hứng thú của học sinh lớp 10 bằng việc chế tạo tên lửa nước và giải quyết bài toán liên quan đến chuyển động bằ

Chương các định luật bảo toàn cung cấp cho học sinh một phương phápmới để giải các bài tập vật lí để giải quyết các bài toán ở phần này thì việc nắmchắc và vận dụng tốt định luật bảo toà

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 32.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 3

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo

dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường 18

1 Lời mở đầu:

1.1 lí do chọn đề tài

Vật lí 10 có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành thế giới quan vềnhững hiện tượng vật lí Cơ học là phần chiếm thời lượng nhiều nhất trongchương trình này

Chương các định luật bảo toàn cung cấp cho học sinh một phương phápmới để giải các bài tập vật lí để giải quyết các bài toán ở phần này thì việc nắmchắc và vận dụng tốt định luật bảo toàn động lượng là rất cần thiết

Bài toán về tên lửa là bài toán có tính thức tế cao, ứng dụng định luật bảotoàn động lượng để giải quyết nhưng thời lượng của chương trình giành cho phần này là không nhiều vì vậy học sinh ít có cơ hội để hiểu sâu và thiếu hứng

thú khi học phần này

Chính vì thế tôi chọn đề tài “Rèn luyện kỹ năng giải bài tập và tăng cường sự hứng thú của học sinh lớp 10 bằng việc chế tạo tên lửa nước và giải quyết bài toán liên quan đến chuyển động bằng phản lực” Với đề tài này tôi

mong góp phần nâng cao chất lượng học tập môn vật lí, phát huy tính chủ động,

tư duy sáng tạo tăng sự hứng thú cho học sinh khi học vật lí 10

1.2 Mục đích nghiên cứu

Tăng sự hứng thú của học sinh khi tham gia chế tạo và phóng thử tên lửa

nước Tìm ra dấu hiệu nhận dạng bài toán, tạo được hệ thống bài tập

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Tên lửa nước, hệ thống bài tập về chuyển động bằng phản lực

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu cách chế tạo, hoạt động của tên lửa nước Tìm hiểu, thiết kế bàitập về tên lửa Thu thập thông tin qua thái độ hứng thú học tập bằng phiếu khảo sát, thu nhận kết quả bằng bài kiểm tra đánh giá thường xuyên

1.5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

Học sinh được tìm hiểu các chế tạo tên lửa nước và hoạt động của nó, phóng thử tên lửa nước

Đưa ra được hệ thống bài tập về tên lửa nước và hệ thống bài tập tự luyện có đáp án

Học sinh được tiếp cận với phương pháp mới, giải quyết nhanh được những bài toán mà lâu nay được coi là khó, vì vậy tạo được hứng thú học tập cho học sinh, từ đó nâng cao được chất lượng dạy và học

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

Qua thực tế giảng dạy học sinh 10 phần các định luật bảo toàn nói chung

và phần chuyển động của tên lửa nói riêng tôi thấy các em học sinh thường gặpcác khó khăn sau đây:

+ Lượng công thức cần nhớ là rất lớn và dễ bị lẫn kiến thức của phần nàyvới phần kia

+ Khả năng phân tích bài toán và phối hợp các kiến thức với nhau chưatốt

+ Kỹ năng phân loại các dạng toán và tìm mối liên hệ giữa các bài toánchưa tốt

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Khảo sát chất lượng của học sinh 10C7, 10C8, năm học 2018- 2019,10C1 năm học 2015-2016 của trường THPT Tĩnh Gia 3 cho thấy việc học tậpcác bài tập về chuyển động bằng phản lực là làm tốt nhưng chưa nhanh, vẫn cònmột bộ phận học sinh làm được nhưng kết quả không đúng và thường mất điểmnhững bài tập dạng này, nhất là học sinh lớp 10C7, 10C8

Từ những vấn đề trên tôi áp dụng sáng kiến vào thực tế giảng dạy vàbước đầu đã thu được kết quả tốt trong năm 2018-2019 vừa qua

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

Để thực hiện đề tài này tôi

Yêu cầu học sinh tìm hểu về tên lửa nước qua internet,

chia nhóm học sinh và cho các nhóm chế tạo tên lửa nước

Sử dụng tiết tự chọn để học sinh thi phóng tên lửa nước Sử

dụng các tiết ôn tập và tự chọn qua đó củng cố lí thuyết và

rèn luyện kỹ năng giải bài tập và phát huy khả năng tư duy

sáng tạo cho học sinh

Trong các tiết ôn tập và tự chọn tôi cho học sinh ôn tập kiến thức cơ bản ởnhà, còn tại lớp hướng dẫn phương pháp, làm các bài tập ví dụ, còn phần bài tậpvận dụng được giao về nhà để các em tự luyện

2.3.1 Cấu tạo và hoạt động của tên lửa nước

Tên lửa nước là một loại mô hình tên lửa sử dụng nhiên liệu là nước đểlàm lực đẩy Bộ phận chính để chế tạo loại tên lửa này thường là những chainước giải khát Khi tạo một áp suất lớn trong chai sẽ tạo một nên lực đẩy hướng

xuống mặt đất để phát sinh thêm một phản lực hướng lên trên, giúp tên lửanước bay lên khỏi mặt đất Lực này được hiểu là phản lực

Các hệ thống tên lửa nước thông thường

thường được chia làm 2 bộ phận chính:

Dàn tên lửa: là bộ phận phía dưới của hệ

thống, có tác dụng giữ phần thân tên lửa cố định,

truyền không khí từ máy bơm vào tên lửa và định

hướng tên lửa khi mới rời khỏi dàn phóng Bộ

phận dàn thường được làm bằng ống nước, để có

khả năng thông khí, và nhôm dùng để làm phần

định hướng

Hình1: Cấu tạo tên lửa nước [1]

Thân tên lửa: là bộ phận phía trên của hê thống, phần này sẽ bay lên khi

hệ thống được kích hoạt Thân tên lửa có thể làm từ nhiều loại vật liệu, Ở ViệtNam chủ yếu dùng chai nhựa Coca-Cola hoặc Pepsi có dung tích 1,5L

Nguyên lý hoạt động:

Tên lửa nước hoạt động theo nguyên tắc phản lực: không khí được bơmvào trong thân tên lửa làm gia tăng áp suất Khi tên lửa được phóng, do áp suấttrong thân tên lửa cao hơn bên ngoài nên không khí sẽ phun ra ngoài theo lỗhổng ở đuôi tên lửa (miệng chai) Tên lửa sẽ được đẩy về phía trước theo địnhluật bảo toàn động lượng: MV = mv

Trong đó:

M: Là khối lượng của tên lửa

V: vận tốc của tên lửa

m: khối lượng của khí và nước phun ra

v: vận tốc của khí và nước

Hình 2: Tên lửa nước và giá phóng [1]

Như vậy, nước được cho vào tên lửa nhằm tăng khối lượng và động lượngvật chất phun ra và sẽ làm tăng vận tốc của tên lửa Tuy nhiên, nếu cho quánhiều nước sẽ chiếm không gian trong tên lửa, làm giảm lượng khí có trong đó.Thực nghiệm cho thấy, lượng nước chiếm 1/3 thể tích chai làm tên lửa là tối ưu.Sau đó tạo áp suất trong chai bởi một chất khí, thường là không khí nén từbơm xe đạp

Nước và khí được nén bên trong quả tên lửa điều này tạo nên một dạngthế năng vì là bị nén và khi lực nén đó được giải phóng ra bên ngoài đẩy nước rakhỏi từ đuôi tên lửa nước tạo thành lực đẩy và đẩy tên lửa lên cao Áp suất saukhi được giải phóng ra ngoài thì kéo theo lượng nước phun ra từ đuôi tên lửanước với một tốc độ rất nhanh cho đến khi

lượng nước hết và áp suất bên trong tên

lửa nước bằng với áp suất khí quyển

Ngoài ra, tên lửa nước bay cao hoăc

bay thấp phụ thuộc vào các yêu tố cơ bản

như lượng nước, áp suất, thời tiết Các

loại tên lửa nước khác nhau thì độ bay cao

hoặc bay xa khác nhau Thông thường loại

tên lửa nước một tầng cơ bản khi bắn

trong thời tiết lặng gió, có chứa 1/3 lượng

nước Hình 3: Nhóm HS chuẩn bị phóng tên lửa

2.3.2 Phương pháp giải bài toán chuyển động bằng phản lực

Đây là những bài toán sử dụng đến định luật bảo toàn động lượng và tiêu biểu

là bài toán về chuyển động của tên lửa

* Định nghĩa: Chuyển động bằng phản lực là loại chuyển động mà do tươngtác bên trong giữa một phần của vật tách ra chuyển động về một hướng và phầncòn lại chuyển động về hướng ngược lại (súng giật khi bắn, tên lửa )

* Công thức về tên lửa

+ Gia tốc của tên lửa: a = - mu

M

+ Lực đẩy của động cơ tên lửa: F= - mu r r

+ Vận tốc tức thời của tên lửa: M 0

(M0 là khối lượng ban đầu của tên lửa, M là khối lượng tên lửa ở thời điểm t, m

là khí phụt ra trong thời gian t, u và v là vận tốc phụt của khí đối với tên lửa và vận tốc tức thời của tên lửa)

* Với chuyển động của tên lửa cần chú ý hai trường hợp sau:

vr

ur

+ Lượng nhiên liệu cháy phụt ra tức thời (hoặc các phần của tên lửa tách rờinhau): Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: mv = m v + m v r 0 1 1 r 2 2 r

+ Lượng nhiên liệu cháy và phụt ra liên tục:

Áp dụng các công thức về tên lửa: m

Dạng 1 Bài toán tính động lượng của một vật và của hệ vật.

* Ví dụ 1 Tìm tổng động lượng (hướng và độ lớn) của hệ hai vật có m1 = 1kg,

m2 = 2kg, và độ lớn vận tốc v1 = v2 = 2m/s Biết hai vật chuyển động theo các hướng:

2

p r1

p r

p r

p r

1

b) Hai vật chuyển động theo hướng vuông góc nhau

Vì vr1vuông góc với vr2 nên pr1vuông góc với pr2,

* Nhận xét: Đây là bài toán cơ bản, coi như một khởi động để học sinh nắm

được khái niệm, công thứ tính, đơn vị đo của động lượng

Dạng 2 Bài toán về chuyển động của súng và đạn.

*Ví dụ 2 Một khẩu súng có khối lượng 4 kg bắn ra viên đạn có khối lượng

20 g. Khi viên đạn ra khỏi nòng súng thì có vận tốc là 600 m/s. Khi đó súng bịgiật lùi với vận tốc V có độ lớn là bao nhiêu?

* Hướng dẫn giải:

Hệ súng và đạn trước và sau khi bắn là hệ kín

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có:

* Ví dụ 3 Khẩu đại bác có bánh xe, khối lượng tổng cộng là 7,5 tấn, nòng súng

hợp góc 60 0với phương nằm ngang Khi bắn 1 viên đạn khối lượng 20 kg thìsúng giật lùi theo phương ngang với vận tốc 1 m/s. Tính vận tốc của viên đạn lúcrời nòng súng Bỏ qua ma sát

* Hướng dẫn giải:

Chọn chiều dương là chiều giật lùi của súng

Do thời gian tương tác ngắn nên động lượng của hệ súng và đạn ngay trước vàsau khi bắn bảo toàn, ta có

Vì nòng súng hợp góc 600 với phương nằm ngang

v = 400 m/s so với súng Hãy xác định vận tốc của toa xe sau khi bắn khi toa xeđang chuyển động với vận tốc v = 18 km/h 1 theo chiều bắn đạn

* Hướng dẫn giải:

Do thời gian tương tác ngắn nên động lượng của hệ súng và đạn ngay trước vàsau khi bắn bảo toàn

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của đạn

Gọi V là vận tốc của toa xe sau khi bắn

Vậy toa xe chuyến động theo chiều bắn nhưng vận tốc giảm đi.

Dạng 3 Bài toán chuyển động trên thuyền.

* Ví dụ 5

Một chiếc thuyền dài 2 m khối lượng 140kg chở một người có khối lượng 60kg;

ban đầu tất cả đứng yên Thuyền đậu vuông góc với bờ sông Nếu người dịchchuyển từ đầu này đến đầu kia của thuyền thì thuyền dịch chuyển như thế nào?Một đoạn bằng bao nhiêu? Bỏ qua sức cản của nước

* Hướng dẫn giải:

Dễ thấy, để bảo toàn động lượng của hệ và thuyền ban đầu đứng yên, thì khingười chuyển động thuyền sẽ chuyển động ngược lại

Xét khi người đi trên thuyền theo hướng ra xa bờ

Gọi vận tốc của người so với thuyền là: v hay (v ) r uur12

+ Vận tốc của thuyền so với bờ là: V hay (v ) ur uuur23

+ Vận tốc của người so với bờ là: '

+ Chọn chiều dương trùng với vuur12. Do người và thuyền luôn chuyển độngngược chiều nhau nên:

* Ví dụ 6 Thuyền dài l = 4m, khối lượng M = 160kg, đậu trên mặt nước Hai

người khối lượng m1 = 50kg, m2 = 40kg đứng ở hai đầu thuyền Hỏi khi họ đổichỗ cho nhau (hai người chuyển động đều với cùng độ lớn vận tốc so với thuyềnnhưng theo hai hướng ngược nhau) thì thuyền dịch chuyển một đoạn bằng baonhiêu?

* Hướng dẫn giải:

Chọn hệ khảo sát: “Thuyền và hai người”

Hai người khởi hành cùng thời điểm và đến hai đầu thuyền cùng lúc, tức

là thời gian chuyển động bằng nhau

Gọi v0 là độ lớn vận tốc của mỗi người đối với thuyền; vr là vận tốc củathuyền (đối với bờ); vr1 và vr2 lần lượt là vận tốc của hai người đối với bờ

Chọn chiều dương theo chiều chuyển động của người thứ nhất Ta có

v1 = v0 + v; v2 = – v0 + v

Bỏ qua lực cản của nước, hệ là kín theo phương ngang

– Áp dụng định luật bảo toàn động lượng (theo phương ngang) ta được:

m1v1 + m2v2 + Mv = 0  m1(v0 +v) + m2(–v0 +v) + Mv = 0

v =

25 (1)Gọi t là khoảng thời gian chuyển động của mỗi người; s là quãng đườngthuyền đã đi được, ta có:

0 0

t = = v = v

* Hướng dẫn giải:

Chọn hệ khảo sát: “Thuyền và người”

Gọi u là độ lớn vận tốc của thuyền đối với mặt nước và t là thời gian chuyểnđộng (bay) của người trong không khí Theo bài toán ném xiên ta có:

0 1

m

u = v cosα m

1 0

m gl

2(m + m )sin2α

Dạng 3 Bài toán chuyển động của tên lửa.

* Ví dụ 8 Một tên lửa khối lượng vỏ 200g, khối lượng nhiên liệu 100g, bay

thẳng đứng lên nhờ nhiên liệu cháy phụt toàn bộ tức thời ra sau với vận tốc 400m/s Tìm độ cao mà tên lửa đạt tới, biết sức cản của không khí làm giảm độ caocủa tên lửa 5 lần

* Hướng dẫn giải:

Chọn hệ khảo sát: “Tên lửa (vỏ + nhiên liệu)” Trong quá trình phụt khí cháy thìnội lực lớn hơn rất nhiều so với ngoại lực nên hệ khảo sát là hệ kín trong suốtthời gian phụt khí

Gọi m1 và m2 lần lượt là khối lượng của vỏ tên lửa và nhiên liệu; v1 và v2

lần lượt là độ lớn vận tốc của vỏ và nhiên liệu ngay sau khi phụt khí cháy

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ (theo phương thẳng đứng), ta có:

1 1 2 2

m v + m v = 0r r r

 m1v1 – m2v2 = 0

Độ cao cực đại tên lửa đạt được do có lực cản của không khí:

h 2000 h' = = = 400m.

* Ví dụ 9

Một tên lửa khối lượng m = 500kg đang chuyển động với vận tốc 200m/s thìtách làm hai phần Phần bị tháo rời khối lượng 200kg sau đó chuyển động raphía sau với vận tốc 100m/s so với phần còn lại Tìm vận tốc mỗi phần

* Hướng dẫn giải:

Chọn hệ khảo sát: “Tên lửa” Trong quá trình tên lửa tách thành 2 phần thì nộilực rất lớn so với trọng lực nên hệ là kín theo phương ngang

Gọi m là khối lượng tổng cộng của tên lửa; m1 là khối lượng của phần tách ra;

v1 là vận tốc của phần tách ra đối với Trái Đất; v0 là vận tốc của phần tách ra đốivới phần còn lại; v là vận tốc của tên lửa trước khi tách; v2 là vận tốc của phầncòn lại sau khi tách

Vì các vận tốc là cùng phương nên ta có:

v = v + v (1)– Theo định luật bảo toàn động lượng, ta có:

b)V = 400 m/s 1 đối với tên lửa trước khi phụt khí.

c)V = 400 m/s 1 đối với tên lửa sau khi phụt khí.[2]

* Hướng dẫn giải:

Gọi Vurlà vận tốc của tên lửa sau khi phụt khí, V ur k

là vận tốc của khí phụt ra đốivới đất

b)V1 = 400 m/s đối với tên lửa trước khi phụt khí: V = V - V k 1 0

3 0

2.10 4.10 100 2.10 400 100 m+ m V + m V - V

* Ví dụ 11 Hai quả bóng khối lượng m1 =

50g, m2 = 75g ép sát vào nhau trên mặt phẳng

ngang Khi buông tay, quả bóng I lăn được

3,6m thì dừng Hỏi quả bóng II lăn được

quãng đường bao nhiêu? Biết hệ số ma sát lăn giữa bóng và mặt sàn là như nhaucho cả hai bóng.[1]

* Hướng dẫn giải:

Khi ép sát hai quả bóng vào nhau thì hai quả bóng bị biến dạng làm xuấthiện lực đàn hồi giữa chúng Sau khi buông tay thì hai quả bóng tương tác vớinhau bởi lực đàn hồi Sau thời gian (rất ngắn) tương tác thì chúng rời nhau vàthu vận tốc ban đầu lần lượt là vr1 và vr2

Hai quả bóng đặt trên mặt phẳng ngang nên trọng lực của chúng và phảnlực của mặt phẳng ngang cân bằng nhau, hệ hai quả bóng là kín trong quá trìnhtương tác với nhau

Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:

s1 s2

Sau khi buông tay, hai quả bóng chuyển động chậm dần đều theo hai hướngngược nhau dưới tác dụng của lực ma sát Gọi μ là hệ số ma sát lăn giữa bóng

Vậy: Sau khi buông tay quả bóng II lăn được quãng đường 1,6m

* Nhận xét: Đây được coi là một bài toán thú vị vừa áp dụng định luật bảo toàn

động lượng, vừa vận dụng kiến thức động học và động lực học để đưa ra kết quảcủa bài toán

* Ví dụ 12 Tại thời điểm ban đầu, một tên lửa có khối lượng M có vận tốc v0 Cho biết cứ sau mỗi giây có một khối lượng khí thoát ra khỏi tên lửa là m và vận tốc của khí thoát với vận tốc u so tên lửa Bỏ qua trọng lực, xác định vận tốc tên lửa sau n giây

* Hướng dẫn giải:

Gọi vk là vận tốc tên lửa sau giây thứ k Thì sau giây thứ k+1, lượng khí m thoát

ra khỏi tên lửa có động lượng là

m(- u + vk)

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng, ta có:

(M - km)vk =[ M - (k + 1)m]vk+1 + m( -u + vk)Biến thiên vận tốc của tên lửa sau một giây là

ĐS: V = - 2,67 m/s.

Câu 2 Một bệ pháo có khối lượng 1500 ,kg bắn một viên đạn có khối lượng

5 kg với vận tốc khi ra khỏi nòng là 600 m/s. Tính vận tốc giật lùi của bệ pháotrong hai trường hợp:

a) Đạn được bắn theo phương ngang

b) Đạn được bắn hướng lên hợp với phương ngang một góc bằng 60 0

ĐS: a Vp= 2 m/s, b Vp= 1 m/s

Câu 3 Một khẩu pháo có khối lượng m = 130 kg 1 được đặt trên một toa xe nằmtrên đường ray biết toa xe có khối lượng m = 20 kg 2 khi chưa nạp đạn Viên đạn

có khối lượng m3 = 1kg được bắn ra theo phương nằm ngang dọc theo đường ray

có vận tốc v0  400 /m s so với súng khi ra khỏi nòng Hãy xác định vận tốc của

toa xe sau khi bắn nếu toa xe đang chuyển động với vận tốc v = 18 km/h 1 theochiều ngược với đạn

ĐS: v = -7,76 m/s.

Câu 4 Một tên lửa khối lượng 70tấn đang bay với vận tốc 200 m/s đối với TráiĐất thì tức thời phụt ra lượng khí có khối lượng 5tấn với vận tốc 450 m/s đốivới tên lửa Xác định vận tốc tên lửa sau khi phụt khí ra đối với Trái Đất

ĐS: v’ = 234,61m/s.

Câu 5 Một con ếch có khối lượng m ngồi ở đầu một tấm ván có khối lượng M,

chiều dài L nổi trên mặt hồ Con ếch nhảy lên tạo với phương ngang một góc.

Hãy xác định vận tốc ban đầu của con ếch sao cho khi rơi xuống ếch rơi đúng