PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG, ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SO VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TRONG VIỆC GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ VẬT LÝ LỚP 10 A - ĐẶT VẤN
Trang 1PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG, ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SO VỚI
PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TRONG VIỆC GIẢI CÁC
BÀI TOÁN CƠ VẬT LÝ LỚP 10
A - ĐẶT VẤN ĐỀ:
I TÊN ĐỀ TÀI
PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG, ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SO VỚI
PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TRONG VIỆC GIẢI CÁC
BÀI TOÁN CƠ VẬT LÝ LỚP 10
II LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
1 Lý do khách quan:
Để đảm bảo tốt việc thực hiện mục tiêu đào tạo môn Vật lý ở trường trung học phổ thông nói chung và lớp 10 nói riêng, cung cấp cho học sinh những kiến thức phổ thông cơ bản, có hệ thống, một số kiến thức nâng cao và toàn diện hơn Rèn luyện cho các em học sinh những kỹ năng như: kỹ năng vận dụng các kiến thức Vật lý để giải thích những hiện tượng Vật lý đơn giản, những ứng dụng trong đời sống, kỹ năng quan sát và vận dụng phương pháp vào giải các bài tập vật lí cơ học, phát huy tính tích cực sáng tạo nâng cao tầm nhìn của các
em về bộ môn vật lí có tầm quan trọng trong kĩ thuật và đời sống
2 Lý do chủ quan:
Trong quá trình giảng dạy bộ môn vật lý cụ thể về phần cơ học vật lý 10 tôi nhận thấy đại đa số học sinh gặp vướng mắc khi giải các bài tập về phần định luật bảo toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng, cũng như chưa hiểu rõ cái tiện lợi và ưu thế của phương pháp so với phương pháp động lực học và sự kết hợp giữa các phương pháp để giải quyết các bài toán cơ khó và hay Nhằm phần nào
đó tháo gỡ những khó khăn cho các em học sinh, cung cấp kiến thức và các dạng toán khó hay, chỉ rõ phương pháp và sự kết hợp có tính khóa học trong quá trình làm những bài tập phần này cũng như giúp các em có sự hứng thú, yêu
thích và sáng tạo đối với môn học vật lý hơn Vì vậy tôi mạnh dạn chọn đề tài “ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG, ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SO VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC TRONG VIỆC GIẢI CÁC BÀI TOÁN CƠ VẬT LÝ LỚP 10 ” Qua đề tài này tôi mong muốn cung cấp cho các em một số kĩ năng,
sử hiểu sâu hơn sáng tạo hơn và toàn diện hơn trong việc giải các bài tập vật lý
cơ trong chương trình vật lý 10
B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I CƠ SỞ LÍ LUẬN
Định luật bảo toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng là một định luật rất
quan trọng Dùng định luật này để giải bài toán cơ trong vật lí 10 kể cả trường hợp có và không có ma sát, thì vẫn nhanh hơn nhiều, tiện lợi hơn nhiều là giải bằng phương pháp động lực học thậm chí có những dạng toán mà phương pháp động lực học không thể giải quyết được thì phải vận dụng đến định luật bảo toàn
Trang 2cơ năng và chuyển hóa năng lượng hoặc phải kết hợp cả hai phương pháp thì mới giải được các dạng toán đó
Trong sách giáo khoa vật lí 10 chương trình nâng cao cũng chỉ mới đề cập định luật bảo toàn cơ năng vào giải các dạng toán chuyển động ném, va chạm đàn hồi và con lắc đơn Chưa có hoặc chưa nói rõ các dạng toán sử dụng sự chuyển hóa năng lượng trong các bài tập, dạng toán phức tạp hơn, cũng như chưa chỉ ra được sự tiện lợi hay ưu thế của phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng so với phương pháp động lực học hay
sự kết hợp giữa hai phương pháp để giải quyết các bài toán phức tạp, khó cho các học sinh lớp chuyên, lớp chọn Từ sự nhìn nhận đó kết hợp kinh nghiệm dạy
ở các lớp chọn của năm học 2012- 2013 vừa qua tôi cảm thấy chất lượng kiến thức cũng như phương pháp mà sách giáo khoa cung cấp chưa đủ và chưa phong phú để giúp các em tư duy hay phát huy tinh năng động tích cực khám phá cái mới cái hay của vật lí học lớp 10
Ở đây tôi xin giới thiệu phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng
và chuyển hóa năng lương cũng như một số dạng toán ứng dụng nhiều trong cơ học vật lí 10, chỉ ra các ưu thế của phương pháp này so với phương pháp động lực học và một số dạng toán kết hợp giữa hai phương pháp trong giới hạn các bài toán cơ chương trình vật lí 10 để giúp các em hoc sinh khắc sâu các định luật, đồng thời phát huy tính tích cực năng động sáng tạo trong vận dụng lí thuyết, phương pháp vào bài tập
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về cách sử dụng định luật bảo toàn cơ năng
và chuyển hóa năng lương trong giải các bài toán cơ vật lý 10 và chỉ ra được ưu thế cũng như tiện ích của phương pháp so với phương pháp động lực học cũng như đưa ra một số dạng toán có sự kết hợp của hai phương pháp mới giải quyết được các bài tập vật lý 10 nâng cao của trường trung học phổ thông, cụ thể là các em học sinh lớp 10 và học sinh tốp đầu của trường THPT hay trường chuyên lớp chọn và đã áp dụng, tích lũy ở lớp 10A2 trường THPT Hoằng Hóa II năm học 2012 – 2013 vừa qua
II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
II.1 PHẦN 1
PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN
HÓA NĂNG LƯỢNG
II.1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.1 Động năng
a) Định nghĩa:
Động năng là dạng năng lượng có được do vật chuyển động
Chú ý Wđ có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0
Wđ phụ thuộc hệ quy chiếu
b) Định lí động năng:
; (ΣA : tổng các công của các lực tác dụng vào vật)
(J)
Trang 31.1.2 Thế năng :
Là năng lượng của một hệ có được do tương tác giữa các vật trong hệ hay giữa các phần trong vật thông qua lực thế
a) Thế năng trọng trường
Wt = mgh
(Gốc thế năng ở mặt đất)
b) Thế năng đàn hồi
(Gốc thế năng ứng với trạng thái
lò xo không biến dạng
1.1.3 Cơ năng
- Định nghĩa : Là dạng năng lượng của hệ bao gồm động năng và thế năng
W = W đ + W t
- Định luật bảo toàn cơ năng :
Hệ kín, không ma sát :
W 2 = W 1 W đ2 + W t2 = W đ1 + W t1 ∆W = 0
1.1.4 Sự va chạm của các vật
- Định luật về va chạm :
Nếu ngoại lực triệt tiêu nhau hoặc rất nhỏ so với nội lực tương tác, hệ vật va
chạm bảo toàn động lượng.
Đặc biệt, va chạm đàn hồi còn có sự bảo toàn động năng.
- Một số trường hợp va chạm :
a) Va chạm đàn hồi xuyên tâm
;
b) Va chạm đàn hồi của quả cầu với mặt phẳng cố định (m 2 , v 2 = 0)
Va chạm xuyên tâm : v 1 ’ = - v 1
Va chạm xiên : v t ’ = v t; v n ’ = - v n
v t , v t ’ : các thành phần tiếp tuyến
x
1
l 0
Hình 2
Hình 1
h
m
g m
P
Trang 4v n , v n ’ : các thành phần pháp tuyến.
c) Va chạm không đàn hồi xuyên tâm (v 1 ’ = v 2 ’ = v’)
1.1.5 Sự chuyển hóa năng lượng
Năng lượng: là một đại lượng vật lí đặc trưng cho khả năng sinh công của vật Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau: như cơ năng, nội năng, năng lượng điện trường, năng lượng từ trường…
Năng lượng có thể chuyển hoá qua lại từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền
từ vật này sang vật khác
Lưu ý: Công là số đo phần năng lượng bị biến đổi
W = W 1 = W 2 + A ms = W đ + W t + A ms
∆W = W 1 -W 2 = A ms
II.1.2 CÁC DẠNG TOÁN VÀ BÀI TẬP VÍ DỤ
1.2.1 Dạng 1 Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng
Phương pháp giải
Khi áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cần :
- Xác định được biểu thức cụ thể của động năng và thế năng tại hai vị trí của vật Thông thường ta chọn hai vị trí có động năng hoặc thế năng bằng không hoặc tại vị trí mà việc tính toán cơ năng là đơn giản
- Chọn mốc thế năng sao cho việc tính thế năng của vật là dễ nhất
- Định luật bảo toàn cơ năng chỉ được áp dụng đối với trọng lực hoặc lực
đàn hồi ( lực thế).
Bài tập ví dụ
Từ độ cao 10 m so với mặt đất, một vật được ném lên cao theo phương thẳng đứng với vận tốc đầu 5 m/s Bỏ qua sức cản của không khí và lấy g = 10 m/s2
a Tính độ cao cực đại mà vật đạt được so với mặt đất
b Tính vận tốc của vật tại thời điểm vật có động năng bằng thế năng
c Tìm cơ năng toàn phần của vật, biết khối lượng của vật là m = 200 g.
Hướng dẫn:
Chọn gốc thế năng tại mặt đất
a) Tìm
Cơ năng tại vị trí ném A: W A =
Gọi B là vị trí cao nhất mà vật đạt được :
Cơ năng của vật tại B :
Theo định luật bảo toàn cơ năng :
b) Tính vận tốc của vật tại thời điểm vật có động năng bằng thế năng
Trang 52
m
l
l
W đC = W tC => W C = W đC + W tC = 2W đC
Theo định luật bảo toàn cơ năng:
c) Tìm cơ năng toàn phần của vật, biết khối lượng của vật là m = 200 g
1.2.2 Dạng 2: Bài toán va chạm
Phương pháp giải
Bài toán về va chạm giữa hai vật thường được xét trong các trường hợp sau :
- Va chạm mềm : Trong trường hợp va chạm giữa hai vật là mềm thì hoàn toàn có thể áp dụng định luật bảo toàn động lượng, nhưng cần chú ý rằng sau va
chạm hai vật có cùng vận tốc Định luật bảo toàn cơ năng không đúng với trường hợp này
- Va chạm đàn hồi : Trường hợp các vật va chạm đàn hồi thì định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng vẫn nghiệm đúng Do đó có thể
áp dụng cả hai định luật này
Bài tập ví dụ
Hai hòn bi A và B, có khối lượng m 1 = 150 g và m 2 = 300 g được treo bằng hai sợi dây (khối lượng không đáng kể) có cùng chiều dài l = 1m vào một điểm
O Kéo lệch hòn bi A cho dây treo nằm ngang (hình vẽ) rồi thả nhẹ ra, nó đến va chạm vào hòn bi B Sau va chạm, hai hòn bi này chuyển động như thế nào ? Lên đến độ cao bao nhiêu so với vị trí cân bằng ? Tính phần động năng biến thành nhiệt khi va cham Xét hai trường hợp :
a) Hai hòn bi là chì, va chạm là va chạm mềm
b)Hai hòn bi là thép, va chạm là va chạm đàn hồi trực diện
Trong mỗi trường hợp kiển tra lại bằng định luật bảo toàn năng lượng
Hướng dẫn :
Chọn mốc tính thế năng tại vị trí cân bằng của hòn
bi B trước va chạm
Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cho hệ gồm
( hòn bi A và trái đất)
a) Hai hòn bi là chì, va chạm là va chạm mềm :
Khi hai hòn bi va chạm mềm, cơ năng của chúng
không được bảo toàn vì một phần động năng biến
thành nhiệt
Ngay sau khi va chạm cả hai hòn bi chuyển động cùng vận tốc u Áp dụng định
luật bảo toàn động lượng ta có :
Trang 6Động năng của hệ hai hòn bi sau va chạm là :
W đ ’ =
Sau va chạm hai hòn bi dính vào nhau và tiếp nối chuyển động tròn của hòn bi
A Khi hệ gồm hai hòn bi lên đến độ cao tối đa thì toàn bộ động năng W đ ’ sẽ chuyển thành thế năng
W t ’ =
Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng :
W t ’ = W đ ’
Phần động năng của hòn bi A đã biến thành nhiệt là :
Q = W đ - W đ ’ =
Kiểm tra lại định luật bảo toàn năng lượng :
Ban đầu năng lượng của hệ hai hòn bi là thế năng của hòn bi A ở độ cao l.
Sau va chạm, hệ có thế năng , cơ năng không được bảo toàn mà một phần động năng của bi A đã chuyển thành nhiệt, trong quá trình va chạm mềm Nhưng năng lượng được bảo toàn :
b) Va chạm đàn hồi trực diện :
Gọi lần lượt là vận tốc của honf bi A và B ngay sau khi va chạm Áp dụng định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng cho hệ gồm hai hòn
bi A và B ta có :
Như vậy : Bi A chuyển động ngược chiều với chuyển động ban đầu Hòn bi B chuyển động tiếp về phía trước Ngay sau khi va chạm, động năng của hòn bi A
và B lần lượt là :
Gọi lần lượt là độ cao cực đại mà bi A, bi B lên được sau va chạm Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng, ta có :
W đ1 =W t1
Trang 7W đ2 =W t2
Kiểm tra lại định luật bảo toàn năng lượng :
Năng lượng lúc sau của hệ :
W t1 = W t2 = năng lượng ban đầu.
