GIÚP học SINH TRƯỜNG THPT NHƯ XUÂN II vận DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG lực học để GIẢI một số bài TOÁN CHUYỂN ĐỘNG cơ học

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT NHƯ XUÂN II SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM GIÚP HỌC SINH TRƯỜNG THPT NHƯ XUÂN II VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN CHUYỂN ĐỘNG

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT NHƯ XUÂN II

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

GIÚP HỌC SINH TRƯỜNG THPT NHƯ XUÂN II VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ GIẢI MỘT

SỐ BÀI TOÁN CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC

Người thực hiện: Đào Thị Hà

Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lí

THANH HÓA NĂM 2021

MỤC LỤC

Trang

Phần 1 Mở đầu .1

1.1 Lí do chọn đề tài .1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 1

Phần 2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm .1

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm .1

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

2.3 Giải pháp thực hiện 4

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 18

Phần 3 Kết luận, kiến nghị 18

3.1 Kết luận 18

3.2 Kiến nghị 19

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Là giáo viên giảng dạy bộ môn vật lí ở trường THPT Như xuân II, tôi nhậnthấy các em học sinh học xong THCS bước vào lớp 10 việc tiếp cận với kiếnthức vật lí rất khó khăn Khi giải các bài toán liên quan tới lực tác dụng, khảo sátchuyển động của chất điểm, các em còn rất lúng túng, không biết cách giải nhưthế nào Tôi thiết nghĩ một phần do khả năng suy luận, tư duy logic của các emhọc sinh miền núi còn hạn chế, một phần các em chưa có phương pháp giải phùhợp Điều này ảnh hưởng tới thái độ và chất lượng học tập của các em Do đóviệc định hướng cho các em học sinh phương pháp giải là rất cần thiết Phươngpháp động lực học là phương pháp cơ bản để giải các bài toán chuyển động cơhọc của chất điểm

Vì vậy, bản thân tôi qua nghiên cứu, phân tích, tổng hợp từ các nguồn tài liệu

tham khảo và viết đề tài “Giúp học sinh trường THPT Như xuân II vận dụng

phương pháp động lực học để giải một số bài toán chuyển động cơ học” làm

sáng kiến kinh nghiệm

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Giúp các em học sinh lớp 10 trường THPT Như xuân II vận dụng phương

pháp động lực học giải thông thạo một số dạng bài tập cơ bản phần động lực họcchất điểm Từ đó hình thành tư duy logic và suy luận khi giải các bài tập vật lí

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Phương pháp động lực học và các bài toán chuyển động của chất điểm

- Phạm vi nghiên cứu: Học sinh lớp 10A, 10B Trường THPT Như xuân II nămhọc 2020 – 2021

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp điều tra khảo sát thực tế giáo dục

- Phương pháp quan sát sư phạm

+ Chỉ phân tích lực theo các phương mà lực có tác dụng cụ thể.

1.3 Điều kiện cân bằng của chất điểm

Muốn cho một chất điểm đứng cân bằng thì hợp lực của các lực tác dụng lên nóphải bằng không

⃗F=⃗ F1+ ⃗F2+…=⃗0

2 Các định luật Niu-tơn.

2 1.Định luật I Niu-tơn.

Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực

có hợp lực bằng không, thì vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, đang chuyểnđộng sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều

2.2 Định luật II Niu-tơn.

2.2.1.Nội dung định luật

Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật Độ lớn của gia tốc tỉ

lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật

- Trọng lực là lực của Trái Đất tác dụng vào vật, gây ra cho chúng gia tốc rơi tự

do Trọng lực được kí hiệu là ⃗P

- Ở gần trái đất trọng lực có phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống Điểm đặtcủa trọng lực tác dụng lên vật gọi là trọng tâm của vật

2.3 Định luật III Niu-tơn.

2.3.1 Nội dung định luật.

Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tácdụng lại vật A một lực Hai lực này có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngượcchiều.

+ Lực và phản lực luôn luôn xuất hiện (hoặc mất đi) đồng thời

+ Lực và phản lực có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều Hai lực có đặcđiểm như vậy gọi là hai lực trực đối

+ Lực và phản lực không cân bằng nhau vì chúng đặt vào hai vật khác nhau

3 Các lực cơ học

3.1 Lực hấp dẫn.

3.1.1 Định nghĩa

Mọi vật trong vũ trụ đều hút nhau với một lực, lực đó gọi là lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn là lực tác dụng từ xa, qua khoảng không gian giữa các vật

m1 và m2 là khối lượng của hai chất điểm (kg)

r là khoảng cách giữa hai chất điểm (m)

Fhd độ lớn lực hấp dẫn (N)

G hằng số hấp dẫn, có giá trị là 6,67.10-11 (N.m2/kg2)

3.1.3 Định luật được áp dụng cho các trường hợp

- Hai vật là hai chất điểm

- Hai vật đồng chất hình cầu với khoảng cách giữa chúng được tính từ tâm vậtnày đến tâm vật kia

3.2 Lực đàn hồi

3.2.1 Hướng và điểm đặt của lực đàn hồi của lò xo.

- Lực đàn hồi xuất hiện ở hai đầu của lò xo và tác dụng vào vật tiếp xúc (haygắn) với lò xo, làm nó biến dạng

- Hướng của lực đàn hồi ở mỗi đầu của lò xo ngược với hướng của ngoại lựcgây biến dạng

∆l = l – l0 là độ biến dạng của lò xo (m)

k là độ cứng của lò xo (N/m)

3.3 Lực ma sát trượt.

- Lực ma sát trượt xuất hiện khi một vật trượt trên bề mặt của vật khác.

- Đặt tại chỗ tiếp xúc của hai vật và ngược chiều chuyển động của vật

m là khối lượng của vật (kg)

aht là gia tốc hướng tâm (m/s2)

v là tốc độ dài của vật chuyển động tròn đều (m/s)

r là bán kính quỹ đạo tròn (m)

ω là tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều (rad/s)

2.2 THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

- Học sinh trường THPT Như xuân II do các em ở vùng miền núi còn thiếuthốn về mọi mặt nên kiến thức THCS còn non yếu, tiếp thu bài còn chậm, chưa

tự hệ thống được kiến thức, tài liệu tham khảo rất ít

- Trước khi áp dụng sáng kiến này, các em học sinh lớp 10 trường THPTNhư xuân II không biết cách biểu diễn chính xác các vectơ lực tác dụng lên vật,rất lúng túng và chưa có phương pháp giải khi giải các bài toán liên quan tới lựctác dụng, áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rõ bản chất.Kết quả là tỉ lệ học sinh giải được các bài toán chuyển động cơ học liên quan tớilực và các đại lượng động học như gia tốc, vận tốc, quãng đường rất thấp

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

Để khắc phục những mặt hạn chế trên, tôi đưa ra phương pháp động lực

học, từ đó hướng dẫn học sinh các bước tiến hành và những lưu ý khi giải cácbài toán chuyển động cơ học bằng phương pháp động lực học Sau đó vận dụngphương pháp động lực học để giải một số dạng bài toán chuyển động cơ học củachất điểm

2.3.1 Phương pháp động lực học

Phương pháp động lực học là phương pháp vận dụng các định luật Niu-tơn

và các lực cơ học để giải các bài toàn chuyển động cơ học của chất điểm

2.3.2 Các bước tiến hành khi giải các bài toán bằng phương pháp động lực học.

Bước 1: Đọc kỹ bài ra, phân tích hiện tượng cơ học xảy ra trong bài toán để thấyđược mối liên hệ giữa các lực

Vẽ hình và biểu diễn đầy đủ các lực tác dụng lên từng vật trên hình vẽ.Với mỗi vectơ lực cần chỉ rõ điểm đặt, phương, chiều và độ lớn

