Vật lý là một môn khoa học cơ bản của chương trình giáo dục phổ thông, trong hệ thống giáo dục phổ thông của nước ta. Học tập tốt bộ môn vật lý giúp con người nói chung và học sinh nói riêng có kỹ năng tư duy sáng tạo, làm cho con người linh hoạt hơn, năng động hơn trong cuộc sống cũng như trong công việc. Nhiệm vụ của giảng dạy bộ môn vật lý ở bậc trung học phổ thông là thực hiện được những mục tiêu giáo dục mà Bộ Giáo dục và Đào tạo đã đề ra: Làm cho học sinh đạt dược các yêu cầu sau: Nắm vững được kiến thức của bộ môn. Có những kỹ năng cơ bản để vận dụng kiến thức của bộ môn. Có hứng thú học tập bộ môn. Có cách học tập và rèn luyện kỹ năng hợp lý, đạt hiệu quả cao trong học tập bộ môn vật lý.
Trang 1TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TIÊN LỮ.
HƯNG YÊN NĂM 2010
Trang 2- Nắm vững được kiến thức của bộ môn.
- Có những kỹ năng cơ bản để vận dụng kiến thức của bộ môn
- Có hứng thú học tập bộ môn
- Có cách học tập và rèn luyện kỹ năng hợp lý, đạt hiệu quả cao trong học tập
bộ môn vật lý
- Hình thành ở học sinh những kỹ năng tư duy đặc trưng của bộ môn
Bộ môn vật lý được phân phối theo chương trình đồng tâm Lớp 10 và
11 học để chuẩn bị cho lớp 12, nên nhiệm vụ chính của vật lý lớp 10 là tạocho học sinh là tạo cho học sinh kỹ năng học tập vật lý theo đúng đặc trưng
bộ môn Vật lý lớp 10 có vai trò quan trọng nhất, có toàn bộ cách tiếp cận bộmôn vật lý, cách vận dụng kiến thức và phát triển tư duy vật lý cho học sinh.Trong nội dung môn Vật lý lớp 10, phần Động lực học chất điểm có tác dụngrất tốt, giúp học sinh phát triển tư duy vật lý Trong phần này thể hiện rất rõcác thao tác cơ bản của tư duy vật lý là từ trực quan sinh động đến tư duytrừu tượng, từ tư duy trừu tượng đến thực tiễn khách quan, như:
- Phân tích hiện tượng và huy động các kiến thức có liên quan để đưa ra kếtquả của từng nội dung được đề cập
- Sử dụng kiến thức toán học có liên quan như để thực hiện tính toán đơngiản hoặc suy luận tiếp trong các nội dung mà bài yêu cầu
- Sử dụng kiến thức thực tế để suy luận, để biện luận kết quả của bài toán(Xác nhận hay nêu điều kiện để bài toán có kết quả) Việc học tập phần nàyđược tập trung vào việc vận dụng kiến thức để giải các bài tập về động lựchọc chất điểm
Vấn đề đặt ra là: Làm thế nào để học sinh có những kỹ năng giải cácbài tập về động lực học chất điểm một cách lôgíc, chặt chẽ, đặc biệt là làmthế nào để qua việc rèn luyện kỹ năng giải các bài tập động lực học chất điểm
là một nội dung cụ thể có thể phát triển tư duy Vật lý, và cung cấp cho họcsinh cách tư duy cũng như cách học đặc trưng của bộ môn Vật lý ở cấp trunghọc phổ thông
Trang 3Trong những năm giảng dạy bộ môn Vật lý ở bậc trung học phổ thông,tôi nhận thấy: Ở mỗi phần kiến thức đều có yêu cầu cao về vận dụng kiếnthức đã học được vào giải bài tập Vật lý Vì vậy ở mỗi phần người giáo viêncũng cần đưa ra được những phương án hướng dẫn học sinh vận dụng kiếnthức một cách tối ưu để học sinh có thể nhanh chóng tiếp thu và vận dụng dễdàng vào giải các bài tập cụ thể:
Theo nhận thức của cá nhân tôi, trong việc hướng dẫn học sinh giải bàitập cần phải thực hiện được một số nội dung sau:
- Phân loại các bài tập của phần theo hướng ít dạng nhất
- Hình thành cách thức tiến hành tư duy, huy động kiến thức và thứ tự cácthao tác cần thực hiện
- Hình thành cho học sinh cách trình bày bài giải đặc trưng của phần kiếnthức đó
Sau đây tôi nêu những suy nghĩ của cá nhân tôi trong việc hướng dẫnhọc sinh giải bài tập về Động lực học chất điểm thuộc Vật lý lớp 10 cấp trunghọc phổ thông mà tôi đã áp dụng trong những năm qua để được tham khảo,rút kinh nghiệm và bổ xung
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Kiến thức: Động lực học chất điểm và phương pháp vận dụng kiến thứctrong việc giải các bài tập của phần này
- Đối với học sinh trung bình, yếu: Yêu cầu nắm vững kiến thức cơ bản,phương pháp giải và giải các bài tập đơn giản
- Đối với học sinh khá, giỏi: Yêu cầu áp dụng phương pháp giải vào bài tậpkhó, có tính chất nâng cao, vận dụng kiến thức một cách tổng hợp
Phần II: NỘI DUNG
A/ KIẾN THỨC CƠ BẢN:
I/ Các khái niệm cơ bản:
1/ Chất điểm: là vật thể mà kích thước có thể bỏ qua khi nghiên cứu
Các trường hợp mà vật có thể coi là chất điểm:
- Kích thước của vật rất nhỏ so với chiều dài quỹ đạo của vật và chỉ xác định
vị trí của vật trên quỹ đạo
- Vật rắn chuyển động tịnh tiến: Mọi điểm trên vật có quỹ đạo giống nhaunên chỉ cần xác định chuyển động của một điểm trân vật
2/ Hệ quy chiếu: Là công cụ giúp nghiên cứu chuyển động của vật
- Hệ quy chiếu gồm: Hệ tọa độ (thường dùng hệ tọa độ Đềcác vuông góc) gắnvới vật làm mốc và mốc thời gian, đồng hồ
Trang 4+ Hệ quy chiếu quán tính: Trong Vật lý lớp 10 đó là hệ quy chiếu đứng yênhoặc chuyển động thẳng đều so với mặt đất.
+ Hệ quy chiếu phi quán tính: Trong Vật lý lớp 10 đó là hệ quy chiếu gắn vớivật chuyển động có gia tốc không đổi đối với mặt đất
3/ Lực:
- Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của vật này vào vật khác, kết quả làlàm thay đổi chuyển động của vật hoặc làm cho vật bị biến dạng
- Lực có ba đặc trưng:
+ Điểm đặt: Là vị trí tác dụng của tương tác
+ Hướng của lực: Là hướng tác dụng của tương tác gồm phương và chiều+ Độ lớn của lực: Là mức độ mạnh yếu của tương tác
- Biểu diễn lực: Bằng vectơ
+ Gốc vectơ biểu diễn điểm đặt của lực
+ Hướng của vectơ biểu diễn hướng của lực, đường thẳng mang vectơ lực làgiá của lực
+ Chiểu dài vectơ biểu diễn độ lớn của lực theo tỷ lệ xích quy ước
F= +
- Quy tắc: Cộng vectơ
Trong vật lý thường dùng quy tắc hình bình hành: Hợp lực của hai lực đồngquy được biểu diễn bằng đường chéo (kẻ từ điểm đồng quy) của hình bìnhhành mà hai cạnh là những vectơ biểu diễn hai lực thành phần
b/ Phân tích lực là thay thế một lực bằng hai hay nhiều lực tác dụng đồng thời
và gây hiệu quả giống hệt như lực ấy
- Đặc điểm của lực hấp dẫn giữa hai chất điểm
+ Điểm đặt: Ở chất điểm đang xét
+ Hướng: Phương: trùng đường thẳng nối hai chất điểm
Chiều: biểu diễn lực hút
+ Độ lớn: hd 12 2
r
mmG
F = Với G = 6,67 Nm2/kg2
- Trọng lực: là lục hút của trái đất tác dụng lên một vật
Trang 5Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở trọng tâm của vật
+ Hướng: Phương thẳng đứng
Chiều từ trên xuống
+ Độ lớn: P = mg g: gia tốc rơi tự do (gia tốc trọng trường)b/ Lực đàn hồi: Là lực xuất hiện ở vật khi vật đàn hồi bị biến dạng
- Lực đàn hồi của lò xo đồng đều bị kéo hoặc bị nén:
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực đàn hồi
+ Hướng: Ngược với hướng của biến dạng (hướng biến dạng là hướngchuyển động tương đối của đầu ấy so với đầu kia)
+ Độ lớn: Fđh = k ∆l ∆l = l – l0: độ biến dạng của lò xo
- Lực căng của dây:
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực căng dây
+ Hướng: Phương trùng với dây
Chiều hướng về phần giữa của dây
- Lực đàn hồi của một mặt bị ép
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực đàn hồi
+ Hướng: Phương vuông góc với bề mặt vật
Chiều ngược với chiều của áp lực gây ra lực đàn hồi đó
c/ Lực ma sát: Là lực xuất hiện khi một vật chuyển động hoặc có xu hướngchuyển động trên mặt một vật khác
+ Hướng: Phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
Chiều: ngược chiều chuyển động tương đối của vật ấy so với vậtkia
+ Độ lớn: Fms = µt.N µt: hệ số ma sát trượt
- Lực ma sát lăn: xuất hiện khi một vật lăn trên mặt vật khác
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực ma sát
+ Hướng: Phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
Chiều: ngược chiều chuyển động tương đối của vật ấy so với vậtkia
+ Độ lớn: Fms = µl.N µl: hệ số ma sát lăn
Chú ý: Hệ số ma sát lăn µl nhỏ hơn hệ số ma sát trượt µt hàng chục lần
Trang 6- Lực ma sát nghỉ: xuất hiện khi một vật có xu hướng chuyển động trên mặtvật khác Lực ma sát nghỉ xuất hiện để cân bằng với các ngoại lực khác tácdụng vào vật
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực ma sát
+ Hướng: Phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
Chiều: ngược chiều với xu hướng chuyển động tương đối của vật
ấy so với vật kia
+ Độ lớn: Cân bằng với các ngoại lực khác tác dụng lên vật Bằng độ lớn hợplực của các ngoại lực khác tác dụng lên vật
Độ lớn của lực có giá trị cực đại Fmscđ = µn.N µn : Hệ số ma sát nghỉ
+ Hướng: Ngược hướng với gia tốc của hệ quy chiếu
+ Độ lớn: Fqt = ma với a là độ lớn gia tốc của hệ quy chiếu quán tính sovới mặt đất
II/ Các định luật Niu Tơn
1/ Định luật I Niu - Tơn:
Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của nhữnglực cân bằng nhau thì vật sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều
2/ Định luật II Niu - Tơn:
Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng đã gây ra nó, có độ lớn tỷ lệthuận với độ lớn của lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật
hay F m.a
m
F
3/ Định luật III Niu – Tơn:
Nếu vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại vật Amột lực, hai lực này là trực đối Nghĩa là cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngượcchiều
III/ Phương pháp giải bài tập Vật lý: 4 bước
Bước 1: Tóm tắt đầu bài, đổi đơn vị, vẽ hình (nếu có)
Bước 2: Phân tích đầu bài tìm cách giải
Bước 3: Thực hiện giải
Bước 4: Biện luận và đáp số
Trang 7III/ Phương pháp giải bài tập phần Động lực học chất điểm:
Khi hướng dẫn học sinh giải các bài tập nên đưa ra angorit và cách vận dụngtrong linh hoạt các bài tập cụ thể
Đối với các bài tập về phần động lực học đã có một phương pháp chung:Bước 1: Chọn hệ quy chiếu
Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng lên vật
Bước 3: Viết biểu thức định luật II Niu-Tơn
Bước 4: Chuyển biểu thức vectơ thành biểu thức đại số và tính đại lượng yêucầu
Việc chọn hệ quy chiếu thực hiện sao cho bài toán giải được thuận lợi nhất.Đồng thời cũng quyết định đến các lực tác dụng vào vật và quỹ đạo của vật,
do chọn hệ quy chiếu là quán tính hay là phi quán tính
Các bài tập về động lực học chất điểm có thể chia thành hai dạng chính:
Dạng 1: Bài toán một vật: có ba trường hợp:
B/ THỰC HIỆN ÁP DỤNG TRONG CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN.
Dạng 1: Bài toán một vật.
