Hướng dẫn học sinh lớp 10 phương pháp vận dụng định luật bảo toàn để giải một số bài toán va chạm

Chính vì vậy khicác em tham gia hoạt động học tập và vận dụng vào làm bài tập biến kiến thứcgiáo khoa thành cái riêng của mình đặc biệt là khi vận dụng các kiến thức líthuyết vào giải cá

Trang PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1 Thực trạng 3

2 Các giải pháp

PHẦN II NỘI DUNG ĐỀ TÀI

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Các khái niệm về động lượng 4

1.2 Định luật bảo toàn động lượng

1.3 Cơ năng - Định luật bảo toàn cơ năng 1.4 Các khái niệm về va chạm II CÁC BÀI TOÁN VA CHẠM 5

2.1 Bài toán va chạm xuyên tâm trực diện 2.2 Bài toán va chạm không xuyên tâm 9

III BÀI TẬP VẬN DỤNG 14

1 Bài tập trắc nghiệm 2 Bài tập tự luận 16

PHẦN III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 20

II BÀI HỌC KINH NGHIỆM 22

III KIẾN NGHỊ

1 MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cùng với sự phát triển Kinh tế -Xã hội ,Việt nam ngày càng hội nhập sâurộng vào các vấn đề Quốc tế trong đó có lĩnh hội những tinh hoa của các nềnGiáo dục của các nước đàn anh đi trước, trong công cuộc cải cách Giáo dục vàđặc biệt quan trọng là Đảng và Nhà nước đã xác định Giáo dục là mục tiêu hàngđầu, đầu tư cho Giáo dục là đầu tư cho sự phát triển lâu dài và bền vững Khi hộinhập vào các vấn đề quốc tế đòi hỏi nguồn nhân lực của đất nước ta phải đảmbào về trình độ, năng lực làm việc và đảm bào có một nền tảng các kiến thứckhoa học cơ bản

Xuất phát từ đòi hỏi đó công cuộc cải cách Giáo dục của nước nhà đã diễn ratrong những năm gần đây để đáp ứng được những yêu cầu với sự phát triển của

xã hội Trong thực tế khi nghiên cứu và trực tiếp giảng dạy với bộ sách giáo khoamới, đặc biệt là bộ môn vật lí tôi thấy: Về nội dung chương trình đáp ứng đượcvới tinh thần đổi mới tuy nhiên là còn một số nội dung là nặng với học sinh, vìđặc thù của bộ môn vật lí là một môn khoa học tự nhiên có liên quan nhiều đếncác vấn đề trong cuộc sống hàng ngày , bộ môn liên quan nhiều đến thực nghiệmtrong khi đó nền khoa học kĩ thuật của ta đang còn rất hạn chế Công cuộc cảicách đòi hỏi từ nhiều phía : Từ nội dung chương trình, phương pháp dạy, phươngpháp học Đòi hỏi cả Giáo viên phải giảng dạy nghiêm túc, có trách nhiệm , họcsinh phải có ý thức học tập thật sự xây dựng được động lực học tập đúng đắn Qua thực tế và tìm hiểu về sự tiếp cận của các học sinh về môn vật lí thuộcchương trình THPT tôi nhận thấy là các em rất khó khăn trong vấn đề tiếp cậnvới bộ môn này vì do đặc thù của bộ môn Các em không chỉ nhớ công thức để

áp dụng mà quan trọng hơn là các em cần hiểu được đối tượng mà mình tiếp cận

Do kiến thức toán chưa hoàn chỉnh nên nhiều công thức vật đưa ra mà chưa đượcxây dựng và chứng minh chỉ mang tính chất tiếp nhận và nhớ Chính vì vậy khicác em tham gia hoạt động học tập và vận dụng vào làm bài tập biến kiến thứcgiáo khoa thành cái riêng của mình đặc biệt là khi vận dụng các kiến thức líthuyết vào giải các bài tập vật lí cụ thể, việc nhớ máy móc công thức xẽ làm chocác em gặp rất nhiều lúng túng và không biết nên bắt đầu từ đâu Đây là mộtnhững đặc điểm chung mà rất nhiều học sinh đều mắc phải khi tiếp cận với mônhọc này

