giáo viên, phải có tư đổi gắn kiến thức Vật lí với thực tế thí nghiệm thực hành Thứ hai, phải tích cực đổi cách đề kiểm tra đánh giá học sinh theo định hướng đề có lồng ghép kiến thức thực tế làm cho học sinh phải thay đổi phương pháp học cho phù hợp Dạy học Vật lí phải đổi phương pháp dạy học thực yếu tố định hiệu dạy, yếu tố để đạt dạy có hiệu tiến phải phát huy tính thực tế, tăng cường thí nghiệm thực hành, giáo dục môi trường cho học sinh, tư tưởng mang sắc dân tộc mà khơng tính cộng đồng tồn giới, vấn đề nêu cũ mà có tính chất cập nhật mẻ, đảm bảo tính khoa học - đại, bản; tính thực tiễn giáo dục kỹ thuật tổng hợp; tính hệ thống sư phạm Việc xây dựng, phát triển thêm thí nghiệm Vật lí để triển khai tới nhóm học sinh cố gắng lớn giáo viên học sinh nhà trường Vì nghiệp đổi giáo dục, lấy học sinh làm trung tâm, hướng tới tăng cường kiến thức học sinh, học đôi với hành nên việc phát triển thêm thiết bị thí nghiệm dành cho mơn Vật lí cơng việc hữu ích cho việc thực dạy học định hướng phát triển lực thực nghiệm cho học sinh Do tơi mạnh dạn đưa sáng kiến kinh nghiệm “Xây dựng thí nghiệm lực ma sát nhằm phát huy lực sáng tạo dạy học chủ đề lực ma sát vật lí lớp 10” Giải pháp để thực sáng kiến 2.1 Nội dung kiến thức trọng tâm lực ma sát 2.1.1 Giới thiệu tượng ma sát Trong vật lí học, ma sát loại lực cản xuất bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối hai bề mặt Ma sát tồn khắp nơi quanh ta, gần gũi đến mức chẳng để ý đến vai trò ma sát Một số ví dụ như: Tay người dễ dàng cầm vật nhờ có ma sát Các cầu thủ U 23 Việt Nam trận chung kết giải vô địch bóng đá U23 châu Á 2018 Thường Châu Trung Quốc khơng thể chạy giầy bình thường sân mưa tuyết mà phải thay giầy có đinh sắt dài để tăng ma sát chống trơn trượt Lốp xe đạp non hơi, người đạp tốn nhiều sức lực mà xe thật chậm, lốp xe bơm căng, ma sát giảm việc đạp xe trở nên dễ dàng nhiều Chúng ta thử hình dung khơng có ma sát có giữ đồ vật tay không? Bàn ghế đồ vật có vị trí cố định phịng khơng? Chúng ta di chuyển vị trí phương tiện khác xe máy, ô tơ khơng? Ma sát có khắp nơi với vai trị khác Có lúc cần giảm ma sát tượng chuyển động, kĩ thuật chế tạo động Xong lại có trường hợp cần tăng ma sát đường trơn cần rải thêm cát, đế giầy dép cần tăng ma sát chống trượt, số môn thể thao cần bột làm tăng ma sát 2.1.2 Phân loại lực ma sát [2] * Lực ma sát nghỉ Hình 2.1.1 mơ tả vật đứng yên tiếp xúc với mặt phẳng ngang vật khác Nếu tác dụng lực kéo F, theo định luật II Niutown vật có gia tốc chuyển từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động Xong thí nghiệm cho thấy, có lực kéo tác dụng lên vật nặng vật Hình 2.1.1 Biểu diễn tượng ma sát đứng yên