Rèn luyện kĩ năng phân tích để tìm ra hướng giải các bài toán vật lí cho học sinh phần dao động điều hòa lớp 12

Một nguyên nhân quan trọng đó là do học sinh thiếu kỹ năng phân tích bài toán để tìm ra hướng giải... Nguyên nhân là học sinh không biết lập luận để vận dụng chúng.. Nếu kh

MỤC LỤC

Trang

1 MỞ ĐẦU

1.5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm 2

2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm 3 2.2 Thực trạng của vấn đề nghiên cứu 3 2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 5 2.4 Hiệu quả của sáng kiến đối với hoạt động giáo dục 12

3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài:

Qua các năm giảng dạy Vật lý tại trường phổ thông, tôi nhận thấy rằng đứng trước một bài toán Vật lý, nhiều học sinh rất lúng túng không biết phải giải như thế nào, tìm đại lượng nào trước, đại lượng nào sau, áp dụng công thức nào? Đây cũng là thực trạng chung của rất nhiều học sinh của các trường Một nguyên nhân quan trọng đó là do học sinh thiếu kỹ năng phân tích bài toán để tìm ra hướng giải Dù là bài tập định tính hay định lượng thì cũng đều phải bắt đầu từ sự phân tích định tính trước khi đưa ra các công thức phù hợp Hiện nay, xuất phát từ thực tế là kỳ thi THPT Quốc gia, môn Vật lý và một số môn khác thi theo hình thức trắc nghiệm nên học sinh chủ yếu ghi nhớ các công thức giải nhanh còn giáo viên chỉ quan tâm đến kết quả nên học sinh chỉ thuộc công thức vật lý rồi áp dụng để tính toán một cách máy móc

Bởi vậy, để giúp học sinh thực sự vận dụng kiến thức vật lý cho việc giải bài tập thì điều quan trọng là phải hình thành cho học sinh kỹ năng phân tích để

tìm ra hướng giải cho các bài toán vật lý Vì lẽ đó nên tôi đã chọn vấn đề “Rèn luyện kỹ năng phân tích để tìm ra hướng giải các bài toán vật lý cho học sinh – phần dao động điều hòa lớp 12” để làm đề tài cho sáng kiến kinh

nghiệm của mình Tuy nhiên, trong phạm vi chương trình vật lý phổ thông, bài tập vật lý rất nhiều nên tôi chỉ chọn phần dao động điểu hòa lớp 12 để trình bày

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Rèn luyện cho học sinh kỹ năng phân tích để tìm ra hướng giải cho các bài toán vật lý phần dao động điểu hòa lớp 12

1.3 Đối tượng nghiên cứu:

- Hoạt động dạy và học chương dao động điểu hòa vật lý 12

- Kỹ năng phân tích để tìm ra hướng giải cho các bài toán vật lý

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

+ Phương pháp nghiên cứu lý luận: thu thập tài liệu, phân tích, tổng hợp…

+ Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Sử dụng phiếu điều tra

- Thu thập các ý kiến (thông qua trò chuyện, trao đổi )

- Phương pháp quan sát (thái độ của học sinh với môn học)

1.5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

Đây là sáng kiến kinh nghiệm được kế thừa và phát triển của sáng kiến kinh nghiệm năm 2016 - 2017 Trong sáng kiến kinh nghiệm này để kết quả thuyết phục hơn tôi đã tiến hành thêm khảo sát thực trạng học vật lý của học sinh và phần các ví dụ minh họa tôi sử dụng chương dao động điều hòa lớp 12

2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm.

