9. Cấu trúc luận văn
2.3. Hướng dẫn cách giải một số BTTN chương Động lực học chất điểm
Bài 1: Bác Hải đang lái xe ôtô
trên đường lát bê tông thì bất ngờ bác nhìn thấy một con bò đi từ rệ đường lên trên mặt đường, ngay lập tức bác đạp phanh. Xe của bác tạo lên trên mặt đường một vệt màu đen dài. Hãy xác định hệ số ma sát trượt giữa lốp xe và
mặt đường, sau đó thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm tra.
Mục tiêu của bài tập:
+ Về kiến thức:
- Nêu được đặc điểm của lực ma sát trượt, hệ số ma sát trượt. - Giải được bài toán liên quan tới lực ma sát
+ Về kĩ năng: Thiết kế được phương án thí nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa 2 vật; đo đạc, thu thập được các số liệu có liên quan; trình bày được kết quả thí nghiệm; đánh giá được phương án, kết quả thí nghiệm của thành viên khác trong lớp.
+ Về thái độ: Có tinh thần yêu thích môn học, có thái độ tích cực trong học tập
+ Về tư duy: Qua việc giải BT này giúp HS bồi dưỡng TDST: Đề xuất được giải pháp xác định hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường, lựa chọn dụng cụ đơn giản và thiết kế phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó, áp dụng cách giải bài toán vào thực tiễn đồng thời bồi dưỡng TDPP: Bổ sung dữ kiện trong khi thiết lập các mối liên hệ toán học.
Hướng dẫn
GV: Chuyển động của xe ô tô gồm có mấy giai đoạn, đó là những giai đoạn chuyển động nào?
Gồm 2 giai đoạn: chuyển động trước khi đạp phanh và Chuyển động sau khi đạp phanh
GV: Làm thế nào xác định được hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường?
Để xác định được hệ số ma sát cần biết lực ma sát tác dụng lên lốp xe. Để xác định lực ma sát, cần xác định được lực tác dụng lên xe thông qua gia tốc chuyển động của xe
=> Giải pháp: Tìm mối quan hệ giữa hệ số ma sát với gia tốc chuyển
động của xe.
GV: Liệu có dụng cụ nào đo trực tiếp gia tốc hay không? Nếu không sẽ tìm giá trị của gia tốc như thế nào?
Thực hiện giải pháp
Đo a gián tiếp thông qua các đại lượng có thể đo trực tiếp.
Đo a gián tiếp qua biểu thức: v2 v02 2.a.s, trong đó: s là quãng đường xe đi được từ lúc hãm phanh đến khi dừng lại, v0: Tốc độ chuyển động của xe ngay trước khi hãm phanh; v: vận tốc của xe khi dừng lại (v=0)
Khi đó: s g v s a v v . . 2 . . 2 2 0 2 0 2 (1)
GV: Ngoài cách tìm hệ số ma sát theo cách trên còn có cách nào khác không? Và có bình luận gì về cách tìm gia tốc này hay không?
Có thể dùng định lý biến thiên động năng cho giai đoạn sau khi xe hãm phanh: mv mv Fms s mv mv .m.g.s 2 . 2 . . 2 . 2 . 2 02 2 02 Khi xe dừng lại thì v0 do đó: s g v . . 2 2 0
Nếu áp dụng định lí biến thiên động năng để tìm hệ số ma sát thì dữ kiện bài toán phải giả sử lực ma sát trượt là không đổi.
GV: Hãy thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm tra kết quả lí thuyết
- Dùng tốc kế trên xe ô tô để biết giá trị v0 - Đo độ dài vết trượt để biết giá trị s
- Thay các giá trị v0,stừ thực nghiệm vào biểu thức
s g v . . 2 2 0 , tính được giá trị .
GV: Làm thế nào để biết cách đo hệ số ma sát trượt của em là hợp lí?
Thay các giá trị v0,stừ thực nghiệm vào biểu thức (1), tính được giá trị . Tính sai số tương đối: 2. 20%
s s v v , có thể chấp nhận kết quả
Hoặc so sánh với giá trị trong bảng 13.1 (SGK.Tr76)
GV: Các vụ va chạm giao thông thường để lại các vệt đen trên đường. Theo em, có thể vận dụng bài tập này trong thực tiễn như thế nào?
Có thể vận dụng cách giải của BTTN này để xác định được tốc độ của các phương tiện giao thông trước khi gây ra tai nạn.
