8. Đúng gúp của luận văn
2.8.2. Thiết kế một số bài học theo định hướng dạy học GQVĐ
Trong phần này chỳng tụi thiết kế được 4 giỏo ỏn dạy học trong đú cú 3 giỏo ỏn cho bài học xõy dựng kiến thức mới và một giỏo ỏn cho bài học thực hành thớ nghiệm thuộc chương “Dao động cơ” Vật lý 12 chương trỡnh chuẩn.
GIÁO ÁN SỐ 1 Bài 2. CON LẮC Lề XO A. Vấn đề hoỏ nội dung dạy học
- Con lắc lũ xo cú cấu tạo như thế nào?
- Tại sao dao động của con lắc lũ xo là dao động điều hoà?
- Chu kỳ dao động của con lắc lũ xo phụ thuộc vào những yếu tố nào? Biểu thức?
- Nhận xột về đặc điểm của lực kộo về tỏc dụng vào vật dao động điều hoà. - Động năng, thế năng và cơ năng của con lắc lũ xocú biểu thức tớnh ra sao? - Giữa thế năng và động năng của con lắc lũ xo cú mối quan hệ ra sao?
B. Mục tiờu dạy học
- HS trả lời được cỏc cõu hỏi trờn sau khi kết thỳc bài học.
- HS cú kỹ năng quan sỏt, nhận xột.
- HS cú kỹ năng làm việc theo nhúm.
- HS biết tự lực giải quyết một vấn đề đặt ra.
C. Chuẩn bị 1. GV: Bộ thớ nghiệm khảo sỏt dao động của con lắc lũ xo. 2. HS: ễn lại cỏc kiến thức về dao động điều hoà.
Hoạt động 1: KIỂM TRA BÀI CŨ, CHUẨN BỊ KIẾN THỨC XUẤT PHÁT (5 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Trả lời vấn đỏp cỏc cõu hỏi của GV
HS1: Dao động điều hoà. Phương trỡnh và cỏc đại lượng đặc trưng.
Xem cỏc cõu hỏi được trỡnh chiếu và trả lời.
HS2: Dao động điều hoà là dao động trong đú li độ của vật là một hàm cos hay sin theo thời gian.
x = A. cos (ωt + φ), v = -A. ωsin (ωt + φ),
a = -ω2Acos (ωt + φ) = -ω2x.
HS3: Biểu thức xỏc định gia tốc của vật theo định luật II Niutơn: Fhl
a m
= .
HS4: Cơ năng của vật là dạng năng lượng bao gồm động năng và thế năng của vật đú. Động năng là dạng năng lượng vật cú được khi chuyển động. Thế năng của vật là dạng năng lượng của vật cú được do tương tỏc của cỏc vật hoặc cỏc phần của vật dưới tỏc dụng của trọng lực, lực đàn hồi. Cú hai loại thế năng, thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường, Biểu thức: Động năng: W 1 2 2 d = mv Thế năng trọng trường: Wt =mgh Thế năng đàn hồi: W 1 2 dh = k l∆ HS5: F= − ∆k l
Tổ chức ụn tập, chuẩn bị kiến thức xuất phỏt cho HS
Nhắc lại tiết trước cỏc em đó học gỡ?
Chiếu hỡnh ảnh cỏc cõu hỏi ụn tập kiến thức cũ, yờu cầu học sinh trả lời và ghi lại cỏc kiến thức quan trọng lờn gúc bảng.
1. Thế nào là dao động điều hoà ? Biểu thức xỏc định vị trớ, vận tốc, gia tốc?
2. Vật biến đổi chuyển động thỡ cú gia tốc. Vậy cú thể xỏc định gia tốc của vật theo định luật II Niutơn như thế nào?
3. Vật chuyển động cơ học thỡ dạng năng lượng của nú là cơ năng. Vậy cơ năng là gỡ? Động năng và thế năng của vật là gỡ? Được xỏc định như thế nào?
4. Làm thế nào để tớnh được lực đàn hồi của lũ xo tỏc dụng lờn vật?
● Tạo tỡnh huống cú vấn đề
Hoạt động 3. TèM HIỂU CẤU TẠO CON LẮC Lề XO, TẠO TèNH HUỐNG (3 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Quan sỏt hỡnh ảnh con lắc lũ xo, mụ tả đặc điểm cấu tạo, trả lời cõu hỏi phỏt vấn của GV rỳt ra cỏc đặc điểm của con lắc lũ xo nằm ngang.
- HS quan sỏt trả lời: Con lắc lũ xo gồm một lũ xo, một đầu cố định, một đầu được
GV hướng dẫn HS tỡm hiểu cấu tạo con lắc lũ xo.
Chiếu hỡnh ảnh về con lắc lũ xo, phỏt vấn HS
- Con lắc lũ xo cú cấu tạo như thế nào? GV ghi mục I.
- Xỏc nhận cõu trả lời đỳng.
gắn với vật nhỏ khối lượng m, chuyển động trờn mặt phẳng nằm ngang và mặt phẳng thẳng đứng.
- HS vẽ hỡnh lũ xo nằm ngang vào vở.
- Thảo luận sụi nổi để trả lời cõu hỏi của GV.
+ HS1: Chuyển động của con lắc lũ xo là chuyển động thẳng.
+ HS2: Chuyển động của con lắc lũ xo là chuyển động biến đổi đều.
+ HS3: Chuyển động của con lắc lũ xo là chuyển động dao động.
+ HS4: Chuyển động của con lắc lũ xo là dao động điều hoà.
- Nhận xột thảo luận cỏc ý kiến:
+ HS5: HS1và HS2 trả lời sai vỡ chuyển động thẳng biến đổi đều thỡ gia tốc phải khụng đổi, nhưng gia tốc của vật thay đổi kiờn tục.
+ HS6: HS3 đỳng vỡ chuyển động của vật cú sự lặp lại quanh vị trớ cõn bằng.
+ HS7: HS4 chưa đủ cơ sở kết luận. vỡ ta chưa biết được x cú là hàm sin hay cosin của t khụng?
khụng đỏng kể. Tuỳ theo cỏch bố trớ mà ta cú con lắc lũ xo chuyển động nằm ngang hay thẳng đứng. Để đơn giản chỳng ta sẽ nghiờn cứu chuyển động của con lắc lũ xo chuyển động trờn mặt nằm ngang khụng ma sỏt.
- Vẽ hỡnh con lắc lũ xo nằm ngang lờn bảng, vị trớ lũ xo tự nhiờn?
GV:- Sử dụng bộ thớ nghiệm như hỡnh vẽ 2.1 SGK. Kộo vật ra khỏi VTCB của con lắc và buụng tay cho con lắc dao động.
Cỏc em hóy quan sỏt chuyển động của con lắc và nhận xột xem chuyển động của nú thuộc dạng chuyển động gỡ mà cỏc em đó biết?
GV: - Đi xuống từng tổ để theo dừi HS thảo luận, trợ giỳp khi cần thiết.
GV: (Trợ giỳp). Cỏc em đó phỏt hiện được con lắc lũ xo dao động quanh một vị trớ xỏc định. Vị trớ đú là vị trớ lũ xo khụng biến dạng. và chỳng ta dự đoỏn rằng rất cú thể nú dao động điều hoà. Vậy: vấn đề của chỳng ta là tỡm cỏch kiểm tra xem cú đỳng là con lắc lũ xo dao động điều hoà?
● Hướng dẫn giải quyết vấn đề
Hoạt động 4. KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC Lề XO VỀ MẶT ĐỘNG LỰC HỌC (20 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Xỏc định giải phỏp, đưa ra hệ quả logic HS1: Muốn chứng minh con lắc lũ xo cú dao động điều hoà khụng phải chứng minh được toạ độ của vật cú phải là một hàm sin hay cos theo thời gian.
HS2: Cú thể chứng minh bằng cỏch tỡm mối quan hệ của a và toạ độ x của vật xem cú thoả món biểu thức a = -ω2x khụng? Việc
GV: Nhắc nhở HS thảo luận tỡm giải phỏp chứng minh con lắc lũ xo dao động điều hoà? - Nhận xột: Hai cỏch đều đỳng nhưng quan trọng cỏch nào dễ thực hiện hơn?
- Vậy chỳng ta sẽ chọn cỏch 2 để xem con lắc lũ xo cú dao động điều hoà khụng? Đú chớnh là chỳng ta đang kiểm tra hệ quả.
xỏc định a cú thể ỏp dụng định luật II Niutơn.
HS3: Cú vẽ như cỏch 2 dễ thực hiện hơn vỡ chỳng ta cú thể tỡm được a thụng qua cỏc lực tỏc dụng lờn vật.
Để kiểm tra hệ quả đú, ta sẽ tiến hành khảo sỏt chuyển động của con lắc lũ xo về mặt động lực học.
GV ghi mục II.
Cỏc nhúm thảo luận sụi nổi tỡm phương phỏp.
HS 4:Muốn tỡm mối quan hệ giữa a và x thỡ phải xỏc định được a.
HS2: Nhưng làm sao xỏc định được a?
HS5:Áp dụng định luật II Niu tơn: Fhl a
m
= (1)
HS6:Cần phải xỏc định Fhl. Muốn vậy ta phải phõn tớch lực tại một vị trớ bất kỳ trong quỏ trỡnh chuyển động.
Cỏc HS dựng bỳt và giấy nhỏp. Kết hợp trao đổi thảo luận.
HS7:Chọn trục toạ độ Ox, O ≡ VTCB, chiều dương như hỡnh vẽ. Giả sử xột vật tại vị trớ M (hỡnh vẽ). Cú những lực nào tỏc dụng lờn vật? HS8:Tại M bất kỳ, cú P, N, Fdh. Vỡ P cõn bằng với N nờn Fhl =Fdh. Fdh được xỏc định bằng biểu thức Fdh = − ∆k l HS9: Mà ở đõy ∆l = x nờn Fdh = −kx (2)
Tiếp tục hoàn thành vào giấy nhỏp sự biến đổi cỏc cụng thức.
HS10: trỡnh bày: Thay (2) vào (1) ta được: dh F k a x m m − = = HS11: Vỡ k
m là hằng số, nờn a biến đổi theo x
HS12: Nếu đặt k
m=ω2 thỡ ta thấy a và x liờn hệ với nhau bằng biểu thức a= −ω2x. Là biểu thức của dao động điều hoà (ở gúc bảng).
HS13: Vậy đỳng là con lắc lũ xo dao động điều hoà rồi.
Tiến hành kiểm tra hệ quả logic.
GV: Tiếp tục theo dừi, đụn đốc cỏc nhúm làm việc và trợ giỳp.
- Muốn kiểm tra biểu thức a = -ω2x (dạng đại số) thỡ cỏc em đừng quờn chọn trục toạ độ. - Cũng cần nhớ rằng chỳng ta đó bỏ qua lực ma sỏt.
HS: Ghi kết luận trờn bảng.
HS: Tiếp tục thảo luận. Tỡm cụng thức tớnh chu kỳ. HS1: Ở bài trước chỳng ta đó cú: T 2π ω = Vậy: T 2 2 m k π π ω = = HS2: Tức là nú phụ thuộc vào độ cứng lũ xo và khối lượng vật nặng.
HS: Trả lời cõu C1: m cú đơn vị là kg, K đơn vị là N m , vậy m k cú đơn vị là: 2 2 kg kgm kgm s N N m kg m s = = = Vậy k m cú đơn vị là s. HS: Hợp lực F tỏc dụng lờn vật khiến con lắc dao động. Vỡ khi buụng tay, hợp lực này luụn cú xu hướng đưa vật về vị trớ cõn bằng.
GV hợp thức hoỏ:
GV: Cỏc em đó kiểm tra được giả thuyết đưa ra. Đến đõy ta cú thể kết luận:
Con lắc lũ xo dao động điều hoà. Tức là phương trỡnh dao động cú dạng:
x = A. cos (ωt + φ), trong đú k
m
ω =
GV ghi kết luận lờn bảng, phương trỡnh dao động của con lắc lũ xo.
Đại lượng k
m
ω = theo bài trước cỏc em đó biết, nú được gọi là tần số gúc của dao động. GV: Chu kỳ dao động của con lắc lũ xo được xỏc định như thế nào? Chu kỳ đú phụ thuộc vào những yếu tố nào?
GV hợp thức hoỏ: Đỳng là như vậy, ghi biểu thức chu kỳ lờn bảng.
-Từ biểu thức chu kỳ này chỳng ta thấy:Nếu vật m càng nặng thỡ khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động toàn phần càng kộo dài ra, ngược lại với một vật nặng xỏc định nếu thay lũ xo cú độ cứng càng lớn thỡ khoảng thời gian đú càng ngắn, tức là nú dao động càng nhanh.
Yờu cầu HS trả lời cõu hỏi C1 (SGK).
Lực nào đó tỏc dụng lờn vật m để con lắc dao động? Lực đú cú đặc điểm gỡ?
GV hợp thức hoỏ:
Lực gõy ra dao động điều hoà cho vật luụn hướng về vị trớ cõn bằng nờn ta gọi là lực kộo về. Lực này cú độ lớn tỉ lệ với li độ dao động.
● Tạo tỡnh huống cú vấn đề
Hoạt động 5:NấU VẤN ĐỀ (2 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Tiếp nhận vấn đề.
GV: Khi con lắc dao động thỡ nú cú năng lượng. Vậy năng lượng của con lắc lũ xo là dạng năng lượng gỡ? được xỏc định như thế nào?
- Tiếp theo ta sẽ khảo sỏt năng lượng của con lắc lũ xo. Ghi bài.
● Hướng dẫn giải quyết vấn đề
Hoạt động 6: KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC Lề XO VỀ MẶT NĂNG LƯỢNG (10 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
Tiếp nhận vấn đề, thảo luận, tỡm giải phỏp
- Ghi bài.
- HS1: Năng lượng của con lắc lũ xo là cơ năng. Cơ năng của một vật được xỏc định bằng tổng động năng và thế năng của nú. Muốn xỏc định cơ năng của vật ta phải tỡm động năng và thế năng của vật đú.
- Làm thế nào xỏc định được cơ năng của vật?
Hoạt động nhúm thực hiện giải phỏp.
HS làm việc nhúm, hoàn thành phiếu học tập. - Nhúm X: Chỳng em xỏc định được động năng theo biểu thức: 2 W 2 d mv = . Nhưng cũn thế năng thỡ vỡ nú cú hai loại. chỳng em khụng biết chọn loại thế năng nào?
- Nhúm Y: Theo chỳng em thỡ ở đõy chỉ cú thế năng đàn hồi, khụng cú thế năng trọng trường. - Nhúm Z: Theo nhúm em, vật vẫn cú thế năng trọng trường vỡ vật cú chịu tỏc dụng của trọng lực. Nhưng nếu chọn mốc thế năng trọng trường tại mặt bàn thỡ Wt =mgh=0, do đú thế năng của vật chỉ cú: 1 2 1 2
W .
2 2
t = k l∆ = kx
Một nhúm trỡnh bày, kết hợp với GV xõy dựng biểu thức phụ thuộc của Wt và Wd vào t.
Cơ năng: 2 2 1 1 W= 2mv +2kx 2 2 2 2 1 1 W = sin ( ) 2 2 d mv = mω A ω ϕt+ 2 2 2 2 1 1 W = os ( ) 2 2 t kx = mω A c ω ϕt+ Tổ chức thực hiện giải phỏp bằng cỏch hoạt động nhúm - Phỏt lệnh:
Hóy xỏc định cơ năng của con lắc lũ xo? Bằng cỏch hoạt động nhúm.
Đợi ớt phỳt.
- Cỏc nhúm làm việc cú khú khăn gỡ thỡ cú thể trao đổi cựng cả lớp.
- Nhúm X cú ý kiến như vậy, nhúm nào cú thể giỳp đỡ được cỏc bạn?
- Cỏc nhúm khỏc cú ý kiến gỡ khụng? - Xỏc nhận ý kiến đỳngNhúm Z phỏt hiện vấn đề rất chớnh xỏc.
Tổng kết: Vậy cú thể xỏc định cơ năng của vật được khụng? một nhúm trỡnh bày . GV kết hợp ghi bảng.
Tiếp nhận Vấn đề suy nghĩ trả lời.
HS1: Vỡ vận tốc và li độ của vật thay đổi nờn động năng và thế năng của vật cũng thay đổi. - Từ vị trớ O-A, và từ vị trớ O-A’ thỡ Wt tăng dần
GV nờu vấn đề
cơ năng của vật con lắc lũ xo cú thay đổi khụng?
vỡ x tăng dần; Wd giảm dần do v giảm dần. - Ngược lại từ vị trớ A-O, và từ vị trớ A’-O thỡ Wt giảm dần vỡ x giảm dần; Wd tăng dần do v tăng dần.
- Tại O, Wt cực tiểu vỡ x = 0, Wd cực đại vỡ vmax. - Tại A, A’: Wt cực đại vỡ x lớn nhất, Wd cực tiểu vỡ v = 0.
HS2: Cơ năng cú thay đổi.
thế năng của vật cú thay đổi khụng, thay đổi như thế nào?
Vậy: Cơ năng của vật cú thay đổi theo thời gian khụng?
HS3: Cơ năng khụng thay đổi. Thực hiện giải phỏp
HS1: Tỡm sự phụ thuộc của cơ năng vào thời gian. Một nhúm trỡnh bày. 2 2 1 1 W= 2mv +2kx mà k = m ω2. W= 2 2 2 1 sin ( ) 2mω A ω ϕt+ +1 2 2 2 os ( ) 2mω A c ω ϕt+ W = 1 2 2( 2 2 ) sin ( ) os ( ) 2mω A ω ϕt+ +c ω ϕt+ W = 1 2 2 ons 2mω A =c t
HS2: Cơ năng khụng thay đổi HS ghi bài.
Định hướng và hướng dẫn thực hiện giải phỏp.
- Làm thế nào biết được cơ năng cú thay đổi khụng?
- Phỏt lệnh: hóy tỡm biểu thức diễn tả sự phụ thuộc của W vào thời gian. hoàn thành phiếu học tập.
Cú nhận xột gỡ về cơ năng của con lắc lũ xo?
GV hợp thức hoỏ:
Vậy trong qua trỡnh chuyển động, nếu bỏ qua ma sỏt thỡ động năng chuyển hoỏ sang thế năng và ngược lại, nhưng cơ năng của con lắc lũ xo bảo toàn, và nú tỉ lệ với bỡnh phương biờn độ. Ghi bài.
Hoạt động 7: TỔNG KẾT VẬN DỤNG (5 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
- Hoàn thành cỏc bài tập trong phiếu. - Trỡnh bày trước lớp.
- Phỏt phiếu học tập cho HS.
- Mở rộng: chiếu hỡnh ảnh về con lắc lũ xo chuyển động thẳng đứng. Chỳng ta cú thể chứng minh con lắc lũ xo thẳng đứng cũng dao động điều hoà. Bằng phương phỏp tương tự, cỏc em về nhà tự chứng minh.
Hoạt động 8: HƯỚNG DẪN VỀ NHÀ (5 phỳt)
Hoạt động của HS Hoạt động của GV
-GV: Nhắc lại cõu hỏi đặt ra lỳc đầu. Hướng dẫn