BỒI DƯỠNG tư DUY vật lý CHO học SINH QUA một số bài TOÁN THỰC tế PHẦN ĐỘNG học CHẤT điểm

PHẦN I MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Vật lý môn khoa học thực nghiệm Mỗi kiến thức vật lý gắn với thực tiễn Học vật lý, nắm lý thuyết, hiểu chất tượng tập giải chúng, phải biết vận dụng kiến thức giải thích tượng diễn xung quanh Có thế, thấy hay, đẹp môn vật lý Tuy nhiện, xu hướng học thi nay, môn vật lý, đặc biệt môn vật lý 10 trở thành nỗi sợ hãi, nỗi ám ảnh nhiều học sinh, đặc biệt với học sinh bắt đầu bước chân vào ngưỡng cửa cấp THPT, tiếp cận với phương pháp học tập Đó : - Đối với học sinh vào lớp 10, với học sinh mà toán học nắm chưa tốt việc đọc hiểu giải tập vật lý khó khăn kể em có học thuộc lý thuyết, có nhìn sách giải để tự giải tương tự em không làm Những học sinh thường sợ học môn vật lý xác định không chọn tổ hợp môn khoa học tự nhiên cho kỳ thi THPT Quốc gia vào cuối năm lớp 12 Do kiến thức vật lý mà em thu nhận ba năm THPT rơi rớt dần cuối gần khơng - Cịn với học sinh vào lớp 10, có kiến thức tốn học tốt việc vận dụng kiến thức tốn học để giải tập vật lý thường khơng khó khăn Các em thường giải tập vật lý nhanh, vận dụng toán học vào cho cách giải ngắn gọn, kết nhanh Những học sinh thường chọn tổ hợp môn KHTN cho kỳ thi THPT Quốc gia cuối năm lớp 12 Tuy nhiên, có kiến thức toán học tốt, áp lực điểm, áp lực thời gian mà đơi em thường “ tốn học hóa” tập vật lý, đơi khơng hiểu rõ chất tượng vật lý xảy Những em thường ngại học lý thuyết, nắm bắt không chắn tượng vật lý đo không thấy vẻ đẹp môn vật lý, không thực say mê mơn vật lý - Cịn lại số học sinh, có tảng tốn tốt, ham thích khám phá tượng tự nhiên Những học sinh chọn tổ hợp môn KHTN cho kỳ thi THPT Quốc gia, thường không bị áp lực điểm số, gặp tập vật lý, em thường phân tích kỹ tượng xảy ra, sau lựa chọn cơng cụ tốn học để giải, đơi phương pháp dài, làm thường bật lên chất vật lý tượng Đặc biệt, với học sinh này, u thích khám phá, nên đơi tượng diễn xung quanh, tượng gần gũi với sống em dùng kiến thức học giải thích cách cặn kẽ, thấu đáo Với học sinh này, em thấy vẻ đẹp khoa học nên học em say mê, u thích với mơn học, đặc biệt môn khoa học tự nhiên, có mơn vật lý Vậy, làm để truyền tải hết kiến thức vật lý cho học sinh theo chuẩn kiến thức kỹ năng, với cấp, khối học Bên cạnh đó, cịn phát hiện, bồi dưỡng niềm đam mê môn vật lý cho học sinh say mê, học sinh có tố chất nhiệm vụ mà giáo viên vật lý tơi khơng ngừng trăn trở, tìm tịi, học hỏi Chính vậy, q trình giảng dạy, để giúp học sinh nắm bắt kiến thức theo chuẩn kiến thức kỹ môn vật lý, cung cấp cho học sinh kiến thức, phương pháp giải tập vật lý,thì ngồi tập sách giáo khoa, sách tập, sách luyện đề… thường chọn số tập mà tượng diễn thực tế, gần gũi với em, tập nhằm mục đích giúp học sinh hiểu sâu sắc chất, tượng vật lý tốn, khơi giợi ni dưỡng niềm đam mê học sinh môn vật lý, qua phát huy tính độc lập, tính tích cực, tính sáng tạo phát triển lực tư học sinh II Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài là: Đưa số tập có nội dung thực tế thuộc phần Động học – Chương trình học 10 Phân tích, làm rõ chất tượng vật lý từ tìm phương pháp giải, giúp học sinh hiểu sâu sắc chất, tượng vật lý toán, khơi giợi nuôi dưỡng niềm đam mê học sinh mơn vật lý, qua phát huy tính độc lập, tính tích cực, tính sáng tạo phát triển lực tư học sinh III Đối tượng nghiên cứu: Các tập phần Động học – Chương trình học 10 IV Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý luận: Cơ sở lý thuyết dạng chuyển động vật - Phần học – Chương trình vật lý 10 Nghiên cứu thực tiễn: Các phương pháp giải tập liên quan đến dạng chuyển động vật V Phạm vi áp dụng Đề tài áp dụng cho học sinh học môn vật lý 10 THPT, học sinh đội tuyển học sinh giỏi vật lý học sinh thi tổ hơp môn KHTN kỳ thi THPT Quốc gia Đồng thời tài liệu tham khảo cho giáo viên giảng dạy môn vật lý THPT PHẦN II NỘI DUNG I Cơ sở lý luận đề tài Cơ học môn học nghiên cứu chuyển động vật, xem chất điểm Trong đó, chia làm hai phần: Động học động lực học Động học phần nghiên cứu dạng chuyển động vật mà khơng phân tích ngun nhân gây dạng chuyển động Cịn động lực học nghiên cứu chuyển động vật, có tương tác với vật khác mà sở ba định luật NiuTơn Chuyển động chất điểm khảo sát hệ quy chiếu Vị trí chất điểm xác định tọa độ mà vật có hệ quy chiếu Trong chương trình học 10, có đưa số dạng chuyển động bản: Chuyển động thẳng đều: chuyển động có qũy đạo đường thẳng có vận tốc khơng đổi khơng đổi theo thời gian Khi đó, xét hệ tọa độ đường thẳng trùng song song với quỹ đạo vị trí vật thời điểm xác định bằng: Chuyển động thẳng biến đổi đều: chuyển động có quỹ đạo đường thẳng có gia tốc khơng đổi theo thời gian Khi đó, xét hệ tọa độ đường thẳng trùng song song với quỹ đạo vị trí vật thời điểm xác định bằng: Trong đó, đặc trưng cho vị trí ban đầu chất điểm, vận tốc ban đầu Hàm chứa đựng thông tin đầy đủ động học chuyển động, nghĩa cần sử dụng hàm trả lời câu hỏi tập động học Chẳng hạn, phụ thuộc vận tốc tức thời theo thời gian, nhận cách đạo hàm hàm theo thời gian, ta được: Chuyển động vật theo quỹ đạo cong với gia tốc a khơng đổi Khi đó, chọn hệ tọa độ trùng với mặt phẳng quỹ đạo Ta có hai phương trình vơ hướng sau: Đặc biệt, với vật chuyển động gần mặt đất chịu tác dụng trọng lực nên chọn trục theo phương thẳng đứng, hướng lên Khi đó: Trong đó: góc tạo vectơ vận tốc ban đầu phương ngang Chuyển động tròn đều: chuyển động mà vận tốc vật thay đổi hướng mà không thay đổi độ lớn Khi đó, gia tốc vật có hướng vào tâm quỹ đạo có độ lớn: với bán kính quỹ đạo Việc sử dụng phương trình để giải toán động học phương pháp chủ ú, nhiên khơng phải phương pháp hay Với toán, thường có nhiều cách tiếp cận khác với việc nghiên cứu tượng vật lý, cách tiếp cận khác thường nảy khía cạnh vấn đề cần nghiên cứu, từ giúp ta hiểu sâu ý nghĩa vật lý tượng II Vai trị tốn vật lý Bài toán vật lý hay tập vật lý vấn đề đặt ra, đòi hỏi, yêu cầu học sinh phải giải