Vận dụng các định luật bảo toàn để giải một số bài toán dao động cơ nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn vật lý 12 ở trường THPT như thanh 2

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT NHƯ THANH SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM VẬN DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN ĐỂ GIẢI MỘT SỐ BÀI TỐN DAO ĐỘNG CƠ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DẠY HỌC MÔN VẬT LÝ 12 Ở TRƯỜNG THPT NHƯ THANH Người thực hiện: Bùi Thị Thanh Ha Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lý MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1.Cơ sở lí luận 2.2.Thực trạng vấn đề 2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm giải pháp 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm 16 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 16 3.1 Kết luận 16 3.2 Kiến nghị 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 DANH MỤC SKKN 19 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa ĐL Định luật SKKN Sáng kiến kinh nghiệm SGK Sách giáo khoa THPT Trung học phổ thông MỞ ĐẦU 1.1.Lí chọn đề tai: Trường THPT Như Thanh II đóng địa bàn xã Thanh Tân, huyện Như Thanh, tỉnh Thanh Hóa trường có chất lượng đầu vào học sinh khối 10 tương đối thấp Nơi trường đóng vùng kinh tế đặc biệt khó khăn, nằm cách xa trung tâm huyện.Trường tuyển sinh học sinh khu vực xã: Thanh Tân, Thanh Kì, Xuân Thái, Yên Lạc số học sinh trái tuyến vùng lân cận huyện Nông Cống Tỉnh Gia Những học sinh gần trường có học lực giỏi phụ huynh thường có tâm lí cho em lên học trường điểm huyện Những học sinh thi tuyển vào lớp 10 cần tránh điểm liệt trúng tuyển vào lớp 10 hầu hết năm số học sinh đăng ký dự thi thấp tiêu tuyển sinh nhà trường Chính chất lượng học sinh nhà trường nỗi lo lắng, trăn trở ban giám hiệu nhà trường thầy cô giáo môn, đặc biệt môn tự nhiên có mơn vật lí mà tơi giảng dạy Vật lí có vai trị quan trọng việc hình thành, phát triển tư khả vận dụng vào sống học sinh Trong q trình giảng dạy người giáo viên ln người hướng dẫn, tạo động học tập cho em tự lĩnh hội, chiếm lĩnh kiến thức Từ giúp em hình thành kỹ năng, lực phù hợp với kiến thức mơn Mơn Vật lí môn khoa học nghiên cứu vật, tượng xảy hàng ngày, có tính thực tiễn cao, cần vận dụng kiến thức toán học Học sinh phải có thái độ học tập nghiêm túc, có tư sáng tạo vấn đề nảy sinh để tìm hướng giải phù hợp Dao động nội dung vật lí phổ thơng Khi học sinh nắm kiến thức phần dao động em vững vàng học chương chương trình vật lí 12 là: Sóng cơ, dịng điện xoay chiều, dao động sóng điện từ Bài tập dao động chiếm trọng số lớn đề thi THPT Quốc gia đề thi học sinh giỏi nên việc thành thạo tập dao động quan trọng tiền đề vững cho em học sinh giỏi ôn thi học sinh giỏi ôn thi đại học cao đẳng Đặc biệt, tập va chạm dao động điều hịa dạng tập khó chương, học sinh thường gặp khó khăn việc ứng dụng định luật bảo tồn Từ lí trên, tơi xin trình bày sáng kiến nhỏ dạy học là: “Vận dụng định luật bảo toan để giải số bai toán dao động nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn vật lý 12 ở trường THPT Như Thanh ” nhằm hệ thống cho em dạng tập va chạm dao động vận dụng định luật bảo tồn để giải tập 1.2.Mục đích nghiên cứu Mục đích Sáng kiến kinh nghiệm “Vận dụng định luật bảo toan để giải số bai toán dao động nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn vật lý 12 ở trường THPT Như Thanh ” giúp học sinh hiểu rõ chất định luật bảo toàn biết vận dụng linh hoạt việc giải số toán va chạm dao động điều hịa Ngồi cịn rèn luyện kỹ vận dụng kiến thức toán học sử dụng máy tính điện tử để giải tốn vật lí, giải thích tượng va chạm thường gặp sống Từ áp dụng giải tập va chạm dao động đè thi tốt nghiệp THPT quốc gia hướng tới giải đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh hình thức trắc nghiệm theo xu hướng mà Sở Giáo dục Đào tạo Thanh Hóa định thử nghiệm vào năm học 2021-2022 1.3.Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài kiến thức vật lý phần định luật bảo toàn dao động học thuộc chương trình vật lý 12 Đối tượng áp dụng học sinh 12 thi tốt nghiệp THPT quốc gia tổ hợp tự nhiên học sinh 11 thuộc nguồn đội tuyển thi học sinh giỏi tỉnh năm học 20212022 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tổng hợp nhiều phương pháp khác như: + Phương pháp nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết + phương pháp nghiên cứu sản phẩm hoạt động + Phương pháp khảo nghiệm, thử nghiệm NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Phần tập vận dụng định luật bảo toàn để giải tốn dao động có liên quan mật thiết đến số sở lý thuyết sau: 2.1.1 Dao động điều hịa 2.1.1.1 Phương trình dao động điều hịa(1) Là nghiệm phương trình vi phân: Có dạng sau: (1) SGK Vật lý 12 nâng cao, trang 30-31 Trong đó: : gọi li độ, li độ độ di vật so với vị trí cân : gọi biên độ, giá trị cực đại li độ ứng với lúc Biên độ luôn dương gọi pha dao động thời điểm t, pha đối số hàm số cosin góc Với biên độ cho pha xác định li độ x dao động pha ban đầu, tức pha vào thời điểm t = gọi tần số góc cảu dao động tốc độ biến đổi góc pha, có đơn vị rad/s độ/s 2.1.1.2 Phương trình gia tốc, vận tốc.(2) a Phuơng trình vận tốc v Vận tốc đạo hàm li độ theo thời gian: Ta thấy vận tốc đại lượng biến thiên điều hịa - Ở vị trí biên vận tốc Ở vị trí cân vận tốc có độ lớn cực đại Nhận xét: Trong dao động điều hồ vận tốc sớm pha li độ góc b Phuơng trình gia tốc a Gia tốc đạo hàm vận tốc theo thời gian: Gia tốc ngược dấu với li độ ( hay vecto gia tốc ln hướng vị trí cân bằng) có độ lớn tỉ lệ với độ lớn li độ Nhận xét: Trong dao động điều hoà gia tốc sớm pha vận tốc góc pha với li độ nguợc 2.1.1.3 Chu kỳ, tần số.(3) a Chu kỳ: Trong đó: t thời gian(s); N số dao động “ Chu kỳ thời gian để vật thực dao động thời gian ngắn để trạng thái dao động lặp lại cũ.” b Tần số: “Tần số số dao động vật thực giây( số chu kỳ vật thực 10 Từ tính được: Bai tập ví dụ 2: Cho hệ dao động hình vẽ bên Lị xo có khối lượng khơng đáng kể, độ cứng Vật trượt khơng ma sát mặt phẳng nằm ngang Hệ trạng thái cân bằng, dùng vật bắn vào M theo phương nằm ngang với vận tốc Sau va chạm hai vật dính vào dao động điều hoà Xác định vận tốc hệ sau va chạm Viết phương trình dao động hệ Chọn trục toạ độ Ox trùng với phương dao động, gốc toạ độ O vị trí cân bằng, chiều dương trục chiều với chiều Gốc thời gian lúc va chạm Giải + Va chạm mềm: Vận tốc vật sau va chạm: + Tần số góc hệ dao động điều hồ: + Phương trình dao động có dạng: , vận tốc: + Thay vào điều kiện đầu: 16 + Vậy phương trình dao động là: Bài tập ví dụ 3: Một lắc lị xo, gồm lị xo có khối lượng khơng đáng kể có độ cứng , vật M có khối lượng , dao động điều hoà mặt phẳng nằm ngang với biên độ Giả sử M dao động có vật m có khối lượng bắn vào M theo phương ngang với vận tốc , giả thiết va chạm không đàn hồi xẩy thời điểm lị xo có độ dài lớn Sau va chạm hai vật gắn chặt vào dao động điều hồ a) Tính động hệ dao động thời điểm sau va chạm b) Tính dao động hệ sau va chạm, từ suy biên độ dao động hệ Giải: + Vì va chạm xẩy thời điểm lị xo có độ dài lớn nên vận tốc M trước lúc va chạm không Gọi V vận tốc hệ sau va chạm Sử dụng định luật bảo toàn động lượng, ta có: a Động hệ sau va chạm: + Tại thời điểm vật có li độ b.Cơ dao động hệ sau va chạm: 17 nên đàn hồi: + Mặt khác: ĐS: a ; b ; Bai tập ví dụ 4: Cho hệ dao động hình vẽ bên Lị xo có khối lượng không đáng kể, độ cứng chưa biết Vật trượt khơng ma sát mặt phẳng nằm ngang Hệ trạng thái cân bằng, dùng vật bắn vào M theo phương nằm ngang với vận tốc Va chạm hoàn toàn đàn hồi Sau va chạm vật M dao động điều hoà Chiều dài cực đại cực tiểu lò xo a Tìm chu kỳ dao động vật M độ cứng k lò xo b Đặt vật lên vật M, hệ gồm vật đứng yên Vẫn dùng vật bắn vào với vận tốc , va chạm hoàn toàn đàn hồi Sau va chạm ta thấy hai vật dao động điều hồ Viết phương trình dao động hệ Chọn trục Ox hình vẽ, gốc toạ độ vị trí cân gốc thời gian lúc bắt đầu va chạm c Cho biết hệ số ma sát M 0,4 Hỏi vận tốc vật m phải nhỏ giá trị để vật đứng yên (không bị trượt) vật M hệ dao động Cho Giải: a Biên độ dao động 18 + Vì va chạm hồn tồn đàn hồi nên vận tốc M sau va chạm tính theo cơng thức: vận tốc cực đại dao động điều hoà) (đây + Sau va chạm vật dao động điều hồ theo phương trình li độ , phương trình vận tốc: + Vậy vận tốc cực đại dao động điều hồ: + Chu kì dao động: + Độ cứng lò xo: c Tương tự câu a vận tốc hệ sau va chạm tính theo cơng thức: (đây vận tốc cực đại dao động điều hồ) + Tần số góc dao động: + Phương trình dao động có dạng: + 19 Vận tốc cực đại , vận tốc: + Pha ban đầu xác định từ điều kiện đầu: dao động điều hoà: + Vậy phương trình dao động là: c Dùng vật m bắn vào hệ vận tốc hệ với vận tốc v0, va chạm hồn tồn đàn hồi sau va chạm là: (đây vận tốc cực đại dao động điều hồ: ) + Vậy phương trình dao động điều hồ có dạng: hệ là: , gia tốc Do gia tốc cực đại: + Vật m0 đặt vật M chuyển động với gia tốc a, nên chịu tác dụng lực có độ lớn: + Để vật m ln đứng yên M lực ma sát trượt lực cực đại, tức là: 20 lớn + Vậy để vật m0 đứng yên (không bị trượt) vật M hệ dao động vận tốc v0 vật m phải thoả mãn: ĐS: a b ; ; ; c Bài tập ví dụ 5: Con lắc lò xo gồm vật nặng , lò xo có độ cứng lồng vào trục thẳng đứng hình vẽ Khi vị trí cân bằng, thả vật từ độ cao so với M Coi ma sát khơng đáng kể, lấy , va chạm hồn tồn mềm a Tính vận tốc m trước va chạm vận tốc hai vật sau va chạm b Sau va chạm hai vật dao động điều hoà Lấy lúc sau va chạm Viết phương trình dao động hai vật hệ toạ độ O’X hình vẽ, gốc O’ trùng với vị trí cân C hệ sau va chạm c Viết phương trình dao động hai vật hệ toạ độ ox hình vẽ, gốc O vị trí cân cũ M trước va chạm Gốc thời gian cũ Giải: a) Vận tốc vật m trước lúc va chạm: (hướng xuống dưới) Hệ lúc va chạm coi hệ kín, theo định luật bảo tồn động lượng (theo giả thiết va 21 chạm hoàn toàn mềm): Suy ra, vận tốc hai vật sau va chạm: (hướng xuống dưới) b) Tại VTCB cũ M (vị trí O), lị xo nén đoạn: + Tại VTCB C hệ sau va chạm, lò xo nén đoạn: + Suy ra: , (1) + Sau va chạm hệ dao động điều hoà xung quanh VTCB C º O’ với tần số góc: + Phương trình dao động: + Chọn , vận tốc: lúc va chạm, nên: + Suy ra, li độ vật hệ toạ độ O’X là: 22 c) Theo (1) ta có phương trình dao động vật hệ toạ độ Ox là: ĐS: a) , , b) , c) 2.3.2 Bai tập vận dụng Câu 1: Một lắc lò xo dao động điều hịa mặt phẳng ngang với chu kì 2π(s), cầu nhỏ khối lượng m1 Khi lị xo có độ dài cực đại gia tốc vật -2cm/s2 vật khối lượng m 2=0,5m1 đến va chạm đàn hồi xuyên tâm với m theo hướng làm cho lò xo nén lại Biết tốc độ m trước va chạm cm/s Tính quãng đường m1 đến m1 đổi chiều chuyển động Đáp án: 6,5cm Câu 2: Một lắc lò xo dao động điều hoà mặt phẳng ngang nhẵn với biên độ A1 Đúng lúc vật M vị trí biên vật m có khối lượng M, chuyển động theo phương ngang với vận tốc v vận tốc cực đại M, đến va chạm đàn hồi xuyên tâm với M Sau va chạm M tiếp tục dao động điều hoà với biên độ A2, cịn m chuyển chỗ khác Tìm tỉ số A1/A2? Đáp án: 1/ Câu 3: Một lắc lò xo nằm ngang gồm vật m=400g, lò xo k=40N/m dao động với biên độ 5cm Đúng lúc vật qua vị trí cân bằng, người ta thả nhẹ vật khác khối lượng m’=100g rơi thẳng đứng dính chặt vào vật m Biên độ dao động hệ sau là: Đáp án : cm Câu : Một lắc lò xo dao động điều hịa mặt phẳng nằm ngang với chu kì T = 2π (s), vật nặng cầu có khối lượng m Khi lị xo có chiều dài cực 23 đại vật m1 có gia tốc – cm/s2 cầu có khối lượng chuyển động dọc theo trục lò xo đến va chạm đàn hồi xuyên tâm với m có hướng làm cho lò xo bị nén lại Vận tốc m2 trước va chạm Tính khoảng cách hai vật kể từ lúc va chạm đến m1 đổi chiều chuyển động lần Đáp án: 9,63 cm Câu 5: Một vật nhỏ có khối lượng M = 0,9 (kg), gắn lò xo nhẹ thẳng đứng có độ cứng 25(N/m) đầu lị xo cố định Một vật nhỏ có khối lượng m=0,1 (kg) chuyển động theo phương thẳng đứng với tốc độ đến va chạm mềm với M Sau va chạm hai vật dính vào dao động điều hịa theo phương thẳng đứng trùng với trục lò xo Lấy gia tốc trọng trường g=10m/s2 Tính biên độ dao động Đáp án: cm Câu : Con lắc lò xo gồm vật nặng M = 300g, lị xo có độ cứng k = 200N/m, lồng vào trục thẳng đứng hình vẽ Khi M vị trí cân vật m = 200g từ độ cao h = 3,75cm so với M rơi tự do, va chạm mềm với M, coi ma sát không đáng kể, lấy g = 10m/s2 Sau va chạm hai vật dao động điều hòa, chọn gốc tọa độ vị trí cân hệ, chiều dương hình vẽ, góc thời gian t = lúc va chạm Xác định phương trình dao động hệ hai vật Đáp án: Câu 7: Một lắc lò xo đặt mặt phẳng ngang gồm lò xo nhẹ có độ cứng 300 N/m, đầu cố định, đầu gắn với vật nhỏ khối lượng M= 3kg Vật M VTCB vật nhỏ m=1kg chuyển động với vận tốc v0=2m/s đến va chạm vào theo xu hướng làm lị xo nén Biết rằng, trở lại vị trí va chạm hai vật tự tách Hãy xác định tổng độ dãn cực đại độ nén cực đại lò xo? Đáp án: l= 10,8 cm Câu Một lắc lò xo đặt mặt phẳng ngang gồm lò xo nhẹ có độ cứng 300 N/m, đầu cố định, đầu gắn với vật nhỏ khối lượng M= 3kg Vật M VTCB vật nhỏ m=1kg chuyển động với vận tốc v0=2m/s đến va chạm vào theo xu hướng làm lị xo nén Biết rằng, trở lại vị trí va chạm hai vật tự tách Lúc lị xo có chiều dài cực đại lần khoảng cách M m bao nhiêu? Đáp án: d= 2,85 cm 24 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục, với thân, đồng nghiệp va nha trường Sáng kiến áp dụng dạy học học kỳ cho học sinh ôn thi HSG khối 12 thi tổ hợp khoa học tự nhiên trường THPT Như Thanh Qua thực tế giảng dạy em học sinh giỏi làm tập nâng cao phần dao động điều hòa tốt hứng thú với tập cao mức Sau em hướng dẫn giải tập đa số em hiểu vận dụng làm tập tương tự chuyên đề KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Đề tài mang tính ứng dụng thực tiễn cao giúp giáo viên định hướng cho học sinh phương pháp giải cách ứng dụng định