Báo cáo chuyên đề: tổ chức hoạt động nhận thức“Điều kiện cân bằng của một vật rắn dưới tác dụng của ba lực không song song” potx

Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 1

1. SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH KHOA HỌC XÂY DỰNG KIẾN THỨC “Điều kiện cân
bằng của một vật rắn dưới tác dụng của ba lực không song song”
1.1. Tiến trình đề xuất kết luận























1.2. Tiến trình kiểm nghiệm kết luận

Khi có ba lực không song song tác dụng vào một vật rắn, vật có thể ở trạng
thái cân bằng hoặc không cân bằng.
Khi có một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không
song song, để vật rắn cân bằng thì ba lực đó phải thỏa
mãn điều kiện gì?
Suy luận từ các kiến thức đã biết sau để rút ra câu trả lời cho câu hỏi đã đặt ra:
 Vật cân bằng dưới tác dụng của 3 lực thì 2 lực bất kỳ phải có hợp lực trực đối với
lực thứ ba.
 Hai lực không song song chỉ có hợp lực khi chúng có giá đồng quy, khi đó hợp lực
được xác định theo quy tắc hình bình hành. Nó có giá đồng phẳng, đồng quy với hai lực
thành phần.

Để vật rắn cân bằng dưới tác dụng của ba lực
1 2 3
, ,
F F F
  
thì
+

Hai lực
1 2
,
F F
 
phải có hợp lực
12
( )
F


trực đối với lực
3
F



+ Để
21
,FF


có hợp lực thì chúng phải có giá đồng quy và hợp lực
12
F

được
xác định theo qui tắc hình bình hành
2112
FFF




.
12
F

có giá đồng phẳng,
đồng quy với

21
,FF


.
+
12
F

trực đối với
3
F


nên
3
F

cũng có giá đồng phẳng, đồng quy với
hai lực.
Vậy
321
,, FFF



có giá đồng phẳng, đồng quy.
Ta có:






mà
     
    

Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song
là:
 Ba lực phải có giá đồng phẳng, đồng quy.


T
ổng véct
ơ c
ủa ba lực phải bằng không.

Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 2

1.2. Sơ đồ tiến trình kiểm nghiệm kết luận

Xét thí nghiệm với một vật hình vòng nhẫn được treo bởi hai sợi dây nối qua hai lực kế
như hình vẽ. Vật ở trạng thái cân bằng.
 Đọc số chỉ của các lực kế, đo góc giữa hai sợi dây treo. Áp dụng kết luận trên để
tính trọng lượng của vật và dự đoán giao điểm của giá của trọng lực với các đường kéo dài
của 2 dây treo.
 Mặt khác dùng lực kế đo trọng lượng của vật và xác định
giá của trọng lực.
 Đối chiếu các kết quả tính toán, dự đoán với kết quả quan
sát thí nghiệm để kết luận.

Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song là:
 Ba lực phải có giá đồng phẳng, đồng quy.


T
ổng véct
ơ c
ủa ba lực phải bằng không.

Có thể kiểm nghiệm kết luận trên như thế nào?
+ Ta có
2112
FFF






),cos(2
2121
2
2
2
112
FFFFFFF



 Vật cân bằng nên:

1 12 1 12
P F P F

   
 

Hay
2 2
1 1 2 1 2 1 2
2 cos( , )
P F F F F F F
  


(*)
 PFF



,,
21

có giá đồng phẳng và
đồng quy nên giá của trọng lực và hai dây
treo cùng nằm trên một mặt phẳng và cắt
nhau tại một điểm.

Thí nghiệm:
 Đọc giá trị của hai lực kế.
 Đo giá trị góc hợp bởi 2 dây treo
của lực kế.
 Đọc giá trị trọng lượng
2

P
của
vòng nhẫn.
 Vẽ giá của các lực lên đĩa theo tỉ lệ
xích.

