Chương I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
Chương 2. THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN DẠY HỌC CÁC BÀI “ ĐỘNG LƯỢNG - ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG” VÀ “ THẾ NĂNG”
2.3. TIẾN TRÌNH DẠY HỌC BÀI “ THẾ NĂNG”
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc nội dung và tiến trình xây dựng kiến thức
a) Các câu hỏi cơ bản và kết luận tương ứng cần xây dựng:
Câu hỏi 1: Thế năng trọng trường của một vật ở một độ cao z so với mặt đất được xác định như thế nào ? (có mối liên hệ gì với độ cao?).
Kết luận: Thế năng trọng trường của một vật ở một độ cao z so với mặt đất là dạng năng lượng tương tác giữa Trái đất và vật , được tính bằng công của trọng lực tác dụng lên vật khi vật rơi từ độ cao z xuống mặt đất.
Biểu thức: Wt= mgz.
Câu hỏi 2: Giữa độ biến thiên thế năng trọng trường và công của trọng lực có mối liên hệ như thế nào?
Kết luận: Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì công của trọng lực của vật có giá trị bằng độ biến thiên thế năng trọng trường tại M và N.
Biểu thức : A = W tM –WtN = Wt. A > 0: Thế năng giảm.
A < 0 : Thế năng tăng.
Câu hỏi 3: Thế năng đàn hồi của lò xo khi lò xo bị biến dạng một đoạn
l được xác định như thế nào? (có mối liên hệ gì với độ biến dạng?)
Kết luận: Thế năng đàn hồi của lò xo khi lò xo bị biến dạng là năng lượng của lò xo có khi bị biến dạng, được tính bằng công của lực đàn hồi tác dụng lên lò xo khi đưa nó từ trạng thái biến dạng về trạng thái không biến dạng.
t 2
W 1 ( )
2k l
b) Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức:
Đơn vị kiến thức 1: Khái niệm thế năng trọng trường.
W - Một búa máy đang ở độ cao z dưới tác dụng của trọng lực rơi xuống đất có khả năng sinh công (làm lún cọc), búa máy ở độ cao đó dự trữ năng lượng dưới dạng thế năng trọng trường.
- Búa máy ở độ cao càng lớn, khi rơi trọng lực sinh công càng lón, do đó khả năng sinh công của búa máy càng lớn (cọc lún càng nhiều).
Công mà trọng lực tác dụng lên búa máy làm búa dịch chuyển từ độ cao z xuống mặt đất:
A = P. z .cos 00 = mgz.
Công A được định nghĩa là thế năng trọng trường của búa khi ở độ cao z.
Thế năng trọng trường của một vật (búa máy) ở độ cao z so với mặt đất được xác
định như thế nào ? (có mối liên hệ gì với độ cao của vật?)
- Xác định công của trọng lực tác dụng lên búa làm cho búa dịch chuyển một đoạn đường từ độ cao z xuống mặt đất.
- Từ đó xác định thế năng của búa ở độ cao z so với mặt đất.
Thế năng trọng trường của một vật ở một độ cao z so với mặt đất là dạng năng lượng tương tác giữa Trái đất và vật, được tính bằng công của trọng lực tác dụng lên vật khi vật rơi từ độ cao z xuống mặt đất.
Biểu thức: Wt= mgz.
Đơn vị kiến thức 2: Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực.
Thế năng trọng trường của vật ở độ cao z bằng công của trọng lực tác dụng lên vật khi vật dịch chuyển từ độ cao z xuống mặt đất.
Thế năng trọng trường của vật có thể thay đổi.
Giữa độ biến thiên thế năng trọng trường và công của trọng lực có mối liên hệ như
thế nào?
- Xác định thế năng của vật có khối lượng m tại hai vị trí M và N có độ cao lần lượt là zM và zN.
- Xác định công của trọng lực làm dịch chuyển vật từ vị trí M đến vị trí N trong trọng trường.
- Tìm mối quan hệ giữa công của trọng lực tác dụng lên vật và hiệu thế năng của vật khi vật dịch chuyển vị trí M đến vị trí N trong trọng trường.
Thế năng của vật ở vị trí M và N lần lượt là:
WtM = mgzM ; WtN = mgzN
Công của trọng lực thực hiện làm vật dịch chuyển từ vị trí M đến vị trí N là: Ap = P.S cos00= mg(zM- zN).
Mặt khác: Wt= WtM – W tN = mgzM = mg( zM- zN). Do vậy: Wt= Ap.
Độ biến thiên thế năng trọng trường của vật tại vị trí M đến vị trí N bằng công của trọng lực làm vật dịch chuyển từ vị trí M đến vị trí N trong trọng trường.
Biểu thức: Wt= Ap.
Đơn vị kiến thức 3: Khái niệm thế năng đàn hồi.
- Một vật ở độ cao z so với mặt đất có khả năng sinh công, dự trữ năng lượng dưới dạng thế năng trọng trường và được tính bằng công của trọng lực tác dụng lên vật khi vật rơi từ độ cao z xuống đất : Wt = mgz.
- Một lò xo biến dạng cũng có khả năng sinh công, dự trữ năng lượng dưới dạng thế năng đàn hồi.
- Độ biến dạng càng lớn thì khả năng sinh công càng lớn.
Thế năng đàn hồi của lò xo khi lò xo bị biến dạng một đoạn l được xác định như thế nào? (có mối liên hệ gì với độ biếndạng?)
- Xét một lò xo có độ cứng k móc vào một vật, được đặt trên một mặt phẳng ngang nhẵn, làm biến dạng lò xo một đoạn l.
- Tính công của lực đàn hồi tác dụng lên lò xo khi lò xo biến dạng một đoạn l, từ đó xác định thế năng đàn hồi của lò xo.
Khi lò xo bị biến dạng, lò xo tác dụng lên vật lực đàn hồi Fr . Lực này tuân theo định luật Húc : Fr k l Fr k lr.
Lực đàn hồi có thể sinh công A= F s .
Với l nhỏ, có thể tính A bằng công của lực đàn hồi trung bình Ftb:
2
( )( 1) 0( )
2
1 1
( ) ( )( )
2 2
1 ( ) 2
tb
A F l F l
A F l k l l
A k l
Tương tự như thế năng trọng trường, công của lực đàn hồi được định nghĩa là thế năng đàn hồi. W 1 ( )2
t 2
A k l
Thế năng đàn hồi của lò xo khi lò xo bị biến dạng là năng lượng của lò xo có khi biến dạng, được tính bằng công của lực đàn hồi tác dụng lên lò xo khi đưa nó từ trạng thái biến dạng về trạng thái không biến dạng.
Wt 1 ( )2 2k l