Xuất phát từ thực tế đó và dựa vào đặc điểm chung của cấp học, qua nhữngnăm công tác giảng dạy tại trường THPT Lê Lợi tôi đã cố gắng để khắc phụcnhững khó khăn và tìm tòi các bước đi khi vận dung lí thuyết vào giải các bài tập

cụ thể Với đối tượng học sinh học chương trình sách giáo khoa ban khoa học tựnhiên, các em là những học sinh có tư chất tôt về các môn tự nhiên Việc hướngdẫn các em khai thác sâu lý thuyết giúp xẽ giúp các em nắm được bản chất cáchiện tượng vật lý từ đó vận dụng vào giải các bài tập một cách nhanh nhất Đề tài

" Hướng dẫn học sinh lớp 10 phương pháp vận dụng định luật bảo toàn để

giải một số bài toán va chạm” không nằm ngoài mục đích đó Trong khuôn khổ

của một sáng kiến kinh nghiệm Tôi đưa ra vấn đề va chạm trong phần các địnhluật bảo toàn – Vật lý 10, thuộc chương trình THPT phù hợp với chương trìnhcải cách sách giáo khoa Với một mong muốn làm cho các em có cách tiếp cận

một cách dễ dàng hơn với bộ môn Vật lí , từ đó yêu thích bộ môn và tìm hiểu sâuhơn về Vật lí.

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Giúp học sinh phân tích tình huống, chủ động lựa chọn công thức hợp lí ápdụng vào các bài tập

Rèn luyện kỹ năng vận dụng lý thuyết vào giải bài tập

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đề tài áp dụng cho học sinh khối lớp 10 trường THPT và ôn thi HSG

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp rút ra những kết luận chung nhất cho vấn đề, từ đó áp dụng vào thực tế các bài toán

1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA SKKN

Đề tài đã xây dựng công thức tổng quát khảo sát bài toán va chạm và những bàitoán áp dụng thực tế cho hiện tượng này

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

- Từ những kiến thức đã được cung cấp trong sách giáo khoa vật lý 10 và những tài liệu tham khảo về dao động tắt dần chưa hệ thống được đầy đủ và chưa có độ chính xác cao nhất khi áp dụng vào giải các bài này

2.2 THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Trong quá trình giảng dạy trên lớp, dạy bồi dưỡng ôn thi Đại học tại trườngTHPT Lê Lợi tôi nhận thấy một số em học sinh khi học phần vật lí hạt nhânthường các em vận dụng tài liệu trên mạng Internet một cách thụ động, máymóc Việc chúng tôi trăn trở nhất là từ một số bài toán thi THPT quốc gia, mônvật lí ngoài việc áp dụng toán vào giải, học sinh cần hiểu được hiện tượng vật límới áp dụng đúng vào giải Nếu học sinh không được rèn luyện nhiều, khôngđược giải trước các dạng bài toán dạng này thì không đủ thời gian để giải quyếtcác bài tập trong thời gian giờ thi Từ các yêu cầu đó mà bản thân mạnh dạn nêu

lên kinh nghiệm: về “Hướng dẫn học sinh lớp 10 phương pháp vận dụng định

luật bảo toàn để giải một số bài toán va chạm ".

Trong phần bài tập này trong sách giáo khoa rất ít, công thức định lượng gầnnhư không có thế nhưng trong các đề thi Đại học lại thường gặp

Bài toán loại này thường sử dụng nhiều kiên thức nhưng thời gian để giải quyếtmột câu trong đề thi lại ngắn

2.3 CÁC SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HOẶC GIẢI PHÁP ĐÃ SỬ DỤNG

ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

- Đề tài đã giới thiệu, phân loại các dạng bài toán va chạm và phương pháp giảitương ứng giúp học sinh dễ dàng nhận biết các dạng bài tập

2.3.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Dựa vào công trình nghiên cứu về tâm lý lứa tuổi của các nhà khoa học