+
2 2
1 1 2 1 2 1 2
2 cos( , )
P F F F F F F
  


(*)

+ Giá của trọng lực và hai dây treo cùng
nằm trên một mặt phẳng và cắt nhau tại
một điểm.
+
1 2 2
, ,
F F P
  
có giá đồng phẳng, đồng quy.
+
1 2 1 2
3 , 4 , os( , ) 1/ 2
F N F N c F F  
 

. Số chỉ
lực kế đo được
2
37
P N

có giá trị phù
hợp với kết quả theo tính toán theo (*).

Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song là:
 Ba lực phải có giá đồng phẳng, đồng quy.


T
ổng vect
ơ c
ủa ba lực phải bằng không.

Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 3

1.3. Diễn giải tiến trình sơ đồ xây dựng kiến thức
Trong thực tế, ta đã biết khi vật rắn chịu tác dụng của nhiều lực không song song,
có trường hợp vật cân bằng, có trường hợp vật không cân bằng. Vậy trong trường hợp vật
chịu tác dụng của ba lực không song song, để vật rắn cân bằng thì ba lực đó phải thỏa
mãn điều kiện gì ?
Ta có thể làm thế nào để tìm ra câu trả lời cho vấn đề vừa nêu ra? Từ điều kiện
cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của hai lực không song song mà ta đã biết,Giải pháp
đưa ra là: Để tìm điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song

song, ta biến đổi hệ ba lực thành hệ hai lực bằng quy tắc tổng hợp hai lực đồng quy và áp
dụng điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của hai lực không song song như đã
biết.
 Nếu ba lực không song song cùng tác dụng vào một vật mà vật cân bằng thì nhất
định hợp lực của hai lực bất kì trong ba lực phải và hợp lực đó phải trực đối với lực thứ
ba.
 Điều kiện để hai lực không song song có hợp lực là hai lực đó phải có giá đồng
phẳng, đồng quy. Khi đó, hợp lực đồng phẳng với hai lực và được xác định theo quy tắc
hình bình hành. Nó có giá đồng phẳng đồng qui với hai lực trên.
Trên cơ sở đó, chúng ta thực hiện giải pháp bằng việc xét bài toán vật rắn chịu tác
dụng của ba lực
321
,, FFF



không song song.
+ Kiểm tra tính đồng phẳng, đồng qui của ba lực
321
,, FFF




 Để vật cân bằng thì hợp lực
12
F

của hai lực
21

, FF


phải trực đối với
3
F


 Để
21
, FF



có hợp lực thì giá của chúng phải đồng phẳng, đồng quy và hợp lực
12
F


được xác định theo qui tắc hình bình hành. Nó có giá đồng phẳng đồng qui với hai lực
trên.

12
F

trực đối với
3
F


nên
3
F

và
12
F

đồng phẳng.


321
,, FFF




có giá đồng phẳng , đồng quy
và
0
321321312










 FFFFFFhayFF

Từ đó ta đưa ra kết luận về điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực
không song song là:
 Ba lực phải có giá đồng phẳng, đồng quy.
 Tổng vectơ của ba lực phải bằng không.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để kiểm nghiệm được kết luận trên? Ta có thể sử dụng
phương án thí nghiệm nào để kiểm nghiệm? Thí nghiệm sử dụng phải được thiết kế sao
cho dựa vào lý thuyết ta có thể dự đoán được kết quả và kết quả thí nghiệm sau khi tiến
Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 4

hành thí nghiệm phải phù hợp với kết quả suy luận ở trên. Từ định hướng đó ta đưa ra thí
nghiệm sau:
Xét Thí nghiệm: Xét thí nghiệm với một vật hình vòng nhẫn được treo bởi hai sợi
dây nối qua hai lực kế như hình vẽ. Vật ở trạng thái cân bằng.
 Đọc số chỉ của các lực kế, đo góc giữa hai sợi dây treo. Áp dụng kết luận trên để
tính trọng lượng của vật và dự đoán giao điểm của giá của trọng lực với các đường kéo
dài của 2 dây treo.
 Mặt khác dùng lực kế đo trọng lượng của vật và xác định giá của trọng lực.
 Đối chiếu các kết quả tính toán, dự đoán với kết quả quan sát thí nghiệm để kết
luận.
* Suy luận: + Ta có
2112
FFF






