Hình thành kỹ năng vận dụng phương pháp động lực học cho học sinh thông qua việc hướng dẫn một số bài tập cơ học

TRNG I HC VINH Khoa Vt lý Hình thành kỹ năng vận dụng phơng pháp động lực học cho học sinh thông qua việc h- ớng dẫn giải một số bài tập cơ học Luận văn cử nhân s phạm ngành vật lý Giáo viên hớng dần: PGS.TS. Nguyễn quang Lạc Sinh viên thực hiện: Lê Thị Vân Vinh - 2006 Lời cảm ơn 1 luận văn tốt nghiệp này, tác giả đã nhận đợc sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình của thầy giáo hớng dẫn PGS. TS. Nguyễn Quang Lạc cùng với sự góp ý của các thầy cô giáo trong tổ phơng pháp và các bạn sinh viên trong khoa vật lý. Tác giả xin chân thành cảm ơn và luôn ghi nhớ sự giúp đỡ quý báu đó. Mở đầu 2 1. Lý do chọn đề tài. Xuất phát từ điều kiện thực tế: lợng kiến thức vật lý ngày càng phong phú còn số tiết học dành cho môn vật lý thì hạn chế. Do đó thời gian giành cho việc dạy học bài tập vật lý ở lớp là rất ít. Vì vậy việc rèn luyện cho học sinh kỹ năng giải bài tập là một việc rất cần thiết. Đồng thời xuất phát từ vai trò, tác dụng của bài tập vật lý: Trong dạt học ngời ta xem bài tập là một phơng tiện dạy học nhằm củng cố, khắc sâu kiến thức lý thuyết, thông qua bài tập học sinh làm quen với khoa học kỹ thuật, làm quen với việc ứng dụng khoa học vào cuộc sống. Phần các định luật Newtơn và các lực cơ học đợc vận dụng rất nhiều trong khoa học kỹ thuật cũng nh trong đời sống. Hơn nữa đây là nội dung trọng tâm, là sợi chỉ đỏ xuyên suốt chơng trình cơ học cổ điển nên việc nắm vững nó là cơ sở để đi sâu nghiên cứu các phần tiếp theo vào thực tế. Phơng pháp động lực học là một trong những phơng pháp cơ bản để giải các bài tập cơ học. Trong chơng trình vật lý PTTH cơ học đợc xem là một phần có tầm trọng. Vì những lý do nêu trên em đã lựa chọn đề tài Hình thành kỹ năng vận dụng phơng pháp động lực học cho học sinh thông qua việc hớng dẫn giải một số bài tập cơ học để làm đề tài cho khoá luận tốt nghiệp của mình. 2. Mục đích của đề tài. Hình thành và rèn luyện các kỹ năng cần thiết cho học sinh khi sử dụng phơng pháp động lực học thông qua việc hớng dẫn giải một số bài tập cơ học lớp 10 THPT. - Nghiên cứu vai trò, tác dụng của bài tập vật lý đối với sự phát triển t duy của học sinh. - Nghiên cứu phơng pháp động lực học của để giải các bài tập cơ học lớp 10. 3 - Xây dựng một hệ thống bài tập cơ học và đề xuất tiến trình hớng dẫn giải chúng theo hớng hình thành cho học sinh kỹ năng vận dụng phơng pháp động lực học. 4. Phơng pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu lý luận: Tổng kết từ các t liệu đã công bố. - Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý đối với việc hình thành năng lực t duy và kỹ năng giải quyết vấn đề khi vận dụng kiến thức đã học. - Nghiên cứu thực nghiệm: Soạn thảo tiến trình dạy học một số bài tập cơ học với sự định hớng hình thành cho học sinh kỹ năng giải quyết vấn đề khi vận dụng phơng pháp động lực học. 5. Đối tợng nghiên cứu. - Quá trình dạy học vật lý ở trờng THPT. - Phơng