8. Cấu trúc luận văn
2.2.1. Tiến trình xây dựng kiến thức “Lực hấp dẫn”
Tình huống có vấn đề
Câu chuyện “Quả táo của Newton”
Vi deo: Chuyển động của Mặt Trăng quanh Trái Đất và của các hành tinh quanh Mặt Trời.
Nhận định của Newton: Mọi vật trong tự nhiên đều hút nhau với một lực gọi là lực hấp dẫn.
Câu hỏi
Lực hấp dẫn giữa hai vật (coi như chất điểm) phụ thuộc yếu tố nào? Phụ thuộc như thế nào vào các yếu tố đó?
Giải quyết vấn đề
- Giả thuyết 1:Lực hấp dẫn giữa hai vật (coi như chất điểm) tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng: 1 2
hd
m m F
r
- TN1: Fhd m m1 2 (khi r không đổi)
+ Dụng cụ: 2 viên bi kim loại, thanh gỗ, sợi dây mảnh, giá treo, 2 quả cầu bằng chì nặng.
+ Bố trí và tiến hành như Hình 2.1: hai viên bi kim loại gắn vào hai đầu thanh gỗ, dùng sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên giá sao cho thanh gỗ cân bằng. Dùng 2 quả cầu bằng chì tịnh tiến lại hai viên bi. Dựa vào độ xoắn của sợi dây đo được độ lớn lực hấp dẫn giữa quả cầu và viên bi.
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí TN khảo sát lực hấp dẫn
Thay đổi khối lượng của viên bi lên gấp đôi, đo Fhd
Thay đổi khối lượng của quả cầu lên gấp đôi, đo Fhd
+ Dự kiến kết quả TN1: Với ' 1 m = 2 m1 thì Fhd2 = 2 Fhd1 (m2 không đổi) Với ' 2 m = 2 m2 thì Fhd2 = 2 Fhd1 (m1 không đổi)
- Tiến hành TN1: giả thuyết lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với tích của hai khối lượng là đúng.
- TN2: Fhd 1
r (khi m m1 2 không đổi)
+ Dự kiến kết quả TN2: với r2 = 2r1 thì Fhd2 = 1/2 Fhd1
- Tiến hành TN2: giả thuyết lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với khoảng cách là sai - Giả thuyết 2: Lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng
- TN3: Fhd 12
r (khi m m1 2 không đổi)
+ Dụng cụ, bố trí, tiến hành tương tự TN2 nhưng với hai vật có khối lượng khác + Dự kiến kết quả TN3: với r2 = 2r1 thì Fhd2 = ¼ Fhd1
- Tiến hành TN3
Kết luận
Lực hấp dẫn giữa hai vật (coi như chất điểm) tỉ lệ thuận với tích của hai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
1 2 2 hd m m F r 2.2.2. Tiến trình dạy học “Lực hấp dẫn” A. Mục tiêu dạy học
HS thực hiện được các hành vi sau:
- Phát hiện được sự tồn tại của lực hấp dẫn. - Xác định được phương, chiều của lực hấp dẫn - Đề ra được giả thuyết về độ lớn của lực hấp dẫn.
- Xác định được mục đích TN là kiểm tra giả thuyết về độ lớn của lực hấp dẫn. - Từ bản thiết kế cho trước, nêu được cách bố trí TN để kiểm tra giả thuyết lực hấp dẫn tỉ lệ với tích khối lượng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa 2 vật. Dự kiến đúng kết quả TN.
- Từ bảng số liệu đo lực hấp dẫn, xử lí và phân tích được kết quả, rút ra được kết luận.
- Phát biểu và viết được hệ thức của Định luật vạn vật hấp dẫn. Vận dụng công thức tính độ lớn lực hấp dẫn để giải các bài tập đơn giản.
B. Chuẩn bị 1. Giáo viên
- Video chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời, Mặt Trăng quanh Trái Đất. - Các phiếu học tập, bản thiết kế TN, số liệu đo lực hấp dẫn.
2. Học sinh
- Các kiến thức về định luật II Newton, định luật III Newton, trọng lực.
C. Hoạt động của giáo viên và học sinh Hoạt động 1: Đặt vấn đề (5 phút)
Mục tiêu hoạt động
- Từ câu truyện, hiện tượng trong tự nhiên, HS suy luận và phát hiện ra sự tồn tại của lực hấp dẫn.
- Phát hiện được vấn đề cần tìm hiểu: lực hấp dẫn phụ thuộc vào yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào vào các yếu tố đó?
