H ỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 BAN CƠ BẢN NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ LỰC CỦA HỌC SINH
III. Tiến trình giảng dạy cụ thể
2.4.4. T iến trình dạy học bài “Cơ năng”
I. Xác định mục tiêu bài học 1. Trong giờ học
- HS tìm được biểu thức liên hệ giữa động năng và thế năng của vật rơi tự do và của con lắc lò xo ở các vị trí khác nhau.
- HS phát hiện được cơ năng của vật rơi tự do và của con lắc lò xo là một đại lượng bảo toàn.
- Từ hai trường hợp sự bảo toàn cơ năng của vật rơi tự do và của con lắc lò xo, HS khái quát hóa được sự bảo toàn cơ năng trong trường hợp vật chỉ chịu tác dụng của lực thế.
2. Sau giờ học
- HS phát biểu và viết đúng biểu thức của định luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực, vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi, vật chỉ chịu tác dụng của lực thế.
Giải thích rõ tên và đơn vị của từng đại lượng trong biểu thức.
- HS vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng để giải bài tập.
II. Chuẩn bị của GV và HS 1. Giáo viên
- Chuẩn bị phiếu học tập (phụ lục 1).
- Chuẩn bị BGĐT, máy tính, máy chiếu.
2. Học sinh
Ôn lại các kiến thức bài động năng, thế năng (lớp 10) và bài cơ năng (lớp 8).
III. Tiến trình giảng dạy cụ thể
UHoạt động 1U: Kiểm tra bài cũ
Trợ giúp của GV Hoạt động của HS
+ Nêu ý nghĩa và biểu thức của động năng, thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi?
+ HS trả lời:
- Động năng là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v và được xác định theo công thức: 1 2
đ 2
W = mv .
- Thế năng trọng trường là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của một vật trong trọng trường đang ở độ cao z so với mặt đất và được xác định theo công thức: Wt =mgz.
- Thế năng đàn hồi là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của một lò xo bị biến dạng một đoạn ∆l và được xác định theo công thức:
1 2
( )
t 2
W = k ∆l .
+ Phát biểu và viết biểu thức của định lý động năng?
+ Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ độ cao zR1Rđến độ cao zR2Rchỉ dưới tác dụng của trọng lực thì công của trọng lực được xác định như thế nào?
+ Độ biến thiên động năng của một vật bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật: Wđ2−Wđ1 =A
+ Công của trọng lực khi vật chuyển động từ độ cao zR1Rđến độ cao zR2R:
(1) (2) 1 2
p t t
A =W −W =mgz −mgz
UHoạt động U2: Tìm hiểu về cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường
Trợ giúp của GV Hoạt động của HS
+ Em hãy nhắc lại khái niệm cơ năng đã được học ở lớp 8?
+ Hãy viết biểu thức cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường và cho biết đơn vị của cơ năng.
+ Khi vật có khả năng sinh công ta nói vật có cơ năng. Cơ năng của một vật bằng tổng động năng và thế năng của nó, kí hiệu W.
+ Khi vật chuyển động trong trọng trường:
1 2
đ t 2
W =W +W = mv +mgz
Đơn vị của cơ năng là Jun, vì cơ năng bằng tổng động năng và thế năng nên cơ năng có cùng đơn vị với động năng và thế năng.
UHoạt động U3: Xây dựng kiến thức định luật bảo toàn cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường
Trợ giúp của GV Hoạt động của HS
+ GV đặt vấn đề: Quay lại ví dụ về hoạt động của búa máy ở bài trước, khi búa máy có khối lượng m rơi từ độ cao zR1Rxuống độ cao zR2Rbất kỳ thì trong quá trình chuyển động đó động năng và thế năng của nó có thay đổi không? Vì sao?
+ GV dẫn dắt: Khi một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì động năng và thế năng của nó luôn biến đổi.
Vậy sự biến đổi đó có tuân theo quy luật nào không?
+ Có thay đổi. Vì khi độ cao của vật giảm, vận tốc của vật tăng nên thế năng của nó giảm đi còn động năng tăng lên.
+ HS hoạt động nhóm:
Em có thể tìm được câu trả lời thông qua việc giải bài toán sau: Một vật có khối lượng m chuyển động từ độ cao zR1R xuống độ cao zR2R chỉ dưới tác dụng của trọng lực. Hãy tìm mối liên hệ giữa động năng và thế năng của vật ở các vị trí khác nhau?
Nếu HS không tự lực hành động được thì GV định hướng bằng những gợi ý:
- Khi vật chuyển động từ độ cao zR1R đến độ cao zR2R thì công của trọng lực được xác định như thế nào?
- Trong quá trình chuyển động, vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực Pur. Sử dụng định lý động năng để tính công của trọng lực.
+ Từ kết quả của bài toán vừa giải, em tìm ra được quy luật gì?
+ Cơ năng của vật không đổi nên người ta nói rằng nó được bảo toàn. Từ đó em hãy phát biểu định luật bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường.
+ Từ định luật bảo toàn cơ năng em hãy rút ra quy luật biến đổi của động năng và thế năng?
- Công của trọng lực
(1) (2) 1 2
P t t
A =W −W =mgz −mgz (1)
- Theo định lý động năng:
2 2
(2) (1) 2 1
1 1
2 2
P đ đ
A =W −W = mv − mv (2) Từ (1) và (2):
1 1 2 2
2 2
1 2 2 1
2 2
1 1 2 2
1 1
2 2
1 1
2 2
đ t đ t
mgz mgz mv mv mv mgz mv mgz
W W W W
− = −
⇔ + = +
⇔ + = +
+ Tổng động năng và thế năng (hay cơ năng) của vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của trọng lực là đại lượng không đổi.
+ Khi một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn.
W = WRđR + WRtR= hằng số Hay 1 2
2mv +mgz= hằng số
+ Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:
- Nếu động năng giảm thì thế năng tăng (động năng chuyển hóa thành thế năng) và ngược lại.
- Tại vị trí nào động năng cực tiểu thì thế năng cực đại và ngược lại.
UHoạt động 4U: Xây dựng kiến thức định luật bảo toàn cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi
Trợ giúp của GV Hoạt động của HS
+ GV đặt vấn đề: Xét hệ con lắc lò xo gồm vật có khối lượng m gắn vào lò xo có độ cứng k (khối lượng không đáng kể) đặt trên mặt phẳng ngang không ma sát. Một đầu con lắc gắn cố định. Kéo vật lệch khỏi vị trí cân bằng một đoạn rồi thả nhẹ, vật sẽ dao động quanh vị trí cân bằng. Hai vị trí xa nhất mà vật đến được gọi là vị trí biên, khoảng cách từ vị trí cân bằng đến vị trí biên gọi là biên độ. Trong quá trình chuyển động của hệ con lắc lò xo thì động năng và thế năng của nó có thay đổi không? Vì sao?
+ GV dẫn dắt: Chúng ta nhận thấy khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi thì động năng và thế năng của nó cũng luôn biến đổi. Vậy sự biến đổi đó có tuân theo quy luật nào không?
Tương tự như khi vật chịu tác dụng của trọng lực, các em có thể tìm được câu trả lời thông qua việc giải bài toán sau: Một vật có khối lượng m được gắn vào đầu một lò xo nằm ngang, một đầu lò xo cố định. Cho vật chuyển động không ma sát từ vị trí lò xo có độ biến dạng ∆lR1R đến vị trí có độ biến dạng ∆lR2R dưới tác dụng của lực đàn hồi. Hãy tìm mối liên hệ giữa động năng và thế năng của vật ở các vị trí khác nhau.
Nếu HS không tự lực hành động được thì GV định hướng bằng những gợi ý:
- Sử dụng định lý động năng để tính công của lực đàn hồi.
- Khi vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi (lực thế) thì công của lực đàn hồi được tính bằng công thức nào?
+ Động năng và thế năng của hệ con lắc lò xo thay đổi vì vận tốc và độ biến dạng luôn thay đổi.
+ HS hoạt động nhóm.
+ Từ kết quả của bài toán vừa giải các em tìm ra được quy luật gì?
+GV hợp thức hóa kiến thức: Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi sự biến dạng của một lò xo đàn hồi thì trong quá trình chuyển động của vật, cơ năng được tính bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật là một đại lượng bảo toàn.
2 2
1 1
( )
2 2
W = mv + k ∆l = hằng số
+ Từ hai ví dụ vừa xét ở trên, em hãy cho biết đặc điểm chung của những vật chỉ chịu tác dụng của lực thế (lực đàn hồi, trọng lực)?
+ GV mở rộng: Đó là nội dung của định luật bảo toàn cơ năng. Định luật bảo toàn cơ năng chỉ nghiệm đúng khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi (lực thế). Ngoài ra nếu vật còn chịu thêm tác dụng của lực cản, lực ma sát… thì cơ năng của vật sẽ biến đổi. Công của các lực cản, lực ma sát… bằng độ biến thiên của cơ năng.
- Áp dụng định lý động năng:
2 2
2 1
1 1
2mv −2mv =AFđh - Công của lực đàn hồi:
2 2
(1) (2) 1 2
1 1
( ) ( )
2 2
Fđh t t
A =W −W = k ∆l − k ∆l
2 2 2 2
1 2 2 1
2 2 2 2
1 1 2 2
1 1 1 1
( ) ( )
2 2 2 2
1 1 1 1
( ) ( )
2 2 2 2
k l k l mv mv
mv k l mv k l
⇒ ∆ − ∆ = −
⇔ + ∆ = + ∆
1 1 2 2
đ t đ t
W W W W
⇔ + = +
+ Tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật không đổi.
+ Khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của lực thế thì cơ năng của vật là đại lượng bảo toàn.
đ t
W =W +W = hằng số hay 1 2 1 ( )2
2mv +2k ∆l = hằng số
UHoạt động 5U: Vận dụng – Củng cố
Trợ giúp của GV Hoạt động của HS
+ GV yêu cầu các nhóm xây dựng BĐKN để củng cố, khắc sâu bài học.
+ GV nhận xét BĐKN của các nhóm. Sau đó chiếu BĐKN đã được GV xây dựng trước để HS so sánh và sửa chữa BĐKN của nhóm mình nếu thấy các mối liên
+ HS hoạt động nhóm.
hệ chưa rõ ràng.
+ Em hãy vận dụng kiến thức vừa xây dựng giải bài tập sau và so sánh với cách giải bằng phương pháp động lực học.
Một ô tô đang chuyển động thẳng đều trên đường nằm ngang với vận tốc 54km/h thì lên dốc. Hãy tìm quãng đường ô tô đi được trên dốc cho đến khi dừng lại biết góc nghiêng của mặt dốc so với mặt phẳng ngang là α=30P0P. Bỏ qua ma sát và lấy g=10m/sP2P.
+ HS hoạt động nhóm giải toán:
- Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng (phương pháp năng lượng):
Chọn mốc thế năng tại chân dốc, chiều (+) trục z hướng lên. Cơ năng của vật tại chân dốc:
1 1 1
2 1
1 ( 0 )
đ t 2 t
W =W +W = mv W = J
Cơ năng của vật tại điểm dừng lại trên dốc:
2 2 2
2 đ t ( đ 0 )
W =W +W =mgz W = J
Vì bỏ qua ma sát nên cơ năng của vật được bảo toàn WR1R = WR2
2
1 2
2 2
m sin
sin mv mgz z v
g
z z
à s
α s
α
⇔ = ⇔ =
= ⇒ =
Quãng đường vật đi lên dốc cho đến khi dừng lại:
2
22, 5 2 sin
s v m
g α
= =
- Áp dụng phương pháp động lực học
Phương trình định luật II Niu tơn:
p+N =ma
ur uur r
Chiếu lên phương chiều chuyển động của xe:
sin sin
P α ma mg α ma
− = ⇔ − =
Gia tốc của xe: a= −gsinα
Vì xe chuyển động chậm dần đều nên:
+ GV nhận xét kết quả giải toán của HS và rút ra chú ý:
Khi vật chuyển động chỉ dưới tác dụng của lực thế (không có lực ma sát, lực cản…) thì áp dụng được định luật bảo toàn cơ năng
Vì cơ năng là tổng của động năng và thế năng nên trước tiên phải chọn mốc thế năng, sau đó viết biểu thức của định luật bảo toàn cơ năng ứng với hai vị trí ở hai thời điểm khác nhau. Đặc biệt, định luật bảo toàn cơ năng là một công cụ rất hiệu quả để giải những bài toán chỉ biết trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không biết quá trình biến đổi diễn ra như thế nào.
Nếu vật còn chịu thêm tác dụng của lực cản, lực ma sát… thì cơ năng của vật sẽ biến đổi. Khi đó, công của các lực cản, lực ma sát… bằng độ biến thiên của cơ năng.
2 2
0
2 2 2 2
0 0 0
2 0
2
2 2 2( sin )
22, 5 2 sin
v v as
v v v v
s a a g
s v m
g
α α
− =
− − −
⇒ = = =
−
⇒ = =