Phương pháp giải:
Bước 1: Chọn hệ quy chiếu
Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng lên vật
Bước 3: Viết biểu thức định luật II Niu-Tơn
Bước 4: Chuyển biểu thức vectơ thành biểu thức đại số và tính đại lượng yêucầu
Việc giải các bài tập vật lý đó là tư duy hiện tượng nên phải xuất phát từ phântích hiện tượng của bài đề cập tới Phương pháp giải nêu ra như trên đượchiểu như thứ tự các thao tác cần thực hiện để giải các bài toán cụ thể
1/ Vận dụng phương pháp giải trên vào một vật chuyển động thẳng:
Ví dụ 1: Một vật có khối lượng m = 4kg đang đứng yên trên mặt phẳng
ngang được kéo chuyển động bởi một lực F có độ lớn không đổi là 6N Hệ
số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng ngang là µ = 0,1, lấy g = 10 m/s2 Hãytính quãng đường mà vật đi được trong 5s trong hai trường hợp:
a/ Lực F có phương ngang
Trang 8b/ Lực F hợp với phương ngang lên phía trên một góc là α với sinα = 0,6.
Giải
Nhiệm vụ của bài toán là phải xác định được dạng chuyển động của vật, từ đó vận dụng bài toán động học để tính đại lượng theo yêu cầu của bài toán Vì vậy ta cần xác định gia tốc của vật và từ điều kiện ban đầu nhận định dạng chuyển động của vật.
Để xác định gia tốc của vật ta dùng phương pháp giải đã nêu như trên Cần phân tích để học sinh có thể tiến hành được các thao tác trên, từ việc chọn hệ quy chiếu theo định hướng giải, xác định được các lực tác dụng vào vật và biểu diễn trên hình, viết biểu thức định luật II Niu-Tơn cho trường hợp của bài Hướng dẫn học sinh biết cách thực hiện việc chuyển biểu thức vectơ thành biểu thức đại số rồi thực hiện tính đại lượng yêu cầu
Lời giải cụ thể như sau:
Hệ quy chiếu: Tọa độ Oxy:
Ox: phương ngang, chiều cùng chiều chuyển động của vật
Oy: phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên
Mốc thời gian t = 0 lúc vật bắt đầu chuyển động
PN
x
Trang 9b/ Lực F hợp với phương ngang lên phía trên một góc là α với sinα = 0,6.
Ta có hình vẽ:
Áp dụng định luật II Niu-Tơn: Fhl =ma
amF
PN
F+ + + ms =
→
8,0sin
a/ Giữa vật m và lăng trụ có ma sát không đáng kể
b/ Hệ số ma sát nghỉ giữa vật m và lăng trụ là µ với µ < cotanα
Giải
Trong bài toán này vật m ta xét đứng yên so với lăng trụ, như vậy vật
so với mặt đất vật m chuyển động có gia tốc là a0 Để giải ta có thể chọn hệ
Trang 10quy chiếu gắn với mặt đất (hệ quy chiếu quán tính) hoặc hệ quy chiếu gắn với lăng trụ (hệ quy chiếu phi quán tính)
Để giải bài tập này ta vẫn tiến hành các thao tác như trên Nếu chọn
hệ quy chiếu gắn với mặt đất (hệ quy chiếu quán tính) thì vật có gia tốc của lăng trụ là a0 không có lực quán tính tác dụng lên vật Nếu chọn hệ quy
chiếu gắn với lăng trụ (hệ quy chiếu phi quán tính) thì vật đứng yên và xuất
so với lăng trụ nên ma sát giữa vật và lăng trụ là ma sát nghỉ Các bài toán
có lực ma sát nghỉ thì hướng dẫn học sinh chuyển bài toán về tính lực ma sát
và phản áp lực từ mặt bị ép rồi dùng đặc tính độ lớn của lực ma sát nghỉ, có hai trường hợp:
Nếu vật chỉ có xu hướng chuyển động theo một chiều thì F ms ≤ µN
Nếu vật có thể có xu hướng chuyển động theo hai chiều thì F ms≤ µN
Ở bài này tôi nêu cách sử dụng hệ quy chiếu phi quán tính.
