6. Phương phỏp nghiờn cứu
2.2. Mục tiờu của phần cỏc định luật bảo toàn
2.2.1. Mục tiờu về kiến thức
- Nờu được khỏi niệm về hệ kớn.
- Viết được cụng thức tớnh xung của lực và cụng thức tớnh động lượng, nờu được đơn vị đo động lượng.
- Từ đinh luật II Niu- tơn suy ra được định lớ biến thiờn động lượng.
- Phỏt biểu và viết được hệ thức của định luật bảo toàn động lượng đối với hệ hai vật.
- Nờu được nguyờn tắc chuyển động bằng phản lực.
- Phỏt biểu được định nghĩa và nờu được biểu thức tớnh cụng. - Phỏt biểu được định nghĩa và cụng thức của biểu thức tớnh cụng. - Phỏt biểu được định nghĩa và ý nghĩa của cụng suất.
- Phỏt biểu được định nghĩa và viết được cụng thức tớnh động năng. Nờu được đơn vị đo động năng.
- Phỏt biểu được định nghĩa của thế năng trọng trường của một vật và viết được cụng thức tớnh thế năng trọng trường.
- Nờu được đơn vị đo thế năng.
- Viết được cụng thức tớnh thế năng đàn hồi.
- Phỏt biểu được định luật bảo toàn cơ năng và viết được biểu thức trong trường hợp thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.
- Phõn biệt được va chạm mềm và va chạm đàn hồi. - Giải được một số bài toỏn va chạm đơn giản. - Phỏt biểu được 3 định luật Keple.
- Biết như thế nào là vệ tinh nhõn tạo và tốc độ vũ trụ cấp I, cấp II, cấp III.
2.2.2. Về kỹ năng
- Vận dụng định luật bảo toàn động lượng để giải được cỏc bài tập va chạm mềm đối với hai vật.
- Vận dụng được cỏc cụng thức tớnh cụng và cụng suất một cỏch linh hoạt để giải cỏc bài toỏn.
- Vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng để giải cỏc bài toỏn chuyển động đơn giản.
- Áp dụng những hiểu biết về chuyển động cỏc hành tinh để giải thớch cỏc hiện tượng tự nhiờn.
Hỡnh 2.1: Sơ đồ cấu trỳc logic chương cỏc định luật bảo toàn.
2.4. Thớ nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động luợng với bộ cần rung2.4.1. Dụng cụ thớ nghiệm 2.4.1. Dụng cụ thớ nghiệm
- Xe lăn
- Mỏng ngang đó đựoc điều chỉnh để cho ma sỏt cú thể coi là khụng đỏng kể. - Băng giấy luồn qua khe của bộ rung, một đầu gắn vào xe, một đầu thả lỏng. - Bộ rung dựng để xỏc định thời gian. Ở đầu cần rung cú một bỳt mực. Khi cần rung hoạt động thỡ bỳt mực đỏnh dấu cỏc vị trớ của xe đó đi.
2.4.2. Phương phỏp tiến hành thớ nghiệm
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
Động lượng Cơ năng Định luật keple
Xung lượng của lực Hệ cụ lập Thế năng Động năng cụng Thế năng đàn hồi Động lượng,biến thiờn động lượng Định luật bảo toàn động lượng Chuyển động bằng phản lực Bài toỏn va cham
Va chạm mềm Va chạm đàn hồi
Định luật bảo toàn cơ năng
Định luật biến thiờn cơ năng Thế năng trọng trường Cụng suất Độ biến thiờn động năng Độ giảm thế năng
PHƯƠNG PHÁP BẢO TOÀN GIẢI BÀI TOÁN CƠ HỌC
Định luật I
Định luật III Định luật II
- Mỏng ngang đựơc điều chỉnh để cho ma sỏt khi cỏc xe chyển động là khụng đỏng kể. Cỏc xe cú thể thay đổi khối luợng nhờ cỏc quả cõn được đặt cỏch nhau một khoảng. Xe 1 cú gắn băng giấy luồn qua bộ cần rung dựng để xỏc định quảng đường đi đựơc trong những khoảng thời gian bằng nhau.
- Dựng tay đẩy xe 1 chuyển động với vận tốc đến va chạm với xe 2 đứng yờn (v2= 0). Lỏ thộp mỏng ở đầu xe 1 sẽ cắm vào cỏi kẹp ở đầu xe 2 làm cho hai xe gắn chặt vào nhau và cựng chuyển động với vận tốc v' theo chiều
của v1.
- Dựng bộ cần rung đỏnh dấu vị trớ của xe sau những khoảng thời gian bằng nhau với ∆t = 0.02 s. Đo những khoảng cỏch giữa cỏc vết mực liờn tiếp ∆s trước và ∆s’ sau va chạm, ta xỏc nhận được trước và sau va chạm là chuyển động đều với cỏc vận tốc tương ứng là:
t s v1=∆∆ và v st ∆ ∆ = ' '
Khi đú ta tớnh động lượng mv cho từng xe của hệ. Sau đú, so sỏnh cỏc giỏ trị trước và sau va chạm để kiểm chứng định luật bảo toàn động luợng.
2.4.3. Những hạn chế khi sử dụng bộ thớ nghiệm cần rung.
Khi sử dụng thớ nghiệm bộ cần rung ta chỉ cú thể khảo sỏt trong trường hợp đơn giản đú là hệ kớn gồm hai vật tương tỏc, trong đú vật ban đầu đứng yờn. Cỏc trường hợp như hai vật đang chuyển động ta khụng thể kiểm tra đựơc. Để tớnh vận tốc ta phải tớnh trung gian qua quảng đường và thời gian t mà khụng thể đo trực tiếp vận tốc như vậy sai số sẽ lớn.
Như vậy, nếu ta sử dụng bộ thớ nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng sẽ cú nhiều điểm hạn chế. Tuy nhiờn, ngày nay khoa học kỹ thuật và cụng nghệ thụng tin phỏt triển con người đó nghiờn cứu ra cỏc bộ thớ nghiệm hiện đại và chớnh xỏc hơn để phục vị cho quỏ trỡnh nghiờn cứu. Để kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng con người đó nghiờn cứu ra bộ thớ nghiệm đệm khụng khớ ghộp nối mỏy tớnh hiện đại và chớnh xỏc hơn. Vỡ vậy, trong phần sau luận văn đi sõu vào nghiờn cứu, khai thỏc cỏc thớ nghiệm từ bộ thớ nghiệm “
đệm khụng khớ kết nối mỏy vi tớnh” để sử dụng trong dạy học chương “ cỏc định luật bảo toàn” vật lý 10- Ban nõng cao.
2.5. Cỏc thớ nghiệm được lắp rỏp và sử dụng vào dạy học phần “Cỏc định luật bảo toàn” từ bộ thớ nghiệm “đệm khụng khớ ghộp nối mỏy vi tớnh”
2.5.1. Cỏc dụng cụ thớ nghiệm trong bộ thớ nghiệm
Hỡnh 2.2: Nguồn cung cấp khớ và ống dẫn khớ nối vào mỏng nghiờng
Hỡnh 2.4 : Bộ kớch hoạt trờn mỏng nghiờng
Hỡnh 2.5: Mỏng nghiờng, xe, và bộ kớch hoạt trờn mỏng nghiờng
Hỡnh 2.7: Cổng quang điện
Hỡnh 2.8: Mỏy vi tớnh, cổng quang điện và mỏng nghiờng - Nguồn cung cấp khụng khớ.
- Mỏng nghiờng cú chiều dài 2m. Khi cỏc vật chuyển động trờn mỏng nghiờng cú cung cấp khụng khớ khi đú ma sỏt khụng đỏng kể và chuyển động của cỏc vật được coi là chuyển động đều.
- Mỏy vi tớnh và phần mềm đo vận tốc: Cài đặt cho mỏy phần mềm đo tự động “Time/ Counter”. Khi cỏc vật bắt đầu chuyển động ta cho phần mềm hoạt động cựng lỳc và khi vật thụi chuyển động thỡ nú cũng kết thỳc. Như vậy ta sẽ cú kết quả chớnh xỏc và trực quan khi làm thớ nghiệm.
- Nguồn cung cấp điện 12 V.
- Cỏp dữ liệu RS 232: Lấy dữ liệu từ cổng quang điện đưa vào mỏy tớnh và xử lý số liệu đú để cho ta kết quả trờn mỏy tớnh.
- Hệ thống kớch hoạt ở mỏng nghiờng: Để tạo vận tốc ban đầu cho xe.
- Hai cổng quang điện: Khi cỏc vật đi qua cổng quang điện thỡ cổng quang điện sẽ đỏnh dấu thời điểm mà vật bắt đầu đi qua cổng quang điện.
- Hai xe: Hai xe cú thể di chuyển khụng ma sỏt trờn đệm khụng khớ.
- Cỏc rào cản ỏnh sỏng màu đen: Lắp vào cỏc xe để khi cỏc xe chuyển động đi qua cổng quang điện thỡ cổng quang điện đỏnh dấu thời điểm mà vật đi qua. - Cỏc rónh khối lượng 50g.
- Cỏc rónh khối lượng 10g.
- Cỏc dõy nối: Cỏc dõy nối để nối từ cổng quang điện đến mỏy tớnh và cỏc cổng quang điện với nhau gồm 2 dõy vàng, 2 dõy đỏ và 2 dõy xanh. Mỗi dõy cú chiều dài là 100 cm.
- Chất dẻo. - Cỏc kim sắt.
2.5.2. Cỏch lắp rỏp và sử dụng bộ thớ nghiệm vào dạy học chương cỏc định luật bảo toàn luật bảo toàn
2.5.2.1. Va chạm đàn hồi
a. Mục đớch thớ nghiệm
- Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn động năng trong va chạm đàn hồi.
b. Dụng cụ và cỏch lắp rỏp thớ nghiệm Dụng cụ:
- Mỏng nghiờng cú chiều dài 2m - Mỏy nộn khớ và ống dẫn khớ dài.
- Nam chõm điện và bộ kớch hoạt trờn mỏng nghiờng.
- Hai xe trượt trờn mỏng tạo đệm khụng khớ, trờn mỗi xe cú gắn giỏ chắn sỏng với độ dài là lo = 5 cm để chắn ỏnh sỏng tế bào quang điện.
- Hai cổng quang điện. - Cỏp dữ liệu.
- Dõy cao su gắn vào giỏ chữ U. - Cỏc kim bằng sắt khụng gỉ.
- Mỏy vi tớnh cú cài đặt phần mềm “Time/Counter”
- Cỏc dõy nối gồm: Hai dõy vàng, hai dõy màu xanh và hai dõy màu đỏ. - Cỏc quả cõn.
Lắp rỏp thớ nghiệm như hỡnh 1.
Hỡnh 2.9: Bố trớ lắp rỏp va chạm đàn hồi
c. Thực hành thớ nghiệm
- Kớch chuột vào biểu tượng chữ “Measure” để bắt đầu chương trỡnh “Time/Counter”.
- Kớch chuột vào “ Gauge” trờn thanh cụng cụ để cài đặt cỏc thụng số cho chương trỡnh “Time/Counter” đo vận tốc như hỡnh sau:
Hỡnh 2.10: Cài đặt chương trỡnh “Time/Counter”.
- Kớch chuột vào “continue” khi đú trờn màn hỡnh mỏy tớnh xuất hiện như hỡnh sau:
Hỡnh 2.11: Hỡnh ảnh xuất hiện khi bắt đầu phộp đo
- Lỳc đú Timer 1 đo vận tốc của xe 1, cũn Timer 2 đo vận tốc của xe 2. - Tải trọng của chiếc đu với một số lượng tựy ý cỏc rảnh đặt khối lượng.
- Đặt cổng quang điện 1 nối với mỏy tớnh và đặt trờn đệm khụng khớ ở vị trớ là 60cm, cổng quang điện 2 nối với mỏy tớnh và đặt trờn đệm khụng khớ ở vị trớ là 140cm. Sơ đồ cỏch nối hai cổng quang điện như hỡnh sau:
Hỡnh 2.12: Sơ đồ cỏch nối hai cổng quang điện - Nõng màn hỡnh mỏy tớnh lờn 10cm trờn cổng quang điện.
- Điều chỉnh khụng khớ đến cấp độ 4. Cho 2 vật di chuyển qua 2 cổng quang điện ở một vận tốc khụng đổi, để xỏc định xem đó phự hợp chưa và cú thể điều chỉnh lại mức độ của khụng khớ nếu cần.
Hỡnh 2.13: Điều chỉnh cấp độ khụng khớ.
- Bắt đầu ghi lại cỏc phộp đo theo hỡnh trờn để xúa cỏc giỏ trị đo trước đú.
- Chốn thanh mẫu với dải cao su vào lỗ dưới của một chiếc đu (xe) và chốt ở lỗ dưới của một chiếc đu khỏc. Cỏc lỗ thấp hơn được chọn để quỏ trỡnh truyền nội lực xảy ra khi kết quả cú thể đối với chiều cao của trọng tõm chiếc đu.
- Vị trớ của 2 chiếc đu kết thỳc đối nhau của cỏc vết khụng khớ và cung cấp cho chỳng một lực đẩy nhẹ theo hướng trung tõm của vết.
- Ban đầu, 2 cổng quang điện đo vận tốc của chiếc đu trước khi va chạm. sự va chạm hoàn toàn phải diễn ra giữa hai cổng quang điện. trong trường hợp của một va chạm đàn hồi, hai chiếc đu đảo ngược hướng của chỳng một lần nữa và đi qua cổng quang điện, lỳc này đo vận tốc sau va chạm. Như vậy, vận tốc trước
và sau va chạm được ghi lại và ta cú thể đọc trờn màn hỡnh mỏy tớnh. Trong đú giỏ trị vận tốc lỳc chưa va chạm hiện lờn ở phớa trờn, cũn giỏ trị vận tốc lỳc sau va chạm hiện lờn ở phớa dưới. Time 1 đo giỏ trị vận tốc của xe 1 trước và sau va chạm cũn Time 2 thỡ đo giỏ trị vận tốc của đu 2 trước và sau va chạm. Vận tốc trước và sau va chạm hiện lờn màn hỡnh như hỡnh sau.
