8. Cấu trúc luận văn
2.1.1.Vị trí, đặc điểm chương “Các định luật bảo toàn”
Ở Vật lý 10, các định luật bảo toàn là những định luật tổng quát của thiên nhiên, được hình thành rất cơ bản ở đầu cấp. Tư tưởng bảo toàn được xuyên suốt trong các khái niệm định luật Vật lý mà ta sẽ vận dụng nhiều trong tất cả các lớp ở THPT.
Chương “Các định luật bảo toàn” là chương thứ IV trong Vật lý 10 và là chương quan trọng của chương trình Vật lý 10. Các định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn cơ năng là các định luật cơ bản của cơ học được trình bày trong chương “Các định luật bảo toàn” cho phép ta hiểu được sâu sắc nhiều thông tin về chuyển động của một hệ và vận dụng có hiệu quả trong việc giải nhiều bài toán cơ học.
Chương “Các định luật bảo toàn” gồm 5 bài, chiếm 10/74 tiết học theo phân phối chương trình, trong đó có 01 bài xây dựng kiến thức mới (2 tiết), 04 bài còn lại (6 tiết) về cơ bản có một số khái niệm HS đã được học ở cấp THCS nhưng ở cấp THPT thì được hiểu sâu hơn, tổng quát hơn và luyện tập (02 tiết).
Đây là chương có nhiều kiến thức được ứng dụng rộng rãi trong khoa học – kỹ thuật và trong đời sống và nhờ vào các định luật, người ta dự đoán được kết quả của nhiều hiện tượng Vật lý. Vì vậy, việc GV vận dụng PBL vào giảng dạy chương “Các định luật bảo toàn” sẽ kích thích hứng thú và say mê học tập ở HS.
2.1.2. Mục tiêu dạy học của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 THPT
2.1.2.1. Mục tiêu theo chuẩn kiến thức, kỹ năng [1] a. Về kiến thức
- Viết được công thức tính động lượng và nêu được đơn vị đo động lượng. - Phát biểu và viết được hệ thức của định luật bảo toàn động lượng đối với hệ hai vật.
- Nêu được nguyên tắc chuyển động bằng phản lực.
- Phát biểu được định nghĩa và viết được công thức tính công và công suất. - Phát biểu được định nghĩa và viết công thức tính động năng. Nêu được đơn vị đo động năng.
- Phát biểu được định nghĩa thế năng trọng trường của một vật và viết được công thức tính thế năng trọng trường. Nêu được đơn vị đo thế năng.
- Viết được công thức tính thế năng đàn hồi.
- Phát biểu được định nghĩa cơ năng và viết được công thức tính cơ năng. - Phát biểu và viết được biểu thức định luật bảo toàn cơ năng.
b. Về kỹ năng
- Vận dụng định luật bảo toàn động lượng để giải được các bài tập đối với hai vật va chạm mềm.
- Vận dụng được các công thức A = Fscosα và P =
t A
.
- Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng để giải được bài toán chuyển động của một vật.
c. Về thái độ
- Có hứng thú học Vật lý, yêu thích tìm tòi khoa học.
- Có ý thức vận dụng những hiểu biết Vật lý vào đời sống nhằm cải thiện điều kiện sống, học tập cũng như để bảo vệ và giữ gìn môi trường sống tự nhiên.
2.1.2.2. Mục tiêu theo tinh thần PBL
Ngoài việc thực hiện các mục tiêu theo chuẩn kiến thức, việc vận dụng PBL vào dạy học chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 còn giúp HS phát triển thêm:
a. Về kỹ năng
- Học tập tích cực, chủ động và sáng tạo.
- Biết định hướng trong hoạt động học tập để tự chiếm lĩnh tri thức. - Biết tìm kiếm một cách chọn lọc các thông tin trên mạng.
- Biết thu thập tài liệu và xử lý thông tin. - Biết hợp tác và làm việc nhóm.
- Tự tin trình bày kết quả học tập trước đám đông. - Rèn luyện các kỹ năng tư duy bậc cao.
- Biết đánh giá và tự đánh giá, rút ra được những kinh nghiệm bổ ích trong quá trình thực hiện dự án và những án tiếp theo.
- Biết vận dụng lý thuyết vào thực tiễn cuộc sống.
b. Về thái độ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Học tập tự giác, tự chịu trách nhiệm về công việc được phân công. - Hứng thú trong quá trình thực hiện dự án.
- Biết tranh luận, đồng cảm và chia sẽ quan điểm với mọi người.
2.1.3. Cấu trúc lô-gic của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 THPT
Để trực quan hóa các đơn vị kiến thức trong chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 và mối liên hệ giữa chúng, nhận ra bức tranh Vật lý của chương, chúng tôi xây dựng grad tổng kết chương như sau:
2.1.4. Tóm tắt nội dung của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 THPT
Theo tinh thần PBL, có thể chia chương này thành 2 chủ đề cơ bản sau:
Chủ đề 1: Định luật bảo toàn động lượng Chủ đề 2: Định luật bảo toàn cơ năng
2.1.4.1. Chủ đề 1. Định luật bảo toàn động lượng a. Xung lượng của lực
- Khi một lực Ftác dụng lên một vật trong khoảng thời gian ∆t thì tích F.∆t được định nghĩa là xung lượng của lực trong khoảng thời gian ấy.
- Đơn vị xung lượng của lực: N.s
b. Động lượng
- Động lượng của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v là đại lượng được xác định bởi công thức: p=mv(kg.m/s),động lượng đặc trưng cho
khả năng truyền chuyển động của vật cho vật khác.
Các định luật bảo toàn
Định luật bảo toàn cơ năng
Dạng khác của định luật II Niutơn Ứng dụng định luật
bảo toàn động lượng Định luật bảo toàn động lượng Xung lượng của lực Va chạm mềm Chuyển động bằng phản lực
Công Công suất
Động năng Thế năng Cơ năng Định lý động năng Thế năng trọng
trường Thế năngđàn hồi Động lượng
- Cách phát biểu khác của định luật II Niu-tơn (Định lý biến thiên động lượng): Độ biến thiên động lượng của một vật trong một khoảng thời gian nào đó bằng xung lượng của tổng các lực tác dụng vật trong khoảng thời gian đó.
t F p= ∆ ∆
c. Hệ cô lập
Một hệ nhiều vật được gọi là cô lập khi: - không có ngoại lực tác dụng lên hệ. - ngoại lực tác dụng lên hệ bị triệt tiêu.
- ngoại lực nhỏ hơn rất nhiều (bỏ qua) so với nội lực.
d. Định luật bảo toàn động lượng của hệ cô lập
Động lượng của một hệ cô lập là một đại lượng bảo toàn.
2 1 p
p
+ = không đổi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
e. Va chạm mềm
Va chạm mềm là va chạm mà sau va chạm hai vật nhập làm một, chuyển động với cùng vận tốc.
f. Chuyển động bằng phản lực
Trong một hệ kín đứng yên, nếu có một phần của hệ chuyển động theo một hướng, thì theo định luật bảo toàn động lượng, phần còn lại của hệ phải chuyển động theo hướng ngược lại. Chuyển động theo nguyên tắc như thế được gọi là chuyển động bằng phản lực.
2.1.4.2. Chủ đề 2. Định luật bảo toàn cơ năng a. Công
- Công là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự biến đổi của năng lượng.
- Công của lực F không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc α :
A = Fscosα (J)
- Công suất là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công và được đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian.
P=
t A
(W)
- Công suất tiêu thụ của một thiết bị tiêu thụ năng lượng là đại lượng đo bằng năng lượng tiêu thụ của thiết bị đó trong một đơn vị thời gian.
c. Năng lượng
- Mọi vật đều mang năng lượng. Năng lượng của một vật là khả năng làm biến đổi trạng thái (thay đổi vị trí, vận tốc, nhiệt độ) của chính vật hoặc vật khác tiếp xúc với nó.
- Khi một vật tương tác với các vật khác thì giữa chúng có thể có trao đổi năng lượng. Quá trình trao đổi năng lượng này diễn ra dưới những dạng khác nhau: thực hiện công, truyền nhiệt, phát ra các tia mang năng lượng…
d. Động năng
- Động năng của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v là năng lượng mà vật đó có được do nó đang chuyển động và được xác định theo công thức:
Wđ = 2
2 1
mv (J)
- Định lý động năng: Độ biến thiên động năng của một vật bằng công của ngoại lực gây ra sự biến đổi đó.
2 1 2 2 2 1 2 1 mv mv A= − e. Thế năng trọng trường
- Thế năng trọng trường (Thế năng hấp dẫn) của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.
- Nếu chọn mốc thế năng tại mặt đất thì công thức thế năng trọng trường của một vật có khối lượng m đặt ở độ cao z là: Wt = mgz (J)
- Công của trọng lực bằng độ giảm thế năng: AMN = Wt (M) – Wt (N)
f. Thế năng đàn hồi
- Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi. Wt = ( )2 2 1 ∆ k (J) g. Cơ năng
- Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực bằng tổng động năng và thế năng trọng trường của vật.
mgz mv W W W = đ + t = 2 + 2 1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật.
2 2 ( ) 2 1 2 1 ∆ + = + =W W mv k W đ đh
- Khi không có tác dụng của lực khác (lực cản, lực ma sát…) thì trong quá trình chuyển động, cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn.
2.1.5. Thiết kế ý tưởng dự án từ mục tiêu nội dung dạy học của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 THPT
Xuất phát từ nội dung và mục tiêu của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lý 10 THPT, kết hợp với tính ứng dụng rộng rãi của kiến thức trong khoa học – kỹ thuật và đời sống, giữa GV và HS có sự trao đổi, thảo luận để đi đến việc hình thành ý tưởng của dự án.
2.1.5.1. Dự án 1. “Chế tạo động cơ chạy bằng nước” a. Thiết kế đơn vị kiến thức chuẩn
Đây là dự án liên quan đến nội dung kiến thức của bài “Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng” (Bài 23 – SGK Vật lý 10), gồm đơn vị kiến thức:
Định luật Vật lý: Định lý biến thiên động lượng, định luật bảo toàn động
lượng.
Ứng dụng kỹ thuật: Chuyển động bằng phản lực
Ngoài kiến thức chuẩn, HS hiểu thêm về chuyển động của tên lửa, tên lửa nhiều tầng.
b. Thiết kế ý tưởng dự án
• Đặt vấn đề
Nhìn các tia nước chảy ra từ các vòi phun nước sẽ mang lại cho mỗi người mỗi cảm giác khác nhau: vui, buồn, thích thú…
Con người có thể điều khiển đường đi, hình dạng, màu sắc, độ mạnh yếu của tia nước, chẳng hạn ở các buổi trình diễn nhạc nước ở công viên văn hóa Đầm sen Q 11. Rất nhiều trò tiêu khiển con người sáng tạo từ vật liệu chính là nước, nhưng chúng ta muốn sử dụng nước cho những việc thiết thực hơn.
Ta biết động cơ chạy được bằng các nguồn năng lượng khác nhau: Động cơ điện – chạy bằng điện năng, động cơ nhiệt – chạy bằng nhiên liệu hóa thạch (Xăng, dầu, than đá) hay từ than củi, chất đốt – đó là nguồn năng lượng không thân thiện với môi trường, thải khí CO2, CO, NO,…(Khí nhà kính) làm Trái đất nóng lên, than củi chất đốt thì phá rừng gây mất cân bằng sinh thái…Nếu thiết kế chế tạo được động cơ chạy bằng nước sẽ khắc phục được hạn chế của các động cơ nói trên; hơn nữa nước ta hồ ao sông suối nhiều, mưa nhiều, lại có bờ biển 3200 km suốt chiều dài đất nước – nguồn nước hầu như vô tận. Các em thử hình dung, nếu chúng ta chế tạo được động cơ chạy bằng nước thì chúng ta đã tạo ra được điều kỳ diệu có ý nghĩa to lớn như thế nào! Muốn vậy, ta sẽ thực hiện một dự án “Chế tạo mô hình động cơ chạy bằng nước”.
2.1.5.2. Dự án 2. “Nghiên cứu sử dụng trực tiếp các dạng năng lượng của nước”
a. Thiết kế đơn vị kiến thức chuẩn
Đây là dự án tích hợp nội dung kiến thức của 3 bài: Động năng (Bài 25 ); Thế năng (Bài 26); Cơ năng (Bài 27) – SGK Vật lý 10, gồm đơn vị kiến thức:
Khái niệm Vật lý: Động năng, thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi, công
của trọng lực, cơ năng.
