sử dụng đồ thị trong một số bài toán chuyển động cơ học

Trong chuyên đề “Sử dụng đồ thị trong một số bài toán chuyển động cơ học” này chúng tôi không có tham vọng trình bày hết được các bài tập sử dụng công cụ này cũng như hiệu quả của công c

ỦY BAN NHÂN DÂN HUYỆN BÌNH XUYÊN

PHÒNG GIÁO DỤC – ĐÀO TẠO

TỔ BỘ MÔN: KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƯỜNG: TRUNG HỌC CƠ SỞ LÝ TỰ TRỌNG NGƯỜI THỰC HIỆN: LƯU VĂN BÍCH

ĐIỆN THOẠI: 0902031079 EMAIL: luuvanbich@gmail.com

BÌNH XUYÊN, THÁNG 03 NĂM 2014

Mục lục

Mở đầu 3

Nội dung 4

1 Một số kiến thức có liên quan 4

2 Nhận dạng các bài tập chuyển động cơ học có thể sử dụng đồ thị để giải 4

3 Tổng quát về phương pháp giải bài tập Vật lý bằng đồ thị 4

4 Một số bài tập vận dụng 6

5 Bài tập tương tự 11

6 Hiệu quả và bài học kinh nghệm 12

Kết luận 13

Tài liệu tham khảo 14

Mở đầu

Giải bài tập Vật lý là một biện pháp rất quan trọng nhằm kiểm tra mức độ nắm vững nội dung các định luật Vật lý, vận dung chúng trong những điệu kiện khác nhau và kỹ năng giải toán Vật lý của học sinh

Đồ thị là một công cụ được sử dụng rất rộng rãi và có hiệu quả trong khoa học và kỹ thuật Đặc biệt trong Vật lý có rất nhiều đại lượng được biểu diễn trên

đồ thị Tuy nhiên, do biểu diễn các đại lượng trên đồ thị hơi lạ và có phức tạp hơn so với các phép toán và các con số mà ta vẫn quen dùng từ nhỏ, nên học sinh thường có tâm lý ngại sử dụng khi làm bài tập Vật lý Thực tế, việc sử dụng

đồ thị làm cho việc giải nhiều bài tập Vật lý trở nên đẹp và ngắn gọn hơn rất nhiều, đồng thời cũng không phức tạp hơn như chúng ta tưởng Mặt khác, việc mạnh dạn sử dụng đồ thị trong việc giải bài tập Vật lý cũng là một cách rèn luyện tư duy tốt, giúp ta quen với việc tiếp nhận những khái niệm hoặc công cụ mới xa lạ với cuộc sống hằng ngày của chúng ta

Trong chuyên đề “Sử dụng đồ thị trong một số bài toán chuyển động cơ học” này chúng tôi không có tham vọng trình bày hết được các bài tập sử dụng công

cụ này cũng như hiệu quả của công cụ đồ thị, chúng tôi chỉ xin giới thiệu một số bài tập chuyển động cơ học có thể giải được một cách dễ dàng và ngắn gọn bằng công cụ đồ thị, trong khi đó nếu giải bằng phương pháp thông thường sẽ rất khó

và phức tạp

Chuyên đề này ngoài việc phục vụ nâng cao kỹ năng giải bài toán Vật lý cho học sinh đội tuyển vật lý 8 và có thể làm tài liệu tham khảo cho công tác bồi dưỡng học sinh giỏi cho các giáo viên khác

Thời lượng của chuyên đề trong bồi dưỡng đội tuyển vật lý 8 là 6 tiết

Nội dung

1 Một số kiến thức có liên quan

- Chuyển động cơ học là sự thay đổi vị trí của một vật theo thời gian so với vật khác được chọn làm mốc

- Chuyển động và đứng yên có tính tương đối tuỳ thuộc vào vật mốc được chọn

- Vận tốc là một đại lượng Vật lý đặc trưng cho sự nhanh hay chậm của chuyển động, được đo bằng thương số giữa quãng đường đi được và thời gian để đi hết quãng đường đó

s v t

 Trong đó: v, vận tốc của chuyển động (m/s)

s, quãng đường vật đi được (m)

t, thời gian để vật đi hết quãng đường s (s)

Từ đó ta có:

s

s v.t và t

v

- Chuyển động đều là chuyển động mà độ lớn vận tốc không thay đổi theo thời gian hay là chuyển động mà vật đi được những quãng đường bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau

2 Nhận dạng các bài tập chuyển động cơ học có thể sử dụng đồ thị để giải

- Các bài tập về chuyển động có tính lặp lại

- Các bài tập về chuyển động có thể gặp nhau

-

3 Tổng quát về phương pháp giải bài tập Vật lý bằng đồ thị

Bước 1: Nghiên cứu đầu bài

- Đọc đầu bài

- Mã hoá đầu bài bằng những kí hiệu thông thường

- Đổi đơn vị các đại lượng trong cùng một hệ đơn vị thống nhất

Bước 2: Phân tích hiện tượng, quá trình Vật lý và lập kế hoạch giải

- Mô tả hiện tượng, quá trình Vật lý xảy ra trong tình huống nêu trong đầu bài

- Vạch ra những quy tắc, định luật Vật lý chi phối hiện tượng hay quá trình ấy

- Dự kiến những lập luận biến đổi toán học cần thực hiện nhằm xác đinh được mối quan hệ giữa cái đã biết và cái phải tìm

Bước 3: Trình bày lời giải

- Xác định chiều dương của chuyển động của các vật

- Xác định hệ toạ độ để biểu diễn các đại lượng

- Xác định các điểm sẽ được biểu diễn trên đồ thị (lập bảng biến thiên)

- Biểu diễn các điểm đã xác định lên đồ thị, nối các điểm đã xác định đó,

ta được đồ thị thể hiện bài toán

- Từ đồ thị vừa vẽ, xác định các đại lượng theo yêu cầu

Bước 4: Kiểm tra và biện luận kết quả

Có nhiều cách:

- Giải từ đầu đến cuối

- Xem đã trả lời hết các câu hỏi của bài tập chưa

- Kiểm tra đơn vị của các đại lượng Vật lý

- Giải theo cách khác

- Kiểm tra kết quả có phù hợp với thực tiễn không

Một số điểm lưu ý

- Có thể biểu diễn chuyển động của vật trên các hệ toạ độ (vị trí; thời gian), (vị trí; vận tốc), (vận tốc; thời gian)

- Thông thường chúng ta biểu diễn trên hệ toạ độ (vị trí; thời gian), và đặc điểm của đồ thị này:

o Đồ thị hướng lên (v > 0), vật chuyển động theo chiều dương

o Đồ thị hướng xuống (v < 0), vật chuyển động ngược chiều dương

o Đồ thị nằm ngang (v = 0), vật đứng yên

o Hai đồ thị song song, hai vật chuyển động cùng vận tốc

o Hai đồ thị cắt nhau, hai vật gặp nhau trên quỹ đạo chuyển động, giao điểm cho biết thời điểm và vị trí gặp nhau

o Đồ thị của hai chuyển động xác định trên trục vị trí và trục thời gian cho biết khoảng cách và khoảng chênh lệch thời gian của hai chuyển động

4 Một số bài tập vận dụng

Bài tập 1

Hai ô tô chuyển động thẳng đều hướng về nhau với các vận tốc 60km/h và 40km/h Lúc 7 giờ sáng, hai xe cách nhau 150km Hỏi hai xe sẽ gặp nhau lúc mấy giờ? ở đâu?

Chọn:

Chiều dương là chiều chuyển động của xe 1

Hệ toạ độ (vị trí; thời gian) để vẽ đồ thị

Gốc toạ độ vị trí tại chỗ xe 1 xuất phát

Gốc thời gian là lúc hai xe bắt đầu chuyển động

Theo cách chọn này ta có công thức xác định vị trí của các xe:

Xe 1 là x1 = v1.t = 60.t

Xe 2 là x2 = L - v2.t = 150 - 40.t

Bảng xác định vị trí các xe theo thời gian:

Đồ thị chuyển động của hai xe được thể hiện trên hình 1:

Quan sát đồ thị ta thấy, hai xe gặp nhau tại G cách điểm xuất phát của xe thứ nhất 90km (hay điểm xuất phát của xe thứ hai 60km) sau khi hai xe xuất phát được 1,5 giờ tức là lúc 8 giờ 30 phút

Nhận xét

Với bài tập này có thể dùng phương pháp giải khác cũng có kết quả

Mức độ chính xác của đáp số mà ta tìm được phụ thuộc vào mức độ chính xác của phép vẽ đồ thị

Hình 1

Bài tập 2

Một xe đạp và một ô tô cần phải đi từ A đến B, với AB = 11km Hai xe đều xuất phát đồng thời Ô tô chạy với vận tốc 60km/h và cứ đi được 1km lại dừng lại 2 phút Xe đạp cũng chuyển động với vận tốc không đổi nhưng đi liên tục không dừng lại Hỏi vận tốc của xe đạp phải như thế nào để nó luôn đuổi kịp ô

tô ở mỗi chặng nghỉ giữa đường?

Chọn:

Chiều dương là chiều chuyển động của xe đạp

Hệ toạ độ (vị trí; thời gian) để vẽ đồ thị

Gốc toạ độ vị trí tại A, điểm cả hai cùng xuất phát

Gốc thời gian là lúc cả hai bắt đầu chuyển động

Theo cách chọn này ta có công thức xác định vị trí của ô tô và xe đạp:

Xe ô tô là x1 = v1.t = 60.t (Chỉ cần xét trong thời gian 1 phút, sau đó xét tương tự)

Xe đạp là x2 = v2.t = 20.t

Theo đầu bài, đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vị trí của ô tô (đường gấp khúc)

và của xe đạp (đường thẳng) theo thời gian trên hình 2

Quan sát đồ thị ta thấy: Vận tốc của xe đạp phải có độ lớn sao cho nó phải tới vạch “10km” trong khoảng thời gian từ 28 đến 30 phút

Do vậy vận tốc của xe đạp phải nằm trong khoảng từ 2

10

v 20km / h

0,5

  đến v2 10 21,4km / h

24 60

Nhận xét

Với bài tập này có thể dùng phương pháp giải khác cũng có kết quả, tuy vậy cách thực hiện không hề đơn giản

Mức độ chính xác của đáp số mà ta tìm được phụ thuộc vào mức độ chính xác của phép vẽ đồ thị

Hình 2

Bài tập 3

Một nhóm 8 người đi làm ở một nơi cách nhà ở 5km Họ có một xe máy 3 bánh có thể chở được 1 người lái và 2 người ngồi Họ từ nhà ra đi cùng một lúc,

3 người lên xe máy, đến nơi làm việc thì 2 người ở lại, người lái xe máy quay về đón thêm trong khi những người còn lại vẫn tiếp tục đi bộ Khi gặp xe máy thì 2 người lên xe đến nơi làm Cứ thế cho đến lúc tất cả đến nơi làm Coi các chuyển động là đều và vận tốc của những người đi bộ là v1= 5km/h, của xe máy là v2=

30 km/h, hãy xác định:

1 Quãng đường đi bộ của người đi bộ nhiều nhất?

2 Quãng đường đi tổng cộng của xe máy?

Chọn:

Chiều dương là chiều chuyển động của người đi bộ

Hệ toạ độ (vị trí; thời gian) để vẽ đồ thị

Gốc toạ độ vị trí tại điểm tất cả cùng xuất phát

Gốc thời gian là lúc tất cả bắt đầu chuyển động

Theo cách chọn này ta có công thức xác định vị trí của người đi bộ và xe máy:

Người đi bộ là x1 = v1.t = 5.t

Xe máy khi đi là x2 = v2.t = 30.t (Chỉ cần xét trong thời gian đi lần đầu, sau

đó xét tương tự)

Xe máy khi về là x’2 = L - v2.(t’ - v2.t) = 5 - 30.(t’ - 1

6) (Chỉ cần xét trong thời gian về lần đầu, sau đó xét tương tự)

Theo đầu bài, đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vị trí của người đi bộ (đường thẳng) và của xe máy (đường gấp khúc) theo thời gian trên hình 3

Theo đồ thị ta thấy: sau hai lần xe máy quay lại đón, vẫn còn một người đi bộ nên phải quay lại chở nốt

Hình 3

1 Quãng đường đi bộ của người đi bộ nhiều nhất là s1 = xF  3,2km

2 Thời gian chuyển động tổng cộng của xe máy là t2 = tG  42 phút

Do đó quãng đường tổng cộng của xe máy là s2 = v2.tG  21km

Nhận xét

Với bài tập này có thể dùng phương pháp giải khác cũng có kết quả, tuy vậy cách thực hiện không hề đơn giản

Mức độ chính xác của đáp số mà ta tìm được phụ thuộc vào mức độ chính xác của phép vẽ đồ thị

Bài tập 4

Giữa hai bến sông cách nhau 20km theo đường thẳng có một đoàn thuyền máy phục vụ chở khách Khi xuôi dòng thuyền có vận tốc là 20km/h, khi ngược dòng thuyền có vận tốc là 10km/h ở mỗi bến cứ 20 phút lại có một thuyền xuất phát Khi tới bến mỗi thuyền nghỉ lại 20 phút rồi quay về

1 Cần bao nhiêu thuyền chở khách cho đoạn sông trên?

2 Một thuyền khi đi và khi về gặp bao nhiêu thuyền khác, không kể các thuyền gặp tại bến?

Chọn:

Chiều dương là chiều chuyển động khi thuyền xuôi dòng

Hệ toạ độ (vị trí; thời gian) để vẽ đồ thị

Gốc toạ độ vị trí tại một bến trên thượng lưu

Gốc thời gian là lúc một thuyền trên thượng lưu bắt đầu chuyển động

Theo cách chọn này ta có công thức xác định vị trí của thuyền:

Khi đi xuôi dòng là x1 = v1.t = 20.t

Khi đi ngược dòng là x2 = L - v2.(t -  -

1

L

v ) = 20 10.(t

-4

3)

Bảng xác định vị trí thuyền theo thời gian:

3

10 3

x1 (km) x2 (km) Trên đoạn sông đó có các thuyền khác đi xuôi và đi ngược cách nhau một khoảng thời gian 20 phút, các thuyền đi xuôi có cùng vận tốc nên được biểu diễn

bằng các đường thẳng song song, các thuyền đi ngược có cùng vận tốc nên được biểu diễn bằng các đường thẳng song song

Đồ thị chuyển động của thuyền được thể hiện trên hình 4:

Quan sát đồ thị ta thấy:

1 Số thuyền cần dùng

Thời gian để một thuyền đi và về được biểu diễn bởi đoạn OE

Số thuyền cần thiết là số thuyền xuất phát từ bến trên thượng nguồn trong khoảng thời gian này

Trên đồ thị có 10 khoảng 20 phút trên đoạn OE, vậy số thuyền cần thiết là:

N = 10 + 1 = 11 thuyền

2 Số lần gặp

Đồ thị của lượt đi là những đoạn thẳng song song và bằng OC, cách đều nhau

20 phút

Đồ thị của lượt về là những đoạn thẳng song song và bằng DE, cách đều nhau 20 phút

Xét đồ thị cả khi đi và về của một thuyền Số giao điểm của đồ thị này với những đoạn thẳng song song nói trên cho biết số lần gặp các thuyền khác dọc đường

Ta có số thuyền gặp cả khi đi và về của thuyền là:

N’ = 8 + 8 = 16 lần

Nhận xét

Với bài tập này có thể dùng phương pháp giải khác cũng có kết quả, tuy vậy cách thực hiện không hề đơn giản

Mức độ chính xác của đáp số mà ta tìm được phụ thuộc vào mức độ chính xác của phép vẽ đồ thị

Hình 4

5 Bài tập tương tự

Bài 1

Cứ 10 phút lại có một xe ôtô đi từ A đến B cách nhau 60km Một xe đi từ B

về A khởi hành cùng lúc với một trong các xe xuất phát từ A Trên đường xe này gặp bao nhiêu xe khác đi từ A về B?

Biết rằng vận tốc của các xe đều bằng 60km/h

Bài 2

Lúc 12 giờ, kim giờ và kim phút của một đồng hồ gặp nhau Nếu đồng hồ tiếp tục chạy thì sau 12 giờ nữa kim giờ và kim phút của đồng hồ đó gặp nhau bao nhiêu lần nữa và thời điểm của lần gặp nhau đầu tiên sau lúc 12 giờ đó?

