Giáo án Bài 21. Moment lực. Cân bằng của vật rắn

HS nhận ra tác dụng làm quay của lực phụ thuộc vào vị trí đặt lực so với trục quay, từ đó xác định vấn đề cần nghiên cứu của bài.

GV đưa tình huống: Cùng một lực đẩy vuông góc với cánh cửa, đẩy sát bản lề hay đẩy ở tay nắm thì cửa mở dễ hơn? Vì sao khi vặn đinh ốc bằng cờ lê dài lại dễ hơn cờ lê ngắn? HS dự đoán, giải thích bằng kinh nghiệm, sau đó GV nêu nhiệm vụ: tìm đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của lực.

Dự kiến HS trả lời: đẩy ở tay nắm (xa bản lề) dễ hơn; cờ lê dài cho lực cần ít hơn vì khoảng cách từ trục đến lực lớn hơn. Kết luận đầu tiên của lớp: tác dụng làm quay của lực phụ thuộc cả độ lớn lực lẫn khoảng cách từ trục quay đến nơi đặt lực và phương tác dụng của lực. Đây là cơ sở để định nghĩa moment lực trong hoạt động tiếp theo.

HS nêu được khái niệm moment lực, cánh tay đòn; viết được công thức $M=Fd$, nêu được đơn vị N·m và phân biệt cánh tay đòn với khoảng cách đến điểm đặt của lực.

HS làm việc theo nhóm đôi trên mô phỏng 3D 'Đòn bẩy' trong trang bài học NeoEdu. Nhiệm vụ 1: treo hai quả nặng 0,5 N bên trái, cách trục 20 cm; kéo một quả nặng 0,5 N bên phải ra xa trục dần dần, quan sát góc nghiêng của đòn và ghi vị trí đòn nằm ngang. Nhiệm vụ 2: thay quả nặng bằng lực kế kéo xiên 60°, quan sát cánh tay đòn thay đổi thế nào khi lực không vuông góc với đòn. Nhiệm vụ 3: hoàn thành Phiếu học tập số 1.

Kiến thức HS rút ra: Moment lực đối với trục quay là $M=Fd$, với $d$ là cánh tay đòn, tức khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực; đơn vị là N·m. Quan sát mô phỏng: với quả nặng 0,5 N ở 40 cm thì $0{,}5 \cdot 0{,}40 = 1 \cdot 0{,}20$ nên đòn nằm ngang. Khi kéo xiên 60°, cánh tay đòn ở 40 cm chỉ còn khoảng 34,6 cm, nên phải đặt lực kế ra xa hơn (khoảng 46,2 cm) mới cân bằng; điều này cho thấy khoảng cách đến điểm đặt không thay được $d$ khi lực không vuông góc cánh tay đòn. Moment lực tăng tuyến tính khi tăng $d$.

HS nêu được khái niệm ngẫu lực, nhận biết tổng lực của ngẫu lực bằng 0 nhưng moment khác 0, và viết được công thức moment ngẫu lực.

HS quan sát mô phỏng ngẫu lực trên đòn bẩy NeoEdu: đặt hai lực 0,5 N song song, ngược chiều, đặt vào cùng một đòn, cách nhau một khoảng d. Nhiệm vụ: quan sát đòn có quay không khi tổng lực bằng 0; tính moment của ngẫu lực theo d; trả lời câu hỏi: Hai lực này có cân bằng được nhau về tác dụng làm quay không?

Kiến thức HS rút ra: Ngẫu lực là hệ hai lực song song, ngược chiều, cùng độ lớn, đặt vào một vật; tổng lực bằng 0 nhưng moment ngẫu lực $M=Fd$ khác 0, trong đó $d$ là khoảng cách giữa hai giá lực. Ngẫu lực chỉ làm vật quay, không làm vật chuyển động tịnh tiến. Ví dụ dự kiến: hai lực 0,5 N cách nhau 0,40 m tạo moment $M=0{,}5 \cdot 0{,}40 = 0{,}2$ N·m.

HS phát biểu được quy tắc moment cho vật có trục quay cố định và nêu được điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn; kiểm chứng quy tắc moment qua thí nghiệm.

