CHƯƠNG 2. KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG BÀI TẬP TRONG DẠY HỌC PHẦN “ĐỘNG HỌC” VẬT LÍ 10
2.2. Khai thác và sử dụng bài tập Vật lí phần Động học
2.2.1 Hệ thống bài tập định tính
Chuyển động cơ
Bài 1: Một số hành khách đang ngồi trong một khoang kín của tàu thủy đang di chuyển trên biển. Họ không biết là họ có chuyển động cùng với tàu thủy trên biển không hoặc không biết chuyển động như thế nào. Cảm giác của họ có đúng không? Tại sao?
Bài giải:
- Bài tập dạng giải thích hiện tượng:
Giải thích về cảm giác nhưng không phải dựa trên cơ sở tâm lý học mà sử dụng kiến thức vật lý để xét xem đối tượng chuyển động như thế nào và điều kiện để xét một chuyển động nếu không đủ những điều kiện thì cảm giác của người trên tàu là đúng
Phương pháp giải:
Đối với học sinh lớp 10 các em đã học những kiến thức cơ bản về chuyển động và những khái niệm về động học, với bài tập này các em chỉ cần suy nghĩ đơn giản là có thể giải được. Đề giải bài tập cần thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Tìm hiểu đầu bài, nắm vững giả thiết của bài tập Động học
Mô tả chuyển động Chuyển động
biến đổi
Chuyển động thẳng Chuyển động tổng hợp
Chuyển động thẳng biến đổi đều
Rơi tự do Chuyển động ném
Theo đầu bài cả hành khách và tàu cùng chuyển động tức là có chuyển động cơ, người và tàu được xem là chất điểm. Rõ ràng tàu và người ngồi trong khoang chuyển động với vận tốc khá lớn trong không gian. Lý thuyết cần vận dụng là: Khi khảo sát một chuyển động của chất điểm ta chọn vật làm mốc gắn vào hệ quy chiếu và mốc thời gian.
Bước 2 Phân tích hiện tượng
Hành khách và tàu cùng chuyển động với vận tốc khá lớn trong không gian bao la của mặt biển khoảng cách đến bờ và đảo cũng lớn nên không thể xem vật nào làm mốc. Để dễ dàng hơn các em phải đặt ra những câu hỏi nhỏ từ đề bài: hành khách và tàu chuyển động như thế nào? Xung quanh có vật gì gần đó có thể làm mốc không? Xác định một chuyển động thì ta phải làm gì?
Bước 3 Xây dựng lập luận và suy luận kết quả
Theo lý thuyết để khảo sát một chuyển động của chất điểm ta chọn vật làm mốc gắn vào hệ quy chiếu và mốc thời gian.
Cả tàu và người cùng chuyển động mà cảm giác của phi công là không chuyển động vì không xác định vật làm mốc. Cảm giác của hành khách là đúng
Bước 4 biện luận
Khi ta trên xe hay tàu chuyển động nếu không nhìn ra xung quanh ta cũng có cảm giác không chuyển động. Trường hợp trên nếu có nhiều vật thể xung quanh có thể là đứng yên hay chuyển động thì dễ dàng tìm được vật làm mốc và phi công thấy mình cùng tàu chuyển động.
Qua bài tập có thể mở rộng cho học sinh trường hợp tương tự như đi tàu trên biển, hành khách trên máy bay khi không nhìn xuống…Loại bài tập này tương đối đơn giản giúp học sinh củng cố kiến thức vừa học và liên hệ với thực tế.
Bài 2: Từ tâm một cái đĩa đang quay người ta búng một viên bi lăn theo lòng máng đặt trên một bán kính của đĩa. Hỏi quỹ đạo của viên bi đối với đĩa và đối với Trái Đất có hình gì?
Bài giải
- Bài tập dạng giải thích hiện tượng:
Chuyển động của viên bi trên đĩa đang quay không phải chỉ một quỹ đạo đơn giản đối với bài này học sinh dễ bị nhầm vì cho rằng quỹ đạo là duy nhất. Từ những hiện tượng trong đời sống hàng ngày giúp học sinh phân tích rõ ràng hơn.
Phương pháp giải: Suy luận logic, thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Tìm hiểu đầu bài, nắm vững giả thiết của bài tập
Viên bi sẽ được giữ cho chuyển động thẳng vào tâm của cái đĩa đang quay nên có các dạng quỹ đạo khác nhau so với đĩa và mặt đất. Lý thuyết đã học quỹ đạo là những đường được vạch ra khi chất điểm chuyển động.
Bước 2: Phân tích hiện tượng
Khảo sát chuyển động của bi so với đĩa và Trái Đất: đĩa quay tròn, viên bi chuyển động thẳng vào tâm quả cầu.
Bước 3: Xây dựng lập luận và suy luận kết quả
Kiến thức cần dùng là khi bi chuyển động sẽ vạch ra một đường trong không gian, đường đó là quỹ đạo của chất điểm. Viên bi được xem là một chất điểm khi chuyển động sẽ vạch ra những quỹ đạo khác nhau đối với những đối tượng khác nhau. Viên bi chuyển động trên máng là đường thẳng máng cố định so với mặt đất nên quỹ đạo viên bi đối với trái đất là một đường thẳng. Nếu cố định viên bi thì quỹ đạo viên bi vạch lên đĩa là đường tròn. Khi viên bi tiến về tâm đĩa thì vạch nên đường xoắn ốc. Vậy quỹ đạo viên bi đối với đĩa là đường xoắn ốc.
Bước 4: Biện luận
Một chất điểm chuyển động đối với đối tượng khác nhau thì có thể có quỹ đạo không giống nhau.
Bài tập tương tự:
Bài 3: Khi xe đạp trên đường thẳng, hãy giải thích quỹ đạo đầu van xe?
Lời giải:
Nếu người quan sát đứng bên lề đường, khi xe đạp chạy trên đường thẳng thì đầu van thì quỹ đạo là xicloit. Đối với người quan sát ngồi trên xe, van xe sẽ chuyển động với quỹ độ là đường tròn.
Bài 4: Một truyện dân gian có kể rằng: Khi chết một phú ông đã để lại cho người con một hũ vàng chôn trong một khu vườn rộng và một mảnh giấy ghi: Đi về phía đông 25 bước chân, sau đó rẽ phải 8 bước chân, đào sâu 5m . Hỏi với chỉ dẫn này người con có tìm được hũ vàng không? Vì sao?
Lời giải:
Không, người con sẽ chẳng bao giờ tìm được hũ vàng vì không có vật làm mốc.
Bài 5: Viên đạn được bắn ra từ nòng súng nó chuyển động theo hai giai đoạn chuyển động trong nòng súng và sau đó bay tới mục tiêu ở xa, hỏi giai đoạn nào viên đạn được coi là chất điểm, giai đoạn nào viên đạn không được coi là chất điểm?
Lời giải
Giai đoạn đạn rời nòng súng và bay tới mục tiêu được xem là chất điểm.
Chuyển động thẳng biến đổi đều.
Bài 6: Trong một chiếc ô tô đang chạy cứ sau 5 phút một lần, người ta ghi lại số chỉ của đồng hồ đo vận tốc. Hỏi:
a) Số liệu đã ghi cho biết vận tốc gì?
b) Căn cứ vào các số liệu trên có thể tính được vận tốc trung bình của ô tô không? Tại sao?
Lời giải:
a) Số liệu đã ghi lại cho biết vận tốc tức thời tại thời điểm ghi số liệu.
b) Không thể dùng số liệu trên để tính vận tốc trung bình được.
Bài 7: Một học sinh đã tự đặt ra một bài toán như sau: Khi một toa xe điện đang có vận tốc 10m/s. Người lái xe bắt đầu hãm phanh, toa xe chuyển động chậm dần đều cho đến khi dừng lại. Kết quả thí nghiệm cho thấy toa xe đã đi được quãng đường 8m trong 2s. Gia tốc của toa xe là bao nhiêu?
Ba bạn học sinh đã sử dụng các công thức khác nhau và đưa ra 3 kết quả không giống nhau :
+Học sinh A: Từ 𝑠 = 𝑣0𝑡 +1
2𝑎𝑡2 ⇒ 𝑎 = −6𝑚
𝑠2
+Học sinh B: Từ 𝑎 = 𝑣−𝑣0
𝑡
+Học sinh C: Từ 𝑣2− 𝑣02 = 2𝑎𝑠 Suy ra a= - 6,25 m/s2
Giải thích các kết quả đó mâu thuẫn như thế nào?
Trả lời:
Nguyên nhân của sự sai lệch kết quả là bài toán không có ý nghĩa. Không có gia tốc nào thỏa mãn điều kiện bài toán. Điều kiện của bài toán đã cho không phù hợp với phương trình của chuyển động chậm dần đều.
Sự rơi tựu do
Bài 8: Đặt một hòn đá và một chiếc lông chim thả cho chúng rơi không vận tốc đầu.
Hỏi trong không khí hai vật rơi như thế nào? Câu trả lời sẽ như thế nào nếu cho chúng rơi trong chân không?
Câu hỏi dự đoán hiện tượng rơi trong hai điều kiện khác nhau giúp học sinh thấy được sự rơi ngoài thực tế đa số là chịu sức cản của không khí và các yếu tố ảnh hưởng đến rơi tự do. Đối với câu hỏi này có thể hướng dẫn học sinh giải theo các bước sau:
Bước 1: Tìm hiểu đầu bài, nắm vững giả thiết của bài tập
Phân tích các thuật ngữ quá trình rơi tức là quá trình vật bị rơi về phía tâm Trái Đất dưới tác dụng của trọng lực. Rơi trong không khí có tác động của môi trường cụ thể là lực cản của không khí. Rơi trong chân không thì không có ảnh hưởng bên ngoài chỉ có trọng lực.
Bước 2: Phân tích hiện tượng
Hai vật cùng rơi lông chim và viên đá, viên gạch có khối lượng lớn hơn nên ngoài không khí viên gạch chịu ảnh hưởng của không khí ít hơn so với lông chim. Lực cản của không khí hướng lên tác dụng ngăn cản sự rơi. Viên gạch chịu ảnh hưởng của lực này ít hơn so với lông chim làm lông chim rơi chậm hơn. Trong chân không cả hai vật rơi như nhau.
Bước 3 Xây dựng lập luận và suy luận kết quả
Sự rơi tự do là sự rơi của các vật trong chân không chỉ dưới tác dụng của trọng lực.
Khi không có sức cản của không khí. Các vật có hình dạng và khối lượng khác nhau đều rơi như nhau, Mọi vật chuyển động ở gần mặt đất đều có gia tốc rơi tự do.
Quá trình rơi ngoài không khí lực cản của không khí làm lông chim rơi chậm hơn nên viên gạch. Trong chân không các vật rơi nhanh như nhau nên chúng chuyển động như nhau.
Bước 4: Biện luận
Rơi tự do chỉ phụ thuộc vào gia tốc trọng trường nên vật lớn, nhỏ hay nặng, nhẹ đều như nhau. Ngoài không khí vật càng nhẹ thì sẽ rơi chậm hơn so với vật nặng vì đối với vật nặng lực cản không khi rất nhỏ so với khối lượng của chúng nên ta không nhận ra.
Bài 9: Một người đang cầm hai lò xo có độ cứng và chiều dài ban đầu như nhau.
Lần lượt móc hai quả nặng 0,5g, 20g vào lò xo thứ nhất và lò xo thứ hai. So sánh chiều dài hai lò xo khi mắc vật. Nếu người đó vào thang máy và thả cho thang rơi tự do thì chiều dài của lò xo sẽ như thế nào?
Bước 1: Tìm hiểu đầu bài, nắm vững giả thiết của bài tập
Khi móc vật vào lò xo sẽ dãn ra tỉ lệ với khối lượng quả nặng. khi rơi tự do thì quy tắc này có thể không còn đúng nữa. sử dụng tính chất rơi tự do để giải bài tập.
Bước 2: Phân tích hiện tượng
Treo vào lò xo vật càng nặng thì độ dãn của nó càng tăng theo. Khi vật rơi tự do thì chỉ chịu tác dụng của trọng lực nên và mọi vật đều rơi như nhau, trường hợp này mọi vật rơi vào trạng thái không trọng lượng.
Bước 3 Xây dựng lập luận và suy luận kết quả
Độ dãn của lò xo tỉ lệ với lực tác dụng vào lò xo. Móc vật nặng lò xo dãn dài hơn so với vật nhẹ nên khi móc các vật vào thì lò xo thứ nhất ngắn hơn lò xo thứ hai.
Trường hợp rơi tự do xây dựng các đoạn luận sau:
Sự rơi tự do là sự rơi của các vật trong chân không chỉ dưới tác dụng của trọng lực.
Khi không có sức cản của không khí:
+ Các vật có hình dạng và khối lượng khác nhau đều rơi như nhau.
+ Mọi vật chuyển động ở gần mặt đất đều có gia tốc rơi tự do
Người cùng với lò xo, quả nặng đều rơi tự do theo thang máy, chính vì vậy tất cả rơi vào trạng thái không trọng lượng các quả nặng không còn tác dụng lực vào lò xo nữa. Vậy chiều dài của hai lò xo là như nhau.
Bước 4: Biên luận
Lò xo dãn ra được hiểu là chống lại tác dụng của trọng lực của quả nặng, ở trạng rơi tự do là trạng thái vật không trọng lượng nên các vật rơi như nhau và không ảnh hưởng với nhau.
Bài 10: Một ly nước đặt trong một thang máy. Điều gì sẽ xảy ra nếu trong thời gian thang rơi tự do ta úp ngược cốc nước?
Bài tập dự đoán
Dùng kiến thức về rơi tự do học sinh dự đoán kết quả.
Bước 1: Tìm hiểu đầu bài, nắm vững giả thiết của bài tập
Đọc kỹ đề ta thấy rơi tự do là một vật trong trạng thái chỉ chịu tác dụng của trọng lực Bước 2: Phân tích hiện tượng
Bình thường nếu úp ngược ly nước thì nước sẽ đổ xuống vì trọng lực. Khi nước và cốc đặt trong thang máy đang rơi tự do thì cốc nước cũng rơi tự do cùng với thang máy.
Bước 3 Xây dựng lập luận và suy luận kết quả Bài tập này dùng tam đoạn luận như sao:
Sự rơi tự do là sự rơi của các vật trong chân không chỉ dưới tác dụng của trọng lực, trọng lượng khi vật đang rơi bằng không tức là ở trạng thái không trọng lượng. Thang máy đang rơi tự do kéo theo cốc và nước trong cốc cũng rơi tự do. Vì vậy, nước không đổ ra ngoài, chúng chuyển động như nhau và không có chuyển động tương đối với nhau.
Bước 4: Biện luận
Khi rơi vật ở trạng thái không trọng lượng. ví dụ: một vật đặt lên cân, cân chỉ trọng lượng của vật đó tức là bàn cân đã chống lại sự rơi nói cách khác phản lại trọng lực của trái tác dụng lên vật.
Bài 11: Một học sinh thử tính vận tốc khi chạm đất của một hạt mưa rơi từ một đám mây ở độ cao 1000 mét so với mặt đất. Bạn đó rất ngạc nhiên vì sau khi áp dụng công thức về sự rơi tự do: v2= 2gh thì đã tìm thấy vận tốc của hạt mưa lúc chạm đất là v = 141 (m/s), tức là bằng vận tốc của viên đạn bắn ra khỏi nòng súng! Học sinh đó thắc mắc: Tại sao hạt mưa rơi từ trên trời cao xuống đất lại không sát thương muôn loài, nếu như nó có vận tốc như đạn! Bạn có thể giải đáp được thắc mắc này không?
Bài tập giải thích hiện tượng:
Học sinh tính vận tốc hạt mưa rơi trong điều kiện lý tưởng vì ngoài thực tế hạt mưa chịu ảnh hưởng từ môi trường cụ thể hơn là lực cản của không khí. Ta tiến hành giải theo các bước sau:
Xây dựng lập luận và suy luận kết quả
Một vật rơi tự do thì vận tốc được tính bởi công thức𝑣 = √2𝑔ℎ.Nếu vật đạt được vận tốc 121m/s thì có tính sát thương cao. Hạt mưa rơi trong không khí luôn chịu tác dụng của lực cản không khí, nó nhanh chóng đạt vận tốc giới hạn và rơi đều tới mặt đất với vận tốc đó (có độ lớn khoảng 7m/s với những hạt mưa có bán kính 1,5 mm). Vì vậy hạt mưa chỉ gây cảm giác gác da mà thôi.
Bài 12: Tờ giấy khi vò lại rơi nhanh hơn lúc chưa vò. Tại sao?
Lời giải
Khi rơi tờ giấy chịu tác dụng của lực cản không khí. Khi vò lại diện tích tiếp xúc nhỏ nên lực cản yếu đi và tờ giấy rơi nhanh hơn. Trái với lực ma sát lực cản phụ thuộc vào diện tích vuông góc với vận tốc của vật chuyển động.