Phương pháp động lực học giải các bài toán cơ học lớp 10

Một số cơ sở lý luận của việc sử dụng phương pháp động lực học vào giải các bài toán thuận trong cơ học vật lý 10 .... Thực hành dạy học rèn luyện một số dạng hoạt động của việc vận dụng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT CHU VĂN AN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ HỌC LỚP 10

Người thực hiện : Lê Thanh Tùng Chức vụ : Giáo viên

SKKN thuộc môn : Vật lý

THANH HÓA, NĂM 2021

MỤC LỤC

Trang

I MỞ ĐẦU 2

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Nhiệm vụ của đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

4 Giả thuyết khoa học 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Giới hạn đề tại 2

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2

Chương I Một số cơ sở lý luận của việc sử dụng phương pháp động lực học vào giải các bài toán thuận trong cơ học vật lý 10 2

1 Một số vấn đề chung 2

1.1 Trong tâm lý học, năng lực vật lí được hiểu theo 2 nghĩa 2

1.2 Năng lực vận dụng phương pháp động lực học vào giải các bài toán thuận trong cơ học vật lý 10 3

2 Căn cứ vào việc sử dụng phương pháp động lực học vào các bài toán thuận trong cơ học 3

2.1 Căn cứ vào bản chất vật lí của việc sử dụng phương pháp động lực học vào các bài toán cơ 3

2.2 Căn cứ thực tiễn 4

3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 4

Chương II Thực hành dạy học rèn luyện một số dạng hoạt động của việc vận dụng phương pháp động lực học để giải các bài toán thuận trong cơ học 10 5

1 Vận dụng phương pháp động lực học để giải các bài toán cơ 5

2 Thực hành phương pháp động lực học để giải các dạng bài toán thường gặp10 2.1 Các bài toán về vật chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang 10

2.3 Bài toàn về chuyển động trên mặt phẳng nằm nghiêng 13

2.4 Bài toán về chuyển động trên phương thẳng đứng 14

2.5 Bài toán về dao động con lắc lò xo 14

2.6 Dùng để giả bài toán về ròng rọc động và ròng rọc cố định 15

2.7 Dùng để giải bài toán khi vật chuyển động trên quỹ đạo cong 15

2.8 Dùng để giải bài toán vật ném ngang và ném xiên 15

Chương III Kết quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường 15

1 Mục địch thực nghiệm 15

2 Tổ chức thực nghiệm 18

3 Kết quả thực nghiệm 18

III KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 18

1 Kết luận 18

2 Ý kiến đề xuất 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

I MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cơ học là một mảng kiến thức rất rộng, nó không những dừng lại ở vật lí

10 mà nó xuyên suốt chương trình vật lí THPT và lên cả Đại học, không nhữngthế nó còn hỗ trợ đáng kể cho các mảng kiến thức vật lí khác

Nhưng để nằm vững các kiến thức cơ bản của phần cơ học, chúng ta khôngthể, không nói đến vai trò và tầm quan trọng phần cơ vật lí 10 cụ thể là phầnđộng lực học

Mặt khác đối với các môn thuộc ban tự nhiên nói chung và vật lí mà cụ thểphần động lực học vật lí 10 nói riêng là phần bài tập có vị trí rất quan trọng trongquá trình học Nhưng để khắc phục những khó khăn trong quá trình giải toán cơhọc, thì học sinh phải sử dụng tốt các kiến thức vật lí và toán học, biết cách luânchuyển giữa các kiến thức toán học vào các hiện tượng vật lí và ngược lại

Do đặc thù của bộ môn vật lí nói chung, phần động lực học cơ 10 nói riêngluôn mô tả lại các hiện tượng xẩy ra, cũng như các qúa trình chuyển động củacác vật thể một cách trừu tượng, nên ngay từ đầu để khắc phục những khó khăn

mà bộ môn mang lại Thì trong quá trình giải bài tập, chúng ta phải hình dungcác hiện tượng vật lý qua các kiến thức hình học, mới miêu tả hết các khía cạnh

mà bài toán đề cập Nhưng kết thúc một vấn đề (hay kết quả bài tập) lại được thểhiện dưới dạng đại số (hay độ lớn) Vì vậy nên đa số các hình sinh rất lúng túngkhi bắt tay vào làm một bài tập hoặc nếu có hình dung được nhưng quá trình sửdụng các mảng kiến thức vật lí và toán học vào là một vấn đề rất nan giải và cầnphải khắc phục