Giải thích sao? Chỉ giải thích có lực xuất chống lại ngoại lực giữ cho vật khơng chuyển động Lực gọi lực ma sát nghỉ Lực ma sát nghỉ xuất vật chịu tác dụng ngoại lực có xu hướng chống lại ngoại lực làm cho vật đứng yên - Độ lớn lực ma sát nghỉ Lực ma sát nghỉ cân với ngoại lực Fmsn=F - Đặc điểm lực ma sát nghỉ: + Điểm đặt: Trên vật chỗ tiếp xúc vật bề mặt + Phương: Tiếp tuyến với mặt tiếp xúc + Chiều: ngược chiều với chiều ngoại lực tác dụng làm vật có xu hướng trượt Lực kéo tăng, lực ma sát nghỉ tăng tương ứng, vật bắt đầu chuyển động lực ma sát nghỉ Hình 2.1.2 Biểu diễn lực tác dụng lên vật sinh lực ma sát nghỉ đạt giá trị cực đại: Fmsn (max)  n N + n hệ số ma sát nghỉ Khi vật trượt, lúc lực ma sát nghỉ thay lực ma sát trượt * Lực ma sát trượt - Lực ma sát trượt xuất vật trượt mặt vật khác có tác dụng ngăn cản chuyển động trượt vật Fmst   t N -  t : Hệ số ma sát trượt (  n >  t ) Biểu thức tính gia tốc: Do độ lớn phản lực pháp tuyến N với trọng lực P vật Hình 2.1.3 Biểu diễn tượng sinh - Đặc điểm lực ma sát trượt: lực ma sát trượt + Điểm đặt: Trên vật chuyển động trượt vị trí tiếp xúc + Phương: tiếp tuyến với mặt tiếp xúc + Chiều: Ngược chiều với vận tốc tương đối vật vật tiếp xúc + Độ lớn: tỉ lệ với áp lực mặt tiếp xúc N: Fmst  t N -  t : Hệ số ma sát trượt : Không phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc vận tốc chuyển động vật, phụ thuộc vào chất tình trạng mặt tiếp xúc * Cơ sở lí thuyết: Để có sở đề xuất phương án thí nghiệm xác định thông số tượng ma sát trình bày cácbiểu thức tính vật trượt mặt phẳng nghiêng (Hình 2.4) Viết phương trình chuyển động: Hình 2.1.4 Biểu diễn lực lên vật trượt lên phía mặt phẳng nghiêng Vật có xu hướng trượt mặt nghiêng từ xuống Chiếu theo chiều chuyển động: Do Fms t N nên vật trượt xuống mặt phẳng nghiêng có gia tốc: - Theo định nghĩa hệ số ma sát   a Fms   t tan   g cos  N - Vật thả không vận tốc ban đầu nên suy a= 2S t2 * Lực ma sát lăn - Lực ma sát lăn xuất chỗ tiếp xúc hai vật có chuyển động lăn vật bề mặt vật khác có tác dụng ngăn cản chuyển động lăn vật - Đặc điểm lực ma sát lăn + Điểm đặt: Trên vật chuyển động lăn vị trí tiếp xúc + Phương: tiếp tuyến với mặt tiếp xúc + Chiều: Chống lại chuyển động lăn + Độ lớn: tỉ lệ với áp lực mặt tiếp xúc Fmsl   l N -  l : Hệ số ma sát lăn ( l  t ) động tương đối vật Hình 2.1.5 Mơ tả tượng lăn vật sinh lực ma sát nghỉ 2.1.3.Ứng dụng ma sát[2] - Nhờ ma sát người lồi động vật di chuyển, đứng n, ta cầm nắm vật, đồ vật cố định - Lực ma sát có khả làm biến dạng bề mặt vật Ma sát mài mòn bề mặt, sở kỹ thuật để tạo máy mài, mài gương, sơn mài, đánh bóng - Lực ma sát cản trở chuyển động nên dùng để hãm tốc độ phương tiện giao thông Trái Đất chuyển lượng chuyển động thành lượng nhiệt - Nhiệt sinh lực ma sát ứng dụng đánh lửa dùng đá lửa Theo truyền thuyết, người tiền sử tạo lửa từ ma sát dụng cụ đánh lửa đá, cành cây… 2.1.4.Các biện pháp làm giảm ma sát[2] Các giải pháp giảm ma sát thông thường sau: - Thay ma sát trượt ma sát lăn - Thay ma sát khô ma sát nhớt - Làm nhẵn bề mặt tiếp xúc - Giảm diện tích hiệu dụng - Dùng thiết bị có dạng thn P(N) 0,07 0,16 0,11 Lần đo P(N) Trung bình Kết 3,78 3,55 3,82 3,71 P = 3,71  0,16  F 0,396 ; P ; F(N) 0,03 0,03 0,07 F(N) 1,5 1,5 1,4 1,47 F = 1,47  0,07  F P  (  ) 0,09 ;   9%  F P  Hệ số ma sát trượt:  0,396 0,035  Đánh giá: - Nguyên nhân gây sai số lớn: + Sai số cân gia tốc trường làm tròn g = 10 m/s2 + Khó kéo vật chuyển động nên số lực kế thiếu xác + Móc lực kế gây ma sát đáng kể + Sai số dụng cụ lực kế lớn đọc tới số phần chục 2.4.1.2.Xác định lực ma sát trượt vật trượt Hình 2.4.8 Thí nghiệm đo hệ sốma sát trượt dùng mơ tơ kéo Bài thí nghiệm 2.4.1.2 tiến hành với dụng cụ đơn giản nên có sai số lớn Để khắc phục sai số trên, thí nghiệm tiến hành với: + Dùng mô tơ kéo để vật trượt + Dùng cân điều chỉnh để khối lượng vật trượt không đổi, giảm sai số + Thêm giá đỡ lực kế để lực kế nằm theo phương ngang làm giảm sai số đo lực Bảng 2.4.3 Kết đo với thí nghiệm dùng mơ tơ kéo Lần đo P(N) F(N) P(N) F(N) 4,81 0,0 2,1 0,03 4,80 0,01 2,1 0,03 4,82 0,01 2,2 0,07 Trung bình 4,81 2,13 Kết P = 4,81  0,01 F = 2,13  0,07  F  0,442 P  F P (  ) 0,035  F P    0,4%  15  0,442 0,015  Đánh giá: - Bộ thí nghiệm giảm sai số Mô tơ kéo giúp cho vật chuyển động so với ván - Dùng thí nghiệm để xác định lực ma sát nghỉ đọc xác số lực kế khối gỗ chuyển trạng thái từ đứng yên sang chuyển động, đọc giá trị lực ma sát trượt khối gỗ chuyển trượt 2.4.2 Đo hệ số ma sát nghỉ vật trượt mặt phẳng nghiêng Mục đích: + Xác định lực ma sát nghỉ cực đại hệ số ma sát nghỉ + Góc nghiêng xác định tay nâng + Góc nghiêng xác định vật kê Phần 5.1 dùng lực kéo để xác định lực ma sát Nếu đặt vật trượt mặt phẳng nghiêng, thay đổi góc nghiêng  trọng lực tác dụng lên vật thành lực kéo mặt phẳng nghiêng 2.4.2.1 Đo góc nghiêng ván trượt để tính hệ số ma sát nghỉ cực đại  Mục đích - Xác định hệ số ma sát nghỉ thực nghiệm - Củng cố kiến thức tĩnh học - Biết cách dùng mặt phẳng nghiêng  Dụng cụ thí nghiệm: - Khối gỗ đặc hình hộp chữ nhật - Tấm ván phẳng - Thước đo có độ chia 1mm  Cơ sở lí thuyết: - Khi vật đứng yên mặt phẳng nghiêng Fmsn = Psin  Tăng dần góc nghiêng tới góc  vật bắt đầu Hình 2.4.9 Sơ đồ vật trượt mặt phẳng nghiêng trượt Lực ma sát nghỉ có giá trị cực đại Fmsnmax= P cos  - Từ hai biểu thức trên, hệ số ma sát nghỉ h  