Bài tập dùng để xây dựng kiến thức trong giờ học lí thuyết

THUYẾT

Chúng tôi lựa chọn một số bài tập trong hệ thống bài tập đã nêu để phân tích cho học sinh tìm hiểu kiến thức trong giờ học lí thuyết. Các bài tập được lựa chọn chủ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

yếu là các bài tập cơ bản (định tính) vừa có tác dụng giúp học sinh tham gia xây dựng kiến thức mới, vừa giúp rèn ngôn ngữ vật lí cho học sinh. Các bài có sự hướng dẫn cần vận dụng kiến thức nào để học sinh dễ hiểu. Nhiệm vụ đề ra là vừa sức và thực hiện trong thời gian ngắn nên gây được hứng thú cho học sinh. Qua đó giúp cho giờ học lí thuyết trở nên sôi nổi và học sinh sẽ chủ động hình thành tri thức cho bản thân. Các bài được phân tích và sử dụng cụ thể ở mục nào khi học lí thuyết như sau:

Bài 1.1. (Sử dụng ở mục 4 của bài 1 SGK)

- Hướng dẫn: Dựa vào sự tương tự giữa các đại lượng của chuyển động thẳng biến đổi đều và chuyển động quay biến đổi đều: x ; v  ; a

- Ta có: các PT động học của chuyển động quay:

CĐ thẳng biến đổi đều CĐ quay biến đổi đều

0 v v at    0 t 2 0 0 1 2 xx v t at 2 0 0 1 2 t t       2 2 0 2 ( 0) v v  a xx 2 2 0 2 ( 0)       Bài 1.2. (Sử dụng ở mục 5 bài 1 SGK) - Hướng dẫn: Dựa vào hệ thức: vR

- Ta có: Vì mọi điểm trên vật rắn (trừ các điểm trên trục quay) đều có cùng

,

  . Nên R càng lớn thì v càng lớn, nghĩa là điểm nào càng xa trục quay thì tốc độ dài càng lớn.

Bài 2.1. (Sử dụng ở mục 1 bài 2 SGK)

- Hướng dẫn: Dựa vào hệ thức mômen lực: M = F.d

- Giải thích: Khi dùng tay đẩy cánh cửa ta có thể thay đổi các yếu tố sau để làm cửa quay càng mạnh:

+ Tăng dần độ lớn của lực (F lớn) + Đặt giá của lực xa trục quay (d lớn)

+ Phương của lực vuông góc với cánh cửa (d lớn)  Do đó quả nắm của cánh cửa được đặt rất xa bản lề.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bài 2.3. (Sử dụng ở mục 2 của bài 2 SGK)

- Hướng dẫn: quan sát cánh cửa chính, cửa sổ, đồng hồ quả lắc… - Ví dụ: về vật rắn có trục quay không phải là trục đối xứng: + Quả lắc đồng hồ trục quay đi qua một đầu của nó

+ Cánh cửa có trục quay đi qua 2 bản lề

+ Viên gạch đang đặt đứng bị đổ xuống, trục quay là cạnh tiếp xúc với mặt đất.

Bài 3.1. (Sử dụng ở mục 2 bài 3 SGK)

- Hướng dẫn: Dựa vào nội dung định luật bảo toàn mômen động lượng, và giáo viên dẫn dắt để nêu thêm một điều kiện nữa.

- Điều kiện:

+ Tổng mômen các lực tác dụng vào vật bằng 0;

+ Nếu tổng mômen các lực khác 0 nhưng thời gian tác dụng lực là rất nhỏ có thể bỏ qua xung của mômen lực M.t thì coi mômen động lượng được bảo toàn.

Bài 3.4. (Sử dụng ở bài 2 SGK)

- Hướng dẫn: Dựa vào kiến thức mômen quán tính kết hợp với bảo toàn mômen động lượng

- Giải thích:

+ Lúc xoay người trên không các vận động viên phải gập người và bó gối thật chặt nhằm giảm mômen quán tính của người đối với trục quay (theo phương ngang) đi qua khối tâm của người và do đó tốc độ góc lớn nên người xoay nhanh hơn.

+ Lúc chuẩn bị lao mình vào trong nước họ phải duỗi thẳng người ra để tăng mômen quán tính để làm giảm tốc độ quay. Do đó khi lao mình vào trong nước sẽ an toàn và làm nước bắn toé lên ít.

Chú ý: trong thể thao vận động viên nhảy cầu thực hiện động tác cần: tốc độ, đẹp, an toàn.

