Các tình huống xây dựng kiến thức thế năng đàn hồi a Tình huống cơ bản

a. Tình huống cơ bản

GV cho HS xét ví dụ: lò xo bị nén lại hay bị kéo dãn thì khi được buông ra nó sẽ làm cho vật gắn ở đầu lo xo chuyển động. Qua đó cho HS thấy khi lò xo biến dạng (nén hay dãn) thì nó có khả năng thực hiện công. Từđó đề xuất vấn đề cơ bản:

có đại lương nào đặc trưng cho khả năng thực hiện công của lò xo bị biến dạng và nó được xác định như thế nào?

Tình huống này dẫn HS đến hành động dựđoán tìm câu trả lời. HS có thể tìm kiếm được câu trả lời vì đã có tình huống tương tựở phần thế năng trọng trường.

Nếu HS vẫn chưa hành động được thì GV định hướng tiếp bằng việc ra bài toán.

b. Bài toán

Để trả lời cho câu hỏi cơ bản ở trên thì các em có thể đi giải bài toán sau: Một lò xo có độ cứng K bị nén lại một đoạnl dọc theo trục lò xo. Tìm công lớn nhất mà lò xo thực hiện được khi đẩy một vật ra xa.

Tình huống này dẫn HS đến hành động vận dụng kiến thức cũ (công thức tính công A=Fscos và công thức giá trị trung bình của đại lượng tuyến tính) đểđi tìm câu trả lời cho bài toán. Kết quả giải toán :

2max max ( ) 2 K l A   d. Hợp thức hóa

Công lớn nhất mà lò xo bị biến dạng đoạn l thực hiện được gọi là thế năng đàn hồi.Vì nó liên quan đến biến dạng đàn hồi, cụ thể là độ biến dạng của lò xo.Và kí hiệu thế năng đàn hồi là Wt. Và Wt = 2 ( ) 2 K l là công thức tính thế năng đàn hồi ứng với trạng thái nén hoặc dãn một đoạn l của lò xo. D.Các tình huống xây dựng kiến thức mối liên hệ giữa độ biến thế năng đàn hồi với công của lực đàn hồi. a. Tình huống cơ bản

GV cho HS phân tích tiếp ví dụở trên. Lò xo bị nén lại hay bị kéo dãn thì khi

được buông ra nó sẽ làm cho vật gắn ở đầu lo xo chuyển động, để HS thấy rằng trong quá trình đó độ biến dạng của lò xo thay đổi và vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.Và phát hiện ra có mối liên hệ giữa độ biến thiên thế năng đàn hồi với lực đàn hồi. Từ đó xuất hiện vấn đề cơ bản: giữa độ biến thiên thế năng đàn hồi và lực đàn hồi có mối liên hệ nào chi phối?

Tình huống này dẫn HS đến hành động dựđoán mối liên hệ vì HS đã có tình huống tương tự ở phần mối liên hệ giữa độ biến thiên thế năng trọng trường với công của trọng lực .

Nếu HS vẫn chưa hành động được thì GV thu hẹp phạm vi dự đoán của HS bằng việc đưa ra bài toán..

Mối liên hệ trên có thể được tìm ra thông qua việc giải bài toán: Tìm công của lực đàn hồi làm vật gắn ở đầu lò xo dịch chuyển từ vị trí có độ biến dạng l1

đến vị trí có độ biến dạngl2.

Tình huống này dẫn HS đến hành động vận dụng kiến thức đã biết để tìm câu trả lời cho bài toán. Kết quả bài toán :

 2  21 2 (1) (2) 1 2 (1) (2) 2 2 Fđh t t K l K l A   W W     c. Phát hiện kiến thức mới

Kết quả bài toán trên dẫn HS đến trả lời cho câu hỏi cơ bản một cách dễ dàng. Kiến thức mới được phát hiện là Wt(2)Wt(1)=-AFđh : độ biến thiên thế năng đàn hồi thì bằng và trái dấu với công của lực đàn hồi.

d. Hợp thức hóa

GV nhận xét: vật gắn ởđầu lò xo chịu tác dụng của lực đàn hồi của lò xo nên thế năng của vật cũng là thế năng đàn hồi. Nói chính xác đó là thế năng đàn hồi của hệ vật - lò xo. Vì các vật trong hệ tương tác với nhau bởi lực đàn hồi.Vì vậy biểu thức: Wt(2)- Wt(1) = -AFđh thể hiện độ biến thiên thế năng đàn hồi của hệ vật- lò xo thì bằng và trái dấu với công của lực đàn hồi tác dụng lên vật .

