(SKKN 2022) Phát triển tư duy qua việc giải bài tập về lực ma sát

Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy khi giải bài tập về lực ma sát trongphần Động lực học chât điểm của chương trình Vật lý lớp 10 các em còn gặp nhiềukhó khăn trong việc giải bài t

Mẫu 1 (1)

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT HẬU LỘC 3

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHÁT TRIỂN TƯ DUY QUA VIỆC GIẢI

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

2 NỘI DUNG 2

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2

2.2 THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SKKN 3

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 5

2.3.1 Loại 1 : Bài toán về chuyển đôgj của một vật 5

2.3.2 Loại 2 : Bài toán chuyển động của hệ vật được liên kết bằng dây 11

2.3.3 Loại 3 : Bài Toán hệ vật chồng lên nhau 14

2.4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC 22

1 MỞ ĐẦU.

1.1 Lý do chọn đề tài:

Lực ma sát là một trong những hiện tượng rất quen thuộc với chúng ta

nhưng cho đến nay vẫn chưa có được một bức tranh đầy đủ về sự xuất hiện lực ma sát và bản chất lực ma sát vẫn chưa được làm sáng tỏ

Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy khi giải bài tập về lực ma sát trongphần Động lực học chât điểm của chương trình Vật lý lớp 10 các em còn gặp nhiềukhó khăn trong việc giải bài tập vật lý như: không tìm được hướng giải quyết vấn

đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiếnthức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đềchung, hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các côngthức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của chúng Xuất phát từ thực tế trên, với một

số kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và qua tham khảo một số tài liệu, tôi chọn

đề tài “Phát triển tư duy qua việc giải bài tập về lực ma sát” nhằm tìm cách để

giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giảiquyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thóiquen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy, giúp các em học tậpmôn Vật lý tốt hơn

1.3 Đối tượng nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu:

Kiến thức về lực ma sát nói chung và một số dạng bài tập về lực ma sát

-Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 10A1; 10A2 trường THPT Hậu Lộc 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu

-Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

-Phương pháp nghiên cứu tài liệu và sản phẩm hoạt động sư phạm

-Phương pháp thống kê,tổng hợp, so sánh

2 NỘI DUNG.

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1.1 Tìm hiểu chung về lực ma sát.

Hiểu biết chung về lực ma sát.

* Lực ma sát xuất hiện như thế nào?

Lực ma sát có thể được định nghĩa như sau: Lực ma sát là lực cản xuất hiện giữa hai mặt tiếp xúc giữa hai vật đang chuyển động tương đối hay có xu hướng chuyển động tương đối với nhau.

Lực ma sát làm chuyển hoá động năng của chuyển động tương đối của các bề

mặt thành năng lượng ở dạng khác Việc chuyển hóa năng lượng thường do va chạm phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được tích luỹ một phần thành điện năng hay quang năng Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt chủ yếu được chuyển hoá thành nhiệt năng

Về bản chất vật lý, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là lực

điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên, giữa các nguyên tử, phân tử

Theo quan điểm hiện đại, ma sát là kết quả tương tác của nhiều dạng tương tác

phức tạp khác nhau khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịchchuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra các quá trình cơ, lý, hoá, điện Quan hệgiữa các quá trình đó rất phức tạp, phụ thuộc vào tính chất tải, vận tốc trượt, vậtliệu và môi trường

c Nguyên nhân sinh ra lực ma sát

Chúng ta biết rằng hai mặt tiếp xúc với nhau luôn có những chỗ gồ ghề, mấp mô nên diện tích tiếp xúc thực sự giữa hai mặt rất bé so với diện tích toàn phần giữa hai mặt Những nguyên tử, phân tử vật rắn tại phần tiếp xúc thực sự này sẽ tương tác với nhau bằng lực tương tác phân tử (lực điện từ) Muốn cho vật chuyển động được trên mặt vật rắn khác thì cần phải đặt một lực tiếp tuyến với mặt tiếp xúc để thắng lực cản sinh ra do tương tác giữa các phân tử Lực cản này chính là một trongnhững nguyên nhân sinh ra ma sát

Ma sát động thường nhỏ hơn ma sát nghỉ cực đại lên một đơn vị diện tích sẽ tương tác với nhau bằng lực tương tác phân tử Tóm lại, nguyên nhân sinh ra lực

ma sát là do sự tương tác giữa các nguyên tử, phân tử ở những vùng tiếp xúc

thực sự giữa các vật.

d Hệ số ma sát

Hệ số ma sát không phải là một đại lượng có đơn vị, nó biểu thị tỉ số lực ma sát nằm giữa hai vật trên lực tác dụng đồng thời lên chúng Hệ số ma sát này phụ thuộc vào chất liệu làm nên vật.

