(SKKN 2022) vận dụng phương pháp động lực học chất điểm trong giải các bài tập về cơ học vật lý 10

Trên cơ sở đó học sinh có thể tự lực vận dụng kiếnthức để giải các bài tập cùng dạng theo phương pháp đã đưa ra.. Đối tượng nghiên cứu - Kiến thức: vận dụng phương pháp động lực học chất

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT TĨNH GIA I

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM TRONG GIẢI CÁC BÀI TẬP CƠ HỌC

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Vật lý là môn khoa học nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy ra hàng ngày, cótính ứng dụng thực tiễn cao, cần vận dụng những kiến thức toán học Học sinh phải

có một thái độ học tập nghiêm túc, có tư duy sáng tạo về những vấn đề mới nảy sinh

để tìm ra hướng giải quyết phù hợp Trong giảng dạy bộ môn Vật lý, người giáo viêncần hướng dẫn cho học sinh đạt được các yêu cầu: nắm vững kiến thức bộ môn; cónhững kỹ năng cơ bản để vận dụng kiến thức đã học; có hứng thú học tập; có cáchhọc tập và rèn luyện kỹ năng hợp lý, đạt hiệu quả cao trong học tập; hình thành chohọc sinh những kỹ năng tư duy đặc trưng của bộ môn

Mỗi một phần kiến thức trong chương trình Vật lý phổ thông đều có vai trò rấtquan trọng trong việc hình thành và phát triển tư duy của học sinh Trong quá trìnhgiảng dạy, người thầy luôn phải đặt ra cái đích đó là giúp học sinh nắm được kiếnthức cơ bản, hình thành phương pháp, kĩ năng, kĩ xảo, tạo thái độ và động cơ học tậpđúng đắn để học sinh có khả năng tiếp cận và chiếm lĩnh những nội dung kiến thứcmới theo xu thế phát triển của thời đại

Trong chương trình vật lý bậc THPT, vật lý lớp 10 có vai trò rất quan trọng, cótoàn bộ cách tiếp cận bộ môn vật lý, cách vận dụng kiến thức và phát triển tư duy chohọc sinh Trong nội dung môn Vật lý 10, phần động lực học chất điểm có tác dụng rấttốt, giúp học sinh phát triển tư duy vật lý Tuy nhiên, đối với các em học sinh lớp 10,

dù đã được tiếp cận với môn Vật Lí từ đầu cấp THCS nhưng các em vẫn gặp rấtnhiều khó khăn khi tiếp xúc với phần cơ học – Vật Lí 10 Trong quá trình giảng dạytôi nhận thấy đa số học sinh khi giải bài tập về động lực học còn rất mơ hồ, khôngbiết cách vận dụng kiến thức đã học một cách hợp lý để giải toán

Vậy làm thế nào để học sinh có những kỹ năng giải các bài tập về động lực họcchất điểm một cách logic, chặt chẽ Việc định hướng giúp các em sắp xếp và vậndụng kiến thức hợp lý để giải bài tập là điều thiết thực và cần thiết Đó là lí do tôichọn đề tài “Vận dụng phương pháp động lực học chất điểm trong giải các bài tập về

cơ học vật lý 10”

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng hệ thống bài tập, hướng dẫn phương pháp giải các dạng bài tậpbằng phương pháp động lực học Trên cơ sở đó học sinh có thể tự lực vận dụng kiếnthức để giải các bài tập cùng dạng theo phương pháp đã đưa ra

- Nâng cao chất lượng học tập phần động lực học chất điểm đối với học sinh lớp

10 trường THPT Tĩnh Gia 1 Giúp các em nâng cao khả năng tư duy vật lý cũng như

có hệ thống công thức giải các bài tập cơ học từ dễ đến khó

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Kiến thức: vận dụng phương pháp động lực học chất điểm, tổng hợp các dạngbài tập về cơ học

- Đối với học sinh trung bình, yếu: cần nắm vũng kiến thức cơ bản, phương phápgiải và giải các bài tập đơn giản

- Đối với học sinh khá, giỏi: Áp dụng phương pháp vào giải các bài tập khó,nâng cao, vận dụng kiến thức tổng hợp

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu từ sách,

mạng internet

- Phương pháp điều tra: Tìm hiểu thực tế dạy học Vật lý ở trường THPT Tĩnh

Gia 1, trao đổi kinh nghiệm với giáo viên, thăm dò học sinh để tìm hiểu tình hình họctập của các em trong cách tiếp cận với đề tài

