7 Cấu trúc khóa luận
2.1 Phân tích nội dung chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn Vật lí
Vị trí chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”
Chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” là chương thứ III trong sách giáo khoa Vật lí 10. Chương I “Động học chất điểm” và chương II “Động lực học chất điểm” khảo sát những tính chất của chất điểm. Trong đó HS đã được tìm hiểu về chuyển động của chất điểm, lực, phân tích và tổng hợp lực tác dụng lên một chất điểm, điều kiện cân bằng của một chất điểm và các định luật Newton. Tuy nhiên, trong cuộc sống ta chủ yếu tiếp xúc với vật rắn, chất điểm chỉ là một khái niệm trừu tượng, lí tưởng hóa cho vật rắn. Chuyển động tổng quát của một vật rắn bao gồm hai chuyển động thành phần là chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh khối tâm. Việc coi vật rắn như là một chất điểm chỉ nhằm mục đích đơn giản hóa chuyển động của nó, chỉ xét đến chuyển động tịnh tiến của vật rắn mà bỏ qua chuyển động quay quanh khối tâm.
Chính vì vậy, việc thêm vào chương 3 “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” là vô cùng cần thiết.
Phân tích cấu trúc của chương
Chương III trình bày hai vấn đề: điều kiện cân bằng của vật rắn và chuyển động của vật rắn; gồm 6 bài học được phân phối trong vòng 8 tiết, cụ thể:
Bảng 2.1: Cấu trúc chương Cân bằng và chuyển động của vật rắn- Vật lý 10
Tên bài Thời lượng
Bài 17: Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và của ba lực không song song.
Bài 18: Cân bằng của một vật có trục quay cố định. Momen lực.
1 tiết
Bài 19: Quy tắc hợp lực song song cùng chiều.
1 tiết
Bài 20: Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế.
1 tiết
Bài 21: Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định.
2 tiết
Bài 22: Ngẫu lực. 1 tiết
Vật rắn là vật có kích thước đáng kể và không bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực. Các dạng chuyển động của vật rắn là chuyển động quay quanh một trục và chuyển động tịnh tiến. Cân bằng của vật rắn là sự cân bằng khi vật không có chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến.
Trường hợp cân bằng đầu tiên được chương trình nhắc tới là trường hợp vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song. Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của hai lực là hai lực đó phải cùng giá, cùng độ lớn và ngược chiều. Từ đó bài học đưa ra phương pháp thực nghiệm để xác định trọng tâm của các vật mỏng và phẳng. Điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song cũng được xây dựng từ thí nghiệm. Thí nghiệm này còn rút ra được quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy bằng quy tắc hình bình hành. Điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song gồm hai điều kiện: thứ nhất là giá của ba lực phải đồng phẳng và đồng quy; thứ hai là hợp lực của hai lực phải cân bằng với lực thứ ba.
Tiếp theo, chương trình sẽ tiếp tục khảo sát điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định. Đầu tiên, bài học nêu thí nghiệm khảo sát sự cân bằng của một đĩa tròn có trục đi qua tâm O của nó. Từ đó, bài học nêu ra một đại lượng mới đặc trưng cho tác
dụng làm quay của lực là momen lực. Sau đó bài học nêu lên điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định gọi là quy tắc momen lực. Bài học còn chú ý rằng quy tắc momen lực còn áp dụng cho trường hợp một vật không có trục quay cố định nếu trong tình huống cụ thể nào đó vật xuất hiện trục quay.
Bài học tiếp theo, thông qua thí nghiệm và vận dụng quy tắc momen lực để nêu lên quy tắc tổng hợp lực song song cùng chiều. Hợp lực của hai lực song song cùng chiều là một lực song song, cùng chiều, có độ lớn bằng tổng độ lớn của hai lực ấy. Giá của hợp lực chia khoảng cách của hai lực song song thành những đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy. Ngoài ra, quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều giúp ta hiểu hơn về trọng tâm của vật. Và cuối củng bài học gợi ý cho HS về trường hợp cân bằng của vật chịu tác dụng của hệ ba lực song song.
