Động lượng, Định luật bảo toàn động lượng

8. Cấu trúc của khóa luận

2.3.3. 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 hiểu khái niệm xung lượng của lực, GV đặt vấn đề nghiên cứu tác dụng của xung lượng của lực.

36

Để tìm hiểu được điều đó, GV có thể đặt câu hỏi gợi nhớ 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?

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

Bài 7 : “Một vật nhỏ có khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v , chịu 1

tác dụng của lực F không đổi. Sau thời gian t, vật có vận tốc v . Hãy tìm 2 mối quan hệ giữa F, v , 1 v2 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 của vật và áp dụng định luật II Niutơn để rút ra mối quan hệ giữa các đại lượng.

Dưới tác dụng của lực F , sau thời gian t vật thay đổi từ vận tốc v1

đến v2. Theo định nghĩa về gia tốc, ta có:

a v2 v1 t

 

 (1)

37 a F m  (2) Từ (1) và (2) suy ra: v2 v1 F t m     mv2 mv1  F t

GV thông báo: Nếu đặt pmv và gọi p là động lượng của vật thì ta có

thể viết lại biểu thức trên như sau: p2p1 F t hay   p F t

HS có thể rút ra nhận xét: Động lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động về mặt động lực học.

Từ đó, GV yêu cầu HS phát biểu tác dụng của xung lượng của lực F

trong khoảng thời gian t. Sau đó, GV thông báo đây cũng chính là cách phát biểu khác của định luật II Niutơn.

Sau khi HS nghiên cứu khái niệm hệ cô lập, GV tiếp tục đặt vấn đề: Khi vật chịu tác dụng của một lực thì động lượng của nó thay đổi. Nếu gọi động lượng của một hệ là tổng động lượng của các vật trong hệ thì động lượng của một hệ cô lập mà các vật trong hệ tương tác với nhau sẽ như thế nào? Sau đó, yêu cầu HS giải bài tập 8:

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

Để giải bài tập, GV có thể đưa ra các câu hỏi định hướng tư duy cho HS như sau: Độ biến thiên động lượng của hệ và độ biến thiên động lượng của các vật trong hệ có mối quan hệ hay không? Nếu có thì mối quan hệ đó là gì?

HS có thể dự đoán: Độ biến thiên động lượng của hệ bằng tổng độ biến thiên động lượng của các vật trong hệ đang xét.

38

Muốn kiểm tra dự đoán trên là đúng hay sai thì HS cần vận dụng kiến thức về khái niệm hệ cô lập, định luật II Niutơn và kết quả bài tập 7. HS tiến hành lập luận lôgic để rút ra rằng độ biến thiên động lượng của hệ bằng tổng động lượng của các vật trong hệ:

1 2

p p p

    

Trong đó: p1, p2 là độ biến thiên động lượng của các vật trong hệ. Theo kết quả bài tập 7, nếu gọi F1 và F2 lần lượt là các lực hoặc hợp lực tác dụng lên vật 1 và vật 2 thì   p1 F t1 và   p2 F t2

Do hệ đang xét là hệ cô lập nên F1 và F2 là các nội lực, Theo định luật III Niutơn thì F1 F2

Suy ra:   p1 p2       p1 p2 p 0

GV khái quát hóa: Bằng cách chứng minh tương tự, có thể mở rộng kết quả cho một hệ cô lập gồm n vật:         p p1 p2 ... pn 0

GV lưu ý với HS: Kết quả chứng minh ở trên cho thấy, đối với hệ cô lập, độ biến thiên động lượng của hệ p = 0 hay p = const . Tức là, động lượng của một hệ cô lập là đại lượng được bảo toàn. Nó không những không đổi về độ lớn mà còn không đổi cả về hướng.

Sau đó, GV thông báo với HS: Tuy định luật bảo toàn động lượng được rút ra từ các định luật Niutơn nhưng trường hợp riêng của các định luật Niutơn. Nó là một trong các định luật tổng quát nhất của tự nhiên, đúng cho bất kì một loại tương tác nào và nó vẫn nghiệm đúng trong cả các trường hợp các định luật Niutơn bị vi phạm.

Định luật bảo toàn động lượng chỉ đúng trong hệ quy chiếu quán tính. Trong hệ quy chiếu phi quán tính, các lực quán tính phải xem như ngoại lực, nên hệ cô lập trở thành hệ không cô lập. Nhưng do HS ban cơ bản không học

39

hệ quy chiếu phi quán tính nên GV chỉ chú ý HS khi áp dụng định luật, các vận tốc đều phải quy về vận tốc so với Trái Đất (gần đúng khi xét các vật chuyển động trên mặt đất).

2.3.4. Công. Công suất

Kiến thức Công. Công suất được trình bày trong SGK vật lí 10 Cơ bản ở trang 128 – 132.

Đầu tiên, GV giúp học sinh tái hiện lại kiến thức cũ thông qua đặt câu hỏi:

- Một lực sinh công khi nào? HS trả lời câu hỏi của GV:

- Một lực sinh công khi nó tác dụng lên một vật và vật chuyển dời. Sau đó, GV có thể yêu cầu học sinh làm một ví dụ sau:

“Tác dụng một lực F = 0,5 N, vật chuyển dời một đoạn s = 0,35m theo hướng của lực. Tính công do lực sinh ra?”

HS có thể giải bài toán bằng vận dụng công thức tính công của lực trong trường hợp giá của lực cùng hướng với phương chuyển dời đã học ở THCS: A = F.S = 0,5.0,35 = 0,175 (J)

Từ bài toán, GV đặt vấn đề vào bài: Khi có lực tác dụng vào một vật và lực tác dụng này không cùng phương chuyển dời s mà hợp với độ dời s một góc α thì công của lực sẽ được tính như thế nào?

Để giúp học sinh giải quyết được vấn đề đặt ra, GV yêu cầu HS giải bài tập 9:

Bài 9: “Tác dụng một lực F không đổi vào một vật làm vật dịch chuyển được đoạn s. Tính công của lực F trong trường hợp lực F hợp với hướng dịch chuyển một góc α.”

Do HS đã học về quy tắc phân tổng hợp lực từ trước nên dễ dàng nghĩ tới giải pháp để tìm ra lời giải của bài toán là phân tích lực Fthành 2 thành

40

phần sao cho 2 lực thành phần này gây ra tác dụng cho vật giống hệt như lực

F và xem có thành phần nào trùng với phương chuyển dời không? Nếu có thì chính thành phần đó sẽ sinh công.

Phân tích lực F thành hai thành phần F1 và F2, trong đó:

1

F vuông góc với hướng dịch chuyển, chỉ có tác dụng nâng vật lên không làm vật di chuyển.

2

F trùng với hướng dịch chuyển, có xu hướng kéo vật dịch chuyển theo phương ngang nên chính thành phần này thực hiện công.

Do đó, học sinh suy ra được công thức tính công của lực F:

1 2 0 . os

A A A  F c  hay AFscos

Tiếp theo, GV thông báo: Khi lực F không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời 1 đoạn s theo hợp với hướng của lực 1 góc α

thì công thực hiện bởi lực đó được tính theo công thức: . AFscos Đơn vị công: J.

Vậy công của lực phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Từ công thức định nghĩa, HS nhận thấy công của lực phụ thuộc vào độ lớn của lực tác dụng, độ dịch chuyển s và góc hợp bởi lực tác dụng và hướng dịch chuyển. Sau đó, GV yêu cầu HS xét các cụ thể từng yếu tố phụ thuộc sẽ suy ra công thức tính công trong các trường hợp đặc biệt:

0< α <900

→ cosα >0 → A>0 : Công phát động.

α = 900 → cos α = 0 → A =0 : Không thực hiện công. 900 < α < 1800

→ -1< cos α < 0 → A < 0 : Công cản.

GV thông báo: Công thức tính công chỉ đúng khi điểm đặt của lực chuyển dời thẳng và lực không đổi trong suốt quá trình chuyển dời.

41

Cần lưu ý cho HS: Công thực hiện bởi lực tác dụng vào vật phụ thuộc vào cách chọn hệ quy chiếu bởi vì độ dời và vận tốc phụ thuộc vào hệ quy chiếu mà ta đang khảo sát.

2.3.5. Cơ năng

Kiến thức về Cơ năng được SGK vật lí 10 Cơ bản trình bày ở trang 142 – 144.

Đầu tiết học, GV mô tả chuyển động của con lắc đơn trong trường trọng lực (là một trường thế).

GV có thể đặt câu hỏi tư duy cho HS: Hãy nhận xét về động năng và thế năng của vật trong quá trình vật chuyển động.

HS dễ dàng nhận thấy có sự biến đổi qua lại giữa hai dạng năng lượng là động năng và thế năng của vật trong quá trình chuyển động: Thế năng giảm, động năng tăng và ngược lại.

Vậy giữa độ biến thiên động năng và thế năng có mối quan hệ nào không? Nếu có thì mối quan hệ đó tuân theo quy luật như thế nào?

Để trả lời câu hỏi trên, GV yêu cầu HS xét chuyển động của vật trong trường lực thế.

- Trường hợp: Vật chuyển động trong trường trọng lực, GV yêu cầu HS giải bài tập 10:

Bài 10: “Một viên bi có khối lượng m rơi tự do lần lượt qua hai vị trí M và N tương ứng với các độ cao z , 1 z tại đó có vận tốc 2 v ,1 v . 2

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.”

