Giúp học sinh học tốt phần động lực học chất điểm – Vật lý 10 chương trình chuẩn 1 SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THCS & THPT THỐNG NHẤT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM GIÚP HỌC SINH HỌC TỐT PHẦN ĐỘNG L[.]
SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THCS & THPT THỐNG NHẤT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM GIÚP HỌC SINH HỌC TỐT PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM – VẬT LÝ 10 CHƯƠNG TRÌNH CHUẨN Người thực hiện: Trịnh Thị Hà Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực: Vật lý THANH HÓA NĂM 2017 SangKienKinhNghiem.net MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Mở đầu 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nội dung 2.1 Cở sở lí luận 2.2 Thực trạng 2.3 Các giải pháp thực Chương I: Hệ thống lại kiến thức chương Chương II:Phân loại phương pháp giải tập vật lý phương pháp động lực học 2.4 Hiệu đề tài 20 Kết luận kiến nghị 21 SangKienKinhNghiem.net MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Vật lí mơn học khó nhiều học sinh môn khoa học tự nhiên đặc thù, mang tính thực tiễn cao trừu tượng Vì học tập môn vật lý yêu cầu học sinh phải có tư logic cao, biết vận dụng tượng vật lý đê giải thích tượng thực tế, biết vận dụng linh hoạt kết hợp tốt phần, chương để giải tập định lượng Trong chương trình vật lý phổ thơng có nhiều phần mà phần kiến thức riêng biệt nhau, phần liên quan kiến thức phần phần khác khơng nhiều gây khó khăn cho việc học tập học sinh đặc biệt việc tìm phương pháp giải tập Khó khăn việc giải tập vật lý nói chung phần động lực học chất điểm chương trình vật lý 10 nói riêng khơng tìm hướng giải vấn đề, khơng vận dụng lý thuyết vào việc giải tập, không tổng hợp kiến thức thuộc nhiều để giải vấn đề chung giải tập thường áp dụng cách máy móc cơng thức mà không hiểu rõ ý nghĩa phạm vi áp dụng cơng thức Vì khó khăn mà giải tập vật lý phần động lực học chất điểm chương trình vật lý 10 học sinh thường không giải tập khó mang tính tổng hợp kiến thức Điều dẫn đến học sinh ngại học, khơng có lịng say mê vật lý nói chung phần động lực học chất điểm nói riêng Để khắc phục khó khăn mạnh dạn nghiên cứu đề tài “ Giúp học sinh học tốt phần động lực học chất điểm – vật lí 10 chương trình chuẩn” 1.2 Mục đích nghiên cứu Tìm biện pháp giúp học sinh học tốt phần động lực học chất điểm – vật lí 10 1.3 Đối tượng nghiên cứu Các tập tổng hợp phần động lực học chất điểm 1.4 Phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết + Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm sư phạm + Phương pháp đối chứng NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Để việc học tập tốt mơn vật lý nói chung phần động lực học chất điểm – vật lí 10 nói riêng q trình nhận thức học sinh cần phải nắm vững khái niệm, định luật Niutơn, đặc điểm cách biểu diễn loại lực học Nắm bước giải toán phương pháp động lực học 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Khi tiến hành giải tập phần động lực học chất điểm học sinh thường lúng túng, khơng tìm hướng giải vấn đề khơng vận dụng lý thuyết SangKienKinhNghiem.net vào việc giải tập, không tổng hợp kiến thức thuộc nhiều để giải vấn đề chung giải tập thường áp dụng cách máy móc công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa phạm vi áp dụng cơng thức Đặc biệt biểu diễn lực khơng biết cách biểu diễn xác 2.3 Các giải pháp để giải vấn 2.3.1 Cung cấp cho học sinh cách hệ thống đầy đủ kiến thức chương động lực học chất điểm - Từ khái niệm phép phân tích tổng hợp lực đến định luật Niutơn, loại lực học trình giảng dạy giáo viên cần cung cấp cho học sinh cách xác yêu cầu học sinh phải nắm vững nội dung đó, phải hiểu chất tượng vật lý có liên quan - Yêu cầu học sinh nắm vững công thức định luật Niutơn, loại lực học để giải tập có liên quan 2.3.2 Học sinh nắm bước tiến hành giải toán chuyển động học theo phương pháp động lực học - Đặc biệt phải hướng dẫn học sinh cách xác định đầy đủ lực tác dụng lên vật hay hệ vật Nếu phải xét hệ vật cần phân biệt ngoại lực nội lực - Đối với chuyển động tròn cần hướng dẫn cho học sinh cách xác định lực hướng tâm - Tập cho học sinh biết cách nhận dạng phân biệt dạng tập tuỳ theo phương tiện giải tuỳ theo mức độ khó khăn tập để từ đưa phương pháp giải cho toán 2.3.3 Với loại tập giáo viên cần đưa phương pháp giải chung có tập cụ thể điển hình minh hoạ cho học sinh dễ hiểu Để nội dung đề tài dễ theo dõi logic chia thành hai chương sau: CHƯƠNG I HỆ THỐNG LẠI KIẾN THỨC TRONG CHƯƠNG I Phép tổng hợp phân tích lực Điều kiện cân chất điểm Phép tổng hợp phân tích lực 1.1 Tổng hợp lực: - Định nghĩa: Tổng hợp lực thay lực tác dụng đồng thời vào vật lực có tác dụng giống hệt lực ấy.[1] - Để tổng hợp lực dùng quy tắc hình bình hành: Nếu lực đồng quy làm thành cạnh hình bìnhr hành, đường chéo kể từ điểm đồng quy biểu diễn hợp lực r r F F1 F2 [1] chúng r F r F1 O r F2 SangKienKinhNghiem.net * Các trường hợp xảy ra: r r + F1 F2 F F1 F2 ( 00 ) r r + F1 F2 F F2 F1 ( 1800 ) r r + ( F1 F2 ) F F12 F22 ( 900 ) r r + ( F1 , F2 ) F F12 F22 F1 F2cos (nếu F1 F2 F F1 cos ) * Nhận xét: F2 F1 F F2 F1 1.2 Phân tích lực: *Định nghĩa:Phân tích lực thay lực hai hay nhiều lực có tác dụng giống hệt lực đó.[1] * Chú ý: - Phân tích lực phép làm ngược lại phép tổng hợp lực tuân theo quy tắc hình bình hành - Chỉ phân tích lực theo phương mà lực có tác dụng cụ thể Điều kiện cân chất điểm Muốn cho chất điểm đứng cân hợp lực tác dụng lên phải khơng r r r r F1 F2 F3 [1] II Các định luật Niu-tơn 1.Định luật I Niu-tơn Nếu vật không chịu tác dụng lực chịu tác dụng lực có hợp lực khơng Thì vật đứng n tiếp tục đứng yên, chuyển động tiếp tục chuyển động thẳng đều.