Bài giảng môn học Vật lý lớp 10 - Bài 21: Chuyển động tịnh tiến của vật rắn – Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định

Bài 21: CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN CỦA VẬT RẮN – CHUYỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT RẮN QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH I. MỤC TIÊU 1. Kiến thức: - Phát biểu được định nghĩa chuyển động tịnh tiến của vật rắn và nêu được ví dụ minh họa. - Viết được công thức định luật II Niuton cho chuyển động tịnh tiến. - Đặc điểm chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định 2. Kĩ năng: - Áp dụng được định luật II Niuton cho chuyển động tịnh tiến thẳng. II. CHUẨN BỊ 1. Giáo viên: Chuẩn bị một số ví dụ về chuyển động tịnh tiến. 2. Học sinh: Ôn tập kiến thức về định luật II Niuton. III. TỔ CHỨC CÁC HOẠT ĐỘNG DẠY VÀ HỌC Tiết 33 1. Hoạt động 1: Tìm hiểu chuyển động tịnh tiến (25 phút) Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh Đơn vị kiến thức - Để tìm hiểu về chuyển động tịnh tiến của vật rắn, ta tìm hiểu 3 vị trí của thanh như hình vẽ. 1 2 3 - Đường thẳng nối hai điểm bất kì trên thanh ở 3 vị trí của thanh như thế nào? - Như vậy khi một vật chuyển động mà đường thẳng nối hai điểm bất kì trên vật song song với chính nó thì chuyển động như vậy gọi là chuyển động tịnh tiến. - Hãy cho một vài ví dụ về chuyển động tịnh tiến của một vật rắn? - Giả sử có một chiếc ô tô khách đang chuyển động thẳng với vận tốc thì mọi người ngồi trên xe đối với hàng cây bên đường như thế nào? Chuyển động của ô tô trong trường hợp này là chuyển động gì? - Đối với chuyển động tịnh tiến của một vật rắn, ta có thể xem tất cả các điểm của vật đều chuyển động như nhau. Nghĩa là có cùng một gia tốc. Vì vậy ta coi chuyển động của vật như một chất điểm. - Hãy viết công thức định luật II Niuton cho vật ? - Quan sát và chuẩn bị trả lời câu hỏi. - Song song với nhau. - Ghi nhận. - Ô tô chuyển động trên một đường thẳng, chuyển động của chiếc bè trôi trên dòng song phẳng... - Chuyển động cùng với vận tốc cùng với ô tô đối với hàng cây bên đường. Chuyển động của ô tô là chuyển động tịnh tiến. - Ghi nhận. - Ta có: I. Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn 1. Định nghĩa: 1 2 3 - Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường nối hai điểm bất kì của vật luôn song song với chính nó. - Ví dụ: Chuyển động của người ngồi trong chiếc đu quay, chuyển động của chiếc bè trôi trên dòng song phẳng... 2. Gia tốc của chuyển động tịnh tiến: - Trong chuyển động tịnh tiến, mọi điểm trên vật đều có cùng một gia tốc và có thể áp dụng định luật II Niuton cho vật: (1). Trong đó =là hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên vật, m là khối lượng của vật. - Nếu vật chuyển động tịnh tiến thẳng, ta chọn trục Ox cùng hướng với chuyển động, rồi chiếu (1) lên trục Ox ta có: F1x + F2x +...+ Fnx = max = ma (2) - Nếu phương trình (2) chưa đủ để tìm gia tốc a, thì ta chiếu phương trình (1) lên trục Oy. Ta có: F1y + F2y +...