7. Cấu trúc luận văn
2.4. Thiết kế tiến trình dạy học bài “Định luật II NiuTơn” theo PPTN
2.4.1.Sơ đồ biểu đạt lôgic của tiến trình xây dựng một kiến thức cụ thể.
Vấn đề.
(đòi hỏi kinh nghiệm hay ứng dụng thực tế)
Điều kiện cần sử dụng để tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra, có thể nhờ suy luận, có thể nhờ thí nghiệm hoặc quan sát.
Bài toán – giảI pháp
Giải bài toán bằng suy luận Giải bài toán nhờ thí nghiệm và quan sát Kết luận (Thu được nhờ suy
luận lý thuyết)
Kết luận (Thu được nhờ thí nghiệmm và quan sát)
2.4.2. Sơ đồ logic của tiến trình xây dựng kiến thức bài “Định luật II NiuTơn”.
Khi vật chịu tác dụng của một lực chuyển động của nó sẽ thay đổi như thế nào?
Tiến hành thí nghiệm:
TN1: Xác lập mối quan hệ giữa gia tốc và lực.
TN2: Xác lập mối quan hệ giữa gia tốc và khối lượng của vật.
Kết quả thí nghiệm:
TN1: Gia tốc tỷ lệ thuận với lực tác dụng. a ~ F TN2: Gia tốc tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật. a ~ m 1 m F a
Định luật II NiuTơn: Gia tốc mà một vật thu được dưới tác dụng của một lực tỷ lệ thuận với lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật, gia tốc có chiều cùng chiều với lực tác dụng.
Biểu thức: m F a
2.4.3 Tiến trình dạy học bài “Định luật II NiuTơn” theo PPTN. I. Mục tiêu:
- Mục tiêu trong khi học: Học sinh nắm bắt câu hỏi nêu vấn đề và tìm ra
phương án thí nghiệm để xác lập mối quan hệ giữa gia tốc và lực, gia tốc và khối lượng.
Thực hiện chính xác các thí nghiệm và sử lý được các kết quả thí nghiệm.
- Mục tiêu sau khi học: Học sinh biết cách xây dựng định luật II NiuTơn từ
thực nghiệm.
Biết vận dụng định luật để giải các bài toán cơ học.
Từ định luật có thể suy ra định nghĩa về lực và khối lượng. II. Chuẩn bị:
GV: Chuẩn bị dụng cụ nghiên cứu định luật II NiuTơn
HS : ôn lại định luật I NiuTơn và kiến thức về lực và khối lượng.
Phương pháp: Vấn đáp, thuyết trình và tiến hành thí nghiệm.
III. Tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh.
Hoạt động 1: Xác định vấn đề cần nghiên cứu.
GV: Định luật I NiuTơn cho chúng ta biết rằng nếu không có lực ngoài tác dụng vào vật thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Vậy theo các em khi có một lực đủ lớn tác dụng vào vật thì trạng thái chuyển động của vật sẽ thay đổi như thế nào?
HS: Vật sẽ chuyển động nhanh lên hoặc chậm lại tuỳ vào chiều của lực tác dụng cùng chiều hay ngược chiều với chiều chuyển động.
GV: Rất đúng, khi có lực tác dụng vào vật sẽ làm thay đổi chuyển động của vật, cụ thể là làm vật chuyển động có gia tốc.
GV: Em nào hãy cho biết gia tốc của vật thu được phụ thuộc vào những đại lượng nào?
GV có thể gợi ý học sinh bằng cách đưa ra thí nghiệm đơn giản như (H1): ép lò xo lại sau đó cho lò xo tác dụng vào vật m.
Lần 2 cho lò xo bị ép nhiều hơn tác
dụng vào vật m. Yêu cầu học sinh nhận xét xem trường hợp nào vật m
thu được vận tốc lớn hơn?
Với kinh nghiệm thực tế và bằng kiến thức của phần động học, HS sẽ trả lời câu hỏi của GV:
Khi lò xo bị nén nhiều hơn thì vật m thu được gia tốc lớn hơn. Vậy gia tốc của vật thu được phụ thuộc vào lực tác dụng vào vật.
GV: Ngoài lực tác dụng vào vật thì gia tốc còn phụ thuộc vào đại lượng nào nữa không?
GV tiến hành lại thí nghiệm trên nhưng với độ ép lò xo là như nhau nhưng tăng khối lượng m của vật. Cho học sinh nhận xét xem trường hợp nào vật thu được gia tốc lớn hơn.
HS: Khi khối lượng vật m tăng lên thì gia tốc của vật thu được nhỏ hơn. Vậy gia tốc của vật còn phụ thuộc vào khối lượng của vật.
Hoạt động 3: Xây dựng phương án thí nghiệm kiểm tra dự đoán.