luật bảo tồn vào tốn va chạm dao động điều hịa Từ giúp em giỏi làm tập nâng cao phần dao động điều hịa tốt tăng hứng thú học mơn Vật lí trường phổ thơng Việc đưa hướng dẫn cách vận dụng định luật bảo toàn làm toán đề tài giúp học sinh thấy dễ tiếp cận tự giải toán khác chuyên đề Quan niệm riêng cá nhân tơi, dạy học tốn vật lí sử dụng mảng kiến thức nâng cao giúp em học sinh rèn luyện tư duy, hình thành ý tưởng giải tập tượng vật lí Chính vậy, chun đề khó học sinh thích thú, tích cực học Các tốn góp phần làm cho học sinh hiểu sâu thêm kiến thức vật lí: ĐL bảo tồn động lượng, ĐL bảo tồn năng, va chạm, dao động điều hịa lắc lò xo Trên số vấn đề suy nghĩ làm trình giảng dạy Đây khơng phải vấn đề lớn riêng tơi đem lại số thành công định Cảm ơn quý thầy, đồng nghiệp! Trong q trình thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót mong nhận ý kiến góp ý bổ ích! Xin chân thành cảm ơn! 25 3.2 Kiến nghị Do giáo viên trẻ, kinh nghiệm công tác chưa nhiều nên sáng kiến tơi đưa có phần chủ quan Nên kiến nghị thầy cô giảng dạy lựa chọn hệ thống tập vận dụng phù hợp với mức độ nhận thức học sinh tránh việc chép dập khn theo kịch mà không phù hợp với đối tượng học sinh thầy cô 26 XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 15 tháng năm 2021 Tơi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Người viết sáng kiến Bùi Thị Thanh Hà 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Dun Bình, Nguyễn Quang, Nguyễn Thượng Chung, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Ngơ Quốc Qnh SGK (2012), Vật Lí 12 Cơ bản, NXB Giáo Dục Lương Duyên Bình, Nguyễn Xn Chi, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Vũ Quang, Bùi Gia Thịnh SGK(2006), Vật Lí 10 Cơ bản, NXB Giáo Dục Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư, Lê Trọng Tường, Lương Tất Đạt, Lê Chân Hùng, nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Đình Thiết, Bùi Trọng Tuân (2006), SGK Vật Lí 10 Nâng cao, NXB Giáo Dục Nguyễn Thế Khôi, Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Đức Hiệp, Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình Thiết, Phạm Quý Tư (2009), SGK Vật Lí 12 Nâng cao, NXB Giáo Dục 28 DANH MỤC SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐÃ ĐƯỢC HỘI ĐỒNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM NGÀNH GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HUYỆN, TỈNH VÀ CÁC CẤP CAO HƠN XẾP LOẠI TỪ C TRỞ LÊN Họ tên tác giả: Bùi Thị Thanh Hà Chức vụ đơn vị công tác: Tổ trưởng chuyên môn – THPT Như Thanh TT Tên đề tai SKKN Cấp đánh giá xếp loại (Ngành GD cấp huyện/tỉnh; Tỉnh ) 29 Một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy môn Vật lý khối 10 THPT Như Thanh Ngành GD tỉnh Thanh Hóa Kết đánh giá xếp loại Năm học đánh giá xếp loại (A, B, C) C 2011-2012 30 ... ? ?Vận dụng định luật bảo toan để giải số bai toán dao động nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn vật lý 12 ở trường THPT Như Thanh ” nhằm hệ thống cho em dạng tập va chạm dao động vận dụng định luật. .. luật bảo tồn để giải tập 1 .2. Mục đích nghiên cứu Mục đích Sáng kiến kinh nghiệm ? ?Vận dụng định luật bảo toan để giải số bai toán dao động nhằm nâng cao chất lượng dạy học môn vật lý 12 ở trường. .. ngắn để trạng thái dao động lặp lại cũ.” b Tần số: “Tần số số dao động vật thực giây( số chu kỳ vật thực 10 (2) SGK Vật lý 12, trang (3) SGK Vật lý 12, trang 6-7 giây).” 2. 1 .2 Các định luật bảo