Phan tich chuong động lực học chất điểm

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÍ TIỂU LUẬN MÔN HỌC NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG Đề tài: NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CHƯƠNG “ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM” Giảng viên hướng dẫn Học viên thực PGS TS Lê Công Triêm Lê Thị Lệ Hiền Lớp LL & PPDH Vật lý – K18 Huế, tháng 12/2010 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài 2 Mục đích nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .3 Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu NỘI DUNG I Đặc điểm nhiệm vụ chương Động lực học chất điểm II Cấu trúc chương III.Chuẩn kiến thức, kĩ chương trình nâng cao IV Nội dung kiến thức trọng tâm Quán tính Các định luật Newton 10 2.1 Định luật I Newton .10 2.2 Định luật II Newton 16 2.3 Định luật III Newton 19 Khái niệm lực khối lượng 23 3.1 Lực 23 3.2 Khối lượng 28 Các loại lực học thường gặp 30 4.1 LỰC HẤP DẪN 30 4.2 LỰC ĐÀN HỒI 37 4.3 LỰC MA SÁT 44 4.3.1 Khái niệm ma sát 44 Ma sát tượng xuất lực ngẫu lực có tác dụng cản trở chuyển động xu hướng chuyển động tương đối hai vật bề mặt 44 4.3.2 Phân loại lực ma sát 45 4.4 PHÉP TÍNH VECTƠ 58 4.5 HỆ QUY CHIẾU 62 4.6 Trọng lực Trọng lượng 69 PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC 75 CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ VẬT 79 HỆ ĐƠN VỊ CƠ HỌC: 82 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO .84 Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong chương trình phổ thông, vật lý môn học khó, có nhiều phần kiến thức khác : học, nhiệt học vật lý phân tử, điện học, quang học, vật lý nguyên tử hạt nhân Mỗi phần kiến thức có đặc trưng riêng có phương pháp nghiên cứu đặc thù Trong trình giảng dạy vật lý người giáo viên trước hết phải hiểu cách sâu sắc kiến thức trình bày chương trình hiểu cách tác giả sách giáo khoa trình bày kiến thức sách giáo khoa nào, qua tổ chức hoạt động dạy học có hiệu để học sinh nắm bắt kiến thức cách chủ động Không phần kiến thức người giáo viên cần phải có nhìn tổng thể toàn kiên thức, để sử dụng phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng riêng phần Vì Nghiên cứu phân tích chương trình vật lí phổ thông môn học quan trọng chương trình đào tạo học viên sư phạm vật lí chuyên ngành “Lí luận phương pháp dạy học” môn học giúp cho người học viên có nhìn tổng quan toàn chương trình vật lí phổ thông nói chung phổ thông trung học nói riêng Để nghiên cứu phân tích chương trình vật lý phổ thông có hiệu người học viên cần phải tìm hiểu cách sâu sắc kiến thức trọng tâm chương trình, phân loại kiến thức thuộc loại kiến thức vật lý Trong trình học môn học người làm tiểu luận lựa chọn nghiên cứu phân tích nội dung chương “Động lực học chất điểm”, trình nghiên cứu việc tìm hiểu kiến thức trình bày phần Đó lý chọn đề tài “Nghiên cứu phân tích nội dung kiến thức phần Động lực học chất điểm” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu nội dung kiến thức theo chuẩn kiến thức, kĩ chương “Động lực học chất điểm” Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Phương pháp nghiên cứu Đọc tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, vật lí kĩ thuật, chương trình vật lí phổ thông, tài liệu khác, truy cập internet …từ tổng hợp, phân tích kiến thức phần “ Động lực học chất điểm” Đối tượng nghiên cứu Chương trình SGK Vật lí 10 THPT Phạm vi nghiên cứu Các khái niệm, định luật, lực học… trình bày phần “Động lực học chất điểm” NỘI DUNG I Đặc điểm nhiệm vụ chương Động lực học chất điểm a Đặc điểm chương Cơ học phần vật lí học nghiên cứu tượng chuyển động học vật, tức nghiên cứu thay đổi vị trí vật thể không gian vật thể khác theo thời gian Cơ học gồm phần: Động học nghiên cứu đặc trưng chuyển động dạng chuyển động khác nhau; Động lực học nghiên cứu mối liên hệ chuyển động với tương tác vật; Tĩnh học phần động lực học nghiên cứu trạng thái cân vật Cho đến nay, nhiều nhà khoa học, chuyên gia xây dựng chương trình tác giả sách giáo khoa theo khuynh hướng trọng tính logic vật lí học cho rằng, nghiên cứu vật lí phải lấy việc nghiên cứu học làm tảng để tiếp tục nghiên cứu tượng nhiệt, điện, từ, quang,… sau Trong chương trình vật lí phổ thông nước ta, học chia thành phần: Động học, động lực học, Tĩnh học, Các định luật bảo toàn, Dao động sóng học b Nhiệm vụ chương Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Chương trình bày ba định luật Niu-tơn Đó sở toàn học Ngoài ra, chương đề cập đến lực hay gặp học : Lực hấp dẫn, lực đàn hồi lực ma sát Các định luật Niu-tơn vận dụng để khảo sát số chuyển động đơn giản tác dụng lực nói Chương giảng dạy 17 tiết, có 11 tiết lí thuyết, tiết thực hành tiết tập Các định luật Newton trình bày SGK nguyên lí lớn Những định luật kết hàng loạt quan sát tư khái quát hoá, đặt móng cho việc tìm kiếm định luật vật lí cho việc xây dựng phát triển học Với quan niệm vậy, SGK không đưa ba định luật Newton đường quy nạp thực nghiệm mà trình bày dạng tiên đề Ở định luật, sách nêu nhiều tượng có tính chất gợi mở để dẫn tới định luật Sau có thí nghiệm minh hoạ kiểm chứng Hai khái niệm đề cập chương lực khối lượng Những khái niệm hình thành mối liên hệ chặt chẽ với ba định luật Newton Xét mặt logic, hình thành khái niệm lực mà không cần đến khái niệm khối lượng Và ngược lại, hình thành khái niệm khối lượng mà bỏ qua khái niệm lực HS học lần mà hiểu hết lực khối lượng Vì vậy, kiến thức hai khái niệm phải hình thành hoàn chỉnh dần suốt trình tư từ thấp đến cao Ở THCS, HS biết lực đại lượng đặc trưng cho tác dụng vật lên vật khác, đại lượng vectơ, độ lớn lực đo lực kế, biết cách biểu diễn vectơ lực Về khối lượng, HS biết đại lượng liên quan đến lượng chất tạo thành vật, biết cách dùng cân để đo khối lượng SGK THPT kế thừa kiến thức SGK THCS để hoàn thiện hai khái niệm Khi học định luật II Newton, HS biết thước đo định lượng lực, tích ma biết định nghĩa thức đơn vị Newton HS hiểu thêm đặc điểm lực luôn xuất cặp học Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông định luật III Newton Với khái niệm khối lượng Trên sở hiểu biết sơ lược THCS, HS thấy rõ mối liên hệ lực khối lượng học định luật II Newton Đến lúc học lực hấp dẫn, lại thấy mối liên hệ khả hấp dẫn khối lượng vật Về mặt lôgic phân biệt "khối lượng quán tính" "khối lượng hấp dẫn" thực nghiệm số đo hai đại lượng trùng nhau, nên chúng gọi chung "khối lượng" Trong phần loại lực học (lực hấp dẫn, lực đàn hồi lực ma sát), kết luận đặc điểm loại lực (phương, chiều, độ lớn) rút đường quy nạp thực nghiệm Vì vậy, dạy lực đàn hồi lực ma sát cần vận dụng phương pháp thực nghiệm Với lực hấp dẫn, làm thí nghiệm để rút định luật vạn vật hấp dẫn, cần nêu rõ Newton khái quát hoá quan sát từ thực nghiệm để dẫn đến định luật Khác với SGK bản, SGK nâng cao có đề cập đến khái niệm lực quán tính Việc đưa khái niệm lực quán tính coi phương pháp luận nhằm áp dụng định luật Newton hệ quy chiếu phi quán tính Nhìn chung, chương Động lực học chất điểm có nhiều thí nghiệm mà GV cần tiến hành lớp Đa số thí nghiệm đơn giản Tuy nhiên, GV khó cho toàn lớp quan sát Chẳng hạn tiến hành thí nghiệm đo lực ma sát nghỉ cực đại, HS cuối lớp khó thấy số lực kế… Vì GV kết hợp thí nghiệm thực trình chiếu video clip thí nghiệm để lớp quan sát rõ ràng Đối với thí nghiệm chưa thực điều kiện trang thiết bị thí nghiệm nhà trường (như thí nghiệm kiểm chứng định luật I Newton, thí nghiệm đo số hấp dẫn…), thí nghiệm mà trình vật lí xảy nhanh (như chuyển động vật bị ném) GV nên có số hình ảnh động đoạn phim thí nghiệm để HS quan sát, từ HS dễ dàng ghi nhớ nắm vững kiến thức II Cấu trúc chương Căn vào nội dung chương trình phân bố kiến thức SGK, xây Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông dựng cấu trúc chương sau: Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc chương Động lực học chất điểm III.Chuẩn kiến thức, kĩ chương trình nâng cao Ngoài mục tiêu chung xác định chương trình chuẩn, chương trình nâng cao nhằm giúp học sinh mở rộng hiểu sâu số kiến thức vật lí; rèn luyện vững số kĩ quan trọng, đặc biệt kĩ thực tiến trình khoa