Giáo án Bài 18. Lực ma sát

Tạo tình huống xuất phát, giúp HS nhận ra có lực cản xuất hiện khi vật tiếp xúc và chuyển động trên bề mặt, từ đó xác định vấn đề cần tìm hiểu.

GV yêu cầu HS dùng tay đẩy nhẹ một quyển sách trên mặt bàn, sau đó đẩy mạnh hơn. HS trả lời các câu hỏi: (1) Vì sao phải dùng lực mới làm sách chuyển động? (2) Khi buông tay, sách dừng lại. Lực nào làm sách dừng? (3) Nếu đặt thêm vật nặng lên sách thì có phải dùng lực lớn hơn không?

HS nêu được: khi sách tiếp xúc với mặt bàn có một lực cản làm sách dừng lại; lực này gọi là lực ma sát. Khi thêm vật nặng, lực cần để kéo sách đều lớn hơn, dự đoán lực ma sát phụ thuộc vào áp lực. GV ghi tên bài và hai câu hỏi trọng tâm lên bảng: Ma sát có những loại nào? Độ lớn ma sát trượt phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Mô tả được lực ma sát nghỉ, ma sát trượt, ma sát lăn; nêu được điều kiện xuất hiện và đặc điểm của từng loại.

HS đọc khái niệm trong trang bài học NeoEdu hoặc sách giáo khoa, sau đó hoàn thành Phiếu học tập số 1 theo nhóm 4 người. Nhiệm vụ: (1) Với mỗi loại ma sát, nêu tình huống minh họa và điều kiện xuất hiện. (2) Quan sát mô phỏng: khi động cơ kéo khối gỗ, số chỉ lực kế thay đổi thế nào lúc khối đứng yên và lúc khối trượt? (3) Đặt con lăn dưới khối gỗ, so sánh lực cản với lúc trượt. (4) Trả lời: ma sát lăn lớn hay nhỏ hơn ma sát trượt?

Nội dung HS hoàn thành trên Phiếu học tập số 1:

• Ma sát nghỉ: giữ vật đứng yên khi có ngoại lực song song mặt tiếp xúc; độ lớn cân bằng ngoại lực và tăng dần đến một giá trị cực đại. Mô phỏng: số chỉ lực kế tăng dần đến cực đại 0,8 N rồi khối bắt đầu trượt.
• Ma sát trượt: cản chuyển động khi vật trượt trên bề mặt, ngược chiều chuyển động tương đối. Mô phỏng: khi khối trượt, số chỉ lực kế tụt xuống 0,6 N.
• Ma sát lăn: cản khi vật lăn, nhỏ hơn nhiều ma sát trượt. Mô phỏng: có con lăn, ma sát lăn chỉ còn 0,04 N.
  Kết luận nhóm: ma sát nghỉ có độ lớn thay đổi trong giới hạn, còn ma sát trượt và ma sát lăn có thể được xác định theo điều kiện chuyển động.

Kiểm tra được lực ma sát trượt không phụ thuộc diện tích tiếp xúc và tỉ lệ với áp lực; rèn kĩ năng đo lực bằng lực kế và ghi chép số liệu trung thực.

Nhóm thực hiện khảo sát bằng mô phỏng NeoEdu (hoặc bộ thí nghiệm thật nếu có). Thí nghiệm 1: kéo khối gỗ trên mặt rộng 96 cm² rồi mặt hẹp 72 cm² với tốc độ đều, ghi số chỉ lực kế. Thí nghiệm 2: đặt thêm 2 quả nặng (N tăng gấp 3), kéo đều và ghi số chỉ lực kế. Hoàn thành Phiếu học tập số 2 và trả lời: (1) Diện tích tiếp xúc có ảnh hưởng đến lực ma sát không? (2) Áp lực tăng gấp 3 thì lực ma sát thay đổi thế nào? (3) Tính tỉ số $\dfrac{F_{mst}}{N}$ ở hai lần đo.

Nội dung HS hoàn thành trên Phiếu học tập số 2:

• Thí nghiệm 1: mặt rộng cho số chỉ khoảng 0,6 N; mặt hẹp cho số chỉ khoảng 0,6 N. Kết luận: lực ma sát trượt không phụ thuộc diện tích tiếp xúc.
• Thí nghiệm 2: khối gỗ có N = 2 N cho F_mst = 0,6 N; khi thêm 2 quả nặng, N = 6 N cho F_mst khoảng 1,8 N (gấp 3 lần). Kết luận: lực ma sát trượt tỉ lệ thuận với áp lực N.
• Tỉ số $\dfrac{F_{mst}}{N}$: $\dfrac{0{,}6}{2}=0{,}30$ và $\dfrac{1{,}8}{6}=0{,}30$ (không đơn vị), chứng tỏ tỉ số này không đổi khi N thay đổi.
  Kết luận nhóm: $F_{mst}$ tỉ lệ với N, không phụ thuộc diện tích tiếp xúc.

Nêu được hệ số ma sát trượt; vận dụng được công thức $F_{mst}=\mu N$ trong các trường hợp đơn giản.

