Giáo án Bài 19. Đòn bẩy và ứng dụng

Huy động kinh nghiệm sống của HS về việc dùng thanh cứng quay quanh một điểm để nâng vật nặng; từ đó dẫn dắt vào khái niệm đòn bẩy và điểm tựa.

GV đưa hình ảnh xà beng bẩy tảng đá và hỏi HS:

• Vì sao một người có thể nhấc tảng đá nặng bằng xà beng mà khó nhấc trực tiếp bằng tay?
• Điểm nào trên xà beng giữ cố định để thanh có thể quay quanh?
• Nếu đặt điểm tựa gần tảng đá hơn thì người ấn đầu xà beng phải dùng lực lớn hơn hay nhỏ hơn?

HS nêu được: đầu xà beng dài hơn đoạn tiếp xúc với đá nên tay ấn xa điểm tựa thì lực cần ít hơn. Điểm cố định để thanh quay quanh là điểm tựa. Điểm tựa gần tảng đá hơn thì lực tay phải lớn hơn. Từ đó GV nêu tên đề bài: “Đòn bẩy và ứng dụng”.

Nêu được điểm tựa là trục hoặc vị trí để đòn bẩy quay quanh; xác định được điểm tựa, vị trí lực tác dụng và vị trí vật trên mô phỏng.

HS làm việc theo nhóm 4 người với mô phỏng 3D “Đòn bẩy” trên trang bài học NeoEdu. Nhiệm vụ:

• Quan sát giá chữ A và xác định điểm O là điểm tựa.
• Đặt vật 60 N cách O 0,1 m; đặt lực kế ở phía kia điểm tựa, cách O 0,3 m, kéo xuống để giữ đòn nằm ngang.
• Ghi vào Phiếu học tập số 1: vị trí điểm tựa, vị trí vật, vị trí lực tác dụng và chiều của từng lực.

Điểm tựa: trục hoặc vị trí để đòn bẩy quay quanh; trong mô phỏng đó là điểm O trên giá chữ A.
Ba thành phần của đòn bẩy: điểm tựa O; vật 60 N ở một phía cách O 0,1 m; lực tay (lực kế) ở phía kia cách O 0,3 m.
Lực kế đọc được 20 N khi đòn nằm ngang, tức là lực cần để giữ cân bằng. Kết luận: để xác định đòn bẩy, phải chỉ rõ điểm tựa, vị trí lực và vị trí vật.

Nêu được điều kiện cân bằng moment $F_1 d_1 = F_2 d_2$; vận dụng được điều kiện này để tính lực khi biết các cánh tay đòn.

HS tiếp tục dùng mô phỏng và Phiếu học tập số 1 (phần 2):

• Giữ vật 60 N cách O 0,1 m. Lần lượt đặt lực kế ở vị trí cách O 0,3 m; 0,05 m; 0,4 m và đọc số lực giữ đòn nằm ngang.
• Tính moment $M = F \times d$ của hai lực trong mỗi lần thí nghiệm.
• Nhận xét mối quan hệ giữa lực và cánh tay đòn khi đòn cân bằng.
  Câu hỏi GV đặt ra: Khi đòn cân bằng, moment của vật và moment của lực tay có quan hệ thế nào? Nếu tăng cánh tay đòn của lực tay thì lực cần thay đổi ra sao?

Kết quả ghi trong Phiếu học tập số 1 (phần 2):

• Cách O 0,3 m: lực 20 N; moment vật $60 \times 0{,}1 = 6$ N·m; moment lực tay $20 \times 0{,}3 = 6$ N·m.
• Cách O 0,05 m: lực 120 N; moment $120 \times 0{,}05 = 6$ N·m.
• Cách O 0,4 m: lực 15 N; moment $15 \times 0{,}4 = 6$ N·m.
  Kết luận: khi đòn cân bằng, moment của hai tác dụng quay bằng nhau, $F_1 d_1 = F_2 d_2$ (bỏ qua trọng lượng đòn và ma sát). Cánh tay đòn càng dài thì lực cần càng nhỏ.

Giải thích được lợi về lực; phân biệt được lợi về lực với lợi về dịch chuyển, nhận ra vì sao không phải đòn bẩy nào cũng lợi về lực.

