Mô phỏng lực ma sát và mặt phẳng nghiêng
Mô phỏng lực ma sát miễn phí cho KHTN 6 và Vật lý 10: nghiêng mặt phẳng, chọn băng, gỗ, cao su, đẩy hộp, xem ma sát nghỉ, ma sát trượt và góc trượt.
Miễn phí, không cần đăng ký, chạy ngay trên trình duyệt, máy chiếu, TV hoặc màn hình cảm ứng.
Tạo game ôn tậpThư viện game miễn phí
Mô phỏng này đặt một chiếc hộp lên mặt phẳng nghiêng trước cả lớp. Thầy cô nghiêng mặt phẳng, chọn mặt tiếp xúc (băng, gỗ, thảm, giấy nhám hoặc cao su), chọn khối lượng và đẩy hộp bằng thanh trượt hoặc bằng ngón tay. Hộp đứng yên khi lực ma sát nghỉ còn giữ được nó, rồi bất ngờ trượt đi, và mọi lực đều được vẽ thành mũi tên đúng tỉ lệ kèm độ lớn: trọng lực, phản lực, lực ma sát và lực đẩy. Đồng hồ tốc độ cho biết hộp chạy nhanh cỡ nào, còn phần thí nghiệm nghiêng mặt phẳng từ từ để tìm góc mà hộp bắt đầu trượt.
Cách dùng
- Nghiêng mặt phẳng: kéo núm vàng ở đầu trên, dùng thanh trượt "Góc nghiêng" (0 đến 60°), hoặc phím mũi tên lên, xuống.
- Mặt ngang: bấm "Mặt ngang" để có mặt sàn nằm ngang. Đẩy mạnh dần cho tới khi hộp chuyển động: đúng câu hỏi mở đầu bài lực ma sát ở KHTN 6.
- Chọn mặt tiếp xúc: mỗi mặt có hệ số ma sát nghỉ và ma sát trượt riêng, ghi ở bảng "Số đo".
- Đẩy hộp: kéo hộp như kéo một sợi dây chun: kéo càng xa, lực đẩy càng lớn (tới 150 N). Thả tay thì thôi đẩy. Thanh trượt "Lực đẩy" và phím mũi tên trái, phải đặt lực thật chính xác; nút "Thôi đẩy" hoặc phím 0 đưa lực về 0.
- Lực và Phân tích lực: "Lực" vẽ các mũi tên kèm độ lớn; "Phân tích lực" tách trọng lực thành thành phần mg·sin θ dọc mặt phẳng và mg·cos θ vuông góc với mặt phẳng.
- Thí nghiệm: mở thẻ "Thí nghiệm", bấm "Nghiêng dần". Mặt phẳng nâng lên 3° mỗi giây từ vị trí nằm ngang, không có lực đẩy, và góc mà hộp bắt đầu trượt được ghi vào bảng cùng giá trị tan của nó.
- Trên máy chiếu: bấm nút toàn màn hình, chữ và nút tự to lên. Phím cách để tạm dừng, phím R để đặt hộp về chỗ cũ.
Các lực tác dụng lên vật trên mặt phẳng nghiêng
Có bốn lực tác dụng lên hộp:
- Trọng lực P = mg, hướng thẳng xuống. Hộp 2 kg có P = 2 × 9,81 = 19,6 N.
- Phản lực N của mặt phẳng, vuông góc với mặt tiếp xúc. Khi mặt phẳng nghiêng góc θ, N = mg·cos θ, nhỏ hơn trọng lực.
- Lực ma sát dọc theo mặt tiếp xúc, ngược chiều chuyển động (hoặc ngược chiều xu hướng chuyển động).
- Lực đẩy F dọc theo mặt phẳng, nếu có.
Để dễ hiểu, ta phân tích trọng lực thành hai thành phần (bấm "Phân tích lực"). Thành phần mg·sin θ kéo hộp trượt xuống dốc. Thành phần mg·cos θ ép hộp vào mặt phẳng và được phản lực cân bằng. Trên mặt ngang θ = 0, không có thành phần nào kéo hộp dọc mặt sàn, toàn bộ trọng lực ép xuống. Nghiêng mặt phẳng thì thành phần kéo xuống dốc tăng, còn lực ép giảm.
Ví dụ hộp 2 kg ở góc 30°: N = 19,6 × cos 30° = 17,0 N, thành phần kéo xuống dốc là 19,6 × sin 30° = 9,8 N.
Ma sát nghỉ và ma sát trượt
Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi vật đứng yên mà có xu hướng chuyển động. Nó có độ lớn vừa đúng bằng lực cần để giữ vật đứng yên, nhưng không vượt quá một giá trị cực đại:
Fmsn ≤ μn·N
Đẩy nhẹ thì ma sát nghỉ cũng nhỏ; đẩy mạnh hơn thì nó lớn theo. Trên bảng số đo, lực ma sát nghỉ luôn bằng tổng các lực còn lại và hợp lực bằng 0 N.
Lực ma sát trượt xuất hiện khi vật trượt trên bề mặt, có độ lớn không đổi và ngược chiều chuyển động:
Fmst = μt·N
Hệ số ma sát trượt μt luôn nhỏ hơn μn, nên làm vật bắt đầu chuyển động khó hơn giữ cho nó tiếp tục chuyển động. Trên mặt gỗ nằm ngang, hộp 5 kg cần lực đẩy lớn hơn 0,5 × 49,1 = 24,5 N mới bắt đầu chạy, nhưng chỉ cần 0,3 × 49,1 = 14,7 N để trượt đều.
| Mặt tiếp xúc | μn (ma sát nghỉ) | μt (ma sát trượt) | Góc bắt đầu trượt θc |
|---|---|---|---|
| Băng | 0,10 | 0,05 | 5,7° |
| Gỗ | 0,50 | 0,30 | 26,6° |
| Thảm | 0,65 | 0,45 | 33,0° |
| Giấy nhám | 0,85 | 0,65 | 40,4° |
| Cao su | 1,00 | 0,80 | 45,0° |
Đây là các giá trị làm tròn cho một hộp gỗ. Hệ số ma sát thật phụ thuộc vào vật liệu, độ nhẵn, độ sạch và độ khô của hai mặt tiếp xúc.
Góc bắt đầu trượt
Khi không đẩy, hộp bắt đầu trượt lúc thành phần kéo xuống dốc lớn hơn lực ma sát nghỉ cực đại:
mg·sin θ > μn·mg·cos θ, tức là tan θ > μn
Khối lượng bị triệt tiêu. Hộp nặng và hộp nhẹ bắt đầu trượt ở cùng một góc θc, với tan θc = μn. Trên mặt gỗ, tan θc = 0,50 nên θc = 26,6°. Phòng thí nghiệm đo hệ số ma sát nghỉ đúng theo cách này: nghiêng tấm ván thật chậm và đọc góc.
Hộp trượt nhanh dần thế nào
Khi hộp đã trượt, hợp lực bằng thành phần kéo xuống dốc trừ lực ma sát trượt (cộng hoặc trừ lực đẩy), và định luật II Newton cho gia tốc:
a = F_hl / m = g(sin θ − μt·cos θ)
Khối lượng lại triệt tiêu. Hộp 2 kg trên mặt gỗ nghiêng 30° có gia tốc 9,81 × (0,5 − 0,3 × 0,866) = 2,36 m/s². Ở góc 50° trên từng mặt:
| Mặt tiếp xúc | Gia tốc ở góc 50° |
|---|---|
| Băng | 7,20 m/s² |
| Gỗ | 5,62 m/s² |
| Thảm | 4,68 m/s² |
| Giấy nhám | 3,42 m/s² |
| Cao su | 2,47 m/s² |
Thử ngay
- Mặt ngang, mặt gỗ, 5 kg. Tăng lực đẩy mỗi lần 5 N. Đẩy bao nhiêu thì hộp bắt đầu chạy? (Hơn 24,5 N một chút.)
- Khi hộp đã trượt, giảm lực đẩy xuống 20 N. Hộp vẫn chạy nhanh dần, dù 20 N lúc nãy không đẩy nổi nó. Vì sao?
- Thẻ "Thí nghiệm": tìm góc bắt đầu trượt của cả năm mặt. So sánh tan θ với μn trên bảng số đo.
- Đổi khối lượng sang 10 kg và làm lại với một mặt. Góc có thay đổi không?
- Nghiêng 40° trên mặt gỗ, không đẩy: hộp trượt xuống chân dốc. Cần đẩy ngược lên dốc bao nhiêu để hộp bắt đầu đi lên? (mg(sin θ + μn·cos θ) = 2 × 9,81 × (0,643 + 0,383) = 20,1 N với hộp 2 kg.)
Gợi ý dạy học
Mô phỏng dùng được ở hai lớp theo chương trình GDPT 2018:
- KHTN 6: bài Lực ma sát (chủ đề Lực trong đời sống): ma sát nghỉ giữ vật đứng yên, ma sát trượt cản trở chuyển động, so sánh các mặt tiếp xúc nhẵn và nhám. Dùng chế độ "Mặt ngang", tắt "Phân tích lực".
- Vật lý 10: chương Động lực học: tổng hợp và phân tích lực, định luật II Newton, lực ma sát (Kết nối tri thức Bài 18, các bài tương ứng trong Chân trời sáng tạo và Cánh Diều), bài toán vật trên mặt phẳng nghiêng.
- Dự đoán (5 phút): hỏi lớp "Hộp nặng hơn thì trượt ở góc nhỏ hơn không?" Cho học sinh giơ tay chọn, rồi làm thí nghiệm với 1 kg và 10 kg.
- Đẩy thử (5 phút): trên mặt ngang, một em lên đẩy hộp trên màn hình cảm ứng, cả lớp quan sát lực ma sát nghỉ tăng theo lực đẩy cho tới lúc hộp bật đi.
- Đo đạc (10 phút): mỗi nhóm một mặt tiếp xúc, tìm góc bắt đầu trượt và tính μn = tan θ. Điền vào bảng chung trên bảng lớp.
- Giải thích (10 phút): bật "Phân tích lực", cùng vẽ hình biểu diễn các lực. Tạm dừng lúc hộp đứng yên và lúc đang trượt để so sánh ma sát nghỉ và ma sát trượt.
- Ôn tập (10 phút): bấm "Tạo game ôn tập" để có ngay trò chơi cả lớp chơi trên cùng màn hình, chia đội, điện thoại của thầy cô làm điều khiển.
Câu hỏi thường gặp
Ma sát nghỉ và ma sát trượt khác nhau thế nào?
Ma sát nghỉ giữ cho vật đứng yên và tự điều chỉnh theo lực tác dụng, tới tối đa μn·N. Ma sát trượt tác dụng lên vật đang trượt và có độ lớn không đổi μt·N. Vì μt nhỏ hơn μn, làm vật bắt đầu chuyển động khó hơn giữ cho nó tiếp tục chuyển động.
Vì sao khối lượng không làm thay đổi góc trượt?
Hộp nặng hơn bị kéo xuống dốc mạnh hơn, nhưng cũng ép vào mặt phẳng mạnh hơn, nên ma sát giữ nó được mạnh hơn, đúng bằng chừng ấy lần. Hai vế của mg·sin θ = μn·mg·cos θ đều có m, triệt tiêu đi còn tan θc = μn.
Hệ số ma sát trong mô phỏng có đúng thực tế không?
Đó là các giá trị làm tròn cho khối gỗ, nằm trong khoảng các bảng số liệu vật lý đưa ra. Giá trị thật thay đổi theo vật liệu, bụi, nước và độ mòn, nên thí nghiệm thật sẽ cho số hơi khác.
Chuyển động có được tính chính xác không?
Có. Giữa hai lần thay đổi, các lực không đổi, nên mô phỏng dùng đúng công thức chuyển động biến đổi đều và cho hộp dừng đúng lúc tốc độ bằng 0. Bộ kiểm thử so các lực, góc trượt trên từng mặt và gia tốc với công thức.
Học sinh dùng trên bảng tương tác được không?
Được. Một em kéo hộp để đẩy, một em kéo núm để nghiêng mặt phẳng, cùng lúc. Mọi nút và thanh trượt đều đủ to cho ngón tay.
Có cần cài đặt hay đăng ký không?
Không. Mô phỏng chạy ngay trên trình duyệt của máy tính, máy tính bảng hay điện thoại, và miễn phí.