Phân tích nội dung khoa học kiến thức và tầm quan trọng của chương “Các định luật bảo toàn’’

Chương 2. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NGOẠI KHểA CÁC ỨNG DỤNG KĨ THUẬT CỦA MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” CHO HỌC SINH LỚP 10 TRUNG TÂM GIÁO DỤC THƯỜNG XUYÊN

2.1. Phân tích nội dung khoa học kiến thức và tầm quan trọng của chương “Các định luật bảo toàn’’

2.1.1. Phân tích nội dung khoa học kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn”.

- Chương “Các định luật bảo toàn” thuộc chương IV, là phần cuối của chương trình cơ học lớp 10 ban cơ bản, nên có thể sử dụng các kiến thức đã học của các chương trước. Như tiêu đề của chương đã nêu, HS được học những quy luật quan trọng nhất của cơ học, đó là các định luật bảo toàn.

- Chương này gồm năm bài học sau: “Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng”, “Công và công suất”, “Động năng”, “Thế năng”, “Cơ năng”.[2, tr.231]

- Chương này học trong thời gian 10 tiết, trong đó có 2 tiết bài tập, không có tiết thực hành. [7]

Nội dung kiến thức cụ thể là:

1. Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng

Khi nghiên cứu chuyển động của các vật dưới tác dụng của vật, ta có thể xét từng vật riêng rẽ, nhưng cũng có thể xét nhiều vật tạo thành hệ. Mỗi vật trong hệ có thể chịu tác dụng của nhiều lực từ các vật bên trong hệ và cả từ các vật bên ngoài hệ.

Bài toán sẽ đơn giản hơn nếu hệ là cô lập. “Một hệ nhiều vật được gọi là cô lập khi không có ngoại lực tác dụng lên hệ hoặc nếu có thì các ngoại lực ấy cân bằng nhau.

Trong một hệ cô lập, chỉ có các nội lực tương tác giữa các vật. Các nội lực này, theo định luật III Niu-tơn trực đối nhau từng đôi một”.[2, tr.124]

Hệ cô lập tuân theo các định luật bảo toàn. Một đại lượng vật lí của hệ được bảo toàn nếu nó không đổi theo thời gian. Trong Cơ học ta có định luật bảo toàn động lượng, cơ năng, momen động lượng; Trong Nhiệt học, ta có định luật bảo toàn năng lượng viết dưới dạng nguyên lý thứ I của Nhiệt động lực học; Trong Điện học, ta có định luật bảo toàn điện tích, bảo toàn năng lượng (bao gồm cả năng lượng điện trường và năng lượng từ trường); Trong vật lí vi mô, ta có các định luật bảo toàn

riêng cho nguyên tử, hạt nhân, hạt cơ bản. Đặc biệt là những định luật bảo toàn chỉ đúng với loại tương tác này mà không đúng với loại tương tác khác.

Khái niệm động lượng được hình thành trong quá trình nghiên cứu sự tương tác giữa các vật trong một hệ cô lập (xét 2 vật). Trong quá trình tương tác chúng truyền chuyển động cho nhau, sự truyền chuyển động phụ thuộc vào khối lượng m và vận tốc v

của các vật. Đại lượng p mv .

 gọi là động lượng và quy luật của nó là định luật bảo toàn động lượng. Bằng phương pháp suy luận lí thuyết, từ định luật II, III Niu- tơn, suy ra biểu thức của định luật bảo toàn: m1. v 1 m2. v 2 m1. v 1, m2. v 2,





 . Định

luật bảo toàn động lượng có nhiều ứng dụng thực tế: Giải các bài toán va chạm, bài toán súng giật khi bắn, đặc biệt làm cơ sở cho nguyên tắc chuyển động phản lực...

Khi hệ phóng ra phía sau của nó một phần vật có động lượng p

 thì phần hệ còn lại phải tiến lên phía trước để có động lượng p

, sao cho tổng động lượng không đổi.

Trong bài, SGK chỉ xét trường hợp đơn giản nhất là tên lửa ban đầu đứng yên, tổng động lượng bằng 0. Nếu tên lửa phụt ra một khối lượng m chất khí với vận tốc v

đối với đất, có động lượng m v 

. . Thì phần còn lại có khối lượng M phải chuyển động với vận tốc V

, sao cho động lượng MV

. thỏa mãn điều kiện tổng động lượng vẫn bằng 0:

0 .

.  



M V v

m . Suy ra v

M V m 



 , dấu “ – ’’ có nghĩa là khí phụt ra phía sau thì tên lửa tiến lên phía trước. Một đặc điểm quan trọng của tên lửa khi chuyển động là khối lượng của các chất khí phụt ra trong một giây khá lớn, cỡ 10102kgnên khối lượng tên lửa không thể coi là không đổi, nó là hàm nghịch biến của thời gian; khối lượng của nó giảm thì vận tốc của nó tăng.

Ta thấy lợi ích của việc chế tạo tên lửa nhiều tầng. Mỗi tầng có vỏ chứa nhiên liệu, khối lượng của vỏ thường rất lớn. Khi nhiên liệu trong một tầng đã cháy hết thì người ta tách bỏ tầng (vỏ) ấy đi, làm khối lượng tên lửa còn lại giảm hẳn, có lợi cho việc tăng tốc.

Khi giảng dạy, GV cho HS biết cấu tạo nhiều tầng của tên lửa vũ trụ đảm bảo có thể tăng tốc tên lửa đạt đến những tốc độ vũ trụ cần thiết. Trong bài giảng GV cần lưu ý cho HS: Động cơ phản lực của máy bay chỉ hoạt động trong môi trường khí quyển vì cần hút không khí từ bên ngoài vào để đốt cháy nhiên liệu. GV cũng cần cho

HS biết tên lửa vũ trụ, ngược lại, có thể hoạt động trong cả chân không, vì ngoài nhiên liệu, tên lửa còn mang theo cả chất ô xi hóa.

2. Công và công suất.

Ở THCS, HS được học cách tính công đơn giản trong trường hợp riêng:

S F

A . . Ở bài này, GV cần nhấn mạnh công thức tính trong trường hợp tổng quát.

Phân biệt ý nghĩa vật lý công dương, công âm. Lưu ý cho HS trường hợp hay gặp:

Vật chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang thì công của trọng lực luôn bằng 0.

Để đưa ra định nghĩa công trong trường hợp tổng quát, SGK đưa ra hình ảnh trực quan: Công tỷ lệ với lực tác dụng và với độ dời theo phương của lực, từ đó dẫn đến công thức tính công: AF.s.cos (loại bỏ thành phần lực vuông góc với độ dời).

Công suất: Fv .



 để giải thích nguyên lý hoạt động của hộp số. Thông thường một động cơ được chế tạo để đạt một công suất tối đa cho trước. Vì vậy, lực kéo tỷ lệ nghịch với vận tốc của xe. Hộp số được sử dụng với mục đích phối hợp giữa vận tốc và lực kéo của xe để thích ứng với những địa hình khác nhau trên đường đi.

3. Động năng

Động lượng và động năng là hai khái niệm có bản chất hoàn toàn khác nhau mặc dù chúng đều phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc của vật. Động lượng p mv

.

 là đại lượng vecto, gắn với lực tác dụng, chính xác là với xung lượng của lực tác dụng (F.t

); Động năng . 2 2 1mv

Wđ  là đại lượng vô hướng, gắn với công của lực tác dụng, do đó mang ý nghĩa năng lượng.

Giữa động lượng và động năng có mối liên hệ:

m Wđ p

. 2

2



Động năng phụ thuộc vào vận tốc nên cũng có tính tương đối như vận tốc. Giá trị của động năng phụ thuộc vào mốc dùng để tính. Vì chuyển động của mọi vật thường được xét trong hệ quy chiếu là mặt đất nên động năng cũng được xét trong hệ quy chiếu này. Động năng là một dạng năng lượng cơ học có quan hệ chặt chẽ với công. Khi ngoại lực tác dụng lên vật sinh công thì động năng của vật tăng: công đó được tích lũy trong vật dưới dạng động năng. Ngược lại, chính vật sinh công để thắng lực cản (ví dụ lực ma sát) thì động năng của vật phải giảm. Đó là nội dung và ý nghĩa quan trọng của độ biến thiên động năng: 22 12

2 1 2

1

1

2 W mv mv

W

A đ  đ  

4. Thế năng

a) Thế năng trọng trường:

Công của trọng lực không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối: ABC mg(zB zC)mgzB mgzC

Từ công thức tính công của trọng lực: APz mgz, ta có thể định nghĩa thế năng bằng công thức : Wt mgz và có kết luận công của trọng lực bằng độ giảm thế năng của vật trong trọng trường:

2

12 Wt1 Wt

A   . b) Thế năng đàn hồi

Mọi vật khi biến dạng đàn hồi đều có khả năng sinh công, tức là mang một năng lượng. Năng lượng này được gọi là thế năng đàn hồi.