tg  S  Tiến hành thí nghiệm: - Đặt khối gỗ ván sơ đồ Hình 2.4.9 - Nâng từ từ đầu máng gỗ tương ứng góc  tăng vật bắt đầu trượt - Đánh dấu độ cao h hình chiếu quãng đường khối gỗ trượt mặt phẳng nghiêng S Bảng 2.4.4 Giá trị đo để tính hệ số ma sát nghỉ cực đại Lần đo h(cm) S(cm) h(cm) S(cm) 21,0 1,44 35,5 0,7 18,5 1,06 34,2 0,6 19,2 0,36 34,7 0,1 Trung bình 19,56 34,80 Kết h = 19,56  1,44 S = 2,13  0,70 16   h S (  ) 0,093 ;  h S h 0,562; ; S     9,3%   0,562 0,052 Hệ số ma sát trượt:  Đánh giá: - Kết có sai số nguyên nhân: nâng máng tay khơng tăng dẫn đến vị trí độ cao h thiếu xác quãng đường S không đo trực tiếp ván trượt mà chiếu xuống phương ngang nên gặp sai số chiếu thẳng đứng xuống phương ngang 2.4.2.2 Xác định góc nghiêng ván trượt vật kê Cách nâng ván tay gặp sai số lớn đo chiều cao h Để khắc phục sai số ta dùng vật kê có chiều cao h cố định đẩy dần vào để tăng góc  Hình chiếu S phương ngang xác định dây dọi xuống thước đo gắn phương ngang sau xác định chiều dài l thước m h  l Hình 2.4.10 Bố trí thí nghiệm thay đổi góc nghiêng vật kê Bảng 2.4.5 Giá trị đo thí nghiệm thay đổi góc nghiêng vật kê Lần đo h (cm) l (cm) h (cm) l (cm) 15,0 0,0 27,5 0,47 15,0 0,0 27,0 0,03 15,0 0,0 26,6 0,43 Trung bình 15,0 27,03 Kết h = 15,0  0,0 l = 27,3  0,47 h   0,554 l  h S (  ) 0,017  h S =>    1,7%  Kết quả:  = 0,554  0,009  Đánh giá: - Lưu ý làm thí nghiệm đẩy vật kê chậm tay - Giảm sai số, cách đo đơn giản, xác 2.4.3 Xác định hệ số ma sát trượt thông qua gia tốc trượt góc nghiêng Mục đích: + Xác định hệ số ma sát trượt với thí nghiệm khác + Xác định với thí nghiệm chuẩn + Thay đổi trạng thái bề mặt tiếp xúc 2.4.3.1 Dùng thí nghiệm chuẩn 17 Dựa vào tính chất chuyển động vật mặt phẳng nghiêng, xác định hệ số ma sát trượt  thơng qua góc nghiêng  gia tốc a vật trượt  Mục đích: - Đo hệ số ma sát trượt thực nghiệm - Biết cách sử dụng đồng hồ đo thời gian số để đo khoảng thời gian nhỏ, mặt phẳng nghiêng, thước đo góc Qua củng cố thao tác thí nghiệm (lắp ráp thiết bị, cách quan sát, đọc giá trị đo ) xử lí kết - Củng cố kiến thức lực ma sát, động học, động lực học  Cơ sở lí thuyết: Cho vật nằm mặt phẳng nghiêng với góc nghiêng  so với phương nằm ngang Khi góc nghiêng nhỏ, vật nằm n khơng chuyển động Góc nghiêng tăng dần, góc nghiêng đạt tới góc 0 để vật bắt đầu trượt xuống với gia tốc a Tại vị trí góc nghiêng 0 ta có hệ số ma sát nghỉ cực đại:  tan  Khi   0, vật trượt nhanh dần với gia tốc a, vận tốc ban đầu không Tổng hợp lực tác dụng lên vật chuyển động mặt phẳng nghiêng: Do Fms t N nên vật trượt xuống mặt phẳng nghiêng có gia tốc: - Từ định nghĩa hệ số ma sát   a Fms suy ra:  t tan   g cos  N - Vật trượt từ vận tốc