CHƯƠNG II: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM TỰ TẠO CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM BỘ MÔN VẬT LÝ LỚP 10 THPT
2.3. Xây dựng một số thí nghiệm chương “Động lực học chất điểm”
2.4.4 Bài soạn số 4: Chuyển động ném ngang
Tiết 24 : BÀI TOÁN VỀ CHUYỂN ĐỘNG NÉM NGANG
I. MỤC TIÊU 1. Kiến thức :
- Diễn đạt đƣợc các khái niệm: phân tích chuyển động, chuyển động thành phần, chuyển động tổng hợp.
- Viết được các phương trình của hai chuyển động thành phần của chuyển động ném ngang
2. Kỹ năng :
- Chọn hệ tọa độ thích hợp nhất cho việc phân tích chuyển động ném ngang thành hai chuyển động thành phần.
- Áp dụng định luật II Newton để lập các phương trình cho hai chuyển động thành phần của chuyển động của vật ném ngang.
- Tổng hợp 2 chuyển động thành phần để đƣợc chuyển động tổng hợp (chuyển động thực).
- Vẽ đƣợc (một cách định tính) quỹ đạo parabol của một vật bị ném ngang.
II. CHUẨN BỊ
Giáo viên : Thí nghiệm khảo sát chuyển động ném ngang
Học sinh : Các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều và của sự rơi tự do.
III. TIẾN TRÌNH DẠY – HỌC
Ngày giảng Tiết Lớp Học sinh vắng
Hoạt động 1 (5 phút) : Kiểm tra bài cũ :
1. Phát biểu và viết công thức của lực hướng tâm
2. Viết các phương trình chuyển động của chuyển động thẳng biến đổi đều và rơi tự do.
Hoạt động 2 (5 phút) : Đặt vấn đề
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh - Cho HS quan sát 1 thí nghiệm: Thả đồng thời 2
viên bi từ hai máng có cùng góc nghiêng so với mặt đất, 2 viên bi sau đó có cùng 1 vận tốc đầu và tiếp tục chuyển động trên 1 máng nằm ngang.
Trước khi tiến hành thí nghiệm, đề nghị HS dự đoán viên bi nào sẽ chuyển động nhanh hơn?
- Hiện tƣợng xảy ra là hai viên bi lại va chạm với nhau. Tại sao lại nhƣ vậy?
- Giáo viên đi đến nhận xét : Trong thí nghiệm trên, chuyển động của cả hai viên bi trên máng nằm ngang đều có thể coi là chuyển động thẳng đều, vì lực ma sát lăn trong trường hợp này là nhỏ
- Dự đoán hiện tƣợng xảy ra : viên bi 1 do phải chuyển động với quỹ đạo dài hơn nên theo phương ngang sẽ chuyển động chậm hơn vật 2. Vật 1 sẽ rơi xuống phía sau vật 2 (xét theo chiều Ox)
- Quan sát thí nghiệm 1
2
O x
nên ta có thể bỏ qua. Đối với viên bi 1, sau khi rời máng ngang và chuyển động trong không khí với 1 vận tốc đầu theo phương ngang, chuyển động này đƣợc gọi tên là chuyển động ném ngang.
- Chuyển động thẳng đều chúng ta đã đi nghiên cứu ở chương I, vậy để giải thích hiện tượng trên chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu về chuyển động ném ngang trong bài học này
Hoạt động 2 ( 15 phút) : Khảo sát chuyển động của vật ném ngang.
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Nội dung cơ bản
- Nêu bài toán: Khảo sát chuyển động của 1 vật bị ném ngang từ 1 điểm O ở độ cao h so với mặt đất.
Sau khi đƣợc truyền 1 vận tốc ban đầu v0
, vật chỉ còn chịu tác dụng của trọng lực (bỏ qua sức cản của không khí)
- Yêu cầu HS cho nhận xét sơ bộ về chuyển động:
+ Có giống với các dạng chuyển động nào mà em đã biết?
+ Vật có chuyển động trong một mặt phẳng không?
