7. Cấu trỳc luận văn
2.2.3. Ba định luật Niutơn
Trong sỏch giỏo khoa Vật lý 10, ba định luật Niutơn được nghiờn cứu như một thể thống nhất, như một nguyờn lý lớn, tổng quỏt của cơ học. Mỗi một định luật Niutơn được coi như là một bộ phận của nguyờn lý ấy, là cơ sở cho việc xõy dựng cỏc tri thức cơ học.
2.2.3.1. Định luật I Niutơn
a, Về nội dung: Định luật I Niutơn được phỏt biểu: “Một vật sẽ đứng yờn hay chuyển động thẳng đều nếu khụng chịu một lực nào tỏc dụng, hoặc nếu cỏc lực tỏc dụng vào nú cõn bằng nhau”.
í nghĩa quan trọng của định luật I Niutơn là nờu lờn tớnh chất cố hữu của mọi vật, đú là quỏn tớnh. Mọi vật đều cú xu hướng bảo toàn vận tốc của mỡnh, nờn khi khụng bị vật khỏc tỏc dụng thỡ nú sẽ hoặc đứng yờn hoặc chuyển động thẳng đều.
Một ý nghĩa rất quan trọng nữa của định luật I Niutơn gắn liền với sự tồn tại của hệ quy chiếu quỏn tớnh, là hệ quy chiếu mà trong đú vật cụ lập khụng cú gia tốc. Cỏc định luật Niutơn đều xõy dựng trờn cơ sở khỏi quỏt hoỏ những thớ nghiệm và quan sỏt trong hệ quy chiếu quỏn tớnh nờn cỏc định luật này đều được nghiệm đỳng trong hệ quy chiếu quỏn tớnh.
Trong cỏc định luật của Niutơn mỗi định luật đều cú ý nghĩa độc lập, đặc biệt là định luật I Niutơn. Cú ý kiến cho rằng định luật I Niutơn là hệ quả của định luật II Niutơn vỡ khi khụng cú ngoại lực tỏc dụng thỡ a = 0, cú nghĩa là vật đứng yờn hoặc chuyển động thẳng đều. Dĩ nhiờn, suy luận đú chỉ đỳng về mặt toỏn học, cũn về ý nghĩa vật lý thỡ định luật I Niutơn chứa một nội dung quan trọng, đú là khụng gian khụng thể tự nú làm thay đổi vận tốc của chuyển động của vật thể. Trong cơ học Niutơn - cơ học cổ điển thỡ khụng gian đồng nhất và đẳng hướng. Tức là mọi điểm trong khụng gian đều giống nhau và mọi hướng trong khụng gian đú là bỡnh đẳng.
b, Phương phỏp hỡnh thành ở SGK vật lý 10:
Trước hết, ta cần lưu ý rằng, nội dung định luật này đó được giới thiệu ở lớp 8 trong mục “Sự cõn bằng lực - Quỏn tớnh”, tuy ở lớp 8, SGK đó khụng gọi phỏt biểu đú là định luật I Niutơn về quỏn tớnh mà chỉ nờu trường hợp chung là: dưới tỏc dụng của cỏc lực cõn bằng, một vật đang đứng yờn sẽ tiếp tục đứng yờn; đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều. Và ở lớp 8 HS cũng đó được giới thiệu về quỏn tớnh và làm những bài tập về quỏn tớnh.
Đối với SGK vật lý lớp 10, định luật I Niutơn được xõy dựng trong một tiết học (mục 14). Do đõy là một định luật tổng quỏt của tự nhiờn và lịch sử hỡnh thành nú khỏ phức tạp, do đú SGK khụng tiến hành thớ nghiệm khảo sỏt mà chỉ đưa ra quan niệm của Arixtụt và thớ nghiệm lịch sử của Galilờ, sau đú giới thiệu định luật. Cỏc thớ nghiệm, nếu được tiến hành cũng chỉ nhằm mục đớch minh hoạ cho sự đỳng đắn của định luật. Định luật I Niutơn khụng phải là sản phẩm đơn thuần của thớ nghiệm, mà cũn là sản phẩm của trớ tưởng tượng phong phỳ (cú thể qua thớ nghiệm tưởng tượng), của trỡnh độ tư duy cao với trực giỏc thiờn tài của Niutơn và Galilờ.
2.2.3.2. Định luật II Niutơn
a, Về nội dung: Định luật II Niutơn xỏc định mối quan hệ định lượng giữa cỏc đại lượng khối lượng của vật, lực tỏc dụng và gia tốc mà vật thu được do tỏc dụng của lực đú.
Biểu thức toỏn học của định luật:
m F a =
Định luật II Niutơn được phỏt biểu như sau: vectơ gia tốc của một vật luụn cựng hướng với lực tỏc dụng lờn vật. Độ lớn của vectơ gia tốc tỷ lệ thuận với độ lớn của vectơ lực tỏc dụng lờn vật và tỷ lệ nghịch với khối lượng của vật.
Như vậy, với định luật II ta đó đưa ra được cỏch xỏc định phương, chiều và độ lớn của lực dựa trờn biểu hiện động lực học của nú: phương và chiều của lực là phương và chiều của gia tốc mà vật thu được, độ lớn của lực xỏc định bằng tớch ma.
Định luật II là một định luật phổ biến và đỳng cho mọi loại tương tỏc.
Nhờ cú định luật II mà ta cú thể giải được cỏc bài toỏn cơ học. Tức là cú thể xỏc định được dạng của chuyển động của vật, cú thể xỏc định được vị trớ của vật trong khụng gian, nếu biết được cỏc điều kiện ban đầu.
Nhờ cú định luật II mà ta cú thể làm sỏng tỏ nội dung và ý nghĩa của khỏi niệm lực và khỏi niệm khối lượng. Cụ thể, trước khi cú định luật II, học sinh chỉ mới biết rằng lực cú tỏc dụng gõy gia tốc cho vật, nhưng chưa biết được giữa lực và gia tốc cú mối quan hệ như thế nào. Chỉ đến khi học định luật II mới cho ta cụng thức tớnh lực và cỏch xỏc lập đơn vị đo lực. Và cũng nhờ mối liờn hệ giữa lực với khối lượng của vật và gia tốc mà vật thu được do tỏc dụng của lực mà ta cú thể đi sõu vào việc nghiờn cứu đặc điểm của cỏc lực cơ học.
Khỏi niệm khối lượng cũng được làm sỏng tỏ nhờ cú thờm định luật II. Thật vậy khi học định luật I, học sinh chỉ mới biết rằng mọi vật đều cú quỏn tớnh. Định luật II chỉ ra rằng vật nào cú khối lượng càng lớn thỡ càng khú thay đổi vận tốc, tức là càng cú mức quỏn tớnh lớn hơn. Từ đú cú thể núi : khối lượng của vật là đại lượng đặc trưng cho mức quỏn tớnh của vật.
b, Phương phỏp hỡnh thành ở SGK vật lý 10
Như trờn đó núi, định luật II Niutơn cũng được trỡnh bày dưới dạng một nguyờn lý chứ khụng phải một định luật thụng thường. Nú được phỏt hiện trờn cơ sở của việc khỏi quỏt hoỏ từ nhiều sự kiện quan sỏt được, kể cả quan sỏt trong lĩnh vực thiờn văn, kết hợp với thiờn tài của Niutơn. Chớnh vỡ thế mà về nguyờn tắc, chỳng ta khụng thể tạo ra những thớ nghiệm riờng lẻ để kiểm chứng tớnh đỳng đắn của định luật này. Do đú, sau khi làm xuất hiện mối liờn hệ giữa gia tốc của vật phụ thuộc vào
lực tỏc dụng lờn vật và phụ thuộc vào khối lượng của chớnh vật đú, SGK đó thụng bỏo định luật II như một tiờn đề.
Sau đú, SGK dẫn ra cụng thức tớnh lực và xõy dựng đơn vị đo lực từ định luật II. Đõy như là một bước củng cố định luật, thụng qua việc ứng dụng nú.
Tiếp tục, nhờ cú định luật II, SGK đó làm rừ được khỏi niệm của khối lượng. Và bước cuối cựng, định luật II được vận dụng vào mục II.3 để tỡm cụng thức của trọng lực.
2.2.3.3. Định luật III Niutơn
a, Về nội dung: định luật III niutơn đề cập tớnh chất của tỏc dụng giữa cỏc vật. Định luật III được phỏt biểu: Khi vật A tỏc dụng lờn vật B một lực, thỡ vật B cũng tỏc dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này là hai lực trực đối.
FAB =−FBA
Trong hai lực FAB và FBA, ta gọi một lực là lực tỏc dụng, lực kia là phản lực (và ngược lại). Lực và phản lực xuất hiện và biến mất một cỏch đồng thời, chỳng tồn tại đồng thời và bỡnh đẳng. Lực và phản lực bao giờ cũng cựng loại.
Định luật III khụng chỉ đỳng cho cỏc vật đứng yờn mà cũn đỳng cho cỏc vật chuyển động, khụng chỉ đỳng cho loại tương tỏc tiếp xỳc (lực đàn hồi, lực ma sỏt) mà cũn đỳng cho loại tương tỏc giỏn tiếp thụng qua một trường lực (trọng lực, lực từ, lực điện). Nghĩa là định luật III đỳng cho mọi trường hợp tương tỏc, cho mọi loại tương tỏc. Tuy nhiờn, định luật này chỉ núi đến đặc tớnh của sự tương tỏc chứ khụng đề cập đến nguyờn nhõn của sự tương tỏc.
Định luật III núi rằng tỏc dụng của vật này lờn vật khỏc bao giờ cũng là tỏc dụng tương hổ và lực bao giờ cũng xuất hiện từng cặp trực đối nhau chứ khụng cõn bằng nhau.
Cỏc định luật II và III Niutơn cho ta một cỏch đo khối lượng khỏc với phộp cõn, đú là phộp đo khối lượng bằng tương tỏc.
b, Phương phỏp hỡnh thành ở SGK vật lý 10
Tương tự như cỏch xõy dựng của định luật II, đầu tiờn SGK đưa ra hai vớ dụ để HS thấy được tỏc dụng trong tự nhiờn luụn xẩy ra hai chiều (tương tỏc). Và từ đú
làm nẩy sinh vấn đề cần nghiờn cứu là trong sự tương tỏc giữa hai vật, gia tốc mà mỗi vật thu được cú quan hệ với nhau như thế nào, mối liờn hệ giữa hai lực mà hai vật tỏc dụng lờn nhau là như thế nào?
Bằng cỏch làm thớ nghiệm (mục 2.a), SKG đưa ra được lực do vật A tỏc dụng lờn vật B (FAB ) và lực do vật B tỏc dụng lờn vật A (FBA) là hai lực trực đối. Sau đú mới thụng bỏo định luật. Và để làm rừ hơn nội dung của định luật, SGK đưa thờm mục: lực và phản lực.
Núi túm lại, do SGK đó coi ba định luật Niutơn như một nguyờn lý lớn. Nờn khụng thể dựng thớ nghiệm để hỡnh thành hoặc kiểm chứng từng định luật một. Chỉ cú thể kiểm chứng “cả gúi” ba định luật Niutơn thụng qua việc ứng dụng chỳng vào thực tiễn. Ba định luật Niutơn là cơ sở để phỏt hiện trường hợp riờng cho từng loại lực.
Qua những điều đó phõn tớch trong 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, ta thấy trong SGK vật lý 10 nõng cao, việc hỡnh thành khỏi niệm lực, khỏi niệm khối lượng và ba định luật Niutơn được đan quyện vào nhau. Cỏi nọ là tiền đề cho cỏi kia, cỏi kia là sự củng cố và mở rộng cho cỏi nọ.