HS làm việc nhóm 4 theo kĩ thuật khăn trải bàn: mỗi nhóm thực hiện thí nghiệm cân bằng đòn bẩy (thực hành hoặc thí nghiệm ảo 'Đòn bẩy cân bằng và moment lực' trên NeoEdu). Nhiệm vụ: treo quả nặng ở hai bên trục, điều chỉnh đến khi đòn cân bằng nằm ngang; ghi lực, cánh tay đòn, tính moment hai bên; thử với lực kế kéo xiên 60° để so sánh. Sau đó hoàn thành Phiếu học tập số 2.

Kết quả dự kiến: Khi đòn nằm ngang, tổng moment làm quay theo chiều kim đồng hồ bằng tổng moment ngược chiều. Ví dụ: quả 0,5 N ở cách trục 0,40 m và quả 1 N ở cách trục 0,20 m đều cho moment 0,20 N·m, đòn cân bằng. Quy tắc moment: vật có trục quay cố định cân bằng khi tổng moment làm quay theo chiều kim đồng hồ bằng tổng moment ngược chiều. Điều kiện cân bằng tổng quát của vật rắn: tổng các lực tác dụng bằng 0 và tổng moment lực đối với một trục bất kì bằng 0. Tổng lực bằng 0 chưa đủ vì ngẫu lực có tổng lực bằng 0 nhưng vẫn làm vật quay.

HS vận dụng công thức $M=Fd$, quy tắc moment và đặc điểm ngẫu lực để giải các bài tập định lượng và trắc nghiệm.

HS làm việc cặp đôi, giải lần lượt các bài sau: (1) Lực $F = 20$ N, cánh tay đòn 0,30 m: moment bao nhiêu N·m? (2) Moment 6 N·m, cánh tay đòn 0,20 m: lực bao nhiêu N? (3) Ngẫu lực gồm hai lực 5 N, cách giá 0,40 m: moment ngẫu lực bao nhiêu N·m? (4) Lực có giá đi qua trục quay: moment đối với trục bằng bao nhiêu? (5) Cánh tay đòn là khoảng cách nào? (6) Đúng hay sai về ngẫu lực. (7) Mở cửa dễ hơn bằng cách nào? (8) Vì sao tổng lực bằng 0 chưa đủ để vật rắn không quay? Nhóm tự kiểm tra bằng bài tương tác trên trang bài học NeoEdu.

Đáp án: (1) $M = 20 \cdot 0{,}30 = 6$ N·m. (2) $F = 6/0{,}20 = 30$ N. (3) $M = 5 \cdot 0{,}40 = 2$ N·m. (4) $d = 0$ nên $M = 0$. (5) C: khoảng cách vuông góc từ trục tới giá lực. (6) a) Đúng; b) Sai, hai lực của ngẫu lực cùng tác dụng lên một vật; c) Đúng; d) Đúng. (7) A: tác dụng xa bản lề hơn, cánh tay đòn lớn hơn nên moment lớn hơn với cùng lực. (8) Hai lực ngẫu lực có tổng bằng 0 nhưng moment Fd khác 0 nên vẫn làm vật quay; cần thêm điều kiện tổng moment bằng 0. Lưu ý: không ghi moment 6 N·m là công 6 J.

HS vận dụng quy tắc moment để giải thích và tính toán trong tình huống thực tế như cờ lê, tay nắm cửa, cân đòn, xe cút kít.

GV đưa tình huống: Một chiếc cờ lê dài 0,25 m, cần siết đai ốc với moment 10 N·m; hãy tính lực tối thiểu tác dụng vuông góc vào đầu cờ lê. Đồng thời, HS giải thích vì sao xe cút kít có tay cầm dài thì nhẹ hơn khi nâng tải. Nhiệm vụ về nhà: chọn một dụng cụ trong gia đình (cờ lê, kéo, kìm, cửa, cân đòn), đo cánh tay đòn và ước lượng lực cần tác dụng, viết báo cáo ngắn.

Đáp án tình huống cờ lê: $F = M/d = 10/0{,}25 = 40$ N. Giải thích xe cút kít: tay cầm dài làm tăng cánh tay đòn của lực nâng so với trục bánh xe, nên với cùng moment cần thắng (tải) thì lực tay cần nhỏ hơn. Sản phẩm về nhà: báo cáo ngắn gồm tên dụng cụ, cánh tay đòn đo được, lực ước lượng và giải thích bằng quy tắc moment.