Tổ chức dạy học một số kiến thức chương cân bằng và chuyển động của vật rắn vật lí 10 theo định hướng giáo dục stem

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Phạm Hồng My TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN” – VẬT LÍ 10 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Phạm Hồng My TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN” – VẬT LÍ 10 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHÙNG VIỆT HẢI Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 i LỜI CẢM ƠN Cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: - Q thầy, giảng viên khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh dạy dỗ, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, nhiệt huyết với nghề cho bạn sinh viên khác suốt trình học tập trường - Thầy TS Phùng Việt Hải- giảng viên hướng dẫn, hỗ trợ, dìu dắt tơi thực khóa luận Mặc dù có khó khăn khoảng cách địa lí, với kinh nghiệm, nhiệt huyết lịng u nghề mình, thầy truyền đạt tận tình kiến thức chun mơn cho tơi lời khun q báu Những góp ý thầy thực giúp ích nhiều để tơi hồn thành khố luận tốt nghiệp - Thầy TS Nguyễn Thanh Nga – giảng viên khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh – người nhiệt tình hỗ trợ, động viên cho nhiều lời khuyên hữu ích để tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp - Thầy ThS Hồng Phước Muội - Giáo viên mơn Vật lí trường THCS - THPT Hoa Sen giúp em thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi khố luận - Ban giám hiệu trường THCS - THPT Hoa Sen (quận 9), quý thầy tổ Vật lí, em học sinh lớp 10C8 tạo điều kiện giúp đỡ thực nghiệm sư phạm trường, làm sở để hồn thành tốt khố luận tốt nghiệp - Cuối cùng, tơi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè ln sát cánh, giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 07 năm 2020 Sinh viên Phạm Hồng My Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My ii Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My i MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC SƠ ĐỒ DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu b Phạm vi nghiên cứu Giả thuyết khoa học Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ DẠY HỌC THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM 1.1 Dạy học theo định hướng giáo dục STEM Khái niệm STEM Giáo dục STEM Mục tiêu giáo dục STEM Chủ đề STEM Quy trình dạy học theo định hướng giáo dục STEM 13 Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My ii 1.2 Năng lực giải vấn đề sáng tạo 19 Khái niệm lực 19 Khái niệm lực giải vấn đề sáng tạo 19 Yêu cầu cần đạt lực giải vấn đề sáng tạo 20 TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN- VẬT LÍ 10 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM 23 2.1 10” Phân tích nội dung chương “Cân chuyển động vật rắn- Vật lí 23 Vị trí chương “Cân chuyển động vật rắn” 23 Phân tích cấu trúc chương 23 Mục tiêu chương 26 2.2 Xây dựng chủ đề “Mơ hình cần cẩu tháp” 27 Mô tả chủ đề 27 Các vấn đề cần giải chủ đề 27 Các kiến thức thuộc lĩnh vực STEM chủ đề 28 Mục tiêu chủ đề 28 Chuẩn bị giáo viên 29 Tiến trình dạy học tổng thể 44 Tiến trình dạy học chi tiết 48 Tiêu chí đánh giá dạy học chủ đề Mơ hình cần cẩu tháp 68 THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 79 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 79 Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My iii 3.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 79 3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm .79 3.4 Thuận lợi khó khăn q trình thực nghiệm sư phạm .79 Thuận lợi 79 Khó khăn 80 3.5 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 80 3.6 Diễn biến thực nghiệm đánh giá định tính lực giải vấn đề sáng tạo 81 3.7 Đánh giá định lượng lực giải vấn đề sáng tạo 101 3.8 Đánh giá tổng quan 103 Đánh giá tính phù hợp thực tế dạy học với thời lượng dự kiến 103 Đánh giá mức độ đạt mục tiêu học sinh 104 Đánh giá hứng thú học sinh với chủ đề 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Chú giải GV Giáo viên HS Học sinh NL Năng lực GQVĐVST Giải vấn đề sáng tạo STEM Science (Khoa học), Technology (Cơng nghệ), Engineering (Kĩ thuật), Mathematics (Tốn học) KTKN Kiến thức, kĩ TCTH Tự chủ tự học TM Thẩm mĩ PC Phẩm chất Khoá luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL4 3) Cân vật có mặt chân đế.[10] a) Mặt chân đế gì? - Những vật tiếp xúc với mặt phẳng đỡ nằm ngang mặt đáy cốc nước đặt bàn, hòm gỗ đặt sàn nhà… Khi mặt chân đế mặt đáy vật - Có vật tiếp xúc với mặt phẳng đỡ nằm ngang số diện tích rời bàn, ghế, ô tô… Khi mặt chân đế đa giác lồi nhỏ bao bọc tất diện tích tiếp xúc b) Điều kiện cân vật có mặt chân đế Khố luận tốt nghiệp Phạm Hoàng My PL5 - Điều kiện cân vật có mặt chân đế giá trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế (hay trọng tâm rơi mặt chân đế) c) Mức vững vàng cân Muốn tăng mức vững vàng vật có mặt chân đế hạ thấp trọng tâm tăng diện tích mặt chân đế vật 4) Chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định [10] a) Đặc điểm chuyển động quay, tốc độ góc - Khi vật rắn quay quanh trục cố định, điểm vật quay với góc khoảng thời gian Nói cách khác, điểm vật quay với tốc độ góc 𝜔 gọi tốc độ góc vật - Vật quay tốc độ góc khơng đổi, quay nhanh dần tốc độ góc tăng dần, quay chậm dần tốc độ góc giảm dần b) Tác dụng momen lực vật quay quanh trục - Momen lực tác dụng vào vật quay quanh trục cố định làm thay đổi tốc độ góc vật c) Mức qn tính chuyển động quay - Trong chuyển động quay quanh trục, vật có qn tính giống chuyển động tịnh tiến Khi tác dụng momen lực lên vật khác nhau, tốc độ góc vật tăng chậm vật có mức qn tính lớn ngược lại - Mức quán tính vật quay quanh trục phụ thuộc vào khối lượng vật vào phân bố khối lượng trục quay Khối lượng vật lớn phân bố xa trục quay momen quán tính lớn ngược lại - Thí nghiệm cho thấy vật quay mà chịu momen cản vật quay chậm lại Vật có mức qn tính lớn tốc độ góc vật giảm chậm ngược lại - Nếu trục quay khơng qua trọng tâm momen qn tính lớn, khó để lấy đà cho vật quay hãm vật lại Ngoài ra, trọng tâm chuyển động tròn xung quanh trục quay, vật có xu hướng chuyển động li tâm nên tác dụng lực vào trục Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL6 quay làm trục quay bị biến dạng Nếu vật quay nhanh, xu hướng chuyển động li tâm vật lớn, trục quay bị biến dạng nhiều gãy 5) Nhắc lại kiến thức: Động điện - Cấu tạo: Động điện chiều có hai phận nam châm tạo từ trường (bộ phận đứng yên) khung dây dẫn có dịng điện chạy qua (bộ phận quay) Bộ phận đứng yên gọi stato, phận quay rôto - Nguyên tắc hoạt động: Khi đặt khung dây dẫn ABCD từ trường cho dịng điện chạy qua khung tác dụng lực điện từ, khung dây quay 6) Nguyên lí hoạt động cần cẩu tháp Khoá luận tốt nghiệp Phạm Hoàng My PL7 - Cần cẩu tháp hoạt động dựa quy tắc momen lực Tải trọng treo móc cẩu cân với đối trọng (đối trọng phần phía sau cẩu)Gdo cẩu khơng bị lật: 𝐹𝑡 𝑑1 = 𝐹đ𝑡 𝑑2 - Toàn tải cân truyền lực tổng hợp 𝐹⃗ xuống đế cẩu (dựa móng cẩu) - Cẩu quay tròn hệ thống quay với trục quay qua trọng tâm G cần cẩu - Ngoài tháp cân dựa vào đế rộng, móng cẩu đào sâu khung trụ cần cẩu gắn vào tòa nhà tòa nhà cao dần lên Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL8 PHỤ LỤC Đáp án phiếu học tập Họ tên: Nhóm: Phiếu học tập Hoạt động 2.1 Tìm điều kiện cân vật có trục quay cố định Đặt vấn đề: Khi có đối trọng, khơng treo vật, cần cẩu có bị lệch khơng, lệch phía nào? Khi có đối trọng mà không treo vật, cần cẩu bị lệch phía có đối trọng Khi móc vật vào cẩu vật xa trụ cần cẩu có xu hướng lệch phía so với trụ? Khi bấm công tắc cho vật di chuyển xa trụ cần cẩu bị lệch phía cánh tay có treo vật Theo em, mối quan hệ lực mà cần cẩu nâng với khoảng cách từ lực đến trụ với nhau? Càng xa trụ cần cẩu nâng trọng lượng hơn, gần trụ cần cẩu nâng nhiều Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL9 Họ tên: Nhóm: Phiếu học tập Hoạt động 2.1 Tìm điều kiện cân vật có trục quay cố định Thực hiện thí nghiệm và điền thông tin vào chỗ trống: - Gắn đĩa momen lên bảng thép, điều chỉnh cho dây dọi treo tâm đĩa nằm song song với mặt đĩa qua vạch thước ngang - Lần lượt treo sợi dây có buộc gia trọng vào điểm khác đĩa để trả lời câu hỏi: Khi lực tác dụng lên đĩa không làm đĩa quay; lực tác dụng lên đĩa làm đĩa quay quay theo chiều nào? Hình 3.2 Thí nghiệm quy tắc momen lực Khi gắn dây tâm đĩa (hoặc điểm nằm đường thẳng đứng qua tâm đĩa) đĩa khơng quay, ta gắn điểm khác đĩa quay Nếu ta gắn dây điểm nằm phía bên phải đĩa quay theo chiều chiều kim đồng hồ, ta gắn dây điểm nằm phía bên phải đĩa quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Khi lực tác dụng lên vật có giá qua trục quay đĩa khơng làm cho đĩa quay Khi lực tác dụng lên vật có giá khơng qua trục quay đĩa làm cho đĩa quay - Theo em, quay đĩa phụ thuộc vào yếu tố nào? (Có thể học sinh có dự đoán sau: + Phụ thuộc vào khoảng cách từ tâm đĩa đến phương lực tác dụng + Phụ thuộc vào khoảng cách từ tâm đĩa đến điểm đặt dây + Phụ thuộc vào khối lượng vật treo vơ dây nhiều hay Khố luận tốt nghiệp Phạm Hoàng My PL10 + …) - Theo em, vật chịu tác dụng cùng lúc lực làm cho vật quay theo chiều ngược điều kiện để vật cân bằng, khơng quay gì? (Có thể học sinh có dự đốn sau: + Khi F1=F2 + Khi F1.d1 = F2.d2 + Khi 𝐹1 𝑑1 = 𝐹2 𝑑2 + …) ❖ Thực thí nghiệm xem ta dự đốn khơng nhé! - Điều chỉnh thước gắn với đĩa mô men theo phương ngang (giá rọi qua vạch thước) - Treo đồng thời sợi dây thứ có móc gia trọng (1 nặng) vào điểm bên trái đĩa mô men sợi dây thứ có móc gia trọng khác (2 nặng) vào điểm bên phải đĩa (như hình) Khi đĩa cân bằng, đọc giá trị F1, d1, F2, d2 (d1, d2 khoảng cách từ giá hai lực đến trục quay – phương dây rọi) Lập tích số F1.d1, F2.d2   F - Lặp lại thí nghiệm cách thay đổi độ lớn lực , F2 , thay đổi phương lực  F2 (bằng cách vắt sợi dây thứ qua ròng rọc cố định, tìm vị trí rịng rọc để đĩa cân (sợi căng theo phương tiếp tuyến vòng tròn) Ghi số liệu vào bảng: Lần F1 F2 d1 d2 đo Khoá luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL11 - Em có nhận xét số liệu F1, F2, d1, d2 (gợi ý, nhận xét thương tích F d) F1.d1 = F2.d2 - Rút nhận xét điều kiện cân vật có trục quay cố định: Tổng momen lực có xu hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ tổng momen lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ Vận dụng: Hãy vận dụng quy tắc momen lực để giải thích trường hợp sau, vẽ rõ đâu trục quay O, đâu lực tác dụng a) Một người nâng vật tay Trục quay O đặt khuỷu tay, lực F tạo hướng lên, momen lực F có tác dụng làm cánh tay quay ngược chiều kim đồng hồ, lực P vật gây có momen làm cho cánh tay quay thuận chiều kim đồng hồ, momen lực làm cánh tay cân Khoá luận tốt nghiệp Phạm Hoàng My PL12 b) Nguyên tắc hoạt động cân đĩa Khi cân P1d1=P2d2, mà d1=d2 nên P1=P2  Khối lượng cân khối lượng vật cần cân b) Cần cẩu nâng vật Khi cần cẩu cân bằng: 𝐹𝑡 𝑑1 = 𝐹đ𝑡 𝑑2 Một người dùng búa để nhổ đinh Khi người tác dụng lực 100N vào đầu búa đinh bắt đầu chuyển động Hãy tính lực cản gỗ tác dụng vào đinh F1.d1 = F2 d → F1 = F2 d d1 100.20 = 1000( N ) = Khoá luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL13 Họ tên: Nhóm: Phiếu học tập Hoạt động 2.2 Tìm hiểu cân vật có mặt chân đế Nêu điều kiện cân vật có mặt chân đế? - Giá trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế (hay trọng tâm rơi mặt chân đế) Có cách để tăng mức vững vàng vật có mặt chân đế? - Hạ thấp trọng tâm tăng diện tích mặt chân đế Đá Ba Chồng quần thể di tích thắng cảnh thị trấn Định Quán, huyện Định Quán, tỉnh Đồng Nai Nổi bật quần thể ba đá khổng lồ chồng lên với chiều cao 36m, nằm chênh vênh bên cạnh quốc lộ 20, cảnh tượng hùng vĩ danh thắng hút du khách ngang qua Ai lần nhìn thấy hịn đá có chung cảm giác “khơng an tồn” Hãy giải thích hịn đá đứng vững cân bằng, không bị lăn xuống đường? -Vì giá trọng lực xuyên qua mặt chân đế đá Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL14 Những siêu xe xe thể thao Lamborghini, Ferrari hay Bugatti hấp dẫn nhờ thiết kế ấn tượng, động mạnh mẽ, âm phấn khích giá trị đắt đỏ Những xe chạy với tốc độ cao, khả ôm cua ấn tượng Tuy nhiên gầm xe thường thấp, dựa vào hiểu biết em giải thích sao? Gầm xe thấp nên trọng tâm xe thấp loại xe khác, điều giúp xe cân tốt hơn, không bị lật chạy với tốc độ cao xe ơm cua gấp Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL15 Họ tên: Nhóm: Phiếu học tập Hoạt động 2.4 Xây dựng quy tắc hợp lực song song chiều Đặt vấn đề: Ta biết điều kiện cân vật có mặt chân đế giá trọng lực phải xuyên qua mặt chân đế Vậy để xác định trọng lực cần cẩu tháp? Chúng ta xây dựng quy tắc hợp lực song song chiều nhé! Tổng hợp lực thay lực tác dụng đồng thời vào cùng vật lực có tác dụng giống hệt lực Ta biết cách hợp lực lực có giá đồng quy, làm để tổng hợp lực song song cùng chiều? - Một vật chịu tác dụng hai lực song song cùng chiều lực tổng hợp chúng có đặc điểm nào? Hãy nêu dự đốn em Điểm đặt: HS có dự đốn: Tại điểm nằm vật hai lực thành phần; Tại điểm vật, … Phương, chiều: Cùng phương chiều với hai lực thành phần Độ lớn: Bằng tổng độ lớn hai lực thành phần - Theo em, điểm đặt lực có phụ thuộc vào độ lớn hai lực song song cần tổng hợp hay khơng? HS dự đốn “có” “khơng” Chúng ta cịn phân vân điểm đặt lực đâu, để xem dự đốn có khơng, làm thí nghiệm nhé! Thực hiện thí nghiệm và điền thơng tin vào chỡ trống Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL16 - Bước 1: Bố trí thí nghiệm hình minh họa, thước dài có cách vạch chia kích thước xác, treo thước vào đầu lực kế, sau treo thêm nặng vào điểm đầu thước (gọi điểm A B), đánh dấu lại vị trí đầu thước - Bước 2: Gộp nặng lại, sau treo lên vị trí khác thước cho hai đầu thước trùng với hai đầu đánh dấu Điểm đặt lúc gọi O - Bước 3: Tính khoảng cách OA, OB Ghi số liệu vào bảng Lần P1(N) P2(N) OA (cm) OB (cm) - Em có nhận xét số liệu? (Điểm đặt lực tổng hợp O liên quan đến lực P1, P2, thử lập tỉ số tích số liệu) P1.OA = P2.OB Hoặc 𝑃1 𝑂𝐵 = 𝑃2 𝑂𝐴 - Dựa vào kiến thức hình học mình, chứng minh Khoá luận tốt nghiệp 𝑂𝐴 𝑂𝐵 = 𝑑1 𝑑2 Phạm Hoàng My PL17 - Kết luận hợp lực lực song song cùng chiều: Điểm đặt: Giá hợp lực chia khoảng cách giưã hai giá cua hai lực song song thành đoạn tỉ lệ nghịch với độ lớn hai lực F1 d = F2 d1 Phương, chiều: Phương song song, chiều với hai lực Độ lớn: Bằng tổng độ lớn hai lực Một cần cẩu tháp nâng tải có khối lượng 2000kg (như hình) Tay cần BD nặng 1500kg trọng tâm G1, tay cần BC nặng 500kg trọng tâm G2 Đối trọng đặt C có trọng tâm G3 Xác định khối lượng đối trọng cho tổng hợp trọng lực hai tay cần, tải đối trọng đặt B Để tìm tổng hợp lực hai tay cần, tải đối trọng, ta tổng hợp cặp lực Khố luận tốt nghiệp Phạm Hồng My PL18 - Tổng hợp P1 , P2 : + Độ lớn P12 = P1 + P2 = 1500.g + 500.g = 2000.g ( N ) + Điểm đặt d1 P2 500 = = = d2 P1 1500 d1 + d2 = G1G2 = + 9.5 = 13.5cm ➔ d1 = 27 81 (m) d = (m) 8 - Tổng hợp P12 , Pt + Độ lớn: P12t = P12 + Pt = 2000.g + 2000.g = 4000.g ( N ) + Điểm đặt d12 Pt 2000 = = =1 dt P12 2000 d12 + dt = d1 + G1T = ➔ d12 = 27 51 + = (cm) 8 51 51 (m) dt = (m) 16 16 - Để hợp lực có điểm đặt B hợp lực P12t Pt có điểm đặt B ➔ d3 = CB = 7,5(m) d12t = BT − dt = 12,5 − 51 149 = 16 16 Mà: d3 P = 12t d12t P3 → P3 = P12t d12t = 4966, 67.g ( N ) d3 → m3 = 4966, 67(kg ) Vậy đối trọng có khối lượng 4966,67(kg) (HS giải theo quy tắc momen lực) Khoá luận tốt nghiệp Phạm Hoàng My ... My 23 TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG CÂN BẰNG VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT RẮN- VẬT LÍ 10 THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM 2.1 Phân tích nội dung chương ? ?Cân chuyển động vật rắn- Vật lí 10? ?? Vị... gồm chương: Chương 1: Cơ sở lý luận dạy học theo định hướng giáo dục STEM Chương 2: Tổ chức dạy học số kiến thức chương Cân chuyển động vật rắn- Vật lí 10 theo định hướng giáo dục STEM Chương 3:... kiến thức chương ? ?Cân chuyển động vật rắn? ?? – Vật lí 10 theo định hướng giáo dục STEM? ?? Mục đích đề tài Thiết kế tiến trình dạy học số kiến thức chương ? ?Cân chuyển động vật rắn? ?? – Vật lí 10 theo định