Bài học tiếp theo đề cập tới sự cân bằng của một vật rắn. Bài học nêu lên những kiến thức bổ ích vì tính cân bằng, vững vàng của một vật rắn là rất quan trọng, có ứng dụng cao trong thực tiễn. Thông qua thí nghiệm với cây thước với các trục quay khác nhau, bải học nêu lên các dạng cân bằng của vật rắn: cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định. Nguyên nhân của các dạng cân bằng đó là do vị trí trí trọng tâm của vật. Tiếp theo bài học nêu lên điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế đó là trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế. Tổng hợp lại, mức vững vàng của cân bằng được xác định bởi độ cao của trọng tâm và diện tích của mặt chân đế.
Sau khi học về các điểu kiện cân bằng của vật, bài học tiếp theo cung cấp kiến thức về các dạng chuyển động của vật rắn đó là chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh một trục cố định. Chuyển động tịnh tiến của vật rắn là chuyển động trong đó đường thẳng nối hai điểm bất kì của vật luôn song song với chính nó. Một vật khi chuyển động tịnh tiến thì tất cả các điểm của vật đều chuyển động như nhau, nghĩa là có cùng gia tốc. Lúc này có thể coi vật như một chất điểm và áp dụng định luật II Newton để tính gia tốc của vật. Đối với chuyển động quay quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật đều có cùng tốc độ góc và được gọi là tốc độ góc của vật. Nguyên nhân gây ra chuyển động quay là do momen lực, hay nói cách khác momen lực tác dụng vào một vật làm
thay đổi tốc độ góc của vật. Tương tự như chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay cũng có mức quán tính (gọi là momen quán tính). Khi tác dụng cùng một momen lực lên các vật khác nhau, tốc độ góc của vật nào tăng chậm hơn thì vật đó có mức quán tính lớn hơn và ngược lại. Có hai yếu tố ảnh hưởng đến mức quán tính của vật đó là khối lượng của vật và sự phân bố khối lượng đối với trục quay. Khối lượng càng lớn và phân bố càng xa trục quay thì momen quán tính càng lớn và ngược lại.
Bài cuối cùng của chương đề cập đến một trường hợp ta thường hay gặp trong thực tế, đó là sự chuyển động quay của vật rắn khi chịu tác dụng của hai lực song song, ngược chiều và cùng độ lớn. Ta không thể tìm hợp lực của hai lực song song này. Hai lực song song này có tác dụng làm quay vật. Ta gọi hệ hai lực đó là ngẫu lực. Bài học nêu lên tác dụng của ngẫu lực trong trường hợp vật có trục quay cố định và không có trục quay cố định. Đặc trưng cho tác dụng quay này thì bại học cũng nêu lên momen lực của ngẫu lực.
Mục tiêu của chương
Mục tiêu của chương theo chuẩn kiến thức, kĩ năng trong chương trình hiện hành [10]:
Kiến thức
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của hai hay ba lực không song song.
- Phát biểu được quy tắc xác định hợp lực của hai lực song song cùng chiều. - Nêu được trọng tâm của một vật là gì.
- Phát biểu được định nghĩa, viết được công thức tính momen lực và nêu được đơn vị đo momen lực.
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay cố định.
- Phát biểu được định nghĩa ngẫu lực và nêu được tác dụng của ngẫu lực. Viết được công thức tính momen ngẫu lực.
- Nêu được điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế. Nhận biết được các dạng cân bằng bền, cân bằng không bền, cân bằng phiếm định của một vật rắn.
- Nêu được đặc điểm để nhận biết chuyển động tịnh tiến của một vật rắn.
- Nêu được, khi vật rắn chịu tác dụng của một momen lực khác không, thì chuyển động quay quanh một trục cố định của nó bị biến đổi (quay nhanh dần hoặc chậm dần).
- Nêu được ví dụ về sự biến đổi chuyển động quay của vật rắn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng của vật đối với trục quay.
Kĩ năng
- Vận dụng được điều kiện cân bằng và quy tắc tổng hợp lực để giải các bài tập đối với trường hợp vật chịu tác dụng của ba lực đồng quy.
