SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT THIỆU HÓA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI: KINH NGHIỆM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI DẠNG BÀI TẬP CÂN BẰNG VẬT RẮN VẬT LÝ LỚP 10 Người thực hiện
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA
TRƯỜNG THPT THIỆU HÓA
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
TÊN ĐỀ TÀI: KINH NGHIỆM BỒI DƯỠNG
HỌC SINH GIỎI DẠNG BÀI TẬP
CÂN BẰNG VẬT RẮN VẬT LÝ LỚP 10
Người thực hiện: Đỗ Đình Tuân
Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực môn: Vật lý
THANH HÓA NĂM 2019
1
Trang 2MỤC LỤC
1 I MỞ ĐẦU
1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA SKKN
2 2 2 2 3 3
2 II NỘI DUNG
2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.2 BÀI TẬP MINH HỌA
2.3 BÀI TẬP THAM KHẢO
2.4 HIỆU QUẢ CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
3 3 4 15 18
Trang 3I MỞ ĐẦU
1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.
Trong quá trình giảng dạy vật lý bản thân tôi rất tâm đắc làm thế nào để giúp học sinh nắm được kiến thức nâng cao của một bài nào đó là một yêu cầu hết sức thiết thực mà mỗi giáo viên cần phải quan tâm, nghiên cứu Theo kinh nghiện bản thân: điều đầu tiên giáo viên phải làm là tạo thái độ và động cơ học tập đúng đắn, tích cực cho học sinh, để có được điều này thì giáo viên phải giúp học sinh nắm vững kiến thức sách giáo khoa, biết phân loại và phương pháp giải bài tập cho phù hợp
Thực tế, trong chương trình vật lý lớp 10 có những nội dung tương đối khó, đối với rất nhiều học sinh nói chung, do nó có nhiều dạng và nhiều phương pháp giải khác nhau Khi giảng dạy học sinh trong nhiều năm ở chương ‘‘cân bằng vật rắn’’ tôi nhận thấy khả năng tiếp thu của các em còn chậm, đến những tiết ôn thi học sinh thường cảm thấy không tự tin và lúng túng trong việc tiếp thu kiến thức cũng như giải bài tập Riêng với bộ môn Vật lí, đổi mới phương pháp dạy học là khắc phục phương pháp truyền thụ một chiều, rèn luyện thói quen, nếp sống tư duy sáng tạo của người học Để thực hiện được nhiệm vụ này cần phải bồi dưỡng cho học sinh phương pháp học tập để phát triển tư duy nhận thức và kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tế Muốn nâng cao chất lượng học tập bộ môn vật lí phải có nhiều yếu tố đồng hành trong
đó việc áp dụng các phương pháp hướng dẫn giải bài tập vật lý đóng vai trò hết sức quan trọng Trong quá trình giải môn vật lí lớp 10 nói chung và bài tập phần “ cân bằng vật rắn ” nói riêng Việc định hướng cho các em giải bài tập là rất cần thiết, nhằm giúp cho các em làm quen với việc giải bài tập dạng cơ bản và dạng nâng cao để có thể thi tốt trong các kì thi học sinh giỏi …
Với lí do trên mà tôi đã nghiên cứu và viết đề tài “Kinh nghiệm bồi dưỡng học
sinh giỏi chương cân bằng vật rắn vật lý 10” Với những biện pháp này, đề tài sẽ giúp
học sinh có thái độ học tập tích cực hơn, tự vận dụng vấn đề một cách sáng tạo hơn, từ
đó học sinh cảm thấy say mê học môn vật lí hơn
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
+ Phân loại được các dạng cân bằng vật rắn, chia dạng bài tập phù hợp.