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm sư phạm đánh giá hiệu

quả sử dụng đề tài nghiên cứu trong dạy học ở Trường THPT Tĩnh Gia 1

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Bước 2: xác định, phân tích và biểu diễn các lực tác dụng lên vật

Bước 3: viết phương trình định luật II Niuton đối với từng vật

Bước 4: dựa vào dự kiện bài toán và yêu cầu của bài để xác định các đại lượngcần tìm

Có thể chia các bài toán động lực học thành hai loại:

- Bài toán thuận: Biết các lực tác dụng lên vật, tìm tính chất chuyển động của vật.Đối với bài toán thuận, từ điều kiện đề đã cho biết các lực, ta tính gia tốc củavật ( giá trị tường minh hoặc có thể có tham số) sau đó kết hợp với yêu cầu đề bài đểgiải quyết bài toán

- Bài toán ngược: Biết tính chất chuyển động của vật, xác định các lực tác dụnglên vật

Đối với bài toán ngược, ta dựa vào tính chất chuyển động của vật để tính giá trịgia tốc của vật, sau đó ta có thể tính ngược các đại lượng như lực, góc…( tuỳ thuộcyêu cầu của đề)

2.2 Thực trạng của vấn đề

Các em học sinh sau khi học hết chương 2 Vật lý 10 đã có được những kiến thức

cơ bản, các công thức cơ bản về các đại lượng vật lý trong phần cơ học như: các loại lực cơ học, các định luật niuton Tuy nhiên, phần đa các em chỉ có thể áp dụng trực tiếp công thức và giải bài tập đơn giản theo kiểu áp dụng công thức một lần (chỉ thay

số vào công thức) Khi vận dụng kiến thức đã học vào giải những bài tập có tính liên kết kiến thức, các em còn rất mơ hồ và gặp rất nhiều lúng túng, không biết bắt đầu từ đâu và phải giải quyết như thế nào

2.3 Một số biện pháp

2.3.1 Phân dạng bài tập:

DẠNG 1: BÀI TOÁN VẬT CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT PHẲNG

NGANG

Bài toán 1: Một vật nhỏ khối lượng m chuyển động theo trục Ox (trên một mặt

ngang), dưới tác dụng của lực F nằm ngang có độ lớn không đổi Xác định gia tốcchuyển động của vật trong hai trường hợp:

a Không có ma sát

b Hệ số ma sát trượt trên mặt ngang bằng 

Bài giải:

- Chọn hệ trục tọa độ Oxy: Ox theo phương nằm

ngang, Oy theo phương thẳng đứng hướng lên trên

- Các lực tác dụng lên vật: Lực kéo F, lực ma sát Fms, trọng lực P, phản lực N

Áp dụng định luật II Niu-tơn: ma F F  ms P N  (1)

Chiếu (1) lên trục Ox: ma F F  ms (2)

Chiếu (1) lên trục Oy: N P 0   N P

Bài toán 2: Một người đẩy một hộp gỗ trượt trên sàn nhà Lực đẩy theo phương

ngang có độ lớn là 180N Hộp có khối lượng 35 kg Lấy g = 9,8m/s2 Hãy tìm gia tốc của hộp trong hai trường hợp:

a Bỏ qua ma sát giữa hộp và sàn nhà

b Hệ số ma sát trượt giữa hộp và sàn là 0,27.

Bài giải:

- Chọn hệ trục tọa độ Oxy: Ox theo phương nằm ngang, Oy theo phương thẳngđứng hướng lên trên.

- Các lực tác dụng lên vật: Lực kéo F, lực ma sát Fms, trọng lực P, phản lực N

Áp dụng định luật II Niu-tơn: ma F F  ms P N  (1)

Chiếu (1) lên trục Ox: ma F F  ms (2)

Chiếu (1) lên trục Oy: N P 0   N P

Bài toán 3: Một vật nhỏ khối lượng m chuyển động theo trục Ox trên mặt phẳng

nằm ngang dưới tác dụng của lực kéo F theo hướng hợp với Ox góc  0 Hệ số

ma sát trượt trên mặt ngang bằng 

a Xác định gia tốc chuyển động của vật

b Giữ nguyên lực F, xác định góc  để gia tốc của vật có giá trị lớn nhất? Tính giátrị lớn nhất đó?

c Vật chuyển động với gia tốc không đổi, xác định góc  để lực kéo là nhỏ nhất.Tính giá trị nhỏ nhất của F?

Bài giải:

Chọn hệ trục tọa độ Oxy: Ox theo phương nằm

ngang, Oy theo phương thẳng đứng hướng lên

Chiếu (1) lên Ox : ma F 2  Fms F.cos  Fms (2)

Chiếu (1) lên Oy : F1N P 0   N P F  1 P F.sin (3)

Vì F không đổi, nên a maxkhi (cos  .sin ) max

Áp dụng bất đẳng Bunhiacopxki, ta có: cos  .sin  1  2 const

F khi (cos  .sin ) max

Áp dụng bất đẳng Bunhiacopxki, ta có: cos  .sin  1  2 const

+ F nhỏ nhất khi lực kéo hợp với mặt phẳng ngang góc saocho : tan  

- Cung cấp cho học sinh các công thức giải nhanh khi làm bài tập trắc nghiệm:

+ Gia tốc của vật: a F(cos sin ) g

Bài toán 4: Vật có m = 1kg đang đứng yên Tác dụng một lực F = 5N hợp với

phương chuyển động một góc là 300 Sau khi chuyển động 4s, vật đi được một quãng đường là 4m, cho g = 10m/s2 Hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt sàn là bao nhiêu?

Bài giải:

Chọn hệ quy chiếu như hình vẽ vật chịu tác dụng của các lực: N,P,F ,F   ms

Theo định lụât II Newton ta có: N P F   ms F ma

Chiếu lên trục Ox: F.cos  Fms ma (1)

Chiếu lên trục Oy:





Nhận xét: đây là một bài toán ngược, ta cần phải tính được gia tốc chuyển động của

vật rồi mới giải quyết các yêu cầu khác của bài.

Bài toán 5: Một người dùng dây buộc vào một thùng gỗ và kéo nó trượt trên sân

bằng một lực 90,0N theo hướng nghiêng 30,0o so với mặt sân Thùng có khối lượng 20,0 kg Hệ số ma sát trượt giữa đáy thùng và sân là 0,50 Lấy g = 9.8 m/s2

a Tìm gia tốc của thùng

b Thay đổi góc  hợp bởi sợi dây và mặt sân Xác định góc  để gia tốc của thùng

gỗ có giá trị lớn nhất

Bài giải:

Chọn hệ trục tọa độ Oxy: Ox theo phương nằm

ngang, Oy theo phương thẳng đứng hướng lên trên

Các lực tác dụng lên vật: Lực kéo F, lực ma sát Fms, trọng lực P, phản lực N

Áp dụng định luật II Niu-tơn: ma F F  ms P N  (1)

Chiếu (1) lên Ox : ma F 2  Fms F.cos  Fms (2)

Chiếu (1) lên Oy : F1N P 0   N P F  1 P F.sin (3)

b Vì F không đổi, nên a maxkhi (cos  .sin ) max

Áp dụng bất đẳng Bunhiacopxki, ta có: cos  .sin  1  2 const

Vậy a lớn nhất khi lực kéo hợp với mặt phẳng ngang góc  26,56o

DẠNG 2 : VẬT CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT PHẲNG NGHIÊNG Bài toán 1: vật đang chuyển động với vận tốc vo thì trượt lên dốc nghiêng góc 

so với mặt phẳng ngang Hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng dốc là  Tìm gia tốccủa vật khi lên dốc

Bài giải:

Chọn hệ trục Oxy: Ox theo phương mặt phẳng

nghiêng, Oy Ox , Oy hướng lên

Các lực tác dụng lên vật khi lên dốc: Trọng lực

P, Lực ma sát Fms, Phản lực N của mặt phẳng nghiêng

Áp dụng định luật II niutơn: ma P N F   ms (1)

Chiếu (1) lên trục Oy: N P.cos  m.g.cos

Chiếu (1) lên trục Ox:

ms

ma P.sin  F Psin  NPsin  Pcos mgsin  mg cos

Bài toán 2: vật đang chuyển động với vận tốc vo thì trượt xuống dốc nghiêng góc

 so với mặt phẳng ngang Hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng dốc là  Tìm giatốc của vật khi xuống dốc

Chiếu (1) lên trục Oy: N P.cos  m.g.cos

Chiếu (1) lên trục Ox:

Vật trượt xuống theo mặt phẳng nghiêng: a g(sin   cos )

Vật trượt lên theo mặt phẳng nghiêng: ag(sin  cos )

Bài toán 3: Vật có khối lượng m được kéo trượt lên một mặt phẳng nghiêng góc 

so với mặt phẳng ngang Lực kéo Fhợp với mặt phẳng nghiêng góc  Biết hệ số

ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là 

a Tìm gia tốc của vật Tìm lực kéo tối thiểu để vật có thể đi lên?

b Với lực kéo không đổi, tìm góc  để gia tốc đạt giá trị cực đại, tính giá trị cực đại đó?

Bài giải: Chọn hệ trục Oxy: Ox theo phương

mặt phẳng nghiêng, Oy Ox , Oy hướng lên

Các lực tác dụng lên vật khi lên dốc: Trọng lực

P, Lực kéo F, Lực ma sát Fms, Phản lực N

của mặt phẳng nghiêng

Áp dụng định luật II niutơn: ma P N F   ms F (1)

Chiếu (1) lên trục Oy: N P.cos   Fsin m.g.cos  Fsin

Chiếu (1) lên trục Ox:

Ta có: a F(cos sin ) g( cos sin ) amax khi : (cos sin )max

Vậy a lớn nhất khi lực kéo hợp với mặt phẳng ngang góc saocho : tan  

- Sử dụng các bước giải theo phương pháp động lực học

- Xác định được Fk, là lực kéo cùng chiều chuyển động (nếu có lực Fk lệch góc 

so với mặt phẳng ngang thì dùng phép chiếu để xác định thành phần theo phương ngang Fx Fcos )

- Xác định được Fc, là lực cản ngược chiều chuyển động

bằng nhau là  Tác dụng vào m2 lực F hợp với phương ngang góc  Tính gia tốcchuyển động của mỗi vật

Bài giải:

Chọn hệ trục Oxy: Ox theo phương ngang

(chiều dương là chiều chuyển động); Oy theo

phương thẳng đứng, chiều dương hướng lên

Theo định luật III niuton: T1 = T2 = T

Chiếu (1), (2) lên Ox: m a T F1   1ms

- Lực tương tác giữa các vật trong hệ ( nội lực) không gây gia tốc cho các vật.

- Nếu đề yêu cầu tìm lực căng dây T ta thay gia tốc a vào một trong hai phương trình: m a T F1   1ms hoặc m a Fcos2    F2ms  T để tìm T

Bài toán 2: Hai vật m1và m2 được nối với nhau bằng một thanh cứng không có khối lượng đặt song song với mặt phẳng nghiêng Vật 1 có m1=2 kg vật 2có m2= 4kg Cả hai vật đặt trên mặt phẳng nghiêng có  =300 Hệ số ma sát trượt giữa mặt phẳng nghiêng và vật 1 là  1=0,2, với vật 2 là  2=0,1 Hãy tính :

a Gia tốc chung cả hai vật khi trượt xuống

b Sức căng của thanh nối hai vật

Bài giải

Chọn hệ trục Oxy: Chọn hệ trục Oxy (như hình

vẽ): Ox theo phương mặt phẳng nghiêng,

Theo định luật III Niuton, ta có: T1 = T2 = T;

Chiếu (1), (2) lên Ox: m a T P sin1   1   F1ms

Bài toán 3: Hai vật A và B có khối lượng lần lượt là mA, mB (mA <

mB)được nối với nhau bằng sợi dây nhẹ không dãn và vắt qua ròng rọc

cố định như hình vẽ Bỏ qua khối lượng của ròng rọc và lực ma sát giữadây với ròng rọc Tính gia tốc chuyển động của mối vật

Bài giải:

Chọn trục tọa độ dọc theo dây nối hai vật, chiều dương

là chiều chuyển động của từng vật (như hình vẽ)

Bài toán 4: Cho hệ thống ròng rọc như hình vẽ, m 1=3kg, m 2= 4kg.

Bỏ qua khối lượng của ròng rọc và dây, cho g=10m/s2 Tính gia tốc

chuyển động của mỗi vật và lực căng của dây treo các vật bỏ qua ma

Vậy vật một đi xuống , vật hai đi lên

Lực căng của sợi dây T1m a1  1g 3 2,5 10   22,5 N 

A 20m B 30m C 40m D 50m

Câu 2 Một vật khối lượng 1kg đang đứng yên trên mặt phẳng nằm ngang Tác dụng

một lực có độ lớn là 2 2N và hợp với phương ngang một góc 450 cho g = 10m/s2 và biết hệ số ma sát giữa sàn và vật là 0,2 Với lực kéo trên, xác định hệ số ma sát giữa vật và sàn để vật chuyển động thẳng đều

Câu 3 Một vật khối lượng 2kg đặt trên mặt phẳng nằm ngang Khi tác dụng một lực

có độ lớn là 1N theo phương ngang vật bắt đầu trượt trên mặt phẳng nằm ngang Tínhvận tốc của vật sau 4s Xem lực ma sát là không đáng kể

Câu 4 Một vật khối lượng 2kg đặt trên mặt phẳng nằm ngang.Khi tác dụng một lực

có độ lớn là 1N theo phương ngang vật bắt đầu trượt trên mặt phẳng nằm ngang Thật

ra, sau khi đi được 8m kể từ lúc đứng yên, vật dạt được vận tốc 2m/s Gia tốc chuyển động, lực ma sát và hệ số ma sát lần lượt là? (Lấy g = 10m/s2)

A 0,25m/s2; 0,4N; 0,015 B 0,25m/s2; 0,5N; 0,025

C 0,35m/s2; 0,5N; 0,035 D 0,35m/s2; 0,4N; 0,065

Câu 5 Một ôtô có khối lượng 3,6 tấn bắt đầu chuyển động trên đường nằm ngang

với lực kéo F Sau 20s vận tốc của xe là 15m/s Biết lực ma sát của xe với mặt đường bằng 0,25Fk, g = 10m/s2 Hệ số ma sát của đường và lực kéo của xe lần lượt là:

Câu 2 Cho một vật có khối lượng m đang chuyển động với vận tốc 25m/s trên mặt

phẳng nằm ngang thì trượt lên dốc Biết dốc dài 50m, cao 14m và hệ số ma sát giữa vật và dốc là  = 0,25 Lấy g=10m/s2 Vật có lên hết dốc không Nếu có vận tốc của vật ở đỉnh dốc và thời gian lên hết dốc lần lượt là:

C Vật đi hết dốc 7,25m/s; 4,84s D Vật đi hết dốc 9,25m/s; 4,84s

Câu 3 Cho một dốc con dài 50m, cao 30m Cho một vật có khối lượng m đang

chuyển động thẳng đều với vận tốc v0 trên mặt phẳng nằm ngang thì lên dốc.Biết hệ

số ma sát giữa vật và dốc là=0,25 Lấy g=10m/s2 Tìm vận tốc v0 của vật trên mặt phẳng ngang để vật dừng lại ngay đỉnh dốc

A 20 2m/s B.10 2 m/s C 5 2m/s D 15 2m/s

Câu 4 Cho một dốc con dài 50m, cao 30m Cho một vật có khối lượng m đang

chuyển động thẳng đều với vận tốc v0 trên mặt phẳng nằm ngang thì lên dốc.Biết hệ

số ma sát giữa vật và dốc là = 0,25 Lấy g = 10m/s2 Ngay sau đó vật trượt xuống, vận tốc của nó khi xuống đến chân dốc và tìm thời gian chuyển động kể từ khi bắt đầu lên dốc cho đến khi xuống đến chân dốc lần lượt là:

A 3m/s; 5,04s B 2m/s; 4,04s C 4m/s; 3,04s D 5m/s; 6,04s

Câu 5 Cho một mặt phẳng nghiêng dài 5m, cao3m Lấy một vật khối lượng 50kg đặt

nằm trên mặt phẳng nghiêng Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là

0,2

nghiêng có độ lớn là bao nhiêu để vật vừa đủ vật đứng yên trên mặt phẳng nghiêng

Câu 6 Cho một mặt phẳng nghiêng dài 5m, cao3m Lấy một vật khối lượng 50kg

đặt nằm trên mặt phẳng nghiêng Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là

0,2

nghiêng có độ lớn là bao nhiêu để ?Vật chuyển động đều lên trên

Câu 7 Cho một mặt phẳng nghiêng một góc 300 so với phương ngang và có chiềudài 25m Đặt một vật tại đỉnh mặt phẳng nghiêng rồi cho trượt xống thì có vận tốc ởcuối chân dốc là 10 m / s Xác định hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng. 

Cho g 10 m / s  2