Giúp học sinh sử dụng phương pháp chuyển hệ trục tọa độ trong việc giải các bài toán vật lí hay và khó phần dao động con lắc lò xo

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Trang 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu PHẦN NỘI DUNG 3 2.1 Cơ sở lí luận 2.2 Thực trạng vấn đề 2.3 Những giải pháp sáng kiến 2.1.1 Bài toán đối ngoại lực không đổi F 2.3.2 Bài toán lực ma sát dao động lắc lò so 2.3.3 Bài toán lực điện trường dao động lắc lò so 2.3.4 Bài toán lực quán tính dao động lắc lò so 2.3.5 Bài toán thêm vật, cất bớt vật đối lắc lò xo dao động theo 6 11 13 15 phương thẳng đứng 2.4 Hiệu sáng kiến KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 16 3.1 Kết luận 3.2 Kiến nghị Tài liệu tham khảo 18 19 20 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Vật lý môn khoa học thực nghiệm, định luật, công thức vật lý xây dựng biểu thức toán học phù hợp với kết thực nghiệm Để xác định đại lượng vật lý, giải thích thay đổi đại lượng vật lý, giải thích tượng vật lý thiết phải dùng công thức toán học hàm số sơ cấp, hàm siêu việt, phép tính đạo hàm… Việc sử dụng toán học có ý nghĩa hiệu vào toán vật lý chuyện khó học sinh phổ thông giáo viên trường Làm để học sinh hiểu phương pháp sử dụng để giải vấn đề quen thuộc, tiết kiệm thời gian vận dung linh hoạt vào toán lạ Trong năm qua việc thi Đại học - Cao đẳng từ năm 2014 -2015 việc thi Trung học phổ thông Quốc Gia (THPTQG) môn Vật lý môn thi trắc nghiệm với 50 câu thời gian 90 phút học sinh chọn phương pháp cách giải nhanh điều hoàn toàn quan trọng định kết học sinh Trong đề thi THPTQG có phần để xét Đại học - Cao đẳng (ĐH-CĐ) có câu dao động khó mà học sinh làm toán liên quan đến ngoại lực dao động điều hòa lắc lò so Đề thi học sinh giỏi tỉnh có câu liên quan đến toán có ngoại lực dao động dao động lắc lò xo Với lý kinh nghiệm thời gian giảng dạy trường THPT cần thiết để học sinh để có phương pháp giải nhanh hay Vậy nên chọn đề tài “Giúp học sinh sử dụng phương pháp chuyển hệ trục tọa độ việc giải toán Vật Lí hay khó phần dao động lắc lò xo ” Phương pháp chuyển hệ trục tọa độ nhiều trường hợp khó phức tạp, khuôn khổ sáng kiến kinh nghiệm trình bày dịch chuyển gốc tọa độ toán mà cụ thể toán dao động lắc lò xo có ngoại lực tác dụng thêm bớt khối lượng 1.2 Mục đích nghiên cứu Cung cấp cách tiếp cận việc giải số toán khó thông qua cách chuyển gốc tọa độ dao động Đưa phương pháp giải đơn giản, dễ hiểu, dễ làm nhằm nâng cao kĩ nắm bắt, vận dụng, tạo ứng thú đam mê cho học sinh với môn học 1.3 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống kiến thức, kĩ giải tập dao động học lớp 12 phần ngoại lực tác dụng toán thêm bớt khối lượng Bài tập phần ngoại lực tác dụng thêm bớt khối lượng dao động lắc lò xo chương trình ôn thi THPTQG 12 Hướng dẫn học sinh làm quen cách chuyển hệ trục tọa độ toán dao động học mà cụ thể chuyển gốc tọa độ Khảo sát học sinh việc áp dụng phương pháp kết đạt phương pháp 1.4 Phương pháp nghiên cứu Sáng kiến kinh nghiệm trình bày dựa theo luận khoa học hướng đối tượng, vận dụng linh hoạt phương pháp: quan sát, thuyết trình, vấn đáp, điều tra bản, kiểm thử, phân tích kết thực nghiệm sư phạm,v.v… phù hợp với học môn học thuộc lĩnh vực dao động lắc lò so PHẦN NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lí luận Phương pháp cách thức tổ chức học tập làm việc theo chiều hướng tích cực, nhằm đạt hiệu cao ''Học '''phương pháp''' dầu giùi mài hết năm, hết đời công không (Bùi Kỷ)'' Chuyển hệ trục tọa độ (chuyển gốc tọa độ) dịnh chuyển gốc tọa độ từ sang / ngược lại mà không làm thay đổi chất toán Bài toán chuyển hệ trục tọa độ toán phổ biến học học Newton, chương dao động lớp 12 áp dụng đơn giản việc chuyển gốc tọa độ bình thường có ngoại lực thêm bớt vật Bình thường vật dao động điều hòa ngoại lực tác dụng dao động quang trục ox với gốc x Nhưng có ngoại lực tác dụng vào vật dao động quanh vị trí O / cách khoảng x0 0 0/ Với x0 = Fnl/k M x Hoặc ngược lại vật chịu tác dung lực F dao động quang 0/ ngừng lực tác dụng vật lại dao động quang Hoặc toán dao động thẳng mặt phẳng nghiêng (ở đề tài nghiên cứu dao động theo phương thẳng đứng) lắc lò xo thêm vât bớt vật gốc tọa độ dịnh chuyển từ đến 0/ với x0 = m.g k + Nếu ngoại lực F tác dụng vào vật theo phương trùng trục lò xo khoảng thời gian nhỏ t≈ vật dao động xung quanh vị trí cân (VTCB) cũ với biên độ A = x0 = Fnl/k + Nếu tác dụng ngoại lực vô chậm khoảng thời gain t lớn vật đứng yên vị trí 0/ cách vị trí cân cũ đoạn x0 = Fnl/k + Nếu thời gian tác dụng t = (2n+1).T/2 trình dao động chia làm giai đoạn: Giai đoạn 0< t0 < t: dao động với biên độ A = x0 = Fnl/k xung quang VTCB 0/ Giai đoạn t0 ≥ t: Dúng lúc vật đến vị trí M ngoại lực tác dụng Lúc VTCB nên biên độ dao động A/ = 2x0 = 2.Fnl/k/ + Nếu thời gian tác dụng t = nT trình dao động chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn 0< t0 < t: dao động với biên độ A = x = Fnl/k xung quang VTCB 0/ Giai đoạn t0 ≥ t: Dúng lúc vật đến vị trí với vận tốc không ngoại lực tác dụng Lúc VTCB nên vật đứng yên vị trí + Nếu thời gian tác dụng t = (2n+1).T/4 trình dao động chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn 0< t0 < t: dao động với biên độ A = x = Fnl/k xung quang VTCB 0/ Giai đoạn t0 ≥ t: Dúng lúc vật đến vị trí 0/ với vận tốc ω.A không ngoại lực tác dụng Lúc VTCB nên vật có ly độ A biên độ là: A/ = A2 + (ϖ A) ω2 Như nói toán quy toán thường gặp mà học sinh thường hay làm trước Có thể tóm lại trường hợp cụ thể để sử dụng công thức tính  t   K t toán trắc nghiệm là: T = 2π  m t   t ≈0→ A= FNL k T F → A, = 2 k = nT → A = = (2n + 1) = (2n + 1) T F → A, = k 2.2 Thực trạng vấn đề Các toán Vật Lí có nhiều học sinh kể học sinh giỏi thường hay nhầm làm hiểu không sâu sắc vấn đề ngoại lực dao động điều hòa lắc lò so Học sinh lớp 12 học phần dao động có ngoại lực tác dụng thường cho khó không làm được, với số học sinh làm tập phần ngoại lực có làm áp dụng công thức thầy, cô đưa không hiểu chất Thi THPTQG môn vật lý thi trắc nghiệm nên việc sử dụng phương pháp làm nhanh vấn đề quan trọng, toán ngoại lực ta làm túy nhiều thời gian Với thực trạng khảo sát số lớp 12 với kết trước có đề tài nghiên cứu sau: TT Lớp 12A1 12A2 12A3 12A4 Số HS Số HS hiểu 10% 12% 5% 2% không hiểu 90% 88% 95% 98% Ghi 2.3 Những giải pháp sáng kiến Với nội dung sáng kiến chọn số kết toán cụ thể để học sinh làm đơn giản rễ hiểu là: r 2.3.1 Bài toán đối ngoại lực không đổi F r Ở toán lực tác dụng F không đổi khoảng thời gian t sau r r ngừng lực F tác dụng Ban đầu có F tác dụng vật dao động quang vật dao động quang 0/ , ngừng lực tác dụng vật dao động quanh Đối với toán ta phải xét sem vật ngừng lực tác dụng vị trí (Đây mấu chốt toán) Ví dụ (ĐH 2013) Một lắc lò xo gồm vật nhỏ có khối lượng ur F 100g lò xo có độ cứng 40N/m đặt mặt phẳng nằm ngang không ma sát Vật nhỏ nằm yên vị trí cân bằng, t=0, tác dụng lực F=2N lên vật nhỏ π (hình vẽ) chocon lắc dao động điều hòa đến thời điểm t = s ngừng tác dụng lực F Dao động điều hòa lắc sau không lực F tác dụng có giá trị biên độ gần giá trị sau đây: A 9cm B 7cm C 5cm D.11cm π Giải : Ta có ω = 20 rad/s ; T = (s) 10 Khi có lực tác dụng vật dao động quanh 0/ cách khoảng: x0 = F/k = 5cm Khi t = 3T+T/3 vật vị trí x = A/2 = 2,5cm Vậy ngừng lực tác dụng vật dao động quanh nên có ly độ: x= + 2,5 = 7,5cm Lúc vật có vận tốc v= 50 cm/s 2 v v => Biên độ dao động vật lúc sau A ' = x +  ÷ = 7,52 +  ÷ = 3cm => Chọn A ω  ω  Nhận xét: Ở mấu chốt toán có giai đoạn - Giai đoạn Vật dao động quanh 0/ có lực F tác dụng với gốc 0/ cách π khoảng x0=F/k= 5cm thời gian t = (s) π - Giai đoạn Tìm thòi điểm t = (s) vật cách khoảng 7,5cm ngừng lực tác dụng vật dao động quanh Ví dụ Một lắc lò xo nằm ngang đầu cố định, đàu gắn vật nhỏ Lò xo có độ cứng k = 200N/m, vật có khối lượng 0,2 kg Vật đứng yên vị trí cân tác dụng vào vật lực có độ lớn 4N không đổi 0,5s Bỏ qua ma sát Khi ngừng tác dụng vật dao động với biên độ là: A 2cm B 2,5cm C 4cm D 3cm Giải : Ta có T = 2π m T = 0, 2( s) ⇒ t = 0,5( s ) = k Như ngừng lực tác dụng vị trí biên nên vật dao động quanh với: A = 2x0 = F = 4cm k Chọn A Nhận xét: - Giai đoạn (