Bước 2: Viết phương trình động lực học dạng vectơ (tức là phương trình địnhluật II Niu-tơn) Trong mỗi phương trình phải viết đầy đủ các lực tác dụng lênvật

Bước 3: Chọn hệ trục tọa độ thích hợp rồi chiếu các phương trình vectơ lên trụctọa độ, ta được hệ phương trình vô hướng

Việc chọn hệ trục tọa độ về nguyên tắc là tùy ý, song nên chọn sao cho khichiếu các phương trình vectơ xuống các trục đã chọn có dạng đơn giản nhất.Nếu ẩn số nhiều hơn số phương trình vô hướng thu được thì ta phải tìm thêm cácphương trình phụ Đó là các phương trình liên hệ các lực hoặc các phương trìnhliên hệ giữa các đặc trưng động học như vận tốc, gia tốc, quãng đường, giữacác vật hoặc cùng một vật Việc tìm ra các phương trình phụ này sẽ dễ dàng nếubước phân tích các hiện tượng cơ học xảy ra tiến hành kỹ lưỡng

Bước 4: Khi tổng số phương trình vô hướng và các phương trình phụ bằng ẩn sốcủa bài toán thì ta tiến hành giải các phương trình đó để tìm ẩn số

Ở đây cần chú ý 2 loại bài toán:

- Bài toán thuận: Biết các lực tác dụng lên cơ hệ, xác định tính chất chuyển

động của vật hoặc hệ vật

Khi đó ta giải các phương trình động lực học dạng vô hướng ở trên để tìm giatốc a Sau đó thay a vừa tìm được vào các công thức động học để xác định vậntốc, quãng đường…

- Bài toán nghịch: Biết tính chất chuyển động của vật hoặc hệ vật, xác định các

lực gây ra nó

Khi đó từ tính chất chuyển động của hệ vật ta suy ra gia tốc của cơ hệ Sau đóthay giá trị gia tốc đó vào các phương trình động lực học dạng vô hướng để xácđịnh các lực tác dụng lên cơ hệ

Bước 5: Kiểm tra và biện luận

2.3.3 Một số lưu ý khi giải các bài toán chuyển động cơ học bằng phương pháp động lực học.

- Các lực tác dụng lên vật thường là:

+ Các lực tác dụng do các trường lực gây ra như trường hấp dẫn, điện trường, từtrường

+ Các lực tác dụng do liên kết giữa các vật: lực căng, lực đàn hồi

+ Các lực tác dụng khi vật chuyển động trên một bề mặt: lực ma sát, phản lực

- Khi khảo sát chuyển động của vật trên một đường thẳng hoặc trong một mặtphẳng, ta nên chọn hệ trục tọa độ có một trục song song với chuyển động củavật hoặc mặt phẳng chuyển động của vật

2.3.4 Các dạng bài tập

Dạng 1: Vật chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang

Ở dạng toán này cần chú ý thêm khi chọn hệ trục tọa độ, nên chọn trục Oxtheo phương nằm ngang, chiều dương là chiều chuyển động của vật thì giải bàitoán dễ dàng hơn

Bài 1: Một vật có khối lượng m được kéo trượt trên một mặt sàn nằm ngang bởi

một lực ⃗F có độ lớn không đổi theo phương ngang Tính gia tốc chuyển độngcủa vật trong trường hợp:

a Vật trượt với hệ số ma sát giữa vật và mặt sàn là µ

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ bên

Chiều (+) là chiều chuyển động của vật

Chiếu phương trình (1) lên Oy ta được

N – P = 0 ⇒ N = P = mg (2)

Chiếu phương trình (1) lên Ox ta được

F – Fmst = ma (3)

Bước 4:

Mà Fmst = µtN nên từ (2) ta có Fmst = µtmg thay vào (3) ta có

+ Gia tốc của vật khi chuyển động có ma sát là a= F−F mst

m =

F−μ t mg m

+ Gia tốc của vật khi không có ma sát là a= F

m

Bước 5: Bài toán cho ta biểu thức tính gia tốc của vật chuyển động theo phươngngang và lực kéo vật cũng theo phương ngang trong trường hợp vật chuyểnđộng có ma sát và không có ma sát Ta có thể sử dụng kết quả này để kiểm trakết quả của các bài toán cùng dạng khác