- Vận dụng được quy tắc xác định hợp lực để giải các bài tập đối với vật chịu tác dụng của hai lực song song cùng chiều.
- Vận dụng quy tắc momen lực để giải được các bài toán về điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định khi chịu tác dụng của hai lực.
- Xác định được trọng tâm của các vật phẳng đồng chất bằng thí nghiệm.
2.2 Xây dựng chủ đề “Mô hình cần cẩu tháp” Mô tả chủ đề
Cần cẩu là thiết bị không thể thiếu trong các hoạt động xây dựng. Nhất là trong quá trình đô thị hóa, hiện đại hóa hiện nay thì hình ảnh cần cẩu vô cùng phổ biến với HS. Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của thiết bị này là vô cùng cần thiết. Nguyên lí hoạt động của thiết bị cần cẩu tháp dựa trên những kiến thức được bao gồm trong chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”- Vật lí 10. Vì thế, chúng tôi tổ chức chủ đề “Mô hình cần cẩu tháp” dành cho học sinh lớp 10 đang học chương “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” để vừa giúp HS hiểu thêm về một loại thiết bị phổ biến trong cuộc sống, vừa học và vận dụng được kiến thức học trong chương.
Các vấn đề cần giải quyết trong chủ đề
- Chế tạo được mô hình cần cẩu tháp bằng các vật liệu mà giáo viên cũng cấp. - Làm sao khi nâng vật lên và đưa vật ra xa thì cần cẩu không bị lật? ➔ Điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định là gì? Điều kiện cân bằng của vật có mặt chân đế? ➔ Xác định trọng tâm của vật bằng quy tắc hợp lực song song cùng chiều.
- Để cần cẩu vững vàng hơn thì có những cách nào ➔ Mức vững vàng của cân bằng.
- Để cần cẩu dễ dàng xoay và trục quay không bị biến dạng ➔ Trục quay của motor cần đi qua trọng tâm của hệ
Các kiến thức thuộc lĩnh vực STEM trong chủ đề
Bảng 2.2: Các kiến thức thuộc lĩnh vực STEM trong chủ đề Mô hình cần
cẩu tháp
Khoa học (Science) - Momen lực.
- Cân bằng của một vật có trục quay cố định.
- Quy tắc hợp lực song song cùng chiều. - Cân bằng của một vật có mặt chân đế. - Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định.
- Động cơ điện một chiều. - Mạch điện một chiều.
Công nghệ (Technology) - Sử dụng máy khoan, kiềm, kéo, keo dán sắt, súng bắn keo, …
Kĩ thuật (Engineering) - Bản thiết kế cần cẩu.
Toán học (Mathematics) - Tính toán, đo đạc chiều cao của cần cẩu, độ dài của các cánh tay đòn.
- Tính toán, đo đạc các chi tiết.
Mục tiêu chủ đề
a) Kiến thức, kĩ năng
- Nhớ lại và vận dụng được các kiến thức về dòng điện, mạch điện, động cơ điện một chiều. (KTKN-1)
- Nêu được khái niệm momen lực, các dạng cân bằng, điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế. (KTKN-2)
- Trình bày được điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định (hay quy tắc momen lực), quy tắc hợp lực song song cùng chiều, chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định. (KTKN-3)
- Rèn luyện được kĩ năng thực hiện thí nghiệm, xử lí kết quả thí nghiệm, đánh giá kết quả thí nghiệm và rút ra kết luận. (KTKN-4)
- Nêu được nguyên lí hoạt động của cần cẩu tháp. (KTKN-5) - Vẽ và mắc được mạch điện một chiều. (KTKN-6)
- Thiết kế và lắp ráp được mô hình cần cẩu tháp. (KTKN -7)
- Biết cách sử dụng thành thạo và an toàn các công cụ: máy khoan, súng bắn keo, … (KTKN-8)
b) Năng lực - GQVĐVST:
+ Phát hiện và nêu được vấn đề (GQVĐST-1)
+ Thực hiện được thí nghiệm và kết luận (GQVĐST-2)
+ Đề xuất mô hình cần cẩu tháp, thực hiện giải pháp, đánh giá, cải tiến sản phẩm của nhóm mình và nhóm bạn (GQVĐST-3)
- Tự chủ và tự học:
+ Nghiên cứu tài liệu để lĩnh hội kiến thức. (TCTH-1)
+ Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và cách chế tạo cần cẩu tháp. (TCTH- 2)
- Giao tiếp và hợp tác: thảo luận và xây dựng hoạt động nhóm tích cực. (GTHT-1) - Thẩm mỹ: sáng tạo sản phẩm có tính thẩm mỹ. (TM-1)
c) Phẩm chất
- Chăm chỉ: tích cực, hăng say thảo luận, phân tích bài học, tìm và phân tích giải pháp, thực hiện giải pháp. (PC-1)
- Trách nhiệm: có tinh thần trách nhiệm trong làm việc nhóm. (PC-2)
2.2.5.1 Dụng cụ, học liệu sử dụng trong chủ đề Bảng 2.3. Dụng cụ, học liệu GV cần chuẩn bị
Tên phương tiện/ học
liệu Số lượng Cách thức sử dụng
Bút lông màu 1 bộ/ nhóm - Dùng để ghi chép, trang trí poster
Giấy A3 1 tờ/ nhóm - Dùng ở hoạt động 1 trong
tiến trình.
- Dùng để HS thảo luận và ghi các cách để nâng vật liệu xây dựng lên cao. Phiếu học tập 1, 2, 3, 4, 5 1 bộ/ cá nhân - In khổ giấy A4
- Dùng ở hoạt động 2 trong tiến trình. Phiếu học tập 6 (Phiếu khăn trải bàn) 1 bộ/ nhóm - Khổ giấy A1 hoặc A0 - Dùng ở hoạt động 3 trong tiến trình. - Dùng để HS ghi chép phương án thiết kế riêng và thống nhất thành phương án chung của nhóm.
Tài liệu học tập 1 bộ/ cá nhân - In khổ A4
Bộ vật liệu và dụng cụ 1 bộ/ nhóm Tài liệu hướng dẫn thực
hiện sản phẩm
2.2.5.2 Hướng dẫn thực hiện sản phẩm a. Vật liệu và dụng cụ
Bảng 2.4: Bảng vật liệu giáo viên chuẩn bị và phát cho các nhóm
STT Vật liệu Kích
thước Số lượng Ghi chú/ hình ảnh
1 Que đè lưỡi 2x15 (cm) Khoảng 100 que
2 Que kem 1x15 (cm) 2 que
4 Dây dù 2mm 2m 5 Ròng rọc 2 cái 6 Ván làm mô hình 40x40 1 7 Hộp carton Khoảng 20x10x10 (cm) 1 hộp
8 Motor giảm tốc vàng v1 2 cái 9 Motor giảm tốc 3-9V, 2.5- 12 vòng/phút 1 cái 10 Công tắc đổi chiều 6 chân 3 cái 11 Dây điện 2m
12 Đầu nối dây điện 2 chấu
4 cái
13 Đế pin AA 4 pin mắc nối tiếp
1 cái
14 Pin AA 1,5V 4 cục
Bảng 2.5 Bảng dụng cụ giáo viên chuẩn bị và phát cho các nhóm
STT Dụng cụ Chú thích/ hình vẽ
1 Máy khoan
3 Keo dán sắt
4 Súng bắn keo
5 Keo nến
7 Găng tay bảo hộ
8 Kính bảo hộ
b. Tiến hành gia công các chi tiết
Lưu ý: Nếu không nói gì thêm thì các bước dán ta sẽ dùng keo 502, chỗ nào dùng keo nến tài liệu sẽ có đề cập.
Bảng 2.6. Các bước gia công các chi tiết của mô hình cần cẩu tháp Tên
chi tiết
Số lượng
Các bước tiến hành
Thanh dài 45 cm
6 Bước 1: Dùng kéo cắt chuyên
dụng cắt 6 que đè lưỡi thành 2