Áp dụng các định luật bảo toàn giải bài toán va chạm chương trình vật lý 10

MỤC LỤCSỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT LÊ LỢI SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN GIẢI BÀI TOÁN VA CHẠM - CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ 10 Người thực hiện: Lê Văn Sáu

MỤC LỤC

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT LÊ LỢI

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN GIẢI BÀI TOÁN

VA CHẠM - CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ 10

Người thực hiện: Lê Văn Sáu Chức vụ: Phó Hiệu trưởng SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lí

THANH HOÁ NĂM 2021

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU

1.5 Điểm mới của SKKN 4

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm 42.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 52.3 Các sáng kiến kinh nghiệm, giải pháp đã sử dụng để giải quyết

2.3.2 Hệ thống bài tập vận dụng các định luật bảo toàn trong va

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo

dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường 17

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Dân tộc Việt Nam ta trường tồn và phát triển như ngày nay là nhờ nhiều yếu

tố trong đó một yếu tố có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đó là việc chăm lo đến giáodục Trong môi truờng cạnh tranh, với các điều kiện so sánh giống nhau, nước nàobiết cách chăm lo đến giáo dục bồi dưỡng nhân tài, nước đó sẽ nhanh chóng chiếmlĩnh ưu thế về kinh tế - kỹ thuật và từ đó phát huy nhanh chóng sức mạnh tổng hợpthúc đẩy nền kinh tế phát triển

Cũng theo hội nghị Ban chấp hành trung ương 8 khóa XI đã đưa ra nghịquyết số 29/NQ-TW ngày 04/11/2013 và Nghị quyết số 44/NQ-CP ngày09/06/2014 của chính phủ về ban hành Chương trình hành động, đổi mới căn bảntoàn diện giáo dục và đào tạo đáp ứng yêu cầu của xã hội và hội nhập quốc tế Đặcbiệt, các nghị quyết nhấn mạnh về việc đổi mới chương trình SGK phổ thông,khung chương trình đạo tạo ở các bậc ĐH và THCN theo định hướng phát triểnnăng lực, tư duy sáng tạo của người học

Từ những mục tiêu đó, giáo dục phổ thông đang chú trọng đến việc đổi mớiphương pháp dạy học, nhằm bồi dưỡng cho học sinh năng lực sáng tạo, năng lựcgiải quyết vấn đề

Trong dạy học Vật lí, để nâng cao chất lượng học tập và phát triển năng lựcgiải quyết vấn đề của học sinh có nhiều phương pháp khác nhau Trong đó, hướngdẫn học sinh áp dụng các định luật, định lí, công thức vào giải bài tâp vật lí là rấtquan trọng, có tác động tích cực đến việc giáo dục và phát triển học sinh Đồngthời cũng là thước đo thực chất, đúng đắn về kiến thức và kĩ năng của học sinh.Mặt khác, số lượng bài tập vật lí trong sách giáo khoa và các sách bài tập khánhiều, việc lựa chọn và sử dụng hiệu quả, giúp bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn

đề cho học sinh, đòi hỏi giáo viên phải có sự chuẩn bị tốt nhất để đạt được hiệu quảmong muốn

Bài tập vật lí là một phương tiện giúp nâng cao năng lực phát hiện và giảiquyết vấn đề cho học sinh rất hiệu quả Bằng nhiều dạng bài tập, nhiều cách khaithác khác nhau, sẽ tạo ra nhiều biện pháp sử dụng bài tập bồi dưỡng năng lực giảiquyết vấn đề cho học sinh

Thực tế hiện nay ở các trường phổ thông khi giảng dạy, các giáo viên chưachú trọng đến việc định hướng cho học sinh vận dụng kiến thức lý thuyết vào trongcác vấn đề thực tiễn Đặc biệt là những tiết bài tập, chủ yếu giáo viên chỉ giải cácbài tập giáo khoa thuần túy, chưa đào sâu suy nghĩ để xây dựng được một hệ thốngbài tâp với mục đích tăng thêm khả năng tư duy sáng tạo và nâng cao năng lực vậndụng kiến thức vào giải quyết các vấn đề trong thực tiễn Giáo viên phần lớn chưa

có sự đính hướng bồi dưỡng, xây dựng cho học sinh khả năng chủ động phát hiệnvấn đề và cách giải quyết vấn đề Khi hoạt động nghiên cứu về lĩnh vực này, chưa

có nghiên cứu về việc sử dụng bài tập vật lí để phát triển năng lực giải quyết vấn

đề cho học sinh một cách đầy đủ

Với những lí do trên, tôi chọn đề tài SKKN: Áp dụng các định luật bảo

toàn giải bài toán va chạm chương trình Vật lí lớp 10.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Sau khi nghiên cứu, tôi đã chọn đề tài: Áp dụng các định luật bảo toàn giải

bài toán va chạm chương trình Vật lí 10 Với mục đích xây dựng một hệ thống

bài tập trong va chạm giúp các em nâng cao kiến thức, vận dụng lí thuyết vào gảicác bài tập cụ thể thông qua đó áp dụng vào trong đời sống

1.3 Đối tượng nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu

- Thực hiện các tiết dạy bài tập để vận dụng các định luật bảo toàn bài toán

va chạm với đối tượng là các em học sinh lớp10 ở trường THPT

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các văn kiện, nghị quyết của Đảng, các văn bản của Nhà nước

và của ngành Giáo dục - Đào tạo về đổi mới PPDH, nâng cao chất lượng giáo dục

- Nghiên cứu về tổ chức hoạt động nhận thức của HS trong học tập, về hoạtđộng giải BTVL trong quá trình học

- Nghiên cứu chương trình sách giáo khoa, sách BT, tài liệu tham khảochương “Các đinh luật bảo toàn”, Vật lí 10 trung học phổ thông, các bài báo, tạpchí chuyên ngành

- Tiến hành kiểm tra, đánh giá chất lượng học tập của HS sau khi sử dụng

bài tập theo hướng phát triển NLGQVĐ cho HS trong dạy học.

1.5 Điểm mới của SKKN

Về lý luận:

- Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và bài tập

- Đề xuất các đặc điểm của bài tập theo hướng phát triển năng lực giải quyếtvấn đề

Về thực tiễn:

- Đánh giá thực trạng việc vận dụng lí thuyết vào giải bài tập trong dạy họcVật lí ở một số trường THPT

- Xây dựng được hệ thống bài tập về va chạm Vật lí 10

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

ngữ hàng ngày thì va chạm xảy ra khi một vật va vào một vật khác Các va chạm

có thể là: những quả bia, cái búa và cái đinh, một quả bóng chày và một chày đậpbóng và còn rất nhiều va chạm khác nữa Va chạm cũng có rất nhiều ứng dụngtrong thực tế Ví dụ như: đo vận tốc của đạn bằng cách cho đạn va chạm với con

4

lắc thử đạn… Trong chương trình vật lí phổ thông các bài toán về va chạm là cácdạng bài toán hay và khó Va chạm có rất nhiều đặc điểm và với mỗi đặc điểm ta

có một loại va chạm khac nhau Việc phân biệt các loại va chạm và phân tích quátrình xảy ra va chạm là một điều khá khó khăn đối với học sinh phổ thông Chuyên

đề “bài toán va chạm” đưa ra nhằm giúp học sinh hiểu rõ các loại va chạm và đặcđiểm của từng loại va chạm, hướng giải quyết các bài toán va chạm Từ đó họcsinh có thể vận dụng kiến thức để giải các bài toán va chạm từ đơn giản đến phứctạp hình thành cho học sinh kĩ năng phân tích hiện tượng đưa ra cách giải quyếtngắn gọn và đúng nhất Mục tiêu của SKKN để học sinh hiểu được khái niệm vachạm, phân biệt được các loại va chạm và đặc điểm của chúng, vận dụng các địnhluật bảo toàn để áp dụng giải các bài toán va chạm từ đơn giản đến phức tạp, từ đó

có thể áp dụng các kiến thức về va chạm vào thực tế đời sống hàng ngày

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

+ Khó khăn về phía GV:

- Dung lượng về kiến thức phần này lớn

- Thời gian trong chương trình lại không nhiều

2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm, giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 2.3.1: Cơ sở lý thuyết

1.Va chạm mềm

a Khái niệm:

Người ta gọi va chạm giữa các vật là va chạm mềm nếu sau va chạm hai vật

dính liền với nhau thành một vật Trong va chạm mềm một phần động năng của

các quả cầu đã chuyển thành nhiệt và công làm biến dạng các vật sau va chạm

b Định luật bảo toàn trong va chạm mềm:

Trong va chạm mềm động lượng được bảo toàn: Tổng động lượng của các vậttrước va chạm bằng tổng động lượng các vật sau va chạm

Phương trình Định luật bảo toàn động lượng :

Lưu ý: Trong va chạm mềm không có định luật bảo toàn động năng nên ta có phần

động năng tổn hao trong quá trình va chạm

Động năng của hai vật trước va chạm:

mà giảm được phần động năng tiêu hao thành nhiệt.

c Áp dụng:

Sau đây chúng ta sẽ trình bày một

áp dụng của va chạm mềm để xácđịnh vận tốc ban đầu của đầu đạnkhi bay ra khỏi nòng súng .Để xác định vận tốc v10 của viên

đạn có khối lượng m1 khi bay rakhỏi nòng súng, người ta bắn viênđạn vào một bao cát có khối lượng

m2 đứng yên (v20 = 0) Sau va chạm,viên đạn và bao cát dính vào nhau

và có cùng vận tốc là v Bao cátđược treo bằng một thanh kim loại cứng có chiều dài l Đầu thanh có gắn mộtlưỡi dao O làm trục quay Nhờ động năng sau va chạm mà hệ quay đi một góc  ,

và được nâng lên một độ cao h so với vị trí cân bằng Tất cả động năng của hệ đãchuyển thành thế năng Đo góc  , biết m1, m2 và l ta có thể xác định được vận tốcban đầu v10 của viên đạn khi bay ra khỏi nòng súng Thật vậy, áp dụng (IV.6) và để

ýrằng v20 = 0 ta có :

1 10

1 2

m v v

Theo định luật bảo toàn cơ năng ta có:

a Khái niệm: Người ta gọi va chạm giữa hai vật là hoàn toàn đàn hồi nếu

trong quá trình va chạm không có hiện tượng chuyển một phần động năng của các

vật trước va chạm thành nhiệt và công làm biến dạng các vật sau va chạm Nói

cách khác, sau va chạm đàn hồi các quả cầu vẫn có hình dạng như cũ và không hề

bị nóng lên

b Định luật bảo toàn trong va chạm mềm.

- Định luật bảo toàn động lượng: Tổng động lượng các vật liền trước va chạm

bằng tổng động lượng các vật liền sau va chạm

- Định luật bảo toàn cơ năng: Cơ năng của hệ liền trước va chạm bằng cơ

năng của hệ liền sau va chạm

3 Va chạm đàn hồi xuyên tâm ( trực diện – va chạm thường gặp trong bài

toán Vật lí cơ bản)

a Khái niệm: Là va chạm đàn hồi mà các vật va chạm có véc tơ vận tốc nằm

trên cùng một đường thẳng đường đó là đường nối tâm các vật va chạm

b Định lật bảo toàn trong va chạm đàn hồi xuyên tâm: Có hai định luật như

trong va chạm đàn hồi nhưng do các vật va chạm có cùng độ cao nên động năngcủa hệ đựơc bảo toàn

Xét hai vật có khối lượng m1 và m2 chuyển động trong mặt phẳng nằm ngangđến va chạm trực diện với nhau Vận tốc ban đầu của các vật lần lượt là v10và v 10.Trong mặt phẳng nằm ngang chúng ta có thể áp dụng định luật bảo toàn độnglượng của các vật tham gia va chạm, tức là :

m v1 10  m v2 20  m v1 1  m v2 2 (3)

trong đó v2 và v2 là vận tốc của các vật sau va chạm

Áp dụng định luật bảo toàn động năng ta có

Vì các vectơ v v v v 10, 20, , 1 2 có cùng phương nên ta chuyển phương trình vectơ (3)thành phương trình vô hướng

