SKKN Những vấn đề cần lưu ý khi giảng dạy các đinh luật bảo toàn trong chương trình Vật lý lớp 10

đặt vấn đề: Các định luật bảo toàn là một trong những phần quan trọng của vật lý lớp 10 PTTH, sau khi học sinh được trang bị đủ lượng kiến thức để giải các bài toán cơ học bằng phương ph

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI GIẢNG DẠY CÁC ĐINH LUẬT BẢO TOÀN TRONG

CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ LỚP 10

A đặt vấn đề:

Các định luật bảo toàn là một trong những phần quan trọng của vật lý lớp 10 PTTH, sau khi học sinh được trang bị đủ lượng kiến thức để giải các bài toán cơ học bằng phương pháp động lượng học Nó được sắp xếp riêng biệt, đồng thời nó là cơ sở để nghiên cứu rất nhiều các bài toán ở các lớp trên

Vì vậy chúng ta phải coi đây là phần vật lý quan trọng, nó không những trang

bị cho các em một phương pháp mới để giải các bài toán cơ học: (Phương pháp dùng các định luật bảo toàn) mà đây là phương pháp tổng quát hơn phương pháp động lực học áp dụng được cả khi không biết rõ các lực tác dụng lên vật Với những lý do đó mà bản thân học sinh lớp 10 phải nắm vững các kiến thức cơ bản của phần này đặc biệt là các khái niệm mới như khái niệm công, khái niệm động lượng, khái niệm cơ năng, năng lượng Ngoài ra phải biết nắm vững và vận dụng thành thạo các định luật

Ngược lại khi học phần này rất nhiều những học sinh nhất là đối tượng trung bình đặc biệt đối tượng yếu, kém hiểu rất mơ hồ, lúng túng Do vậy, nên tôi muốn đưa ra một số ý kiến của mình xung quanh việc làm thế nào để dạy cho các em phần này một cách dễ hiểu nhất và một số vấn đề cần chú ý đối khi giảng dạy phần này

B Giải quyết vấn đề

1 Trước hết phải biết hiểu một cách tổng quát rằng: Các định luật bảo toàn là

độc lập đối với các định luật Niutơn và vẫn đúng khi các định luật Niutơn không đúng nữa (tránh quan niệm cho rằng chúng là hệ quả của nhau, đành rằng từ các định luật II và III của Niutơn có thể chứng minh được định luật bảo toàn động lượng và ngược lại từ định luật bảo toàn và biến thiên động lượng có thể suy ra

được các định luật II và III của Niutơn)

Các định luật bảo toàn có ý nghĩa đặc biệt trong trường hợp cần nghiên cứu những quá trình diễn ra trong một hệ vật mà ta chưa biết được liên hệ nội tại giữa các quá trình ấy Trong những trường hợp đó các định luật bảo toàn là

công cụ để xâm nhập vào những quy luật của tự nhiên Nó cung cấp một phương pháp giải một bài toán cơ học rất hữu hiệu, bổ sung cho phương pháp động lượng học là phương pháp duy nhất để giải các bài toán cơ học khi chưa biết rõ lực tác dụng

Sự phát triển của vật lý càng chứng tỏ ý nghĩa của việc nghiên cứu các định luật bảo toàn Mỗi một định luật là sự biểu hiện một sự bảo toàn những thuộc tính cơ bản nào đó được đặc trưng bằng những đại lượng vật lý tương ứng của vật chất, cũng như mối liên hệ giữa vật chất và các hình thức tồn tại của nó trong không gian và thời gian

Trong quá trình giảng dạy muốn hình thành cho học sinh thế giới quan duy vật biện chứng và nhân sinh quan khoa học, cần phải vạch rõ tính tổng quát của định luật bảo toàn cũng như ý nghĩa của nó trong kỹ thuật

2 Định luật bảo toàn động lượng:

Ở đây như SGK đã trình bày trước hết giới thiệu khái niệm hệ kín và khái niệm động lượng là những khái niệm mới đối với học sinh vì vậy cần phải được giới thiệu cụ thể cho các em

a Về khái niệm hệ kín: Về mặt lý thuyết được định nghĩa như SGK: "Một hệ vật được gọi là hệ kín nếu các vật trong hệ chỉ tương tác với nhau mà không tương tác ở vật ở ngoài hệ" Nói khác đi: Hệ kín là hệ chỉ có nội lực mà không có ngoại lực ở đây cần nhấn mạnh thêm hai điểm:

+ Nội lực từng đôi một trực đối nhau theo định luật III Niutơn nên không gây ra gia tốc cho hệ

+ Không có ngoại lực tác dụng lên hệ

ở điểm thứ nhất là tuyệt đối đúng còn ở điểm thứ hai cần phải hiểu một cách tương đối đúng và cần lưu ý rằng:

- Các ngoại lực từng đôi một khử nhau

Ví dụ: Hai viên bi lăn trên bàn nếu không có ma sát thì trọng lực bị khử

bởi phản lực của bàn

- Các ngoại lực tác dụng lên hệ theo phương nào đó khử nhau (hệ được

coi là kín theo phương đó)

- Có ngoại lực nhưng rất nhỏ hơn so với nội lực

Ví dụ: Các vụ nổ, sự va chạm v.v

- Sự tương tác giữa các vật trong hệ xảy ra trong thời gian rất ngắn,

trong thời gian đó nội lực rất lớn hơn ngoại lực

Ví dụ: Sự va chạm giữa hai viên bi trên bàn hoặc sự nổ của một viên đạn

b Về khái niệm động lượng: Theo tôi cách xây dựng khái niệm này như SGK

là phù hợp trong đó có hai điểm cần lưu ý khi xây dựng khái niệm động lượng

cho học sinh:

+ Từ ví dụ về sự tương tác giữa hai viên bi cùng khối lượng, khác khối

lượng để khẳng định ở đây không phải vận tốc được bảo toàn

+ Tiến hành làm thí nghiệm và đi đến xây dựng khái niệm động lượng:

v m

pr r

=

* Những điểm cần nhấn mạnh:

+ Động lựợng là một véc tơ có phương, chiều trùng với phương, chiều

của véctơ vận tốc tức là trùng với phương, chiều của chuyển động

+ Động lượng của một hệ vật là tổng véctơ động lượng của các vật

trong hệ:

2

=p p

r

(Phép cộng bằng quy tắc HBH hoặc quy tắc đa giác)

Cần lưu ý với học sinh về độ lớn:

a

cos

2 1 2

2 2 2 1 2

p p p p

p = + +

và như vậy nói chung p ¹ p1 + p2 mà ở dây học sinh rất hay cho rằng

p = p1 + p2 nhất là đối tượng yếu kém

+ Đặc biệt lưu ý cho học sinh vr¹ +vr1 vr2

c Định luật bảo toàn động lượng:

1

pr

pr

2

p

r

a

"Tổng động lượng của một hệ kín được bảo toàn" (Biểu diễn bằng một

véctơ không đổi cả về độ lớn lẫn về hướng)

* Cần nhấn mạnh cho học sinh:

+ Véctơ tổng pr

được bảo toàn (không đổi) còn động lượng của từng vật trong hệ pr 1, pr 2

có thể không đổi nhưng chủ yếu là thay đổi (không bảo toàn)

+ Động lượng có thể chỉ bảo toàn theo một phương nào đó nếu theo phương đó hệ là kín

+ Nếu hệ không kín nhưng thời gian tương tác là nhỏ (Sự va chạm, sự nổ ) khi đó nội lực rất lớn hơn ngoại lực nên hệ cũng được coi là kín và động lượng của hệ cũng được bảo toàn

3 Định luật bảo toàn công:

a Khái niệm công: Khác với các em đã học ở THCS ở đây biểu thức tính

công được viết tổng quát hơn là A = F.S.Cosa

Điều cần nhấn mạnh từ biểu thức tính công thức ta thấy:

Nếu a = 900 ® A = 0, nếu hướng của lực vuông góc với hướng của đường thì công bằng 0 (lực không sinh công)

Nếu 900 < a £ 1800 (lực cản) ® A < 0 ® công của lực cản là công âm

Nếu 00 £ a < 900 (lực phát động) ® A > 0 ® công của lực phát động là công dương

b Định luật bảo toàn: Tất cả các máy cơ học đều không làm cho ta lợi về

công: nếu lợi bao nhiêu lần về lực thì thiệt bấy nhiêu lần về đường đi còn giá trị của công thực hiện là không đổi

Cần lưu ý với học sinh rằng điều này chỉ đúng khi không có ma sát còn trong thực tế vì bao giờ cũng có ma sát (ở trên mặt phẳng nghiêng, ở giữa trục ròng rọc ) nên công phải thực hiện bao giờ cũng lớn hơn công có ích:

A' = F'.S > A = F.S

Từ đó đưa ra cho học sinh khái niệm hiệu suất của các máy cơ học

4 Định luật bảo toàn cơ năng:

a Khái niệm năng lượng, cơ năng:

+ Như SGK đã nêu: Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của một vật hay hệ vật

Giá trị của năng lượng của một vật hay hệ vật ở trong một trạng thái nào đó bằng công cực đại mà vật (hệ vật) ấy có thể thực hiện được trong những quá trình biến đổi nhất định

- ở đây cần chú ý nhấn mạnh: quá trình biến đổi nhất định, bởi vì nếu xét những quá trình khác nhau thì công có thể khác nhau

- Cũng cần hiểu đây là một mặt thể hiện của sự chuyển hoá năng lượng: Lượng năng lượng chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác có trị số bằng công của một lực nào đó

+ Cần phân biệt cho học sinh năng lượng và cơ năng:

- Cơ năng là năng lượng cơ học cụ thể là năng lượng do chuyển động

cơ học (động năng) và năng lượng do tương tác cơ học (thế năng) và như vậy

cơ năng có hai loại là động năng và thế năng và là một trong những dạng của năng lượng

- Cần phải hiểu thế năng là năng lượng của trường lực thế và như vậy chỉ có thế năng của trọng lực (lực hấp dẫn) gọi là thế năng hấp dẫn; Thế năng của lực đàn hồi (thế năng đàn hồi) và thế năng của trường tĩnh điện (gọi là điện thế - các em được học ở lớp 11)

Còn các lực không phải là các lực thế (lực ma sát chẳng hạn) không gây

ra thế năng cho vật

Theo tôi khi chứng minh biểu thức thế năng của lực đàn hồi ngoài phương pháp đồ thị như SGK thì học sinh rất khó hiểu có thể chứng minh

theo cách sau phù hợp với đối tượng mà học sinh kiến thức toán còn non như địa phương chúng ta hiện nay:

Giả sử từ trạng thái lò xo có độ dài tự nhiên, ta kéo nó giãn ra một đoạn

x khi đó ta đã thực hiện một công A=F.x Ta lấy giá trị trung bình vì trong quá trình đó ngoại lực kéo của tay ta tăng liên tục theo sự tăng của lực đàn hồi

Khi bắt đầu kéo F = 0

Khi lò xo giãn một đoạn x: F = k.x

Trong đó: k là độ cứng của lò xo, là không đổi nghĩa là F tỉ lệ thuận với x

do đó ta có thể viết

2 2

0 kx kx

2

1

2 x k x

kx

A= =

Công này biến thành thế năng của lực đàn hồi

2

2

1

kx A

E= =

b Định luật bảo toàn cơ năng: Trong hệ kín không có ma sát cơ năng được

bảo toàn

Biểu thức: Nên viết tổng quát

(mgh) TNTrL

ø

ö ç

è

æ 2

2

1

v

÷ ø

ö ç è

æ 2

2

1

kx TNĐH

- Cần chú ý không có ma sát trong hệ

- Như vậy trong bài toán va chạm:

+ Nếu là va chạm đàn hồi, động lượng và cơ năng được bảo toàn

+ Nếu là va chạm mềm chỉ có động lượng bảo toàn còn cơ năng không bảo toàn

Theo tôi học sinh cần phải hiểu như vậy để áp dụng làm các bài toán nhất là các bài toán va chạm

c Định luật bảo toàn năng lượng:

Nên đặt câu hỏi cho học sinh: Nếu hệ kín có ma sát thì sao? rõ ràng cơ

năng không bảo toàn vậy ở đây có đại lượng nào được bảo toàn ngoài động lượng Vật lý học hiện đại dã khẳng định tổng các dạng năng lượng (hay còn gọi là năng lượng toàn phần) được bảo toàn

So với SGK theo tôi cần phát biểu định luật này một cách đầy đủ, chi tiết hơn: Xét trong một hệ kín năng lượng không tự nhiên sinh ra và không tự mất đi

mà nó chỉ chuyển hoá thành một tương đương từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác nhưng năng lượng tổng cộng của hệ được bảo toàn

Cần chú ý thêm cho học sinh: Sự chuyển hoá năng lượng luôn luôn

được đặc trưng bởi công của một lực nào đó công không phải là năng lượng

mà công là số đo của lượng năng lượng chuyển hoá (biến đổi)

Ví dụ: Một vật chuyển động có ma sát trên mặt phẳng nằm ngang là

chuyển động chậm dần, thế năng không đổi động năng giảm dần nên cơ năng giảm dần, vật và mặt phẳng nóng lên (nội năng tăng lên) Phần cơ năng biến thành nội năng có trị số bằng công của lực ma sát, điều này phù hợp với định

lý về động năng: độ biến thiên động năng = công của ngoại lực

Về mặt lý thuyết: Năng lượng của hệ bảo toàn khi hệ cô lập, song trong

thực tế vận dụng để giải các bài tập ta lại gặp hệ không cô lập Ví dụ: Khi xét chuyển động của quả cầu lăn không trượt trên mặt phẳng nghiêng ta vẫn sử dụng định luật bảo toàn cơ năng, đối với học sinh cần chỉ rõ ràng sở dĩ áp dụng được định luật bảo toàn cơ năng vì hai lý do sau:

+ Quả cầu chuyển động trong trường lực thế (trường trọng lực)

+ Ngoại lực tác dụng lên quả cầu không sinh công (phản lực mặt phẳng nghiêng lên cầu vuông góc với phương dịch chuyển của quả cầu, còn lực ma sát coi như không đáng kể)

C kết luận đề tài:

Trên đây là một số ý kiến của cá nhân tôi xung quanh việc làm thế nào để dạy cho học sinh hiểu sâu sắc các khái niệm vật lý và đặc biệt là các định luật bảo toàn: Định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn công, định luật bảo toàn cơ năng, định luật bảo toàn năng lượng trong chương trình vật lý lớp 10 và một số điểm cần chú ý khi dạy các khái niệm và các nội dung định luật để học sinh không nhầm lẫn khi vận dụng nó vào việc giải các bài tập vật lý và giải thích các hiện tượng vật lý liên quan

Vì khả năng tư duy vật lý của đối tượng học sinh lớp 10 là rất hạn chế nên các khái niệm và các định luật ở trong phần này là rất trìu tượng đối với các em nhưng nếu thầy giáo biết mổ xẻ kiến thức, đặc biệt biết lấy các ví dụ trong thực tế để làm tường minh các khái niệm và nội dung các định luật thì học sinh sẽ tiếp cận được ngay (Vì lý do về khuôn khổ của bài viết nên tôi chưa có điều kiện nêu thêm các ví dụ đó ở đây)

Với nội dung này tôi hy vọng phần nào giúp các bạn đồng nghiệp tham khảo thêm để nâng cao tay nghề và mong sự đóng góp ý kiến của bạn đọc