PHƯƠNG PHÁP GIẢI một số DẠNG bài tập vật lý 10 dựa TRÊN ĐỊNH LUẬT bảo TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

Trong quá trình học sinh giải bài tập vật lý thì giáo viên sẽ có những thông tin phản hồi cần thiết từ học sinh trên cơ sở đó nắm được tình hình học tập của các em, phần kiến thức kỹ năn

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT LÊ VĂN LINH



-•

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

TÊN ĐỀ TÀI

PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VẬT LÝ

10 DỰA TRÊN ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

Người thực hiện: Trịnh Văn Sơn

Chức vụ: Giáo viên

SKKN môn: Vật lý

I - ĐẶT VẤN ĐỀ

Vật lý là môn học chiếm vai trò quan trọng trong hệ thống các môn học ở trường phổ thông Vật lý là môn khoa học chính xác, môn khoa học thực nghiệm, là môn học giúp học sinh rèn luyện kỹ năng quan sát, phát triển tư duy logic và tư duy sáng tạo

Trong quá trình dạy học vật lý việc tổ chức cho học sinh làm bài tập cũng như đưa ra phương pháp giải một dạng bài tập nào đó là rất quan trọng, đặc biệt với đối tượng học sinh mà khả năng tiếp thu kiến thức còn hạn chế Qua phương pháp giải học sinh sẽ có định hướng rõ ràng về cách để giải một bài tập nào đó, đồng thời học sinh sẽ được ôn tập, cũng cố phần kiến thức đã học, rèn luỵện kỹ năng giải bài tập Trong quá trình học sinh giải bài tập vật lý thì giáo viên sẽ có những thông tin phản hồi cần thiết từ học sinh trên cơ sở đó nắm được tình hình học tập của các

em, phần kiến thức kỹ năng nào các em còn yếu, còn thiếu từ đó sẽ có những điều chỉnh hợp lý về phương pháp giảng dạy

Trong chương trình vật lý 10 – Ban cơ bản thì bài tập áp dụng các định luật bảo toàn, trong đó có áp dụng định luật bảo toàn động lượng chiếm vai trò hết sức quan trọng, về số lượng là có rất nhiều bài tập, về tính chất và mức độ là có nhiều bài tập hay và khó, không những thế các bài tập dạng này còn giúp học sinh giải thích được nhiều hiện tượng vật lý trong khoa học và trong cuộc sống hàng ngày

Do đó việc đưa ra phương pháp giải hợp lý các dạng bài tập này là rất cần thiết Để phù hợp với đối tượng học sinh, trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi chỉ lựa chọn

và đưa ra phương pháp giải một số dạng bài tập cơ bản dựa trên định luật bảo toàn động lượng.Vì vậy tôi đã chọn đề tài này

II -GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Cơ sở lý luận

Trong chương trình vật lý THPT theo quy định ngoài tiết học lý thuyết thì trong phân phối chương trình còn có nhiều tiết bài tập, ở đây học sinh sẽ được ôn tập cũng cố khắc sâu lại kiến thức đã học, đồng thời đựơc rèn luyện các kỹ năng giải các dạng bài tập

Giải bài tập vật lý là quá trình tư duy sáng tạo, học sinh phải tìm tòi lập luận giải quyết những yêu cầu những mâu thuẩn của bài toán, học sinh phải vận dụng một cách linh hoạt và sáng tạo các công thức, các phương trình vật lý đã học, do đó phải cần có một sự suy luận chính xác giữa các đại lượng vật lý đã biết và các đại lượng vật lý cần tìm

Bài “Động lượng và định luật bảo toàn động lượng” thuộc tiết 37 và 38 theo phân phối chương trình vật lý lớp 10 – Ban cơ bản của Sở giáo dục và đào tạo, bài tập vận dụng của bài học này cũng rất phong phú,đa dạng và hữu ích

2 Thực trạng của vấn đề

Đối với môn vật lý sau khi học xong phần lý thuyết thì có các bài tập áp dụng, khi giải bài tập học sinh thường rất lúng túng không biết dạng bài tập đó giải

như thế nào, phải thực hiện theo trình tự nào, áp dụng công thức nào cho phù hợp

Do đó để thực hiện giải một bài tập vật lý phải nói là một việc làm khó khăn với nhiều học sinh đến mức đã thành một câu cửa miệng( khó như lý, bí như hình, linh tinh như đại)

