SKKN: Nghiên cứu sự tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau bằng Nghịch lý

MỤC LỤC A Mở đầu …………………………………………………………………….1 Lý chọn đề tài……………………………………………………………….1 Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài………………………………………………….1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu…………………………………………… Giả thuyết khoa học…………………………………………………………….2 Đóng góp đề tài ……………………………………………………….2 B Nội dung ………………………………………………………………… Cơ sở lý luận……………………………………………………………………2 Cơ sở thực tiễn………………………………………………………………….3 Nội dung kết khảo nghiệm đề tài………………………………… 3.1 Nội dung……………………………………………………………… 3.2 Kết khảo nghiệm………………………………………………… 15 C Kết luận kiến nghị…………………………………………………….16 Kết luận……………………………………………………………………… 16 Kiến nghị………………………………………………………………………17 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 18 NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT CÓ KHỐI LƯỢNG RẤT KHÁC NHAU BẰNG “NGHỊCH LÝ” A Mở đầu Lý chọn đề tài Đổi toàn diện giáo dục đào tạo nhiệm vụ toàn Đảng tồn dân nịng cốt ngành giáo dục đào tạo Là giáo viên ý thức trách nhiệm việc thực nghị 29 Đảng Trong trình thực nhiệm vụ nhận thấy đổi phương pháp dạy học đổi cách thức tiếp cận vấn đề nhiệm vụ cấp thiết Quan điểm xuyên suốt phương pháp dạy học dạy học hoạt động, thông qua hoạt động người học Học sinh hoạt động tích cực, tự lực để chiếm lĩnh kiến thức, hình thành kỹ năng, phát triển lực sáng tạo, bồi dưỡng tình cảm, thái độ cho Vai trị giáo viên dạy học tổ chức, hướng dẫn học sinh thực tốt hoạt động học tập Với cách dạy học này, địi hỏi người giáo viên khơng ngừng học tập rèn luyện cơng phu để có kỹ thuật dạy học Trong dạy học Vật lý, tập công cụ quan trọng giúp cho việc ôn tập đào sâu, mở rộng kiến thức, dẫn dắt đến kiến thức Bài tập giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo, vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát Giải tập hình thức làm việc tự lực cao học sinh Qua tập giúp học sinh rèn luyện khả tư hiểu rõ chất Vật lý tốn Trong q trình giảng dạy, đặc biệt bồi dưỡng học sinh giỏi Khi giải tốn có tương tác vật có khối lượng khác – vật khối lượng nhỏ vật có khối lượng lớn, ta thường bỏ qua biến thiên lượng vật có khối lượng lớn Và bỏ qua thường lại hồn tồn đắn Tuy nhiên, cần hình dung cho rõ bỏ qua phép cịn khơng Để làm sáng tỏ vấn đề cho học sinh q trình dạy học, tơi mạnh dạn lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT CÓ KHỐI LƯỢNG RẤT KHÁC NHAU BẰNG “NGHỊCH LÝ” để nghiên cứu Qua đề tài với mong muốn giúp học sinh có hình thức tiếp cận vấn đề nghiên cứu có bất ngờ, qua phân tích cách xác tượng Vật lý xẩy toán tương tác vật, bồi dưỡng cho học sinh khả tư sáng tạo, truyền hứng thú cho em trình học tập Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài Mục tiêu đề tài giúp học sinh hiểu rõ chất Vật lý toán tương tác vật Nghiên cứu tương tác vật có khối lượng khác “nghịch lý” chương định luật bảo toàn Vật lý lớp 10 THPT Giả thuyết khoa học Đề xuất vấn đề dạng “nghịch lý” giải toán đơn giản để nghiên cứu tương tác vật có khối lượng khác nhằm mục đích kích thích tị mị tạo hứng thú học tập cho học sinh, đồng thời giảm cảm giác sợ hãi tiếp xúc với vấn đề khó Đối tượng phạm vi nghiên cứu Hoạt động học học sinh lớp 10 chương “Các định luật bảo tồn” Nghiên cứu hình thức giúp học sinh có cách tiếp cận vấn đề mới, đào sâu kiến thức “nghịch lý” Đóng góp đề tài Chứng minh tính khả thi việc nghiên cứu tương tác vật có khối lượng khác xuất “nghịch lý” việc tìm hiểu có “nghịch lý” giúp học sinh hiểu sâu hơn, hiểu chất Vật lý tương tác vật, từ tạo cho em niềm đam mê với môn học xa niềm đam mê nghiên cứu Vật lý B Nội dung Cơ sở lý luận 1.1 Động lượng, định luật bảo toàn động lượng r r 1.2 Động lượng: p  m.v : đại lượng véctơ đo tích khối lượng vận tốc vật 1.3 Định luật bảo tồn động lượng: Trong hệ kín tổng động lượng hệ không đổi 1.4 Định luật bảo tồn lượng: Trong hệ kín lượng hệ không đổi 1.5 Động năng: lượng vật có chuyển động Biểu thức Wd  mv 1.6 Thế trọng trường: Wt  mgz 1.7 Cơ vật chuyển động trọng trường: W mv  mgz 2 Cơ sở thực tiễn Trong trình dạy học chương “Các định luật bảo toàn” Học sinh vận dụng kiến thức vào toán tương tác vật mức độ đơn giản nắm bắt tượng Vật lý có liên quan Tuy nhiên, thường em vận dụng cách máy móc chủ yếu nhớ công thức mà chưa thực hiểu rõ chất Vật lý đó, gặp nhiều lúng túng giải vấn đề chưa gặp trước chất Vật lý đơn giản Trong q trình cơng tác đặc biệt thời gian trước triển khai đề tài điều tra đối tượng học sinh phân chia thành hai nhóm đối tượng Đội dự tuyển HSG tỉnh Học sinh Vật lý Kết thu tóm tắt sau: Đội dự tuyển HSG tỉnh % học sinh chưa hiểu rõ % học sinh hiểu rõ Năm học 2017-2018 chất 80% chất 20% (số lượng: hs) Năm học 2018-2019 95.7% 14.3% (số lượng: hs) Học sinh Vật lý % học sinh chưa hiểu rõ % học sinh hiểu rõ Năm học 2017-2018 chất 97.5% chất 2.5% (số lương: 40 hs) Năm học 2018-2019 97.7% 2.3% (số lượng: 45 hs) Nội dung kết khảo nghiệm đề tài 3.1 Nội dung Sau học xong chương định luật bảo toàn chương trình Vật lý lớp 10, học sinh trang bị kiến thức Để nâng cao kiến thức cho đối tượng học sinh tơi đề xuất tập q trình em tìm lời giải sẻ xuất “nghịch lý” Cụ thể vấn đề thể ví dụ sau: Ví dụ Một hịn đá có khối m rơi tự từ độ cao h xuống mặt đất Viết biểu thức định luật bảo toàn lượng trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm hệ gồm đá trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với thang máy chuyển động hướng xuống với r v vận tốc không đổi so với trái đất Lập luận giải sau: a Khi xét chuyển động đá hệ quy chiếu gắn với khối tâm hệ gồm đá trái đất - Cơ đá độ cao h là: w = mgh - Vào thời điểm đá chạm đất, tồn chuyển hết thành r mgh  mv v động nên ta có: (1) vận tốc đá trước chạm đất b Khảo sát chuyển động đá hệ quy chiếu gắn với thang máy r chuyển động hướng xuống với vận tốc v không đổi so với trái đất Trong hệ này, Mv trái đất có động ( M khối lượng trái đất), cịn hịn đá thời điểm ban đầu có động Tại thời điểm trước đá chạm mặt đất, động 0, cho tồn hệ, ta viết: Mv mv Mv   mgh  2 (2) So sánh (1) (2) hoá định luật bảo tồn lượng khơng nghiệm hệ quy chiếu gắn với thang máy, lại nghiệm hệ quy chiếu mà thang máy chuyển động với vận tốc không đổi Tức ta có “nghịch lí” lập luận giải nói r m v Ví dụ Một viên đạn có khối lượng bay với vận tốc đập vào sườn núi mắc đó, xác định độ biến thiên lượng viên đạn trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu trái đất đứng yên r u b Trong hệ quy chiếu gắn với ôtô chuyển động với vận tốc hướng với viên đạn r c Trong hệ quy chiếu gắn với ôtô chuyển động với vận tốc u ngược hướng với viên đạn Lập luận giải sau: a Áp dụng định luật bảo toàn lượng hệ quy chiếu trái đất đứng yên, ta tìm độ biến thiên lượng viên đạn: K1   mv mv  2 b Bây ta khảo sát chuyển động viên đạn hệ quy chiếu gắn với ôtô r chuyển động với vận tốc u hướng với viên đạn Khi độ biến thiên động bằng: r r r r mu m( v  u ) mv K    m v u 2 r u c Trong hệ quy chiếu gắn với ôtô chuyển động với vận tốc ngược hướng với viên đạn r r r r mu m( v  u ) mv K    m v u 2 Vậy phần động viên đạn đâu? Khi viên đạn bị hãm đột ngột, lượng nhiệt toả ra, nói cách khác, lượng viên đạn chuyển thành nhiệt: K  Q Và đo nhiệt toả (ví viên đạn rơi vào bình nhiệt lượng kế, chẳng hạn) Tuy nhiên, từ tính tốn nêu trên, ta suy rằng, tiến hành phép đo cho ba trường hợp nêu trên, nhận ba kết khác Q1 �Q2 �Q3 Tức lại xuất “nghịch lí” r v Ví dụ Một tơ A chuyển động với vận tốc trái đất Sau vận tốc tơ tăng hai lần, tính độ biến thiên động ô tô A trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu đứng yên trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với người ngồi ô tô B chuyển động chiều r vận tốc v ô tô A r c Trong hệ quy chiếu gắn với ô tô C chuyển động với vân tốc v ô tô A ngược chiều Lập luận giải sau: a Trong hệ quy chiếu đứng yên trái đất động tăng lượng: K1  m(2v) mv   mv 2 b Theo quan điểm người quan sát ô tô B chuyển động chiều r vận tốc v ô tô A, độ biến thiên động tơ A bằng: K  mv mv 0  2 c Đối với người qua sát ô tô C chuyển động với tốc độ tơ A ngược chiều, độ biến thiên động ô tô A bằng: K  m(3v) m(2v )   mv 2 Thoạt nhìn kết thu nhìn lạ lùng, lượng nhiên liệu tiêu thụ ô tô A không đổi, mà độ biến thiên hệ quy chiếu khác lại khác Liệu có mâu thuẫn với định luật bảo tồn lượng khơng? Đến xuất “nghịch lí” r v Ví dụ Một viên đạn có khối lượng m chuyển động với vận tốc rơi vào r sàn toa chở cát (xem bệ) chuyển động với vận tốc u bị găm vào Ta tìm nhiệt lượng toả trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu gắn với trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với toa xe Lập luận giải sau: a Trong hệ quy chiếu gắn với trái đất mv mu m Q1    (v  u ) 2 b Trong hệ quy chiếu gắn với toa xe: Q2  m (v  u ) 2 Lại xuất “nghịch lí”: Liệu với viên đạn mà hệ quy chiếu bị nóng mà hệ khơng? r u Ví dụ Một súng máy đặt máy bay chuyển động với vận tốc bắn theo hướng bay máy bay r a Giả sử hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc u , viên đạn có vận mv r tốc v Động mà viên đạn có lượng E khí thuốc súng cháy cung cấp: E mv 2 r r b Đối với hệ quy chiếu gắn với trái đất , vận tốc viên đạn v  u đó: E m(v  u ) mu  2 Vì E bất biến hệ quy chiếu nên từ điều nói suy ra: v  u  (v  u ) Hãy tìm sai lầm lập luận trình bày Cịn có nhiều tốn tương tự, “nghịch lí” xuất hệ vật khảo sát khơng phải kín, lập luận lại khơng tính điều Trong ví dụ nêu trên, hệ xét khơng bao gồm vật lớn trái đất Cịn ví dụ 1, phần b, bao gồm trái đất, biến thiên động lại coi Trong phần a ví dụ lượng trái đất nói chung không diện, nhiên học sinh nói rằng, chắn thứ viết Vậy rắc rối đâu? Tại chọn hệ quy chiếu lại nhận kết đúng, chọn hệ khác lại nhận “nghịch lí”? Phải chọn hệ quy chiếu để giải tốn cho bỏ qua vật có khối lượng lớn cách làm làm đơn giản q trình giải? Để trả lời câu hỏi đó, quay trở lại “Bài tốn nghịch lí” tiến hành lập luận cách “tuyệt đối chặt chẽ” Lời giải chặt chẻ ví dụ a Trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm hệ gồm đá trái đất, thời điểm ban đầu, trái đất đứng yên toàn lượng hệ đá Tới mv Mv  r , v thời điểm đá chạm mặt đất, lượng hệ r vận tốc mà hịn đá có tác dụng lực hấp dẫn trái đất u vận tốc mà trái đất có tác dụng lực hấp dẫn đá Chúng ta tìm vận tốc luật bảo tồn động lượng Ta có: r r r r mv m v M u 0� u  M Bây viết định luật bảo toàn lượng hệ r u từ định r �m v M� �M mv mgh   � 2 � � � m� �  mv � 1 � � � M� Biểu thức “tuyệt đối chặt chẽ” Tuy nhiên, rõ ràng tất toán thực (về rơi vật xuống mặt đất) ta có m