Phân tích chương Tĩnh học vật răn

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................2
NỘI DUNG.....................................................................................................................................3
I. CẤU TRÚC CHƯƠNG “TĨNH HỌC VẬT RẮN”...................................................................3
II. VỊ TRÍ, NHIỆM VỤ CỦA CHƯƠNG “TĨNH HỌC VẬT RẮN”..........................................4
1. Vị trí của chương..................................................................................................................4
2. Nhiệm vụ của chương..........................................................................................................4
III. CHUẨN KIẾN THỨC VÀ CHUẨN KĨ NĂNG CỦA CHƯƠNG........................................4
1. Kiến thức..............................................................................................................................4
2. Kĩ năng.................................................................................................................................5
IV. NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CHƯƠNG TĨNH HỌC VẬT RẮN...................5
1. Các khái niệm.......................................................................................................................5
1.1. Khái niệm vật rắn............................................................................................................5
1.2. Khái niệm lực....................................................................................................................6
1.3. Khái niệm trọng tâm của vật rắn.......................................................................................7
1.4. Khái niệm cân bằng của vật rắn........................................................................................8
1.5. Khái niệm momen lực.......................................................................................................9
1.6. Khái niệm ngẫu lực.........................................................................................................11
1.7. Khái niệm chuyển động tịnh tiến của vật rắn.................................................................12
2. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA VẬT RẮN.......................................................................13
2.1. Điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của hai lực.........................................13
2.2. Điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của ba lực..............................................14
2.3. Điều kiện cân bằng của vật có mặt chân đế....................................................................17
2.4. Điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định.....................................................17
.................................................................................................................................................18
3. QUI TẮC HỢP HAI LỰC...................................................................................................18
3.2. Qui tắc tổng hợp 2 lực song song....................................................................................18
(chia ngoài)...................................................................................................................................20
V. ỨNG DỤNG TRONG KĨ THUẬT.........................................................................................20
Các kiến thức trong chương “Tĩnh học vật rắn” có rất nhiều ứng dụng trong việc chế tạo máy.
Sau đây là một vài ứng dụng........................................................................................................20

1. Để tạo thành một cổ máy, các chi tiết và bộ phận máy được liên kết với nhau. Để tính
toán độ bền và tính an toàn của mối nối thì cần dựa vào momen. Ví dụ dùng mối hàn để ghép
hai chi tiết. Xét trường hợp mối hàn chống chịu momen trong mặt phẳng ghép.[8]..................20
KẾT LUẬN..................................................................................................................................22
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................23
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
MỞ ĐẦU
“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một phần quan trọng của chuyên
ngành phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông nhằm giúp giáo viên hiểu sâu sắc
hơn những kiến thức đã được trình bày trong sách giáo khoa,cấu trúc chương trình.
Tĩnh học là phần của cơ học nghiên cứu trạng thái cân bằng (tĩnh) của vật rắn
dưới tác dụng của các lực. Kiến thức trong chương tĩnh học vật rắn được hình thành
một phần từ thực nghiệm. Một phần quan trọng khác được xây dựng thông qua lập luận
chặt chẽ. Tiểu luận này nghiên cứu nội dung kiến thức chương “Tĩnh học vật rắn” .
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
2
ỨNG DỤNG
TRONG KĨ THUẬT
ỨNG DỤNG
TRONG KĨ THUẬT
NỘI DUNG KIẾN
THỨC CHƯƠNG
NỘI DUNG KIẾN
THỨC CHƯƠNG
NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG
CHƯƠNG “TĨNH HỌC VẬT RẮN”
NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG
CHƯƠNG “TĨNH HỌC VẬT RẮN”
CẤU TRÚC
CHƯƠNG

CẤU TRÚC
CHƯƠNG
VỊ TRÍ, NHIỆM VỤ
CỦA CHƯƠNG
VỊ TRÍ, NHIỆM VỤ
CỦA CHƯƠNG
CHUẨN KIẾN
THỨC, KỸ NĂNG
CHUẨN KIẾN
THỨC, KỸ NĂNG
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
NỘI DUNG
I. CẤU TRÚC CHƯƠNG “TĨNH HỌC VẬT RẮN”
1. Cấu trúc nội dung