pháp dạy học bài tập vật lý. - Dạy học bài tập cơ học khi vận dụng phơng pháp động lực học. 6. Giả thuyết khoa học. Thông qua việc dạy học một số bài tập cơ học lớp 10 theo tiến trình hợp lý sẽ có thể hình thành cho học sinh kỹ năng vận dụng phơng pháp động lực học, do đó có thể góp phần nâng cao chất lợng dạy học vật lý ở trờng THPT. 7. Cấu trúc của luận văn gồm: Mở đầu Chơng 1. Cơ sở lý luận của đề tài Chơng 2: Lựa chọn và hớng dẫn giải một số bài tập cơ học theo phơng pháp Động lực học. Chơng 3: Tiến trình hớng dẫn học sinh giải một số bài tập cơ học Kết luận Mục lục Tài liệu tham khảo Chơng 1: Cơ sở lý luận của đề tài 4 1.1. Vai trò, tác dụng của bài tập vật lý trong việc dạy học vật lý ở trờng THPT. Trong thực tế dạy học, bài tập vật lý đợc hiểu là một vấn đề đợc đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờ vận dụng những suy lý lôgic, những phép toán và thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và các phơng pháp vật lý. Hiểu theo nghĩa rộng thì mỗi vấn đề xuất hiện khi nghiên cứu tài liệu giáo khoa cũng chính là một bài tập đối với học sinh. Sự t duy định hớng một cách tích cực luôn luôn đ- ợc đặt ra trong việc giải bài tập. Trong quá trình dạy học vật lý, bài tập vật lý có tầm quan trọng đặc biệt. Nó đợc sử dụng nh một phơng tiện dạy học góp phần hoàn thành nhiệm vụ dạy học vật lý ở trờng THPT. - Bài tập vật lý giúp cho học sinh hiểu sâu hơn những quy luật vật lý, những hiện tợng vật lý, biết phân tích chúng và ứng dụng chúng vào những vấn đề thực tiễn. - Bài tập vật lý là một phơng tiện ôn tập, củng cố kiến thức đã học một cách sinh động và có hiệu quả. Khi giải bài tập sẽ giúp học sinh hiểu rõ hơn và ghi nhớ vững chắc những kiến thức đã học. - Bài tập vật lý là một phơng tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong việc rèn luyện t duy, bồi dỡng phơng pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Từ đó nâng cao năng lực làm việc độc lập, khả năng t duy sáng tạo của học sinh. - Bài tập vật lý là một hình thức củng cố, ôn tập, hệ thống hoá kiến thức trong một chơng, một phần của chơng trình. Do vậy đứng về mặt điều khiển hoạt động nhận thức thì bài tập vật lý cong là phơng tiện kiểm tra kiến thức và kỹ năng của học sinh. - Thông qua việc giải bài tập có thể rèn luyện cho học sinh những đức tính tốt nh tinh thần tự lập, tính cẩn thận, tính kiên trì, tinh thần vợt khó. 1.2. Phơng pháp giải bài tập vật lý. Trong quá trình dạy học vật lý ở trờng THPT, để giải đợc một bài tập vật lý yêu cầu học sinh không chỉ phải nắm vững kiến thức lý thuyết mà còn phải có 5 cách giải một cách khoa học. Vì vậy ngoài việc ôn tập và củng cố kiến thức cho học sinh, giáo viên cũng phải chú ý đến việc hình thành cho học sinh phơng pháp giải khoa học. Có nh vậy việc giải bài tập của học sinh sẽ dễ dàng hơn, lời giải có thể sẽ đợc trình bày rõ ràng, khoa học hơn. Tránh mò mẫm thậm chí là không giải đợc. Tuy nhiên để đa ra đợc một tiến trình chung cho việc giải bài tập vật lý thì điều đầu tiên là cần tìm hiểu