8. cấu trúc của luận văn
2.2.3. Bài tập thí nghiệm
Bài 8:
Em hãy trình bày phơng pháp để có thể đo hệ số ma sát trợt, ma sát nghỉ và ma sát lăn giữa bánh xe ô tô và mặt đờng
*Câu hỏi định hớng:
Khi nào thì xuất hiện lực ma sát nghỉ, trợt, lăn giữa ô tô và mặt đờng? Viết biểu có liên quan đến hệ số ma sát nghỉ, trợt, lăn của ô tô?
Thiết lập phơng án đo hệ số ma sát từng trờng hợp?
Trờng hợp 1:
Đo hệ số ma sát lăn
GV: Khi ô tô chạy trên mặt đờng thì ma sát cản trở chuyển động của xe là ma sát gì?
HS: Ma sát lăn.
GV: Ta có thể bố trí thí nghiệm nh thế nào để có thể đo hệ số ma sát lăn giữa ô tô và mặt đờng?
HS: Để xác định hệ số ma sát lăn chúng ta cần tìm loại bỏ bớt các lực khác để đo hệ số ma sát lăn đợc thuận lợi. (cho xe chạy trên đờng nằm ngang, tắt máy để dễ xác định lực ma sát)
Tiến hành thí nghiệm:
Ô tô chạy với vận tốc v thì tắt máy và chuyển động chậm dần cho đến khi dừng. Khi ô tô chuyển động chậm dần đều đến khi dừng lực ma sát lăn gây ra gia tốc cho xe.
GV: Độ lớn lực ma sát lăn?
Fmsl = - àlN = - àlmg (9)
GV: Gia tốc của ô tô trong chuyển động này? HS: a =
m Fmsl
= - àlg (10) Từ (9) và (10) cho thấy:
Để đo hệ số ma sát lăn giữa xe và mặt đờng ta phải đo gia tốc của ô tô, theo công thức: a = 2 t 2S Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đờng: àl = - ga Trờng hợp 2:
Đo hệ số ma sát trợt giữa ô tô và mặt đờng
Thực hiện tơng tự nh trờng hợp đo hệ số ma sát lăn, ta cần tiến hành đo: Đo quãng đờng ô tô từ khi hãm phanh (chỉ trợt không lăn) cho đến khi dừng. Suy ra gia tốc của ô tô:
a =
2S v2
−
áp dụng định luật 2 Niu tơn ta xác định đợc hệ số ma sát à = −ga
Trờng hợp 3:
Đo hệ số ma sát nghỉ giữa bánh xe và mặt đờng
GV: Khi nào thì xuất hiện lực ma sát nghỉ giữa hai mặt tiếp xúc? HS: Khi vật này có xu hớng trợt trên bề mặt vật kia.
GV: Khi ô tô đang chuyển động thì giữa bánh xe và mặt đờng có lực ma sát nghỉ hay không?
HS: Khi ô tô đang chuyển động, lực phát động của ô tô chính là lực ma sát nghỉ. Ô tô chuyển động tròn đều thì lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hớng tâm. GV: Nêu đặc điểm của lực ma sát nghỉ?
Luôn cân bằng với ngoại lực, có độ lớn phụ thuộc vào độ lớn của ngoại lực, khi ngoai lực tăng dần thì lực ma sát nghỉ cũng tăng theo. Đến khi vật bắt đầu trợt thì lực ma sát nghỉ cực đại.
0<Fmsn<ànN (12) Độ lớn lực ma sát nghỉ cực đại Fmsnmax = ànN (13)
GV: Theo các công thc (12) và (13) để đo hệ số ma sát nghỉ ta phải khảo sát thí nghiệm trong trờng hợp nào?
HS: Để đo hệ số ma sát nghỉ chúng ta phải khảo sát trong trờng hợp lực ma sát nghỉ cực đại (trờng hợp này trong biểu thức lực ma sát nghỉ mới xuất hiện hệ số ma sát nghỉ)
GV: Em hãy thiết kế phơng án xác định hệ số ma sát nghỉ giữa ô tô và mặt đờng?
Cách 1:
Trờng hợp ô tô tăng tốc lực ma sát nghỉ đợc xác định bởi công thức
Fmsn = ma hoặc Fmsn - Fmsl = ma (tuỳ vào ta có thể bỏ qua lực ma sát lăn hay không)
Để đo hệ số ma sát nghỉ thì phải làm thí nghiệm khi có lực ma sát nghỉ cực đại. Nghĩa là chúng ta phải tăng ga để ô tô bắt đầu trợt trên mặt đờng (trờng hợp này rất khó thực hiện và khó chính xác)
Cách 2:
Ô tô chuyển động tròn đều
GV: Trong trong trờng hợp này ta phải tiến hành thí nghiệm nh thế nào?
HS: Cho ô tô chuyển động tròn đều trên đoạn đờng nằm ngang đến khi ô tô bắt đầu trợt:
* Cho ô tô chạy trên vòng tròn cố định và tăng chậm tốc độ của ô tô đến khi ô tô bắt đầu trợt
* Cho ô tô chạy với tốc độ không đổi và giảm dần bán kính quỹ đạo chuyển động cho đến khi ô tô bắt đầu trợt
HS: Trờng hợp thứ nhất chúng ta có thể tiến hành thí nghiệm thuận lợi hơn. Biểu thức về độ lớn của lực ma sát nghỉ Fmsn = Fht = R mv2 (14) Khi ô tô bắt đầu trợt Fmsnmax = ànN =
R mv2
(15) Ta có thể đo hệ số ma sát nghỉ theo công thức àn =
RN mv2
(16) Trờng hợp ô tô chuyển động trên mặt đờng nằm ngang ta có P = N = mg do đó hệ số ma sát nghỉ đợc xác định àn =
gR v2
(17) Để đo hệ số ma sát nghỉ ta cần đo:
Đo bán kính cung tròn mà ô tô chuyển động
Đo vận tốc ô tô chuyển động trên cung tròn để ô tô bắt đầu trợt
Bài 9:
Xác định hệ số ma sát trợt giữa đầu gậy nhẹ, cứng và sàn với dụng cụ là một thớc đo góc
*Câu hỏi định hớng
Khi nào xuất hiện lực ma sát trợt giữa gậy và sàn?
Khảo sát lực ma sát trong trờng hợp gậy chuyển động và trờng hợp gậy đứng yên trên sàn?
*Gợi ý và hớng dẫn:
GV: Khi nào xuất hiện lực ma sát trợt giữa gậy và sàn?
HS: Để xuất hiện lực ma sát giữa đầu gậy và sàn thì phải làm cho gậy trợt trên sàn (đầu gậy chống xuống sàn)
GV: Khi đẩy gậy nhẹ trên sàn với lực tác dụng tơng đối lớn (lực đẩy dọc theo chiều dài gậy) thì gậy sẽ chuyển động hay đứng yên?
Có hai trờng hợp xảy ra là:
Gậy đứng yên không chuyển động Gậy trợt trên sàn
GV: Khi gậy chuyển động thì gậy có các lực tác dụng nào? HS: Phản lực của sàn N
Lực ma sát của sàn tác dụng lên gậy Fms (có thể là ma sát nghỉ hoặc ma sát trợt)
Lực Fdo tay tác dụng lên gậy
GV: Em hãy cho biết khi nào thì gậy chuyển động (trợt trên sàn) và khi nào thì gậy đứng yên?
HS: Gậy chịu tác dụng của các lực:
Lực tác dụng dọc theo chiều dài của gậy F
Phản lực của sàn lên gậy N
Lực ma sát giữa gậy và sàn Fms
GV: Để tiến hành đo hệ số ma sát chúng ta có thể phân tích: Ta phân tích lực F tác dụng lên gậy thành hai thành phần Thành phần theo phơng thẳng đứng F1.
F1= Fsinα
Và thành phần theo phơng nằm ngang F2. F2= Fcosα
Ta có F1 cân bằng với phản lực của sàn lên gậy N. N=Fsinα
Lực ma sát giữa gậy và sàn có độ lớn Fms=àN=àFsinα
Để gậy chuyển động thì F2≥Fms Ta có Fcosα≥àFsinα suy ra
à≤tgα gậy trợt trên sàn
à>tgα thì không chuyển động
Nhận xét:
ở đây chúng ta thấy gậy có trợt hay không là phụ thuộc vào góc α giữa gậy và sàn mà không phụ thuộc vào độ lớn của lực tác dụng.
GV: Từ các phân tích trên em hãy nêu phơng pháp xác định hệ số ma sát giữa gậy và sàn?
HS: Ta thấy có thể đo hệ số ma sát giữa gậy và sàn bằng phơng pháp sau:
Đẩy gậy một lực dọc theo trục của gậy và thay đổi góc α giữa gậy và sàn, ứng với góc α giới hạn giữa trờng hợp gậy chuyển động và gậy đứng yên (lực tác dụng đủ lớn) hệ số ma sát giữa gậy và sàn là à = tgα
Bài 10:
Có một bàn quay và một miếng gỗ. Em hãy tìm cách xác định hệ số ma sát giữa miếng gỗ và bàn?
*Câu hỏi định hớng:
Xác định các lực tác dụng lên miếng gỗ?
