KÍCH THÍCH sự HỨNG THÚ và PHÁT TRIỂN tư DUY của học SINH QUA bài TOÁN VA CHẠM TRONG CHƯƠNG 4

Xuất phát từ thực tế trên,với một số kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và qua tham khảo một số tài liệu, tôi chọn đề tài “ Kích thích sự hứng thú và phát triển tư duy của học sinh qu

Mẫu 1 (1)

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT HẬU LỘC 3

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

KÍCH THÍCH SỰ HỨNG THÚ VÀ PHÁT TRIỂN TƯ DUY CỦA HỌC SINH QUA BÀI TOÁN VA CHẠM TRONG CHƯƠNG 4 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VẬT LÝ 10 NÂNG CAO

Người thực hiện: Trương Thị Nguyên Chức vụ: Giáo viên

SKKN môn: Vật lý

THANH HOÁ NĂM 2019

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

2 NỘI DUNG 2

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2

2.1.1 LÝ THUYẾT VỀ VA CHẠM 2

2.1.2 Phương pháp giải ứng dụng hệ thống các định luật bảo toàn 3

2.1.2.1 Hệ thống về các định luật bảo toàn 3

2.1.2.2 Chiến thuật giải quyết một bài toán vật lý có liên quan đến va chạm 4

2.1.2.3 Đầu tiên ta xét các trường hợp bài toán va chạm cơ bản 4

2.2 THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI 9

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 10

2.3.1 Dạng 1 ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG CHO HỆ KÍN 10

2.3.2 Dạng 2 CHUYỂN ĐỘNG BẰNG PHẢN LỰC 11

2.3.3 Dạng 3 ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG CHO HIỆN TƯỢNG NỔ, VA CHẠM 13

2.3.4 Dạng 4 MỘT SỐ BÀI TOÁN TỔNG HỢP 15

2.3.5 Dạng 5 Ứng dụng các kết quả của bài toán va chạm vào thực tế 18

2.4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19

3.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

DANH MỤC 23

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Va chạm là một hiện tượng thường xuyên gặp trong đời sống Trong ngôn ngữ

hàng ngày thì va chạm xảy ra khi một vật va vào một vật khác Các va chạm có thể là:những quả bi a, cái búa và cái đinh, một quả bóng chày và một chày đập bóng và cònrất nhiều va chạm khác nữa Va chạm cũng có rất nhiều ứng dụng trong thực tế

Ví dụ như: đo vận tốc của đạn bằng cách cho đạn va chạm với con lắc thử đạn, ứng

dụng bài toán va chạm vào thực tế để giải thích Bí mật của trò chơi Bi-a

Trong chương trình vật lý phổ thông các bài toán về va chạm là các dạng bài toánhay và khó Va chạm có rất nhiều đặc điểm và với mỗi đặc điểm ta có một loại vachạm khác nhau Việc phân biệt các loại va chạm và phân tích quá trình xảy ra vachạm là một điều khá khó khăn đối với học sinh phổ thông Xuất phát từ thực tế trên,với một số kinh nghiệm trong quá trình giảng dạy và qua tham khảo một số tài liệu,

tôi chọn đề tài “ Kích thích sự hứng thú và phát triển tư duy của học sinh qua bài

toán va chạm trong chương 4 định luật bảo toàn vật lý 10 nâng cao.” nhằm tìm

cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹnăng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyệnthói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy, giúp các em họctập môn Vật lý tốt hơn

1.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài để nâng cao chất lượng giảng dạy, nhất là chấtlượng học sinh giỏi Giúp các em học sinh có thể làm tốt bài toán va chạm trongchương định luật bảo toàn vật lý lớp 10, trong các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, cũngnhư kỳ thi THPT quốc gia sau này Góp phần làm cho các em thấy cái hay, cái đẹpcủa môn vật lý, tạo động lực giúp các em học tốt hơn

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu kiến thức về va chạm và các định luât bảo toàn trong chương 4 vật

lý lớp 10 nâng cao

1.4 Phương pháp nghiên cứu

-Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

-Phương pháp nghiên cứu tài liệu và sản phẩm hoạt động sư phạm

-Phương pháp thống kê,tổng hợp, so sánh

2 NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN

va chạm hết biến dạng Giai đoạn khôi phục kể từ lúc kết thúc biến dạng, các vật khôiphục hình dạng cũ cho đến lúc kết thúc va chạm

Va chạm được phân thành : va chạm mềm, va chạm đàn hồi và va chạm hoàn toànđàn hồi

Đặc điểm của va chạm mềm là sau giai đoạn biến dạng hình dáng cũ của các vật

va chạm không được khôi phục lại mà chúng gắn liền lại với nhau thành một vật,nghĩa là không xảy ra giai đoạn khôi phục, mà chỉ có giai đoạn biến dạng Nếu trong

va chạm xảy ra cả hai giai đoạn biến dạng và khôi phục thì va chạm được gọi là vachạm đàn hồi Trong va chạm đàn hồi sau khi kết thúc va chạm các vật chỉ khôi phụcđược một phần hình dáng của mình trước khi va chạm Nếu sau khi va chạm mà cácvật khôi phục toàn bộ hình dạng của mình trước khi va chạm thì va chạm được gọi làhoàn toàn đàn hồi

Trong quá trình va chạm các vật thể chịu tác dụng của hai loại lực : lực thường vàlực va chạm

Lúc va chạm là những phản lực liên kết động lực xuất hiện khi hai vật va chạmnhau Ngoài lực va chạm các lực khác tác dụng lên cơ hệ được gọi là lực thường Lực

va chạm là lực có xung lượng giới nội trong thời gian va chạm, còn lực thường cóxung 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

Các giai đoạn va chạm thường được đánh giá qua các xung lực va chạm trong cácgiai đoạn đó Nếu S1 và S2 là xung lực va chạm trong giai đoạn biến dạng và khôiphục tương ứng, quá trình va chạm thường được đánh giá qua tỷ số, được gọi là hệ sốkhôi phục, được định nghĩa như sau:

2

1

S k S

chạm ngoài tác dụng vào cơ hệ được ký hiệu là S S e1, e2…Xung lực va chạm trong baogiờ cũng xuất hiện từng đôi một trực đối nhau, ký hiệu là S S 1, i2 …

Quá trình va chạm là quá trình rất phức tạp Để đơn giản dựa vào các đặc điểm củaquá 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 và chỉ

Hiện tượng mất động năng khi va chạm

Trong quá trình va chạm bao giờ cũng có quá trình biến dạng và do đó bị mất độngnăng cho quá trình này

Gọi động năng của hệ trước và sau va chạm là T0 và T tương ứng, bao giờ ta cũng

có T  T0 Lượng  T T0  Tlà phần động năng bị mất đi qua va chạm Trong quátrình va chạm, việc tính lượng động năng bị mất đi qua quá trình va chạm là mộtnhiệm vụ quan trọng của bài toán va chạm, nó chỉ được tính cụ thể trong từng loại vachạm mà không có công thức tổng quát Lượng mất động năng trong va chạm quan hệmật thiết với biến dạng trong va chạm Va chạm càng đàn hồi thì lượng mất độngnăng càng nhỏ, trái lại nếu va chạm càng mềm, tức là biến dạng nhiều và khôi phục ít,thì lượng mất động năng càng lớn Vì vậy nếu mục đích của va chạm là làm biến dạngcác vật thể

2.1.2 Phương pháp giải ứng dụng hệ thống các định luật bảo toàn

2.1.2.1 Hệ thống về các định luật bảo toàn

Trong vật lý, va chạm được hiểu là một quá trình tương tác trong khoảng thời gianngắn giữa các vật theo nghĩa rộng của từ này, không nhất thiết các vật phải tiếp xúctrực tiếp với nhau Khi đang ở cách xa nhau một khoảng lớn các vật là tự do Khi đếngần nhau, các vật tương tác với nhau dẫn đến có thể xảy ra những quá trình khácnhau: các vật chập lại thành một vật, hoặc đơn giản chỉ là thay đổi hướng và độ lớncủa vận tốc

Cũng có thể xảy ra va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi Trong va chạmđàn hồi các vật sau khi tương tác nhau sẽ bay ra xa nhau mà không có bất kỳ thay đổinào về nội năng, còn trong va chạm không đàn hồi thì nội năng của hệ sau va chạm sẽ

bị biến đổi

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 bị chuyểnhóa thành nhiệt năng do tác dụng của lực ma sát Tuy nhiên trong vật lý thì khái niệm

về va chạm đàn hồi lại đóng vai trò quan trọng

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 các

định luật về bảo toàn động lượng (áp dụng được với mọi loại va chạm) ta có thể ápdụng thêm định luật về biến thiên nội năng của hệ.

2.1.2.2 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 học của

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 cho quátrình động lực không va chạm, còn trong các quá trình va chạm chúng ta sử dụng cáccông thức nêu ra ở trên Nói cách khác, việc giải bài toán va chạm bao giờ cũng kèmtheo 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 dạng của vachạm đó để xét những định luật bảo toàn có thể sử dụng Nếu không thể rút ra đượcdạng của va chạm đó thì ta bắt buộc phải sử dụng các định luật về bảo toàn độnglượng và momen 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

2.1.2.3 Đầu tiên ta xét các trường hợp bài toán va chạm cơ bản

Nội dung của bài toán va chạm là như sau : biết khối lượng và vận tốc của các vậttrước va chạm, ta cần tìm vận tốc của các vật sau va chạm

Xét hai vật có khối lượng m1 và m2 chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang (mặtphẳng xOy) và ngược chiều nhau đến va chạm trực diện với nhau Vận tốc ban đầucủa các vật lần lượt là v10và v20 Trong mặt phẳng nằm ngang chúng ta có thể áp dụngđịnh luật bảo toàn động lượng của các vật tham gia va chạm, tức là :

1 10 2 20 1 1 2 2

m v   m v   m v   m v  (1)

trong đó v1 và v2 là vận tốc của các vật sau va chạm

a/ 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 trong khi

va chạm, vì vậy bảo toàn cơ năng trong trường hợp này chỉ là bảo toàn động năng

Để giải hệ phương trình (1) và (2) ta làm như sau :

