Thiết kế tiến trình hoạt động dạy học

I. Lý do chọn đề tài:

2.2. Thiết kế tiến trình hoạt động dạy học

Điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của 3 lực song song “. 2.2.1 Mục tiêu dạy học:

Về kiến thức:

 Trong khi học:

- Học sinh thiết kế được các phương án thí nghiệm tìm hợp lực 2 lực song song cùng chiều, từ đó, tự khái quát các quy tắc dưới sự định hướng của giáo viên.

- Học sinh xây dựng điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của 3 lực song song bằng suy luận.

- Học sinh vận dụng được quy tắc hợp lực song song cùng chiều để tìm hợp lực của nhiều lực song song cùng chiều, phân tích 1 lực thành 2 lực song song cùng chiều.

- Học sinh xây dựng quy tắc tổng hợp 2 lực song song ngược chiều bằng lý thuyết.

 Sau khi học:

- Học sinh phát biểu được quy tắc tổng hợp 2 lực song song cùng chiều, trái chiều.

- Học sinh phát biểu được điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của 3 lực song song .

Về kỹ năng:

- Học sinh rèn luyện kỹ năng quan sát thí nghiệm: đặt mắt quan sát để thấy được thanh AB trùng với vị trí ban đầu, đọc giá trị khoảng cách

l giữa các điểm đặt.

- Học sinh rèn luyện kỹ năng tiến hành thí nghiệm, lắp ráp thí nghiệm: treo quả nặng, quấn dây chun treo thanh vào móc sao cho dây chun thẳng tránh tạo ra các lực đồng quy.

- Học sinh rèn luyện kỹ năng xử lý số liệu và tư duy từ số kết quả thí nghiệm rút ra nhận xét.

Về thái độ hành vi:

- Học sinh tích cực tham gia xây dựng bài.

- Học sinh chủ động trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập.

- Học sinh tích cực chủ động trao đổi thảo luận nhóm khi tiến hành thí nghiệm .

2.2.2 Câu hỏi và các kết luận tương ứng với từng đơn vị kiến thức.

2.2.2.1 Câu 1: Hợp lực của 2 lực song song cùng chiều có đặc điểm gì ?

Kết luận tương ứng: Hợp lực của 2 lực F1

và F2

song song cùng chiều tác dụng vào một vật rắn là một lực F

Song song, cùng chiều với 2 lực và có độ lớn bằng tổng độ lớn của 2 lực đó: F=F1+F2

Giá của hợp lực F

nằm trong mặt phẳng của F1

, F2

và chia khoảng cách giữa 2 lực này thành những đoạn tỷ lệ nghịch với độ lớn của 2 lực đó: 2 1 F F = 1 2 d d ( chia trong )

2.2.2.2 Câu 2: Nếu vật rắn chịu tác dụng của 3 lực song song, đồng phẳng thì 3 lực đó có mối quan hệ như thế nào để thanh cân bằng?

Kết luận tương ứng : Điều kiện cân bằng của một vật rắn dưới tác dụng của ba lực F1

, F2 , F3

song song là hợp lực của hai lực bất kỳ cân bằng với lực thứ ba: 1 2 3 0

 

F F

2.2.2.3 Câu 3: Vật rắn chịu tác dụng của 2 lực song song trái chiều thì hợp lực của chúng được xác định như thế nào? Hợp lực đó có đặc điểm gì?

Kết luận tương ứng: Hợp lực F

của hai lực song song trái chiều F3 và F1

có các đặc điểm sau:

- Song song và cùng chiều với lực thành phần có độ lớn lớn hơn lực thành phần kia (F3

)

- Giá của hợp lực nằm trong mặt phẳng của hai lực thành phần, khoảng cách giữa giá của hợp lực với giá của hai lực thành phần tuân theo công thức ' 3 ' 1 d d = 1 3 F F

2.2.3 Sơ đồ lôgic tiến trình xây dựng kiến thức:

2.2.3.1 Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức: “Quy tắc hợp lực song song cùng chiều”

- Thực tế có nhiều trường hợp vật tác dụng của hai hay nhiều lực có phương song song

- Có thể thay thế nhiều lực bằng một một lực có tác dụng giống hệt.

Làm cách nào để xác định được hợp lực của 2 lực song song cùng chiều tác dụng lên vật rắn? Hợp lực đó

có đặc điểm gì?

- Thiết kế và tiến hành thí nghiệm tìm cách xác định hợp lực của 2 lực song song cùng chiều

- Dựa vào kết quả thí nghiệm, quan sát rút ra các đặc điểm của hợp lực

- Tạo ra 2 lực song song cùng chiều bằng cách treo các quả nặng vào thanh treo ngang.

- Tìm hợp lực bằng phương pháp thử và sai - Biểu diễn đọc độ lớn của hợp lực, l1, l2

- Mỗi nhóm tiến hành với những giá trị độ lớn của lực và khoảng cách giữa các điểm đặt ban đầu khác nhau, ghi kết quả vào bảng:

F1 (N) F2 (N) l1 (cm) l2 (cm) Nhóm 1

Nhóm 2

Hợp lực của 2 lực F1 và F2 song song cùng chiều tác dụng vào một vật rắn là một lực F

song song, cùng chiều với 2 lực và có độ lớn bằng tổng độ lớn của 2 lực đó FF1F2

Giá của hợp lực F

nằm trong mặt phẳng của F1 và F2 chia khoảng cách giữa 2 lực này thành những đoạn tỷ lệ nghịch với độ lớn của 2 lực đó

1 2 2 1 d d F F  ( chia trong )

DIỄN GIẢI

Học sinh biết rằng trong thực tế có nhiều vật chịu tác dụng của hai hay nhiều lực song song. Học sinh cũng đã biết rằng có thể thay thế nhiều lực bằng một lực gây tác dụng giống hệt. Do vậy tình huống làm nảy sinh vấn đề là một bài toán yêu cầu xác định hợp lực trong trường hợp hai lực tác dụng lên một vật rắn đồng quy và trường hợp hai lực tác dụng lên vật rắn là song song cùng chiều. Học sinh do chưa được học quy tắc hợp lực song song cùng chiều nên sẽ lúng túng không biết cách giải quyết như thế nào?

Và câu hỏi đặt ra là: Làm cách nào để xác định được hợp lực của 2 lực song song cùng chiều tác dụng lên vật rắn? Hợp lực đó có đặc điểm gì? Để trả lời câu hỏi đó phải tiến hành thí nghiệm để xác định được hợp lực. Sau đó tìm đặc điểm của hợp lực.Vì dụng cụ thí nghiệm nghiên cứu quy tắc này cũng không quá phức tạp nên có thể tổ chức cho học sinh tiến hành thí nghiệm theo nhóm nhằm phát huy tính chủ động, tích cực của học sinh. Khi tiến hành thí nghiệm học sinh dùng phương pháp thử và sai, dò tìm điểm đặt của hợp lực để sao cho thanh AB trùng với vị trí ban đầu đã đánh dấu. Sau khi đã tìm được hợp lực bằng thí nghiệm, tiếp tục giải quyết câu hỏi tìm đặc điểm của hợp lực. Quan sát thí nghiệm sẽ thấy ngay hợp lực song song cùng chiều, có độ lớn bằng tổng độ lớn các lực thành phần. Về điểm đặt những học sinh khá có thể nhận thấy sự tỷ lệ nghịch giữa lực và khoảng cách điểm đặt, và rút ra tỷ số

1 2 2 1 l l F F  .

Giáo viên hướng dẫn học sinh đưa ra mối quan hệ giữa độ lớn của lực với khoảng cách giữa giá của hợp lực tới các lực thành phần.

1 2 2 1 d d F F 

2.2.3.2 Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức: “Điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực song song”

Vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song đồng phẳng thì ba lực đó có mối quan hệ như thế nào khi

vật cân bằng?

- Suy luận từ định luật I Niutơn:F1

+F2 +F3 =0 rút ra F3 là lực trực đối với hợp lực F12 .

