Giáo án Bài 17. Trọng lực và lực căng

Huy động vốn hiểu biết của HS về lực hút của Trái Đất, làm xuất hiện nhu cầu xác định trọng lực, trọng lượng và trọng tâm.

HS quan sát mô phỏng giá treo trên NeoEdu hoặc thí nghiệm trực quan: quả nặng 200 g treo vào lực kế nhún, lực kế chỉ 1,96 N khi quả nặng đứng yên. Trả lời câu hỏi: Vì sao quả nặng đứng yên mà lực kế vẫn có số chỉ? Lực kế đo đại lượng nào? Vì sao quả nặng không rơi khi được treo bằng dây?

Dự kiến HS nêu được: lực kế đo lực do quả nặng tác dụng lên móc treo, tức là trọng lượng; quả nặng đứng yên vì dây treo căng kéo lên đúng bằng trọng lực của Trái Đất hút quả nặng xuống; trọng lượng $P = mg = 0{,}2 \times 9{,}8 = 1{,}96\,\mathrm{N}$. GV ghi bảng câu hỏi trung tâm: Trọng lực là gì, đặt ở đâu và khác khối lượng thế nào?

Nêu được trọng lực, trọng tâm; phân biệt được trọng lượng và khối lượng; xác định được trọng tâm của tấm phẳng bằng phương pháp treo.

Hoạt động theo nhóm 4 HS, thực hiện Phiếu học tập số 1 gồm: (1) Định nghĩa trọng lực và trọng tâm; (2) Bảng so sánh trọng lượng và khối lượng (đơn vị, dụng cụ đo, đại lượng vô hướng hay có hướng, có đổi theo nơi hay không); (3) Thí nghiệm: treo tấm bìa phẳng tại điểm A, dùng dây dọi kẻ đường thẳng đứng; treo tại điểm B, kẻ đường thẳng đứng thứ hai; giao điểm G là trọng tâm; treo tại G để kiểm tra tấm cân bằng ở mọi tư thế. Trả lời câu hỏi: Vì sao hai đường dây dọi cắt nhau tại trọng tâm?

Kiến thức HS rút ra: trọng lực là lực hút của Trái Đất, hướng thẳng đứng xuống dưới, $P = mg$; trọng tâm là điểm đặt của trọng lực. Bảng so sánh đúng: trọng lượng là độ lớn của trọng lực, đơn vị N, đo bằng lực kế, thay đổi theo nơi; khối lượng là số đo lượng chất trong vật, đơn vị kg, đo bằng cân, không đổi khi đổi nơi. Kết quả thí nghiệm: ba đường dây dọi (hoặc hai đường ở hai lần treo) cùng đi qua một điểm G; tấm bìa treo tại G đứng yên ở mọi tư thế.

Nêu được đặc điểm của lực căng dây; nhận biết khi nào lực căng bằng trọng lực và khi nào không.

HS làm việc theo cặp đôi, thực hiện Phiếu học tập số 2 gồm: (1) Quan sát quả nặng 500 g treo vào lực kế nhún qua dây căng (hoặc mô phỏng), xác định các lực tác dụng lên quả nặng và lên móc lực kế; (2) Trả lời: lực căng có phương, chiều và điểm đặt thế nào? Tại sao hai lực căng ở hai đầu dây nhẹ bằng nhau? (3) Xét vật 0,50 kg treo yên trên dây thẳng đứng và vật được kéo lên nhanh dần: so sánh T với mg; (4) Mô phỏng: quả 500 g chỉ 4,9 N trên Trái Đất và 0,81 N trên Mặt Trăng, khối lượng không đổi.

Kiến thức HS rút ra: lực căng dây là lực do dây bị kéo căng tác dụng lên vật, đặt lên vật, hướng dọc dây về phía giữa dây; dây mềm không đẩy vật. Với vật treo yên bằng dây thẳng đứng: $T = mg = 0{,}50 \times 10 = 5\,\mathrm{N}$. Khi vật được kéo lên nhanh dần: $T - mg = ma$ nên $T > mg$. Kết luận chỉ khi cân bằng và dây thẳng đứng đơn giản thì $T = mg$. Trong trường hợp treo bằng hai dây nghiêng đối xứng, $T \neq mg/2$ trừ khi góc bằng 0.