GV: Gia tốc của vật phụ thuộc vào lực ngoài tác dụng vào vật và khối lượng của vật. Nhưng ta chưa biết mối quan hệ định lượng giữa 3 định lượng này như thế nào.
Trước hết ta xét mối quan hệ giữa gia tốc và lực. Em nào có thể đưa ra một phương án thí nghiệm có thể xác định được mối quan hệ định lượng giữa hai đại lượng này.
GV có thể gợi ý học sinh: Muốn thiết lập mối quan hệ định lượng giữa gia tốc và lực tác dụng ta cần đo những đại lượng nào, và bằng cách nào?
HS: Ta phải đo lực tác dụng lên vật, có thể đo bằng lực kế.
Và đo gia tốc của vật bằng cách đo quãng đường đi và thời gian chuyển động bằng đồng hồ bấm giây, sau đó tính gia tốc của vật.
GV: Đúng vậy, ta cần đo lực tác dụng vào vật và gia tốc của vật thu được. Ta cần cố định khối lượng của vật, thay đổi lực tác dụng và xét xem gia tốc của vật thay đổi như thế nào.
Với cách đo lực bằng lực kế và đo gia tốc của vật như bạn đã trình bày ở trên thì tôi sẽ giới thiệu với các em một phương án thí nghiệm có trong phòng thí nghiệm của chúng ta. Với bộ thí nghiệm này các em có thể trực tiếp tiến hành thí nghiệm một cách dễ dàng để thu được kết quả chính xác.
GV trình bày cấu tạo và thiết bị đồng hồ rung và các dụng cụ thí nghiệm như : xe lăn, máng trượt, lực kế, băng giấy các quả nặng.
- Yêu cầu học sinh thiết lập sơ đồ bố trí thí nghiệm với các dụng cụ đã cho ở trên - HS suy nghĩ và đưa ra các phương án thí nghiệm.
GV tổng hợp các ý kiến của học sinh và trình bày sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ.
- Hướng dẫn học sinh cách tiến hành thí nghiệm thí nghiệm để thu
được kết quả chính xác nhất: Móc lực kế vào một đầu xe lăn và
nối với các quả nặng qua một sợi dây không giãn khối lượng không đáng kể.
Đầu còn lại của xe lăn gắn với băng giấy
Thay đổi các quả nặng sao cho lực kế chỉ: F1; F2=2F1; F3=3F1 và tiến hành thí nghiệm ba lần.
Kết quả thí nghiệm đạt được ghi vào bảng 1: Bảng 1 Khối lượng xe và lực kế: M = ……(g) ; t = …..(s). Lần TN Lực (N) l1 (mm) l2 (mm) l3 (mm) l4 (mm) l1 (mm) l2 (mm) l3 (mm) l (mm) 2 t l a 1 F1 a1= 2 2F1 a2= 3 3F1 a3=
- Yêu cầu học sinh lập thương số
1 1 F a ; 2 2 F a ; 3 3 F a và rút ra nhận xét? HS : Từ bảng kết quả thí nghiệm ta tính được các tỷ số:
1 1 F a = 2 2 F a = 3 3 F a
Vậy với vật có khối lượng không đổi thì gia tốc tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
GV: Đúng vậy, với sai số nhỏ trong giới hạn cho phép thì gia tốc của một vật thu được tỷ lệ thuận với lực tác dụng lên nó, và bằng thực nghiệm chúng ta đã chứng minh được điều đó.
Nếu muốn thiết lập mối quan hệ định lượng giữa gia tốc và khối lượng của một vật thì ta phải tiến hành thí nghiệm như thế nào?
HS: Vẫn tiến hành thí nghiệm như trên nhưng thay đổi khối lượng xe lăn và giữ nguyên lực tác dụng vào xe.
GV: Đúng thế ta sẽ tăng khối lượng của xe lăn bằng cách thêm các quả nặng (hoặc dùng cát để điều chỉnh khối lượng) sao cho khối lượng chung của xe lăn, quả nặng và lực kế lần lượt là: M ; 2M ; 3M và tiến hành thí nghiệm 3 lần.
Kết quả thí nghiệm ghi vào bảng 2: Bảng 2 Khối lượng xe và lực kế: M = ……(g) ; t = …..(s). Lần TN Lực (N) l1 (mm) l2 (mm) l3 (mm) l4 (mm) l1 (mm) l2 (mm) l3 (mm) l (mm) 2 t l a 1 M a1= 2 2M a2= 3 3M a3=
Sau khi lập bảng thí nghiệm, yêu cầu học sinh lập tỷ số
2 1 a a ; 3 1 a a rút ra nhận xét. HS tính được các tỷ số và có nhận xét: 1 2 2 1 m m a a và 1 3 3 1 m m a a m1a1 m2a2 m3a3
GV : Như vậy với lực tác dụng không thay đổi thì tích của gia tốc với khối lượng luôn không đổi hay gia tốc tỷ lệ nghịch với khối lượng: a ~
m
1
Hoạt động 4: Kết luận chung và đưa ra định luật.
