Tài liệu Skkn phân tích lực trên hình vẽ để giải các bài tập liên quan đến máy cơ ròng rọc ở chương trình vật lý thcs

PHÂN TÍCH LỰC TRÊN HÌNH VẼ ĐỂ GIẢI CÁ C BÀ I TẬP LIÊN QUAN ĐẾN MÁ Y CƠ RÒNG RỌC Ở CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ THCS A. MỞ ĐẦU. Trong qúa trình giảng dạy học sinh, đặc biệt là bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lý tôi thấy học sinh rất lúng túng trong việc xác định, phân tích và tìm mối liên hệ giữa các lực trong những bài tập liên quan đến máy cơ ròng rọc. Tôi đã tìm tòi suy nghĩ và rút ra được một số kinh nghiệm trong khi giải các bài tập. Nội dung của bài viết này nhằm ôn lại những kiến thức đã học, rèn luyện kỹ năng giải các bài tập vật lý giúp học sinh (đặc biệt là học sinh giỏi) có thêm những kinh nghiệm trong giải bài tập vật lý nâng cao có liên quan đến ròng rọc bằng phương pháp phân tích lực trên hình vẽ. Nội dung được chia làm 3 phần: Phần I: Các bài tập liên quan đến ròng rọc cố định. Phần II: Các bài tập liên quan đến ròng rọc động. Phần III: Các bài tập kết hợp giữa ròng rọc cố định, ròng rọc động và các máy cơ đơn giản khác. Trong mỗi phần có phần lý thuyết và bài tập. Phần lý thuyết giúp các em nhớ lại những công thức và những vấn đề chung. Phần bài tập nhằm rèn luyện kỷ năng giải và tìm ra những phương pháp giải cho những bài tập tương tự. Những bài tập trong mỗi phần được trình bày từ mức độ đơn giản đến khó. Sau nhưng bài tập đó có các bài tập tương tự giúp học sinh tự rèn luyện kỹ năng và tự kiêm tra mức độ tiếp thu kiến thức. B. NỘI DUNG. 1 Kiến thức cơ bản về lực(đối với học sinh THCS). Lực là một đại lượng vecto biểu diễn bằng một mũi tên có: + Gốc là điểm đặt của lực. + Phương, chiều trung với phương chiều của lực. + Độ dài biểu thị cường độ của lực theo tỷ lệ xích cho trước. Hai lực cân bằng là hai lực cùng điểm đặt trên một vật, cùng cường độ có phương nằng trên cùng một đường thẳng, chiều ngược nhau. Tác dụng của hai lực cân bằng lên cùng một vật đang chuyển động: Dưới tác dụng của các lực cân bằng, một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, một vật chuyển động thẳng đều sẽ chuyễn động thẳng đều. N Hình vẽ biểu diễn hai lực cân bằng:  I. P CÁ C BÀ I TẬP LIÊN QUAN ĐẾN RÒNG RỌC CỐ ĐỊNH. 1. Lý thuyết: Ròng rọc cố định làm đổi hướng lực kéo, không H.1 có lợi về lực và công. Ví dụ: Khi treo vật như hình 1. Vật A chịu tác dụng của các lực là: trong lực P có phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống dưới và lực căng dây T có phương thẳng đứng,chiều từ T  · Fk dưới lên trên. Ta biểu diễn các lực như hình vẽ(H.1). Khi vật đứng yên hay chuyển động đều thì trọng lực P có độ lớn bằng P lực căng day T tức P = T(Tổng lực hướng lên trên bằng hợp lực hướng xuống dưới). Khi đó ta phải tác dụng vào đầu dây B một lực có độ lớn bằng lực căng dây T: FK = T hay Fk = P. Sau đây là một số bài tập áp dụng theo mức độ tăng dần tính phức tạp nhằm mục đích rèn luyện tư duy và kỷ năng của học sinh: 2 (Các bài tập được bỏ qua khối lượng của ròng rọc) 2. Bài tập. Bài tập 1: Vật A có khối lượng mA = 0,2Kg được treo vào một ròng rọc cố định như hình vẽ. Tínhlực kéo đầu B để vật đứng yên. H.1’ Lời giải. Để giữ vật A đứng yên cần phải tác dụng lên đầu dây B một lực FB sau cho: FB = PA Hay FB = 10.mA = 10.0,2 = 2(N). T FB  A Vậy cần tác dung lên đầu B một lực 2N thì vật A đứng yên. P Bài tập 2: Vật A được mắc vào ròng rọc như hình vẽ. Vật A có khối lượng m = 0,2(Kg), thể tích V = 0,1.10-3 m3. Tính lực keo đầu dây B để vật A đứng yên khi nhúng vật A ngập trong nước.