học, thực hành vật lí vận dụng hiểu biết để giải vấn đề vật lí khoa học, đời sống sản xuất mức độ phổ thông Phần Động lực học chất điểm SGK NC có đề cập thêm hệ quy chiếu, phi quán tính lực quán tính dùng để khảo sát tượng, tăng, giảm, trọng lượng Trọng lực định nghĩa đầy đủ SGK chuẩn, có kể đến lực quán tính quay Trái Đất quanh trục Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông CHỦ ĐỀ MỨC ĐỘ CẦN ĐẠT GHI CHÚ Kiến thức Ở chương a) Lực Quy - Phát biểu định nghĩa lực nêu lực đại trình này, tắc tổng hợp lượng vectơ trọng lực phân tích - Phát biểu quy tắc tổng hợp lực tác dụng lên hiểu lực chất điểm phân tích lực thành hai lực theo phương hợp lực b) Ba định xác định lực hấp dẫn luật Niu-tơn - Nêu quán tính vật kể số ví dụ mà Trái Đất quán tính tác dụng lên c) Các lực - Phát biểu định luật I Niu-tơn vật lực : lực hấp - Phát biểu định luật vạn vật hấp dẫn viết hệ quán tính li dẫn, trọng thức định luật tâm lực, lực đàn - Nêu ví dụ lực đàn hồi đặc điểm lực quay hồi, lực ma đàn hồi lò xo (điểm đặt, hướng) Trái Đất sát - Phát biểu định luật Húc viết hệ thức định luật Trọng độ biến dạng lò xo lượng độ d) Lực hướng - Nêu đặc điểm ma sát trượt, ma sát nghỉ ma sát lăn lớn tâm Viết công thức tính lực ma sát nghỉ cực đại lực ma sát trọng lực Khi có trượt e) Hệ quy - Nêu mối quan hệ lực, khối lượng gia tốc chiếu phi quán tính thể định luật II Niu-tơn viết hệ tính khác nữa, hợp thức định luật Lực quán - Nêu gia tốc rơi tự tác dụng trọng lực tính viết hệ thức P = mg r r - Nêu khối lượng số đo mức quán tính - Phát biểu định luật III Niu-tơn viết hệ thức định luật - Nêu đặc điểm phản lực lực tác dụng lực quán lực lực hấp dẫn Trái Đất lực quán tính tác dụng lên vật Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông - Nêu lực hướng tâm chuyển động tròn gọi trọng tổng hợp lực tác dụng lên vật viết hệ thức lực biểu Fht = mv = mω2r r kiến độ lớn - Nêu hệ quy chiếu phi quán tính đặc điểm trọng Viết công thức tính lực quán tính vật lượng biểu đứng yên hệ quy chiếu phi quán tính kiến Kĩ - Vận dụng định luật Húc để giải tập biến dạng lò xo - Vận dụng công thức tính lực hấp dẫn để giải tập - Vận dụng công thức lực ma sát để giải tập - Biểu diễn vectơ lực phản lực số ví dụ cụ thể - Vận dụng định luật I, II, III Niu-tơn để giải toán vật, hệ hai vật chuyển động mặt đỡ nằm ngang, nằm nghiêng - Vận dụng mối quan hệ khối lượng mức quán tính vật để giải thích số tượng thường gặp đời sống kĩ thuật - Vận dụng quy tắc tổng hợp lực phân tích lực để giải tập vật chịu tác dụng ba lực đồng quy - Giải toán chuyển động vật ném ngang, ném xiên - Giải tập tăng, giảm trọng lượng vật - Xác định lực hướng tâm giải toán Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông chuyển động tròn vật chịu tác dụng hai lực - Giải thích tượng liên quan đến lực quán tính li tâm - Xác định hệ số ma sát trượt thí nghiệm IV Nội dung kiến thức trọng tâm Quán tính Khi trình bày khái niệm quán tính sách giáo khoa, chuyên gia gặp nhiều khó khăn tính chất hai nghĩa quán tính theo cách hiểu gắn liền với định luật I Newton định luật II Newton Galilê ( 1564 - 1642 ) người phát quán tính vật thể Do thấy tầm quan trọng vấn đề, Newton nêu lên thành ba định luật học: “Mọi vật thể có tính chất giữ nguyên trạng thái đứng yên chuyển động thẳng chừng chưa có lực tác dụng lên nó” Như vậy, quán tính theo định luật I Newton diễn tả hiểu tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động vật Vì vậy, người ta gọi định luật I Newton định luật quán tính Nếu hiểu theo nghĩa quán tính tính chất phổ biến, không đổi không tách rời vật Mọi vật có quán tính Vậy quán tính đại lượng vật lí nói đến “số đo quán tính” Theo cách hiểu thứ hai, thuật ngữ quán tính gắn liền với định luật II Newton Một vật thể chịu tác dụng lực hãm trước dừng lại hết khoảng cách “theo quán tính” Như vậy, thuật ngữ quán tính nói rằng, để biến đổi vận tốc chuyển động vật tác dụng vật cần phải có thời gian xác định, tức lực xác định gia tốc xác định vận tốc Dưới tác dụng lực nhau, vật thể khác thu gia tốc khác Với ý nghĩa này, ta đưa số đo “mức quán tính” vật Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông  2π  a= ÷ 6400.10 ≈ 0,034 m/s  24.3600  So với gia tốc lực hấp dẫn gây ( g ≈ 9,8 m/s ) xích đạo, a vào g ; nơi xa xích đạo a nhỏ Do ta 289   nhận thấy tác dụng lực Fqt nhỏ so với tác dụng Fhd khoảng Vì vậy, trường hợp không đòi hỏi độ xác cao, ta bỏ qua tác  dụng Fqt ( tức coi Trái đất hệ quy chiếu quán tính) Lúc này, trọng lực lực hấp dẫn mà Trái đất tác dụng lên vật P = mg (m khối lượng vật g gia tốc rơi tự do) P có giá trị gần định cao độ h – h2 không lớn đó, lên cao P giảm vật thoát khỏi lực hấp dẫn P = ( g = m/s2) 4.6.2 Trọng lượng Theo hội nghị đo lường quốc tế, trọng lượng Fw vật là: Fw = m.g ' Trong đó: g’ gia tốc rơi tự vật đo hệ quy chiếu gắn với người tiến hành phép đo Điều có nghĩa trọng lượng vật tỉ lệ thuận với khối lượng phụ thuộc vào hệ quy chiếu phép đo tiến hành Hơn nữa, định nghĩa tương ứng với số cân lò xo hệ quy chiếu đó, dù có phải hệ quy chiếu quán tính hay không Nói cách khác, vật đứng yên cân lò xo đặt cố định hệ quy chiếu số cân độ lớn trọng lượng vật hệ quy chiếu Ngoài ra, trọng lượng định nghĩa độ lớn lực mà vật khối lượng m tác dụng lên giá đỡ (hoặc dây treo) không chuyển động tương đối so với vật; đại lượng vô hướng có giá trị Fw = N ( N phản lực lực căng dây vật m tác động lên sàn dây treo) Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 70 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Từ đây, ta ý phép đo trọng lượng tiến hành hệ quy chiếu quán tính trọng lượng vật lực hấp dẫn trái đất tác dụng lên vật, hệ quy chiếu quán tính g’ = g Trong số trường hợp, hệ quy chiếu gắn với Trái đất hệ quy chiếu quán tính, trọng lượng vật xem độ lớn trọng lực 4.6.3 Hiện tượng tăng, giảm trọng lượng Tương tự cách giải thích ta giải thích thay đổi trọng lượng vật thang máy chuyển động có gia tốc  Xét vật khối lượng m đặt hệ quy chiếu chuyển động với gia tốc a o so với   Trái đất, trọng lực, vật chịu thêm tác dụng lực quán tính Fqt = − m.a o u' u  Lúc hợp lực tác dụng lên vật P = P + Fqt u' P gọi trọng lực biểu kiến vật, độ lớn gọi trọng lượng biểu kiến Trọng lượng biểu kiến, thường gọi tắt trọng lượng, sức nặng vật thể qua giá trị đo cân lò xo hay lực kế lò xo Nó đặc trưng cho lực nén vật lên mặt sàn hay lực căng vật gây lên lò xo lực kế treo vật vào Chính trọng lượng biểu kiến yếu tố tạo cảm giác nặng nhẹ thể Thực chất, cảm giác nặng nhẹ cảm nhận phản lực mặt sàn tác dụng lên thể Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 71 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông cảm nhận lực hút Trái Đất Đây ứng dụng định luật hai Newton cho chuyển động người tác dụng trọng lực phản lực sàn thang máy (khi bỏ qua lực ly tâm hệ quy chiếu gắn với mặt đất) Lực tổng cộng = khối lượng × gia tốc Phản lực sàn + trọng lực = khối lượng × gia tốc Phản lực sàn = - trọng lực + khối lượng × gia tốc Phản lực sàn = khối lượng × (gia tốc - gia tốc trọng trường) Theo định luật ba Newton Trọng lượng biểu kiến = - phản lực sàn Trọng lượng biểu kiến = khối lượng × (gia tốc trọng trường - gia tốc) Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 72 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Từ biểu thức ta thấy trọng lượng biểu kiến P ’ vật khác với trọng lượng  thực P vật Tùy theo chiều lực Fqt (hay chiều gia tốc ) mà trọng lượng biểu kiến lớn nhỏ trọng lượng thực Đó tăng giảm trọng lượng biểu kiến ( tăng giảm trọng lượng) Trong công thức độ lớn đại lượng tính theo phương hướng xuống • Nếu thang máy chuyển động hay đứng yên gia tốc Khi phản lực, trọng lượng biểu kiến người, giá trị trọng lực u uu  u • Trường hợp Fqt chiều P ( ao ngược chiều với g ) P’ > P : tượng tăng trọng lượng Ví dụ: trường hợp người thang máy thang máy lên; nhà du hành tàu vũ trụ lúc phóng lên u uu  u • Trường hợp Fqt ngược chiều P ( ao chiều với g ) P’ < P : tượng giảm trọng lượng Ví dụ: trường hợp người thang máy thang máy xuống uu u • Trường hợp ao = g P’ = : tượng trọng lượng Ví dụ: trường hợp người thang máy thang máy xuống với gia tốc g; tàu vũ trụ chuyển động tròn quanh Trái đất (động tàu không hoạt động, ma sát khí quyển) 4.6.4 Sự khác khái niệm trọng lượng trọng lực Khi vật có khối lượng m nằm điểm không gian bao quanh Trái Đất, bị Trái Đất kéo lực trọng lực Đó vectơ có phương vuông góc với mặt đất, hướng xuống có độ lớn mg, g gia tốc rơi tự điểm xét, điểm đặt trọng lực gọi trọng tâm u Lực P gọi trọng lượng vật, phụ thuộc vào tập hợp lực đặt vào vật trọng lực Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 73 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Cần lưu ý khối lượng vật đâu tự nhiên tồn vốn có, thuộc tính nó.Thông thường giả thuyết trọng lượng đo từ hệ quán tính Nếu đo từ hệ không quán tính phép đo cho trọng lượng biểu kiến SỰ KHÁC NHAU GIỮA TRỌNG LƯỢNG VÀ TRỌNG LỰC Trọng lượng Trọng lực Định nghĩa Là hợp lực lực hấp dẫn Là lực vật tác dụng lên giá đỡ( lực quán tính li tâm(do trái đất dây treo)vật để vật không rơi quay quanh trục nó)tác Điểm đặt Biểu thức dụng lên vật Là trọng tâm G vật u u P = mg u g : gia tốc rơi tự Là điểm thuộc giá đỡ nơi mà giá đỡ tiếp xúc với vật F = m(g – a)  a :gia tốc chuyển động vật u g : gia tốc rơi tự • Lực trọng lượng Máy bay bay trái đất (không thoát khỏi trường hấp dẫn trái đất) nên chịu tác động lực hấp dẫn trái đất , tức có trường trọng lực bao quanh , giá trị P tồn (lớn hay nhỏ mà tùy cao độ), chuyện trọng lực P = • Nhưng cách nhào lộn máy bay khiến cho lực tác động lên giá đỡ dây treo giảm tới , tức trọng lượng P’ Trong trường hợp phi công lơ lửng trọng lượng ông ta không trọng lực Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 74 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG LỰC HỌC Để giải toán động lực học, phải sử dụng phương pháp vận dụng định luật Newton kiến thức định luật riêng loại lực vào việc giải toán học,gọi phương pháp động lực học (PPĐLH) Bên cạnh để diễn tả công thức giải tập vật lý, áp dụng phương pháp ĐLH vận dụng phương pháp tọa độ toán học Các bước giải toán ĐLH Nghiên cứu đầu Chú ý đến việc vẽ hình biểu diễn lực tác dụng vào vật hình vẽ, đổi đơn vị đại lượng Phân tích tượng vật lý Sử dụng định luật III Newton định luật riêng loại lực để phân tích lực tác dụng vào vật Viết phương trình định luật II Newton dạng véctơ:     Fhl = F1 + F2 + = m.a (*) Chọn hai trục tọa độ Ox, Oy chiếu phương trình véctơ (*) lên trục tọa độ để có phương trình vô hướng Xác định dạng chuyển động dựa vào điều kiện ban đầu (x 0, y0, v0) viết phương trình chuyển động tương ứng Giải hệ phương trình Biện luận kết Một số lưu ý giải toán ĐLH: Cần thống loại kí hiệu cho đại lượng vectơ phương pháp tọa độ sau: u - Kí hiệu F để vectơ lực - Kí hiệu Fx, Fy để hình chiếu vectơ lực lên trục tọa độ ox, oy Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 75 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông - Kí hiệu F để độ lớn vectơ lực 5.1 Phương pháp giải toán thuận (xác định chuyển động biết trước lực)  Chọn hệ quy chiếu cho việc giải toán đơn giản (có trục song song với phương chuyển động) viết kiện toán;  Biểu diễn hình lực tác dụng vào vật (đặc biệt lưu ý đến lực phát động lực cản);   Fhl  Xác định gia tốc vật theo định luật II Niutơn: a = , m ma x = Fx ;ma y = Fy ;ma z = Fz Fx, Fy, Fz hình chiếu vectơ lực lên trục tọa độ Ox, Oy Oz  Biết điều kiện ban đầu xác định chuyển động 5.2 Phương pháp giải toán nghịch (xác định lực biết trước chuyển động)  Chọn hệ qui chiếu cho việc giải toán đơn giản nhất;  Xác định gia tốc vào chuyện động cho;    Xác định hợp lực tác dụng theo định luật II Niutơn: Fhl = ma ;   Biết Fhl xác định lực tác dụng vào vật  * Ví dụ 1: Kéo vật khối lượng m lực F có phương hợp với mặt phẳng ngang góc θ Hệ số ma sát trượt vật với mặt phẳng ngang µ Xác định gia tốc trượt vật? Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 76 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông y  F  Fy  N θ  Fx  f ms x  P    - Lực tổng cộng tác dụng lên vật gồm có lực kéo F , lực ma sát f ms , trọng lực P  phản lực mặt phẳng ngang N - Viết phương trình động lực học áp dụng cho vật:      ma = F + f ms + P + N (1) - Chọn hệ trục tọa độ Oxy hình vẽ Phân tích phương trình (1) thành hai phương trình tương ứng với thành phần theo phương x y:   + Vì hình chiếu P N lên trục x không nên theo phương x ta có phương trình: ma x = Fx − f ms (2) đó: Fx = F cos θ thành phần lực kéo theo phương x f ms = µN lực ma sát, (trong phương trình (2) số hạng mang dấu trừ ngược chiều với chiều dương trục x.)  + Vì hình chiếu f ms lên phương trục y không vật không chuyển động dọc theo phương (thành phần gia tốc a y = ) nên phương trình theo phương y là: Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 77 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông = Fy − P + N (3) đó: Fy = F sin θ thành phần lực kéo theo phương y P = mg , dấu trừ trước trọng lực ngược chiều với chiều dương trục y - Giải hệ phương trình (2) (3) ta nhận gia tốc trượt vật: a ≡ ax = F (cos θ + µ sin θ ) − µg m Ví dụ 2: Vật khối lượng m trượt mặt phẳng nghiêng góc θ Hệ số ma sát trượt µ Xác định gia tốc vật?  N  f ms  Py θ y  Px  P x θ   Các lực tác dụng vào vật gồm có trọng lực P , phản lực bề mặt đỡ vật N , lực  ma sát f ms Phương trình chuyển động vật tuân theo định luật Newton:     ma = P + N + f ms Chiếu phương trình chuyển động lên trục tọa độ x y chọn hình vẽ - Theo phương x ta có phương trình: ma = Px − f ms (1) đó: Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 78 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Px = P sin θ = mg sin θ thành phần trọng lực theo phương x f ms = µN lực ma sát (trong phương trình (1) số hạng mang dấu trừ lực ma sát ngược chiều so với chiều dương trục x chọn.) - Theo phương y ta có phương trình: = − Py + N (2) đó: Py = P cos θ = mg cos θ hình chiếu trọng lực lên phương vuông góc với mặt nghiêng (trong phương trình (2) số hạng mang dấu trừ ngược chiều dương trục y.) Giải hệ phương trình (1) (2) ta tìm gia tốc trượt vật: a = g (sin θ − µ cos θ ) CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ VẬT 6.1 Hệ vật, nội lực, ngoại lực Hệ vật gồm vật tương tác với Chẳng hạn hai hay nhiều vật nối với sợi dây, lò xo nhẹ, sợi dây vắt qua ròng rọc… Nội lực lực tương tác vật hệ ( Lực tương tác trực đối) Ngoại lực lực vật hệ tác dụng lên vật hệ Việc phân chia lực thành nội lực ngoại lực có tính chất tương đối, giới hạn hệ ta quy định tùy thuộc vào bài toán cần giải Ví dụ, xét hệ gồm Trái đất vật Trái đất lực hấp dẫn vật Trái đất nội lực Nhưng xét hệ hai vật đặt mặt phẳng lực hấp dẫn vật với Trái đất ngoại lực 6.2 Phương pháp giải Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 79 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông  Nếu vật hệ chuyển động có gia tốc coi hệ vật có khối lượng tổng khối lượng vật thành phần mhệ = m1 + m2 +…   Phương trình định luật II Newton có dạng: F ngoại lực = mhệ a u N1 u T1 u   Fms1 P1 u u N T2  u  Fms P  F  Trường hợp vật hệ có gia tốc khác nhau: Để giải ta cần áp dụng phương pháp động lực học cho vật Chú ý phân tích mối liên hệ gia tốc vật mối liên hệ nội lực hệ; hình dung chiều chuyển động vật giả thiết chiều chuyển động Ví dụ Hai vật nối với sợi dây vắt qua ròng rọc hình vẽ Vật thứ vật trượt có khối lượng m1 , vật thứ hai vật treo có khối lượng m2 Bỏ qua ma sát, bỏ qua khối lượng dây ròng rọc Tìm gia tốc vật lực căng dây  N1 m1 +  T1  P1  T1 '  T2 ' T2 m2 +  P2 Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 80 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Nhận xét: - Dưới tác dụng trọng lực, vật thứ hai chuyển động dọc theo phương thẳng đứng hướng xuống, vật thứ hai chuyển động dọc theo phương ngang từ trái sang phải - Vì hai vật nối với dây không co giãn nên độ lớn gia tốc chúng dọc theo phương chuỷen động a - Bỏ qua khối lượng dây ròng rọc nên ta có: T1 = T1 ' = T2 ' = T2 = T (1)  Xét vật thứ nhất: Hợp lực tác dụng lên vật gồm có trọng lực P1 , phản lực mặt   phẳng ngang N lực căng dây T1 Phương trình chuyển động vật tuân theo phương trình định luật Newton:     m a = P + N +T 11 1 (*) Chiếu phương trình (*) lên trục tọa độ (có phương nằm ngang, chiều từ trái sang phải) Vì trọng lực phản lực vuông góc với phương chuyển động nên hình chiếu chúng không Ta được: m a =T 1 (2)   Xét vật thứ hai: Hợp lực tác dụng lên vật gồm có trọng lực P2 lực căng dây T2 Theo định luật Newton phương trình chuyển động vật là:    m a = P +T 2 2 (**) Chiếu phương trình (**) lên trục tọa độ (có phương thẳng đứng, chiều hướng xuống dưới) Ta được: m2 a = P2 − T2 = m2 g − T2 (3) đó, dấu trừ trước T2 có nghĩa lực căng dây ngược chiều với chiều trục tọa độ chọn Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 81 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Giải hệ phương trình (1), (2) (3) ta suy ra: a= m2 g m1 + m2 T= m1m2 g m1 + m2 HỆ ĐƠN VỊ CƠ HỌC: Ở nước ta Nhà nước ban hành bảng đơn vị đo lường hợp pháp, xây dựng sở hệ đơn vị quốc tế SI.Theo bảng đơn vị đại lượng học là: độ dài, khối lượng, thời gian Lực đại lượng dẫn xuất Các đơn vị tương ứng là: mét, kí hiệu m;kilogam, kí hiệu kg giây, kí hiệu s Để tìm đơn vị tương ứng đơn vị dẫn xuất lực, ta sử dụng phương trình động lực học F= ma Với m = kg; a = 1m/s2 F = 1kg.1m/s2 = 1kgm/s2, gọi Newton, kí hiệu N Vậy: 1N = 1kgm/s2 Newton lực gây cho vật có khối lượng kilogam gia tốc mét giây bình phương Đơn vị đại lượng khác xác định nhờ vào mối quan hệ chúng với đại lượng Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 82 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông KẾT LUẬN Việc nghiên cứu chương trình sở định hướng cho hoạt động dạy học có hiệu kiến thức vật lý cụ thể Ngoài việc sâu tìm hiểu kiến thức vật lý cụ thể giáo viên cần phải có nhìn tổng thể kiến thức chương Phải vẽ sơ đồ thể mối liên hệ kiến thức nhằm giúp học sinh hệ thống hóa kiến thức cách dễ dàng Chương có mối liên hệ với chương khác? Gồm học nào? Mối liên hệ học chương? Có khái niệm, định luật nào? Những định luật Vật lí hạt nhân? Những phương trình, công thức diễn tả định luật ấy? Mối liên hệ định luật, công thức? Cơ học nói chung phần động lực học nói riêng nội dung kiến thức quan trọng chương trình vật lí phổ thông Một nội dung phần động lực học định luật Newton Sách giáo khoa nước ta coi định luật Newton nguyên lý lớn làm tảng cho việc xây dựng phát triển học Do đó, ba định luật Newton sách giáo khoa trình bày dạng tiên đề đường quy nạp thực nghiệm Sau nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức trình bày sách giáo khoa tìm hiểu cách tổ chức dạy học cho học sinh kiến thức phần định luật Newton, tiểu luận hoàn thành đạt kết sau: ♦ Trình bày khái niệm số lưu ý dạy học khái ♦ Phát biểu định luật Newton, nêu ý nghĩa định luật niệm mang lại cho khoa học phạm vi ứng dụng định luật ♦ Tìm hiểu khái niệm di sâu vào chế loại lực Ngoài ra, qua trình nghiên cứu thực đề tài, hiểu sâu hệ thống hóa kiến thức định luật Newton, đồng thời biết cách tổ chức dạy học để đạt hiệu giảng dạy kiến thức phần Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 83 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Công Triêm (2004), Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông, Tài liệu giảng dạy Đại học Huế Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo khoa), NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo viên), NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo khoa), NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo viên), NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (tổng chủ biên), Vật lí đại cương tập 1, NXB Giáo dục Phó Đức Hoan, Nguyễn Minh Vũ, Nguyễn Bảo Ngọc, Nguyễn Văn Đoàn (1981), Cơ học, NXB Giáo dục Chương trình giáo dục phổ thông cấp THPT, NXB Giáo dục Các tài liệu từ Internet : http://vi.wikipedia.org/wiki http://vatlyvietnam.org/home/index.php http://thuvienvatly.com Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 84 [...]