+ Đưa ra được cách giải chính xác cho bài toán “cân bằng vật rắn”
+ Chỉ ra được sai lầm mà học sinh dễ mắc phải khi giải bài toán “cân bằng vật rắn”
từ đó hướng dẫn học sinh cách giải chính xác
+ Tạo ra một tập tài liệu phục vụ bản thân, đồng nghiệp và các em học sinh lớp 10 trong quá trình ôn thi HSG cấp Tỉnh
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG
1.3.1 Đối tượng sử dụng đề tài:
+ Giáo viên dạy môn Vật lý lớp 10 tham khảo để hướng dẫn học sinh giải bài tập, đặc biệt là quá trình ôn thi HSG cấp tỉnh
+ Học sinh học lớp 10 luyện tập để kiểm tra, thi HSG cấp tỉnh
1.3.2 Phạm vi áp dụng:
Chương Cân bằng vật rắn của Vật lý lớp 10
3
Trang 4F
1
F
2
F
12
F
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hệ thống các công thức, kiến thức liên quan và phương pháp giải cho từng dạng Tập hợp các bài tập điển hình trong sách giáo khoa, trong sách bài tập, trong các tài liệu tham khảo, trong các đề thi HSG cấp tỉnh của các tỉnh trên toàn quốc
Có hướng dẫn giải và đáp số các bài tập minh họa để các em học sinh có thể kiểm tra so sánh với bài giải của mình
1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA SKKN
+ Học sinh thường lúng túng khi gặp các bài tập cân bằng vật rắn vì không biết nó thuộc dạng nào, dùng phương pháp gì Vì vậy tôi sẽ phân dạng cụ thể, rõ ràng để các
em nhận biết từ đó đưa ra phương pháp giải chính xác
+ Phần khó nhất của cân bằng vật rắn là bài tập cân bằng tổng quát của vật rắn có trục quay cố định, trục quay tức thời, các em thường không biết cách phân tích các lực (phương, chiều) tác dụng lên vật rắn nên lúng túng trong cách giải Trong sáng kiến này tôi sẽ chỉ ra cho các em cách phân tích các lực tác dụng lên vật rắn một cách chính xác, đầy đủ và đưa ra phương pháp giải cho từng dạng cân bằng để các em dễ dàng nắm bắt và làm được bài tập
+ Cung cấp cho học sinh quy tắc phân tích phản lực tác dụng tại trục quay:
- Nếu trục quay cố định (bản lề) phản lực tại trục quay có phương đi qua điểm đồng quy của các lực tác dụng lên vật
- Nếu trục quay tức thời (vật tựa vào tường) phản lực tác dụng tại trục quay có phương vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc
II NỘI DUNG
2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN
2.1.1 Phân dạng cân bằng vật rắn.
Cân bằng vật rắn có thể chia thành 3 dạng:
+ Cân bằng của vật rắn khi chịu tác dụng của 3 lực không song song
+ Cân bằng của vật rắn có trục quay cố định
+ Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn
2.1.2 Điều kiện cân bằng khi vật chịu tác dụng của 3 lực không song song là:
F1 +F2 +F3 = 0 (1) → F1 +F2 = − F3(2)
Vậy 3 lực thỏa mãn: đồng phẳng (cùng trên một mặt phẳng), đồng quy, và hợp của 2 lực cân bằng với lực thứ 3
Phương pháp giải: Với trường hợp vật cân bằng khi chịu tác
dụng của 3 lực không song song
Cách 1: Từ phương trình (2) ta tổng hợp 2 lực F1, F2 được F12
theo quy tắc hình bình hành, khi này ta có F12 = - F3
Ta có
=
↑↓
3 12
3 12
F F
F F
Từ giản đồ véc tơ sử dụng hàm số cos và sin trong tam giác ta
tính toán được kết quả của bài toán
Trang 5120 C
B A
B
α
1
F
ur
2
F
ur
1
F
duur
2
F
duur
A
Cách 2: chọn hệ trục tọa độ oxy phù hợp, sau đó chiếu phương trình (1) lên ox, oy.
