Bai 37 Dinh luat bao toan co nang

- Vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng của một vật chuyển động trong trường lực thế bất kì và biến thiên cơ năng để giải các bài toán.. - Hiểu và nêu được ví dụ về sự chuyển hóa giữ[r]

Bài 37 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG

( Chương trình lớp 10 nâng cao)

I Mục tiêu

1 Kiến thức

- Phát biểu và thiết lập được định luật bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường

- Phát biểu và viết được định luật bảo toàn cơ năng của một vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi

- Phát biểu được định luật bảo toàn cơ năng tổng quát

- Phát biểu và viết được công thức của định lí biến thiên cơ năng, công của lực không phải lực thế

2 Kĩ năng

- Vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng của một vật chuyển động trong trường lực thế bất kì và biến thiên

cơ năng để giải các bài toán

- Hiểu và nêu được ví dụ về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng cũng như giữa các dạng năng lượng trong thực tiễn cuộc sống

3 Thái độ

- Phát huy tính tích cực của học sinh với bài học

- Giáo viên liên hệ bài học với thực tiễn cuộc sống

II Chuẩn bị

1 Giáo viên

- Thí nghiệm ảo mô phỏng chuyển động của con lắc đơn, tranh ảnh liên quan

- Hệ thống câu hỏi, bài tập vận dụng

2 Học sinh

- Ôn lại các bài “Động năng Định lí động năng”, “Thế năng Thế năng trọng trường”, “Thế năng đàn hồi” để nắm lại các công thức tính toán

- Đọc bài “Định luật bảo toàn cơ năng”

III Phương pháp

- Phương pháp đàm thoại nêu vấn đề

- Phương pháp diễn giải

IV Tiến trình dạy học

Hoạt động của thầy Hoạt động của

trò

Hoạt động 1: Ổn định lớp, kiểm tra bài cũ (2

phút)

- Ổn định, kiểm tra sĩ số

- Kiểm tra bài cũ

+ Yêu cầu học sinh nêu định nghĩa động

năng? Viết công thức tính động năng? Giải

- ổn định

- trả bài, ôn tập kiến thức

Wđ = 1 2

2mv

thích các đại lượng?

+ Yêu cầu học sinh nêu định nghĩa thế

năng? Viết công thức tính thế năng trọng

trường, thế năng đàn hồi? Giải thích các đại

lượng?

Wt = mgz

Wđh = 1 2

2kx

Kĩ năng giải bài tập,

hệ thống kiến thức

đã học

Hoạt động 2: Đặt vấn đề (3 phút)

- Ở lớp 8 ta có học:

+ Động năng và thế năng là hai dạng của

năng lượng nào?

+ Khi nào vật có cơ năng? Cho ví dụ

+ Mối liên hệ giữa cơ năng, động năng và thế

năng?

- Nhận xét, kết luận:

Cơ năng có hai dạng là động năng và thế

năng Khi vật có khả năng thực hiện công, ta

nói vật có cơ năng Cơ năng bằng tổng động

năng và thế năng

- Cho cả lớp quan sát chuyển động của con

lắc đơn thử xem nó tồn tại dạng năng lượng

nào? Nhận xét về chuyển động này

- phát biểu + cơ năng

+ khi vật có khả năng thực hiện công, ta nói vật có cơ năng

+ cơ năng bằng tổng động năng và thế năng

- lắng nge

- quan sát, phát biểu

giải bài tập,

kĩ năng nói,

kĩ năng diễn đạt, tư duy

- Nhận xét, kết luận:

Ta thấy sau khi thả, vật đi qua vị trí cân bằng,

tức là vị trí trùng với phương thẳng đứng của

dây, tiếp tục đi lên và dừng lại ở một độ cao

bằng độ cao ban đầu (góc lệch không đổi);

sau đó, vật lại đi xuống qua vị trí cân bằng,

tiếp tục đi lên Quá trình đó cứ lặp đi lặp lại

như thế gọi là dao động Nó tồn tại dạng năng

lượng là động năng và thế năng

- Yêu cầu học sinh trả lời: Vậy trong quá

trình chuyển động, các em có dự đoán gì về

sự thay đổi của động năng và thế năng?

