Giáo án Bài 18. Tác dụng làm quay của lực. Moment lực

Huy động trải nghiệm thực tế của HS về việc đẩy cửa, từ đó nhận ra tác dụng làm quay phụ thuộc vào vị trí đặt lực và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

HS đẩy thử một cánh cửa (hoặc tưởng tượng đẩy cửa) ở hai vị trí: sát bản lề và sát tay nắm, với lực đẩy gần vuông góc mặt cửa. Trả lời câu hỏi: “Đẩy ở đâu thì cửa mở dễ hơn? Vì sao? Cửa đóng khi đẩy thẳng vào phía bản lề thì có quay không?”

HS nêu được: đẩy gần tay nắm cửa mở dễ hơn, vì cùng một lực nhưng điểm đặt xa bản lề thì tác dụng làm quay mạnh hơn; đẩy thẳng vào phía bản lề thì cửa hầu như không quay. GV ghi tên bài và đặt câu hỏi định hướng: “Làm thế nào đo được tác dụng làm quay của lực?”

Nêu được khái niệm moment lực, cánh tay đòn; viết được công thức M = F × d và đơn vị N·m; tính được moment lực trong tình huống cụ thể.

HS hoạt động theo cặp: quan sát mô phỏng 3D “Cánh cửa”, kéo lực kế 10 N vuông góc với cửa tại điểm cách bản lề 0,3 m, ghi số liệu và góc mở cửa; sau đó dời điểm đặt về 0,1 m, ghi lại M và góc mở mới. Hoàn thành Phiếu học tập số 1, trong đó HS xác định trục quay, giá của lực, cánh tay đòn d và tính M. Câu hỏi GV đặt ra: “Khoảng cách d phải đo theo hướng nào để là cánh tay đòn?” và “Khi d giảm ba lần, M thay đổi thế nào nếu F không đổi?”

Kiến thức HS rút ra:

• Moment lực: M = F × d, trong đó d là khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực; đơn vị N·m.
• Cánh tay đòn: khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực.
  Kết quả tính toán: lần 1, F = 10 N, d = 0,3 m, M = 10 × 0,3 = 3 N·m, cửa mở 30°; lần 2, F = 10 N, d = 0,1 m, M = 10 × 0,1 = 1 N·m, cửa mở 10°. Cùng lực nhưng cánh tay đòn giảm ba lần thì moment giảm ba lần.

Giải thích được lực qua trục có cánh tay đòn bằng 0 nên không làm quay vật; phân biệt được moment lực, cánh tay đòn và lực qua trục.

Kỹ thuật mảnh ghép: lớp chia thành 3 nhóm chuyên gia, mỗi nhóm nghiên cứu một trường hợp trên mô phỏng: (1) kéo xiên 30° tại tay nắm, d còn 0,3 m; (2) kéo thẳng về phía bản lề, giá đi qua trục, d = 0, M = 0, cửa đứng yên; (3) kéo vuông góc tại tay nắm, d lớn nhất. Sau đó các chuyên gia ghép nhóm mới, chia sẻ kết quả và hoàn thành bảng so sánh trong Phiếu học tập số 2. Câu hỏi GV đặt ra: “Vì sao kéo thẳng về phía bản lề thì cửa không quay?” và “Lực càng gần trục thì có luôn làm quay mạnh hơn không?”

Kiến thức HS rút ra:

• Lực qua trục: giá của lực đi qua trục quay, cánh tay đòn d = 0, nên M = 0, lực không làm quay vật quanh trục đó.
• Phân biệt: moment lực là đại lượng M = F × d; cánh tay đòn là đoạn d vuông góc; lực qua trục là trường hợp d = 0.
• Kết luận: cánh tay đòn nhỏ làm moment nhỏ, nên phải xét cả độ lớn lực và khoảng cách vuông góc, không chỉ xét khoảng cách gần hay xa trục.

Củng cố định nghĩa moment lực, cánh tay đòn, lực qua trục và nhận biết quan niệm sai về vị trí lực so với trục quay.