Như chúng ta đã biết, vật lý là môn học có rất nhiều các bài tập định tính, định lượng Trong khuôn khổ một tiết bài tập giáo viên không đủ thời gian để hướng dẫn học sinh giải quyết tất cả các bài tập đó, giáo viên chỉ có thể hướng dẫn một số bài điển hình, số còn lại là do học sinh tự làm Tuy nhiên thực tế cho thấy rất nhiều học sinh gặp khó khăn, lúng túng không biết phải làm như thế nào? Hoặc nếu có làm cũng chỉ là áp dụng máy móc

Bởi vậy để giúp học sinh có thể giải được các bài tập vật lý thì điều quan trọng trước tiên là phải hướng dẫn cho học sinh biết cách phân tích bài toán để lựa chọn hướng giải quyết phù hợp Hoạt động này lặp lại nhiều lần sẽ trở thành

kỹ năng phân tích để tìm ra hướng giải cho các bài toán vật lý.

2.2 Thực trạng của vấn đề.

Để đánh giá thực trạng việc giải quyết các bài toán vật lý và sự hứng thú học tập của học sinh, tôi tiến hành khảo sát bằng phiếu ở 5 lớp (11A2, 11A3, 12A3, 12A4, 12A7 trường THPT Nông Cống II) với 210 HS

Kết quả khảo sát như sau:

Câu 1: Em có thích học vật lý không?

Qua bảng số liệu ta thấy học sinh đã có sự thích thú với môn vật lý nhưng chưa thực sự thích hẳn Bên cạnh đó vẫn còn có những học sinh không thích môn vật lý

Câu 2: Vì sao em chưa thích môn vật lý?

C Không biết cách giải quyết

bài toán như thế nào?

Qua bảng số liệu cho ta thấy nguyên nhân làm các em chưa yêu thích môn vật lý chủ yếu là do các em không biết cách giải quyết bài toán như thế nào (55,2%) Ngoài ra kiến thức môn vật lý còn khó với học sinh (23,8%) và có nhiều bài tập vật lý (21,0%)

Câu 3: Các em làm cách nào để giải quyết các bài tập vật lý?

A Ghi nhớ công thức rồi áp

dụng

B Phân tích bài toán để tìm

cách giải

Qua bảng số liệu ta thấy khi HS giải quyết bài toán vật lý chủ yếu các em ghi nhớ công thức rồ vận dụng một cách máy móc (61%) Có một số em đã biết cách phân tích, suy luận bài toán để tìm ra cách giải tuy nhiên số này chưa nhiều (24,8%) Bên cạnh đó vẫn còn một số học sinh khoanh mò đáp án trắc nghiệm (14,2%)

Câu 4 Các em mong muốn gì ở môn học vật lý?

B Rèn luyện kỹ năng,

phân tích, suy luận

Qua bảng số liệu ta thấy: HS mong muốn được giảm bớt kiến khó (28,6%) và đặc biệt là HS mong muốn được trang bị kỹ năng, phân tích, suy luận để giải quyết các bài tập vật lý (71,4%) Không HS nào muốn giữ nguyên không thay đổi gì

Như vậy có thể khẳng định thực trạng của dạy học vật lý tại một số lớp ở trường THPT Nông Cống II là:

Đối với học sinh: Trong thực tế nhiều khi học sinh thuộc những định nghĩa, định lý, quy tắc nhưng vẫn không giải được bài tập Nguyên nhân là học sinh không biết lập luận để vận dụng chúng Khi giáo viên yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức vật lý để giải bài tập nghĩa là yêu cầu các em thiết lập mối quan

hệ giữa các kiến thức mà các em đã học vào một trường hợp cụ thể Để tìm ra kết quả của bài toán phải trải qua rất nhiều các phép tính trung gian Nếu không phân tích được các bước trung gian này thì việc tìm đến kết quả cuối cùng sẽ rất khó khăn

Đối với giáo viên: Trong các tiết bài tập thường chỉ quan tâm đến kết quả bài toán mà chưa chú ý đến các suy luận và phân tích của học sinh để có được

kết quả đó Rèn luyện kỹ năng phân tích để tìm ra hướng giải cho các bài toán

vật lý là một bước rất quan trọng mà nhiều giáo viên thường bỏ qua Vấn đề này

có nhiều nguyên nhân:

- Do sự bó hẹp của thời gian 1 tiết dạy

- Do hình thức thi chủ yếu là trắc nghiệm nên giáo viên chỉ yêu cầu làm sao trong thời gian ngắn nhất học sinh đưa ra được kết quả còn không quan tâm đến các bước phân tích, lập luận

Vì vậy việc rèn luyện cho học sinh biết phân tích, suy luận là rất quan trọng và cần thiết cần phải làm một cách kiên trì, có kế hoạch, tạo thói quen, thành nếp nghĩ của học sinh, không để các em mò mẫn đi tìm lời giải

* Hậu quả của thực trạng trên.

