Cân bằng lực và momen - lực Tiết 1: Tổng hợp và phân tích lực | Đại học Sư Phạm Hà Nội

Cân bằng lực và momen lực
Tiết 1: Tổng hợp và phân tích lực I. Mục tiêu 1, Kiến thức
- Tổng hợp 2 lực F1, F2 đồng quy và hợp với nhau một góc thì hợp lực F có độ
lớn được tính theo biểu thức F2 = F 2 2 .F 1 + F2 + 2.F1 2.cos
và có hướng so với hướng của lực F1 được xác định bởi
- Lực F được phân tích thành 2 thành phần vuông góc có giá trị bằng: Fx =
F.cos và Fy = F.cos với là góc hợp giữa lực F và phương Ox (thường chọn
trùng hướng chuyển động)
- Hợp lực của hai lực F1 và F2 song song, cùng chiều là một lực F song song,
cùng chiều với hai lực ấy, có độ lớn bằng tổng độ lớn của hai lực thành phần
và điểm đặt O của lực F chia đoạn thẳng nối điểm đặt O F 1, O2 của hai lực F1, 2
thành những đoạn thẳng tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy. 2, Năng lực
- Thiết kế được phương án thực hiện tổng hợp được hai lực đồng quy bằng dụng cụ thực hành.
- Sử dụng hình vẽ để biểu diễn được tổng hợp lực và phân tích 1 lực thành
các lực thành phần vuông góc 3, Phẩm chất
 Chăm chỉ nghiên cứu, tìm hiểu kiến thức trước bài học
 Tự giác, trung thực trong học tập và thực hiện thí nghiệm
 Tích cực, sôi nổi đóng góp ý kiến trong hoạt động nhóm
II. Thiết bị dạy học và học liệu
 Giáo viên: máy chiếu, phiếu học tập,...
 Học sinh: sách giáo khoa, vở ghi,..
III. Tiến trình dạy học
1. Hoạt động 1: Mở đầu
a. Mục tiêu: Hình thành kiến thức cho học sinh về khái niệm hợp lực
b. Nội dung: HS quan sát thí nghiệm và trả lời câu hỏi
c. Sản phẩm: Những thắc mắc, câu hỏi, giả thuyết của học sinh
d. Tổ chức hoạt động:
- Cho HS xem hình ảnh về siêu tàu Ever-Given mang cờ Panama bị mắc cạn
kênh đào Suez. Để giải cứu con tàu dài 400m, rộng 59m, chở 224 nghìn tấn
hàng hóa, người ta phải huy động các con tàu lai dắt để kéo mũi tàu Given
trở lại đường lưu thông qua kênh đào. Các tàu lai dắt không chuyển động
cùng hướng nhưng hợp lực kéo của chúng vẫn giúp kéo mũi tàu Given khỏi điểm mắc cạn. Đặt
CH1: tại sao lại dùng các tàu lai dắt kéo về các hướng khác nhau như vậy?
CH2: Có thể thay các tàu nhỏ bằng tàu phương kéo trùng với phương của tàu Given được hay không?
HS suy nghĩ và trả lời câu hỏi
Giáo viên rút ra khái niệm về hợp lực: Tổng hợp lực là thay thế các lực tác dụng
đồng thời vào cùng một vật bằng một lực có tác dụng giống hệt như các lực đó.
Lực thay thế gọi là hợp lực. 2. Hoạt động 2: e. Mục tiêu:
 Tổng hợp được các lực đồng quy trên mặt phẳng
 Phân tích được các lực thành các lực thành phần vuông góc f. Nội dung:
g. Sản phẩm: kết quả thảo luận nhóm của học sinh h. Tổ chức thực hiện
Chia HS thành các nhóm tìm hiểu về tổng hợp các lực đồng quy trong các
trường hợp từ đơn giản đến tổng quát Hai lực cùng phương Hai lực vuông góc
Hai lực hợp với nhau 1 góc bất kỳ
HS thảo luận, đề xuất
GV dẫn dắt đi vào vấn đề: Xét 2 lực đồng quy và hợp
phương án và thực hiện Trong nhiều trường hợp tathành góc alpha .GV sẽ
thí nghiệm tổng hợp 2 lực cần phân tích một lực
biểu diễn hợp lực theo quy đồng quy cùng phương thành hai thành phần
tắc hình bình hành hoặc TH1: hai lực cùng
vuông góc với nhau để có theo quy tắc cộng vecto phương, cùng chiều thì
thể giải quyết một bài Độ lớn: F2 = F 2 2 1 + F2 +
làm tăng tác dụng lên vật toán cụ thể. 2.F .cos 1.F2
và độ lớn hợp lực bằng: F - GV cho HS theo dõi ví Hướng của hợp lực so với = F dụ trong SGK: quả cầu F 1 + F2 1 TH2: hai lực cùng lông đang rơi chịu tác
phương ngược chiều thì dụng của 2 lực là trọng
chúng hạn chế, thậm chí lực theo hướng thẳng
có thể triệt tiêu tác dụng đứng hướng xuống và lực GV: Hướng dẫn HS sử
của nhau lên vật và hợp đẩy của gió theo phương dụng quy tắc hình bình
lực có giá trị bằng: F = F ngang. đồng thời trình bày 1
hành và xác định hợp lực - F
phân tích, giảng giải chi 2
của 2 con tàu lai dắt kéo
tiết về cách tìm hợp lực, tàu Given như ở HĐ1, coi độ lớn hợp lực
độ lớn lực kéo 2 tàu là như nhau, bằng 16.103 và góc giữa 2 lực là 60o
- Kiểm tra các kết quả thu
- GV yêu cầu HS trả lời được của HS các câu hỏi:
Vậy 1 lực có thể phân tích ra thành nhiều lực được không?
Cách phân tích một vecto lực thành hai thành phần như thế này có ích trong rất
nhiều trường hợp, giống như ta đã làm với vận tốc. Lực thường được phân tích
thành 2 thành phần có phương vuông góc với nhau, sau đó xác định tác dụng
của từng thành phần riêng biệt. Tác dụng các thành phần lực vuông góc độc lập
với nhau. Xét hình 5.10 mô tả cách phân tích 1 lực F thành hai thành phần vuông góc.
Thành phần theo phương ngang Fx = Fcosθ
Thành phần theo phương thẳng đứng Fy = Fsinθ
Xét trường hợp ô tô lên dốc. Các lực tác dụng gồm: trọng lực P, phản lực N, lực
phát động Fk gây bởi động cơ ô tô, lực ma sát Fms. Trong trường hợp này ta
thực hiện các bước sau:
Bước 1: Vẽ giản đồ biểu diễn các lực tác dụng lên vật. (Hình 5.11)
Bước 2: Chọn chiều dương trùng với hướng chuyển động lên dốc của ô tô.
Bước 3: Phân tích trọng lực P thành hai thành phần như hình
Với lưu ý chuyển động thực của ô tô chỉ gồm chuyển động theo chiều dương
nên hợp lực tác dụng lên vật theo phương vuông góc với phương chuyển động bằng 0 ta có: N = Pt = mg.cosθ
Kết quả này có thể dùng để xác định độ lớn của lực ma sát giữa bánh xe và mặt
đường khi biết hệ số ma sát F = μN
Áp dụng định luật 2 cho vật theo chiều dương đã chọn, ta có Fk - Px - Fms = ma
Do đó, ta xác định được gia tốc lên dốc của ô tô là
Hoạt động 3: Luyện tập
a, Mục tiêu: Giúp học sinh ghi nhớ các kiến thức đã học và áp dụng vào việc
giải bài tập liên quan
b, Nội dung: Học sinh làm bài tập theo yêu cầu
c, Sản phẩm: bài làm của học sinh
d, Tổ chức hoạt động: làm bài tập cá nhân
Bài tập : Một vật nằm trên mặt nghiêng góc 30° so với phương ngang chịu trọng
lực tác dụng có độ lớn là 50 N. Xác định độ lớn các thành phần của trọng lực
theo các phương vuông góc và song song với mặt nghiêng. P = Psinα = 25 N 1 P = Pcosα = 25√3 N 2
Hoạt động 4: Vận dụng
a, Mục tiêu: Tìm tòi và mở rộng kiến thức, khái quát lại toàn bộ nội dung kiến thức đã học b, Nội dung:
- Học sinh nghiên cứu về cấu trúc hình vòm, phân tích và giải thích nguyên nhân
vì sao cấu trúc này có thể đứng vững c, Sản phẩm:
Bản báo cáo nghiên cứu của học sinh
d, Tổ chức hoạt động: Giáo viên chia học sinh thành các nhóm nhỏ 4-5 người
để về nghiên cứu trình bày trên giấy.
