GIÁO KHOA VẬT LÝ 10 NÂNG CAO THEO PPTN
2.2.NỘI DUNG CÁC KIẾN THỨC VÀ CÁC THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC BÀI “ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG”
TRONG DẠY HỌC BÀI “ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG” VÀ BÀI “ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG” SGK VẬT LÝ LỚP 10 NÂNG CAO
2.2.1. Nội dung các kiến thức của bài “Định luật bảo toàn động lượng” và bài “Định luật bảo toàn cơ năng” SGK Vật lý lớp 10 nâng cao
2.2.1.1. Các kiến thức của bài “Định luật bảo toàn động lượng”
- Hệ kín: Một hệ Vật lý được gọi là kín nếu không có ngoại lực tác dụng lên hệ hoặc tổng ngoại lực tác dụng lên hệ bằng không. Tuy nhiên trong một số trường hợp khi mà ngoại lực có thể coi không đáng kể thì ta có thể coi là hệ kín
- Các định luật bảo toàn: Các định luật bảo toàn có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu Vật lý vì chúng có lĩnh vực áp dụng rất rộng rãi. Các định luật bảo toàn cho ta một phương pháp nghiên cứu mới mà không cần sử dụng các định luật cơ bản quen thuộc của động lực học.
- Tương tác của hai vật trong hệ kín:
Xét một hệ gồm hai vật có khối lượng m1,, m2 tương tác với nhau. Ban đầu chúng có véctơ vận tốc lần lượt v1
và v2
Theo định luật II Niutơn, ta có: 1 1 1
12 1 1 1 1 ' v v v F m a m m t t 2 2 2 21 2 2 2 2 ' v v v F m a m m t t
Theo định luật III Niutơn: F12 F21
Suy ra: m v1 1 m v2 2 m v1'1m v2'2
- Động lượng của một vật chuyển động là đại lượng đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật.
- Định luật bảo toàn động lượng: Véctơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn:
'
p p
2.2.1.2 Các kiến thức của bài Định luật bảo toàn cơ năng - Cơ năng của vật: W = Wđ + Wt
- Định luật bảo toàn cơ năng: Cơ năng của vật chỉ chịu tác dụng của những lực thế luôn được bảo toàn
W = Wđ + Wt =const + Trường hợp vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực
2 2 1 2 1 2 2 2 mv mv mgz mgz
+ Trường hợp vật chịu tác dụng của lực đàn hồi
2 2 ons 2 2 mv kx c t
- Biến thiên cơ năng: Khi ngoài lực thế vật còn chịu tác dụng của lực không phải lực thế, cơ năng của vật không bảo toàn và công của lực này bằng độ biến thiên cơ năng của vật.
A12(lực không thế) = W2 – W1 = ΔW
2.2.2. Các thí nghiệm sử dụng trong dạy học các kiến thức của bài “Định luật bảo toàn động lượng”
* Thí nghiệm 1: Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng bằng đệm không
khí (trường hợp va chạm mềm)
- Mục đích thí nghiệm (MĐTN): Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng (trường hợp va chạm mềm)
- Dụng cụ thí nghiệm (DCTN):
+ Đệm không khí có gắn thước thẳng milimet + Bơm nén khí cùng ống dẫn
+ Hai xe trượt có khối lượng bằng nhau cùng các quả gia trọng + Hai máy đo thời gian tự động hiện số (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Hai đầu cảm biến quang điện hồng ngoại + Chi tiết tạo va chạm mềm
- Bố trí thí nghiệm (BTTN): như hình 2.1
Hình 2.1 - Tiến hành thí nghiệm (THTN):
+ Đặt khoảng cách hai cảm biến cách nhau 50cm, xe 1 đặt ngoài khoảng, xe 2 đặt trong khoảng đó.
+ Bật công tắc cho máy nén khí P hoạt động. Chú ý chỉnh tốc độ khí vừa phải
+ Điều chỉnh 2 vít thăng bằng sao cho hộp khí nằm ngang
+ Suy luận từ định luật bảo toàn động lượng ra hệ quả cần kiểm nghiệm trong thí nghiệm khi xe 1 chuyển động đến va chạm vào xe 2 và dính vào xe 2: hai xe tiếp tục chuyển động theo chiều chuyển động của xe 1 và t’ = 2t, trong đó t là thời gian thanh cản quang chắn cổng quang điện thứ nhất, t’ là thời gian thanh cản quang chắn cổng quang điện thứ 2.
+ Đẩy nhẹ xe 1 để nó chuyển động, quan sát hiện tượng diễn ra và đọc trên đồng hồ các khoảng thời gian t và t’ để kiểm nghiệm các hệ quả đã rút ra. - Kết quả thí nghiệm (KQTN): Đại lượng Lần TN t (s) t’ (s) 1 0,400 0,806 2 0,360 0,720 3 0,420 0,840
- Ưu điểm của bộ thí nghiệm đệm không khí:
+ Khử được ma sát nên cho kết quả chính xác cao + Thao tác thí nghiệm đơn giản, nhanh chóng
+ Kết quả thí nghiệm có thể quan sát trực tiếp trên máy đo thời gian - Nhược điểm của bộ thí nghiệm đệm không khí:
Thí nghiệm cồng kềnh, giá thành cao.
