cơ năng
W
∆ =0
Công cơ học
A=F.s.cos∝
CÁC ĐẠI LƯỢNG BẢO TOÀN ĐỘNG
LƯỢNG
Định lí biến thiên động lượng ∆ = ∆
. p F t
Định luật bảo toàn động lượng ∆ =
0 p
Chuyển động phản lực
2.4.Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương “Các
định luật bảo toàn” – Vật lí 10 THPT
2.4.1. Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn”. định luật bảo toàn”.
• Phân tích cấu trúc kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn”.
• Phân tích nội dung kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn”.
Trong Vật lí, có nhiều đại lượng bảo toàn, nhưng trong cơ học ta thường đến ba đai lượng bảo toàn đó là động lượng, mômen động lượng và năng lượng (cơ năng). Nhưng trong chương “Các định luật bảo toàn” Vật lí 10 THPT, chỉ xét hai đại lượng bảo toàn đó là động lượng và cơ năng.
Khái niệm động lượng được rút ra từ sự tương tác giữa các vật. Cái gì được truyền giữa hai vật khi chúng tương tác? Không phải vận tốc mà là tích của khối lượng với vận tốc, đó là động lượng. Khi một vật có vận tốc thay đổi, động lượng của hệ sẽ thay đổi theo. Độ biến thiên động lượng của vật bằng với tích của lực F
và khoảng thời gian ∆t động lượng biến thiên, được gọi là xung của lực tác dụng .
p F t ∆ = ∆
.
Nội dung trên được gọi là định lí biến thiên động lượng, được sách giáo khoa xem như là hình thức thứ hai của định luật 2 Newton, nhưng phạm vi áp dụng rộng rãi hơn, nhất là các dạng bài có thời gian tương tác ngắn và có khối lượng thay đổi.
Nếu thời gian tương tác của vật là nhỏ, coi như không đáng kể (bài toán đạn nổ, sung giật, chuyển động bằng phản lực…) hoặc ngoại lực tác dụng lên hệ vật cân bằng (hệ kín) thì động lượng của hệ được bảo toàn. Đó là nội dung của định luật bảo toàn động lượng.
Định luật bảo toàn động lượng cho hệ kín gồm 2 vật m1 và m2: + = +
, ,
1 1 2 2 1 1 2 2
m v m v m v m v
Nếu lúc đầu 2 vật đứng yên: , , , 2 ,
1 1 2 2 1 2 1 0 m v m v v m v m = + →= −
Như vậy, nếu sau tương tác vật 2 chuyển động với vận tốc , 2
vthì vật 1 chuyển động theo hướng ngược lại với vận tốc , 2 ,
1 2
1
m
v = m v . Đây là nguyên lí của chuyển động bằng phản lực như chuyển động của con mực, động cơ tên lửa …
Khi khảo sát năng lượng (cơ năng) của một vật, nhất thiết phải biết đến khái niệm công. Công trong vật lí được hiểu chính xác là phần cơ năng chuyển hóa thành
dạng năng lượng khác, hay nói cách khác, công là đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi năng lượng. Tuy nhiên với kiến thức sẵn có, HS lớp 10 chưa thể hiểu một cách chính xác ý nghĩa này. Vì vậy sách giáo khoa Vật lí 10 THPT đưa khái niệm công như một cách phát triển biểu thức tính công đã học ở lớp 8.
- Lớp 8: Công cơ học A = F.s ( chỉ áp dụng cho trường hợp lực không đổi và cùng hướng với chuyển động).
- Lớp 10: Nếu lực F không đổi nhưng không cùng hướng với chuyển động thì công được tính như thế nào?
Từ việc phân tích lực F thành hai thành phần, ta thấy thành phận F.cos∝ mới
gây ra chuyển động của vật→Chỉ có thành phầnnày sinh công→ A=F.s. cos∝
Với mảng động năng, thế năng, cơ năng, chương trình vật lí lớp 10 bắt đầu cho HS làm quen với khái niệm năng lượng. Năng lượng là số đo khả năng sinh công của vật. Vậy một vật chuyển động có khả năng sinh công không? Một vật ở độ cao h có khả năng sinh công không? Từ đó xuất hiện các đại lượng động năng và thế năng.
