Thiết kế thí nghiệm và xây dựng video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí ở trường trung học phổ thông

Nhận thấy tầm quan trọng của việc sử dụng các thí nghiệm trong việc hình thành các kiến thức Vật lí phổ thông hiện nay, đặc biệt là phần Động lực học chất điểm, tôi quyết định lựa chọn đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

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 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM _

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: Trịnh Thị Thanh Tú

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS TS Phạm Kim Chung, Phó Chủ nhiệm Khoa Sư phạm, trường Đại học Giáo dục, Đại học Quốc gia Hà Nội Thầy là người đã tận tình chỉ bảo, truyền cảm hứng và niềm đam mê nghiên cứu, tìm tòi các thí nghiệm vật lí cho tôi, đồng thời giúp tôi chỉnh sửa những thiếu sót trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Khoa Sư phạm, trường Đại học Giáo dục đã giảng dạy, hướng dẫn và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu, thực hiện khóa luận

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các cán bộ, nhân viên của trường Đại học Giáo dục, các bạn sinh viên của Ngành Sư phạm Vật lí đã giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, tôi xin được chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn

bè đã động viên, giúp đỡ và là chỗ dựa tinh thần vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành khóa luận

Hà Nội, ngày 22 tháng 5 năm 2018

Sinh viên làm khóa luận

Trịnh Thị Thanh Tú

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Bảng số liệu thí nghiệm kiểm chứng định luật I Newton 38 Bảng 3.2: Bảng số liệu thí nghiệm kiểm chứng định luật III Newton 40 Bảng 3.3: Bảng số liệu độ biến dạng của lò xo khi thay đổi độ lớn lực đàn hồi 43 Bảng 3.4: Bảng số liệu độ biến dạng của các lò xo khác nhau 45 Bảng 3.5: Bảng số liệu khảo sát lực quán tính li tâm 46 Bảng 3.6: Bảng số liệu xác định hệ số ma sát trượt 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống kiến thức phần Động lực học chất điểm 3

Hình 1.2: Thí nghiệm với máng nghiêng của Galileo 4

Hình 2.1: Bộ thí nghiệm băng đệm khí dùng 1 xe trượt 26

Hình 2.2: Bộ thí nghiệm băng đệm khí dùng 2 xe trượt 28

Hình 2.3: Bộ thí nghiệm biểu diễn về khảo sát lực đàn hồi 31

Hình 2.4: Bộ thí nghiệm khảo sát lực quán tính li tâm 33

Hình 2.5 Bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát 35

Hình 3.1: Một số hình ảnh thực tế của bộ thí nghiệm kiểm chứng định luật I Newton 38

Hình 3.2: Hình ảnh thực tế bộ thí nghiệm kiểm chứng định luật III Newton 40

Hình 3.3: Hình ảnh thí nghiệm xác định lực đàn hồi 42

Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo 43

Hình 3.5: Khảo sát lực đàn hồi của ba lò xo khác nhau 45

Hình 3.6: Một số hình ảnh thí nghiệm khảo sát lực quán tính li tâm 46

Hình 3.7: Bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát 47

MỤC LỤC

Mở đầu 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Cấu trúc khóa luận 2

Chương I: Cơ sở lí luận của đề tài 3

1.1 Phân tích nội dung, chương trình phần Động lực học chất điểm 3

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần Động lực học chất điểm 4

1.1.1.1 Các định luật Newton 4

1.1.1.2 Các loại lực 7

1.1.2 Những yêu cầu của Chương trình giáo dục phổ thông mới 12

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức 18

1.2.1 Các định luật Newton 18

1.2.2 Các loại lực 20

Chương II: Thiết kế các thí nghiệm 25

2.1 Thí nghiệm 1: Định luật I Newton 25

2.1.1 Mục đích thí nghiệm 26

2.1.2 Cơ sở lý thuyết 26

2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm 26

2.1.4 Tiến hành thí nghiệm 26

2.2 Thí nghiệm 2: Định luật III Newton 27

2.2.1 Mục đích thí nghiệm 27

2.2.2 Cơ sở lý thuyết 27

2.2.3 Dụng cụ thí nghiệm 28

2.2.4 Tiến hành thí nghiệm 28

2.3 Thí nghiệm 3: Lực đàn hồi 29

2.3.1 Mục đích thí nghiệm 30

2.3.2 Cơ sở lý thuyết 30

2.3.3 Dụng cụ thí nghiệm 31

2.4 Thí nghiệm 4: Lực quán tính li tâm 32

2.4.1 Mục đích thí nghiệm 33

2.4.2 Cơ sở lý thuyết 33

2.4.3 Dụng cụ thí nghiệm 33

2.4.4 Tiến hành thí nghiệm 34

2.5 Thí nghiệm 5: Lực ma sát 34

2.5.1 Mục đích thí nghiệm 35

2.5.2 Cơ sở lý thuyết 35

2.5.3 Dụng cụ thí nghiệm 35

2.5.4 Tiến hành thí nghiệm 36

Chương 3: Kết quả nghiên cứu 38

3.1 Thí nghiệm 1: Định luật I Newton 38

3.2 Thí nghiệm 2: Định luật III Newton 40

3.3 Thí nghiệm 3: Lực đàn hồi 42

3.4 Thí nghiệm 4: Lực quán tính li tâm 46

3.5 Thí nghiệm 5: Lực ma sát 47

Kết luận 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Vật lý là ngành khoa học nghiên cứu về tính chất và các định luật chung nhất của chuyển động vật chất, là kho vô tận các kiến thức của con người về tự nhiên [5, tr 7] Rất nhiều các hiện tượng trong thiên nhiên, trong đời sống của chúng ta liên quan đến Vật lí học Vậy từ đâu mà các nhà khoa học có thể tìm

ra các định luật, các khái niệm Vật lí học Đa phần những thành quả đó đều được đúc kết, rút ra từ thực nghiệm, họ quan sát những sự vật, hiện tượng trong

tự nhiên, họ đặt ra câu hỏi “tại sao lại như vậy”, họ bắt tay vào làm những thí nghiệm để tìm câu trả lời và phát hiện ra quy luật từ những thí nghiệm đó, họ kiểm chứng lại và cuối cùng là đưa ra kết luận, đó chính là thực nghiệm Bởi vậy, hiện nay chương trình Vật lí phổ thông phần lớn là những kiến thức được rút ra từ thực nghiệm, từ các khái niệm cơ học cho đến từ trường, điện trường hay quang học,… đa số các kiến thức đó đều là thực nghiệm

Có thể nói trong chương trình Vật lí phổ thông thì phần Động lực học chất điểm là một trong những phần có nhiều kiến thức từ thực nghiệm nhất Phần này tập trung nghiên cứu các nguyên nhân gây ra sự chuyển động của vật, gồm kiến thức về các định luật Newton và các loại lực Không có ba định luật Newton thì không có cơ sở để xác định những tính chất riêng của từng loại lực [3, tr 38] Những nguyên lí này làm nền tảng cho việc tìm kiếm các định luật vật lí khác cũng như cho việc xây dựng và phát triển cơ học [3, tr 30] Các kiến thức phần này có liên quan đến thực nghiệm rất nhiều

Nhận thấy tầm quan trọng của việc sử dụng các thí nghiệm trong việc hình thành các kiến thức Vật lí phổ thông hiện nay, đặc biệt là phần Động lực

học chất điểm, tôi quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế thí nghiệm và xây dựng

video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí ở trường trung học phổ thông – phần Động lực học chất điểm” làm đề tài khóa luận của mình và nghiên cứu

2 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng thí nghiệm phần Động lực học chất điểm sử dụng dạy học

ở trường phổ thông theo Chương trình giáo dục phổ thông mới

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chương trình giáo dục phổ thông mới, so sánh với

Chương trình giáo dục phổ thông cũ

- Nghiên cứu lí luận về thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm

trong dạy học Vật lí ở trường trung học phổ thông

- Nghiên cứu nội dung chương trình Phần Động lực học chất điểm để

xây dựng các bài thí nghiệm phù hợp với kiến thức

- Thiết kế các video hướng dẫn thực hành thí nghiệm vật lí đã xây dựng

4 Cấu trúc khóa luận

Mở đầu

Chương I: Cơ sở lí luận của đề tài

Chương II: Thiết kế các thí nghiệm

Chương III: Kết quả nghiên cứu

Kết luận

Chương I: Cơ sở lí luận của đề tài 1.1 Phân tích nội dung, chương trình phần Động lực học chất điểm

Phần động lực học chất điểm nghiên cứu nguyên nhân của các chuyển động Và nội dung cơ bản của phần động lực học là các định luật về chuyển động (các định luật Newton), các khái niệm cơ bản: lực, khối lượng, các định luật riêng cho từng loại lực trong cơ học và phương pháp động lực học Phần này được đưa vào giảng dạy ở Chương 2 chương trình Vật lí lớp 10, sau Chương Động học chất điểm, gồm 2 nội dung chính: Các định luật Newton và các loại lực Có thể hệ thống hóa kiến thức cơ bản của phần Động lực học theo sơ đồ sau:

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống kiến thức phần Động lực học chất điểm

1.1.1 Nội dung kiến thức cơ bản phần Động lực học chất điểm

1.1.1.1 Các định luật Newton

- Định luật I Newton

Nội dung của định luật : Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào

hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0, thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều

Trước Newton, Aristôt cho rằng trạng thái đứng yên là trạng thái tự nhiên của mọi vật khi không có vật nào tác dụng lên nó, một vật chỉ chuyển động khi

có lực tác dụng lên nó và dừng lại khi ngừng tác dụng lực Lâu sau đó, Galileo

và Newton đã dùng thực nghiệm để bác bỏ quan điểm trên và đưa ra cách giải thích khác về trường hợp vật đứng yên

Galileo là người đầu tiên dùng

phương pháp thực nghiệm và thí

nghiệm với chiếc máng nghiêng là một

trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất

của ông Ông sử dụng một cái máng

với hai máng nghiêng rất nhẵn có độ

cao bằng nhau, ông thả một viên bi từ

độ cao h trên máng nghiêng 1, viên bi

lăn xuống và lăn ngược lên máng

nghiêng 2 với độ cao gần bằng độ cao

h ban đầu Sau đó, ông hạ thấp độ cao

của máng nghiêng 2 và lặp lại thí nghiệm thì thấy viên bi lăn trên máng nghiêng

2 được đoạn đường dài hơn Và ông suy đoán rằng nếu máng 2 nằm ngang, rất nhẵn thì viên bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi Vì vậy, định luật I Newton không hoàn toàn được rút ra từ thực nghiệm, mà còn do dự đoán và trí

Hình 1.2: Thí nghiệm với máng nghiêng của Galileo

Một chất điểm đứng yên sẽ có 𝑣⃗ = 0, chuyển động thẳng đều sẽ có vận tốc v không thay đổi theo thời gian, trong cả 2 trường hợp trên 𝑣⃗ đều không thay đổi; ta nói trạng thái chuyển động của vật được bảo toàn Vậy, một chất điểm cô lập (không chịu tác dụng của vật nào khác) bảo toàn trạng thái chuyển động của nó Tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động gọi là quán tính, nên định luật I Newton còn được gọi là định luật quán tính Thực nghiệm chứng tỏ rằng, định luật quán tính cũng đúng với những chất điểm chịu tác dụng của hợp lực bằng 0 [1, tr 37]

Một ý nghĩa quan trọng nữa của định luật I Newton đó là phát hiện ra hệ quy chiếu quán tính Khi ta đứng trong hệ quy chiếu gắn với chất điểm đang chuyển động thẳng đều hoặc đứng yên ta sẽ thấy chất điểm đó chuyển động thẳng đều hoặc đứng yên Và có rất nhiều hệ quy chiếu như vậy, chúng là tương đương nhau và ta gọi những hệ quy chiếu đó là hệ quy chiếu quán tính

- Định luật II Newton

Nội dung định luật: Gia tốc của vật luôn cùng hướng với lực tác dụng

lên vật Độ lớn của vecto gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vecto lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật

Định luật II Newton là định luật cơ bản của động lực học vì nhờ đó ta tìm được gia tốc của chuyển động và giải quyết được các bài toán động lực học Đây còn là nền tảng cho định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn

cơ năng, hai định luật này có ý nghĩa quan trọng trong việc đơn giản hóa nghiên cứu về chuyển động và tương tác giữa các vật Định luật II Newton được Newton tìm ra dựa vào việc khái quát hóa từ các sự kiện quan sát được và cả

từ quan sát thiên văn, tài năng trí óc của ông Bởi vậy, việc thiết kế được thí nghiệm rút ra định luật II Newton là không hề dễ dàng

- Định luật III Newton

Nội dung định luật: Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng

tác dụng trở lại vật A một lực Hai lực này là hai lực trực đối

Biểu thức 𝐹⃗𝐴𝐵 = - 𝐹⃗𝐵𝐴

Định luật 3 Newton chỉ ra rằng lực không xuất hiện riêng lẻ mà xuất hiện theo từng cặp động lực - phản lực Nói cách khác, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác qua lại giữa hai hay nhiều vật với nhau Trong hai lực trên ta gọi một lực là lực tác dụng, lực kia là phản lực Và hai lực này là hai lực trực đối chứ không phải lực cân bằng vì chúng tác dụng lên hai vật khác nhau Chúng xuất hiện đồng thời cùng một lúc và đúng cho mọi loại tương tác Lực tác dụng và phản lực đều cùng thuộc một loại lực [6, tr 73] Tuy tổng hình học của hai lực bằng 0 nhưng tác dụng của chúng không khử nhau vì điểm đặt của chúng khác nhau

