9. Cấu trúc luận văn
2.2. Nội dung kiến thức cơ bản của chương “Các định luật bảo toàn”
2.2.1. Đặc điểm chung của chương
Chương “Các định luật bảo toàn” là chương cuối cùng của phần cơ học trong vật lí 10. Theo phân phối chương trình vật lí 10 nâng cao, do Bộ Giáo dục và Đào tạo qui định, thời lượng giảng dạy đối với chương “Các định luật bảo toàn” là 13 tiết, trong đó có 10 tiết lí thuyết và 03 tiết bài tập.
Nội dung chính của chương có thể tóm tắt bằng sơ đồ ở hình 2.2.
Trong chương này có nhiều khái niệm đã học ở lớp 7 như khái niệm công, năng lượng, động năng, thế năng. Ở đây những khái niệm này được nghiêu cứu một cách hệ thống và bổ sung cho hoàn chỉnh hơn, đặc biệt là làm rõ bản chất của các đại lượng trên.
Các ĐLBT có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu vật lý vì phạm vi áp dụng rất rộng rãi, cung cấp thêm một phương pháp giải các bài toán cơ học, bổ sung cho phương pháp động lực học. Khi áp dụng các ĐLBT, học sinh cần phải nắm vững các định luật Newton, cách tính công của các lực khác nhau, định lý động
năng…mới đem lại hiệu quả cao trong quá trình giải bài tập, vì vậy, có thể nói rằng bài tập về các ĐLBT hệ thống hoá một cách đầy đủ nhất các kiến thức của cơ học, đồng thời cũng làm cho những kiến thức đó thêm sâu sắc và hoàn thiện hơn.
Chương này được trình bày theo ý tưởng chia chương trình dạy thành 3 phần lớn: ĐLBT động lượng, ĐLBT năng lượng, các định luật Kê-ple.
Phần ĐLBT động lượng có hai nội dung chính: Định luật bảo toàn động lượng và ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng.
Phần ĐLBT năng lượng lấy khái niệm công làm trung tâm để xây dựng các kiến thức khác. Bài 38 và bài 39 (sách giáo khoa vật lí lớp 10 nâng cao) được đưa vào với mục đích hình thành phương pháp nghiên cứu mới: phương pháp dùng các ĐLBT, củng cố và hình thành kĩ năng vận dụng kiến thức vừa học cho HS.
Phần các định luật Kê-ple là một phần mới được đưa vào chương trình nâng cao nhằm giúp cho học sinh có được một số kiến thức cơ bản về các định luật mô tả quy luật chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt trời. Phần này giúp HS nâng cao hiểu biết thực tế đối với các hiện tượng thiên nhiên và vũ trụ. Các định luật này chính là hệ quả suy ra từ các định luật cơ bản của cơ học.
2.2.2. Mức độ cần đạt được về kiến thức, kĩ năng của chương “Các định luật bảo toàn” bảo toàn”
Kiến thức
- Phát biểu và viết được biểu thức (nếu có) đối với các khái niệm động lượng, hệ kín, lực thế, xung lượng của lực, công, công suất, năng lượng, động năng, thế năng, cơ năng.
- Nắm được mối liên hệ giữa độ biến thiên động lượng với xung lượng của lực: độ biến thiên động lượng bằng xung lượng của lực.
- Phát biểu và viết được biểu thức của định lí động năng, định lí về độ giảm thế năng.
- Phát biểu được nội dung, viết được biểu thức của các ĐLBT động lượng, bảo toàn cơ năng, định luật Kê-ple.
- Nắm được giới hạn sử dụng của ĐLBT cơ năng: áp dụng cho trường hợp vật chịu tác dụng của lực thế (hệ kín, không ma sát). Còn trong trường hợp vật chịu tác dụng của lực không thế thì độ biến thiên cơ năng chính bằng công của lực không thế, đây cũng chính là nội dung định luật bảo toàn năng lượng.
- Nắm được ứng dụng của ĐLBT động lượng trong việc xét các chuyển động bằng phản lực và trong việc giải các bài toán va chạm: va chạm đàn hồi và không đàn hồi.
Kĩ năng
- Vận dụng được công thức .F tuur∆ = ∆Pur để giải thích các hiện tượng trong thực tế như: Người thủ môn khi bắt bóng thường phải co tay lại và lùi người một chút
theo hướng đi của quả bóng; Có thể kéo tờ giấy đặt dưới cốc nước ra khỏi cốc mà cốc nước vẫn không đổ;…
- Vận dụng được ĐLBT động lượng để giải các bài toán liên quan và các bài toán chuyển động bằng phản lực.
- Vận dụng được các kiến thức về công, công suất, động năng, thế năng, cơ năng, ĐLBT cơ năng để giải các bài toán liên quan và giải thích các hiện tượng trong thực tế.
- Vận dụng ĐLBT động lượng và ĐLBT cơ năng vào việc giải các bài toán va chạm: va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi.
- Vận dụng các công thức của định luật Kê-ple để tính toán các vận tốc vũ trụ cấp 1, cấp 2, cấp 3.
- Biết so sánh 2 phương pháp giải BTVL, phương pháp các định luật bảo toàn và phương pháp động lực học, biết lựa chọn và sử dụng phương pháp giải phù hợp với từng bài tập cụ thể.
2.3. Xây dựng hệ thống bài tập vật lí chương “Các định luật bảo toàn” theo hướng phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh trung học phổ thông hướng phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh trung học phổ thông
2.3.1. Nguyên tắc xây dựng
Việc xây dựng hệ thống BTVL chương “Các định luật bảo toàn” theo hướng phát huy tính tích cực, tự lực của HS cần đảm bảo các nguyên tắc sau [32]:
Hệ thống BTVL phải góp phần thực hiện mục tiêu môn học
Mỗi BT trong hệ thống BT phải có mục đích củng cố, vận dụng và phát triển một hệ thống kiến thức mà HS đã học, rèn luyện cho các em các kĩ năng cơ bản để giúp các em có điều kiện lựa chọn hướng phát triển, tiếp tục học ở các bậc cao hơn hoặc vận dụng vào cuộc sống. Muốn như thế, các bài tập phải có nội dung bám sát vào các kiến thức trong SGK vật lí 10 nâng cao, phù hợp với chuẩn kiến thức, kĩ năng mà Bộ giáo dục qui định đối với chương “Các định luật bảo toàn”.
Hệ thống BT phải đảm bảo tính hệ thống, tính đa dạng
Mỗi BT được lựa chọn phải là một mắc xích trong hệ thống BT, BT trước là cơ sở, là nền tảng để thực hiện BT sau và BT sau là sự cụ thể hóa, sự phát triển và củng cố vững chắc hơn BT trước. Mỗi BT tương ứng với một kĩ năng nhất định,
toàn bộ hệ thống gồm nhiều BT sẽ hình thành một hệ thống kĩ năng đồng bộ cho người học trong quá trình dạy học vật lí.
Hệ thống BTVL phải đa dạng, phong phú về thể loại: BT định tính, BT định lượng, BT đồ thị,…Sự đa dạng của hệ thống BT giúp HS hiểu kiến thức sâu sắc hơn, vận dụng kiến thức linh hoạt hơn.
Hệ thống BT phải đảm bảo tính vừa sức và phát huy được tính tích cực nhận thức của HS
Các BT phải đi từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp. Cụ thể, nên sắp xếp hệ thống BT theo các mức độ từ nhận biết, hiểu, vận dụng đến tổng hợp. Ở các mức độ dễ như nhận biết, hiểu, HS chỉ cần vận dụng những kiến thức đã biết vào những tình huống quen thuộc. Ở mức độ khó hơn, đòi hỏi HS phải biết vận dụng kiến thức đã học vào những tình huống mới. Mỗi bài tập sau phải đem lại cho HS một khó khăn vừa sức và một điều mới lạ nhất định nhằm tạo hứng thú trong học tập. Nội dung mỗi BT phải chứa đựng “tình huống có vấn đề”, làm cho HS có nhu cầu giải quyết vấn đề trong BT, từ đó phát huy được tính tích cực nhận thức của các em.
Hệ thống BT phải hướng HS vào những suy nghĩ độc lập, giúp các em bộc lộ những kiến thức tự tìm tòi, phát hiện
Mỗi BT trong hệ thống BT phải đặt HS vào trạng thái suy nghĩ, cân nhắc, suy luận để tìm lời giải cho BT. Cần hạn chế những BT không đòi hỏi suy nghĩ của HS, chỉ cần thay vào công thức sẵn có là tìm được kết quả của BT mà không hiểu bản chất, ý nghĩa của vấn đề. Nên chú ý đến những BT mang tính thực tế, với những BT này HS sẽ vận dụng những kiến thức học hỏi được từ thực tế, từ đó kích thích được tích tích cực, tự lực, ham học hỏi, tìm tòi của các em.
2.3.2. Hệ thống bài tập chương “Các định luật bảo toàn”
Để giúp GV và HS tiện lợi hơn trong quá trình dạy và học chương “Các định luật bảo toàn”, chúng tôi tiến hành xây dựng một hệ thống BT trên cơ sở phân thành các chủ đề, trong từng chủ đề có cả BT định tính và BT định lượng, trong đó có BT tự luận và BT trắc nghiệm, các BT được sắp xếp từ dễ đến khó.
Do những hạn chế nhất định về khuôn khổ của một luận văn nên trong luận văn này chỉ xây dựng một hệ thống bài tập với số lượng vừa phải, lựa chọn các BT tiêu biểu cho từng chủ đề. Hệ thống BT xây dựng gồm 6 chủ đề:
Chủ đề 1. Động lượng. Áp dụng Định luật bảo toàn động lượng Chủ đề 2. Bài tập về công – công suất
Chủ đề 3. Bài tập về ứng dụng định lí động năng Chủ đề 4. Bài tập về thế năng
Chủ đề 5. Bài tập về định luật bảo toàn cơ năng Chủ đề 6. Các bài toán va chạm của các vật
Sau đây là hệ thống bài tập thuộc chủ đề 1. Hệ thống bài tập của các chủ đề còn lại sẽ được trình bày trong phần phụ lục của luận văn (Phụ lục 2)
Chủ đề 1. Động lượng. Áp dụng Định luật bảo toàn động lượng
Bài tập tự luận
Bài 1. Một em bé đang thổi hơi vào một quả bóng bay, khi bóng căng, do sơ ý quả bóng tuột khỏi tay. Hỏi quả bóng sẽ chuyển động như thế nào? Tại sao?
Bài 2. Trong bóng đá, khi người thủ môn bắt một quả bóng sút rất căng, người đó phải làm động tác kéo dài thời gian bóng chạm tay mình (thu bóng vào bụng). Hãy giải thích tại sao?
Bài 3. Một người lái đò đang đứng ở mũi thuyền, thuyền đậu sát bờ trên mặt nước yên lặng. Khi thấy có khách đi đò, người lái đò đã đị từ mũi thuyền xuống lái thuyền để đón khách. Hỏi người lái thuyền có đón được khách không? Tại sao?
Bài 4. Một con chim bị nhốt và đang đậu trên một thanh ngang trong lồng. Lồng được treo vào móc của một lực kế lò xo. Hỏi số chỉ tức thời của lực kế thay đổi như thế nào khi chim bay lên hoặc bay xuống trong lồng?
Bài 5. Một người làm xiếc nằm trên mặt đất rồi cho đặt lên ngực mình một tảng đá to. Sau đó cho người khác lấy búa tạ đập vào đá. Khi tảng đá vỡ, người làm xiếc vẫn đứng dậy vui cười chào khán giả. Tại sao người làm xiếc vẫn bình an vô sự?
Bài 6. Một viên đạn có khối lượng 14 g bay theo phương ngang với vận tốc 400 m/s xuyên qua tấm gỗ dày 5 cm. Sau khi xuyên qua gỗ đạn có vận tốc 120 m/s.
a) Tính động lượng của viên đạn trước và sau khi xuyên qua tấm gỗ. b) Tính thời gian vật xuyên qua tấm gỗ.
Bài 7. Một người có khối lượng 60 kg thả mình rơi tự do từ một cầu nhảy ở độ cao 3 m so với mặt nước. Sau khi chạm mặt nước được 0,55 s thì dừng chuyển động, lấy g = 10 m/s2.
a) Tìm vận tốc của người lúc chạm mặt nước. b) Tìm lực cản mà nước tác dụng lên người.
Bài 8. Hệ gồm hai vật có khối lượng bằng nhau m1 = m2 = 1 kg. Vận tốc của vật 1 có độ lớn v1=1 m/s và có hướng không đổi. Vận tốc của vật 2 có độ lớn v2=2 m/s. Tính tổng động lượng của hệ trong các trường hợp sau:
a) Vật 2 chuyển động cùng hướng với vật 1. b) Vật 2 chuyển động ngược hướng với vật 1.
c) Vật 2 chuyển động theo hướng vuông góc với vật 1.
d) Vật 2 chuyển động theo hướng hợp với hướng của vật 1 một góc 600.
Bài 9. Một viên đạn đang bay thẳng đứng lên trên với vận tốc 250 m/s thì nổ thành 2 mảnh có khối lượng bằng nhau. Một mảnh bay theo phương ngang với vận tốc 500 m/s. Hỏi mảnh kia bay theo phương nào với vận tốc bằng bao nhiêu?
Bài 10. Một viên đạn đang bay ngang, cách mặt đất 200 m, với vận tốc 300 m/s thì nổ thành hai mảnh có khối lượng m1 = 10 kg và m2 = 20 kg. Mảnh 1 bay lên theo phương thẳng đứng với tốc độ v1 = 519 m/s.
a) Tính động lượng của viên đạn trước khi nổ. b) Xác định vận tốc của mảnh 2 ngay sau khi nổ.
Bài 11. Một lựu đạn được ném từ mặt đất với vận tốc v0 = 20 m/s theo hướng lệch với phương ngang góc α = 300. Lên tới đỉnh cao nhất nó nổ thành hai mảnh có khối lượng bằng nhau. Mảnh I rơi thẳng đứng với vận tốc v1 = 20 m/s.
a) Tìm hướng và độ lớn vận tốc của mảnh II.
b) Mảnh II lên tới độ cao cực đại cách mặt đất bao nhiêu?
Bài 12. Một người khối lượng m1 = 50 kg nhảy từ một chiếc xe có khối lượng m2 = 80 kg đang chuyển động theo phương ngang với vận tốc v = 3 m/s. Biết vận tốc nhảy của người đối với xe là vo = 3 m/s. Tính vận tốc của xe sau khi người ấy nhảy trong các trường hợp:
Bài 13. Một chiếc thuyền dài 4 m, khối lượng M = 150 kg đang đứng yên trên sông. Bạn Nam có khối lượng m = 50 kg đang đứng ở mũi thuyền, mũi của thuyền ở xa bờ sông hơn, cách bờ sông một khoảng 6 m. Nam đi về phía đuôi thuyền với vận tốc đều.
a) Hỏi, khi Nam đi đến đuôi thuyền thì bạn ấy còn cách bờ một khoảng bằng bao nhiêu?
b) Nếu sau đó, bạn Nam quay ngược lại để đi đến mũi thuyền thì khi đến mũi thuyền, bạn Nam sẽ cách bờ bao nhiêu?
Bài 14. Một tên lửa có khối lượng tổng cộng M = 100 T đang bay với vận tốc vo = 200 m/s đối với trái đất thì phụt ra (tức thời) một khối khí có khối lượng m = 20 T với vận tốc v = 500 m/s đối với tên lửa. Tính vận tốc tên lửa sau khi phụt khí trong hai trường hợp:
a) Khí phụt ra phía sau b) Khí phụt ra phía trước Bài tập trắc nghiệm
Bài 1. Nguyên tắc chuyển động bằng phản lực được vận dụng trong trường hợp nào sau đây:
A. Dậm đà để nhảy cao B. Phóng vệ tinh nhân tạo C. Người chèo xuồng trên sông D. Máy bay trực thăng cất cánh Bài 2. Một cốc đựng nước đặt trên một tờ giấy nhẵn để trên mặt bàn phẳng. Nếu dùng tay kéo nhanh tờ giấy thì có thể rút tờ giấy ra khỏi cốc nước mà cốc nước vẫn gần như đứng yên. Đó là vì:
A. Lực kéo đủ lớn để thắng lực ma sát giữa giấy và bàn. B. Lực kéo đủ lớn để thắng lực ma sát giữa giấy và cốc nước.
C. Thời gian tác dụng quá ngắn, không đủ làm thay đổi đáng kể động lượng của cốc nước.
D. Trọng lượng của cốc nước không đủ lớn để giữ tờ giấy.
Bài 3. Hai vật có cùng động lượng nhưng có khối lượng khác nhau, cùng bắt đầu chuyển động trên một mặt phẳng và bị dừng lại do ma sát. Hệ số ma sát là như nhau. Hãy so sánh thời gian chuyển động của mỗi vật cho tới khi bị dừng.
B. Thời gian chuyển động của vật có khối lượng nhỏ dài hơn. C. Thời gian chuyển động của hai vật bằng nhau.
D. Thiếu dữ kiện, không thể kết luận được.
Bài 4. Vật A có động lượng gấp đôi động lượng của vật B. Để làm vật A dừng lại, ta cần phải:
A. Tác dụng vào A một lực gấp đôi lực cần thiết để làm dừng vật B.