Bài 2: Một vật có khối lượng m được kéo trượt trên trục Ox trong một mặt

phẳng nằm ngang bởi lực ⃗F không đổi có hướng hợp với trục Ox một góc α,

α > 0 Tính gia tốc của vật biết hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng là µt

O

Các lực tác dụng lên vật : Lực kéo ⃗F, lực ma sát trượt ⃗F mst, phản lực của mặt

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ bên

Chiều (+) là chiều chuyển động của vật

Chiếu phương trình (1) lên Oy ta được

mà Fmst = µtN = µt(P – Fsinα) thay vào (3) ta có

Gia tốc của vật khi có lực ma sát là a= F(cosα +μ t sin α)−μ t mg

m

Bước 5: Đây là bài toán tổng quát hay gặp, ta thấy nó bao quát cả bài 1 Sau khitính được gia tốc ta có thể xác định được các đại lượng động học như vận tốc,quãng đường…

Bài 3: Một vật có khối lượng m = 10 kg được kéo trượt trên một mặt sàn nằm

ngang từ trạng thái nghỉ bởi lực ⃗F hợp với phương ngang một góc α = 300 Chobiết hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là µ = 0,1 Lấy g = 10 m/s2

a Biết lực có độ lớn F = 20 N Tính quãng đường vật đi được trong 4 s

b Tính độ lớn của lực F để sau khi chuyển động 2 s vật đi được quãng đường

5 m

Hướng dẫn giải:

a Nhận thấy dạng bài 3 giống bài 2 ở trên, tương tự như bài 2 các bước từ 1 đến

4 ta được biểu thức tính gia tốc

Nhận xét:

Bài toán này bao gồm cả bài toán thuận và bài toán nghịch Sử dụng kết quảcủa bài 2 ta kiểm chứng giá trị gia tốc của những bài toán cùng dạng từ đó xácđịnh các đại lượng động học, hoặc từ các giá trị động học ta tính gia tốc rồi thayvào phương trình động lực học tìm lực

Bài tập luyện tập

Bài 1: Một người dùng dây buộc vào thùng gỗ và kéo nó trượt trên sân bằng một

lực có độ lớn 90 N theo hướng nghiêng 300 so với mặt sân Thùng có khối lượng

20 kg Hệ số ma sát trượt giữa đáy thùng và sân là 0,5 Tính gia tốc của thùng.Lấy g = 9,8 m/s2

Bài 2: Một vật có khối lượng m = 5 kg được kéo chuyển động ngang bởi lực ⃗F

có độ lớn F = 10 N và có hướng hợp với hướng chuyển động của vật một góc

Dạng 2: Chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng

Ở dạng bài tập này, khi chọn hệ trục tọa độ ta nên chọn hệ trục Oxy với trục

Ox song song với mặt phẳng nghiêng, chiều dương là chiều chuyển động của vậtthì khi giải bài toán sẽ dễ dàng hơn

Bài 1: Một vật có khối lượng m = 10 kg chuyển động đều lên một mặt phẳng

nghiêng góc α = 300 so với mặt phẳng ngang, do chịu tác dụng của lực kéo ⃗F có

độ lớn bằng 60 N và có hướng song song với mặt nghiêng Lấy g = 10 m/s2

a Tính hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng nghiêng

b Hỏi khi thả vật nó chuyển động xuống với gia tốc bằng bao nhiêu?

