Nghiên cứu nội dung chƣơng trình, sách giáo khoa và xây dựng sơ đồ cấu

cấu trúc logic nội dung chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”. 2.1.1. Mục tiêu dạy học chƣơng “ Cân bằng và chuyển động của vật rắn ” 2.1.1.1. Kiến thức

- Phân biệt đƣợc khái niệm vật rắn và chất điểm.

- Phát biểu đƣợc điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực. Phân biệt đƣợc điều kiện cân bằng của vật rắn và điều kiện cân bằng của chất điểm.

- Phát biểu đƣợc định nghĩa trọng tâm và tính chất đặc biệt của trọng tâm. - Phát biểu đƣợc quy tắc và biết tổng hợp hai lực có giá đồng quy.

- Phát biểu đƣợc điều kiện cân bằng của một chất điểm chịu tác dụng của ba lực đồng phẳng không song song.

- Phát biểu đƣợc định nghĩa, viết công thức tính momen lực và biết đƣợc đơn vị đo của momen lực.

- Phát biểu đƣợc điều kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay cố định. - Phát biểu đƣợc quy tắc hợp lực song song và biết tổng hợp hai lực song song cùng chiều.

- Phát biểu đƣợc điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế. Phân biệt đƣợc các dạng cân bằng bền, cân bằng không bền, cân bằng phiếm định của vật rắn có mặt chân đế.

- Phát biểu đƣợc định nghĩa của chuyển động tịnh tiến và nêu đƣợc ví dụ minh họa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Viết đƣợc công thức định luật II Newton cho chuyển động tịnh tiến. - Hiểu đƣợc tác dụng của momen lực đối với vật rắn quay quanh trục. - Biết đƣợc các yếu tố ảnh hƣởng đến momen quán tính của vật.

- Phát biểu đƣợc định nghĩa ngẫu lực và viết đƣợc công thức tính momen ngẫu lực.

- Hiểu đƣợc khi vật rắn chịu tác dụng của một momen lực khác không thì vật rắn quay chậm dần hoặc nhanh dần

2.1.1.2. Kỹ năng

- Biết đề xuất phƣơng án thí nghiệm xác định điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song.

- Biết phân tích để nắm đƣợc mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm.

- Biết đề xuất phƣơng án thí nghiệm để xác định trọng tâm của vật rắn. - Vận dụng tính chất đặc biệt của trọng tâm để giải quyết các trƣờng hợp cụ thể.

- Biết đề xuất giả thuyết và giải quyết vấn đề về tác dụng của lực đối với vật rắn có trục quay cố định.

- Biết phân tích để nắm đƣợc mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm xác định tác dụng của lực đối với vật rắn có trục quay cố định từ đó đƣa ra quy tắc momen lực.

- Biết xác định cánh tay đòn của lực trong trƣờng hợp bất kỳ.

- Vận dụng quy tắc momen lực để xác định các lực tác dụng lên một vật có trục quay cố định.

- Biết đề xuất phƣơng án thí nghiệm để tìm hợp lực của hai lực song song. Từ đó biết phân tích để nắm đƣợc mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm.

- Biết xác định phƣơng, chiều, điểm đặt, độ lớn của hợp lực song song. - Xác định đƣợc mặt chân đế của một vật đặt trên mặt phẳng đỡ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Giải thích đƣợc vì sao một vật ở trạng thái cân bằng bền, không bền hoặc cân bằng phiếm định.

- Biết tiến hành thí nghiệm để xác định điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế.

- Biết cách làm tăng mức vững vàng của cân bằng.

- Vận dụng các kiến thức đã học của chƣơng để giải một số bài tập Vật lý liên quan và giải thích một số hiện tƣợng Vật lý thƣờng gặp trong đời sống, kỹ thuật.

2.1.1.3. Thái độ

- Có hứng thú học Vật lý, yêu thích tìm tòi khoa học.

- Có thái độ khách quan, trung thực, tích cực; có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, có tinh thần hợp tác trong học tập.

2.1.2. Nội dung của chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”

Chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” bao gồm 6 bài:

Bài 1: Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song.

Bài 2: Cân bằng của một vật có trục quay cố định. Momen lực Bài 3: Quy tắc hợp lực song song cùng chiều.

Bài 4: Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế.

Bài 5: Chuyển động tịnh tiến của vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định.

Bài 6: Ngẫu lực.

Nội dung kiến thức của chương

Bài 1.Cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực và ba lực không song song.

- Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực là hai lực đó phải cùng giá, cùng độ lớn và ngƣợc chiều( hai lực cân bằng).

- Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của ba lực không song song: + Ba lực đó phải có giá đồng phẳng và đồng quy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy: Muốn tổng hợp hai lực có giá đồng quy, trƣớc hết ta phải trƣợt hai vecto lực đó trên giá của chúng đến điểm đồng quy, rồi áp dụng quy tắc hình bình hành để tìm hợp lực.

Bài 2. Cân bằng của một vật có trục quay cố định. Momen lực

- Momen lực đối với một trục quay là đại lƣợng đặc trƣng cho tác dụng làm quay của lực và đƣợc đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó: M = Fd - Điều kiện cân bằng của một vật quay quanh trục: Tổng các momen lực có xu hƣớng làm cho vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các momen lực có xu hƣớng làm vật quay ngƣợc chiều kim đồng hồ.

Bài 3. Quy tắc hợp lực song song cùng chiều

- Hợp lực của hai lực song song cùng chiều là một lực song song, cùng chiều với hai lực thành phần và có độ lớn bằng tổng độ lớn của hai lực ấy.

- Giá của hợp lực chia trong khoảng cách giữa hai giá của hai lực song song thành những đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy.

Bài 4. Các dạng cân bằng. Cân bằng của một vật có mặt chân đế

- Có ba dạng cân bằng: cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định.

+ Cân bằng bền: trọng tâm của vật ở vị trí thấp nhất so với các vị trí khác. Khi một vật bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng bền thì tự nó có thể trở về vị trí đó đƣợc. + Cân bằng không bền: trọng tâm của vật ở vị trí cao nhất so với các vị trí khác. Khi một vật bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng không bền thì không thể tự trở về vị trí đó đƣợc.

+ Cân bằng phiếm định: vị trí trọng tâm không thay đổi hay trọng tâm có độ cao không thay đổi. Vật đứng yên ở mọi vị trí.

- Mặt chân đế: là hình đa giác lồi nhỏ nhất chứa các điểm tiếp xúc.

- Điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế: giá của trọng lực phải đi qua mặt chân đế (hay trọng tâm “rơi” trên mặt chân đế).

- Mức vững vàng của cân bằng: Muốn tăng mức vững vàng của cân bằng, ngƣời ta tăng diện tích mặt chân đế và hạ thấp trọng tâm của vật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Bài 5. Chuyển động tịnh tiến của vật rắn. Chuyển động quay của vật rắn.

- Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đƣờng thẳng nối hai điểm bất kỳ của vật luôn song song với chính nó.

- Gia tốc của chuyển động tịnh tiến đƣợc xác định bằng định luật II Newton: - Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật.

- Mọi vật quay quanh một trục đều có mức quán tính. Mức quán tính của vật càng lớn thì vật càng khó thay đổi tốc độ góc và ngƣợc lại.

- Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào khối lƣợng của vật và sự phân bố khối lƣợng đó đối với trục quay.

Bài 6. Ngẫu lực

- Hệ hai lực song song, ngƣợc chiều, có độ lớn bằng nhau và cùng tác dụng vào một vật gọi là ngẫu lực.

- Ngẫu lực tác dụng vào một vật chỉ làm vật quay chứ không tịnh tiến. - Momen của ngẫu lực: M = Fd

- Momen của ngẫu lực không phụ thuộc vào vị trí của trục quay vuông góc với mặt phẳng chứa ngẫu lực.

2.1.3. Xây dựng cấu trúc nội dung chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” vật rắn”

Ở chƣơng I và II của sách giáo khoa Vật lý 10 THPT ban cơ bản, học sinh đã đƣợc tìm hiểu và khảo sát điều kiện cân bằng và chuyển động của những vật đƣợc xem là chất điểm. Nhƣng chất điểm là một khái niệm rất trừu tƣợng còn trong thực tế chúng ta chủ yếu tiếp xúc với các vật rắn. Chính vì vậy, việc đƣa chƣơng III “Cân bằng và chuyển động của vật rắn” nối tiếp chƣơng I và II là điều cần thiết và hết sức hợp lý.

Nội dung của chƣơng đƣợc phân làm hai phần: - Cân bằng của vật rắn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Sơ đồ cấu trúc nội dung của chƣơng:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2.2. Thiết bị dạy học chƣơng đáp ứng mục tiêu dạy học chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”. và chuyển động của vật rắn”.

2.2.1. Thí nghiệm có trong phòng thí nghiệm của trƣờng thực nghiệm.

Thí nghiệm 1.

- Mục đích: Xác định điều kiện để lực có tác dụng làm quay vật.

- Dụng cụ: Vật có trục quay cố định có đục 4 lỗ có chốt để gắn sợi dây, giá đỡ trục quay.

- Tiến hành thí nghiệm:

+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt O1 theo phƣơng cắt trục quay. (Hình 2.1a) Quan sát.

+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt O2 theo phƣơng song song trục quay (Hình 2.1b). Quan sát.

+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt O3 nằm trong mặt vuông góc với trục quay và cắt trục quay. Quan sát.

+ Dùng tay tác dụng lực kéo vào dây nối với chốt O4 nằm trong mặt vuông góc với trục quay và không cắt trục quay (Hình 2.1c). Quan sát.

- Kết luận: Lực có tác dụng làm quay một vật khi giá của lực nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không cắt trục quay.

Thí nghiệm 2:

Trường hợp 1: Hai lực song song

- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định khi vật chịu tác dụng của hai lực song song

Hình 2.1

b c

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Dụng cụ : Đĩa momen, có quả nặng, dây treo. - Tiến hành:

+ Treo hai quả nặng vào hai vị trí A và B của đĩa momen (Hình 2..2).

