8. Cấu trúc luận văn
2.5. Thiết kế một số bài học trong chương “Tĩnh học vật rắn” Vật lí 10 nâng cao
cao theo quan điểm kiến tạo với sự hỗ trợ của phiếu học tập
Chúng tôi thiết kế bốn giáo án của bốn bài thuộc chương “Tĩnh học vật rắn”, nhưng trong khuôn khổ của luận văn chỉ đưa hai giáo án vào phần chính, các giáo án còn lại được trình bày ở phần phụ lục 1.
Bài 28. QUY TẮC HỢP LỰC SONG SONG
ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA MỘT VẬT RẮN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA BA LỰC SONG SONG
I. Mục tiêu 1. Kiến thức
- Đề xuất được phương án thí nghiệm tìm hợp lực của hai lực song song cùng chiều tác dụng vào vật rắn.
- Phát biểu được quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều.
- Biết cách phân tích một lực thành hai lực song song trong các trường hợp cụ thể.
- Biết cách suy luận dẫn đến điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song. Phát biểu được điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực song song và hệ quả của nó.
- Biết cách suy luận để tìm quy tắc hợp hai lực song song trái chiều cùng tác dụng vào vật rắn.
- Có khái niệm về ngẫu lực và momen của ngẫu lực.
- Vận dụng các quy tắc tìm hợp lực, điều kiện cân bằng và các khái niệm để giải thích một số hiện tượng và giải một số bài tập đơn giản có liên quan.
2. Kĩ năng
- Rèn luyện kĩ năng làm việc nhóm.
- Rèn luyện cho HS kĩ năng bố trí thí nghiệm, quan sát tỉ mỉ, chính xác và xử lí số liệu thu được.
- Rèn luyện kĩ năng suy luận chặt chẽ. - Rèn luyện kĩ năng giải bài tập
3. Thái độ
- Có tinh thần hợp tác, trao đổi trong học tập. - Tích cực, hứng thú, thích tìm tòi.
- Khách quan, trung thực trong việc xử lí kết quả thí nghiệm.
II. Chuẩn bị 1. Giáo viên
- Bộ thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều bao gồm: một số quả nặng, dây treo, lực kế, giá móc, thước thẳng, bút dạ.
- Làm trước thí nghiệm ở mục 1 SGK để xác định số lượng các gia trọng và vị trí treo các quả nặng.
- Các phiếu học tập.
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 1
(Dùng cho mục 1, bài 28 – SGK VL10 NC)
Nhóm:……. Lớp:…… Trường:……… 1. Hợp lực của hai lực song song cùng chiều có đặc điểm là:
- Giá của hợp lực: ……… - Chiều của hợp lực: ……… - Độ lớn hợp lực: ………. - Điểm đặt của hợp lực: ……….. 2. Phương án thí nghiệm xác định hợp lực của hai lực song song cùng chiều
………... ………. ………... ………. PHIẾU HỌC TẬP SỐ 2 (Dùng cho mục 2, bài 28 – SGK VL10 NC) Nhóm:……. Lớp:…… Trường:……… 1. Sau khi tiến hành thí nghiệm và xử lí kết quả, hãy trả lời các câu hỏi sau.
2 d 1 d F ur 2 O O 1 O 1 F uur 2 F uur
3 F ur 2 F ur 1 F ur
- Độ lớn của lực tổng hợp quan hệ thế nào với độ lớn hai lực thành phần?
……….... - Phương, chiều của lực tổng hợp quan hệ thế nào với phương, chiều của hai lực thành phần? ……….. ………. - So sánh tỉ số 1 2 P P và 2 1 OO OO : ……….
- Nếu gọi d1 là khoảng cách giữa giá của Pur và urP1, d2 là khoảng cách giữa giá của
P
ur
và Pur2. Các khoảng cách này quan hệ thế nào với độ lớn của các lực thành phần? ……… ……… - Vậy, giá của hợp lực chia khoảng cách giữa hai giá của hai lực thành phần thành những đoạn như thế nào?
……… ……….. 2. Nêu quy tắc hợp lực của hai lực song song, cùng chiều tác dụng vào một vật rắn ……… ……… ………... PHIẾU HỌC TẬP SỐ 3 (Dùng cho mục 3, bài 28 – SGK VL10 NC) Nhóm:……. Lớp:…… Trường:……… 1. Xét vật rắn cân bằng dưới tác dụng của ba lực song song như hình vẽ
- Nếu thay thế hai lực F Fuur uur1, 2 bằng một lực Fuur12 mà vật vẫn cân bằng thì lực Fuur12có quan hệ thế nào với hai lực uur uurF F1, 2 ? Lực Fuur12 có nằm trong mặt phẳng của hai lực uurF1
và Fuur2 không?
……… ……….. - Để vật rắn nằm cân bằng thì lực thay thế phải như thế nào với lực uurF3? Lực Fuur3 có nằm trong mặt phẳng của hai lực F Fuur uur1, 2 không?
……… ……….. 2. Điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song là gì?
……… ……….. 3. Lực thay thế là hợp lực của hai lực F Fuur uur1, 2 , do đó theo quy tắc hợp lực song song thì:
- Giá của lực thay thế chia khoảng cách giữa hai giá của hai lực Fuur1 và Fuur2 theo tỉ lệ như thế nào?
………..- Độ lớn của lực thay thế có quan hệ như thế nào với độ lớn của hai lực Fuur1 và Fuur2? ………
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 4
(Dùng cho củng cố, bài 28 – SGK VL10 NC)
Họ tên:……….Lớp:……Trường:……… 1. Hãy dựa vào quy tắc hợp lực song song để giải thích vì sao trọng tâm của chiếc nhẫn lại nằm ngoài phần vật chất của chiếc nhẫn?
………... ………... ……….. 2. Xác định hợp lực Fur của hai lực song song F Fuur uur1, 2 đặt tại A và B. Biết
1 2 , 2 6 , 4
a) Hai lực F Fuur uur1, 2 cùng chiều.
……… ……… ……… ……….. b) Hai lực uur uurF F1, 2 ngược chiều.
……… ……… ……… ………...
2. Học sinh
Ôn lại kiến thức về điểm chia (chia trong và chia ngoài) một đoạn thẳng theo tỉ lệ đã cho.
III. Thiết kế tiến trình dạy học
Hoạt động 1. Kiểm tra bài cũ
Câu 1. Phát biểu quy tắc tổng hợp hai lực có giá đồng quy?
Câu 2. Điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực không song song là gì?
Đặt vấn đề: Khi vật rắn chịu tác dụng của hai lực có giá đồng quy thì hợp lực của chúng được xác định bằng quy tắc hình bình hành. Nếu vật rắn chịu tác dụng của hai lực song song thì hợp lực của chúng được xác định như thế nào? Khi nào vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song sẽ cân bằng?
Hoạt động 2. Xây dựng quy tắc hợp hai lực song song cùng chiều
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Một vật rắn chịu tác dụng của hai lực song song cùng chiều (hình vẽ).
- Hợp lực của hai lực này có đặc điểm gì? Hay nói cách khác: Hợp lực có giá, chiều, độ lớn và điểm đặt như thế nào?
1
F
- Phát phiếu học tập số 1, yêu cầu HS hoàn thành câu 1 của PHT.
- Muốn biết câu trả lời nào đúng hay sai, ta phải tìm ra cách xác định lực tổng hợp.
- Yêu cầu HS làm câu 2 của PHT: Đề xuất một phương án thí nghiệm tìm hợp lực của hai lực song song cùng chiều tác dụng vào vật rắn.
- GV đánh giá, chỉnh sửa và thống nhất phương án thí nghiệm.
- Phát dụng cụ thí nghiệm và PHT số 2
- HS thảo luận nhóm và trả lời câu 1 của PHT
+ Giá của hợp lực song song với giá của hai lực thành phần.
+ Chiều của hợp lực cùng chiều với hai lực thành phần.
+ Độ lớn hợp lực bằng tổng độ lớn của hai lực thành phần.
+ Điểm đặt của hợp lực: … (ở chính giữa vật).
Đại diện nhóm trình bày trước lớp.
- HS thảo luận nhóm, hoàn thành câu 2. Đại diện nhóm trình bày trước lớp.
+ Thước AB treo vào hai sợi dây cao su đàn hồi (hoặc treo vào 2 lực kế).
