Hướng dẫn học sinh giải một số bài tập về định luật bảo toàn cơ năng

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, đị

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

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

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 ngiêng 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 trọng lực

và học, phục vụ công tác bồi dưỡng học sinh khối A, A1, học sinh giỏi của trườngTHPT nơi tôi công tác, nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới phương pháp giảng dạy,giúp học sinh tháo gỡ và giải quyết tốt những khó khăn, vướng mắc trong họctập, đồng thời nâng cao chất lượng bộ môn, đã thôi thúc tôi quyết định chọn đề

tài: Hướng dẫn học sinh giải một số 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, yêuthích 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, giỏimôn 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 cứu tôi

đã sử dụng các nhóm phương pháp sau:

Phương pháp điều tra giáo dục (Xác định đối tượng học sinh áp dụng đề tài) Phương pháp thực nghiệm sư phạm (Kiểm tra sự tiếp thu của học sinh bằng các bài tập về nhà)

“Đào tạo nhân lực, nâng cao dân trí, bồi dưỡng nhân tài”là một trong 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 cao chấtlượng học tập của học sinh ngay từ các nhà trường phổ thông Mỗi giáo viên nóichung, giáo viên bộ môn vật lí nói riêng đều mong muốn học sinh của mình tiến

bộ, chủ động lĩnh hội kiến thức, phát huy tư duy sáng tạo, rèn tính tự học để trởthành 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 phải nghiêncứu đào sâu suy nghĩ, tìm tòi vấn đề, tổng quát hoá vấn đề và rút ra được nhữngđiều gì bổ ích Để giúp các em học tốt hơn, giáo viên cần tạo cho học sinh hứngthú học tập, cần giúp các em làm các bài tập rèn luyện tư duy môn học Cần chohọc sinh thấy được nhu cầu nhận thức là quan trọng, con người muốn phát triểncần phải có tri thức cần phải học hỏi Đối với môn vật lí thì giáo viên cần biếtđịnh hướng, giúp đỡ từng đối tượng học sinh, quan trọng hơn là phải tạo tìnhhuống giúp các em nâng cao năng lực tư duy Để thực hiện tốt điều này, đòi hỏigiáo viên cần xây dựng cho học sinh những kĩ năng như quan sát, nhận xét, đánhgiá bài toán, đặc biệt là kĩ năng giải toán, kĩ năng vận dụng vào từng bài toán, tuỳtheo từng đối tượng học sinh, mà ra bài tập cho phù hợp trên cơ sở phương 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 cao trongviệc rèn luyện kỹ năng giải bài tập và rèn luyện tư duy cho học sinh, rèn luyệncho các em phương pháp làm việc khoa học, độc lập góp phần hình thành chohọc sinh năng lực tư duy khoa học Có thể sử dụng bài tập định luật bảo toàn cơnăng trong nghiên cứu, hình thành kiến thức mới; trong luyện tập, rèn luyện kỹnăng 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 2016 - 2017, 2017 - 2018, 2018 - 2019

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, ném xiêncon lắc đơn, chuyển động trên mặt phẳng nghiêng không ma sát, chuyển độngcủa vật trên mặt phẳng nghiêng rồi tiếp tục chuyển động trên đường tròn Số cònlại 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 nhưng khôngbiết áp dụng định luật

Học sinh chỉ biết vận dụng định luật trong trường hợp vật chỉ chịu tác dụngcủa lực thế là trọng lực và lực đàn hồi khi giải bài toán vật rơi tự do, ném thẳngđứng, 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 luật bảotoàn cơ năng Ví dụ khi học sinh giải bài toán con lắc đơn, chuyển động trên mặtphẳng ngiêng, 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 nhớ nên

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 có biệnpháp giúp đỡ các em, song song với việc bồi dưỡng học sinh khá giỏi cần giúp

đỡ học sinh yếu kém Việc này cần thực hiện ngay trong từng tiết học bằng biệnpháp rèn luyện tích cực

Tuy nhiên, ngoài việc dạy tốt giờ lên lớp, giáo viên nên có biện pháp giúp đỡtừng đối tượng học sinh để học sinh yếu kém theo kịp với yêu cầu chung của tiếthọc, học sinh khá không nhàm chán.