+ Fny = 0 (3) 2. Hoạt động 2: Tìm về đặc điểm chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định. Tốc độ góc (15 phút) Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh Đơn vị kiến thức - Khi một vật rắn quay quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật chuyển động như thế nào? - Góc quay được trong một khoảng thời gian là đại được nào đã được học? - Vật quay đều thì tốc độ góc bằng bao nhiêu? - Khi vật quay nhanh dần thì tốc độ góc biến đổi như thế nào? - Khi vật quay chậm dần thì tốc độ góc biến đổi như thế nào? - Mọi điểm của vật đều quay cùng một góc trong cùng một khoảng thời gian. - Là tốc độ góc w. - Bằng hằng số. - Tốc độ góc tăng dần. - Tốc độ góc giảm dần. II. Chuyển động quay của một vật quanh một trục cố định 1. Đặc điểm của chuyển động quay – Tốc độ góc: - Khi một vật rắn quay quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật có cùng tốc độ góc w, gọi là tốc độ góc của vật. - Vật quay đều thì tốc độ góc w bằng hằng số. - Vật quay nhanh dần thì w tăng dần. - Vật quay chậm dần thì w giảm dần. 3. Hoạt động 3: Củng cố và dặn dò (5 phút) Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh 1. Thế nào là chuyển động tịnh tiến? Cho ví dụ? 2. Có thể áp dụng định luật II Niuton cho chuyển động tịnh tiến được không? Tại sao? 3. Về nhà soạn bài tiếp theo cho đến hết. 4. Làm bài tập 4, 5, 6 SGK – Trang 114. 1. Chuyển động tịnh tiến của một vật rắn là chuyển động trong đó đường nối hai điểm bất kì của vật luôn song song với chính nó. Ví dụ chuyển động của ngăn kéo bàn khi được kéo ra, chuyển động của máy bay khi tăng độ cao (thân máy bay vẫn nằm ngang. 2. Được. Vì trong chuyển động tịnh tiến, mọi điểm của vật đều có quỹ đạo giống nhau và có cùng gia tốc. 3. Ghi nhận vào vở soạn. 4. Ghi nhận vào vở bài tập. IV. RÚT KINH NGHIỆM TIẾT DẠY: Bài 21: CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN CỦA VẬT RẮN – CHUYỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT RẮN QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH (tiếp theo) I. MỤC TIÊU 1. Kiến thức: - Nêu được tác dụng của momen lực đối với một vật rắn quay quanh một trục. - Nêu được những yếu tố ảnh hưởng đến momen quán tính của vật. 2. Kĩ năng: - Áp dụng được khái niệm momen quán tính để giải thích sự thay đổi chuyển động quay của các vật. II. CHUẨN BỊ 1. Giáo viên: Thí nghiệm hình 21.4 2. Học sinh: Ôn tập kiến thức về momen lực. III. TỔ CHỨC CÁC HOẠT ĐỘNG DẠY VÀ HỌC Tiết 34 1. Hoạt động 1: Tìm hiểu tác dụng của momen đối với một vật quay quanh một trục (20 phút) Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh Đơn vị kiến thức - Xem thí nhiệm hình 21.4 có bao nhiêu lực tác dụng lên ròng rọc? - Nếu P1 = P2 thì ròng rọc ở trạng thái gì? - Nếu P1 > P2 thì ròng rọc chuyển động mang tính chất gì? - Tại sao ròng rọc chuyển động nhanh dần đều? - Tốc độ góc của ròng ròng có giá trị bằng bao nhiêu? - Như vậy momen lực có tác dụng như thế nào đối với chuyển động quay của vật quang một trục cố định? - Có 2 lực tác dụng lên ròng rọc đó là: - Nếu P1 = P2 thì T1 = T2, khi đó momen toàn phần tác dụng vào rọc rọc M = (T1 - T2).R = 0. Ròng rọc đứng yên. - Ta có: w = 0. - Nhanh dần đều. - Chọn chiều quay của ròng ròng làm chiều dương. Ta có momen của lực T1 có giá trị dương, còn momen của lực T2 có giá trị âm. Momen toàn phần tác dụng vào ròng rọc M = (T1 - T2).R > 0. Momen này làm cho ròng rọc quay nhanh dần đều. - Tốc độ góc: w ¹ 0. - Làm thay đổi tốc độ góc. 2. Tác dụng của momen đối với một vật quay quanh một trục: Momen lực tác dụng vào một vật quay quanh một trục cố định làm thay đổi tốc độ góc của vật. 2. Hoạt động 2: Tìm hiểu về mức quán tính trong chuyển động quay. 20 phút) Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh Đơn vị kiến thức - Trong chuyển động quay của vật rắn quanh một trục, mọi vật cũng có mức quán tính giống như trong chuyển động tịnh tiến. Để tìm hiểu mức quán tính trong chuyển động quay ta tìm hiểu các câu hỏi C3, C4 và C5. - Đầu tiên ta giữ vật có trọng lượng P1 cách mặt sàn một khoảng h, sau đó thả tay đề vật 1 chuyển động nhanh dần đều xuống dưới. Đo thời gian chuyển động của vật m1 đến khi chạm sàn (t0). - Làm lại thí nghiệm như trên nhưng thay đổi khối lượng của ròng rọc bằng cách thay ròng rọc khác có cùng kích thước nhưng có khối lượng lớn hơn. Đo thời gian chuyển động của vật m1 đến khi chạm sàn (t1). - Hãy so sánh t0 và t1? - Khi khối lượng ròng rọc tăng, thì vật m1 chuyển động chậm hơn, tốc độ góc của ròng rọc biến thiên như thế nào? - Momen tác dụng vào ròng rọc trong hai thí nghiệm có thay đổi không? - Tác dụng cùng một momen lực lên các vật khác nhau, tốc độ góc của vật nào tăng chậm hơn thì mức quán tính của vật như thế nào? - Momen quán tính là đại lượng như thế nào? - Mức quán tính của một vật quay quanh một trục phụ thuộc vào những yếu tố nào? Để trả lời câu hỏi này ta làm thí nghiệm sau: Làm lại thí nghiệm như trên nhưng thay đổi sự phân bố khối lượng của ròng rọc bằng cách thay ròng rọc khác có cùng kích thước, cùng khối lượng nhưng khối lượng chủ yếu tập trung ở vành ngoài. Đo thời gian chuyển động của vật m1 đến khi chạm sàn (t2). - So sánh t0 và t2? - Nếu tăng khối lượng của ròng rọc thì t2 như thế nào? - Điều này chứng tỏ rằng vật m2 chuyển động chậm hơn, ròng rọc quay chậm hơn (v = Rw) do đó momen quán tính của vật lớn hơn. - Làm thí nghiệm theo yêu cầu của giáo viên. - Làm thí nghiệm và đo t0. - Làm thí nghiệm và đo t1. - Ta thấy t1 > t0 - Tốc độ góc của ròng rọc tăng chậm hơn so với thí nghiệm 1. - Không. - Mức quán tính lớn. - Đặc trưng cho mức quán tính của vật trong chuyển động quay. - Làm thí nghiệm. - Ta thấy t2 > t0 - Ta thấy t2 cũng tăng. - Ghi nhận. 3. Mức quán tính trong chuyển động quay: - Tác dụng cùng một momen lực lên các vật khác nhau, tốc độ góc của vật nào tăng chậm hơn thì vật đó có mức quán tính lớn hơn và ngược lại. - Đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật trong chuyển động quay gọi là momen quán tính của vật. - Momen quán tính của một vật đối với một trục quay phụ thuộc vào khối lượng của vật và vào sự phân bố khối lượng đó đối với trục quay. Khối lượng của vật càng lớn và được phân bố càng xa trục quay thì momen quán tính càng lớn và ngược lại. 4. Hoạt động 4: Củng cố và dặn dò (5 phút) Trợ giúp của giáo viên Hoạt động của học sinh 1. Trả lời câu hỏi C6? 2. Thế nào là momen quán tính? 3. Làm bài tập 8, 9, 10 SGK – trang114. 1. Momen quán tính của vật càng lớn thì càng càng khó thay đổi tốc độ góc khi chuyển động quay. Khối lượng của vật càng lớn thì vật càng khó thay đổi vận tốc khi chuyển động tịnh tiến. 2. Đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật trong chuyển động quay gọi là momen quán tính của vật. 3. Ghi nhận vào vở bài tập. IV. RÚT KINH NGHIỆM TIẾT DẠY: