(SKKN 2022) Phương pháp giải một số bài tập về định luật bảo toàn cơ năng

Tuy nhiên việc giải các bài toán này, các em còn gặp không ít khókhăn, đa số học sinh đều lúng túng khi làm các bài tập về định luật bảo toàn cơ năng.. Do đó giáo viên phải chỉ ra cho họ

2.2.2 Khảo sát chất lượng đầu năm môn vật lý 3

2.2.3 Tìm hiểu nguyên nhân dẫn đến kết quả trên 3 2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vần đề 4

2.3.3 Các biện pháp tiến hành đề tài 5

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo

dục với bản thân và đồng nghiệp

Trong quá trình giảng dạy, người thầy luôn phải đặt ra cái đích đó làgiúp học sinh nắm được kiến thức cơ bản, hình thành phương pháp, kĩ năng, kĩxảo, tạo thái độ và động cơ học tập đúng đắn để học sinh có khả năng tiếp cận

và chiếm lĩnh những nội dung kiến thức mới theo xu thế phát triển của thời đại

Môn Vật lý là môn khoa học nghiên cứu những sự vật, hiện tượng xảy rahàng ngày, có tính ứng dụng thực tiễn cao, cần vận dụng những kiến thức toánhọc Học sinh phải có một thái độ học tập nghiêm túc, có tư duy sáng tạo vềnhững vấn đề mới nảy sinh để tìm ra hướng giải quyết phù hợp

Trong chương các định luật bảo toàn ở vật lí lớp 10, định luật bảo toàn cơ

năng là một trong những kiến thức rất trọng tâm Khi giảng dạy phần định luậtbảo toàn cơ năng, tôi nhận thấy hầu hết các bài toán về định luật bảo toàn cơnăng rất thiết thực, gắn bó với cuộc sống hàng ngày của các em Phần này có rấtnhiều bài tập hay, liên quan nhiều đến kiến thức phần cơ học lớp 12 và thi THPTquốc gia Tuy nhiên việc giải các bài toán này, các em còn gặp không ít khókhăn, đa số học sinh đều lúng túng khi làm các bài tập về định luật bảo toàn cơ

năng Bởi đây là phần có nhiều dạng bài tập như chuyển động của các vật rơi tự

do, chuyển động của các vật ném thẳng đứng, ném ngang, ném xiên, chuyểnđộng của vật trên mặt phẳng nghiêng không ma sát, con lắc đơn, con lắc lò xo

Đa số học sinh chỉ biết áp dụng định luật khi vật chỉ chịu tác dụng của cáclực thế như trọng lực và lực đàn hồi Còn khi vật chịu tác dụng của cả lực thế vàlực không thế như lực căngTur, phản lựcNuur

học sinh cho rằng cơ năng không bảotoàn Do đó giáo viên phải chỉ ra cho học sinh thấy khi công của các lực khôngthế bằng không, thì cơ năng của vật vẫn được bảo toàn Ví dụ khi vật chuyểnđộng trên mặt phẳng nghiêng, không ma sát vật chịu tác dụng của 2 lực trọnglực Pur

(lực thế) và phản lực uurN

(lực không thế) nhưng công của phản lực uurN

bằngkhông nên cơ năng của vật vẫn được bảo toàn Mặt khác các em cũng khôngbiết phương pháp giải bài toán áp dụng định luật bảo toàn cơ năng như thế nào

Để giúp các em có kĩ năng giải các bài tập dạng này, nhằm nâng cao chất lượngdạy và học, phục vụ công tác bồi dưỡng học sinh khối A, A1, học sinh giỏi củatrường THPT nơi tôi công tác, nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới phương phápgiảng dạy, giúp học sinh tháo gỡ và giải quyết tốt những khó khăn, vướng mắctrong học tập, đồng thời nâng cao chất lượng bộ môn, đã thôi thúc tôi quyết định

chọn đề tài: Phương pháp giải một số bài tập về định luật bảo toàn cơ năng.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Ôn tập, hệ thống lại kiến thức lý thuyết cơ bản có liên quan thông qua bàitập phát triển năng lực tư duy, rèn luyện kỹ năng giải bài tập cho học sinh

Giúp học sinh biết được, nếu vật chỉ chịu tác dụng của lực thế như trọnglực hoặc lực đàn hồi, thì cơ năng của vật được bảo toàn Nếu vật chịu tác dụngcủa cả lực thế và không thế mà công của lực không thế bằng không thì cơ năngcủa vật cũng được bảo toàn.