quá trình t duy trong việc xác lập đờng lối giải một bài tập vật lý. Mục đích cần đạt đợc khi giải một bài tập vật lý là tìm câu trả lời đúng đắn, giải đáp đợc vấn đề đặt ra một cách có căn cứ khoa học và chặt chẽ. Quá trình giải một bài tập vật lý thực chất là quá trình tìm hiểu điều kiện của bài tập, xem xét hiện tợng vật lý đợc đề cập và dựa trên kiến thức vật lý toán để nghĩ tới những mối liên hệ khác với cái cần tìm sao cho có thể thấy đợc cái phải tìm có liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với cái đã cho biết, tức là tìm đợc lời giải đáp. Đó là đối với những bài tập định lợng, còn đối với bài tập định tính thì yêu cầu cơ bản là học sinh phải nắm vững các định luật vật lý, ý nghĩa của từng đại lợng vật lý liên quan. Từ đó phân tích các hiện tợng để tìm hiểu nguyên nhân bản chất và dự đoán kết quả của hiện tợng đó. Tuy nhiên thông thờng trong các bài tập vật lý thờng bao gồm có cả nội dung định lợng, lẫn định tính. Nhng khi tiến hành giải những bài tập vật lý có nội dung nh thế thì học sinh th- ờng chú ý nhiều hơn đến mặt định lợng mà quên đi nội dung định tính của nó. Vì vậy trong t duy khi giải bài tập vật lý giáo viên cần hớng cho học sinh tới bản chất vật lý của bài tập để tránh việc chỉ áp dụng công thức toán học thuần tuý mà quên đi ý nghĩa vật lý của nó. Từ sự phân tích t duy trong quá trình giải bài tập vật lý ở trên có thể chỉ ra những nét khái quát về các bớc chung của tiến trình giải bài tập vật lý. Điều này sẽ có tác dụng định hớng đúng đắn phơng pháp giải bài tập vật lý. Theo các bớc chung của tiến trình giải bài tập, giáo viên có thể kiểm tra hoạt động giải bài tập 6 của học sinh và có thể hớng dẫn giúp đỡ học sinh giải bài tập có hiệu quả. Nhìn chung tiến trình chung để giải một bài tập vật lý bao gồm các bớc: + Tìm hiểu đề bài. + Xác lập mối liên hệ của các dữ kiện xuất phát với cái phải tìm, xây dựng tiến trình giải. + Thực hiện tiến trình giải, rút ra kết quả cần tìm. + Kiểm tra xác nhận kết quả, biện luận và tìm cách giải khác (nếu có). 1. 3. Phơng pháp động lực học trong việc giải bài tập cơ học. Phơng pháp động lực học là phơng pháp vận dụng các kiến thức Động lực học (gồm ba định luật Newtơn và các lực cơ học) để giải các bài tập cơ học. ở phơng pháp động lực học kiến thức vật lý sử dụng chủ yếu là ba định luật Newtơn và các lực cơ học. Vì vậy để giải đợc các bài tập cơ học bằng phơng pháp động lực học yêu cầu học sinh phải nắm đợc biểu thức, tính chất của các lực cơ học cũng nh nội dung, biểu thức toán học, ý nghĩa vật lý của các định luật Newtơn. Nhìn chung các bài tập trong phần động lực học có thể đợc chia thành hai dạng chính: - Dạng bài tập xác định chuyển động khi biết trớc các lực (bài tập thuận). - Dạng bài tập xác định lực khi biết trớc chuyển động (bài tập nghịch). ở đây với dạng bài tập thuận là các bài tập yêu cầu xác định các yếu tố của trạng thái chuyển động của vật (hoặc hệ vật) khi biết trớc các lực tác dụng lên vật (hoặc hệ vật). Có nghĩa là với các bài tập dạng này ta hoàn toàn có thể tìm đợc gia tốc của vật (hoặc hệ vật) dựa vào các định luật chuyển động của Newtơn. Từ đó dựa vào các phơng trình động học và các mối liên hệ khác ta sẽ tìm đợc các đại lợng động học cần xác định. Còn đối với dạng bài tập nghịch thì ngợc lại bài tập yêu cầu xác định lực (hợp lực hoặc các lực thành phần) tác dụng lên vật (hoặc hệ vật) khi biết trớc trạng thái chuyển động của nó. Với dạng bài tập này yêu cầu là phải xác định đ- ợc gia tốc chuyển của vật (hoặc hệ vật) từ các phơng trình động học và động lực học và các mối liên hệ cần thiết giữa các dữ kiện đã cho. Từ đó dựa vào biểu 7 thức của định lụât II Newtơn và các định luật khác, các đặc điểm của các lực cơ học ta hoàn toàn có thể tìm đợc lời giải đáp một cách dễ dàng. Nh vậy qua việc phân tích ở trên ta có thể rút ra yêu cầu chung khi giải các bài tập cơ học. Đó là với dạng bài tập thuận hay dạng bài tập nghịch thì yêu cầu vẫn là nắm vững các định luật Newtơn đặc biệt là định luật II. Và dạng bài tập thuận hay nghịch chỉ đợc phân biệt khi luận giải là tìm đại lợng này hay đại lợng kia. Tuy nhiên với mục đích của bài khoá luận này là hình thành kỹ năng vận dụng phơng pháp động lực học cho học sinh cho nên tác giả đa ra phơng pháp giải riêng cho mỗi dạng bài tập. Để giúp các em dễ dàng nhận biết đợc để giải bài tập thuận thì cần có kỹ năng gì, cần để giải dạng bài tập nghịch thì cần có kỹ năng gì ? và từ đó khái quát lên cho các em các kỹ năng cần vận dụng khi giải một bài tập cơ học theo phơng pháp động lực học. Một điều cần lu ý ở đây là để vận dụng đợc phơng pháp giải nào thì yêu cầu đầu tiên đối với học sinh là phải xác định đợc bài tập cần giải thuộc loại nào: bài tập thuận hay bài tập nghịch. Để làm đợc điều đó học sinh phải đọc kỹ đề bài, xác định đâu là dữ kiện của bài tập, đâu là ẩn số phải tìm rồi đối chiếu với các biểu hiện của dạng bài tập thuận, dạng bài tập nghịch để xác định cho đúng bài tập cần giải thuộc dạng nào. Từ đó áp dụng phơng pháp giải của dạng bài tập đó. Qua việc phân tích ở trên ta có thể rút ra phơng pháp giải đối với mỗi dạng bài tập cơ học theo phơng pháp động lực học. 1.3.1. Phơng pháp giải dạng bài tập thuận. Sau khi xác định đợc bài tập cần giải thuộc dạng bài tập thuận học sinh có thể tiến hành giải theo các bớc: B ớc 1 : Chọn hệ quy chiếu sao cho việc giải bài tập đợc đơn giản. Để làm đợc điều đó yêu cầu học sinh phải đọc kỹ đề bài, hiểu đợc tại sao phải chọn hệ quy chiếu nh vậy và nó gắn với đại lợng nào đã cho (hay cần tìm) của bài tập. bài tập dạng này thì trớc khi chọn hệ quy chiếu ta thờng dự đoán phơng chuyển 8 động của vật dựa vào hợp lực tác dụng lên vật từ đó chọn hệ quy chiếu trong đó có một trục có phơng cùng với phơng chuyển động của vật theo dự kiến đó. B ớc 2: Biểu diễn trên một hình các lực tác dụng vào vật (coi vật là chất điểm); trong đó lu ý đến lực nào là lực phát động (cùng chiều với chuyển động) và lực nào là lực cản (ngợc chiều với chuyển động). B ớc 3: Viết phơng trình định luật II Newtơn dới dạng các véc tơ và dới dạng hình chiếu trên các trục toạ độ - từ đó xác định gia tốc chuyển động của vật (hoặc hệ vật). B ớc 4 : Sử dụng các mối liên hệ cần thiết của phần Động lực học và nội dung các lực cơ học ta có thể xác định đợc chuyển động của vật (hoặc hệ vật). ở bớc này để trả lời cho bài tập cần giải ta cần xem xét kết quả thu đợc có phù hợp với điều kiện của bài tập không, có phù hợp thứ nguyên không rồi mới đi đến kết luận. Nếu không thoả mãn một trong các yêu cầu trên cần kiểm tra lại quá trình giải. 1.3.2. Phơng pháp giải bài tập nghịch. B ớc 1 : Chọn hệ quy chiếu sao cho việc giải bài tập đợc đơn giản nhất. Với bài tập dạng này ta thờng chọn hệ quy chiếu trong đó có một trục có phơng cùng phơng với phơng chuyển động của vật. B ớc 2 : Xác định gia tốc của vật (hoặc hệ vật) căn cứ chuyển động đã cho. B ớc 3 : Xác định hợp lực tác dụng lên vật (hoặc từng vật trong hệ) theo định luật II Newtơn: = amF hl B ớc 4: Xác định các lực thành phần dựa vào hệ quy chiếu đã chọn và hợp lực đã biết; dựa vào tính chất vào biểu thức tính của các lực cơ học. Cũng nh ở bài tập thuận để trả lời cho bài tập vừa giải ta cần kiểm tra xem kết quả thu đợc có phù hợp không rồi mới đi đến kết luận. 1. 4. Bài tập thí dụ: 9 ở đây, tác giả đa ra hai bài tập thí dụ, một bài tập thuộc dạng bài tập thuận, một bài tập thuộc dạng bài tập nghịch để từ đó minh hoạ cho hai cách giải vừa đa ra ở trên. 1.4.1. Bài tập thí dụ 1. Đề bài: Ngời ta thả một cái thùng có khối lợng 280 kg cho chuyển động nhanh dần đều không vận tốc ban đầu xuống một hầm ở mỏ. Biết rằng 10 s đầu nó rơi đợc 35 m, xác định sức căng của dây treo. Lấy g = 9,8 m/s 2 . Bỏ qua sức cản của không khí. Để giải đợc bài tập này yêu cầu học sinh phải nhận dạng đợc đây là bài tập thuộc dạng nào: dạng bài tập thuận hay bài tập nghịch. Dựa vào dữ kiện và yêu cầu của bài tập ta thấy ở đây bài tập cho biết tính chất chuyển động của vật: chuyểsn động nhanh dần đều và một số đại lợng đặc trng của chuyển động. Yêu cầu của bài tập là xác định lực. Từ đó ta thấy, đây là bài tập thuộc dạng bài tập nghịch. Từ phân tích đó ta lần lợt thực hiện các bớc theo tiến trình giải một bài tập nghịch nh đã nêu ở trên. Hớng dẫn giải: * ở đây thùng chuyển động theo phơng thẳng đứng nên để đơn giản ta chọn trục oy cũng có phơng thẳng đứng và chiều dơng hớng xuống dới (nh hình vẽ). Gốc toạ độ o trùng trọng tâm của thùng ở thời điểm bắt đầu chuyển động (tức ở thời điểm t = 0). * Gia tốc chuyển động của thùng là a. Dựa vào phơng trình đờng đi của chuyển động nhanh dần đều với vận tốc ban đầu bằng không ta có: 2 2 1 atS = 2 2 t s a = T áp dụng s = 35 m; t = 10 s. )/(7,0 10 35.2 2 2 sma == * Tác dụng lên thùng gồm có hai lực: 10 o P . chọn đề tài Hình thành kỹ năng vận dụng phơng pháp động lực học cho học sinh thông qua việc hớng dẫn giải một số bài tập cơ học để làm đề tài cho khoá luận. pháp dạy học bài tập vật lý. - Dạy học bài tập cơ học khi vận dụng phơng pháp động lực học. 6. Giả thuyết khoa học. Thông qua việc dạy học một số bài tập