Mục tiêu chính của đề tài giúp học sinh hiểu rõ bản chất Vật lý trong bài toán tương tác giữa các vật. Nghiên cứu sự tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau bằng các “nghịch lý” trong chương các định luật bảo toàn Vật lý lớp 10 THPT.
MỤC LỤC A Mở đầu …………………………………………………………………….1 Lý do 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 khảo…………………………………………………………… 18 tham NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT CĨ KHỐI LƯỢNG RẤT KHÁC NHAU BẰNG “NGHỊCH LÝ” A Mở đầu Lý do chọn đề tài Đổi mới căn bản tồn diện giáo dục và đào tạo là nhiệm vụ của tồn Đảng tồn dân trong đó nịng cốt là ngành giáo dục và đào tạo. Là một giáo viên tơi ý thức được trách nhiệm của mình trong việc thực hiện nghị quyết 29 của Đảng. Trong q trình thực hiện nhiệm vụ tơi nhận thấy đổi mới phương pháp dạy học và đổi mới cách thức tiếp cận vấn đề là một trong những nhiệm vụ cấp thiết hiện nay Quan điểm xun suốt các phương pháp dạy học là dạy học bằng hoạt động, thơng qua hoạt động của người học. Học sinh bằng hoạt động tích cực, tự lực để chiếm lĩnh kiến thức, hình thành kỹ năng, phát triển năng lực sáng tạo, bồi dưỡng tình cảm, thái độ cho mình. Vai trị của giáo viên trong dạy học là tổ chức, hướng dẫn học sinh thực hiện tốt các hoạt động học tập. Với cách dạy học mới này, địi hỏi người giáo viên khơng ngừng học tập và rèn luyện cơng phu để có được kỹ thuật dạy học mới Trong dạy học Vật lý, bài tập là một cơng cụ quan trọng giúp cho việc ơn tập đào sâu, mở rộng kiến thức, dẫn dắt đến kiến thức mới. 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 qt. Giải bài tập là một trong những hình thức làm việc tự lực cao của học sinh. Qua mỗi bài tập giúp học sinh rèn luyện khả năng tư duy và hiểu rõ hơn bản chất Vật lý trong mỗi bài tốn. Trong q trình giảng dạy, đặc biệt là bồi dưỡng học sinh giỏi. Khi giải các bài tốn trong đó có sự tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau – giữa một vật khối lượng nhỏ và một vật có khối lượng rất lớn, ta thường bỏ qua sự biến thiên năng lượng của các vật có khối lượng lớn hơn. Và sự bỏ qua đó thường lại hồn tồn đúng đắn. Tuy nhiên, cũng cần hình dung cho rõ là khi nào thì sự bỏ qua đó là được phép cịn khi nào thì khơng Để làm sáng tỏ vấn đề này cho học sinh trong q trình dạy học, tơi mạnh dạn lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC VẬT CĨ KHỐI LƯỢNG RẤT KHÁC NHAU BẰNG “NGHỊCH LÝ” để nghiên cứu. Qua đề tài này với mong muốn sẽ giúp học sinh có được một hình thức tiếp cận vấn đề nghiên cứu có sự bất ngờ, qua đó phân tích một cách chính xác hiện tượng Vật lý xẩy ra trong bài tốn tương tác giữa các vật, bồi dưỡng cho học sinh khả năng tư duy sáng tạo, truyền hứng thú cho các em trong q trình học tập. Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài Mục tiêu chính của đề tài giúp học sinh hiểu rõ bản chất Vật lý trong bài tốn tương tác giữa các vật Nghiên cứu sự tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau bằng các “nghịch lý” trong chương các định luật bảo tồn Vật lý lớp 10 THPT Giả thuyết khoa học Đề xuất vấn đề dưới dạng các “nghịch lý” khi giải các bài tốn đơn giản để nghiên cứu tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau nhằm mục đích kích thích sự tị mị và tạo hứng thú học tập cho học sinh, đồng thời giảm được cảm giác sợ hãi khi tiếp xúc với những vấn đề khó Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hoạt động học của 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 bằng các “nghịch lý” Đóng góp mới của đề tài Chứng minh tính khả thi của việc nghiên cứu sự tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau bằng sự xuất hiện các “nghịch lý” và việc đi tìm hiểu tại sao có “nghịch lý” đó sẽ giúp học sinh hiểu sâu hơn, hiểu đúng bản chất Vật lý hơn về tương tác giữa các vật, từ đó tạo cho các em niềm đam mê với mơn học và xa hơn là niềm đam mê nghiên cứu Vật lý B Nội dung Cơ sở lý luận 1.1 Động lượng, định luật bảo tồn động lượng 1.2 Động lượng: : là đại lượng véctơ đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật 1.3 Định luật bảo tồn động lượng: Trong hệ kín tổng động lượng của hệ là khơng đổi 1.4 Định luật bảo tồn năng lượng: Trong hệ kín năng lượng của hệ là khơng đổi 1.5 Động năng: là năng lượng vật có được do chuyển động. Biểu thức 1.6 Thế năng trọng trường: 1.7 Cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường: Cơ sở thực tiễn Trong q trình dạy học chương “ Các định luật bảo tồn”. Học sinh cơ bản là có thể vận dụng được kiến thức vào các bài tốn về sự tương tác giữa các vật ở mức độ đơn giản cũng như nắm bắt được các hiện tượng Vật lý có liên quan. Tuy nhiên, thường các em vận dụng một cách máy móc chủ yếu nhớ cơng thức mà chưa thực sự hiểu rõ bản chất Vật lý trong đó, bởi thế gặp rất nhiều lúng túng khi giải quyết các vấn đề mới chưa được gặp trước đó mặc dù bản chất Vật lý là khá đơn giản. Trong q trình cơng tác và đặc biệt trong thời gian trước khi triển khai đề tài tơi đã điều tra đối tượng học sinh và phân chia thành hai nhóm đối tượng. Đội dự tuyển HSG tỉnh và Học sinh khá Vật lý. Kết quả thu được có thể tóm tắt như sau: Đội dự tuyển HSG tỉnh Năm học 20172018 % học sinh chưa hiểu rõ bản chất 80% % học sinh hiểu rõ bản chất 20% (số lượng: 5 hs) Năm học 20182019 95.7% 14.3% (số lượng: 7 hs) Học sinh khá Vật lý Năm học 20172018 % học sinh chưa hiểu rõ bản chất 97.5% % học sinh hiểu rõ bản chất 2.5% (số lương: 40 hs) Năm học 20182019 97.7% 2.3% (số lượng: 45 hs) Nội dung và kết quả khảo nghiệm của đề tài 3.1 Nội dung Sau khi học xong chương các định luật bảo tồn trong chương trình Vật lý lớp 10, học sinh đã được trang bị các kiến thức cơ bản nhất. Để nâng cao kiến thức cho những đối tượng học sinh khá tơi đề xuất các bài tập và trong q trình các em đi tìm lời giải sẻ xuất hiện “nghịch lý”. Cụ thể của vấn đề được thể hiện trong các ví dụ sau: Ví dụ 1. Một hịn đá có khối m rơi tự do từ độ cao h xuống mặt đất. Viết biểu thức định luật bảo tồn năng lượng trong các trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ gồm hịn đá và trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với một thang máy chuyển động hướng xuống dưới với vận tốc khơng đổi so với trái đất Lập luận giải như sau: a. Khi xét chuyển động của hịn đá trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ gồm hịn đá và trái đất. Cơ năng của hịn đá ở độ cao h là: w = mgh Vào thời điểm hịn đá sắp chạm đất, tồn bộ thế năng của nó chuyển hết thành động năng nên ta có: (1) trong đó là vận tốc của hịn đá ngay trước khi chạm đất. b. Khảo sát chuyển động của hịn đá trong hệ quy chiếu gắn với một thang máy chuyển động hướng xuống dưới với vận tốc khơng đổi so với trái đất. Trong hệ này, trái đất có động năng ( M là khối lượng của trái đất), cịn hịn đá ở thời điểm ban đầu có động năng và thế năng là . Tại thời điểm ngay trước khi hịn đá chạm mặt đất, cả động năng và thế năng của nó đều bằng 0, sao cho đối với tồn hệ, ta có thể viết: (2) So sánh (1) và (2) hố ra định luật bảo tồn năng lượng khơng được nghiệm đúng trong hệ quy chiếu gắn với thang máy, nhưng lại nghiệm đúng trong hệ quy chiếu mà đối với nó thang máy chuyển động với vận tốc khơng đổi. Tức là ta đã có một “nghịch lí” trong lập luận giải nói trên Ví dụ 2. Một viên đạn có khối lượng bay với vận tốc đập vào sườn núi và mắc trong đó, hãy xác định độ biến thiên năng lượng của viên đạn trong các trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu trái đất đứng n. b Trong hệ quy chiếu gắn với ơtơ chuyển động với vận tốc cùng hướng với viên đạn c Trong hệ quy chiếu gắn với ơtơ chuyển động với vận tốc ngược hướng với viên đạn Lập luận giải như sau: a Áp dụng định luật bảo tồn năng lượng trong hệ quy chiếu trái đất đứng n, ta tìm được độ biến thiên năng lượng của viên đạn: b Bây giờ ta khảo sát chuyển động của viên đạn trong hệ quy chiếu gắn với ơtơ chuyển động với vận tốc cùng hướng với viên đạn. Khi đó độ biến thiên của động năng bằng: c Trong hệ quy chiếu gắn với ôtô chuyển động với vận tốc ngược hướng với viên đạn Vậy phần động viên đạn đâu? Khi viên đạn bị hãm đột ngột, một lượng nhiệt đã được toả ra, nói một cách khác, năng lượng của viên đạn đã chuyển thành nhiệt:. Và chúng ta có thể đo được nhiệt toả ra đó (ví viên đạn rơi đúng vào bình nhiệt lượng kế, chẳng hạn). Tuy nhiên, từ những tính tốn nêu trên, ta suy ra rằng, khi tiến hành cùng một phép đo cho ba trường hợp nêu trên, chúng ta sẽ nhận được ba kết quả khác nhau là .Tức là lại xuất hiện một “nghịch lí” Ví dụ 3. Một ơ tơ A chuyển động với vận tốc đối với trái đất. Sau khi vận tốc ơ tơ tăng hai lần, tính độ biến thiên động năng của ơ tơ A trong các trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu đứng yên đối với trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với người ngồi trong ô tô B chuyển động cùng chiều và cùng vận tốc như ô tô A c Trong hệ quy chiếu gắn với ơ tơ C chuyển động cùng với vân tốc như ơ tơ A nhưng ngược chiều Lập luận giải như sau: a Trong hệ quy chiếu đứng n đối với trái đất động năng của nó tăng một lượng: b Theo quan điểm của người quan sát ở trong ơ tơ B chuyển động cùng chiều cùng vận tốc như ơ tơ A, thì độ biến thiên động năng của ơ tơ A bằng: c Đối với người qua sát trong ơ tơ C chuyển động cùng với tốc độ như ơ tơ A nhưng ngược chiều, thì độ biến thiên động năng của ơ tơ A bằng: Thoạt nhìn kết quả thu được ở trên nhìn lạ lùng, vì lượng nhiên liệu tiêu thụ của ơ tơ A khơng đổi, thế mà độ biến thiên của nó trong các hệ quy chiếu khác nhau lại khác nhau. Liệu ở đây có mâu thuẫn gì với định luật bảo tồn năng lượng khơng? Đến đây xuất hiện một “nghịch lí” Ví dụ 4. Một viên đạn có khối lượng m chuyển động với vận tốc rơi vào một sàn toa chở cát (xem như một bệ) chuyển động với vận tốc và bị găm vào trong đó. Ta hãy tìm nhiệt lượng toả ra khi đó trong các trường hợp sau: a Trong hệ quy chiếu gắn với trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với toa xe Lập luận giải như sau: a Trong hệ quy chiếu gắn với trái đất b Trong hệ quy chiếu gắn với toa xe: Lại xuất hiện “nghịch lí”: Liệu có thể với cùng một viên đạn mà hệ quy chiếu này nó bị nóng mà ở hệ kia thì khơng? Ví dụ 5. Một khẩu súng máy đặt trên máy bay chuyển động với vận tốc bắn theo hướng bay của máy bay a Giả sử đối với hệ quy chiếu cũng chuyển động với vận tốc , viên đạn có vận tốc . Động năng mà viên đạn có được là do năng lượng E của khí thuốc súng cháy cung cấp: b Đối với hệ quy chiếu gắn với trái đất , vận tốc của viên đạn bằng và do đó: Vì E là bất biến trong mọi hệ quy chiếu nên từ những điều nói trên suy ra: Hãy tìm ra sai lầm trong những lập luận trình bày ở trên Cịn có thể có nhiều bài tốn tương tự, trong đó “nghịch lí” xuất hiện chỉ là do hệ các vật được khảo sát khơng phải kín, nhưng trong lập luận chúng ta lại khơng tính điều đó. Trong ví dụ 2 nêu trên, hệ đang xét khơng bao gồm vật lớn là trái đất. Cịn trong ví dụ 1, phần b, mặc dù đã bao gồm cả trái đất, nhưng sự biến thiên động năng của nó lại được coi bằng 0. Trong phần a của ví dụ 1 năng lượng của trái đất nói chung khơng hiện diện, tuy nhiên bất cứ học sinh nào cũng nói rằng, ở đây chắc chắn mọi thứ đã được viết đúng Vậy rắc rối là ở đâu? Tại sao khi chọn một hệ quy chiếu nào đó lại nhận được kết quả đúng, trong khi chọn những hệ khác lại nhận được các “ nghịch lí”? Phải chọn hệ quy chiếu nào để giải bài tốn sao cho có thể bỏ qua vật có khối lượng rất lớn và chính bằng cách làm đó làm đơn giản q trình giải? Để trả lời câu hỏi đó, chúng ta hãy quay trở lại các “Bài tốn nghịch lí” và tiến hành các lập luận một cách “tuyệt đối chặt chẽ” Lời giải chặt chẻ ví dụ 1 a. Trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ gồm hịn đá và trái đất, tại thời điểm ban đầu, trái đất đứng n và tồn bộ năng lượng của hệ bằng thế năng của hịn đá. Tới thời điểm hịn đá sắp chạm mặt đất, năng lượng của hệ bằng , trong đó là vận tốc mà hịn đá có được dưới tác dụng lực hấp dẫn trái đất cịn là vận tốc mà trái đất có được dưới tác dụng lực hấp dẫn của hịn đá. Chúng ta sẽ tìm vận tốc từ định luật bảo tồn động lượng. Ta có: Bây giờ chúng ta hãy viết định luật bảo tồn năng lượng của hệ. Biểu thức trên là “tuyệt đối chặt chẽ”. Tuy nhiên, rõ ràng là trong tất cả các bài tốn thực (về sự rơi của các vật xuống mặt đất) ta đều có m