SKKN 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

MỤC LỤC Trang Lời mở đầu 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Những điểm SKKN Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp nhà trường 18 Kết luận, kiến nghị 19 3.1 Kết luận 19 3.2 Kiến nghị 19 1 Lời mở đầu: 1.1 lí chọn đề tài Vật lí 10 có vai trò quan trọng việc hình thành giới quan tượng vật lí Cơ học phần chiếm thời lượng nhiều chương trình Chương định luật bảo toàn cung cấp cho học sinh phương pháp để giải tập vật lí để giải tốn phần việc nắm vận dụng tốt định luật bảo toàn động lượng cần thiết Bài toán tên lửa tốn có tính thức tế cao, ứng dụng định luật bảo toàn động lượng để giải thời lượng chương trình giành cho phần khơng nhiều học sinh có hội để hiểu sâu thiếu hứng thú học phần Chính tơi chọn đề tài “Rèn luyện kỹ giải tập tăng cường hứng thú học sinh lớp 10 việc chế tạo tên lửa nước giải toán liên quan đến chuyển động phản lực” Với đề tài tơi mong góp phần nâng cao chất lượng học tập mơn vật lí, phát huy tính chủ động, tư sáng tạo tăng hứng thú cho học sinh học vật lí 10 1.2 Mục đích nghiên cứu Tăng hứng thú học sinh tham gia chế tạo phóng thử tên lửa nước Tìm dấu hiệu nhận dạng toán, tạo hệ thống tập 1.3 Đối tượng nghiên cứu Tên lửa nước, hệ thống tập chuyển động phản lực 1.4 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu cách chế tạo, hoạt động tên lửa nước Tìm hiểu, thiết kế tập tên lửa Thu thập thông tin qua thái độ hứng thú học tập phiếu khảo sát, thu nhận kết kiểm tra đánh giá thường xuyên 1.5 Những điểm sáng kiến kinh nghiệm Học sinh tìm hiểu chế tạo tên lửa nước hoạt động nó, phóng thử tên lửa nước Đưa hệ thống tập tên lửa nước hệ thống tập tự luyện có đáp án Học sinh tiếp cận với phương pháp mới, giải nhanh toán mà lâu coi khó, tạo hứng thú học tập cho học sinh, từ nâng cao chất lượng dạy học 2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Qua thực tế giảng dạy học sinh 10 phần định luật bảo tồn nói chung phần chuyển động tên lửa nói riêng tơi thấy em học sinh thường gặp khó khăn sau đây: + Lượng công thức cần nhớ lớn dễ bị lẫn kiến thức phần với phần + Khả phân tích tốn phối hợp kiến thức với chưa tốt + Kỹ phân loại dạng tốn tìm mối liên hệ toán chưa tốt 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Khảo sát chất lượng học sinh 10C7, 10C8, năm học 2018- 2019, 10C1 năm học 2015-2016 trường THPT Tĩnh Gia cho thấy việc học tập tập chuyển động phản lực làm tốt chưa nhanh, phận học sinh làm kết không thường điểm tập dạng này, học sinh lớp 10C7, 10C8 Từ vấn đề áp dụng sáng kiến vào thực tế giảng dạy bước đầu thu kết tốt năm 2018-2019 vừa qua 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề Để thực đề tài tơi u cầu học sinh tìm hểu tên lửa nước qua internet, chia nhóm học sinh cho nhóm chế tạo tên lửa nước Sử dụng tiết tự chọn để học sinh thi phóng tên lửa nước Sử dụng tiết ôn tập tự chọn qua củng cố lí thuyết rèn luyện kỹ giải tập phát huy khả tư sáng tạo cho học sinh Trong tiết ôn tập tự chọn cho học sinh ôn tập kiến thức nhà, lớp hướng dẫn phương pháp, làm tập ví dụ, phần tập vận dụng giao nhà để em tự luyện 2.3.1 Cấu tạo hoạt động tên lửa nước Tên lửa nước loại mơ hình tên lửa sử dụng nhiên liệu nước để làm lực đẩy Bộ phận để chế tạo loại tên lửa thường chai nước giải khát Khi tạo áp suất lớn chai tạo nên lực đẩy hướng xuống mặt đất để phát sinh thêm phản lực hướng lên trên, giúp tên lửa nước bay lên khỏi mặt đất Lực hiểu phản lực Các hệ thống tên lửa nước thông thường thường chia làm phận chính: Dàn tên lửa: phận phía hệ thống, có tác dụng giữ phần thân tên lửa cố định, truyền khơng khí từ máy bơm vào tên lửa định hướng tên lửa rời khỏi dàn phóng Bộ phận dàn thường làm ống nước, để có khả thơng khí, nhơm dùng để làm phần định hướng Hình1: Cấu tạo tên lửa nước [1] Thân tên lửa: phận phía thống, phần bay lên hệ thống kích hoạt Thân tên lửa làm từ nhiều loại vật liệu, Ở Việt Nam chủ yếu dùng chai nhựa Coca-Cola Pepsi có dung tích 1,5L Nguyên lý hoạt động: Tên lửa nước hoạt động theo ngun tắc phản lực: khơng khí bơm vào thân tên lửa làm gia tăng áp suất Khi tên lửa phóng, áp suất thân tên lửa cao bên ngồi nên khơng khí phun ngồi theo lỗ hổng tên lửa (miệng chai) Tên lửa đẩy phía trước theo định luật bảo toàn động lượng: MV = mv Trong đó: M: Là khối lượng tên lửa V: vận tốc tên lửa m: khối lượng khí nước phun v: vận tốc khí nước Hình 2: Tên lửa nước giá phóng [1] Như vậy, nước cho vào tên lửa nhằm tăng khối lượng động lượng vật chất phun làm tăng vận tốc tên lửa Tuy nhiên, cho nhiều nước chiếm không gian tên lửa, làm giảm lượng khí có Thực nghiệm cho thấy, lượng nước chiếm 1/3 thể tích chai làm tên lửa tối ưu Sau tạo áp suất chai chất khí, thường khơng khí nén từ bơm xe đạp Nước khí nén bên tên lửa điều tạo nên dạng bị nén lực nén giải phóng bên ngồi đẩy nước khỏi từ đuôi tên lửa nước tạo thành lực đẩy đẩy tên lửa lên cao Áp suất sau giải phóng ngồi kéo theo lượng nước phun từ đuôi tên lửa nước với tốc độ nhanh lượng nước hết áp suất bên tên lửa nước với áp suất khí Ngồi ra, tên lửa nước bay cao hoăc bay thấp phụ thuộc vào yêu tố lượng nước, áp suất, thời tiết Các loại tên lửa nước khác độ bay cao bay xa khác Thông thường loại tên lửa nước tầng bắn 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 toán chuyển động phản lực Đây toán sử dụng đến định luật bảo tồn động lượng tiêu biểu tốn chuyển động tên lửa * Định nghĩa: Chuyển động phản lực loại chuyển động mà tương tác bên phần vật tách chuyển động hướng phần lại chuyển động hướng ngược lại (súng giật bắn, tên lửa ) * Công thức tên lửa + Gia tốc tên lửa: r mr a=- u M + Lực đẩy động tên lửa: + Vận tốc tức thời tên lửa: r r F= - mu r v r u �M � v = uln � � �M � (M0 khối lượng ban đầu tên lửa, M khối lượng tên lửa thời điểm t, m khí thời gian t, u v vận tốc khí tên lửa vận tốc tức thời tên lửa) * Với chuyển động tên lửa cần ý hai trường hợp sau: + Lượng nhiên liệu cháy tức thời (hoặc phần tên lửa tách rời r r r nhau): Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: mv = m1v1 + m v , với m = m1 + m (m, v0 khối lượng vận tốc tên lửa trước nhiên liệu cháy; m 1, v1 khối lượng vận tốc nhiên liệu; m 2, v2 khối lượng vận tốc tên lửa sau nhiên liệu cháy) + Lượng nhiên liệu cháy liên tục: r m r; a=u M Áp dụng công thức tên lửa: r r; F = - mu �M � v = uln � � �M � 2.3.4 Ứng dụng phương pháp bảo toàn động lượng để giải số toán chuyển động phản lực Dạng Bài tốn tính động lượng vật hệ vật * Ví dụ Tìm tổng động lượng (hướng độ lớn) hệ hai vật có m1 = 1kg, m2 = 2kg, độ lớn vận tốc v1 = v2 = 2m/s Biết hai vật chuyển động theo hướng: a) ngược b) vuông góc c) hợp với góc 600 * Hướng dẫn giải: Chọn hệ khảo sát: Hai vật r r r Tổng động lượng hệ: p = p1 + p r r v1 , độ lớn: p1 = m1v1 = 1.2 = kg.m/s r r v2 , độ lớn: p2 = m2v2 = 2.2 = kg.m/s với: + p1 hướng với + p hướng với r p1  p1 < p2 a) Hai vật chuyển động theo hướng ngược r Vì v1 ngược hướng với r v2 nên r p1 ngược r hướng với r p2 mà tức hướng r p2 p1 < p2 nên: r p = p2 – p1 = – = kg.m/s p hướng p r v2 r p r p r p1 β α r p2 b) Hai vật chuyển động theo hướng vng góc Vì r v1 vng ta có: p = góc với p12  p22 r v2 = nên r p1 vuông 22  42 góc với r p2 , = 4,5 (kg.m/s) tanα  p1 p2  0,5  α = 26033’  β = 900 – α = 27027’ Vậy: r p có độ lớn p = 4,5 kg.m/s hợp với r r v2 , v1 góc 26033’ 27027’ c) Hai vật chuyển động theo hướng hợp với góc 600 Áp dụng định lí cosin ta có: p = p12 + p 22 + 2p1p 2cos600  r p1 p = 22 + 42 + 2.2.4.cos600 =5,3 kg.m/s Và cosα = p + p 22 - p12 5,32 + 42 - 22 = = 0,9455 2p.p 2.5,3.4 β r p α r p2  α = 190 � β = 600 - α = 410 r Vậy: p có độ lớn p = 5,3 kg.m/s hợp với r r v2 , v1 góc là190 410 * Nhận xét: Đây toán bản, coi khởi động để học sinh nắm khái niệm, công thứ tính, đơn vị đo động lượng Dạng Bài tốn chuyển động súng đạn *Ví dụ Một súng có khối lượng kg bắn viên đạn có khối lượng 20 g Khi viên đạn khỏi nòng súng có vận tốc 600 m/s Khi súng bị giật lùi với vận tốc V có độ lớn bao nhiêu? * Hướng dẫn giải: Hệ súng đạn trước sau bắn hệ kín Áp dụng định luật bảo tồn động lượng ta có: r ur r mv + MV = Chọn chiều dương theo chiều chuyển động súng, vận tốc giật lùi súng có độ lớn � V = v m 0,02 = 600 = m/s M * Ví dụ Khẩu đại bác có bánh xe, khối lượng tổng cộng 7,5 tấn, nòng súng hợp góc 600 với phương nằm ngang Khi bắn viên đạn khối lượng 20 kg súng giật lùi theo phương ngang với vận tốc m/s Tính vận tốc viên đạn lúc rời nòng súng Bỏ qua ma sát * Hướng dẫn giải: Chọn chiều dương chiều giật lùi súng Do thời gian tương tác ngắn nên động lượng hệ súng đạn trước sau bắn bảo r tồn, ur tar có mv + MV = ur V m � r =v M ur r MV �v =m Vì nòng súng hợp góc 600 với phương nằm ngang � v.cos = MV MV 7500.1 �v= = = 750 m/s m m.cos 20.cos600 * Ví dụ Một pháo có khối lượng m1 = 130 kg đặt toa xe nằm đường ray Biết toa xe có khối lượng m = 20 kg chưa nạp đạn Viên đạn bắn theo phương nằm ngang dọc theo đường ray, viên đạn có khối lượng m3 = kg Vận tốc đạn bắn khỏi nòng súng có vận tốc v = 400 m/s so với súng Hãy xác định vận tốc toa xe sau bắn toa xe chuyển động với vận tốc v1 = 18 km/h theo chiều bắn đạn * Hướng dẫn giải: Do thời gian tương tác ngắn nên động lượng hệ súng đạn trước sau bắn bảo toàn Chọn chiều dương chiều chuyển động đạn Gọi V vận tốc toa xe sau bắn Xét hệ súng + đạn + xe Động lượng hệ trước bắn p = (m1 + m2 + m3).v1 Động lượng hệ sau bắn p' = (m1 + m2).V + m3.(v0 + v1) Áp dụng định luật bảo tồn động lượng ta có: p' = p � (m1+m2).V + m3.(v0 + v1) = (m1 + m2 + m3).v1 �V=  m1 +m +m3  v1 - m3  v0  v1    130  20  1  1.(400  5)  �2,33 m/s 130  20 m1 +m Vậy toa xe chuyến động theo chiều bắn vận tốc giảm Dạng Bài tốn chuyển động thuyền * Ví dụ Một thuyền dài m khối lượng 140 kg chở người có khối lượng 60 kg; ban đầu tất đứng n Thuyền đậu vng góc với bờ sơng Nếu người dịch chuyển từ đầu đến đầu thuyền thuyền dịch chuyển nào? Một đoạn bao nhiêu? Bỏ qua sức cản nước * Hướng dẫn giải: Dễ thấy, để bảo toàn động lượng hệ thuyền ban đầu đứng yên, người chuyển động thuyền chuyển động ngược lại Xét người thuyền theo hướng rra xa bờ uur Gọi vận tốc người so với thuyền là: v hay (v12 ) ur uuu r V hay (v + Vận tốc thuyền so với bờ là: 23 ) ur uur + Vận tốc người so với bờ là: v' hay (v13 ) + Áp dụng cơng thức vận tốcurta có: uur uuur uuur ur ur v13 = v12 + v 23 � v ' = v + V (*) uur + Chọn chiều dương trùng với v12 Do người thuyền chuyển động ngược chiều nên: (*) � v' = v - V � v = v ' + V + Khi người hết chiều dài thuyền với vận tốc v thì: l l = ' v v +V l = v.t � t = Trong thời gian này, thuyền quãng đường so với bờ: l' = V.t =V l = v +V ' l v' 1+ V (1) - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: r ur r v' M m.v = M.V = � m.v ' - M.V = � = (2) V m Từ (1) (2) l' = l = = 0,6 m M 140 1+ 1+ m 60 * Ví dụ Thuyền dài l = 4m, khối lượng M = 160kg, đậu mặt nước Hai người khối lượng m1 = 50kg, m2 = 40kg đứng hai đầu thuyền Hỏi họ đổi chỗ cho (hai người chuyển động với độ lớn vận tốc so với thuyền theo hai hướng ngược nhau) thuyền dịch chuyển đoạn bao nhiêu? * Hướng dẫn giải: Chọn hệ khảo sát: “Thuyền hai người” Hai người khởi hành thời điểm đến hai đầu thuyền lúc, tức thời gian chuyển động Gọi v0 độ lớn vận tốc người thuyền; thuyền (đối với bờ); r v1 r v2 r v vận tốc vận tốc hai người bờ Chọn chiều dương theo chiều chuyển động người thứ Ta có v1 = v0 + v; v2 = – v0 + v Bỏ qua lực cản nước, hệ kín theo phương ngang – Áp dụng định luật bảo toàn động lượng (theo phương ngang) ta được: m1v1 + m2v2 + Mv =  m1(v0 + v) + m2(–v0 + v) + Mv = �v= (- m1 + m )v0 (- 50 + 40)v0 -v = =