Hệ số ma sát là một đại lượng mang tính thực nghiệm, nó được xác định ra trong quá trình thực nghiệm chứ không phải vì tính toán

- Lực ma sát nghỉ cùng phương và ngược chiều với lực tiếp tuyến

- Độ lớn biến đổi theo lực tiếp tuyến sao cho luôn cân bằng với lực này :

+ Tăng dần lực tiếp tuyến thì lực ma sát nghỉ cũng tăng dần, vật chưa chuyểnđộng

+ Khi lực tiếp tuyến đạt tới một giá trị tới hạn F0, lực ma sát nghỉ cũng đạt tới giátrị tới hạn F0

+ Tiếp tục tăng lực tiếp tuyến lớn hơn F0, lực ma sát nghỉ không tăng nữa mà vậtbắt đầu chuyển động Thực nghiệm chứng tỏ F0 tỷ lệ với áp lực ép vuông góc lênmặt tiếp xúc :

* Sự xuất hiện của lực ma sát trượt:

Thực chất, lực ma sát trượt là một loại lực cơ bản trong tự nhiên Khi hai vật

chuyển động trên bề mặt của nhau, năng lượng bị mất mát do ma sát Khi độ nhám của hai bề mặt tiếp xúc còn đáng kể thì lực ma sát sinh ra do sự móc ngoặc cơ học giữa các đồi chỗ lồi lên của hai mặt tiếp xúc Khi ấy lực ma sát phụ thuộc vào độ nhám Độ nhám của hai bề mặt tiếp xúc giảm thì lực ma sát giảm Tuy nhiên khi độnhám giảm đến một mức nào đó thì lực ma sát lại tăng lên Khi ấy, lực ma sát xuất hiện là do lực tương tác phân tử giữa các phân tử của cả hai mặt ở chỗ tiếp xúc thực

sự với nhau Và các phép tính toán cho thấy cả lực tương tác phân tử này lẫn độ nhám cũng chỉ chịu trách nhiệm một phần về sự xuất hiện của lực ma sát

Trong thực tế, lực ma sát trượt phụ thuộc vào vận tốc mà không phụ thuộc vào nhiệt độ như một số quan niệm trước đây từng nhầm tưởng.

*.Các đặcđiểm của lực ma sát trượt:

- Phụ thuộc vận tốc tương đối giữa hai vật : Lực ma sát trượt tác dụng lên mộtvật luôn cùng phương và ngược chiều với vận tốc tương đối của vật ấy với vật kia.Lực ma sát trượt có xu hướng cản trở sự chuyển động tương đối đó

VD1: Hình 7

+ B tác dụng lên A một lực F  mst vAB( vận tốc của A đối với B)

+ A tác dụng lên B một lực F'mst   vBA( vận tốc của B đối với A)

VD2: Xét hình trụ đang quay rơi xuống mặt đất

mst

F làm giảm chuyển động quay, đồng thời gây ra gia

tốc chuyển động tịnh tiến của khối tâm C,  giảm và

vCtăng đến một lúc nào đó  R vCthì hiện tượng

trượt không còn mà lăn không trượt, không có ma sát

trượt

- Độ lớn của lực ma sát trượt : Nếu vận tốc chuyển động tương đối giữa hai vậtkhông lớn lắm thì có thể coi lực ma sát trượt không đổi và bằng lực ma sát nghỉ cựcđại:

mst t

Trong đó : + tlà hệ số ma sát trượt, hầu như không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc mà phụ thuộc vào tính chất của mặt tiếp xúc ( nhẵn hay không, vật liệu tạo nên mặt tiếp xúc….)