Định luật III Newton cho chúng ta biết rằng khi vật 1 tác dụng một lực vào vật 2 thì vật 2 sẽ tác dụng ngược lại vật 1 một lực, tuy nhiên định luật III không giải thích cho chúng ta tại sao lại như vậy Và định luật này cũng được

áp dụng với một số hạn chế nhất định Định luật III Newton nói rằng 𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗ bằng 12

tất cả tín hiệu và lực cũng được truyền đi với vận tốc hữu hạn, do đó cần một khoảng thời gian để lực truyền từ vật thứ hai đến vật thứ nhất sau khi nó bị vật thứ nhất tác dụng Nếu khoảng thời gian này rất ngắn so với khoảng thời gian tương tác giữa hai vật thì định luật III của Newton mới áp dụng chính xác được [4, tr 24]

Nếu thừa nhận định luật II thì chúng ta có thể dùng thí nghiệm với hai vật tương tác với nhau, so sánh tỉ số gia tốc của hai vật sau tương tác có thể rút

ra được định luật III Newton Ngược lại, nếu thừa nhận tính đúng đắn của định luật III và dùng thí nghiệm hai vật tương tác ta hoàn toàn có thể rút ra được định luật II

1.1.1.2 Các loại lực

- Lực

Dựa vào công thức định luật II Newton ta có thể đưa ra được định nghĩa

về lực như sau: Lực tác dụng lên vật là một đại lượng vecto bằng tích của khối lượng m với gia tốc a mà vật thu được dưới tác dụng của lực Đó là khi ta xét lực với biểu hiện động lực học là gây ra gia tốc Ngoài ra, lực còn có một tác dụng nữa là gây ra biến dạng, đây là hệ quả của sự biến đổi chuyển động không đều của các phần tử của vật

Bên cạnh đó, ta có thể hiểu chính xác hơn khái niệm khối lượng dựa vào định luật II và III của Newton, khối lượng chính là số đo mức quán tính của vật Đối với hai vật tương tác với nhau, tỉ số gia tốc của chúng không phụ thuộc vào tính chất tương tác mà chỉ phụ thuộc vào tính chất vốn có của mỗi vật đó

là quán tính và được biểu diễn bởi khối lượng Vật nào có khối lượng lớn hơn thì sẽ có mức quán tính lớn hơn

|𝑎⃗⃗⃗⃗⃗|1

|𝑎⃗⃗⃗⃗⃗|2 =

𝑚2

𝑚1

- Lực hấp dẫn

Newton là người đã phát hiện ra rằng: Mọi vật trong vũ trụ đều hút nhau

với một lực, gọi là lực hấp dẫn Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm bất kì tỉ lệ

thuận với tích hai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

𝐹 = 𝐺𝑚1 𝑚2

𝑟2

F : Lực hấp dẫn (N)

m1, m2 : Khối lượng của hai vật (kg)

r : Khoảng cách giữa hai chất điểm (m)

G : Hằng số hấp dẫn G = 6,68.10−11 (𝑁𝑚2

𝑘𝑔 2) Hằng số hấp dẫn G được nhà bác học người Anh Cavendish thực hiện thí nghiệm và tìm ra vào năm 1798 Ông sử dụng thí nghiệm được gọi là chiếc cân xoắn, đây là một bộ thí nghiệm rất nhạy dùng để đo lực hấp dẫn và nhờ đó ông xác định được hằng số hấp dẫn G Ông gắn hai viên bi kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ dài 1,8 mét, rồi dùng một sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên, giữ cho thanh gỗ nằm ngang Sau đó, Cavendish đã dùng hai quả cầu bằng chì, mỗi quả nặng 159 kg, tịnh tiến lại gần hai viên bi ở hai đầu thanh gỗ Để tránh

bị gió thổi gây ra rung động, Cavendish đặt hệ thống trong buồng kín gió, và quan sát hệ thống thông qua kính viễn vọng

Lực hấp dẫn do hai quả cầu chì tác dụng vào hai viên bi làm cho cây gậy quay một góc nhỏ Cavendish đo góc này bằng kính viễn vọng và tính ra được mômen lực tác động lên lò xo xoắn, và suy tiếp ra hằng số hấp dẫn nhờ vào các khối lượng đã biết

Đặc điểm của lực hấp dẫn:

+ Là lực hút

+ Điểm đặt: Đặt tại trọng tâm của vật (chất điểm)

+ Giá của lực: là đường thẳng đi qua tâm 2 vật

Trọng lực là trường hợp riêng của lực hấp dẫn, phụ thuộc vào độ cao và

vĩ độ địa lí của vật Trọng tâm của vật là điểm đặt của trọng lực Độ lớn P= mg

Các định luật Newton làm nảy sinh giả thuyết nghiên cứu thực nghiệm

về lực đang hồi và đề ra phương pháp tiến hành những thí nghiệm cụ thể Sự cân bằng của quả nặng khi treo lò xo là cơ sở để xác định độ lớn của lực đàn hồi thông qua lực cân bằng với nó là trọng lực Từ đó ta có thể dễ dàng tăng lực tác dụng vào lò xo lên nhiều lần để thay đổi lực đàn hồi Và dựa vào thực nghiệm có thể tìm ra được công thức tính lực đàn hồi

Định luật Húc là một định luật thực nghiệm cho thấy: Trong giới hạn

đàn hồi, độ lớn của lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò

xo

F=k|∆l|

Trong đó: k là độ cứng của lò xo (N/m)

Δl là độ biến dạng của lò xo (m)

Mỗi lò xo được đặc trưng bởi độ cứng k khác nhau phụ thuộc vào kích thước lò xo và vật liệu dùng để làm lò xo

- Lực ma sát

 Lực ma sát nghỉ

Điều kiện xuất hiện: Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi có ngoại lực tác dụng vào vật Điều kiện của ngoại lực này là có xu hướng làm vật chuyển động nhưng chưa đủ để thắng lực ma sát

Lực ma sát nghỉ là một đại lượng vecto được đặc trưng bởi 3 yếu tố sau:

 Phương: Giá nằm trong mặt tiếp xúc giữa 2 vật

 Chiều: ngược chiều với ngoại lực

Lực ma sát trượt là một đại lượng vecto được đặc trưng bởi 3 yếu tố sau:

 Phương: Giá nằm trong mặt tiếp xúc giữa 2 vật

 Chiều: ngược chiều với chiều vận tốc của vật

 Lực ma sát lăn

Điều kiện xuất hiện: Lực ma sát lăn xuất hiện khi một vật lăn trên bề mặt của một vật khác

Lực ma sát trượt là một đại lượng vecto được đặc trưng bởi 3 yếu tố sau:

 Phương: Giá nằm trong mặt tiếp xúc giữa 2 vật

 Chiều: ngược chiều với chiều vận tốc của vật

Trong các bài toán cơ học, để vẫn áp dụng được định luật I và II Newton buộc ta phải thừa nhận rằng: Trong hệ quy chiếu phi quán tính ta coi như mỗi vật có khối lượng m chịu thêm tác dụng của một lực gọi là lực quán tính

𝐹𝑞𝑡

⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = −𝑚𝑎⃗

Lực quán tính gây ra cho vật một gia tốc ngược chiều với gia tốc 𝑎⃗ của

hệ quy chiếu phi quán tính:

𝑎′

⃗⃗⃗⃗ = 𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗𝑞𝑡

𝑚 = −𝑎⃗

Lực quán tính xuất hiện do tính chất phi quán tính của hệ quy chiếu chứ không do tác dụng của vật này lên vật kia nên nó không có phản lực

- Lực quán tính li tâm

Lực quán tính li tâm là một lực quán tính xuất hiện trên mọi vật ở trạng thái cân bằng trong hệ quy chiếu quay so với một hệ quy chiếu quán tính Lực quán tính ly tâm cân bằng với lực ma sát nghỉ của vật hay là lực hướng tâm

𝐹⃗𝑞 = −𝑚𝑎⃗ℎ𝑡Lực quán tính li tâm có cùng độ lớn với lực hướng tâm:

𝐹𝑞 = 𝑚𝑣

2

2𝑟

1.1.2 Những yêu cầu của Chương trình giáo dục phổ thông mới [2, tr 3-20]

Vật lí học là ngành khoa học nghiên cứu các dạng vận động đơn giản nhất của vật chất và tương tác giữa chúng Vật lí học liên hệ mật thiết với Toán học và các môn khoa học tự nhiên khác Vật lí học cung cấp cơ sở cho kĩ thuật

và công nghệ Nhiều thành tựu của Vật lí học đã được ứng dụng rộng rãi, làm tiền đề cho các cuộc cách mạng khoa học, công nghệ Hơn thế nữa, Vật lí học đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng thế giới quan khoa học, góp phần làm sáng tỏ những quy luật của triết học duy vật biện chứng

Ở bậc học phổ thông, thí nghiệm, thực hành đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật vật lí Vì vậy, bên

cạnh việc sử dụng các mô hình vật lí và toán học, chương trình môn Vật lí chú trọng thích đáng đến việc hình thành năng lực tìm tòi khám phá các thuộc tính của đối tượng vật lí thông qua các nội dung thí nghiệm, thực hành dưới các góc