Lưu ý: Trong công thức (6), (7) v v v v có giá trị đại số.10, 20, ,1 2

Ta xét một trường hợp riêng của biểu thức (6) và (7) :

Giả sử hai quả cầu hoàn toàn giống nhau, tức là m1 = m2 Từ (4) và (5) ta có :

có vận tốc của quả cầu thứ hai trước khi có va chạm và ngược lại

Hình sau minh họa trường hợp một trong hai quả cầu trước va chạm đứng yên :

Hình bên cho thấy sau va chạm, quả cầu thứ hai có vận tốc v2 = v10 = 0, nghĩa là

nó đứng yên như quả cầu thứ nhất trước khi va chạm, còn quả cầu thứ nhất sau vachạm lại có vận tốc v1 = v20 nghĩa là nó chuyển động như quả cầu thứ hai trước khi

va chạm Hai quả cầu đã thay đổi vai trò cho nhau Nếu ma sát ở điểm treo dây rấtnhỏ thì các quả cầu sẽ lần lượt lúc đứng yên lúc chuyển động xen kẽ nhau

4.Va chạm thực tế giữa các vật ( Phần hiểu biết thêm).

Thực tế, va chạm giữa các vật không hoàn toàn đàn hồi cũng như không phải là

va chạm mềm mà là trường hợp trung gian giữa hai trường hợp trên Trong quátrình va chạm, một phần động năng của các vật đã chuyển thành nhiệt và công biến

8

dạng mặc dù sau va chạm hai vật không dính liền nhau mà chuyển động với nhữngvận tốc khác nhau.

Từ thời Niutơn, bằng thực nghiệm người ta đã xác định được rằng trong va

chạm thật giữa các vật thì tỉ số e của vận tốc tương đối (tức là hiệu của hai vận tốc)

sau va chạm (v1  v2 ) và vận tốc tương đối trước va chạm (v10  v20 )chỉ phụ thuộcvào bản chất của các vật va chạm :

1 2

10 20

v v e

Như vậy, đối với va chạm hoàn toàn đàn hồi thì e = 1 Trong va chạm mềm thì

vì sau va chạm hai vật cùng chuyển động cùng với vận tốc v như nhau nên vận tốctương đối của chúng sau va chạm bằng không, do đó e = 0 Đối với va chạm củacác vật thật thì e có gia trị giữa 0 và 1

Niutơn đã xác định được với thủy tinh thì e = 15/16 còn đối với sắt thì e = 5/9.Biết hệ số đàn hồi e , ta có thể xác định được vận tốc sau va chạm của các vật

và phần động năng tiêu hao trong va chạm Thật vậy, từ định nghĩa của hệ số đànhồi e ở trên và định luật bảo toàn động lượng ta có hệ phương trình :

v1 v2 e v( 10  v20)

m v1 1m v2 2 m v1 10 m v2 20

Muốn giải hệ phương trình này, chúng ta nhân hai vế của phương trình đầu với

m2 rồi cộng phương trình thu được với phương trình thứ hai của hệ ta được :

2.3.2 Hệ thống bài tập vận dụng các định luật bảo toàn trong va chạm.

1.Bài toán thuận: Biết trạng thái động học của cơ hệ trước và sau va chạm

tìm xung lực và mất mát động năng

Bài tập 1: Quả bóng có khối lượng m = 500g chuyển động với vận tốc v = 10 m/s

đến đập vào tường rồi bật trở lại với vận tốc v, hướng vận tốc của bóng trước vàsau va chạm tuân theo quy luật phản xạ gương Tính độ lớn động lượng của bóngtrước, sau va chạm và độ biến thiên động lượng của bóng nếu bóng đến đập vàotường với góc tới bằng:

sẽ tạo thành một tam giác đều

10

Nhận xét: Đây là loại bài toán về độ biến thiên động lượng và xung lượng của lực

tác dụng lên vật Chỉ cần xác định và vẽ chính xác vectơ động lượng của vật lúc trước và sau va chạm từ đó xác định được đúng vectơ biểu thị độ biến thiên động lượng và xác định được lực F (phương, chiều, độ lớn) làm biến thiên động lượng của vật (dĩ nhiên, ngược lại, nếu biết F suy ra  p) Ở đây chỉ nói đến lực trung bình, bởi vì trong khoảng thời gian  t, lực F có thể thay đổi Cần chú ý rằng có lực ma sát nên vận tốc bật ngược trở lại của quả bóng có thể có độ lớn và phương khác với vận tốc lúc va chạm (đề bài sẽ cho biết).

Bài tập 2: Một vật khối lượng m1 chuyển động với vận tốc V1 đến va chạm vào vậtkhác có khối lượng m2 đang đứng yên Sau va chạm 2 vật dính vào nhau và cùngchuyển động với vận tốc V ,

a Tính V , theo m1, m2 và V1

b Chứng tỏ trong va chạm này (va chạm mềm) động năng không được bảo toàn

c Tính phần trăm động năng đã chuyển thành nhiệt trong 2 trường hợp sau đây vànêu nhận xét:



b Trong va chạm mềm động năng không được bảo toàn

Động năng của hệ hai vật trước va chạm

Wđ = 2

1 1

1

m V 2Động năng của hệ hai vật sau va chạm

2 1

12

2 1

c Phần trăm động năng đã chuyển thành nhiệt

Theo định luật bảo toàn năng lượng, phần động năng đã giảm đúng bằng nội năng(nhiệt) tỏa ra:

Q = Wđ - W,

m 1

12

1 1 1

Ta kiểm tra lại định luật bảo toàn năng lượng Ban đầu năng lượng của hệ hai hòn

bi là thế năng m1gl của hòn bi A ở độ cao 1 Về sau hệ có thế năng m 1

gl

3 , cơ năngkhông được bảo toàn là một phần Q = 2m gl 1

3 đã chuyển thành nhiệt trong quá trình

va chạm mềm Nhưng năng lượng được bảo toàn:

m1gl = Q + m gl 1

3b.Va chạm là đàn hồi: Gọi v1 và v2 là vận tốc của hòn bi A và hòn bi B ngay sau vachạm Áp dụng định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn động năng cho

Ta kiểm tra lại định luật bảo toàn năng lượng Ban đầu năng lượng của hệ hai hòn

bi là thế năng m1gl của hòn bi A ở độ cao l về sau hệ có thế năng:

Wt1 = Wt2 = 1 1

1

m gl 8m gl

m gl

9  9  bằng năng lượng ban đầu

Nhận xét : Đây là loại bài toán va chạm giữa hai vật Trong trường hợp va chạm

mềm (như trong ví dụ trên hoặc trong bài toán về con lắc thử đạn), ta áp dụng định luật bảo toàn động lượng, trong đó cần chú ý rằng sau va chạm vật có cùng vận tốc (hai vật “dính vào nhau”); trong trường hợp này động năng (cơ năng) không được bảo toàn, một phần động năng ban đầu biến thành nội năng (nhiệt và biến dạng) Còn trong trường hợp va chạm đàn hồi thì áp dụng định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn động năng; trong trường hợp này có thể thay định luật bảo toàn động năng bằng quy tắc: vận tốc tương đối giữa hai vật giữ nguyên độ lớn nhưng đổi chiều; cụ thể là trong thí dụ trên có thể thay phương trình (8) bằng phương trình v 2 = 2v

3 và v 1 = - v

3

2 Bài toán nghịch: Cho cơ hệ và các xung lực ngoài và các yếu tố động học trước

va chạm Tìm các yếu tố động học của cơ hệ sau va chạm

Bài tập 1: Một viên bi khối lượng m bắn ngang vào cạnh huyền BC của một cái

nêm khối lượng M đang nằm yên trên mặt phẳng nhẵn nằm ngang như hình vẽ.Biết rằng sau va chạm nêm sẽ chuyển động trên mặt phẳng ngang, còn bi sẽ nẩythẳng đứng lên với độ cao tối đa là h = 2m Coi va chạm giữa bi và nêm là đàn hồi.Tính vận tốc chuyển động của nêm, biết M 10

, 1