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”
2.3.3. Thí nghiệm về các định luật Newton
a) Mục đích:
- Là thí nghiệm mở đầu hoặc kiểm chứng để giảng dạy nội dung kiến thức phần Định luật I Newton
b) Chuẩn bị:
- Một viên bi nhỏ có khối lƣợng đủ để khi bay trong không trung thì tác động của lực cản không khí có thể bỏ qua.
- Bộ thí nghiệm mô phỏng lại thí nghiệm Galile c) Tiến hành thí nghiệm:
- Thí nghiệm 1: GV hỏi HS, khi thực hiện việc đi đều, vừa đi vừa tung 1 viên bi lên không trung. Nếu muốn viên bi lại rơi đúng về tay chúng ta thì phải tung thế nào?
Tung về phía trước Tung theo thẳng đứng Tung về phía sau
Không thể thực hiện đƣợc việc này
HS thường sẽ dự đoán là phải tung viên bi về phía trước cùng chiều di chuyển của người. Nhưng khi cho 1 học sinh làm thật thì rất khó để bắt được viên phấn nếu tung về phía trước. Mà để viên bi quay về đúng tay ta thì phải tung theo phương thẳng đứng. Điều này tại sao? Câu trả lời sẽ là Định luật I Newton.
Hình 2.10 Thí nghiệm Định
luật I Newton
- Thí nghiệm 2:
Sử dụng đồng thời 3 bi B1, B2, B3 đặt trên 3 máng nghiêng M1, M2, M3. Ba máng nghiêng có độ cao hai đầu nhƣ nhau, nhƣng có độ nghiêng giảm dần. Thả cho 3 bi chuyển động đồng thời, ta thấy quãng đường đi được của các bi tỉ lệ nghịch với độ cao của các máng. Galile đã từ đó đƣa ra tiêng đoán rằng, nếu không có ma sát và nếu máng nằm ngang thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi.
2.3.3.2 Định luật II Newton a) Mục đích:
- Khảo sát một cách định tính Định luật II Newton b) Chuẩn bị:
- Các vật nặng hình hộp chữ nhật + 2 vật nặng có khối lƣợng 200g + 3 vật nặng có khối lƣợng 400g + 1 vật nặng có khối lƣợng 300g + 1 vật nặng có khối lƣợng 50g - Một bàn để tiến hành thí nghiệm - Hai ròng rọc
- Dây treo vật
- Các móc nhỏ để treo vật nặng c) Gia công kĩ thuật:
- Gắn 2 ròng rọc vào các vị trí tương ứng như hình 2.12 - Gắn các móc tròn vào các vật nặng
Hình 2.11 Thí nghiệm Galile
- Gắn các móc hở vào 2 đầu của các dây treo vật d) Tiến hành thí nghiệm
TN 1:
Hai vật nặng A và B có khối lƣợng nhƣ nhau, đặt trên 2 mặt bàn nằm ngang có chiều dài giống nhau, kéo 2 vật trên bằng 2 vật C và D có khối lƣợng khác nhau (mc < mD) nhƣ hình vẽ.
GV: Vật nào chịu lực kéo lớn hơn?
HS: Vật B chịu lực kéo lớn hơn.
GV: Các em quan sát thí nghiệm và cho biết trên cùng 1 đoạn đường MN, xe nào sẽ đi hết thời gian ngắn hơn?
HS: Xe B đi hết thời gian ngắn hơn.
GV: Vậy dựa vào phương trình
2 0
1
S v t 2at , vật nào có gia tốc lớn hơn?
HS: Viết phương trình trên với từng vật ta có:
2 0
1
A A A 2 A A
S v t a t (1) và 0 1 2
B B B 2 B B
S v t a t (2) Xét trên cùng đoạn đường MN nên SA SB MN Do thời điểm ban đầu 2 vật đứng yên nên v0A v0B 0
Vậy ta có 1 2
2 A A
MN a t và 1 2
2 B B MN a t
Vì thời gian vật B đi hết MN ngắn hơn nên tB tA nên aB aA
GV: Em có nhận xét gì về mối liên hệ giữa độ lớn của lực tác dụng và gia tốc của vật trong trường hợp này?
HS: Gia tốc của một vật tỉ lệ thuận với lực tác dụng!
A B
C D
M
N
Hình 2.12
Thí nghiệm khảo sát định tính định luật II Newton (gia tốc tỉ lệ với lực tác dụng)
TN 2:
Sử dụng vật E đặt lên vật A, khiến cho khối lƣợng vật tăng lên là mA + mE. Đồng thời thay kéo vật (A + E) và B bằng 2 vật có khối lƣợng nhƣ nhau là C và D.
Nhƣ vậy lần này lực kéo 2 vật là nhƣ nhau, nhƣng khối lƣợng 2 vật là khác nhau, ta thấy vật nào nặng hơn thì thay đổi vật tốc chậm hơn, nên gia tốc chậm hơn.
GV: Gọi vật A + vật E là vật K.
Theo các em, vật K và vật B, vật nào chịu lực kéo lớn hơn?
HS: Hai vật chịu lực kéo nhƣ nhau.
GV: Vậy theo các em, lần này vật nào sẽ chuyển động đến N trước?
HS: Vật B sẽ chuyển động đến N trước
GV: Các em cùng theo dõi thí nghiệm và ai giải thích cho tôi biết, trong trường hợp này vật nào có gia tốc lớn hơn?
HS: Ta viết công thức tính quãng đường đi được của 2 vật:
2 0
1
K K K 2 K K
S v t a t (1) và 0 1 2
B B B 2 B B
S v t a t (2)
Xét trên cùng đoạn đường MN nên SK SB MN Do thời điểm ban đầu 2 vật đứng yên nên v0K v0B 0
Vậy ta có 1 2
2 K K
MN a t và 1 2
2 B B MN a t
Vì thời gian vật B đi hết MN ngắn hơn nên tB tK nên aB aK
GV: Vậy trong trường hợp này, khi 2 vật đều chịu lực tác dụng như nhau, hãy cho biết mối quan hệ giữa khối lƣợng và gia tốc của vật?
HS: Gia tốc vật thu được dưới tác dụng của một lực tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
E B
A
C
D N
M
Hình 2.13
Thí nghiệm khảo sát định tính định luật II Newton (gia tốc tỉ lệ nghịch với khối
lượng của vật)
GV: Vậy từ 2 thí nghiệm trên đi đến kết luận : Gia tốc của 1 vật tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lƣợng của vật.
2.3.3.3 Định luật III Newton
* Thí nghiệm 1
a) Mục đích thí nghiệm:
- Có thể sử dụng theo hai cách
+ Dùng làm thí nghiệm mở đầu để phát hiện vấn đề cần nghiên cứu (Định luật III Newton)
+ Dùng làm thí nghiệm kiểm chứng Định luật III Newton b) Chuẩn bị:
- Một cân thăng bằng - Một hộp quả nặng
- Một cốc đựng nước có kích thước đủ để chứa 1 quả bóng bàn (hoặc một vật có kích thước tương đương)
- Một quả bóng bàn đƣợc gắn chặt với một que sắt nhỏ thẳng dài - Một giá để giữ que và bóng
- Súng gắn keo nến c) Gia công:
- Ta khoan một lỗ nhỏ trên bóng, vừa đủ để đƣa que sắt lọt vào phía trong bóng
- Dùng súng gắn keo nến gắn chặt phần tiếp xúc giữa bóng và que sắt, đảm bảo cho nước không thể lọt và phía trong quả bóng bàn - Treo đầu còn lại của que sắt lên giá d) Tiến hành thí nghiệm
- Đầu tiên ta thay đổi lượng nước trong cốc sao cho hai bên cân thăng bằng (hình 2.14).
Chú ý, không cần quá chính xác, có thể lệch miễn là cánh tay đòn ở trạng thái cân bằng.
Lúc này HS sẽ hiểu là khối lƣợng hai bên đĩa cân là bằng nhau (nếu hai cánh tay đòn
Hình 2.14
Thí nghiệm về định luật III Newton (Khi cân thăng bằng)
của cân dài bằng nhau)
- Sau đó hỏi HS, nếu nhúng 1 quả cầu vào nước ở trong cốc (như hình 2.15), không cho quả cầu tiếp xúc với thành cốc – chú ý HS điều đó có nghĩa là không làm tăng khối lượng của cốc nước, thì hai bên cân còn cân bằng không?
- HS sẽ dự đoán là vẫn cân bằng, vì khối lƣợng 2 bên cân là không thay đổi, lực tác dụng vào hai cánh tay đòn là nhƣ nhau
- Tiến hành TN và thấy : cân lệch về phía có cốc nước! Đây là tình huống có vấn đề đối với HS
- GV dạy ĐL III Newton và chỉ ra rằng: nước đã tác dụng vào quả cầu lực đẩy Acsimet, theo ĐL III Newton thì quả cầu sẽ tác dụng lại cốc nước 1 lực có cùng độ lớn nhƣng ngƣợc chiều với lực đầy Acsimet. Vì vậy bên đĩa cân có cốc nước chịu thêm 1 lực tác dụng và làm cân bị lệch
* Thí nghiệm 2
a) Mục đích thí nghiệm
- Có thể sử dụng theo hai cách
+ Dùng làm thí nghiệm mở đầu để phát hiện vấn đề cần nghiên cứu (Định luật III Newton)
+ Dùng làm thí nghiệm kiểm chứng Định luật III Newton b) Chuẩn bị:
- Hai lực kế 5N
c) Tiến hành thí nghiệm
Dụng cụ : 2 lực kế giống hệt nhau L1 và L2
Thí nghiệm : Mô tả sự tồn tại của lực và phản lực cả về phương chiều và độ lớn Hình 2.15
Thí nghiệm về định luật III Newton (Khi cân mất thăng bằng)
1: Mô tả TN: ta buộc 1 đầu của lực kế L1 cố định, dùng lực kéo lực kế L2 nhƣ hình 2.16
Hỏi: lực kế nào chỉ giá trị lớn hơn? Tại sao?
Sau khi để HS tự đƣa ra dự đoán ta làm TN để kiểm chứng
2: Kéo đồng thời hai lực kế về 2 phía nhƣ hình 2.17, kéo cho đến khi lực kế L2 chỉ giá trị nhƣ ở TN1
Hỏi : lúc đó lực kế L1 chỉ giá trị bao nhiêu?
Sau khi để HS tự đƣa ra dự đoán ta làm TN để kiểm chứng
HS sẽ gặp tình huống vấn đề ở đây, HS biết chắc chắn 2 lò xo đều giãn, nhƣng không biết lò xo nào giãn nhiều hơn! Có em có thể đƣa ra dự đoán dựa vào kinh nghiệm thực tế là 2 lò xo giãn nhƣ nhau, nhƣng cũng sẽ không giải thích đƣợc, đặc biệt cách làm 2 TN là hoàn toàn khác nhau nhƣng kết quả lại giống hệt nhau làm HS rất bất ngờ. GV sẽ không giải thích ngay mà giúp HS bằng cách đƣa ra ĐL III Newton, rồi đề nghị HS áp dụng ĐL III Newton để giải thích