Ta được: F1x + F2x + F3x = 0
F1y + F2y + F3y = 0
Giải hệ phương trình trên ta được kết quả của bài toán
2.1.3 Cân bằng của vật rắn có trục quay cố định.
a) Định nghĩa momen lực : Là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm vật quay của lực
Biểu thức : M F.d = ( đơn vị : N.m )
Trong đó : F là độ lớn của lực tác dụng
d là cách tay đòn
Cánh tay đòn là khoảng cách từ trục quay đến giá của lực
d F1r =AB.sinβ là cách tay đòn của lực Fr1
d F2r =AC.sinα là cách tay đòn của lực Fr2
b) Điều kiện cân bằng: M = M’
M là tổng mô men của các lực làm cho vật quay cùng chiều kim đồng hồ
M’ là tổng mô men của các lực làm cho vật quay ngược chiều kim đồng hồ
Phương pháp:
Xác định độ lớn các lực làm vật quay cùng chiều kim đồng hồ và cánh tay đòn của
chúng là F1, d1 ; F2, d2 ; ; Fn, dn
Xác định độ lớn các lực làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ và cánh tay đòn của chúng là F1’, d1’; F2’, d2’; ; Fn’, dn’
Từ điều kiện cân bằng ta có : F1.d1 + F2.d2 + + Fn.dn = F1’.d1’+ F2’.d2’+ +
Fn’.dn’
2.1.4 Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn
Phương pháp:
+) Phân tích các lực tác dụng vào vật
+) Xác định vị trí trục quay của vật
+) Điều kiện để vật không chuyển động tịnh tiến là ∑F = 0 (1) (tổng hợp các lực tác dụng vào vật bằng 0)
+) Điều kiện để vật không quay là M = M’ (2)
M là tổng Momen các lực làn vật quay theo chiều kim đồng hồ
M’ là tổng Momen các lực làn vật quay ngược chiều kim đồng hồ
+) Từ phương trình (1) và (2) ta giải ra được kết quả bài toán
2.2 CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
2.2.1 Ví dụ minh họa dạng cân bằng khi vật chịu tác dụng của 3 lực không song song
Bài 1: Một vật có khối lượng 3kg được treo như hình
vẽ,thanh AB vuông góc với tường thẳng đứng, CB lệch góc 600
so với phương ngang Tính lực căng của dây BC và áp lực của
thanh AB lên tường khi hệ cân bằng Lấy g 10m / s = 2
5
Trang 630
C
B
A
P
ur
AB
T ur T ur
BC
T ur
0
30 C
B
A
P
ur
AB
T ur
xBC
T ur BC
T ur
yBC
T ur y
x
P
ur
N
uur α
α T ur
F
ur
Giải: Ta có P = mg = 3.10=30 (N)
Cách 1: Biểu diễn các lực như hình vẽ
Theo điều kiện cân bằng
BC AB
⇒
=
ur ur
P T với T =T AB +T BC
Từ giản đồ véc tơ ta có: 0 = =
BC BC
T P cos30
T T
⇒TBC = P 0 = 30 = 20 3(N)
cos30 3
2
BC
sin30 T sin30 T 20 3 10 3(N)
Cách 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ Theo điều kiện cân bằng:
+ + =
BC AB
Chiếu theo Ox: - TAB + TxBC = 0 ⇒ TAB = TBC.sin300
Chiếu theo Oy: − = ⇒ 0 =
⇒ BC = 0= =
2
Thay vào ( 1 ) ta có : TAB= 1.20 3 10 3(N) =
2
Bài 2: Cho một vật có khối lượng 6 kg được treo như hình vẽ, có bán kính 10 cm Với
dây treo có chiều dài 20 cm Xác định lực căng của dây và lực tác dụng của vật lên tường Lấy g 10m / s = 2
Giải: Ta có P = mg = 6.10=60 (N)
α = R = 10 1 = ⇒ α = 0
Cách 1: Biểu diễn các lực như hình vẽ
Theo điều kiện cân bằng
+ + = ⇒ + =
⇒ =
F T
0
0
2
Trang 7uur
α
α T ur
y
T uur
x
y
O
C
P
ur
F
ur T ur
N
uur
α
y
T ur
B
x
T ur T
ur
N
uur
x
α
Cách 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ Phân tích urT OBthành hai lực ur urT ,T x y như hình vẽ
Theo điều kiện cân bằng
+ + + =
x y
Chiếu theo Ox:
x
Chiếu theo Oy:
2
Thay vào ( 1 ) ta có: N 40 3 = 1= 20 3(N)
2
Bài 3: Thanh nhẹ AB nằm ngang được gắn vào tường tại A, Đầu B nối với tường bằng
dây BC không dãn.Vật có khối lượng m = 1,2 kg được treo vào B bằng dây BD Biết
AB = 20cm, AC = 48cm.Tính lực căng của dây BC và lực nén lên thanh AB
Giải: Ta có P = mg = 1,2.10=12(N)
cos CA CB CA2 2 52 1348 12
CA AB
tan
48 12
AB AC
α = = = ; sin 20 5
52 13
AB CB
α = = =
Cách 1: Biểu diễn các lực như hình vẽ
Theo điều kiện cân bằng
+ + = ⇒ + =
F N
( )
12
12 cos
13
T
α
α
( )
5
12
F
P
α = ⇒ = = α = =
Cách 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ
Phân tích urT OBthành hai lực urT xOB ,TuryOB như hình vẽTheo điều kiện cân bằng
+ + =
ur uur ur
T N P 0
⇒ Turx + Tury + + =uur urN P 0
Chiếu theo Ox:
− x = ⇒ = x⇒ = α
Chiếu theo Oy:
α
y
12 cos
13
Thay vào ( 1 ) ta có : N = 5.13 5 N = ( )
13
7
P
ur
y
Trang 8α α
α α
P
ur
1
T ur T ur1y
x
y
ur
1x
T ur T ur2 y
2x
T ur
A
P
ur P ur
B
P
ur
B
β
1
F
ur
2
F
ur
O
Bài 4: Vật có khối lượng m = 1,7kg dược treo tại trung điểm
C của dây AB như hình vẽ.Tìm lực căng của dây AC, BC theo
α Áp dụng với α = 30 0và α = 60 0 Trường hợp nào dây dễ bị đứt
hơn?