Hỡnh 2.14: Vận tốc trước và sau va chạm hiển thị trờn màn hỡnh mỏy tớnh. - Để bắt đầu lại phộp đo ta kớch chuột vào “stop” và cài đặt lại như ban đầu. - Ta cú thể thay đổi khối lượng chiếc xe bằng cỏch thờm vào xe cỏc quả cõn để khảo sỏt cỏc trường hợp khỏc nhau.
d. Kết quả
TH1: Khi m1 = 204.8 (g), m2 = 204.5 (g)
- Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe 1 trước va chạm. Gọi v1, v’1 là vận tốc của xe 1 trước và sau va chạm, v2, v’2 là vận tốc trước và sau va chạm của xe 2. Giỏ trị vận tốc dương nếu chiều chuyển động trựng với chiều dương đó chọn và vận tốc nhận giỏ trị õm nếu chuyển động ngược chiều dương.
pt, ps là tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm của hệ, Wđt, Wđs là tổng động năng của hệ trước và sau va chạm.
Ta cú: pt =m1v1+m2v2, ps =m1v'1+m2v'2 Wđt = m v m v2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 + , Wđt = ' '2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 v m v m + Lần đo v1 v'1 v2 v'2 Wđt Wđs pt ps 1 0.115 - 0.667 - 0.687 0.109 0.4960 0.4655 -0.1128 -0.1177 2 0.114 - 0.695 - 0.708 0.116 0.0525 0.0505 -0.1215 -0.1179 3 0.113 - 0.920 - 0.899 0.107 0.0839 0.0874 -0.1608 -0.1656 4 0.111 - 0.835 - 0.820 0.120 0.0700 0.0725 -0.1450 -0.1456 Nhận xột:
- Ta thấy tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm cú thể coi là bằng nhau, tổng động năng của hệ trước và sau va chạm cũng bằng nhau.
- Trường hợp này m1 gần bằng m2 và sau va chạm ta thấy cú sự trao đổi vận tốc.
TH2: Khi m1 =0.210 Kg , m2 = 0.310 Kg Lần đo v1 v'1 v2 v'2 Wđt Wđs pt ps 1 0.546 -0.786 - 0.562 0.345 0.080 0.083 -0.0595 -0.0581 2 1.256 -3.405 -2.676 0.520 1.275 1.259 -0.5658 - 0.5538 3 1.153 -3.595 - 2.836 0.405 1.386 1.382 -0.6370 - 0.629 4 0.916 -3.565 -2.848 -0.315 1.345 1.349 -0.690 - 0.651 - Nhận xột: Nếu ta bỏ qua sai số ta cú: Wđt = Wđs và pt =ps
d. Kết luận
- Trong va chạm đàn hồi trực diện tương tỏc của hai vật xảy ra trong thời gian rất ngắn, khi đú tương tỏc nội lực lớn hơn rất nhiều so với ngoại lực nờn coi hệ hai vật là hệ kớn. Khi va chạm hai vật bị biến dạng, sau va chạm trở về vị trớ ban đầu, chuyển động với vận tốc riờng biệt và tổng động lượng cũng như động năng toàn phần khụng thay đổi.
- Đối với trường hợp là khi m1 = m2 ta cú sau va chạm hai xe cú sự trao đổi vận tốc. Sau va chạm, xe thứ nhất nhận vận tốc trước va chạm của xe thứ hai, cũn xe thứ hai nhận vận tốc trước va chạm của xe thứ nhất.
- Đối với trường hợp là khi bắn vật thứ nhất vào vật thứ hai cú khối lượng rất lớn và đang đứng yờn thỡ sau va chạm vật thứ hai vẫn đứng yờn cũn vật thứ nhất thỡ chuyển động ngược lại với vận tốc ban đầu.
e. Vận dụng dạy học
- Thớ nghiệm này cú thể được sử dụng dưới hỡnh thức thớ nghiệm biểu diễn và dựng kết quả thớ nghiệm để học sinh cú thể nghiệm lại định luật bao toàn động lượng và động năng khi dạy bài “ Bài 31: Định luật bảo toàn động lượng và Bài 38. Va chạm đàn hồi và khụng đàn hồi” – Vật lý 10 – Nõng cao – THPT.
- Thời điểm: Khi dạy kiến thức về phõn loại va chạm và đặc điểm của va chạm đàn hồi( mục 1 bài 38). Hoặc cú thể dựng bảng số liệu ở trường hợp 2 để kiểm định lại định luật bảo toàn động lượng khi dạy mục 3 phần thớ nghiệm kiểm chứng (bài 31 mục 3d).
2.5.2.2 Va chạm mềm