+ Hình dạng quỹ đạo nhƣ thế nào?
- Nhận xét sơ bộ chuyển động.
+ Không giống với các chuyển động đã biết
+ Chuyển động trong 1 mặt phẳng
+ Có quỹ đạo là 1 đường cong
I. Khảo sát chuyển động của vật ném ngang.
1. Chọn hệ toạ độ
+ Vận tốc của vật tăng dần hay giảm dần ?
+ Tầm ném xa có phụ thuộc độ cao và vận tốc ban đầu của vật không?
- Đánh giá và nhận xét : Vì vật chuyển động trong 1 mặt phẳng nên ta nên chọn hệ tọa độ nhƣ thế nào cho phù hợp?
- Nếu HS vẫn chƣa thể đƣa ra kết luận về phương chiều của 2 trục Ox và Oy trong quá trình khảo sát, GV nên lưu ý HS cách chọn cho phù hợp.
- Yêu cầu học sinh cho biết đề bài đã cho phương chiều của những vecto nào?
- Vì vậy để thuận tiện ta chọn
+ Gốc O trùng với vị trí vật bắt đầu tham gia chuyển động ném ngang
+ Trục hoành Ox hướng theo phương vecto vận tốc
v0
+ Trục tung Oy hướng theo phương vecto trọng lực P
+ Có vận tốc tăng dần + Tầm ném xa có phụ thuộc độ cao và vận tốc ban đầu của vật, tỉ lệ thuận
- Nên chọn hệ tọa độ xOy
- Ta đã biết 2 vecto có phương vuông góc với nhau, đó là vecto vận tốc ban đầu v0
và vecto trọng lực P
- Chọn hệ trục toạ độ Đề- các xOy, trục Ox hướng theo véc tơ vận tốc v0
, trục Oy hướng theo véc tơ trọng lực P
- Chọn gốc thời gian lúc bắt đầu ném.
O x(m)
y(m) v0
P h
- Thực sự chuyển động ném ngang có quỹ đạo rất khó quan sát, để dễ dàng cho việc xem xét chuyển động này, ta tìm cách đƣa chuyển động ném ngang về các dạng chuyển động mà ta đã biết.
- Ta thấy khi vật M chuyển động thì các hình chiếu Mx và My của nó trên hai trục tọa độ cũng chuyển động theo. Chuyển động của các hình chiếu Mx và My trên các trục Ox và Oy gọi là các chuyển động thành phần của vật M.
- Vậy ta phân tích chuyển động của vật thành 2 chuyển động thành phần trên hai trục tọa độ Ox và Oy. Ta sẽ đi xác định các đại lương đặc trưng cho các chuyển động thành phần.
- Yêu cầu HS cho biết gia tốc, vận tốc và phương trình toạ độ của vật trên phương Ox và giải thích tại
- Vì theo phương Ox, vật không chịu tác dụng của ngoại lực, nên theo Định luật I Newton vật sẽ
2. Phân tích chuyển động ném ngang.
- Chuyển động của các hình chiếu Mx và My trên các trục Ox và Oy gọi là các chuyển động thành phần của vật M.
- Ta phân tích chuyển động của vật thành 2 chuyển động thành phần trên hai trục tọa độ Ox và Oy.
3. Xác định các chuyển động thành phần.
a) Xét chuyển động của Mx theo phương Ox.
sao?
- Nếu HS chƣa thể đƣa ra nhận xét về các đại lƣợng, GV nên lưu ý HS :
+ Theo phương ngang vật có chịu tác dụng của những ngoại lực nào ?
+ Nếu không chịu tác dụng của ngoại lực thì ta sẽ áp dụng định luật nào của Newton để xác định trạng thái chuyển động của vật sau đó?
+ Vậy gia tốc, vận tốc và phương trình toạ độ của vật trên phương Ox như thế nào?
- Đến đây yêu cầu HS giải thích hiện tƣợng tại sao hai viên bi lại đập vào nhau ?
chuyển động thẳng đều với vận tốc ban đầu v0
- Trả lời câu hỏi theo dẫn dắt của GV
+ Không chịu tác dụng của ngoại lực nào
+ Áp dụng Định luật I Newton, ta sẽ có vật sẽ tiếp tục đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.
+ Do vật có vận tốc ban đầu theo phương ngang là v0 nên vật sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều với vận tốc v0.
Gia tốc của chuyển động thẳng đều ax 0.
Phương trình chuyển động của vật theo phương Ox là : x v t0
- Do hai vật có cùng vận tốc theo phương ngang nên chúng va đập vào nhau
0 0 x 0
x
a v v x v t
- Yêu cầu HS cho biết gia tốc, vận tốc và phương trình toạ độ của vật trên phương Oy và giải thích tại sao ?
- Nếu HS chƣa thể tự nhận xét đƣợc, GV có thể dẫn dắt nhƣ sau:
+ Theo phương Oy có những ngoại lực nào tác dụng lên vật ?
+ Vậy áp dụng Đinh luật II Newton ta có thể xác đinh
- Vì theo phương Oy vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực P
, nên theo Định luật II Newton :
y y
P ma mg ma g ay
. Vậy gia tốc của vật theo phương Oy có cùng hướng và độ lớn với gia tốc rơi tự do của vật.
Hay theo phương Oy vật tham gia một chuyển động rơi tự do (do có vận tốc ban đầu theo phương Oy là v0y 0)
Vậy vận tốc theo phương Oy là vy gt
Và phương trình chuyển động của My theo Oy là
1 2
y 2gt
+ Chỉ có trọng lực P
tác dụng lên vật.
+ Theo Định luật II Newton :
b) Xét chuyển động của My
theo phương Oy.
0 0
2
0
1 2
y y
y y y
a g
v
v v a t gt y gt
đƣợc gia tốc của vật bằng bao nhiêu?
+ Em có nhận xét gì về gia tốc của vật theo phương Oy?
+ Vậy theo phương Oy vật tham gia một chuyển động giống với chuyển động nào mà ta đã học ?
+ Vậy hãy xác định vận tốc và phương trình chuyển động của vật theo phương Oy
- Đến đây cho HS dự đoán và tiến hành thí nghiệm 2 : thả đồng thời hai viên bi từ cùng 1 độ cao và trong cùng 1 mặt phẳng, một viên tham gia chuyển động ném ngang, một viên tham gia chuyển động rơi tự do.
Viên bi nào chạm đất trước? Tại sao?
y y
P ma mg ma g ay
.
+ Vậy gia tốc của vật theo phương Oy có cùng hướng và độ lớn với gia tốc rơi tự do của vật.
+ Theo phương Oy vật tham gia một chuyển động rơi tự do (do có vận tốc ban đầu theo phương Oy là v0y 0)
+ Vậy vận tốc theo phương Oy là vy gt Và phương trình chuyển động của My theo Oy là
1 2
y 2gt
- Do theo phương Oy (theo phương thẳng đứng) thì vật chuyển động ném ngang cũng tham gia một chuyển động rơi tự do, nên hai viên bi sẽ chạm đất cùng 1 lúc. Nếu quỹ đạo 2 viên bi cắt nhau trong quá trình chuyển động, thì hai viên bi sẽ va chạm với nhau trước khi chạm đất.
Hoạt động 3 (15 phút) : Xác định chuyển động của vật ném ngang.
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của
học sinh Nội dung cơ bản - Để tìm hiểu xem quỹ
đạo của vật tham gia chuyển động ném ngang nhƣ thế nào và thời gian vật chuyển động trong không gian trước khi chạm đất là bao lâu, chúng ta sẽ chuyển sang phần tiếp theo của bài học.
- Đầu tiên chúng ta xem xét dạng quỹ đạo của vật - Yêu cầu HS cho biết, phương trình quỹ đạo của một chất điểm chuyển động là gì?
- Phương trình chuyển động chỉ ra mối quan hệ giữa các thành phần nào?
- Phương trình quỹ đạo của một chất điểm chuyển động là phương trình mô tả những điểm mà chất điểm đi qua trong quá trình chuyển động.
- Phương trình quỹ đạo chỉ nói đến mối liên hệ của các thành phần tọa độ, không nói tới yếu tố thời gian trong chuyển
II. Xác định chuyển động của vật.
1. Dạng của quỹ đạo và vận tốc của vật.
- Vậy từ các chuyển động thành phần, ta có thể rút ra được phương trình quỹ đạo của vật không?
- Nếu HS chƣa thể đƣa ra ngay cách rút ra phương trình quỹ đạo của vật, GV nên làm mẫu thật rõ ràng để HS nắm đƣợc cách làm.
- Sau khi đã rút ra đƣợc phương trình quỹ đạo, yêu cầu HS nhận xét và hình dạng quỹ đạo của vật.
- Nếu HS chƣa hình dung ra đƣợc quỹ đạo của vật từ phương trình, GV nên lưu ý HS rằng : Đại lƣợng 2
2 0
g
v là một hằng số biết trước, vì vậy nếu ta đặt :
2
2 0
a g v
Thì phương trình (3) có dạng : y ax2 (4) Phương trình (4) có
động đó
- Ta có thể từ các phương trình chuyển động của các chuyển động thành phần để tìm ra mối liên hệ giữa các tọa độ x và y, bằng cách khử thành phần thời gian t ở hai phương trình.
- Quỹ đạo của vật có dạng parabol
- Phương trình chuyển động của các chuyển động thành phần :
+ Đối với Mx :
x v t0 (1) + Đối với My :
1 2
y 2gt (2)
- Rút t ở (1) thế vào (2) ta được phương trình quỹ đạo:
2 2
2 0
y g x
v (3)
- Quỹ đạo của vật có dạng parabol
dạng hình học là 1 parabol và khá dễ dàng nhận ra vì HS đã đƣợc học ở cấp THCS
- GV vẽ phác họa hình ảnh quỹ đạo của vật cho HS quan sát
- Hỏi HS: em nào có thể xác định thời gian chuyển động của vật từ lúc bắt đầu, cho tới khi chạm đất?
- Nếu HS chƣa thể trả lời ngay đƣợc, GV nên chú ý lại HS thí nghiệm 2, thời gian rơi của 2 viên bi là bằng nhau, nên ta thấy thời gian chuyển động của vật bị ném ngang bằng thời gian rơi tự do của vật đƣợc thả từ cùng
- Chú ý quan sát
- Vì thời gian chuyển động của vật bị ném ngang bằng với thời gian chuyển động thành phần.
Nên thời gian chuyển động của vật bị ném ngang bằng thời gian rơi tự do của vật đƣợc thả từ cùng một độ cao.
- Quỹ đạo của vật
2. Thời gian chuyển động t 2h
g
- Trong đó, đơn vị:
t : Thời gian (s) h : Độ cao (m) g : Gia tốc (m/s2)
một độ cao
- Cho HS nêu ý kiến về phương pháp xác định tầm ném xa của vật (xét theo phương ngang)
- Nếu HS chửa trả lời đƣợc câu hỏi, GV gợi ý lại thí nghiệm 1, việc hai viên bi va chạm vào nhau, chứng tỏ theo phương ngang vật tham gia một chuyển động thẳng đều. Vậy ta có thể xác định tầm ném xa theo phương ngang không?
- Nếu HS chƣa thể trả lời đƣợc thì GV tiếp tục:
+ Vận tốc của vật theo phương ngang của vật bằng bao nhiêu?
+ Thời gian chuyển động của vật là bao nhiêu?
- Ta biết theo phương ngang vật tham gia 1 chuyển động thẳng đều.
Mà ta đã biết vận tốc là
0
vx v , thời gian chuyển
động 2h
t g . Nên ta hoàn toàn có thể xác định tầm ném xa của vật theo phương ngang.
+ Vận tốc của vật theo phương ngang : vx v0
+ Thời gian chuyển động của vật :
3. Tầm ném xa (xét theo phương ngang)
L = xmax = vot = vo g
h 2
- Chú ý đơn vị :
L : Tầm ném xa (m) v0: Vận tốc (m/s) t : Thời gian (s) h : Độ cao (m) g : Gia tốc (m/s2)
+ Công thức tính quãng đường đi được của vật chuyển động thẳng đều là gì?
- Yêu cầu HS làm câu C2 tại lớp.
+ Yêu cầu một HS đọc đề bài và tóm tắt bài toán.
+ Mời 1 HS với các kiến thức đã học và các công thức còn lại trên bảng, hãy lên làm bài tập trên.
t 2h g
+ Công thức tính quãng đường đi được của vật chuyển động thẳng đều là:
S vt
+ Đọc và tóm tắt bài toán
+ Làm bài tập
Tóm tắt :
+ Cho biết :
0
2
80( ) 20( / ) 10( / )
h m
v m s
g m s
+ Yêu cầu :
) ?; ?
a t L
)
b Viết phương trình quỹ đạo của vật
Giải : a) Tính :
- Thời gian chuyển động của
Đồng thời các em HS còn lại làm bài tập vào vở để GV đi kiểm tra.
vật. Áp dụng công thức:
t 2h g Thay số vào ta có :
2 2.80
10 4( )
t h s
g
- Tầm bay xa của vật. Áp dụng công thức :
0 0
L v t v 2h g Thay số vào ta có :
+ Cách 1 : Thay trực tiếp kết quả t vừa tính đƣợc:
0 20.4 80( )
L v t m
+ Cách 2 : Thay số không phụ thuộc kết quả t mới tính đƣợc :
0
2
20. 2.80 80( ) 10
L v h g
m Hoạt động 4 (5 phút) : Giao nhiệm vụ về nhà
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Yêu cầu đọc phần : Em có biết ?
Nêu câu hỏi và bài tập về nhà.
Yêu cầu hs chuẩn bị bài sau.
Đọc phần : Em có biết ? Ghi câu hỏi và bài tập về nhà.
Ghi những chuẩn bị cho bài sau.
IV. RÚT KINH NGHIỆM TIẾT DẠY
KẾT LUẬN CHƯƠNG II
, chuẩn kiến thức và kĩ năng của chương “Động lực học chất điểm”, tình hình thực tế về thiết bị thí nghiệm tại các trường THPT , chúng tôi đã thiết kế 1 số thí nghiệm chương "Động lực học chất
điểm" . Các thí nghiệm chế tạo đƣợc là:
1. Thí nghiệm tổng hợp và phân tích lực. Điều kiện cân bằng của chất điểm 2. Thí nghiệm về các định luật Newton
3. Thí nghiệm về lực ma sát
4. Thí nghiệm về chuyển động ném ngang
Sử dụng các thí nghiệm chế tạo được chúng tôi đã thiết kế các phương án dạy học cho 3 bài: “Tổng hợp và phân tích lực. Điều kiện cân bằng của chất điểm”, “Ba định luật Newton”, “Chuyển động ném ngang” – Vật lý 10 với thời lượng 4 tiết theo hướng phát huy tính tích cực, tự chủ và bồi dƣỡng năng lực sáng tạo của HS.
Để thiết kế một thí nghiệm và phương án sử dụng tôi đã trải qua các bước sau:
- Bước 1: Xác định hệ thống thiết bị cho một giờ lên lớp + Phân tích cấu trúc nội dung bài học.
+ Xác định PPDH.
+ Xác định phương tiện cần sử dụng trên cơ sở tính toán những đặc điểm về nội dung, phương pháp, khả năng của thầy giáo và học sinh...
- Bước 2:Gia công kĩ thuật Để gia công kĩ thuật :
+ Xác định mục đích, yêu cầu;
+ Cấu trúc;
+ Cơ chế vận hành của thiết bị;
- Bước 3: Xây dựng hoàn chỉnh giáo án với thiết bị thí nghiệm mới
CHƯƠNG III