2.1.1. Kiến thức
- Phân biệt được khái niệm vật rắn và chất điểm.
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực. Phân biệt được điều kiện cân bằng của vật rắn và điều kiện cân bằng của chất điểm.
- Phát biểu được định nghĩa trọng tâm và tính chất đặc biệt của trọng tâm. - Phát biểu được quy tắc và biết tổng hợp hai lực có giá đồng quy.
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của một chất điểm chịu tác dụng của ba lực đồng phẳng không song song.
- Phát biểu được định nghĩa, viết công thức tính momen lực và biết được đơn vị đo của momen lực.
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay cố định.
- Phát biểu được quy tắc hợp lực song song và biết tổng hợp hai lực song song cùng chiều.
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế. Phân biệt được các dạng cân bằng bền, cân bằng không bền, cân bằng phiếm định của vật rắn có mặt chân đế.
- Phát biểu được định nghĩa của chuyển động tịnh tiến và nêu được ví dụ minh họa. - Viết được công thức định luật II Newton cho chuyển động tịnh tiến.
- Hiểu được tác dụng của momen lực đối với vật rắn quay quanh trục. - Biết được các yếu tố ảnh hưởng đến momen quán tính của vật.
- Hiểu được khi vật rắn chịu tác dụng của một momen lực khác không thì vật rắn quay chậm dần hoặc nhanh dần.
2.1.2. Kỹ năng
- Biết đề xuất phương án thí nghiệm xác định điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song.
- Biết phân tích để nắm được mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm. - Biết đề xuất phương án thí nghiệm để xác định trọng tâm của vật rắn.
- Vận dụng tính chất đặc biệt của trọng tâm để giải quyết các trường hợp cụ thể. - Biết đề xuất giả thuyết và giải quyết vấn đề về tác dụng của lực đối với vật rắn có trục quay cố định.
- Biết phân tích để nắm được mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm xác định tác dụng của lực đối với vật rắn có trục quay cố định từ đó đưa ra quy tắc momen lực.
- Biết xác định cánh tay đòn của lực trong trường hợp bất kỳ.
- Vận dụng quy tắc momen lực để xác định các lực tác dụng lên một vật có trục quay cố định.
- Biết đề xuất phương án thí nghiệm để tìm hợp lực của hai lực song song. Từ đó biết phân tích để nắm được mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm. - Biết xác định phương, chiều, điểm đặt, độ lớn của hợp lực song song.
- Xác định được mặt chân đế của một vật đặt trên mặt phẳng đỡ.
- Giải thích được vì sao một vật ở trạng thái cân bằng bền, không bền hoặc cân bằng phiếm định.
- Biết tiến hành thí nghiệm để xác định điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế.
- Biết cách làm tăng mức vững vàng của cân bằng.- Vận dụng các kiến thức đã học của chương để giải một số bài tập Vật lý liên quan và giải thích một số hiện tượng Vật lý thường gặp trong đời sống, kỹ thuật.
2.1.3. Thái độ
- Có thái độ khách quan, trung thực, tích cực; có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, có tinh thần hợp tác trong học tập.
2.2. Phân tích cấu trúc, nội dung dạy học chương
2.2.1. Cấu trúc chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”
Ở chương I và II của sách giáo khoa Vật lý 10 THPT ban cơ bản, học sinh đã được tìm hiểu và khảo sát điều kiện cân bằng và chuyển động của những vật được xem là chất điểm. Nhưng chất điểm là một khái niệm rất trừu tượng còn trong thực tế chúng ta chủ yếu tiếp xúc với các vật rắn. Chính vì vậy, việc đưa chương III “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” nối tiếp chương I và II là điều cần thiết và hết sức hợp lý.
Nội dung của chương được phân làm hai phần:
- Điều kiện cân bằng của vật rắn
- Chuyển động của vật rắn. Sơ đồ cấu trúc nội dung của chương:
Vật rắn Cân bằng 0 hl F 0 3 2 1 F F F 0 2 1 F F 2 1 M M Cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song. Cân bằng của một vật chịu tác dụng của 2 lực. Cân bằng của một vật quay quanh một trục Trọng tâm rơi trên mặt chân đế Cân bằng của một vật có mặt chân đế. Cách xác định trọng tâm Chuyển độ Quay Tịnh tiến 0 M M 0 Quay đều Quay nhanh dần hoặc chậm dần. ( tăng dần hoặc giảm dần) m F a Momen ngẫu lực Cân bằng không bền Cân bằng phiếm định Cân bằng bền
2.2.2. Nội dung của chương
Chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” bao gồm các kiến thức cơ bản sau:
- Các quy tắc hợp lực:
+ Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy. + Quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều. - Các điều kiện cân bằng của một vật rắn : + Vật rắn chịu tác dụng của hai lực.
+ Vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song. + Vật rắn quay quanh một trục.
+ Vật rắn có mặt chân đế.
- Các khái niệm: trọng tâm, momen lực, mặt chân đế, các dạng cân bằng. - Chuyển động của vật rắn:
+ Chuyển động tịnh tiến.
+ Chuyển động quay quanh một trục. + Tác dụng của ngẫu lực đối với vật rắn.
Chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” bao gồm 6 bài:
Bài 1: Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song. Bài 2: Cân bằng của một vật có trục quay cố định. Momen lực
Bài 3: Quy tắc hợp lực song song cùng chiều.
Bài 4: Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế.
Bài 5: Chuyển động tịnh tiến của vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định.
Bài 6: Ngẫu lực
Nội dung kiến thức của chương
Bài 1.Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song.
- Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực là hai lực đó phải cùng giá, cùng độ lớn và ngược chiều (hai lực trực đối).
+ Ba lực đó phải có giá đồng phẳng và đồng quy. + Hợp lực của hai lực phải cân bằng với lực thứ ba.
- Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy: Muốn tổng hợp hai lực có giá đồng quy, trước hết ta phải trượt hai vecto lực đó trên giá của chúng đến điểm đồng quy, rồi áp dụng quy tắc hình bình hành để tìm hợp lực.
Bài 2. Cân bằng của một vật có trục quay cốđịnh. Momen lực
- Momen lực đối với một trục quay là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực và được đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó: M = Fd
- Điều kiện cân bằng của một vật quay quanh trục: Tổng các momen lực có xu
hướng làm cho vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các momen lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.
Bài 3. Quy tắc hợp lực song song cùng chiều
- Hợp lực của hai lực song song cùng chiều là một lực song song, cùng chiều và có độ lớn bằng tổng độ lớn của hai lực ấy.
- Giá của hợp lực chia khoảng cách giữa hai giá của hai lực song song thành những đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy.
Bài 4. Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế
- Có ba dạng cân bằng: cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định. + Cân bằng bền: trọng tâm của vật ở vị trí thấp nhất so với các vị trí khác. Khi một vật bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng bền thì tự nó có thể trở về vị trí đó được.
+ Cân bằng không bền: trọng tâm của vật ở vị trí cao nhất so với các vị trí khác. Khi một vật bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng không bền thì không thể tự trở về vị trí đó được.
+ Cân bằng phiếm định: vị trí trọng tâm không thay đổi hay trọng tâm có độ cao không thay đổi. Vật đứng yên ở mọi vị trí.
- Mặt chân đế: là hình đa giác lồi nhỏ nhất chứa các điểm tiếp xúc.
- Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế: giá của trọng lực phải đi qua mặt chân đế (hay trọng tâm “rơi” trên mặt chân đế).
- Mức vững vàng của cân bằng: Muốn tăng mức vững vàng của cân bằng, người ta tăng diện tích mặt chân đế và hạ thấp trọng tâm của vật.
Bài 5. Chuyển động tịnh tiến của vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn.
- Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kỳ của vật luôn song song với chính nó.
- Gia tốc của chuyển động tịnh tiến được xác định bằng định luật II Newton:
m F a
Hay F ma
- Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.
- Mọi vật quay quanh một trục đều có mức quán tính. Mức quán tính của vật càng lớn thì vật càng khó thay đổi tốc độ góc và ngược lại.
- Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào khối lượng của vật và sự phân bố khối lượng đó đối với trục quay.
Bài 6. Ngẫu lực
- Hệ hai lực song song, ngược chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật gọi là ngẫu lực.
- Ngẫu lực tác dụng vào một vật chỉ làm vật quay chứ không tịnh tiến. - Momen của ngẫu lực: M = Fd
- Momen của ngẫu lực không phụ thuộc vào vị trí của trục quay vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực.
2.3. Thiết bị dạy học chương đáp ứng yêu cầu dạy học kiến tạo 2.3.1. Các thí nghiệm
Thí nghiệm 1 :
- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực - Dụng cụ : Bìa cứng và nhẹ, hai ròng rọc, hai sợi dây , hai vật có khối lượng bằng nhau (hai lực kế).
- Tiến hành: Móc hai lực kế vào vật, quan sát đặc điểm của hai lực khi vật rắn ở trạng thái cân bằng.