Giải: Ta có P mg= = 1,7.10 17 = ( )N
Trọng lực Pur,lực căng Tur1của dây AC và lực căng T2 của dây BC
Các lực đồng quy ở O
Điều kiện cân bằng: P Tur ur+ 1 + Tur2 = 0r
Chiếu (1) lên Oxvà Oy:
− + =
+ − =
1x 2x 1y 2y
− α + α = ⇒ =
⇒ α + α − =
T cos T cos 0 T T
T sin T sin P 0
⇒ = =
α
1 2
P
2.sin
Áp dụng
0
1 2 0
1 2
Ta thấy khi αcàng nhỏ thì T1 và T2 càng lớn và dây càng dễ bị đứt.
2.2.2 Ví dụ minh họa dạng cân bằng khi có trục quay cố định
Bài 1: Một thanh kim loại đồng chất AB dài 2m có tiết diện đều và khối lượng của
thanh là 2kg Người ta treo vào đầu A của thanh một vật có khối lượng 5kg, đầu B một vật có khối lượng 1kg Hỏi phải đặt một giá đỡ tại điểm O cách đầu A một khoảng là bao nhiêu để thanh cân bằng
Giải: Ta có:
( ) ( ) ( )
Theo điều kiện cân bằng Momen lực: MA = MP + MB
.OA P.OG P
AG = GB = 1m
OG = AG – OA = 1 – OA
OB = AB – AO = 2 – OA
⇒50 OA = 20 (1- OA) + 10( 2 – OA )
⇒OA = 0,5m
Bài 2: Thanh nhẹ OB có thể quay quanh truc O Tác dụng lên thanh các lực
F1 và F2 đặt tại A và B Biết lực
F1=20 N , OA=10 cm , AB=40 cm Thanh cân bằng ,
các lực F1 và F2 hợp với AB các góc α và β Tính F2 nếu :
a α=β=90o
b α=30o ; β=90o
c α=30o ; β=60o
Trang 9A α β
1
F
ur
2
F
ur
1
F
d uur
2
F
d uur
O
F
ur
F
ur
P
ur
R
F
d dP
0 30
0 60
F
ur
A
B
A
B
0
30
0
60
F
ur
P
ur
F
d
P
d
Giải: Theo điều kiện cân bằng của Momen lực r = r
F1 F2
⇒ 1 F = 2 F ⇒ 1 α = 2 β
Mà OB = OA + AB =50 ( cm )
a Khi α =β=90 o ta có
2
20.0,5.sin90 F 0,1.sin90
( )
⇒ F2= 100 N
b Khi α =30 o ; β=90 o ta có.
( )
c Khi α=30 o ; β=60 o ta có.
