Giáo án Bài 22. Thực hành: Tổng hợp lực

Huy động kiến thức về lực, hợp lực và lực cân bằng; xác định nhiệm vụ đo và kiểm chứng quy tắc tổng hợp lực.

GV treo quả nặng $P=2{,}0\ \mathrm{N}$ vào vòng O bằng hai dây, mỗi dây nối với một lực kế, hai dây hợp góc khoảng $90^\circ$. HS quan sát và trả lời câu hỏi: (1) Hai lực kế kéo vòng O theo hai hướng khác nhau; có thể thay thế đồng thời hai tác dụng này bằng một lực duy nhất không? (2) Lực đó phải có đặc điểm gì để vòng O vẫn nằm yên? (3) Nếu hai lực có độ lớn bằng nhau và vuông góc, làm sao tính được độ lớn của lực thay thế?

Kết luận ban đầu: Hai lực kế có thể thay bằng một hợp lực có cùng tác dụng lên vòng O. Hợp lực này phải cân bằng với trọng lượng, tức có độ lớn $2{,}0\ \mathrm{N}$ và hướng ngược với lực cân bằng. Nhiệm vụ: kiểm chứng quy tắc hình bình hành với hai lực đồng quy và quy tắc hợp lực song song với hai lực song song cùng chiều.

Thiết kế và tiến hành thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy vuông góc; kiểm chứng quy tắc hình bình hành và đánh giá sai số bằng độ không đảm bảo của lực kế.

Nhóm 4 HS làm theo Phiếu học tập số 1: (1) Điều chỉnh lực kế về điểm không, buộc hai dây vào vòng O, kéo hai lực kế sao cho hai dây hợp góc $90^\circ$ và O đứng yên; đọc $F_1$, $F_2$. (2) Dựng hình bình hành theo tỉ xích $1\ \mathrm{N}$ ứng với $1\ \mathrm{cm}$ trên giấy, đo đường chéo để xác định độ lớn hợp lực lí thuyết. (3) Dùng một lực kế kéo O về đúng vị trí cũ, đọc lực cân bằng, so sánh với đường chéo. (4) Đổi góc từ $60^\circ$ đến $120^\circ$, lặp lại và nhận xét. Câu hỏi GV đặt ra: Hợp lực đo được có nằm trên đường chéo hình bình hành không? Lực cân bằng và hợp lực có cùng hướng hay ngược hướng? Sai số $3\ \%$ nằm trong phạm vi nào của độ không đảm bảo?

Bảng số liệu minh hoạ: $F_1 = 1{,}8\ \mathrm{N}$, $F_2 = 1{,}0\ \mathrm{N}$ (góc $90^\circ$); đường chéo đo được $2{,}06\ \mathrm{N}$; lực cân bằng đo được $2{,}0\ \mathrm{N}$; sai số tương đối $\dfrac{|2{,}06-2{,}0|}{2{,}0}\cdot 100\% = 3\%$. Kiến thức HS rút ra: Hợp lực của hai lực đồng quy là đường chéo của hình bình hành dựng trên hai lực đó; lực cân bằng ngược hướng với hợp lực; khi góc thay đổi từ $60^\circ$ đến $120^\circ$ thì $F_1$, $F_2$ thay đổi nhưng đường chéo vẫn xấp xỉ $2\ \mathrm{N}$. Ví dụ kiểm tra: hai lực vuông góc $3\ \mathrm{N}$ và $4\ \mathrm{N}$ cho $F=\sqrt{3^2+4^2}=5\ \mathrm{N}$.

Thiết kế và tiến hành thí nghiệm với thanh treo để kiểm chứng độ lớn và vị trí giá hợp lực của hai lực song song cùng chiều.

Nhóm 4 HS làm theo Phiếu học tập số 2: (1) Treo thanh bằng lực kế móc tại một điểm, đặt lực $F_A=1{,}0\ \mathrm{N}$ tại A và $F_B=0{,}5\ \mathrm{N}$ tại B (cùng chiều, hai lực song song). (2) Di chuyển điểm móc lực kế đến khi thanh nằm ngang; đo khoảng cách từ điểm móc đến A ($d_A$) và đến B ($d_B$). (3) Đọc số chỉ lực kế, so với $F=F_1+F_2$. (4) Tính tỉ số $\dfrac{F_1}{F_2}$ và so với $\dfrac{d_2}{d_1}$. Câu hỏi GV đặt ra: Hợp lực có độ lớn bằng tổng hai lực không? Điểm đặt của hợp lực gần điểm nào hơn? Vì sao tỉ số lực bằng tỉ số khoảng cách nghịch đảo?

Số liệu minh hoạ: lực kế chỉ $1{,}5\ \mathrm{N}$, đúng bằng $F=F_1+F_2=1{,}0+0{,}5=1{,}5\ \mathrm{N}$; khi thanh nằm ngang thì $d_A=13{,}3\ \mathrm{cm}$, $d_B=26{,}7\ \mathrm{cm}$ (tổng $40\ \mathrm{cm}$); $\dfrac{F_A}{F_B}=\dfrac{1{,}0}{0{,}5}=2=\dfrac{d_B}{d_A}=\dfrac{26{,}7}{13{,}3}\approx 2$. Kiến thức HS rút ra: Hợp lực song song cùng chiều có độ lớn $F=F_1+F_2$; giá hợp lực nằm giữa hai giá thành phần và chia khoảng cách theo tỉ lệ nghịch với độ lớn lực: $\dfrac{F_1}{F_2}=\dfrac{d_2}{d_1}$. Ví dụ kiểm tra: hai lực song song cùng chiều $2\ \mathrm{N}$ và $4\ \mathrm{N}$ có $F=6\ \mathrm{N}$.

Củng cố cách tính hợp lực cho hai cấu hình, xác định vị trí giá hợp lực và đánh giá kết quả đo.

HS làm nhanh các bài tập sau (thảo luận cặp đôi 8 phút, sau đó GV chữa nhanh): Bài 1: Hai lực đồng quy vuông góc $3\ \mathrm{N}$ và $4\ \mathrm{N}$, tính hợp lực. Bài 2: Hai lực song song cùng chiều $2\ \mathrm{N}$ và $4\ \mathrm{N}$, tính hợp lực. Bài 3: $2\ \mathrm{N}$ tại $x=0$, $4\ \mathrm{N}$ tại $x=0{,}30\ \mathrm{m}$, cùng chiều; xác định giá hợp lực. Bài 4: Lí thuyết $5\ \mathrm{N}$, đo mẫu $4{,}9\ \mathrm{N}$; tính chênh lệch tương đối. Bài 5: Lực cân bằng và hợp lực có quan hệ gì? A. Luôn cùng điểm đặt; B. Cùng độ lớn, ngược hướng; C. Cùng hướng; D. Vuông góc nhau. Bài 6: Đánh giá báo cáo thực hành: a) Ghi lực và góc kèm đơn vị; b) Lực song song lớn hơn có hợp lực nằm gần giá nó hơn; c) Sai lệch nhỏ luôn chứng minh chính xác tuyệt đối; d) Cần đo lặp và kiểm tra điểm không lực kế. HS xác định đúng/sai từng ý. Bài 7: Với hai lực song song cùng chiều, giá hợp lực nằm ở đâu? A. Luôn ngoài hai giá; B. Luôn chính giữa dù lực khác nhau; C. Trùng lực nhỏ hơn; D. Giữa hai giá thành phần.

Đáp án: Bài 1: $F=\sqrt{3^2+4^2}=5\ \mathrm{N}$. Bài 2: $F=F_1+F_2=6\ \mathrm{N}$. Bài 3: Moment quanh $x=0$: $6x=4\cdot 0{,}30$, suy ra $x=0{,}20\ \mathrm{m}$. Bài 4: $\dfrac{|4{,}9-5|}{5}\cdot 100\%=2\%$. Bài 5: Đáp án B. Bài 6: a) Đ; b) Đ; c) S (sai lệch phải so với độ không đảm bảo, không khẳng định tuyệt đối); d) Đ. Bài 7: Đáp án D (vị trí theo cân bằng mô men, nằm giữa và gần lực lớn hơn). Kiến thức HS củng cố: Tính đúng hợp lực theo từng cấu hình, xác định vị trí giá hợp lực và cách đánh giá sai số.

Vận dụng kiến thức tổng hợp lực để viết báo cáo so sánh giữa lí thuyết và số đo, đồng thời giải thích một ứng dụng thực tế.

Nhiệm vụ cá nhân/nhóm: Hợp lực của $3\ \mathrm{N}$ và $4\ \mathrm{N}$ vuông góc có số đo mẫu $5{,}1\ \mathrm{N}$; $5{,}0\ \mathrm{N}$; $4{,}9\ \mathrm{N}$. Hãy lập bảng so sánh: giá trị lí thuyết, giá trị trung bình, độ lệch từng lần đo, sai số dụng cụ, và kết luận. Câu hỏi thực tế: Vì sao trụ cầu và thanh gánh hàng được thiết kế để tải trọng phân bố theo quy tắc tổng hợp lực?

Bảng so sánh minh hoạ: lí thuyết $F=5{,}0\ \mathrm{N}$; trung bình đo $\bar{F}=\dfrac{5{,}1+5{,}0+4{,}9}{3}=5{,}0\ \mathrm{N}$; độ lệch các lần đo $0{,}1\ \mathrm{N}$, $0\ \mathrm{N}$, $0{,}1\ \mathrm{N}$; sai số tổng cần cộng thêm sai số dụng cụ (độ chia $0{,}1\ \mathrm{N}$). Kết luận: Kết quả phù hợp mô hình trong phạm vi độ không đảm bảo, không khẳng định không có sai số. Thang chấm gợi ý (4 ý, mỗi ý 0,25 điểm): lí thuyết; trung bình và độ lệch; sai số dụng cụ; hướng và kết luận. Ứng dụng: Tải trọng trên các trụ cầu và đòn gánh được phân chia theo quy tắc hợp lực song song; vị trí điểm đặt quyết định lực tác dụng lên từng điểm đỡ.