- Nhận xét, kết luận: Động năng và thế năng

liên tiếp thay đổi hay là biến thiên liên tục

- Vậy thì ta sẽ xét xem có mối quan hệ gì

giữa độ biến thiên của hai dạng năng lượng

này Đi vào bài học hôm nay

- chú ý lắng nghe

- Động năng

và thế năng liên tiếp thay đổi

- ghi nhận

- chú ý lắng nghe, tư duy

Bài 37 Định luật bảo toàn cơ năng

Hoạt động 3: Thiết lập định luật bảo toàn cơ

năng trường hợp trọng lực (15 phút)

A Thiết lập định luật bảo toàn cơ năng

trường hợp trọng lực:

- Xét một vật có khối lượng m rơi tự do, bỏ

qua sức cản không khí

- Yêu cầu học sinh xác định lực tác dụng lên

vật Nó có phải lực thế không?

- Nhận xét, kết luận: đó là trọng lực, là lực

- quan sát

- trọng lực, là lực thế

- ghi nhận

1 Thiết lập định luật

a Trường hợp trọng lực

thế

- Yêu cầu học sinh tính công của trọng lực

dựa vào định lí động năng và công của trọng

lực bằng độ giảm thế năng khi vật đi qua A

và B

- Yêu cầu học sinh so sánh hai giá trị của

công của trọng lực đó, rút ra biểu thức gì?

Nhận xét

- Nhận xét, kết luận:

A, B là hai vị trí bất kì của vật trong quá trình

chuyển động, nhưng cơ năng của vật tại các

vị trí đó lại bằng nhau

- Từ đó, kết luận là cơ năng của vật được bảo

toàn (không đổi theo thời gian) trong quá

trình chuyển động

- Yêu cầu học sinh dự đoán quá trình biến đổi

động năng và thế năng trong quá trình vật rơi,

bỏ qua sức cản không khí

- Nhận xét, phân tích:

+ Chọn gốc thế năng tại mặt đất (O)

+ Tại vị trí thả (I): vật đứng yên, vận tốc vật

bằng 0, động năng của vật bằng 0

+ Từ vị trí thả (I), vật chuyển động dưới tác

dụng của trọng lực nên vận tốc của vật tăng

dần, động năng tăng dần; chiều cao của vật

- phát biểu xây dựng bài

- phát biểu xây dựng bài

- ghi nhận

- ghi nhận

- phát biểu xây dựng bài

- quan sát, chú

ý lắng nghe, ghi nhận bài học

AAB = WđB − WđA =

.

2 2

B A

mv mv



AAB = WtA – WtB = mgzA – mgzB



B A

mv  mv =mgz Amgz B

   

WA W B

W = Wđ + Wt = 1 2

2mv + mgz = hằng số

quan sát

so với gốc thế năng đã chọn là giảm dần, thế

năng giảm dần

+ Tại mặt đất: chiều cao của vật so với gốc

thế năng: h = 0, thế năng của vật bằng 0

+ Mà cơ năng bằng tổng động năng và thế

năng

+ Do đó: tại vị trí thả thì thế năng của vật

cực đại và bằng cơ năng của vật, động năng

của vật bằng 0; tại mặt đất thì động năng của

vật cực đại và bằng cơ năng của vật, thế năng

của vật bằng 0 và trong quá trình rơi tự do,

thì động năng tăng dần đồng thời thế năng

giảm dần

Tại A: W = WtA = Wtmax = mgzmax; WđA = 0

Tại O: W = WđO = Wđmax = (mv2max) /2; WtA

= 0

B Đánh giá mối quan hệ giữa độ biến thiên

của động năng và thế năng

- Xét tại A và O (ở trên), ta thấy rằng:

Toàn bộ thế năng của vật tại A đã chuyển hóa

thành động năng của vật tại O, giá trị đó bằng

cơ năng của vật, hay ∆WđAO = −∆WtAO

- Xét lại hai công thức tính công do trọng lực

thực hiện ở trên:

AAB = WđB − WđA = ∆WđAB

AAB = WtA – WtB = −∆WtAB

 ∆WđAB = −∆WtAB

Cho học sinh thấy được: độ giảm thế năng

- chú ý quan sát, tiếp thu bài học

- tiếp thu bài học

∆Wđ = −∆Wt

(dấu trừ thể hiện sự giảm)

hiện tượng, phân tích,

xử lí thông tin, kĩ năng vận dụng kiến thức

để giải bài tập, kĩ năng

tư duy, kĩ năng nói, viết, kĩ năng phân tích tổng hợp

của vật bằng độ tăng động năng của vật và

bằng công do trọng lực thực hiện khi vật đi

qua A và B Hay thế năng đã chuyển hóa

thành động năng của vật, nhưng cơ năng thì

được bảo toàn Đó chính là nội dung của định

luật bảo toàn cơ năng

- Yêu cầu học sinh phát phiểu nội dung và

công thức của định luật bảo toàn cơ năng

trong trường hợp trọng lực

- Nhận xét, kết luận bài học

- Yêu cầu học sinh quan sát (Hình 37.3) để

thấy mối liên hệ giữa độ biến thiên của động

năng và thế năng của vật Vẽ lại và phân tích

đồ thị kiểm nghiệm hai nội dung kiến thức

vừa học Lưu ý trường hợp thảy vật lên từ

mặt đất, trong đó chọn gốc thế năng tại vị trí

thảy cũng áp dụng đúng định luật bảo toàn cơ

năng

- Yêu cầu cả lớp hoàn thành C1 Gọi 1 học

sinh lên bảng trình bày

- Nhận xét, sửa C1 cho hoàn chỉnh:

- phát biểu

- ghi nhận

- chú ý quan sát

- suy nghĩ, phát biểu

- chú ý lắng

- Trong quá trình chuyển động, nếu vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực, động năng có thể chuyển hóa thành thế năng

và ngược lại, và tổng của chúng, tức là

cơ năng của vật, được bảo toàn (không đổi theo thời gian)

W = Wđ + Wt = 1 2

2mv + mgz = hằng số hoặc 𝛥Wđ = −𝛥Wt

+ Chọn gốc thế năng tại mặt đất (O)

+ Tại vị trí thả vật: W1 = Wtmax = mgh

+ Tại mặt đất: W2 = Wđmax = 1 2

2mv (v là vận tốc của vật khi chạm đất)

+ Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng:

W1 = W2

2 1

2 2

   

- Thông báo cho cả lớp: Cơ năng của hệ vật –

Trái Đất (hệ kín, tương tác bằng lực thế)

được bảo toàn

nghe, ghi nhận bài học

- ghi nhận bài học

Hoạt động 4: Thiết lập định luật bảo toàn cơ

năng trường hợp lực đàn hồi và định luật bảo

toàn cơ năng tổng quát (10 phút)

- Nhắc lại ví dụ con lắc lò xo trong bài trước:

dưới tác dụng của lực đàn hồi, bỏ qua ma sát,

vật gắn lò xo thực hiện dao động quanh O (O

gọi là vị trí cân bằng) Tức là kéo vật đến x0

trong giới hạn đàn hồi của lò xo, rồi buông

nhẹ cho vật chuyển động tự do Nhờ lực đàn

hồi, vật sẽ chuyển động qua O rồi đến vị trí

−x0 rồi lại quay về vị trí O, quá trình cứ lặp

lại như thế Để ý rằng điều kiện là trong giới

hạn đàn hồi của lò xo

- xem và nhớ lại bài học trước, lắng nghe

b Trường hợp lực đàn hồi

- Đặt câu hỏi: Lực đàn hồi thuộc vào dạng

nào? Hệ này có phải hệ kín hay không? Vậy

nó có tuân theo định luật bảo toàn cơ năng

không?