(dnước = 104N/m3). Phân tích: Khi vật A nhúng ngập trong nước thì vật A chịu tác dụng của các lực: Trọng lực P, lực đẩy Acsimet F, lực căng dây T. Ta biểu diễn các lực như hình vẽ(H.2). Khi vật A đứng yên hoặc chuyển động đều ta có: F T + F = P => T = P – F. Để vật A đứng yên phải T FK  tác dụng lên đầu dây B một lực Fk = T hay Fk = P – F Lời giải: Các lực tác dụng lên vật A là trọng lực P, P lực đẩy Acsimet F và lực căng dây T. Khi vật A đứng yên ta có T + F = P => T = P – F = 10mA – V.dn hay T = 10 . 0,2 – 0.1 . 10-3. 104 =1(N) H.2 Bài tập 3: Hai vật có khối lượng m1 = 1,5(Kg) và m2 = 1(Kg) được treo vào hai đầu sợi dây vắt qua một ròng rọc cố định vật m1 tì lên sàn. Hảy xác định áp lực do m1 ép lên sàn. 3 Phân tích. Các lực tác dụng lên m1 là: Trọng lực P1 có phương H.3 N T1  thẳng đứng và chiều xuống dưới, lực căng dây T1 và m2 phản lực N có phương thẳng đứng và chiều lên trên. Ta m1  T2 P2 biểu diễn các lực trên hình vẽ(H.3). Khi vật m1 đứng yên thì: N + T1 = P1  T1=P1 – N P1 Tại vât m2 chịu tác dụng của lực căng dây T2 có phương thẳng đứng chiều lên trên, trọng lực P2 có phương thắng đứng, chiều xuống dưới. Khi vật m2 đứng yên thì: P2 = T2. Khi hệ cân bằng thì T1 = T2  P1 – N = P2  N = P1 – P 2. Phẩn lực tác dụng lên vật có độ lớn bằng áp lực của vật tác dụng lên sàn: F = N  F = P1 – P2. Lời giải: Gọi P1, P2 là trọng lực của vật m1 và m2, T1, T2 là lực căng dây, N là phản lực của sàn tác dụng lên vật. Để m1 đứng yên thì: T1 = P1 – N. Để m2 đứng yên thì T2 = P2. Khi hệ cân bằng thì T1 = T2  P1 – N = P2 =>N = P1 – P2. Gọi F là áp lực của vật tác dụng lên sàn ta có F = N hay F = P1 – P2 = 10m1 – 10m2 = 10.1,5 – 10.1 =5(N). Bài tập tương tự: Cho hệ vật như hình vẽ với m1 = m2 = 1,5(Kg), vật m2 có thể tích V2 = 0,05. 10-3 m3. Vật m1 được đặt trên sàn. Hãy xác định áp lực của m2 tác dụng lên sàn. m1 (dnước = 104N/m3) H.4 m2 4 Fk II. CÁC BÀ I TẬP LIÊN QUAN ĐẾN RÒNG RỌC ĐỘNG. 1. Lý thuyết: Dùng ròng rọc động có lợi hai lần về lực thì thiệt hai T1 H.5 lần về đường đi, không có lợi về công. Khi treo vật vào ròng rọc động như hình vẽ. Vật chịu tác dụng của hai lực trọng lực P có phương thẳng đứng và T  chiều hướng xuống dưới, lực căng dây T có phương thẳng đứng và chiều hướng lên trên ta biểu diễn các lực trên hình P vẽ. Khi vật A chuyển động đều hoặc đứng yên thì P = T với T = 2T1 => T1= P 2 . Khi đó lực kéo dây ở đầu B là Fk =T1hay Fk = P 2 . Nếu gọi s là quảng đường vật A đi được thì quảng đường đi của đầu dây B là s’: s’ =2s. Khi đó công A để kéo vật A là: A = Fk.s’ = P.s 2.Bài tập. Bài 1. Vật có khối lượng m = 1(Kg). Mắc vào một sợi dây vắt qua ròng rọc như H.5 . Tính lực kéo đầu B để vật A đứng yên. Giải: Vật A mắc vào một ròng rọc động nên lực kéo tác dụng lên đầu B là: Fk = P 2 hay Fk = 10m A = 10.1 5( N ) . 2 2 Bài 2.(bài tập tương tự). Vật A có khối lượng m = 1(Kg), thể tích V = 0,2.10-3 m3 được vắt qua ròng rọc như bài tập 1. Tính lực kéo đầu B để vật A đứng yên khi nhúng vật A ngập trong nước. III. CÁ C BÀ I TẬP KẾT HỢP GIỮA RÒNG RỌC CỐ ĐỊNH VÀ RÒNG R ỌC ĐỘNG. 1.Lý thuyết: 5 Hệ ròng rọc là kết hợp giữa ròng rọc cố định và ròng rọc động với mục đích làm đổi hướng của lực kéo và giảm về độ lớn của lực. Có các dạng thường gặp như sau: Dạng 1: Vật được mắc vào hệ ròng rọc như hình 6: Bài 1: Cho hệ ròng rọc như hình vẽ, mA = 0,3(kg). Tính lực kéo đầu dây B để vật chuyển động đều đi lên. T’ H.6 Tính công kéo khi vật chuyển động được quảng đường h =2cm. Phân tích:Hợp lực tác dụng lên vật A là lực căng dây T và trọng B lực P biểu diễn như trên hình vẽ. Khi vật A cân bằng thì PA =T Fk với T = 2T’ =>PA = 2T’. Gọi FK là lực kéo đầu B để vật A chuyển động đều đi lên khi đó: FK = T’ => FK = PA 2 T  A PA . Giải: Lực kéo đầu B để vật chuyển động đi lên là: Fk = P A = 10.m A 10.0,3 1,5( N ) . 2 2 2 Công kéo vật A khi vật đi lên 2cm là: A=P . h =3.2. 10-2 =6.10-2(J). Bài 2. Cho hệ ròng rọc như hình vẽ. Vật A có khối lượng m = 2(Kg). Hỏi lực kéo đầu B là bao nhiêu để vật A chuyển động đều đi lên. Muốn vật A đi lên 4 cm T2 thì tay phải kéo đầu dây đi bao nhiêu cm. Tính công H.7 thực hiện lúc đó. B Giải: Vật A chịu tác dụng của lực căng dây T, trọng lùc P ®îc biÓu diÔn nh trªn h×nh vÏ. Khi vËt A c©n Fk T1 bằng thì T = PA mà T = 2T1, T1 =2T2=> T2= PA 4 . Khi vật A chuyển động đều cần phải kéo đầu B một lực Fk sao cho: Fk =T2=>Fk = PA 4  T PA Thay m = 2(Kg) ta có: 6 FK = 10.2 4 5( N ). Vật A đi lên một đoạn s= 4cm thì đầu dây B phải chuyển động một đoạn S’ = 4s = 4.4 = 16 (cm). Công thực hiện là A=Fk.s’ =5.16 .10-2 = 0,9(N). Bài tập tương tự: Bài 1: Vật A được mắc vào hệ ròng rọc như hình 7. nhưng vật A được nhúng vào trong nước biết VA = 0,4.10-3 m3. Tính lực kéo đầu B để A đứng yên. Bài 2: Cũng như yêu cầu trên ta có thể mở rộng hệ ròng rọc như sau: H.7’ Tổng quát: Lực kéo dây Fk = P (n là số ròng rọc động). 2n Dạng 2: Vật được treo vào một Palăng(H8): Bài tập 1: Cho hệ ròng rọc như hình vẽ. Vật A có khối lượng mA= 5(Kg). Tính lực kéo đầu dây để vật A cân bằng. T1 T2 T3 T4 H.8 Lời giải: Vật A chịu tác dụng của trọng lực P và lực căng dây T và T’. Biểu diễn các lực trên hình vẽ Ta có: Khi vật A cân bằng thì T + T’= P mà T Fk T’  7 T = T1 + T2, T’ = T3 + T4 => T1 + T2 + T3 + T4 = P Với T1 = T2 = T3 = T4 = Fk => Fk = Thay số: MA = 5 (Kg) ta có Fk = PA P 4 10m A 10.5 = =12,5 (N). 4 4 Bài tập tương tự: Có thể mở rộng cho học sinh hệ ròng rọc với nhiều ròng rọc động và cố định … như sau: Với yêu cầu tính hợp lực tác dụng lên giá treo hoặc tính lực keo đầu B Tổng quát: Lực kéo đầu B là Fk = P 2.n B H.9 (n là số ròng rọc động) Dạng 3: Vật được mắc vào ròng rọc như H.10. Bài tập: Cho hệ ròng rọc như hình vẽ. Biết Khối lượng của vật là m tính lực kéo đầu A khi vật H.10 Cân bằng. T1 T2 Lời giải: Vật M chịu tác dụng bởi các lực: Trọng lực T3 Fk P và lực căng dây T. Ta biểt diễn các lực lên hình vẽ. Khi