2.2.1. Mục đích điều tra
- Sự hiểu biết về việc đổi mới PPDH và những PPDH mà GV đã sử dụng, cách tổ chức dạy học, việc soạn giảng của GV khi dạy chương “Các định luật bảo toàn”
- Tính tích cực trong nhận thức của HS, hoạt động sáng tạo của HS trong giờ học.
- Việc khai thác, sử dụng thí nghiệm, sử dụng phương tiện hỗ trợ hiện đại: máy chiếu, phần mềm dạy học.
2.2.2. Phương pháp điều tra
- Điều tra GV: dùng phiếu điều tra (xem phụ lục 1), trao đổi trực tiếp với GV, dự giờ dạỵ
- Điều tra HS: trao đổi trực tiếp, sử dụng phiếu điều tra HS (xem phụ lục 2) - Địa điểm điều tra: Trường THPT Chuyên Thái Nguyên, trường THPT Chuyên Lê Quý Đôn – Tỉnh Điện Biên.
- Phân tích kết quảđiều trạ
2.2.3. Kết quả điều tra
Qua tìm hiểu thực tế việc dạy và học kiến thức các định luật bảo toàn trong chương “Các định luật bảo toàn” ở 2 trường THPT chuyên trên, chúng tôi rút ra một số kết luận sau đây:
2.2.3.1. Tình hình giáo viên
- GV chưa vận dụng dạy học nêu vấn đề, không khai thác thí nghiệm để kiểm tra các hệ quả của định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn cơ năng nên khó khăn khi tạo niềm tin ở HS.
- Chưa quan tâm phát huy năng lực tư duy sáng tạo của HS trong quá trình học tập.
- GV gặp khó khăn khi dạy các khái niệm mới nhất là đặc điểm định tính của nó, khó thực hiện các bài học theo phương pháp thực nghiệm.
2.2.3.2. Tình hình học sinh
+ Trong bài định luật bảo toàn động lượng: Chưa phân tích rõ hiện tượng vật lý, áp dụng định luật bảo toàn động lượng còn tùy tiện. Nhầm lẫn khi viết phương trình định luật bảo toàn động lượng cho hệ kín trước và sau tương tác cũng nhưđiều kiện khi chuyển phương trình định luật bảo toàn động lượng từ dạng vectơ sang dạng đại số, thậm chí có những em còn thay số trực tiếp vào phương trình dạng vectơ để thực hiện tính toán. Ngoài ra, HS gặp khó khăn đối với bài toán phải áp dụng công thức cộng vận tốc trong việc tính toán vận tốc đối với hệ quy chiếu quán tính rồi mới áp dụng trong phương trình định luật (đây là bài toán khó đối với nhiều HS).
+ Trong bài định luật bảo toàn cơ năng: HS cũng hay gặp lại những khó khăn khi phân tích hiện tượng, lập luận điều kiện áp dụng định luật cũng như việc xác định 2 trạng thái đầu và cuối để áp dụng định luật trong từng bài tập cụ thể, nhiều khi việc tính thế năng còn quên không chọn mốc thế năng.
- Kĩ năng tư duy bậc cao (phân tích, tổng hợp, đánh giá), kĩ năng thu thập và xử lí thông tin, kĩ năng hợp tác và làm việc nhóm, kĩ năng làm thí nghiệm và sử dụng các phương tiện học tập hiện đại còn rất hạn chế, khả năng diễn đạt yếụ
2.2.3.3. Cơ sở vật chất, trang thiết bị dạy học
- Các trường học đều được trang bị các phương tiện đồ dùng dạy học ở cả 3 khối lớp theo danh mục các thiết bị đồ dùng dạy học tối thiểu được cung cấp cho
các trường THPT trên cả nước. Tuy nhiên có thí nghiệm ở cả 2 trường điều tra đều không có đó là thí nghiệm với đệm không khí (nhiều trường khác trên địa bàn có thì lại bị hỏng, không sử dụng được)
- Các trường đều có các trang thiết bị dạy học hiện đại, có phòng thực hành thí nghiệm nhưng đều không có GV chuyên trách thiết bị thí nghiệm.
- Việc khai thác và sử dụng các trang thiết bị dạy học chưa thực sự triệt để và phát huy hết hiệu quảđể phát huy nhận thức tích cực của HS trong học tập.
2.3 Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Các định luật bảo toàn” nhằm phát huy năng lực tư duy sáng tạo cho học sinh trường chuyên.
BÀI SOẠN 1: ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG Ị Mục tiêu bài học
* Về kiến thức:
+ Định nghĩa được thế nào là hệ kín, lấy được các ví dụ về hệ kín.
+ Phát biểu được định nghĩa động lượng của một vật, của một hệ vật. Viết được biểu thức động lượng của vật và của hệ vật. Đơn vịđo động lượng.
+ Viết được biểu thức dạng khác của định luật II Niu-tơn.
+ Phát biểu nội dung và viết được biểu thức của định luật bảo toàn động lượng dạng tổng quát cũng như cho trường hợp hệ hai vật tương tác.
+ Hiểu được định luật bảo toàn động lượng là định luật tổng quát hơn các định luật Niutơn vì nó đúng trong cả trường hợp vật chuyển động với vận tốc cỡ vận tốc ánh sáng, cả trường hợp vĩ mô lẫn vi mô.
* Về kĩ năng:
- Vận dụng các biểu thức tính động lượng, biểu thức dạng khác của định luật II Niutơn và định luật bảo toàn động lượng để giải các bài tập.
- Tính toán, biến đổi biểu thức toán học, giải phương trình, hệ phương trình, vận dụng kiến thức về hình học.
- Sử dụng máy vi tính, phần mềm phân tích video, thu thập và xử lí các số liệụ - Diễn đạt chính xác các thuật ngữ vật lý, viết đúng kí hiệu các chữ trong biểu thức. Sử dụng đúng đơn vịđo các đại lượng.
- Quan sát, phân tích, tổng hợp, khái quát. Đọc, hiểu các tài liệu; SGK, các nhiệm vụ;
* Về phát triển tư duy:
- Phân tích, tổng hợp và xử lí các thông tin thu được để rút ra kết luận - Đưa ra các dựđoán vềđại lượng bảo toàn và kiểm tra các dựđoán.
IỊ Chuẩn bị:
1. Giáo viên
- Bộ dụng cụ thí nghiệm va chạm trên máng kèm băng giấy, cần rung. - Phần mềm phân tích Video Analyse
2. Học sinh
- Ôn lại các định luật bảo toàn đã học ở THCS: Định luật bảo toàn công, định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
IIỊ Tiến trình xây dựng bài giảng:
1. Kiến thức cần xây dựng.
+ Động lượng:
- Động lượng của một vật chuyển động là đại lượng đo bằng tích của khối
lượng và vận tốc của vật: pr=mvr p v p mv ↑↑ ⇒ = r r ( kg.m/s) - Động lượng của một hệ vật: pr =∑pri =∑m viri
+ Dạng khác của định luật II Niutơn : F. r ∆t=∆pr ⇒Fr↑↑∆pr
+ Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng của hệ kín được
bảo toàn: pr =p'ur p p' p p' ↑↑ ⇒ = r ur . Với hệ gồm hai vật tương tác: m v1r1+m v2r2 =m v'1ur1+m v'2ur2 Điều kiện áp dụng: hệ phải là hệ kín (là hệ kín nếu chỉ có những lực của các vật trong hệ tác dụng lẫn nhau mà không có tác dụng của những lực từ bên ngoài hệ, hoặc nếu có thì những lực này phải triệt tiêu lẫn nhau)
2. Câu hỏi đề xuất vấn đề.
Trong hệ kín, các vật tương tác với nhau thì có đại lượng nào được bảo toàn? Đại lượng bảo toàn đó có liên hệ như thế nào với vận tốc và khối lượng của vật?
3. Sơđồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức.
Suy luận lôgic từ kiến thức lý thuyết đã biết để đưa ra biểu thức của định luật, thiết kế phương án thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm kiểm trạ
+ Động lượng: Động lượng của một vật chuyển động là đại lượng đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật.
Là một đại lượng vectơ, có cùng hướng với hướng vận tốc: pr=mvr (kg.m/s) + Định luật bảo toàn động lượng:
- Tổng quát: Vectơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn: p=p'
- Với hệ gồm 2 vật: p1 +p2 =p1'+p2'.
- Định luật II Niutơn: F=ma; Định luật III Niutơn: F12 =−F21 - Gia tốc: ∆t v v ∆t v ∆ a = = 2 − 1
Khi hai vật tương tác với nhau, mỗi vật đều thu được gia tốc, nghĩa là vận tốc của mỗi vật thay đổị
- Xét 2 vật m1, m2 tạo thành hệ kín tương tác với nhaụ - Trước tương tác, vận tốc của chúng lần lượt làv ,v1 2
r r
. - Sau thời gian tương tác ∆t, các vectơ vận tốc biến đổi thành v ,v1' '2 r r . - Theo định II Niu tơn: Lực do vật 2 tác dụng lên vật 1: ∆t v v m a m F 1 ' 1 1 1 1 21 = = − (1) Lực do vật 1 tác dụng lên vật 2: ∆t v v m a m F 2 ' 2 2 2 2 12 = = − (2) - Theo định luật III Niu tơn: F12 =−F21 (3)
Thay (1) và (2) vào (3) và biến đổi, ta được:
+ = ' + ' 1 2 1 2 1 2 1 2 m v m v m v m v r r r r (4)
Trong hệ kín, các vật tương tác với nhau thì có đại lượng nào được bảo toàn? Đại lượng bảo toàn đó có liên hệ như
thế nào với vận tốc và khối lượng của vật?
Xét bài toán tương tác của hai vật. Sử dụng định luật II và III Niutơn làm cơ sở biến đổi lí thuyết sẽ trả lời được cho vấn đềđặt rạ
Hình 2.2. Sơđồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức định luật bảo toàn động lượng Xét trường hợp xe 1 chuyển động không ma sát với v va 1 chạm và gắn chặt vào xe 2 đứng yên. + Suy luận từ kết luận trên ra hệ quả: 1 1 1 2 m vr =(m +m )v'ur, hai xe cùng chuyển động với 'v theo chiều của v 1 Xét trong cùng khoảng thời gian ∆t, xe 1 trước và hệ 2 xe và sau va chạm đi được các quãng đường là s và s’, thì ta có: .s m m m s' 2 1 1 + = (nếu m1 = m2, thì s’ = s/2) + Tiến hành thí nghiệm với thiết bị thí nghiệm cần rung
điện, đo s’ và s ⇒ hệ quảđược xác nhận.
1 2 1 2
1 2 1 2
m vr +m vr =m v'ur +m v'ur
- Khái niệm động lượng:Động lượng của một vật chuyển động là đại lượng đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật: pr=mvr.
- Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng của hệ kín được bảo
toàn: pr=p 'r
+ Sử dụng phần mềm phân tích phim video để kiểm nghiệm tính đúng đắn của kết luận trên cho trường hợp va chạm của hai vật trên một mặt phẳng nằm ngang. + Kết quả: ⇒ kết luận được kiểm chứng Có thể kiểm tra kết quả trên bằng cách nàỏ
IIỊ Tiến trình dạy học cụ thể
Hoạt động 1: (5 phút) Tìm hiểu khái niệm hệ kín
GV: Trong các chương trước, các em đã được học ba định luật Niutơn, đó là cơ sở để chúng ta giải các bài tập động lực học, tuy nhiên trong một số trường hợp ta thấy việc xác định lực tác dụng lên vật trong quá trình chuyển động là khó khăn (ví dụ chuyển động của con lắc đơn) dẫn đến việc thiếp lập các phương trình về lực trở nên phức tạp và cồng kềnh. Trong chương này, chúng ta cùng tìm hiểu một PP khác đó là sử dụng các định luật bảo toàn.
GV: Ở cấp 2 các em đã học vềđịnh luật bảo toàn nào rồỉ HS: Định luật bảo toàn công
GV: Em có thể nêu ý nghĩa của định luật không?
HS: Định luật cho biết khi di chuyển vật theo các con đường khác nhau thì công thực hiện là như nhau, hay được lợi bao nhiêu lần về lực thì thiệt bấy nhiêu lần vềđường đị
GV: Ở cấp 3, chúng ta sẽ nghiên cứu các định luật bảo toàn một cách sâu sắc và định lượng hơn, tổng quát hơn. Bài đầu tiên ta nghiên cứu trong chương này là “Định luật bảo toàn động lượng”.
GV: Trước tiên ta cùng đi tìm hiểu khái niệm hệ kín.
HS: Làm việc với sách giáo khoa và trả lời câu hỏi của giáo viên: Thế nào là hệ kín
HS: Hệ kín là hệ chỉ có các vật trong hệ tương tác với nhau, không chịu tương tác với các vật ngoài hệ, hoặc các lực tương tác của các vật ngoài hệ lên hệ triệt tiêu lẫn nhau
GV: Em có thể lấy ví dụ minh họa HS: Ví dụ hệ kín:
- Tương tác giữa hai thiên thể ngoài vũ trụ (như Trái Đất và Mặt Trăng) khi bỏ qua các tương tác khác
- Tương tác giữa hai vật trên mặt phẳng ngang không ma sát. GV: Chỉnh sửa sai sót trong phát biểu của HS, mở rộng Hệ còn được coi là kín trong một số trường hợp sau:
+ Nội lực xuất hiện có cường độ lớn hơn nhiều so với ngoại lực: Ví dụ: Hệ đạn ngay tại trước và sau thời điểm nổ
Hoạt động 2: (3 phút) Tìm hiểu định các định luật bảo toàn và các đại
lượng bảo toàn
GV: Một đại lượng vật lý của một hệ gọi là được bảo toàn nếu nó không đổi với thời gian. Nếu:
- Nó là vô hướng M, thì trị số của nó không đổi với thời gian, M = hằng số. - Nó là vectơ M
uur
, thì phương, chiều, trị số không đổi với thời gian, hoặc ba hình chiếu xuống ba trục tọa độ không đổi: Mx = hằng số; My = hằng số; Mz = hằng số.
Định luật diễn tả đại lượng bảo toàn gọi là định luật bảo toàn. Ví dụ: định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn cơ năng…
GV: Vậy khối lượng có phải là đại lượng bảo toàn không? HS: Có.
GV: Giải thích cho học sinh: Trong đa số trường hợp chuyển động với vận tốc nhỏ thì coi khối lượng là không đổi, còn khi vận tốc của vật so sánh được với vận tốc ánh sáng (c = 3.108m/s) thì khối lượng của vật tăng lên. Các em sẽ được chứng minh điều này ở lớp 12.
Hoạt động 3: (10 phút) Tìm hiểu về định luật bảo toàn động lượng
Như chúng ta vừa phân tích, trong hệ kín có những đại lượng bảo toàn được phát biểu bởi các định luật bảo toàn. Để đi tìm xem đại lượng nào được bảo toàn trong hệ kín, trước hết chúng ta nghiên cứu sự va chạm giữa hai vật mặt phẳng ngang. Giáo viên chiếu cho HS xem một số va chạm của các vật.
GV: Định hướng và nêu câu hỏị Khi hai vật va chạm nhau thì hiện tượng gì xảy rả
HS: Vận tốc của các vật thay đổị Vận tốc không bảo toàn vì vận tốc của các vật sau va chạm phụ thuộc vào khối lượng của chúng.
GV: Như vậy đại lượng nào có thểđược bảo toàn?
HS: Vận tốc của các vật sau va chạm có phụ thuộc vào khối lượng của chúng. Đại lượng bảo toàn có quan hệ đến cả vận tốc và khối lượng của các vật. Chúng ta phải đi tìm đại lượng có mối quan hệđó.
GV: Làm thế nào để kiểm chứng được điều đó?
HS: Xác định vận tốc và khối lượng của các vật trước và sau va chạm để tìm ra mốiliên hệ.
GV: Các em hãy giải quyết điều đó theo cách các em đã nêụ
GV: Gợi ý để tìm câu trả lờị Nguyên nhân làm thay đổi vận tốc của các vật? HS: Do có lực tác dụng giữa các vật.
GV: Có mối liên hệ nào giữa lực với sự thay đổi vận tốc của vật?
HS: Lực liên hệ với gia tốc qua định luật II Niutơn, gia tốc xác định qua sự biến thiên vận tốc.
GV: Gợi ý để học sinh tự lực xây dựng kiến thức. HS: Gọi v v1, 2; ' , 'v v1 2
r r r r
lần lượt là vận tốc của m1 và m2 trước và sau tương
tác. Gọi F21
uur
lực do vật 2 tác dụng lên vật 1 và F12
uur
là lực do vật 1 tác dụng lên vật 2. GV: Có mối liên hệ gì giữa hai lực trên?
HS: Hai lực trên tuân theo định luật III Niutơn
21 12
F = −F
uur uur
GV: Em hãy viết phương trình của định luật II Niutơn cho các vật trong hệ:
HS: 21 1 1 1 v1 1v'1 v1 F m a m m t t ∆ − = = = ∆ ∆ uuur uur ur