skkn HƯỚNG dẫn học SINH có THỂ tự GIẢI GIẢI bài TOÁN VA CHẠM

Chuyển từ việc truyền thụ tri thức thụ động, thầygiảng, trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư duy trong quá trình tiếp cậntri thức ; dạy cho người học phương pháp tự học, tự thu n

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

Đơn vị : Trường THPT Sông Ray

Mã số:

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

HƯỚNG DẪN HỌC SINH CÓ THỂ TỰ GIẢI

Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN

(các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm)

Năm học: 2016 -2017

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

nghiên cứu và trải nghiệm sáng tạo KH - KT

9 Đơn vị công tác: THPT Sông Ray

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Cử nhân Vật lí

- Năm nhận bằng: 2004

- Chuyên ngành đào tạo: Cử nhân khoa học Vật lí

III KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Giảng dạy môn Vật lí

Số năm có kinh nghiệm: 12 năm

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

1/ Một số thí nghiệm mô phỏng vật lý phần cảm ứng điện từ trong dạy học nội dung “Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng, Định luật len xơ về chiềudòng điện cảm ứng” ( Sở công nhận )

2/ Phương pháp giải nhanh bài tập chuyển hóa năng lượng và định luật bảo toàn ( Trường công nhận )

3/ Nghiên cứu thiết kế tài liệu điện tử hỗ trợ dạy học Vật lí 10 THPT ( Sở công nhận )

Tên SKKN (VIẾT IN HOA ĐẬM) : HƯỚNG DẪN HỌC SINH CÓ THỂ TỰ

GIẢI BÀI TOÁN VA CHẠM

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trước những vận hội và thách thức mới trong xu thế hội nhập toàn cầu, đòihỏi đất nước ta phải đào tạo ra những thế hệ con người lao động mới thông minh,năng động và sáng tạo, thích ứng với nền kinh tế toàn cầu - nền kinh tế tri thức

Để đạt được mục đích đó, một trong những nhiệm vụ quan trọng mà nhàtrường phải quan tâm là đổi mới phương pháp dạy và học Đây là mục tiêu lớnđược Đảng, Nhà nước và Ngành Giáo dục và Đào tạo đặt ra, mục tiêu này đã vàđang được thực hiện một cách tích cực trong những năm vừa qua và những nămsắp tới

"Đổi mới mạnh mẽ phương pháp giáo dục - đào tạo, khắc phục lối truyền thụmột chiều, rèn luyện thành nếp tư duy sáng tạo của người học "

Về vấn đề đổi mới PPDH, Chiến lược phát triển giáo dục: "Đổi mới và hiệnđại hóa phương pháp giáo dục Chuyển từ việc truyền thụ tri thức thụ động, thầygiảng, trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư duy trong quá trình tiếp cậntri thức ; dạy cho người học phương pháp tự học, tự thu nhận thông tin một cách có

hệ thống và có tư duy phân tích, tổng hợp, phát triển năng lực của mỗi cá nhân;tăng cường tính chủ động, tính tự chủ của HS trong quá trình học tập…"

Bên cạnh đó hiện nay SGK chuẩn lượng kiến thức phần va chạm còn nhiềuhạn chế nên việc bổ sung lí thuyết và phương pháp giải bài tập phần va chạm làmột vấn đề cần thiết

II CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN

Ngày nay việc nâng cao chất lượng giáo dục là một trong những vấn

đề được quan tâm hàng đầu trong xã hội.Trong bối cảnh toàn ngành Giáo Dục vàĐào Tạo đang nỗ lực đổi mới phương pháp học theo hướng phát huy tính tích cựcchủ động của học sinh trong họat động học tập thông qua cách thức hoạt động của

giáo viên trong việc chỉ đạo , tổ chức họat động học tập nhằm giúp học sinh chủđộng thời gian tự học, tự nghiên cứu tìm tòi kiến thức.