Định luật Vật lý: Định lý động năng, định luật bảo toàn cơ năng. Ứng dụng kỹ thuật: Sự chuyển hóa năng lượng.
b. Thiết kế ý tưởng dự án
• Đặt vấn đề
Bạn đã có dịp đi du lịch trên các vùng núi cao nguyên phía Bắc chưa? Ở đó khung cảnh rất an bình, không khí trong lành, con người sống hiền lành, cần cù và chất phát. Đặc biệt những vùng có nhiều sông, suối, thác ghềnh thì khung cảnh lại càng tuyệt đẹp. Sông, suối, thác ghềnh không chỉ mang lại cho con người nguồn nước sinh hoạt, nếu có kiến thức, chúng ta sẽ biết nước còn mang lại cho con người nguồn năng lượng vô tận. Chúng ta có biết nguồn năng lượng đó là gì không? Và mang lại cho con người những tiện ích nào không? Nếu bạn là một nhà khoa học, bạn sẽ xây dựng kế hoạch nghiên cứu vấn đề này như thế nào? Nội dung kiến thức nghiên cứu của bạn là gì? Những nghiên cứu đó sẽ mang lại cho con người những lợi ích gì trong cuộc sống?
• Tên dự án:“Nghiên cứu sử dụng trực tiếp các dạng năng lượng của nước”.
2.2. Xây dựng kế hoạch dạy học cho một số kiến thức chương “Các địnhluật bảo toàn” Vật lý 10 THPT theo tinh thần PBL luật bảo toàn” Vật lý 10 THPT theo tinh thần PBL
2.2.1. Xây dựng bộ câu hỏi định hướng
Câu hỏi khái quát: Thiết kế chế tạo động cơ không dùng điện, không dùng nhiên liệu hóa thạch (Xăng dầu, than, củi) mà chạy bằng nước được hay không?
Câu hỏi bài học: Làm quay một cánh quạt bằng nước như thế nào? (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Câu hỏi nội dung:
CH 1: Xung lượng của lực là gì?
CH 2: Động lượng của một vật là gì?
CH 3: Động lượng của vật và xung lượng của lực tác dụng vào vật có mối quan hệ gì?
CH 4: Hãy giải thích tại sao trong bóng đá, khi người thủ môn bắt một quả bóng sút rất căng, người thủ môn phải kéo dài thời gian bóng chạm tay mình (thu bóng vào bụng)?
CH 5: Hệ cô lập (hệ kín) là gì? Động lượng của hệ cô lập có tính chất gì?
CH 6: Thế nào là va chạm mềm?
CH 7: Chuyển động bằng phản lực? Nêu ví dụ về chuyển động bằng phản lực. Vì sao khi bắn súng phải thực hiện qui tắc “tì vai, áp má, nín thở, bóp cò”?
CH 8: Tên lửa, con sứa… là các ví dụ về chuyển động bằng phản lực – đó là các chuyển động thẳng (phụt khí hoặc nước về một phía, vật sẽ chuyển động về phía ngược lại). Tạo ra chuyển động quay bằng phản lực bằng cách nào? Hãy thiết kế chế tạo động cơ quay được nhờ momen các phản lực của dòng nước.
2.2.1.2. Dự án 2. “Nghiên cứu sử dụng trực tiếp các dạng năng lượng của dòng nước”
Câu hỏi khái quát: Dòng nước mang những dạng năng lượng nào? Thiết kế chế tạo máy giã gạo sử dụng trực tiếp các dạng năng lượng đó được hay không?
Câu hỏi bài học: Sử dụng trực tiếp các năng lượng của dòng nước để vận hành máy giã gạo như thế nào?
CH 1: Động năng là gì?
CH 2: Khi nào động năng của một vật biến thiên, tăng lên hay giảm đi?
CH 3: Em biết gì về trọng trường, trọng trường đều?
CH 4: Thế năng là gì?
CH 5: Giữa động năng và thế năng của một vật có liên hệ với nhau như thế nào?
CH 6: Hãy thiết kế chế tạo máy giã gạo từ các dạng năng lượng của nước.