Phương pháp giải các bài toán thực nghiệm phần cơ học nhằm nâng cao chất lượng dạy học sinh giỏi vật lý cấp THCS

Với cùng một công việc nếu ta biết tìm tòi ra những phương pháp, cách làm khác nhau thì nó sẽ cho ta những kết quả và chất lượng công việc có thể khác nhau, khi học vật lí thì khả năng t

Mục lục

2

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài

Trong một xã hội phát triền về công nghiệp hóa hiện đại hóa như hiện nay, thì đất nước ta rất cần những người có trình độ chuyên môn giỏi, do đó việc phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi là vấn đề rất quan trọng, nhất là đối với bậc THCS là nền móng cho các cấp học tiếp theo Việc đổi mới phương pháp dạy học

là một nhiệm vụ quan trọng của tất cả các cấp học và bậc học ở nước ta nhằm đào tạo những con người tích cực, tự giác, năng động sáng tạo, có năng lực giải quyết các vấn đề, biết vận dụng linh hoạt các kiến thức đã học vào cuộc sống

Với cùng một công việc nếu ta biết tìm tòi ra những phương pháp, cách làm khác nhau thì nó sẽ cho ta những kết quả và chất lượng công việc có thể khác nhau, khi học vật lí thì khả năng tư duy sáng tạo của người học góp một phần rất quan trọng trong chất lượng học, nhưng với học sinh THCS khả năng tư duy còn rất hạn chế, khi các em học ở chương trình cơ bản chỉ đề cập đến những kiến thức phổ thông, chỉ mang tính chất định tính chưa có nhiều nhưng bài tập

mà các em cần phải có sự tư duy lô rích thì mới giải được

Ở chương trình lớp 9 những yêu cầu của việc học mang một khả năng tư duy trừu tượng, khái quát cũng như yêu cầu về mặt định lượng của các bài toán

sẽ cao hơn, nhất là đối với những học sinh ôn tập trong đội tuyển HSG Để học sinh tự lực hoạt động, để nắm vững kiến thức và rèn luyện kỹ năng trong quá trình học và tự học, thì phải cung cấp cho các em một phương pháp, một cách giải cho từng loại bài tập cụ thể và nhưng bài tập vận dụng, khi các em đã có những phương pháp giải riêng cho từng loại bài toán thì các em sẽ phát huy được hết khả năng thông minh nhanh nhạy của tuổi trẻ

Trong những năm ôn luyện đội tuyển HSG cấp tỉnh tại trường THCS Nguyễn Du, khi dạy cho các em phần bài tập thực nghiệm, tôi thấy các em gặp không ít những khó khăn, nhất là những bài tập nâng cao, các em gặp khó khăn với những bài toán khó không phải các em chưa nắm được kiến thức lí thuyết cơ bản của bài học, mà do sự đa dạng về bài tập mà phương pháp giải các dạng bài tập này lại rất ít tài liệu đè cập đến, khi gặp những bài lạ thì các em bắt đầu lúng túng, không biết làm thế nào để đưa ra cách làm

Cho dù các bài tập phần này khó, khi các em đã có phương pháp giải cho từng loại bài tập thì các em vẫn có thể làm được Vì vậy với những kinh nghiệm qua các năm bồi HSG của bản thân và sự tham khảo các loại sách, tôi mới đúc kết được những kinh nghiệm, để đưa ra những phương pháp làm cụ thể cho từng dạng bài tập thực nghiệm phần cơ học

1.2 Mục đích nghiên cứu

-Với nhưng kinh nghiệm qua những năm dạy đội tuyển học sinh giỏi cấp huyện và cấp tỉnh tôi muốn đưa ra những phương pháp cụ thể để giải những bài tập vật lí thực nghiệm phần cơ học, để khi học học sinh đã nắm vững những kiến thức cơ bản thông qua các bài tập định tính và định lượng, kết hợp với những phương pháp giải cụ thể cho các bài toán thực nghiệm, thì các em sẽ cảm thấy đơn giản hơn rất nhiều khi gặp những bài tập thực nghiệm

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Khi đưa vấn đề nghiên cứu vào thực tiễn tôi đã áp dụng nghiên cứu thử nghiệm trong hai năm đối với học sinh lớp 8 và 9, đang học và ôn thi đội tuyển học sinh giỏi vật lí cấp huyện, tỉnh tại trường THCS Nguyễn Du huyện Quảng Xương

1.4 Phương pháp nghiên cứu

-Trong quá trình dạy tôi đã phân dạng cụ thể các bài tập thực nghiệm phần

cơ học và hướng dẫn các em dựa trên cơ sở lí thuyết và những kiến thức đã học,

để đưa ra những phương án làm cụ thể cho từng dạng bài tập

Khi dạy cho học sinh phần này ta cần tuân thủ theo các bước sau:

Bước 1: Xác định bài tập thuộc bài tập dạng nào.

Bước 2: Với nhưng dữ kiện và yêu cầu của bài ta tìm dụng cụ và phương

án thích hợp

Bước 3: Vẽ hình minh họa cho từng bước làm và xử lí kết quả thí nghiệm

thông qua những công thức đã học

Bước 4: Từ những công thức lập được ở trên lập mối liên hệ để rút ra kết

quả theo yêu cầu của đề bài

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

Với những bài toán về thực nghiệm thì rất đa dạng và khó, nên với giáo viên

khi giảng dạy giáo viên phải có phương pháp tốt trong việc truyền đạt kiến thức cho học sinh sao cho hiệu quả Với học sinh vì đây là dạng bài toán mở nên muốn làm được bài có hiệu quả thì các em phải có một lượng kiến thức sâu và vững chắc, vì khi ta muốn giải được những bài tập ở phần này thì ngoài việc phải nhớ được những công thức cơ bản ta phải biết được cách vận dụng linh hoạt từng bước và từng bước đó phải liên hệ với nhau thì ta mới tìm ra được kết quả của bài toán

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.

Như chúng ta đã biết trong những năm gần đây, trong các đề thi học sinh giỏi các cấp của bậc THCS thì các bài toán về thực nghiệm luôn nằm trong cấu trúc đề thi

Với những năm ôn luyện đội tuyển HSG tôi nhận thấy những khó khăn của học sinh khi gặp những bài toán thực nghiệm,vì dạng toán thực nghiệm là những dạng bài tập mở, do đó khi học đến phần này sẽ mất rất nhiều thời gian để các

em làm quen với những dạng bài tập khác nhau, các bài tập phần này rất đa dạng

và phong phú, có nhưng bài khi học sinh đọc xong đề bài rất khó nhận biết được hướng giải và bắt đầu từ đâu để giải quyết theo yêu cầu của bài, với thực trạng

đó với những kinh nghiệm có được trong những năm ôn thi học sinh giỏi, tôi mới đưa ra cho các em một số phương pháp cụ thể để thuận tiện cho việc giải toán thực nghiệm phần cơ học, góp phần nâng cao kết qua trong các bài thi

2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.

-Trong quá trình dạy tôi đã phân dạng các bài toán thực nghiệm phần cơ học,

để với những dạng cụ thể dễ vận dụng sao cho phù hợp, sau đó hướng dẫn các

em dựa trên cơ sở lí thuyết và những kiến thức đã học áp dụng sao cho linh hoạt vào bài tập Với bài tập phần này tôi chia thành các dạng cụ thể sau

Các trường hợp cụ thể và cách giải:

Dạng 1 Đo khối lượng

Bước 1: Xác định bài tập thuộc bài tập nào.

Bước 2: Với nhưng dữ kiện và yêu cầu của bài ta tìm dụng cụ và phương

án thích hợp

Có thể dùng một số dụng cụ sau

+ Dùng cân

+Hoặc dùng lực kế

+Hoặc dùng điều kiện cân bằng của đòn bẩy

- Biến đổi về phương, chiều và độ lớn của lực

- Đòn bẩy cân bằng khi các lực tác dụng tỉ lệ với cánh tay đòn

1 2

F l

F =l

Bước 3: Vẽ hình minh họa cho từng bước làm và xử lí kết quả thí nghiệm

thông qua những công thức đã học

Bước 4: Từ những công thức lập được ở trên lập mối liên hệ để rút ra kết

quả theo yêu cầu của đề bài

Ví dụ.1.

1

F

2

Fr

h

2

h 1

l 1 l 2

- F1,F2 là hai lực tác dụng vào hai đầu đòn bẩy

- l1,l2 là hai cánh tay đòn tương ứng với hai lực F1,F2

Đo khối lượng của một cái thước Với dụng cụ là, quả cân, cái nêm để làm điểm tựa, thước cần đo khối lượng

-Cách giải

Bước 1 Xác địn dạng bài toán, đây là bài toán có liên quan đến dòn bẩy

Bước 2 Đặt thước trên nêm xê dịch thước sao cho thước nằm thăng bằng,

đánh dấu trọng tâm của thước tại G,

Bước 3 sau đó đặt quả cân lên thước, xê dịch thước để xác định điểm tựa O

sao cho khi đó thước nằm cân bằng.Dùng thức đo khoảng cách từ điểm tựa O đến tâm của quả cân là l1, đo khoảng cách từ O đến G là l2

Bước 4 Tính giá trị khối lượng của thước

t c t c c

Trong đó mc là khối lượng quả cân,mt là khối lượng của thước

Ví dụ 2 (Tài liệu 2)

Trình bày cơ sở lí thuyết và cách tiến hành đo khối lượng của đĩa cân Cho các dụng cụ gồm: quả cân 10g, lò xo, thước nhựa, đĩa cân cần xác định khối lượng

Cách giải.

a Cơ sở lí thuyết

-Độ giãn của lò xo tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật: F=k.x (k là hệ số, x là độ giản của lò xo)

-Gọi P1, P2 lần lượt là trọng lượng của quả cân và đĩa cân

Ta có: P1=k.x1 và P2=k.x2 =>

P = x => = x <=> = x

b Tiến hành thí nghiệm

+ treo quả cân m1=10g vào lò xo, khi đó lò xo dài thêm một đoạn x1

+ Treo đĩa cân vào lò xo, khi đó lò xo dài thêm một đoạn x2

+Dựa vào công thức

2

1

x

x

=

( m2 là khối lượng đĩa cân cần xác định.)

Vi dụ 3 (Tài liệu 6)

G

G O

l1

l2

- Một lọ thủy tinh có vỏ dày chứa đầy thủy ngân, được nút chặt bằng nút thủy

tinh Vì thủy ngân rất độc nên không thể đổ thủy ngân ra cân được Người ta muốn xác định khối lượng của thủy ngân trong lọ

Cho các dụng cụ:

- Cân

- Bình chia độ chứa nước có thể bỏ lọt được lọ thủy ngân vào trong

Hãy nêu một phương án xác định khối lượng thủy ngân trong lọ mà không

mở nút ra Biết khối lượng riêng của thủy tinh và thủy ngân lần lượt là D1 và D2.

Cách giải.

- Dùng cân để xác định khối lượng tổng cộng của lọ m bao gồm khối lượng m1 của thủy ngân và m2 của thủy tinh: m = m1 + m2 (1)

- Dùng bình chia độ và nước để xác định thể tích V của lọ, bao gồm thể tích V1 của thủy ngân và thể tích V2 của thủy tinh: 1 2

V V V

= + = + (2)

- Giải hệ (1) và (2) ta tính được khối lượng của thủy ngân: 1 2

1

D m V D m

D D

−

=

−

Dạng 2 Đo thể tích

Dụng cụ đo

+ Dùng bình cia độ

+ Dùng bình tràn

+Dùng một số dụng cụ kết hợp khác

- Những ví dụ cụ thể

Ví dụ 1:

Trình bày cơ sở lí thuyết và cách tiến hành thí nghiệm xác định thể tích của chiếc đục Cho dụng cụ gồm: 1 thước thẳng, 1 qua cân tùy chọn trong hộp quả cân,một chiếc đục thép,1 sợi dây, 1 bình đựng nước

a Cơ sở lí thuyết

+ Điệu kiện cân bằng của đòn bẩy

0 0 0

0

m

P = => =l l

+ Lực đẩy Ác si mét FA=d.V=10.D.V

+Điều kiện cân bằng khi có lực đẩy Ác si mét

0

0

A l

P F

<=> 0 0

'

A

P l P l

F

l

−

= <=>10.Dn.V= 0 0

'

P l P l l

−

=> V=

'

0 0 '

10 n

P l P l

D l

−

=

'

0 0 '

n

m l m l

D l

−

=

' '

n

m l l

D l

 − 

b: Tiến trình thực hành

+ Đặt thước gỗ nằm trên bàn sao cho nửa thước nhô ra ngoài mép bàn Xác định

vị trí trọng tâm của thước

+ Dùng dây buộc chiếc đục thép vào gần đầu thước nhô ra ngoài bàn Đặt qua cân có trọng lượng P0 lên đầu thước trên mặt bàn và dịch dần về phía trọng tâm của thước đến khi thấy thước bắt đầu hơi nghiêng Đo l0 và l, biết m0 ta tín được trọng lượng m của chiếc đục thép bằng công thức

m l0 0

m l

=

Giữ nguyên P0và l0 Nhúng ngập chiếc đục vào nước chứa trong bình trụ,điều chỉnh vị trí theo chiếc đục sao cho thước bắt đầu chớm nghiêng

+ Xác định hợp lực của trọng lực P của chiếc đục và lực đẩy Ac si mét

F = (P-Fa)

+ Điểm đặt ở cách trục quay một khoảng l'

+ Áp dụng công thức V =

' '

n

m l l

D l

 − 

  Để xác định thể tích của đục.