+ Động năng: Là dạng năng lượng mà vật có được do chuyển động. Biểu thức: đ 1 . 2
2 W = m v
Độ biến thiên: ∆Wđ =Angoại lực
+ Thế năng: Là dạng năng lượng vật có được do vị trí tương đối của vật trong hệ.
Thế năng trọng trường: Wt = mgz
Độ giảm thế năng trọng trường: Wt1 - Wt2 = AP = mg (z1 – z2)
Thế năng đàn hồi: 1 . 2 2
t
W = k x
Độ giảm thế năng đàn hồi: Wt1 - Wt2 = AF(đh) =1 ( 12 22) 2k x −x
+ Cơ năng: là năng lượng tổng cộng mà một vật có được khi tham gia các cơ chế cơ học, bao gồm động năng và thế năng.
Biến thiên cơ năng: ∆W =A lực không thế
Bảo toàn cơ năng: Khi vật chỉ chịu tác dụng của các lực thế (hoặc các lực không thế không sinh công) thì cơ năng của vật được bảo toàn.
Như vậy nội dung của chương “ Các định luật bảo toàn” được sắp xếp khá lôgic, hợp lí, phù hợp với khả năng tiếp thu của HS. Tuy nhiên, để phát huy hết thế mạnh của mảng kiến thức này thì việc sử dụng TN trong dạy học chương này là rất cần thiết.
2.4.2.Tiến trình dạy học bài “Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng”
1. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức
1. Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết:
Khi hai vật tương tác với nhau, mỗi vật đều thu được gia tốc, nghĩa là vận tốc của mỗi vật bị thay đổi.
3. Giải quyết vấn đề:
3.1. Giải quyết vấn đề nhờ suy luận lí thuyết
- Suy đoán giải pháp giải quyết vấn đề: Từ mối liên hệ giữa các lực tương tác theo định luật 3 Newton, biểu diễn các lực theo định luật 2 Newton (theoa), biểu diễn atheo ∆v
, ∆v
theo vcủa vật trước và sau tương tác, ta sẽ được mối liên hệ giữa các vận tốc của hai vật trong hệ trước và sau tương tác.
- Thực hiện giải pháp đã suy đoán: • Định luật 3 Newton: F12= −F21 • Định luật 2 Newton: F12=m a2 2 ; F12=m a1 1 • Biểu thức tính a: 2 2, 2 2 v v v a =∆t = −t ∆ ∆ ; 1 1, 1 1 v v v a =∆t = −t ∆ ∆ , , , , 2 2 1 1 2 2 1 1 2v v 1v v 2 2 2 2 1 1 1 1 m a m a m −t m −t m v m v m v m v → = − → = − → − = − + ∆ ∆ Kết quả: , , 1 1 2 2 1 1 2 2 m v m v+ =m v m v+
3.2. Kiểm nghiệm kết quả đã tìm được từ suy luận lý thuyết nhờ thí nghiệm
- Xác định nội dung cần kiểm nghiệm nhờ thí nghiệm:
•Trường hợp vật 1 chuyển động không có ma sát với v1 va chạm mềm vào vật 2 đứng yên: Suy luận từ kết quả trên ra hệ quả: ,
1 1 ( 1 2)
m v= m m v+ →
Sau tương tác, hai xe cùng chuyển động với v,theo chiều của v1
•Trường hợp va chạm của hai vật chuyển động không ma sát trên mặt phẳng nằm ngang:
, , 1 1 2 2 1 1 2 2
m v m v+ =m v m v+
- Thiết kế phương án TN để kiểm nghiệm kết quả đã rút ra: Sử dụng bộ TN xe động lực và cảm biến sonar (Venier) kết nối với máy tính.
- Thực hiện TN: dựa vào đồ thị vận tốc của hai vật trước và sau tương tác, xác nhận hệ quả đã rút ra là đúng.
2. Phát hiện vấn đề cần giải quyết:
Có hệ thức nào biểu thị mối liên hệ giữa các vận tốc trước tương tác (v1 ,
2 v) và sau tương tác ( ' 1 v, ' 2 v) của hai vật có khối lượng m1, m2 trong hệ kín không?
4. Rút ra kết luận:
Đối chiếu kết quả TN với kết quả đã thu được từ suy luận lí thuyết, rút ra: , , 1 1 2 2 1 1 2 2
m v m v+ =m v m v+
- Khái niệm động lượng: Động lượng của một vật chuyển động là đại lượng vật lí véctớ đặc trưng cho chuyển động của vật trong tương tác trong tươc tác với vật khác, được đo bằng tích khối lượng và vận tốc của vật p mv=
.
2. Mục tiêu dạy học
2.1 Nội dung kiến thức cần xây dựng
- Khái niệm động lượng: Động lượng của một vật là đại lượng vật lí véctớ đặc trưng cho chuyển động của vật trong tương tác trong tươc tác với vật khác, được đo bằng tích khối lượng và vận tốc của vật p mv=
.
- Định luật bảo toàn động lượng: Véctớ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn.
2.2 Mục tiêu dạy học
- Trong quá trình dạy học: HS
•Tham gia suy đoán giải pháp tìm mối liên hệ giữa các vận tốc của hai vật trong hệ trước và sau tương tác từ các kiến thức đã biết.
•Suy luận được định luật bảo toàn động lượng từ các kiến thức đã biết (định luật 2 Newton, định luật 3 Newton và công thức tính gia tốc).
•Tham gia thiết kế phương án TN để kiểm nghiệm hệ quả của kết luận rút ra nhờ suy luận lí thuyết.
- Sau khi học: HS
•Phát biểu được định nghĩa khái niệm động lượng, viết được công thức tính động lượng và nêu được đơn vị đo động lượng.
•Phát biểu và viết được biểu thức của định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp hệ gồm hai vật.
•Áp dụng được định luật bảo toàn động lượng cho trường hợp hệ gồm hai vật.
3. Công việc chuẩn bị của GV và HS
-GV: Chuẩn bị TN va chạm của hai xe trên mặt phẳng nằm ngang với bộ TN xe động lực, cảm biến Venier và máy tính.
-HS: Ôn tập các kiến thức về định luật 2 Newton, định luật 3 Newton.
4. Tiến trình hoạt động dạy học cụ thể
a) Hoạt động 1: GV làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết (làm việc chung cả lớp)
Hoạt động của GV Hoạt động của HS - Đề xuất vấn đề cần giải quyết:
mỗi vật đều thu được gia tốc, nghĩa là vận tốc của mỗi vật đều bị biến đổi. Nếu vật 1 có khối lượng m1, chuyển động với vận tốc v1va chạm vào vật 2 có khối lượng m2, chuyển động với vận tốc v2và sau va chạm, vận tốc của chúng là
' 1
v, ' 2
vthì có hệ thức nào biểu thị mối liên hệ giữa các vận tốc này không?
b) Hoạt động 2: HS phát biểu vấn đề cần giải quyết (làm việc chung cả lớp)
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
- Nêu yêu cầu: Hãy phát biểu ngắn gọn vấn đề
cần giải quyết. - Phát biCó hểu vấn đề cần giải quyết: ệ thức nào biểu thị mối liên hệ giữa các vận tốc v1,v2 và '
1
v, ' 2
vcủa hai vật trong hệ kín trước và sau tương tác không?
c) Hoạt động 3: Suy đoán giải pháp giải quyết vấn đề nhờ suy luận lí thuyết (Vận dung công thức tính gia tốc và định luật 2, định luật 3 Newton, làm việc chung cả lớp) và thực hiện giải pháp đã suy đoán (làm việc cá nhân)
Hoạt động của GV Hoạt động của HS - Nêu câu hỏi gợi ý:
•Có thể trả lời câu hỏi trên nhờ vận dụng các kiến thức đã biết không?
•Có thể vận dụng những kiến thức đã biết nào và vận dụng những kiến thức này như thế nào để trả lời câu hỏi?