Bài 3

Một xe bắt đầu khởi hành tờ A đến B Quãng đường AB dài 80km Xe cứ chạy 20 phút dừng lại nghỉ 10 phút Trong 20 phút đầu xe chạy với vận tốc v1 = 20km/h Trong 20 phút tiếp theo sau khi nghỉ, xe chạy với vận tốc không đổi là 2v1; 3 v1; ; k v1; …

1 Tính thời gian xe chạy từ A đến B?

2 Vận tốc trung bình của xe tính từ lúc bắt đầu chạy đến thời điểm đang xét biến thiên thế nào trong thời gian 50 phút đầu? Tìm tất cả các thời điểm mà

xe có vận tốc trung bình tính từ lúc bắt đầu chạy đến thời điểm đó là 12km/h?

6 Hiệu quả và bài học kinh nghệm

Mặc dù khi biên soạn chuyên đề, mục đích đặt ra chỉ là cung cấp cho học sinh một công cụ để giải bài tập Vật lý phần động học, tuy vậy khi áp dụng vào thực tiễn dạy học (bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi, trường THCS Lý Tự Trọng), chúng tôi nhận thấy sự hữu hiệu của công cụ này Học sinh không chỉ có được tư duy khoa học trong sáng mà còn không ngại bất cứ một bài tập động học nào Các lời giải bài tập sắc nét, gọn gàng và chuẩn mực hơn rất nhiều

Thiết nghĩ, các thầy giáo, cô giáo cần không ngừng nghiên cứu, tìm tòi những công cụ hữu ích giúp học sinh có những cái nhìn mới trong khoa học Vật

lý nói riêng cũng như khoa học nói chung

Bảng tổng hợp kết quả áp dụng đề tài

NĂM HỌC

SỐ HỌC SINH KHẢO SÁT

QUÁ TRÌNH ÁP DỤNG ĐỀ TÀI ĐIỂM ĐẠT

ĐƯỢC TRUNG ĐIỂM

BÌNH

GHI CHÚ [0;5) [5;8) [8;10]

2005-2006 17 10 6 1 4,1 Phát hiện vấn đề, thử nghiệm đề tài dạng sơ khai 2006-2007 14 5 6 3 5,8 Thử nghiệm đề tài trong

quá trình nghiên cứu 2007-2008 17 3 9 5 6,6 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện 2008-2009 13 1 7 5 6,8 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện bổ sung 2009-2010 11 1 5 5 7,3 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện bổ sung 2010-2011 10 0 5 5 7,5 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện bổ sung 2011-2012 7 0 3 4 7,9 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện bổ sung 2012-2013 5 0 2 3 7,9 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện bổ sung 2013-2014 8 0 2 6 8,3 Áp dụng đề tài trong quá

trình hoàn thiện bổ sung

Kết luận

Đồ thị chuyển động là một phương pháp giải bài tập động học đặc biệt, hoàn toàn khác các phương pháp giải bài tập thông thường Nó cho phép chúng ta tìm

ra kết quả bài tập rất nhanh và khá chính xác Đặc biệt hơn nữa, với một số bài tập mà các phương pháp tỏ ra rất khó khăn thì với đồ thị chuyển động lại rất đơn giản

Trong các bài tập trên việc sử dụng đồ thị tỏ ra khá hiệu quả, tuy nhiên vẫn luôn phải dựa trên các điều kiện ban đầu Đó là một đặc điểm chung của các bài tập động học Tuỳ thuộc vào từng dạng của bài tập mà lựa chọn các cách làm thật tối ưu

Trong khi soạn chuyên đề này, chúng tôi đẫ nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu của các đồng nghiệp Trước hết cho phép chúng tôi được gửi tới các đồng nghiệp lời cảm ơn chân thành nhất!

Mặc dù có nhiều cố gắng trong việc biên soạn chuyên đề, song trình độ còn

có hạn, chắc chắn trong chuyên đề còn nhiều chỗ thiếu sót Chúng tôi rất mong những ý kiến đóng góp quý báu của các đồng nghiệp để chuyên đề được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

Lưu Văn Bích