- Tiến hành thí nghiệm kiểm tra

1 F +F2 +F3 =0 3 2 1 F F F       3 12 F F     Suy ra F3 = F12 = F1 + F1 12 3 F F   . Áp dụng quy tắc biểu diễn hợp lực F12 . Thí nghiệm: - Thay 2 lò xo bằng 2 lực kế, đọc giá trị F

- Quan sát kiểm tra phương chiều của F12

và F3

- Tính độ lớn F3 và so sánh với F12.

Điều kiện cân bằng của một vật rắn dưới tác dụng của ba lực F1

, F2

, F3

song song, đồng phẳng là hợp lực của hai lực bất kỳ cân bằng với lực thứ ba

1 F +F2 +F3 =0 Để thanh cân bằng thì F12 vàF3 là 2 lực trực đối. 12 F trực đối với F3

Thực tế có trường hợp vật rắn chịu tác dụng của ba lực đồng phẳng, song song vẫn nằm cân bằng.

DIỄN GIẢI

Sau khi xây dựng xong quy tắc hợp lực song song cùng chiều. Tiếp tục khai thác thí nghiệm để đặt vấn đề. Ngoài trọng lực, thanh còn chịu tác dụng của các lực F1

, F2

, F3

. Đây là hệ ba lực song song, đồng phẳng. Trạng thái của thanh lúc này là cân bằng. Vì trọng lực của thanh không đáng kể nên ta bỏ qua trọng lực.

Câu hỏi đặt ra là “Khi thanh cân bằng hệ ba lực này có mối quan hệ như thế nào?”

Học sinh có thể trả lời câu hỏi bằng cách suy luận từ định luật I Niutơn hoặc dùng suy luận tương tự do đã được học điều kiện cân bằng vật rắn dưới tác dụng của 3 lực đồng quy. Giáo viên hướng học sinh rút ra mối quan hệ cụ thể về phương chiều, độ lớn của ba lực. Học sinh suy luận toán học và áp dụng điều kiện cân bằng của 2 lực tác dụng lên vật rắn, quy tắc hợp lực song song cùng chiều rút ra F12 trực đối với F3

. Tận dụng thí nghiệm đã có sẵn, thay thế 2 lò xo bằng 2 lực kế để đo lực F1

và F2

. Kết hợp quan sát và tính toán kiểm nghiệm đúng F3

trực đối với F12

Giáo viên khái quát thành điều kiện tổng quát là: hợp lực của 2 lực bất kỳ trực đối với lực thứ 3.

Vận dụng điều kiện cân bằng học sinh xác định và biểu diễn hợp lực của các cặp lực. Việc vận dụng này không những giúp học sinh củng cố và ôn tập kiến thức mà còn giúp định hướng đặt vấn đề cho phần sau, thể hiện tính logic của tiến trình và mối liên hệ giữa các kiến thức.

2.2.3.3 Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức: “Quy tắc hợp lực song song trái chiều”

- Áp dụng điều kiện cân bằng xác định và biểu diễn được hợp lực của 2 lực song song trái chiều F13

trong thí nghiệm minh họa vấn đề 2.

- Tính độ lớn của F13 = F3 – F1 vì: F13 = F2 mà F1 + F2 = F3. - 2 1 ' 3 1 2 1 1 2 2 1 d d d F F F d d F F      ' 1 ' 3 3 1 d d F F   3 O 3 F  2 F  1 F 13 F 1 O 2 O 2 ' 3 d d  ' 1 d

Hợp lực của hai lực song song trái chiều được xác định như thế nào? Có đặc điểm gì? Suy luận lý thuyết và toán học:

- Áp dụng điều kiện cân bằng để tìm hợp lực của các lực song song trái chiều và tính toán để tìm ra đặc điểm về độ lớn, phương chiều của hợp lực.

