Giáo án vật lý - Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định

Bài 2. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA VẬT RẮN QUAY QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH I. Mục tiêu: 1) Kiến thức: - Viết được công thức tính momen quán tính của một vật rắn đối với một trục quay và nêu được ý nghĩa của đại lượng này. - Hiểu được cách xây dựng phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định và viết được phương trình M = I. 2) Kĩ năng: - Vận dụng kiến thức về momen quán tính để giải một số hiện tượng vật lí liên quan đến chuyển động quay của vật rắn. - Giải tốt các bài toán cơ bản về chuyển động quay của vật rắn. II. Chuẩn bị: 1) Gio vin: Dng cc VD trong thực tế thơng qua cc hình vẽ, tranh ảnh minh họa về chuyển động quay của vật rắn để khai thác kiến thức có liên quan đến bài học. 2) Học sinh: Ôn tập kiến thức vật lí lớp 10: momen lực, khối lượng, phương trình động lực học của chất điểm. III. Tổ chức các hoạt động dạy học: Hoạt động 1. (5’) Kiểm tra. GV nu nội dung kiểm tra: H1. Viết các pt của chuyển động quay Bàiến đổi đều của vật rắn quanh một trục cố định. p dụng: Giải Bài tập số 5, SGK trang 9. H2. Viết pt động lực học của chất điểm. Nêu ý nghĩa của các đại lượng trong phương trình. HS trả lời v giải Bài tốn trn bảng. Cả lớp theo di v nhận xt. Hoạt động 2. (25’) Tìm hiểu Mối lin hệ giữa gia tốc gĩc v momen lực. Hoạt động của GV Hoạt động của HS Nội dung - Nêu vấn đề: Trong chuyển động của chất điểm, gia tốc của chất điểm và lực tác dụng có mối liên hệ được diễn tả bằng định luật II Niutơn Fa m   . Trong chuyển động quay của vật rắn, giữa gia tốc góc và momen lực có mối liện hệ thế nào? - Nu cc cu hỏi gợi ý để HS phát hiện vấn đề. H1 Tác dụng lực lên vật rắn để vật quay -Phn tích tìm hiểu lại nội dung phương trình: Fa m   - Thảo luận nhĩm, trả lời H1: Để vật quay càng mạnh: + Tăng dần độ lớn của lực. + Thay đổi sao cho phương của lực không qua trục quay 1) Momen lực đối với một trục quay. M = F.d d(m): tay địn của lực. F(N): lực tc dụng M (N.m) M > 0: nếu cĩ tc dụng lm vật quay theo chiều (+). M < 0:… ngược lại. 2) Mối lin hệ giữa gia tốc gĩc v momen lực: M : tổng cc momen lực tc quanh một trục cố định, ta có thể thay đổi các yếu tố nào để vật quay càng mạnh? GV hướng dẫn HS trả lời câu hỏi C1 (bằng nội dung cu hỏi H1) - Cho HS xem mơ hình theo hình 2.1. Giới thiệu chi tiết v cho quả cầu quay để HS quan sát. Nêu câu hỏi gợi ý: H2. Vì sao khơng quan tm đến lực pháp tuyến nF  trong chuyển động của quả cầu? - Hướng dẫn HS lập luận, xây dựng hệ thức: i i M M và có giá càng xa trục quay. - Khảo sát chuyển động quay của vật trên mp ngang theo hình 2.1. Trả lời cu hỏi H2. + Thnh phần php tuyến nF  lm vật chuyển động trên đường trịn nhưng không làm thay đổi tốc độ góc. tF  thành phần này gây nên gia tốc tiếp tuyến, tức là có Bàiến đổi tốc độ góc. - Thảo luận nhóm, xây dựng phương trình (2.6) dụng ln tồn bộ vật rắn. (ngoại lực)  2i i i i i M M m r    Lưu ý: Mơ men của cc nội lực bằng khơng. Hoạt động 3. (30’) Tìm hiểu: - Momen qun tính. - Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục. - Nu cu hỏi gợi ý: -Thảo luận nhĩm, 1) Momen qun tính: a) Định nghĩa: Mô men H1. Phương trình:  2i i i i i M M m r    Rt ra nhận xt gì về ý nghĩa vật lí của đại lượng 2i i i m r ? H2. Đại lượng dùng đặc trưng cho vật rắn về phương diện gì? -Nêu vài VD để HS hiểu tính i của vật đối với chuyển động quay quanh một trục, từ đó giới thiệu 2 i i i I m r : momen qun tính của vật quay. H3. Nhận xt gì về độ lớn của momen quán tính của một vật rắn? Nêu đơn vị của momen quán tính. -Giới thiệu công thức tính I của một số vật đồng chất đối với trục đối xứng. (trục qua khối tâm G) H4. Với khi niệm tìm hiểu ý nghĩa vật lí đại lượng 2i i i m r . Trả lời cu hỏi H1, H2. +Cĩ ý nghĩa tương tự khối lượng m trong phương trình F = ma. +Đặc trưng cho mức qun tính của vật quay. -Tiếp nhận khi niệm mo- men qun tính 2 i i i I m r -Thảo luận, trả lời H3. Dự kiến HS không phát hiện được, GV trình by. +Độ lớn I phụ thuộc khối lượng của vật rắn; sự phân bố khối quán tính I đối với một trục là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật rắn trong chuyển động quay quanh trục ấy b) Bàiểu thức: 2i i i I m r c) Công thức tính momen quán tính của một số vật đồng chất đối với trục đối xứng (trục qua khối tâm vật) + Thanh có tiết diện nhỏ, độ dài l: 21 12 I ml + Vnh trịn, bn kính R:I = mR2. + Đĩa trịn mỏng: 21 2 I mR + Khối cầu đặc: 22 5 I mR + Khối cầu rỗng 2 3 2 mRI  + Chất điểm cách trục quay r I = mr2. momen qun tính hy viết lại dạng khc của phương trình:  2i i i M m r  Nhận xt: -Giới thiệu pt: M = I. lượng gần hay xa trục quay. -Thảo luận nhĩm: +Viết pt: M = I. +Nhận xt: giống dạng pt: F = ma. 2)Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định: .M I  Hoạt động 4. (30’) Vận dụng, củng cố - Hướng dẫn về nhà. *GV giới thiệu Bài tốn VD. Nu cu hỏi gợi ý: H1. Hình trụ v thng nước chuyển động thế nào? Viết pt chuyển động. H2. Gia tốc tịnh tiến của thùng và gia tốc chuyển động quay của hình trụ lin hệ thế no? -GV hướng dẫn HS cách vận dụng phương pháp động lực học, các công thức và phương trình động lực học của chuyển động quay để giải các bài toán. Lưu ý -Đọc nội dung bài toán. Thảo luận nhóm, phân tích chuyển động của hình trụ v thng nước. -Trả lời cu hỏi gợi ý. + Thùng nước chuyển động tính tiến. + Hình trụ chuyển động quay quanh một trục cố định. -Cc phương trình: mg – T = ma. (1) M = T.R = I (2) a R   (3) -HS Bàiến đổi để tìm kết quả: 2 mgI Im R   cch vận dụng tốt cc pt v cch giải để tìm kết quả. *Yu cầu chuẩn bị ở nh: -Giải Bài tập SGK trang 14. -Ơn tập bài: Định luật bào toàn động lượng ở lớp 10. -Ghi nhận những chuẩn bị ở nh. IV. Rt kinh nghiệm – Bổ sung: