Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí ở trường thpt phần các định luật bảo toàn

Mục đích nghiên cứu Xây dựng các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn” để sử dụng trong dạy học vật lí ở trường phổ thông theo chương trình vật lí phổ thông mới.. Nhiệm vụ nghiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN

THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ

Hà Nội – 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG VIDEO HƯỚNG DẪN

THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Kim Chung Sinh viên thực hiện khóa luận: Nguyễn Thị Hồng Nhung

Hà Nội – 2018

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Kim Chung, người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học

để hoàn thành khóa luận này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Vật lí trường Đại học Giáo dục đã giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa luận Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong nhóm chuyên ngành Phương pháp đã giúp

đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và chia sẻ những khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, tháng 05 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hồng Nhung

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined.1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Cấu trúc khóa luận 2

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.1 Phân tích nội dung chương trình phần “Các định luật bảo toàn” 3

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần “Các định luật bảo toàn” 3

1.1.2 Những yêu cầu của chương trình phổ thông mới 9

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức 11

1.2.1 Vị trí phần “Các định luật bảo toàn” trong chương trình Vật lí 10 11

1.2.2 Cấu trúc logic của kiến thức 11

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM PHẦN “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” 19

2.1 Mục đích thiết kế các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn” 19

2.2 Định luật bảo toàn động lượng 19

2.2.1 Thí nghiệm mở đầu 19

2.2.2 Thí nghiệm kiểm nghiệm lại nội dung định luật bảo toàn động lượng 20

2.2.3 Thí nghiệm vui 29

2.3 Định luật bảo toàn cơ năng 30

2.3.1 Thí nghiệm mở đầu 30

2.3.2 Thí nghiệm kiểm nghiệm lại nội dung định luật bảo toàn cơ năng 31

2.3.3 Phương án cải tiến bộ thí nghiệm băng đệm khí 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 37

3.1 Thí nghiệm kiểm nghiệm lại nội dung định luật bảo toàn động lượng 37

3.2 Thí nghiệm kiểm nghiệm lại nội dung định luật bảo toàn cơ năng 41

KẾT LUẬN 44

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Vật lí, với tư cách là một môn khoa học thực nghiệm, có khả năng to lớn trong việc rèn luyện cho học sinh (HS) tư duy lôgic, tư duy biện chứng, phát hiện ra bản chất khoa học của các hiện tượng tự nhiên cũng như khả năng nhận thức của con người, khả năng

áp dụng khoa học để đẩy mạnh sản xuất, cải thiện đời sống Thông qua đó bồi dưỡng cho

HS các năng lực, đặc biệt là năng lực thực nghiệm

Đối với môn vật lí bậc Trung học cơ sở và Trung học phổ thông (THPT), quan điểm xây dựng chương trình là coi trọng phương pháp thực nghiệm Yêu cầu rèn luyện cho HS những kĩ năng như quan sát hiện tượng vật lí trong tự nhiên, trong đời sống hoặc trong các thí nghiệm (TN), sử dụng được các dụng cụ đo phổ biến của vật lí, biết lắp ráp và tiến hành các TN vật lí đơn giản, thu thập và xử lí thông tin thu được để rút

ra kết luận, đề ra các dự đoán đơn giản về các mối quan hệ hay bản chất của các hiện tượng hoặc quá trình vật lí, cũng như đề xuất phương án TN để kiểm tra dự đoán đã đề

ra Học vật lí qua TN vật lí không chỉ dừng ở mức độ rèn luyện cho HS kĩ năng thực hiện các thao tác TN mà cần giúp các em sử dụng các TN khám phá kiến thức vật lí Phần “Các định luật bảo toàn” trong chương trình Vật lí 10 có nhiều hiện tượng vật lí gắn liền với thực tế cuộc sống, gần gũi và quen thuộc với các em HS, nhưng lại là những hiện tượng xảy ra nhanh và rất phức tạp gây ra nhiều khó khăn, dễ dẫn đến những quan niệm sai lầm ở HS khi tiếp thu kiến thức Theo đánh giá của nhiều giáo viên, một số nội dung kiến thức trong chương “Các định luật bảo toàn” là chủ đề

“khó” với HS nhưng được vận dụng rất nhiều trong đời sống và trong khoa học kỹ

thuật [9, tr 8]

Từ những lý do phân tích trên, và với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng

dạy học vật lí ở các trường THPT, tôi quyết định lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “Thiết

kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí ở trường THPT – phần Các định luật bảo toàn”

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn” để sử dụng trong dạy học vật lí ở trường phổ thông theo chương trình vật lí phổ thông mới

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu nội dung chương trình vật lí phổ thông mới, nghiên cứu lí luận về

thiết kế và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường THPT

- Thiết kế các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn”

- Xây dựng video hướng dẫn sử dụng các bộ thí nghiệm và hướng dẫn cách tiến

hành các bài thí nghiệm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Việc dạy học vật lí ở trường THPT và các bài thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông

- Phạm vi nghiên cứu: Các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn”

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lí thuyết: Nghiên cứu chương trình phổ thông mới, nội dung SGK, sách

giáo viên vật lí lớp 10, sách vật lí đại cương để xác định mức độ nội dung các kiến thức

mà HS cần nắm vững, các TN mà giáo viên và HS cần tiến hành khi dạy, học

- Nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng các bài thí nghiệm và tiến hành làm thí

nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của các phương án thí nghiệm Từ đó, tiến hành quay

video hướng dẫn sử dụng các bộ thí nghiệm và hướng dẫn cách tiến hành các bài thí

nghiệm

6 Cấu trúc khóa luận

Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận gồm 3 chương:

- Chương 1: Cơ sở lí luận của đề tài

- Chương 2: Thiết kế các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn”

- Chương 3: Kết quả nghiên cứu

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Phân tích nội dung chương trình phần “Các định luật bảo toàn”

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần “Các định luật bảo toàn”

Phần “Các định luật bảo toàn” trình bày về những đại lượng cơ học: động lượng, công, công suất, động năng, thế năng, cơ năng, đồng thời thiết lập định luật bảo toàn (ĐLBT) động lượng và ĐLBT cơ năng, vận dụng hai định luật này vào việc khảo sát một số chuyển động cơ [11]

Sơ đồ graph kiến thức:

CÁC ĐỊNH LUẬT

BẢO TOÀN

ĐLBT động lượng

Động lượng

ĐLBT động lượng

Chuyển động bằng phản lực

ĐLBT cơ năng

Công, công suất

Động năng, định

lí động năng Thế năng

Thế năng trọng trường

Thế năng đàn hồi

Cơ năng, ĐLBT

cơ năng

Va chạm

Va chạm đàn hồi

Va chạm không đàn hồi

a) Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

 Động lượng

- Động lượng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động

của vật Động lượng là một đại lượng vectơ cùng hướng với vận tốc của vật và đo bằng tích khối lượng và vectơ vận tốc của vật

p m v





Trong đó: v là vận tốc của vật (m/s)

m là khối lượng của vật (kg)

p là động lượng của vật (kgm/s)

- Xung lượng của lực: Khi một lực F (không đổi) tác dụng lên một vật trong khảng thời gian  t thì tích F t  được định nghĩa là xung lượng của lực trong khoảng thời gian ấy

 Định luật bảo toàn động lượng:

- Hệ kín (hệ cô lập): Một hệ vật gọi là hệ kín nếu chỉ có những lực của các vật trong hệ tác dụng lẫn nhau (nội lực) mà không có tác dụng của những lực từ bên ngoài

hệ (ngoại lực), hoặc nếu có thì những lực này phải triệt tiêu nhau

Thực tế, không có hệ nào là kín tuyệt đối cả, ngay cả hệ “vật – Trái đất” Tuy nhiên, trong một số trường hợp sau đây thì ta có thể xem hệ là hệ kín được:

+ Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng ngoại lực rất nhỏ, có thể bỏ qua được

+ Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng các ngoại lực đó cân bằng với nhau (các vật chuyển động trên mặt phẳng ngang không ma sát)

+ Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng ngoại lực rất nhỏ so với nội lực (xét trong một khoảng thời gian rất ngắn) (chẳng hạn như trong các hiện tượng nổ, hay va chạm)

- ĐLBT động lượng:

Vectơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn: p p '

 Trong đó: p là động lượng ban đầu,

p' là động lượng lúc sau

* Đối với hệ hai vật: p1p2  p1 p2

Trong đó: p1, p2 tương ứng là động lượng của hai vật lúc trước tương tác,

p1 , p2 tương ứng là động lượng của hai vật lúc sau tương tác

- Ứng dụng của ĐLBT động lượng: ứng dụng hiện tượng súng giật khi bắn, chuyển động bằng phản lực (máy bay phản lực, tên lửa)

b) Công và công suất

s: quãng đường vật dịch chuyển (m)

A: công của lực tác dụng lên vật (J)

: góc tạo bởi hướng của lực và hướng dịch chuyển

+  = 900 : cos = 0 =>A F = 0 (F s)

+ 900 <  < 1800 : cos < 0 => A F < 0 : Công cản

 Công suất

- Định nghĩa: Công suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công và được

đo bằng thương số giữa công A và thời gian t dùng để thực hiện công ấy

- Biểu thức: 𝒫 = A F s. F v.

t  t  𝒫: Công suất (W)

=> Động năng của một vật bằng một nửa tích của khối lượng m với bình phương vận tốc v của vật

- Tính chất:

+ Động năng phụ thuộc vào vận tốc và khối lượng của vật

+ Động năng có tính tương đối

+ Động năng luôn dương

* Định lí động năng: Độ biến thiên động năng bằng tổng công của ngoại lực tác dụng

lên vật

- Biểu thức: A = Wđ2 - Wđ1

Trong đó: A: công của ngoại lực tác dụng lên vật (J)

Wđ1, Wđ2: động năng ở trạng thái đầu và cuối của vật (J)

+ Thế năng trọng trường của 1 vật là dạng năng lượng mà vật đó có được do nó tương tác với trái đất thông qua trọng lực (lực hấp dẫn) và phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường

Công thức tính thế năng trọng trường: Wt = mgz

Trong đó: m là khối lượng của vật (kg)

g là gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s2

z là độ cao của vật so với điểm làm mốc (m)

=> A12 = Wt1 – Wt2 = mgz1 – mgz2 (Công của trọng lực bằng hiệu thế năng của vật tại vị trí đầu và tại vị trí cuối, tức là bằng độ giảm thế năng của vật)

+ Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng có được do vật bị biến dạng đàn hồi

Công thức tính thế năng đàn hồi: Wđh =

- Định nghĩa: Cơ năng là năng lượng cơ học của chuyển động của vật Ở mỗi trạng thái

cơ học, cơ năng của vật chỉ có một giá trị bằng tổng động năng và thế năng tương tác của vật

- Biểu thức: W = Wđ + Wt (J)

 Định luật bảo toàn cơ năng

Trong quá trình chuyển động, nếu vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực, động năng

có thể chuyển thành thế năng và ngược lại, và tổng của chúng, là cơ năng của vật được bảo toàn (không đổi theo thời gian)

Trong trường hợp lực đàn hồi: W = Wđ + Wđh =

2 2

 = hằng số

Trong trường hợp trọng lực: W = Wđ + Wt =

2

mv  mgz = hằng số

=> Cơ năng của một vật chỉ chịu tác dụng của những lực thế luôn được bảo toàn

Chú ý: Nếu có lực ma sát, cơ năng của hệ sẽ thay đổi: Độ biến thiên cơ năng của hệ

W , W là cơ năng ở trạng thái đầu và cuối của hệ 1 2

e) Va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi (va chạm mềm)

Va chạm là một sự cố trong đó các vật tác dụng lên nhau một lực rất lớn trong một khoảng thời gian rất ngắn Ta có thể phân chia một cách rõ ràng thời gian trước, trong khi và sau khi va chạm theo định nghĩa trên [1]

Va chạm giữa các vật được chia làm hai loại: va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi

Va chạm đàn hồi là va chạm mà động năng toàn phần của hệ các vật va chạm không đổi Các vật va chạm lại gần nhau rồi xa nhau không có sự thay đổi gì về năng lượng bên trong của chúng

Va chạm mềm là trường hợp đặc biệt của va chạm không đàn hồi khi mà hai vật sau va chạm kết hợp làm một Trong va chạm không đàn hồi, ta vẫn áp dụng được định luật bảo toàn động lượng vì định luật này đúng cho hệ cô lập:

m v1 1 m v2 2  (m1 m v2 )

Tuy nhiên, tổng động năng của các vật trước, sau va chạm không bảo toàn Một phần động năng của vật va chạm bị chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác (nhiệt năng, năng lượng biến dạng,…)