Hợp lực F

của hai lực song song trái chiều F3

và F1

có các đặc điểm sau: - Song song và cùng chiều với lực thành phần có độ lớn lớn hơn lực

thành phần kia (F3

)

- Có độ lớn bằng hiệu độ lớn của hai lực thành phầnF=F3-F1

DIỄN GIẢI

Sau khi xây dựng xong điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực song song, học sinh tiến hành vận dụng tìm hợp lực của các cặp lực F13 và F23. Trong đó các lực này là hợp lực của các lực song song trái chiều. Vậy câu hỏi đặt ra là quy tắc hợp lực song song cùng chiều còn đúng trong trường hợp 2 lực song song trái chiều nữa không? Để trả lời câu hỏi này học sinh phải xác định hợp lực của hai lực song song trái chiều và kiểm tra các đặc điểm của hợp lực trong 2 trường hợp này có giống nhau không. Việc xác định hợp lực học sinh tiến hành một cách nhanh chóng dễ dàng ở phần vận dụng trước đó. Như vậy học sinh chỉ so sánh, biến đổi để tìm ra đặc điểm của hợp lực song song trái chiều. Về phương ta thấy vì F13 là trực đối với F2 (theo điều kiện cân bằng) nên F13 cùng phương với các lực thành phần và F13 ngược chiều F2 nên cùng chiều với F3 (là lực lớn hơn). Về độ lớn từ biểu thức: F13 = F2 mà F3 = F1 + F2 rút ra F13 = F3 – F1. Giáo viên khái quát nên F13 = |F1 – F3|. Về điểm đặt liệu F13 có chia khoảng cách các lực thành phần thành các đoạn thẳng tỷ lệ với độ lớn của chúng không? Trả lời câu hỏi này, học sinh biến đổi toán học từ

2 1 ' 3 1 2 1 1 2 2 1 d d d F F F d d F F      và thay bằng ' 1 ' 3 3 1 d d F F 

 . Tuy nhiên lúc này, hợp lực

không chia trong như trường hợp cùng chiều mà chia ngoài. Cuối cùng giáo viên giúp học sinh khái quát các kiến thức trên để rút ra quy tắc hợp lực song song trái chiều:

Hợp lực F

của hai lực song song trái chiều F3 và F1

có các đặc điểm sau: - Song song và cùng chiều với lực thành phần có độ lớn lớn hơn lực thành

phần kia (F3 )

- Có độ lớn bằng hiệu độ lớn của hai lực thành phầnF=F3-F1

2.2.4 Tiến trình dạy học cụ thể:

Trong bài sử dụng những ký hiệu sau:

Ο: Biểu diễn hoạt động trình diễn của giáo viên để xác lập yếu tố nội dung kiến thức nào đó.

Δ: Biểu đạt sự yêu cầu (sự ra lệnh) của giáo viên đối với học sinh để học

sinh tự lực hành động để xác lập yếu tố nội dung kiến thức nào đó.

HS: Hoạt động của học sinh.

2.2.4.1 Vấn đề 1: Quy tắc tổng hợp 2 lực song song cùng chiều 2.2.4.1.1 Định hướng mục tiêu hành động:

Ο: Chúng ta đã nghiên cứu quy tắc tổng hợp 2 lực đồng quy trong bài trước. Vậy ta sẽ nghiên cứu thêm một quy tắc nữa. Quy tắc tổng hợp 2 lực song song cùng chiều.

Δ: Hãy cho biết hợp lực là gì?

HS: Hợp lực là lực thay thế các lực thành phần sao cho tác dụng của nó giống hệt như tác dụng của các lực thành phần.

Δ: Xác định hợp lực trong các trường hợp sau:

1. Vật rắn chịu tác dụng của 2 lực F1 = 3N, F2 = 4N. Biết 2 lực tạo với nhau góc 900.

2. Vật rắn là thanh AB được treo vào giá bằng 2 lò xo. Tác dụng 2 lực F1, F2 tại 2 điểm O1 và O2 cách nhau 25 cm như hình vẽ. Biết độ lớn F1 = 1,5N và F2 = 1N.

HS: Trường hợp 1, hợp lực được xác định theo quy tắc hình bình hành, Fhl = 5N. Trường hợp 2 có HS không biết làm.

Δ: Theo các em, hợp lực của 2 lực song song cùng chiều F1 và F2 sẽ là một