Vì các vectơ v v v v 10, 20, , 1 2 có cùng phương nên ta chuyển phương trình vectơ (1)thành phương trình vô hướng :

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 :

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 nóđứng yên như quả cầu thứ nhất trước khi va chạm, còn quả cầu thứ nhất sau va chạmlại 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 rất nhỏ thì cácquả cầu sẽ lần lượt lúc đứng yên lúc chuyển động xen kẽ nhau

b) 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 Dĩ nhiên 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 :

(*) 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

đạn có khối lượng m1 khi bay ra khỏi nòng súng, người ta bắn viên đạn vào một bao cát có khối lượng m2 đứng yên(v20 = 0) Sau va chạm, viên đạn và baocát dính vào nhau và có cùng vận tốc là

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  , 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 , 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 (6) và để ý rằng v20 = 0 ta có :

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

Theo định luật bảo toàn cơ năng :

Hệ thống bố trí như trên cho phép ta xác định được vận tốc của viên đạn khi đogóc lệch  , do đó được gọi là con lắc thử đạn.

c/ Va chạm đàn hồi - Va chạm thật giữa các vật:

Thực tế, va chạm giữa các vật không hoàn toàn đàn hồi cũng như không phải là vachạm mềm mà là trường hợp trung gian giữa hai trường hợp trên Trong quá trình vachạm, một phần động năng của các vật đã chuyển thành nhiệt và công biến dạng mặc

dù sau va chạm hai vật không dính liền nhau mà chuyển động với những vận tốc khácnhau

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 vào bảnchất của các vật va chạm :

Đối với va chạm của các vật thật thì e có giá 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 vàphần động năng tiêu hao trong va chạm Thật vậy, từ định nghĩa của hệ số đàn hồi e ởtrên và định luật bảo toàn động lượng ta có hệ phương trình :

Từ biểu thức trên, ta thấy trong va chạm hoàn toàn đàn hồi (e = 1) thì K = 0, tức

là không có sự tổn hao động năng của các quả cầu sau va chạm Trong va chạm mềm(e = 0) thì biểu thức trên hoàn toàn trùng với biểu thức (7) mà ta đã tính được trướcđây

VD: Các em không biết chuyển từ phương trình dạng véc tơ thành dạng đại số

- Khi ra bài tập trên lớp cũng như về nhà, đa số giáo viên sử dụng bài tập từ sách giáokhoa và sách bài tập mà chưa có sự đầu tư khai thác những bài tập phù hợp với trình

độ học sinh Giáo viên ngại tìm kiếm tài liệu để khai thác hệ thống bài tập phong phú,chưa quan tâm đến hệ thống bài tập định hướng hoạt động học tập cho học sinh tronggiờ học để kích thích tư duy của các em, giúp các em độc lập trong khi giải bài tập

- Trong quá trình giảng dạy, tôi đã phân luồng đối tượng HS bằng phương pháp chianhóm Kết hợp nhuần nhuyễn các phương pháp gợi mở, nêu vấn đề cho HS thảo luận

để phát huy tối đa tính tích cực, chủ động trong học tập của HS nhằm giúp HS hứngthú với bài toán va chạm

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

2.3.1 Dạng 1 ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG CHO HỆ KÍN

Phương pháp giải

Để giải các bài tập dạng này, thông thường ta làm theo các bước như sau:

- Xác định hệ vật cần khảo sát và lập luận để thấy rằng trường hợp khảo sát hệ vật

là hệ kín

- Viết định luật dưới dạng vectơ

- Chiếu phương trình vectơ lên phương chuyển động của vật

- Tiến hành giải toán để suy ra các đại lượng cần tìm

Những lưu ý khi giải các bài toán liên quan đến định luật bảo toàn động lượng:

a) Trường hợp các vectơ động lượng thành phần (hay các vectơ vận tốc thànhphần) cùng phương, thì biểu thức của định luật bảo toàn động lượng được viết lại:

m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1v 1' + m 2v'2

Trong trường hợp này ta cần quy ước chiều dương của chuyển động

- Nếu vật chuyển động theo chiều dương đã chọn thì v > 0;

- Nếu vật chuyển động ngược với chiều dương đã chọn thì v < 0.

b) Trường hợp các vectơ động lượng thành phần (hay các vectơ vận tốc thànhphần) không cùng phương, thì ta cần sử dụng hệ thức vectơ: ps= pt và biểu diễntrên hình vẽ Dựa vào các tính chất hình học để tìm yêu cầu của bài toán

Bài tập mẫu

Một người có khối lượng m 1 = 50kg đang chạy với vận tốc v 1 = 3m/s thì nhảy lên

một toa goòng khối lượng m 2 = 150kg chạy trên đang ray nằm ngang song song ngang

qua người đó với vận tốc v 2 = 2m/s Tính vận tốc của toa goòng sau khi người đó nhảylên, nếu ban đầu toa goòng và người chuyển động: