Một số giải pháp nâng cao hiệu quả học tập phần hệ quy chiếu phi quán tính cho học sinh THPT

Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 4 Giải pháp 1: Học sinh tìm hiểu khoa học, sự ảnh hưởng của hiện tượng mất trọng lượng đối với các phi hành gia thông qua các thông tin đại

NỘI DUNG TRANG

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm 3

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 4

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 4

Giải pháp 1: Học sinh tìm hiểu khoa học, sự ảnh hưởng của hiện

tượng mất trọng lượng đối với các phi hành gia thông qua các

thông tin đại chúng

5

Giải pháp 2: Học sinh tìm hiểu những chuyển động về lực quán

tính li tâm trong cuộc sống thường ngày

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ

HỌC TẬP PHẦN HỆ QUY CHIẾU PHI QUÁN TÍNH CHO HỌC SINH THPT

Người thực hiện: Lý Hoàng Liên Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật Lý

THANH HÓA NĂM 2020

Dạng 4 Các bài toán thường gặp về nêm trong hệ quy chiếu phiquán tính

13

Dạng 5 Các bài toán về hệ quy chiếu phi quán tính với vật quay 16

Tài liệu tham khảo

Danh mục các đề tài SKKN đã được Hội đồng SKKN Ngành giáodục tỉnh Thanh Hóa đánh giá đạt từ loại C trở lên

MỤC LỤC

1 Mở đầu

1.1 Lý do chọn đề tài.

Vật lý là một môn khoa học gắn liền với thực tế đời sống Do đó dạy họcphải đi đôi với thực hành, hoặc phải có những liên hệ vào đời sống, hạn chế việcgiảng dạy kiểu thầy đọc trò chép, bài giảng chỉ mang tính lý thuyết mà không cóthực hành hoặc liên hệ thực tế Có những liên hệ thực tế thì bài giảng mới trởnên sinh động, hấp dẫn, học sinh cảm thấy hào hứng và yêu thích môn học hơn,không cảm thấy bị khô khan, nhàm chán, không cảm thấy trừu tượng, khó hiểuvới mỗi phần kiến thức mới

Ở mỗi trường phổ thông, việc dạy học theo hướng phát triển năng lựchọc sinh, để học sinh chủ động trong tiếp cận kiến thức luôn được ưu tiên hàngđầu Việc nâng cao chất lượng dạy học ở mỗi môn, mỗi phần luôn được chútrọng, nhằm phát huy mạnh mẽ tính tích cực chủ động, khả năng tư duy, lậpluận, đồng thời phát huy niềm đam mê sáng tạo, sự kiên trì, lòng quyết tâm khigặp khó khăn của học sinh trong học tập cũng như trong cuộc sống Để đạt đượccác mục tiêu trên thì bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của học sinh thì thầy cô giáophải luôn có những đổi mới trong giảng dạy, để bài giảng trở nên sinh động, hấpdẫn Phải luôn hướng học sinh tới sự tìm tòi, khám phá và biết vận dụng kiếnthức đã học vào thực tiễn và vào giải quyết được các bài tập khó trong mỗi phần

Để học sinh tiếp cận được các bài toán một cách dễ dàng thì thầy cô phải có giáo

án chi tiết rõ ràng theo từng chủ đề, theo từng chương, thầy cô giáo phải khôngngừng học tập tìm tòi cái mới kể cả về phương pháp dạy cũng như về kiến thức,đồng thời phải luôn nghiên cứu sâu các vấn đề mà học sinh thường hay lúngtúng để giải đáp kịp thời những thắc mắc của học sinh

Đối với môn vật lý lớp 10 tôi nhận thấy một trong các phần mà học sinhcảm thấy lúng túng khi học, khi liên hệ thực tế, cũng như khi làm bài tập đóchính là phần hệ quy chiếu phi quán tính Học sinh cảm thấy lúng túng vướngmắc và không hào hứng khi học phần này là do học sinh lớp 10 mới chuyển từTHCS lên THPT, nên hầu như chưa có phương pháp học phù hợp, bên cạnh đókiến thức ở THPT môn vật lý cũng như các môn khác có nhiều phần mới và sâu

so với THCS nên một số học sinh bị choáng ngợp với lượng kiến thức mới

Tài liệu bài tập về hệ quy chiếu phi quán tính có rất ít trên mạng cũngnhư có rất ít trong các sách tham khảo, hầu như các bài tập về hệ quy chiếu phiquán tính chỉ xuất hiện rải rác trong các sách tham khảo hoặc trong các đề thihọc sinh giỏi

Toán học là công cụ để giải bài tập vật lý, nhưng kiến thức về cộng véc

tơ các em mới được tìm hiểu khi vào đầu năm lớp 10, vẫn còn nhiều học sinhchưa làm thành thạo cộng véc tơ nên khi áp dụng vào vật lý cho những bài toán

về cộng gia tốc thì nhiều học sinh không biết làm

Qua việc dạy học sinh tôi nhận thấy để nâng cao hiệu quả học tập, đểrèn luyện và phát triển tư duy, sáng tạo thì ngoài việc học và hiểu lý thuyết, họcsinh phải có thực hành, phải có liên hệ thực tiễn, phải được va chạm với các bàikhó, đặc biệt là các bài về cộng vec tơ, về hệ quy chiếu phi quán tính

Trong năm học 2018-2019 tôi có viết SKKN về đề tài “ Các dạng bài tập

về hệ quy chiếu phi quán tính” và đã được xếp loại B cấp nghành, quyết định số

3

2007/QĐ-SGDĐT ngày 8/11/2019 Trong năm học 2019-2020 tôi tiếp tụcnghiên cứu về hệ quy chiếu phi quán tính để bổ sung vào đề tài năm ngoái củatôi thành một đề tài hoàn chỉnh hơn Đó là lý do tôi chọn đề tài “Một số giảipháp nâng cao hiệu quả học tập phần hệ quy chiếu phi quán tính cho học sinhTHPT”.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Tôi nghiên cứu đề tài này để:

Tôi tìm hiểu sâu hơn nữa về hệ quy chiếu phi quán tính

Tạo cho học sinh hứng thú hơn khi học phần hệ quy chiếu phi quán tính

và có những liên hệ trong đời sống, giải thích được các hiện tượng tăng, giảm,mất trọng lượng Từ đó tìm hiểu thêm về hiện tượng mất trọng lượng trongkhông gian của các phi hành gia

Phát huy tính tích cực chủ động của học sinh trong việc tiếp cận kiếnthức và luôn tìm được sự liên hệ từ bài học ra thực tiễn đời sống

Rèn luyện tư duy, khả năng phán đoán, suy luận của học sinh thông quaviệc giải quyết các bài về hệ quy chiếu phi quán

Rèn luyện cho học sinh ý chí và sự kiên trì, quyết tâm khi gặp khó khăntrong các bài tập cũng như trong cuộc sống

1.3 Đối tượng nghiên cứu.

Đề tài này nghiên cứu về

Hệ quy chiêu phi quán tính

Lực quán tính, lực quán tính li tâm

Hiện tượng tăng giảm, mất trọng lượng Sự ảnh hưởng của hiện tượngmất trọng lượng đối với các phi hành gia

Các dạng bài tập về hệ quy chiếu phi quán tính

Đối tượng sử dụng đề tài: Học sinh THPT đặc biệt là những học sinhtham gia thi đội tuyển học sinh giỏi cấp trường, học sinh giỏi cấp tỉnh

1.4 Phương pháp nghiên cứu.

Để nghiên cứu đề tài này tôi phải

Nghiên cứu sâu hơn về cơ sở lý thuyết đó chính là hệ quy chiếu phi quántính, hiện tượng tăng, giảm, mất trọng lượng

Tìm hiểu trên các thông tin đại chúng như các bài báo trong báo giáo dục

&thời đại, báo dân trí… về sự ảnh hưởng của hiện tượng mất trọng lượng củacác phi hành gia khi ở trong vũ trụ

Tìm hiểu về những chuyển động của vật chịu tác dụng của lực quán tính

li tâm

Tìm hiểu về các bài tập về hệ quy chiếu phi quán tính ở nhiều tài liệukhác nhau

Phân chia các bài theo từng dạng cụ thể từ dễ đến khó

Với những dạng hay gặp trong đề thi học sinh giỏi thì tôi sẽ trình bàynhiều hơn

Thống kê hiệu quả của việc áp dụng đề tài này

Tổng kết kinh nghiệm rút ra từ đề tài này

1.5 Những điểm mới của SKKN

Ở SKKN này tụi đưa ra những điểm mới so với SKKN trước đú là: Tụi đưa ra cỏc giải phỏp để hướng học sinh tới sự chủ động, tớch cực,hứng thỳ, đam mờ trong học tập, đú là học sinh tham gia tỡm hiểu khoa họcthụng tin đại chỳng như cỏc bài bỏo trong bỏo giỏo dục &thời đại, bỏo dõn trớ…

về hiện tượng mất trọng lượng của cỏc phi hành gia trong khụng gian

Gắn bài học với thực tiễn, học sinh phải là người quan sỏt và tỡm hiểuliờn hệ trong thực tế thường ngày về những chuyển động mà vật chịu tỏc dụngcủa lực quỏn tớnh li tõm

Hệ thống lại bài tập theo từng phần rừ ràng hơn, chi tiết hơn để học sinhtiếp cận với phần hệ quy chiếu phi quỏn tớnh khụng bị vướng mắc, khụng bị lỳngtỳng

2 Nội dung

2.1 Cơ sở lớ luận của SKKN

Thế nào là hệ quy chiếu phi quỏn tớnh

Muốn nghiờn cứu chuyển động của vật cần chọn hệ quy chiếu bao gồm:vật làm mốc, gắn vào đú hệ tọa độ để xỏc định vị trớ của vật và chọn một mốcthời gian gắn với một đồng hồ để xỏc định thời gian

Hệ quy chiếu gắn với vật mốc đứng yờn gọi là hệ quy chiếu quỏn tớnh.Cỏc định luật NiuTơn nghiệm đỳng trong hệ quy chiếu quỏn tớnh

Hệ quy chiếu chuyển động cú gia tốc so với một hệ quy chiếu quỏn tớnhthỡ cỏc định luật NiuTơn khụng được nghiệm đỳng nữa Ta gọi hệ đú là hệ quychiếu phi quỏn tớnh.[1]

Lực này gọi là lực quỏn tớnh [1]

Lực quỏn tớnh giống cỏc lực thụng thường ở chỗ nú cũng gõy ra gia tốchoặc biến dạng cho vật Nhưng nú khỏc cỏc lực khỏc ở chỗ:

lực quỏn tớnh xuất hiện do tớnh chất phi quỏn tớnh của hệ quy chiếu chứkhụng do tỏc dụng của lực này lờn lực khỏc

lực quỏn tớnh khụng cú phản lực

lực quán tính tác dụng lên vật đặt trong hệ quy chiếu

mà không phụ thuộc vào vị trí vật trong hệ

Lực quỏn tớnh li tõm: Khi xột chuyển động của một vật A nằm trờn vật Bđang quay mà xột với hệ quy chiếu gắn với vật B thỡ vật A chịu tỏc dụng của mộtlực quỏn tớnh hướng ra xa tõm quay gọi là lực quỏn tớnh li tõm

q

5

Lực quán tính li tâm có cùng độ lớn với lực hướng tâm Fq =

nhưng lực quán tính li tâm có chiều hướng ra xa tâm

Hiện tượng tăng giảm, mất trọng lượng.

Trên thực tế có nhiều trường hợp một vật được đặt trong một hệ chuyển động có gia tốc a

mà trọng lượng biểu kiến P’

có thể lớn hơn trọng lượng P, có thể nhỏ hơn trọng lượng P hoặc có thể bằng 0 Những hiện tượng đó gọi là sự tăng, giảm hoặc mất trọng lượng biểu kiến

(thường gọi tắt là sự tăng, giảm, mất trọng lượng)

uur uur uuur

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

Học sinh ít có liên hệ với thực tế phần hệ quy chiếu có gia tốc

Học sinh không hào hứng khi học về phần hệ quy chiếu phi quán tính.Học sinh áp dụng toán học vào cộng véc tơ gia tốc còn lúng túng

Học sinh cảm thấy vướng mắc và không tích cực khi giải bài tập về hệquy chiếu phi quán tính

Học sinh luôn nghĩ bài tập về hệ quy chiếu phi quán tính là rất khó nênthường ngại làm bài tập về phần này

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề về “Một số giải pháp nâng cao hiệu quả học tập phần hệ quy chiếu phi quán tính cho học sinh THPT”

Từ cơ sở lý luận đã nêu ở mục trên, để nâng cao hiệu quả học tập cho học sinh

về hệ quy chiếu phi quán tính tôi đã đưa ra các giải pháp như sau:

Giải pháp 1: Học sinh tìm hiểu khoa học, sự ảnh hưởng của hiện tượngmất trọng lượng đối với các phi hành gia thông qua các thông tin đại chúng.Qua trang báo giáo dục & thời đại, báo dân trí thông qua các video về các phihành gia

Mục đích của giải pháp này là tạo được hứng thú cho học sinh và tạo chohọc sinh có sự đam mê khám phá các hiện tượng trong tự nhiên

Giải pháp 2: Học sinh tìm hiểu những chuyển động về lực quán tính litâm trong cuộc sống thường ngày

Mục đích của giải pháp này là giúp học sinh hiểu học đi đôi với hành,vật lý gắn với thực tế đời sống

Giải pháp 3: Hệ thống các dạng các bài tập phần hệ quy chiếu phi quántính

Trong mỗi dạng có hướng dẫn về phương pháp và có bài tập vận dụng

để học sinh tiếp cận được dễ dàng với các bài tập từ dễ đến khó

Mục đích giúp cho học sinh THPT nói chung cũng như học sinh tham dựcác đội tuyển học sinh giỏi nói riêng có cái nhìn sâu sắc hơn về hệ quy chiếu phiquán tính

Nội dung cụ thể cho từng giải pháp

Giải pháp 1: Học sinh tìm hiểu khoa học, sự ảnh hưởng của hiện tượng mất trọng lượng đối với các phi hành gia.

Hiện nay trên các thông tin báo đài đều đã nói về hiện tượng mất trọnglượng của các phi hành gia trong không gian Nhưng không phải học sinh nàocũng để ý và tìm hiểu Qua phần dạy về hệ quy chiếu phi quán tính tôi đã giảngdạy về hiện tượng tăng, giảm, mất trọng lượng và định hướng học sinh đi tìmhiểu “ hiện tượng mất trọng lượng đối với các phi hành gia thì có ảnh hưởng gìđến sinh hoạt thường ngày của các phi hành gia trong không gian?”

Trích bài của báo dân trí “ Các nhà du hành vũ trụ thêm gia vị vào món

ăn của mình như thế nào”

7

Khi ở môi trường không trọng lực ngoài không gian, các chất lỏng bêntrong cơ thể con người sẽ di chuyển một cách tự do, không có trật tự, hiện tượngnày thường khiến mặt của các phi hành gia thường bị phù, dẫn tới chứng ứhuyết Hệ quả là khả năng vị giác lẫn khứu giác của nhà du hành vũ trụ bị giảm