1.1.2 Những yêu cầu của chương trình phổ thông mới

Chương trình giáo dục phổ thông mới môn vật lí dự thảo ngày 19/01/2018 đặt ra yêu cầu [4, tr 5-6]: Thông qua chương trình môn Vật lí, HS hình thành và phát triển được thế giới quan khoa học; rèn luyện được sự tự tin, trung thực, khách quan; cảm nhận được vẻ đẹp của thiên nhiên; yêu thiên nhiên, tự hào về thiên nhiên của quê hương, đất nước; tôn trọng các quy luật của thiên nhiên, trân trọng, giữ gìn và bảo vệ thiên nhiên, ứng xử với thiên nhiên phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững; đồng thời hình thành và phát triển được các năng lực tự chủ và tự học, giao tiếp và hợp tác, giải quyết vấn đề và sáng tạo

Đặc biệt, HS hình thành và phát triển được năng lực tìm hiểu thế giới tự nhiên, cụ thể là năng lực vật lí, bao gồm:

a) Nhận thức kiến thức vật lí

- Nhận thức được kiến thức phổ thông cốt lõi về: mô hình hệ vật lí; chất, năng lượng và sóng; lực và trường

- Nhận biết được một số ngành, nghề liên quan đến vật lí

b) Tìm tòi và khám phá thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí

- Thực hiện được hoạt động tìm tòi, khám phá một số sự vật, hiện tượng đơn giản, gần gũi trong thế giới tự nhiên và đời sống theo tiến trình

- Thực hiện được việc phân tích, so sánh, rút ra những dấu hiệu chung và riêng của một số sự vật, hiện tượng đơn giản, gần gũi trong thế giới tự nhiên

- Sử dụng được các chứng cứ khoa học để kiểm tra các dự đoán, lí giải các chứng

cứ, rút ra kết luận

c) Vận dụng kiến thức vật lí vào thực tiễn

- Vận dụng được kiến thức vật lí để mô hình hoá các hệ vật lí đơn giản và sử dụng được toán học như một ngôn ngữ và công cụ để giải quyết vấn đề cụ thể

- Mô tả, dự đoán, giải thích hiện tượng, giải quyết vấn đề một cách khoa học; ứng

xử thích hợp với công nghệ và thiên nhiên trong một số tình huống liên quan đến bản thân, gia đình, cộng đồng

Đối với phần “Các định luật bảo toàn”, ta có các nội dung và yêu cầu cần đạt cụ thể như sau [4, tr 15-17]:

- Định nghĩa và sử dụng được động lượng là tích khối lượng với vận tốc

- Nêu được đơn vị của trọng lượng trong hệ SI

- Phát biểu và áp dụng được định luật bảo toàn động lượng để giải các bài tập đơn giản trong va chạm đàn hồi và va chạm mềm

- Nêu được trong va chạm tuyệt đối đàn hồi, tốc độ tương đối trước và sau khi va chạm bằng nhau

- Nêu được trong khi động lượng của hệ luôn được bảo toàn thì động năng của hệ có thể thay đổi

- Xác định được tốc độ và đánh giá được động lượng của vật trước và sau va chạm đàn hồi bằng dụng cụ thực hành

- Tính được công trong một số trường hợp đơn giản

- Nêu và vận dụng được khái niệm hiệu suất

Công suất - Định nghĩa được công suất

- Nêu được một vài ứng dụng thực tế của liên hệ công suất với tích của lực và vận tốc

- Giải được các bài tập sử dụng các liên hệ tốc độ thực hiện công với lực tác dụng và vận tốc

Động năng

và thế

năng

- Nêu và vận dụng được công thức tính động năng

- Nêu và vận dụng được công thức tính thế năng trong trường trọng lực

- Nêu được liên hệ giữa lực với thế năng trong trường trọng lực

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức

1.2.1 Vị trí phần “Các định luật bảo toàn” trong chương trình Vật lí 10

Trong chương trình SGK cũ, phần “Các định luật bảo toàn” nằm ở chương IV sau chương tĩnh học vật rắn Đây là sự sắp xếp rất hợp lí vì nó phù hợp với nhận thức của