... nhấn mạnh cho học sinh những lưu ý sau : * Lực bao giờ cũng xuất hiện thành từng cặp (lực tác dụng và lực phản tác dụng) và xuất hiện một cách đồng thời * Đặc điểm của lực và phản lực: + Cặp lực này bao giờ cũng có cùng bản chất (cùng là lực ma sát, cùng là đàn hồi, cùng là lực điện từ, hoặc cùng là lực hấp dẫn,…) + Hai lực trong cặp lực này đặt vào hai vật khác nhau + Cặp lực này là một cặp lực trực đối... này học sinh có thể định nghĩa định lượng về lực Trong khi giảng dạy khái niệm lực, giáo viên cũng cần nhấn mạnh những đặc điểm của lực Thực nghiệm xác minh rằng lực được đặc trưng bởi các yếu tố sau : + Điểm đặt của lực là điểm đặt mà tại đó vật nhận được tác dụng cơ học từ các vật khác + Phương, chiều của lực là phương, chiều chuyển động của chất điểm từ trạng thái nghỉ dưới tác dụng cơ học Học viên... trình cơ bản của cơ học chất điểm Thật vậy, giả sử xét  một chất điểm chịu tác dụng của một lực F đã biết, thì trong (2.2.1.1), nếu biết khối lượng của chất điểm ta sẽ tính được gia tốc của chuyển động Biết gia tốc, ta sẽ tính được vận tốc, do đó tìm đuợc phương trình đường đi của chất điểm Và nếu biết được điều kiện ban đầu thì ta sẽ xác định được vị trí của chất điểm ở mọi thời điểm bất kì Nói tóm... dụng giữa mọi vật bất kỳ Giả sử có 2 chất điểm có khối lương m1 và m2, đặt cách nhau một khoảng r Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 31 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Gọi a1, a2 là gia tốc của chúng, gây nên bởi lực tương hỗ giữa chúng với nhau Lực của chất điểm thứ hai tác dụng lên chất điểm thứ nhất  F  21 = m1 a1 Lực của chất điểm thứ nhất tác dụng lên chất điểm thứ hai  F  12 = m2 a 2 Theo... Một số ví dụ về các lực cơ học: N P Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 25 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Thực nghiệm cho thấy, trong phạm vi của cơ học Newton, lực tác dụng giữa các chất điềm phụ thuộc những đại lượng đặc trưng cho bản thân những chất điểm đó (như khối lượng, điện tích,…) và vị trí tương đối giữa những chất điểm đó Chẳng hạn: * Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm có khối lượng m1... ngoại lực nào, và xác định tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên vật Thường các ngoại lực được chia làm 2 loại: các lực tác dụng từ bên ngoài (hút, kéo, đẩy,…) và các lực liên kết (phản lực và lực ma sát, lực căng) Định luật III Newton được ứng dụng để khảo sát các lực liên kết, nghĩa là các lực liên kết giữa một vật đang chuyển động với các vật khác liên kết với nó 2.3.2 Một số lưu ý khi dạy học Học viên... tổng các nội lực của một hệ chất điểm cô lập (hệ kín) bằng không Định luật III Newton cho thấy rằng các nội lực trong một hệ chỉ có tác dụng làm thay đổi trạng thái chuyển động của các chất điểm trong hệ, nhưng không làm thay đổi chuyển động của toàn bộ hệ Có thể lấy chuyển động của xe lửa để minh họa điều này Khi động cơ hơi nước của xe lửa hoạt động, nó làm quay các bánh xe phát động Những lực do hơi... SGK cơ bản HọcSắt viên : Lê Thị Lệ Hiền non Nam châm Hình 16.2 trang 71 SGK nâng cao Trang 20 Hình 10.4 trang 62 SGK cơ bản Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông Các thí dụ này cho thấy rằng lực có tác dụng tương của một vật thì có cùng một bản chất (cùng là lực điện từ, hoặc cùng là lực hấp dẫn,…)  Như vậy, khi chất điểm A tác dụng lên chất điểm B một lực F thì ngược lại    chất điểm B sẽ tácdụng... cho biết rằng hễ có lực tác dụng thì nhất thiết phải có lực phản tác dụng mà không cho biết vì sao như vậy Ta xét một hệ chất điểm cô lập, nghĩa là một hệ không chịu tác dụng của ngoại lực, trong hệ chỉ có các nội lực tương tác giữa các chất điểm của hệ Nếu ta xét từng Học viên : Lê Thị Lệ Hiền Trang 21 Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông đôi chất điểm của hệ thì tổng hai lực tương tác giữa chúng... F thì ngược lại    chất điểm B sẽ tácdụng lên chất điểm A một lực F ' , hai lực F và F ' tồn tại đồng thời, cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn Nói cách khác, tổng hình học các lực tương    tác giữa các chất điểm bằng không: F + F ' = 0   Chú ý rằng tuy tổng hình học các lực F và F ' bằng không nhưng tác dụng của chúng không khử nhau vì điểm đặt cảu chúng khác nhau Đó chính là nội dung