2.3. Cấu trỳc logic của chương “Động lực học chất điểm”
Muốn cho mỗi tiết học đạt được hiệu quả cao thỡ cụng việc “soạn bài” phải là lao động nghiờm tỳc, sỏng tạo của mỗi GV. Về bản chất, đú là việc thiết kế phương ỏn tổ chức chỉ đạo hoạt động học tõp của HS. Một trong những cơ sở khoa học để người GV vật lý cú thể thiết kế phương ỏn tổ chức, chỉ đạo hoạt động học tập của HS là nghiờn cứu xõy dựng cấu trỳc lụgic của chương. Sau đõy là cấu trỳc lụgic chương “Động lực học chất điểm” SGK Vật lý 10 nõng cao.
Lực Trọng lực Biểu thức của g Định luật Hỳc Lực kế Định luật vạn vận vật hấp dẫn Lực căng dõy Lực ma sỏt nghỉ Lực ma sỏt trượt Lực ma sỏt lăn Lực quỏn tớnh ly tõm Lực đàn hồi của lũ xo Hệ quy chiếu quỏn tớnh Quỏn tớnh Khỏi niệm khối lượng Lực đàn hồi Định luật II Định luật III Lực hấp dẫn Lực ma sỏt Lực hướng tõm Lực quỏn tớnh Điều kiện cõn bằng lực Quy tắc hỡnh bỡnh hành lực Định luật I Tổng hợp lực Phõn tớch lực Ba định luật Niutơn
Cỏc lực cơ học Hệ quy chiếu phi quỏn tớnh
Khỏi niệm lực THCS
2.4. Thực trạng dạy học chương “Động lực học chất điểm”
Qua tỡm hiểu tỡnh hỡnh dạy học chương “Động lực học chất điểm” ở cỏc trường: Trường THPT Phan Đăng Lưu, Trường THPT Yờn Thành II, Tường THPT Bắc Yờn Thành, Trường THPT Phan Thỳc Trực, Trường THPT Quỳnh Lưu I, chỳng tụi nhận thấy:
Phương phỏp dạy học được sử dụng nhiều nhất là phương phỏp thụng bỏo - tiếp nhận, diễn giảng kết hợp với đàm thoại và cú thể làm thớ nghiệm minh hoạ (nếu cú). Thụng thường GV lần lượt thụng bỏo cỏc kiến thức theo trỡnh tự nờu trong SGK, cố gắng trỡnh bày đủ cỏc kiến thức, cú chỳ ý nội dung kiến thức cơ bản mà ớt quan tõm đến hỡnh thành cho HS phương phỏp nhận thức khoa học Vật lý.
Hầu hết GV cú đặt cõu hỏi cho HS nhưng là những cõu hỏi chỉ đũi hỏi sự tỏi hiện đơn thuần cỏc kiến thức đó học và thường là những cõu hỏi vụn vặt; ớt cú biện phỏp kớch thớch nhu cầu tỡm tũi và hứng thỳ học tập của HS; cỏc hiện tượng xảy ra trong tự nhiờn và những ứng dụng của cơ học trong đời sống hằng ngày, gần gũi với HS ớt được sử dụng để tạo động cơ học tập và đũi hỏi HS phải tỡm kiếm kiến thức mới.
Nhiều GV đó cú một số cải tiến trong phương phỏp dạy học nhằm tạo ra khụng khớ hoạt động tớch cực của HS trong giờ học. Tuy nhiờn tớnh tớch cực học tập của HS chủ yếu được thể hiện ở sự tớch cực bờn ngoài mà chưa phải là tớch cực trong tư duy. Nguyờn nhõn chủ yếu là do cỏc phương phỏp mà GV sử dụng vẫn chưa thực sự đổi mới, cũn nặng về diễn giảng, giải thớch hơn là kớch thớch tỡm tũi.
Một số cỏc giờ học cú tiến hành thớ nghiệm, nhưng sử dụng ớt hiệu quả. Chủ yếu dạy theo hướng dạy học cú thớ nghiệm, chưa sử dụng thớ nghiệm để tiến hành phương phỏp dạy học giải quyết vấn đề.
HS tiếp thu một cỏch thụ động khụng cú hứng thỳ, tớnh sỏng tạo ớt.
Hầu hết cỏc trường đó cú phũng thớ nghiệm, tuy nhiờn dụng cụ thớ nghiệm của nhà trường cũn thiếu, khụng đồng bộ. Hầu hết cỏc trường khụng cú phũng học bộ mụn, do vậy việc triển khai thớ nghiệm gặp nhiều khú khăn. Một số trường cú tương đối đầy đủ thiết bị thớ nghiệm, dụng cụ thớ nghiệm, tuy nhiờn ớt được sử dụng.
- Việc dạy học theo phương phỏp thụng bỏo - tiếp nhận, diễn giảng đó thành thúi quen của đa số GV từ đú tạo tõm lý thụ động trong nhận thức của HS.
- Áp lực thành tớch, ỏp lực thi cử cũn nhiều nặng nề dẫn đến tỡnh trạng GVchủ yếu chỉ lo nhồi nhột kiến thức cho HS mà ớt rốn luyện đến khả năng tư duy sỏng tạo cho HS.
- Cơ sở vật chất, dụng cụ thớ nghiệm của nhà trường cũn thiếu, hơn nữa hầu hết cỏc nhà trường đều khụng cú phũng học bộ mụn nếu cú cũng rất ớt dẫn đến khú khăn trong việc triển khai cỏc bài dạy cú yờu cầu thớ nghiệm.
- Năng lực chuyờn mụn cũng như nghiệp vụ sư phạm của một số GV cũn yếu. Thực trạng trờn là nguyờn nhõn chủ yếu khiến học sinh hiểu kiến thức một cỏch hời hợt, khụng vững chắc và mức độ vận dụng cũn yếu, ngay cả đối với những tỡnh huống chỉ biến đổi chỳt ớt.
Muốn nõng cao chất lượng học tập và năng lực tự chủ, sỏng tạo của HS đũi hỏi GV phải tổ chức tiến trỡnh dạy học theo hướng tớch cực húa hoạt động của HS để tạo nhu cầu và hứng thỳ nhận thức ngay trong mỗi bài học chứ khụng phải đợi tới tiết bài tập hay ụn tập chương.
2.5. Khả năng vận dụng dạy học giải quyết vấn đề ở chương “Động lực học chất điểm”
Căn cứ vào nội dung chương “Động lực học chất điểm” và năng lực nhận thức của HS đại trà cú thể lập bảng sau về khả năng thực hiện dạy học giải quyết vấn đề ở chương này như sau:
Mức độ 1 (mức độ nờu vấn đề) Mức độ 2 (mức độ tỡm tũi từng phần) Mức độ 3 (mức độ nghiờn cứu) Đ13, Đ14, Đ15, Đ16, Đ17, Đ21, Đ22. Đ18, Đ19, Đ20, Đ24 Đ23, Đ25
2.6. Một số kiểu tỡnh huống cú vấn đề điển hỡnh trong dạy học chương “Động lực học chất điểm” lực học chất điểm”
a. Tỡnh huống phỏt triển hoàn chỉnh
Tỡnh huống 1: Bài học “Định luật II Niutơn”
Cỏc em đó biết , một trong những tỏc dụng của lực là gõy ra sự biến đổi vận tốc, tức là gõy ra gia tốc cho vật. Vậy, lực F cú mối quan hệ định lượng như thế nào với gia tốc mà lực gõy ra cho vật đú? (tỡnh huống hoàn chỉnh khỏi niệm lực)
Tỡnh huống 2: Bài học “Định luật III Niutơn”
Mở đầu bài Định luật III Niutơn, giỏo viờn đàm thoại với HS: GV: Tại sao khi dựng tay đấm vào tường tay ta lại thấy đau?
HS: Khi tay ta tỏc dụng vào tường một lực thỡ tường tỏc dụng trở lại tay một lực nờn ta thấy đau.