Giáo án Tập huấn Vật lý 12 - Bài 2: Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định - Trường THPT chuyên Nguyễn Du

Bài 2 : PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA VẬT RẮN QUAY QUANH MỘT TRỤC CỐ ĐỊNH
Mục tiêu bài học
Kiến thức
Viết được công thức tính mômen quán tính của một vật rắn đối với một trục quay và nêu ý nghĩa vật lý của đại lượng này.
Vận dụng kiến thức về mômen quán tính để giải thích một số hiện tượng vật lý liên quan đến chuyển động quay của vật rắn.
Hiểu được cách xây dựng phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định và viết phương trình 
Giải các bài toán cơ bản về chuyển động quay của vật rắn.
Kĩ năng
Vận dụng được quy tắc mômen lực để giải được các bài tập về điều kiện cân bằng của vật rắn có trục quay cố định.
Vận dụng được phương trình cơ bản của chuyển động quay của vật rắn quay quanh một trục cố định để giải các bài tập đơn giản khi biết mômen quán tính của vật.
B. Chuẩn bị
1. Giáo viên 
a) Kiến thức và dụng cụ:
Có thể dùng các tư liệu, các ví dụ trong thực tế trông qua các hình vẽ, tranh ảnh minh họa về chuyển động quay của vật rắn để khai thác các kiến thức có liên quan đến bài học.
b)Phiếu học tập
P1. Phát biểu nào sau đây là không đúng?
A. Trong chuyển động của vật rắn quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật rắn có cùng góc quay.
B. Trong chuyển động của vật rắn quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật rắn có cùng chiều quay.
C. Trong chuyển động của vật rắn quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật rắn đều chuyển động trên các quỹ đạo tròn.
D. Trong chuyển động của vật rắn quanh một trục cố định thì mọi điểm của vật rắn đều chuyển động trong cùng một mặt phẳng.
P2. Phát biểu nào sau đây là không đúng? 
A. Mômen quán tính của vật rắn đối với một trục quay càng lớn thì sức ì của vật trong chuyển động quay quanh trục đó càng lớn.
B. Mômen quán tính của vật rắn phụ thuộc vào vị trí trục quay và sự phân bố khối lượng đối với trục quay.
C. Mômen lực tác dụng vào vật rắn làm thay đổi tốc độ quay của vật.
D. Mômen lực dương tác dụng vào vật rắn làm cho vật quay nhanh dần.
P3. Một mômen lực không đổi tác dụng vào vật có trục quay cố định. Trong các đại lượng sau đại lượng nào không phải là hằng số?
A. Gia tốc góc;
B. Vận tốc góc;
C. Mômen quán tính;
D. Khối lượng.
c)Đáp án phiếu học tập: 1(D), 2(D), 3(B)
d)Dự kiến ghi bảng
d
O
m
1. Mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực 
a. Momen lực đối với trục quay
	M = F.d
· Đơn vị: N.m
· Quy ước dấu 
+ Momen lực F làm vật rắn quay theo chiều dương thì M = +F.d,
+ Momen lực F làm vật rắn quay ngược chiều dương thì M = -F.d.
b.Mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực 
+ Xét vật rắn là quả cầu m nhỏ gắn đầu thanh rất nhẹ, có độ dài r. Vật m chỉ có thể quay trên mặt phẳng nhẵn nằm ngang xung quanh trục thẳng đứng đi qua đầu O của thanh. 
·Phân tích:.
· Xét thành phần Ft: 
+ Ft = mat = mr ®M = Ftr = (mr2)
 Vậy : 
+Xét trường hợp vật rắn gồm nhiều chất điểm: 
2. Momen quán tính
 Mômen quán tính I của vật rắn đối với một trục là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính (sức ì) của vật rắn đối với chuyển động quay quanh trục ấy.
 Công thức: I = .
I phụ thuôc khối lượng và sự phân bố khối lượng 
3.Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định
+Trong đó: 
M là tổng đại số các momen các lực đối với trục quay D
I: momen quán tính đối với trục D
: Gia tốc góc vật rắn.
4. Bài tập ví dụ
Đề: (SGK)
Tóm tắt: cho 
m: khối lượng của thùng nước
I, R: momen quán tính và bán kính của hình trụ.
Tính gia tốc của thùng nước
Giải: SGK
2 . Học sinh 
Ôân lại kiến thức vật lý lớp 10 (momen lực, phương trình động lực học của chất điểm F=ma, ý nghĩa của khối lượng).
3. Gợi ý ứng dụng công nghệ thông tin
- Phim minh họa cho mức quán tính của vật quay, sự quay của vật phụ thuộc vào cấu tạo của vật quay.
