Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập chương động lực học vật rắn thuộc chương trình vật lí lớp 12 nâng cao nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi

1 Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập chương “động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lí lớp 12 nâng cao nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi Abstract: Trình bày lý luận về bài t

1

Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập chương “động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lí lớp 12 nâng cao nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi

Abstract: Trình bày lý luận về bài tập vật lý và phương pháp giải bài tập vật lý nhằm

đạt hiệu quả cao nhất Nghiên cứu nội dung kiến thức lý thuyết và bài tập chương

“Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao trung học phổ thông (THPT), tài liệu giáo khoa chuyên vật lý THPT và một số tài liệu tham khảo vật lý khác Phân tích vị trí, vai trò nội dung kiến thức chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT Dựa vào mục đích yêu cầu theo phân phối chương trình thực hiện giảng dạy vật lý nâng cao lớp 12 THPT Dựa vào cấu trúc, nội dung kiến thức cần đạt được trong các đề thi học sinh giỏi (HSG) vật lý các cấp trong 4 năm trở lại đây của thành phố Hà Nội Xây dựng hệ thống bài tập về nội dung kiến thức chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, dùng cho công tác bồi dưỡng HSG vật lý THPT Đề xuất một

số phương pháp giải bài tập nhằm góp phần nâng cao hiệu quả trong các kỳ thi HSG vật lý THPT các cấp Điều tra khảo sát tính khả thi của những biện pháp được đề xuất Xử lý kết quả thực nghiệm bằng toán học thống kê

Keywords: Phương pháp dạy học; Vật lý; Phương pháp giải bài tập; Động lực học;

sách bài tập phục vụ trực tiếp cho SGK và nhiều nhất là sách luyện thi đại học và cao đẳng Tuy nhiên, loại sách trình bày một cách hệ thống và phương pháp giải bài tập dành cho công tác bồi dưỡng HSG lại hầu như vắng bóng Hơn nữa, chương trình SGK mới được thực hiện

từ năm học 2008- 2009 Sách giáo khoa vật lí 12 nâng cao THPT, có chương “Động lực học vật rắn” Vì thuộc nội dung kiến thức mới, hơn nữa kiến thức phần cơ học vật rắn liên quan nhiều đến kiến thức cơ học chất điểm và tĩnh học vật rắn mà HS đã học ở chương trình vật

lý lớp 10 Do đó để nắm vững lý thuyết và giải tốt các bài tập phần cơ học vật rắn là rất khó đối với học sinh Điều này gây khó khăn cho việc dạy và học nhất là trong công tác bồi dưỡng HSG vật lý THPT

Trên cơ sở đó, tác giả lựa chọn đề tài: Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài

tập chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng hệ thống bài tập vật lý phần “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao

- Đề xuất phương pháp giải bài tập giúp HS chuẩn bị tốt cho các kì thi học sinh giỏi môn vật lý THPT

3 Đối tượng nghiên cứu

Quá trình hoạt động dạy học của GV và HS trong công tác bồi dưỡng HSG vật lý THPT

4 Giả thuyết khoa học

Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập phần “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao, sẽ góp phần nâng cao hiệu quả trong việc bồi dưỡng HSG môn vật lý

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận về bài tập vật lý và phương pháp giải bài tập vật lý nhằm đạt hiệu quả cao nhất

3

- Nghiên cứu nội dung kiến thức lý thuyết và bài tập chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, tài liệu giáo khoa chuyên vật lý THPT và một số tài liệu tham khảo vật lý khác

- Xây dựng hệ thống bài tập về nội dung kiến thức chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, dùng cho công tác bồi dưỡng HSG vật lý THPT

- Đề xuất một số phương pháp giải bài tập nhằm góp phần nâng cao hiệu quả trong các kỳ thi HSG vật lý THPT các cấp

- Điều tra khảo sát tính khả thi của những biện pháp được đề xuất Xử lý kết quả thực nghiệm bằng toán học thống kê