Luật Giáo dục, điều 24.2 “ Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huytính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của học sinh, phù hợp với từng đặc điểmcủa từng lớp học, môn học ;bồi dưỡng phương pháp tự học, rèn luyện kỹ năng vậndụng kiến thức vào thực tiễn, tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thúhọc tập cho học sinh”

Trong quá trình giảng dạy và đàm thoại với GV và HS , tôi nhận thấy đại đa

số học sinh gặp vướng mắc khi giải các bài tập về phần định luật bảo toàn liênquan đến các bái toán va chạm

Va chạm là một hiện tượng thường gặp trong đời sống và trong kỹ thuật.Việc áp dụng các định luật động lực học để giải bài toán va chạm thường gặp nhiềukhó khăn do thời gian va chạm giữa các vật thường rất ngắn ( chỉ vào khoảng từ

10-2 đến 10-5 giây) nên cường độ tác dụng của các lực lên các vật thường rất lớn.Khảo sát kỹ, ta thấy nói chung quá trình va chạm gồm hai giai đoạn, giai đoạn biếndạng và giai đoạn khôi phục Giai đoạn biến dạng kể từ lúc bắt đầu xảy ra va chạmcho đến khi các vật va chạm hết biến dạng Giai đoạn khôi phục kể từ lúc kết thúcbiến dạng, các vật khôi phục hình dạng cũ cho đến lúc kết thúc va chạm

Va chạm được phân thành : va chạm mềm, va chạm đàn hồi và va chạmhoàn toàn đàn hồi

Đặc điểm của va chạm mềm là sau giai đoạn biến dạng hình dáng cũ của cácvật va chạm không được khôi phục lại mà chúng gắn liền lại với nhau thành mộtvật, nghĩa là không xảy ra giai đoạn khôi phục, mà chỉ có giai đoạn biến dạng Nếutrong va chạm xảy ra cả hai giai đoạn biến dạng và khôi phục thì va chạm được gọi

là va chạm đàn hồi Trong va chạm đàn hồi sau khi kết thúc va chạm các vật chỉkhôi phục được một phần hình dáng của mình trước khi va chạm Nếu sau khi vachạm mà các vật khôi phục toàn bộ hình dạng của mình trước khi va chạm thì vachạm được gọi là hoàn toàn đàn hồi

Trong quá trình va chạm các vật thể chịu tác dụng của hai loại lực : lựcthường và lực va chạm.

Lúc va chạm là những phản lực liên kết động lực xuất hiện khi hai vật vachạm nhau Ngoài lực va chạm các lực khác tác dụng lên cơ hệ được gọi là lựcthường Lực va chạm là lực có xung lượng giới nội trong thời gian va chạm, cònlực thường có xung lượng cùng bậc với thời gian va chạm vô cùng bé

Xung lượng của lực va chạm được gọi tắt là xung lực va chạm

Quá trình va chạm là quá trình rất phưc tạp Để đơn giản dựa vào các đặcđiểm của quá trình va chạm người ta đưa ra các giả thiết sau:

+ Giả thiết thứ nhất : Trong quá trình va chạm các lực thường được bỏ qua vàchỉ xét các lực va chạm

+ Giả thiết thứ hai : Trong quá trình va chạm các chất điểm không di chuyển+ Giả thiết thứ ba : Trong quá trình va chạm hệ số khôi phục là hằng số đối vớicác thông số động học của quá trình va chạm (giả thiết này tương đương với giảthiết của Newton)

Nhằm phần nào đó tháo gỡ những khó khăn cho học sinh trong quá trình làmnhững bài tập phần này cũng như giúp các em hứng thú, yêu thích môn học vật lýhơn tôi chọn đề tài trên

Tiến hành điều tra thăm dò ý kiến của GV vật lí trong và ngoài trường trunghọc phổ thông từ đó tôi xây dựng một hệ thống lý thuyết và bài tập để học sinh cóthể vận dụng tự giải bài tập va chạm Qua đề tài này tôi mong muốn cung cấp chocác em một số kĩ năng cơ bản trong việc giải các bài tập vật lý về va chạm

III.TỔ CHỨC THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP

Giải pháp 1 : Đầu tiên hệ thống lại kiến thức và đưa ra hướng giải quyết một bài toán vật lý liên quan đến va chạm

1.1 Hệ thống về các định luật bảo toàn

Trong thực tế, ở mức độ nào đó va chạm xảy ra giữa các vật thường là va chạmkhông đàn hồi vì bao giờ các vật cũng bị nóng lên do một phần nội năng đã bịchuyển hóa thành nhiệt năng do tác dụng của lực ma sát Tuy nhiên trong vật lý thìkhái niệm về va chạm đàn hồi lại đóng vai trò quan trọng

Trong các bài toán về va chạm, có 2 dạng bảo toàn được sử dụng:

+ Các định luật bảo toàn về động lượng (trong chuyển động tịnh tiến) vàmoment động lượng (trong chuyển động quay)

+ Các định luật bảo toàn về cơ năng

Các định luật về bảo toàn cơ năng thì chỉ được áp dụng trong va chạm tuyệt đốiđàn hồi Đối với các va chạm có sự biến đổi về nội năng thì ngoài việc sử dụng cácđịnh luật về bảo toàn động lượng ( áp dụng được với mọi loại va chạm) ta có thể

áp dụng thêm định luật về biến thiên nội năng của hệ

Đối với một chuyển động bất kỳ, người ta đã chứng minh tổng quát được rằngmột chuyển động bất kỳ luôn có thể biểu diễn được dưới dạng các chuyển độngtịnh tiến và chuyển động tròn Nhưng trong chương trình vật lý phổ thông, ta chỉgặp các chuyển động dạng đơn giản như: vừa lăn không trượt ( vừa quay vừa tịnhtiến)

1.2 Chiến thuật giải quyết một bài toán vật lý có liên quan đến va chạm:

Các bài toán va chạm thường bao gồm các bài toán thuận, bài toán ngược và bàitoán tổng hợp

Bài toán ngược : Cho cơ hệ và các xung lực va chạm ngoài cùng với hệ số khôi

phục và các yếu tố động học trước va chạm của cơ hệ Tìm các yếu tố động họccủa cơ hệ sau va chạm

Bài toán thuận : Cho biết trạng thái động học của cơ hệ trước và sau va chạm.

Tìm các xung lực va chạm và lượng mất mát động năng

Bài toán tổng hợp bao gồm cả hai bài toán trên.

Khi giải các bài toán va chạm, điều quan trọng nhất là phải nhận biết được quátrình va chạm và các quá trình không va chạm Trong các quá trình không va chạm(quá trình trước va chạm và sau va chạm) ta áp dụng các định lí đã thiết lập choquá trình động lực không va chạm, còn trong các quá trình va chạm chúng ta sửdụng các công thức nêu ra ở trên Nói cách khác, việc giải bài toán va chạm baogiờ cũng kèm theo giải các bài toán không va chạm

Chiến thuật

Bước 1: Đọc kĩ đề bài, để ý và đánh dấu các trọng tâm của đề bài.

Bước 2: Tập trung nhận xét, đánh giá đề bài để rút ra những giai đoạn khác

nhau trong bài toán: trước va chạm và sau va chạm, bên cạnh đó cần tìm ra dạngcủa va chạm đó để xét những định luật bảo toàn có thể sử dụng Nếu không thể rút

ra được dạng của va chạm đó thì ta bắt buộc phải sử dụng các định luật về bảo toànđộng lượng và moment động lượng

Bước 3: Từ các nhận xét rút ra từ bước 2, rút ra hướng làm và hoàn thiện bài

làm một cách đầy đủ

Giải pháp 2 : Xét các trường hợp bài toán va chạm cơ bản

Trong thực tế nội dung của bài toán va chạm là như sau : biết khối lượng và vậntốc của các vật trước va chạm, ta cần tìm vận tốc của các vật sau va chạm

(mặt phẳng xOy) và ngược chiều nhau đến va chạm trực diện với nhau Vận tốcban đầu của các vật lần lượt là vr10

và v r10

Trong mặt phẳng nằm ngang chúng ta cóthể áp dụng định luật bảo toàn động lượng của các vật tham gia va chạm, tức là :

2.1 Va chạm hoàn toàn đàn hồi :

Người ta gọi va chạm giữa hai vật là hoàn toàn đàn hồi nếu trong quá trình va chạm không có hiện tượng chuyển một phần động năng của các vật trước va chạm

thành nhiệt và công làm biến dạng các vật sau va chạm Nói cách khác, sau va

chạm đàn hồi các quả cầu vẫn có hình dạng như cũ và không hề bị nóng lên

Lưu ý rằng va chạm xảy ra trong mặt phẳng nằm ngang tức là độ cao so với mặtđất của các quả cầu không thay đổi nên thế năng của chúng không thay đổi trongkhi va chạm, vì vậy bảo toàn cơ năng trong trường hợp này chỉ là bảo toàn độngnăng

Ta xét một trường hợp riêng của biểu thức (4) và (5) :

Giả sử hai quả cầu hoàn toàn giống nhau , tức là m1 = m2 Từ (4) và (5) ta có :

Nghĩa là hai quả cầu sau va chạm trao đổi vận tốc cho nhau : quả cầu thứ nhất

có vận tốc của quả cầu thứ hai trước khi có va chạm và ngược lại

Hình sau minh họa trường hợp một trong hai quả cầu trước va chạm đứng yên :Hình bên cho thấy sau va chạm, quả cầu thứ hai có vận tốc v2 = v10 = 0, nghiã là

nó đứng yên như quả cầu thứ nhất trước khi va chạm, còn quả cầu thứ nhất sau vachạm lại có vận tốc v1 = v20 nghĩa là nó chuyển động như quả cầu thứ hai trước khi

va chạm Hai quả cầu đã thay đổi vai trò cho nhau Nếu ma sát ở điểm treo dây rấtnhỏ thì các quả cầu sẽ lần lượt lúc đứng yên lúc chuyển động xen kẽ nhau

2.2 Va chạm mềm:

Người ta gọi va chạm giữa các vật là va chạm mềm nếu sau va chạm hai vật

dính liền với nhau thành một vật Trong va chạm mềm một phần động năng của

các quả cầu đã chuyển thành nhiệt và công làm biến dạng các vật sau va chạm Dĩnhiên trong va chạm mềm ta không có sự bảo toàn cơ năng của các vật

Định luật bảo toàn động lượng dẫn đến phương trình :

Ta hãy tính phần động năng tổn hao trong quá trình va chạm :

Động năng của hai vật trước va chạm :

Động năng của chúng sau va chạm :

giảm được phần động năng tiêu hao thành nhiệ

(*) Áp dụng :

Sau đây chúng ta sẽ trình bày một

áp dụng của va chạm mềm để xác định vận tốc ban đầu của đầu đạn khi bay ra khỏi nòng súng Để xác định vận tốc v10 của viên

đạn có khối lượng m1 khi bay ra khỏi nòng súng, người ta bắn viên

viên đạn và bao cát dính vào nhau và có cùng vận tốc là v Bao cát được treo bằng một thanh kim loại cứng có chiều dài l Đầu thanh có gắn một lưỡi dao O làm trục quay Nhờ động năng sau va chạm mà hệ quay đi một góc θ , và được nâng lên

một độ cao h so với vị trí cân bằng Tất cả động năng của hệ đã chuyển thành thế năng Đo góc θ , biết m1, m2 và l ta có thể xác định được vận tốc ban đầu v10 của viên đạn khi bay ra khỏi nòng súng Thật vậy, áp dụng (IV.6) và để ý rằng v20 = 0 ta

Thế năng của hệ ở vị trí được xác định bởi góc θ là :

Theo định luật bảo toàn cơ năng :

Thực tế, va chạm giữa các vật không hoàn toàn đàn hồi cũng như không phải là

va chạm mềm mà là trường hợp trung gian giữa hai trường hợp trên Trong quátrình va chạm, một phần động năng của các vật đã chuyển thành nhiệt và công biếndạng mặc dù sau va chạm hai vật không dính liền nhau mà chuyển động với nhữngvận tốc khác nhau

Từ thời Niutơn, bằng thực nghiệm người ta đã xác định được rằng trong va

chạm thật giữa các vật thì tỉ số e của vận tốc tương đối ( tức là hiệu của hai vận tốc

) sau va chạm (v1 −v2 ) và vận tốc tương đối trước va chạm (v10 −v20)chỉ phụ thuộc

Như vậy, đối với va chạm hoàn toàn đàn hồi thì e = 1 Trong va chạm mềm thì

vì sau va chạm hai vật cùng chuyển động cùng với vận tốc v như nhau nên vận tốctương đối của chúng sau va chạm bằng không, do đó e = 0.Đối với va chạm củacác vật thật thì e có gia trị giữa 0 và 1

Niutơn đã xác định được với thủy tinh thì e = 15/16 còn đối với sắt thì e = 5/9.Biết hệ số đàn hồi e , ta có thể xác định được vận tốc sau va chạm của các vật

và phần động năng tiêu hao trong va chạm Thật vậy , từ định nghĩa của hệ số đànhồi e ở trên và định luật bảo toàn động lượng ta có hệ phương trình :

v − = −v e v −v

m v +m v =m v +m v

Muốn giải hệ phương trình này, chúng ta nhân hai vế của phương trình đầu với

m2 rồi cộng phương trình thu được với phương trình thứ hai của hệ ta được :

1 2 1 1 2 10 2 10 20

(m +m v) = (m +m v) −m e( + 1)(v −v )

Giải pháp 3: Đưa ra một số dạng bài toán hay và khó

3.1 Bài toán va chạm (dành cho học sinh lớp 10)

Bài 1 : Hai vật có khối lượng m1 = 1 kg, m2 = 3 kg chuyển động với các vận tốc v1

Bài 2: Một viên đạn khối lượng 1kg đang bay theo phương thẳng đứng với vận tốc

500m/s thì nổ thành hai mảnh có khối lượng bằng nhau Mảnh thứ nhất bay theo

- Động lượng của súng khi chưa bắn là bằng 0

- Động lượng của hệ sau khi bắn súng là:

Bài 4: Một xe ôtô có khối lượng m1 = 3 tấn chuyển động thẳng với vận tốc v1 =

- Xem hệ hai xe là hệ cô lập

- Áp dụmg địmh luật bảo toàn động lượng của hệ

Bài 5: Một người khối lượng m1 = 50kg đang chạy với vận tốc v1 = 4m/s thì nhảy

vận tốc v2 = 3m/s sau đó, xe và người vẫn tiếp tục chuyển động theo phương cũ.Tính vận tốc xe sau khi người này nhảy lên nếu ban đầu xe và người chuyển động: a/ Cùng chiều

b/ Ngược chiều

Giải

Xét hệ: Xe + người là hệ kínTheo định luật BT động lượng

1 2 1 2

m v m vr + r = m m v+ ra/ Khi người nhảy cùng chiều thì

- Vậy xe tiếp tục chuyển động theo chiều cũ với vận tốc 3,38 m/s

b/ Khi người nhảy ngược chiều thì/ 1 1 2 2

3.2 Kích thích dao động bằng va chạm (dành cho học sinh lớp 12)

2 0 0

1 1 1 2

v m

M m

M v

v m M V

MV mv

mv

MV mv mv

+ Va chạm mềm: 0 ( ) 0

1

1

v m M V

V M m mv

+

=

⇒ +

=

Bài 1: Cho một hệ dao động như hình vẽ

bên Lò xo có khối lượng không đáng kể, độ

cứng k = 30(N/m) Vật M = 200( )g có thể

trượt không ma sát trên mặt phẳng nằm

ngang Hệ đang ở trạng thái cân bằng, dùng

một vật m 100= ( )g bắn vào M theo phương nằm ngang với vận tốc v0 = 3(m/s) Sau va

chạm hai vật dính vào nhau và cùng dao động điều hoà Xác định vận tốc của hệ ngay sau

va chạm Viết phương trình dao động của hệ Chọn trục toạ độ Ox trùng với phương dao động, gốc toạ độ O là vị trí cân bằng, chiều dương của trục cùng chiều với chiều của v0 Gốc thời gian là lúc va chạm.

+

V là vận tốc của hệ ngay sau va chạm