BÀI 2: MÔMEN LỰC. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA VẬT I. MỤC TIÊU 2. Kiến thức
- Momen M của một lực đặc trưng có tác dụng làm quay của lực đó và được tính
bằng tích độ lớn của lực với khoảng cách từ trục quay đến đường thẳng chứa vectơ lực
- Ngẫu lực là hai lực song song, ngược chiều, bằng nhau về độ lớn và giá của hai
lực cách nhau một khoảng d
- Momen của ngẫu lực bằng: M=F.d
- Điều kiện cân bằng tổng quát của một vật rắn gồm:
 Tổng hợp lực tác dụng lên vật bằng không
 Tổng momen của các lực tác dụng lên vật đối với trục quay bất kỳ bằng không 3. Năng lực
- Phát biểu được các khái niệm momen lực, momen ngẫu lực, tác dụng của
ngẫu lực lên vật để làm quay vật.
- Vận dụng được quy tắc momen ngẫu lực, điều kiện cân bằng để giải thích
một số trường hợp trong thực tế cuộc sống.
- Thiết kế được phương án thực hiện tổng hợp được hai lực song song bằng dụng cụ thực hành. 4. Phẩm chất
Chăm chỉ nghiên cứu, tìm hiểu kiến thức trước bài học
Tự giác, trung thực trong học tập và thực hiện thí nghiệm
Tích cực, sôi nổi đóng góp ý kiến trong hoạt động nhóm II.
THIẾT BỊ DẠY HỌC VÀ HỌC LIỆU
Giáo viên: máy chiếu, phiếu học tập,...
Học sinh: sách giáo khoa, vở ghi,.. III.
TIẾN TRÌNH DẠY HỌC
Hoạt động 1: Mở đầu
Mục tiêu: Đưa ra vấn đề: tổng hợp lực của hai lực song song được xác định như
thế nào mà không làm vật chuyển động.
Nội dung: Đặt ra tình huống và giả thuyết của học sinh về vấn đề được đặt ra.
Sản phẩm: Những thắc mắc, câu hỏi, giả thuyết của học sinh Tổ chức thực hiện:
 Giáo viên đưa ra tình huống : Khi dùng dụng cụ tháo bánh ô tô như hình,
một người thợ học việc tác dụng hai lực cùng độ lớn và cùng hướng lên dụng
cụ. Phép cộng vecto hai lực đó cho kết quả khác 0 nhưng dụng cụ lại đứng yên.
 Học sinh xác định vấn đề: Tổng hợp của hai lực song song này được xác
định như thế nào mà không làm dụng cụ chuyển động.
 Giả thuyết của học sinh đưa ra: Hoạt động 2 Mục tiêu Nội dung Sản phẩm Tổ chức thực hiện
Thảo luận -Mối liên hệ -Hợp lực của hai lực song song,
để thiết kế giữa độ lớn cùng chiều F1, F2 là một lực F
phương án hai lực song song song, cùng chiều với hai lực
và thực hiện song và hai ấy và có độ lớn bằng tổng các độ
phương án, vị trí đặt
lớn của hai lực thành phần F= F1+ tổng hợp lực F2 được hai lực
Điểm đặt O của F chia đoạn thẳng -Giáo viên yêu song song
nối điểm đặt O1, O2 của F1, F2 cầu học sinh dựa bằng dụng
thành những đoạn thẳng tỉ lệ vào kiến thức đã cụ thực
nghịch với độ lớn của hai lực ấy: biết tính độ lớn hành (OO1/OO2)= ( F2 / F1) (1) hợp lực của hai lực
-Thí nghiệm kiểm chứng: F1, F2 như hình
Treo một thước cứng, mảnh, đồng trên.