( )
100
3
Bài 3: Để đẩy một thùng phy nặng có bán kính R=30cm vượt qua một bậc thềm cao h<15cm Người ta phải tác dụng vào thùng một lực Fr
có phương ngang đi qua trục O của thùng và có độ lớn tối thiểu
bằng trọng lực P của thùng Hãy xác định độ cao h của bậc thềm
Giải: Theo điều kiện cân bằng của Momen lực r = ur
F P
⇒ F.dF= P.dP
Với dF = − R h;
= 2 − 2 = 2 −( − )2
Theo bài ra ta có: F P =
( ) ( )
⇒ − = R h R 2 − R h − 2⇒ 2 R h − 2= R 2
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
2
Bài 4: Cho một thanh đồng chất AB có khối lượng là 10kg Tác dụng một lực Fr ở đầu thanh A như hình vẽ làm cho thanh bị nâng lên hợp với
phương ngang một góc 30 0 Xác định độ lớn của lực biết lực hợp với
thanh một góc 60 0 Lấy g 10 m / s = ( 2)
Giải: Ta có: P mg 10.10 100 N = = = ( )
9
Trang 10A C
B
α
G
A
B
0
30
F
ur
P
ur
P
d
A
B
0
30
F
ur
P
ur
P
d
B
α
G T ur
P
ur
Theo điều kiện cân bằng của Momen lực
=
M Fr MurP ⇒ F.dF = P.dP
P
AB
2
= 0
F
⇒F.sin60 AB 100.cos300 = 0 AB
2 ⇒ = F 50 N( )
Bài 5: Một người nâng tấm ván AB có khối lượng 40 kg với lực F để ván nằm yên và
hợp với mặt đường một góc 30o Xác định độ lứn của lực Fr trong các trường hợp :
a Lực F hướng vuông góc với tấm ván
b Lực F hướng vuông góc với mặt đất
Giải: Ta có: P mg 40.10 400 N = = = ( )
a Theo điều kiện cân bằng của Momen lực
=
r ur
F P
P
AB
2 ; dF = AB
( )
⇒ =
0 AB F.AB 400.cos30
2
F 100 3 N
b Theo điều kiện cân bằng của Momen lực
=
r ur
F P
P
AB
2
= 0
F
( )
2
Bài 6: Một thanh AB có khối lượng 15kg có trọng
tâm G chia đoạn AB theo tỉ lệ BG=2AG như hình
vẽ Thanh AB được treo lên trần nhà bằng dây nhẹ ,
không dãn , góc α=30o Dây BC vuông góc với thanh
AB Biết thanh AB dài 1,2 m Tính lực căng dây trên
dây BC ?
Giải: Ta có: P mg 15.10 150 N = = = ( )
Theo điều kiện cân bằng của Momen lực
=
ur ur
T P
P
dT = AB 3AG =
Trang 11ur
O
A B
O B
2
P
ur
P
ur
1
P
ur
A
2
m
C
B
x
A
2
P
u r
C
B
y
N
uur
x
N
uur N
uur T ur
α
O
y
I
1
P
ur
F
ur
O
A B
P
du r
P
ur dFuur
⇒ T.3.AG P.cos30 AG = 0 ⇒ T.3 150 = 3= 25 3 N( )
2
Bài 7: Cho một thanh gỗ hình hộp chữ nhật như hình vẽ có khối
lượng 50 kg với OA=80cm;AB=40cm Xác định lực Fr tối thiểu để làm
quay khúc gỗ quanh cạnh đi qua O Lấy g=10m/s2
Giải: Ta có: P mg 50.10 500 N = = = ( )
Theo điều kiện cân bằng của Momen lực
=
r ur
F P
M M ⇒ F.dF = P.dP
Với dP = AB 40= = 20 cm( )
2 2
dF = AO= 80= 40 cm( )
2 2
( )
⇒ F.0,4 500.0,2 = ⇒ = F 250 N
Bài 8: Thanh đồng chất AB = 1,2m, trọng lượng P = 10N Người ta treo các trọng vật
P1 = 20N, P2 = 3N lần lượt tại A, B và đặt một giá đỡ tại O để thanh cân bằng Tính OA
Giải: Các lực tác dụng lên AB: Các trọng lượng
1 2
P ,P ,P
ur ur ur
đặt tại A, B, I
Theo điều kiện cân bằng Momen ta có
P1 OA + P OI = P2 OB
P1 OA + P(OA – AI) = P2 (AB – OA)
+
⇒ = =
+ +
2
1 2
P AB P.AI
P P P
2.2.3 Ví dụ minh họa dạng cân bằng tổng quát của vật rắn
Bài 1: Thanh BC khối lượng m1 = 2kg, gắn vào tường bởi bản
lề C Dầu B treo vật nặng có khối lượng m2 = 2kg và được giữ
cân bằng nhờ dây AB như hình vẽ Biết AB AC,AB AC ⊥ =
.Xác định phản lực tại C do thanh BC tác dụng lên Lấy
( 2)
10 /
g= m s
Giải: Ta có các lực tác dụng lên thanh BC:
- Trọng lực Pur1của thanh:P1 =m g1 = 2.10 20 = ( )N
- Lực căng của dây treo m2, bằng trọng lực Pur2của m2
( )
2 2 2.10 20
P =m g= = N
- Lực căng Turcủa dây AB
- Lực đàn hồi Nuurcủa bản lề C
11