HS và đảm bảo tính logic về mặt kiến thức Bắt đầu vào lớp 10, HS được học chương động học chất điểm trình bày về các dạng chuyển động, bước đầu làm quen các khái niệm chất điểm, vận tốc, gia tốc,…hình thành kiến thức dựa trên trực giác và tới chương II thì xét đến nguyên nhân làm biến đổi chuyển động, dùng cả tư duy và tri giác Đến chương III, các em được tìm hiểu về trạng thái cân bằng của vật rắn và nguyên nhân đứng yên, các tương tác trong vật rắn, đối tượng nghiên cứu ở đây đã lớn hơn chất điểm Ở chương IV “Các định luật bảo toàn”, đối tượng nghiên cứu là vật - hệ vật, khái quát hơn các chương trước Nó có sử dụng một số kiến thức của các chương trước, là cơ sở để nghiên cứu kiến thức của chương trình vật lí 11 và 12 sau này

1.2.2 Cấu trúc logic của kiến thức

a) Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Trong vật lí tồn tại hai khái niệm vận tốc và động lượng Véc tơ vận tốc đặc trưng cho chuyển động về mặt động học, nó mô tả chuyển động mà không liên quan tới nguyên nhân làm biến đổi chuyển động Véc tơ động lượng đặc trưng cho chuyển động

về mặt động lực học nó liên quan tới các lực làm thay đổi chuyển động của vật Khi xét tới sự chuyển động của vật này sang vật khác phải dùng động lượng để đặc trưng ĐLBT động lượng là định luật đầu tiên HS được học ở lớp 10: Vectơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn: p  p ' Có 2 con đường để xây dựng ĐLBT động lượng Có tác giả xây dựng bằng con đường thực nghiệm, bằng cách nghiên cứu sự va

chạm của hai vật hoàn toàn độc lập với các định luật Newton Tuy nhiên, SGK Vật lí

10 lại xây dựng ĐLBT động lượng xuất phát từ các định luật Newton (định luật II Newton và định luật III Newton) Sau đó, từ trường hợp hai vật, phát biểu ĐLBT động lượng cho trường hợp tổng quát của một hệ kín gồm một số vật bất kỳ Còn thí nghiệm kiểm chứng được in nhỏ, chỉ nhằm kiểm nghiệm lại ĐLBT động lượng áp dụng cho trường hợp đơn giản: hệ kín gồm hai vật tương tác, trong đó có một vật ban đầu đứng yên

Ứng dụng của ĐLBT động lượng: ứng dụng hiện tượng súng giật khi bắn, chuyển động bằng phản lực (máy bay phản lực, tên lửa) Cần phân biệt nguyên tắc chuyển động của máy bay cánh quạt và máy bay phản lực Chuyển động bằng phản lực là chuyển động theo nguyên tắc: Trong một hệ kín đứng yên, nếu có một phần của hệ bắt đầu chuyển động theo một hướng, thì theo định luật bảo toàn động lượng, phần còn lại của hệ cũng bắt đầu chuyển động theo hướng ngược lại Máy bay cánh quạt có nguyên tắc chuyển động hoàn toàn khác với máy bay phản lực Khi cánh quạt quay, đẩy không khí về phía sau Theo định luật III Niu-tơn, không khí tác dụng lên cánh quạt đẩy máy bay chuyển động về phía trước

b) Công và công suất

Thuật ngữ “công” xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1886 do nhà bác học người Pháp Poncelet đưa ra Theo ông, công bằng tích của lực tác dụng lên chất điểm theo phương chuyển dời và độ dời của điểm đặt lực

Ở lớp 8, ta có công thức xác định công cơ học của một lực F tác dụng lên vật làm vật dịch chuyển một quãng đường s là: A = F.s

Cùng với đó là khái niệm “công suất” và công thức tính công suất: P A

t

Như vậy, ta chưa xét đến được hướng của lực tác dụng so với hướng chuyển dời của vật chịu tác dụng vì khi đó kiến thức toán học của HS còn hạn chế và kiến thức vật

lí về lực, về các dạng của chuyển động chưa được hoàn thiện

Lên lớp 10, kiến thức được hoàn thiện hơn: toán học được tiếp cận với lượng giác, véc tơ, phân tích lực, các dạng của chuyển động Từ đó, ta có công thức tính công:A  F s  F s cos 