đi một cách đáng kể Chính điều này làm cho các món ăn trong không gian vốn

đã nhạt nhẽo lại càng trở nên nhạt nhẽo hơn Khi đồ ăn bị nhạt việc thêm gia vịvào món ăn cũng không đơn giản như cách chúng ta vẫn làm hàng ngày Trongmôi trường không trọng lực, việc rắc tiêu hoặc muối sẽ dẫn đến kết cục toàn bộkhông gian bị bao phủ bởi một đám mây gia vị, vậy các nhà phi hành gia đãthêm gia vị của mình vào món ăn như thế nào? Câu trả lời chính là trong trườnghợp bạn muốn thêm muối vào món ăn chúng ta sẽ có ‘muối dạng lỏng’, nếumuốn thêm tiêu thì dùng ‘tiêu dạng lỏng’ và rắc đều các muối hoặc tiêu dạnglỏng lên thức ăn [2]

Dưới đây là hình ảnh học sinh xem video “Các nhà du hành vũ trụ thêmgia vị vào món ăn của mình như thế nào”

Ngoài các thông tin trên báo dân trí, học sinh còn tìm hiểu về sự ảnhhưởng của hiện tượng mất trọng lượng đối với các phi hành gia qua báo giáodục&thời đại, báo tuổi trẻ ví dụ bài báo “ 9 điều thường nhật phi hành giakhông thể làm trong không gian” của báo giáo dục $ thời đại.

Trong không gian như các phi hành gia không thể khóc Các phi hành gia

có thể cười trong không gian tùy ý, nhưng việc khóc lại hoàn toàn khác Khi trảlời phỏng vấn “Liệu các phi hành gia có thể khóc trong không gian không”, phihành gia người Canada Chris Hadfieldn chia sẻ “Nước mắt chảy ra giống nhưnhững quả bóng dinh dính Nếu không lau đi, trong không gian nước mắt có thểtạo thành khối lớn như những bong bóng Đại Tây Dương, những quả bóng nước

có thể trôi xung quanh các phi hành gia”; và các phi hành gia không thể ăn uống

9

thực phẩm thông thường như bánh mỳ và soda- Theo viện Franklin có nhiều loạithực phẩm thông dung nhưng khi vận chuyển và ăn chúng trong không gian lạiquá khó khăn Ví dụ mảnh vụn của bánh mỳ có thể làm hỏng thiết bị hoặc cácphi hành gia vô tình hít phải nên NASA đã cho ra đời loại bánh Tortilas chuyên

sử dụng cho phi hành gia từ những năm 1980 Đồ uống có ga và khí cacbonat sẽkhông nổi trong môi trường không trọng lượng…Muối và hạt tiêu bị cấm sửdụng vì khi lơ lửng chúng có thể làm hỏng thiết bị…Cá phi hành gia không thểviết bằng bút thông thường Trong môi trường không trọng lượng sẽ không thểviết được, mực cần trọng lực để chảy xuống…[3]

Trên đây là một vài bài báo mà tôi hướng dẫn cho học sinh tham khảo

để tìm hiểu về hiện tượng mất trọng lượng trong không gian, các em có thể tự tìm hiểu thêm nữa Qua việc hướng dẫn hoc sinh tìm hiểu và xem video về phi hành gia tôi thấy học sinh rất hứng thú với phần hệ quy chiếu phi quán tính.

Giải pháp 2: Học sinh tìm hiểu những chuyển động mà vật chịu tác dụng của lực quán tính li tâm trong cuộc sống thường ngày

Sau khi học về lực quán tính, lực quán tính ly tâm, tôi sẽ yêu cầu họcsinh tìm hiểu, lấy ví dụ về những chuyển động mà vật chịu tác dụng của lựcquán tính li tâm xung quanh đời sống chúng ta