- Dựa vào lý luận chung cho các cấp học

- Tôi đã sử dụng đề tài này từ năm 2015 – 2019 cho đến nay với tổng số học sinh

270 em

2.3.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

-Xác định đối tượng học sinh áp dụng đề tài

-Trình bày cơ sở lý thuyết về Động lượng và bài toán va chạm

-Phương pháp giải các dạng bài tập về va chạm

-Các ví dụ minh hoạ cho từng dạng bài tập

-Đưa ra các bài tập áp dụng trong từng dạng để học sinh luyện tập

2.3.3 CÁCH THỰC HIỆN

A CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Các khái niệm về động lượng.

- Động lượng của vật ur p  mv r m: khối lượng vật

- Động lượng của hệ: ur uur uurp  p1 p2  uurp n

Hay: urp m v m v 1 1ur 2 2uur  m v n nuur

2 Định luật bảo toàn động lượng.

2.1 Hệ kín: Hệ không trao đổi vật chất đối với môi trường bên ngoài.

2.2 Hệ cô lập : Hệ không chịu tác dụng của ngoại lực, hoặc chịu tác dụng của

• Nếu động lượng của hệ được bảo toàn thì hình chiếu véc tơ động lượng của

hệ lên mọi trục đều bảo toàn - không đổi.

• Theo phương nào đó nếu không có ngoại lực tác dụng vào hệ hoặc ngoại lực cân bằng thì theo phương đó động lượng của hệ được bảo toàn.

3 Cơ năng - Định luật bảo toàn cơ năng

3.1 Khái niệm cơ năng: Là tổng động năng và thế năng của vật.

- Biểu thức: W = Wđ + Wt = 1 2

2mv mgz (Cơ năng trong trường trọnglực)

( Z là độ cao của vật so với vị trí tính mốc thế năng)

3.2 Định luật bảo toàn cơ năng: Cơ năng của hệ trong trường lực thế được bảo

toàn

Như vậy trong va chạm đàn hồi cả động lượng và động năng được bảo toàn

4.2 Va chạm không đàn hồi : là va chạm kèm theo sự biến đổi của tính chất và

trạng thái bên trong của vật Trong va chạm không đàn hồi, nội năng nhiệt độ,hình dạng của vật bị thay đổi

- Trong va chạm không đàn hồi có sự chuyển hoá động năng thành cácdạng năng lượng khác (ví dụ như nhiệt năng) Do đó đối với bài toán va chạmkhông đàn hồi động năng không được bảo toàn

Nhiệt năng tỏa ra trong va chạm bằng độ giảm động năng của hệ

Q = WđT - WđS

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP VÍ DỤ

1 Bài toán va chạm xuyên tâm trực diện (các vật chuyển động trên cùng một trục):

1.1 Phương pháp:

Bước 1: Chọn chiều dương.

Bước 2: Lập phương trình hoặc hệ phương trình

+ Viết biểu thức định luật bảo toàn động lượng dưới dạng đại số

+ Viết phương trình bảo toàn động năng (nếu va chạm là đàn hồi)

Bước 3: Giải phương trình hoặc hệ phương trình trên để suy ra các đại lượng

Bài 1 :( BTVL 10 - Cơ bản) Một xe chở cát có khối lượng 38 kg đang chạy

trên đường nằm ngang không ma sát với vận tốc 1m/s Một vật nhỏ khối lượng 2 kg bay ngang với vận tốc 7 m/s (đối với mặt đất) đến chui vào cát nằm yên trong đó Xác định vận tốc mới của xe và nhiệt lượng tỏa ra trong

va chạm Xét hai trường hợp.

a) Vật bay đến ngược chiều xe chạy.

b) Vật bay đến cùng chiều xe chạy.