Qua nghiên cứu trong vài năm trở lại đây tôi thấy rằng việc học sinh tiếp thuvận dụng các kiến thức định luật bảo toàn cơ năng còn nhiều hạn chế, kết quảchưa cao Sự nhận thức và ứng dụng thực tế cũng như vận dụng vào việc giảiquyết các bài tập Vật lí còn nhiều yếu kém Để làm tốt được những vấn đề nàyngười giáo viên phải luôn luôn tìm tòi và đưa ra hướng giải quyết khắc phục saocho học sinh của mình đạt kết quả cao nhất trong các kì thi Song, trong quá trìnhdạy học ở các trường THPT nói chung, ở trường nơi tôi đang công tác nói riêngcác thầy giáo gặp không ít những khó khăn Các khó khăn bao gồm cả yếu tố chủquan, cả yếu tố khách quan đó là:

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

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 phải tìm rađược những cách giải phù hợp dạng bài tập này để truyền thụ cho HS Thực trạngtrên 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 trọng tâmcủa chương trình phù hợp với đối tượng học sinh Tận dụng mọi thời gian để cóthể 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 đókiểm 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 tập khácnhau để làm sao cho phù hợp với năng lực và điều kiện mà mình có Khi đó cáchoạt động cụ thể của học sinh cũng có thể thay đổi cho phù hợp; luôn quan tâm

và có biện pháp giúp đỡ các em học sinh có học lực yếu, kém, không ngừng tạotình 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 sách thamkhảo

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

b Sự bảo toàn cơ năng của vật chuyển động chỉ dưới tác dụng của trọng lực

Khi một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọnglực thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn

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 thế năngchuyển 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

v

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

v

Trong đó

b Sự bảo toàn cơ năng của vật chuyển động chỉ dưới tác dụng của lực đàn hồi

Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi sự biến dạng của một

lò xo đàn hồi thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn:

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 nhất trên quỹđạo chuyển động ) Xác định cơ năng của vật ở 2 vị trí 1 và 2 ( thường là vị tríban đầu và vị trí khảo sát)

m(kg) là khối lượng của vật

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

Vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực nên cơ năng của vật được bảo toàn

Chọn mốc tính thế năng của vật tại mặt đất: Wtđ =0

a) Tính trong hệ quy chiếu trái đất, các giá trị động năng thế năng và cơ năngcủa hòn bi tại lúc ném

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) Một vật được ném thẳng đứng lên cao với vận tốc 4m/s.

a) Tìm độ cao cực đại của nó

b) Ở độ cao nào thì thế năng bằng một nữa động năng  1

Giải.

Vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực nên cơ năng của vật

được bảo toàn

Chọn mốc tính thế năng của vật tại mặt đất Wtđ =0

a) Tìm độ cao cực đại của nó

Cơ năng tại vị trí ném O là : W0=Wt0 +Wđ0 = 2

0

1

2mV 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

0

V uu r

b) Ở độ cao nào thì thế năng bằng một nữa động năng.

Gọi M là vị trí tại đó thế năng bằng nửa động năng

Cơ năng của vật tại M là

Chú ý: Giáo viên nhắc học sinh ở điểm mà thế năng bằng một nữa động năng ta

cần tính cơ năng theo thế năng Từ đó áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho cơnăng ban đầu bằng cơ năng tại điểm đó để tìm độ cao của vật

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 cơnăng của vật được bảo toàn

Trên đoạn BC vật chỉ chịu tác dụng trọng lực Pur

(lực thế) nên cơ năng của vậtđược 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

Để giải quyết câu b của bài toán này giáo viên cần yêu cầu học sinh nắm chắcđịnh lí động năng và công thức tính công cơ học

Ví dụ 4 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 hợp vớiphương thẳng đứng góc 0 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 phương thẳngđứng góc 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 dây không dãn

và khối lượng không đáng kể  2

Cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn

Chọn mốc độ cao tại vị trí cân bằng 0� Wto  0

a)Thế năng của vật tại chỗ thả:

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 dây treohợp với phương thẳng đứng góc ) và vị trí khảo sát ( vị trí sợi dây hợp với0

phương thẳng đứng góc ) Khi sợi dây hợp với phương thẳng đứng góc bất kìthì độ cao của vật làZ l (1 cos )   .

Đây là bài toán tổng quát để tìm vận tốc của con lắc đơn ở vị trí bất kì Giảiđược bài toán này học sinh sẽ dễ dàng giải được bài toán con lắc đơn với số liệu

cụ thể

Ví dụ 5 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 bằng góc rồi thả cho chuyển động

a) Tính sức căng dây khi vật qua vị trí mà dây treo hợp với phương thẳng đứnggóc 

b) Sức căng cực đại ở vị trí nào? Tính sức căng cực đại ấy  2

Chiếu các lực xuống BC ( chiều dương từ C�B) thì hình chiếu của hợp lực Fur

hướng về tâm B nên có giá trị là m V c2

tP

ur

T u r 