+ Khi đĩa cân bằng so sánh mô men của hai lực F1

và F2

.

- Kết luận: Vật cân bằng khi F1d1= F2d2 nghĩa là mô men của F1

bằng mô men của F2

nhƣng ngƣợc chiều.

Trường hợp 2: Hai lực không cùng phương

- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định và chịu tác dụng của hai lực không cùng phƣơng.

- Thiết bị: Đĩa momen, quả nặng, dây treo, ròng rọc. - Tiến hành thí nghiệm:

+ Buộc vào chốt A một sợi dây vắt qua ròng rọc rồi treo vào đầu kia của sợi dây một quả nặng.

+ Buộc vào chốt B một sợi dây có treo một quả nặng (Hình 2.3)

+ Khi đĩa mô men cân bằng so sánh mô men của F1

và F2

- Kết luận: Vật cân bằng khi F1d1= F2d2 nghĩa là mô men của F1

bằng mô men của F2 nhƣng ngƣợc chiều. Thí nghiệm 3: Hình 2.2. Hình 2.3.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Mục đích: Biết quy tắc tìm hợp lực của hai lực song song, cùng chiều. - Dụng cụ : Thanh nhẹ, quả nặng, dây treo, lực kế.

- Tiến hành:

+ Treo vào hai đầu A và B của thanh các quả nặng có trọng lƣợng P1 và P2 , sau đó treo thanh bằng một lực kế F tại điểm O (Hình 2.4)

+ Thanh ở vị trí cân bằng, đánh đấu vị trí AB của thanh. + Thay P1

và P2

bằng P

, có độ lớn P P1 P2 và đặt tại điểm O

+ So sánh trạng thái của thanh so với lúc đầu và có kết luận gì về P và điểm đặt của P ?

- Kết luận: + Thanh vẫn giữ nguyên trạng thái cân bằng lúc đầu +P là hợp lực của hai lực P1 và P2 . + P có đặc điểm:

O chia AB thành 2 đoạn theo tỉ lệ: 2 1

P OA

OB P

Độ lớn: P= P1+P2

Hình 2.4. Thí nghiệm tìm hợp lực của hai lực song song, cùng chiều

2.2.2. Thí nghiệm chúng tôi cải tiến, chế tạo. 2.2.2.1. Lí do cải tiến, chế tạo thí nghiệm. 2.2.2.1. Lí do cải tiến, chế tạo thí nghiệm.

Thí nghiệm có vai trò rất quan trọng trong việc dạy học Vật lý, đặc biệt dạy học Vật lý theo LTKT. Nhƣng qua thực tế khảo sát, chúng tôi nhận thấy trƣờng học mà chúng tôi thực nghiệm các thí nghiệm chƣa đáp ứng đƣợc mục tiêu dạy học chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Vì vậy, để phát huy tính tích cực của HS, nâng cao kết quả học tập khi dạy học chƣơng “Cân bằng và chuyển động của vật rắn”theo LTKT chúng tôi cải tiến, chế tạo và sử dụng một số thí nghiệm trong dạy học.

2.2.2.2. Các thí nghiệm chế tạo, cải tiến.

Thí nghiệm 4 :

- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực - Dụng cụ : Bìa cứng và nhẹ, hai ròng rọc, hai sợi dây , hai vật có khối lƣợng bằng nhau (hai lực kế).

- Tiến hành: Móc hai lực kế vào vật, quan sát đặc điểm của hai lực khi vật rắn ở trạng thái cân bằng.

- Kết luận: Điều kiện cân bằng của một vật chịu tác dụng của hai lực là hai lực đó phải cùng giá, cùng độ lớn và ngƣợc chiều (hai lực trực đối).

Hình 2.5. Thí nghiệm xác định điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của hai lực

Thí nghiệm 5:

- Mục đích: Biết cách xác định trọng tâm của một vật mỏng, phẳng.

- Dụng cụ : Một chân đế, một thanh trụ, một gia trọng, một sợi dây, những tấm phẳng có hình dạng bất kỳ và có hình dạng đặc biệt (hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn, vành tròn).

- Tiến hành:

+ Bƣớc 1: Buộc dây vào một điểm A trên vật rồi treo lên. Vẽ đƣờng AB đi qua sợi dây.

+ Bƣớc 2: Buộc dây vào một điểm C, tƣơng tự vẽ một đƣờng CD đi qua sợi dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 2.6. Thí nghiệm về cách xác định trọng tâm của một vật mỏng, phẳng

Thí nghiệm 6.

- Mục đích: Xác định điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song.

- Dụng cụ : Hai lực kế, một vật phẳng mỏng đã biết trọng tâm, một dây dọi. - Tiến hành: + Treo vật có trọng lƣợng P bằng lực kế F , dùng phấn vẽ P và F theo tỉ lệ xích nhất định. Vật ở trạng thái cân bằng thì P F 0 + Thay F bằng hai lực F1 và F2

sao cho vật giữ nguyên vị trí cũ, khi đó dùng phấn vẽ F1

và F2

theo tỉ lệ xích nhất định.