HS có thể áp dụng những kiến thức đã học về định lí động năng, công của lực thế, hiệu thế năng, từ đó dễ dàng đi đến lời giải cho bài toán: Trong quá trình vật rơi tự do, viên bi chỉ chịu tác dụng của trọng lực, vận tốc của nó

42

tăng dần, trọng lực sinh công A12. Theo định lí động năng: Công do trọng lực thực hiện bằng độ tăng động năng của vật. Do đó, ta có biểu thức:

2 2 2 1 12 W 2 W1 2 2 d d mv mv A     (1)

Mặt khác, vật rơi tự do trong trọng trường nên vật có thế năng trọng trường. Khi vật rơi, độ cao của vật giảm, công của trọng lực bằng độ giảm thế năng giữa hai vị trí đó. Nghĩa là:

A12 Wt1Wt2 mgz1mgz2 (2) Từ (1) và (2) suy ra: Wd2 Wt2 Wd1Wt1 Hay : 2 2 2 1 2 1 2 2 mv mv mgz mgz   

GV thông báo: Nếu gọi tổng động năng và thế năng của viên bi là cơ năng W thì kết quả trên có thể viết lại như sau: W2 W1

Hay : 2 d W W W ons 2 t mv mgz c t     

Vì hai điểm M, N là bất kì nên có thể khái quát: Trong trọng trường động năng có thể chuyển hóa thành thế năng và ngược lại và tổng của chúng là cơ năng. Cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực luôn được bảo toàn.

- Trường hợp: Vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi. GV yêu cầu HS giải bài tập 11:

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.

43

a. Tính công của lực đàn hồi khi 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.”

HS dễ dàng nhận ra trong quá trình vật chuyển động luôn có sự thay đổi giữa động năng của vật và thế năng đàn hồi của lò xo. Với kiến thức đã học về độ biến thiên động năng, thế năng đàn hồi và công của lực đàn hồi, HS đưa ra lời giải cho bài tập như sau:

Xét hai vị trí bất kì trên quỹ đạo chuyển động.

Theo định lí động năng: Công do lực đàn hồi thực hiện bằng độ biến thiên động năng của vật:

2 2 2 1 12 Wd2 W1 2 2 d mv mv A     (3)

Mặt khác, công của lực đàn hồi bằng độ biến thiên thế năng đàn hồi giữa hai vị trí ta xét:  2  2 1 2 12 W1 W2 2 2 t t k l k l A       (4) Từ (3) và (4) suy ra: Wd2Wt2 Wd1Wt1 Hay : 2  2 2  2 2 1 2 1 2 2 2 2 k l k l mv  mv    

Tương tự: Nếu gọi tổng động năng và thế năng của viên bi là cơ năng W thì kết quả trên có thể viết lại như sau: W2 W1

Hay : 2  2 W W W ons 2 2 d t k l mv c t      

GV thông báo: Vì xét hai điểm bất kì trên quỹ đạo chuyển động của vật nên có thể khái quát: Khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi,

44

tổng động năng và thế năng của vật gọi là cơ năng. Cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi luôn được bảo toàn.

Cuối cùng, mở rộng cho HS: Trọng lực và lực đàn hồi là lực thế nên ta có thể đi đến kết luận tổng quát là cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của những lực thế luôn bảo toàn.

45

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

Trên cơ sở lí luận đã nghiên cứu về bài tập vật lí, kết quả điều tra thực tế, nội dung chương trình SGK vật lí 10 THPT, từ đó xác định mục tiêu dạy học đối với một số bài học cụ thể, chúng tôi đã soạn thảo một hệ thống bài tập gồm 11 bài nhằm hình thành KTM đối với 5 bài học nghiên cứu tài liệu mới và soạn thảo tiến trình hướng dẫn HS giải các bài tập đó.

Để khẳng định tính hiệu quả và tính khả thi của hệ thống bài tập và tiến trình hướng dẫn HS giải các bài tập ấy nhằm hình thành KTM trong việc nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức cơ bản, góp phần phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong dạy học mà chúng tôi soạn thảo chương này, chúng tôi sẽ tiến hành thực nghiệm sư phạm. Nội dung của phần này được trình bày ở chương 3 của khóa luận.

46

CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1. Mục đích và nhiệm vụ của thực nghiệm sƣ phạm

3.1.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm

Tiến hành thực nghiệm sư phạm để kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của hệ thống bài tập nhằm hình thành KTM đã soạn thảo cũng như cách thức tổ chức giải chúng trong một số tiết học NCTLM nhằm nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS lớp 10 THPT.

3.1.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm

Để đạt được mục đích nêu trên, thực nghiệm sư phạm cần giải quyết một số nhiệm vụ sau:

- Điều tra cơ bản để lựa chọn lớp TN, lớp ĐC và chuẩn bị các điều kiện