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình vẽ bên

Chiều (+) là chiều chuyển động của vật

Chiếu phương trình (1) lên trục Oy ta được

N – Pcosα = 0 ⇒ N = Pcosα = mgcosα (2)

Chiếu phương trình (1) lên trục Ox ta được

300

O

y

x

Chọn hệ trục tọa độ Oxy như hình bên

Chiều (+) là chiều chuyển động của vật

Chiếu phương trình (1) lên trục Oy ta được

N – Pcosα = 0 ⇒ N = Pcosα = mgcosα (2)

Chiếu phương trình (1) lên trục Ox ta được

Psinα – Fmst = ma ⇒ Psinα - µN = ma (3)

Bước 4:

Thay (2) vào (3) ta được

Psinα - µmgcosα = ma ⇒ a = g(sinα - µcosα)

Thay số vào ta được a = 10(sin300 - √3

15 cos300) = 4 (m/s2)Bước 5: Kiểm tra công thức, thứ nguyên, kết quả ta thấy hoàn toàn phù hợp

Bài 2: Một vật có khối lượng m = 2 kg trượt không vận tốc ban đầu từ đỉnh A

một mặt phẳng nghiêng dài 10 m, cao 5 m Lấy g = 10 m/s2, hệ số ma sát trượtgiữa vật và mặt phẳng nghiêng là µ1 = 0,25

a Tính gia tốc của vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng và vận tốc của vậttại chân mặt phẳng nghiêng

b Khi xuống hết mặt phẳng nghiêng, vật tiếp tục chuyển động trên mặt phẳngngang, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là µ2 = 0,5 Tính thời gian từlúc vật bắt đầu chuyển động trên mặt phẳng ngang cho đến khi dừng hẳn

A

a Nhận thấy hiện tượng vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của bài nàygiống với hiện tượng chuyển động của vật ở ý b bài 1 thuộc dạng 2 ở trên Vìvậy hoàn toàn tương tự thực hiện các bước từ 1 đến 4 ta có được kết quả tính giatốc như bài 1b ở trên là

v B2−v2A=2 a1S ⇒ v B=√v2A+2 aS=√0+2.2,8 10=2√14 (m/s)

b

Bước 1

Hiện tượng cơ học: Vật chuyển động trượt trên mặt phẳng nằm ngang

Các lực tác dụng lên vật: Trọng lực ⃗P, phản lực của mặt phẳng ngang ⃗N2, lực masát ⃗F mst 2

Thời gian từ lúc vật bắt đầu chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang cho tới khidừng lại là

Bài 1: Một xe trượt không vận tốc đầu từ đỉnh mặt phẳng nghiêng góc α =

300 Hệ số ma sát trượt là µ = 0,3464 Chiều dài mặt phẳng nghiêng là l = 1 m.Lấy

g = 10 m/s2 và √3 = 1,732 Tính gia tốc chuyển động của xe và vận tốc ở cuốimặt phẳng nghiêng

Bài 2: Một vật ở chân mặt phẳng nghiêng một góc α = 300 so với phương nằmngang Hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng nghiêng là µ = 0,2 Vật đượctruyền một vận tốc ban đầu v0 = 2 m/s theo phương song song với mặt phẳngnghiêng và hướng lên trên Lấy g = 10 m/s2.

a Sau bao lâu vật lên tới vị trí cao nhất?

b Quãng đường vật đi được cho tới vị trí cao nhất là bao nhiêu?

Đáp số: t = 0,297 s; S = 0,297 m.

Dạng 3: Chuyển động của hệ vật Với dạng toán này cần phải phân tích đầy đủ, chính xác các lực tác dụng lên

từng vật trong hệ, sau đó viết phương trình định luật II Niu-tơn cho mỗi vật rồilàm các bước tương tự như các bài trên

Bài 1 : Hai vật A và B có thể trượt trên mặt bàn nằm ngang và được nối với

nhau bằng dây không giãn, khối lượng không đáng kể Khối lượng của hai vật A

và B lần lượt là m1 = 1 kg, m2 = 2 kg, tác dụng vào vật A một lực F = 6 N theophương song song với mặt bàn Hệ số ma sát giữa hai vật với mặt bàn là µ= 0,1.Lấy g = 10 m/s2

a Tính gia tốc chuyển động của mỗi vật

b Tính lực căng của dây