[1] Định luật II Newton 2.1 Định luật : Gia tốc vật hướng với lực tác dụng lên vật Độ lớn gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn lực tỉ lệ nghịch với khối lượng vật F hay F m a a m Trong trường hợp vật chịu nhiều lực tác dụng F1 , F2 , , Fn F hợp lực lực : F F1 F2 Fn [1] 2.2 Trọng lực Trọng lượng a) Trọng lực - Trọng lực lực Trái Đất tác dụng vào vật, gây cho chúng gia tốc rơi tự Trọng lực kí hiệu P - Ở gần trái đất trọng lực có phương thẳng đứng, chiều từ xuống Điểm đặt trọng lực tác dụng lên vật gọi trọng tâm vật.[1] b) Trọng lượng SangKienKinhNghiem.net Độ lớn trọng lực tác dụng lên vật gọi trọng lượng vật, kí hiệu P Trọng lượng vật đo lực kế c) Công thức trọng lực [1] Định luật III Newton 3.1 Định luật Trong trường hợp, vật A tác dụng lên vật B lực, vật B tác dụng lại vật A lực Hai lực có giá, độ lớn ngược chiều P mg FBA FAB [1] 32 Lực phản lực Một hai lực tương tác hai vật gọi lực tác dụng lực gọi phản lực Đặc điểm lực phản lực : + Lực phản lực luôn xuất (hoặc đi) đồng thời + Lực phản lực có giá, độ lớn ngược chiều Hai lực có đặc điểm gọi hai lực trực đối + Lực phản lực không cân chúng đặt vào hai vật khác nhau.[1] III LỰC HẤP DẪN ĐỊNH LUẬT VẠN VẬT HẤP DẪN Lực hấp dẫn Mọi vật vũ trụ hút với lực, gọi lực hấp dẫn Lực hấp dẫn lực tác dụng từ xa, qua khoảng không gian vật.[1] Định luật vạn vật hấp dẫn 2.1 Định luật : Lực hấp dẫn hai chất điểm tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng chúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng.[1] 2.2 Hệ thức : Fhd G m1 m2 r2 Trong đó: + m1 m2 khối lượng hai chất điểm (kg) + r khoảng cách hai chất điểm (m) + Fhd độ lớn lực hấp dẫn (N) + G số hấp dẫn, có giá trị 6,67.10-11 (N.m2/kg2) [1] 2.3 Định luật áp dụng cho trường hợp: + Hai vật hai chất điểm + Hai vật đồng chất hình cầu với khoảng cách chúng tính từ tâm vật đến tâm vật Trọng lực trường hợp riêng lực hấp dẫn Trọng lực tác dụng lên vật lực hấp dẫn Trái Đất vật đó.Trọng lực đặt vào điểm đặc biệt vật, gọi trọng tâm vật Độ lớn trọng lực (trọng lượng) : SangKienKinhNghiem.net P=G m.M R h 2 Gia tốc rơi tự : g = GM R h 2 Nếu gần mặt đất (h mB nên thả vật A xuống vật B lên Các lực có chiều hình vẽ: Bước 2: Viết phương trình động lực học dạng vecto: gia dây PA T A m A a A (1) PB T B m B a B (2) Bước 3: Ta có: TA = TB = T aA = a B = a Chiếu (1) lên trục x, ta được: PA T A m A a A m A g T m A a (3) Chiếu (2) lên trục y, ta được: 13 SangKienKinhNghiem.net PB TB m B a B m B g T m B a (4) Bước 4: Từ (3) (4), suy ra: a (m A m B ) g (600 400)10 2m s2 m A mB 600 400 Bước 5: Kiểm tra thứ ngun, cơng thức, kết ta thấy hồn tồn phù hợp Bài tốn cho số, kết khơng có đặc biệt nên khơng cần phải chứng minh * Bài tập tự luyện : Bài 1:Một hệ gồm vật bố trí hình vẽ.Vật Acó khối lượng mA = 200 g, vật B có khối lượng mB = 120 g Biết hệ số ma sát vật mặt đường 0,4 Biết độ lớn lực kéo F = 1,5 N Biết dây không dãn, khối lượng dây không đáng r kể, gia tốc rơi tự 10 m/s2 A a)Tính độ lớn lực căng dây nối A B ĐS:(T=0,5625N) F B b) Nếu 4s sau kéo, dây nối A B bị đứt Tính gia tốc vật A sau sau vật B dừng lại ĐS (aA = 0,7 m/s2, t [3] Bài 2:Cho hệ vật hình 24.5 Vật A có khối lượng mA, vật B có khối lượng mB = 300 g Góc mặt nghiêng với sàn nằm ngang 300 Bỏ qua lực cản khối lượng ròng rọc, dây không dãn, khối lượng dây không đáng kể, biết gia tốc rơi tự 10 m/s2 Người ta thấy hệ hai vật nằm cân A B a.Tính khối lượng mA b.Khi cân B cách đất 40 cm Thêm gia trọng có khối lượng 10 g lên B Biết gia tốc rơi tự 10 m/s2 Sau bao lâu, B chạm đất c.Giải lại toán câu a câu b mặt nghiêng có hệ số ma sát với A 0,1.[3] Dạng : Vật hệ vật chuyển động mặt phẳng nghiêng - Với dạng toán chọn trục tọa độ ox nên chọn song song với mặt phẳng nghiêng giải tốn dễ dàng Bài :Cần tác dụng lên vật m =3kg mặt phẳng nghiêng góc 45 lực F để vật nằm yên, hệ số ma sát vật mặt phẳng nghiêng k =0,2 biết vật có xu hướng trượt xuống Lấy g =10m/s2 [2] Bài giải: Bước 1: Hiện tượng học: Vật chuyển động theo mặt phẳng nghiêng 14 SangKienKinhNghiem.net F Vật: Trọng lực P1 , phản lực vng góc N , lực ma sát F1ms , lực tác dụng Bước 2: Áp dụng định luật II Newtơn ta có : r F P N Fms (1) Bước 3: Chọn hệ trục Oxy hình vẽ.: Fms = kN = k(mgcos + F sin ) -Chiếu phương trình (1) lên trục Oy, ta được: N - Pcos - Fsin = N = Pcos + F sin -Chiếu phương trình (1) lên trục Ox, ta : Psin - F cos - Fms = F cos = Psin - Fms = mg sin - kmg cos - kF sin Bước 4: Từ (2), suy ra: F mg (sin kcox ) 3.10(sin 45 0,2 cos 45) 30 N cos k sin cos 45 0,2 sin 45 Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, cơng thức, kết ta thấy hồn tồn phù hợp Bài tốn cho số, kết khơng có đặc biệt nên khơng cần phải chứng minh Bài :Xem hệ liên kết hình vẽ m1 = 3kg; m2 = 1kg; hệ số ma sát vật mặt phẳng nghiêng = 0,1 ; = 300; g = 10 m/s2 Tính sức căng dây? [4] Bài giải: Bước 1: Hiện tượng học: hệ vật chuyển động mặt phẳng nghiêng Giả thiết m1 trượt xuống mặt phẳng nghiêng m2 lên, lúc hệ lực có chiều hình vẽ Vật chuyển động nhanh dần nên với chiều dương chọn, ta tính a > chiều chuyển động giả thiết - Các lực tác dụng vào vật: 15 SangKienKinhNghiem.net + Vật m1: sức căng T1 , phản lực N , trọng lực P1 lực ma sát + Vật m2: Sức căng T2 trọng lực P2 Bước 2: Áp dụng phương trình định luật II Niutơn cho vật ta có: Đối với vật 1: Đối với vật 2: P1 N T1 Fms m a P2 T2 m a -m2g + T = m2a (2) Bước 3: Chọn hệ trục tọa độ Oxy hình vẽ, chiếu hai phương trình lên trục ox oy ta có: Vật 1: m1gsin - T - N = ma - m1g cos + N = m1gsin - T - m1g cos = ma (1) Vật 2: -m2g + T = m2a (2) Bước : Cộng (1) (2) : m1gsin - m1g cos = (m1 + m2)a a m g sin m cos m g m1 m 3.10 0,1.3 1.10 2 0,6 (m / s ) T = m2 (g + a) = 1(10 + 0,6) = 10,6 N Bước 5: Vì a > 0, chiều chuyển động chọn Bài 3: Một xe trượt không vận tốc đầu từ đỉnh mặt phẳng nghiêng góc = 300 Hệ số ma sát trượt = 0,3464 Chiều dài mặt phẳng nghiêng l = 1m Lấy g = 10m/s2 = 1,732 Tính gia tốc chuyển động vật vận tốc cuối mặt phẳng nghiêng? [4] Bài giải: 16 SangKienKinhNghiem.net Bước 1: Hiện tượng học: Vật vừa chuyển động mặt phẳng nghiêng, vừa chuyển động mặt phẳng ngang Các lực tác dụng vào vật:Trọng lực P ,Lực ma sát Fms , Phản lực N mặt phẳng nghiêng Bước 2: Phương trình định luật II Niutơn cho vật P N Fms m a Bước 3: Chọn hệ trục oxy hình vẽ ( vật chuyển động mặt phẳng nghiêng) Chiếu lên trục Oy: - Pcos + N = N = mg cos (1) Chiếu lên trục Ox : Psin - Fms = ma mgsin - N = ma (2) Bước : từ (1) (2) mgsin - mg cos = ma a = g(sin - cos ) = 10( - 0,3464 ) = m/s2 2 Vận tốc vật cuối mặt phẳng nghiêng là: v 2al v 2al 2.2.1 2(m) Bước 5: Kiểm tra thứ ngun, cơng thức, kết ta thấy hồn tồn phù hợp *Bài tập tự luyện: Bài :Thả vật khối lượng 1kg trượt không vận tốc đầu từ đỉnh mặt phẳng nghiêng dài10m, nghiêng 30O so với phương ngang Bỏ qua ma sát , lấy g = 10m/s2 a Tìm thành phần trọng lực theo phương song song với mặt phẳng nghiêng theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng b Tìm gia tốc & vận tốc vật cuối mặt phẳng nghiêng [3] ĐS : a 5N; N b m/s ; 10m/s Bài 2: Thả vật khối lượng 1kg trượt không vận tốc đầu từ đỉnh mặt phẳng nghiêng dài 10m, nghiêng 30O so với phương ngang Hệ số ma sát vật mpn = 0,2 , lấy g = 10m/s2 a Tìm lực ma sát b Tìm gia tốc & vận tốc vật cuối mặt phẳng nghiêng [5] ĐS : b) 3,3m/s2 ; 8,1 m/s Dạng : Bài tập lực hướng tâm Đây toán liên quan đến vật chuyển động quỹ đạo tròn, trước hết cần nhấn mạnh cho học sinh hiểu lực hướng tâm xuất vật chuyển động quỹ đạo tròn lực hướng tâm loại lực học mà tổng hợp lực tất lực tác dụng lên vật 17 SangKienKinhNghiem.net Bài 1:Một bàn nằm ngang quay tròn với chu kỳ T = 2s Trên bàn đặt vật cách trục quay R = 2,4cm Hệ số ma sát vật bàn tối thiểu để vật không trượt mặt bàn Lấy g = 10 m/s2 = 10 Bài giải: [4] Bước : Hiện tượng học : Vật chuyển động tròn quanh trục đĩa quay Khi vật khơng trượt vật chịu tác dụng lực: P, N; Fms nghØ Bước 2: Phương trình định luật II Niutơn cho vật Fms + P N ma ht Trong đó: P N Lúc vật chuyển động trịn nên Fms lực hướng tâm: Bước 3: chọn trục tọa độ trùng với bán kính, chiều dương hướng vào tâm quay ta có: Fms m R(1) Fms mg (2) Bước 4: từ hai biểu thức trên: R g 2R g Với = 2π/T = π.rad/s 0,25 0,25 10 Vậy µmin = 0,25 Bước 5: Kiểm tra thứ nguyên, công thức, kết ta thấy hoàn toàn phù hợp Bài :Một lị xo có độ cứng K, chiều dài tự nhiên l0, đầu giữ cố định A, đầu gắn vào cầu khối lượng m trượt không ma sát ( ) nằm ngang Thanh ( ) quay với vận tốc góc xung quanh trục (A) thẳng đứng Tính độ dãn lò xo l0 = 20 cm; = 20 rad/s; m = 10 g ; k = 200 N/m [4] 18 SangKienKinhNghiem.net Bài giải: Bước 1: Hiện tượng học: vật m chuyển động tròn quay quanh trục A Các lực tác dụng vào cầu: P ; N ; Fdh Bước 2: Phương trình định luật II Niutơn cho vật Fđh + P N maht Trong P N nên Fđh lực hướng tâm Bước 3: chọn trục tọa độ trùng với bán kính, chiều dương hướng vào tâm quay ta có: Kl m lo l l m lo K m l K m m 2lo Bước 4: suy ra: l ( K m ) m 2l0 l 0,01.20 0,2 0,05(m) 200 0,01.20 m 2l0 K m (với k > m ) l Bước 5: Kiểm tra thứ ngun, cơng thức, kết ta thấy hồn tồn phù hợp * Bài tập tự luyện: Bài 1:Một người xe đạp vịng xiếc bán kính 10m.Phải qua điểm cao vòng với vận tốc tối thiểu để khỏi rơi? Cho g = 10m/s2 [4] ĐS : 10m/s Bài 2: Một người xe đạp (khối lượng tổng cộng 60kg) vòng tròn làm xiếc bán kính 6,4m Hỏi người phải qua điểm cao với vận tốc tối thiểu để không bị rơi ? Xác định lực nén lên vòng tròn xe qua điểm cao chuyển động với vận tốc 10m/s Cho g = 10m/s2 [4] ĐS: 8m/s ; 337,5N 2.4 Hiệu đề tài: Với nội dung đề tài “giúp học sinh học tốt phần động lực học chất điểm - vật lý 10” mong giúp cho em học sinh khối lớp 10 giảm bớt khó khăn việc giải tốn vật lý phần động lực học chất điểm 19 SangKienKinhNghiem.net như: khơng hiểu rõ tượng, khơng tìm hướng giải vần đề, không áp dụng lý thuyết vào việc giải tập, không kết hợp kiến thức phần riêng rẽ vào giải tốn tổng hợp Vì vậy, việc rèn luyện cho học sinh biết cách giải tập cách khoa học, đảm bảo đến kết cách xác việc cần thiết, khơng giúp cho học sinh nắm vững kiến thức mà rèn luyện kỹ suy luận logic, học làm việc cách có kế hoạch có hiệu cao Và điều quan trọng rút là: - Cần khéo léo vận dụng yêu cầu đưa làm tập - Cần xây dựng cho thân thói quen tư khoa học, độc lập, lĩnh hội kiến thức cách logic, từ dễ đến khó, từ khái quát đến chi tiết - Đặc biệt nên giải tập công thức trước, sau thay số để tìm kết toán sau Khi vận dụng chuyên đề để giảng dạy cho học sinh lớp 10, thấy em tự tin việc giải toán phương pháp động lực học Sau đưa cách phân loại cách giải trên, kết khảo sát thống kê cho thấy: Trước áp dụng đề tài: Lớp Sĩ số HS giải HS cịn lúng túng HS khơng biết giải 10A1 10A2 45 45 SL 14 TL 32,1% 21% SL 17 12 TL 38,8% 27,8% SL 14 23 TL 32,1% 51,2% Sau áp dụng đề tài Lớp 10A1 10A2 Sĩ số 45 45 HS giải SL 34 29 TL 76,6% 64,4% HS lúng túng SL 10 TL 15,6% 22,7% HS giải SL TL 7,8% 12.9% KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1.Kết luận: Trên tơi vừa trình bày xong đề tài nghiên cứu Trong đề tài tơi chia tập phần động lực học chất điểm thành dạng thường gặp, với dạng tơi đưa tập mẫu điển hình rõ bước 20 SangKienKinhNghiem.net ... nghiệm Khi tiến hành giải tập phần động lực học chất điểm học sinh thường lúng túng, khơng tìm hướng giải vấn đề khơng vận dụng lý thuyết SangKienKinhNghiem.net vào việc giải tập, không tổng... khơng vận dụng lý thuyết vào việc giải tập, không tổng hợp kiến thức thuộc nhiều để giải vấn đề chung giải tập thường áp dụng cách máy móc công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa phạm vi áp dụng cơng... Vì học tập môn vật lý yêu cầu học sinh phải có tư logic cao, biết vận dụng tượng vật lý đê giải thích tượng thực tế, biết vận dụng linh hoạt kết hợp tốt phần, chương để giải tập định lượng Trong