Bài 2: Cho một cái lò xo chưa biết hệ số đàn hồi, một giá treo duy nhất,
một quả cân đã biết khối lượng và một cái thước có độ chia chính xác. Trình bày phương án xác định khối lượng của một vật? Từ kết quả thu được có thể vận dụng trong thực tiễn như thế nào?
Mục tiêu của bài tập:
+ Về kiến thức:
- Nêu được đặc điểm của lực đàn hồi, độ cứng của lò xo. - Giải được bài toán liên quan tới lực đàn hồi của lò xo
+ Về kĩ năng: Thiết kế được phương án thí nghiệm nhằm đo khối lượng của một vật; đo đạc, thu thập được các số liệu có liên quan; trình bày được kết quả thí nghiệm; đánh giá được phương án, kết quả thí nghiệm của thành viên khác trong lớp.
+ Về thái độ: Có tinh thần yêu thích môn học, có thái độ tích cực trong học tập.
+ Về tư duy: Qua việc giải BT này bồi dưỡng TDST: tìm ra được các phương án đo khối lượng của vật, gắn kiến thức sau bài học với thực tiễn cuộc sống và TDPP: Tìm ra được biện pháp khắc phục các sai số mắc phải khi làm thí nghiệm.
Hướng dẫn
GV: Có những cách nào để đo khối lượng của một vật?
Dùng cân lò xo, cân đòn, dùng lực kế
GV: Với các dụng cụ đã cho: một cái lò xo chưa biết hệ số đàn hồi, một giá treo duy nhất, một quả cân đã biết khối lượng và một cái thước có độ chia chính xác làm thế nào để đo được khối lượng của vật chưa biết?
Giải pháp:
Khi móc vật chưa biết khối lượng vào lò xo, lò xo sẽ dãn ra. Khi lò xo cân bằng, trọng lực tác dụng lên vật có độ lớn bằng lực đàn hồi.
Trọng lực có quan hệ với khối lượng, lực đàn hồi có quan hệ với độ dãn của lò xo. Vậy, nếu có một vật đã biết khối lượng, lập tỉ số khối lượng giữa 2 vật và độ dãn của lò xo trong 2 trường hợp sẽ xác định được khối lượng chưa biết của vật.
Thực hiện giải pháp:
- Móc quả cân đã biết khối lượng vào lò xo treo thẳng đứng, đo độ dãn của lò xo này bằng thước
- Móc vật cần đo khối lượng vào lò xo này, dùng thước đo độ dãn của lò xo khi đó. - Lập tỷ số: m l l M l l m M 1 2 1 2 .
Trong đó: M là khối lượng vật cần tìm, m là khối lượng quả cân
- Để tránh sai số mắc phải khi làm TN cần: Thực hiện các thao tác đo chính xác, lặp lại nhiều lần để tính giá trị đo trung bình
GV: Theo em, kết quả thu được có thể vận dụng trong thực tiễn như thế nào?
Có thể vận dụng cách giải của bài tập này
- Để xác định tính chính xác của các cân bán hàng ở chợ một cách đơn giản, nếu có một chai nước đã biết thế tích.
- Để xác định khối lượng hàng hóa tối đa cho phép đối với các lò xo ở yên xe đạp, xe máy.
Bài 3:
Vào những ngày trời nồm, nền nhà thường bị ẩm ướt, việc đi lại trên sàn nhà gặp khó khăn vì sàn nhà trơn, dễ xảy ra trơn trượt, nguy hiểm đối với những em nhỏ và người già. Em có những cách nào để khắc phục tình trạng này? và đại lượng vật lí nào đặc trưng cho hiện tượng này. Hãy tiến hành thí nghiệm đo đại lượng đó để kiểm tra giải pháp em đã đề xuất?
Mục tiêu của bài tập:
+ Về kiến thức: Nêu được đặc điểm của lực ma sát, hệ số ma sát trượt.
+ Về kĩ năng: Thiết kế được phương án thí nghiệm nhằm đo hệ số ma sát trượt của hai vật liệu bất kì; đo đạc, thu thập được các số liệu có liên quan; trình bày được kết quả thí nghiệm, đánh giá được phương án, kết quả thí nghiệm của thành viên khác trong lớp.
+ Về thái độ: Có tinh thần yêu thích môn học, có thái độ tích cực trong học tập.