Lực nào là lực hớng tâm giúp miếng gỗ chuyển động tròn? *Gợi ý và hớng dẫn:
GV: Khi đặt vật trên bàn và quay bàn thì quỹ đạo chuyển động của vật nh thế nào?
HS: Khi bàn quay thì vật chuyển động tròn, bàn quay đều thì vật chuyển động tròn đều.
GV: Khi bàn quay có những lực nào tác dụng lên vật? HS: Khi bàn quay thì vật chịu tác dụng của 3 lực
Trọng lực Phản lực
Lực ma sát nghỉ
GV: Lực ma sát nghỉ đóng vai trò gì trong chuyển động của vật? Em hãy nêu ph- ơng chiều, và độ lớn của lực này?
HS: Lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hớng tâm trong chuyển động của vật, lực h- ớng tâm có phơng, chiều và độ lớn:
Phơng bán kính quỹ đạo Chiều hớng vào tâm quỹ đạo Độ lớn của lực hớng tâm F =
R mv2
GV: Em hãy nêu đặc điểm về phơng, chiều và độ lớn của lực ma sát nghỉ? HS: Lực ma sát nghỉ có phơng song song với mặt tiếp xúc
Chiều ngợc với chiều của ngoại lực
Độ lớn của lực ma sát nghỉ bằng độ lớn của ngoại lực
Độ lớn của lực ma sát nghỉ có giá trị từ 0 đến giá trị của lực ma sát nghỉ cực đại 0<Fmsn≤ànN
GV: Khi tăng dần tốc độ quay của bàn thì có hiện tợng gì xảy ra?
HS: Khi tăng dần (chậm) tốc độ quay của bàn thì đến một lúc ta thấy vật trợt ra khỏi bàn
GV: Em hãy giải thích hiện tợng vật trợt ra khỏi bàn và đề xuất phơng án đo hệ số ma sát nghỉ trong trờng hợp này?
HS: Hiện tợng vật trợt ra khỏi bàn là do lúc tăng vận tốc của bàn làm lực ma sát nghỉ tăng, đến khi lực ma sát nghỉ đạt giá trị cực đại thì vật bắt đầu trợt trên bàn. GV: Muốn đo hệ số ma sát nghỉ trong trờng hợp này ta phải đo các đại lợng nào? HS: Độ lớn lực ma sát nghỉ cực đại bằng lực hớng tâm khi vật bắt đầu trợt, muốn đo lực ma sát nghỉ cực đại ta đo lực hớng tâm khi
vật bắt đầu trợt F =
R mv2
Đo trọng lực của vật bằng lực kế từ đó suy ra hệ số ma sát nghỉ
Bài 11:
a. Tại sao có thể dùng lực kế để đo khối lợng của vật? k1 k2 k 2 k1 m m Hình 2 Hình 1
b. Khi cân khối lợng của một vật ngời ta thấy kim lực kế vợt ra ngoài bảng chia độ. Vì vậy ngời ta phải dùng hai lực kế, có thể mắc chúng theo hai cách nh hình vẽ không? Hỏi cách mắc nào đúng và số chỉ của mỗi lực kế là bao nhiêu?
*Câu hỏi định hớng:
Xác định các lực tác dụng lên vật trong mỗi trờng hợp? So sánh lực căng của dây treo vật và lực căng của mỗi lò xo? *Gợi ý và hớng dẫn:
a. GV: Có thể dùng lực kế để đo khối lợng của vật không? Vì sao?
Câu này học sinh có thể trả lời đợc, có thể dùng lực kế để đo đợc khối lợng của vật vì lực kế đo trọng lợng của vật mà trọng lợng là đại lợng tỉ lệ với khối l- ợng của vật đợc xác định theo công thức P = mg
Khi đo đợc trọng lợng ta suy ra đợc khối lợng của vật.
b. GV: Trong hình 1 và trong hình 2 thì số chỉ của lực kế cho ta biết đại lợng nào?
Trong hình 1 lực kế cho ta biết một phần trọng lợng của vật (tổng số chỉ của hai lực kế là trọng lợng của vật). Vì vậy trong cách mắc ở hình 1 ta có thể đo đợc trọng lợng của vật bằng cách cộng số chỉ của hai lực kế từ đó suy ra khối lợng của vật.
Trong hình 2 số chỉ mỗi lực kế cho ta trọng lợng của vật (chỉ lực căng dây treo) nhng trọng lợng của vật vợt quá giới hạn đo nên không đo đợc.
Bài 12:
Một vật có chiều cao lớn hơn nhiều so với chiều rộng của đáy, tác dụng lên vật một lực F theo phơng nằm ngang ở độ cao h so với mặt sàn hãy tìm ph- ơng án xác định hệ số ma sát giữa vật và sàn
*Câu hỏi định hớng:
Xác định các lực tác dụng lên vật?
Nếu thay đổi vị trí điểm đặt lực tác dụng lên vật (thay đổi độ cao h) thì trạng thái chuyển động của vật có gì thay đổi không? Giả thiết khi thay đổi độ cao ta tác dụng lực để vật chuyển động đều F=Fms.
*Gợi ý và hớng dẫn:
Cách 1:
Ta có thể đo hệ số ma sát giữa vật và sàn theo cách giống nh bài 1 bằng cách kéo cho vật chuyển động thẳng đều
trên sàn. Đo giá trị của trọng lực và độ lớn của lực kéo F để xác định đợc hệ số ma sát.
Cách 2:
GV: Khi tác dụng lên vật một lực Fở độ cao h thì có mấy trờng hợp xảy ra đối với vật?
Vật đứng yên Vật chuyển động Vật bị đổ
Nếu xét nh thế này thì bài tập vẫn phức tạp, để đơn giản hoá bài tập ta có thể xét trờng hợp vật chuyển động thẳng đều (lực tác dụng có độ lớn bằng lực ma sát).
GV: Khi tác dụng lực cho vật chuyển động đều nếu thay đổi độ cao h thì có những trờng hợp nào xảy ra?
Vật chuyển động thẳng đều Vật bị đổ
GV: Với điều kiện nào khi tác dụng lực làm vật bị đổ?
Xét trờng hợp nh ở hình vẽ lực Fgây ra mô men là vật quay theo chiều kim đồng hồ và trọng lực Pgây ra mô men theo chiều ngợc lại, vật sẽ bị đổ nếu mô men của lực F lớn hơn mô men của trọng lc P khi đó ta có:
Fh>
2 Pd
mà lực Fđợc giả thiết trong trờng hợp vật chuyển động đều nên ta có: F = Fms = àP⇒àPh>Pd2 ⇒à>2hd
Độ tác dụng lực Fcao ứng với trờng hợp vật bắt đầu bị đổ là h0 ta có thể suy ra cách xác định hệ số ma sát trợt trong trờng hợp này có à = 0 2h d F h d
GV: Em hãy nêu cách xác định hệ số ma sát trong trờng hợp này?
Tác dụng lực F ở độ cao h sao cho vật chuyển động thẳng đều theo phơng ngang
Thay đổi độ cao h (tăng dần)
Đến khi ứng với độ cao h0 ứng với vật chuyển từ trạng thái chuyển động thẳng đều sang trờng hợp vật bị đổ
Đo độ cao h0 và chiều rộng d của vật ta có thể xác định đợc hệ số ma sát giữa vật và sàn
Bài 13:
Đo hệ số ma sát trợt giữa một nam châm và một tấm sắt phẳng, có thể chọn thêm dụng cụ tuỳ ý. Nêu phơng pháp tiến hành đo hệ số ma sát trong trờng hợp nói trên?
*Câu hỏi định hớng:
Khi nào xuất hiện lực ma sát trợt giữa nam châm và miếng sắt? Viết công thức độ lớn lực ma sát trợt trong các trờng hợp đó? Chọn phơng án đo hệ số ma sát trợt?
*Gợi ý và hớng dẫn:
GV: Để xuất hiện lực ma sát trợt giữa nam châm và miếng sắt ta phải làm nh thế nào?
HS: Để đo hệ số ma sát giữa tấm sắt và nam châm thì ta cần phải kéo cho tấm sắt chuyển động trợt trên bề mặt nam châm.
GV: Khi một nam châmt kéo cho chuyển động trợt trên một tấm sắt có những lực nào tác dụng lên nam châm?
HS: Khi nam châm chuyển động trên một tấm sắt đặt nàm ngang thì nam châm chịu tác dụng của các lực:
Trọng lực của nam châm
Lực hút của tấm sắt lên nam châm Phản lực của tấm sắt lên nam châm
GV: Trờng hợp nam châm chuyển động trên bề mặt tấm sắt có khác gì so với tr- ờng hợp kéo một vật chuyển động trên sàn?
HS: Trờng hợp này khác với trờng hợp kéo vật chuyển động trên sàn ở chỗ, khi kéo tấm sắt chuyển động trên nam châm thì còn có thêm lực hút của nam châm đối với tấm sắt.
GV: Để đo lực ma sát ta có thể bố trí thí nghiệm nh thế nào?
HS: Khi kéo nam châm trên bề mặt tấm sắt ta có thể đặt tấm sắt nằm ngang nam châm ở phía trên tấm sắt, hoặc nam châm đặt phía dới tấm sắt, hoặc đặt tấm sắt