SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRIỆU SƠN 4 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM SỬ DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI NHANH CÁC BÀI TẬP ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM TRONG CHƯƠNG
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRIỆU SƠN 4
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
SỬ DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỂ GIẢI NHANH CÁC BÀI TẬP ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM TRONG
CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ 10 THPT.
.
Người thực hiện: Trịnh Thị Hương Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật Lí
THANH HOÁ, NĂM 2019
Trang 22.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.
2.3 Biện pháp tổ chức thực hiện
2.3.1 Phương pháp giải các bài tập vật lí
2.3.2 Vận dụng định luật bảo toàn động lượng
2.3.3 Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng, định luật bảo toàn
Trang 3Phần 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lí do chọn đề tài
Vật lí là môn khoa học tự nhiên có nhiều ứng dụng trong đời sống sảnxuất, chế tạo máy móc và trong nghiên cứu khoa học Lý thuyết vật lí rất khôkhan và cứng nhắc còn bài tập vật lí thì rất phức tạp và đa dạng Trong quá trìnhdạy học Vật lí ở trường phổ thông không chỉ truyền thụ kiến thức cho học sinh
tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo và năng lực tự học của người học”
vận động nhận thức khoa học của học sinh Bằng con đường tư duy logic, pháthuy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức kỹ năng của ngườihọc trong giải bài tập vật lí đã hình thành và định hướng cho học sinh điều kiện
tự học, tự nghiên cứu, từ đó lĩnh hội và nâng cao kiến thức vật lí cho bản thân
Căn cứ vào mục đích, nhiệm vụ và tính chất dạy học Vật lí 10 THPT Căn cứ vào tầm quan trọng và yêu cầu thực tế dạy và học chương “các định luậtbảo toàn” ở Vật lí lớp 10 tại trường THPT Triệu Sơn 4 Trong nhiều trường hợp,
sử dụng các định luật bảo toàn để lý giải hiện tượng vật lí cũng như giải bài tậpvật lí sẽ giúp cho học sinh có lời giải hay hơn, ngắn gọn hơn và cho kết quảnhanh hơn Trường hợp không biết rõ các lực tác dụng lên vật (hay hệ vật), nếudùng phương pháp động lực học (sử dụng các định luật Niu-tơn và các lực cơhọc) sẽ hết sức khó khăn nhưng nếu dùng phương pháp các định luật bảo toàn để
lý giải, hay giải các bài tập thì lại rất hữu hiệu
Việc sử dụng các định luật bảo toàn giải bài tập vật lí ở lớp 10 còn là cơ
sở, tiền đề để học sinh tiếp tục vận dụng ở trong nhiều phần khác ở các lớp trên
Vì những lí do nêu trên, tôi chọn đề tài “Sử dụng các định luật bảo toàn
để giải nhanh các bài tập động lực học chất điểm trong chương trình vật lí
10 THPT” làm sáng kiến kinh nghiệm của mình.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Đề tài nhằm tập trung nghiên cứu, phân tích lí thuyết và giải các bài tập
để nâng cao chất lượng học tập bộ môn Vật lí ở trường phổ thông nói chung và
ở lớp 10 nói riêng thông qua việc giải bài tập vật lí của học sinh Từ đó, tích cựchóa trong dạy và học vật lí của thầy và trò Dạy học theo hướng phát triển nănglực của học sinh
Vận dụng những quan điểm lí luận và thực tiễn dạy học hiện đại [2] đểứng dụng tìm tòi và đa dạng hóa các bài tập vật lí 10 khi vận dụng các định luậtbảo toàn để giải nhằm nâng cao chất lượng kiến thức vật lí cho học sinh
1.3 Đối tượng nghiên cứu.
1
Trang 4+ Phương pháp giải một số các bài tập vật lí ở lớp 10 THPT trên cơ sở sử dụng
các định luật bảo toàn đã học: Định luật bảo toàn động lượng; Định luật bảotoàn cơ năng
+ Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá tính khả thi và hiệu quả của đề tài
1.4 Phương pháp nghiên cứu.
+ Phương pháp nghiên cứu xây dựng dựa trên cơ sở lí thuyết
+ Phương pháp nghiên cứu điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin
+ Phương pháp thống kê, xử lí số liệu
1.5 Những điểm mới của sáng kiến
Đề tài giúp giáo viên và học sinh cải tiến và điều chỉnh kịp thời hoạt độngdạy và hoạt động học trên cơ sở nắm vững nội dung và phương pháp giải bài tậptheo các định luật bảo toàn đã được học Từ đó định hướng, kích thích học sinhđam mê, hứng thú và học tốt hơn môn Vật lí
2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm
Bài tập vật lí là phương tiện giáo dục và giáo dưỡng học sinh trong dạy họcVật lí Việc giải bài tập vật lí giúp học sinh hiểu sâu hơn các hiện tượng, các kháiniệm, các quy luật, và thông qua đó để giáo dục, kiểm tra, đánh giá kiến thức, kỹnăng và kỹ xảo của học sinh Sau mỗi bài học, mỗi chương, hay mỗi phần củachương trình thì việc giải các bài tập vật lí là một hình thức để củng cố, ôn tập và
hệ thống hóa kiến thức nhằm giúp học sinh vừa nhớ lại và khắc sâu kiến thức đãhọc vừa tạo sự hứng thú trong vận dụng kiến thức, phát triển tư duy khoa học, đồngthời giáo dục tính kiên trì, chịu khó tìm tòi và sáng tạo trong học tập Khi cho họcsinh làm bài tập mới thì việc đòi hỏi học sinh hiểu đúng đề ra, phân tích đượccác diễn biến của hiện tượng vật lí nêu lên trong các dữ kiện chiếm vị trí quantrọng vào bậc nhất vì nó thúc đẩy sự cần thiết phải vận dụng linh hoạt các kiếnthức đã học Việc vạch ra phương hướng để giải bài tập, dùng chữ thay số đểtính toán, sử dụng đúng các đơn vị trong phép tính, phân tích kết quả tìm được
và sự khái quát hóa về phương pháp là những yếu tố không thể thiếu được
Do vậy khi dạy học phần này giáo viên cần lưu ý chuẩn bị kĩ lưỡng hơn đểhọc sinh được tiếp cận với đa dạng hóa các bài tập, từ đó tạo hứng thú học tập
và phát huy tính tích cực, chủ động sáng tạo của các em trong quá trình học tập
2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.
Trong chương trình cải cách giáo dục của chương trình giáo dục phổthông Bộ môn vật lí có vị trí quan trọng và tương quan trong ngành khoa học,trong lĩnh vực khoa học tự nhiên Trong quá trình dạy học ngoài việc giảng dạynội dung lý thuyết thì việc hướng dẫn học sinh vận dụng các kiến thức đã họcvào việc giải các bài tập Vật lí là một vấn đề không thể thiếu và hết sức cầnthiết
Trang 5Các định luật bảo toàn trong Vật lí 10 THPT chiếm một vị trí đặc biệt quantrọng Tính tổng quát và đúng đắn từ vĩ mô đến vi mô của chúng có ý nghĩa khoahọc, ý nghĩa triết học và ý nghĩa phương pháp luận, hình thành cho học sinh phổthông một thế giới quan duy vật biện chứng khoa học Các định luật bảo toàn là cơ
sở của những tính toán quan trọng trong vật lí thực nghiệm và trong kĩ thuật Trongchương trình Vật lí 10 THPT, các định luật bảo toàn có tính tổng quát hơn cả cácđịnh luật Niu-tơn, chúng gắn liền với cả tính chất của không gian và thời gian Cácđịnh luật bảo toàn vừa bổ sung cho phương pháp động lực học giải các bài toán cơhọc và là phương pháp duy nhất nếu bài toán không biết rõ các lực tác dụng, vừagiáo dục kĩ thuật tổng hợp thông qua việc nghiên cứu các ứng dụng của chúngtrong kĩ thuật (chuyển động bằng phản lực, hiệu suất các máy, hộp số, va chạm, )
Tuy nhiên trong quá trình dạy học ở trường THPT nhiều học sinh ít thấyđược tầm quan trọng của các định luật bảo toàn nếu không được vận dụng làmnhiều đa dạng hóa các bài tập Học sinh chỉ học theo cách đối phó mà chưa thực
sự có hứng thú, có niềm đam mê khi giải các bài tập vật lí nói chung và các bàitập Vật lí 10 vận dụng các định luật bảo toàn nói riêng
Năm học 2017- 2018 khi chưa thực hiện đề tài để áp dụng vào giảng dạy.Sau khi dạy xong chương các định luật bảo toàn và tổ chức ôn tập, rèn kỹ nănggiải bài tập trong các tiết bài tập và các buổi ôn tập kiến thức trong nhà trường.Tôi cho học sinh lớp 10 B20 làm bài kiểm tra các nội dung kiến thức và kỹ năng
cơ bản mà học sinh cần phải nắm được trong chương này Kết quả như sau:
Để có cơ sở đánh giá hiệu quả của đề tài trong thực tế, năm học 2018
độ đầu vào của học sinh, về số lượng, tỉ lệ nam/nữ trong lớp, hoàn cảnh gia đình và điều kiện học tập
2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.
3
Trang 6Qua quá trình giảng dạy, bản thân tôi đã thu được một số kinh nghiệm như: thấyđược những sai lầm, khó khăn của học sinh khi thực hiện giải các bài toán cầnvận dụng các định luật bảo toàn nhất là các bài toán va chạm Vì vậy tôi đã tổchức cho học sinh hình thành kỹ năng giải quyết một số bài tập cần vận dụngcác định luật bảo toàn có thể làm bằng nhiều cách khác nhau để tạo hứng thúhọc tập cho học sinh, phát triển năng lực tư duy cũng như rèn luyện kĩ năng vậndụng kiến thức đã học vào thực tiễn Để đạt được điều đó thì trước tiên phải chohọc sinh nắm được phương pháp giải như thế nào.
2.3.1 Phương pháp giải các bài tập vật lí.
Phương pháp giải bài tập vật lí phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nội dung bài
tập, trình độ học sinh, mục đính và yêu cầu đặt ra, nhưng đa số các bài tập khi giải
ta có thể chia thành các bước sau:
Bước 1: Đọc kỹ đầu bài (đặc biệt là các thuật ngữ mới), nắm được dữ kiện bài tập
cho và ẩn số phải tìm (dùng kí hiệu hoặc hình vẽ để tóm tắt bài tập)
Bước 2: Phân tích nội dung bài tập, làm rõ bản chất Vật lí của các hiện tượng mô tả
trong bài tập (Bài tập định tính hay định lượng? Bài tập thực nghiệm hay đồ thị?Hiện tượng vật lí nào? Ở trạng thái ổn định hay biến đổi? Mối quan hệ giữa cáchiện tượng, các đại lượng đã biết và chưa biết biểu hiện ở kiến thức nào đã học? )
Bước 3: Xác định phương pháp giải bài tập (sử dụng phương pháp phân tích hay
phương pháp tổng hợp?)
+ Phương pháp phân tích: Chia làm nhiều giai đoạn để giải một hệ thống các bàitập đơn giản Trong đó, bài tập đơn giản đầu tiên đã phải tìm định luật hay côngthức để trả lời trực tiếp cho câu hỏi đầu bài của bài tập đã cho Còn việc giải các bàitập nhỏ tiếp theo là lần lượt sáng tỏ những phần chưa biết để cuối cùng công thứcbài tập nhỏ đầu tiên chỉ chứa ẩn số phải tìm và các số liệu đã biết
+ Phương pháp tổng hợp: Phương pháp này không bắt đầu từ những ẩn số phải tìm
mà bắt đầu từ các yếu tố đã cho trong điều kiện của bài tập và gỡ dần ra cho đếnkhi tìm được ẩn số của bài tập
Bước 4: Kiểm tra lời giải và biện luận (trình bày bài giải và kiểm tra tính đúng đắn
của lời giải)
2.3.2 Vận dụng định luật bảo toàn động lượng.
Trang 7- Trong trường hợp hệ có chịu tác dụng của ngoại lực đáng kể (hệ không cô lập)nhưng có hình chiếu của ngoại lực trên một phương nào đó triệt tiêu thì ta vẫnxem hệ cô lập trên phương đó và vẫn áp dụng được định luật bảo toàn độnglượng trên phương đó.
b) Bài tập ví dụ.
Bài số 1: Tìm tổng động lượng (cả hướng và độ lớn) của hệ hai vật có khối
c) Trường hợp 3: hai vật chuyển động
theo hai hướng vuông góc, các vectơ
Trang 8Bài số 2: Một người khối lượng m1 = 60 kg đang chạy với vận tốc v1 = 4 m/s thì
phương cũ Tính vận tốc của xe sau khi người nhảy lên nếu ban đầu xe và người:
Hệ “người và xe” mà ta khảo sát là một hệ cô lập
Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: m v1 1
+ m v2 2
= (m1 m2)v (1)
a) Trường hợp 1: ban đầu người và xe chuyển động cùng chiều
Chiếu (1) lên trục nằm ngang, chiều dương là chiều của v 2
Trang 9b) Trường hợp 2: ban đầu người và xe chuyển
động ngược chiều Chiếu (1) lên trục nằm ngang,
chiều dương là chiều của v 2
Xe tiếp tục chuyển động theo chiều cũ với vận tốc 0,2 m/s
Bài số 3: Một viên đạn khối lượng m = 0,8 kg đang bay theo phương ngang với
mảnh thứ hai ngay sau khi vỡ Bỏ qua sức cản không khí
tan m v 3
mv
600
so với phương ngang với vận tốc 66,7 m/s (Hình vẽ 5)
Bài số 4:
Tên lửa có khối lượng tổng cộng M = 100 tấn đang bay với vận tốc V = 200 m/sthì phụt ra tức thời m = 20 tấn khí với vận tốc v = 500 m/s so với tên lửa Bỏ qualực hấp dẫn của Trái Đất và lực cản của không khí Tính vận tốc của tên lửangay sau khi phụt khí nếu khí được phụt ra:
a) phía sau tên lửa
b) phía trước tên lửa
Bài giải
Xét hệ: Tên lửa và khí Vì bỏ qua lực hấp dẫn của Trái Đất và lực cản của khôngkhí nên hệ “Tên lửa-khí” được coi là hệ cô lập Chọn hệ quy chiếu gắn với TráiĐất
7
Trang 10Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: MV (M m V ) ,mv K
.Trong đó, v K
là vận tốc của khí đối với Trái Đất (vK = vkhí-tên lửa + vtên lửa-đất) Khi
,ngay sau khi phụt khí là V ,
nên phải xét cả hai trường hợp
Trường hợp 1: vận tốc của khí so với tên lửa ngay trước khi phụt khí
a) khí phụt ra sau tên lửa: MV (M m V ) ,m v V( ,)
, MV mv V
+ Thế năng: Thế năng là năng lượng tương tác giữa các phần của vật hoặc giữacác vật trong hệ
- Thế năng trọng lực: Wt P( )
= mgz Tính từ tâm Trái Đất ra xa: nếu vật đặt trongmốc tính thế năng thì z < 0; nếu vật đặt tại mốc tính thế năng thì z = 0; nếu vậtđặt ngoài mốc tính thế năng thì z > 0
- Thế năng đàn hồi: Thế năng đàn hồi của một vật bị biến dạng đàn hồi
Trang 11+ Biến thiên cơ năng và công của lực không phải lực thế: Khi ngoài lực thế vật
còn chịu tác dụng của lực không phải lực thế, cơ năng của vật không bảo toàn và
công của lực này bằng độ biến thiên cơ năng của vật
W
= Wsau - Wtrước = A(lực không thế)
b) Bài tập ví dụ[5].