.38 .2 (38 7)

2 1  2 .7  2  ,0 6 = 60 (J)b) Các vật bay cùng chiều xe chạy: v0  7 /m s

38.1 2.7

1,3 / 40

V    m s

Nhiệt lượng tỏa ra: Q = 1 2 1 2 1 2

.38 .2 (38 7)

2 1  2 .7  2  .1,3 = 30 (J)

Bài 2 : ( BTVL 10 - Nâng cao) Vật m1 = 1,6 kg chuyển động với vận tốc v 1 =

chiều với vận tốc 2,5 m/s Xác định vận tốc của các vật sau va chạm Biết các vật chuyển động không ma sát trên một trục nằm ngang.

Bài giải :

Chọn chiều (+) là chiều chuyển động của vật (1) trước vận chuyển

áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

m1v1 + m2v2 = m1v1’ + m2v2’ (1)

Va chạm là đàn hồi nên:

* Chú ý: Đây là bài toán va chạm mềm, sau va chạm hai vật dính vào nhau

chuyển động cùng vận tốc, ta có thể áp dụng công thức tính vận tốc của hệ dưới dạng tổng quát: MV0 mv0

V

m M





 (Với V0 , v0 , V là các giá trị đại số)

Trong va chạm mềm một phần cơ năng (động năng) bị hao hụt để chuyển thành nhiệt: Q = WđT - WđS

2 2 '2 '2

1 1 2 2 1 1 2 2

2m v  2m v  2m v  2m v (2)(1) và (2)

v > 0 các vật vẫn chuyển động theo chiều (+) (chiều chuyểnđộng ban đầu

Bài 3 : Một quả cầu thép khối lượng m 1 được treo bằng sợi dây dài l = 70cm, đầu kia cố định và được thả rơi lúc dây nằm ngang khi quả cầu về tới vị trí,

đang đứng yên trên mặt bàn không ma sát, va chạm là đàn hồi

a Khi m 1 = 0,5kg, m 2 = 2,5kg Tìm vận tốc quả cầu và khối thép ngay sau

va chạm

trường hợp: m1 m2; m1 m2 và m1 m2

Bài giải:

a Gọi v1là vận tốc của quả cầu ngay trước va chạm

Theo định luật bảo toàn cơ năng

* Chú ý: Đây là bài toán va chạm đàn hồi xuyên tâm, sau va chạm hai vật

chuyển động với các vận tốc khác nhau nhưng phương chuyển động không đổi

so với các vận tốc trước va chạm, ta áp dụng định luật bảo toàn động lượng dưới dạng đại số, kết hợp với định luật bảo toàn động năng ta được công thức tính vận tốc của các vật sau va chạm dưới dạng tổng quát:

� v1  2gl  2.9,8.0, 7 3, 7  m s/

- Xét quá trình ngay trước và sau va chạm có thể xem các vật chuyển động trênmột trục, chọn chiều (+) là chiều chuyển động của quả cầu thép ngay trước vachạm

- áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

' 1 ' 2

3, 7(0,5 2,5)

2, 47 / 0,5 2, 5

2.0,5.3, 7

1, 233 / 0,5 2,5

m s

m s

v v

Bài giải :

Gọi m m1, 2 là khối lượng của các vật, v v1 , 2 là vận tốc tương ứng

* Chú ý: Đây là một ví dụ khác về bài toán va chạm đàn hồi xuyên tâm, có đưa

ra một số trường hợp trong tương quan khối lượng giữa hai vật từ đó giúp học sinh hiểu rõ hơn công thức xác định vận tốc các vật sau va chạm và liên liên hệ thực tế các trường hợp

- Chọn chiều (+) là chiều chuyển động của vật m1 trước va chạm.

- áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

� Quả cầu không bị dừng có khối lượng 100 (g)

2 Bài toán va chạm không xuyên tâm (các vật không chuyển động không trên cùng một trục)

* Chú ý: Đây là một ví dụ nữa về bài toán va chạm đàn hồi xuyên tâm, xác định

một trong các đại lượng từ công thức nghiệm tổng quát xác định vận tốc trong

va chạm đàn hồi xuyên tâm, từ đó giúp học sinh vận dụng được thành thạo công thức này

+Viết phương trình bảo toàn động lượng ( nếu va chạm là đàn hồi)

- Giải phương trình hoặc hệ các phương trình trên tìm ra các đại lượng đề yêucầu

Cách 2: - Chọn trục toạ độ ox hoặc hệ toạ độ oxy.