Qua nhiều năm công tác giảng dạy tại trường bán công nay chuyển sang công lập với đặc điểm đầu vào học sinh không cao điều đó nói lên khả năng tiếp thu kiến thức của một bộ phận học sinh còn nhiều hạn chế đặc biệt là với các môn học tự nhiên rất cần đến khả năng tư duy sáng tạo, ở đây không chỉ các em gặp khó khăn khi tiếp thu kiến thức mới mặc dù giáo viên trong quá trình giảng dạy đã đưa

ra nhiều phương pháp thích hợp mà các em còn gặp khó khăn hơn khi tiến hành giải các bài tập Để giúp các em khắc phục khó khăn trên, khi giải một dạng bài tập vật lý nào đó thì rất cần đưa ra phương pháp giải phù hợp và dễ hiểu, để học sinh không ngại, không lúng túng và có định hướng rõ ràng khi tiến hành giải bài tập, nói cách khác học sinh sẽ nắm được các bước giải một dạng bài tập vật lý Khi các

em đã tự giải được một bài tập vật lý thì sẽ tạo cho các em có hứng thú hơn với môn học

Khi làm các bài tập áp dụng định luật bảo toàn động lượng thì học sinh không biết là sẽ thực hiện giải theo trình tự nào, đặc biệt là các em rất lúng túng khi

áp dụng định luật bảo toàn động lượng từ dạng vectơ chuyển sang dạng đại số đó là: Cách xác định dấu khi chiếu các đại lượng véctơ lên trục ox đã chọn hoặc cũng rất khó khăn và lúng túng trong việc vận dụng phương pháp hình học cho bài tập cần giải.Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi cố gắng đưa ra phương pháp giải trực quan, dễ hiểu và phù hợp để học sinh có thể giải quyết những khó khăn nói trên

3 Cách tổ chức thực hiện

3.1 Cơ sở kiến thức

- Hệ cô lập: Một hệ vật gọi là hệ cô lập khi hệ vật đó không có ngoại lực tác dụng hoặc có ngoại lực tác dụng thì các ngoại lực đó cân bằng nhau

- Động lượng của một vật: Xác định bằng tích của khối lượng của vật và vận tốc của nó: p= mv, tromg đó pđặt trên vật và luôn cùng hướng với véc tơ v

- Động lượng của hệ vật bằng tổng véc tơ động lượng của các vật trong hệ

- Định luật bảo toàn động lượng: A

Trong hệ cô lập thì động lượng của hệ được

bảo toàn : p = hằng số c a

- Định lý pitago trong tam giác vuông: a2 = b2 + c2

- Trong tam giác vuông ABC ta có :

C b B

a

b

Aˆ=

sin ,

a

c

Aˆ =

cos ,

a

b

Aˆ =

tan

- Hệ thức lượng trong tam giác

a2 =b2 +c2 − 2bccosA

- Va chạm mềm là va chạm mà sau khi va chạm các vật nhập làm một và chuyển động cùng vận tốc

- Va chạm đàn hồi là va chạm mà sau va chạm các vật chuyển động tách rời nhau

3.2 – Phương pháp thực hiện

Dạng bài tập 1: Các vật trong hệ chuyển động trên cùng một phương

( Trước khi đưa ra phương pháp giải yêu cầu học sinh đọc kỹ đề, tóm tắt đề và xác định xem hệ vật đang xét có phải hệ cô lập không)

Phương pháp giải

- Bước 1: Biểu diễn các véc tơ vận tốc của từng vật trong từng thời điểm dựa vào

dữ kiện đề cho

- Bước 2: Chọn trục tọa độ 0x phù hợp

- Bước 3: Xác định động lượng của hệ vật ở từng thời điểm

- Bước 4: Áp dụng định luật bảo toàn động lượng p= hằng số (1)

- Bước 5: Chiếu phương trình véc tơ (1) lên trục 0x, để chuyển từ dạng véc tơ sang dạng đại số

- Bước 6: Lập luận để xác định giá trị đại lượng cần tìm của bài tập

* Bài tập áp dụng:Giáo viên cho học sinh làm nhiều bài tập để rèn luyện kỹ

năng giải bài tập dạng này

Bài 1: Một vật có khối lượng m1 = 3kg chuyển động với vận tốc có độ lớn v1 = 1,5m/s đến va chạm vào vật thứ 2 đang đứng yên có khối lượng m2 = 2 kg Sau va chạm 2 vật móc vào nhau và chuyển động với cùng vận tốc có độ lớn V Xác định

độ lớn vận tốc V ? Bỏ qua mọi ma sát Biết rằng cả 2 vật đều ở trên mặt phẳng nằm ngang

Hướng dẫn giải:

Bài tập này xem là bài tập mẫu giáo viên phân tích và trình bày cụ thể các bước làm bài tập này

- Yêu cầu học sinh phân tích đề bài và biểu diễn các véctơ vận tốc v1 và V trước và sau khi va chạm

o x

1 2 1 + 2

v1 V

Trước va chạm Sau va chạm

- Chọn trục ox theo hướng của v1

- Yêu cầu học sinh xác định động lượng của hệ hai vật trước và sau va chạm

cần lưu ý ở bài toán này là va chạm mềm nên sau va chạm 2 vật nhập làm 1có khối lượng bằng tổng khối lượng của 2 vật và chuyển động cùng vận tốc

pt = p1 + p2 =m1v1 +m2v2 vì v2= 0 nên pt =m1v1

ps = p1 ′ + p2 ′ =(m1+m2)V

- Vì bỏ qua mọi ma sát nên hệ vật gồm 2 vật trên là hệ cô lập và động lượng hệ bảo toàn

pt = ps ⇔ m1v1 = =(m1+m2)V (1)

Chiếu (1) lên ox ta có m1v1 =(m1+m2)V ( 1 2)

1 1

m m

v m V

+

=

⇒

Thay số: V =0,9 m/s

Kết luận: Sau va chạm 2 vật chuyển động cùng vận tốc 0,9 m/s

Bài 2: Một toa xe có khối lượng m1 = 3 tấn chuyển động với vận tốc có độ lớn v1 =

4 m/s đến va chạm vào toa xe thứ 2 đang đứng yên có khối lượng m2 = 5 tấn Sau

va chạm toaxe 2 chuyển động với vận tốc có độ lớn 3m/s Hỏi toa xe 1 chuyển động như thế nào? Độ lớn vận tốc bao nhiêu? Bỏ qua mọi ma sát Biết rằng cả 2 toa

xe đều ở trên mặt phẳng nằm ngang

Giáo viên hướng dẫn học sinh giải theo trình tự sau:

- Giả sử toa xe 1 sau va chạm chuyển động giật lùi trở lại

- Biểu diễn các vectơ vận tốc các vật trước và sau va chạm

o x

toa1 toa 2 toa 1 toa 2

v1 '

1

v '

2

v

Trước va chạm Sau va chạm

- Chọn trục ox hướng theo v1

- Động lượng của hệ trước và sau va chạm

pt = p1 + p2 =m1v1 +m2v2vì v2= 0 nên pt =m1v1

ps = p1 ′ + p2 ′ = m1v1 ′ +m2v2 ′

- Vì bỏ qua mọi ma sát nên động lượng của hệ bảo toàn

pt = ps ⇔m1v1 = m1v1 ′ +m2v2 ′ (1)

- Chiếu (1) lên trục ox ta có

m1v1 = −m1v1 ′ +m2v2 ′ ⇒

1

1 1 2 2 1

m

v m v m

v′= ′ −

Thay số : v1′ = 1m/s> 0 giả sử đúng

Lưu ý: - Đây là bài tập va chạm đàn hồi

- Nếu không biết một vật chuyển động theo chiều như thế nào ta cần giả sử chiều chuyển động của vật, nếu kết quả thu được v >0 giả sử đúng còn nếu v< 0 giã sử sai vật chuyển động theo chiều ngược lại

KL: Sau va chạm xe 1 bị giật lùi trở lại với vận tốc có độ lớn 1 m/s

Bài 3: Đứng trên 1 xe lăn có khối lượng M = 2kg đang nằm yên, một em bé có khối

lượng m ném một quả bóng có khối lượng m = 0,5kg về phía trước với vận tốc 5m/s Sau đó xe lăn và em bé cùng chuyển động về phía sau với vận tốc 0,1 m/s Xác định khối lượng của em bé ? Bỏ qua mọi ma sát Biết rằng xe lăn ở trên mặt phẳng nằm ngang

- Biểu diễn các véctơ vận tốc của từng vật trước và sau khi em bé ném quả bóng

o x

V v

Trước khi ném Sau khi ném

- Chọn trục ox theo hướng của véc tơ v

- Động lượng của hệ người và xe lăn trước và sau người ném

pt =o

ps =(M +m)V+m o v

- Vì bỏ qua ma sát nên động lượng bảo toàn

pt = ps ⇔(M+m)V+mo v=o

- Chiếu lên trục ox ta có

−(M +m)V+m o v=o

- Từ đó rút ra M

V

v m

m= o −

- Thay số m 23= kg

Lưu ý: Bài tập này hiện tượng giống như bài tập 2cũng cố thêm kỹ năng giải bài tập cho học sinh

Bài 4: Một tên lửa có khối lượng tổng cộng M=1tấn đang chuyển động theo

phương ngang với vận tốc V = 200m/s thì động cơ tên lửa hoạt động phụt tức thời

ra phía sau một lượng nhiên liệu có khối lượng m = 100kg với vận tốc 700m/s Xác định vận tốc tên lửa sau khi phụt khí ?

Giáo viên hướng dẫn học sinh giải theo trình tự sau:

- Biểu diễn véctơ vận tốc hệ tên lửa trước và sau khi hoạt động

o x

1,2 1 2

V v v 0

Trước hoạt động Sau hoạt động

- Chọn trục ox như hình vẽ

- Động lượng của hệ tên lửa trước và sau khi động cơ hoạt động

t

v m M v m v m v m

p

V M

p















− +

= +

=

=

- Vì hệ cô lập nên động lượng hệ bảo toàn

pt = ps ⇔M V=m v+(M −m)vo

- Chiếu lên trục ox

m M

mv MV v

v m M mv

−

+

=

⇒

− +

−

=

- Thay số v o = 144 , 4m/s

Sau khi tên lửa hoạt động tên lửa chuyển động với độ lớn vận tốc 144,4m/s

Lưu ý: - Đây là bài tập hoạt động của tên lửa coi là hệ cô lập và động lượng hệ bảo toàn

- Qua bài tập này học sinh giải thích được cơ chế hoạt động của tên lửa, chuyển động của máy bay phản lực trong kỹ thuật quân sự hiện nay

Bài 5:Một người khối lượng 56 kg đang đứng yên trên một con thuyền nặng 80 kg

nằm yên trên mặt nước Người đó bắt đầu nhảy lên bờ với vận tốc có độ lớn 2,5m/s Giải thích vì sao thuyền và người chuyển động ngược chiều nhau? Bỏ qua mọi ma sát.Xác định độ lớn vận tốc của thuyền ?

Giáo viên hướng dẫn và yêu cầu học sinh giải theo trình tự sau:

- Động lượng của hệ người và thuyền trước và sau người nhảy lên bờ

pt =o

ps = p1 ′ + p2 ′ = m1v1 ′ +m2v2 ′

- Vì bỏ qua mọi lực cản nên động lượng hệ bảo toàn

pt = ps ⇔ m1v1 ′ +m2v2 ′ =o(1)

2

1 1 2

m

v m v



 = −

Giáo viên yêu cầu học sinh nhận xét về chiều của 2 véc tơ vận tốc từ đó rút ra kết luận

Thuyền và người chuyển động ngược chiều nhau, thuyền chuyển động ra xa bờ

- Biểu diễn véctơ vận tốc '

1

vvà '

2

v của người và thuyền trước và sau khi người nhảy

lên bờ

o x

1,2 1 2

'

1 v '

2 v Trước khi nhảy Sau khi nhảy - Chọn trục ox theo hướng của véc tơ ' 2 v - Chiếu(1) lên trục 0x ta có −m1v1′+m2v2′ = 0 Ta có 2 1 1 2 m v m v′ = ′ Thay số v2′ = 1 , 75m/s Vậy thuyền chuyển động với vận tốc có độ lớn 1,75 m/s Lưu ý từ bài tập này có thể giải thích các hiện tượng khác như là súng giật khi bắn Bài 6 : Một người có khối lượng m1 = 50kg đang chạy với vận tốc v1 = 3m/s thì nhảy lên một xe gòong có khối lượng m2 = 150kg khạy trên đường ray với vận tốc v2 = 2m/s Xác định vận tốc của xe gòong sau khi người đó nhảy lên, nếu ban đầu người đó và xe goòng: a chuyển động cùng chiều b chuyển động ngược chiều Bỏ qua mọi ma sát Giáo viên hướng dẫn học sinh giải theo trình tự sau: a Biểu diễn véctơ vận tốc của từng vật trước và sau khi người đó nhảy lên xe goòng o x

