8. Cấu trúc khóa luận
2.2.2. Nội dung 2: Cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi
- Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật.
- Sự bảo toàn cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi: W = Wđ + Wt = hằng số
Hay ½ mv2 + ½ k (∆l)2 = hằng số
Tổng quát: Cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của lực thế luôn được bảo toàn.
2.2.3. Nội dung 3(mở rộng, nâng cao): Biến thiên cơ năng
Khi ngoài lực thế, vật còn chịu tác dụng của lực không phải lực thế, ví dụ như lực ma sát, lực cản… thì cơ năng của vật sẽ không bảo toàn.Công của lực ma sát, lực cản… bằng độ biến thiên cơ năng của vật.
2.2.4. Nội dung 4: Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng
2.2.4.1. Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng đối với hệ kín kết hợp với định luật bảo toàn khác để khảo sát sự va chạm.
- Va chạm mềm (va chạm hoàn toàn không đàn hồi):
Trong loại va chạm này, sau va chạm hai vật dính vào nhau thành một khối chung và chuyển động với cùng một vận tốc. Do biến dạng không được phục hồi, một phần động năng của hệ chuyển thành nội năng (tỏa nhiệt) và tổng động năng không được bảo toàn.
24
+ Trong va chạm đàn hồi, giữa hai vật xuất hiện biến dạng đàn hồi trong khoảng thời gian rất ngắn nhưng sau đó từng vật lại trở về hình dạng ban đầu và tổng động năng được bảo toàn.Sau va chạm, hai vật tiếp tục chuyển động tách rời nhau với vận tốc riêng biệt.
+ Trong va chạm đàn hồi xuyên tâm (va chạm đàn hồi trực diện), phương vận tốc ban đầu của hai vật trùng với đường thẳng nối khối tâm của hai vật.
+ Trong va chạm đàn hồi không xuyên tâm, phương vận tốc ban đầu của một vật không trùng với đường thẳng nối khối tâm của hai vật.
Chú ý: Nếu vật thứ hai chuyển động thì ta coi nó đứng yên.Sau đó, ta dùng công thức cộng vận tốc để tìm vận tốc tương đối của vật thứ nhất.
2.2.4.2. Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng và kết hợp với các định luật toàn khác để giải bài toán cơ học
- Bước đầu tiên là xác định hệ cơ của bài toán gồm những vật nào và có tính chất gì?
25
+ Hệ không cô lập, nhưng hình chiếu của tổng ngoại lực theo phương nào triệt tiêu?
+ Hệ có “cô lập” một cách gần đúng không, nghĩa là ngay khi xảy ra quá trình tương tác, va chạm, các nội lực xuất hiện có độ lớn vượt trội hơn các ngoại lực không?
+ Hệ có lực ma sát, lực cản… không?
- Sau khi xác định được tính chất của cơ hệ trong bài toán, sẽ định hướng được là phải áp dụng định luật bảo toàn nào?
- Để chuẩn bị cho việc áp dụng các định luật bảo toàn, phải viết ra các đại lượng vật lí (vận tốc, động lượng, động năng, thế năng, cơ năng…) của từng vật trong hệ trước và sau quá trình tương tác, va chạm.
- Cần chú ý rằng, nếu phải xét hình chiếu của các vecto lên cùng một trục thì trục đó phải chọn chiều dương thống nhất trước và sau quá trình tương tác.
- Nếu phải tính thế năng thì trước hết phải chọn mốc thế năng một cách phù hợp.
- Sau khi đã chuẩn bị đầy đủ như vậy, ta viết các phương trình diễn tả các định luật bảo toàn thích hợp với hệ cơ của bài toán.
- Cuối cùng là giải và biện luận các phương trình đó.Khi giải cần chú ý là các hệ thức về động lượng là những phương trình vecto, các hệ thức về năng lượng là các phương trình vô hướng.
2.3. Mục tiêu dạy học 2.3.1. Kiến thức 2.3.1. Kiến thức
- Phát biểu định nghĩa cơ năng và viết được công thức tính cơ năng. - Thiết lập được định luật bảo toàn cơ năng trong các trường hợp cụ thể lực tác dụng là trọng lực và lực đàn hồi. Từ đó mở rộng thành lập định luật tổng quát khi lực tác dụng là lực thế nói chung.
26
- Phát biểu được định luật bảo toàn cơ năng và viết được hệ thức của định luật này.
- Nêu được điều kiện áp dụng định luật bảo toàn cơ năng.
2.3.2. Kĩ năng
- Vận dụng được công thức tính cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường và vật chịu tác dụng của lực đàn hồi để giải một số bài toán đơn giản.
- Giải thích được một số hiện tượng trong đời sống có liên quan đến sự bảo toàn cơ năng của vật trong quá trình tương tác.
- Xây dựng được phương án thí nghiệm để nghiên cứu về sự bảo toàn cơ năng: xác định được các vật dụng, dụng cụ đo của thiết bị và cách bố trí; đề xuất được kế hoạch làm thí nghiệm hợp lí.
- Chế tạo được các thiết bị thí nghiệm đơn giản để nghiên cứu về sự bảo toàn cơ năng.
- Tiến hành được các thí nghiệm theo kế hoạch đã đề ra.
2.3.3. Thái độ (giá trị)
- Tự tin đưa ra các ý kiến cá nhân khi thực hiện các nhiệm vụ ở lớp, ở nhà.
- Chủ động trao đổi, thảo luận với các HS khác và với GV.
- Hợp tác chặt chẽ với các bạn khi thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu, thí nghiệm ở nhà.
2.3.4. Định hƣớng các năng lực đƣợc hình thành
- Năng lực sử dụng kiến thức: Sử đụng được kiến thức vào việc giải các bài toán có liên quan đến sự bảo toàn cơ năng hoặc các bài toán có liên quan đến thực tiễn.
- Năng lực phương pháp: Đề xuất được các dự đoán có căn cứ về sự phụ thuộc của cơ năng vào các yếu tố liên quan đến sự tương tác giữa các vật
27
trong quá trình tương tác; đề xuất được các dụng cụ thí nghiệm và cách bố trí hợp lí; thực hiện được các thí nghiệm theo kế hoạch đã đề xuất để kiểm tra các giả thuyết đã nêu về sự bảo toàn cơ năng.
- Năng lực trao đổi thông tin: Thực hiện các trao đổi, thảo luận với bạn để thực hiện nhiệm vụ.
- Năng lực cá thể: Kết hợp được các kiến thức trong việc giải các bài toán về tương tác giữa các vật, sử dụng kiến thức đã học vào lí giải hoặc vận dụng ở các tình huống thực tiễn.
2.4. Tiến trình dạy học
2.4.1. Hoạt động 1: Làm nảy sinh vấn đề tìm hiểu sự bảo toàn cơ năng của vật trong quá trình chuyển động (làm việc chung cả lớp). Hoạt động của vật trong quá trình chuyển động (làm việc chung cả lớp). Hoạt động này nhằm phát triển năng lực: K1, P1, P2, X1, X2, C1.
2.4.1.1. Quan sát
GV mô tả thí nghiệm: ném thẳng đứng một hòn đá lên một độ cao nhất định. Có thể mô tả khái quát chuyển động của hòn đá thành hai giai đoạn như sau:
- Giai đoạn 1: Đi lên chậm dần rồi dừng lại.
- Giai đoạn 2: Rơi xuống nhanh dần đến khi chạm đất.
Xét từng thời điểm khác nhau, ta thấy độ cao của vật so với mặt đất là khác nhau và tại đó vận tốc của vật cũng khác nhau.Như vậy động năng và thế năng của vật biến đổi như thê nào?
2.4.1.2. Giải thích
- GV nêu yêu cầu các HS thảo luận nhóm để trả lời câu hỏi: Hãy cho biết trong các giai đoạn của quá trình chuyển động của vật, động năng và thế năng của vật biến đổi như thế nào? (Tổ chức cho HS thảo luận nhóm theo bàn).
- HS cử đại diện trả lời:
+ Giai đoạn 1: Vận tốc của vật giảm dần nên động năng giảm. Độ cao của vật so với mặt đất tăng dần nên thế năng của vật tăng dần.
28
+ Giai đoạn 2: Vật rơi có vận tốc tăng dần nên động năng của vật tăng dần.Trong quá trình rơi, độ cao của vật so với mặt đất giảm dần nên thế năng giảm dần.
- GV nhận xét câu trả lời.Yêu cầu HS nhắc lại kiến thức cũ là
+ Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đã học ở THCS: “Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi.Năng lượng chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc chuyển từ vật này sang vật khác.”
+ Định lí động năng: Độ biến thiên động năng của một vật bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật.
+ Công của trọng lực bằng độ giảm thế năng của vật. + Công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng đàn hồi.
- Sau đó GV nhắc lại nhằm hệ thống kiến thức sẽ vận dụng trong chủ đề.
2.4.2. Hoạt động 2: Phát biểu vấn đề cần nghiên cứu. Hoạt động nhằm phát triển các năng lực: K1, P1, X1, X7, C1 phát triển các năng lực: K1, P1, X1, X7, C1
- GV đặt vấn đề: Trong chương trình THCS, chúng ta đã biết: động năng và thế năng là hai dạng của cơ năng. Trong quá trình cơ học, động năng và thế năng có thể chuyển hóa cho nhau nhưng cơ năng thì được bảo toàn. Tuy nhiên, có phải trong tất cả các quá trình cơ học cơ năng đều được bảo toàn? Muốn có điều đó thì cần có điều kiện gì? Biểu thức toán học nào thể hiện mối quan hệ đó? Và áp dụng định luật bảo toàn cơ năng và các định luật bảo toàn khác để giải bài toán va chạm, các bài toán áp dụng phương pháp năng lượng.
- HS thảo luận và phát biều vấn đề: Cần tìm hiểu cơ năng của vật bảo toàn trong điều kiện nào? Biểu thức xác định cơ năng của vật trong hai trường hợp: vật chuyển động trong trọng trường và vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.Phương pháp giải các bài tập cơ học áp dụng các định luật bảo toàn.
29
2.4.3. Hoạt động 3: Giải quyết vấn đề (bằng con đƣờng lí thuyết và kiểm nghiệm bằng con đƣờng khảo sát thực nghiệm). Hoạt động này nhằm phát triển các năng lực: K2, K3, K4, P2, P5, P8, P9, X1, X5, X6, C1, C2
2.4.3.1. Đưa ra giả thuyết
GV yêu cầu HS thảo luận để đưa ra giả thuyết chỉ có một số trường hợp cơ năng của vật được bảo toàn: vật chuyển động trong trọng trường và vật chịu tác dụng của lực thế.Tổng quát là định luật bảo toàn cơ năng chỉ nghiệm đúng khi vật chỉ chịu tác dụng của những lực thế.
Trường hợp cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường
- Xét một vật khối lượng m chuyển động trong trọng trường từ vị trí (1) đến vị trí (2).
+ Công do trọng lực thực hiện bằng độ tăng động năng của vật: A12 = Wđ2 – Wđ1
+ Công này lại bằng độ giảm thế năng của vật trong trọng trường: A12 = Wt1 – Wt2
- Yêu cầu HS so sánh hai biểu thức trên và rút ra kết luận. + Ta được: Wđ2 + Wt2 = Wđ1 + Wt1 (*)
+ GV nhận xét: Vì (1) và (2) là hai vị trí bất kì của vật trong quá trình chuyển động nên từ hệ thức (*) ta có thể phát biểu định luật bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường.
+ GV yêu cầu HS phát biểu định luật và viết biểu thức.
Trường hợp cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.
- Tương tự như trường hợp trên GV yêu cầu HS tự chứng minh (làm việc theo nhóm).
30
- GV yêu cầu nhóm cử đại diện báo cáo kết quả, các thành viên khác theo dõi và thảo luận.
- GV yêu cầu HS phát biểu định luật và viết biểu thức.
- GV cho HS nhận xét đặc điểm về công của trọng lực, công của lực đàn hồi.Sau đó rút ra điều kiện để cơ năng của vật bảo toàn.
2.4.3.2. Xây dựng phương án thí nghiệm.
- GV yêu cầu HS làm việc nhóm để xây dựng phương án thí nghiệm.Các nhóm thảo luận và đưa ra được:
Các dụng cụ thí nghiệm cần thiết Cách thức bố trí Cách thức tiến hành và thu thập số liệu (bảng số liệu)
1.Thí nghiệm với con lắc đơn: một viên bi sắt nhỏ, sợi dây mảnh không dãn,giá đỡ, thươc đo độ. Treo vật nhỏ vào đầu một sợi dây không dãn, đầu kia của dây được giữ cố định
Đưa vật lên một độ cao xác định rồi thả cho vật chuyển động tự do.Ta thấy vật đi qua vị trí cân bằng tiếp tục đi lên chậm dần và dừng lại ở một độ cao bằng độ cao ban đầu.Sau đó vật lại đi xuống qua vị trí cân bằng và tiếp tục đi lên…
31 2.Thí nghiệm với con lắc đơn bị vướng đinh: một viên bi nhỏ, sợi dây không dãn, đóng đinh nhỏ trên đường thẳng qua điểm treo O, giá đỡ, Vật nhỏ treo ở đầu sợi dây không dãn, đầu còn lại cố định.Đóng đinh nhỏ trên đường thẳng qua điểm treo O và cách O về phía dưới một đoạn R.