2. Hệ thống các tình huống vật lí và các câu hỏi như mục 3 của phụ lục 2. IV. Soạn thảo tiến trình dạy học IV. Soạn thảo tiến trình dạy học

Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: xây dựng kiến thức thế năng trọng trường.

Yêu cầu HS trình bày và thảo luận các tình huống 1,2.

a. Tình huống cơ bản (Tình huống 1)

* Chúng ta xét ví dụ: búa máy từđộ cao z rơi xuống đập vào cọc, làm cho cọc đi sâu vào đất một đoạn s. Điều đó chứng

tỏ búa máy ởđộ cao z có khả năng gì? * Tại sao búa máy có thể thực hiện công?

* Khả năng thực hiện công của vật nặng ở độ cao z phụ thuộc vào trạng thái (vị trí) của nó như thế nào?

* Vậy có đại lượng nào đặc trưng cho khả năng thực hiện công của vật nặng đang ở trên cao và nó được xác định như thế nào?

* Nếu HS vẫn chưa hành động được thì GV định hướng tiếp bằng việc đưa ra bài toán.

b.Bài toán (Tình huống 2)

* Em có thể tìm được câu trả lời thông qua việc giải bài toán có nội dung: Một búa máy có khối lượng m đang ở độ cao z so với mặt đất.Tìm công lớn nhất mà búa máy thực hiện được khi rơi xuống mặt đất.

c. Phát hiện kiến thức mới

* Từ kết quả bài toán, em hãy cho biết vật nặng có khối lượng m , ở độ cao z so với mặt đất có khả năng thực hiện công lớn nhất được tính như thế nào?

* Vì trước khi đập vào cọc búa máy có

động năng.

* HS dựđoán tìm câu trả lời.

* HS dựđoán tìm câu trả lời.

*HS hành động giải toán:

Công lớn nhất mà búa máy thực hiện

được là công khi nó rơi xuống đất để đóng vào cọc.Trước khi rơi chạm đất, để đóng vào cọc thì búa máy có động năng

22 2

đ

mv

W  ,với vận tốc v của búa máy

được tính theo công thức của rơi tự do là

2v gz. v gz. Do đó 2 max 1 1 2 2 2 A  mv  m gz mgz . * Vật nặng có khối lượng m, ở độ cao z so với mặt đất có khả năng thực hiện công lớn nhất là Amax mgz.

d. Hợp thức hóa kiến thức

* Công lớn nhất mà vật nặng ở độ cao z so với mặt đất có thể thực hiện được gọi là thế năng trọng trường của vật hay nói chính xác đó là thế năng trọng trường của hệ vật – trái đất. Vì khả

năng thực hiện công của nó liên quan

đến lực hút của trái đất với vật và độ

cao của vật. Người ta kí hiệu thế năng là Wt và thế năng trọng trường chỉ là một trường hợp riêng của thế năng hấp dẫn. Vì ngoài trái đất, mọi thiên thể

trong vũ trụ đều hút lẫn nhau với lực vạn vật hấp dẫn.

* Vậy ý nghĩa của thế năng trọng trường là gì?

* Em có thể định nghĩa thế năng trọng trường như thế nào và đơn vị đo của nó là gì?

Kết quả khảo sát trên cho phép chúng ta trả lời được câu hỏi “Khả năng thực hiện công của vật nặng ở độ cao z phụ

thuộc vào trạng thái (vị trí) của nó như

thế nào?”

* Nếu vật ở tại mặt đất thì thế năng

* Thế năng trọng trường là đại lượng vật lí đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật vật nặng ở độ cao z so với mặt

đất .

* Thế năng trọng trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của một vật ở độ cao z so với mặt đất và

được xác định theo công thức:

t

W mgz.

Đơn vị đo của thế năng trọng trường là Jun. Vì thế năng trọng trường là công lớn nhất mà vật nặng ở độ cao z so với mặt đất có thể thực hiện được nên đơn vị

của nó cũng là đơn vị của công. *Bằng 0.

trọng trường có giá trị như thế nào?

* Thường người ta chọn mặt đất làm mốc thế năng (gốc thế năng) chiều dương của trục z hướng lên. Ứng với các mốc thế năng khác nhau thì thế

năng trọng trường sẽ có giá trị khác nhau nghĩa là thế năng trọng trường phụ

thuộc vào việc chọn gốc thế năng.