 cos0 => A > 0 => Công phát động

 cos0 => A < 0 => Công cản

 cos0 => A = 0 => Dù có lực nhưng không có công thực hiện

Nghĩa là ta có thể tính được công của hợp lực F không cùng phương với độ dời

s mà hợp với hướng của độ dời một góc 

Công thức tính công suất : 𝒫 = A F s. F v

t  t  , với v là vận tốc trung bình

Tuy nhiên, các công thức ở trên chỉ đúng với trường hợp lực F là ổn định tức là không thay đổi trong quá trình chuyển động, và chuyển động là chuyển động thẳng Như vậy, khi lực thay đổi, quỹ đạo chuyển động là một đường cong thì công được tính như thế nào? Phải lên đến đại học, khi kiến thức toán của HS được hoàn thiện về phần tích phân ở lớp 12 thì các em mới được học công thức hoàn chỉnh nhất về công, đó là cách tính công thực hiện bởi một lực biến đổi khi vật đi từ vị trí x đến 1 x : 2

AF dx với F( )x là lực trung bình trên đoạn dx đủ nhỏ

c) Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Cơ năng là một dạng của năng lượng Khái niệm năng lượng là một khái niệm khó, rất trừu tượng nên ở trường phổ thông không thể đưa ra một định nghĩa đầy đủ, rõ ràng của năng lượng Chỉ có thể đưa ra một số dấu hiệu chứng tỏ vật hay hệ vật có năng lượng

Ở lớp 8 mới chỉ xét đến cơ năng: Khi một vật có khả năng thực hiện công cơ học,

ta nói vật đó có cơ năng Vật có khả năng thực hiện công cơ học càng lớn thì cơ năng

của vật càng lớn Như vậy khái niệm cơ năng được đưa ra một cách đơn giản dựa trên khái niệm công cơ học Các khái niệm về động năng, thế năng cũng được đưa ra và

mới bắt đầu phát biểu sự bảo toàn cơ năng: “Trong quá trình cơ học, động năng và thế năng có thể chuyển hóa lẫn nhau, nhưng cơ năng được bảo toàn” Điều này là phù hợp với nhận thức của học sinh lớp 8, chỉ yêu cầu các em nắm được các khái niệm, nội dung cơ bản, chưa yêu cầu các em học các biểu thức tính toán các đại lượng trên vì kiến thức toán của các em chưa đủ

Đến lớp 10, do các em đã có kiến thức về phương trình bậc 2 được học ở môn toán cuối năm lớp 9 nên các công thức tính động năng, thế năng được đưa ra

Động năng có giá trị bằng một nửa tích của khối lượng và bình phương vận tốc:

Động năng là một đại lượng vô hướng và luôn dương Vì vận tốc có tính tương đối nên động năng cũng có tính tương đối

Ví dụ: Một người ngồi yên trong 1 chiếc ô tô đang chuyển động thì động năng

bằng 0 hay khác 0?

 Tùy vào cách ta chọn hệ quy chiếu Nếu ta chọn hệ quy chiếu gắn với xe thì rõ ràng người không chuyển động (v = 0) nên động năng bằng 0, còn nếu ta chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất thì người đang chuyển động với vận tốc của xe thì động năng khác 0

Khi xét một lực không đổi tác dụng lên một vật làm nó chuyển động ta sẽ tính được công do lực này thực hiện và giá trị đó đúng bằng hiệu động năng tại vị trí sau và

vị trí ban đầu của vật Từ đây, ta có định lí về động năng

Định lí động năng được phát biểu: “Độ biến thiên động năng của một vật bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật” và viết dưới dạng biểu thức:

A12 = Wđ2 – Wđ1

 Nếu công của ngoại lực dương (công của lực phát động) thì vật nhận công

từ bên ngoài và động năng tăng

 Nếu công của ngoại lực âm (công của lực cản) thì vật thực hiện công cho vật bên ngoài và động năng giảm

Có thể chứng minh định lí biến thiên động năng như sau:

Khi lực F không đổi tác dụng lên một vật có khối lượng m (Hình 1.1) và làm cho vật chuyển động biến đổi đều theo phương của lực từ trạng thái có vận tốc v1 đến trạng thái có vận tốc v và dịch chuyển một đoạn là s 2

