Vấn đề đặt ra là: Làm thế nào để học sinh có những kỹ năng giải cácbài tập về động lực học chất điểm một cách lôgíc, chặt chẽ, đặc biệt là làm thế nào để qua việc rèn luyện kỹ năng giải
Trang 2BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN
A PHẦN MỞ ĐẦU
I Lời giới thiệu
Hiện nay, với bộ môn Vật lý, hình thức thi trắc nghiệm khách quan được ápdụng trong kì thi THPT Quốc gia cho lớp 12, còn với lớp 10 và lớp 11 thì tùy theotừng trường, có trường sử dụng hình thức kiểm tra tự luận, có trường sử dụng hìnhthức kiểm tra trắc nghiệm khách quan, cũng có trường sử dụng cả hai hình thức tùytheo từng chương, từng phần Tuy nhiên dù kiểm tra với hình thức gì đi nữa thìcũng cần phải nắm vững những kiến thức cơ bản một cách có hệ thống mới làm tốtđược các bài kiểm tra, bài thi
Bộ môn Vật lý được phân phối theo chương trình đồng tâm Lớp 10
và 11 học để chuẩn bị cho lớp 12, nên nhiệm vụ chính của Vật lý lớp 10 là tạo chohọc sinh kỹ năng học tập Vật lý theo đúng đặc trưng bộ môn Vật lý lớp 10 có vaitrò quan trọng nhất, có toàn bộ cách tiếp cận bộ môn Vật lý, cách vận dụng kiếnthức và phát triển tư duy Vật lý cho học sinh Trong nội dung môn Vật lý lớp 10,phần Động lực học chất điểm có tác dụng rất tốt, giúp học sinh phát triển tư duyVật lý Trong phần này thể hiện rất rõ các thao tác cơ bản của tư duy Vật lý là từtrực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, từ tư duy trừu tượng đến thực tiễnkhách quan, như:
- Phân tích hiện tượng và huy động các kiến thức có liên quan để đưa ra kết quả của từng nội dung được đề cập
- Sử dụng kiến thức toán học có liên quan như để thực hiện tính toán đơn giản hoặc suy luận tiếp trong các nội dung mà bài yêu cầu
- Sử dụng kiến thức thực tế để suy luận, để biện luận kết quả của bài toán (Xácnhận hay nêu điều kiện để bài toán có kết quả) Việc học tập phần này được tậptrung vào việc vận dụng kiến thức để giải các bài tập về động lực học chất điểm
Vấn đề đặt ra là: Làm thế nào để học sinh có những kỹ năng giải cácbài tập về động lực học chất điểm một cách lôgíc, chặt chẽ, đặc biệt là làm thế nào
để qua việc rèn luyện kỹ năng giải các bài tập động lực học chất điểm là một nộidung cụ thể có thể phát triển tư duy Vật lý, và cung cấp cho học sinh cách tư duycũng như cách học đặc trưng của bộ môn Vật lý ở cấp trung học phổ thông
Để giúp các em học sinh ôn tập một cách có hệ thống những kiến thức của chương
II - Vật lý lớp 10 – Ban cơ bản, đã giảm tải, tôi xin tóm tắt phần lí thuyết, tuyểnchọn một số bài tập tự luận theo từng dạng và tuyển chọn một số câu trắc nghiệmkhách quan theo từng phần ở trong sách giáo khoa, sách bài tập và một số sáchtham khảo Hy vọng tập tài liệu này sẽ giúp ích được một chút gì đó cho các quíđồng nghiệp trong quá trình giảng dạy (có thể dùng làm tài liệu để dạy tự chọn, dạyphụ đạo, bồi dưỡng HSG) và các em học sinh trong quá trình học tập, Các bài tập
tự luận trong mỗi dạng bài tập đều có phương pháp giải và hướng dẫn giải minhhọa theo từng bước, còn các câu trắc nghiệm khách quan thì chỉ có đáp án, không
có lời giải chi tiết
Trang 3Xuất phát từ những lí do trên, tôi chọn đề tài: “Phân loại và phương pháp giải bài
tập chương Động lực học chất điểm – Vật lý 10”
II Tên sáng kiến:
“Phân loại và phương pháp giải bài tập chương Động lực học chất điểm – Vật
lý 10”
III Tác giả sáng kiến:
- Họ và tên: Vũ Thị Thanh Hương
- Địa chỉ tác giả sáng kiến: Giáo viên trường THPT Nguyễn Thái Học
- Số điện thoại: 0915.466.128 Email: vhuongsp81@gmail.com
IV Chủ đầu tư: không
V Lĩnh vực áp dụng sáng kiến:
1) Đối tượng sử dụng đề tài:
+ Giáo viên dạy môn Vật lý lớp 10 tham khảo để hướng dẫn học sinh giải bài tập, đặc biệt là cách giải các bài tập điển hình sử dụng phương pháp Động lực học+ Học sinh học lớp 10 luyện tập để kiểm tra, thi môn Vật lý
2) Phạm vi áp dụng:
Phần Động lực học chất điểm chương trình Vật lý 10 – Ban Cơ bản
3) Phương pháp nghiên cứu:
Tập hợp các bài tập điển hình trong sách giáo khoa, trong sách bài tập, trong các kìthi khảo sát chất lượng, thi chuyên đề, thi học sinh giỏi (từ khi thay sách) và phânchúng thành các bài tập minh họa của những dạng bài tập cơ bản
Hệ thống các công thức, kiến thức liên quan và phương pháp giải cho từngdạng
Có bài tập ví dụ và giải minh họa để các em học sinh có thể nắm bắt, rèn luyện
kỹ năng giải bài tập
Các câu trắc nghiệm luyện tập là các câu hỏi nằm trong các đề thi khảo sáttrong những năm qua
VI Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử:
I/ Các khái niệm cơ bản:
1/ Chất điểm: là vật thể mà kích thước có thể bỏ qua khi nghiên cứu.
Các trường hợp mà vật có thể coi là chất điểm:
- Kích thước của vật rất nhỏ so với chiều dài quỹ đạo của vật và chỉ xác định vị trí của vật trên quỹ đạo
Trang 4- Vật rắn chuyển động tịnh tiến: Mọi điểm trên vật có quỹ đạo giống nhau nên chỉ cần xác định chuyển động của một điểm trên vật.
2/ Hệ quy chiếu: Là công cụ giúp nghiên cứu chuyển động của vật.
- Hệ quy chiếu gồm: Hệ tọa độ (thường dùng hệ tọa độ Đề các vuông góc) gắn với vật làm mốc và mốc thời gian, đồng hồ
- Có hai trường hợp sử dụng hệ quy chiếu:
+ Hệ quy chiếu quán tính: Trong Vật lý lớp 10 đó là hệ quy chiếu đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều so với mặt đất
+ Hệ quy chiếu phi quán tính: Trong Vật lý lớp 10 đó là hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động có gia tốc không đổi đối với mặt đất
3/ Lực:
- Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của vật này vào vật khác, kết quả là làm thay đổi chuyển động của vật hoặc làm cho vật bị biến dạng
- Lực có ba đặc trưng:
+ Điểm đặt: Là vị trí tác dụng của tương tác
+ Hướng của lực: Là hướng tác dụng của tương tác gồm phương và chiều
+ Độ lớn của lực: Là mức độ mạnh yếu của tương tác
- Biểu diễn lực: Bằng vectơ
+ Gốc vectơ biểu diễn điểm đặt của lực
+ Hướng của vectơ biểu diễn hướng của lực, đường thẳng mang vectơ lực là giá của lực
+ Chiểu dài vectơ biểu diễn độ lớn của lực theo tỷ lệ xích quy ước
4/ Tổng hợp và phân tích lực:
a/ Tổng hợp lực là thay thế nhiều lực tác dụng đồng thời vào một vật bằng một lực
có tác dụng giống hệt như tác dụng của toàn bộ những lực ấy
Lực thay thế gọi là hợp lực, các lực được thay thế gọi là lực thành phần
FF1 F2
- Quy tắc: Cộng vectơ
Trong Vật lý thường dùng quy tắc hình bình hành: Hợp lực của hai lực đồng quyđược biểu diễn bằng đường chéo (kẻ từ điểm đồng quy) của hình bình hành mà haicạnh là những vectơ biểu diễn hai lực thành phần
b/ Phân tích lực là thay thế một lực bằng hai hay nhiều lực tác dụng đồng thời vàgây hiệu quả giống hệt như lực ấy
- Đặc điểm của lực hấp dẫn giữa hai chất điểm
+ Điểm đặt: Ở chất điểm đang xét
+ Hướng: Phương: trùng đường thẳng nối hai chất
điểm Chiều: biểu diễn lực hút
Trang 5Chiều từ trên xuống.
+ Độ lớn: P = mg g: gia tốc rơi tự do (gia tốc trọng trường)
b/ Lực đàn hồi: Là lực xuất hiện ở vật khi vật đàn hồi bị biến dạng
- Lực đàn hồi của lò xo đồng đều bị kéo hoặc bị nén:
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực đàn hồi
+ Hướng: Ngược với hướng của biến dạng (hướng biến dạng là hướng chuyển động tương đối của đầu ấy so với đầu kia)
+Độ lớn: Fđh = k ll = l – l0: độ biến dạng của lò xo
- Lực căng của dây:
Đặc điểm:
+Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực căng dây
+Hướng: Phương trùng với dây
- Lực đàn hồi của một mặt bị ép
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực đàn hồi
+ Hướng: Phương vuông góc với bề mặt vật
Chiều ngược với chiều của áp lực gây ra lực đàn hồi đó
c/ Lực ma sát: Là lực xuất hiện khi một vật chuyển động hoặc có xu hướng chuyểnđộng trên mặt một vật
khác Có ba trường hợp:
- Lực ma sát trượt: xuất hiện khi ở mặt tiếp xúc khi một vật trượt trên mặt vật khác Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực ma sát
+ Hướng: Phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
Chiều: ngược chiều chuyển động tương đối của vật ấy so với vật kia.+ Độ lớn: Fms = t.N t: hệ số ma sát trượt
- Lực ma sát lăn: xuất hiện khi một vật lăn trên mặt vật khác
Đặc điểm:
+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực ma sát
+ Hướng: Phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
Chiều: ngược chiều chuyển động tương đối của vật ấy so với vật kia.+ Độ lớn: Fms = l.N l: hệ số ma sát lăn
Chú ý: Hệ số ma sát lăn l nhỏ hơn hệ số ma sát trượt t hàng chục lần
- Lực ma sát nghỉ: xuất hiện khi một vật có xu hướng chuyển động trên mặt vậtkhác Lực ma sát nghỉ xuất hiện để cân bằng với các ngoại lực khác tác dụng vàovật
Đặc điểm:
Trang 6+ Điểm đặt: Ở vật nhận tác dụng của lực ma sát.
+ Hướng: Phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
Chiều: ngược chiều với xu hướng chuyển động tương đối của vật ấy so với vật kia
+ Độ lớn: Cân bằng với các ngoại lực khác tác dụng lên vật Bằng độ lớn hợp lực của các ngoại lực khác tác dụng lên vật
Độ lớn của lực có giá trị cực đại Fmscđ = n.N n : Hệ số ma sát nghỉ
+ Hướng: Ngược hướng với gia tốc của hệ quy chiếu
+ Độ lớn: Fqt = ma với a là độ lớn gia tốc của hệ quy chiếu quán tính so với mặt đất
II/ Các định luật Niu Tơn
1/ Định luật I Niu - Tơn:
Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của những lực cân bằng nhau thì vật sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều
2/ Định luật II Niu - Tơn:
Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng đã gây ra nó, có độ lớn tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật
a m F hay F ma
3/ Định luật III Niu – Tơn:
Nếu vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực, hai lực này là trực đối Nghĩa là cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều
PHẦN II PHÂN LOẠI BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
I/ Phương pháp giải bài tập Vật lý: 4 bước
Bước 1: Tóm tắt đầu bài, đổi đơn vị, vẽ hình (nếu có)
Bước 2: Phân tích đề bài tìm cách giải
Bước 3: Thực hiện giải
Bước 4: Biện luận và đáp số
II/ Phương pháp giải bài tập phần Động lực học chất điểm.
Đối với các bài tập về phần động lực học đã có một phương pháp chung:
Bước 1: Chọn hệ quy chiếu
Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng lên vật
Bước 3: Viết biểu thức định luật II Niu-Tơn
Bước 4: Chuyển biểu thức vectơ thành biểu thức đại số và tính đại lượng yêu cầu Việc chọn hệ quy chiếu thực hiện sao cho bài toán giải được thuận lợi nhất Đồng thời cũng quyết định đến các lực tác dụng vào vật và quỹ đạo của vật, do chọn hệ quy chiếu là quán tính hay là phi quán tính
III/Các bài tập về động lực học chất điểm
Trang 7Bước 1: Chọn hệ quy chiếu.
Bước 2: Biểu diễn các lực tác dụng lên vật
Bước 3: Viết biểu thức định luật II Niu-Tơn
Bước 4: Chuyển biểu thức vectơ thành biểu thức đại số và tính đại lượng yêu cầu Việc giải các bài tập Vật lý đó là tư duy hiện tượng nên phải xuất phát từ phân tích hiện tượng của bài đề cập tới Phương pháp giải nêu ra như trên được hiểu như thứ
tự các thao tác cần thực hiện để giải các bài toán cụ thể
1/ Vận dụng phương pháp giải trên vào một vật chuyển động thẳng:
Ví dụ 1: Một vật có khối lượng m = 4kg đang đứng yên trên mặt phẳng ngang
được kéo chuyển động bởi một lực F có độ lớn không đổi là 6N Hệ số ma sát trượtgiữa vật và mặt phẳng ngang là = 0,1, lấy g = 10 m/s2 Hãy tính quãng đường màvật đi được trong 5s trong hai trường hợp:
a/ Lực F có phương ngang
b/ Lực F hợp với phương ngang lên phía trên một góc là với sin = 0,6
Giải
Hệ quy chiếu: Tọa độ Oxy:
Ox: phương ngang, chiều cùng chiều chuyển động của vật
Oy: phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên
Mốc thời gian t = 0 lúc vật bắt đầu chuyển động
Trang 8–0,1.(4.10 - 6.0,6) a = 0,29 (m/s2)
Vật chuyển động thẳng nhanh dần đều
Áp dụng công thức: s = v0.t + 0,5.a.t2
s = 0,5.0,29.25 = 3,625(m)
2/ Chuyển động của vật bị ném
Bước 1: Chọn hệ quy chiếu (tọa độ Oxy)
Bước 2: Xác định gia tốc của vật
Bước 3: Khảo sát từng chuyển động thành phần của vật theo các trục tọa độ
Bước 4: Phối hợp các chuyển động thành phần tìm chuyển động của vật
Trang 9Ví dụ 2: Một vật coi là chất điểm được ném ngang với vận tốc ban đầu là v0 từ
một điểm có độ cao là h0 Bỏ qua sức cản không khí, gia tốc trọng trường là g Hãyxác định:
a/ Quỹ đạo của vật
b/ Tầm bay xa của vật
c/ Vận tốc của vật ở độ cao h (với 0 h h0) và khi chạm
đất Giải
v0 xO
aP
ySau khi bị ném vật chỉ
chịu tác dụng của trọng lực P
Gia tốc của vật: a m P g
Hệ quy chiếu: Tọa độ Oxy:
Ox: phương ngang, cùng chiều với vận tốc ban đầu v0
Oy: phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống
Gốc tọa độ O: tại vị trí ném vật
Mốc thời gian: t = 0: lúc ném vật
Theo phương Ox: gia tốc của vật là ax = 0 vật chuyển động đều
Tọa độ ban đầu: x 0 = 0
Vận tốc của vật: v x = v 0
Phương trình chuyển động: x = x0 + vx.t x = x0 + v0.t
x = v0.t (1)
Theo phương Oy: Gia tốc của vật là ay = a vật chuyển động biến đổi đều
Tọa độ ban đầu: y0 = 0; vận tốc ban đầu v0y = 0
Phương trình chuyển động: y y0 v0y t 1 a y t 2
21
Trang 10Thay vào (2): y a.x 2 (4)
2.v0 2
a, v0 không đổi nên quỹ đạo của vật là một phần của
parabol b/ Tầm bay xa của vật
Khi vật chạm đất ta có: y = h0
Thời gian bay của vật: t 2h 0
aTầm bay xa: L v t v 2h 0
c/ Vận tốc của vật ở độ cao h (với 0 h h0) và khi chạm đất
Khi vật ở độ cao h ta có y = h h 1 a.t 2 t 2h
Ví dụ 3: Một vật coi là chất điểm được ném với vận tốc ban đầu là v0 = 25m/s theo
phương hợp với phương ngang lên phía trên một góc từ một điểm có độ cao h0 =60m Bỏ qua sức cản của không khí, lấy g = 10m/s2, sin = 0,8
a/ Quỹ đạo của vật
b/ Tầm bay xa, tầm bay cao của vật
c/ Vận tốc của vật ở độ cao h = 35m và khi chạm
đất Giải
Sau khi bị ném vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực P
Gia tốc của vật: a m P g
Hệ quy chiếu: Tọa độ Oxy:
Ox: phương ngang, chiều từ trái sang phải như hình vẽ
Oy: phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên
Gốc tọa độ O: tại vị trí ném vật
Mốc thời gian: t = 0: lúc ném vật
Theo phương Ox: gia tốc của vật là ax = 0 vật chuyển động đều
Tọa độ ban đầu: x 0 = 0
Vận tốc của vật: vx = v0cos = 25.0,6 = 15(m/s)
Phương trình chuyển động: x = x0 + vx.t x = x0 + (v0cos).t
x = (v0cos).t = 15.t (1)
Trang 11Theo phương Oy: Gia tốc của vật là ay = - a = - 10m/s2 vật chuyển động biến đổiđều.
Tọa độ ban đầu: y0 = 0; vận tốc ban đầu v0y = v0sin = 25.0,8 = 20(m/s)
Phương trình chuyển động: y y0 v0y t 1 a y t 2
21
Pa/ Quỹ đạo của vật:
Từ (1): t x x
v0 cos 15
a.x 2 4.x x 2Thay vào (2): y x tan
a, v0 không đổi nên quỹ đạo của vật là một phần của
parabol b/ Tầm bay xa của vật
Trang 123/ Vật chuyển động tròn.
Các thao tác giải vẫn được giữ như trên, tuy nhiên cần được vận dụng một cáchlinh hoạt hơn vì trong chuyển động tròn lực tác dụng vào vật, gia tốc của vật tại cácđiểm khác nhau ít nhất về hướng Nên việc chọn hệ quy chiếu được tiến hànhthành hai việc:
+ Chọn loại hệ quy chiếu trước khi xác định các lực tác dụng lên vật
+ Chọn phương chiếu của tọa độ sau khi viết biểu thức định luật II Niu-Tơn cho trường hợp ta xét
Gia tốc của vật chuyển động tròn có hai thành phần: Gia tốc tiếp tuyến và gia tốchướng tâm Khi chiếu lên phương vuông góc với quỹ đạo thì được thành phần giatốc hướng tâm
Ví dụ 4: Một vật coi là chất điểm được đặt trên một mặt bàn xoay nằm ngang, có
thể quay được quanh một trục thẳng đứng Vật cách trục quay một khoảng R =20cm Hệ số ma sát nghỉ giữa vật và mặt bàn là = 0,4 Lấy g = 10m/s2 Hỏi bànphải quay với tốc độ góc là bao nhiêu thì vật bị văng ra ngoài
Chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất
Khi vật chưa bị văng Vật chuyển động tròn:
Để vật văng ra ngoài thì: 10 2 rad / s
Trang 13Ví dụ 5: Một ôtô có khối lượng 2 tấn đang chuyển động trên đường ngang thì đi
đều qua một cầu cong vồng lên với tốc độ 72km/h Cầu được coi là một cung tròn
có bán kính là 300m Lấy g = 10m/s2 Hãy tính áp lực của ô tô lên cầu tại:
a/ Vị trí cao nhất của cầu.b/ Vị trí đường thẳng N
nối ô tô với tâm cầu hợp với phương thẳng
Gải
Chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất (hệ quy P
chiếu quán tính) thì ô tô chuyển động tròn đều
Gia tốc của ô tô là gia tốc hướng tâm
Các lực tác dụng vào vật:
Trọng lực: P Phản áp lực: N
Áp dụng định luật II Niu-Tơn: P + N = m a ht
a/ Tại vị trí cao nhất của cầu: Ta có hình vẽ:
Chiếu lên phương thẳng đứng chiều từ trên xuống:
Vậy áp lực mà ô tô tác dụng xuống mặt cầu là 1800N
b/ Tại vị trí đường thẳng nối ô tô với tâm cầu hợp với phương thẳng đứng một góc
Bước 1: Chọn hệ quy chiếu cho từng vật
Bước 2: Viết biểu thức định luật II Niu-Tơn cho từng vật
Bước 3: Tìm liên hệ giữa các lực và các gia tốc
Bước 4: Tính đại lượng yêu cầu
Ví dụ 6: Cho hệ vật như hình vẽ:
Biết m 1 = 4kg Bỏ qua khối lượng của các ròng rọc, của dây, mọi ma sát, dâykhông dãn Lấy g = 10m/s2 Ban đầu các vật đứng yên Hãy tính gia tốc của m1 vàchỉ rõ chiều chuyển động của nó khi:
a/ m2 = 1kg
a/ m2 = 2kg
Trang 1413
Trang 15Hệ quy chiếu: Tọa độ Ox phương thẳng đứng,
chiều từ dưới lên
Bỏ qua khối lượng của ròng rọc, của dây và ma