skkn cấp tỉnh kỹ thuật vận dụng phương pháp động lực học chất đểm để giải quyết các bài toán chuyển động của cơ hệ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT NGUYỄN TRÃI -& -

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

KỸ THUẬT VẬN DỤNG

PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC BÀI TOÁN

CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ HỆ

Người thực hiện: Hoàng Quốc HoànChức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lí

THANH HÓA NĂM 2024

MỤC LỤC

TRANGI MỞ ĐẦU

1.1 Lý do lựa chọn đề tài 01

1.2 Mục đích nghiên cứu 02

1.3 Đối tượng nghiên cứu 02

1.4 Phương pháp nghiên cứu 02

II NỘI DUNG ĐỀ TÀI2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm 03

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 06

2.3 Giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 06

2.3.1 Kĩ thuật phân tích lực (PTL) 06

2.3.2 Kĩ thuật chiếu vuông góc (CVG) 11

2.3.3 Kĩ thuật chiếu kết hợp với cách đọc gia tốc của vật (CĐA) 13

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường 16

2.3.1 Kết quả làm bài kiểm tra của 2 nhóm 16

2.3.2 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 19

III KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ3.1 Kết luận 20

3.2 Kiến nghị 20TÀI LIỆU THAM KHẢO

I MỞ ĐẦU1.1 Lý do lựa chọn đề tài

Vật lí học không những là bộ môn mang tính hàn lâm mà nó còn là mộtmôn khoa học thực nghiệm Chính vì vậy, để học tốt môn vật lí học sinh cầnphải có một nền tảng toán học vững chắc kết hợp sự nhạy cảm nhìn ra được cáchiện tượng tự nhiên nói chung và các hiện tượng vật lí nói riêng.

Tuy nhiên, thực tế trường tôi cho thấy những năm gần đây tỉ lệ học sinhchọn ban KHTN chỉ chiếm tỉ lệ khoảng trên dưới 30%; trong số đó, số học sinhlựa chọn môn vật lí để xét tổ hợp khối vào đại học chiếm tỉ lệ khoảng trên 2/3;nghĩa là xét tổng thể học sinh của một khóa học chỉ có khoảng gần 25% học sinhtheo đuổi môn vật lí; đây cũng là thực trạng chung của phần lớn các trườngTHPT và đáng buồn lại là các thế hệ học trò thời đại công nghệ 4.0.

Thiết nghĩ, có nhiều nguyên nhân để xảy ra tình trạng trên, như:

Một là: Học sinh THCS chỉ học môn KHTN mà không tách thành các

môn độc lập là vật lí, hóa học và sinh học Trong khi đó giáo viên dạy học mônKHTN lại chưa được đào tạo một cách bài bản, đây là nguyên nhân chính làmcho học sinh THCS mơ hồ về cả 3 bộ môn học này.

Hai là: Thi vào lớp 10 THPT, HS được ấn định thi 3 môn là Toán, Văn và

Anh Vì vậy, việc đầu tư tập trung học chỉ ba môn học trên chính là tâm lí antoàn cho cả phụ huynh và HS các thế hệ nối tiếp nhau.

Ba là: Khi vào lớp 10, phần lớn các trường cho HS đăng kí nguyện vọng

theo khối, ban để phân chia lớp Với nền tảng có sẵn là 3 môn Toán, Văn vàAnh thì hiển nhiên HS và phụ huynh sẽ lựa chọn các khối gần với ban KHXH.

Bốn là: Một số ít HS có nền tảng kiến thức KHTN từ cấp THCS hoặc một

số ít HS khác được định hướng nghề nghiệp theo ban KHTN sẽ lựa chọn mônvật lí thì trong số đó có những em lại thiếu yếu tố cần để có niềm “đam mê”môn học do tư duy toán học “dập khuôn” hoặc có cuộc sống sinh hoạt với bốnbức tường – ra rời thực tế.

Vì vậy, với phần trăm ít ỏi theo môn học, thực tế lại đặt ra bài toán lớncho đội ngũ giáo viên vật lí là năng lực môn học của các học sinh không đồngđều Với thực trạng trên giáo viên nói chung, giáo viên vật lí nói riêng phải luôntự đổi mới phương pháp dạy học, thậm chí phải tìm cách thích nghi với tình hìnhgiáo dục hiện tại

Cho tới thời điểm viết sáng kiến kinh nghiệm này, năm học 2023-2024trường THPT Nguyễn Trãi có 10 lớp khối 10 với tổng số 438 HS; trong đó có 4lớp theo ban KHTN là 10A1, 10A2, 10A3 và 10A4 với tổng số 165 HS (chiếm37,67%) Tuy nhiên mức độ tiếp thu bộ môn vật lí của các em rất không đồngđều từ thái độ học tập, khả năng học tập cho đến việc vận dụng kiến thức đã họcvào làm bài kiểm tra, giải quyết các vấn đề trong thực tế cuộc sống Sự khác biệt

này càng thể hiện rõ nét ở các đơn vị kiến thức khó, trừu tượng hoặc cần sự bềnbỉ chuyên cần Vì vậy, trong quá trình giảng dạy, giáo viên phải đưa ra nhiềuphương pháp khác nhau phù hợp với đối tượng người học.

Năm học 2023-2024, tôi phụ trách giảng dạy 3 lớp là 10A1, 10A2 và10A3 với tổng số 124 HS Trước thực trạng học sinh như trên, trong quá trìnhgiảng dạy, tôi phải chia nhóm học sinh ở từng lớp và giảng dạy bằng nhiềuphương pháp khác nhau để HS các nhóm có thể tiếp thu kiến thức một cách dễdàng nhất, phù hợp với năng lực của bản thân Trong 7 chương vật lý lớp 10, tôicảm thấy tâm đắc nhất khi giảng dạy chuyên đề phương pháp động lực chất

điểm Vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: “Kỹ thuật vận dụng phương pháp động lực

học chất đểm để giải quyết các bài toán chuyển động của cơ hệ” để trình bày lại

cách tôi đã áp dụng trong năm học này mà thực tế tôi thấy có hiệu quả rõ rệt đốivới HS của tôi.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nội dung đề tài được viết ra với hi vọng chia sẻ kinh nghiệm tôi đã trảiqua, làm nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên; giúp cho giáo viên có đốitượng người học giống trường tôi có thể áp dụng.

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các kĩ thuật sử dụng phương pháp động lực học chất điểm dành cho cáccơ hệ chuyển động.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết.- Phương pháp thống kê, xử lý số liệu.

II NỘI DUNG ĐỀ TÀI2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm2.1.1 Đặt vấn đề

Phương pháp động lực học chất điểm và phương pháp sử dụng các địnhluật bảo toàn để giải quyết các bài toán cơ học là hai phương pháp bao trùmphần cơ học HS được tiếp cận hai phương pháp này từ năm đầu cấp THPT vàđược phát triển ở năm nhất, năm hai ở các trường đại học, cao đẳng Qua đâycho ta thấy tầm quan trọng của hai phương pháp này; đặc biệt là phương phápđộng lực học chất điểm.

Phương pháp động lực học giúp người học hiểu rõ được bản chất của cáchiện tượng cơ học; chỉ ra được điều kiện cân bằng, biến đổi chuyển động của vậtvà hệ vật,…HS nắm vững và vận dụng tốt phương pháp này sẽ dễ dàng học tốttất cả các phần kiến thức vật lí khác Nội dung phương pháp này giúp người họckhơi dậy niềm đam mê môn học và lòng quyết tâm chinh phục tri thức Vì vậy,việc giúp HS hiểu và vận dụng tốt phương pháp này đóng một vai trò quyết địnhtrong việc học tập môn vật lí của các em.

2.1.2 Lực, tổng hợp và phân tích lực

Định nghĩa: Lực là đại lượng véctơ đặc trưng cho tác dụng của vật này

lên vật khác (kết quả là làm cho vật bị biến dạng hoặc gây gia tốc cho vật).

Tổng hợp lực: là việc thay thế các lực tác dụng đồng thời vào cùng một

vật bằng 1 lực có tác dụng giống hệt như các lực ấy

Phân tích lực: là phép thay thế một lực thành 2 lực thành phần có tác

dụng giống hệt như lực ấy.

Thường người ta phân tích lực thành hai lực vuông góc với nhau để lựcthành phần này không có tác dụng nào theo phương của lực thành phần kia, gồmba bước:

Bước 1: Từ đầu mút của F vẽ 2 đường thẳng song song với 2phương Ox và Oy.

Bước 2: Vẽ 2 véc tơ thành phần F ,F xy

nằm theo 2 phương Ox, Oy.

Bước 3: Tính độ lớn 2 lực thành phần F ,Fxy dựa vào các hệ thứctrong tam giác vuông

2.1.3 Ba định luật Newton.

2.1.3.1 Định luật I Newton.

Nội dung: Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác

dụng của các lực có hợp lực bằng 0, thì vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên,đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.

- Điều kiện (1) cũng chính là điều kiện cân bằng của chất điểm

- Lực không phải là nguyên nhân gây ra chuyển động.

- Quán tính: là tính chất bảo toàn trạng thái đứng yên hay chuyển động

của vật (hay bảo toàn vận tốc v của vật)

2.1.3.2 Định luật II Newton.

Nội dung: Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật; Độ lớn

của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. 

2.1.3.3 Định luật III Newton.

Nội dung: Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực

- Điểm đặt: vào trọng tâm mỗi vật.

- Phương: là đường thẳng nối trọng tâm hai vật.- Chiều: hướng về phía nhau.

- Độ lớn:

122m mF G

(với G 6,67.10 Nm / kg 11 2 2)

Trọng lực P :

là lực hút của Trái đất lên một vật, nên trọng lực là một

trường hợp riêng của lực hấp dẫn, P mg.

- Phương: thẳng đứng (hướng vào tâm Trái đất).- Chiều: từ trên xuống.

- Độ lớn: P mg (gọi là trọng lượng của vật)

Lực căng: xuất hiện khi một dây bị kéo (dãn) Bốn đặc điểm của lực căng

tại 2 đầu dây:

- Điểm đặt: vào đầu sợi dây.

- Phương: dọc theo phương sợi dây.- Chiều: hướng vào trong sợi dây.

- Độ lớn: không có công thức tính cụ thể.2.1.4.2 Lực ma sát

Lực masát nghỉ F :msn xuất hiện ở mặt tiếp xúc, chống lại xu hướngchuyển động của vật và có 4 đặc điểm:

- Điểm đặt: vào vật (sát với bề mặt tiếp xúc).- Phương: song song với mặt tiếp xúc.

- Chiều: ngược chiều với ngoại lực song song F //

(với mặt tiếpxúc).

Lực đàn hồi của lò xo: xuất hiện khi lò xo biến dạng (nén, giãn) Bốn đặc

điểm của lực đàn hồi tại 2 đầu lò xo:- Điểm đặt: vào đầu lò xo.- Phương: trùng với trục lò xo.- Chiều: ngược chiều biến dạng.

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

Mặc dù điểm đầu vào lớp 10 trường THPT Nguyễn Trãi xếp thứ 6, 7 toàntỉnh song nó bị sàng lọc bằng phương pháp tối ưu (đó chính là sự lựa chọn đăngkí của các em HS dựa trên năng lực của mình) Gần như 100% HS có năng lựchọc tập khá cứng và giỏi sẽ lựa chọn THPT Chuyên Lam Sơn và THPT HàmRồng; còn phần trăm nhỏ nhoi HS có năng lực học tập khá cứng, giỏi và khá sẽlựa chọn THPT Nguyễn Trãi hoặc THPT Đào Duy Từ là chủ yếu; tuy nhiênnhiều phụ huynh có điều kiện thường lựa chọn thiên về THPT Đào Duy Từ docơ sở vật chất tốt hơn Chính vì vậy, đối tượng HS trường tôi chủ yếu là HStrung bình khá và hiếm hoi HS mũi nhọn

Các năm học trước, HS trường tôi tiếp thu phương pháp động lực học chấtđiểm còn nhiều mơ hồ; các em chỉ áp dụng được đối với các bài toán quenthuộc, đơn giản và gần như bế tắc khi phân tích các hiện tượng bài toán ở mứcvận dụng (nhiều em có giải HSG cấp tỉnh vẫn không đạt điểm 9 ở kì thi Tốtnghiệp THPT).

Năm học 2023 – 2024, đối tượng HS các lớp tôi phụ trách có năng lựctoán học và vật lí không đồng đều; vì vậy để giảng dạy chuyên đề này một cáchhiệu quả tôi phải chia nhóm HS và vận dụng phương pháp dưới nhiều kĩ thuậtkhác nhau tùy vào từng nhóm đối tượng HS.

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

Trong giới hạn sáng kiến kinh nghiệm này, tôi chỉ tập trung trình bày cáckĩ thuật vận dụng phương pháp động lực học chất điểm để giải quyết các bàitoán chuyển động của cơ hệ áp dụng cho các nhóm đối tượng HS khác nhau.

2.3.1 Kĩ thuật phân tích lực (PTL)

a) Các bước của phương pháp động lực học chất điểm dựa trên kĩ thuật phân tíchlực gồm các bước:

Bước 1: Vẽ các lực tác dụng vào vật (hoặc hệ vật).

Bước 2: Phân tích các lực xiên góc (so với phương chuyển động Ox và

phương vuông góc với phương chuyển động Oy).

Bước 3: Áp dụng định luật II Newton (dạng độ lớn cho cả hệ vật)

với Fklà lực kéo, Fc là lực cản

(Chú ý: với cơ hệ thì nội lực không gây ra gia tốc)+ Phương Oy: Fk Fc

Bước 4: Giải phương trình hoặc hệ phương trình.

Lưu ý: Kĩ thuật này tôi áp dụng cho mọi đối tượng HS vì nó dễ tiếp cận và giúp

HS làm nhanh các bài tập từ mức vận dụng trở xuống.b) Ví dụ vận dụng:

Ví dụ 1: Một vật khối lượng 500 g đặt trên mặt bàn nằm ngang Hệ số ma sát

trượt giữa vật với mặt bàn là 0,25 Vật bắt đầu được kéo đi bằng một lựcF 2 N theo phương ngang Lấy g 10m / s  2

a Xác định gia tốc của vật và quãng đường vật đi được sau 2 s?

b Sau 2 s lực F ngừng tác dụng? Tính quãng đường vật đi tiếp cho đến khi dừnglại?

Chú ý: Do không có lực xiên góc đối với trục Ox và Oy, nên ta bỏ qua bước 2

Ví dụ 2: Một vật có khối lượng 2 kg đang

nằm yên thì được kéo bằng một lực F có độlớn 12 N theo hướng tạo với mặt đường nằmngang góc  30o (hình bên) Biết hệ số masát của vật với mặt sàn là μ = 0,5 Lấy

g 10m / s 

a Tính gia tốc của vật?

b Xác định vận tốc, độ dịch chuyển, quãng đường vật đi được sau thời gian 10s?

Hướng dẫn

a + Các lực tác dụng vào vật như hình bên trái

+ Lực F là lực xiên góc, nên ta chỉ cần phân tích lực F thành hai lực thành phầnx

và F y

như hình vẽ bên phải.

Ví dụ 3: Một vật bắt đầu trượt từ đỉnh một mặt phẳng nghiêng dài 10 m, góc

nghiêng α = 30° Biết hệ số ma sát giữa vật với mặt phẳng nghiêng là 0,2 Lấy2

g 10m / s  Xác định gia tốc của vật trên mặt phẳng nghiêng và vận tốc của vậttại chân mặt phẳng nghiêng?

Vận tốc của vật tại chân mặt phẳng nghiêng: v 2as  2.3,27.10 8,1 m / s 

Ví dụ 4: Cho cơ hệ như hình vẽ Biết m13kg,m2 1kg,F 20 N,  30 ,o dâykhông dãn, khối lượng không đáng kể, hệ số ma sát giữa các vật và sàn là

Ví dụ 5: Cho cơ hệ như hình vẽ Biết m12kg,m2 1kg,F1 20 N,F2 10 N,

Trục Ox:

Với vật 2 thì:

2ms22x2

- Vì phương pháp này dựa trên phép phân tích lực (HS được học ở trang59 – SGK.VL10) nên tất cả HS dễ tiếp cận.

- Vì cứ mỗi lực xiên góc được phân tích thành 2 lực thành phần, nên vớibài tập có nhiều lực xiên góc, số lực tăng lên đáng kể, gây khó khăn cho HS (đặcbiệt với HS khá trở xuống).

- 100% HS của tôi đều được học phương pháp này Khi dạy chính khóaphần chứng minh dao động điều hòa ở vật lí lớp 11, tôi sẽ hướng dẫn các em sửdụng công thức đọc gia tốc dưới dạng đại số:

  

m  

(trong đó F 

làtổng các lực theo chiều dương, F 

là tổng các lực theo chiều âm trục Ox)

2.3.2 Kĩ thuật chiếu vuông góc (CVG)

a) Các bước của phương pháp động lực học chất điểm dựa trên kĩ thuật chiếuvuông góc gồm các bước:

Bước 1 Vẽ các lực tác dụng vào vật và chọn trục Ox hoặc hệ trục Oxy

(trong đó trục Ox cùng hướng chuyển động).

Bước 2 Viết biểu thức định luật II Newton cho từng vật: F ma   *

Bước 3 Chiếu (*) lên các trục đã chọn (để chuyển từ phương trình véctơ

sang phương trình đại số).

Bước 4 Giải phương trình hoặc hệ phương trình.

Lưu ý: Kĩ thuật này tôi áp dụng cho đối tượng HSG và yêu cầu HS không vẽ

vectơ hình chiếu (giúp HS tăng tư duy tưởng tượng).b) Ví dụ vận dụng

Ví dụ 1: Một vật có khối lượng m đang

nằm yên thì được kéo bằng một lực F cóđộ lớn không đổi theo hướng tạo với mặtđường nằm ngang góc  (hình bên) Biếthệ số ma sát của vật với mặt sàn là μ a Viết công thức tính gia tốc của vật?

b Góc  bằng bao nhiêu để gia tốc của vật đạt giá trị cực đại? Viết công thứctính gia tốc cực đại đó?

Hướng dẫn

a + Các lực tác dụng vào vật như hình

+ Theo định luật II Newtơn, ta có: F N P F    ms  ma  1

+ Chiếu (1) lên các trục ta được:

Ban đầu hệ được giữ đứng yên, dây căng Thả cho hệ chuyển động, xác địnha Gia tốc của các vật?

b Lực căng của dây?



góc  30o so với mặt phẳng nằm ngang tácdụng vào viên gạch 1, có cường độ F 200 N.Hệ số ma sát giữa viên gạch 1 và viên gạch 2là  12 0,25; giữa viên gạch 2 và sàn là

2 0,1.

  Lấy g 10m / s  2 Tính gia tốc củacác viên gạch? Biết viên gạch 1 trượt trên viêngạch m2

Hướng dẫn:

+ Các lực tác dụng vào các vật như hình+ Theo định luật II Newtơn, ta có:

Vật 1: F N  21P1 Fms21 m a1 1  1 Vật 2: F ms12 N 2  P2Q12  Fms2 m a2 2  2+ Chiếu (1) lên các trục được:

12211 1211



Nhận xét chung: Kĩ thuật chiếu (vuông góc) không tường minh (không vẽ hình

chiếu) giúp HS giải dễ dàng các bài tập thuộc vận dụng cao, giúp GV nhận biếtđược những HS có tố chất vật lí thật sự để bồi dưỡng, phát triển.

2.3.3 Kĩ thuật chiếu kết hợp với cách đọc gia tốc của vật (CĐA)

a) Các bước của phương pháp động lực học chất điểm dựa trên kĩ thuật chiếuvuông góc kết hợp cách đọc gia tốc của vật gồm các bước:

Bước 1 Vẽ các lực tác dụng vào vật và chọn trục Ox hoặc hệ trục Oxy

(trong đó trục Ox cùng hướng chuyển động).

Bước 2: Áp dụng định luật II Newton dưới dạng độ lớn cho cả hệ vật:

Bước 3 Giải phương trình hoặc hệ phương trình.

Lưu ý: Kĩ thuật này tôi áp dụng cho đối tượng HSG để các em có thể làm nhanh

tất cả các bài tập từ đơn giản đến phức tạp; đáp ứng yêu cầu thi cử hiện hành.b) Ví dụ vận dụng

Ví dụ 1: Cho cơ hệ như hình dưới Dây không giãn, không khối lượng Biết

Hướng dẫn:

+ Vì P1 P sin2   m1 đi xuống, m2 đi lên Các lực tác dụng vào các vật nhưhình

Hình 6