nhờ suy luận logic, phép tốn thí nghiệm dựa sở kiến thức, định luật vật lý học Vai trò việc giải tập vật lý trình học tập học sinh có giá trị lớn, phương tiện nghiên cứu tài liệu trang bị kiến thức cho học sinh, phương tiẻnèn luyện cho học sinh khả vận dụng kiến thức liên hệ lý thuyết thực tế, học tập đời sống, cịn phương tiện rèn luyện tư duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh… Chính vai trị to lớn đó, mà việc sử dụng tập vật lý phù hợp, tập vật lý gắn với thực tiễn, tập vật lý gắn với sống xung quanh có tác dụng lớn việc rèn luyện tư duy, nuôi dưỡng đam mê sáng tạo học sinh, biến kiến thức mà em lĩnh hội trở nên có ích III Phương pháp chung để giải toán vật lý Có thể nói, khơng có phương pháp nào, khuôn mẫu để giải tất vấn đề đặt toán vật lý Để tiếp cận giải vấn đề đặt tốn vật lý, thơng thường, người ta thường theo quy trình sau: - Bước 1: Đọc đề Tìm hiểu đề Tìm hiểu yêu cầu đề - Bước 2: Phân tích tượng vật lý xảy đề bài, dự đoán khả xảy - Bước 3: Xác định định luật, công thức vật lý liên quan đến tượng diễn toán Bước 4: Xác lập mối liên hệ cụ thể đại lượng cho đại lượng cần tìm Dùng phương trình tốn học phù hợp để giải mối liên hệ Bước 5: Biện luận kết tìm được, rút kết luận IV Một số toán thực tế chương Động học chất điểm Trong phần này, đưa số tốn điển hình, hay gặp thực tế sống đặc biệt, để giải toán này, em phải nắm được, làm rõ chất tượng vật lý diễn B Bài tốn 1: Bài tốn vượt sơng Bài tốn: Một sơng có hai bờ song song cách khoảng Vận tốc dịng chảy tồn mặt sông A Yêu cầu đặt là: Tìm vận tốc tối thiểu thuyền nước để từ điểm A thuyền tới điểm B bờ bên kia, nằm phía dịng chảy khoảng Và tìm khoảng cách tối thiểu phải bao nhiêu, độ lớn vận tốc thuyền nước khơng đổi Phân tích tốn: Ta thấy rằng: Khi thuyền vượt sơng vectơ vận tốc thuyền so với bờ tổng vectơ vận tốc thuyền so với nước vận tốc nước so với bờ ( vận tốc dòng chảy) : B Coi vectơ vận tốc thuyền so với nước có độ lớn khơng đổi, đó, xuất phát từ A, thuyền tới điểm B vectơ vận tốc thuyền so với bờ hướng dọc theo đường thẳng AB lệch phía trái đường thẳng A Mà vận tốc vận tốc dịng chảy có hướng độ lớn khơng đổi, thấy thuyền tới B theo nhiều cách khác tùy thuộc vào hướng độ lớn véc tơ vận tốc Từ đó, ta thấy vận tốc có độ lớn cực tiểu B trùng với AB vng góc với AB Khi ta có: Bây vận tốc có độ lớn khơng đổi, cịn A hướng tùy ý: Để thuyền tới điểm B với độ trơi Ta thấy, cách chọn hướng thích hợp thuyền tới bờ bên mà khơng bị trơi A Cịn trơi thuyền khơng tránh khỏi Khi đó, trôi thuyền B cực tiểu Từ hình vẽ ta có: Như vậy: Khi thuyền tới bờ bên với vận tốc nhỏ trùng với AB A Và trơi thuyền nhỏ Như vậy, ngồi kiến thức toán học phải sử dụng toán là: phép cộng vectơ theo quy tắc tam giác, quy tắc hình bình hành, hệ thức tam giác đồng dạng, hệ thức lượng tam giác vuông, điều kiện cực đại, cực tiểu suy từ tam giác…… Thì kiến thức vật lý, học sinh phải nắm được, vật chuyển động hệ quy chiếu đứng yên hệ quy chiếu chuyển động, vận tốc vật tn theo cơng thức cộng vận tốc, đó, hệ quy chiếu chuyển động ln ảnh hưởng đến chuyển động vật, gây tượng trôi vật Bài tốn 2: Bài tốn đón xe Bài tốn: Một người cánh đồng, cách đường quốc lộ khoảng Người nhìn thấy xe khách từ bên phải chạy tới Hỏi người phải chạy theo hướng để đón đầu xe khách Phân tích tốn: Gọi vận tốc người , xe Ta thấy: Khi người đón đầu xe khách khoảng tùy ý Còn : Để chạy tới đường quốc lộ sớm nhất, người cần phải chọn đường ngắn Nếu chạy theo hướng khơng vng góc với đường quốc lộ, mà theo hướng lập với phương vng góc góc d B khơng lớn đường mà người phải chạy tăng lên đoạn , bù lại người tới quốc lộ cách điểm B bên trái góc đủ nhỏ làm đoạn Nếu chọn α cho khoảng cách lớn số lần tùy ý, tới quốc lộ cách người A xe khách khoảng lớn từ điểm B tới xe khách Vậy người cần phải chạy theo hướng nào? Để giải toán này, ta nên xét hệ quy chiếu gắn với xe khách Khi đó, Vectơ vận tốc người hệ quy chiếu gắn với xe D d B C Người đón xe khách Khi đó, khoảng cách từ B tới vị trí xe khách thời điểm ban đầu nhỏ Như vậy, người chạy theo hướng hợp với phương vng góc góc với α A người đón đầu xe khách với khoảng cách từ từ B tới vị trí xe khách thời điểm ban đầu nhỏ Như vậy, kiến thức toán học phải sử dụng toán là: phép cộng vectơ theo quy tắc tam giác, quy tắc hình bình hành, hệ thức tam giác đồng dạng, hệ thức lượng tam giác vuông, điều kiện cực đại, cực tiểu suy từ tam giác…… Thì tốn cịn cho thấy, với chuyển động tương nhau, hướng chuyển động quan trọng Bài toán 3: Bài toán bóng rơi Bài tốn: Một bóng ném vào rổ từ rổ rơi xuống theo phương thẳng đứng khơng vận tốc ban đầu Vào thời điểm đó, điểm cách rổ khoảng , người ta ném bóng tennit vào bóng rổ rơi Hỏi phải ném bóng tennit với vận tốc ban đầu để đập vào bóng rổ thời 10 điểm cách rổ khoảng Bỏ qua sức cản khơng khí 11 Phân tích tốn: Bài tốn đặt là: Tìm vận tốc ban đầu bóng tennit hướng độ lớn để đập vào bóng rổ Có thể giải tốn hệ quy chiếu gắn với mặt đất: Chọn hệ tọa độ Oxy hình vẽ, gốc thời gian lúc ném bóng tennit Phương trình chuyển động bóng tennit: 12 H α x O h y 13 Phương trình chuyển động bóng rổ: Để bóng tennit đập trúng bóng rổ vị trí cách rổ khoảng Ta có Từ suy ra: Từ (*) ta nhận thấy: hướng ném bóng tennit phải nằm đường thẳng nối điểm ném với rổ, cần phải ném bóng tennit với vận tốc ban đầu theo hướng tới rổ Độ lớn vận tốc ban đầu: Ngồi ra, tốn giải cách, chọn hệ quy chiếu gắn với bỏng rổ Trong hệ quy chiếu đó, bỏng rổ đứng n, cịn bóng tennit chuyển động thẳng với vận tốc Để bóng tennit đập trúng vào bóng rổ phải hướng vào bóng rổ tức hướng vào rổ sau thời gian đập trúng bóng rổ Với Như qua tốn thấy, số trường hợp, việc chọn hệ quy chiếu thích hợp làm cho việc giải toán trở nên đơn giản nhiều điều đặc biệt toán xuất hệ quy chiếu có gia tốc g Bài tốn 4: Vật ném trúng đích với vận tốc ban đầu nhỏ 14 Bài tốn: Từ mặt đất người ta ném hịn đá lên điểm đích có độ cao cách nơi ném đoạn s theo phương ngang Hỏi ném hịn đá trúng đích