Xây dựng và hướng dẫn giải bài tập chương các định luật bảo toàn vật lí 10 với sự hỗ trợ của phần mềm mathematica

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN THỊ HOÀNG MƠ XÂY DỰNG VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG “ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ”- VẬT LÍ 10 VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATHEMATICA LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN THỊ HOÀNG MƠ XÂY DỰNG VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG “ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN” - VẬT LÍ 10 VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATHEMATICA LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC (BỘ MÔN VẬT LÝ) Mã số: 60 14 01 11 Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Tôn Tích Ái HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn kết trình học tập nghiên cứu Đại học Giáo dục – ĐHQG Hà Nội Với tình cảm chân thành, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy, Cô trường Đại học Giáo dục – ĐHQG Hà Nội quan tâm, giúp đỡ trình học tập thực đề tài Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo GS.TS TơnTích Ái Mặc dù bận nhiều công việc, thầy quan tâm, khích lệ, để em có cách làm việc khoa học , hiệu hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo tổ vật lí trường THPT Lý Tử Tấn, cảm ơn bạn học viên thạc sĩ Lý luận phương pháp dạy học Vật lý, em học sinh, người thân gia đình bạn bè tạo điều kiện thuận lợi, động viên thực đề tài Đặc biệt, em gửi tình cảm lời cám ơn đến anh Vương Minh bên động viên hai mẹ hoàn thành luận văn Cuối cùng, dù tâm huyết cố gắng xong luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót Kính mong dẫn nhà khoa học bạn đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học Viên Nguyễn Thị Hoàng Mơ i DANH MỤC VIẾT TẮT ĐC Đối chứng GV Giáo viên HS Học sinh TN Thực nghiệm TNSP Thực nghiệm sư phạm THPT Trung học phổ thông CNTT Cơng nghệ thơng tin BTVL Bài tập Vật lí THPT Trung học phổ thông TBDH Thiết bi dạy học PTDH Phương tiện dạy học ii MỤC LỤC Lời cảm ơn ……… ……………….………………………………………… i Danh mục viết tắt…… ………….…………………………………………… ii Mục lục…………… ……… ……………………………………………… iii Danh mục bảng…… …………………………………………………… vi Danh mục hình … ………………………………………………… .vii MỞ ĐẦU Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Quan điểm đại dạy học 1.1.1 Bản chất trình dạy học 1.1.2 Các nhiệm vụ trình dạy học 1.1.3 Phương pháp dạy học 1.2 Cơ sở lí luận dạy giải tập vật lý phổ thông 1.2.1 Khái niệm tập vật lý 1.2.2 Tác dụng tập vật lý dạy học vật lý 1.2.3 Phân loại tập vật lí 1.2.4 Lựa chọn tập vật lí 12 1.2.5 Hướng dẫn hoạt động giải tập vật lí 13 1.2.6 Những yêu cầu chung dạy học tập vật lí 16 1.3 Vai trị, ý nghĩa Cơng nghệ thơng tin dạy học 17 1.3.1 Dạy học theo quan điểm CNTT 17 1.3.2 CNTT với vai trò PTDH, TBDH 18 1.4 Vài nét Mathematica 18 1.4.1 Mathematica hệ thống thực phép tính 18 1.4.2 Vẽ đồ thị 19 1.4.3 Mathematica ngôn ngữ lập trình 20 1.4.4 Mathematica hệ thống biểu diễn kiến thức toán học 21 1.4.5 Mathematica mơi trường tính tốn 21 1.4.6 Các lệnh Mathematica 22 1.4.7 Các lệnh Mathematica tính tốn số 22 iii 1.4.8 Đồ họa Mathematica 25 Kết luận chương 33 Chương 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP VÀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC VỚI HỆ THỐNG BÀI TẬP CÓ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATHEMATICA VÀO CHƯƠNG “ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” SGK VẬT LÍ 10 THPT 34 2.1 Phân tích nội dung khoa học kiến thức chương “ Các định luật bảo toàn” lớp 10 THPT 34 2.1.1 Động lượng 34 2.1.2 Công công suất 36 2.1.3 Động 37 2.1.4 Trường lực 39 2.1.5 Thế 40 2.1.6 Định luật bảo toàn trường lực 40 2.2 Cấu trúc nội dung chương “Các định luật bảo toàn” chương trình vật lý 10 41 2.2.1 Vị trí chương “Các định luật bảo tồn chương trình vật lý phổ thông 41 2.2.2 Cấu trúc nội dung chương “Các định luật bảo tồn” chương trình vật lý 10 42 2.2.3 Nội dung kiến thức chương “Các định luật bảo toàn” vật lý 10 44 2.3 Mục tiêu dạy học chương “ Các định luật bảo toàn” 48 2.3.1 Mục tiêu kiến thức trình độ nhận thức 48 2.3.2 Kỹ học sinh học chương “Các định luật bảo toàn” 52 2.4 Phân loại tập vật lý chương “Các định luật bảo toàn” 53 2.5 Xây dựng hệ thống tập chương “ Các định luật bảo toàn” 54 2.5.1 Nguyên tắc xây dựng hệ thống tập 54 2.5.2 Hệ thống tập chương “Các định luật bảo toàn” vật lý 10 55 2.6 Dự kiến sử dụng hệ thống tập soạn thảo dạy học chương “Các định luật bảo toàn” vật lý 10 62 2.7 Lựa chọn số tập chương “Các định luật bảo tồn” có sử dụng phần mềm Mathematica 62 iv 2.8 Giáo viên sử dụng phần mềm Mathematica để hướng dẫn học sinh giải tập chương “ Các định luật bảo toàn” 63 2.8.1 Phương pháp chung 63 2.8.2 Hướng dẫn học sinh 63 Kết luận chương 82 Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 83 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 83 3.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 83 3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 83 3.4 Thời điểm thực nghiệm sư phạm 84 3.5 Phân tích kết thực nghiệm sư phạm 84 3.5.1 Tiêu chí để đánh giá 84 3.5.2 Diễn biến thực nghiệm sư phạm 84 3.5.3 Sơ đánh giá hiệu tiến trình dạy học soạn thảo 85 3.5.4 Kiểm tra, đánh giá chất lượng kiến thức học sinh 86 Kết luận chương 91 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 96 v DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 : Kết kiểm tra 30 phút 87 Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng xử lý sau tiến hành TNSP nhóm TN nhóm ĐC 88 Bảng 3.3: Giá trị tham số trung bình cộng ( X ), phương sai (S ), độ lệch chuẩn (S), hệ số biến thiên (V) 88 Bảng 3.4: Bảng phân phối tần suất (Wi) 88 Bảng 3.5: Bảng phân phối tần số tích lũy ( i vi ) 89 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ mơ tả đặc điểm phương pháp dạy học Hình 1.2 Sơ đồ phân loại tập vật lí Hình 1.3: Đồ thị hàm Cos(xy) dạng 3D 20 Hình 1.4: Đồ thị hàm 1+sin(2t) hệ tọa độ cực 20 Hình 1.5: Đồ thị hàm số f(x)= 4x^3+6x^2-9x+2 25 Hình 1.6: Đồ thị hàm f(x), g(x), h(x) 27 Hình 1.7 : Đồ thị hàm y(x) với x= sint ; y=sin2t 28 2 Hình 1.8 Đồ thị hàm hai biến ba chiều f(x,y) = x /4 +y /16 đoạn [-5,5] 28 Hình 1.9 : Đồ thị tham số : x=cost, y=sint, z=t/5 khoảng biến thiên t từ : 0, 8Pi 29 Hình 1.10 : Đồ thị tham số x=tcos2t, y=tsin2t, z=t/5 khoảng biến thiên t từ : 0, 8Pi 29 Hình 1.11: Đồ thị động sóng hình Sin 31 Hình 1.12: Đồ thị đường xoắn ốc động 31 Hình 2.1 Vectơ động lượng pp 34 Hình 2.2 Hình vẽ hệ kín gồm chất điểm 35 Hình 2.3 Chất điểm khối lượng m chịu tác dụng lực F chuyển dời từ vị trí sang vị trí 37 Hình 2.4 Chất điểm chuyển động từ vị trí M đến vị trí N 39 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Các định luật bảo toàn” 45 Hình 2.6 Sơ đồ phân loại tập chương “Các định luật bảo toàn” vật lý 53 Hình 2.7 Hình cho 14 58 Hình 2.8 Hình cho 15 58 Hình 2.9 Hình cho 16 59 Hình 2.10 Mơ cho tập 65 Hình 2.11 Mơ cho tập 2ª 67 Hình 2.12 Mơ cho tập 2b 68 Hình 2.13 Mơ cho tập 2c 69 Hình 2.14 Mơ cho tập 71 Hình 2.15 Mơ cho tập 15 74 vii Hình 2.16 Hình cho lời giải 16 74 Hình 2.17 Mô cho 16 75 Hình 2.18 Hình cho lời giải 17 76 Hình 2.19 Mô cho 17 78 Hình 2.20 Mô cho 20 81 Hình 3.1 Đồ thị đường phân bổ tần suất 89 Hình 3.2 Đồ thị đường phân bố tần suất tích lũy viii i % 90 Sự thay đổi động vật là: A.0J Câu 7: Một viên bi khối lượng 100g lăn vịng xiếc ( hình) với vận tốc ban đầu Lấy g = 9,8 m/s2 Thế bi A so với mặt nằm ng A 0J Động vật A: A 0J Động vật B: A 0J Động vật C ( điểm cao nhấ A.0J Vận tốc vật C: A 0m/s m/s C D 39,2JD=2 m D 39,2J B D 39,2J D 39,2J D 19,6 98 PHỤ LỤC BÀI GIẢI TÓM TẮT VÀ ĐÁP SỐ CÁC BÀI TẬP KHƠNG HƯỚNG DẪN GIẢI I BÀI GIẢI TĨM TẮT CÁC BÀI TẬP TỰ LUẬN KHÔNG HƯỚNG DẪN GIẢI Bài 3: Áp dụng định luật bảo tồn động lượng, ta có: p m1 + => p Thay số vào ta được: v = Coi người xe hệ kín, chọn chiều dương chiều chuyển động xe ban đầu m p => = người xe chuyển động chiều a Khi p => v= b Khi người xe => v= Bài 5: Bỏ qua lực ma sát, lực cản… hệ (súng + đạn) coi hệ lập Vì vậy, động lượng hệ trước sau bắn bảo toàn Ban đầu hệ đứng yên, tổng động lượng hệ khơng: p Khi đạn có khối lượng m bắn với vận tốc v động với vận tốc V , tổng động lượng hệ bằng: p' mv MV Theo định luật bảo toàn động lượng: mv MV V M Vậy súng chuyển động với vận tốc V ngược với chiều đạn bay Bài6 : 99 Vận tốc thuyền V phụ thuộc vào vận tốc nước v theo công thức: m V M Bài : Vận tốc chuyển động tên lửa sau khí V phụ thuộc vào vận tốc khí v theo cơng thức: V M ngược với chiều chuyển động khí Bài 8: p O t p Bài 9: Công lực thùng trượt là: AF = F.s cos α o = 150 15 cos 45 = 1125.√2 (J) Công trọng lực : AP=0(J) Bài 10: Thời gian rơi vật 45 2h t g Quãng đường vật rơi sau t = 1.2s s gt 2 10.1.22 7.2m Công trọng lực thực khoảng thời gian t = 1.2s A = P.s = m.g.s = 2.10.7.2 = 144J Cơng suất trung bình trọng lực thời gian 1.2s tb A t = 144 120W 1.2 Công suất tức thời trọng lực thời điểm t = 1.2s v 100 tt Pv mg 2t 2.100.1,2 240W Bài 11: Người ta dùng khái niệm công suất để biểu thị tốc độ thực công vật (người, máy…) Nói cách khác cơng suất đại lượng đặc trưng cho khả thực công nhanh hay chậm vật Một máy có cơng suất lớn thời gian để thực công cho trước ngắn Bài 12: A Áp dụng cơng thức: t = Fv với cơng suất khơng đổi động tơ, xe máy lực kéo tỉ lệ với vận tốc ô tô, xe máy Khi xe lên dốc, cần có lực kéo khoẻ phải chuyển đổi bánh hộp số số nhỏ cho trục quay chậm Ngược lại, xe chạy đường phẳng cần lực kéo nhỏ, người lái xe gài số lớn để trục quay nhanh khiến xe đạt vận tốc lớn Bài 13: g t2 h= A = P h = mgh = Vẽ đồ thị: A Bài 18: O Lời giải : Tính độ cứng k lò xo: F = kx 60 = k.0,2  k= 300 (N/m) a Khi số đọc 40N: 40 = 300.x x = b Khi lò xo bị nén 20 cm: = = 300 (0,2) = (J) c Khi treo vật khối lượng m =4kg; F= 9,8 = 39,2 ( N) , Ta có: 39,2 = 300 xx = 101 , = = 300.( ) = 2,56 ( J) Bài21: a) Công lực kéo lực ma sát là: AF = F.s.cos α = 300 20 cos 30o = 5196,2 (J) Ams = Fms s cos 180o = - Fms s = - 200 20 = - 4000 (J) b) Áp dụng định lý động năng, ta có: A = Wđ - Wđo  AF + Ams = Wđ - Wđo Wđ = AF + Ams = 5196,2 + (-4000) = 1196,2 (J) Bài 22: Áp dụng công thức Wt = m.g.z => z Hướng dẫn giải 23: mv0 a) b) Wt = Wđ , mà Wt +Wđ = W => Wt =  mgh1 c) W’t = 4.W’đ , mà W’t +W’đ = W => W’t= W  mgh’= mghmax h’ = hmax h’ = 1,96 (m) Bài 24: a) Wđ = Mv2 = 10000 ( )2 = (J) b) W’đ = Wđ  mv’ =  v’= ( ) = 300 (km/h) 102 Bài 25: Áp dụng định luật bảo toàn cho vật thời điểm ném vật thời 1 điểm vật rơi xuống chạm mặt đất ta có: Wo = W => mvo2 mv2 => v = vo 2 Như vậy, vận tốc vật chạm đất có độ lớn vận tốc vật lúc ném từ mặt đất lên Bài 26: Ở độ cao h, bóng W o, Khi bóng rơi chạm đất bóng chịu thêm tác dụng lực ma sát bóng sàn nên bóng khơng bảo tồn mà phần bóng chuyển hố thành nhiệt Do đó, bóng độ cao h’ W < Wo  mgh’ < mgh  h’ < h Vậy bóng nảy lên với độ cao h’ nhỏ h Bài 27: Lời giải: Wđ mv mgh Wđ mv 2 mg 2t 2 - Từ công thứcliên hệ động W đ với quãng đường h (động W đ tỉ lệ thuận với h) ta vẽ đồ thị động W đ theo h đường thẳng qua gốc tọa độ - Từ công thứcliên hệ động W đ với thời gian t vật rơi tự (động Wđ tỉ lệ thuận với t ) ta vẽ đồ thị động Wđ theo t nửa prabol có đỉnh gốc tọa độ Wd Wd O II.ĐÁP SỐ CÁC BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN Câu 1: A, B, D Đáp án: Câu 2: 1.B; 2.A; 3.C; 4.B; 5.A 103 Câu 3: 1.B; 2.B Câu Trường hợp Công (J) Câu 5: 1.B ; 2.B Câu 6: 1.B; 2.C; 3.C; 4.C; 5.D Câu 7: 1.C; 2.A; 3.C; 4.B; 5.C 104 PHỤ LỤC NỘI DUNG, ĐÁP ÁN VÀ THANG ĐIỂM BÀI KIỂM TRA Bài 1: (4 điểm) Tìm tổngđộng lượng hệ hai vật m1 = 3kg, m2 = 6kg chuyểnđộng với vận tốc v1 = m/s, v2 = m/s ba trường hợp: a Cùng chiều b Ngược chiều c Vng góc với * Đáp án thang điểm Bài 2(6 điểm) : Một búa máy khối lượng M = 500kg rơi từ độ cao z = 3.6m xuống đập vào cọc bê tông khối lượng m = 100kg Va chạm mềm búa cọc chuyển động lún xuống đất a) Tìm vận tốc búa chạm cọc b) Tìm vận tốc sau va chạm hệ búa – cọc c) Xác định phần động tiêu hao chuyển thành nhiệt * Đáp án thang điểm Đápán Thang điểm Bài a Tínhđược tổngđộng lượng hệ: p = m1v1 + m2v2 = 36(kg.m/s) b Tínhđược tổngđộng lượng hệ: p = m1v1 – m2v2 = c Tínhđược tổngđộng lượng hệ: p (m1v1 ) Bài 2: a Viết biểu thức định luật bảo toàn cho búa từ lúc bắt đầu rơi đến chạm cọc: Mgz Tínhđược V2gz b Viếtđược biểu thức củađịnh luật bảo toànđộng lượng cho hệ búa 1đ - cọc trước sau va chạm: MV = (M + m)v Tínhđược vận tốc sau va chạm hệ búa - cọc: M v V M m c Tínhđược phầnđộng bị tiêu hao: Wd = 106 ... HOÀNG MƠ XÂY DỰNG VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG “ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” - VẬT LÍ 10 VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATHEMATICA LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG... phần bổ trợ cho việc giảng dạy tập vật lý phổ thông Xuất phát từ vấn đề trên, chọn đề tài: ? ?Xây dựng hướng dẫn giải tập chương “ Các định luật bảo toàn? ?? Vật lý 10 với hỗ trợ phần mềm Mathematica? ??... HỌC VỚI HỆ THỐNG BÀI TẬP CÓ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATHEMATICA VÀO CHƯƠNG “ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN” SGK VẬT LÍ 10 THPT 2.1 Phân tích nội dung khoa học kiến thức chương “ Các định luật bảo toàn? ?? lớp10