- Gợi ý giải pháp tìm câu trả lời:
Sự biến đổi vận tốc có liên quan đến gia tốc. Gia tốc của vật này thì biểu thị được qua lực mà vật kia tác dụng lên. Các lực này lại có mối liên hệ với nhau. Vậy các vận tốc này có mối liên hệ với nhau như thế nào?
- Theo dõi, giúp đỡ HS thực hiện giải pháp đã đề xuất.
- Nghe câu hỏi để tìm câu trả lời.
- Suy đoán giải pháp giải quyết vấn đề: Viết mối liên hệ giữa các vận tốc và gia tốc (công thức tính gia tốc), mối liên hệ giữa gia tốc và lực (biểu thức định luật 2 Newton), mối liên hệ giữa hai lực tương tác (biểu thức định luật 3 Newton), để từ đó tìm mối liên hệ giữa các vận tốc. - Thực hiện giải pháp: • 2 2, 2 2 v v v a =∆t = −t ∆ ∆ ; 1 1, 1 1 v v v a =∆t = −t ∆ ∆ • Định luật 2 Newton: F12=m a2 2 ; F12=m a1 1 • Định luật 3 Newton: F12= −F21 , , 2 2 1 1 2 2 1 1 2v v 1v v m a m a m −t m −t → = − → = − ∆ ∆ , , 2 2 2 2 1 1 1 1 m v m v m v m v → − = − + Kết quả: , , 1 1 2 2 1 1 2 2 m v m v+ =m v m v+
d) Hoạt động 4: Thiết kế phương án TN ( va chạm giữa hai xe động lực trên máng, làm việc chung cả lớp) và tiến hành TN để kiểm nghiệm kết quả rút ra từ suy luận lí thuyết.
Hoạt động của GV Hoạt động của HS - Giới thiệu các chức năng và ưu điểm về cảm
biến Go! Motion và bộ TN xe động lực.
Làm thế nào để kiểm nghiệm được nhờ TN kết quả đã rút ra?
- Nêu câu hỏi để đi tới thu hẹp phạm vi kiểm nghiệm kết quả ( xét một trường hợp riêng): chỉ dùng một cảm biến Venier. Vậy làm thế nào
để có thể chỉ dùng một cảm biến Venier mà xác định được đồng thời các vận tốc này?
- Nêu câu hỏi về hệ quả được rút ra từ kết quả đã thu được từ suy luận lí thuyết cho trường hợp riêng, cần được kiểm nghiệm nhờ TN: Trong trường hợp này, ta cần kiểm nghiệm điều gì nhờ TN?
- Nêu yêu cầu: Hãy đề xuất phương án TN kiểm nghiệm được chiều và độ lớn của v'khi sử dụng TN bộ xe động lực và cảm biến Vernier.
- GV tiến hành TN với phương án đã đề xuất.
- Trong TN trên chỉ kiểm nghiệm được trường
TN xe động lực và cảm biến Venier:
• Cho hai xe chuyển động va chạm vào nhau, xác định các vận tốc của chúng trước và sau va chạm, còn khối lượng mỗi xe thì dùng cân để xác định.
• Xác định vận tốc của xe bằng cách dùng cảm biến đo vận tốc của các xe trước và sau va chạm ( dựa vào đồ thị vận tốc của các xe hiển thị trên máy tính).
• Ta phải xác định được đồng thời các vận tốc của hai xe trước va chạm và đồng thời các vận tốc của chúng sau va chạm.
- Tìm phương án TN chỉ với một cảm biến Venier:
• Với một cảm biến Vernier, chỉ có thể xác định được vận tốc của một xe trước va chạm và sau va chạm thôi.
• Có thể giải quyết khó khăn này bằng cách cho xe 1 chuyển động đến va chạm vào xe 2 đứng yên và khi va chạm thì hai xe dính chặt vào nhau, cùng chuyển động.
- Rút ra hệ quả cần được kiểm nghiệm nhờ TN: Vì v2=0
, nên ' ' ' 1 2
v v v = =
nên từ kết quả đã biết, ta rút ra: '
1 1 ( 1 2)
m v= m m v+
Như vậy, cần kiểm nghiệm nhờ TN:
• Vận tốcv'của hai xe sau va chạm cùng chiều với vận tốcv1của xe 1 trước va chạm.