Từ công thức tính công của lực đàn hồi: ( )2 2 1k l

A  , ta có công thức tính thế năng đàn hồi: ( )2

2 1k l Wt   .

Tương tự như thế năng trọng trường, ta cũng có công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng:

2

12 Wđh1 Wđh

A  

Giá trị của thế năng đàn hồi phụ thuộc vào gốc chọn thế năng.

Chú ý: Khái niệm thế năng luôn gắn với lực thế (Trọng lực, lực đàn hồi, lực hấp dẫn, lực tĩnh điện...). “Thế năng là năng lượng của một hệ có được do tương tác giữa các phần tử của hệ thông qua lực thế. Thế năng phụ thuộc vào vị trí tương đối của các phần tử ấy” [16, tr. 166].

Lực ma sát không phải là lực thế vì công của nó phụ thuộc vào hình dạng đường đi.

5. Định luật bảo toàn cơ năng

a) Cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường:

“Khi một vật chuyển động trong trọng trường thì tổng động năng và thế năng của vật gọi là cơ năng của vật. Kí hiệu cơ năng của vật là W: W Wđ Wt  mv2 mgz

2

1 ”

[2, tr.142]

Xét một vật khối lượng m chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N tương ứng với các độ cao z1,z2, tại vật có vận tốc tương ứng là v1,v2

.

Ta có, công do trọng lực thực hiện bằng độ biến thiên động năng của vật:

2 1 2

2

12 2

1 2

1

1

2 W mv mv

W

A  đ  đ   .

Mặt khác, công này bằng độ giảm thế năng của vật trong trọng trường:

2 1

12 W1 W2 mgz mgz

A  t  t   . Do đó, ta có:

2 2 1

1 t đ t

đ W W W

W   

Hay W Wđ Wt  hằng số.

“Trong quá trình chuyển động của một vật trọng 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 đại thì thế năng cực tiều và ngược lại.” [2, tr 143]

b) Cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi:

Xét con lắc lò xo, gồm một quả cầu nhỏ khối lượng m gắn ở một đầu lò xo nằm ngang, đầu kia của lò xo được giữa cố định. Dưới tác dụng của lực đàn hồi, quả cầu thực hiện dao động quanh vị trí cân bằng. Lực đàn hồi là lực thế, do đó ta có thể áp dụng cách lập luận tương tự với trường hợp trọng lực để suy ra định luật bảo toàn cơ năng: Trong quá trình chuyển động, khi động năng của vật tăng thì thế năng thế năng đàn hồi giảm và ngược lại, nhưng tổng động năng và thế năng của vật, tức là cơ năng của vật, thì luôn bảo toàn:











 2 ( )2

2 1 2

1mv k l

W W

W đ đh hằng số

c) Áp dụng lập luận trên với một vật chuyển động trong trường lực thế bất kỳ, ta đi đến kết luận tổng quát: “Cơ năng của một vật chỉ chịu tác dụng của những lực thế luôn được bảo toàn” [16, tr. 173]

2.1.2. Tầm quan trọng của chương “Các định luật bảo toàn”

- Nghiên cứu “Các định luật bảo toàn”, học sinh sẽ được học thêm nhiều khái niệm mới để tiếp tục nghiên cứu các chương tiếp theo, đặc biệt là là các vấn đề liên quan đến định luật Becnuli, các máy nhiệt.

- HS có thêm một số phương pháp giải toán mới trong cơ học, đó là phương pháp các ĐLBT.

- Kiến thức mà HS học trong chương này gắn liền với những ứng dụng thực tiễn trong kĩ thuật và đời sống, vì năng lượng luôn là khái niệm vật lí quan trọng nhất, bao trùm mọi hiện tượng thiên nhiên và thực tế đời sống của con người.

- Các thí nghiệm đơn giản và các ví dụ trong tự nhiên, trong cuộc sống và trong kĩ thuật sẽ làm cho HS củng cố thêm thế giới quan duy vật biện chứng và hơn nữa HS có ý thức tiết kiệm năng lương nói riêng và tiết kiệm nói chung.