- Nhận xét, kết luận:

Lực đàn hồi là lực thế, khi bỏ qua ma sát giữa

vật với không khí thì hệ vật đang xét là hệ

kín, do đó mà định luật bảo toàn cơ năng

được áp dụng trong trường hợp này

- Yêu cầu học sinh phát biểu và đọc công

thức của định luật bảo toàn cơ năng cho

trường hợp lực đàn hồi

- Nhận xét, kết luận bài học

- Đối với bài toán dao động của lò xo, các em

nên chú ý:

+ Vị trí x0 được gọi là vị trí biên phải

+ Vị trí −x0 được gọi là vị trí biên trái

+ Tại O được gọi là vị trí cân bằng

- Yêu cầu học sinh dự đoán các giá trị thế

năng đàn hồi và động năng của vật tại các vị

trí đặc biệt trên

- Yêu cầu học sinh quan sát hình 37.4 để thấy

rõ trả lời đúng cho dự đoán của các em

- Thông báo định luật bảo toàn cơ năng tổng

quát

- phát biểu xây dựng bài

- lắng nghe

- phát biểu

- lắng nghe

- chú ý lắng nghe, ghi nhớ

- phát biểu xây dựng bài

- quan sát, lắng nghe

- ghi nhận bài học

- Nội dung: (SGK)

W = Wđ + Wđh =1 2

2mv + 1 2

2kx = hằng

số

c Định luật bảo toàn cơ năng tổng quát:

Cơ năng của một vật chỉ chịu tác dụng

Kĩ năng quan sát hiện tượng, phân tích,

xử lí thông tin, kĩ năng vận dụng kiến thức

để giải bài tập, kĩ năng

tư duy, kĩ năng nói, viết, kĩ năng phân tích tổng hợp

- Yêu cầu học sinh nêu ví dụ về sự chuyển

hóa giữa động năng và thế năng

- Nhận xét, chỉnh sửa, bổ sung :

a Mũi tên được bắn đi từ chiếc cung: thế

năng từ cánh cung chuyển hóa thành động

năng của mũi tên

b Nước từ trên đập cao chảy xuống: thế năng

của nước chuyển hóa thành động năng

c Nhảy xa của vận động viên: động năng

chuyển hóa thành thế năng

- Yêu cầu cả lớp hoàn thành C2 Gọi 1 học

sinh đứng tại chỗ trả lời

- Nhận xét, kết luận:

+ Có thể áp dụng trong điều kiện bỏ qua

lực cản không khí Khi đó vật chịu tác dụng

của trọng lực và lực căng dây, nhưng lực

căng dây không sinh ra công vì nó luôn

vuông góc với độ dời của vật

+ Chứng minh bằng cách cho học sinh

quan sát lại thí nghiệm nêu ra ở đầu bài, thấy

được rằng đối với:

∗ Trường hợp lực cản (ma sát) bằng 0: định

luật bảo toàn cơ năng thỏa mãn

∗ Trường hợp có ma sát và ma sát tăng dần:

- phát biểu xây dựng bài

- ghi nhận

- Có thể áp dụng trong điều kiện bỏ qua lực cản không khí

- chú ý lắng nghe

của những lực thế luôn được bảo toàn

rõ ràng là khi có ma sát thì cơ năng giảm dần

theo thời gian, một phần cơ năng đã chuyển

hóa thành nhiệt năng; và khi ma sát lớn thì

toàn bộ cơ năng đã chuyển hóa thành nhiệt

năng, làm cho vật dừng lại; nhưng giá trị

năng lượng chung vẫn không thay đổi

Vậy thì ta hãy đi tìm độ biến thiên cơ năng

của vật trong trường hợp này

Hoạt động 5: Tìm hiểu biến thiên cơ năng

Công của lực không phải lực thế (5 phút)

- Hỏi: Lực ma sát xét ở trên có thuộc vào

dạng lực thế hay lực không thế?