2. Cấu trúc chương trình
Chương gồm 5 bài, được phân phối trong 8 tiết. Trong đó có 2 tiết bài tập và 2
tiết thực hành
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
3
TĨNH
HỌC
VẬT
RẮN
TĨNH
HỌC
VẬT
RẮN
KHÁI NIỆM
KHÁI NIỆM

ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG
CỦA VẬT RẮN
ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG
CỦA VẬT RẮN
QUI TẮC HỢP LỰC
QUI TẮC HỢP LỰC
- Vật rắn
- Lực
- Trọng tâm của vật rắn
- Cân bằng của vật rắn
- Momen lực
- Ngẫu lực
- Chuyển động tịnh tiến của vật
rắn
- Chuyển động quay của vật rắn
- Vật rắn
- Lực
- Trọng tâm của vật rắn
- Cân bằng của vật rắn
- Momen lực
- Ngẫu lực
- Chuyển động tịnh tiến của vật
rắn
- Chuyển động quay của vật rắn
- Dưới tác dụng của 2 lực
- Dưới tác dụng của 3 lực
- Dưới tác dụng của trọng
lực và có giá đỡ nằm
ngang
- Có trục quay cố định

- Dưới tác dụng của 2 lực
- Dưới tác dụng của 3 lực
- Dưới tác dụng của trọng
lực và có giá đỡ nằm
ngang
- Có trục quay cố định
Qui tắc hợp 2 lực đồng qui
Qui tắc hợp 2 lực đồng qui
Qui tắc hợp 2 lực song song
Qui tắc hợp 2 lực song song
Cùng chiều
Cùng chiều
Ngược chiều
chiều
Ngược chiều
chiều
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
II. VỊ TRÍ, NHIỆM VỤ CỦA CHƯƠNG “TĨNH HỌC VẬT RẮN”
1. Vị trí của chương
Trong chương trình SGK vật lí lớp 10, chương “Tĩnh học vật rắn” thuộc phần cơ
học. Phần cơ học gồm 5 chương, và chương “Tĩnh học vật rắn” được xếp sau chương
“Động lực học chất điểm”.
Chương “Tĩnh học vật rắn” nghiên cứu trạng thái cân bằng để tìm điều kiện
đứng yên cho vật. Theo quan niệm động lực học thì đứng yên chỉ là trường hợp của đặc
biệt của trạng thái cân bằng khi vận tốc bằng không. Do vậy có thể sử dụng các biểu
thức của chương “Động lực học chất điểm” để nghiên cứu điều kiện cân bằng. Chính vì
vậy mà chương “Tĩnh học vật rắn” được xếp sau chương “động lực học chất điểm”.
2. Nhiệm vụ của chương
-Trình bày điều kiện cân bằng của vật rắn trong một số trường hợp khác nhau: vật
chịu tác dụng của hai lực, của ba lực, vật có giá đỡ, vật có trục quay cố định

- Khảo sát trọng tâm, qui tắc hợp lực và qui tắc momen
III. CHUẨN KIẾN THỨC VÀ CHUẨN KĨ NĂNG CỦA CHƯƠNG
1. Kiến thức
- Phát biểu được điều kiện cân bằng của một vật rắn chịu tác dụng của các lực
không song song (khi không có chuyển động quay)
- Phát biểu được định nghĩa, viết được công thức tính momen lực và nêu được đơn
vị đo momen lực
- Nêu được điều kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay cố định
- Phát biểu được quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều và phân tích một
lực thành hai lực song song cùng chiều
- Phát biểu được định nghĩa ngẫu lực và nêu được tác dụng của ngẫu lực. Viết được
công thức tính momen ngẫu lực
- Nêu được trọng tâm của một vật
- Nêu được điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế. Nhận biết được các
dạng cân bằng bền, cân bằng không bền, cân bằng phiếm định của vật rắn có mặt chân
đế
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
4
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
2. Kĩ năng
- Vận dụng được điều kiện cân bằng và qui tắc tổng hợp lực để giải các bài tập đối
với trường hợp vật rắn chịu tác dụng của 3 lực đồng qui
- Vận dụng được qui tắc hợp 2 lực song song cùng chiều và phân tích một lực thành
2 lực song song cùng chiều
- Vận dụng qui tắc momen lực để giải được các bài toán về điều kiện cân bằng của
vật rắn có trục quay cố định khi chịu tác dụng của hai lực
- Xác định được trọng tâm của các vật phẳng đồng chất bằng thí nghiệm
- Xác định được hợp lực của 2 lực song song cùng chiều bằng thí nghiệm
IV. NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CHƯƠNG TĨNH HỌC VẬT RẮN
1. Các khái niệm

1.1. Khái niệm vật rắn
Vật rắn tuyệt đối: là một tập hợp vô hạn các chất điểm mà khoảng cách giữa
hai chất điểm bất kì luôn luôn không đổi. Vật rắn tuyệt đối là mô hình đơn giản nhất
của vật thể khi biến dạng của nó có thể bỏ qua được do bé quá hoặc không đóng vai trò
quan trọng trong quá trình khảo sát. Vật rắn tuyệt đối gọi tắt là vật rắn. [2]
Ở cơ học, vật rắn là vật không biến dạng: khoảng cách giữa hai điểm nào đó
của vật rắn luôn giữ không đổi theo thời gian. [10]
Khái niệm vật không biến dạng là một chuẩn mực.
* Như vậy, đối với chúng ta xà kim loại có vẻ như là không biến dạng, nhưng khi
bị tác dụng của một lực lớn, xà có thể bị biến dạng (hình 1) : theo ý như vừa trình bày ở
trên, xà không phải là vật rắn.
* Một tờ giấy có thể trượt trên mặt bàn (hình2) mà không biến dạng: trong điều
kiện này ta có thể xem tờ giấy là một vật rắn khi chuyển động.
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
5
Hình 1. con voi trên cái xà Hình 2. Tờ giấy trên bàn
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
1.2. Khái niệm lực
Lực: là tương tác giữa các vật mà kết quả của nó là gây ra sự biến đổi trạng thái
chuyển động cơ học (tức là sự thay đổi vị trí, bao gồm cả biến dạng) mà cân bằng chỉ là
trường hợp riêng. Kinh nghiệm và thực nghiệm xác minh rằng lực được đặc trưng bởi
các yếu tố sau:
- Điểm đặt của lực là điểm mà tại đó vật nhận được tác dụng từ vật khác
- Phương chiều của lực là phương chiều chuyển động của chất điểm (vật có thể
có kích thước vô cùng bé) từ trạng thái yên nghỉ dưới tác dụng cơ học.
- Cường độ của lực là số đo mạnh yếu của tương tác cơ học. Đơn vị của lực là
Niutơn, kí hiệu là N, cùng các bội số của nó như kiloniutơn, kí hiệu kN
* Đường thẳng mang vectơ lực gọi là giá của lực hay đường tác dụng của lực.[4]
Ví dụ: lực làm cho vật thay đổi trạng thái như: lực dùng để bẻ đôi cây đũa; lực làm cho
vật chuyển động như: lực dùng để đẩy hay kéo một vật làm cho vật di chuyển.

Mô hình toán học củ lực là vectơ lực, kí hiệu
F

. Điểm
đặt của vectơ lực là điểm đặt của lực. Phương chiều của
vectơ lực là phương chiều tác dụng lực. Mođun của
vectơ lực biểu diễn cường độ tác dụng của lực (với tỉ lệ
xích chọn trước). Giá mang vectơ lực được gọi là
đường tác dụng của lực (hình 3)
* Hệ lực: Hệ lực là tập hợp nhiều lực cùng tác
dụng lên một vật rắn, được kí hiệu
( )
N21
F,...F,F