- Nhiều học sinh không tìm ra được hướng giải quyết các bài toán mà mới chỉ áp dụng các kiến thức một cách máy móc

- Số học sinh yêu thích môn vật lý chưa nhiều

- Kết quả học tập của học sinh qua các bài kiểm tra, bài thi còn thấp so với các môn khác

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

2.3.1 Các bước để giải một bài toán vật lý.

Để có thể giải được tốt một bài tập định lượng thì giáo viên phải hướng dẫn học sinh theo các bước sau:

Bước 1: Tìm hiểu đề.

a Đọc kỹ đề bài toán

b Tìm hiểu ý nghĩa vật lý của các từ ngữ trong đề bài và diễn dạt bằng ngôn ngữ vật lý

c Biểu diễn các đại lượng vật lý bằng các ký hiệu và chữ cái quen dùng trong quy ước sách giáo khoa

d Vẽ hình (nếu cần)

e Xác định điều “cho biết” hay đã cho và điều “phải tìm” hay ẩn số

Bước 2: Phân tích hiện tượng vật lý mà đề bài đề cập.

a Căn cứ vào những điều đã cho biết, xác định xem hiện tượng đã nêu trong bài thuộc phần nào của kiến thức vật lý, có liên quan đến những khái niệm nào, định luật nào, quy tắc nào?

b Đối với những hiện tượng vật lý phức tạp thì phải phân tích ra thành những hiện tượng đơn giản, chỉ chi phối bởi một nguyên nhân, một quy tắc hay một định luật vật lý nhất định

c Tìm hiểu xem hiện tượng vật lý diễn biến qua những giai đoạn nào, mỗi giai đoạn tuân theo những định luật nào?

Bước 3: Xây dựng lập luận cho việc giải bài tập.

a Trình bày có hệ thống, chặt chẽ, logic để tìm ra mối liên hệ giữa những điều đã cho biết và những điều phải tìm

b Nếu cần phải tính toán định lượng thì lập công thức có liên quan đến các đại lượng cho biết, đại lượng cần tìm Thực hiện phép biến đổi toán học để cuối cùng tìm ra được một công thức toán học, trong đó ẩn số là đại lượng vật lý cần tìm, liên hệ với các đại lượng khác đã cho trong đề bài

c Đổi các đơn vị đo trong đề bài thành đơn vị của cùng một hệ đơn vị và thực hiện các phép tính toán

Bước 4: Bắt tay vào giải bài toán.

Dựa vào bước phân tích trên ta tìm các đại lượng trung gian E, F, G, H, I, K… Từ các đại lượng trung gian này ta tìm các đại lượng trung gian A, B, C Cuối cùng ta được đại lượng cần tìm

Bước 5: Thử lại và biện luận kết quả thu được.

Thử lại để chắc chắn kết quả là chính xác Khi giải bài tập vật lý không phải lúc nào cũng phù hợp với thực tế Vì vậy sau khi có kết quả phải biện luận để chọn kết quả phù hợp nhất với thực tế

phân

tích

bài

toán

Hướng giải quyết bài toán

Có thể mô tả phép phân tích bài toán theo sơ đồ sau:

2.3.2 Một số ví dụ minh họa.

Ví dụ 1: [3] Một vật dao động điều hòa, khi vật có li độ x1 = 4 cm thì vận tốc

v1=− 40√3 π cm/s Khi vật có li độ x1 = 4√2 cm thì vận tốc v1=40√2 π cm/ s Động năng, thế năng biến thiên với chu kì

Hướng dẫn cách phân tích bài toán:

Đại lượng cần tìm là chu kì biến thiên của động năng, thế năng (T’) Để tìm được T’ ta phải tìm được chu kì dao động (T) Để tìm T ta sử dụng công thức A2=x2+v2

ω2 cho hai vị trí (1) và (2)

Ta có sơ đồ phân tích

Lời giải:

Đại lượng cần tìm

Đại lượng trung

gian A

Đại lượng trung gian C

Đại

lượn

g trung

gian

Đại lượng trung gian B

Đại lượn g trung gian

Đại lượn g trung gian

Đại lượn g trung gian

Đại lượn g trung gian

Đại lượn g trung gian

x (cm) 3

-3 -4

t (10-1 s) 4

v1 = x1’

vmax của v1 + v2

Viết phương trình x1 từ đồ thị

v2 = x2’

Tìm A1; ω; φ1 từ đồ thị Tìm A2; ω; φ2 từ đồ thị

Viết phương trình x1 từ đồ thị

Áp dụng công thức A2=x2+ v2

ω2 cho hai vị trí (1) và (2) ta có:

x12+ v12

ω2 =x22+v22

ω2→ ω=√v12

−v22

x22

−x12 =10 π rad /s Chu kì dao động là T = 2 π

2 π

10 π=

1

5s

Chu kì biến thiên của động năng, thế năng là T '=T

2 =

1

10=0,1 s => Chọn A

Ví dụ 2: [3] Hai chất điểm dao động điều

hòa có đồ thị li độ - thời gian như hình vẽ

Tổng vận tốc tức thời hai chất điểm trên có

giá trị lớn nhất là

A 20π cm/s B 50π cm/s

Hướng dẫn cách phân tích bài toán:

Đại lượng cần tìm là giá trị lớn nhất của tổng vận tốc thức thời hai chất điểm

Ta có sơ đồ phân tích

Lời giải:

Phương trình dao động điều hòa của hai chất điểm có dạng:

x1 = A1cos(ωt + φ1)

x2 = A2cos(ωt + φ2)

Từ đồ thị ta có: A1 = 4 cm; A2 = 3 cm

T = 0,2 s => ω= 2 π

T =10 π

rad s

Tại t => => φ =

Với dao động (1): tại t = 0 thì { x1 =0

x1đang tăng →{cosφ1 = 0

sinφ1< 0→ φ1=

−π

2 rad

Với dao động (2): tại t = 0 thì x2 = -3 cm → φ2=π rad

Phương trình dao động hai chất điểm:

x1 = 4cos(10πt −2π) cm

x2 = 3cos(10πt +π) cm Phương trình vận tốc dao động hai chất điểm:

v1 = x1’= 40πcos(10πt) cm/s

v2 = x2’ = 30πcos(10πt +3 π2 ) cm/s Tổng vận tốc tức thời hai dao động là : v = v1 + v2 = 50πcos (10πt -0,64) cm/s

Từ phương trình ta thấy giá trị lớn nhất tổng vận tốc tức thời hai dao động là 50π

Ví dụ 3:[2] Một vật dao động điều hòa với chu kì T =1

4s Tại thời điểm t¿ 1

4s vật

có li độ 2 cm và vận tốc là 16π cm/s Chọn gốc tọa độ tại VTCB, gốc thời gian là lúc t¿ 1

4s Viết phương trình dao động điều hòa của vật

Hướng dẫn cách phân tích bài toán:

Đại lượng cần tìm là phương trình dao động điều hòa của vật

x = Acos(ωt + φ)

Ta có sơ đồ phân tích

Dựa theo sơ đồ này để viết được phương trình dao động điều hòa ta cần phải tìm được ω, A, φ Cuối cùng thay vào phương trình tổng quát ta được kết quả bài toán

Lời giải:

Phương trình dao động điều hòa có dạng x = Acos(ωt + φ)

Trong đó:

ω= 2 π

T = 8π rad/s

A2

=x2

+v2

ω2 => A = 2√2 cm

Tại t¿ 1

4s =>{x=2 v >0 => {cosφ=√2

2

sin φ<0 => φ = - π4

Quãng đường vật đi trong 1 chu kì là 4A => A = Tại t => => φ =?

x = Acos(ωt + φ)

Phương trình dao động điều hòa là x = 2√2cos(8πt - π4 ¿ cm

Ví dụ 4: [2] Một vật dao động điều hòa, trong khoảng thời gian 4 chu kì vật di

chuyển một đoạn dài 80 cm Khi vật đi qua VTCB nó có vận tốc 50√2 cm/s Chọn gốc tọa độ tại VTCB, gốc thời gian là lúc vật qua li độ x = 2,5 cm theo chiều dương Viết phương trình dao dộng điều hòa

Hướng dẫn cách phân tích bài toán:

Đại lượng cần tìm là phương trình dao động điều hòa của vật

Ta có sơ đồ phân tích

Dựa theo sơ đồ này để viết được phương trình dao động điều hòa ta cần phải tìm được ω, A, φ Cuối cùng thay vào phương trình tổng quát ta được kết quả bài toán

Lời giải:

Phương trình dao động điều hòa của vật có dạng x = Acos(ωt + φ)

Trong đó:

A= s 4 T

16 A=5 cm

ω= v max

50√2

5 =10√2 rad/s

Tại t¿ 0 =>{x=2,5 cm v >0 => {cosφ=1

2

sin φ<0 => φ = - π3rad

Phương trình dao động điều hòa của vật là x = 5cos(10√2t - π3 ¿ cm

Ví dụ 5: Một con lắc đơn có chiều dài l = 1,2 m dao động với biên độ góc 36π rad tại nơi có gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2 Vật nhỏ con lắc đi qua VTCB có tốc độ gần đúng bằng

A 24,45 cm/s B 32,12 cm/s C 20,54 cm/s D 29,92 cm/s

(Trích đề thi khảo sát chất lượng khối 12 của Sở GD & ĐT ngày 25/04/2021)

Hướng dẫn cách phân tích bài toán:

v = ω.S0

S0 = α0.l

Đại lượng cần tìm là tốc độ của con lắc khi qua VTCB Để tìm v ta sử dụng công thức

Ta có sơ đồ phân tích

Dựa theo sơ đồ này để tìm v ta phải tìm được ω và S0 sau đó thay vào công thức tính v ta được kết quả bài toán

Lời giải:

Tốc độ của vật khi qua VTCB được tính theo công thức v = ω.S0

Trong đó:

ω=√g l=√9,81,2=

7√6

6 rad /s

Biên độ dài của dao động: S0 = α0.l = 36π .1,2= π

30m

Tốc độ của vật khi qua VTCB là

v = ω.S0 = 0,2992 m/s = 29,92 cm/s => chọn D

Ví dụ 6: [3] Con lắc lò xo nằm ngang có khối lượng 250 g Từ VTCB kéo vật

đến vị trí lò xo dãn 4 cm rồ buông ra không vận tốc ban đầu để nó dao động điều hòa với cơ năng 0,08 J Chọn gốc thời gian là lúc vật bắt đầu dao động Chiều dương là chiều kéo vật Cường độ lớn nhất, nhỏ nhất lần lượt là

Hướng dẫn cách phân tích bài toán:

Lực kéo về được tính theo biểu thức F = - k.x = - mω2x

Fmin = 0

Fmax = mω2A

Dựa theo sơ đồ này để tìm được Fmax ta phải tìm được ω và A Để tìm A ta sử dụng công thức độc lập thời gian, để tìm ω ta sử dụng công thức tính cơ năng

Lời giải:

Lực kéo về được tính theo biểu thức F = - k.x = - mω2x

Fmin = 0

Fmax = mω2A