Thông thường t  n, trong một số trường hợp, hệ số ma sát nghỉ xấp xỉ bằng hệ

số ma sát trượt:t  n, cũng có trường hợp chúng chênh nhau đáng kể

Hình 8

* Sự xuất hiện lực ma sát lăn : Khi một vật lăn trên mặt một vật khác, lực ma sátlăn xuất hiện ở chỗ tiếp xúc giữa hai vật và có tác dụng cản trở sự lăn đó.

* Các đặc điểm của lực ma sát lăn:

Lực ma sát lăn cũng tỷ lệ với áp lực N giống như ma sát trượt và ma sát nghỉ,nhưng hệ số ma sát lăn nhỏ hơn hệ số ma sát trượt hàng chục lần

msl l

Trong đó l là hệ số ma sát lăn và l  t  n

d.Lực nội ma sát ( lực nhớt ) và tốc độ giới hạn:

- Chất lưu là chất có thể chảy, nói chung đó là chất khí hoặc chất lỏng Khi có

vận tốc tương đối giữa một chất lưu và một vật rắn ( hoặc do chuyển động trongchất lưu, hoặc chất lưu chảy qua một vật) thì vật chịu tác dụng một lực cản FChaycòn gọi là lực nhớt Lực này chống lại chuyển động tương đối và hướng về phíachất lưu chảy đối với vật

- Xét trường hợp chất lưu là chất khí, trong trường hợp này độ lớn của lực cản

s )

Thực ra hệ số cản C ( giá trị điển hình từ 0,4 đến 1,0 ) không hẳn là hằng số đối với một vật đã cho, vì nếu v thay đổi đáng kể thì C cũng có thể thay đổi đáng kể Ở đây ta bỏ qua hiện tượng phức tạp này

Phương trình trên cho thấy, khi một vật rơi từ trạng thái nghỉ xuống, qua không khí thì FC tăng dần từ 0 cùng với sự tăng của tốc độ Nếu vật rơi một đoạn đường

đủ lớn thì cuối cùng FC sẽ bằng trọng lượng P của vật, và hợp lực tác dụng vào vật theo phương thẳng sẽ bằng không Theo định luật thứ II Newton khi đó gia tốc của

vật cũng phải bằng không và sau đó tốc độ của vật không tăng nữa Lúc này vật rơi với tốc độ giới hạn không đổi vt mà ta có thể tìm được bằng cách cho

2

1 v 2

em sẽ thấy rõ điều này

- Khi ra bài tập trên lớp cũng như về nhà, đa số giáo viên sử dụng bài tập từ sáchgiáo khoa và sách bài tập mà chưa có sự đầu tư khai thác những bài tập phù hợpvới trình độ học sinh Giáo viên ngại tìm kiếm tài liệu để khai thác hệ thống bài tậpphong phú, chưa quan tâm đến hệ thống bài tập định hướng hoạt động học tập chohọc sinh trong giờ học để kích thích tư duy của các em, giúp các em độc lập trongkhi giải bài tập

- Trong quá trình giảng dạy, tôi đã phân luồng đối tượng HS bằng phương pháp chia nhóm Kết hợp nhuần nhuyễn các phương pháp gợi mở, nêu vấn đề cho HS thảo luận để phát huy tối đa tính tích cực, chủ động trong học tập của HS nhằm giúp HS biết cách tính lực ma sát

Bước 1: Biểu diễn các lực tác dụng vào vật.

Bước 2: Viết biểu thức định luật II Niutơn dạng vectơ.

Bước 3: Chọn hệ trục tọa độ thích hợp với bài toán.

Bước 4: Chuyển phương trình định luật II dạng vectơ sang dạng đại số.

Bước 5: Dựa vào các dữ kiện đầu bài, để xác định đại lượng cần tìm.

 Công thức chương động học chất điểm thường dùng:

0 2 0

2 2 0

Bài 1 Một vật nhỏ khối lượng m chuyển động theo trục Ox trên mặt phẳng nằm

ngang dưới tác dụng của lực kéo F theo hướng hợp với Ox góc   0 Hệ số masát trượt trên mặt ngang bằng t.Xác định gia tốc chuyển động của vật

thẳng đứng hướng lên trên

*Phương trình định luật II Niu-tơn dưới dạng véc tơ:

F+ Fms+ P+N = m a (1)Chiếu (1) lên Ox : ma = F2 - Fms

Riêng chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng thì lại khác, vật chỉ chịu mộtphản lực của mặt phẳng nghiêng lên vật đúng bằng thành phần của trọng lựcmgcosα do đó lực ma sát được xác định là Fms = kN = kmgcosα = kPcosα

Trong đó α là góc hợp bởi mặt phẳng nghiêng với mặt phẳng ngang

Bài 2 : Một vật đang chuyển động trên đường ngang với vận tốc 20m/s thì trượt lên

một cái dốc dài 100m, cao 10m

a) Tìm gia tốc của vật khi lên dốc Vật có lên hết dốc không?

Nếu có thì vận tốc của vật ở đỉnh dốc và thời gian lên dốc?

b) Nếu trước khi trượt lên dốc, vận tốc của vật chỉ là 15m/s thì đoạn lên dốc của vật

2 Giải bài toán :

a) Chọn hệ quy chiếu :

+ Trục Ox dọc theo mặt dốc hướng lên

+ Trục Oy vuông góc với mặt dốc hướng từ dưới lên

Các lực tác dụng lên vật khi lên dốc : Trọng lực P, phản lực đàn hồi Nvà lực

ma sát Fms Theo định luật II Newton ta có :

ms

P N F   ma (1)Chiếu phương trình (1) lên trục Ox và lên trục Oy ta có :

Gọi S là chiều dài tối đa vật có thể đi lên trên bề mặt dốc ( cho đến lúc vận tốc bằng0) Lúc này chuyển động của vật là chuyển động biến đổi đều.



Ta thấy S l nên vật sẽ đi hết dốc

* Khi lên đến đỉnh dốc, gọi vận tốc lúc đó của vật là v1 được tính theo công thức :

b) Nếu vận tốc lúc ban đầu của vật là v0  15( / )m s theo (5):

Chiều dài tối đa S1 mà vật có thể đi trên mặt dốc là :

2 1

0 15

56, 4( ) 2.( 1,995)



Nghĩa là vật không lên hết dốc mà dừng lại tại điểm A cách chân dốc 56,4 m sau

đó, do tác dụng của trọng lực ( Psin ) lại trượt xuống dốc

Lập luận tương tự như ở phần 1 , ta tìm được gia tốc của vật khi xuống dốc :

a g   k g  (6) Thay số ta được :

1

150( ) 0,005

Bài 3: Một vật có khối lượng m đứng yên trên đỉnh một mặt phẳng nghiêng nhờ lực

ma sát Hỏi sau bao lâu vật sẽ ở chân mặt phẳng nghiêng nếu mặt phẳng nghiêngbắt đầu chuyển động theo phương ngang với gia tốc a0 = 1m/s2 (hình vẽ )

Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là l = 1m , góc nghiêng α = 30o, hệ số ma sát giữavật và mặt phẳng nghiêng là k = 0,6

1 Hướng dẫn giải: Hệ vật gồm nêm và

vật m cùng chuyển động nhưng trong các

hệ quy chiếu khác nhau nên chuyển động

trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất, và vật

chuyển động trong hệ quy chiếu gắn với

nêm Do đó ta phải lập hai hệ quy chiếu

khác nhau đối với từng vật này

- Khi nêm chuyển động tịnh tiến với gia

tốc ao,ngoài các lực tác dụng lên vật m là P F N , ms, còn có lực quán tính xuất hiện dochuyển động của nêm Viết phương trình định luật II Newton cho vật m trong hệquy chiếu gắn với nêm rồi chiếu phương trình đó lên các trục tọa độ đã chọn và căn

cứ vào dữ kiện bài toán cho tìm lời giải cho bài toán

2 Giải bài toán :Xét chuyển động của vật trong hệ quy chiếu gắn với mặt phẳng

nghiêng của nêm Hệ quy chiếu này chuyển động tịnh tiến với gia tốc ao Vậy đặtlên vật, ngoài các lực thông thường như P F , msvà Ncòn có thêm lực quán tính

o o

Giải hai phương trình trên ta có :a g (sin   kcos )  a c o( os  ksin ) 

Thời gian vật trượt từ đỉnh đến chân mặt phẳng nghiêng là

3 Lưu ý: Đây là bài toán cơ hệ đặc biệt, vật chuyển động trong hệ quy chiếu

chuyển động có gia tốc, thì phương trình định luật II Newton ngoài các lực thông

thường còn kể thêm lực quán tính Do đó việc gắn cho mỗi vật một hệ trục tọa độrồi viết phương trình định luật II Newton cho từng vật là phương án tốt nhất để giảibài toán trên

- Mở rộng : Trong trường hợp hai vật gắn với nhau (bằng một sợi dây không giãnkhông khối lượng) và gắn vào 2 đầu của một ròng rọc gắn trên đỉnh của nêm và yêucầu tìm các đại lương tương tự như bài toán trên Với điều kiện của bài toán trênđược giữ nguyên trong trường hợp này

Bài 4: Hai người cùng kéo một vật nhưng theo các

hướng khác nhau với các lực có phương, chiều như

hình vẽ Biết 1

400 F 3

 N, F 2  100 2N, khối lượng củavật bằng m = 90kg, 1 = 30o, 2 = 45o, hệ số ma sát

giữa vật và bàn là  = 0,1 Tìm gia tốc chuyển động

của vật

1 Giải bài toán :

+ Giả sử vật chuyển động về bên phải

+ Thay số ta có: a 0,35 m / s   2 > 0  giả thiết đúng

+ Vậy gia tốc của vật là a 0,35 m / s   2

2 Lưu ý:

Nếu ta giả sử chiều chuyển động ngược lại với trên thì quá trình tính toán sẽ dẫnđến a < 0  chiều chuyển động sẽ ngược lại với giải thiết Ta đổi lại chiều chuyểnđộng và biểu diễn lại chiều lực ma sát, sau đó thực hiện tính toán bình thường nhưtrên sẽ tính được a 0,35 m / s   2

Kết luận: Qua các ví dụ trên ta tổng kết được gia tốc của vật khi chuyển động trên

mặt ngang và mặt phẳng nghiêng như sau:

 Khi vật trượt trên mặt ngang có ma sát thì gia tốc của vật là a   g

 Nếu bỏ qua ma sát thì  = 0  a = 0  chuyển động thẳng đều

 Khi vật trượt xuống mặt nghiêng thì gia tốc là a g sin      cos 

 Nếu bỏ qua ma sát thì  = 0  a g.sin  

 Khi vật trượt lên mặt nghiêng thì gia tốc là a  g sin    cos 

 Nếu bỏ qua ma sát thì  = 0  a  g.sin 

2.3.2 Loại 2: Bài toán chuyển động của hệ vật được liên kết bằng dây

 Hệ vật là tập hợp hai hay nhiều vật mà giữa chúng có lực tương tác

 Lực tương tác giữa các vật trong hệ gọi là nội lực

 Lực do các vật bên ngoài tác dụng gọi là ngoại lực

Phương pháp giải:

Bước 1: Biểu diễn tất cả các lực trực tiếp tác dụng lên các vật

Bước 2: Viết biểu thức định luật 2 Newton F ma 

Bước 3: Chọn hệ quy chiếu Chọn chiều dương (+) là chiều chuyển động

Bước 4: Chiếu để chuyển sang dạng đại số Khi chiếu lực nào vuông góc với

phương đang chiếu thì bằng 0 Cùng chiều dương thì mang dấu dương và ngược lạimang dấu âm Nếu lực tạo với phương ngang góc  thì F x  Fcos ; F  y  Fsin 

Bước 5: Tìm được mối liên hệ giữa các hệ phương trình để suy ra.

Chú ý: Đầu dây luồn qua ròng rọc động đi được quãng đường 2S thì vật treo vào

ròng rọc động đi được quãng đường là S Vận tốc và gia tốc cũng theo tỉ lệ đó

m2 = 5 tấn Hệ xe tải và xe rơ moóc chuyển động nhanh dần đều trên đoạn đường thẳng ngang Sau khoảng thời gian t = 100(s) Kể từ từ lúc khởi hành , vận tốc của

hệ xe tải và xe rơ moóc đạt trị số v 72km h/ Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là 0,1 Lấy g = 9,8m/s2

a Tính lực kéo F của động cơ xe tải trong thời gian t = 100s nói trên