Bài giảng theo phương pháp dạy học kiến tạo - Vật lí 10 Tiết 29: Cân bằng của một vật có trục quay cố định, momen lực

TIẾT 29. CÂN BẰNG CỦA MỘT VẬT CÓ TRỤC QUAY CỐ ĐỊNH.
MOMEN LỰC
(Bài giảng được soạn theo phương pháp dạy học kiến tạo)
Mục tiêu
Kiến thức
Biết được tác dụng của một lực lên vật rắn có trục quay cố định.
Phát biểu được khái niệm momen lực và quy tắc momen lực và biết được đơn vị đo của momen lực.
Kỹ năng
Biết đề xuất giả thiết và giải quyết vấn đề.
Biết phân tích để hiểu được mục đích thí nghiệm, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm.
Biết xác định cánh tay đòn của lực trong trường hợp bất kì.
Vận dụng quy tắc momen để xác định các lực tác dụng lên vật có trục quay cố định
Vận dụng khái niệm momen lực và quy tắc momen lực để giải thích một số hiện tượng và giải một số bài tập Vật lí cụ thể.
Ý tưởng sư phạm
Chỉ có khoảng 40% học sinh được khảo sát quan niệm rằng: lực có tác dụng làm vật quay quanh trục khi có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không cắt trục quay. Phần còn lại quan niệm sai về đặc điểm của lực làm quay vật như: lực có giá song song với trục quay, lực có giá cắt trục quay hay lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông goác với trục quay và cắt trục quay. Vận hành quan niệm sai để kiểm tra bằng thực nghiệm thì thấy mâu thuẫn: vật không quay. Như vậy thi nghiệm đơn gian do học sinh tiến hành đã bác bỏ quan niệm sai đồng thời học sinh tự điều chỉnh để đưa ra quan niệm đúng về điều kiện để lực làm quay một vật.
Khoảng 60% học sinh quan niệm rằng: tác dụng làm quay vật của lực phụ thuộc vào độ lớn của lực và khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực. Học sinh tiến hành thí nghiệm thì thấy tác dụng làm quay vật của lực phụ thuộc vào độ lớn của lực và khoảng cách từ trục quay đến giá của lực. Quan niệm sai từ đó được bác bỏ, học sinh tự điều chỉnh quan niệm của mình một cách tự nguyện. Trên cơ sở đó đưa ra điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định.
Chuẩn bị
Điều tra quan niệm của học sinh
Xây dựng phương án dạy học dựa trên việc phân tích phiếu điều tra
Kiến thức thảo luận, bổ sung: Khái niệm momen lực, điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định.
Kiến thức học sinh tự tìm tòi: Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay tạm thời.
Các thí nghiệm và dụng cụ thí nghiệm
Bộ thí nghiệm “Khảo sát điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định. Quy tắc momen lực”.
Nội dung ghi bảng (dự kiến)
Tiết 29. Cân bằng của một vật có trục quay cố định. Momen lực
Cân bằng của một vật có trục quay cố định. Momen lực
Thí nghiệm
Nhận xét: Đĩa đứng yên vì tác dụng làm quay của lực  cân bằng với tác dụng làm quay của lực 
Momen lực
Định nghĩa: 
Biểu thức: 	M = F.d (N.m)
d: cánh tay đòn của lực
Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định
Tổng các momen lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ phải bằng tổng các momen lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ
Các phiếu học tập (xem phụ lục)
IV. Tiến trình dạy học
Giáo viên nêu ra những vấn đề cần giải quyết trong bài học
Lực có tác dụng làm quay vật quanh một trục cố định khi nào?
Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định là gì?
Giáo viên tổ chức cho học sinh giải quyết các vấn đề đã nêu
Vấn đề 1: Lực có tác dụng làm quay vật quanh một trục cố định khi nào?
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
- Nêu vấn đề: Lực có tác dụng làm một vật quay quanh một trục khi nào?
Gợi ý bằng 4 câu trả lời:
A. Lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và cắt trục quay.
B. Lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không cắt trục quay.
C. Lực có giá song song với trục quay.
D. Lực có giá cắt trục quay.
- Tổ chức cho học sinh tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng quan niệm của mình và phát phiếu học tập số 1.
- Giáo viên nhân xét kết quả hoạt động của các nhóm và khẳng định câu trả lời đúng cho học sinh.
- Thảo luận nhóm và bộc lộ quan điểm
- Đại diện nhóm lên trình bày quan niện của nhóm
- Tiến hành thí nghiệm với các dụng cụ được giao cho 4 trường hợp
+ Lực có giá song song với trục quay => Vật không quay.
+ Lực có giá cắt trục quay => Vật không quay.
+ Lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và cắt trục quay => Vật không quay.
+ Lực có giá nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay và không cắt trục quay => Vật quay quanh trục.
- Học sinh tự điều chỉnh quan niệm của mình và hoàn thành phiếu học tập số 1 sau đó trình bày trước lớp.