Lời giải cụ thể như sau:
Hệ quy chiếu: Tọa đô Oxy gắn với lăng trụ
Ox: phương ngang, cùng chiều a0
Oy: phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên
Chiếu lên Ox: N.sinα - Fq = 0 → N.sinα = Fq
Chiếu lên Oy: N.cosα - P = 0 → N.cosα = P
α
m
0
aN
P
q
F
xy
Trang 11Nên:
g
amg
maP
Ftanα= q = 0 = 0 → a0 = g.tanα
b/ Hệ số ma sát nghỉ giữa vật m và lăng trụ là µ với µ < cotanα
Trong bài là trường hợp lực ma sát nghỉ Với những giá trị a 0 nhỏ thì vật m
lớn vật m lại có xu hướng trượt lên phía đỉnh mặt phẳng nghiêng Nên lực
ma sát nghỉ trong bài là lực ma sát có thể có hai chiều Vì vậy biểu diễn lực
ma sát theo một chiều có thể và định hướng hướng dẫn học sinh tính độ lớn của lực ma sát nghỉ và phản áp lực
Chiếu lên Ox: N.sinα - Fq – Fms.cosα = 0
Chiếu lên Oy: N.cosα - P + Fms.sinα = 0
−α
αµ+α
≤
≤α+αµ
αµ
−
α
sin.cos
cos.sin
gacos
sin
cos.sin
Trang 12Bước 1: Chọn hệ quy chiếu (tọa độ Oxy)
Bước 2: Xác định gia tốc của vật
Bước 3: Khảo sát từng chuyển động thành phần của vật theo các trục tọa độBước 4: Phối hợp các chuyển động thành phần tìm chuyển động của vật
Đây là dạng bài phân tích một chuyển động không thẳng bằng hai chuyển động thẳng thành phần Nên cần mô tả hiện tượng để học sinh có hiểu được, như vậy thay vì khảo sát chuyển động của vật bằng khảo sát các chuyển động thành phần, đó là cách nghiên cứu đặc trưng của vật lý Sau khi phân tích, việc tiếp theo là khảo sát chuyển động thẳng, nên được tiến hành như bài toán động học chất điểm đối với các chuyển động thành phần Tiếp theo cần hướng dẫn học sinh cách phối hợp các chuyển động thành phần để tìm ra chuyển động của vật, là xác định các đặc tính của vật chuyển động.
Ví dụ 1: Một vật coi là chất điểm được ném ngang với vận tốc ban đầu là v0
từ một điểm có độ cao là h0 Bỏ qua sức cản không khí, gia tốc trọng trường
là biến đổi đều Muốn đạt được điều này phải dựa vào gia tốc của vật theo các phương ấy Như vậy cần phân tích chuyển động của vật thành hai chuyển động thẳng theo phương của gia tốc và phương kia vuông góc với gia tốc
Lời giả cụ thể của bài như sau:
Trang 13Sau khi bị ném vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực P
Gia tốc của vật: g
m
P
a = =
Hệ quy chiếu: Tọa độ Oxy:
Ox: phương ngang, cùng chiều với vận tốc ban đầu v0
Oy: phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống
Gốc tọa độ O: tại vị trí ném vật
Mốc thời gian: t = 0: lúc ném vật
Theo phương Ox: gia tốc của vật là ax = 0 → vật chuyển động đều
Tọa độ ban đầu: x0 = 0
vy
a/ Quỹ đạo của vật:
Giáo viên cần hướng dẫn học sinh cách xác định những đặc tính của chuyển động dựa trên các chuyển động thành phần Quỹ đạo của vật xác định bằng phương trình mô tả quỹ đạo của vật trong tọa độ Oxy
x.a
y= (4)
a, v0 không đổi nên quỹ đạo của vật là một phần của parabol
b/ Tầm bay xa của vật
Tầm bay xa của vật bị ném là quãng đường vật đi được theo phương
Ox Cần làm cho học sinh biết cách tính yếu tố này Có hai cách tính
- Từ (2) tính thời gian bay đến khi chạm đất rồi thay vào (1) để tính L
- Xác định tọa độ điểm chạm đất rồi dùng phương trình quỹ để xác định L
Khi vật chạm đất ta có: y = h0
Thời gian bay của vật:
a
h2
t = 0
Tầm bay xa:
a
h2.vt
v
L = x = 0 0