ϕ
(hình 4)
Dựa vào sự phân bố của các đường tác dụng của
các lực thuộc hệ lực ta có:
- Hệ lực không gian bất kì khi đường tác dụng nằm tuỳ ý trong không gian .
- Hệ lực phẳng bất kì khi đường tác dụng nằm tuỳ ý trong cùng một mặt phẳng.
- Hệ lực song song (hệ lực song song phẳng và hệ lực song song không phẳng) khi
đường tác dụng các lực song song với nhau.
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
6
1N
F = 5N
Hình 3
1
F


2
F

3
F

4
F

Hình 4
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
- Hệ lực đồng quy (hệ lực đồng quy phẳng và hệ lực đồng quy không gian) khi
đường tác dụng đi qua cùng một điểm.
- Hệ ngẫu lực (hệ ngẫu lực phẳng và hệ ngẫu lực không gian) khi hệ lực gồm các
cặp lực (tức từng đôi một) song song ngược chiều và cùng độ lớn).
1.3. Khái niệm trọng tâm của vật rắn
Khảo sát vật rắn nằm gần trái đất. Chia vật rắn thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi vật
rắn chịu tác dụng của lực hút trái đất (trọng lực). Hệ các lực hút này được xem như là
hệ lực song song cùng chiều. Hợp lực của hệ các lực hút này gọi là trọng lực của vật rắn.
Điểm đặt của trọng lực lên vật rắn được gọi là Trọng tâm của vật rắn. Trọng tâm có vị trí
không đổi đối với vật rắn. Trọng tâm có thể nằm ngoài vật rắn ví dụ như các vật có hình
vành khuyên....
Lí giải vì sao trọng tâm của vật rắn có thể nằm ngoài vật.
Trọng lực
P
r
của vật rắn là hợp lực của những lực nhỏ đặt lên từng phần tử nhỏ
hợp thành vật rắn. Như vậy các lực thành phần của
P

r
đều đặt trực tiếp lên vật rắn. Trọng
lực
P
r
là lực duy nhất có hiệu quả giống hệt như hiệu quả tổng cộng của các lực thành
phần. Nếu xác định bằng tính toán hoặc bằng thực nghiệm mà thấy rằng điểm G của
P
r

nằm ngoài vật rắn thì cũng không có gì là nghịch lí. Điều đó có nghĩa là có thể thay thế
tất cả các trọng lực nhỏ đặt lên các phần tử nhỏ của vật bằng một lực
P
r
đặt tại G, G gắn
với vật rắn bằng một liên kết cứng (vật tạo nên lên kết này không có khối lượng) khiến
cho lực
P
r
thực sự tác động lên toàn bộ vật rắn.
Tính chất của trọng tâm:
-Nếu tác dụng vào vật rắn một lực có giá đi qua trọng tâm thì vật rắn sẽ chuyển
động tịnh tiến giống như chất điểm có khối lượng tập trung ở trọng tâm
-Nếu tác dụng vào vật rắn một lực có giá không đi qua trọng tâm thì vật rắn sẽ
đồng thời tham gia hai chuyển động: chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay
-Nếu vật rắn đồng chất có tâm (trục, mặt phẳng) đối xứng thì trọng tâm của nó nằm
tại tâm (trục, mặt phẳng)
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
7
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1