1 2

v1 v2 V

Trước khi nhảy Sau khi nhảy

- Chọn trục ox theo hướng của v1

- Động lượng của hệ người và xe goòng trước và sau nhảy

pt =m1v1 +m2v2

ps =(m1+m2)V

- Vì bỏ qua mọi ma sát nên động lượng hệ bảo toàn

pt = ps ⇔m1v1+m2v2 =(m1+m2)V

- Chiếu lên trục ox

( )

2 1 2 2 1 1 2 1 2 2 1 1 m m v m v m V V m m v m v m + + = ⇒ + = + - Thay số V = 2 , 25m/s b.Sau khi người nhảy lên xe thì xe và người chuyển động cùng chiều với người trước khi nhảy o x

1 2

v1 v2 V Trước khi nhảy Sau khi nhảy - Động lượng của hệ người và xe goòng trước và sau nhảy pt =m1v1 +m2v2 ps =(m1+m2)V Vì bỏ qua mọi ma sát nên động lượng hệ bảo toàn pt = ps ⇔m1v1+m2v2 =(m1+m2)V - Chiếu lên ox ta có ( )

2 1

1 1 2 2 2

1 2

2 1

1

m m

v m v m V V m m v

m

v

m

+

−

=

⇒ +

−

=

−

Thay số V = 0 , 75m/s > 0

Rút ra kết luận về chuyển động xe goòng khi người nhảy lên xe trong 2 trường hợp trên

Lưu ý: Đây xem là bài tập củng cố phương pháp giải cho học sinh

Bài 7: Một người có khối lượng m = 60 kg đứng trên một con thuyền dài l = 3 m

khối lượng M = 120 kg đang đứng yên trên mặt nước Người đó bắt đầu đi đều từ mũi thuyền đến chỗ lái thuyền thì thấy thuyền chuyển động ngược lại Giải thích tại sao? Khi người đó đi tới chỗ lái thuyền thì thuyền đã chuyển động một đoạn đường dài bao nhiêu? Bỏ qua sức cản của nước

Giáo viên hướng dẫn học sinh giải theo trình tự sau:

- Biểu diễn véc tơ động lượng trước và sau khi người đi trên thuyền

o x

v V

Trước người đi trên thuyền Khi người đi trên thuyền

- Chọn trục toạ độ ox theo hướng V

- Động luợng của thuyền và người trước và sau khi người đi trên thuyền

v m V M p p p

o p

s

t















+

= +

=

=

2 1

- Hệ thuyền và người là hệ cô lập nên động lượng bảo toàn

M

v m V v

m V M

p

p t s















−

=

⇒

= +

=

0

Ta thấy V↑↓vnên thuyền và người chuyển động ngược chiều nhau

- Chiếu lên ox ta có ; MV −mv= 0

Gọi v olà vận tốc của người so với thuyền ta có: v=vo +V

Hay −v=V −v0 ⇒v=v0−V

- Thay vào trên ta có MV −m(v0 −V )= 0 ⇒MV =m(v0 −V )⇒(M +m)V =mv0

mà

t

l v t

s

V = ; 0 = thay vào ta có ( )

m M

ml s

t

l m t

s m M

+

=

⇒

= + Thay số l = 1 m

Lưu ý: Với bài tập này học sinh củng cố thêm phương pháp giải ôn tập lại công

thức cộng vận tốc, giải thích được hiện tượng vật lý trong cuộc sống tại sao đi trên thuyền thì thuyền lại chuyển động được

Dạng 2: Bài tập về các vật trong hệ chuyển động theo các phương khác nhau

( Trước khi đưa ra phương pháp giải yêu cầu học sinh đọc kỹ đề, tóm tắt đề và xác định xem hệ vật đang xét có phải hệ cô lập không)

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định động lượng của hệ vật ở từng thời điểm

Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn động lượng

Bước 3: Xác định độ lớn động lượng của các vật trong hệ khi đã đủ dữ kiện

Bước 4: Dùng phương pháp phân tích véctơ để biểu diễn các véc tơ động lượng của hệ vật dựa vào dữ kiện bài tập

Bước 5: Vận dụng phương pháp hình học để xác định giá trị đại lượng cần tìm của bài tập