Công Công suất - Cấu trúc của khóa luận

8. Cấu trúc của khóa luận

2.1.4. Công Công suất

- Phát biểu được định nghĩa và viết được biểu thức công của lực, công suất và ý nghĩa của nó.

- Vận dụng được công thức tính công của lực và công suất để giải một số bài tập đơn giản.

2.7.5. Cơ năng

- Phát biểu được định nghĩa cơ năng và viết được biểu thức của cơ năng.

- Phát biểu được nội dung và xây dựng được biểu thức của định luật bảo toàn cơ năng khi vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi.

- Vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng khi vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi vào giải các bài tập liên quan.

2.2. Hệ thống các bài tập vật lí nhằm hình thành kiến thức mới trong dạy học

Trên cơ sở lí luận và thực tiễn của hình thành kiến thức mới bằng giải bài tập vật lí (chương 1) và xác định mục tiêu dạy học 5 kiến thức ở trên, chúng tôi soạn thảo một hệ thống gồm 11 bài tập nhằm hình thành kiến thức mới:

2.2.1. Lực đàn hồi của lò xo. Định luật Húc

Bài 1: “Có một lò xo nhẹ được giữ cố định một đầu, một vật nặng được móc vào đầu kia của nó. Hãy xác định các lực tác dụng lên vật khi nó đứng yên. Các lực đó có cùng bản chất hay không?”

Bài 2: “Dùng tay kéo hoặc nén một lò xo nhẹ trên giá đỡ của mặt phang nằm ngang, lực kéo trong đảm bảo thỏa mãn trong giới han đàn hồi. Hãy xác định điểm đặt, hướng của lực đàn hồi.”

Bài 3: “Có một lò xo nhẹ và các quả nặng có khối lượng khác nhau. Hãy tìm cách đo lực đàn hồi ứng với các độ biến dạng khác nhau của lò xo bằng cách sử dụng thí nghiệm. Từ đó rút ra kết luận về mối quan hệ giữa độ biến dạng của lò xo và độ lớn của lực đàn hồi.”

Bài 4: “Cho một quả nặng và các lò xo nhẹ có kích thước và chất liệu khác nhau. Hãy đề xuất thí nghiệm đo độ cứng к của các lò xo. Độ cứng к có phải là một hằng số đối với mọi lò xo hay không?”

2.2.2. Lực hưởng tâm

Bài 5: “ Xác định các lực tác dụng lên vật trong các trường họp sau và cho biết lực nào giúp vật chuyển động tròn đều:

a. Vệ tinh quay xung quanh Trái Đất. b. Ghế của chiếc đu quay đang quay đều. c. Vật đặt trên bàn quay đang quay đều.”

Bài 6: “Hãy tính lực hướng tâm của một vệ tinh có khối lượng m chuyển động tròn đều quanh Trái Đất với tốc độ góc Cở, bán kính quỹ đạo là r.”

2.2.3. Động lượng• о • о . Định luật bảo toàn động lượng• • « о t ơ

Bài 7: “Một vật nhỏ có khối lượng m đang chuyển động với vận tốc

V1, chịu tác dụng của lực F không đổi. Sau thời gian At, vật có vận tốc v2-

Hãy tìm mối quan hệ giữa F , vb v2 và m.”

Bài 8: “Tính độ biến thiên động lượng của một hệ cô lập gồm hai vật tương tác với nhau sau khoảng thời gian At bất kì. Hãy mở rộng kết quả cho

hệ cô lập gồm nhiều vật.”

Bài 9: “ Tác dụng lực F không đổi vào một vật làm vật dịch chuyển

được đoạn s. Tính công của lực F trong trường hợp F hợp với hướng dịch

chuyển một góc a.”

2.2.5. Cơ năng

Bài 10: “Một viên bi có khối lượng m rơi tự do lần lượt qua hai vị trí M và N tương úng với các độ cao Z], z2 tại đó có vận tôc Vị, v2 .

a. Tính công của lực tác dụng trên quỹ đạo chuyển động của nó.

b. Tính tổng động năng và thế năng của vật tại mỗi điểm trên quỹ đạo chuyển động của nó. Từ đó rút ra nhận xét về tổng ấy tại mỗi điểm trên quỹ đạo.”