1.2.3. Dạng 3: Chuyển hóa năng lượng
Phương pháp giải
Dạng toán này cần chú ý đến sự chuyển hóa năng lương cơ năng thành năng lượng gì ? và áp dụng định luật bảo toàn năng lượng toàn phần Bên cạnh đó phải vận dụng các công thức tính công của các ngoại lực, cu thể như công của lực ma sát…
Bài tập ví dụ
Hai vật có cùng khối lượng m nối nhau bởi một lò xo đặt trên mặt bàn nằm ngang Hệ số ma sát giữa các vật với mặt bàn là Ban đầu lò xo không biến dạng Vật 1 nằm sát tường
1) Tác dụng một lực không đổi F hướng theo phương ngang đặt vào vật 2 và hướng dọc theo trục lò xo ra xa tường (hình
Sử dụng định luật bảo toàn năntg lượng,
tìm điều kiện về độ lớn của lực F để vật 1
di chuyển được?
2) Không tác dụng lực như trên mà
truyền cho vật 2 vận tốc v0 hướng về phía
tường (hình 2b) Độ cứng của lò xo là k
a Tìm độ nén cực đại x1 của lò xo
b Sau khi đạt độ nén cực đại, vật 2 chuyển động
ngược lại làm lò xo bị giãn ra Biết rằng vật 1
không chuyển động Tính độ giãn cực đại x2 của
lò xo
c Hỏi phải truyền cho vật 2 vận tốc v0 tối thiểu là bao nhiêu để vật 1 bị lò xo kéo ra khỏi tường?
Hướng dẫn:
1 Để vật 1 dịch chuyển thì lò xo cần giãn ra một đoạn là:
Lực F nhỏ nhất cần tìm ứng với trường hợp khi lò xo giãn ra một đoạn là
x thì vận tốc vật 2 giảm về 0 Công của lực F trong quá trình này có thể viết bằng tổng công mất đi do ma sát và thế năng của lò xo:
2 Truyền cho vật 2 vận tốc v0 về phía tường
v 0
Hình 2b
Hình 2a
Trang 8a, Bảo toàn cơ năng:
1
2 1
2
2
kx
2
mv
k
m x k
mg 2
x12 1 02
Nghiệm dương của phương trình này là:
b, Gọi x2 là độ giãn cực đại của lò xo:
2
kx ) x x ( mg
2
2 1
2
1 ;
c Để vật 1 bị kéo khỏi tường thì lò xo phải giãn ra 1 đoạn x3 sao cho:
mg
kx3 (1)
Vận tốc v0 nhỏ nhất là ứng với trường hợp khi lò xo bị giãn x3 như trên thì vật 2 dừng lại Phương trình bảo toàn năng lượng:
- Cho quá trình lò xo bị nén x1 02 12 mgx1
2
kx 2
mv (2)
- Cho quá trình lò xo chuyển từ nén x1 sang giãn x3:
2
kx ) x x ( mg
2
3 1
2
1 (3) Từ (3)
k
mg 2 x
Kết hợp với (1), ta được:
k
mg 3
x1 Thay vào (2), ta được:
II.2 PHẦN 2
ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG SO VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG
LỰC HỌC
II.2.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Phương pháp động lực học
Phương pháp động lực học là phương pháp khảo sát chuyển động cơ của các vật dựa trên cơ sở các định luật Niu-ton Phương pháp động lực học bao gồm các bước cơ bản sau :
2.1.1 Xác định đầy đủ các lực tác dụng lên vật hoặc hệ vật Với mỗi lực xác định cần chỉ rõ điểm đặt, phương, chiều, độ lớn
2.1.2 Các lực tác dụng lên vật thường là :
- Các lực tác dụng do các trường lực gây ra như trường hấp dẫn, điện trường, từ trường…
- Các lực tác dụng do liên kết giữa các vật: Lực căng, lực đàn hồi…
- Các lực tác dụng khi vật chuyển động trên một mặt: Lực ma sát, phản lực pháp tuyến…
2.1.3 Chọn hệ trục toạ độ làm hệ quy chiếu để khảo sát chuyển động
Trang 9Đa số các bài toán khảo sát chuyển động của vật trên một đường thẳng hoặc trong một mặt phẳng xác định Khi đó ta chọn hệ trục toạ độ có một trục song song với chuyển động của vật hoặc trong mặt phẳng chuyển động của vật; cũng nên chọn một trục toạ độ song song với nhiều lực tác dụng
1.3.1 Bước cơ bản tiếp theo là viết phương trình Niu-ton cho vật hoặc hệ vật
(dạng véc tơ)
Vật (tổng các lực tác dụng lên vật)
Hệ vật :
1.3.2 Tiếp theo là chiếu các phương trình véc tơ trên lên các trục toạ độ đã
chọn
1.3.3 Khảo sát các phương trình chuyển động theo từng phương của từng trục
toạ độ
Lưu ý: Đối với một hệ nhiều vật người ta phân biệt:
a) Nội lực là những lực tương tác giữa các vật trong hệ
b) Ngoại lực là các lực do các vật bên ngoài hệ tác dụng lên các vật trong hệ
II.2.2 ƯU THẾ VÀ DẪN CHỨNG
2.2.1 Ưu thế.
Trên đây là phương pháp động lực học chủ yếu là sự kết hợp của phương pháp tọa độ và định luật II Newton, nhưng phương pháp của những hạn chế như không thể giải được các bài toán phức tạp như bài tập ví dụ của dạng 3
Bên cạnh đó phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng thì giải quyết đươc tất cả các bài toán cơ bản mà phương pháp động học thường giải
Đối với phương pháp động lực học phải phân tích tất cả các lực tác dụng vào vật và hệ vật, nhận rõ tính chất tác dụng của các lực cơ học đó đối với tính chất chuyển động của vật và hệ vật, song không tránh được việc phải thiết lập quá nhiều phương trình cho hệ vật có nhiều vật và phải giải hệ toán học sau khi chiếu lên trục tọa độ Còn phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng thì trút bỏ được quá trình phức tạp dễ nhầm lẫn trên để đưa về phương trình toán học đơn giản nhất Đó là những phân tính mang tính lý tính sau đây là ví dụ chứng minh điều đó
2.2.2 Bài tập ví dụ
2.2.1 Ví dụ 1: Một xe trượt không vận tốc đầu từ đỉnh mặt phẳng nghiêng góc α
= 300 Chiều dài mặt phẳng nghiêng là l = 1m lấy g = 10m/s2 Tính vận tốc của vật ở chân mặt phẳng nghiêng
Bài giải:
Cách 1: Sử dụng phương pháp động lực học
Trang 10Phân tích các lực tác dụng lên vật và chọn truc tọa độ như hình vẽ
Các lực tác dụng vào vật:
Trọng lực , phản lực của mặt phẳng nghiêng
Áp dụng định luật 2 Newton
Chiếu lên trục Ox : Psinα = ma a = 5m/s2
Áp dụng công thức của chuyển động biến đổi đều với s = l =1m;
Cách 2 Sử dụng phương pháp định luật bảo toàn cơ năng
Chọn gốc thế năng ở mặt phăng ngang ta có:
Ở đỉnh dốc: WA = Wt = mgh = mglsinα
Ở chân dốc: WB = Wđ =
Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng WA = WB
Với hai phương pháp giải quyết một bài toán thì phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng gọn, tiện lợi và nhanh hơn nhiều
Trong bài toán ví dụ trên nếu có ma sát ta vẫn sử dụng phương pháp động lực học nhưng phải phân tích thêm lực ma sát, còn với phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng ta phải chuyển hóa 1 phần cơ năng thành công của
ma sát
Bên cạnh đó còn nhưng dạng toán mà phương pháp động lực học không thể giải được như bài toán con lắc đơn tìm vận tốc, tìm lực căng T… cần phải kết hợp cả hai phương pháp thi mới tìm ra vấn để của bài toán Sau đây là các vị dụ dẫn chứng
2.2.2 Ví dụ 2 Quả cầu nhỏ khối lượng 500 g treo ở đầu một sợi dây dài 1 m,
đầu trên của dây cố định Kéo quả cầu ra khỏi vị trí cân bằng sao cho dây hợp với phương thẳng ứng góc 450 rồi thả tự do Tìm:
a Vận tốc của con lắc khi nó đi qua vị trí cân bằng
b Tính lực căng của dây tại vị trí cân bằng
Hướng dẫn :
- Vật chịu tác dụng các lực:
+ Trọng lực
+ Lực căng dây
- Vật chuyển động trong trường lực thế, ta có thể áp
dụng định luật bảo toàn cơ năng để giải bài toán này
Ngoài ra ta cũng có thể giải bài 2 bằng định lí động năng