6 Giới hạn của đề tài

Nghiên cứu cơ sở lý luận, cơ sở thực tiễn về hệ thống và phương pháp giải bài tập vật

lý chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT

Trên cơ sở đó xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập Nhằm bồi dưỡng HSG phần động lực học vật rắn

7 Phương pháp nghiên cứu

7.1 Phương pháp nghiên cứu lí luận

7.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực tiễn

7.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm

8 Những đóng góp của luận văn

- Bước đầu xây dựng được một hệ thống và phương pháp giải bài tập chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, phong phú đa dạng Giúp

GV và HS có thêm tư liệu trong việc dạy và học, đặc biệt trong công tác bồi dưỡng đội tuyển HSG vật lý THPT các cấp

9 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương

Chương 1: Tổng quan về cơ sở lí luận và thực tiễn của đề tài

Chương 2: Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập vật lý phần “Động lực

học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao nhằm bồi dưỡng HSG

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 1

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ VIỆC XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN THUỘC CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 12 NÂNG CAO NHẰM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI 1.1 Cơ sở lý luận

1.1.1 Vấn đề bồi dưỡng học sinh giỏi

1.1.1.1 Vài nét về lịch sử

1.1.2 Bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí ở trường trung học phổ thông

1.1.2.1 Những năng lực, phẩm chất cần có của học sinh giỏi

* Năng lực và phẩm chất của một học sinh giỏi nói chung

* Những năng lực và phẩm chất quan trọng nhất của một HSG đối với môn vật lí 1.1.2.2 Một số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi

1.1.3 Một số vấn đề lý luận về bài tập vật lí trong dạy học ở trường THPT

1.1.3.1 Khái niệm về bài tập vật lý

1.1.3.2 Tác dụng của bài tập trong dạy học vật lí

1.1.3.3 Phân loại bài tập vật lí

* Phân loại theo nội dung:

* Phân loại theo phương pháp giải:

* Phân loại bài tập căn cứ theo yêu cầu mức độ phát triển tư duy:

1.1.3.4 Các yêu cầu chung trong dạy học về bài tập vật lí

1.1.4 Một số vấn đề về phương pháp dạy học bài tập vật lí ở trường THPT

5

1.1.4.1 Tư duy trong quá trình giải bài tập vật lí

1.1.4.2 Phương pháp giải bài tập vật lí

1.1.4.3 Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí

1.1.4.4 Sử dụng bài tập vật lí nhằm phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi

* Phát hiện vấn đề nhận thức từ việc nghiên cứu hiện tượng vật lí

* Phát hiện vấn đề nhận thức từ việc đọc đề bài toán

* Bài tập để rèn luyện cách giải nhanh, thông minh

* Bài tập để rèn luyện khả năng suy luận, diễn đạt chính xác và lôgíc

* Sử dụng bài tập để rèn luyện kỹ năng thực hành

1.2 Cơ sở thực tiễn

1.2.1 Tìm hiểu nội dung kiến thức vật lí trong các kì thi học sinh giỏi cấp Thành phố

Nhận xét đề thi HSG môn vật lý THPT của thành phố Hà Nội:

Đề thi học sinh giỏi môn vật lý THPT của thành phố Hà Nội (cả hai vòng) hầu như mới chỉ chú ý đến các bài tập định lượng, còn các dạng bài tập định tính và bài tập thí nghiệm ít khi được đề cập và có tới 90% các đề thi đều đề cập đến nội dung kiến thức vật rắn và động lực học vật rắn Dựa trên những đặc điểm đó, chúng tôi đề ra định hướng

nghiên cứu đề tài xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập phần động lực học vật rắn,

chủ yếu tập trung vào các bài tập định lượng nhằm tạo điều kiện giúp công tác bồi dưỡng HSG phù hợp với thực trạng ở địa phương và có thể đạt hiệu quả tốt nhất

1.2.2 Một vài nhận xét về thực tế công tác bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí ở ba trường THPT của huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội

Trong nhà trường THPT, nhất là ở những trường không chuyên, việc phát hiện và bồi dưỡng HSG như thế nào để đạt kết quả tốt, quả là một vấn đề không đơn giản Trong các trường THPT của huyện Thanh oai, thành phố Hà Nội, việc bồi dưõng HSG đã có sự quan tâm và đầu

tư nhất định Qua điều tra chúng tôi thấy, trong những năm gần đây, công tác bồi dưỡng HSG nói chung và HSG môn vật lí nói riêng trong các nhà trường đã được quan tâm chú ý và đầu tư mạnh mẽ hơn, thể hiện qua các công việc sau: Chỉ đạo phát hiện năng khiếu của học sinh ở tất

cả các môn văn hoá ngay từ lớp 10 Xây dựng kế hoạch bồi dưỡng HSG ngay từ đầu năm học

và công tác chỉ đạo triển khai công tác bồi dưỡng HSG cho GV và HS

Thực tế cho thấy, hằng năm kết quả các kỳ thi HSG thành phố, các trường THPT của huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội đã gặt hái được những thành công đáng kể Song đáng tiếc là

số học sinh đạt giải các môn chưa nhiều và chưa đạt giải cao, điển hình là môn vật lý

1.2.2.1.Một số nguyên nhân

* Về phía GV:

- GV không có điều kiện đầu tư chiều sâu về nội dung kiến thức

- Thời gian tập trung bồi dưỡng cho HSG không nhiều

- Vì không phải là trường chuyên nên thiếu định hướng và thiếu tính liên thông trong

hệ thống chương trình và nội dung kiến thức

- Tất cả GV dạy bồi dưỡng đều phải tự soạn, tự nghiên cứu và tự sưu tầm tài liệu riêng cho mình

* Về phía HS:

- Chất lượng đầu vào thấp, thời gian tự bồi dưỡng chưa được nhiều

- Một số HS không yên tâm khi được chọn theo học lớp bồi dưỡng HSG vì phải mất nhiều thời gian, ảnh hưởng đến sức khỏe và kết quả học tập chung

1.2.2.2 Những khó khăn và nhu cầu của giáo viên khi bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lí

- Hầu như trong thư viện trường có ít tài liệu dạy chuyên hay tài liệu bồi dưỡng HSG Trong các loại sách mà công ty thiết bị giáo dục cấp cho các trường THPT, không có sách dành cho GV và HS học chuyên sâu nhằm phục vụ công tác bồi dưỡng HSG

- Đa số các giáo viên không muốn tham gia bồi dưỡng HSG với các lý do: không có tài liệu, sức ép phải có HSG luôn đè nặng trên vai và tâm trí của người thầy khi tham gia dạy bồi dưỡng HSG, sự đầu tư chuyên môn và công sức tự bỏ ra rất tốn kém thời gian và trí lực

- Mặc dù có sự chỉ đạo của Sở GD&ĐT nhưng công tác bồi dưỡng HSG của các trường (ngoại trừ trường chuyên) còn mang tính chất tự phát, tùy lúc, tùy nơi, tùy từng trường, đặc biệt tùy vào kinh phí, cơ sở vật chất của từng trường

Đứng trước thực trạng đó, chúng tôi nhận thấy việc giải quyết nhu cầu về tài liệu bồi dưỡng HSG là nhu cầu thiết yếu cần được đáp ứng, có như vậy công tác bồi dưỡng học sinh

7

giỏi ở trường THPT nói chung, các trường THPT không phải là trường chuyên nói riêng mới có thể mang lại kết quả như mong đợi

1.2.3 Vấn đề sử dụng bài tập trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí THPT

1.2.3.1 Nhiệm vụ của dạy học vật lí và công tác bồi dưỡng học sinh giỏi ở trường phổ thông

1.2.3.2 Thực trạng về dạy học và bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí ở các trường THPT huyện Thanh Oai- Thành phố Hà Nội

- Trên cơ sở điều tra thực tế, phân tích hạn chế, khó khăn để tìm ra nguyên nhân, biện pháp khắc phục nhằm xây dựng hệ thống bài tập và phương pháp giải bài tập phần động lực học vật rắn thuộc chương trình vật lý 12 nâng cao

* Kết quả điều tra

Tìm hiểu về mục đích chính của giờ lên lớp bồi dưỡng HSG, đa số các giáo viên đều cho là: nhằm củng cố, khắc sâu kiến thức lí thuyết, rèn luyện phương pháp giải bài tập, cho HS cọ sát với nội dung kiến thức và mức độ khó dễ của các đề thi Thực tế cũng cho thấy việc lựa chọn bài tập của giáo viên cũng chưa có mục đích rõ ràng, chưa đầu tư đúng mức cho việc lựa chọn hệ thống bài tập Thông thường chỉ chọn một số bài toán khó trong các tài liệu tham khảo và GV thường sưu tầm một số bài toán trong các đề thi chọn HSG các cấp để cho HS giải hoặc hướng dẫn HS giải với mục tiêu chính

là tìm ra đáp số của bài toán

Như vậy, việc xây dựng hệ thống bài tập để bồi dưỡng HSG trong mỗi nhà trường THPT là điều rất cần thiết đặc biệt là những trường không chuyên Kết quả điều tra cho thấy 90% ý kiến giáo viên được hỏi khẳng định tầm quan trọng của việc xây dựng nguồn tài liệu phù hợp trong việc thực hiện bồi dưỡng HSG

Chương 2

XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN THUỘC CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO TRUNG HỌC PHỔ THÔNG, NHẰM BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

2.1 Nội dung kiến thức chương "Động lực học vật rắn"

2.1.1 Vị trí và tầm quan trọng của chương "Động lực học vật rắn"

* Vị trí: Chương Động lực học vật rắn là chương đầu tiên trong chương trình vật lí lớp 12 nâng cao, mà ở chương trình cơ bản không đề cập đến Chương này được đưa vào chương trình phổ thông từ năm học 2008-2009

* Vai trò: Phần cơ học lớp 10 đã nghiên cứu chuyển động tịnh tiến của chất điểm, chuyển động quay của vật, cân bằng của vật rắn khi chịu tác dụng của các vật khác Chương động lực học vật rắn ở lớp 12 nghiên cứu về sự chuyển động quay của vật rắn quanh một trục, nghiên cứu về tính chất chuyển động, về sự chuyển động quay của vật rắn khi chịu tác dụng của những vật khác Kiến thức của chương n à y cũng là nền tảng cho những học sinh học tập, nghiên cứu ở các bậc học cao hơn: đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp và các trường khối ngành kĩ thuật, khối ngành sư phạm và một số trường có đào tạo bộ môn vật lí, kĩ thuật

9

2.1.2.Cấu trúc nội dung của chương Động lực học vật rắn

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc chương “Động lực học vật rắn”

Gia tốc góc

Vận tốc của một điểm trên vật

ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN

Chuyển động quay quanh một trục cố định

Tốc độ góc

Định luật bảo toàn momen động lượng

Động năng quay

Momen động lượng Momen quán tính

Gia tốc của một điểm trên vật

Momen lực

Toạ độ góc

Phương trình động học

Định lí độ biến thiên động năng Phương trình

động lực học

2.1.3 Phân tích nội dung kiến thức chương "Động lực học vật rắn"

2.1.3.1.Cơ sở lý thuyết về vật rắn

2.1.3.2 Các định nghĩa và khái niệm cơ bản

Bảng 2.2 Một số khái niệm và định nghĩa cơ bản về các đại lượng động học và động lực học vật rắn

Tên đại

lƣợng

Khái niệm, Định nghĩa

của vật rắn chuyển động quay

quanh một trục ở mỗi thời

điểm, kí hiệu là 

0 = M0OX

(t) =  = M0OM rad

Ta chỉ xét sự quay theo một chiều và chọn

là chiều dương là chiều quay của vật Toạ

độ góc φ và φ0 dương khi quay trục Ox đến các véc tơ OM

hayOM0

cùng chiều dương qui ước, và

âm thì nguợc lại

Tốc độ

Là đại lượng đặc trưng cho sự

quay nhanh hay chậm của vật

rắn

+ Tốc độ góc trung bình:

2 1 tb

+ ω > 0 khi vật quay theo chiều dương

11

/ t

t 0

dLim

Là đại lượng đặc trưng cho sự

biến thiên nhanh chậm của tốc

Tên đại

lƣợng

Khái niệm Định nghĩa

- Momen M của lực F đối với

trục quaylà đại lượng đặc

trưng cho tác dụng làm quay

của lực và được đo bằng tích

độ lớn của lực với cánh tay

- Momen lực có giá trị đại số:

+ M > 0 nếu vật quay theo chiều dương

+ M < 0 nếu vật quay theo chiều âm

đòn

Momen

quán tính

Momen quán tính I của một vật

rắn đối với một trục là đại lượng

đặc trưng cho mức quán tính

của vật rắn m trong chuyển

động quay quanh trục ấy

- Momen quán tính của chất điểm: I =

kgm2

Momen

động

lượng

Momen động lượng L của vật

rắn đối với một trục quay cố

13

Bảng 2.3 Momen quán tính của một số vật rắn đồng chất

có dạng hình học xác định đối với trục đối xứng

Dạng hình học

của vật có tính

đối xứng

Khối lượng (kg)

Bán kính (m)

Chiều dài (m)

Trục quay

Momen quán tính

Phương trình Quy ước dấu

- Nếu vật quay theo một chiều nhất định và tốc độ góc ω tăng đều theo thời gian thì chuyển động quay là nhanh dần đều (γ > 0)

Nếu tốc độ góc ω giảm đều theo thời gian thì chuyển động quay là chậm dần đều (γ < 0)

Phương trình độc lập

với thời gian của vật

quay biến đổi đều

vì a n  a t

Trong đó:

+ an = Rω2 = v2/R là gia tốc hướng tâm

+ at = Rγ là gia tốc tiếp tuyến

+ Véc tơ gia tốc hợp với bán kính nối vật với tâm quay một góc α với:

* Định luật II Niu-tơn cho chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

* Định luật bảo toàn mômen động lượng:

2.1.3.5 Các định lý

* Định lí: Độ biến thiên của momen động lượng

* Định lí biến thiên động năng của vật rắn quay quanh một trục cố định

* Ðịnh lý Steiner về Momen quán tính khi chuyển trục quay

2.1.3.6 So sánh sự tương quan giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động thẳng và chuyển động quay

* Bảng2.5 So sánh sự tương quan giữa các đại lượng, phương trình đặc trưng

cho chuyển động quay và chuyển động thẳng

Chuyển động quay (trục quay cố định, chiều quay không đổi)

Chuyển động thẳng (chiều chuyển động không đổi) Đại lượng Biểu thức, phương trình

m

1v2

Chuyển động quay biến đổi đều

Chuyển động thẳng biến đổi đều

a = h.s; v = v0 + at;

      

x = x0 + v0t +1 2

at2

F = ma hay

p F t

Mục tiêu về kiến thức và kỹ năng

hoạt và sáng tạo

- Biết cách xác định vị trí của

vật rắn trong chuyển động

quay quanh một trục cố định

- Nhớ và hiểu được ý nghĩa

của các đại lượng trong các

lượng và momen động lượng

của một vật rắn đối với một

- Vận dụng các công thức và phương trình động học và động lực học vật rắn tính các đại lượng đặc trưng trong các bài tập cơ bản

- Vận dụng được phương trình cơ bản của chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định để giải các bài tập cơ bản về momen quán tính

- Vận dụng được định luật bảo toàn momen động lượng xác định động lượng và momen động

- Có khả năng phân tích, tổng hợp và vận dụng linh hoạt các công thức toán học, kiến thức lí thuyết vào mỗi trường hợp khác nhau của bài toán tổng hợp và nâng cao

- Vận dụng một cách sáng tạo giải thích những hiện