Hệ thống bài tập thí nghiệm phần “Cân bằng và chuyển động

10. Cấu trúc luận văn

2.3.2. Hệ thống bài tập thí nghiệm phần “Cân bằng và chuyển động

1)Chủ đề: Các dạng cân bằng. Mức vững vàng của cân bằng Bài tập 1:

Quan sát một người đang ngồi trên ghế muốn đứng lên thì người đó phải nghiêng người tới phía trước.Hãy giải thích tại sao? Và trải nghiệm lại tư thế đó?

Bài tập 2:

Một khúc gỗ hình trụ nằm cân bằng trên mặt nước (khúc gỗ nổi) có thể ở tư thế thẳng đứng(nếu nước yên lặng). Cân bằng này bền hay không bền? Tại sao? Thực tế khi khúc gỗ trôi theo dòng nước, nó không bao giờ trôi được ở tư thế đứng (vuông góc với mặt nước) mà chỉ có thể trôi nằm, hướng dọc theo dòng nước chảy. Hãy giải thích tại sao? Tiến hành TN để kiểm chứng

a)Mục tiêu của các bài tập:

Về kiến thức: Ôn tập lại kiến thức về các dạng cân bằng, mức vững vàng của

cân bằng đã được học ở THCS.

+ Về kĩ năng: thiết kế các phương án thí nghiệm bố trí và tiến hành thí nghiệm theo mô tả ở đề bài, quan sát, giải thích hiện tượng

+ Về thái độ: Có tinh thần yêu thích môn học, có thái độ tích cực trong học tập

+ Về tư duy: Phát triển được TDPP và TDST trong quá trình học.

b)Dự kiến sử dụng: Giáo viên sử dụng bài tập 1 dạy kiến thức mới cho phần học: Mức vững vàng của cân bằng. Và sử dụng bài tập 2 vào dạy tiết bài tập cho phần học các dạng cân bằng.

c)Các phương án dự kiến:

Giải thích:

Khi ngồi trọng tâm của người và ghế “rơi” vào mặt chân đế (diện tích hình chữ nhật nhận 4 chân ghế làm các đỉnh).

Khi muốn đứng dậy (tách khỏi ghế) cần phải làm cho trọng tâm của người rơi vào chân đế của chính họ (phần bao của hai chân tiếp xúc với mặt đất). Động tác chúi người về phía trước là để lấy trọng tâm của người rơi vào chân đế của chính người ấy.

- Bài tập 2

Cân bằng của khúc gỗ là không bền.

Giải thích: Gỗ luôn chịu tác dụng của hai lực cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn nhưng không cùng điểm đặt. Nếu vì một lí do nào đó, khúc gỗ bị nghiêng, hai lực này lập tức tạo thành một ngẫu lực làm cho khúc gỗ quay.

A F P A F P

Trong đó trọng lực P

có điểm đặt tại tâm khối gỗ còn lực đẩy Acsimet có điểm đặt tại tâm phần gỗ chìm trong nước.

Khi trôi trong nước, khúc gỗ nằm ngang. Điểm đặt của P

và FA

gần nhau hơn so với khi khúc gỗ ở tư thế đứng

d)Dự kiến khó khăn: Chỉ mô tả được trạng thái cân bằng của khúc gỗ, không mô tả được khi khúc gỗ bị nghiêng xuất hiện cặp ngẫu lực làm cho khúc gỗ quay. Không giải thích được hiện tượng quan sát được.

e) Định hướng tư duy:

- Bài tập 1: Hãy xác định trọng tâm và diện tích mặt chân đế của người và ghế khi người đó ngồi? Xác định trọng tâm và diện tích mặt chân đế khi người đó đứng?

- Bài tập 2: Hãy chỉ ra các lực tác dụng lên khúc gỗ khi khúc gỗ nằm thẳng đứng trong nước yên lặng? Nêu rõ đặc điểm của cặp lực đó? Nếu vì một lí do nào đó khúc gỗ bị nghiêng; có nhận xét gì về đặc điểm của cặp lực nói trên? Thực tế khi trôi khúc gỗ thường trôi nằm hướng dọc theo dòng nước chảy? Hãy giải thích tại sao?

f)Hướng phát triển của hai bài tập:

Người ta đã làm như thế nào để thực hiện được mức vững vàng cao của trạng thái cân bằng ở những vật sau đây?

1) Đèn để bàn. 2) Xe cần cẩu. 3) Ô tô đua.

Dạng bài tập thí nghiệm: Thiết kế chế tạo dựa trên dụng cụ có sẵn 2)Chủ đề: Xác định trọng tâm của các vật

- BTXP: (Bài 5/106/SGK Vật lí 10)

Hãy xác định trọng tâm của một bản mỏng đồng chất hình chữ nhật dài 12cm, rộng 6cm bị cắt một mẩu hình vuông có cạnh 3cm như hình vẽ bằng PP hình học. Sau đó tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng.

Bài tập 3: Xác định trọng tâm của các vật trong các trường hợp sau:

. Trường hợp 1: Xác định vị trí trọng tâm của tấm phim X- Quang hình chữ nhật.

. Trường hợp 2: Xác định vị trí trọng tâm của Vật mỏng, phẳng có hình chữ T

a)Mục tiêu của bài tập:

+ Về kiến thức:

- Nêu được cách xác đi ̣nh tro ̣ng tâm của tấm phim X-quang và tấm bìa hình chữ T . - Vận dụng được điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực và quy tắc hợp lực song song cùng chiều.

- Vận dụng được phương pháp thực nghiệm ở mức độ đơn giản . + Về kĩ năng: Thiết kế được các phương án thí nghiệm nhằm xác định trọng tâm của 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: Phát triển được TDPP và TDST trong quá trình học.

b)Dự kiến sử dụng: Tiết ôn tập,tự chọn về: Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và của ba lực không song song và quy tắc hợp lực song song cùng chiều.

c)Các phương án dự kiến:

* Trường hợp1: Xác định vị trí trọng tâm của tấm phim X- Quang

- Phương án1: Treo vật

+ Dùng kẹp sắt kẹp tấm phim X- Quang ở góc bên trái

+ Buộc một đầu sợi dây vào kẹp sắt đầu còn lại cố định vào tường sao cho thước cân bằng

+ Dùng thước đặt trùng với phương sợi dây sau đó lấy bút kẻ theo phương sợi dây

+ Tháo tấm phim X ra khỏi kẹp sắt; và dùng kẹp sắt kẹp tấm phim ở một điểm bất kì trên cạnh tấm phim

+ Dùng thước đặt trùng với phương sợi dây sau đó lấy bút kẻ theo phương sợi dây.

+ Giao của hai đường vẽ được ta được trọng tâm của tấm phim X.

- Phương án 2: Đặt tấm phim trên mặt phẳng nằm ngang; dùng thước kẻ hai đường chéo ta được trọng tâm của tấm phim.

- Phương án 3: Đặt tấm phim trên đầu ngón tay trỏ và giữ cho tấm phim cân bằng; sau đó lấy bút đánh dấu điểm trọng tâm

* Trường hợp 2: Vật mỏng, phẳng có hình chữ T - Phương án 1: Treo vật

+ Dùng kẹp sắt kẹp tấm bìa hình chữ T ở một góc bên trái

+ Buộc một đầu sợi dây vào kẹp sắt đầu còn lại cố định vào tường sao cho tấm bìa cân bằng

+ Dùng thước đặt trùng với phương sợi dây sau đó lấy bút kẻ theo phương sợi dây

+ Tháo tấm bìa ra khỏi kẹp sắt; và dùng kẹp sắt kẹp tấm bìa ở một góc bên phải

lấy bút kẻ theo phương sợi dây.

+ Giao của hai đường vẽ được ta được trọng tâm của tấm bìa.

- Phương án 2: Đặt tấm bìa chữ T trên ngón tay trỏ và giữ cho tấm bìa cân bằng; sau đó lấy bút đánh dấu trọng tâm tấm bìa

- Phương án 3:

Ta chia bản mỏng ra thành hai phần ABCD (S1) và EFGH (S2), mỗi phần có dạng hình chữ nhật. Trọng tâm của các phần này nằm tại O1, O2 (giao điểm các đường chéo của hình chữ nhật).

Gọi trọng tâm của bản là O, là điểm đặt của hợp các trọng lực P1 , P2 của hai phần hình chữ nhật. O1 A D G H B E F C O1 O 1 P O2 2 P O1

Theo quy tắc hợp lực song song cùng chiều: 1 2 1 2 2 1 m m P P OO OO  

Bản đồng chất, khối lượng tỉ lệ với diện tích: 3 5 10 . 30 10 . 50 1 2 1 2    S S m m Ngoài ra: OO OO 30cm 2 60 2 1  

Từ các phương trình trên, ta suy ra:

OO1= 18,75cm; OO2 = 11,25cm

Vậy trọng tâm O của bản nằm trên trục đối xứng của bản, cách đáy: 11,25 + 25 = 36,25cm

d)Định hướng tư duy: Trọng tâm của vật là gì? Lựa chọn những dụng cụ gì để xác định trọng tâm của tấm phim X-quang hình chữ nhật? Nếu không cho dụng cụ hãy thiết kế phương án và tự lựa chọn thêm dụng cụ để xác định trọng tâm của miếng bìa hình chữ T? Từ đó kiểm nghiệm được quy tắc nào đã học?

e)Dự kiến khó khăn: Không thiết kế thêm phương án và không tự thiết kế xoay ngang tấm bìa hình chữ T để áp dụng quy tắc hợp lực song song.

f)Hướng phát triển của bài tập: Trọng tâm có thể nằm ngoài vật không? Nếu có hãy nêu một ví dụ cụ thể (bài 6/102/ Bài tập định tính 10/Vũ Thanh Khiết; Nguyễn Thanh Hải).

3)Chủ đề: Cân bằng của vật rắn có trục quay cố định. Momen lực

-BTXP: (Bài 7.19/Vũ Thanh Khiết)

Một thanh AB đồng chất chiều dài l = 60cm khối lượng m = 8kg được đặt lên một giá đỡ tại O, với AO = 20cm. (H.vẽ). Người ta treo vật vào đầu A một trọng vật có khối lượng m1 = 3kg và sau đó treo vào điểm C của thanh AC = 50cm một trọng vật có khối lượng m2 để hệ cân bằng. Hãy xác định m2 và lực đè lên giá đỡ. Lấy g = 10m/s2.

- BTTN

Bài tập 4: Nhà bạn Hoài An đang chuẩn bị xây bức tường bao quanh nhà. Bạn Hoài An và bố bạn ấy đang xếp gạch vào sân cho gọn. Bố bạn Hoài An liền nảy ra câu đố: Đố Hoài An, viên gạch mà con đang cầm nặng bao nhiêu kilogam?Điều kiện là không dùng đến cân. Hãy giúp bạn Hoài An thiết kế phương án thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm để tìm câu trả lời trong các trường hợp:

- Trường hợp 1: Cho lực kế có giới hạn 20N

- Trường hợp 2: Cho lực kế có giới hạn 5N, tìm thêm các dụng cụ thích hợp khác

a)Mục tiêu của bài tập:

+ Về kiến thức:

- Vận dụng được điều kiện cân bằng của chất rắn chịu tác dụng của hai lực. - Vận dụng được điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định.

+ Về kĩ năng: Thiết kế được các phương án thí nghiệm nhằm xác định khối lượng

vật nặng; 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: Phát triển được TDPP và TDST trong quá trình học.

b)Dự kiến sử dụng: Tiết bài tập về cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực và quy tắc momen lực. c)Các phương án dự kiến: + Trường hợp 1: A O G 0 20 40 60 80 100 1st Qtr 2nd Qtr 3rd Qtr 4th Qtr East West North C m1 m2 B

- Phương án: Dùng sợi dây nhẹ buộc viên gạch lại và móc vào lực kế. Khi đó, số chỉ của lực kế là F thì khối lượng của vật là m =

10 F (kg) + Trường hợp 2:

- Phương án 1: Dùng thước cứng; sợi dây;giá đỡ 3 chân. Khi đó đặt thước AB sao cho moomen của trọng lực đi qua thước bằng không;…

 Phương án này không khả thi vì lực kế có giới hạn thang đo.

