Trong chương trình Vật lí phổ thông -Vật lí 10, chương “Các định luật bảo toàn” là chương cuối của phần “Cơ học”. "Các định luật bảo toàn là "hòn đá thử vàng" của bất cứ lý thuyết Vật lí. Các định luật bảo toàn là cơ sở của những tính toán quan trọng trong Vật lí thực nghiệm và trong kĩ thuật. Nghiên cứu các ĐLBT, học sinh sẽ được học những quy luật quan trọng nhất của cơ học, đó là các ĐLBT, học sinh sẽ được học thêm nhiều khái niệm mới để tiếp tục nghiên cứu các chương tiếp theo, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến định luật Becnuli, các máy nhiệt sau này. Chương các ĐLBT có tần quan trọng trong việc giải quết các bài toán trong các học. Các định luật bảo toàn phản ánh những quy luật vật lí đặc biệt, có tính khái quát cao hơn các định luật Niu-tơn.Các định luật bảo toàn cung cấp một PP giải các bài toán vật lí hữu
hiệu; nhất là khi PP giải các bài toán sử dụng các định luật Niu-tơn tỏ ra phức tạp. Các định luật bảo toàn không phụ thuộc vào quỹ đạo chuyển động của các vật và tính chất của các lực tác dụng, nó cho phép rút ra những kết luận tổng quát mà không đòi hỏi xét tỉ mỉ các quá trình diễn biến trong hệ. Trong những bài toán không biết dạng tường minh của lực tác dụng, thì PP dùng các định luật bảo toàn là PP duy nhất giúp ta giải quyết bài tập vật lí (ví dụ xác định vận tốc của các hạt trong bài toán va chạm…) nhanh, gọn hơn.
Kiến thức mà học sinh học trong chương này cũng gắn liền với những ứng dụng thực tiễn trong kỹ thuật và đời sống. Định luật bảo toàn năng lượng là một trong những định luật quan trọng nhất được cọi là một định luật tổng
quát nhất của tự nhiên. Mọi quá trình đều phải tuân theo định luật này, mọi định luật vật lí khác đều phải phù hợp với định luật này. Nó bao trùm mọi hiện tượng thiên nhiên và thực tế cuộc sống của con người. Các thí nghiệm đơn giản và các ví dụ trong tự nhiên, trong cuộc sống và trong kĩ thuật sẽ làm cho HS củng cố thêm thế giới quan duy vật biện chứng và đặc biệt là trong tình hình hiện này, HS có thêm ý thức tiết kiệm nói chung và ý thức tiết kiệm năng lượng nói riêng.
2.1.2. Cấu trúc nội dung chương Các định luật bảo toàn
Nội dung của chương “ Các định luật bảo toàn” trong sách giáo khoa Vật
lí 10 được phân thành 10 bài học, bao gồm các chuyên đề sau:
- Động lượng và ĐLBT động lượng - Chuyển động bằng phản lực. - Công và công suất – ĐLBT công.
- Động năng – thế năng.
- Cơ năng - ĐLBT cơ năng.
- Sự va chạm của các vật –.
Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Các định luật bảo toàn”
2.1.3. Nội dung chương “Các định luật bảo toàn”
2.1.3.1. Động lượng – ĐLBT động lượng
+ Hệ kín(hệ cô lập)
Hệ kín là hệ vật chỉ tương tác với nhau chứ không tương tác với các vật bên ngoài hệ (chỉ có nội lực chứ không có ngoại lực). Xét trong cơ học thì hệ kín là hệ không có ngoại lực tác dụng, hoặc nếu có ngoại lực tác dụng nhưng
Động lượng. Định luật bảo toàn độnglượng
Độnglượng
Chương các định
luật bảo
toàn
Sự bảo toàn và chuyển hóa năng
lượngcủachất điểm trong chuyển độngcơ
Các dạng năng lượng Định luật bảo toàn động lượng Bài toán va chạm Ứng dụng (Hiện tượng sung giật, chuển động
của tênlửa)
Công và côngsuất Định
luậtbảotoàn
cơnăng
Động
cân bằng nhau, hoặc hệ có ngoại lực tác dụng nhưng rất nhỏ so với nội lực (đạn nổ…), hoặc hệ kín theo một phương nào đó.
+ Động lượng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Động lượng: Động lượng của một vật là đại lượng vectơ, luôn cùng chiều với vectơ vận tốc của vật, được đo bằng tích giữa khối lượng m và vận tốc
của vật.
Biểu thức : pr = mvr
Động lượng của hệ bằng tổng động lượng , ,...của các vật trong hệ: = + + ...
Đơn vị của động lượng là kg.m/s. + Xung lượng của lực
- Xung lực (xung lượng củ lực trong thời gian Δt) bằng độ biến thiên động lượng của vật trong thời gian đó.
Δt = Δ
- Đơn vị của xung lực là N.s.
+ Định luật bảo toàn động lượng
Định luật bảo toàn động lượng phản ánh tính chất đồng tính của không gian và đồng nhất của thời gian. Do đó, xét hệ cô lập gồm n chất điểm, biểu thức của định luật II Niu-tơn có dạng: å = å
dt p d
Fi i (*). Các Fi là các nội lực nên åFi =0; åpi =p là tổng động lượng của hệ.
Vậy 0 dt
p d
= , nghĩa làp=const (**): Tổng động lượng của hệ cô lập được bảo
toàn.
Đẳng thức vectơ (**) tương đương với 3 đẳng thức đại số: px = const; py = const; pz = const
- Trong SGK Vật lí 10, để xây dựng định luật bảo toàn động lượng, sách đã trình bày ba định luật Niu-tơn, coi như các tiên đề, sau đó áp dụng định luật II Niu-tơn và định luật III Niu-tơn cho hệ cô lập gồm hai vật tương tác.
Theo định luật II Niu-tơn:
Δt v v' m a m F1= 1 1 = 1 1- 1; Δt v v' m a m F2 = 2 2 = 2 2 - 2 Theo định luật III Niu-tơn: F1 =-F2 nên m1 v'1-v1 =-m2 v'2 -v2
Suy ra: m1v1+m2v2 =m1v'1+m2v'2.
Vậy, tổng động lượng của hệ trước và sau tương tác bằng nhau, được
bảo toàn.
- Định luật bảo toàn động lượng đúng trong trường hợp mà các định luật Niu-tơnkhông thể vận dụng được nữa. Chẳng hạn, đối với các hạt chuyển động với tốc độ gần tốc độ ánh sáng (v » c) thì định luật bảo toàn động lượng vẫn đúng.
+ Chuyển động bằng phản lực
Chuyển động bằng phản lực là loại chuyển động mà do tương tác bên trong giữa một phần của vật tách ra chuyển động về một hướng và phần còn lại chuyển động về hướng ngược lại (súng giật khi bắn, tên lửa…)
- Công thức về tên lửa trong trường hợp lượng nhiên liệu cháy phụt ra tức thời (hoặc các phần của tên lửa tách rời nhau):
Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: m = + , với m = + .(m, là khối lượng và vận tốc tên lửa trước khi nhiên liệu cháy; , là khối lượng và vận tốc phụt ra của nhiên liệu; là khối lượng và vận tốc tên lửa sau khi nhiên liệu cháy)
- Công thức về tên lửa trong trường hợp lượng nhiên liệu cháy và phụt ra liên tục :
Áp dụng các công thức về tên lửa : ; ; v = u. .(u là vận tốc của khí phụ đối với tên lửa, a là gia tốc của tên lửa, v là vận tốc của khí phụt so với tên lửa) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Va chạm mềm
Va chạm là tương tác giữa các vật xảy ra trong thời gian rất ngắn và vận tốc của các vật thay đổi không đáng kể. Va chạm mềm là va chạm mà sau va chạm các vật dính vào nhau.
+ Chuyển động bằng phản lực
Công thức về tên lửa trong trường hợp lượng nhiên liệu cháy và phụt ra liên tục :
Áp dụng các công thức về tên lửa : ; ; v = u. .(u là vận tốc của khí phụ đối với tên lửa, a là gia tốc của tên lửa, v là vận tốc của khí phụt so với tên lửa)
2.1.3.2. Công và công suất – Định luật bảo toàn công
+ Công của lực tác dụng: Nếu lực không đổi F tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực một góc a thì công thực hiện bởi lực đo bằng tích độ lớn của lực với hình chiếu của độ dời điểm đặt trên phương của lực.
Biểu thức:A= F.S.cos a.
+ Công suất: Công suất là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công nhanh hay chậm và có giá trị bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian.
Biểu thức : P = A/t
- Định luật bảo toàn công: Khi vật chuyển động đều hoặc khi vận tốc của vật ở điểm cuối và điểm đầu bằng nhau thì công phát động bằng độ lớn của công cản.
2.1.3.3.Động năng – thế năng
+ Động năng: Động năng của một vật là năng lượng do vật chuyển động mà có, nó có giá trị bằng một nửa tích khối lượng và bình phương vận tốc của vật. Biểu thức:Wđ = 1/2mv2
+Thế năng: gồm hai dạng:
+ Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật, thế năng trọng trường phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng
trường.
Biểu thức: Wt = mgz
+ Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng có được do biến dạng của lò xo, phụ
thuộc vào độ biến dạng của lò xo.
Biểu thức: Wt = 1/2 kx2
+Định lí Biến thiên động năng: Độ biến thiên động năng bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật.
Biểu thức: ∆Wđ = Wđ2 - Wđ1 = Angoại lực
+Định lí Biến thiên thế năng: Công của trọng lực bằng độ giảm thế năng Biểu thức: ∆Wt = Wt1 - Wt2 = AP
2.1.3.4. Cơ năng – định luật bảo toàn cơ năng
+ Năng lượng : Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện
công của một vật hoặc của một hệ vật. Năng lượng của một vật (hoặc hệ vật) ở một trạng thái xác định có giá trị bằng công lớn nhất mà vật (hoặc hệ vật) thực hiện được.
+Cơ năng: Cơ năng là năng lượng cơ học, cơ năng của vật bao gồm động năng và thế năng:
Biểu thức: W = Wđ + Wt = const
- Định luật bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường Vật có khối lượng m chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N. Trong quá trình chuyển động đó, công AMN của trọng lực được xác định bởi độ giảm thế năng là: AMN = Wt(M) – Wt(N).
Nếu trong quá trình đó, vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì công của trọng lực cũng được tính bằng độ biến thiên động năng của vật từ M đến N: AMN = Wđ(N) – Wđ(M). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vậy Wt(M) – Wt(N) = Wđ(N) – Wđ(M) hay Wđ(M) + Wt(M) = Wđ(N) + Wt(N) Khi đó, WM = WN có nghĩa là cơ năng được bảo toàn.
- Định luật bảo toàn cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi HS đã biết ở bài học trước, khi lò xo biến dạng thẳng từ độ biến dạng x1
đến độ biến dạng x2 thì công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng đàn hồi:
2 2 2 1 đh 12 kx 2 1 kx 2 1 ΔW A =- = - .
Khi gắn một vật có khối lượng m vào đầu tự do của lò xo. Hệ lò xo – vật có động năng là động năng của vật 2
đ mv 2 1 W = .
Xét dịch chuyển của vật từ A, ứng với vận tốc v1 và độ biến dạng x1, tới B ứng với v2 và x2, theo định lí động năng, ta có: 2
1 2 2 12 mv 2 1 mv 2 1 A = - . Suy ra: 2 2 2 1 2 1 2 2 kx 2 1 kx 2 1 mv 2 1 mv 2 1 - = - ; hay 2 1 2 1 2 2 2 2 kx 2 1 mv 2 1 kx 2 1 mv 2 1 + = + Nghĩa là: 2 + 2 = kx 2 1 mv 2 1
hằng số nên cơ năng được bảo toàn.
Trong SGK chỉ áp dụng cách lập luận tương tự với trường hợp trọng lực để suy ra định luật bảo toàn cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi.
+ Liên hệ giữa độ giảm cơ năng và công cản
Trong trường hợp nếu vật còn chịu tác dụng của lực cản thì cơ năng của vật không bảo toàn và độ biến thiên cơ năng của hệ đúng bằng công của lực này:
A(lực cản) = DW = W2 – W1
Trong phương án dạy học bài này, SGK chỉ xây dựng định luật hoàn toàn thuần túy bằng con đường suy luận lí thuyết, không đề cập tới bất kì thí nghiệm nào để khảo sát cũng như kiểm chứng định luật.
Định luật bảo toàn năng lượng: Với hệ kín, năng lượng của hệ được bảo toàn.
= hay ΔE = 0
2.2. Mục tiêu chương “Các định luật bảo toàn”
2.2.1. Mục tiêu kiến thức
- Viết được công thức tính động lượng và nêu được đơn vị đo động lượng.Biểu diễn được các vectơ động lượng của một vật, hệ vật.
- Viết và chứng minh được biểu thức dạng tổng quát của định luật II Niu-tơn.
- Phát biểu và viết được hệ thức của định luật bảo toàn động lượng đối với hệ hai vật.
- Nêu được nguyên tắc chuyển động bằng phản lực.
- Phát biểu được định nghĩa và viết được công thức tính công, công suất. - Phát biểu được định nghĩa và viết được công thức tính động năng. Nêu được đơn vị đo động năng.
- Phát biểu và viết được hệ thức liên hệ giữa công của ngoại lực với độ biến thiên động năng.
- Phát biểu được định nghĩa thế năng của một vật trong trọng trường và viết được công thức tính thế năng trọng trường. Nêu được đơn vị đo thế năng.
- Viết được công thức tính thế năng đàn hồi.
- Phát biểu và viết được hệ thức liên hệ giữa công của trọng lực hay công của lực đàn hồi với độ biến thiên thế năng.
- Phát biểu được định nghĩa và viết được công thức tính cơ năng.
- Viết được công thức tính cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường và vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi.
- Phát biểu được định luật bảo toàn cơ năng và viết được hệ thức của định luật bảo toàn cơ năng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Viết được hệ thức của định luật bảo toàn cơ năng khi vật chuyển động trong trọng trường và khi vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi.
- Phát biểu và viết được hệ thức liên hệ giữa độ giảm cơ năng và công của lực cản.
2.2.2. Mục tiêu kĩ năng
- Vận dụng được định luật bảo toàn động lượng để giải các bài tập định tính và định lượng. Biểu diễn được các vectơ động lượng của vật, hệ vật.
- Vận dụng được định luật bảo toàn động lượng để giải các bài tập đối với hai vật va chạm mềm.
- Vận dụng được các công thức:A =F.s.cos αvà P = t A . Hệ thức: p Δ Δt .
F = vào giải các bài tập định tính và định lượng.
- Vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng để giải bài toán chuyển động của một vật, của hệ có hai vật.
- Rèn kĩ năng làm thí nghiệm như: Bố trí thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, quan sát, phân tích, thu thập và xử lí số liệu thu được.
- Rèn được kĩ năng hợp tác, làm việc theo nhóm.
2.2.3. Mục tiêu thái độ
- Có hứng thú, say mê trong học tập và yêu thích bộ môn Vật lí nói chung, các kiến thức về các định luật bảo toàn nói riêng.
- Có tinh thần đoàn kết, giúp đỡ lẫn nhau trong quá trình học, có tinh thần hợp tác khi làm việc giữa các cá nhân và ý thức trách nhiệm của mỗi HS khi làm việc theo nhóm.
- Tích cực vận dụng, liên hệ những kiến thức đã học với thực tiễn cuộc sống.
- Có thái độ làm việc khách quan, trung thực, tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. - Nhiệt tình, trách nhiệm trong công việc được giao và có tinh thần cố gắng, hợp tác khi làm việc nhóm, làm việc tập thể.
2.3. Nguyên tắc xây dựng hệ thống bài tập
2.3.1. Nguyên tắc chungxây dựng hệ thống bài tập
Việc xây dựng hệ thống bài tập chương “Các định luật bảo toàn” được xây dựng trên những căn cứ lí luận và thực tiến mang tính khoa học, cụ thể như sau:
- Phát triển năng lực tư duy độc lập và nâng cao hiệu quả tự học trong hoạt động giải BTVL.
- Mức độ, yêu cầu nắm vững kiến thức cơ bản chương CĐLBT và các kĩ năng cơ bản giải bài tập chương CĐLBT
- Thiết kế dạy học bài tập chương CĐLBT lớp 10 THPT nói chung và bồi dưỡng học sinh giỏi nói riêng.
- Bài tập đi từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp (phạm vi và số lượng các kiến thức, kĩ năng cần vận dụng từ một đề tại đến nhiều đề tài, số lượng các đại lượng cho biết và các đại lượng cần tìm...) giúp học sinh nắm được phương pháp giải các loại bài tập điển hình.
- Mỗi bài tập phải là một mắt xích trong hệ thống bài tập, đóng góp một phần nào đó vào việc củng cố, hoàn thiện và mở rộng kiến thức.
- Hệ thống bài tập đa dạng, phong phú bao gồm nhiều thể loại bài tập.