Phát triển năng lực tự học và năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh thông qua bài tập đồ thị hình sin của dao động điều hòa

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT QUẢNG XƯƠNG 2 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM TÊN ĐỀ TÀI: PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC TỰ HỌC VÀ NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THÔNG QUA BÀI TẬP ĐỒ TH

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT QUẢNG XƯƠNG 2

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

TÊN ĐỀ TÀI:

PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC TỰ HỌC VÀ NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THÔNG QUA BÀI TẬP ĐỒ THỊ HÌNH SIN CỦA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

Người thực hiện: Mai Thị Hiếu Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc môn: Vật lí

THANH HÓA NĂM 2021

MỤC LỤC

Trang

1 Mở đầu… 2

1.1 Lí do chọn đề tài 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 3

2.1 Cơ sở lí luận 3

2.1.1 Năng lực tự học 3 2.1.2 Năng lực giải quyết vấn đề 3 2.1.3 Đồ thị hình sin 3 2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 4

2.3 Các giải pháp sử dụng để giải quyết vấn đề 4

2.3.1 Đồ thị li độ- thời gian 5

2.3.2 Đồ thị vận tốc- thời gian

7 2.3.3 Đồ thị gia tốc – thời gian 9

2.3.4 Đồ thị lực kéo về-thời gian 10

2.3.5 Đồ thị có hai đường điều hòa 11

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm

15 3 Kết luận, kiến nghị 15

3.1 Kết luận 15

3.2 Kiến nghị 16

Tài liệu tham khảo 17

mê yêu thích môn học này Giúp học sinh việc phân loại các dạng bài tập, đa

dạng hóa các dạng bài tập và hướng dẫn cách giải là rất cần thiết Việc làm nàyrất có lợi cho học sinh là trong thời gian ngắn có thể đa dạng hóa các dạng bàitập, nắm được phương pháp giải và từ đó có thể định hướng Hướng giải cho cácdạng bài tương tự

Khi dạy học phần Dao động điều hòa, tôi nhận thấy đây là một mảng kiếnthức chủ đạo trong chương trình Vật lí 12, đòi hỏi người học phải có tư duy sâusắc, có sự kết hợp nhiều mảng kiến thức khác nhau, có sự nhìn nhận trên nhiềuphương diện Đặc biệt kỹ năng khai thác bài tập đồ thị của học sinh còn lúngtúng Trong khi đó, thời lượng giảng dạy phần này còn hạn chế, đặc biệt là sốtiết bài tập là rất ít Vì vậy đa số học sinh đều giải bài tập phần này còn lúngtúng ngay cả khi bài tập đồ thị chỉ ở mức độ thông hiểu

Thực tế cho thấy những bài tập đồ thị thường làm mất thời gian của họcsinh, thậm chí cũng không ra được kết quả mong muốn Nguyên nhân cơ bản là

do học sinh rất ít vẽ đồ thị, việc vận dụng toán học vào bài tập đồ thị còn lúngtúng nên hầu hết các bài tập đồ thị ở mức độ vận dụng khá và vận dụng cao khi

ôn tập là các em bỏ qua

Chương trình cải cách Giáo dục phổ thông 2018 luôn chú trọng đến sự hìnhthành và phát triển các năng lực cho học sinh Vấn đề này đòi hỏi người thầyphải tâm huyết, sáng tạo để lựa chọn các phương pháp, kĩ thuật dạy học phù hợpvới đối tượng học sinh và nội dung bài học.[1]

Để giúp học sinh hiểu sâu kiến thức và có năng lực khai thác bài tập đồ thịsau khi bản thân tôi được học tập bồi dưỡng các Modun - Vật lí THPT, tôi đã

chọn nghiên cứu đề tài: “ Phát triển năng lực tự học và năng lực giải quyết

vấn đề cho học sinh thông qua bài tập đồ thị hình sin của dao động điều hòa”, trong đó tôi cũng trình bày những bài tập sử dụng đồ thị mà mình đã khai

thác và giảng dạy cho học sinh lớp 12 đang trực tiếp ôn thi tốt nghiệp

1.2 Mục đích nghiên cứu

Phát triển và bồi dưỡng cho học sinh về phương pháp, kỹ năng khai thác đồthị, năng lực quan sát, năng lực tư duy logic, đa dạng hóa bài tập phần dao độngđiều hòa Từ đó học sinh sẽ dần dần thích nghi khi gặp bài tập loại này, có tư

duy sáng tạo, có năng lực tự học và năng lực tự giải quyết vấn đề đồng thời cóthể tạo ra các bài tập mới

Nâng cao khả năng tự học, tự bồi dưỡng và khả năng giải các bài tập Vật lítrong quá trình ôn luyện và trong các kỳ thi, nhằm nâng cao chất lượng học tập

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Năng lực tự học và năng lực giải quyết vấn đề, có vận dụng các modun Vật

lí đã được bồi dưỡng trong cải cách giáo dục

Một số dạng bài tập đồ thị hình sin của vật dao động điều hòa thuộc chươngtrình Vật lí 12 cơ bản và áp dụng với học sinh ở lớp 12A3, 12A4 của trườngTHPT Quảng Xương II, năm học 2020-2021

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lí luận và vận dụng các Modun - Tập huấn THPT vào giảng dạy Nghiên cứu lí luận về phương pháp giải bài tập vật lí, áp dụng đối với bài tập

sử dụng đồ thị dao động điều hòa

Phương pháp quan sát ( công việc dạy- học của giáo viên và học sinh)

Lựa chọn các dạng bài tập đồ thị dao động điều hòa nhằm đa dạng hóa bàitập và nâng cao kỹ năng tư duy cho học sinh

Phương pháp điều tra, thu thập thông tin

Thực nghiệm sư phạm đối với các lớp học phù hợp

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận

2.1.1 Năng lực tự học

Năng lực là khả năng thực hiện thành công hoạt động trong một bối cảnhnhất định nhờ sự huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cánhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí… năng lực của cá nhân được đánh giáqua phương thức và khả năng hoạt động của cá nhân đó khi giải quyết các vấn

đề liên quan Nó bao gồm kỹ năng và kĩ xảo cần gắn bó với động cơ và thóiquen tương ứng, làm cho người học có thể đáp ứng được những yêu cầu nhấtđịnh.[1]

2.1.2 Năng lực giải quyết vấn đề

Giải quyết vấn đề là khả năng suy nghĩ và hành động trong những tìnhhuống không có quy trình, thủ tục, giải pháp thông thường có sẵn Người giảiquyết vấn đề xác định được mục tiêu hành động, nhưng không phải ngay lập tứcbiết cách làm thế nào để đạt được nó Sự am hiểu tình huống vấn đề và lý giảidần việc đạt mục tiêu đó trên cơ sở việc lập kế hoạch và suy luận tạo thành quátrình giải quyết vấn đề Vì vậy, có thể hiểu năng lực giải quyết vấn đề Vật lí làkhả năng cá nhân sử dụng hiệu quả các quá trình nhận thức Vật lí, hành động vàthái độ, động cơ, xúc cảm để giải quyết các tình huống Vật lí mà ở đó không cósẵn quy trình, thủ tục, giải pháp thông thường [1]

2.1.3 Đồ thị hình sin

Đồ thị hình sin biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng biến thiên điềuhòa.

Xét một vật dao động điều hòa quanh vị trí cân bằng O, trên trục Ox có phương trình li độ: x = Acos(ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số t + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số ), trong đó A, ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số , φ), trong đó A, ω, φ là hằng số là hằng số

Đồ thị li độ - thời gian của vật có

dạng như hình vẽ

Vận tốc biến thiên điều hòa theo thời

gian cùng tần số nhưng sớm pha hơn li độ

A



Chu kì của li độ x x

Gia tốc biến thiên điều hòa theo thời gian cùng tần số nhưng ngược pha với

li độ và có biểu thức: : a = - ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số 2Acos(ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số t + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số ) = - ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số 2x

Lực kéo về F = -kx

Căn cứ vào đồ thị ta xác định được biên độ, chu kì, vận tốc, gia tốc, cơ năng,động năng, thế năng bằng số liệu cụ thể hoặc tỉ lệ giữa các đại lượng thông quaquy tắc đếm ô trên đồ thị, xác định được độ lệch pha giữa hai thời điểm củacùng chuyển động, hoặc độ lệch pha giữa hai chuyển động ở cùng một thờiđiểm Từ đó xác định được các đại lượng cần tìm

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

Về phía học sinh.

Trong quá trình giảng dạy Vật lí lớp 12, tôi nhận thấy phần bài tập đồ thị daođộng điều hòa ở mức độ thông hiểu thì đa số học sinh đều vận dụng được Tuynhiên nếu bài tập ở mức độ vận dụng và vận dụng cao thì hầu như học sinh bị

bế tắc, không khai thác được các dữ kiện sẵn có từ việc quan sát đồ thị, thậm chínếu tìm được một số đại lượng thì cũng có thể không khai thác được bài toán,ảnh hưởng đến thời gian làm bài của học sinh Khi gặp bài tập đồ thị thì học sinhhay bị tâm lí và luôn cho rằng đây là loại bài tập mình không thể làm được, nên

bỏ qua, khoanh chừng Điều đó là rất đáng tiếc vì có nhiều bài toán khai thácđược rất nhanh Để giải được bài tập đồ thị Vật lí buộc học sinh phải vững kiếnthức cơ bản, có chiều sâu, vận dụng linh hoạt toán học khi khai thác

Về sách giáo khoa.

Sách giáo khoa chỉ đơn thuần đưa ra các ví dụ về các bài tập đồ thị thôngthường để xác định luôn được biên độ, tần số Trong khi đó bài tập gặp phảiphức tạp hơn nhiều, các đồ thị dao động điều hòa khiến cho học sinh bị lúngtúng Mặt khác số lượng tiết bài tập phần này có 1 tiết, không đáp ứng được yêucầu về bộ môn nên để hình thành cho học sinh kỹ năng giải bằng giản đồ cũng làvấn đề không đơn giản

Về phía giáo viên.

Với sức ép của chương trình, qui chế chuyên môn, thời lượng thực hiệnchương trình sát sao, đã làm cho giáo viên chỉ đủ thời gian truyển tải các nộidung trong sách giáo khoa, ít có thời gian mở rộng kiến thức cho học sinh, phần

mở rộng chủ yếu ở các tiết phụ đạo, bồi dưỡng, nên còn hạn chế

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

Để giúp học sinh hình thành năng lực tự học và năng lực giải quyết vấn đề

tôi đã lựa chọn một số bài tập đồ thị hình sin trong dao động điều hòa đề đưavào giảng dạy theo chuyên đề Kết hợp với lí luận dạy học theo chương trình tựbồi dưỡng thông qua các modun để lựa chọn phương pháp giảng dạy phù hợp [1]

và sắp xếp chúng theo mức độ nhận thức, đồng thời đưa vào các dạng sau đây:

2.3.1 Đồ thị li độ- thời gian

Câu 1 Hình vẽ bên là đồ thị phụ thuộc thời

gian của li độ góc của con lắc đơn dao động điều

hòa tại nơi có gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2

với chu kì T và biên độ góc αmax Tốc độ cực đại

của vật dao động là?

C.0,56 m/s D.0,15 m/s [5]

Hướng giải:

+ Quan sát đồ thị thấy: T = 3 s và αmax = 0,12 rad

+ T = 2π√g l →ℓ = 2,234 m → vmax = ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số .A = 2 π T .ℓ.αmax = 0,56 m/s

 C

Câu 2 Đồ thị li độ - thời gian của một dao

động cơ điều hòa được cho như hình vẽ Ta thấy

A tại thời điểm t1, gia tốc của vật có giá trị

+ Tại thời điểm t2, vật đang ở vị trí có li độ âm do vậy gia tốc của vật phải

dương  B

α (rad/s) 0,12

t (s)

-0,12

Câu 3 Một vật dao động điều hòa theo

phương thẳng đứng quanh vị trí cân bằng O

trên trục Ox Đồ thị li độ − thời gian được

cho như hình vẽ Lấy π2 = 10 Thời gian lò

Câu 4 Một chất điểm dao động điều hòa

trên trục Ox với đồ thị li độ − thời gian được

cho như hình vẽ Quãng đường mà vật đi

được trong 4s đầu tiên là

+ Quãng đường vật đi được trong ba chu kì là: S3T  3.4.2 24  cm

+ Quãng đường vật đi được trong 0,4s đầu tiên là:

0,4 2 24 2 26

Câu 5 Một chất điểm dao động điều hòa

theo trục Ox, với O trùng với vị trí cân bằng

của chất điểm Đường biểu diễn sự phụ thuộc

li độ chất điểm theo thời gian t cho ở hình vẽ

Phương trình vận tốc của chất điểm là:

Câu 6 Một chất điểm dao động điều hòa có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của li

độ x vào thời gian t như hình vẽ Tại thời điểm t = 0,2 s, chất điểm có li độ 2 cm

Ở thời điểm t = 0,9 s, gia tốc của chất điểm

có giá trị bằng

A.14,5 cm/s2 B.57,0 cm/s2

C.5,70 m/s2 D.1,45 m/s2.[5]

Hướng giải :

+ Vận dụng quy tắc đếm ô và quan sát điểm

đặc biệt trên đồ thị, nửa chu kì là 8 ô

+ Nhìn vào đồ thị ta tính được, mỗi ô trên trục t ứng với khoảng thời gian 0,1 s+ Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp vật qua vị trí cân bằng là ∆t = T2 = 1,1 –0,3 = 0,8 s  T = 1,6 s  ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số = 5 π4 rad/s

+ Thời gian chất điểm di chuyển từ x = 2 cm về vị trí cân bằng là 0,1 s  t1 = 2 π T.arcsinA x A ≈5,23 cm

+ Khoảng thời gian chất điểm di chuyển từ li độ x (lúc t = 0,9 s) về vị trí cânbằng (lúc t = 1,1 s) là 0,2 s

A Tại thời điểm t1, gia tốc của vật có giá trị âm

B Tại thời điểm t2, li độ của vật có giá trị âm

C Tại thời điểm t3, gia tốc của vật có giá trị

+ Tại thời điểm t2, có v < 0 và độ lớn vận tốc đang tăng→ vật ở li độ dương vàđang tiến về vị trí cân bằng  B sai

+ Tại thời điểm t3, vật có tốc độ cực đại → a = 0  C sai

+ Tại thời điểm t4, vật có v = 0 và đang giảm → vật tại biên dương  x > 0  D

đúng D

{Lưu ý: vật chuyển động nhanh dần thì a.v > 0 và vật chuyển động chậm dần thì a.v< 0}

Câu 2 Đồ thị vận tốc của một vật dao

động điều hòa theo thời gian như hình

vẽ Nhận định nào sau đây đúng

(4) (3) (2) (1)

Hướng giải:

+ Tại vị trí (2), v= 0 và có xu hướng tăng, điều này chỉ đúng khi vật ở vị trí biên

âm  A đúng A

+ Tại vị trí (1) v < 0 và đang tăng nên x < 0 B sai

+ Vị trí (4) vận tốc cực đại nên gia tốc bằng 0  C sai

+ Vị trí (3) v >0 và đang tăng nên x < 0  a > 0  D sai

Câu 3 Một vật dao động điều hòa có đồ thị của vận tốc theo thời gian như hình

vẽ Phương trình dao động của vật là

+ Nhìn vào đồ thị, quan sát điểm đặc biệt

+ Thấy tại t = 0 thì v = 5π√3 cm/s = max

v (cm/s) 5π 3

t (s)

O

Câu 4 Mỗi con lắc lò xo, vật nhỏ dao động

có khối lượng m = 100 gam dao động điều

hòa theo phương trùng với trục của lò xo Đồ

thị phụ thuộc thời gian vận tốc của vật như

hình vẽ Độ lớn lực kéo về tại thời điểm 11/3

10

0

1 3

2.3.3 Đồ thị gia tốc – thời gian

Câu 1 Đồ thị gia tốc - thời gian của một

dao động cơ điều hòa được cho như hình vẽ

Ta thấy :

A tại thời điểm t1, vật đổi chiều chuyển

động

B tại thời điểm t2, vận tốc của vật cực đại

C tại thời điểm t3, li độ của vật cực tiểu

D tại thời điểm t4, li độ của vật cực đại

a

t O

1

t t2 t3 t4

Hướng giải:

+ Quan sát đồ thị, xét giá trị gia tốc âm hay dương, tăng hay giảm

+ Tại thời điểm t1, gia tốc của vật cực đại → vật đang ở vị trí biên âm do đó sẽđổi chiều chuyển động.  Chọn A

+ Tại thời điểm t2, gia tốc âm và đang giảm, vật có xu hướng chuyến động từ vịtrí cân bằng ra biên dương, do vậy vận tốc không cực đại tại thời điểm này

+ Li độ của vật cực tiếu khi gia tốc cực đại Tại thời điểm t3, gia tốc khác giá trịcực đại

+ Tương tự ta cũng có li độ cực đại khi gia tốc cực tiểu Tại thời điểm t4 gia tốc

của vật khác giá trị cực đại A

Câu 2 Một chất điểm dao động điều hòa có đồ thị

biểu diễn sự phụ thuộc của gia tốc a vào thời gian t

như hình vẽ Ở thời điểm t = 0, vận tốc của chất

12 Vị trí xuất phát cógia tốc a = -a max√3

 A

2.3.4 Đồ thị lực kéo về-thời gian

Câu 1 Một vật có khối lượng m = 100 g, dao động

điều hoà theo phương trình có dạng x = Acos(ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số t +

φ), trong đó A, ω, φ là hằng số ) Biết đồ thị lực kéo về theo thời gian F(t) như hình

vẽ Lấy π2 = 10 Viết phương trình dao động của vật

Câu 2 Một vật có khối lượng 100 g dao

động điều hòa theo phương trình có dạng x

= Acos(ωt + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số t + φ), trong đó A, ω, φ là hằng số ) Biết đồ thị lực kéo về theo

thời gian F(t) như hình vẽ Lấy π2 = 10

Viết phương trình vận tốc của vật:

7 6

5 3

t(s) O

2.3.5 Đồ thị có hai đường điều hòa.

Câu 1 Điểm sáng A trên trục chính

của một thấu kính, cách thấu kính 30 cm

Chọn trục tọa độ Ox vuông góc với trục

chính, gốc O nằm trên trục chính của thấu

kính Cho A dao động điều hòa theo

phương của trục Ox Biết phương trình

dao động của A và ảnh A' của nó qua

thấu kính được biểu diễn như hình vẽ

Tiêu cự của thấu kính là

A

(x )

/ A

f d

Câu 2 Một chất điểm thực hiện đồng

thời hai dao động điều hòa cùng phương có

đồ thị li độ theo thời gian như hình vẽ Vận

tốc của chất điểm tại thời điểm t1 có giá trị

gần giá trị nào nhất sau đây?

A −1,59 m/s B 30,74 cm/s.

C 1,59 m/s D.−30,74 cm/s.[5]

x(cm)

t(s) O

2 7

12 4

 B

Câu 3 Một chất điểm thực hiện đồng

thời hai dao động điều hòa cùng phương

cùng chu kì T mà đồ thị x1 và x2 phụ thuộc

thời gian biểu diễn trên hình vẽ Biết x2 =

v1T, tốc độ cực đại của chất điểm là 58,78

cm/s Giá trị T gần giá trị nào nhất sau đây?