- Kết luận: Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực là hai lực đó phải cùng giá, cùng độ lớn và ngược chiều (hai lực trực đối).
Thí nghiệm 2 :
- Mục đích: Biết cách xác định trọng tâm của một vật mỏng, phẳng.
- Dụng cụ : Một chân đế, một thanh trụ, một gia trọng, một sợi dây, những tấm phẳng có hình dạng bất kỳ và có hình dạng đặc biệt (hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn, vành tròn).
- Tiến hành:
+ Bước 1: Buộc dây vào một điểm A trên vật rồi treo lên. Vẽ đường AB đi qua sợi dây.
+ Bước 2: Buộc dây vào một điểm C, tương tự vẽ một đường CD đi qua sợi dây. - Kết luận: Giao điểm của hai đường AB và CD là trọng tâm của vật.
Thí nghiệm 3 : B O A C D G
- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song.
- Dụng cụ : Hai lực kế, một vật phẳng mỏng đã biết trọng tâm, một dây dọi. - Tiến hành:
Hình 1
P ) bằng một lực kế (F ), dùng phấn vẽ P và F + Treo vật ( theo một tỉ lệ xích nhất định. Vật ở trạng thái cân bằng =>P +F = 0 + Thay F bằng F1 và F2
sao cho vật giữ nguyên vị trí cũ, khi đó dùng phấn vẽ F1
và F2
theo một t ất định.
+ Dùng quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy để tìm hợp lực ỉ lệ xích nh ' F của F1 và F2 . + So sánh F' và F - Kết luận: ' F = F =>F1 +F2 =F =>F1 +F2 +P = 0
=> Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song: + Ba lực đó phải có giá đồng phẳng và đồng quy.
+ Hợp lực của hai lực phải cân bằng với lực thứ ba.
Thí nghiệm 4 :
Hình 3
- Mục đích: Xác định điều kiện để lực có tác dụng làm quay vật.
- Dụng cụ: Vật có trục quay cố định có đục 4 lỗ có chốt để gắn sợi dây, giá đỡ trục quay.
- Tiến hành thí nghiệm:
+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt theo phương cắt trục quay. (Hình 4b) Quan sát.
+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt theo phương song song trục quay (Hình 4a). Quan sát.
1
O
2
+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt nằm trong mặt vuông góc với trục quay và cắt trục quay. Quan sát.
+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt nằm trong mặt vuông góc với trục quay và không cắt trục quay (Hình 4c). Quan sát.
- Kết luận: Lực có tác dụng làm quay một vật khi giá của lực nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không cắt trục quay.
Thí nghiệm 5 : 3 O 4 O Hình 4c Hình 4a Hình 4b
Trường hợp 1: Hai lực song song
- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định khi vật chịu tác dụng của hai lực song song
- Dụng cụ : Đĩa momen, có quả nặng, dây treo. - Tiến hành:
+ Treo hai quả nặng vào hai vị trí A và B của đĩa momen (Hình 5a). + Khi đĩa cân bằng, so sánh momen của hai lực F1
và F2
. - Kết luận: Vật cân bằng khi F1d1 F2d2.
Nghĩa là momen của lực F1
bằng momen của lực F2
nhưng ngược chiều.
Trường hợp 2: Hai lực không cùng phương
- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định và chịu tác dụng của hai lực không cùng phương.
- Thiết bị: Đĩa momen, quả nặng, dây treo, ròng rọc. - Tiến hành thí nghiệm:
+ Buộc vào chốt A một sợi dây vắt qua ròng rọc rồi treo vào đầu kia của sợi dây một quả nặng.
+ Buộc vào chốt B một sợi dây có treo một quả nặng (Hình 5b) + Khi đĩa momen cân bằng, so sánh momen của hai lực F1
và F2
. - Kết luận: Vật cân bằng khi F1d1 F2d2.
Nghĩa là momen của lực F1
bằng momen của lực F2
nhưng ngược chiều
Thí nghiệm 6 :
- Mục đích: Biết quy tắc tìm hợp lực của hai lực song song, cùng chiều. - Dụng cụ : Thanh nhẹ, quả nặng, dây treo, lực kế.
- Tiến hành:
+ Treo vào hai đầu A và B của thanh các quả nặng có trọng lượng và , sau đó treo thanh bằng một lực kế Hình 5b 1 P P2 F tại điểm O (Hình 6). + Thanh ở vị trí cân bằng, đánh đấu vị trí AB của thanh. + Thay P1
, P2
bằng P
có độ lớn bằng và đặt tại điểm O. + So sánh trạng thái của thanh so với lúc đầu và có kết luận gì về