CHƯƠNG II: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM TỰ TẠO CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM BỘ MÔN VẬT LÝ LỚP 10 THPT
2.3. Xây dựng một số thí nghiệm chương “Động lực học chất điểm”
2.3.4. Thí nghiệm về lực ma sát
- Để giúp HS phát hiện về mặt định tính cũng nhƣ định lƣợng các đặc điểm của lực ma sát nghỉ, lực ma sát trƣợt và lực ma sát lăn
2.3.4.2. Chuẩn bị:
- Hai bánh xe hình trụ tròn, hoặc bốn bánh xe giống hệt nhau - Lực kế 5N
- Hai vít hãm
- Chân đế (nhƣ hình vẽ 2.18)
Hình 2.16
Thí nghiệm 1 mô tả về đinh luật III Newton
Hình 2.17
Thí nghiệm 2 mô tả về đinh luật III Newton F2
L2
L1
F1
F2
L2
L1
2.3.4.3. Gia công:
- Ta lắp bánh xe và các vít hãm vào chân đế nhƣ hình vẽ 2.3.4.4. Tiến hành thí nghiệm
Dụng cụ : Cho HS quan sát mẫu TN nhƣ hình vẽ 2.18: bao gồm 2 bánh xe gắn trên 2 trục có thể lăn hoặc cố định để tham gia CĐ trƣợt.
Mô tả sự tồn tại và đặc điểm của lực ma sát nghỉ
Ban đầu ta để nhƣ hình vẽ, kéo vật bằng lực kế móc vào móc vuông đã đƣợc thiết kế sẵn
Khi kéo vật mà vật chƣa chuyển động, ta thấy lực kế chỉ giá trị khác không, chứng tỏ có 1 lực ngăn cản chuyển động của vật, đó là lực ma sát nghỉ!
Ta thấy giá trị của lực kế thay đổi trong một khoảng nào đó mà vật vẫn chƣa chuyển động, có nghĩa là lực ma sát nghỉ không có giá trị xác định mà thay đổi để cân bằng với lực gây ra chuyển động
Hình 2.18
Bộ thí nghiệm lực ma sát
Các TN mô tả sự tồn tại của lực ma sát trƣợt và các đặc điểm của nó TN1 :Chứng tỏ sự tồn tại lực ma sát trƣợt và cách xác định độ lớn
Tiếp tục kéo vật chuyển động bằng 1 lực theo phương song song với mặt phẳng ngang, lúc này thấy giá trị của lực kế chỉ giá trị cố định khi ta kéo vật CĐ đều, mà theo ĐL I Newton lực của lực kế chỉ đang phải cân bằng với 1 lực khác thi ta mới có CĐ đều => ta có lực ma sát trƣợt!
TN 2: Chứng tỏ giá trị lực ma sát trƣợt không phụ thuộc diện tích mặt tiếp xúc
Xoay vật ngƣợc lại nhƣ hình vẽ, vặn chặt các vít để các bánh xe không thể quay quanh trục mà chỉ có thể trƣợt trên mặt sàn, ta kéo cho vật CĐ, thấy giá trị của lực kế
Hình 2.20
Bộ thí nghiệm mô tả giá trị lực ma sát trượt không phụ thuộc diện tích mặt tiếp xúc
Hình 2.19
Bộ thí nghiệm mô tả sự tồn tại của lực ma sát trượt
có giá trị bằng với giá trị thu đƣợc trong TN trên, điều này chứng tỏ lực ma sát không phụ thuộc diện tích mặt tiếp xúc
TN 3: Chứng tỏ giá trị lực ma sát trƣợt phụ thuộc tình trạng bề mặt tiếp xúc
Ta tiếp tục dựng vật theo chiều nhƣ hình vẽ, làm lại TN kéo vật CĐ đều trên mặt phẳng ngang để đo giá trị lực ma sát, ta thấy bề mặt tiếp xúc ở đây đã thay đổi đồng thời giá trị độ lớn của lực ma sát cũng thay đổi, hay nói cách khác, lực ma sát phụ thuộc tình trạng bề mặt tiếp xúc
TN4: Tìm hiểu về sự có mặt của ma sát lăn
Hình 2.21
Bộ thí nghiệm mô tả giá trị lực ma sát trượt phụ thuộc tình trạng bề mặt tiếp xúc
Hình 2.22
Bộ thí nghiệm tìm hiểu về sự có mặt của ma sát lăn
Ta tháo lỏng 2 ốc vít để 2 bánh có thể lăn trên trục của mình (trục ổ bi hoặc đƣợc thiết kế sao cho lăn nhẹ nhàng).
Dùng lực kế kéo xe chuyển động đều, ta đi đến kết luận tương tự như trong TN với ma sát trƣợt, rõ ràng việc kéo xe CĐ đều mà lực kế không báo giá trị bằng không cho thấy tồn tại một lực cản trở CĐ, và trong trường hợp này là ma sát lăn
TN 5: Chứng tỏ ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều so với ma sát trƣợt
Cũng với thí dụng cụ trên, ta làm 2 TN lần lượt kéo xe CĐ thẳng đều trong 2 trường hợp:
TH1: ốc vít vặn chặt, bánh xe không lăn mà chỉ trƣợt trên mặt sàn (lúc này cho HS nhận xét lực ma sát xuất hiện cản trở CĐ trong trường hợp này là lực ma sát trượt)
TH2: ốc vít lới lỏng, bánh xe lăn đƣợc (lúc này cho HS nhận xét lực ma sát xuất hiện cản trở CĐ trong trường hợp này là lực ma sát lăn)
Nhận thấy rõ rệt lực kéo cần có để xe CĐ thẳng đều trong trường hợp 1 lớn hơn nhiều lần so với trường hợp 2, từ đó dẫn đến kết luận : Độ lớn lực ma sát lăn nhỏ hơn rất nhiều so với ma sát trƣợt