Tổ chức hoạt động
GV kể câu chuyện “Quả táo của Newton”: Newton quan sát quả táo rơi và đặt ra câu hỏi tại sao quả táo rơi?
HS suy luận trả lời: Quả táo rơi về phía Trái Đất do Trái Đất hút quả táo, theo định luật III Newton, quả táo cũng hút Trái Đất. Mở rộng ra, giữa Trái Đất và các vật có lực hút lẫn nhau
GV chiếu vi deo chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời, của Mặt Trăng quanh Trái Đất, đặt ra câu hỏi tại sao các hành tinh chuyển động được quanh Mặt Trời, Mặt Trăng chuyển động được quanh Trái Đất.
HS nhận xét và trả lời: do có lực hút giữa các hành tinh và Mặt Trời, giữa Mặt Trăng và Trái Đất.
Hình 2.3. Hình ảnh các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời Hình 2.2. Hình ảnh câu truyện
GV thông báo: Mọi vật trong tự nhiên đều hút nhau với một lực gọi là lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn là lực tương tác từ xa.
HS nêu vấn đề: Lực hấp dẫn giữa hai vật phụ thuộc vào yếu tố nào? Phụ thuộc như thế nào vào yếu tố đó?
Hoạt động 2: Tìm hiểu Định luật vạn vật hấp dẫn (30 phút) Mục tiêu hoạt động
- HS biểu diễn được véc tơ lực hấp dẫn giữa hai vật và đề ra được giả thuyết về độ lớn lực hấp dẫn.
- NLTN1. Xác định được mục đích của TN là kiểm tra giả thuyết về độ lớn lực hấp dẫn.
- NLTN 2. Từ bản thiết kế cho trước xác định được cách bố trí TN. Dự đoán đúng kết quả TN.
- NLTN 4. Từ số liệu đo lực hấp dẫn cho trước: xử lí, phân tích, trình bày được số liệu. Rút ra được kết luận: nội dung Định luật vạn vật hấp dẫn.
- Vận dụng công thức của lực hấp dẫn để giải các bài tập đơn giản.
Tổ chức hoạt động
- GV phát Phiếu học tập - Lực hấp dẫn
Bài toán: Có 2 vật được coi là chất điểm có khối lượng m1 và m2 đặt cách nhau một khoảng r. Hãy biểu diễn lực hấp dẫn giữa hai vật? Lực hấp dẫn đó phụ thuộc yếu tố nào? Phụ thuộc như thế nào vào các yếu tố đó?
- HS làm việc cá nhân: Biểu diễn véc tơ lực hấp dẫn Đưa ra dự đoán:
+ Vật càng to lực hút càng lớn + Vật càng nặng lực hút càng lớn + Khoảng cách giữa hai vật càng
xa, lực hút càng nhỏ và ngược lại Hình 2.4. Biểu diễn lực hấp dẫn giữa
hai chất điểm
- HS đề xuất các giả thuyết:
+ Lực hấp dẫn tỉ lệ với tích khối lượng + Lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với khoảng cách
+ Lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách
- GV yêu cầu từ sơ đồ bố trí TN khảo sát lực hấp dẫn (Hình 2.1) và bảng số liệu đo lực hấp dẫn cho trước (Phiếu học tập), hãy:
+Mô tả cách bố trí TN + Dự kiến kết quả TN
+ Xử lí, phân tích và rút ra kết luận về độ lớn lực hấp dẫn. - HS làm việc cá nhân, điền vào Phiếu học tập
+ Mô tả bố trí TN: 2 viên bi kim loại gắn vào hai đầu thanh gỗ, dùng sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên giá sao cho thanh gỗ cân bằng.
+ Dự kiến kết quả TN:
Nếu tăng khối lượng viên bi lên 2 lần thì lực hấp dẫn tăng 2 lần Nếu tăng khối lượng quả cầu lên 2 lần thì lực hấp dẫn tăng 2 lần
Nếu tăng khoảng cách giữa hai vật lên 2 lần thì lực hấp dẫn giảm 2 lần (hoặc có dự kiến giảm 4 lần)
+ HS xử lí kết quả TN và rút ra nhận xét: lực hấp dẫn giữa viên bi và quả cầu tỉ lệ với tích khối lượng của viên bi và quả cầu, tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
- GV giới thiệu nội dung Định luật vạn vật hấp dẫn và biểu thức của định luật:
1 2 2 m m F G r Với G là hằng số hấp dẫn, có giá trị 6,67.10-11 N.m2/kg2
Lưu ý: nếu các vật đồng chất và có dạng hình cầu, khi ấy r là khoảng cách giữa hai tâm.
- Vận dụng bài tập: Hai tàu thủy, mỗi chiếc có khối lượng 50000 tấn ở cách nhau 1km. Lấy g = 10m/s2. So sánh lực hấp dẫn giữa chúng với trọng lượng của một quả cân có khối lượng 20g.
- HS giải bài tập:
Lực hấp dẫn giữa hai tàu thủy:
7 7 11 1 2 2 3 2 5.10 .5.10 6, 67.10 . 0,16675(N) (10 ) m m F G r
Trọng lực của quả cân: Pmg0,02.100, 2(N)
Nhận xét: Lực hấp dẫn giữa hai tàu thủy nhỏ hơn trọng lượng của quả cân có khối lượng 20g.
Dự kiến cách đánh giá NLTN: dựa vào phần trình bày của HS trên Phiếu học tập - Lực hấp dẫn và Bảng 2.1 có các chỉ số hành vi và tiêu chí chất lượng như sau:
Bảng 2.1. Bảng tiêu chí đánh giá NLTN của HS trong học tập “Lực hấp dẫn” Thành tố Chỉ số hành vi Tiêu chí chất lượng Mức 1 (1 điểm) Mức 2 (2 điểm) Mức 3 (3 điểm) 1. Xác định mục đích TN 1.2. Xác định được kết luận cần được rút ra từ TN Từ ví dụ nhận biết được sự tồn tại của lực hấp dẫn những chưa xác định được kết luận cần rút ra từ TN Từ ví dụ nhận biết được sự tồn tại của lực hấp dẫn, xác định được kết luận cần rút ra từ TN về độ lớn lực hấp dẫn dưới sự hướng dẫn của GV Từ ví dụ nhận biết được sự tồn tại của lực hấp dẫn, tự xác định được kết luận cần rút ra từ TN về độ lớn lực hấp dẫn 2. Thiết kế phương án TN 2.2. Mô tả được cách bố trí TN từ bản thiết kế có sẵn Từ bản thiết kế có sẵn, mô tả được cách bố trí TN nhưng chưa chỉ rõ được các dụng cụ Từ bản thiết kế có sẵn, mô tả được cách bố trí TN, chỉ rõ được các dụng cụ nhưng thiếu điều kiện thanh cân bằng
Từ bản thiết kế có sẵn, mô tả được cách bố trí TN: 2 viên bi gắn vào hai đầu thanh gỗ, dùng sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên giá sao cho thanh gỗ cân bằng 2.4. Dự kiến được kết quả TN Dự kiến chưa chính xác kết quả TN Dự kiến được: khối lượng của viên bi (hoặc quả cầu) tăng 2 lần thì lực hấp dẫn tăng 2 lần
Dự kiến được: khối lượng của viên bi (hoặc quả cầu) tăng 2 lần thì lực hấp dẫn tăng 2 lần, khoảng cách tăng 2 lần thì lực hấp dẫn giảm 4 lần 4. Phân tích kết quả và đánh giá TN 4.1. Xử lí, phân tích, trình bày được số liệu cho trước Xử lí đúng số liệu của 1 bảng Xử lí đúng số liệu của 2 bảng Xử lí đúng số liệu của 3 bảng 4.2. Rút ra được kết luận Rút ra được kết luận nhưng chưa chính xác
Rút ra được kết luận nhưng chưa đầy đủ, chỉ nêu được lực hấp dẫn tỉ lệ với tích khối lượng hoặc tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng Rút ra được kết luận một cách chính xác, đầy đủ: lực hấp dẫn tỉ lệ với tích khối lượng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng
Hoạt động 3: Vận dụng tìm hiểu gia tốc trọng trường (10 phút) Mục tiêu hoạt động
- HS biến đổi, rút ra được công thức tính gia tốc trọng trường, nhận xét được sự phụ thuộc của gia tốc trọng trường theo độ cao.
- Vận dụng tính được gia tốc trọng trường.
Tổ chức hoạt động
- GV đưa ra bài toán:
+ Xác định gia tốc trọng trường của vật có khối lượng m, ở độ cao h so với mặt đất? Biết Trái Đất có khối lượng M và bán kính R.
+ Nhận xét về sự thay đổi của gia tốc trọng trường theo độ cao?
+ Vận dụng bằng số: vật ở mặt đất, G = 6,67.10-11 Nm2/kg2, M = 6.1024 kg, R = 6400 km - HS biến đổi 2 ( ) mM P mg G R h 2 ( ) M g G R h
+ Từ biểu thức suy ra càng lên cao, gia tốc trọng trường càng nhỏ + Tính được g = 9,77m/s2
PHIẾU HỌC TẬP – LỰC HẤP DẪN
Họ và tên: ………. Nhóm: ……….
Bài toán: Có 2 vật được coi là chất điểm có khối lượng m1 và m2 đặt cách nhau một khoảng r. Hãy:
- Biểu diễn lực hấp dẫn giữa hai vật:
……… ………
tố đó?
……… - Cho bản thiết kế phương án thí nghiệm đo lực hấp dẫn
+ Dụng cụ: 2 viên bi kim loại, thanh gỗ, sợi dây mảnh, giá treo, 2 quả cầu bằng chì nặng.
+ Hãy mô tả cách bố trí thí nghiệm:
……… ………
+ Cho 2 quả cầu bằng chì tịnh tiến lại hai viên bi. Dựa vào độ xoắn của sợi dây xác định được độ lớn lực hấp dẫn giữa quả cầu và viên bi.
+ Hãy dự kiến kết quả thí nghiệm:
Nếu m2 và r không đổi, tăng m1 lên hai lần thì Fhd ………
Nếu m1 và r không đổi, tăng m2 lên hai lần thì Fhd ………
Nếu m1 và m2 không đổi, tăng rlên hai lần thì Fhd ………
Từ bảng số liệu đo lực hấp dẫn. Hãy xử lí các số liệu và rút ra nhận xét? Bảng 1: m1 thay đổi, m2 = 160 kg, r = 2m Đại lượng m1 ( g) Fhd (N) Fhd / m1 Lần 1 1 26,48.10-10 Lần 2 2 52,97.10-10 Lần 3 3 79,54.10-10 Nhận xét: ……… Bảng 2: m1 = 1 kg, m2 thay đổi , r = 2m Đại lượng m2 (kg) Fhd (N) Fhd / m2 Lần 1 50 8,28.10-10 Lần 2 100 16.55.10-10 Lần 3 150 24.83.10-10
Nhận xét: ……… Bảng 3: m1 = 15g 0,2g, m2 = 1500g 10g, r thay đổi Đại lượng r (m) Fhd (N) Fhd.r2 Lần 1 0,0465 6,94.10-10 Lần 2 0,0930 1,73.10-10 Lần 3 0,1395 0,77.10-10 Nhận xét: ……… Kết luận: ……… ………
2.3. Thiết kế tiến trình dạy học "Lực đàn hồi"
2.3.1. Tiến trình xây dựng kiến thức “Lực đàn hồi”
Tình huống có vấn đề
Quan sát một số vật biến dạng đàn hồi: quả bóng bay, lò xo, dây cao su, tấm đệm mút
Câu hỏi
Lực đàn hồi có phương, chiều, độ lớn xác định như thế nào?
Giải quyết vấn đề
- Giả thuyết: Lực đàn hồi có
+ Phương: trùng với phương của trục lò xo, của dây cao su; còn đối với trường hợp tấm đệm mút thì lực đàn hồi có phương vuông góc với mặt tiếp xúc.
+ Chiều: ngược với chiều biến dạng. + Độ lớn: tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo
Căn cứ đề xuất giả thuyết: từ kinh nghiệm “dùng tay kéo dãn 1 đầu dây cao su có đầu kia cố định thì thấy tay chịu tác dụng lực kéo của dây cao su”. Lực đàn hồi của dây cao su tác dụng lên tay sẽ ngược hướng, cùng độ lớn với lực kéo của tay.
- TN kiểm tra giả thuyết:
TN1. TN đối với lò xo
+ Dụng cụ: lò xo một đầu cố định, các gia trọng, thước thẳng, lực kế
+ Bố trí: như Hình 2.5
+ Tiến hành: lần lượt treo các gia trọng m, 2m, 3m vào lò xo. Xác định phương, chiều của lực đàn hồi và độ biến dạng (độ dãn) của lò xo
Hình 2.5. Bố trí TN xác định lực đàn hồi của lò xo
+ Dự kiến kết quả: lực đàn hồi ngược hướng với trọng lực (phương trùng với phương của trục lò xo, chiều ngược chiều biến dạng của lò xo)
Treo gia trọng m, độ dãn của lò xo là l
Nếu treo gia trọng 2m thì độ dãn của lò xo là 2l
Nếu treo gia trọng 3m thì độ dãn của lò xo là 3l
TN2. TN đối với dây cao su (chỉ kiểm tra giả thuyết về phương và chiều) + Treo gia trọng vào dây cao su, xác định phương, chiều của lực đàn hồi?
+ Dự kiến kết quả: lực đàn hồi ngược hướng với trọng lực (phương trùng với sợi dây, chiều ngược chiều dãn của dây cao su)