),cos(2
2121
2
2
2
112
FFFFFFF



+ Vật cân bằng nên:

1 12 1 12
P F P F
   
 

Hay
2 2
1 1 2 1 2 1 2
2 cos( , )
P F F F F F F
  


(*)
+
PFF




,,
21

có giá đồng phẳng và đồng quy nên giá của trọng lực và hai dây treo
cùng nằm trên một mặt phẳng và cắt nhau tại một điểm.
Từ đó dẫn đến kết luận: +
2 2
1 1 2 1 2 1 2
2 cos( , )
P F F F F F F
  


(*)

+ Giá của trọng lực và hai dây treo cùng nằm trên một mặt phẳng và cắt nhau tại
một điểm.
* Thí nghiệm kiểm chứng:
 Đọc giá trị của hai lực kế.
 Đo giá trị góc hợp bởi 2 dây treo của lực kế.
 Đọc giá trị trọng lượng
2
P
của vòng nhẫn.
 Vẽ giá của các lực lên đĩa theo tỉ lệ xích.
Từ đó dẫn đến kết luận: +
1 2 2

, ,
F F P
  
có giá đồng phẳng, đồng quy.
+
1 2 1 2
3 , 4 , os( , ) 1/ 2
F N F N c F F  
 
. Số chỉ lực kế đo được
2
37
P N

có giá
trị phù hợp với kết quả theo tính toán theo (*).

Vậy điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song là:
Ba lực đó phải có giá đồng phẳng, đồng quy và tổng vectơ của ba lực phải bằng không.
2. MỤC TIÊU DẠY HỌC.
2.1. Nội dung kiến thức cần xây dựng
Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song là:
 Ba lực phải đồng phẳng và đồng quy.
 Tổng vectơ của ba lực phải bằng không.
2.2. Mục tiêu trong quá trình học
Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 5

 Học sinh tham gia đề xuất giải pháp tìm mối liên hệ giữa ba lực

321
,, FFF



không
song song tác dụng lên vật làm cho vật rắn cân bằng.
 Học sinh thực hiện giải pháp tìm mối liên hệ giữa ba lực
321
,, FFF




không song
song tác dụng làm vật rắn cân bằng từ lý thuyết.
 Học sinh rút ra kết luận về mối liên hệ giữa ba lực
321
,, FFF



không song song tác
dụng lên vật làm cho vật rắn cân bằng.
 Học sinh đề xuất giải pháp kiểm nghiệm kết luận đã đưa ra .
 Học sinh thực hiện giải pháp kiểm nghiệm và đối chiếu với kết quả suy luận để
kiểm chứng.
2.3. Mục tiêu đối với kết quả học
 Học sinh phát biểu được điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực
không song song.

 Học sinh biết vận dụng điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực
không song song giải một số bài tập về cân bằng của vật rắn và giải thích một số hiện
tượng vật lý liên quan trong thực tế.
2.4. Đề kiểm tra kết quả học tập (Thời gian: 45 phút)
Câu 1: (1.5 đ) Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song
song là gì?
Câu 2: (1.5 đ) Một vật rắn cân bằng dưới tác dụng của ba lực
321
,, FFF



. Biết F
1
= 30N,
F
2
= 40N và
21
FF



. Xác định độ lớn của lực F
3
.
Câu 3: (2 đ) Một vật rắn chịu tác dụng của ba lực
321
,, FFF




. Biết F
1
=F
2
=60N và
2,1
FF



hợp với nhau một góc 120
0
. Xác định đặc điểm của lực
3
F

để vật cân bằng.
Câu 4: (2 đ) Quả cầu đồng chất, trọng lượng 40N, được treo vào tường thẳng đứng bởi
sợi dây nhẹ hợp với mặt tường góc 30
0
(hình 1). Bỏ qua ma sát.
1) Đường kéo dài của dây treo đi qua điểm đặc biệt nào? Giải thích?
2) Xác định lực căng dây treo và phản lực của tường lên quả cầu?
Câu 5: (3 điểm) Một vật có khối lượng m, nằm yên trên một mặt phẳng nghiêng so với
phương ngang một góc

,
(Hình 2).

a. Xác định và nêu đặc điểm của các lực tác dụng lên vật.
b. Biểu diễn các lực tác dụng lên vật trên hình vẽ và viết biểu thức liên hệ giữa
chúng nếu có.
c. Cho khối lượng của vật m = 2kg, góc nghiêng

=30
0
. Xác định độ lớn của
từng lực tác dụng lên vật. Lấy g = 10m/s
2
.
Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 6


3.
PHƯƠ
NG
TIỆN
DẠY
HỌC
B
ộ thí
nghiệm
về cân
bằng
vật rắn:
vật mỏng phẳng hình khuyên, bảng đỡ, thước đo góc, lực kế, dây treo.
4. NỘI DUNG TRÌNH BÀY BẢNG

2. Điều kiện cân bằng của một vật rắn dưới tác dụng của ba lực không song song.
a) Điều kiện cân bằng.
Xét một vật rắn cân bằng dưới tác dung của ba lực
321
,, FFF




+ Gọi
2112
FFF




nên
12
F

đồng phẳng và đồng quy với
2,1
FF



+ Vật rắn cân bằng nên
3
F


cân bằng với
12
F

, tức là:
0
321321312









 FFFFFFhayFF

3
F

cùng giá với
12
F

nên
321
,, FFF




đồng phẳng và đồng quy.
Kết luận:
Điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của ba lực không song song là:
- Ba lực phải đồng phẳng và đồng quy.
- Tổng vectơ của ba lực phải bằng không.
b) Thí nghiệm kiểm chứng.
 Dụng cụ thí nghiệm
+ Hai lực kế 10N có chân nam châm.
+ Một vòng nhẫn nhỏ
+Thước đo góc được đính vào bảng sát nhờ các ghim nam châm
 Bố trí thí nghiệm (như hình vẽ)
Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 7

 Tiến hành thí nghiệm
+ Bố trí nghiệm (như hình vẽ)
+ Đọc số chỉ của hai lực kế thu được F
1
, F
2
.
+ Xác định góc


+ Tháo bỏ một lực kế, xác định trọng lượng của vật bằng lực kế còn lại.
 Kết quả
F
1

= 4N F
2
=3N

= 90
0
P = 5N Nhận
xét kết quả.
+ Theo lý thuyết: F
12
=
2
2
2
1
FF 

+ Theo thực nghiệm: F
12
= P

PF
PF





12
12

 Kết luận:
0
21




 PFF





5. TIẾN TRÌNH HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC
5.1. Đề xuất vấn đề.
Xét một vật rắn cân bằng dưới tác dụng của ba lực không song song
321
,, FFF



.
Hãy xác định mối liên hệ giữa
321
,, FFF



. Từ đó cho nhận xét.