Ví dụ 2 (Tài liệu 6)

Trong tay em có:

- Một chiếc xoong

- Một chiếc cân, một bộ quả cân (có giới hạn đo phù hợp)

- Bảng khối lượng riêng của các chất

- Một lượng nước đủ để làm thí nghiệm

Yêu cầu: Em hãy trình bày một phương án xác định thể tích bên trong của chiếc xoong

Cách làm

+ Dùng cân xác định khối lượng m1 của xoong

+ Đổ nước đầy xoong dùng cân xác định khối lượng m2 của cả xoong và nước trong xoong

+ Xác định khối lượng của nước trong xoong : m2 - m1

+ Xác định thể tích của nước trong xoong( bằng thể tích bên trong của một chiếc xoong ) V = m2 m1

D

−

D: khối lượng riêng của nước (dựa vào bảng khối lượng riêng các chất)

Ví dụ 3 (Tài liệu 6)

a)Một quả cầu bằng sắt bên trong có một phần rỗng Hãy nêu cách xác định thể tích phần rỗng đó với các dụng cụ có trong phòng thí nghiệm Biết khối lượng riêng của sắt Ds

b) Một cái phao nổi trong bình nước, bên dưới treo một quả cầu bằng chì Mực nước trong bình thay đổi thế nào nếu dây treo bị đứt

Cách làm

Dụng cụ cần: Cân và bộ quả cân, bình chia độ, (bình tràn nếu quả cầu to hơn bình chia độ),bình nước, cốc +Các bước:

- Cân quả cầu ta được khối lượng m  thể tích phần đặc (sắt) của quả cầu

Vđ = m

D

- Đổ một lượng nước vào bình chia độ sao cho đủ chìm vật, xác định thể tích V1

-Thả quả cầu vào bình chia độ, mực nước dâng lên, xác định thể tích V2 Thể tích quả cầu

V= V2 – V1

- Thể tích phần rỗng bên trong quả cầu là Vr= V – Vđ = V2 – V1-m

D b) Gọi thể tích phần chìm của phao lúc đầu là Vc , thể tích quả cầu V, trọng lượng của hệ tương ứng là P1 và P2

-Lúc đầu hệ nổi cân bằng ta có

(Vc + V)dn = P1 + P2

Vc dn+ Vdn = P1 + P2 (1)

Khi dây bị đứt quả cầu chìm xuống, gọi thể tích phần chìm của phao lúc này

là Vc’

Ta có:

Vc'.dn+ V.dn < P1 + P2 (vì V.dn < P)

Vc' dn+ V.dn < Vc.dn+ V.dn

 Vc'.dn < Vc' dn hay Vc'<Vc

Vậy thể tích chiếm chỗ của phao lúc sau nhỏ hơn thể tích chiếm chỗ của phao lúc trước nên mực nước trong bình giảm xuống

Dạng 3 Xác định khối lượng riêng, trọng lượng riêng

-Bước 1: Xác định thể tích

+ Dùng bình chia độ hoặc ống nghiệm có chia thể tích để xác định

+ Hoặc dùng ống nghiệm kết hợp với thước đo chiều dài để xác định

-Bước 2: Xác định trọng lượng.

+ Dùng lực kế để xác định trọng lượng

+ Hoặc dựa vào điều kiện cân bằng và lực đẩy Ác si mét

- Bước 3: Vận dụng công thức tính khối lượng riêng và trọng lượng riêng

+ Khối lượng riêng D=m

V =

10

P V

+ Trọng lượng riêng D=P

V =10m

V

Ví dụ 1 (Tài liệu 3)

Hãy trình bày phương án xác định (gần đúng) khối lượng riêng của một vật nhỏ bằng kim loại

Dụng cụ gồm:

- Vật cần xác định khối lượng riêng

- Lực kế

- Ca đựng nước có thể nhúng chìm hoàn toàn vật

- Một số sợi dây nhỏ mềm có thể bỏ qua khối lượng

Coi rằng khối lượng riêng của không khí là D1 và khối lượng riêng của nước là

D2 đã biết

-Cách làm

-Bước 1:

Treo vật vào lực kế

Đo số chỉ của lực kế khi vật ở trong không khí (P1)

Nhúng chìm vật trong nước Đọc số chỉ của lực kế khi vật bị nhúng chìm (P2)

-Bước 2:

Thiết lập phương trình:

Gọi thể tích của vật là V, lực đẩy Acsimet khi vật ngoài không khí là PA1 và khi vật ở trong nước là FA2

Khi vật trong không khí: P1 = P - FA1 = P - 10D1V (1)

Khi vật được nhúng chìm trong nước: P2 = P - FA2 = P - 10D2V (2)

-Bước 3:

Từ (1) và (2); 1 2

P P V

10(D D )

−

=

− (3)

P D P D

P P 10D V

−

−

Khối lượng của vật: 1 2 2 1

P D P D P

m

10 10(D D )

−

−

Khối lượng riêng: 1 2 2 1

P D P D m

D

−

−

Ví dụ 2 (Tài liệu 7)

Cho các dụng cụ sau : Lực kế, dây treo và bình nước đủ lớn Hãy trình bày cách xác định khối lượng riêng của một vật bằng kim loại đồng chất có hình dạng bất kì Biết khối lượng riêng của nước là Dn

Cách làm

- Ta có công thức:

V

m

D= (*) Để xác định khối lượng riêng của vật ta cần xác

định được khối lượng m và thể tích V của vật

- Bước 1: Xác định m Bằng cách treo vật vào lực kế, lực kế chỉ giá trị P1

Suy ra : m =

10

1

P

(1)

- Bước 2 Xác định V Bằng cách móc vật vào lực kế, rồi nhúng vật vào trong

nước Lực kế chỉ giá trị P2 Khi đó lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật :

FA = P1 – P2 = 10.Dn.V

Suy ra : V =

n

D

P P

10

2

1 −

(2)

- Bước 3

- Thay (1), (2) vào (*) ta được: 1 2

1

P P

D P

−

=

Ví dụ 3 (Tài liệu 4)

-Trong tay chỉ có 1 chiếc cốc thủy tinh hình trụ thành mỏng, bình lớn đựng

nước, thước thẳng có vạch chia tới milimet Hãy nêu phương án thí nghiệm để xác định khối lượng riêng của một chất lỏng nào đó và khối lượng riêng của cốc thủy tinh Cho rằng bạn đã biết khối lượng riêng của nước

-Cách làm

+ Gọi diện tích đáy cốc là S, Khối lượng riêng của cốc là D0; Khối lượng riêng của nước là D1;

+khối lượng riêng của chất lỏng cần xác định là D2 và thể tích cốc là V chiều cao của cốc là h

Lần 1: thả cốc không có chất lỏng vào nước phần chìm của cốc trong nước là h1

Ta có: 10D0V = 10D1Sh1 ⇒ D0V = D1Sh1 (1)

⇒ D0Sh = D1Sh1⇒ D0 =

h

h1

D1⇒ xác định được khối lượng riêng của cốc

Lần 2: Đổ thêm vào cốc 1 lượng chất lỏng cần xác định khối lượng riêng ( vừa

phải) có chiều cao h2, phần cốc chìm trong nước có chiều cao h3

Ta có: D1Sh1 + D2Sh2 = D1Sh3 ( theo (1) và P = FA)

D2 = (h3 – h1)D1⇒ xác định được khối lượng riêng chất lỏng

Các chiều cao h, h1, h2, h3 được xác định bằng thước thẳng D1 đã biết

Ví dụ 4 (Tài liệu 6)

- Hãy tìm cách xác định khối lượng riêng của thủy ngân Cho dụng cụ gồm :

+ Lọ thủy tinh rỗng đủ lớn

+ Nước có khối lượng riêng D

+ Cân đồng hồ có độ chính xác cao, có giới hạn đo và độ chia nhỏ nhất phù hợp

Cách làm

- Dùng cân xác định khối lượng của lọ rỗng : m

- Đổ nước đầy lọ rồi xác định khối lượng của lọ nước : m1

=> Khối lượng nước : mn = m1 – m

- Dung tích của lọ : D = m m m1 m

V

−

=> = =

- Đổ hết nước ra, rồi đổ thủy ngân vào đầy lọ, xác định khối lượng của lọ thủy ngân : m2

=> Khối lượng thủy ngân : mHg = m2 – m

- Dung tích của lọ không đổi nên khối lượng riêng của thủy ngân là:

D Hg = 2

1

Hg

D

−

=

−

Ví dụ 5 (Tài liệu 1)