GV dẫn dắt từ kết quả thí nghiệm để xây dựng công thức. HS trả lời: (1) Hệ số μ được tính bằng công thức nào? (2) μ có đơn vị không? (3) Với cùng một khối gỗ, đổi sang mặt cao su hoặc mặt kính thì μ có đổi không? (4) Làm thử ví dụ: μ = 0,2; N = 20 N, tính $F_{mst}$.

Kiến thức HS rút ra:

• Hệ số ma sát trượt: $\mu=\dfrac{F_{mst}}{N}$, không có đơn vị.
• Công thức: $F_{mst}=\mu N$.
• μ phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt, không phụ thuộc diện tích tiếp xúc.
  Ví dụ đã giải: $F_{mst}=0{,}2\times 20=4\ \text{N}$.
  Ví dụ 2: $F_{mst}=6$ N, $N=30$ N thì $\mu=\dfrac{6}{30}=0{,}20$ (không đơn vị).

Vận dụng được $F_{mst}=\mu N$ để tính lực ma sát, hệ số ma sát và gia tốc của vật trên mặt phẳng ngang.

HS làm các bài tập 1 – 4 theo cặp đôi, sau đó đổi bài để kiểm tra chéo.
Bài 1: μ = 0,2; N = 20 N. Tính ma sát trượt.
Bài 2: Ma sát trượt 6 N, N = 30 N. Tính μ.
Bài 3: Vật 2 kg trượt trên bàn ngang, lực kéo 10 N cùng chiều chuyển động, ma sát trượt 4 N ngược chiều kéo. Tính gia tốc theo chiều kéo.
Bài 4: Vật trượt trên mặt phẳng ngang chỉ chịu trọng lực, phản lực và ma sát trượt; μ = 0,3; g = 10 m/s². Tính độ lớn gia tốc.

Đáp án:

• Bài 1: $F_{mst}=\mu N=0{,}2\times20=4$ N.
• Bài 2: $\mu=\dfrac{6}{30}=0{,}20$ (không đơn vị).
• Bài 3: $a=\dfrac{10-4}{2}=3$ m/s² (theo chiều kéo).
• Bài 4: $|a|=\dfrac{\mu mg}{m}=\mu g=0{,}3\times10=3$ m/s².
  HS rút ra: với vật trượt trên mặt ngang, ma sát trượt có độ lớn $\mu mg$ và gia tốc có độ lớn $\mu g$, không phụ thuộc khối lượng.

Củng cố đặc điểm của ma sát nghỉ, ma sát trượt; nhận biết và sửa các quan niệm sai về ma sát.

HS làm bài tập 5 – 7 cá nhân rồi thảo luận nhóm 4. Bài 5: Kéo khối gỗ trượt đều trên bàn ngang, lực kế ngang chỉ gì? A. Gia tốc; B. Độ lớn ma sát trượt; C. Khối lượng; D. Tổng trọng lực và phản lực.
Bài 6: Xác định đúng (Đ) hoặc sai (S): a) μ không có đơn vị; b) Ma sát trượt ngược chiều chuyển động tương đối; c) Ma sát luôn có hại; d) N luôn bằng mg trên mọi mặt nghiêng.
Bài 7: Quyển sách đứng yên trên mặt bàn ngang, không có lực ngang. Ma sát nghỉ ngang bằng gì? A. Luôn μmg; B. Luôn mg; C. Luôn lớn hơn trọng lực; D. 0.

Đáp án:

• Bài 5: B. Độ lớn ma sát trượt (khối đi đều nên lực kéo ngang cân bằng ma sát).
• Bài 6: a) Đ; b) Đ; c) S (ma sát có lợi trong nhiều trường hợp, ví dụ giúp người đi lại); d) S (trên mặt nghiêng, $N=mg\cos\alpha$).
• Bài 7: D. 0 (không có xu hướng trượt do lực ngang nên ma sát nghỉ ngang bằng 0).
  HS rút ra: ma sát nghỉ chỉ có giá trị cần thiết để cân bằng ngoại lực, không luôn bằng μN.

Giải thích được vai trò có lợi và có hại của ma sát trong đời sống; đề xuất biện pháp tăng hoặc giảm ma sát phù hợp.

Nhóm 4 HS phân tích bốn tình huống: (1) Lốp xe có rãnh; (2) Rắc cát khi đường trơn; (3) Bôi trơn ổ bi; (4) Lực sàn đẩy chân khi bước đi. Với mỗi tình huống, nhóm trả lời: ma sát đóng vai trò gì (có lợi hay có hại)? Cần tăng hay giảm ma sát? Dùng biện pháp nào và vì sao?

Bảng kết quả nhóm (dạng danh sách):

• Lốp xe có rãnh: tăng ma sát nghỉ và ma sát trượt với mặt đường, giúp xe bám đường, phanh an toàn; ma sát có lợi.
• Rắc cát khi đường trơn: tăng hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường; ma sát có lợi.
• Bôi trơn ổ bi: giảm hệ số ma sát, giảm mài mòn và hao phí năng lượng; ma sát có hại trong trường hợp này.
• Lực sàn đẩy chân khi bước đi: lực ma sát nghỉ giữa chân và sàn hướng về phía trước, giúp người tiến về phía trước; ma sát có lợi, nên không phải lúc nào ma sát cũng cản trở chuyển động.