+ Về tư duy: Bồi dưỡng TDST: Biết được phương án thí nghiệm đo hệ số ma sát trượt của các bề mặt tiếp xúc có bản chất khác nhau, lựa chọn các dụng cụ đơn giản và TDPP: Đánh giá các giải pháp khắc phục hiện tượng trơn trượt vào những ngày trời nồm.
Hướng dẫn:
GV: Hãy diễn đạt nội dung bài tập bằng ngôn ngữ vật lí.
Vào những ngày trời nồm, nền nhà thường bị ẩm ướt, việc đi lại trên sàn nhà gặp khó khăn vì sàn nhà trơn, dễ xảy ra trơn trượt, nguy hiểm đối với những em nhỏ và người già. Em có những cách nào nhằm làm tăng hệ số ma sát trượt và tiến hành thí nghiệm để so sánh hệ số ma sát trượt trong các trường hợp khác nhau.
GV: Hệ số ma sát trượt phụ thuộc vào các yếu tố nào?
Phụ thuộc vào bản chất và tình trạng của bề mặt tiếp xúc. Do đó, nếu tình trạng bề mặt tiếp xúc thay đổi thì hệ số ma sát sẽ thay đổi dẫn đến lực ma sát thay đổi. Nếu hệ số ma sát trượt càng nhỏ thì lực ma sát sẽ yếu đi, khả năng trượt trên bề mặt tiếp xúc càng cao. Do đó, để tránh tình trạng bị ngã khi đi trên nền gạch ướt ta cần làm tăng hệ số ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc.
GV: Vậy giải pháp của em là gì?
- Thường xuyên lau sàn nhà
- Dùng thảm chống trơn
- Không đi chân đất
- Dùng các dép còn mới, là các dép có nhiều độ nhám
Việc thường xuyên lau sàn nhà mất nhiều thời gian, và là giải pháp tức thời vì thời tiết nồm, không tránh được việc sàn nhà thường xuyên bị ẩm ướt.
Việc dùng thảm chống trơn chỉ dùng được với diện tích sàn nhà nhỏ Do vậy việc dùng các dép có nhiều độ nhám hợp lí hơn
GV: Hãy làm thí nghiệm để so sánh hệ số ma sát trượt trong các trường hợp khác nhau?
- Tiến hành đo hệ số ma sát giữa dép mới, và hệ số ma sát giữa dép cũ (đế nhẵn) với sàn gạch ướt. So sánh hệ số ma sát trong 2 trường hợp. Dép nào có hệ số ma sát càng nhỏ thì khả năng trượt trên bề mặt tiếp xúc càng cao.
Thực hiện giải pháp:
Các phương án dự kiến:
+ Phương án 1:
Dụng cụ: Dép cũ, dép mới, lực kế, viên gạch lát sàn bị ướt Tiến hành thí nghiệm:
- Đo khối lượng m của dép cũ.
- Kéo chiếc dép bằng một lực theo phương ngang thông qua lực kế (có số chỉ là F) để vật chuyển động thẳng đều trên sàn.
- Khi đó hệ số ma sát trượt cần tìm được xác định bởi công thức: F mg
.
+ Phương án 2:
Dụng cụ: Dép cũ, dép mới, thước đo độ dài. Tiến hành thí nghiệm:
- Đặt dép cũ lên trên viên gạch ướt. Ban đầu viên gạch nằm ngang, sau đó tăng dần góc nghiêng cho tới khi chiếc dép bắt đầu trượt thì dừng lại, xác định góc nghiêng α của viên gạch so với sàn nhà. Khi đó hệ số ma sát được tính bởi: tan .
- Tiến hành thí nghiệm tương tự với dép mới.
+ Phương án 3:
Dụng cụ:Dép cũ, dép mới, viên gạch bị ướt, góc đo độ, đồng hồ bấm giây, thước đo chiều dài.
Tiến hành thí nghiệm:
- Đặt dép cũ nằm trên viên gạch lát nền tương tự viên gạch lát sàn nhà tắm nghiêng góc so với mặt phẳng ngang. Tăng dần độ nghiêng để dép chuyển động trượt xuống dưới.
- Bằng lập luận tìm được biểu thức gia tốc của dép chỉ phụ thuộc góc nghiêng và hệ số ma sát trượt : ) . .(sin Cos g a cos . tan g a (*) Với: 2.2 t s a (**)
Trong đó: s là chiều dài viên gạch
- Dùng đồng hồ bấm giây đo t - Dùng thước dây đo s
- Dùng thước đo độ đo góc nghiêng
- Thay các giá trị t, s, vào các biểu thức (*),(**), ta tìm được giá trị của
GV: Trong 3 phương án trên, phương án nào khả thi và tránh được nhiều sai số nhất?
*) Với phương án 1:
- Cần ít dụng cụ nhất, ít thao tác thí nghiệm.
- Khó khăn trong việc kéo lực kế sao cho chiếc dép chuyển động thẳng đều. Nếu chuyển động của chiếc dép không là chuyển động thẳng đều thì kết quả của bài toán chưa chính xác.
*) Với phương án 2
- Thao tác thí nghiệm đơn giản, dễ làm. Cần ít dụng cụ.
- Rất khó quan sát được góc nghiêng giới hạn để vật bắt đầu trượt. Nếu xác định góc nghiêng giới hạn sai dẫn đến hệ số ma sát không chính xác
*) Với phương án 3
- Cần nhiều dụng cụ, nhiều phép đo
- Các phép đo có thể thực hiện dễ dàng, có độ chính xác cao.
GV: Qua việc giải BTTN này, em có rút ra kinh nghiệm gì về việc sử dụng dép đi trên nền nhà bị ướt như trong nhà tắm, sân có rêu không?
Không nên đi những dép có đế nhẵn , để tăng hệ số ma sát giữa đế dép và sàn nhà nên sử dụng các dép có đế nhám, hoặc thường xuyên lau khô sàn nhà, dùng thảm chống trơn.
Bài 4 (Bài 185, 500 BTVL 10, Tr. 75)[11]
Một khúc gỗ đặt ở góc tường như hình vẽ.
Người ta tác dụng lực vào khúc gỗ theo hai cách: - Dùng tay ép khúc gỗ vào tường.
- Thay vì dùng tay ép khúc gỗ vào tường, người ta dùng búa gõ rất nhanh vào khúc gỗ như hình vẽ.
So sánh hiện tượng xảy ra trong 2 trường hợp và giải thích kết quả, tiến hành thí nghiệm kiểm tra.
Định hướng tư duy học sinh
Để biết hiện tượng xảy ra đối với khúc gỗ như thế nào hãy xét các lực tác dụng lên khúc gỗ trong mỗi trường hợp.
Hiện tượng:
- Khi dùng tay ép khúc gỗ vào tường thì khúc gỗ đứng yên - Khi dùng búa gõ rất nhanh vào khúc gỗ thì
khúc gỗ bị dịch chuyển ra ngoài một chút
Giải thích:
*) Khi dùng tay ép khúc gỗ vào tường bằng lực 1
F , lực này được khúc gỗ truyền nguyên vẹn vào tường, ép lên tường lực F2 F1. Theo ĐL III Niu-tơn, tường tác dụng trở lại khúc gỗ một lực ' 2 F trực đối với 2 F . Hai lực ' 2 F ,F2 cùng tác dụng lên khúc gỗ cân bằng nhau. Kết quả là khúc gỗ vẫn đứng yên.
*) Khi dùng búa gõ nhanh vào khúc gỗ một
lực F1, lập luận tương tự như trên ta thấy cũng xuất hiện lực ' 2
F . Tuy nhiên trong trường hợp này vì thời gian tác dụng lực F1 rất ngắn nên khi xuất hiện phản lực '
2
F thì lực F1 đã mất đi, lực ' 2
F làm khúc gỗ xuất hiện gia tốc tức thời. Kết quả là khúc gỗ bị dịch chuyển ra ngoài một chút (như hình trên).
1 F 2 F , 2 F
Bài 5: Bạn Mai treo một áo khoác vào điểm giữa của một đoạn dây thép được căng ngang, thì thấy dây chùng xuống. Hãy trình bày phương án thí nghiệm giúp Mai tính lực căng của mỗi nửa sợi dây và giải thích cách làm.
Mục tiêu của bài tập:
+ Về kiến thức: Nêu được điều kiện cân bằng của chất điểm, tổng hợp và phân tích lực
+ Về kĩ năng: Giải được bài toán liên quan đến điều kiện cân bằng của chất điểm. Thiết kế phương án và tiến hành thí nghiệm đo lực đàn hồi của sợi dây.