+ Tác dụng vào thước hai lực song song cùng chiều Pur1 và Pur2 bằng cách treo các quả nặng vào hai điểm O1 và O2 của thước.
+ Dùng bút dạ đánh dấu vị trí của thước. + Thay ur urP P1, 2 bằng urP, với P P P= +1 2 và
treo vào điểm O (phải dò tìm O) sao cho thước AB lại ở vị trí như trước.
2 O 2 P 1 P B A 1 O 1 O OO2 1 2 P P P= + B A
cho mỗi nhóm, yêu cầu HS tiến hành thí nghiệm và trả lời câu hỏi 1 ở PHT.
- GV nhận xét kết quả hoạt động của các nhóm, hoàn chỉnh kiến thức mà HS cần thu nhận.
- Yêu cầu HS hoàn thành câu 2 của PHT: Phát biểu quy tắc hợp lực của hai lực song song cùng chiều.
- GV nhận xét, hoàn chỉnh quy tắc hợp lực của hai lực song song cùng chiều. Công bố đáp án PHT để HS so sánh, đối chiếu.
- Nếu vật rắn chịu tác dụng của nhiều lực song song cùng chiều thì hợp lực của chúng được xác định như thế nào? Hợp lực có đặc điểm gì?
- GV nhận xét câu trả lời của HS, bổ sung và hoàn chỉnh câu trả lời.
- Mỗi vật rắn được liên kết chặt chẽ từ nhiều phần tử nhỏ khác, mỗi phần tử chịu một trọng lực tác dụng, khi đó trọng tâm của vật rắn được xác định như thế nào?
- HS tiến hành thí nghiệm, hoàn thành câu 1 của PHT. Đại diện nhóm báo cáo kết quả.
- Các nhóm khác góp ý, bổ sung.
- HS hoàn thành câu 2 của PHT. Đại diện phát biểu trước lớp.
- Cá nhân suy nghĩ, trả lời.
+ Tìm hợp lực của từng cặp lực một cho đến khi tìm được hợp lực của tất cả các lực.
+ Hợp lực là một lực song song, cùng chiều với các lực thành phần và có độ lớn bằng tổng độ lớn các lực thành phần.
- Nếu vật rắn chịu tác dụng của một lực thì có thể phân tích lực đó thành hai lực song song, cùng chiều. GV lấy ví dụ cụ thể và hướng dẫn HS cách phân tích. Cho HS làm bài tập vận dụng trang 129/SGK.
vật) chính là điểm đặt của hợp lực này.
- HS tiếp thu, ghi nhớ.
- HS thực hiện yêu cầu của GV. Hoạt động 3. Điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực song song
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Nhắc lại điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực không song song.
- Nếu vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song như hình vẽ thì điều kiện cân bằng của vật rắn là gì?
- Phát phiếu học tập số 3.
- Yêu cầu HS hoàn thành câu 1 của PHT + Nếu thay thế hai lực uur uurF F1, 2 bằng một lực Fuur12 mà vật vẫn cân bằng thì lực uurF12
có quan hệ thế nào với hai lực F Fuur uur1, 2? Lực Fuur12 có nằm trong mặt phẳng của hai lực Fuur1 và uurF2 không?
- Thảo luận nhóm, hoàn thành câu 1. Đại diện nhóm trình bày trước lớp.
+ uurF12 là hợp lực của hai lực urF1 và Fur2. Do uurF12là hợp lực của hai lực Fur1 và Fur2
nên nó nằm trong mặt phẳng của hai lực
3 F ur 2 F ur 1 F ur 12 F uur 2 d 1 d
+ Để vật rắn nằm cân bằng thì lực thay thế phải có quan hệ thế nào với lực Fuur3?
+ Lực Fuur3 có nằm trong mặt phẳng của hai lực F Fuur uur1, 2 không?
- GV nhận xét, hoàn thiện.
- Yêu cầu HS hoàn thành câu 2 của PHT: Nêu điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song. - GV nhận xét, hợp thức hóa kiến thức. Công bố đáp án PHT để HS so sánh, đối chiếu.
- Yêu cầu HS hoàn thành câu 3 của PHT (hệ quả).