- Nhận xét, kết luận: Lực ma sát là lực không

thế Vậy nên cơ năng nó không được bảo

toàn là một điều chắc chắn

- Lưu ý cho học sinh: Khi nói cơ năng không

bảo toàn, ta cần hiểu là cơ năng đã chuyển

hóa thành dạng năng lượng khác nhưng giá

trị năng lượng chung thì vẫn không đổi Đó là

nội dung định luật bảo toàn năng lượng, là

định luật quan trọng nhất trong tự nhiên

- Hướng dẫn học sinh thiết lập công thức

tính độ biến thiên cơ năng của vật trong

trường hợp vật chịu tác dụng của lực thế và

lực không thế

+ Gọi:

∗ F là lực thế tác dụng lên vật

∗ F’ là lực không thế Lực này là lực cản nói

- phát biểu xây dựng bài

- ghi nhận

- lắng nghe, ghi nhớ

- chú ý lắng nghe, tư duy, phát biểu xây dựng bài

2 Biến thiên cơ năng Công của lực không phải lực thế

Kĩ năng phân tích,

xử lí thông tin, kĩ năng vận dụng kiến thức

đã học cho bài học

chung (ma sát) nên nó sẽ cản trở chuyển

động của vật, làm cho vận tốc của vật giảm đi

và nó ảnh hưởng đến động năng của vật

+ Vì thế, khi áp dụng định lí động năng, ta

có:

AF12 + AF’12 = Wđ2 − Wđ1

+ Mặc khác, công của lực thế sẽ bằng độ

biến thiên thế năng:

AF12 = Wt1 – Wt2 + Từ đó, mời một học sinh lên rút ra công

thức tính AF’12

- Yêu cầu học sinh có nhận xét gì về công

thức tính AF’12 đã tính được

- Nhận xét, kết luận

- Cho học sinh quan sát các hình ảnh về

chuyển hóa năng lượng trong thực tế

AF’12 = W2 –

W1

- công của lực không thế bằng độ biến thiên cơ năng của vật

- ghi nhận

- quan sát

- 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

A12 (lực không thế) = W2 – W1 = 𝛥W

mới, kĩ năng tư duy, kĩ năng nói, viết, kĩ năng phân tích tổng hợp

Hoạt động 6: Củng cố bài học, giải bài tập

vận dụng, dặn dò (10 phút)

- Củng cố lại nội dung toàn bài

- Gợi ý giải toán bằng phương pháp năng

- ghi nhớ

- chú ý lắng

lượng:

+ Kiểm tra xem hệ đang xét có những lực

nào tác dụng, nó thuộc dạng lực thế hay lực

không thế, hệ kín hay không

+ Chọn mốc thế năng thích hợp sao cho

tính thế năng dễ dàng (thường chọn mặt đất

và tại chân mặt phẳng nghiêng)

+ Viết biểu thức cơ năng của hệ ở vị trí đầu

+ Viết biểu thức cơ năng của hệ ở vị trí sau

(tùy bài toán)

+ Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng đối

với hệ chỉ có lực thế tác dụng, và định lí biến

thiên cơ năng đối với hệ có thêm lực không

thế tác dụng để giải quyết yêu cầu của bài

toán

+ Biện luận kết quả

- Giải bài tập vận dụng:

a Bài toán 1:

- Yêu cầu học sinh đọc đề bài, chú ý ở đây bỏ

qua lực cản không khí, mời 1 học sinh nêu

hướng giải bài toán này

- Nhận xét, phân tích bài toán, định hướng

cách giải cho cả lớp, tham khảo sách giáo

khoa

nghe, ghi nhớ

- phát biểu

- đọc đề bài, phát biểu

- chú ý lắng nghe, đọc sách

1a

+ Các lực tác dụng: lực căng dây T, trọng lực P Trong đó, lực căng dây T không thực hiện công do có phương vuông góc với độ dời tại mọi vị trí

Trọng lực P là lực thế

+ Chọn mốc thế năng tại C

+ Cơ năng của vật tại A là:

WA = mgh = mgl (1 – cosα)

Kĩ năng giải bài tập, phân tích,

xử lí thông tin, kĩ năng vận dụng kiến thức

để giải bài tập, kĩ năng