8. Cấu trúc của khóa luận
1.3 Thực trạng dạy học BTVL trong bồi dưỡng HSG ở lớp 10 THPT
1.3.1 Mục đích điều tra
- Tìm hiểu tình hình dạy học và sử dụng bài tập chương “Động lực học chất điểm” của GV trong bồi dưỡng HSG môn vật lí ở trường THPT.
- Tìm hiểu thực trạng nắm vững kiến thức và năng lực giải quyết vấn đề chương “Động lực học chất điểm” của HSG.
- Tìm hiểu những khó khăn chủ yếu và sai lầm phổ biến của HS trong học tập chương “Động lực học chất điểm”.
1.3.2 Tiến hành điều tra
1.3.2.1 Đối tượng
Đối tượng điều tra là GV và HS đã và đang tham gia ôn luyện thi HSG ở trường THPT Sóc Sơn (Sóc Sơn- Hà Nội) trong thời gian thực tập sư phạm.
1.3.2.2 Cách thức
Để thu thập được các thông tin cần tìm hiểu nêu trên, chúng tôi đã sử dụng các phương pháp điều tra sau:
- Dự giờ các tiết học ôn luyện giải bài tập cho đội tuyển HSG.
- Trao đổi, trò chuyện trực tiếp với các GV và sử dụng phiếu điều tra với các GV.
- Trao đổi, trò chuyện trực tiếp với HS, xem xét vở bài tập và phân tích kết quả qua 2 bài kiểm tra 120 phút dưới đây.
Bài kiểm tra số 1
Câu 1 (2 điểm): Một vật bắt đầu chuyển động nhanh dần đều từ điểm O trên trục Ox, theo chiều dương với gia tốc a. Sau khoảng thời gian t0 thì vật chuyển động với gia tốc -a. Hỏi sau bao lâu kể từ lúc bắt đầu chuyển động thì vật lại về đến điểm O? Cho biết tính chất của chuyển động sau khoảng thời gian t0?
24
Câu 2 (3 điểm): Một vật có trọng lượng 100N được giữ đứng yên trên mặt phẳng nghiêng góc so với mặt phẳng ngang bằng một lực F theo phương ngang (hình 1.1). Biết tan
0,5; hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng nghiêng là0, 2
. Xác định điều kiện F để: a, Vật đi lên; b, Vật đi xuống.Câu 3 (3 điểm): Một ròng rọc kép gồm hai hình trụ đặc đồng chất đặt đồng tâm. Hình trụ lớn có khối lượng M = 200g, bán kính R = 10cm, hình trụ nhỏ có khối lượng m = 100g, bán kính r = 5cm. Trên rãnh của từng hình trụ có quấn một sợi dây nhẹ không dãn, đầu tự do mỗi dây mang vật khối lượng lần lượt là m1 = 250g và m2 = 200g (hình 1.2). Ban đầu hệ đứng yên, thả cho hệ chuyển động. Tính gia tốc của từng vật và lực căng của mỗi dây treo.
Câu 4 (2 điểm): Một thanh AB đồng chất, tiết diện đều khối lượng m=100kg có thể quay tự do quanh một trục đi qua đầu A và vuông góc với mặt phẳngnghiêng như hình 1.3. Thanh được giữ cân bằng theo phương hợp với phương ngang góc α=300
nhờ một lực F đặt vào đầu B, phương của lực F có thể thay đổi được.
a) F có phương nằm ngang.Tìm giá trị của lực F.
b)Tìm giá trị nhỏ nhất của lực F để có thể giữ thanh như đã mô tả.
F Hình 1.1 m1 m 2 R r Hình 1.2 A α F B hinhHình Hìnhhin Hình 1.3
25
Bài kiểm tra số 2
Câu 1 (2,0 điểm): Một tấm ván có khối lượng M 10kg nằm trên mặt phẳng ngang nhẵn và được giữ bằng một sợi dây không dãn. Vật nhỏ có khối lượng m1kg trượt đều với
vận tốc v2 /m s từ mép tấm ván dưới tác dụng của một lực không đổi
10
F N (Hình 1.4). Khi vật đi được đoạn đường dài l 1m trên tấm ván thì dây bị đứt.
a) Tính gia tốc của vật và ván ngay sau khi dây đứt.
b) Mô tả chuyển động của vật và ván sau khi dây đứt trong một thời gian đủ dài. Tính vận tốc, gia tốc của vật và ván trong từng giai đoạn. Coi ván đủ dài.
c) Hãy xác định chiều dài tối thiểu của tấm ván để m không trượt khỏi ván.