Giúp học sinh biết phương pháp giải bài tập về định luật bảo toàn cơ năng Thông qua việc giải bài tập giúp các em rèn luyện tính cẩn thận, kiên trì,yêu thích môn học

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Định luật bảo toàn cơ năng

Nghiên cứu phương pháp bồi dưỡng học sinh khối A, A1, học sinh khá,giỏi môn Vật lý bậc THPT thông qua các tài liệu và học hỏi đồng nghiệp

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện mục đích và nhiệm vụ của đề tài, trong quá trình nghiên cứutôi đã sử dụng các nhóm phương pháp sau:

Phương pháp điều tra giáo dục (Xác định đối tượng học sinh áp dụng đềtài)

Phương pháp thực nghiệm sư phạm (Kiểm tra sự tiếp thu của học sinhbằng các bài tập về nhà)

những mục tiêu mà Đảng, Nhà nước ta đã đề ra để hoàn thành mục tiêu giáo dục

toàn diện cho học sinh Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất là nâng caochất lượng học tập của học sinh ngay từ các nhà trường phổ thông Mỗi giáoviên nói chung, giáo viên bộ môn vật lí nói riêng đều mong muốn học sinh củamình tiến bộ, chủ động lĩnh hội kiến thức, phát huy tư duy sáng tạo, rèn tính tựhọc để trở thành nhân tài, góp phần đào tạo nhân lực cho đất nước

Việc học bộ môn Vật lí, không phải chỉ là học trong sách giáo khoa(SGK), không chỉ làm những bài tập do thầy giáo, cô giáo giao cho mà còn phảinghiên cứu đào sâu suy nghĩ, tìm tòi vấn đề, tổng quát hoá vấn đề và rút ra đượcnhững điều gì bổ ích Để giúp các em học tốt hơn, giáo viên cần tạo cho học sinhhứng thú học tập, cần giúp các em làm các bài tập rèn luyện tư duy môn học.Cần cho học sinh thấy được nhu cầu nhận thức là quan trọng, con người muốnphát triển cần phải có tri thức cần phải học hỏi Đối với môn vật lí thì giáo viêncần biết định hướng, giúp đỡ từng đối tượng học sinh, quan trọng hơn là phải tạotình huống giúp các em nâng cao năng lực tư duy Để thực hiện tốt điều này, đòihỏi giáo viên cần xây dựng cho học sinh những kĩ năng như quan sát, nhận xét,đánh giá bài toán, đặc biệt là kĩ năng giải toán, kĩ năng vận dụng vào từng bàitoán, tuỳ theo từng đối tượng học sinh, mà ra bài tập cho phù hợp trên cơ sởphương pháp đã học, để giúp học sinh học tập tốt bộ môn

Bài tập định luật bảo toàn cơ năng là một phương tiện có hiệu quả caotrong việc rèn luyện kỹ năng giải bài tập và rèn luyện tư duy cho học sinh, rènluyện cho các em phương pháp làm việc khoa học, độc lập góp phần hình thànhcho học sinh năng lực tư duy khoa học Có thể sử dụng bài tập định luật bảotoàn cơ năng trong nghiên cứu, hình thành kiến thức mới; trong luyện tập, rènluyện kỹ năng cho học sinh; trong kiểm tra, đánh giá kiến thức, kỹ năng ghi nhớ

của học sinh Khi giải bài tập, học sinh phải biết vận dụng kiến thức phương

pháp đưa ra đối với bài tập để giải

2.2 Thực trạng của vấn đề nghiên cứu

2.2.1 Thời gian và các bước tiến hành

Tìm hiểu đối tượng học sinh năm học 2018 – 2019, 2019- 2020, 2020- 2021

2.2.2 Khảo sát chất lượng đầu năm môn vật lí

Thông qua việc cho học sinh làm bài tập phần định luật bảo toàn cơ năng.

Kết quả thu được có rất ít học sinh làm được các bài tập về ném ngang, némxiên con lắc đơn, chuyển động trên mặt phẳng nghiêng không ma sát, chuyểnđộng của vật trên mặt phẳng nghiêng rồi tiếp tục chuyển động trên đường tròn

Số còn lại thì không làm được hoặc chỉ làm được một số ý đơn giản

Kiểm tra kết quả khảo sát chất lượng giữa kì II

Thời gianĐầu học kỳ II đến giữa học kỳ II

TSHS

Trung bình trở lên

Số lượng Tỉ lệ (%)

2.2.3 Tìm hiểu nguyên nhân dẫn đến kết quả trên

Tôi nhận thấy đa số học sinh có kết quả rất thấp Vì vậy, việc lĩnh hội kiếnthức và rèn luyện kĩ năng ở học sinh đòi hỏi nhiều công sức và thời gian Sựnhận thức của học sinh thể hiện khá rõ:

Các em còn lúng túng trong việc tìm hướng giải một bài tập định luật bảotoàn cơ năng

Kiến thức cơ bản nắm chưa chắc: Học sinh đọc thuộc định luật nhưngkhông biết áp dụng định luật

Học sinh chỉ biết vận dụng định luật trong trường hợp vật chỉ chịu tácdụng của lực thế là trọng lực và lực đàn hồi khi giải bài toán vật rơi tự do, némthẳng đứng, ném ngang, ném xiên, con lắc lò xo

Khi vật chịu tác dụng của cả lực thế và lực không thế mà công của lựckhông thế bằng không thì học sinh rất lúng túng không biết áp dụng định luậtbảo toàn cơ năng Ví dụ khi học sinh giải bài toán con lắc đơn, chuyển động trênmặt phẳng nghiêng, đường cong không ma sát …

Ý thức học tập của học sinh chưa thực sự tốt, lười suy nghĩ khi gặp bài toán lạ.Nhiều học sinh thấy môn Vật lí trừu tượng, có nhiều công thức phải nhớnên có tâm lí sợ học môn này

Đây là môn học đòi hỏi sự tư duy, phân tích của các em Thực sự là khókhông chỉ đối với học sinh mà còn khó đối với cả giáo viên trong việc truyền tảikiến thức tới các em Hơn nữa, vì điều kiện kinh tế khó khăn, môi trường giáodục, động cơ học tập… nên chưa thực sự phát huy hết mặt mạnh của học sinh.Nhiều em hổng kiến thức từ lớp dưới do các kì thi vượt cấp chỉ thi 3 môn Toán,Văn, Anh nên ý thức học tập môn Vật lí chưa cao, chưa xác định được động cơhọc tập, chưa thấy được ứng dụng to lớn của môn Vật lí trong đời sống

Giáo viên cần nắm rõ đặc điểm, tình hình từng đối tượng học sinh để cóbiện pháp giúp đỡ các em, song song với việc bồi dưỡng học sinh khá giỏi cầngiúp đỡ học sinh yếu kém Việc này cần thực hiện ngay trong từng tiết học bằngbiện pháp rèn luyện tích cực

Tuy nhiên, ngoài việc dạy tốt giờ lên lớp, giáo viên nên có biện pháp giúp

đỡ từng đối tượng học sinh để học sinh yếu kém theo kịp với yêu cầu chung củatiết học, học sinh khá không nhàm chán

Qua nghiên cứu trong vài năm trở lại đây tôi thấy rằng việc học sinh tiếpthu vận dụng các kiến thức định luật bảo toàn cơ năng còn nhiều hạn chế, kết

quả chưa cao Sự nhận thức và ứng dụng thực tế cũng như vận dụng vào việcgiải quyết các bài tập Vật lí còn nhiều yếu kém Để làm tốt được những vấn đềnày người giáo viên phải luôn luôn tìm tòi và đưa ra hướng giải quyết khắc phụcsao cho học sinh của mình đạt kết quả cao nhất trong các kì thi Song, trong quátrình dạy học ở các trường THPT nói chung, ở trường nơi tôi đang công tác nóiriêng các thầy giáo gặp không ít những khó khăn Các khó khăn bao gồm cả yếu

tố chủ quan, cả yếu tố khách quan đó là:

Chất lượng học sinh không đồng đều, thời gian làm bài tập trên lớp còn thiếu

Kĩ năng phân tích các bài tập của học sinh còn yếu, nhiều học sinh chưa tựlàm được bài tập dạng này nếu không có sự giảng giải của thầy cô giáo

Mặt khác, các tài liệu tham khảo cũng như sách giáo khoa chưa quan tâmđến việc hướng dẫn phương pháp tỉ mỉ để giải những bài tập cụ thể

Để tháo gỡ những khó khăn và khắc phục tình trạng đó, người thầy phảitìm ra được những cách giải phù hợp dạng bài tập này để truyền thụ cho HS.Thực trạng trên là những động lực giúp tôi nghiên cứu đề tài này

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vần đề

2.3.1 Đối với giáo viên

Hệ thống hóa kiến thức trọng tâm một cách logic và khái quát

Xây dựng hệ thống bài tập mang tính đa dạng, nhưng vẫn đảm bảo trọngtâm của chương trình phù hợp với đối tượng học sinh Tận dụng mọi thời gian

để có thể hướng dẫn giải được lượng bài tập là nhiều nhất

Hệ thống bài tập tự luận từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp để HS vậndụng phương pháp mới từ đó nhớ, hiểu và nắm vững được phương pháp mới

Phát triển tư duy, tính sáng tạo của HS bằng hệ thống bài tập tự luận Qua

đó kiểm chứng, đánh giá phương pháp mới đưa ra có phù hợp với năng lực nhậnthức của học sinh hay không?

Do năng lực của các em không đồng đều nên có thể sử dụng các bài tậpkhác nhau để làm sao cho phù hợp với năng lực và điều kiện mà mình có Khi

đó các hoạt động cụ thể của học sinh cũng có thể thay đổi cho phù hợp; luônquan tâm và có biện pháp giúp đỡ các em học sinh có học lực yếu, kém, khôngngừng tạo tình huống có vấn đề đối với các em học sinh khá giỏi

2.3.2 Đối với học sinh

Nắm chắc kiến thức Sách giáo khoa nâng cao vật lí 10, đọc thêm sáchtham khảo

Nắm chắc phương pháp giải dạng bài tập về định luật bảo toàn cơ năng.

Phải rèn cho học sinh năng lực tự đánh giá quá trình học tập của các em

Khi giải bài tập tự luận, học sinh phải biết vận dụng kiến thức và phươngpháp giải để vận dụng giải các bài tập cụ thể.

2.3.3 Các biện pháp tiến hành đề tài

Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:

Nếu động năng giảm thì thế năng tăng và ngược lại (động năng và thếnăng chuyển hoá lẫn nhau)

Tại vị trí nào động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại

2 Cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi

a Định nghĩa

m (kg) là khối lượng của vật

vV(m/s) là vận tốc của vật

v

Z (m) là độ cao của vật so với mốc chọn độ cao

v

Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi bằng tổngđộng năng và thế năng đàn hồi của vật:

+ Khi vật chỉ chịu tác dụng của lực thế thì cơ năng của vật được bảo toàn

Ví dụ: vật thả rơi tự do, vật ném thẳng đứng lên trên, ném thẳng đứngxuống dưới, ném ngang, ném xiên Cơ năng của vật được bảo toàn

+ Nếu vật còn chịu tác dụng thêm các lực khác không phải là lực thế màcông của lực không thế bằng không thì cơ năng của vật cũng được bảo toàn

Ví dụ: vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng không ma sát, con lắc đơn cơ năng của vật được bảo toàn

m(kg) là khối lượng của vật

2.3.3.2 Phương pháp giải

Bước1: Phân tích lực tác dụng vào vật và biểu diễn các lực lên trên hình

vẽ Chứng minh cơ năng của vật được bảo toàn

Bước 2: chọn mốc tính thế năng của vật (thường chọn là điểm thấp nhấttrên quỹ đạo chuyển động) Xác định cơ năng của vật ở 2 vị trí 1 và 2 (thường là

vị trí ban đầu và vị trí khảo sát)

Bước 3: Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng ta có:

Cơ năng tại 0 là: W0=Wt0 +Wđ0 = 1,44 +0,94=2,38J

b) Tìm độ cao cực đại mà viên bi đạt được

Gọi A là vị trí vật lên đến độ cao cực đại

Khi lên đến độ cao cực đại thì VA=0

Cơ năng tại A là: WA=WtA +WđA=mgzmax

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng ta có

Ví dụ 2) Vật khối lượng m = 100g được ném thẳng đứng từ dưới lên với

v0 = 20(m/s) Sử dụng các phương trình chuyển động của vật ném đứng, tính thếnăng, động năng và cơ năng toàn phần của vật:

Đ

P

ur

Chọn gốc thế năng trọng lực tại mặt đất, chiều

dương thẳng đứng hướng lên (hình vẽ)

+ Cơ năng toàn phần: W W W= t+ ñ= +0 20 20= J

b) Khi vật lên cao nhất: Ta có: h h= max=H,v=0

+ Cơ năng toàn phần: W W W= t+ ñ=20 0 20+ = J

+ Cơ năng toàn phần: W W W= t+ ñ=15 5 20+ = J

* Lưu ý: Có thể tính vận tốc v như sau:

+ Thời gian (t1) vật lên đến độ cao cực đại:v v gt t v s

+ Động năng: W ñ= 1 mv 2 = 1 , ( )− 2 = J

0 1 20 20

+ Cơ năng toàn phần: W W W= t+ ñ= +0 20 20= J

* Kết luận: Tại những vị trí khác nhau thì thế năng và động năng của vật

(hệ vật + Trái Đất) có giá trị khác nhau nhưng tổng của chúng, tức là cơ năng

toàn phần luôn không đổi

Ví dụ 3) Một vật có khối lượng m=0,2 kg trượt không ma sát, không có vận

tốc ban đầu trên mặt phẳng nghiêng từ A đến B và rơi xuống đất tại điểm E (HV)

Cho biết AD = 1,3 m, BC = 1m, g = 10m/s2

a Tính trị số vận tốc VB và V E của vật tại các điểm B và E tương ứng.

b Sau khi rơi vật lún xuống đất một đoạn S = 2cm ( dọc theo quĩ đạo).Hỏi lực cản trung bình của đất tác dụng lên vật [ ]2

là :A Nuur = 0(uurN

vuông góc với phương dịch chuyển)nên cơ năng của vật được bảo toàn

Trên đoạn BC vật chỉ chịu tác dụng trọng lực urP

(lực thế) nên cơ năng củavật được bảo toàn

b) Lực cản trung bình của đât tác dụng lên vật:

Chú ý: khi vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng hoặc chuyển động

trên đường cong không ma sát thì cơ năng của vật được bảo toàn

Ví dụ 4): Một "vòng xiếc" có phần dưới được

b Nếu h = 60cm thì vận tốc của vật là bao nhiêu

khi lên tới đỉnh vòng tròn

Fc = 2

2

E mV

s =0, 2.262.0,02= 130 N

( ) ( )

M

v 2.10 0,6 2.0, 2 2 m / s

Ví dụ 5 Con lắc đơn gồm một vật nhỏ khối lượng m được treo bằng dây

có chiều dài l vào 1 điểm cố định Kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng đến vị trí hợpvới phương thẳng đứng góc α0 rồi thả không vận tốc đầu.

a) Viết biểu thức thế năng của vật tại chỗ thả

b) Sau khi thả, vật chuyển động đến vị trí mà dây treo hợp với phươngthẳng đứng gócα Tính vận tóc của vật tại vị trí này

c) Vận tốc cực đại ở vị trí nào? Tính vận tốc cực đại đó Biết rằng dâykhông dãn và khối lượng không đáng kể [ ]2

Chọn mốc độ cao tại vị trí cân bằng 0⇔ Wto = 0.

a)Thế năng của vật tại chỗ thả:

Thế năng của vật tại C Wtc = mgl(1 −c sο α )

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng: WA = WC ⇒ WđA+WtA=WđC+Wtc.

Chú ý: Đối với bài toán con lắc đơn ta thường chọn mốc tính độ cao tại vị

trí cân bằng Học sinh cần xác định cơ năng của vật ở vị trí biên ( vị trí mà dâytreo hợp với phương thẳng đứng gócα0) và vị trí khảo sát ( vị trí sợi dây hợp vớiphương thẳng đứng gócα ) Khi sợi dây hợp với phương thẳng đứng gócα bất

kì thì độ cao của vật làZ l= (1 cos ) − α .

AB

C

o

α α

Đây là bài toán tổng quát để tìm vận tốc của con lắc đơn ở vị trí bất kì.Giải được bài toán này học sinh sẽ dễ dàng giải được bài toán con lắc đơn với sốliệu cụ thể.

Ví dụ 6 Một con lắc đơn gồm sợi dây mảnh không dãn, 1 đầu gắn vật nhỏ

khối lượng m, đầu kia cột vào điểm cố định 0 Kéo vật ra khỏi vị trí cân bằnggóc αο rồi thả cho chuyển động

a) Tính sức căng dây khi vật qua vị trí mà dây treo hợp với phương thẳngđứng góc α

b) Sức căng cực đại ở vị trí nào? Tính sức căng cực đại ấy [ ]2

Ví dụ 7) Một vật được ném xiên góc α với phương ngang Tìm liên hệ giữa

thế năng và động năng của vật ở điểm cao nhất Khi nào thì chúng bằng nhau?

Bài giải

AB