- Phương án 2: Dùng thước cứng;sợi dây;giá đỡ . Khi đó đặt thước AB sao cho moomen của trọng lực đi qua một điểm tựa nào đó trên thước…

* Tiến hành:

+ Xác định khối lượng của thước theo TH1

+ Xác định trọng tâm của thước bằng cách đặt thước lên tay; di chuyển tay đến vị trí sao cho thước thăng bằng -> đánh dấu trọng tâm G thước

+ Đặt thước lên giá đỡ; treo vật ở điểm Acủa thước sau đó móc lực kế vào điểm B của thước

+ Dùng tay kéo lực kế sao cho thước đứng thăng bằng; ghi số chỉ của lực kế F

+ Dùng thước đo cánh tay đòn d1 = AO của trọng lực tác dụng lên viên gạch; d2 = BO của lực kế và d3 = GO của trọng lực tác dụng lên thước

+ Điều kiện cân bằng của thước theo quy tắc momen có dạng:

B

A O G

1

P F

Trong đó : m1 là khối lượng viên gạch; m2 là khối lượng của thước

 Từ PT cân bằng ta tìm được khối lượng viên gạch m1

d)Định hướng tư duy: Làm thế nào để xác định được khối lượng viên gạch mà không dùng đến cân? Cần chú ý điều gì khi sử dụng lực kế? Ngoài lực kế và vật nặng thì cần thêm những dụng cụ gì để kiểm nghiệm được quy tắc momen lực?

e)Dự kiến khó khăn của học sinh: lúng túng xác định cánh tay đòn của lực

f)Hướng phát triển của bài tập:

Cho các dụng cụ sau: Một bút chì tròn, một thước gỗ có vạch chia, một quả cân nhỏ có ghi rõ khối lượng. Nêu cách tiến hành thí nghiệm đo khối lượng của thước.

4)Chủ đề: Quy tắc hợp lực song song cùng chiều - BTXP: (Bài 2/106/SGK Vật lí 10)

Một người gánh một thùng gạo nặng 300N và một thùng ngô nặng 200N. Đòn gánh dài 1m. Hỏi vai người đó phải đặt ở điểm nào để đòn gánh cân bằng và chịu một lực bằng bao nhiêu? Bỏ qua trọng lượng của đòn gánh.

- BTTN:

Bài tập 5: Trong phòng thí nghiệm vật lí có một chiếc cân đòn có giới hạn đo 1kg đã bị gãy một phần (rất nhỏ) cánh tay đòn, có thể sử dụng chiếc cân này để cân một vật khối lượng dưới 1kg hay trên 1kg được không? Hãy nêu phương án và tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.

a)Mục tiêu bài tập:

+ Về kiến thức:

+ Về kĩ năng: Thiết kế được phương án thí nghiệm nhằm xác định khối lượng vật nặng khi cân thăng bằng; 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: Phát triển được TDPP và TDST trong quá trình học.

b)Dự kiến sử dụng: Dạy tiếtbài tập về: Quy tắc hợp lực song song cùng chiều

c)Các phương án dự kiến: Phương án:

+ Đặt vật nặng vào đĩa cân và treo đĩa cân bên phía có cánh tay đòn bị gãy.

+ Đặt quả cân vào đĩa và treo đĩa cân bên phía có cánh tay đòn không bị gãy.

+ Giảm số quả cân sao cho cân thăng bằng: Áp dụng quy tắc hợp lực song song cùng chiều: 2 1 1 2 2 1 m m d d P P  

Trong đó: m1 là khối lượng vật nặng m2 là khối lượng các quả cân

+ Đo cánh tay đòn d1; d2 từ đó xác định được khối lượng vật nặng.

Trước khi gãy

Sau khi gãy

d)Định hướng tư duy: Hãy chỉ ra cặp lực song song cùng chiều? Vận dụng quy tắc nào để xác định được khối lượng vật nặng?

e)Dự kiến khó khăn: Không đưa thêm được phương án.

f)Hướng phát triển bài tập:

Hai học sinh khiêng một xô nước treo ở giữa phần đòn gánh. Học sinh nào chịu lực lớn hơn nếu điểm treo xô nước bị lệch hẳn về một phía so với điểm chính giữa? Hãy tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.

Dạng bài tập thí nghiệm:Thiết kế, chế tạo dựa trên dụng cụ tự kiếm

5)Chủ đề: Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song.

- BTXP: (Bài 17.4/SBT Vật lí 10/tr 45).

Một thanh gỗ CD được dựa vào một bức tường, trong một mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với tường. Trọng tâm của thanh gỗ ở chính giữa. Mặt đất có ma sát, mặt tường không có ma sát.

a) Có những lực nào tác dụng vào thanh gỗ

b) Các lực đó phải thoả mãn điều kiện gì để thanh gỗ không bị trượt và bị đổ. - BTTN:

Bài tập 6

Bạn Hà Anh phải trèo lên tường nhà để thay một chiếc bóng đèn bị cháy. Bóng đèn ở vị trí cao 3,5m, bạn