Bài 11: “Một viên bi có khối lượng m được gắn vào một đầu của lò xo nhẹ có độ cứng k, đầu kia của lò xo gắn cố định. Trong viên bi có rãnh nhỏ giúp nó chuyển động không ma sát dọc theo thanh ngang cố định. Kéo viên bi ra khỏi vị trí cân bằng một đoạn rồi buông tay. Viên bi sẽ dao động quanh vị trí cân bằng.

a. Tính công của lực đàn hồi khi tác dụng trên quỹ đạo chuyển động của nó.

2.3. Tổ chức tiết học hình thành kiến thức mói bằng gỉảỉ bài tập vật lí

2.3.1. Lực đàn hồi của lò xo. Định luậtHúc

Kiến thức về Lực đàn hồi của lò xo. Định luật Húc được SGK vật lí 10 Cơ bản trình bày ở trang 71-73.

Sau khi GV ôn lại cho HS kiến thức về trọng lực (là lực do Trái Đất hút vật, có điểm đặt tại trọng tâm của vật, phương thắng đứng, chiều từ trên xuống dưới, biếu thức xác định độ lớn p = mg). Tiếp theo, GV có thể đặt vấn

đề vào bài như sau: Ở bài học trưó’c chúng ta vừa nghiên cứu về lực hấp dẫn, hôm nay chúng ta sẽ nghiên CÚOI một loại lực cơ học khác đó là lực đàn hồi. Tương tự, khi tìm hiểu về lực cơ học, chúng ta phải xác định các yếu tố của loại lực này về: Điều kiện xuất hiện lực, hướng, độ lớn. Để biết điều kiện xuất hiện lực GV yêu cầu học sinh giải bài tập 1 :

Bài 1: “Có một lò xo nhẹ được giữ cố định một đầu, một vật nặng được móc vào đầu kia của nó. Hãy xác định các ỉực tác dụng ỉên vật khi nó đứng yên. Các lực đó có cùng bản chất hay không? ”

Đe giải bài tập, đầu tiên GV hướng dẫn học sinh phân tích: Vật đặt trong trọng trường nên phải chịu tác dụng của trọng lực ĩ . Do lò xo nhẹ nên trọng lực tác dụng lên nó có thể bỏ qua. Khi vật đứng yên, từ định luật I Niutơn suy ra phải có một lực hoặc hợp lực tác dụng lên vật cân bằng với trọng lực tác dụng lên nó. Ngoài Trái Đất, vật chỉ có thế tương tác với lò xo. Do đó, lực tác dụng lên vật cân bằng với trọng lực là lực do lò xo tác dụng lên nó và lực này không cùng bản chất với trọng lực. Từ đó, GV thông báo cho HS rằng: Lực do lò xo tác dụng lên vật như trên gọi là lực đàn hồi của lò xo. HS tụ’ rút ra nhận xét: Lực đàn hồi xuất hiện khi vật tương tác bị biến dạng.

Tiếp theo, để giúp HS tìm hiểu các tính chất (điểm đặt, hướng) của lực đàn hồi của lò xo, GV yêu cầu HS giải bài tập 2:

Bài 2: “Dùng tay kéo hoặc nén một lò xo nhẹ trên giả đỡ của mặt phang nằm ngang, lực kẻo trong đảm bảo thỏa mãn trong giới han đàn hồi. Hãy xác định điếm đặt, hướng của lực đàn hồi. ”

HS tiến hành thí nghiệm hoặc nhớ lại nhũng quan sát trong thực tế để đưa ra câu trả lời cho bài tập:

- Lực đàn hồi có điểm đặt lên các vật gắn với lò xo mà gây ra biến dạng cho lò xo.

- Lực đàn hồi ngược hướng với lực gây ra biến dạng được gọi là lực đàn hồi.

Sau khi đưa ra cho HS khái niệm về độ biến dạng của lò xo, GV yêu cầu HS tự rút ra các đặc điểm về độ lớn của lực đàn hồi trong các trường hợp cụ thể ở bài tập 3:

Bài 3: “Có một lò xo nhẹ và các quả nặng có khối lượng khác nhau. Hãy tìm cách đo lực đàn hồi ứng với các độ biến dạng khác nhau của ỉò xo bằng cách sử dụng thỉ nghiêm. Từ đó rút ra kết luận về mối quan hệ giữa độ biến dạng của lò xo và độ lởn của lực đàn hồi. ”

Đe giải được bài tập này, HS cần dựa vào lời giải bài tập 1 cùng với những kinh nghiệm trong cuộc sống đi đến câu trả lời: Treo lần lượt các quả nặng vào lò xo. Khi quả nặng đúng yên, lực đàn hồi có độ lớn bằng trọng lực tác dụng lên nó : Fđh= p = mg. Việc đo trọng lực tác dụng lên quả nặng có thể dùng lực kế nếu ta không biết rõ khối lượng của chúng. Bằng cách đó ta sẽ xác định được độ lớn của lực đàn hồi. Hoặc ta cũng có thể đặt quả nặng lên trên các lò xo. Xác định độ lớn của lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo trong các trường hợp tương ứng, ta sẽ xác định được mối quan hệ giữa độ lớn của lực đàn hồi và độ biến dạng của lò xo.

Muốn tiết kiệm thời gian, GV có thể yêu cầu HS làm thí nghiệm với cách treo quả nặng vào lò xo để rút ra kết quả Fđh ~ |A/|. Sau đó, GV thông báo: Xét với các lò xo khác nhau cũng được kết quả tương tự và kết quả đó đúng với cả trường hợp lò xo bị nén. Vì vậy, có thế khái quát: Lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của nó.

Đe xây dựng đầy đủ đặc điểm về độ lớn của lực đàn hồi, GV đưa ra cho HS khái niệm giới hạn đàn hồi và phát biếu lại tính chất trên: Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo.

GV thông báo: Có thể thay dấu ” bằng dấu Fđh = к. |д/|, trong đó к được gọi là độ cứng hay hệ số đàn hồi.

Tiếp theo, GV có thể đặt vấn đề: Độ cứng к là hằng số với mọi lò xo hay là một hệ số đặc trưng riêng cho mỗi lò xo? Đe trả lời câu hỏi này, GV yêu cầu HS giải bài tập 4:

Bài 4: “Cho một quả nặng và các lò xo nhẹ có kích thước và chất liệu khác nhau. Hãy đề xuất thí nghiêm đo độ cứng к của các lò xo. Độ cứng к có phải là một hằng số đoi với mọi lò xo hay không? ”

Lời giải là: Lần lượt treo vật vào các lò xo khác nhau. Trong thí nghiệm này, độ lớn của lực đàn hồi là không đổi. Do đó, để so sánh độ cúng của các lò xo ta chỉ cần so sánh độ biến dạng của chúng khi vật đứng yên. Ket quả: Độ cứng của lò xo không phải là một hằng số đối với mọi lò xo và phụ thuộc vào kích thước, vật liệu làm lo xo. GV yêu cầu HS tự rút ra đon vị đo của độ cứng của lò xo.

Cuối cùng, GV thông báo: Khi nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lớn của lực đàn hồi với độ biến dạng của lò xo, Rôbớt Húc đã phát hiện ra định luật được gọi là định luật Húc: Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn của lực đàn hồi của lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng của lò xo: Fãh = к |Д /|.

Các kết quả trên không chỉ đúng cho lò xo mà còn đúng với các vật đàn hồi khác như dây cao su, dây thép bị kéo dãn hoặc các mặt tiếp xúc bị biến dạng khi ép vào nhau.

2.3.2. Lực hướng tâm

Kiến thức về Lực hướng tâm được SGK vật lí 10 Cơ bản trình bày ở trang 80 - 82.

Đầu tiết học, GV ôn lại cho HS công thức của định luật II Niu ton, kiến thức về chuyển động tròn đều và gia tốc hướng tâm. Sau đó, GV đưa ra một số ví dụ mà HS dễ tưởng tượng về chuyển động có quỹ đạo là đường tròn

hoặc cung tròn thường gặp trong cuộc sống: đặt vật lên chiếc bàn quay, đu quay ở công viên, tàu lượn...

Tiếp theo, GV đặt vấn đề: Tại sao vật không bị văng khỏi bàn, tàu lượn không bị trệch khỏi đường ray?

Đẻ trả lời câu hỏi trên, GV yêu cầu HS giải bài tập 5:

Bài 5: “ Xác định các lực tác dụng lên vật trong các trường hợp sau và cho biết lực nào giúp vật chuyến động tròn đều:

a. Vệ tinh quay xung quanh Trái Đất. b. Ghế của chiếc đu quay đang quay đều. c. Vật đặt trên bàn quay đang quay đều. ”

Do HS đã học khái niệm về lực nên dễ dàng đưa ra lời giải cho bài toán:

- Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn lên vệ tinh, lực này hướng vào tâm Trái Đất và giữ cho vệ tinh chuyển động tròn đều quanh Trái Đất.

- Các lực tác dụng lên ghế của chiếc đu gồm: Trọng lực p, lực căng dây f . Hợp của hai lực này hướng vào phía trục quay và làm cho ghế chuyển động tròn đều.

- Các lực tác dụng lên vật trên bàn quay gồm: Trọng lực p , phản lực Q

và lực ma sát nghỉ F . Trọng lực p cân bằng với phản lực Q. Như vậy, lực ma sát nghỉ F giữ cho vật chuyển động tròn đều.

GV thông báo: Trong các chuyển động tròn đều ở trên lực hấp dẫn, lực ma sát nghỉ hay hợp lực của trọng lực và lực căng dây đều gây ra gia tốc hướng tâm cho vật được gọi chung là lực hướng tâm.

GV đặt vấn đề để nhấn mạnh kiến thức cho HS: Vậy lực hướng tâm có phải là một loại lực mới không?

HS dễ dàng nhận thấy: Lực hướng tâm không phải là một loại lực mới, ngoài các loại lực đã biết như trọng lực, lực đàn hồi, lực ma sát mà chỉ là một lực hoặc hợp lực của các lực đó.

Đến đây, GV đưa ra khái niệm của lực hướng tâm: Lực (hay hợp lực của các lực) tác dụng vào vật chuyển động tròn đều và gây ra cho vật gia tốc hướng tâm gọi là lực hướng tâm.

Sau khi giải bài tập 5, HS dễ dàng giải thích câu hỏi đặt vấn đề vào bài của GV: Lực hướng tâm đã giữ cho vật chuyển động tròn đều không bị văng ra khỏi bàn, tàu lượn chuyển động trên cung tròn không bị trệch khỏi đường ray.

GV đặt tiếp vấn đề: Bằng cách nào có thể xác định công thức tính lực hướng tâm?

Đe trả lời câu hỏi, GV yêu cầu HS giải bài tập 6:

Bài 6: “Hãy tính lực hướng tâm của một vệ tỉnh có khối lượng m chuyến động tròn đều quanh Trái Đất với tốc độ góc co, bán kỉnh quỹ đạo là r. ”

Dựa vào định luật II Niutơn, công thức tính gia tốc hướng tâm, HS dễ dàng đưa ra lời giải:

Theo định luật II Niutơn: Fht = maht (1)

_ V 2

Ta lại c ó : ữht = — = CỞ r (2)

T? m y 2 _ . 2

Từ (1) và (2) suy ra : Fht - maht --- -- ma) r (3)

GV thông báo: (3) chính là công thức tính tổng quát của lực hướng tâm. 2.5.5. Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng

Kiến thức về Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng được SGK vật lí 10 Cơ bản trình bày ở trang 122-126.

Sau khi HS tìm hiếu khái niệm xung lượng của lụ’c, GV đặt vấn đề nghiên cún tác dụng của xung lượng của lực.

Đe tìm hiểu được điều đó, GV có thể đặt câu hỏi gợi nhó’ lại kiến thức cũ cho HS như sau:

-Lực có thể gây ra tác dụng gì?

- Đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi vận tốc là gì ? HS có thể trả lời câu hỏi của GV:

- Lực tác dụng lên vật có thể gây ra biến dạng cho vật hoặc làm thay đổi vận tốc của vật.

- Trong trường hợp vật được xem như là chất điểm thì tác dụng của lực chỉ làm thay đổi vận tốc của vật.

- Đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi của vận tốc là gia tốc.

Tiếp theo, GV có thể đặt vấn đề: Ngoài lực, có thể đặc trưng về mặt động lực học cho chuyển động của vật bằng đại lượng khác được không?

Đe trả lời câu hỏi đó, GV yêu cầu HS giải bài tập 7:

Bài 7 : “Một vật nhỏ có khối lượng m đang chuyên động với vận tốc V, , chịu tác dụng của ỉực F không đối. Sau thời gian Aỉ, vật có vận tốc v2. Hãy tìm

mối quan hệ giữa F , Vị t v 2 và m. ”

HS có thể vận dụng định nghĩa về gia tốc và định luật II Niutơn đã học ở những bài trước để giải bài tập. Vì vậy, GV hướng dẫn HS xác định gia tốc