Thế năng có tính tương đối, phụ thuộc vào gốc thế năng (điểm có thế năng bằng 0), vì vậy để tính thế năng ta cần phải chọn 1 vị trí nào đó làm gốc thế năng Khi đó, thế năng của vật tại 1 vị trí được tính theo gốc thế năng đó Thông thường, ta chọn gốc thế năng là ở tại mặt đất Đơn vị của thế năng trong hệ SI là Jun (J)

Trong chương trình vật lí 10, nghiên cứu 2 loại thế năng là thế năng trọng trường

và thế năng đàn hồi Thế năng trọng trường của 1 vật là dạng năng lượng mà vật đó có được do nó tương tác với trái đất thông qua trọng lực (lực hấp dẫn) và phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường

Công thức tính thế năng trọng trường: Wt = mgz

Trong đó: m là khối lượng của vật (kg)

g là gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s2

z là độ cao của vật so với điểm làm mốc (m)

Hình 1.1

Hình 1.3: Đồ thị để tính công của lực đàn hồi

=> A12 = Wt1 – Wt2 (Công của trọng lực bằng hiệu thế năng của vật tại vị trí đầu

và tại vị trí cuối, tức là bằng độ giảm thế năng của vật)

Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng có được do vật bị biến dạng đàn hồi Để thiết lập biểu thức của thế năng đàn hồi, ta bắt đầu từ việc tính công của lực đàn hồi bằng cách: xét trường hợp một lò xo ở trạng thái cân bằng và sau đó bị biến dạng một đoạn là x

Do học sinh lớp 10 chưa được học về phép tính

tích phân nên ta phải dùng phương pháp đồ thị để giải

bài này

Công nguyên tố do lực đàn hồi thực hiện:

A F x kx x

     

=> Công toàn phần bằng tổng các công nguyên tố

Ta thấy, công toàn phần có giá trị bằng diện tích

hình thang BCDE, cũng bằng hiệu diện tích 2 tam giác

OCD và OBE:

Hình 1.2: Con lắc lò xo

2 2 1 1 12

Biểu thức cơ năng ở dạng tổng quát: W = Wt + Wđh

Định luật bảo toàn cơ năng: Trong quá trình chuyển động, nếu vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực, động năng có thể chuyển thành thế năng và ngược lại, và tổng của chúng, là cơ năng của vật được bảo toàn (không đổi theo thời gian)

Trong trường hợp lực đàn hồi: W = Wđ + Wđh =

2 2

mv kx = hằng số Trong trường hợp trọng lực: W = Wđ + Wt =

Thật vậy, khi vật di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 2 ta có :

A12 (lực không thế) + A12 (lực thế) = Wđ2 – Wđ1

với A12 (lực thế) = Wt1 – Wt2

=> A12 (lực không thế) = Wđ2 – Wđ1 – (Wt1 – Wt2)

= (Wđ2 + Wt2) – (Wđ1 + Wt1) = W2 – W1

Hay : A12 (lực không thế) = W

Như vậy, ĐLBT cơ năng chỉ đúng trong hệ kín không có ma sát Trong trường hợp tổng quát thì năng lượng mới là đại lượng bảo toàn Ở phần nhiệt lớp 8 và phần điện của lớp 9, ta được học nội dung của ĐLBT năng lượng: Năng lượng không tự sinh

ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác, hoặc truyền từ vật này sang vật khác Trong chương trình vật lí 10, ta có thể phát biểu lại như sau: Trong một

hệ kín, năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác nhưng năng lượng toàn phần của hệ thì không đổi

d) Va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi

Ở đây, SGK xét bài toán va chạm giữa hai vật mà sau đó vận tốc của mỗi vật bị thay đổi Coi hai vật va chạm là một hệ, vận dụng những định luật bảo toàn đối với hệ kín để khảo sát sự va chạm Va chạm được chia làm hai loại: va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi

Đối với va chạm đàn hồi, thường thì chỉ xét va chạm đàn hồi xuyên tâm (trực diện), ta cần áp dụng cả ĐLBT động lượng và ĐLBT cơ năng (ở đây động năng được bảo toàn) Khi giải bài toán cần chú ý đến dấu của các vận tốc theo chiều dương quy ước đã chọn