-Nếu vật rắn gồm các phần mà trọng tâm của các phần đó nằm trên một đường
thẳng (mặt phẳng) thì trọng tâm của vật cùng nằm trên đường thẳng (mặt phẳng) đó
Như vậy ta có thể xác định trọng tâm của một số vật rắn thường gặp như sau:
-Trọng tâm của thanh đồng chất là một điểm nằm ở giữa thanh
-Trọng tâm của các hình bình hành, hình chữ nhật, hình vuông, khối hộp, khối hộp
chữ nhật, khối lập phương đồng chất là tâm của chúng
-Trọng tâm của tam giác đồng dạng là giao điểm của ba đường trung tuyến.
* Cách xác định trọng tâm của vật rắn phẳng mỏng
Trọng tâm là điểm đặt của trọng lực lên vật rắn
nên trọng tâm phải nằm trên đường tác dụng của trọng
lực. Vì vậy muốn xác định trọng tâm của vật rắn phẳng
mỏng ta cần xác định 2 đường tác dụng của trọng lực
lên vật rắn. Giao điểm của 2 đường đó là trọng tâm của
vật rắn.
1.4. Khái niệm cân bằng của vật rắn
Cân bằng là trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều của vật rắn hay một hệ
thống cơ học trong một hệ quy chiếu xác định. Khi trạng thái là đứng yên hoàn toàn thì
cân bằng còn được gọi là cân bằng tĩnh học.
Muốn cho vật rắn ở trạng thái cân bằng thì phải khử cả gia tốc của chuyển động
tịnh tiến lẫn gia tốc góc của chuyển động quay và muốn cho vật rắn đứng yên thì phải
thêm điều kiện ban đầu là v
G
= 0 và ω = 0. Vì thế điều kiện để vật rắn đứng yên sẽ là:
*
F=0
å
r
r
*
M = 0

å
r
r
(đối với một trục bất kì).
*
v =0
r
Tuy nhiên, do yêu cầu của chương trình, học sinh chỉ cần học hai trường hợp
riêng, trường hợp cân bằng của vật khi không có chuyển động quay và trường hợp cân
bằng của vật khi không có chuyển động tịnh tiến.
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
8
P

Hình 5
Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông1
Có ba loại cân bằng: cân bằng bền, cân bằng không bền và cân bằng phiếm định.
* Ta hãy xét một quả cầu nhỏ nằm yên ở đáy một chỏm cầu hoàn toàn nhẵn
Lúc này quả cầu chịu tác dụng của hai lực cân bằng:
0=+ NP

Giả sử dưới tác động của quả cầu khác quả cầu ở
vị trí khác nào đó. Lúc này quả cầu sẽ chịu thêm
một lực
F

hướng về phía đáy chỏm cầu, điều đó
sẽ làm cho quả cầu không còn cân bằng nữa.
Khi vật lệch khỏi vị trí cân bằng, nếu các lực
xuất hiện làm cho vật trở về vị trí cân bằng cũ thì

ta nối vật ở trạng thái cân bằng bền.
* Trường hợp quả cầu nằm tại đỉnh một chỏm cầu hoàn toàn nhẵn
Giả sử dưới tác dụng của va chạm, quả cầu
sẽ chuyển tới vị trí mới, lúc này quả cầu xuất hiện
thêm một lực
R

có xu hướng đẩy quả cầu ra xa vị
trí cân bằng cũ.
Khi vật lệch khỏi vị trí cân bằng, nếu các lực xuất hiện làm cho vật rời xa vị trí
cân bằng, ta nói vật ở trạng thái cân bằng không bền.
* Trường hợp quả cầu nằm cân bằng trên mặt phẳng nằm ngang hoàn toàn nhẵn.
Lúc này trọng lực và phản lực sẽ cân bằng nhau
nên quả cầu cân bằng. Dưới tác dụng của va chạm, quả
cầu lăn đến vị trí khác, tại vị trí này hai lực trọng lực và
phản lực vẫn cân bằng và quả cầu vẫn đứng yên tại vị
trí mới.
Khi vật lệch khỏi vị trí cân bằng, nếu các lực xuất hiện giữa cho vật cân bằng ở
trạng thái mới. Ta nói vật ở trạng thái cân bằng phiếm định.
1.5. Khái niệm momen lực
Khi vật rắn quay quanh một trục (nằm trong hay nằm ngoài vật rắn đó) thì mọi
chất điểm m
i
trên vật rắn đều quay quanh trục với cùng một vận tốc góc như nhau
đồng thời có quỹ đạo là những đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục
quay. Tâm O của các vòng tròn đó nằm ngay trên trục quay. Bán kính r
i
tính từ m
i
đến

trục quay O thường là khác nhau vì vị trí của các chất điểm là khác nhau.
HV:Ngô Thị Phương Nhi– Lớp LL&PPDH Vật lí. K18
9
P

N

Hình 6
P

N

Hình 7
P

N

Hình 8