ban đầu không nên suy a = 2S t2 - Bằng cách đo gia tốc a góc nghiêng  ta xác định hệ số ma sát trượt Góc nghiêng đọc thước đo độ Gia tốc a tính qua quãng đường vật trượt S đo thước thời gian chuyển động t đo đồng hồ số điều khiển công tắc cổng quang điện  Dụng cụ: - Mặt phẳng nghiêng có thước đo góc dọi - Giá đỡ thay đổi độ cao - Nam châm điện gắn đầu mặt phẳng nghiêng để giữ thả trụ kim loại - Trụ kim loại có đường kính cm, cao cm - Máy đo thời gian số kết nối với cổng quang điện - Thước thẳng có chiều dài 800mm 18 Hình 2.4.11 Bộ thí nghiệm chuẩn đo hệ số ma sát  Tiến hành thí nghiệm: a Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại: Cách tiến hành tương tự với thí nghiệm 2.4.10 - Đặt trụ kim loại lên máng trượt Tăng dần góc nghiêng  cách đẩy giá đỡ dần vào để máng nghiêng trượt ngang giá đỡ Khi vật bắt đầu trượt, ta nhận giá trị góc nghiêng 0 tương ứng với vị trí hệ số ma sát nghỉ cực đại Hệ số ma sát nghỉ cực đại tính theo cơng thức:  tan  Bảng 2.4.6 Số liệu đo lực ma sát nghỉ o 22 21 21 23 20 Góc nghiêng 0 ( ) Hệ số ma sát 0,404 0,383 0,383 0,424 0,364  tan   0,392 Giá trị trung bình:  21,4  Đánh giá: - Bằng cách đẩy giá đỡ để tăng góc nghiêng  vật trượt phương pháp làm thủ cơng thiếu chuẩn xác dẫn đến góc  có sai số lớn Ngồi sai số cịn gặp phải đọc góc nghiêng thức đo độ, xong phương pháp đơn giản dễ thực để tính hệ số ma sát nghỉ cực đại b Đo hệ số ma sát trượt: - Điều chỉnh góc nghiêng cho  > 0 để trụ kim loại tự trượt máng - Đặt hai cổng quang điện máng nghiêng, vít cố định khoảng cách hai cổng quang S = 600 mm Cổng đỉnh máng đặt sát với trụ kim loại - Đặt trụ kim loại sát với nam châm, mặt đáy tiếp xúc với mặt phẳng nghiêng, dùng thước ke để xác định vị trí ban đầu S0 trụ kim loại thước đo - Đặt máy đo thời gian chế độ MODE A  B với độ xác 0,001 giây - Nhấn RESET, thả cho vật trượt - Lặp lại lần thao tác ghi lại thời gian lần vật trượt quãng đường S  Kết thí nghiệm - Quãng đường vật chuyển động: S = 600mm,  = 25o , g = 9,8 m/s2 19 Góc  25o Radian 0,436 tan 0,466 Bảng2.4.7 Số liệu đo trụ kim loại trượt máng nhôm  = 25 Lần đo Trung bình t (s) 2S 2 (m/s ) t a= 0,893 0,925 0,903 0,930 0,918 0,914 S (mm) 600 cos 0,906  =tan   1,505 1,402 1,472 1,387 1,423 1,437 o  a g cos  0,297 0,308 0.300 0,310 0,306 0,305 0,008 0,003 0,005 0,005 0,001 0,005  Kết  0,305 0,005 Sai số tỷ đối     1,7%  Đánh giá kết quả: - Ưu điểm dùng cổng quang đồng hồ số đo thời gian chuyển động vật xác, sai số dụng cụ nhỏ - Nguyên nhân sai số q trình chuyển động vật cịn xoay, chuyển động vật tịnh tiến - Kết thực nghiệm cho thấy hệ số ma sát nghỉ cực đại lớn hệ số ma a sát trượt Biểu thức tính hệ số ma sát trượt là:  t