Bài số 1: Một vật có khối lượng m = 3 kg được đặt ở một vị trí trong trọng
a) Hỏi vật đã rơi từ độ cao nào so với mặt đất?
b) Hãy xác định vị trí ứng với mức không của thế năng đã chọn
c) Tìm vận tốc của vật khi đi qua vị trí này
Bài số 2: Hai vật có khối lượng m =1,5 kg và
m = 0,5 kg được nối với nhau bằng sợi dây vắt
qua ròng rọc, m trượt không ma sát trên mặt bàn
nằm ngang Hệ thống được thả cho chuyển động
từ trạng thái không vận tốc đầu (Hình vẽ 6)
Tính vận tốc của hai vật sau khi m đã rơi được 1 mét bằng
Trang 12P 1
Hình vẽ 7
450600
Chiếu phương trình (1) lên phương
(2) Sợi dây không dãn nên a1 = a1 = a
b) Nếu bỏ qua ma sát thì hệ hai vật được coi là hệ cô lập Ta có thể áp dụng địnhluật bảo toàn cơ năng để tính vận tốc Vì dây không dãn nên cùng một thời điểmvận tốc của hai vật là như nhau, ta có:
Độ tăng của động năng của hệ bằng độ giảm thế năng của hệ
Đối với trường hợp áp dụng định luật bảo toàn cơ năng để giải bài tập trên,học sinh hiểu rõ về chuyển hóa lẫn nhau giữa động năng và thế năng của cơnăng và tính chất bảo toàn của cơ năng Bài tập với hai cách giải ta thấy sử dụngđịnh luật bảo toàn cơ năng để giải thì biểu thức đơn giản, giải nhanh hơn so với
sử dụng định luật II Niu-tơn
Bài số 3: Một con lắc đơn có chiều dài 1 m, kéo cho dây làm với đường thẳng
a: 450
10
Trang 13D
CB
Bài toán này sử dụng định luật bảo toàn
cơ năng cho hệ “Vật - Trái đất” Trong tất
cả các trường hợp xảy ra khi con lắc đơn dao
động thì lực căng T
của sợi dây vuông góc
+ mgl(1- cos45o) Suy ra v C2 = 2gl(cos45o - cos60o )
Bài số 4: Một hòn bi thép chuyển động không ma sát theo một đường rãnh hẹp
có dạng như hình vẽ (Hình vẽ 9) Hỏi phải thả hòn bi lăn không vận tốc ban đầu
từ độ cao nhỏ nhất là bao nhiêu để có thể vượt qua điểm cao nhất của vòng trònbán kính R
11
Trang 14luôn luôn vuông góc véc
tơ vận tốc (v ) nên không sinh công Còn trọng lực P
là lực thế, vì vậy cơ năng
mặt phẳng nằm ngang đi qua A làm gốc tính thế năng, phương trình trên được
2
2
B mv
2
B mv
Từ biểu thức (2) cho ta giá trị tối thiểu của vận tốc viên bi cần đạt tại điểm B để
bi không rơi Thay (2) vào (1) ta tính được độ cao nhỏ nhất h mà ở độ cao ấy thả
Hình vẽ 9a
O R
Trang 15Fms 2
PP
Bài số 5: Một vật trượt từ độ cao 12 m so với mặt phẳng ngang xuống phía dưới
khi đi được 15 m trên mặt phẳng nằm ngang vật lại đi lên theo mặt phẳng
= 0,2 Xác định độ cao mà vật đạt được
Bài giải
Quá trình chuyển động của vật có thể chia làm ba giai đoạn (Hình vẽ 10) Trong
cả ba giai đoạn ấy một phần năng lượng dạng thế năng hoặc động năng đã biếnthành nhiệt (do công của lực ma sát) Cơ năng của vật không bảo toàn và độbiến thiên cơ năng của vật bằng công của lực ma sát
Giai đoạn 1: (tương ứng với đoạn AB = l)
2
1 2
B ms
mv mgh F l