8. Cấu trỳc luận văn
1.5.3. Một số yờu cầu khi sử dụng sự tương tự và phương phỏp tương tự
Phương phỏp tương tự sử dụng trong dạy học vật lý nhỡn chung cũng cú cỏc giai đoạn cơ bản như đó nờu ở trờn. Việc thực hiện cỏc giai đoạn của phương phỏp tương tự nhiều khi kộo dài trong một số bài học. Yờu cầu cao nhất đối với việc sử dụng phương phỏp tương tự trong dạy học là: học sinh phải tự lực cao ở mức cú thể được trong tất cả cỏc giai đoạn của phương phỏp tương tự, ngay cả ở giai đoạn lựa chọn đối tượng đó biết làm đối tượng so sỏnh với đối tượng đang nghiờn cứu.
- Việc đề cập sự tương tự khụng phải lỳc nào cũng diễn ra như trong lịch sử phỏt triển của vật lý: việc lựa chọn đối tượng so sỏnh, mức độ nụng sõu của sự
tương tự được đề cập trong dạy học phụ thuộc khụng những cấu trỳc và nội dung của chương trỡnh học tập mà cũn phụ thuộc vào đặc điểm lứa tuổi của học sinh. Mặc dự vậy đối tượng đem so sỏnh phải cú ý nghĩa.
- Điều kiện cơ bản cho việc sử dụng phương phỏp tương tự đạt kết quả là học sinh phải cú vốn hiểu biết về đối tượng đem so sỏnh từ những bài học trước, từ kinh nghiệm sống hoặc cỏc đối tượng đem so sỏnh dễ hỡnh dung đối với học sinh tuy mới tiếp xỳc lần đầu .
- Khi sử dụng sự tương tự: phải làm sỏng tỏ phạm vi của sự tương tự, phỏt hiện khụng những cỏc dấu hiệu giống nhau mà cũn cả những dấu hiệu khỏc nhau, đặc biệt là dấu hiệu khỏc nhau cơ bản để phõn biệt chỳng với nhau. Nhờ vậy, việc sử dụng sự tương tự sẽ giỳp hiểu sõu hơn cỏc đối tượng đem so sỏnh và trỏnh được việc rỳt ra cỏc kết luận sai lầm .
Vớ dụ:
Khi sử dụng sự tương tự giữa chuyển động thẳng của vật và chuyển động quay của vật rắn quanh trục cố định bờn cạnh việc nờu những sự giống nhau đặc trưng, quy luật biến đổi theo thời gian của cỏc đại lượng tương ứng, cần chỉ ra rằng: trong chuyển động thẳng mụ men của cỏc lực tỏc dụng lờn vật làm vật quay theo trục quay bất kỳ nào cũng bằng khụng. Trong chuyển động thẳng phương của vộc tơ vận tốc trựng phương của quỹ đạo. Trong chuyển động quay vộc tơ vận tốc cú phương tiếp tuyến với quỹ đạo .
- Phải lưu ý cho học sinh: những kết luận rỳt ra bằng SLTT chỉ cú tớnh chất giả thuyết phải kiểm tra bản thõn đối tượng đang nghiờn cứu thụng qua thực nghiệm.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương này chỳng tụi đó làm rừ khỏi niệm về sự tương tự, suy luận tương tự, phương phỏp tương tự , cỏc giai đoạn cơ bản của phương phỏp tương tự,
trỡnh bày rừ những nguyờn tắc của phương phỏp tương tự và khả năng vận dụng phương phỏp tương tự trong nghiờn cứu vật lý và vận dụng vào dạy học vật lý .
Trong thực tế giảng dạy vật lý lớp 12 THPT tụi thấy phần “ Động lực học vật rắn ” là một phần mới chỉ cú CT nõng cao mới cú là phần sử dụng nhiều đến kiến thức cũ đó học như động học chất điểm, động lực học chất điểm. Việc vận dụng phương phỏp tương tự vừa xõu chuỗi được kiến thức cũ và kiến thức mới vừa giỳp học sinh nhận thức vấn đề mới sõu sắc và vững chắc hơn, ngoài ra nú cũn giỳp học sinh củng cố kiến thức cũ đó học . Hơn nữa phương phỏp tương tự là một phương phỏp nhận thức của tư duy sỏng tạo, đõy là một phương phỏp nhận thức quan trọng của vật lý học hiện đại. Vỡ vậy tụi nghĩ rằng cần phải vận dụng phương phỏp này và dạy học nhằm giỳp học sinh nắm vững kiến thức và nõng cao năng lực vận dụng kiến thức đồng thời bước đàu hiểu được phương phỏp tương tự trong vật lý học. Đú cũng là lý do căn bản để tụi chọn đề tài này .
CHƯƠNG 2: VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TỰ VÀO DẠY HỌC PHẦN ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN
2.1. Những vấn đề chung khi dạy học chương “Động lực học vật rắn”
2.1.1. Thực trạng và những khú khăn khi dạy học của giỏo viờn và việc tiếp thu kiến thức mới của học sinh trong chương “ Động lực học vật rắn ”
- “ Động lực học vật rắn ” là phần kiến thức mới của sỏch nõng cao lớp 12. Phần này SGK chương trỡnh chuẩn khụng cú, sỏch CCGD cũ khụng cú, lại là phần
kiến thức đầu tiờn của chương trỡnh lớp 12 nõng cao vỡ vậy việc tiếp thu kiến thức mới của học sinh bị hạn chế và gặp nhiều khú khăn .
- Học sinh đang quen với phần động lực học chất điểm hay vật rắn cú vai trũ như chất điểm, kớch thước của vật khụng ảnh hưởng đến chuyển động của vật. Lực tỏc dụng vào vật chỉ cần quan tõm đến độ lớn và hướng mà khụng cần quan tõm đến điểm đặt .
- Là phần đầu tiờn mà kiến thức đạo hàm được ỏp dụng vào vật lý cỏc khỏi niệm về vận tốc tức thời gia tốc tức thời được chớnh xỏc húa và nõng cao bằng ngụn ngữ toỏn học vỡ vậy học sinh phải nắm chắc khỏi niệm đạo hàm trong toỏn học .
- Phần kiến thức liờn quan chặt chẽ với động lực học chất điểm: cỏc khỏi niệm về vận tốc, gia tốc, lực, khối lượng , mụ mem lực, động lượng, động năng lại được sử dụng nhiều trong chương và cú sự tương tự với cỏc khỏi niệm như tốc độ gúc, gia tốc gúc, mụ men quỏn tớnh, mụ men động lượng.... của phần động lực học vật rắn vỡ vậy học sinh phải nhớ và hiểu sõu phần động học, động lực học chất điểm .
- Phộp tớnh tổng được đưa vào để xõy dựng khỏi niệm “ Mụ men quỏn tớnh” và “ Động năng của vật rắn quay quanh trục cố định” cựng với việc phõn chia vật rắn thành những vật rất nhỏ cú thể coi là chất điểm đõy là việc làm khụng dễ đối với học sinh .
- Giỏo viờn xõy dựng kiến thức mới cần phải sử dụng cỏc phương phỏp thớch hợp trong lỳc đồ dựng dạy học hạn chế, để cho học sinh hiểu bài và nắm chắc được kiến thức đú là vấn đề khụng dễ đối với giỏo viờn .
2.1.2 Những điều cần lưu ý khi dạy chương động lực học vật rắn
- Định nghĩa đạo hàm: Giới hạn hữu hạn ( nếu cú) của tỉ số 0 0) ( ) ( x x x f x f − − khi x dần đến x0 được gọi là đạo hàm của hàm số đó cho tại thời điểm x0, ký hiệu là f’(x0) hoặc y’(x0) nghĩa là: 0 0 0 ' ( ) ( ) lim ) ( 00 x x x f x f x f x x − − = →
Trong định nghĩa trờn, nếu đặt ∆x=x−x0 và ∆y= f(x0+∆x)− f(x0) thỡ ta cú x y x x f x x f x f x x ∆ ∆ = ∆ − ∆ + = ∆ → ∆→0 0 0 0 0 '( ) lim ( ) ( ) lim
- Nắm vững cỏc cụng thức về đạo hàm như : đạo hàm của một tổng, tớch, thương, đạo hàm của hàm hợp, đạo hàm của cỏc hàm số lượng giỏc
* Nắm vững cỏc phộp lấy tổng và lấy vi phõn * Về mục tiờu dạy học của chương:
“ - Nờu được vật rắn và chuyển động tịnh tiến của vật rắn là gỡ,
- Nờu được cỏch xỏc định vị trớ của vật rắn trong chuyển động quay quanh một trục cố định,
- Viết được biểu thức gia tốc gúc và nờu được đơn vị đo gia tốc gúc, - Hiểu được khỏi niệm mụ men quỏn tớnh là gỡ,
- Viết được phương trỡnh động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định để giải cỏc bài tập đơn giản khi biết mụ men quỏn tớnh của vật,
- Hiểu được khỏi niệm mụ men động lượng của một vật rắn đối với một trục và viết được cụng thức tớnh mụ men này,
- Phỏt biểu được định luật bảo toàn mụ men động lượng của vật rắn và viết được hệ thức của định luật này. Vận dụng được định luật bảo toàn mụ men động lượng của một vật rắn đối với một trục,
- Viết được cụng thức tớnh động năng của vật rắn quay quanh trục cố định và giải được một số bài tập đơn giản tương ứng” .[Vật lý 12 NC,SGV;19]
2.1.3 Những điều cần lưu ý với bài “Chuyển động quay của vật rắn quanhmột trục cố định” một trục cố định”
“- Trong thực tế khi quan sỏt cỏc vật rắn quay ( chẳng hạn cỏnh cửa quay quanh bản lề, chuyển động của con quay, đu quay....) ta thường quan tõm chủ yếu đến sự nhanh, chậm, gúc quay, thời gian quay... của vật. Vỡ vậy để đơn giản và vừa sức với việc nhận thức của học sinh trong bài học này ta khụng đề cập đến tớnh chất vộc tơ của vận tốc gúc, gia tốc gúc. cỏc khỏi niệm gúc quay, tốc độ gúc, tốc độ dài và đơn vị đo chỳng , HS đó được biết đến từ lớp 10. Tuy nhiờn cần làm cho học sinh hiểu rừ ý nghĩa của gia tốc gúc trung bỡnh , gia tốc gúc tức thời. GV chỉ cần giới thiệu sơ lược với HS gia tốc gúc tức thời cú thể tớnh bằng đạo hàm bậc một của tốc độ gúc nhưng cần nhấn mạnh gia tốc tức thời ( gọi tắt là gia tốc gúc) của vật rắn quay quanh trục cố định là đại lượng đặc trưng cho sự biến thiờn của tốc độ gúc ở một thời điểm đó cho .
- Trong SGK chỉ giới hạn sự quay theo một chiều tức là ϕ≥0,ω≥0 nhưng γ cú thể dương hoặc õm.Vỡ ω>0,nờn nếu ω tăng thỡ γ >0:vật rắn quay nhanh dần ; nếu ωgiảm thỡ γ <0: vật rắn quay chậm dần”.[SGV VL12 NC; 20-21]
“ - Trong phạm vi chương trỡnh phổ thụng chỳng ta chỉ xột hai dạng chuyển động quay quan trọng đú là chuyển động quay với tốc độ gúc khụng đổi va chuyển động quay với gia tốc gúc khụng đổi ”[SGV VL 12 NC;22]
2.1.4. Những điều cần lưu ý với bài “ Phương trỡnh động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định”
- Ở lớp 10 học sinh đó biết mụ men của lực F với một trục quay cố định cú độ lớn bằng: M=Fd, trong đú d là cỏnh tay đũn của lực ( khoảng cỏch từ trục quay đến giỏ của lực) . Đơn vị của mụmen lực là Nm .
Ở đõy ta chọn chiều quay của vật làm chiều dương và quy ước mụ men lực cú giỏ trị dương nếu nú cú tỏc dụng làm vật quay theo chiều đó chọn, cú giỏ trị õm nếu nú cú tỏc dụng làm vật quay theo chiều ngược lại .
- Để giỳp học sinh tiếp cận với khỏi niệm “ Mụ men quỏn tớnh” , cú thể dựa vào sự tương quan giữa khối lượng m trong phương trỡnh F=ma với đại lượng ∑ 2
i ir m
trong phương trỡnh: M =(∑mir2i ). Sau đú GV hướng dẫn HS rỳt ra kết luận: mụ men quỏn tớnh I đối với một trục là đại lượng đặc trưng cho mức quỏn tớnh của vật rắn trong chuyển động quay quanh trục ấy.
- SGK chỉ nờu cụng thức tớnh mụ men quỏn tớnh của một số vật rắn đồng chất đối với trục đối xứng của nú mà khụng yờu cầu chứng minh tuy nhiờn trong quỏ trỡnh dạy học, GV nhấn mạnh, khi núi đến mụ men quỏn tớnh phải núi rừ mụ men quỏn tớnh đối với trục quay nào .
- Phương trỡnh động lực học của vật rắn quay quanh một trục là kiến thức trọng tõm của chương 1. Do đú cần làm cho học sinh nắm được ý nghĩa của phương trỡnh động lực học trong chuyển động quay M=Iγ và biết cỏch vận dụng phương trỡnh
này để giải cỏc bài toỏn cơ bản về chuyển động quay của vật rắn .[5]
2.1.5. Những điều cần lưu ý với bài “ Mụ men động lượng, định luật bảo toànmụ men động lượng” mụ men động lượng”
- Mụ men động lượng L của vật rắn là tổng cỏc vộc tơ mụ men động lượng
∑
= Li
L . về độ lớn ta cú: L=∑Li =∑miri2ω= Iω
Túm lại vộc tơ mụ men động lượng của một vật rắn là: L=Iω
Vộc tơ L cựng chiều với vec tơ ω.
Lấy đạo hàm theo thời gian của L=Iω, ta được: ω γ I dt d I dt L d = = Hay : M dt L d = .
Khi M =0 ta suy ra: L=const. Vỡ vậy khi núi rằng tổng mụ men động lượng của một hệ được bảo toàn thỡ cú nghĩa cả độ lớn lẫn phương , chiều của tổng mụ men động lượng được bảo toàn. Tựy trỡnh độ HS, giỏo viờn cú thể giới thiệu sơ lược sự bảo toàn về hướng của mụ men động lượng thụng qua những vớ dụ trong thực tế ( như cỏc con quay định hướng trờn tàu vũ trụ) .
- Đối với học sinh khỏ, GV cú thể phõn tớch thờm ba trường hợp riờng của định luật bảo toàn mụ men động lượng như sau:
- Trường hợp 1: M = 0 ⇒L= Hằng số
Khi đú, nếu mụ men quỏn tớnh I = Hằng số thỡ vật hay hệ vật khụng quay hoặc quay đều .
- Trường hợp 2 : M =0⇒L1 =L2 hay I1ω1 =I2ω2
Khi đú, nếu mụ men quỏn tớnh I tăng thỡ vật quay chậm lại, mụ men quỏn tớnh I giảm thỡ vật quay nhanh hơn. Vớ dụ: khi vận động viờn trượt băng đột ngột thu 2 tay vào sỏt người , mụ men quỏn tớnh đối với trục quay giảm, người đú sẽ quay nhanh hơn trước .
- Trường hợp 3 : M =0⇒ L=0 hay I1ω1+I2ω2 =0
Khi đú, nếu một bộ phận của hệ quay theo một chiều thỡ thỡ bộ phận cũn lại của hệ quay theo chiều ngược lại. Vớ dụ : ghế Giu-cốp-xki, mỏy bay trực thăng cú hai hệ thụng cỏnh quạt. [5]
2.1.6. Những điều cần lưu ý với bài “ Động năng của vật rắn quay quanh trụccố định” cố định”
- SGK chỉ đề cập đến động năng của vật rắn quay quanh một trục mà khụng núi đến động năng toàn phần bao gồm động năng quay và động năng tịnh tiến của chuyển động song phẳng. Tựy trỡnh độ học sinh, giỏo viờn cú thể giới thiệu sơ lược định lý động năng ỏp dụng cho động năng quay: “ Độ biến thiờn động năng của vật
rắn quay (quanh một trục)bằng tổng cụng cỏc ngoại lực tỏc dụng lờn vật ” để cung
cấp thờm kiến thức cho học sinh, biết thờm cỏch giải bài toỏn về chuyển động quay của vật rắn bằng phương phỏp năng lượng .
- Để minh họa ta xột trường hợp đơn giản: vật chịu tỏc dụng của một lực F cú độ lớn khụng đổi và luụn tiếp tuyến với quỹ đạo của chuyển động, khi đú cụng của ngoại lực là: A=FS =FRϕ . Mụ men lực M = FR.
Áp dụng phương trỡnh động lực học của vật rắn quay quanh trục cố định ta cú: FR=Iγ do đú ta cú: A=Iγϕ mặt khỏc ω2 −ω12 = 2γϕ Suy ra : 2 2 2 2 1 2 1Iω Iω A= −
- Ở cuối bài học GV cần cho HS tỡm hiểu ứng dụng của động năng quay trong kỹ thuật: người ta dựng bỏnh đà để tớch trữ và cung cấp động năng quay. Bỏnh đà là một bỏnh xe bằng thộp cú mụ men quỏn tớnh đối với trục khỏ lớn, nếu nú quay với tốc độ gúc lớn thỡ dự trữ được động năng rất lớn. Chẳng hạn như động cơ đốt trong 4 kỳ thỡ chỉ cú một kỳ sinh cụng nhưng vẫn chạy đều là nhờ ghộp trục khuỷu với một bỏnh đà. Trong kỳ sinh cụng, cụng này làm tăng động năng của bỏnh đà. Trong 3 chu kỳ kia, bỏnh đà cung cấp động năng quay nú đó dự trữ cho trục khuỷu để giỳp pớt tụng vượt qua điểm chết và động cơ chạy ờm.[5]
2.2. Phõn tớch sự tương tự giữa động học chất điểm, động lực học chất điểm và động lực học vật rắn
2.2.1 Sự tương tự giữa chuyển động thẳng và chuyển động quay - Sự tương tự - Sự tương tự
Chuyển động thẳng Chuyển động quay
* Tọa độ và vị trớ của vật
- Để xỏc định vị trớ của chất điểm cần cú một hệ quy chiếu bao gồm hệ tọa độ và gốc thời gian
- Hệ trục tọa độ trong chuyển động thẳng