Giáo án vật lý - Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định

Bài 1. CHUYỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT RẮN QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH. I.Mục tiêu: 1) Kiến thức: - Hiểu được các khái niệm: tọa độ góc, tốc độ góc, gia tốc góc. - Viết được các phương trình của chuyển động quay Bàiến đổi đều. - Nắm vững công thức liên hệ giữa tốc độ góc, tốc độ dài, gia tốc góc, gia tốc dài của một điểm trên vật rắn. 2) Kĩ năng: - Bàiết vận dụng các công thức của chuyển động thẳng Bàiến đổi đều để lập các phương trình động học của chuyển động quay. - Giải được các bài toán áp dụng nội dung bài học. II. Chuẩn bị: 1) GV: - Vẽ trước hình vẽ của SGK. - Một mơ hình vật rắn quay quanh một trục cố định. 2) HS: - Có đủ SGK. - Ôn tập phần: Động học chất điểm lớp 10. III. Tổ chức các hoạt động dạy học: Tiết 1. Hoạt động 1: (5’) TÌNH HUỐNG HỌC TẬP. Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nu hai cu hỏi gợi ý, xy dựng nội dung cần thực hiện của Bài. H1. Có thể khảo sát chuyển động tịnh tiến của một vật thế nào? Vì sao? Cho HS quan st mơ hình một vật rắn quay quanh một trục cố định. H2. Khảo sát chuyển động quay của vật rắn bằng cách nào? Giới thiệu nội dung cần tìm hiểu. Thảo luận, trả lời nội dung cu hỏi: + Chỉ cần khảo sát chuyển động tịnh tiến của một điểm bất kì trn vật. Vì khi vật chuyển động tịnh tiến, mọi điểm trên vật có quỹ đạo giống hệt nhau. + Trao đổi và trả lời: - Xác định các đại lượng đặc trưng cho chuyển động quay. - Qui luật của chuyển động và liên hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động. Hoạt động 2. (10’) TÌM HIỂU KHI NIỆM TỌA ĐỘ GÓC. Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung Bài học Sau khi cho HS xem mơ hình vật rắn quay quanh một trục, nu v phn tích khi HS trả lời bằng cu + Quan st thm hình (1.1)-SGK. Trả lời cu 1) Tọa độ góc: Chuyển động quay quanh một trục hỏi gợi ý: H1 (hình 1.1) Khi vật quay quanh trục Az thì cc điểm M, N trên vật sẽ chuyển động thế nào? H2 Trong cùng một khoảng thời gian, góc quay của các điểm M, N khác nhau trên vật có giá trị thế nào? H3 Khi quay, vị trí của vật có thể xác định bằng đại lượng nào? Giảng nội dung: Khái niệm tọa độ góc  với điều kiện phải chọn một chiều dương và một mp mốc (Po), một mp(P) gắn liền với vật chuyển động quay. H4 Khi vật rắn quay quanh trục, vật rắn thế no? Sự Bàiến thin của gĩc  theo thời gian cho ta Bàiết gì về chuyển động quay của vật?  giới thiệu tọa độ góc . hỏi. -Nội dung trả lời phải trng với nội dung SGK trình by. -Phải phát hiện 2 đặc điểm của chuyển động. + Tìm hiểu vị trí gĩc  giữa hai mp(Po) cố định và mp(P) di động. -Thảo luận, tìm hiểu được: +  thay đổi theo thời gian khi vật quay. + Dng gĩc  để xác định vị trí của vật vào một thời điểm bất kì. bất kì cố định của một vật rắn có hai đặc điểm: -Mỗi điểm trên vật vạch nên một đường trịn nằm trong mp vuông góc với trục quay, tâm trên trục quay bán kính bằng khoảng cách từ điểm đó đến trục quay. -Mọi điểm trên vật đều quay được cùng một góc trong cùng một khoảng thời gian. -Vị trí của vật tại mỗi thời điểm được xác định bằng góc  tạo bởi một mp động (P) và mp(Po) cố