GV: Từ kết quả hai thí nghiệm trên em nào có thể rút ra kết luận chung và viết biểu thức cho sự phụ thuộc của gia tốc vào lực và khối lượng của vật?
HS: Gia tốc mà một vật thu được dưới tác dụng của một lực tỷ lệ thuận với lực đó và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật. Biểu thức:
m F a
GV: Đó cũng chính là nội dung của định luật cơ bản của chuyển động cơ học do NiuTơn tìm ra bằng thực nghiệm quan sát và được kiểm nghiệm qua nhiều thí nghiệm có độ chính xác cao. Với biểu thức trên ta có thể suy ra được F = ma hay định luật còn được phát biểu theo cách khác: “Tích khối lượng của một vật với gia tốc của nó bằng lực tác dụng vào vật”.
ở hai thí nghiệm trên em nào có nhận xét gì về hướng của gia tốc của vật? HS: Gia tốc a có hướng trùng với hướng của lực tác dụng lên vật
GV: Đúng vậy, giả sử khi tác dụng lực vào vật ngược chiều với chiều chuyển động của vật ta sẽ thu được gia tốc âm có chiều ngược chiều chuyển động của vật và cùng chiều với lực tác dụng vào vật. Biểu thức định luật II NiuTơn được viết dưới dạng vectơ như sau:
m F
a hay F ma
Trong biểu thức trên, đơn vị khối lượng, đơn vị gia tốc và đơn vị lực được chọn trong hệ SI.
ở trên đây ta mới chỉ xét trường hợp có một lực tác dụng vào vật. Nếu đồng thời có nhiều lực tác dụng vào vật thì quy luật trên còn đúng hay không?
Làm thế nào để kiểm tra được?
Bằng sự hướng dẫn gợi ý của GV học sinh sẽ đi tới nhận xét là có thể vẫn dùng hai thí nghiệm trên nhưng không cân bằng ma sát. Trong trường hợp này lực gây ra gia tốc sẽ là hợp lực: F = Fđh - Fms
GV: Như vậy có thể khái quát lại là: Khi sử dụng công thức F ma thì
F chính là tổng hợp lực tác dụng lên vật.
Định luật II NiuTơn được nghiệm đúng trong những hệ quy chiếu quán tính.
Một số hệ quả của định luật II NiuTơn:
a) Các yếu tố của vectơ lực.
GV: Dựa vào công thức : F ma em nào có thể đưa ra định nghĩa định
lượng chính xác của lực :
HS : Lực là tích của khối lượng với gia tốc. F = ma
GV: Đúng vậy, và nếu đơn vị của khối lượng là kg và đơn vị của gia tốc là 1m/s2 thì ta sẽ có đơn vị của lực là: N
1 Niutơn là lực truyền cho vật có khối lượng 1kg một gia tốc 1m/s2
1N = 1kg.1m/s2
Ta cũng thấy từ công thức trên thì lực là một đại lượng vectơ. Vectơ lực được xác định như sau:
- Điểm đặt là vị trí mà lực đặt lên vật.
- Phương chiều là phương chiều của gia tốc mà lực gây ra cho vật. - Độ lớn F = ma.
b) Điều kiện cân bằng của một chất điểm.
GV: Ta thấy rằng F trong biểu thức F ma là hợp lực của các lực tác dụng lên vật. Vậy khi F = 0 thì trạng thái của vật sẽ như thế nào?
HS: F = 0 0
m F
GV: Đúng vậy, khi F = 0 tức là các lực tác dụng lên vật cân bằng nhau, theo địng luật I Niutơn thì vật sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều trong hệ quy chiếu mà ta đã chọn. Trạng thái đó của vật gọi là trạng thái cân bằng.
c) Khối lượng và quán tính.
Theo định luật II NiuTơn, nếu các vật có khối lượng khác nhau lần lượt chịu tác dụng của cùng một lực không đổi, thì vật nào có khối lượng lớn hơn sẽ có gia tốc lớn hơn. Vậy vật nào có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi vận tốc, tức là càng có mức quán tính lớn hơn. Như vậy ta có thể hiểu khái niệm khối lượng rõ
ràng hơn: Khối lượng của một vật là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của
vật.
d) Mối quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng của một vật.
GV: ở THCS các em đã biết rằng một vật có khối lượng m = 1kg thì có trọng lượng P 10N. Từ bài này ta có thể áp dụng biểu thức định luật II NiuTơn để tính trọng lực P của vật nếu biết khối lượng m và gia tốc rơi tự do g của vật.
Nếu vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì ta có: P mg
Gọi độ lớn P của trọng lực là trọng lượng của vật, ta có P = mg.
Như vậy tại mỗi điểm trên mặt đất trọng lượng của vật tỷ lệ thuận với khối lượng của nó.