Bài 4.2. (Sử dụng ở mục 1 bài 4 SGK)

- Hướng dẫn: Viết biểu thức tính động năng quay 1 2

2 d W  I và động năng tịnh tiến 1 2 2 d W  mv .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Nhận xét: Vai trò của I trong chuyển động quay giống như của m trong chuyển động thẳng.

Bài 4.4. (Sử dụng ở bài 2 - phần định lí biến thiên động năng)

- Hướng dẫn: Viết hệ thức tính công của lực AF s. và hệ thức tính mômen lực M F R. I

- Chứng minh: ta có:

+ Công của ngoại lực: AF s. F R. .

+ Mômen lực: M F R. I  A I + Mặt khác: 2 2 2 1 2     2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 . 2 2 2 d A I   I I W      

 Đó là nội dung định lí biến thiên động năng: Độ biến thiên động năng của một vật bằng tổng công các ngoại lực tác dụng vào vật.  Giúp học sinh biết thêm cách giải bài tập về chuyển động quay của vật rắn bằng phương pháp năng lượng.

2.4. BÀI TẬP DÙNG ĐỂ HƢỚNG DẪN HỌC SINH VỀ NHÀ TỰ LÀM

Chúng tôi lựa chọn một số bài tập trong hệ thống bài tập (ở 2.1.5) để phân tích định hướng cách giải cho học sinh về nhà tự lực giải. Chúng tôi dự kiến chỉ hướng dẫn những bài được giao về nhà mà học sinh khó tìm cách giải nếu không có sự phân tích, định hướng của giáo viên. Còn những bài còn lại cho về nhà (ở 2.1.6) thì theo chúng tôi học sinh có thể vận dụng công thức và kiến thức đã học để tự lực giải quyết được. Các bài được phân tích cụ thể như sau:

Bài 1.6. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 1) - Hướng dẫn: 2 ; t n a r a  r; bài cho 2 n t a a    - Ta có: vr .r

Bài 1.9. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 1)

- Hướng dẫn: Xác định chu kì của Trái Đất quay quanh Mặt Trời: 365,25 ngày, rồi tính các đại lượng theo công thức đã biết.

- Ta có:

+ Trái Đất quay quanh Mặt Trời với thời gian một năm = 365 ngày 6 giờ = 365,25 ngày. Do đó: T 365, 25 24 3600  s + Tính: 2 2 ; v r a; n r T    

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bài 2.2. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 2)

- Hướng dẫn: Phân tích cấu trúc của quả trứng sống và quả trứng đã luộc kĩ - Giải thích:

+ Quả trứng sống: phần vỏ trứng là vật rắn, phần bên trong là khối chất lỏng liên kết lỏng lẻo với vỏ. Khi quả trứng sống đang quay, nếu ta chạm tay vào vỏ trứng thì ta chỉ làm cho vỏ trứng dừng lại, còn khối trứng lỏng do có quán tính nên tiếp tục quay. Nếu ta thả nhanh tay thì khối trứng lỏng tác dụng vào vỏ trứng lực ma sát gây ra mômen quay làm quả trứng tiếp tục quay.

+ Quả trứng đã luộc kĩ thì cả vỏ và khối trứng làm thành một vật rắn. Nếu chạm tay vào quả trứng đang quay để làm nó dừng lại thì dù thả nhanh tay thì vật rắn vẫn không quay nữa mà đổ xuống do tác dụng của trọng lực.

Bài 2.12. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 4)

- Hướng dẫn: (tương tự như bài toán 2.14 đã hướng dẫn trên lớp)

+ Phân tích lực tác dụng vào hệ, chỉ ra lực nào gây ra mômen quay (chính là lực căng T)

+ Vận dụng PT động lực học chất điểm và động lực học vật rắn để tìm a:

( );

Tm g a I TR

+ Chuyển bài toán về động học chất điểm để tìm v - Ta có: 2

3

v gh

Bài 2.13. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 4) - Hướng dẫn: (tương tự bài 2.12, 2.14)

+ Phân tích lực tác dụng vào hệ vật, chỉ ra lực T T 1, 2

gây ra mômen quay. Chú ý T1T2

+ Lưu ý: P2N2 0 nên chỉ có T2

gây ra chuyển động tịnh tiến của m2. + Tìm gia tốc a của hệ dựa vào PT động lực học chất điểm và PT động lực học vật rắn.