- Chuẩn bị các hình vẽ có trong bài (nhằm tiết kiệm thời gian vẽ hình trên bảng) và có thể tìm trên internet các hình vẽ, ví dụ khác minh họa thêm. 
Tổ chức các hoạt động dạy học
Hoạt động 1 ( 5phút): Ổn định tổ chức, kiểm tra bài cũ
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
Lớp trưởng báo cáo tình hình lớp.
Trả lời câu hỏi kiểm tra bài cũ của giáo viên nêu ra.
Yêu cầu lớp trưởng cho biết tình hình lớp.
Kiểm tra bài cũ
Hoạt động 2( 7phút):: Mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
-Khái niệm momen lực: Mômen lực M của lực F đối với vật rắn có trục quay cố định là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay vật rắn quanh trục cố định đó của lực F, và đo bằng tích số lực và cánh tay đòn.
-Viết được công thức tính độ lớn momen lực: M=Fd
-Nêu qui ước dấu của momen
+ Momen lực F làm vật rắn quay theo chiều dương thì M = +F.d,
+ Momen lực F làm vật rắn quay ngược chiều dương thì M = -F.d.
- Trả lời câu hỏi C1
- Trả lời câu hỏi C2
GV yêu cầu học sinh hãy nhắc lại khái niệm momen lực.
GV mở bài bằng cách nêu vấn đề: Trong chuyển động của chất điểm, a và F có mối liên hệ: . 
Câu hỏi đặt ra là: trong chuyển động quay của vật rắn giữa và M có mối quan hệ như thế nào? 
-GV nêu câu hỏi C1 nhằm giúp học sinh ôn kiến thức đã học về mômen lực.
-Để khích lệ sự tham gia của học sinh vào bài giảng, GV dùng gợi ý C2.
-GV tiếp tục hướng dẫn học sinh lập luận như SGK để dẫn đến kiến thức:
- Tiếp đó, GV xét trường hợp tổng quát: 
Hoạt động 3 ( 10phút): Momen quán tính
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
- HS trả lời câu hỏi C3
- GV nêu câu hỏi C3 .
- GV nói ý nghĩa của đại lượng : đặc trưng cho mức quán tính của vật quay, gọi là momen quán tính I.
- GV đưa vài ví dụ minh họa cho tính ì của vatä thể đối với chuyển động quay quanh một trục: con quay có momen quán tính lớn thì quay càng lâu và càng ổn đinh, các bánh đà cần có momen quán tính lớn để khi quay nó dự trữ năng lượng lớn
- GV nhấn mạnh để HS hiểu hệ thức : I không chỉ phụ thuộc khối lượng của vật rắn mà còn phụ thuộc cả vào sự phân bố khối lượng xa hay gần trục quay.
Hoạt động 4 ( 8phút): Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
- HS cần phải hiểu rõ: M là tổng đại số các momen ngoại lực.
GV : từ công thức và 
 Suy ra : 
Khẳng định: đây là phương trình động lực học vật rắn quay quanh một trục cố định. 
Hoạt động ( 7phút): Bài tập ví dụ
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
HS đọc đề bài, phân tích và vận dụng kiến thức vừa học để đề xuất cách giải bài toán.
Thông qua bài tập này GV hướng dẫn HS cách vận dụng phương pháp động lực học
Hoạt động 6 (8phút): Củng cố lại bài học
Hoạt động của học sinh
Hoạt động của giáo viên
-Đọc phiếu học tập và suy nghĩ.
- Trình bày đáp án.
-Đọc các câu hỏi và bài tập trong SGK. Suy nghĩ và chọn đáp án cho các câu hỏi trắc nghiệm. Giải các bài tập tự luận.
- Ghi bài tập về nhà. 
- Ghi nhớ lời dặn của giáo viên.
-Yêu cầu học sinh trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập.
-Gợi ý (nếu cần)
-Yêu cầu HS: hãy trả lời các câu hỏi và làm các bài tập trong SGK.
-Tóm tắt bài học.
- Đánh giá tiết dạy.
Giao bài tập về nhà cho học sinh: hãy làm các câu hỏi và bài tập còn lại trong phiếu học tập, trong SGK và sách bài tập.
- Căn dặn học sinh chuẩn bị bài cho tiết sau: Momen động lượng, định luật bảo toàn momen động lượng.
D. Một số kinh nghiệm được rút ra từ bài dạy
- Ghi lại những nhận xét của giáo viên dự giờ sau khi dạy xong
- Gợi ý các câu hỏi kiểm tra đán giá.