Thông qua việc giải toán có thể giúp học sinh biết cách huy động tối đa cáckiến thức Nhờ vào quá trình luân chuyển giữa các mảng kiến thức khác nhau,

mà học sinh phát huy tốt năng lực tư duy, sảng tạo, sử dụng chính xác các lĩnhvực kiến thức, từ đó mà có thể nắm vững các kiến thức và bản chất của bộ mônvật lí Ngoài ra nó còn có thể giúp học sinh giải thích được các hiện tượng xảy ratrong cuộc sống mà mô tả dưới các ngôn ngữ vật lí

Do vậy tiềm kiếm các phương pháp để giảng dạy các bài toán cơ nói chung

và các bài toán ở phần động lực học vật lí 10 nói riêng là một vấn đề được mọingười quan tâm

Từ các yêu cầu và lí do nêu trên, tôi chon đề tài “Phương pháp động lực

học giải các bài toán cơ học lớp 10”.

2 Nhiệm vụ của đề tài

Trong đề tài này tôi lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Tìm hiểu cơ sở lý luận chung của bài tập vật lý và phương pháp làm bàitập vật lý ở nhà trường phổ thông

- Nghiên cứ lý thuyết về phương pháp động lực học vào giải các bài toántrong cơ học.

- Phân loại bài tập và đề ra phương pháp giải cho từng loại

- Lựa chọn hệ thống bài tập vận dụng

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Phương pháp vận dụng các định luật Niu - tơn và các lực cơ học để giải

các bài toán về Động lực học trong cơ học vật lí 10

- Các bài toán trong phần Động lực học vật lý 10 (Cho biết lực tác dụngvào vật, xác định chuyển động của vật : v, a, s, t ) trong chương II - Vật lý

10 và trong các tài liệu tham khảo dành cho học sinh ôn thi học sinh giỏi lớp 12cấp tỉnh

4 Giả thuyết khoa học

- Trong thực tế giảng dạy vật lí ở THPT, việc giảng dạy cho học sinh làmđược các bài tập cơ học bằng phương pháp động lực học đối và vận dụng kiếnthức đó vào các dạng bài tập có liên quan là một công việc không kém phầnquan trọng của giáo viên Thông qua đó rèn luyện cho học sinh khả năng tư duylôgic, phát huy tính sáng tạo của bản thân Do đó tôi hệ thống lại các dạng bài

tập thường gặp trên tinh thần của phương pháp Grap để các em dễ dàng giải

quyết khi gặp phải

- Khai thác có hiệu quả phương pháp sẽ góp phần nâng cao chất lượng nắmkiến thức, vận dụng và đạt kết quả tốt trong các kỳ thi

- Để làm được điều đó người thầy giảng vật lí phải cung cấp cho học sinhcác kiến thức cơ bản và phương pháp suy nghĩ ban đầu liên quan đến các dạngbài tập ở mảng kiến thức đó Cụ thể là xây dựng các bài tập cơ bản và trọngđiểm vận dụng các kiến thức đó

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Chương I Một số cơ sở lý luận của việc sử dụng phương pháp động lực học vào giải các bài toán trong cơ học vật lý 10

1 Một số vấn đề chung

1.1 Trong tâm lý học, năng lực vật lí được hiểu theo 2 nghĩa

2

Một là: Theo ý nghĩa năng lực học tập, tức là khả năng nắm bắt các kiến

thức ở Trường phổ thông một cách nhanh chóng và hiệu quả

Hai là: Theo ý nghĩa năng lực tư duy, sáng tạo trong quá trình hoạt động

nghiên cứu vật lí, từ đó tạo ra những kết quả mới một cách khách quan

Nhưng khi nói đến năng lực học tập vật lí không thể không nói đến nănglực tư duy, sáng tạo và kiến thức vật lý, hai cái này luôn hoà quện và song hànhvới nhau

Việc rèn luyện và phát triển những năng lực về lĩnh vực vật lí ở học sinh làmột nhiệm vụ quan trọng của thầy giáo Vì vật lí là một bộ môn có một vai tròhết sức quan trọng trong các ngành khoa học, kỹ thuật và công nghệ Vậy cầnthiết phải có một đội ngũ những người có năng lực về kiến thức vật lí Mặt khácnhà trường là nơi cung cấp cho học sinh những cơ số đầu tiên về các kiến thứcvật lí, mà không ai khác đó chính là những người thầy là những người đặt nềnmóng vững chắc để cho các mầm non có thể vững bước trong tương lai

1.2 Năng lực vận dụng phương pháp động lực học vào giải các bài toán trong cơ học vật lý 10

Đây là một quá trình kết hợp hài hoà giữa các kiến thức vật lí và kiến thứctoán học, việc rèn luyện học sinh năng lực sử dụng phương pháp động lực học làmột nhiệm vụ quan trọng trong dạy học vật lí, nhờ đó giúp học sinh hiểu sâu cáckiến thức vật lí ở THPT, mặt khác giúp học sinh tự định hướng, huy động mộtcách tối đa các tri thức và từ đó mà tự tin, tìm ra các phương pháp giải toán vật líkhác Thông qua hoạt động này nhằm rèn luyện và phát triển năng lực, nhậnthức sáng tạo của học sinh, nâng cao hiệu quả dạy và học đối với bộ môn vật lý

Cho một vật có khối lượng m = 200g bắt đầu chuyển động nhanh dần đều

Hay ta có thể tiến hành từng bước như sau:

- Chọn trục toạ độ Ox nằm ngang, gốc O tại vị trí ban đầu, chiều dươngtrùng với chiều chuyển động của vật

 Fk=0,02 + 0,02 = 0,04 (N)

Do sự phức tạp của bộ môn cụ thể là các dạng bài tập ở phần cơ trongchương trình THPT Nên ta không thể sử dụng phương pháp một được, vìphương pháp này cần sự tư duy cao độ, khả năng lôgic rất ít là điều khó khănkhi giải các bài toán cơ lớp12 Nên ta cần sử dụng phương pháp 2 vì phươngpháp này có sự lôgic giữa các bước biến đổi, ta thấy ở phương pháp này bắt đầu

từ ngôn ngữ hình học và kết thúc là ngôn ngữ đại số nên nó đã biểu diễn hết cáckhía cạnh mà đề bài đã đề cập Đây là phương pháp giải toán bằng phương phápđộng lực học Vậy căn cứ vào bản chất vật lí học có thể định hướng xây dựngquy trình vận dụng phương pháp động lực vào giải các bài toán cơ ở chươngtrình THPT

2.2 Căn cứ thực tiễn

Do tầm quan trọng của chương trình vật lí lớp 10 cụ thể là phương phápđộng lực học khi bước chân lên chương trình cơ học lớp12 Mặt khác do hạn chếcủa chương trình sách giáo khoa vật lí lớp10, có nghĩa ở chương trình vật lílớp10 đa số các bài tập đều xuất phát và kết thúc ở lĩnh vực đại số, mà khôngxuất phát từ ngôn ngữ hình học điều này làm cho học sinh không năm vững cáckiến thức, cũng như các thao tác để làm bài tập cơ, không những thế không ítcác học sinh có thể nhớ các kiến thức, nhưng một cách máy móc nên có thể giảiquyết được một số bài tập đơn giản, nhưng không giải thích cụ thể được cáchiện tượng, bản chất và nguồn gốc của các đại lượng được tìm ra Điều này dẫnđến khi làm các bài tập khác có tính phức tạp hơn các em gặp rất nhiều khó khăn

và đây là trở ngại khi các em bước lên chương trình cơ lớp12

Hơn nữa trong quá trình giảng dạy do điều kiện của thời gian nên giáo viênchỉ mới truyền thụ được những kiến thức cơ bản trong sách giáo khoa, từ đó màdẫn đến học sinh thường giải quyết các bài tập mang tính dập khuôn, máy móc,chưa phát huy một cách tích cực tính tư duy lôgic, sáng tạo của bản thân khi giảicác bài toán cơ nói riêng và bài toán vật lí ở trong chương trình THPT nói chung

3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

Dựa vào tính lôgic khi trình bày các bài toán cơ, vào kinh nghiệm và thựctiễn giảng dạy, đồng thời căn cứ vào mối liên quan giữa kiến thức được trình

4

bày trong sách giáo khoa vật lí 10 và quy trình giải các bài toán cơ ở chươngtrình vật lí THPT gồm 4 bước cơ bản.

- Chọn hệ quy chiếu sao cho việc giải bài toán đơn giản nhất

- Biểu diễn các lực tác dụng lên vật trên hình vẽ

- Xác định gia tốc của vật theo đinh luật II Niutơn

- Dựa vào các điều kiện ban đầu, xác định được chuyển động của vật

Việc học sinh thực hiện đúng các quy trình để làm toán ngay ở chươngtrình vật lí 10 giúp học sinh có thể hiểu sâu hơn các kiến thức, tạo điều kiện đểhọc sinh phát huy tối đa khẳ năng tư duy, sáng tạo từ đó có thể giải được các bàitoán cơ khác có tính phức tạp hơn

Chương II Thực hành dạy học rèn luyện một số dạng hoạt động của việc vận dụng phương pháp động lực học để giải các bài toán trong cơ học vật lý 10

1 Vận dụng phương pháp động lực học để giải các bài toán cơ

Để giải 1 bài toán cơ học bằng phương pháp động lực học ta phải tuân thủcác quy trình giải, không những thế còn phải kết hợp giữa các kiến thức vật lívới các kiến thức toán học cụ thể là hình học ở phần vectơ và đại số biểu diễnqua độ lớn, từ đó học sinh có thể rèn luyện được các kỹ năng, thao tác, vận dụngmột cách có hệ thống giữa các kiến thức vật lí qua lý thuyết và các kiến thứctoán học vào việc giải bài tập Để làm được điều đó học sinh cần năm vững cáckiến thức cơ bản về vật lí và toán học

Một vật sẽ đứng in hoặc chuyển động thẳng đều nếu không chịu lực nào tácdụng hoặc các lực tác dụng vào nó cân bằng nhau.

+ Định luật III Niutơn

Khi vật A tác dụng vào vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại vật Amột lực Hai lực này là hai lực trực đối, có nghĩa là cùng giá, cùng độ lớn nhưngngược chiều F ABF BA

* Các kiến thức toán học.

+ Biểu diển một vectơ thông qua đó biểu diễn lực dưới dạng vectơ cần chú ý:Gốc đặt ở một điểm trên vật

Hướng phụ thuộc vào hướng của lực tác dụng lên vật

Độ dài biểu diễn độ lớn của lực

Chú ý: Khi chiếu một vectơ lực xuống hệ quy chiếu để khử dấu vectơ thì ta

chiếu lần lượt gốc, ngọn của vectơ ấy xuống hệ quy chiếu đã chọn và cấn chú ýchiều của nó với chiều của trục toạ độ đã chọn

+ Nếu A  B thì AB = 0

+ Nếu A  B thì AB = AB

Sử dụng các kiến thức về lượng giác và các tính chất về mối liến hệ giữacác cạnh và góc trong tam giác

Vậy để khắc phục được những khó khăn khi giải toán cơ học học sinh cần

sử dụng kết hợp hài hoà giữa các kiến thức vật lí và toán học một cách có hiệuquả nhât

Ví dụ 1: Cho một vật có khối lượng m = 500kg, chuyển động trên đường

thẳng nằm ngang với lực kéo F= 1000 N, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳngngang  = 0,1 Tính gia tốc của vật?

Lời giải

- Chọn hệ trục toạ độ Oxy

Gốc toạ độ O trùng với vị trí ban đầu của

vật, Ox > 0 hướng từ trái qua phải, trùng với

chiều chuyển động của vật, chiều Oy hướng

+ Chiếu (1) lên trục Oy: N - P = 0  N = P = m.g (3) Thay (3) vào (2) ta có: Fk - .m.g = m.a  a = (Fk - .m.g)/m

Ví dụ 2: Một vật có khối lượng m = 2 kg được kéo bởi một lực có độ lớn

5N và hợp với phương nằm ngang một góc  = 30 Biết sau khi bắt đầu chuyểnđộng 2s vật chuyển động nhanh dần đều đi được quảng đường 4m Cho g = 10m/s2 Tính hệ số ma sát giữa vật và sàn

Lời giải:

- Chọn hệ trục toạ độ Oxy

Gốc toạ độ O trùng với vị trí ban

đầu của vật, Ox > 0 hướng từ trái qua

phải, trùng với chiều chuyển động của

vật chiều Oy hướng lên trên

Mặt khác: s = v0 t + a.t2/2 = a.t2/2 (do v0 = 0)  a = 2s/t2 = 2.4/4 = 2 m/s2.Thay số vào (4):   = 0,019

Căn cứ vào một số đặc điểm riêng của một số bài toán ta thấy khi sử dụngphương pháp động lực học để giải các bài toán cơ bước đầu tiên là giải sử dụngngôn ngữ hình học cụ thể là nắm được các kiến thức về một vectơ Đây cũng lànhững kiến thức có thể mô tả hết các khía cạnh mà đề bài mô tả, nhưng cần chú

ý ta phải khử làm sao hay luôn chuyển như thế nào để có thể chuyển từ ngônngữ vectơ sang ngôn ngữ đại số từ đó ta mới thu được kết quả mà đề bài cần,vậy để chuyển đổi được ta phải sử dụng kết hợp, phương pháp khác đó là phépchiếu Khi sử dụng phép chiếu cần chú ý đến gốc, ngọn, chiếu lần lượt vuônggóc xuống trục toạ độ mà ta đã chọn, từ đó tính được độ lớn của vectơ (hay là độlớn của lực tác dụng lên vật)

Vậy quá trình dạy học của giáo viên là giúp học sinh có thể tự làm một bàitập cơ, kể cả bài đơn giản đến phức tạp, dạy cho học sinh biết cách vận dụng cácmảng kiến thức đã được học vào bài tập

Oy

x

Quy trình giải bài toán thuận trong cơ học vật lý 10 bằng phương pháp động lực học là.

* Bước 1:

- Chọn hệ quy chiếu

+ Có thể chọn hệ trục toạ độ Oxy hay trục toạ độ Ox (gồm: gốc, phương,chiếu) sao cho việc giải bài toán đơn giản nhất

* Bước 2: Phân tích các lực tác dụng lên vật.

* Bước 3: Áp dụng định luật II Niutơn, viết phương trình động lực học của

các lực tác dụng vào vật dưới dạng vectơ

* Bước 4: Chiếu phương trình động lực học trên lên hệ quy chiếu đã được

chọn, từ đó kết hợp với kiến thức toán học biến đổi để xác định các điều kiện đềbài cần tìm

Ví dụ 1: Cho một vật có khối lượng m = 10 kg được kéo trượt trên một mặt

bàn nằm ngang bởi lực F hợp với phương nằm ngang một góc  = 30 Với lực F

= 20N, và hệ số ma sát trượt giữa vật và sàn là  = 0,1 Tính gia tốc của vật Cho g = 10 m/s2

nằm ngang, chiều dương từ trái qua

phải (trùng với chiều chuyển động của

- Chiếu phương trình động lực học (1) lên hệ quy chiếu để khử vectơ có

nghĩa chuyển đổi ngôn ngữ từ hình học sang đại số để thu kết quả

8

Oy

x

+ Chiếu (1) lên hệ toạ độ Oxy:

+ Lên trục Ox: Fk1 - Fms = m.a  Fkcos - N= m.a (2)+ Lên trục toạ độ Oy: Fk2 + N - P = 0  N = P - Fk2 = m.g - Fk.sin (3)

nhỏ không giãn, đặt lên trên mặt bàn nằm ngang không ma sát Tác dụng lực

khi bắt đầu chuyển động 2s Bỏ qua mat sát giữa vật và mặt bàn

Lời giải

* Bước 1:

- Chọn hệ quy chiếu,

chọn trục toạ độ Ox nằm

ngang, gốc toạ độ  vị trí ban

đầu của hệ vật, chiều dương 

chiều tác động của hệ từ trái

qua phải như hình vẽ

* Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng lên vật:

- Vật m1: Chịu tác dụng 4 lực cơ bản: Trọng lực P1 , phản lực N1 , lực kéo

F



và lực căng T1 ,

- Vật m2: Chịu tác dụng của 3 lực: Trọng lực P2 , phản lực N2 và lực căng T2 :

* Bước 3: áp dụng định luật II Niutơn viết phương trình động lực học cho

* Bước 4: Chiếu lần lượt lên các phương trình (1) còn lên hệ quy chiếu.

- Chiếu (1) lên trục toạ độ Ox