HS thực hiện trên mô phỏng và thảo luận theo cặp:

• Tính tỉ số lợi về lực $\dfrac{60}{20} = 3$ khi vật 60 N, lực tay 20 N.
• Đặt O ở đầu đòn, vật ở giữa, kéo lên ở vị trí xa hơn: quan sát và nhận xét lực cần.
• Đưa tay vào giữa O và vật như cái nhíp: đo lực cần và so sánh độ dịch chuyển của đầu vật với đầu tay.
  Câu hỏi GV đặt ra: Lợi về lực có nghĩa là gì? Nhíp gắp có nhất thiết lợi về lực không?

Lợi về lực: dùng cánh tay đòn của lực tác dụng dài hơn cánh tay đòn của vật thì có thể giảm lực cần. Trong thí nghiệm đầu, $60 : 20 = 3$ nên lợi 3 lần về lực.
Trường hợp O ở đầu đòn, vật ở giữa: vẫn lợi về lực (đòn bẩy loại 2) vì tay ở xa điểm tựa hơn vật.
Trường hợp nhíp (tay đặt giữa O và vật): lực cần khoảng 120 N, tức thiệt về lực; đổi lại đầu vật đi xa gấp đôi đầu tay, lợi về dịch chuyển và độ linh hoạt.
Kết luận: không nhất thiết lợi về lực; phải xác định điểm tựa, vị trí lực và vật trước khi kết luận.

Vận dụng được khái niệm điểm tựa, cân bằng moment, lợi về lực để trả lời trắc nghiệm và giải bài tập tính lực.

HS làm Phiếu học tập số 2 theo nhóm đôi, gồm các câu:

• Câu 1: Trong bài này, điểm tựa có đặc điểm nào? A. chỉ có ở cần cẩu; B. trục hoặc vị trí để đòn bẩy quay quanh; C. luôn ở chính giữa mọi đòn bẩy.
• Câu 2: Cân bằng moment có đặc điểm nào? A. hai lực luôn bằng nhau dù cánh tay khác; B. chỉ cần hai vật cùng màu; C. hai tác dụng quay đối nhau có $F_1 d_1 = F_2 d_2$ khi bỏ qua yếu tố khác.
• Câu 3: Vật 60 N cách điểm tựa 0,1 m, lực tay ở phía kia cách điểm tựa 0,2 m để cân bằng thì lực tay bằng bao nhiêu? Chiều lực tay như thế nào?
• Câu 4: Đúng hay sai: “Mọi đòn bẩy đều làm lực tay nhỏ hơn lực tác dụng lên vật.”

Đáp án:

• Câu 1: B. Điểm tựa là trục hoặc vị trí để đòn bẩy quay quanh.
• Câu 2: C. Cân bằng moment: hai tác dụng quay đối nhau có $F_1 d_1 = F_2 d_2$ khi bỏ qua yếu tố khác.
• Câu 3: Moment vật $60 \times 0{,}1 = 6$ N·m. Lập $F \times 0{,}2 = 6$ nên $F = 30$ N. Lực tay hướng xuống ở phía bên phải để tạo tác dụng quay ngược với vật; hai lực không cần ngược hướng.
• Câu 4: Sai. Lợi lực phụ thuộc vào vị trí các cánh tay đòn; có đòn bẩy không lợi về lực.

Vận dụng kiến thức về điểm tựa và lợi về lực để phân tích một dụng cụ đòn bẩy trong thực tế, nhận biết dụng cụ lợi về lực hay lợi về dịch chuyển.

GV nêu nhiệm vụ: Chọn một trong bốn dụng cụ (xà beng, kìm, nhíp gắp, kéo) và trả lời:

• Điểm tựa nằm ở đâu? Vị trí lực tay và vị trí vật ở đâu?
• Dụng cụ này lợi về lực hay lợi về dịch chuyển/độ linh hoạt? Vì sao?
• Nếu muốn giảm lực cần thiết khi dùng dụng cụ này, có thể làm gì?
  Bài có thể hoàn thành ở nhà nếu không đủ thời gian trên lớp.

Ví dụ với xà beng: điểm tựa là chỗ kê xà beng lên vật hoặc bệ đỡ; tay ấn ở đầu dài, cách điểm tựa xa hơn vật nên lợi về lực; muốn giảm lực thì tăng khoảng cách từ tay đến điểm tựa hoặc đặt điểm tựa gần vật hơn.
Ví dụ với nhíp gắp: điểm tựa ở chỗ hai nhánh nối với nhau; tay và vật nằm cùng phía, tay gần điểm tựa hơn vật nên thường thiệt về lực nhưng lợi về độ linh hoạt và dịch chuyển đầu gắp.
Kết luận chung: đòn bẩy không nhất thiết lợi về lực; phải xác định điểm tựa, vị trí lực và vật trước khi kết luận.