- Viết biểu thức định luật bảo toàn động lượng dưới dạng véc tơ:

- Giải hệ các phương trình trên tìm ra các đại lượng đề yêu cầu

2.2.Các bài toán ví dụ:

Bài 1 : ( BTVL 10 - Nâng cao) Một xe cát có khối lượng M đang chuyển động

với vận tốc V trên mặt nằm ngang Người ta bắn một viên đạn có khối lượng

m vào xe với vận tốc Vur

hướng chuyển động của xe Bỏ qua ma sát giữa xe và mặt đường Tìm vận tốc của xe sau khi đạn đã nằm yên trong cát.

Bài giải :

- Chọn chiều (+) là chiều chuyển động của xe

- Xe chịu tác dụng của hai lực: trọng lực urp

, phản lực Nuur

trong đó:

urp

+ Nuur = 0 Theo phương ngang không có lực tác dụng nên động lượng của hệ được bảotoàn

* Chú ý: Đây là một ví dụ về bài toán vận dụng định luật bảo toàn động lương

theo một phương xác định Để giải bài toán này học sinh cần xác định được các lực tác dụng lên vật trong thời gian va chạm , từ đó xác định theo phương nào vật có hợp lực bằng không( hệ kín theo phương đó) để áp dụng định luật bảo toàn động lương theo phương đó

* Trong thực tế không nhất thiết người làm phải chọn trục ox, có thể trong quá trình làm người ngầm chọn chiều (+) là chiều chuyển động của vật nào đó ví dụ chiều chuyển động của xe trước va chạm.

xà lan thứ nhất ngay sau va chạm là bao nhiêu? Bao nhiêu động năng bị mất trong va chạm?

Bài giải:

Xét hệ hai xà lan trong va chạm là hệ kín

áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có :

* Chú ý : Đây là một ví dụ khác về bài toán vận dụng định luật bảo toàn động

lương trong hệ cô lập Để giải bài toán này học sinh cần áp dụng định luật bảo toàn động lương cho hệ dưới dạng véc tơ: pr1  pr2  pr1' pr'2

Vẽ giản đồ véc tơ và chiếu các véc tơ lên các trục toạ độ, chuyển phương trình véc tơ về phương trình đại số

' 1

P r

18 0

x

Bài 3 : Hai quả cầu A và B có khối lượng lần lượt là m 1 và m 2 với m 1 = 2m 2 ,

va chạm với nhau Ban đầu A đứng yên B có vận tốc v Sau va chạm B có vận tốc v/2 và có phương chuyển động vuông góc so với phương chuyển động ban đầu của nó Tìm phương chuyển động của quả cầu A sau va chạm

và vận tốc của quả cầu A sau va chạm Biết v = 5m/s ; 2,24 m/s

Bài giải

Gọi: p r

là động lượng của quả cầu B trước khi va chạm

p p r r1, 2

lần lượt là động lượng của quả cầu A và B sau va chạm

áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

pr  pr1 pr2

Ta có giản đồ véc tơ như hình vẽ:

Theo giản đồ véc tơ:

2 0

2 tan

26,57

v m p

Bài 4: (Cơ sở vật lí tập I) Trong một ván bi a, quả bi a bị chọc va vào một

quả bi a khác đang đứng yên Sau va chạm quả bi quả bi a bị chọc chuyển

* Chú ý: Đây là một ví dụ nữa về bài toán vận dụng định luật bảo toàn động

lương trong hệ cô lập Để giải bài toán này học sinh cần áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ dưới dạng véc tơ:

Vẽ giản đồ véc tơ và áp dụng các định lí hình học( pitago, định lí hàm số

sin, định lí hàm số cosin, ) lập các mối quan hệ về độ lớn động lượng của

hệ trước và sau va chạm áp dụng phương pháp này khi giản đồ véc tơ có dạng hình học đặc biệt.