Câu 2 (3,0 điểm): Trên mặt bàn nằm ngang có một khối bán trụ cố định có bán kính (hình 1.5). Trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với trục của bán trụ (mặt phẳng hình vẽ) có một thanh đồng chất AB chiều dài
bằng tựa đầu A lên bán trụ, đầu B ở trên mặt bàn. Trọng lượng của thanh là P. Bỏ qua ma sát giữa bán trụ và thanh. Hệ số ma sát giữa thanh và mặt bàn là k=
3 3
. Góc (góc hợp bởi thanh AB và mặt bàn) phải thõa mãn điều kiện gì để thanh ở trạng thái cân bằng?
Câu 3 (3,0 điểm): Thanh AB chiều dài l, khối kượng m, tiết diện đều đặt trên mặt phẳng ngang có hệ số ma sát k. Tác dụng vào đầu A một lực F theo phương ngang và vuông góc với AB, thanh có xu hướng quay.
Hình 1.4 F m M O A B R Hình 1.5
26
1) Xác định vị trí của điểm với A = x mà khi thanh AB bắt đầu dịch chuyển quay quanh điểm này. Suy ra rằng vị trí này không phụ thuộc vào hệ số ma sát.
2) Tính lực lớn nhất để thanh chưa dịch chuyển quay cân bằng?
Câu 4 (2,0 điểm): Một ròng rọc hình trụ khối lượng M=3kg, bán kính =0,4m được dùng để kéo nước trong một cái giếng (hình 1.6). Một chiếc xô khối lượng m=2kg, được buộc vào một sợi dây quấn quanh ròng rọc. Nếu xô được thả từ miệng giếng thì sau 3s nó chạm vào nước. Bỏ qua ma sát ở trục quay và momen quán tính của tay quay. Lấy g = 9,8 m/s2. Tính:
a. Lực căng T và gia tốc của xô, biết dây không trượt trên ròng rọc b. Độ sâu tính từ miệng giếng đến mặt nước.
1.3.3 Kết quả điều tra
Thông qua các cách thức điều tra và kết quả bài kiểm tra, chúng tôi rút ra một số nhận xét sau:
1.3.3.1 Tình hình dạy học và sử dụng bài tập của GV trong bồi dưỡng HSG.
- Thuận lợi:
+ Đội ngũ GV có trình độ chuyên môn vững vàng, có nhiều đồng chí có kinh nghiệm trong công tác bồi dưỡng HSG.
+ Có cơ sở vật chất khá khang trang, trang thiết bị phục vụ việc dạy và học tương đối đầy đủ, có thể đáp ứng được yêu cầu để việc dạy và học đạt kết quả tốt.
+ GV đều lựa chọn xây dựng hệ thống bài tập trong các tiết học nghiên cứu tài liệu mới và tiết ôn luyện kiến thức.
27
+ Hệ thống bài tập được lựa chọn phong phú, đào sâu kiến thức, rèn luyện kĩ năng kĩ xảo, phương pháp giải bài tập cho HS đồng thời giúp HS phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong các giờ học ôn luyện.
+ Trong các tiết học nghiên cứu tài liệu mới các GV đều sử dụng phương pháp tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS bằng việc đưa ra các câu hỏi gợi ý trong tiến trình bài học.
- Khó khăn:
+ Do không phải là các trường chuyên nên chương trình dành riêng cho bồi dưỡng chưa có dẫn đến thiếu tính hệ thống, thiếu tính liên thông trong toàn chương trình.
+ Đa số các GV tham gia bồi dưỡng đều tự soạn, tự sưu tầm, tự hệ thống bài tập ôn luyện.
+ Số lượng bài tập khá lớn nhưng thời gian GV và HS trao đổi trên lớp còn hạn chế.
1.3.3.2 Tình hình học tập của HS
- Thuận lợi:
+ HS chăm ngoan, có tinh thần học tập.
+ Đa số các em HS đều rất thông minh và say mê với môn học, có động cơ học tập tốt, chủ động trong làm việc.
+ Trong quá trình giải bài tập luôn có những lập luận căn cứ rõ ràng, có óc tò mò không muốn dừng lại ở mẫu có sẵn.
+ Hoàn thành phần lớn các bài tập từ cơ bản đến nâng cao thầy cô giao về nhà.
- Khó khăn:
+ Một số HS còn gặp nhiều áp lực về kiến thức về thời gian học tập. + HS chưa nắm vững hiện tượng vật lí và vận dụng toán học chưa thông thạo.