Học sinh có thể nêu ra một số chuyển động như: chuyển động của bàn ăntròn, khi ta xoay bàn thức ăn trên bàn sẽ chịu tác dụng của lực quán tính li tâmtrong hệ quy chiếu gắn với bàn nên khi quanh tròn mạnh thì thức ăn có thể văng

ra ngoài Hay chuyển động của máy tuốt lúa mini, khi guồng máy quay thì cácbông lúa chịu tác dụng của lực quán tính li tâm nên văng ra ngoài Hoặc trongcác trò chơi đu quay vòng tròn trong các khu giải trí thì người ngồi trên các vòngtròn đó luôn chịu tác dụng của lưc quán tính li tâm, có xu hướng văng ra ngoàitâm quay làm người chơi cảm thấy sợ…

Giải pháp 3: Hệ thống các dạng bài tập về hệ quy chiếu phi quán tính

Dạng 1: Các bài toán về con lắc đơn, con lắc lò xo trong hệ quy chiếu phi quán tính.

Phương pháp:

Bước 1: Chọn hệ quy chiếu

Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng vào con lắc (lực quán tính thì

Bài tập vận dụng

Bài 1: Một vật khối lượng 2kg được treo bằng dây không giãn vào trần một toa

xe lửa Khi toa xe chuyển động nhanh dần đều trên đường nằm ngang với gia tốc

x y

ar

β

x y

a thì dây treo vật hợp với phương thẳng đứng góc 300 Tính gia tốc của xe lửa

và lực căng dây treo Lấy g = 10m/s2 [4]

Lời giải: Chọn hệ quy chiếu gắn với xe

Khi xe chuyển động với gia tốc a theo phương

ngang thì vật chịu tác dụng của các lực : trọng

mg cosα =

≅ 23,09 (N)

Bài 2: Một vật khối lượng m được treo bằng dây không giãn vào trần một toa xe

đang chuyển động nhanh dần đều lên dốc nghiêng 200 với gia tốc không đổi2m/s2 Tính góc lệch của dây treo vật hợp so với phương thẳng đứng Lấy g =9,8 m/s2 [5]

Lời giải: Khi xe chuyển động với gia tốc a theo phương ngang thì vật chịu tácdụng của các lực : trọng lực P

Chiếu phương trình trên lên trục Ox, Oy ta được

Tsinα – ma cosβ = 0 →Tsinα = ma cosβ (1)

Tcosα – mg – ma sinβ= 0

→Tcosα = mg + ma sinβ (2)

Lấy (1) chia (2) theo từng vế

Lời giải: Chọn mốc thế năng tại vị trí cân bằng của vật

Áp dụng bảo toàn cơ năng ta có vận tốc

11

P

ur

C C

,

g

uurl

vật tại vị trí cân bằng là v2 =

0

2 (1 cosgl − α )

(1)Khi con lắc đi qua vị trí cân bằng thì điểm treo đi

điểm treo đi xuống với gia tốc a

Bài 4: Quả cầu nhỏ treo ở đầu một dây nhẹ Kéo quả cầu khỏi phương thẳng

đứng để dây treo nghiêng góc

0 90

rồi buông tay Tại thời điểm quả ở vị trí cânbằng, điểm treo của nó chuyển động từ dưới lên với gia tốc a Hỏi dây sẽ lệchkhỏi phương thẳng đứng góc lớn nhất bao nhiêu [6]

2 2 0 0

Theo định luật bảo toàn cơ năng, ta có

Bước 1: Chọn hệ quy chiếu.

Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng vào con lắc lò xo, trong đó có lực đàn

Bài 1: Một vật nặng m = 500g gắn vào đầu dưới

một lò xo có chiều dài tự nhiên 0

l

=60cm , độcứng k = 50N/m Hệ được gắn vào thanh nêm

như hình vẽ, góc ∝=300 Cho nêm chuyển động

sang bên phải với gia tốc 2 m/s2 Bỏ qua ma

sát.Xác định chiều dài của lò xo Lấy g = 10m/s2

Bài 2: Một vật nặng m gắn vào đầu dưới một lò

xo có chiều dài tự nhiên 0

l

, độ cứng k Hệ đượcgắn vào thanh nêm như hình vẽ Cho nêm

13