Học sinh suy nghĩ trao đổi đưa ra khó khăn về nhu cầu kiến thức cần thiết mà học
sinh chưa biết.
Yêu cầu học sinh đưa ra khó khăn cần giải quyết để có thể giải được bài toán đã
cho.
Nhận xét ý kiến học sinh và giúp học sinh nhận rõ vấn đề cần nghiên cứu giải
quyết, đồng thời đề xuất vấn đề như đã ghi trong sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng kiến
thức.
Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 8

5.2 Giải quyết vấn đề
 Định hướng giải pháp
Yêu cầu học sinh suy nghĩ, cho ý kiến về hướng giải quyết vấn đề.
HS suy nghĩ, trao đổi, phát biểu ý kiến.
Nhận xét các ý kiến của học sinh. Nếu cần giúp đõ để học sinh có thể đề xuất giải
pháp khả thi, giáo viên gợi ý cho học sinh suy nghĩ tới việc: Khi thay thế hai lực
21
,FF



bằng một lực
12
F

thì khi đó coi như vật chịu tác dụng của bao nhiêu lực? Và điều kiện
cân bằng của vật rắn khi đó là gì?
Để
21

,FF


có hợp lực
12
F

thì
21
,FF


phải thỏa mãn điều kiện gì?
Học sinh suy nghĩ, trao đổi, phát biểu ý kiến: hai lực
1
F

và
2
F

phải có cùng điểm đặt.
Giáo viên nhận xét, giúp đỡ, bổ sung và cuối cùng rút ra giải pháp như đã ghi trong sơ
đồ: hai lực
1
F

và
2
F


phải đồng quy.
 Thực hiện giải pháp, nêu kết luận
Yêu cầu học sinh thực hiện giải pháp đã nêu trên và diễn đạt kết luận trả lời cho vấn
đề đặt ra: Lực
12
F


phải có quan hệ như thế nào với lực
3
F

để vật rắn cân bằng?
Học sinh thực hiện giải pháp và nêu kết luận rút ra được :
12
F

và
3
F

phải là hai lực
trực đối.
Yêu cầu học sinh phát biểu điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của ba
lực không song song
Nhận xét, bổ sung và đưa ra kết luận như đã ghi trong sơ đồ: Điều kiện để vật rắn
cân bằng khi chịu tác dụng của ba lực không song song là phải đồng phẳng, đồng quy và
tổng vectơ của ba lực phải bằng không.
 Kiểm nghiệm kết quả vừa thu được

Mỗi vật rắn luôn chịu tác dụng của trọng lực, có thể coi trọng lực là lực thứ ba được
không? Nếu được thì phải bố trí thí nghiệm thế nào?
Dùng hai lực kế treo vật rắn thông qua hai sợi dây, cố định hai lực kế, quan sát giá
của ba lực
21
,FF


và
P

có đồng phẳng không?
Học sinh suy nghĩ, trao đổi, đề xuất ý kiến.
Nhận xét, bổ sung, xác định giải pháp kiểm nghiệm như đã nêu trong sơ đồ.
Tiểu luận chuyên đề tổ chức hoạt động nhận thức

Nhóm 3- Chuyên ngành LL và PPDH bộ môn Vật lý Trang 9

Yêu cầu học sinh làm việc nhóm:
 Vẽ giá của hai lực.
 Đọc số chỉ trên các lực kế và vẽ theo một tỉ lệ xích nhất định để tìm hợp lực .
 So sánh độ lớn của hợp lực
12
F

và trọng lượng
P

.
Các nhóm học sinh làm việc.

Yêu cầu các nhóm học sinh công bố các kết quả và trao đổi để đưa ra kết luận cuối
cùng về kiến thức cần xây dựng được.
Trao đổi chung toàn lớp.
5.3. Khái quát củng cố kết luận về kiến thức mới.
Thực nghiệm đã chứng tỏ để một vật rắn cân bằng dưới tác dụng của ba lực không
song song thì hợp lực của hai lực bất kỳ phải cân bằng với lực thứ ba.
Giao bài tập về nhà:
 Yêu cầu học sinh làm bài tập đã nêu khi đề xuất vấn đề và các bài tập đã ghi ở
mục Đề kiểm tra kết quả học tập trong phần mục tiêu dạy học.
 Ôn lại kiến thức về điểm chia (chia trong, chia ngoài) một đoạn thẳng theo tỉ lệ đã
cho.