định (gọi là toạ độ góc) -Sự Bàiến thin của gĩc  theo thời gian cho ta Bàiết qui luật chuyển động quay của vật. Hoạt động 3. (10’) Tìm hiểu khi niệm TỐC ĐỘ GÓC. Cu hỏi gợi ý: H1 Để đặc trưng cho mức độ nhanh hay chậm của chuyển động tính tiến, ta dùng khái niệm gì? Mức độ nhanh, chậm của chuyển động quay dùng khái niệm gì đặc trưng? H2 Thế nào là tốc độ góc trung bình? Tốc độ góc tức thời? -Hướng dẫn HS xây dựng từ tốc độ trung bình, tức thời của chuyển động thẳng. -Nu cu hỏi C2 SGK. H3 Hy so snh tốc độ góc của các điểm A, B … trên vật cách trục quay khoảng r1, r2 … (cu hỏi ny nu sau khi HS trả lời cu hỏi C2 SGK) -Thảo luận nhĩm. +Với chuyển động tịnh tiến: dùng tốc độ dài  tọa độ dài x.  Chuyển động quay có vị trí xác định bằng tọa độ góc.  Dùng tốc độ góc để đặc trưng. -Xy dựng tb; tt theo SGK. -Phát Bàiểu định nghĩa: SGK. +Thảo luận nhĩm, trả lời cu hỏi C2. -Tìm gĩc quay ứng với 450 vịng:  = 2.450 -Tìm thời gian quay 450 vịng: t = 1’ = 60” -Tìm 47 /rad s t        -Xác định A = B = … Vì A = B = … tA = tB = … 2) Tốc độ góc: Đại lượng đặc trưng cho mức độ quay nhanh, chậm của vật rắn. Thời điểm t  gĩc . Thời điểm t + t     a) Tốc độ góc trung bình: tb t      b) Tốc độ góc tức thời: 0 lim t d t dt          c) Định nghĩa tốc độ góc tức thời: là đại lượng đặc trưng cho mức độ nhanh hay chậm của chuyển động quay của vật rắn quanh một trục ở thời điểm t và được xác định bằng đạo hàm của toạ độ góc theo thời gian. d) Đơn vị: rad/s Hoạt động 4. (15’) Tìm hiểu KHI NIỆM GIA TỐC GĨC. -Cu hỏi gợi ý: H1 Khi vật rắn quay không đều, tốc độ góc thay đổi. Để đặc trưng cho sự Bàiến thiên nhanh hay chậm của tốc độ góc, ta đưa ra khái niệm gì? H2 Thế no l gia tốc gĩc trung bình? Gia tốc gĩc tức thời? Cĩ phải dấu của gia tốc gĩc cho ta Bàiết vật rắn quay nhanh dần hay chậm dần khơng? -Nu cu hỏi C3 (SGK) -Trả lời cu hỏi gợi ý: +Cơ sở gia tốc atb, att của chuyển động thẳng  gia tốc gĩc trung bình, gia tốc gĩc tức thời. -Thảo luận nhĩm, trả lời C3. Phn tích: o = 0. Sau t = 2s:  = 10rad/s Tìm 20 5 /tb rad st        3) Gia tốc gĩc: +Thời điểm t, vận tốc góco +Thời điểm t + …o+ a) Gia tốc gĩc trung bình: tb t      b) Gia tốc gĩc tức thời: 0 lim t d t dt          -Định nghĩa: là đại lượng đặc trưng cho sự Bàiến thin của tốc độ góc ở thời điểm t và được xác định bằng đạo hàm của tốc độ góc theo thời gian.. -Đơn vị: rad/s2 Hoạt động 5. (5’) Củng cố: GV nêu câu hỏi để HS vận dụng nội dung bài học: H1. Vị trí của một vật rắn quay quanh một trục cố định xác định bằng đại lượng nào? H2. Phát Bàiểu định nghĩa và viết Bàiểu thức: - Tốc độ góc trung bình, tốc độ góc tức thời. - Gia tốc gĩc trung bình, gia tốc gĩc tức thời. H3. Nêu sự tương ứng giữa các đại lượng góc trong chuyển động quay và các đại lượng dài trong chuyển động thẳng. Tiết 2. Hoạt động 1. (15’) Thông tin về: PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CHUYỂN ĐỘNG QUAY. Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung -Hướng dẫn HS tìm hiểu sự tương ứng giữa các đại lượng góc trong chuyển động quay và đại lượng dài trong chuyển động thẳng thông qua bảng 1.1- SGK. -Nu cu hỏi gợi ý: H1 Xét hai dạng chuyển động quay của vật rắn có: -Tốc độ góc không đổi. -Gia tốc góc không đổi. Nêu tính chất của hai loại -Tìm hiểu nội dung của bảng 1.1 Thảo luận nhĩm. -Trả lời cu hỏi H1: +  không đổi: vật chuyển động quay đều. +  không đổi: chuyển động quay không đều, quay Bàiến đổi đều. -Thảo luận nhĩm, nhớ lại: 4) Các phương trình động học của chuyển động quay: Hai trường hợp: 1.Chuyển động quay đều: ( = hằng số) + Chọn t =0 lc mp(P) lệch mp(Po) gĩc o. o: tọa độ góc lúc t = 0. + Tọa độ góc vào thời điểm t:  = o + t chuyển động trn. H2 Trong hai trường hợp của chuyển động thẳng đều, thẳng Bàiến đổi đều, các pt có dạng thế nào? Hy suy ra cc pt chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định. H3 So snh dấu của  trong hai trường hợp: -Quay nhanh dần. -Quay chậm dần. *Cần lưu ý: xt dấu của  v  mới xác định tính chất của chuyển động. +Thẳng đều: v = hs. x = xo + vt +Thẳng Bàiến đổi đều: a = hs. v = vo + at 2 0 0 2 2 0 2 2 atx x v t v v as       Các phương trình cho chuyển động quay. -Trả lời H3. 2.Chuyển động quay Bàiến đổi đều:  = hằng số.   0 2 0 2 2 0 0 2 2 t tt                     +  v  cng dấu: . > 0: quay nhanh dần. +  v  tri dấu: . < 0: quay chậm dần. Hoạt động 2. (20’) Thơng tin về: VẬN TỐC VÀ GIA TỐC CỦA ĐIỂM TRÊN VẬT QUAY Nu cu hỏi gợi ý: H1 Nhắc lại công thức liên hệ giữa tốc độ góc và tốc độ dài của một điểm chuyển động trên quỹ đạo -Trả lời cu hỏi gợi ý. -Từ chuyển động trịn đều, 1) Tốc độ dài của một điểm chuyển động trên quỹ đạo trịn: v = r. 2) Vật quay đều. v  của mỗi điểm chỉ thay đổi hướng, độ lớn không trịn bn kính r. H2 Khi vật rắn quay đều, mỗi điểm trên vật chuyển động với vận tốc, gia tốc có hướng và độ lớn thế nào? H3 Khi vật rắn quay không đều, vectơ a  của các điểm trên vật có hướng thế nào? H4 Khi vectơ gia tốc a  của điểm trên vật tạo với bán kính một góc , tìm độ lớn vectơ a  thế no? -Hướng dẫn HS phân tích hình 1.6. H5 Tổng hợp hai thnh phần của a  , ta được a  có HS nhắc lại cc cơng thức : 2 2 n v r va r r      -Thảo luận nhóm. Vẽ các vectơ ov  v v  ở hai thời điểm to, t bất kì  a  hướng vào bề lm quỹ đạo. -Phn tích hình 1.6. -Thảo luận nhĩm, suy tìm kết quả. đổi. Mỗi điểm của vật có gia tốc hướng tâm: 2 2 n va r r   3.Vật rắn quay không đều: mỗi điểm chuyển động trịn khơng đều. a  : hướng vào bề lm quỹ đạo tạo với bán kính góc . -Phn tích n ta a a     + na v   : đặc trưng sự thay đổi về hướng của v  : gia tốc p tuyến. 2 2 n va r r   + ta  có phương của v  : đặc trưng cho sự thay đổi về độ lớn của v  : gia tốc tiếp tuyến.  ' ' 'ta v r r    Hay ta r +Độ lớn gia tốc a: 2 2n ta a a  + Hướng của a  : tạo một gĩc  với bn kính: độ lớn v hướng xác định thế nào? 2tan t n a a      Hoạt động 3. (10’) Củng cố - Dặn dị: 1) Cho HS tự giải Bài tập trắc nghiệm số 2 SGK trang 9. 2) Gọi 2 HS ln bảng giải dồng thời hai Bài tốn: Bài 1. Một cánh quạt dài 20cm. Tốc độ dài của một điểm ở vành cánh quạt bằng 15m/s, nó quay với tốc độ góc bao nhiêu? Bài 2. Một cánh quạt quay với tốc độ góc không đổi bằng 94rad/s. Tốc độ dài của một điểm ở vành cánh quạt bằng 18,8m/s. Cánh quạt có chiều dài bao nhiêu? 3) Chuẩn bị: - Giải Bài tập 5, 6, 7, 8 SGK. - Xem lại Bài Momen lực SGK lớp 10. IV. Rt kinh nghiệm.