- Do góc nghiêng của cầu là không đổi, để ô tô không bị lăn hay trượt xuống thì lực ma sát nghỉ cực đại sẽ phải lớn hơn hoặc bằng giá trị xác định, từ đó các kĩ sư sẽ tính toán được[r]
Trang 1Bài 25: Thực hành: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT I- Mục tiêu cần đạt:
- Giúp học sinh xác định hệ số ma sát trượt và hệ số ma sát nghỉ cực đại giữa hai vật bằng thực nghiệm
1 Kiến thức:
- Củng cố kiến thức về lực ma sát, cân bằng lực, động học, động lực học và tĩnh học
- Biết vận dụng những kiến thức đó để thiết kế được những phương án xác định hệ số ma sát
2 Kĩ năng:
- Biết cách dùng lực kế, mặt phẳng nghiêng, thước đo góc, cổng quang điện,
… , qua đó củng cố các thao tác cơ bản về thí nghiệm và xử lí kết quả
- Hình thành, củng cố kĩ năng làm việc nhóm cho học sinh
- Phát triển năng lực phân tích, tổng hợp, suy nghĩ logic, tự thiết kế phương
án cho học sinh
3 Thái độ
- Rèn luyện thái độ tích cực trong việc thiết kế phương án thí nghiệm và làm việc nhóm
- Có thái độ giữ gìn, cẩn thận khi sử dụng các thiết bị thí nghiệm đồng thời
có thái độ đúng đắn trong việc đo đạc và xử lí số liệu
II – Chuẩn bị
Giáo viên
Chuẩn bị sẵn những dụng cụ cần thiết để ở cuối lớp, bao gồm:
- Mặt phẳng nghiêng ( MPN ) có gắng thước đo góc và dây rọi
- Nam châm điện gắn ở đầu (MPN) có hộp công tắc đóng ngắt hoặc thả vật khi thực hiện thí nghiệm
- Giá đỡ có thể thay độ cao
- Trụ kim loại đường kính 3mm dài 3cm
Trang 2- Đồng hồ hiện số
- Cổng quang điện E
- Thước thẳng có độ chia nhỏ nhất mm
- Miếng Ê ke dùng để xác định vị trí vật
- Khối gỗ hình chữ nhật, tấm ván phẳng
- Lực kế
- “Phao cứu trợ”
Học sinh
- Ôn tập đặc điểm lực ma sát, định luật II Niu-tơn và phương pháp động lực học
- Chuẩn bị trước những phương án có thể thiết kế được để đo hệ số ma sát nghỉ cực đại và hệ số ma sát trượt
II- Tiến trình dạy học
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
Nội dung viết bảng
?Trước khi vào bài học mới, cô
và các em cùng quan sát một
hình ảnh sau đây Sau khi quan
sát hình ảnh thì các em hãy nói
cho cô biết nhận xét của các em
về hình ảnh đó nhé
- Chúng ta đang quan sát hình
ảnh cây cầu Ejima Ohashi
(Eshima Ohashi) ở thành phố
Matsue, Nhật Bản, được biết
đến là cây cầu dốc đứng nhất
thế giới Nhiều người cho rằng,
việc xây dựng cầu này là do
-Đó là hình ảnh một cây cầu
Trên cây cầu thì
có các phương tiện đang lưu thông Một đặc điểm của cây cầu này là khá dốc so với những cây cầu bình thường khác
I- Tình huống cần giải quyết
Trang 3một nhóm kỹ sư nghiệp dư,
không tính toán trước những
khó khăn gặp phải cho người đi
đường Tuy nhiên, thực tế lại
cho thấy lý do cầu Ejima quá
cao và dốc là bởi nó cần dành
không gian cho những tàu lớn
trên 500 tấn có thể đi bên dưới
?Yêu cầu đặt ra là những kĩ sư
đó đã phải thiết kế cây cầu có
đặc điểm như thế nào (khi độ
dốc là không đổi), để khi có
một ô tô phanh trên cầu, bánh
xe của nó không tự lăn mà
cũng không tự trượt được?
Gợi ý: Các em hãy liên hệ kiến
thức bài trước, coi như một vật
đặt trên mặt phẳng nghiêng
- Do góc nghiêng của cầu là
không đổi, để ô tô không bị lăn
hay trượt xuống thì lực ma sát
nghỉ cực đại sẽ phải lớn hơn
hoặc bằng giá trị xác định, từ
đó các kĩ sư sẽ tính toán được
hệ số ma sát nghỉ cực đại cần
thiết Họ sẽ phải chọn cách chế
tạo, tìm ra những vật liệu phù
hợp để làm mặt cầu sao cho hệ
số ma sát nghỉ giữa mặt cầu và
bánh xe ô tô lớn hơn hoặc bằng
giá trị đã tính Vì vậy, các kĩ sư
sẽ phải đo hệ số ma sát nghỉ
trong các trường hợp khác nhau
để tìm ra vật liệu phù hợp, thỏa
mãn yêu cầu đặt ra Vậy có
những cách nào để đo hệ số ma
sát? Hôm nay chúng ta sẽ cùng
nhau tìm hiểu nhé
- Ô tô không lăn
và không trượt được khi có lực
ma sát nghỉ tác dụng lên ô tô
Tổng vecto các lực tác dụng lên vật bằng 0
Dựa vào cơ sở lí thuyết,
II- Xác định hệ số ma sát nghỉ
a, Thiết kế thí nghiệm
Trang 4em nào có thể cho cô biết
hệ số ma sát được tính
như thế nào?
? Lớp mình đã có bạn nào
có phương án xác định hệ
số ma sát nghỉ chưa nhỉ?
Gợi ý: Dựa vào tình
huống nêu ở đầu bài
- Ta xét một vật khối
lượng m nằm trên một mặt
phẳng nghiêng có góc
nghiêng α (gv vẽ hình lên
bảng)
? Có những lực nào tác
dụng lên vật?
? Vậy em làm cách nào để
xác định được hệ số ma
sát nghỉ cực đại trong
trường hợp này?
? Thế tại sao em lại đo
góc nghiêng khi vật bắt
đầu chuyển động?
- Bây giờ, theo phương án
này, các em hãy làm
nhanh ra giấy, thử biểu
- Em sẽ đo hệ
số ma sát nghỉ cực đại của một vật trên mặt phẳng nghiêng
- Trọng lực ⃗P
, phản lực ⃗N , lực ma sát
⃗F ms hướng lên trên, chống lại
xu hướng chuyển động của vật
- Em sẽ nâng dần góc nghiêng của mặt phẳng đến khi vật bắt đầu chuyển động thì
đo góc nghiêng rồi dùng
phương pháp động lực học để tính hệ số ma sát nghỉ cực đại
- Vì khi đó vật vẫn chịu tác dụng của lực
ma sát nghỉ, và lực ma sát nghỉ đạt giá trị lớn nhất
μ= F ms N
Phương án 1: Xác định
hệ số ma sát nghỉ trên mặt phẳng nghiêng
- Cách làm: Nâng dần mặt phẳng nghiêng
μ nmax=tan α
Trang 5diễn mối quan hệ giữa hệ
số ma sát nghỉ và những
đại lượng đã cho nhé
? Các em có nhận xét gì
về kết quả trên?
? Thế có những cách nào
có thể xác định được góc
nghiêng α nhỉ?
? Ngoài cách này ra chúng
ta còn có thể đo hệ số ma
sát nghỉ cực đại bằng cách
nào khác không?
Gợi ý: Dùng lực kế
? Tại sao số chỉ của lực kế
lúc vật bắt đầu chuyển
động lại bằng độ lớn của
lực ma sát nghỉ?
- Muốn xác định hệ số ma sát nghỉ cực đại thì ta chỉ phải
đo góc nghiêng
α
- Dùng thước
đo góc và dây rọi, hoặc dùng thước kẻ đo cách cạnh tính trực tiếp ra
tan α
- Dùng lực kế kéo vật trên mặt phẳng nằm ngang, đến lúc vật bắt đầu chuyển động thì đọc số chỉ của lực kế, chính bằng độ lớn lực
ma sát nghỉ cực đại Từ đó suy
ra giá trị của hệ
số ma sát nghỉ cực đại
- Trong quá trình kéo vật mà vật chưa chuyển động thì lực ma sát nghỉ luôn bằng lực đàn hồi của lực kế, khi vật bắt đầu chuyển động thì lực đàn hồi đó bằng lực ma sát
- Đo góc nghiêng α: +Thước đo góc, dây rọi
+Dùng thước kẻ
Phương án 2: Xác định
hệ số ma sát nghỉ trên mặt phẳng ngang
⃗F kế
- Cách làm: Móc vật vào lực kế, kéo từ từ, đọc số chỉ của lực kế
Trang 6? Công thức biểu diễn hệ
số ma sát nghỉ cực đại
trong trường hợp này là
gì?