HS làm nhanh các câu hỏi trên bảng hoặc bài tập tương tác trong trang bài học NeoEdu, cá nhân trả lời trước, sau đó đối chiếu theo cặp. Các câu hỏi:
Câu 1. Trong bài này, moment lực có đặc điểm nào? A. M = F × d với d là khoảng cách vuông góc từ trục tới giá lực; B. d luôn là chiều dài bất kì của vật; C. M = F/d.
Câu 2. Trong bài này, cánh tay đòn có đặc điểm nào? A. luôn bằng độ dài tay người; B. khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá lực; C. khoảng từ bàn tay đến mặt đất.
Câu 3. Ghép khái niệm với đặc điểm: Moment lực; Cánh tay đòn; Lực qua trục (với các đặc điểm tương ứng trong Ghi nhớ).
Câu 4. “Lực càng gần trục luôn làm quay mạnh hơn khi cùng phương phù hợp.” Nhận định này đúng hay sai?
Câu 5. Chọn thuật ngữ phù hợp cho mô tả “có cánh tay đòn bằng 0 nên không làm quay quanh trục đó theo mô hình”.

Đáp án:
Câu 1: A. M = F × d với d là khoảng cách vuông góc từ trục tới giá lực.
Câu 2: B. khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá lực.
Câu 3: Moment lực – M = F × d với d là khoảng cách vuông góc từ trục tới giá lực; Cánh tay đòn – khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá lực; Lực qua trục – có cánh tay đòn bằng 0 nên không làm quay quanh trục đó.
Câu 4: Sai. Cánh tay đòn nhỏ làm moment nhỏ, nên phải xét cả lực và khoảng cách vuông góc.
Câu 5: Lực qua trục.

Vận dụng công thức M = F × d để tính moment và so sánh tác dụng làm quay; lập luận khoa học để bác bỏ một nhận định sai.

HS làm bài tập theo nhóm đôi trên Phiếu học tập số 3 (tham khảo nội dung trong worksheets). Các câu hỏi:
Câu 6. Lực 10 N có cánh tay đòn 0,3 m. Tính moment. So sánh khi cánh tay đòn là 0,1 m.
Câu 7. Vì sao khi mở cửa, ta thường đẩy gần tay nắm, xa bản lề, theo phương gần vuông góc cánh cửa?
Câu 8. Một bạn khẳng định: “Lực càng gần trục luôn làm quay mạnh hơn khi cùng phương phù hợp.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.

Đáp án gợi ý:
Câu 6: Lần 1: M = 10 × 0,3 = 3 N·m. Lần 2: M = 10 × 0,1 = 1 N·m. Cùng lực nhưng cánh tay đòn giảm ba lần, moment giảm ba lần, tác dụng làm quay yếu đi.
Câu 7: Cánh tay đòn lớn làm moment lớn hơn với cùng lực, nên đẩy xa bản lề (gần tay nắm) cho moment lớn, cửa dễ mở; đẩy theo phương gần vuông góc giúp cánh tay đòn gần bằng khoảng cách từ trục tới điểm đặt. Đẩy hướng qua bản lề cho moment nhỏ hoặc bằng 0.
Câu 8: Lí do: moment phụ thuộc cả lực và cánh tay đòn; cánh tay đòn nhỏ làm moment nhỏ. Hệ quả của cách hiểu sai: sẽ chọn đẩy sát bản lề và cần lực lớn hơn để mở cửa. Phát biểu sửa đúng: “Với cùng lực, cánh tay đòn càng lớn thì moment lực càng lớn; cần xét cả lực và cánh tay đòn.”

Vận dụng moment lực và cánh tay đòn để giải thích hiện tượng trong đời sống, đề xuất cách làm hiệu quả hơn.

GV nêu tình huống: Khi vặn một con ốc chặt, vì sao dùng cờ lê dài thường dễ vặn hơn cờ lê ngắn dù lực tay không đổi? HS trả lời dựa trên M = F × d, xác định trục quay, giá của lực và cánh tay đòn. Về nhà: HS chọn một vật dụng quay quanh trục (cửa, nắp chai đựng nước có tay vặn, bàn xoay...) và trình bày trục quay, một lực tác dụng, cánh tay đòn và moment tương ứng.

HS nêu được: cờ lê dài có cánh tay đòn lớn hơn nên với cùng lực tay, moment lớn hơn, dễ vặn ốc hơn. Sản phẩm về nhà: đoạn ngắn 4–6 câu hoặc sơ đồ mô tả trục quay, lực, d và M cho một vật dụng cụ thể, kèm đơn vị N·m.