Vấn đề 2: Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
- Nếu vấn đề: Trường hợp vật chịu tác dụng của hai lực làm cho vật quay theo hai chiều ngược nhau thì điều kiện để cho vật cân bằng không quay là gì?
- Phát phiếu học tập số 2 cho học sinh.
- Yêu cầu học sinh trả lời câu 1: Tác dụng làm quay vật phụ thuộc vào những yếu tố nào?
- Yêu cầu học sinh trả lời câu 2: Trong trường hợp vật chịu tác dụng của hai lực làm cho vật quay theo hai chiều ngược nhau thì điều kiện để cho vật cân bằng không quay là gì?
- Hướng dẫn học sinh thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm chứng điều kiện cân bằng của một vật quay quanh một trục.
- Yêu cầu các nhóm học sinh tiến hành thí nghiệm kiểm chứng và phát phiếu học tập số 3.
- Nhận xét kết quả học sinh và đưa ra câu hỏi: Trường hợp hai lực tác dụng lên vật không song song với nhau thì giả thuyết trên còn đúng hay không?
- Chuẩn kiến thức: 
+ Tích Fd có ý nghĩa trong việc nghiên cứu tác dụng làm quay của lực nên được gọi là momen lực, kí hiệu là M: M = Fd
d: khoảng cách từ trục quay đến giá của lực – cánh tay đòn của lực.
+ Thông báo: Quy tắc momen lực còn được áp dụng cho trường hợp vật không có trục quay cố định.
- Yêu cầu học sinh hoàn thành PHT số 3.
- Nhận xét kết quả hoạt động nhóm.
- Suy luận: Điều kiện để cho vật cân bằng không quay là tác dụng làm quay của hai lực phải bằng nhau và ngược chiều nhau.
- Các nhóm học sinh thảo luận, bộc lộ quan niệm:
+ Lực tác dụng vào vật càng lớn.
+ Khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực càng lớn.
+ Khoảng cách từ trục quay đến giá của lực càng lớn.
- Bộc lộ quan niệm: 
+ Phụ thuộc vào độ lớn của lực và khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực => Tác dụng làm quay vật của lực tỉ lệ với độ lớn của lực và tỉ lệ với khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực.
+ Phụ thuộc vào độ lớn của lực và khoảng cách từ trục quay đến giá của lực => Tác dụng làm quay vật của lực tỉ lệ với độ lớn của lực và tỉ lệ với khoảng cách từ trục quay đến giá của lực.
- Trả lời câu 2 vào phiếu học tập:
+ Trường hợp 1: Vật cân bằng không quay khi 
F1l1 = F2l2 (l là khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực)
+ Trường hợp 2: Vật cân bằng không quay khi 
F1d1 = F2d2 (d là khoảng cách từ trục quay đến giá của lực)
- Thảo luận để trả lời câu 3 của phiếu học tập.
+ Tác dụng hai lực song song lên đĩa momen bằng cách treo các quả nặng.
+ Thay đổi điểm đặt của một trong hai lực sao cho khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực không thay đổi và khoảng cách từ trục quay đến giá của lực không thay đổi so với trạng thái ban đầu.
- Tiến hành thí nghiệm => vật cân bằng không quay khi F1d1 = F2d2. Trả lời câu 1 của PHT và đại diện nhóm trình bày.
- Thảo luận và đưa ra phương án thí nghiệm kiểm chứng
- HS tiến hành thí nghiệm thì thấy đĩa momen vẫn đứng yên => giả thuyết đặt ra hoàn toàn đúng đắn.
- Học sinh tìm đơn vị của momen lực và nêu điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định.
- HS viết điều kiện cân bằng cho chiếc cuốc chim.
- Các nhóm thảo luận để hoàn thành PHT số 3
V. Củng cố, dặn dò
- Nhắc lại khái niệm momen lực
- Điều kiện cân bằng của một vật có trục quay cố định
- Làm bài tập về nhà
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 1
Nhóm HS: ..Lớp: 10A8
Lực có tác dụng làm quay vật quanh một trục cố định khi nào?
Sau khi làm thí nghiệm, lực có tác dụng làm quay vật quanh một trục cố định khi nào?
..
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 2
Nhóm HS: ..Lớp: 10A8
1. Tác dụng làm quay vật của một lực phụ thuộc vào những yếu tố nào?
2. Trong trường hợp, vật chịu tác dụng của hai lực làm cho vật quay theo hai chiều ngược nhau thì điều kiện để cho vật cân bằng không quay là gì?
3. Thiết kế phương án thí nghiệm kiểm chứng?
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 3
Nhóm HS: ..Lớp: 10A8
1. Sau khi tiến hành thí nghiệm, nhóm rút ra kết luận: Trong trường hợp, vật chịu tác dụng của hai lực làm cho vật quay theo hai chiều ngược nhau thì điều kiện để cho vật cân bằng không quay là:
2. Hãy giải thích tại sao lực có giá cắt trục quay thì không làm cho vật quay?
3. Nêu nguyên tắc hoạt động của cân đòn?