Củng cố công thức $P = mg$, đặc điểm lực căng và phân biệt trọng lượng với khối lượng qua các bài tập đơn giản.

HS làm nhanh các bài tập sau trên bảng con hoặc phiếu: (1) m = 0,5 kg, g = 10 m/s². Trọng lượng bao nhiêu N? (2) Vật 2 kg treo yên bằng một dây đứng; g = 10 m/s². T bao nhiêu N? (3) P = 49 N, g = 9,8 m/s². Khối lượng bao nhiêu kg? (4) Lực căng của dây mềm lên vật có hướng nào? A. Luôn cùng trọng lực; B. Vuông góc dây; C. Dọc dây kéo ra xa vật; D. Luôn thẳng đứng lên. (5) Vật treo đứng đi xuống chậm dần thì T so với mg thế nào? A. T > mg; B. T < mg; C. T = 0; D. T luôn = mg.

Đáp án: (1) P = 5 N; (2) T = 20 N; (3) m = 5 kg; (4) C – dọc dây kéo ra xa vật, dây mềm không chịu đẩy; (5) A – T > mg, vì vật đi xuống chậm dần có gia tốc hướng lên nên $T - mg = ma > 0$. HS đạt yêu cầu khi làm đúng ít nhất 4/5 câu và giải thích được lí do cho câu 5.

Vận dụng định luật II Newton và điều kiện cân bằng để tính lực căng; phân tích được trường hợp hai dây nghiêng.

Nhóm 4 HS thảo luận và giải các bài sau trên bảng nhóm: (1) Vật 2 kg được nâng bằng một dây thẳng đứng, chỉ chịu trọng lực và lực căng; đi lên nhanh dần với a = 1 m/s². Lấy g = 10 m/s². Tính T. (2) Một vật treo yên bằng hai dây nghiêng đối xứng. Có được lấy mỗi T = mg/2 không? Lập luận bằng cách xác định góc và chiếu lực.

Đáp án: (1) T = m(g + a) = 2 × 11 = 22 N. (2) Không. Gọi θ là góc giữa mỗi dây và phương thẳng đứng; cân bằng cho $2T\cos\theta = mg$ nên $T = \dfrac{mg}{2\cos\theta}$, chỉ bằng $mg/2$ khi $\theta = 0$. Thang chấm bài (2): xác định góc 0,25 điểm; chiếu lực 0,5 điểm; kết luận 0,25 điểm.

Vận dụng kiến thức về trọng lực, trọng tâm và lực căng để giải thích một số ứng dụng thực tế và đề xuất biện pháp an toàn.

Nhóm HS phân tích tình huống: (1) Cần cẩu nâng một kiện hàng 500 kg bằng cáp thẳng đứng, đi lên nhanh dần với gia tốc 0,5 m/s². Lấy g = 10 m/s², tính lực căng cáp. (2) Vì sao ô tô được thiết kế có trọng tâm thấp? Vì sao khi treo vật nặng cần dùng dụng cụ treo đầu tù và không treo tải phía trên người? (3) Thiết kế bài thuyết trình ngắn 2 phút hoặc poster về một ứng dụng của trọng lực và lực căng trong đời sống. Có thể giao về nhà cho phần (3).

Đáp án (1): $T = m(g + a) = 500 \times 10{,}5 = 5250\,\mathrm{N}$. Đáp án (2): trọng tâm thấp giúp xe ít bị lật hơn; dụng cụ treo đầu tù và không treo tải phía trên người nhằm bảo đảm an toàn khi dây đứt hoặc tải rơi. Sản phẩm (3): poster hoặc đoạn trình bày nêu rõ ứng dụng, lực tác dụng lên vật và cách lực căng hoặc trọng tâm được sử dụng.