NHẬN THỨC LUẬN HIỆN ĐẠI
PHAN 2: GIÁO AN THONG BAO TÁI HIỆN
2.1. Xác định yếu tố cơ sở:
Kiến thức cơ bản can xây dựng và các ki năng tương ứng: các đại lượng động lượng, xung của lực, định luật bảo toàn động lượng.
Vận dụng các kiến thức đó vào giải quyết các bài toán liên quan và tiên đoán trước một số hiện tượng.
2.2. Tổ chức tình huống vật lý:
Trang 4%
Khi nghiên cứu những chương trước, yếu tố đầu tiên cẩn khảo sát là lực tác dụng lên hệ, từ lực ta có thể khảo sát tiếp những yếu tố khác của chuyển động như gia tốc, vận tốc, đường đi, tọa độ... hoặc
giải quyết những vấn để khác. Nhưng cũng có những trường hợp các kiến thức động lực học không áp dụng được hoặc khó giải quyết triệt để vấn dé. Xét một số tình huống sau:
_ Một quả bi-a đứng yên, một quả khác chuyển động đến va chạm vào nó, sau va chạm chúng chuyển động thế nào?
_ Một súng đại bác 500kg bắn một quả đạn khối lượng Skg theo
phương ngang với vận tốc 50m/⁄s so với súng. Súng sẽ chuyển động với
vận tốc bao nhiêu so với đất va theo chiều nào?
Rõ ràng, trong hai trường hợp trên, phương pháp động lực học gap
bế tắc bởi vì việc khảo sát lực tác dụng lên hệ vật gặp nhiều khó khăn
do: + Hiện tượng xảy ra trong thời gian rất ngắn
+ Ngoại lực tác dụng lên hệ không đáng kể so với nội lực trong
khi biểu thức định luật hai Newton lại viết cho ngoại lực.
Do đó, cẩn phải Gm một hướng giải quyết mới cho vấn dé vừa gap
phải. Có thể giải quyết các vấn để này dựa vào quan điểm bảo toàn.
Đây là một tư tưởng đã xuất hiện trong vật lý học từ rất lâu đời. Theo
quan điểm này, một hệ vật sẽ có một số đại lượng có giá trị không đổi
theo thời gian nghĩa là giải quyết vấn để theo quan điểm này phải đi
tìm những đại lượng bảo toàn. Những định luật cho biết một đại lượng
nào đó bảo toàn được gọi là định luật bảo toàn.
Kết hợp sách giáo khoa, cho học sinh trả lời thế nào là định luật
bảo toàn, đại lượng vật lý bảo toàn.
2.3. Giả thuyết
2.3.1. Chỉ có sự bdo toàn khi hệ đang xét là hệ kin
Một hộp phấn kín tức khi đó nắp hộp đã được đậy lại, khi đó, mới có sự bảo toàn số viên phấn trong hộp. Tương tự, những định luật bảo toàn chỉ nghiệm đúng khi hệ vật đang xét phải “kín” theo một
phương diện nào đó. Liệu khái niệm "hệ kín” trong vật lý học có giống như hình ảnh "hộp phấn kín” không? Hai hình ảnh này không giống
nhau, khái niệm “hệ kín" để chỉ những hệ vật gồm các vật chỉ tương tác
với nhau, không tương tác với các vật ngoài hệ.
Vậy một hệ thế nào được gọi là kín? Giáo viên xác nhận lại.
Từ khái niệm hệ kín đưa ra nhận xét không có hệ kín thật trong
thực tế để đưa đến kiến thức những hệ được coi là kín đặc biệt phai
nhấn mạnh hệ kín theo phương . Cho một vài ví dụ về hệ kín.
Trang 49
Hộp phấn đậy nắp kín trên bàn có phải là hệ kín không? Nói cho
chính xác đây không là hệ kín mà là hệ được coi là kín (trường hợp
tổng ngoại lực tác dụng lên hệ bằng 0)
2.3.2. Lựa chọn đại lượng bảo toàn
Trong hệ kín có thể có nhiều đại lượng bảo toàn. Đại lượng đầu
tiên được xét đến là đại lương đặc trưng cho khả năng truyền chuyển
động của vật.
Xét lại ví dụ về việc va chạm giữa hai viên bi-a trên nhưng thay
bằng những viên bi có khối lượng khác nhau. Cho một viên bỉ chuyển động đến va chạm vào viên bi đứng yên để thấy rõ sự truyền chuyển động từ viên bi này sang viên bi kia. Sự truyền chuyển động này chẳng
những phụ thuộc mị, mạ, vị, vy mà còn phụ thuộc vào hướng vận tốc.
Như vậy, đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động được
xác định thông qua khối lượng m và vectơ vận tốc Ÿ. Giữa m, Ÿ có thể
có nhiều khả năng kết hợp, cho vài ví dụ để thấy đại lượng này tỉ lệ
thuận m, Ê; loại ngay trường hợp e hoac = Chon ngay gid thuyét dai lượng này được xác định là m®; dai lượng mới này được gọi là động
lượng; kí hiệu ụ (Ệ cùng hướng 8).
Lí luận để dưa ra giả thuyết Ệ là đại lượng cộng tính: § được xác
định thông qua m, Ê; mặt khác m, ƒ đều là đại lượng cộng tính nên 7
cũng có thé là đại lượng cộng tinh:
bu 8 -ẫ.+ấ,ô..ấ
Có thé làm ví du cho trực quan hoặc lí luận để cho thấy Ệ là đại
lượng có khả năng bảo toàn.
Tóm tắt lại giả thuyết đưa ra về hệ kín, động lượng, bảo toàn
động lượng.
2.4. Để ra phương án thí nghiêm kiểm chứng
Những giả thuyết trên déu do suy luận mà có. Để trở thành kiến thức, chúng phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm hoặc bằng những
lý thuyết đã có. Phần tiếp theo là phải xây dựng phương án thí nghiệm để kiểm chứng những giả thuyết này. Phải chú ý rằng đây là những giả
thuyết đối với một hệ kín bất kì. Trường hợp tổng quát, hệ có thể có vô
số vật, do đó, thật khó khảo sát trực tiếp. Từ những giả thuyết đã xây
dựng phải suy ra một số hệ quả có thể kiểm chứng trực tiếp đơn giản.
Từ một số trường hợp đúng này sẽ quy nạp cho tất cả các trường hợp
cùng loại, xác nhận kiến thức.
Ttrang 43
Xét trường hợp đơn giản, hệ chỉ có hai vật, định luật bảo toàn
động lượng viết cho hai vật:
m.£, + m,Ẽ, = m,& + m,É.
Như vậy công việc đến đây chỉ là phải chứng minh công thức trên
nghiệm đúng.
Đơn giản hơn, xét trường hợp m, chuyển động đến va chạm vào
mạ đứng yên:
hed fie m,È + m, 0
Trường hợp tổng quát: (Ê:,Ÿ')= œ
vạ=0 > m,
Dựa vào công thức chuyển động “i
ném ngang có thé tính được ném ngang 3 os
Vị V2" _ ` le
Dẫn dắt để nhờ suy luận tương Hi a
. +? khuá
tự, học sinh cũng suy được phương pháp Be wan
xác định vị nhờ công thức của chuyển oh ae
động ném ngang.
Góc œ hoàn toàn do được nhờ dấu hai vật m;, mạ trên san
cát.
Nhưng để công việc đơn giản hơn nữa, tìm cách tiến hành thí nghiệm sao cho sau va chạm, hai viên bi déu chuyển động theo cùng
một phương °//% (œ=0) bing cách cho chúng va chạm xuyên tâm trên một rãnh nằm ngang, §, được tạo ra bằng cách cho mạ chuyển
động trên mặt phẳng nghiêng (thí nghiệm trong sách giáo khoa đã trình
bày ở phần trước_ thí nghiệm 7).
*. Còn một phương án thí nghiệm khác để kiểm chứng định
luật bảo toàn động lượng:
Nếu ban đầu, 2 vật đứng yên: vạ=v;=0;, khi đó biểu thức định
luật được viết:
ỗ- m,?, + m,¥,
Trường hợp m,=m; => É = -Ð.
Pt @
l.|=lJ
Điều này sẽ dẫn đến quãng đường 2 vật chuyển động được
trong càng một khoảng thời gian là như nhau (s`= s;`)
Trang 44
Hai vật ban đầu đứng yên, liên kết với nhau; bỗng dưng mất hết liên kết và đều thu được vận tốc. Dé có diéu này, 2 vật phải được nối với nhau bằng một lò xo. Để giữ hai vật đứng yên phải nối thêm sợi
chi, làm mất liên kết bằng cách đốt dây (thí nghiệm 1).
Với thí nghiệm bố trí như hình bên có thể định tính thấy được
định luật được nghiệm đúng. Nếu muốn tính toán định lượng thì bỏ vật
cẩn, lại tếp tục dùng công thức của chuyển động ném ngang để xác
định vận tốc sau tương tác.
*. Hoặc có thể kiểm chứng định luật theo phương ấn sau:
Có thể kiểm chứng định luật bằng cách sử dụng những con lắc. Con lắc được cấu tạo một quả cau treo vào một sợi đây mảnh khối lượng không đáng kể. Từ vị trí cân bằng của nó, con lắc nhận vận tốc càng
lớn thì nó sẽ chuyển động lệch đi với góc lệch càng lớn; ứng với các
vận tốc khác nhau là các góc lệch khác nhau. Do đo có thể so sánh vận
tốc hai con lắc nhờ vào so sánh những góc lệch của chúng.
Tiến hành thí nghiệm 3 và thí nghiệm 4.
2.5. Kiểm chứng
Sau khi xây dựng phương án tiến hành tiến hành thí nghiệm; giáo
viên thí nghiệm, có thể nhờ đến sự phụ giúp của học sinh như quan sát
hiện tượng hoặc viết lại biểu thức định luật trong những điều kiện đặc biệt, đưa ra nhận xét về sự phù hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết.
Giáo viên xác nhận lại giả thuyết. Chú ý phải nhắc học sinh là phương pháp quy nạp đã được sử dụng ở đây. Từ kết quả đúng cho một
vài trường hợp cụ thể đã quy nạp cho trường hợp tổng quát là một hệ kín bất kì. Phải nhấn mạnh tính giả định của kiến thức được xây đựng.
Nó phải được xây dựng lại khi có sự kiện thực nghiệm mới mâu thuẫn
với nó.
Nhắc lại các khâu nhận thức đã trải qua:
Vấn để -› Giả thuyết -› Hệ quả > Kiểm chứng
2.6. Vân dụng
Trước tiên quay lại hai tình huống ban đầu
2.6.1. Tình huống với hai viên bi-a: cho học sinh giải quyết tình huống này bằng cách thực hiện thao tác viết biểu thức định luật bảo
toàn động lượng trong các trường hợp riêng.
Đầu tiên, xét xem hệ có kín không, sau đó xét những trường hợp:
_ Vvịự= v;=0 = mÊ +m.Ê -§
Trang 45
ÿ-+4È.
Q , mM, ,
' m, ‡
_v2= 0, Pie > m,f, = m,¢ +m,%
hay f, = 6) +f, ; G10, >p'i=p?i+p2
Tương tự cho những trường hợp khác khó hơn:
+ vạ=0, PLP + v;=0, Pie,
+v2=0, (PP jaa
2.6.2. Tình huống 2: học sinh có thể vận dụng ngay những kiến thức vừa suy ra để giải bài toán ở tình huống 2.
2.6.3. Trước khi vận dụng đến những trường hợp mới, giáo viên
cung cấp cho học sinh chiến lược vân dung định luật:
_ Khảo sát xem hệ đang xét có kín không?
_ Viết biểu thức động lượng hệ trước và sau tương tác.
_ Ap dụng định luật bảo toàn động lượng.
_ Sử dụng những dữ liệu sẵn có để giải toán.
2.6.4. Giải một bài toán định lượng khác
Một súng khối lượng ltấn đang chuyển động với vận tốc 5m⁄s thì bắn ra một viên đạn khối lượng 50kg theo phương ngang vé phía trước
với vận tốc 50ns.
a. Hệ súng đạn có thể áp dụng định luật bảo toàn động lượng
được không? Vì sao?
Viết biểu thức động lượng hệ sau tương tác?
Sau khi bắn, súng chuyển động với vận tốc bao nhiêu, theo chiều
nào?
b. Đạn bay đến ghim thẳng vào một xe tăng khối lượng 4,95tấn
đang đứng yên. Sau tương tác, hệ hai vật cùng chuyển động về phía
trước, vận tốc xe tăng khi đó là bao nhiêu?
c. Giả sử, đạn không ghim vào xe mà nổ thành hai mảnh khối lượng bằng nhau, mảnh thứ nhất bay theo phương thẳng đứng với vận
tốc 50m/s. Hỏi mảnh kia chuyển động với vận tốc bao nhiêu, theo
phương nào?
2.6.6. Vận dụng vào chuyển động bằng phản lực
ulin i h l&
Lưu ý học sinh các vận tốc trong biểu thức định luật phải là đối
với một hệ quy chiếu (đối với Trái Đất).
Giới thiêu nguyên tắc hoạt động của động cơ phản lực: nhờ luồng khí hơi phụt ra phía sau mà động cơ có thể tiến lên phía trước.
Hướng dẫn học sinh thiết lập biểu thức tính gia tốc tên lửa. Cung cấp một vài kiến thức thực tế như việc làm tên lửa nhiều tâng.
2.6.7. Giải thích một vài hiện tượng thực tế:
(1) Tại sao khi bắn súng trường, người bắn thường ghì chặt súng
vào vai?
(2) Tại sao bệ súng đại bác thường rất to hoặc bám chặt vào đất?
(3) Để thuyền tiến lên phía trước, người lái thuyển phải đùng mái chèo đẩy nước vé phía sau. Có thể giải thích hiện tượng này
dựa vào định luật bảo toàn động lượng không?
(4) Tên lửa ở hình bên đang cất cánh hay hạ cánh?
2.7. Kiến thức 2: đạng khác của định luật 2 aie „
_Biểu thức: Fat = Ap ee
_ Dat vấn dé: trong một hệ kín, động lượng hệ n, nhưng nếu xét từng vật trong hệ thì chúng đều chịu tác dụng của ngoại
lực và động lượng không được bảo toàn, nghĩa là động lượng có một độ
biến thiên Ap nào đó. Trường hợp này cũng giống như khi xét một hệ
vật không kín, chịu tác dụng của ngoại lực. Như vậy, cùng với sự tổn
tại của ngoại lực F đã xuất hiện độ biến thiên động lượng Ap; vấn để
đật ra là mối liện hệ giữa chúng như thế nào?
_ Ảnh hưởng của lực lên vật không chỉ phụ thuộc vào độ lớn lực mà
còn phụ thuộc thời gian lực tác dụng.
_ Hình thành khái niệm xung của lực: Bat
_ Có thể minh họa bằng một thi nghiệm nhỏ: rút tờ giấy dưới cái
cốc.
2.8. Kiểm tra đánh giá:
2.8.1. Học sinh đạt yêu cầu:
_ Nắm được kiến thức vé động lượng, định luật bảo toàn động
lượng.
_ Giải được các bài toán liên quan đến động lượng, định luật bảo
toàn động lượng.
_ Nấm được các khâu cơ bản của quá trình nhận thức theo quan
điểm của nhận thức luận hiện đại.
Trang 47
ất >,
2.8.2. Hình thức kiểm tra:
Hai xe lăn nhỏ, một xe có m,=3kg, vạụ=2ns đến va chạm vào xe
khối lượng m;ạ=5kg. vạ=1,6m/s; biết Ê ¡Ÿ -
a. Biểu dién các vectơ động lượng §,.B, : động lượng hệ trên cùng
hình vẽ theo cùng tỉ lệ.
b. Sau va chạm, xe 1 đừng lại, xe 2 chuyển động với vận tốc bao
nhiêu?
c. Nếu sau va chạm, hai xe dính vào nhau, khi đó hệ hai xe chuyển động với vận tốc bao nhiêu? Trên đường đi, chúng gặp một xe
khác có khối lượng mạ=2kg chuyển động ngược chiểu với vận tốc 3nvs. Sau va cham,xe 3 đội lại cũng với vận tốc 3m/s. Động lượng chúng khi đó có giá trị nào? Để chúng đi hết quãng đường 20m cẩn bao nhiêu thời gian?
+. chia là igi i
(1) Bài tập 2 trong § Chuyển động bằng phản lực( tức tình huống 7-
đã trình bày)
(2) Một người đi xe đạp chở một người khác. Người đạp xe bị mệt,
để giúp bạn, người ngồi sau đẩy vào lưng ban một lực, việc lim
ấy có tác đụng gì không?
(3) Có nhận xét gì về vị trí cũng như vai trò thí nghiệm trong sách
giáo khoa và trong bài học?
(4) Có nhận xét gì về tính chính xác của kiến thức?