Đối với va chạm không đàn hồi (va chạm mềm) thì trong quá trình va chạm có sự biến dạng không hồi phục nên động năng của hệ có sự thay đổi, do đó ta chỉ có thể áp dụng ĐLBT động lượng Trong chương trình SGK chỉ xét trường hợp sau va chạm hai vật dính vào nhau và cùng chuyển động với cùng vận tốc, đây là một trường hợp riêng của va chạm không đàn hồi

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM PHẦN “CÁC ĐỊNH LUẬT

BẢO TOÀN”

2.1 Mục đích thiết kế các bài thí nghiệm phần “Các định luật bảo toàn”

Như đã phân tích ở chương 1, phần “Các định luật bảo toàn” trong chương trình Vật lí 10 có nhiều hiện tượng vật lí gần gũi và quen thuộc với các em HS, nhiều ứng dụng trong đời sống và trong khoa học kỹ thuật Tuy nhiên, một số nội dung kiến thức lại khó và trừu tượng với các em HS Vì vậy, việc sử dụng TN trong dạy học phần

“Các định luật bảo toàn” nhằm giúp HS dễ dàng lĩnh hội các kiến thức vật lí tương ứng trong các thí nghiệm, đào sâu, mở rộng vốn kiến thức đã được học và làm tăng hứng thú học tập vật lí

Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông cũ, tôi thấy rằng SGK chỉ giới thiệu về

TN kiểm chứng ĐLBT động lượng với bộ TN cần rung điện, tuy nhiên phòng TN lại không có bộ TN này Trong điều kiện các bộ TN sẵn có ở phòng TN, tôi xây dựng được 2 bài thí nghiệm dùng để kiểm nghiệm nội dung ĐLBT động lượng và nội dung ĐLBT cơ năng với 7 trường hợp TN và sử dụng 2 bộ TN đó là bộ TN băng đệm khí và

bộ TN máng thẳng đứng (trong khảo sát sự rơi tự do), trong đó bộ TN băng đệm khí dùng cho cả TN kiểm nghiệm ĐLBT động lượng và ĐLBT cơ năng Ngoài ra, tôi cũng đưa ra phương án cải tiến thêm về bộ TN băng đệm khí để tiến hành được TN kiểm nghiệm ĐLBT cơ năng trong trường hợp dao động của con lắc lò xo

2.2 Định luật bảo toàn động lượng

2.2.1 Thí nghiệm mở đầu

- Đặt vấn đề: Từ trò chơi bắn bi, sau va chạm giữa hai viên bi, ta thấy có sự truyền

chuyển động, đại lượng đặc trưng cho sự truyền chuyển động có liên quan đến cả khối lượng và vận tốc của các vật tham gia chuyển động

- Thí nghiệm: Cho viên bi A chuyển động trên máng trơn nhẵn đến va chạm xuyên tâm

với viên bi B đang đứng yên Hai viên bi có khối lượng như nhau

Yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm và trả lời các câu hỏi:

+ Em hãy cho biết sau va chạm hai viên bi chuyển động như thế nào?

Sau va chạm, viên bi A chuyển động ngược hướng chuyển động ban đầu, viên bi B chuyển động cùng hướng chuyển động ban đầu của A

+ Điều gì sẽ xảy ra nếu ta tăng vận tốc của A? Em có nhận xét gì về vận tốc của hai viên bi sau va chạm trong trường hợp này?

Hướng chuyển động sau va chạm của hai viên bi vẫn như cũ Viên bi B lăn được quãng đường dài hơn chứng tỏ vận tốc sau va chạm lớn hơn trường hợp trên

+ Nếu viên bi B có khối lượng lớn hơn viên bi A thì quan sát được những tình huống nào về chuyển động của hai viên bi sau va chạm?

Sau va chạm, A có thể đứng yên còn B chuyển động Hoặc nếu B quá nặng thì sau

va chạm, B có thể đứng yên còn A chuyển động ngược trở lại

Bằng những lập luận lí thuyết, HS đưa ra được biểu thức của ĐLBT động lượng

và khái niệm động lượng, từ đó phát biểu được nội dung ĐLBT động lượng Sau đó, giáo viên sử dụng thí nghiệm để kiểm chứng lại nội dung định luật

2.2.2 Thí nghiệm kiểm nghiệm lại nội dung định luật bảo toàn động lượng

1 Băng đệm khí 1 Đồng hồ đo thời gian hiện số

1 Bơm nén khí 220V–250W 2 Cổng quang điện

2 Tấm cản quang