với vận tốc ban đầu nhỏ Bỏ qua sức cản khơng khí Phân tích tốn: Nếu khơng phân tích kỹ, nghĩ rằng, vận tốc ban đầu đá nhỏ điểm cao quỹ đạo trùng với đích Tuy nhiên, khơng cần giải chứng tỏ thực tế Ta tưởng tượng, giảm dần độ cao đích, điểm mà hịn đá rơi trúng theo giả thuyết điểm cao quỹ đạo, kể trường hợp giới hạn , cần hất nhẹ hịn đá vào đích Như vậy, giả thuyết cho đích trùng với điểm cao quỹ đạo vận tốc ban đầu hịn đá nhỏ khơng Từ phân tích trên, thấy để hịn đá trúng đích với vận tốc ban đầu nhỏ đích phải nằm nhánh xuống quỹ đạo Khi ta có: 15 Suy ra: Phương trình (*) có hai nghiệm , đố có vơ số nghiệm để hịn đá rơi trúng đích Trong số nghiệm đó, ta cần tìm nghiệm ứng với vận tốc ban đầu nhỏ Từ (*) suy ra: Từ (1) ta có: Để (1) có nghiệm thì: giá trị tương ứng Khi đó: Kiểm tra tính đắn kết vừa tìm cách xem xét trường hợp giới hạn: Nếu : Đây trường hợp ứng với tầm bay cực đại ứng với vận tốc ban đầu cho với tầm bay ban đầu cho vận tốc ban đầu cực đại Nếu : Hịn đá cần phải ném lên theo phương thẳng đứng Chỉ trường hợp này, vị trí đích trùng với điểm cao quỹ đạo Ngồi ra, có cách làm khác đơn giản hơn, là: ta nhận thấy, với khoảng cách cho, đích đặt cao vận tốc ban đầu cực tiểu đá phải lớn Bởi vậy, thay tìm cho, ta tìm cực đại cho Từ (1) suy tam thức bậc hai: Dễ thấy: đạt khi: 16 Với tốn này, ngồi kiến thức tốn học phải sử dụng toán là: phương pháp tọa độ, phương trình hình chiếu, kiến thức tam thức bậc hai, cực đại, cực tiểu tam thức bậc hai…… Thì kiến thức vật lý em nắm được: quỹ đạo chuyển động vật bị ném lên parabol, có đỉnh vị trí vật đạt độ cao cực đại, tùy thuộc vào hướng ném, vận tốc ném mà hình dạng quỹ đạo khác muốn ném vật trúng đích với vận tốc ban đầu nhỏ ném thẳng đứng lên trên, vị trí đích điểm cao quỹ đạo, ném theo hướng khác đích phải nằm nhánh xuống quỹ đạo Bài toán 5: Bài toán trúng đích phía sau tường Bài tốn: Giữa súng cối vào mục tiêu mặt đất có tường với độ cao h Khoảng cách từ súng đến tường , từ tường đến mục tiêu Hãy xác định vận tốc ban đầu tối thiểu đạn để bắn trúng mục tiêu Khi góc bắn súng Bỏ qua sức cản khơng khí Phân tích tốn: Trước hết, khảo sát tất quỹ đạo qua mục tiêu Ta thấy: quỹ đạo ứng với góc vận tốc ban đầu nhỏ Bởi vậy, tường nằm thấp quỹ đạo này, quỹ đạo nghiệm tốn Cịn tường cao hơn, quỹ đạo cần tìm quỹ đạo qua mép tường Do ta có cách làm sau: Chọn hệ tọa độ hình vẽ Phương trình chuyển động đạn: Từ (1) suy phương trình quỹ đạo đạn: Để đạn trúng mục tiêu: 17 Thay vào (2) ta được: Khi Bây ta xem xét, quỹ đạo bên tường Muốn vậy, ta tìm vị trí có quỹ đạo: Thay vào (6) ta được: * Nếu quỹ đạo cần tìm xác định hệ thức tương ứng với Vận tốc ban đầu nhỏ nhất: * Nếu : trường hợp này, quỹ đạo cần tìm quỹ đạo qua mép tường Khi đó: Thay vào (5) ta được: Thay vào (5) ta phương trình quỹ đạo: Từ (4): Vận tốc ban đầu nhỏ đạn: Như thấy: * Nếu góc bắn súng vận tốc ban đầu nhỏ đạn * Nếu góc bắn súng vận tốc ban đầu đạn là: Như vậy, để giải tập vật lý, đòi hỏi em phải nắm