vật M cân bằng: T = P với T = T1 + T2 + T3 trong đó T1 = T2 = T3 = Fk => Fk P = 3 Bài tập tương tự: T  P Vật được mắc vào hệ ròng rọc sau: Tính lực kéo đầu B để hệ cân bằng. H.11 8  P Dạng 4: Vật được mắc vào hệ ròng rọc như H.12. Bài tập: Cho hệ ròng rọc như hình vẽ. Vật A và B có khối lượng m1 và m2. Tìm mối quan hệ giữa m1 và m2 để hệ cân H.12 bằng. Lời giải: Vật A chịu tác dụng của các lực: Trọng lực PA Lực căng dây T1. ở vị trí cân bằng thì: T1 T1 PA = T1(ta biểu diễn các lực như hình vẽ). Vật B chịu tác dụng của các lực: A  Trọng lực PB và lực căng dây T2 khi cân bằng: T2 =PB với T1 = 2T2  T1 =2PB  PA =2PB  mA = 2mB T2 B PA PB Bài tập tương tự: Bài 1: Cho hệ như hình vẽ. Tính khối lượng vật M để hệ H.13 cân bằng, với khối lượng của tấm ván là m = 20(kg). Bài 2: Một người đứng trên một tâm ván được treo vào hệ ròng rọc như hình vẽ. Trọng lượng của người là P1 =600(N) và trọng lượng của ván là P2 = 300(N). Hỏi người đó kéo dây với lực là H.14 bao nhiêu để tấm ván đứng yên. Hướng dẫn: Người đó kéo dây bằng lực T2 nên người đó đè T1 T2 T2 9 lên tâm ván một lực có độ lớn: P1 – T2 Các lực tác dụng lên tâm gổ gồm: - Trọng lực tấm gỗ P2. - Lực đè lên tâm ván của người P1 – T2 - Sức căng dây T1, T2 với T1 = 2.T2. P2 P1 Khi thanh cân băng: P2 + (P1 – T2) = T1 + T2 <=> P1+ P2 = 4.T2 => T2 = P 1  P 2 4 Dạng 5: Bài tập liên quan đến đòn bẩy. Cho hệ thống cân bằng như hình vẽ. Khối lượng của vật là M, khối lượng của thanh là M’. Biết thanh AB nằm ngang. Tìm T’ mối quan hệ giữa M và M’ để hệ cân bằng. A Lời giải: Vật M chịu tác dụng của các lực trọng lực P, lực căng dây T với P = T trong đó T = 2T’. T M Thanh M’ chịu tác dụng của các lực: Trọng lực P’ lực căng dây T’. Khi hệ cân bằng T’. AB = P’. M’ AB 2 P’  B H.15 P  P 2 . AB =P’. AB 2 <=> P = P’ hay M = M’. III.KẾT LUẬN: Trên dây là phương pháp phân tích lực để giải các bài tập về máy cơ đơn giản là ròng rọc. Trong quá trình giảng dạy khi chưa vận dụng phương pháp này tôi thấy học sinh rất lúng túng trong khi giải bài tập về ròng rọc. Nhưng từ khi tôi vận dụng phương pháp này vào giảng dạy, hướng dẫn cho học sinh thi tôi thấy các em tiếp thu rất nhanh, vận dụng vào giải các bài tập rất hiệu quả. Cụ thể, tôi chọn ra 10 học sinh bồi dưỡng thì có 9 học sinh làm bài rất tốt đạt từ 8 đến 10 điểm, 1 học sinh đạt 7 điểm. 10 Tuy nhiên trong bài viết này dù rất cố gắng nhưng không thể không thiếu sót, mong các đồng nghiệp góp ý để ngày càng hoàn thiện hơn. IV. ĐỀ XUẤT KIẾN NGHỊ - Trong quá trình công tác tôi thấy Sở GD - ĐT và phòng GD thường tổ chức các đợt bồi dưỡng thường xuyên cho giáo viên nhưng ít thấy tổ chức chuyên đề bồi dưỡng về phương pháp giải các dạng bài tập vật lý cho giáo viên. Nên tôi thiết nghĩ các cấp có thẩm quyền tạo điều kiện cho giáo viên tham gia các buổi bồi dưỡng về phương pháp để nâng cao nhận thức, trau dồi chuyên môn nghiệp vụ để giảng dạy có hiệu quả hơn. - Vì mỗi sáng kiến là một tài liệu rất quan trọng nên tôi nghỉ rằng nếu Sở và Phòng sau mỗi năm nên lựa chọn các sáng kiến tiêu biểu trong tĩnh cũng như ngoài tĩnh in thành sách phát cho giáo viên làm tài liệu học tập cho mình. 11