28
1.3.3.3 Những khó khăn chủ yếu và sai lầm phổ biến của HS
- Khi xác định các lực tác dụng lên vật cần nghiên cứu HS thường bỏ sót tác dụng của lực nào đó hoặc đặt vào vật các lực không có thực, không do các vật khác tác dụng. Ví dụ như khi giải bài toán cơ hệ gồm 2 vật liên kết không chặt với nhau thường bỏ sót phản lực hay lực ma sát do vật này tác dụng lên vật kia và ngược lại.
- Do chưa đọc kĩ đề nên không phân tích được kết quả cuối cùng của hiện tượng, quá trình trong đề. Ví dụ: Ở câu 1 đề kiểm tra số 1 HS thường hiểu luôn rằng vật chuyển động với gia tốc -a thì vật đổi hướng và chuyển động theo chiều ngược lại. Nhưng theo tính toán thì sau thời điểm t0 vật sẽ chuyển động chậm dần đều theo chiều chuyển động ban đầu sau đó chuyển động nhanh dần đều theo chiều ngược lại.
- Công cụ toán học còn hạn chế, giải toán chưa thành thạo nên nhiều khi HS gặp phải bế tắc khi đi tìm đáp số. Ví dụ như ở câu 2 đề kiểm tra số 2 nhiều HS gặp lúng túng khi giải hệ phương trình 4 ẩn.
- Nội dung kiến thức trừu tượng. GV giảng dạy có tính hàn lâm không được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương này, chúng tôi đã trình bày một số cơ sở lí luận:
Cơ sở lí luận về BTVL, của việc soạn thảo hệ thống BT và hướng dẫn giải BTVL giúp HS nâng cao trình độ nắm vững tri thức.
Thực trạng dạy học BTVL trong bồi dưỡng HSG chương “Động lực học chất điểm” ở các trường THPT không chuyên. Từ đó phát hiện ra những khó khăn chủ yếu và những sai lầm phổ biến của HS trong khi nghiên cứu bài tập chương này mà chúng tôi quan tâm.
Những luận điểm lí luận và thực tiễn trình bày chương này là cơ sở của việc soạn thảo hệ thống BT và tổ chức hướng dẫn giải nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho HS trong công tác bồi dưỡng HSG mà chúng tôi sẽ trình bày ở chương 2.
30
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG BÀI TẬP
CHƯƠNG “ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM” TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI BỘ MÔN VẬT LÍ 10 THPT
2.1 Mục tiêu dạy học chương “Động lực học chất điểm” Vật lí 10 THPT
2.1.1 Vị trí, nhiệm vụ, nội dung của chương “Động lực học chất điểm”
Trong chương trình vật lý THPT, “Động lực học chất điểm” được xếp vào chương 2 sau chương “Động học chất điểm”. Có thể coi chương này có nội dung cơ bản nhất của phần cơ học lớp 10 (gồm 4 chương: Động học chất điểm; Động lực học chất điểm; Tĩnh học vật rắn; Các định luật bảo toàn).
Nhiệm vụ chủ yếu của chương này nghiên cứu ba định luật Neutơn là những nguyên lý cơ bản, đặt nền móng cho sự phát triển của cơ học và các lực cơ học cùng với những ứng dụng quan trọng của chúng trong thực tiễn. Ở chương này HS sẽ biết được nguyên nhân gây ra gia tốc chuyển động của vật đó là do lực, và một số lực cơ học thường gặp.
Về cơ bản, chương “Động lực học chất điểm” được giới thiệu một cách đầy đủ gồm các nội dung chính sau:
+ Tổng hợp và phân tích lực. Điều kiện cân bằng của chất điểm. + Ba định luật Niu-tơn.
+ Lực hấp dẫn. Định luật vạn vật hấp dẫn. + Lực đàn hồi của lò xo - Định luật Húc. + Lực ma sát.
+ Lực hướng tâm.
31
2.1.2 Sơ đồ cấu trúc và phân loại bài tập chương “Động lực học chất điểm”
chất điểm”
2.1.2.1 Sơ đồ cấu trúc chương “Động lực học chất điểm”
Qua việc nghiên cứu nội dung dạy học chương “Động lực học chất điểm” và biểu diễn bằng sơ đồ 2.1 cấu trúc logíc như sau:
Chuyển động tròn đều
Ứng dụng
Chuyển động ném ngang
Lực hướng tâm Tốc độ vũ trụ Chuyển động ném xiên
Phương pháp tọa
độ
Định luật II Định luật III
Các lực cơ học
Lực hấp dẫn Lực đàn hồi Lực ma sát
Định luật I
Trọng lực
Chuyển động Lực
Ba định luật Niu tơn
32
Hình 2.1
α m
M
2.1.2.2 Phân loại bài tập chương “Động lực học chất điểm” * Dạng 1:Khảo sát chuyển động của vật
Ví dụ 1: Một cái nêm khối lượng M đang đứng yên trên mặt bàn nằm ngang. Trên mặt nghiêng của nêm hợp với mặt bàn một góc , người ta đặt một quả cầu đồng chất khối lượng m (hình 2.1). Quả cầu bắt đầu lăn không trượt dọc theo
đường dốc chính của mặt nghiêng của nêm. Bỏ qua ma sát giữa nêm và mặt bàn, ma sát lăn giữa quả cầu và nêm. Xác định gia tốc của nêm.
Ví dụ 2: Từ đỉnh A của một mặt bàn phẳng nghiêng người ta thả một vật có khối lượng m = 0,2kg trượt không ma sát không vận tốc đầu (hình 2.2). Cho AB=50cm; BC=100cm; AD=130cm; g = 10m/s2.
a)Tính vận tốc của vật tại điểm B.
b) Lấy gốc tọa độ tại C. Chứng minh rằng quỹ đạo của vật sau khi rời khỏi bàn là một parabol. Vật rơi cách chân bàn một đoạn CE bằng bao nhiêu.
Ví dụ 3: Cho cơ hệ như hình 2.3. Vật có
m = 500g. Lò xo có độ cứng k = 10N/m và chiều dài tự nhiên l0 khi ván đứng yên. Khi tấm ván chuyển động thẳng đều theo phương ngang thì trục của lò xo tạo với phương thẳng đứng một góc 600. Xác định hệ số ma sát giữa vật và tấm ván. Hình 2.3 Hình 2.2 A B E C D
33
* Dạng 2:Khảo sát chuyển động của hệ vật
Ví dụ 1: Cho hệ vật như hình 2.4. Biết m1 = 1kg,m2 = 2kg. Hệ số ma sát giữa hai vật và mặt phẳng ngang
đều bằng nhau là k = 0,1. Tác dụng vào m2 lực F có độ lớn F = 6N và α = 300. Lấy g =10m/s2.
Tính gia tốc mỗi vật và lực căng của dây. Biết dây không dãn khối lượng dây không đáng kể.
Ví dụ 2: Một nêm cố định gồm hai mặt phẳng nghiêng với các góc nghiêng là α và β so với mặt phẳng nằm ngang, mặt nghiêng với góc β là trơn nhẵn, mặt nghiêng với góc α thô nhám có hệ số ma sát là . Trên đỉnh
nêm có gắn một ròng rọc nhỏ. Một sợi dây nhẹ vắt qua ròng rọc, hai đầu nối với hai vật A và B có khối lượng bằng nhau (hình 2.5). Để hai vật đứng yên trên hai mặt nghiêng thì quan hệ giữa các góc nghiêng phải thoả mãn điều kiện gì?
Ví dụ 3: Cho hệ vật như hình 2.6, biết k1= k2= 250 N/m; m1= m2= 200g; chiều
dài tự nhiên của mỗi lò xo là 36 cm. Cho hệ quay tròn với tần số f = 2Hz. Tính chiều dài của mỗi lò xo khi đó.
* Phương pháp chung giải bài tập về động lực học:
Bước 1: Chọn hệ quy chiếu sao cho việc giải bài tập là đơn giản nhất. Bước 2: Xác định các lực tác dụng lên các vật trong hệ vật cần nghiên cứu và biểu diễn chúng trên cùng một hình vẽ.
Hình 2.6 Hình 2.4 m1 m2
F
α B A Hình 2.534
Bước 3: Viết phương trình của định luật II Niutơn cho từng vật trong hệ và chiếu lên các trục tọa độ đã chọn.
Bước 4: Giải hệ phương trình có được để tìm ẩn.
2.1.3 Mục tiêu dạy học chương “Động lực học chất điểm”
2.1.3.1 Về kiến thức
a.Tổng hợp và phân tích lực. Điều kiện cân bằng của chất điểm
- Phát biểu được định nghĩa lực là đại lượng véc tơ đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác mà kết quả là gây ra gia tốc cho vật hay làm vật bị biến dạng.
- Biết hai lực cân bằng là hai lực khi tác dụng đồng thời vào một vật có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều nhau và không gây ra gia tốc cho vật.
- Biết tổng hợp lực là thay thế các lực tác dụng đồng thời vào cùng một vật bằng một lực có tác dụng giống hệt như các lực ấy. Lực thay thế gọi là hợp lực.
- Biết cách phân tích lực là thay thế một lực bằng hai hay nhiều lực có tác dụng giống hệt như lực đó.