*Lưu ý: khi kéo lực kế
phải ngoài việc phải kéo
từ từ, thì chúng ta còn
phải kéo lực kế sao cho
trục của nó nằm song với
mặt phẳng nằm ngang,
trực đối với lực ma sát
nghỉ thì khi đó lực ma sát
nghỉ và lực đàn hồi của
lực kế mới là hai lực cân
bằng
- Như chúng ta đã biết, kết
quả của các phép đo
không bao giờ đúng hoàn
toàn với giá trị thật của
đại lượng cần đo Nói
cách khác với mọi phép
đo ta đều phải lấy giá trị
gần đúng và tính sai số
của đại lượng cần đo đó
- Chúng ta chưa có một
dụng cụ nào để đo trực
tiếp hệ số ma sát Như vậy
hệ số ma sát là đại lượng
đo gián tiếp Sai số của hệ
số ma sát sẽ phụ thuộc vào
sai số của các đại lượng
tính ra nó
? Em nào có thể cho cô
biết sai số của hệ số ma
sát nghỉ cực đại trong hai
phương án trên được tính
như thế nào không?
? Nếu tan α được tính
bằng thương chiều cao của
mặt phẳng h với chiều dài
cạnh đáy d thì sai số của
nghỉ cực đại
- Phương án 1:
Sai số của hệ số
ma sát nghỉ phụ thuộc vào sai số của góc
nghiêng α
μ nmax=F kế
N
b, Xử lí số liệu
Phương án 1:
μ nmax=tan α
Trong đó,
α= ´α ± ∆ α khi đo bằng thước đo góc Khi đo bằng thước kẻ:
Trang 7hệ số ma sát trượt được
tính như thế nào?
- Phương án 2:
Sai số của hệ số
ma sát nghỉ phụ thuộc vào số chỉ lực kế
∆ μ
µ =
∆ h
h +
∆ d d
Phương án 2:
∆ μ= ∆ F max
mg
? Quay trở lại phương án
1, nếu bây giờ vật không
nằm yên trên mặt phẳng
nữa mà vật trượt xuống thì
sao? Khi đó, hệ số ma sát
trong trường hợp này là hệ
số ma sát gì? Và ta phải
xác định hệ số ma sát đó
bằng cách nào?
? Xét vật trượt không vận
tốc ban đầu trên mặt
phẳng nghiêng góc α so
với phương ngang Em
hãy thiết lập biểu thức tính
hệ số ma sát trượt giữa vật
và mặt phẳng nghiêng?
* Lớp sẽ thảo luận theo
nhóm 2 bàn Thời gian
thực hiện nhiệm vụ là 3
phút Sau khi hoàn thành
các nhóm sẽ trình bày kết
quả lên trên bảng
- Nhận xét kết quả
? Từ biểu thức, em hãy
cho cô biết để xác định hệ
số ma sát trượt ta cần đo
những đại lượng nào?
* Lưu ý: khi thực hành
cần chú ý tới góc nghiêng
đủ lớn sao cho vật có thể
- Là hệ số ma sát trượt Em sẽ tính thêm gia tốc, áp dụng định luật II Niu-tơn và giải toán bằng phương pháp động lực học
sẽ tính được hệ số
ma sát nghỉ trong trường hợp này
- Lớp thảo luận
- Cần đo góc nghiêng α (dùng thước đo góc hoặc dùng hàm lượng giác như phần trên)
III- Xác định hệ
số ma sát trượt
a, Thiết kế thí nghiệm
Phương án 3: Xác định hệ số ma sát trượt trên mặt phẳng nghiêng
μ=tan α− a
g cos α
- Đo góc nghiêng
α
Trang 8trượt không vận tốc ban
đầu Góc nghiêng thích
hợp vào khoảng 20-300
(Có thể hỏi HS khác nếu
HS này không trả lời được
tiếp)
? Để đo gia tốc a chúng ta
phải tính thông qua biểu
thức nào và cần đo những
đại lượng nào?
(Có thể hỏi rõ để kiểm tra
kiến thức của HS nếu thấy
hs chưa chắc chắn và rõ
ràng: Em đã dựa vào biểu
thức nào và vì sao?)
? Em sẽ dùng dụng cụ nào
để đo thời gian? Vì sao?
(- Nếu được lựa chọn thì
em sẽ dùng dụng cụ nào?
Vì sao?)
- Thêm một lợi ích nữa
khi dùng cổng quang điện
là: quãng đường vật đi
được cũng chính là
khoảng cách giữa 2 cổng
quang
- Sau khi đã phân tích
thiết kế xác định hệ số ma
sát trượt bằng cách cho
vật trượt không vận tốc
trên mặt phẳng nghiêng
em hãy nêu các bước tiến
hành của thiết kế này
- Chốt phương án thí
nghiệm kết hợp gộp và
sắp xếp các bước tiến
- Cần đo gia tốc a
Do vật trượt trên mặt phẳng nghiêng nên chuyển động của vật là chuyển động nhanh dần đều mà vật trượt không vận tốc đầu => a= 2 s
t2
+ Đo quãng đường
s, thời gian chuyển động t
+ Đồng hồ bấm giây
+ Cổng quang điện
- Dùng cổng quang điện vì đo chính xác hơn
- Nêu các bước tiến hành
- Xác định gia tốc a
Trong đó,
a= 2 s
t2
+Đo thời gian t: cổng quang điện +Đo quãng đường s: máng có vạch chia độ
Trang 9hành trong sgk.
? Ngoài phương án 3,
chúng ta có cách nào khác
để xác định hệ số ma sát
trượt nữa không?
Gợi ý: Nhớ lại một ví dụ
trong bài lực ma sát
? Tại sao em lại kéo tấm
ván đều? Nếu cô kéo
nhanh dần đều có được
hay không?
? Vì sao số chỉ của lực kế
lại chỉ độ lớn lực ma sát
Em hãy chứng minh cho
cả lớp ý kiến của em?
* Biểu diễn vẽ các lực
theo mô tả của học sinh
Gọi tên vật là vật 1, tấm
ván là vật 2 để dễ kí hiệu
lực trên hình và cho học
sinh dễ mô tả
- Lưu ý cho học sinh: cần
kéo tấm ván đều Chúng ta
làm thế nào để kiểm tra
chuyển động đều của tấm
ván? (Gợi ý: có dụng cụ
thí nghiệm nào giúp chúng
ta giải quyết được yêu cầu
này không?)
- Vậy khi áp dụng băng
giấy và cần rung em sẽ
thiết kế vị trí đặt chúng
như thế nào và nó sẽ hoạt
động ra sao để giúp ta
Cho vật chuyển động trên mặt phẳng ngang
- Đặt vật lên tấm ván
- Một đầu lực kế cố định, đầu còn lại gắn vào vật
- Kéo tấm ván đều
- Không được vì kéo đều thì số chỉ lực kế mới chỉ độ lớn lực ma sát
- Nêu, phân tích các lực tác dụng lên vật và tấm ván (tại chỗ)
- Có bộ dụng cụ:
băng giấy và cần rung đã dùng ở bài
đo gia tốc rơi tự do của vật
Phương án 4: Xác định hệ số ma sát trượt trên mặt phẳng ngang
μ t=F kế N
Trang 10kiểm tra được chuyển
động đều của tấm ván?
* Hỏi cả lớp xem có thêm
học sinh nào biết không
nếu không thì GV trình
bày
+ Nêu lại sơ bộ nguyên
tắc hoạt động của bộ dụng
cụ: băng giấy và cần rung
Khi băng giấy chuyển
động qua thoi chấm mực
trên bộ cần rung thì cứ
0,02s thoi chấm mực sẽ
văng mực lên băng giấy
Nếu vật chuyển động đều
thì các vết mực liên tiếp
trên băng giấy sẽ đánh dấu
những khoảng bằng nhau
+ Áp dụng: gắn băng giấy
vào đầu còn lại của tấm
ván Lắp bộ cần rung và
băng giấy Lưu ý: bộ cần
rung sẽ cách hệ chuyển
động ban đầu một khoảng
và khi quan sát các vết
mực thì cần chú ý quan sát
thì cần bỏ qua những vết
mực ban đầu vì lúc đầu có
khoảng chênh thời gian
thực hiện thí nghiệm trong
khi thoi mực vẫn chấm
mực
- GV chốt phương án và
cách tiến hành:
Trong sgk cũng đã mô tả
khá rõ tiến trình thực hiện
thí nghiệm tuy nhiên để
thuận tiện hơn trong việc
tiến hành thì chúng ta có
thể sắp xếp lại nhé (gv ghi
các bước lên bảng)
- Lắng nghe và phản hồi nếu chưa hiểu
- Học sinh cùng giáo viên thống nhất các bước làm - Cách làm:+ Đo khối lượng
của vật để tìm phản lực N
+ Gắn lực kế + Gắn băng giấy
Trang 11? Tương tự hệ số ma sát
nghỉ, xử lí số liệu của hệ
số ma sát trượt như thế
nào?
*Chú ý: gia tốc a cũng là
đại lượng đo gián tiếp
vào tấm ván và liên kết với bộ cần rung + Đặt vật tiếp xúc với tấm ván trên mặt phẳng ngang + Kéo tấm ván đều + Thực hiện 3-4 lần
b, Xử lí số liệu
- Phương án 3:
μ=tan α− a
g cos α
Trong đó,
∆ a= 2 ∆ s
t2
α= ´α ± ∆ α
- Phương án 4:
∆ μ= ∆ F ms mg
IV- Tiến hành thí nghiệm
Phân chia hoạt động cho học sinh làm thí nghiệm
* Chia lớp thành các nhóm thực hành thí nghiệm:
- (Nếu có nhiều thời gian) Sau đây lớp mình sẽ thực hành đo hệ số ma sát Lớp mình sẽ thực hành theo trạm, cô sẽ chia lớp làm bốn nhóm, tương ứng với bốn phương án thí nghiệm Mỗi nhóm chúng ta được quyền chọn một trong những phương án thí nghiệm để làm trước, sau khi làm xong thì ngay lập tức chuyển sang thí nghiệm của nhóm khác Cứ như thế, cả bốn nhóm đều làm cả bốn thí nghiệm, rồi chúng ta báo cáo kết quả với cô và đối chiếu kết quả với các nhóm khác
Thời gian thực hành: 20 phút (cô giáo ghi lên bảng)
- (Nếu không có nhiều thời gian) Do hôm nay không còn nhiều thời gian nên chúng
ta sẽ chỉ làm hai phương án thí nghiệm (một của đo hệ số ma sát trượt, một của đo
hệ số ma sát nghỉ) Lớp chúng ta sẽ chia thành bốn nhóm, mỗi nhóm sẽ làm cả hai phương án Do phương án 1 khá phức tạp khi phải dùng cả cần rung để kiểm
nghiệm nên chúng ta sẽ đo hệ số ma sát trượt trên mặt phẳng nghiêng Còn đo hệ số
Trang 12ma sát nghỉ, mỗi nhóm có thể chọn cho mình một phương án tùy thích Dụng cụ thí nghiệm cô đã để ở cuối lớp, các nhóm cử vài bạn xuống lấy đi, nhớ cầm cẩn thận Thời gian thực hành: 10 phút (cô giáo ghi lên bảng)
*Trong khi các bạn xuống lấy dụng cụ thí nghiệm thì các em còn lại trong nhóm có thể tranh thủ thiết kế bảng ghi số liệu, để thuận tiện hơn cho việc ghi chép và xử lí
số liệu nhé Nếu gặp khó khăn gì thì có thể lên hỏi cô, cô đã chuẩn bị những “phao cứu hộ” là những bảng báo cáo đó để các em tham khảo, nhưng lưu ý là “phao cứu hộ” chỉ được phát lần thứ nhất sau phút thứ 5 và sau đó 5 phút là những lần tiếp theo Cả lớp đã rõ chưa nhỉ?
“Phao cứu hộ”
Phương án 4: Đo hệ số ma sát trượt trên mp ngang
F o kế =…… m = ……
mg
Giá trị
Viết kết quả của phép đo hệ số ma sát trượt
μ t= ±
Phương án 3: Đo hệ số ma sát trượt trên mp nghiêng
a =
2 s
gcos α
Giá trị
trung
bình
Trang 13Sai số ∆ a=¿ ∆ μ=¿
Viết kết quả của phép đo hệ số ma sát trượt
μ t= ±
Phương án 2: Đo hệ số ma sát nghỉ trên mp ngang
F o kế =…… m = ……
mg
Giá trị
trung
bình
Viết kết quả của phép đo hệ số ma sát nghỉ
μ n= ±
Phương án 1: Đo hệ số ma sát nghỉ trên mp nghiêng
Cách 1: đo góc bằng thước đo độ
Giá trị
trung
bình
´
Cách 2: cách xác định tan α bằng thước kẻ
d