Ta có thể đo các góc OCB và góc OCA, nhận thấy chúng bằng nhau.A là vị trí ban đầu còn B là vị trí mà vật dừng lại ở giai đoạn đầu của quá trình dao động.HS đo các giá trị góc khác nhau và nhận thấy trong quá trình chuyển động, động năng và thế năng của vật trong trọng trường liên tiếp thay đổi.Ta xét mối quan hệ giữa độ biến thiên của hai dạng năng lượng này.
Con lắc đơn dao động với góc nhỏ α1 .Khi dao động dây treo con lắc bị vướng ở O trong chuyển động từ trái sang phải của vị trí cân bằng, hợp với góc nhỏ α2.
HS mặc định góc α1 và α2 bằng nhau.Nhưng thực tế là bằng nhau về độ cao (HS tiến hành thí nghiệm đo độ cao của dao động của vật).
32 thươc đo độ, thươc kẻ. 3.Thí nghiệm với con lăc lò xo: một lò xo, một vật nhỏ, thước kẻ, giá đỡ. 4.Thí nghiệm về bài toán va Vật gắn vào đầu lò xo, đầu còn lại giữ cố định +Trường hợp 1: Viên bi thứ nhất đứng yên,
Ban đầu để lò xo ở trạng thái tự nhiên đo chiều dài tự nhiên của lò xo.Sau đó kéo dãn lò xo đến một giá trị nhất định rồi đo độ biến dạng của lò xo.Để lò xo ở các vị trí khác nhau ví dụ như vị trí cân bằng, vị trí biên trái, vị trí biên phải thì HS sẽ tính động năng và thế năng của vật.Và từ đó rút ra được kết luận và các nhận xét về giá trị cực đại, cực tiểu của thế năng đàn hồi và động năng.
+ Trường hợp 1: HS nhận thấy hai viên bi chuyển động không cùng phương => Va chạm đàn hồi không xuyên tâm.
33 chạm: hai viên bi đông chất, một khe rãnh. viên bi còn lại chuyển động đến va chạm vào viên bi 1.(hai viên bi chuyển động trên mặt bàn). + Trường hợp 2: Viên bi thứ nhất đứng yên, viên bi còn lại chuyển động đến va chạm vào viên bi 1.(hai viên bi chuyển động trên cùng một khe rãnh).
+ Trường hợp 2: HS nhận thấy hai viên bi
chuyển động cùng một phương +> Va chạm đàn hồi xuyên tâm.
HS sẽ nhận biết được sự khác nhau giữa hai loại va chạm.Điều kiện để xảy ra va chạm xuyên tâm đối với hai vật, cần có công cụ hỗ trợ gì? ...
- GV yêu cầu đại diện trình của một nhóm trình bày phương án, các nhóm khác góp ý bổ sung:
34
Dụng cụ thí nghiệm: Chọn vật chuyển động, vật này có thể thay đổi khối lượng, dây treo,…
Kế hoạch thực hiện:
+ Để đo độ biến dạng của con lắc lò xo HS có thể treo con lắc thẳng đứng hoặc nằm ngang để tiện cho phép đo.
+ Đo góc dao động của con lắc đơn sẽ có nhiều sai số cần đo nhiều lần. + Sử dụng các viên bi nhỏ có cấu tạo sao cho có thể bỏ qua lực cản không khí.
- GV tổng kết về cách thức tiến hành thí nghiệm trước toàn lớp
2.4.3.3. Giao nhiệm vụ và học sinh tiến hành thí nghiệm theo các phương án đã đề xuất (làm việc theo nhóm ở nhà)
- GV thông báo về việc thực hiện thí nghiệm như đã đề xuất phương án với hình thức nhóm và được thực hiện ở nhà với thời hạn một tuần. Yêu cầu:
Chia nhóm theo số lượng gần bằng nhau, phù hợp với điều kiện không gian và thời gian.