lý thuyết, hiểu rõ chất tượng diễn đó, từ vận dụng cơng thức, định luật thích hợp để giải hồn thiện tất nhiên, công cụ thiếu cho trình hồn thiện tập vật lý cơng thức, phép biến đổi tốn học Tuy nhiên, giải vật lý giải vật lý bị “tốn học hóa” thường khác Một giải vật lý, làm bật tượng vật lý xảy đó, thấy khả xảy với tượng dùng cơng cụ tối ưu để giải Để làm việc đó, địi hỏi em phải nắm kiến thức, có kỹ quan sát, phân tích, tổng hợp vấn đề … đặc biệt kỹ lựa chọn linh hoạt công cụ phương pháp xử lý Những học sinh 18 thường khơng bị bó buộc phương pháp, khn mẫu cứng nhắc mà có cách thức, phương pháp sáng tạo V Hiệu sáng kiến kinh nghiệm hoạt động giáo dục Đề tài khảo sát đối tượng học sinh lớp 10, diễn thời gian em học chương I: Động học chất điểm, áp dụng tiết tập Khi giáo viên giao nhiệm vụ cho học sinh tập nhà Kết sơ sau: Trước có hướng dẫn: Đa số không làm được, vài em giải được, làm chưa khoa học, nhiều chỗ lúng túng, chưa nắm chất Sau có hướng dẫn: Nhóm khơng làm cảm thấy khó hiểu, tương tự khơng tự giải Cịn nhóm làm hiểu vấn đề hơn, em nắm phương pháp, vận dụng tốt tập tương tự Đặc biệt số em tư duy, phân tích nhanh tượng xảy tốn nâng cao giải tốt Kết điểm trung bình mơn Vật lý lớp học kỳ I học kỳ II năm học 2020 – 2021 Học kỳ I Lớp Số HS KT 10D 41 Kém Yếu TB Khá Giỏi SL TL SL TL SL TL SL TL SL TL 7.3 % 14 34.1 % 18 43.9 % 9.8 % 4.9% Học kỳ II Số HS Lớp KT 10D 39 Kém Yếu TB Khá Giỏi SL TL SL TL SL TL SL TL SL TL 10.3 % 5.1 % 15 38.5 % 17.9 % 11 28.2 % 19 Có thể bảng kết chưa thật xác khơng thể lấy để đánh giá hiệu đề tài, nhiên điều mà thân giáo viên tơi khẳng định hướng dẫn cách đắn, biết cách dẫn dắt khơi gợi niềm u thích, đam mê em có nhiều em khơng cịn cảm thấy “sợ”, khơng cịn cảm thấy “ám ảnh” với môn vật lý 20 PHẦN III KẾT LUẬN Trên vài kinh nghiệm tơi đúc rút q trình dạy nhằm nâng cao hiệu vật lý, gây hứng thú khả sáng tạo học sinh học môn Vật lý, phát bồi dưỡng niềm đam mê môn vật lý học sinh Tuy nhiên, thời gian, kinh nghiệm lực thân hạn chế , đồng thời đối tượng học sinh mà tơi áp dụng có chất lượng đầu vào chưa thật tốt nên đề tài chắn khơng tránh khỏi sai sót, mong bạn bè, đồng nghiệp bổ sung, góp ý để hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Vĩnh Lộc, ngày 20 tháng năm 2021 XÁC NHẬN CỦA NHÀ TRƯỜNG Tơi xin cam đoan SKKN viết, không chép nội dung người khác Nguyễn Thị Ban 21 ... IV Một số toán thực tế chương Động học chất điểm Trong phần này, tơi đưa số tốn điển hình, hay gặp thực tế sống đặc biệt, để giải toán này, em phải nắm được, làm rõ chất tư? ??ng vật lý diễn B Bài. .. PHẦN II NỘI DUNG I Cơ sở lý luận đề tài Cơ học môn học nghiên cứu chuyển động vật, xem chất điểm Trong đó, chia làm hai phần: Động học động lực học Động học phần nghiên cứu dạng chuyển động vật. .. nội dung thực tế thuộc phần Động học – Chương trình học 10 Phân tích, làm rõ chất tư? ??ng vật lý từ tìm phương pháp giải, giúp học sinh hiểu sâu sắc chất, tư? ??ng vật lý tốn, khơi giợi ni dưỡng niềm