Nghiên cứu tương tác giữa các vật có khối lượng rất khác nhau bằng nghịch lý

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