Dự thảo ngày 19/01/2018 về Chương trình giáo dục phổ thông mới môn Vật lí còn đặt ra những yêu cầu cần đạt sau đối với môn học này:

Thông qua chương trình môn Vật lí, học sinh 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, học sinh hình thành và phát triển được năng lực tìm hiểu thế giới tự nhiên, cụ thể là năng lực vật lí, bao gồm các thành phần sau:

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

Bảng 1: Biểu hiện cụ thể của năng lực Vật lí Năng lực

Nhận thức kiến

thức vật lí

– Gọi tên/ Nhận biết/ Nhận ra/ Kể tên/ Phát biểu/ Nêu các

sự vật, hiện tượng, quá trình vật lí

– Trình bày các sự kiện/ đặc điểm/ vai trò của các sự vật, hiện tượng, quá trình vật lí

– Mô tả bằng các hình thức biểu đạt như nói, viết, đo, tính,

– So sánh/ Lựa chọn sự vật, hiện tượng, quá trình vật lí dựa theo các tiêu chí

– Giải thích với lập luận về mối quan hệ giữa các sự vật và hiện tượng

– Tìm từ khoá/ Lập dàn ý/ Sử dụng ngôn ngữ khoa học/ Tóm tắt khi đọc các văn bản khoa học

– Nhận ra điểm sai và chỉnh sửa một vấn đề/ lời giải thích Thảo luận đưa ra những nhận định phê phán có liên quan đến chủ đề

– Viết, trình bày báo cáo và thảo luận

– Đề xuất các biện pháp giải quyết vấn đề trong các tình huống học tập, đưa ra quyết định (Xây dựng mô hình, kế hoạch, )

Vận dụng kiến

thức vật lí vào

thực tiễn

– Giải thích/ chứng minh một vấn đề thực tiễn

– Phân tích, tổng hợp để giải thích/ chứng minh một vấn đề thực tiễn

– Đánh giá/ phản biện ảnh hưởng của một vấn đề thực tiễn – Đề xuất một số phương pháp, biện pháp mới, thiết kế mô hình, kế hoạch,

Trong chương trình môn Vật lí, mỗi thành tố của các năng lực chung cũng như năng lực chuyên môn nói trên được đưa vào từng chủ đề, từng mạch nội dung dạy học, dưới dạng các yêu cầu cần đạt, với các mức độ khác nhau

Đối với phần động lực học, kiến thức của phần theo dự thảo Chương trình giáo dục phổ thông môn Vật lí sẽ được sử dụng ở cả lớp 10, lớp 11 và lớp

12, trong đó, nội dung đưa vào chương trình giảng dạy sẽ ở chương trình lớp

10 Nội dung phần Động lực học gồm các nội dung chính sau: Động lượng và

ba định luật Newton về chuyển động; Bảo toàn động lượng và va chạm; Các loại lực; Tác dụng làm quay của lực; Cân bằng lực; Khối lượng riêng và áp suất

Nội dung chi tiết và cần đạt của phần động lực học ở chương trình lớp

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

− Định nghĩa và sử dụng được lực là tốc độ thay đổi của động lượng

− Nêu được liên hệ đơn vị dẫn xuất với đơn vị cơ bản của hệ

SI

− Phát biểu và áp dụng được ba định luật Newton về chuyển động

− Nêu được khái niệm về trọng lượng như tác dụng của trường trọng lực lên vật có khối lượng và tính được trọng lượng của một vật bằng tích khối lượng của vật với gia tốc rơi tự do

− Mô tả được một cách định tính chuyển động rơi trong trường trọng lực đều khi có sức cản không khí

Bảo toàn

động lượng

và va chạm

− Phát biểu và áp dụng được định luật bảo toàn động lượng

để giải các bài tập đơn giản trong va chạm tuyệt đối đàn hồi

Các loại lực − Biểu diễn được bằng hình vẽ và mô tả được: Lực đẩy và lực

kéo; Trọng lượng; Lực ma sát; Lực cản khi một vật chuyển động trong không khí/ nước; Lực đẩy lên trên của nước; Lực căng dây

− Mô tả được lực tác dụng lên một vật trong trường trọng lực đều

− Giải thích được lực nâng tác dụng lên một vật ở trong chất lỏng

− Định nghĩa được trọng tâm của vật

Tác dụng

làm quay của

lực

− Trình bày được khái niệm moment lực, moment ngẫu lực

− Nêu được tác dụng của ngẫu lực lên một vật chỉ làm quay vật

− Phát biểu và áp dụng được quy tắc moment

− Nghiệm lại được quy tắc moment bằng dụng cụ thực hành Cân bằng lực − Tổng hợp được các lực trên một mặt phẳng

− Nêu được điều kiện để hệ cân bằng

− Phân tích được một lực thành các lực thành phần vuông góc

− Tổng hợp được hai lực đồng quy/ song song bằng dụng cụ thực hành

Khối lượng

riêng và áp

suất

− Nêu được khái niệm khối lượng riêng

− Trình bày được khái niệm áp suất

− Vận dụng được phương trình Δp = ρgΔh, trong một số trường hợp đơn giản

1.2 Phân tích logic hình thành kiến thức

Phần động lực học chất điểm được đưa vào đầu chương trình lớp 10 sau phần động học chất điểm Bởi phần động học sẽ nghiên cứu về các dạng chuyển động của chất điểm, các khái niệm về vận tốc, gia tốc, hệ quy chiếu Chỉ khi học sinh được học về phần động học chất điểm thì mới có đủ kiến thức để tiếp tục học phần động lực học chất điểm Vì phần động lực học chất điểm sẽ tìm hiểu nguyên nhân gây ra chuyển động của chất điểm, các tính chất, đặc điểm của các loại lực, nếu không có khái niệm về chuyển động cũng như gia tốc thì

sẽ không thể hiểu được nội dung của phần này

1.2.1 Các định luật Newton

- Định luật I Newton

Đây là định luật đầu tiên trong ba định luật Newton mà học sinh được học Được đưa vào chương trình học lớp 10, tuy nhiên, thực chất định luật I đã được sử dụng từ chương trình lớp 8 khi học bài quán tính rằng " Dưới tác dụng của các lực cân bằng, một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, đang chuyển

I là bác bỏ quan điểm sai rằng" có lực mới có chuyển động" Vì trên thực tế lực làm thay đổi vận tốc gây ra gia tốc không phải lực gây chuyển động Và nguồn gốc của chuyển động thẳng đều là tổng lợp lực bằng không Bên cạnh đó là nêu lên xu hướng bảo toàn vận tốc của vật Tính chất đó được gọi là quán tính:

"Quán tính là xu hướng bảo toàn vận tốc của vật" Vì lớp 8 các em chưa được học phân tích và tổng hợp lực mà chỉ mới dừng lại ở hai lực cân bằng do phải đến lớp 10 các em mới có kiến thức toán học về vecto nên không thể đưa định luật I Newton vào giảng dạy lúc này được

- Định luật II Newton

Theo định luật này nếu có nhiều vật khác nhau cùng chịu dưới tác dụng của cùng một lực thì vật có khối lượng lớn hơn sẽ có gia tốc nhỏ hơn Vì vậy, vật nào có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi vận tốc, tức là càng có mức quán tính lớn hơn Như vậy ta có thể nói : Khối lượng của vật là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật

Vì định luật II có liên quan đến định luật I tức là tính quán tính của vật nên được đưa vào chương trình ngay sau bài của định luật I Mặt khác cần bổ trợ kiến thức vecto trong toán học lớp 10 và gia tốc trong phần động học chất điểm vật lý lớp 10 Nên định luật này được sắp xếp vào gần đầu của vật lý lớp

10, sau phần động học và không thể nào đưa vào giảng dạy ở cấp trung học cơ

Newton bao hàm các nội dung quan trọng như tính bảo toàn chuyển động của chất điểm, hệ quy chiếu quán tính và tính chất quán tính của một vật mà nếu được suy ra từ định luật II sẽ không thể hiện được những nội dung đó

- Định luật III Newton

Định luật III cũng rất tổng quát Nó đúng cho mọi loại tương tác Định luật cho biết tính chất của tương tác song không vạch ra nguyên nhân và cũng không vạch ra hệ quả của tương tác ấy Vì hệ quả đấy còn do nhiều yếu tố chi phối, chẳng hạn [7, tr 23]:

- Hai vật tương tác xuyên tâm có thể chuyển động ngược chiều nhau, có thể chuyển động cùng chiều với vận tốc khác nhau [7, tr 23]

- Trường hợp xe và ngựa tương tác tiếp xúc và hai vật chuyển đông cùng chiều, cùng vận tóc thì đã có mặt của vật thứ 3, tương tác lên xe và ngựa theo từng cặp [7, tr 23]

Nếu thừa nhận định luật II Newton ta có dùng thực nghiệm để rút ra được định luật III, nên định luật III được đưa vào giảng dạy sau định luật I và II

1.2.2 Các loại lực

Lực hay các loại lực, học sinh đã được học ở cấp trung học cơ sở, tuy nhiên, mới chỉ dừng lại ở mức độ định tính, trực quan và chỉ giải thích được các hiện tượng trong đời sống một cách đơn giản nhất

- Lực

Ở chương trình Vật lí lớp 6 học sinh được học về lực với cách hiểu rất đơn giản, phù hợp với trình độ nhận thức của các em, rằng khi ta tác dụng đẩy hoặc kéo một vật thì nghĩa là ta đang tác dụng lực vào vật Các em cũng được học về hai lực cân bằng Để giải thích một vật đang đứng yên là do vật đang

biết lực là một đại lượng vecto và biểu diễn nó Hai lực cân bằng lại được nhắc lại, tuy nhiên, nếu xét một ví dụ một vật chịu tác dụng của ba vật nhưng vật vẫn đứng yên thì học sinh không thể giải thích được, vì các em chưa được học về tổng hợp và phân tích lực

Lên lớp 10 khi đã có kiến thức toàn học về vecto, học sinh sẽ được học

về tổng hợp và phân tích lực Học về các định luật Newton, đặc biệt là định luật

II Newton sẽ giúp các em hiểu đầy đủ hơn về khái niệm lực Đó là lí do vì sao, lên lớp 10, lực vẫn được đề cập đến

- Lực hấp dẫn

Ở lớp 6, học sinh được học về trọng lực, về phương, chiều độ lớn của trọng lực Nhưng công thức tính trọng lượng chỉ được đưa ra để học sinh tiếp nhận đó là P = 10m và biết được rằng cứ một vật nặng 100g sẽ có trọng lượng bằng 1N, mà các em không hiểu tại sao lại vậy bởi các em chưa học về gia tốc cũng như gia tốc trọng trường, chưa phân biệt được trọng lực và trọng lượng

Ở cấp trung học cơ sở lực hấp dẫn không được đưa vào giảng dạy vì trình độ nhận thức của các em chưa đủ, ngoài ra, dựa vào công thức lực hấp dẫn ta có

thể rút ra được công thức tính gia tốc trọng trường g Vì vậy, lực hấp dẫn được

đưa vào chương trình lớp 10 nằm trong phần động lực học Sự tăng giảm trọng lượng liên quan trực tiếp đến vecto, gia tốc và cần có trình độ nhận thức nhất định nên cũng không thể giảng dạy ở cấp trung học cơ sở

treo nhiều quả nặng vào vật mà không giải thích được Bởi các em chưa học tổng hợp lực, chưa học vecto, nên lên lớp 10 các em mới tiếp tục học về lực đàn hồi về phương diện định tính và dùng thí nghiệm để dẫn ra công thức tính lực đàn hồi

- Lực ma sát

Ở lớp 8, học sinh mới chỉ được học về mặt định tính của các lực ma sát, điều kiện xuất hiện, từ đó giúp các em có thể nhận diện được sự xuất hiện của lực ma sát và biết được một số lợi ích hay tác hại thường gặp của nó trong đời sống

Các em chưa được học về mặt định lượng của lực ma sát ngay vì khả năng tư duy còn hạn chế, kiến thức toán học và vật lý chưa đầy đủ, các em chỉ biết rằng khi vật này trượt trên vật kia thì sẽ có lực ma sát trượt, vật này lăn trên vật kia thì sẽ có lực ma sát lăn và lực ma sát nghỉ là lực giữ cho vật không trượt

Vì vậy, phải đến lớp 10, khi đã được học về vectơ và đã hiểu rõ hơn về lực, về các định luật Newton, các quy tắc tổng hợp lực ở các bài trước, về sự chuyển động tương đối của vật này so với vật kia ở phần Động học chất điểm thì các

em mới được học về mặt định lượng của lực ma sát, hiểu rõ hơn tại sao lại có

sự xuất hiện của lực ma sát Nhờ đó, học sinh có thể nhận diện và giải thích cụ thể hơn, chi tiết hơn những ứng dụng của lực ma sát trong đời sống

- Lực quán tính

Ở lớp 8 học sinh chưa học về lực quán tính mà chỉ được biết đến quán tính như là một tính chất hiển nhiên mà vật nào cũng có Và vì vật có quán tính nên mới không thể thay đổi vận tốc đột ngột khi có lực tác dụng Khi giải thích các hiện tượng trong đời sống, ví dụ như: Khi ô tô phanh gấp người ngã về phía trước; bút tắc mực, ta vẫy mạnh, bút lại có thể viết tiếp được… các em cũng chỉ hiểu đơn giản rằng đó là vì người có quán tính, vì mực có quán tính…