+ Tính độ dịch chuyển của m2 vận dụng công thức của động học chất điểm. - Ta có: a = 0,1g và 1 2

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bài 2.16. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 4)

- Hướng dẫn: (Tương tự bài toán 2.15 đã hướng dẫn trên lớp) Có 2 cách * Cách 1: Dùng phương pháp động lực học vật rắn

+ Phân tích chuyển động của vật gồm: khối tâm chuyển động tịnh tiến, các điểm khác trên vật chuyển động quay.

+ Phân tích lực tác dụng lên vật, viết PT vectơ, chuyển về PT đại số bằng cách chiếu lên trục toạ độ

+ Vận dụng PT động lực học chất điểm và động lực học vật rắn tìm a: sin ms ; ms. a P F ma F R I I R      Sau đó tìm v theo hệ thức: v 2as - Ta có: 5 sin ; 10 7 7 a g   v gh

* Cách 2: Phương pháp năng lượng: Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng + Chỉ ra vật chuyển động trong trường lực thế, vì chỉ có trọng lực sinh công. Do đó cơ năng của vật được bảo toàn.

+ Tìm biểu thức tính cơ năng tại đỉnh dốc và chân dốc: Tại đỉnh dốc, chỉ có thế năng: Wt mgh

Tại chân dốc, chỉ có động năng: 1 2 1 2 7 2

2 2 10

d C C

W  mv  I  mv

 Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng để tìm v. - Ta có: 10

7

C

v  gh

Bài 2.17. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 4) - Hướng dẫn:

+ Phân tích chuyển động của vật, lực tác dụng vào vật (như cách 1 bài 2.16). + Tìm biểu thức tính aC tổng quát và ứng với từng vật (vì có mômen quán tính khác nhau).

+ So sánh về độ lớn của gia tốc của mỗi vật, cho biết vật nào lăn nhanh hơn. - Ta có: 2 .sin C C mg a I m R  

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn + Vật là đĩa tròn: 2 sin 3 Cd a  g ; vật là vành tròn: 1 sin 2 Cv a  g .

+ Rõ ràng aCđ > aCv nên vật nào có mômen quán tính lớn hơn (vành tròn) thì gia tốc nhỏ hơn, và sẽ lăn chậm hơn.

Bài 3.3. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 6)

- Hướng dẫn: Vận dụng định luật bảo toàn mômen động lượng

- Giải thích: Vận động viên trượt băng thu chân tay lại sát người để giảm mômen quán tính, do đó tốc độ quay sẽ tăng lên.

Bài 3.7. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 5)

- Hướng dẫn: + Dựa vào biểu thức tính mômen động lượng LI

+ Phân tích chuyển động quay của Trái Đất quanh trục của nó thì Trái Đất là quả cầu đồng chất, bán kính R. Còn trong chuyển động quay quanh Mặt Trời thì Trái Đất chỉ coi là chất điểm, khoảng cách đến Mặt Trời là r.

Do đó mômen quán tính: 2 2 1 2 2 ; 5 I  mR I Mr

+ Tìm tốc độ góc quay trong mỗi chuyển động, bằng cách tìm chu kì quay

Tức là: 1 2 1 2 2 2 2 2 ; 24 3600 365, 25 24 3600 T T              + Thay số để tìm L1 và L2 - Ta có: L1 = 0,89.1034 kg.m2/s; L2 = 2,7.1040 kg.m2/s

Bài 3.9. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 6) - Hướng dẫn:

+ Tính mômen động lượng LI của hệ trước và sau khi đặt vật, chú ý tìm mômen quán tính I của hệ trước khi đặt vật và sau khi đặt vật.

+ Vận dụng định luật bảo toàn mômen động lượng: I00 I - Ta có: + Trước khi đặt vật: 2 0 0 1 2 L  mR  + Sau khi đặt vật: 5 2 8 L mR  + Cuối cùng tìm được: 4 0 5  

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bài 3.12. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 8) - Hướng dẫn:

+ Xác định tốc độ góc của hệ trước khi người đi và khi người đi trên sàn + Tìm biểu thức động lượng của hệ trước khi người đi và khi người đi trên sàn + Vận dụng định luật bảo toàn mômen động lượng

- Ta có:

* Trước khi người đi: 2

0 0 0 0

1

( ) . 2

L I   M m R 

* Khi người đi với tốc độ u so với sàn: 1 2 2

( ) 2 u L MR mR R     

* Tốc độ góc quay của sàn khi người đang đi trên sàn: 0 2

( 2 )

mu M m R

  



Bài 4.9. (Hướng dẫn về nhà sau tiết 8)

- Hướng dẫn: Vì người đi từ tâm sàn ra mép theo phương bán kính nên khoảng cách của người đối với trục quay là thay đổi và phụ thuộc thời gian t. Do đó biểu thức tính vận tốc v sẽ có mặt của t.

+ Vận tốc chuyển động của người gồm cả vận tốc tiếp tuyến và vận tốc hướng tâm.

+ Coi như người đang chuyển động thẳng tức thời, tính động năng theo công thức của chuyển động thẳng.

- Ta có:

+ Ở thời điểm t người cách tâm sàn: ru t. , u là vận tốc hướng tâm + Vận tốc tiếp tuyến của người: vt r. .u t

 Vận tốc toàn phần của người: v u2( . . )u t 2

+ Động năng của người: 1 2 1 2 2 2 2

( . . ) 2 2

d

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

KẾT LUẬN CHƢƠNG II

Trong chương này, chúng tôi đã vận dụng cơ sở lí luận và thực tiễn đã phân tích ở chương 1 để hoàn thành một số công việc sau:

- Phân tích đặc điểm của chương Động lực học vật rắn: vị trí, vai trò, mục tiêu cần đạt được, các công thức trong chương cần nhớ để vận dụng giải bài tập.

- Hệ thống, phân loại và phân tích được các bài tập theo từng chủ đề kiến thức. Có đề xuất phương án sử dụng các bài tập trong từng tiết học.

- Đã lựa chọn và hướng dẫn học sinh giải các bài tập điển hình trong 2 giờ luyện tập theo phương án mà đề tài đặt ra:

Bài soạn 1: Bài tập về phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục.

Bài soạn 2: Bài tập về mômen động lượng, động năng của vật rắn quay quanh một trục.

- Phân tích và sử dụng một số bài tập xây dựng lí thuyết, bài tập hướng dẫn cho học sinh tự làm ở nhà.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƢƠNG III

THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM

3.1. MỤC ĐÍCH CỦA THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM (TNSP)

TNSP nhằm kiểm tra giả thuyết khoa học của đề tài, kiểm tra tính khả thi, mức độ phù hợp của các biện pháp đã lựa chọn nhằm phát huy tính tích cực và tự lực học tập của học sinh THPT miền núi thông qua tổ chức hoạt động giải bài tập vật lí chương “Động lực học vật rắn” (Vật lí 12 - Nâng cao).

3.2. NHIỆM VỤ CỦA TNSP

- Lên kế hoạch TNSP;

- Chọn cơ sở TNSP, khảo sát, điều tra cơ bản để chọn các lớp thực nghiệm (TN) và đối chứng (ĐC), chuẩn bị các thông tin và điều kiện cần thiết phục vụ cho công tác TNSP;

- Thống nhất với giáo viên dạy thực nghiệm về phương pháp, nội dung thực nghiệm;

- Tổ chức triển khai nội dung thực nghiệm;

- Xử lí, phân tích kết quả thực nghiệm, đánh giá theo các tiêu chí từ đó nhận xét và rút ra kết luận về tính khả thi của đề tài.

3.3. ĐỐI TƢỢNG VÀ CƠ SỞ TNSP

Chúng tôi tiến hành TNSP với đối tượng học sinh lớp 12 THPT học theo chương trình nâng cao ở 3 trường THPT miền núi trong tỉnh Bắc Giang với các lớp TN và ĐC như sau:

+ Trường THPT Tân Yến số 1 : Lớp TN: 12A2 Lớp ĐC: 12A1

+ Trường THPT Sơn Động số 1: Lớp TN: 12A1 Lớp ĐC: 12A2

+ Trường THPT Lục Nam :Lớp TN: 12A1 Lớp ĐC: 12A2

Để đảm bảo tính khách quan, ở mỗi trường chúng tôi đã lựa chọn các cặp lớp TN và ĐC có số lượng, chất lượng học sinh tương đương, do vậy chúng tôi chỉ chọn nhóm TN và ĐC trong các cặp lớp trên, thể hiện ở bảng sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bảng 1: Chất lƣợng học tập của các nhóm TN và ĐC Trường Lớp Tổng số HS Chất lượng học tập môn Vật lí (%) Giỏi, Khá TB Yếu, kém THPT Tân Yên số 1 TN - 12A2 45 35,5% 46,7% 17,8% ĐC - 12A1 45 35,5% 46,7% 17,8% THPT Sơn Động số 1 TN - 12A1 45 13,3% 62,3% 22,4% ĐC - 12A2 45 13,3% 62,3% 22,4% THPT Lục Nam TN - 12A1 40 37,5% 47,5% 15% ĐC - 12A2 40 37,5% 47,5% 15%