chất bởi hai sợi dây đàn hồi; treo - Giáo viên đưa ra
các quả cân ở hai vị trí xác định tên mối liên hệ giữa độ
thước; xác định lực của các vị trí lớn hai lực và hai
treo quả cân và điền vào bảng: vị trí đặt lực. Yêu cầu học sinh thảo
luận để thiết kế thí
Kiểm chứng công thức (1) qua nghiệm và tiến các lần thực hiện. hành kiểm chứng công thức (1). -Thảo luận
 Phương án tổng hợp hai lực - Giáo viên chia để đề xuất,
song song bằng dụng cụ thực lớp thành các thiết kế hành của học sinh. nhóm yêu cầu thảo phương án luận để đề xuất,  Phương án: và thực hiện thiết kế phương án phương án và thực hiện tổng hợp hai phương án tổng lực song hợp hai lực song song bằng song bằng dụng cụ dụng cụ thực hành. thực hành - Học sinh thực hiện thảo luận đưa ra phương án và thực hiện phương án. - Giáo viên nhận xét, góp ý hoàn thiện phương án.
Một thước cứng, mảnh, đồng chất
được treo bởi hai sợi dây đàn hồi.
Hai lực thành phần F1, F2 có độ
lớn bằng trọng lượng các quả cân
treo vào O1, O2 làm cho dây treo
thanh giãn ra và thanh nằm cân
bằng tại vị trí đánh dấu bởi đường CD.
Thay hai lực F1, F2 bằng lực F do
một chùm quả cân treo tại O sao
cho thước vẫn nằm cân bằng tại vị
trí đã đánh dấu thì lực F là hợp lực của hai lực F1 và F2.
Tiến hành thí nghiệm để xác định
hợp lực F của hai lực thành phần.
Kết quả thực hiện được ghi theo mẫu sau: Phát biểu
Tìm hiểu về Là một đại lượng đặc trưng cho tác -GV cho học sinh
được khái khái niệm dụng làm quay của lực và được quan sát hành động niệm về
của momen tính bằng cách lấy lực tác dụng sử dụng cờ lê để momen lực lực
nhân với cánh tay đòn của nó. vặn ốc. – Công thức: M=F.d -GV cho biết đã có Trong đó: 1 lực tác dụng vào
 M là momen lực, đơn vị cờ lê khiến cờ lê N.m quay từ đó hình
 F là lực tác dụng, đơn vị N thành khái niệm
 d: cánh tay đòn của ngẫu mới đặc trưng về lực tác dụng làm quay của vật: momen lực -GV đặt ra 3 trường hợp đặt tay ở các vị trí khác nhau trên cờ lê -GV cho học sinh phân tích lực tay F tác dụng lên cờ lê để từ đó rút ra kết luận về vị trí đặt tay phù hợp nhất. Phát biểu
Tìm hiểu về Hệ hai lực song song ngược chiều, GV cho học sinh được các momen
có độ lớn bằng nhau và cùng tác quan sát hình ảnh khái
ngẫu lực và dụng vào một vật gọi là ngẫu lực. vặn vô lăng và yêu niệm tác dụng
Để tạo thành ngẫu lực phải : cầu học sinh phân momen làm quay
 tác dụng vào dùng 1 vật tích lực tay người ngẫu lực, của ngẫu  song song nhưng ngược tác dụng lên vô tác dụng lực chiều lăng của ngẫu
 giá cách nhau 1 khoảng d - Rút ra được kết lực lên
 bằng nhau về độ lớn luận để làm quay vật để vật thì cần các yếu làm quay tố nào vật. - Do momen ngẫu lực chỉ có tác dụng làm quay vật nên từ đó rút ra được cách tính momen ngẫu lực
Vận dụng Tìm hiểu về Muốn cho một vật có trục quay cố GV từ hình ảnh
về điều điều kiện định ở trạng thái cân bằng thì tổng quay bánh xe vô kiện cần cân bằng
các mômen lực có xu hướng làm lăng để rút ra được bằng lực
vật quay theo chiều kim đồng hồ quy tắc về momen lực
phải bằng tổng các mômen lực có lực
xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.
- Điều kiện cân bằng tổng quát của một vật rắn gồm:
 Tổng hợp lực tác dụng lên vật bằng không - Sau khi có quy
 Tổng momen của các lực tác tắc về momen lực,
dụng lên vật đối với trục quay GV cho học sinh bất kỳ bằng không thảo luận để tìm ra được điều kiện cần bằng của vật GV cho học sinh suy nghĩ và thảo luận để tìm 1 trường hợp minh hoạ ở đó vật ở trang thái cân bằng và phân tích ví dụ đó
Hoạt động 3: Luyện tập
Mục tiêu: Vận dụng momen lực, ngẫu lực, điều kiện cân bằng lực để giải quyết
một số bài tập liên quan Nội dung:
Câu 1 Nhâ ƒn xét nào dưới đây về hợp lực của hai lực song song và cùng chiều là không đúng?
A. Đô ƒ lớn của hợp lực bằng tổng giá trị tuyê ƒt đối đô ƒ lớn của hai lực thành phần.
B. Hợp lực có hướng cùng chiều với chiều của hai lực thành phần.
C. Hợp lực có giá nằm trong khoảng cách giữa hai giá của hai lực thành phần và
chia thành những đoạn tỉ lê ƒ thuâ ƒn với độ lớn hai lực ấy.
D. Điểm đặt của hợp lực chia khoảng cách giữa hai giá của hai lực thành phần
thành d1 và d2 thì ta có hê ƒ thức: (F1/d2) = (F2/d1)
Câu 2 Đơn vị của mômen lực là: A. m/s B. N.m. C. kg.m.. D. N.kg.
Câu 3:Chọn đáp án đúng.
A. Ngẫu lực là hệ hai lực song song, cùng chiều, bằng nhau về độ lớn tác dụng
vào một vật và giá của hai lực cách nhau một khoảng d.
B. Ngẫu lực là hệ hai lực song song, ngược chiều, bằng nhau về độ lớn tác dụng
vào một vật và giá của hai lực cách nhau một khoảng d.
C. Ngẫu lực là hệ hai lực song song, cùng chiều, tác dụng vào một vật và giá của
hai lực cách nhau một khoảng d.
D. Ngẫu lực là hệ hai lực song song, ngược chiều, tác dụng vào một vật và giá
của hai lực cách nhau một khoảng d.
Câu 4:Ở trường hợp nào sau đây, lực có tác dụng làm vật rắn quay quanh trục?
A. lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và cắt trục quay.
B. lực có giá song song với trục quay.
C. lực có giá cắt trục quay.
D. lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không cắt trục quay.
Câu 5: Một thanh chắn đường AB dài 7,5 m; có khối lượng 25 kg, có trọng tâm
G cách đầu A là 1,2 m. Thanh có thể quay quanh một trục O nằm ngang cách
đầu A là 1,5 m. Để giữ thanh cân bằng nằm ngang thì phải tác dụng lên đầu B
một lực bằng bao nhiêu? Lấy g = 10 m/s2. A. 125 N. B. 12,5 N. C. 26,5 N. D. 250 N. Sản phẩm: Câu 1. Đáp án: C Giải thích:
Hợp lực của 2 lực F1 và F2 song song cùng chiều là một lực F song song, cùng
chiều với 2 lực và có độ lớn bằng tổng các độ lớn của 2 lực thành phần. Điểm
đặt O của lực F chia đoạn thẳng nối điểm đặt O1, O2 của 2 lực F1, F2 thành
những đoạn thẳng tỉ lệ nghịch với độ lớn của hai lực ấy. Câu 2. Đáp án B
Giải thích: M=F.d nên đơn vị của momen là N.m Câu 3. Đáp án B Câu 4. Đáp án D
Giải thích: Lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không
cắt trục quay khi đó cánh tay đòn d của lực sẽ khác không nên mômen lực khi
đó khác không sẽ có tác dụng làm quay vật rắn. Câu 5. Đáp án B Xét trục quay tại O Tổ chức thực hiện:
 Giáo viên phát phiếu bài tập , yêu cầu học sinh trả lời phiếu bài tập
 Giáo viên yêu cầu một số học sinh lên bảng thực hiện giải phiếu bài tập
 Giáo viên nhận xét và chữa bài.
Hoạt động 4: Vận dụng
1. Mục tiêu: Giúp HS vận dụng, mở rộng kiến thức bài học Moment lực-Cân bằng của vật rắn. 2. Nội dung.
- Vận dụng được quy tắc momen lực để giải quyết các bài toán thực tế.
Câu hỏi: Tại sao khi mở cổng có bản lề thì ta hay kéo những điểm cách xa bản lề ? Bài giải:
Momen lực đối với trục quay là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay
của lực và được đo bằng tích của lực với cánh tay đòn của nó… càng xa bản lề,
cánh tay đòn càng lớn, tác dụng làm quay của bản lề càng lớn.