tan   g cos  , biểu thức tính hệ số ma sát nghỉ cực đại vật đứng yên (gia tốc a = 0) là:  tan  mà  > 0 khơng nhiều nên 0 > t - Thay đổi góc nghiêng: S = 600 mm,  = 30o , g = 9,8 m/s2 Radian S (mm) Góc  tan cos 30o 0,524 0,577 0,866 600 Bảng 2.4.8 Số liệu đo trụ kim loại trượt máng nhôm  = 30o 2S Lần đo t (s)   =tan   a a = (m/s2) g cos  t Trung bình 0,742 0,729 0,734 0,750 0,731 0,737 Kết  0,317 0,005 2,182 2,260 2,226 2,135 2,247 2,210 0,320 0,311 0,315 0,326 0,312 0,317  0,003 0,006 0,002 0,009 0,005 0,005 0,005 ; Sai số tỷ đối     0,317 1,6%  Nhận xét kết quả: 20 - Khi góc nghiêng  tăng lên từ 1=25o tới 2=30o gia tốc trượt tăng lên từ 1,44 tới 2,21 m/s2 Song hệ số ma sát trượt gần không đổi (tương ứng 0,305 3,17) Mặc dù thời gian chuyển động hai cổng quang giảm xong số đo thời gian chuyển động vật xác định cổng quang đồng hồ số đảm bảo độ xác cao 2.4.3.2 Thay đổi bề mặt tiếp xúc mặt phẳng nghiêng Chúng ta khảo sát hệ số ma sát trượt tiếp xúc trụ kim loại – máng nhôm Theo lí thuyết, hệ số ma sát trượt phụ thuộc vào chất vật liệu bề mặt tiếp xúc hai vật Từ thí nghiệm chuẩn, dán thêm nhựa bề mặt máng nhôm khảo sát hệ số ma sát trượt trụ kim loại bề mặt nhựa  Kết thí nghiệm - Quãng đường vật chuyển động: S = 600 mm,  =25o , g = 9,8 m/s2 Radian S (mm) Góc  tan cos o 25 0,436 0,466 0,906 600 Bảng 2.4.9 Số liệu đo trụ kim loại trượt nhựa  = 25o 2S Lần đo t (s)  =tan   a a = (m/s2) g cos  t Trung bình 0,888 0,876 0,852 0,884 0,869 0,874 Kết  0,289 0,004 1,523 1,565 1,653 1,536 1,589 1,571 0,295 0,290 0,280 0,293 0,287 0,289  0,006 0,001 0,009 0,004 0,002 0,004  ; Sai số tỷ đối     1,4%  Đánh giá kết quả: Hệ số ma sát trượt trụ kim loại nhựa giảm so với trụ kim loại trượt bề mặt nhôm 2.4.4 Đề xuất số phương án xác định hệ số ma sát Các thí nghiệm cho thấy để đo hệ số ma sát trượt ta cần tác dụng lực vào vật lực kéo trọng lực để vật trượt bề mặt ngang, bề mặt nghiêng Sau học sinh thực hành thí nghiệm đơn giản thí nghiệm có sẵn phịng thí nghiệm, giáo viên gợi ý để học sinh đề xuất phương án thí nghiệm khác nêu tượng thực tiễn lực ma sát Từ đề xuất phương án xây dựng thí nghiệm đơn giản, chế tạo đồ dùng thí nghiệm thí nghiệm kiểm chứng thông số số tập tài liệu học tập, sách tập Có thể gợi ý số thí nghiệm sau: 2.4.4.1 Thay lực kế khối lượng kéo vật trượt 21  Mục đích - Đo hệ số ma sát nghỉ hai vật - Củng cố kiến thức truyền chuyển động qua ròng rọc - Có kĩ sử dụng rịng rọc  Cơ sở lí thuyết - Đặt vật có khối lượng M mặt phẳng ngang Dùng sợi dây không dãn qua rịng rọc để Hình 2.4.13 Sơ đồ ngun lí vật trượt tác dụng trọng lực chuyển hướng chuyển động nối vật M với nặng m Tăng dần khối lượng m đến M bắt đầu trượt mặt phẳng nằm ngang Việc tăng dần khối lượng m tương đương với lực kéo tác dụng lên vật M tăng dần Nếu bỏ qua lực cản, lực ma sát dây kéo ròng rọc, hệ số ma sát nghỉ xác định theo biểu thức sau:  F mg m   N Mg M  Dụng cụ - Vật trượt khối gỗ hình chữ nhật (M) - Tấm gỗ phẳng dùng làm mặt phẳng trượt - Rịng rọc dây nối khơng dãn Hình 2.4.14 Bố trí thí nghiệm vật - Thay đổi khối lượng vật treo (m) trượt tác dụng trọng lực - Cân xác  Đánh giá: - Đây thiết bị thí nghiệm đơn giản nên có nhiều nguyên nhân gây sai số : + Sai số đo khối lượng M + Rịng rọc có khối lượng + Có ma sát ổ trục rịng rọc + Sai số phép tính nhỏ độ xác cân tới 10 -3 gram vật cân có khối lượng lớn ~ 100 gram + Khối lượng vật trượt M tăng lên hệ số ma sát nghỉ cực đại sai số có xu hướng tăng lên Khi khối lượng vật tăng lên yếu tố mà bỏ qua tính tốn lực cản, ma sát ròng rọc, dãn nở dây tăng ảnh hưởng đến kết đo 2.4.4.2 Dùng lượng đàn hồi (lị xo, dây chun)[4]  Mục đích (hình 2.4.15) - Đo hệ số ma sát hai vật - Ôn lại kiến thức lượng đàn hồi định luật bảo tồn lượng  Cơ sở lí thuyết: - Treo vật vào lò xo thẳng đứng, lò xo dãn đoạn l (Hình 2.4.15) l = l – l0 = mg/k Hình 2.4.15 Sơ đồ lị xo dãn treo vật m 22 - Đặt lò xo nằm ngang, thả vật từ vị trí lị xo dãn l , vật quãng đường S - Áp dụng định luật bảo tồn lượng ta có: mgS = kl2/ Từ hai biểu thức rút biểu thức cho hệ số ma sát trượt là:  l l  l0  2S 2S  Dụng cụ: - Ván gỗ có gắn thước đo - Dây khơng dãn - Khối gỗ chữ nhật - Lò xo  Đánh giá: - Trong thí nghiệm khối gỗ trượt tác dụng lực đàn hồi lò xo nên lực tác Hình 2.4.16 Bố trí thí nghiệm đo hệ số ma dụng lên khối gỗ lệch với phương khối gỗ trượt sát trượt lực đàn hồi Nếu khơng có rãnh trượt định hướng vật trượt kèm theo chuyển động xoay làm khối gỗ khơng trượt song song nên có sai số lớn xác định quãng đường trượt S - Tương đương với thí nghiệm thay lị xo dây cao su có khả đàn hồi tốt để tạo lực đàn hồi tác dụng lên vật trượt nhận kết tương tự Kết khả áp dụng, nhân rộng 3.1 Đánh giá kết sau thử nghiệm Trong học kì I năm học 2020 – 2021 giúp đỡ của giáo viên nhóm Vật Lí trường THPT Hoằng Hóa 3, tơi thử nghiệm nội dung sáng kiến với đối tượng học sinh lớp 10C1 10C2 hai lớp tương đương mặt Lớp 10C1 dạy theo sáng kiến, cịn lớp 10C2 tơi dạy bình thường Trong q trình dạy học thử nghiệm, tơi thấy mừng em học sinh lớp 10C1 thể hứng thú cao với học Điều thể tích cực khám phá kiến thức, sôi nổi, hăng hái phát biểu xây dựng bài, đồng thời em ý đến lời nhận xét, bổ sung kiến thức giáo viên Đây điều mà không thực sáng kiến kinh nghiệm khó có Mặt khác, qua test 10 phút đánh giá kết quả, nhận thấy đạt kết tốt, rõ rệt đáp ứng mức độ kiến thức, kĩ cần có Loại