- Giá của lực thay thế chia khoảng cách giữa giá của hai lực uurF1 và Fuur2 theo tỉ lệ như thế nào? Độ lớn của lực thay thế có quan hệ như thế nào với độ lớn của hai lực Fuur1 và uurF2?
- Nhận xét và hoàn chỉnh câu trả lời của các nhóm.
- Hãy đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực song song.
1
F
ur
và urF2
+ Để vật rắn cân bằng thì lực thay thế và lực uurF3 phải là hai lực trực đối. Nghĩa là:
12 3 0 1 2 3 0
F +F = ⇒ + +F F F =
uur uur r uur uur uur r
+ Do Fuur12 trực đối với uurF3 nên ba lực
1, ,2 3
F F F
uur uur uur
phải đồng phẳng.
- Các nhóm HS hoàn thành câu 2 và đại diện nhóm trình bày trước lớp.
- Các nhóm thảo luận, hoàn thành câu 3. Đại diện nhóm trả lời.
- Lực thay thế của hai lực uurF1 và Fuur2 tuân theo quy tắc hợp lực song song. Nên:
1 2
2 1
F d
F = d và F3 =F12 = +F1 F2
- HS thảo luận đề xuất phương án thí nghiệm, trình bày phương án trước lớp. + Dùng một thước dài, cứng và nhẹ có
- GV nhận xét, chỉnh sửa, thống nhất và hướng dẫn HS làm thí nghiệm.
trọng tâm tại O.
+ Dùng một lực kế móc vào một lỗ nhỏ tại O để treo thước lên.
+ Treo vào hai điểm O O1, 2 của thước hai chùm quả nặng có trọng lượng P P1, 2. Thước cân bằng dưới tác dụng của ba lực đó là P Pur uur1, 2 và urF, dùng bút dạ đánh dấu vị trí của thước, đồng thời đọc số chỉ của lực kế.
+ Bỏ hai chùm quả nặng P P1, 2 ra, dùng chùm quả nặng P (với P P P= +1 2) treo
vào điểm O. Nhận xét vị trí của thước và số chỉ lực kế lúc này so với vị trí của thước và số chỉ của lực kế khi treo P P1, 2. - HS tiến hành thí nghiệm để khẳng định lại điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực song song.
Hoạt động 4. Tìm hợp lực của hai lực song song trái chiều
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Xét vật rắn cân bằng dưới tác dụng của ba lực song song như hình vẽ.
- Ta có thể thay hai lực F Fuur uur2, 3 bằng một lực uuurF23 sao cho vật vẫn cân bằng được
' 3 d 23 F uuur Fur3 2 F ur 1 F ur 12 F uur 2 d 1 d ' 2 d
không? Nếu được thì lực Fuuur23 phải thỏa mãn điều kiện gì? Giá của hợp lực uuurF23
có nằm trong mặt phẳng của hai lực
2, 3
F F
uur uur
không?
- GV nhận xét và thông báo: cách tìm hợp lực như trên gọi là quy tắc hợp lực song song trái chiều. Tuy nhiên, để tìm được quy tắc đó ta phải tìm được mối quan hệ của khoảng cách giữa giá của hợp lực Fuuur23 với giá của hai lực thành phần uur uurF F2, 3.
- Mối quan hệ của khoảng cách giữa giá của hợp lực với giá của hai lực thành phần được tìm như thế nào?
Gợi ý: Từ biểu thức 1 2
2 1
F d
F = d có thể tìm
được mối quan hệ giữa F F2, 3 và ' ' 2, 3
d d
như thế nào?
- HS thảo luận nhóm trả lời câu hỏi của GV.
+ Ta có thể thay thế hai lực uur uurF F2, 3 bằng một lực Fuuur23 để vật vẫn cân bằng.
+ Để vật cân bằng thì lực uuurF23 và lực Fuur1
phải là hai lực trực đối → lực Fuuur23 song song và cùng chiều với lực Fuur3 . Có độ lớn: F23 =F3−F2.
+ Giá của hợp lực Fuuur23 nằm trong mặt phẳng của hai lực F Fuur uur2, 3 .
- HS thảo luận nhóm. Từ hình vẽ, ta có:
- Hãy phát biểu quy tắc hợp hai lực song song trái chiều.
- Đến đây GV chỉ trên hình vẽ cho HS