*Thí nghiệm 2: Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng bằng đệm không
- Tương tự thí nghiệm 1 nhưng tháo bộ phận va chạm mềm ra khỏi xe và gắn bộ phận va chạm đàn hồi.
- Suy luận từ định luật bảo toàn động lượng ra hệ quả cần kiểm nghiệm trong thí nghiệm khi xe 1 chuyển động đến va chạm đàn hồi với xe 2, sau va chạm xe 1 dừng lại, xe 2 chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động của xe 1 trước va chạm và t = t’, trong đó t là thời gian thanh cản quang chắn cổng quang điện thứ nhất, t’ là thời gian thanh cản quang chắn cổng quang điện thứ hai. - KQTN: Đại lượng Lần TN t (s) t’ (s) 1 0,300 0,297 2 0,350 0,350 3 0,400 0,394
* Thí nghiệm 3: Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng bằng đồng hồ rung
(trường hợp va chạm mềm)
- MĐTN: Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng cho trường hợp va chạm mềm trên mặt phẳng nằm ngang bằng đồng hồ rung
- DCTN:
+ Bộ thí nghiệm cơ học với thiết bị đo thời gian tự động (đồng hồ rung) + Hai xe lăn có khối lượng bằng nhau và các quả gia trọng
Hình 2.2 - THTN:
+ Suy luận từ định luật bảo toàn động lượng ra hệ quả cần kiểm nghiệm trong thí nghiệm khi xe 1 chuyển động đến va chạm vào xe 2 và dính vào xe 2: hai xe tiếp tục chuyển động theo chiều chuyển động của xe 1 và s’ =
2
s
, trong đó s là quãng đường xe 1 đi được trước va chạm trong thời gian t, s’ là quãng đường cả hai xe đi được cũng trong thời gian t sau va chạm
+ Cho đồng hồ cần rung hoạt động và đẩy xe 1 để nó chuyển động (xe 1 có gắn băng giấy), quan sát hiện tượng diễn ra và dùng thước đo s, s’ trên băng giấy. - KQTN: xét với t = 0,1s Đại lượng Lần TN s (mm) s’ (mm) 1 25 12 2 30,5 16 3 33 16
- Ưu điểm của bộ thí nghiệm:
+ Nhỏ gọn hơn bộ thí nghiệm đệm không khí + Giá thành rẻ
- Nhược điểm của bộ thí nghiệm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Không khử được hết ma sát (ma sát cả ở máng nằm ngang và cả ở đồng hồ rung)
+ Sai số lớn: do vết nhoè của mực, do gặp sai số trong quá trình đo s, s’, …
* Thí nghiệm 4: Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng bằng đồng hồ rung
(trường hợp va chạm đàn hồi)
- Tương tự thí nghiệm 3 nhưng tháo bộ phận va chạm mềm ra khỏi xe, gắn vào đó bộ phận va chạm đàn hồi và phải sử dụng hai đồng hồ rung gắn vào hai xe
- Suy luận từ định luật bảo toàn động lượng ra hệ quả cần kiểm nghiệm trong thí nghiệm khi xe 1 chuyển động đến va chạm đàn hồi với xe 2, sau va chạm xe 1 dừng lại, xe 2 chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động của xe 1 trước va chạm và s = s’, trong đó s là quãng đường xe 1 đi được trước va chạm trong thời gian t, s’ là quãng đường xe 2 đi được cũng trong thời gian t sau va chạm - KQTN: xét với t = 0,1s Đại lượng Lần TN s (mm) s’ (mm) 1 29 28 2 32 32,5 3 23 22
2.2.3. Các thí nghiệm sử dụng trong dạy học bài: “Định luật bảo toàn cơ năng”
* Thí nghiệm 5
- MĐTN: Nghiệm định luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực.
- DCTN:
+ Một đồng hồ đo thời gian hiện số + Một cổng quang điện
+ Một hòn bi sắt
+ Một nam châm điện, nguồn điện
+ Giá đỡ, bao cát, thước thẳng dài 1 mét có chia đến milimét, panme, quả dọi, các khớp nối đa năng.
- Bố trí thí nghiệm như hình 2.3
- THTN:
+ Dùng panme đo đường kính hòn bi: d + Cho nam châm hút giữ hòn bi
+ Phối hợp điều chỉnh các vít sao cho quả dọi nằm đúng tâm của hòn bi và cổng quang điện
+ xác định khoảng cách h từ hòn bi tới cổng quang điện
+ Cho đồng hồ đo thời gian hoạt động. Ấn nút RESET trên mặt đồng hồ để đưa chỉ số của đồng hồ về giá trị 0.000
+ Bật công tắc của nguồn điện để thả hòn bi rơi
+ Ghi khoảng thời gian t hiện trên đồng hồ, ta sẽ xác định được vận tốc tức thời của hòn bi ở thời điểm hòn bi qua cổng quang điện: v = s d
t t
+ Suy luận từ định luật bảo toàn cơ năng ra các hệ quả (chọ gốc thế năng tại vị trí đặt cổng quan điện):
WA = WB <=> mgh = 1 2 2mv <=> gh = 1 2 2v = 2 1 2 d t - KQTN: lấy g = 10m/s2 Đại lượng Lần TN d (m) t (s) 2 1 2 d t h (m) gh 1 16.10-3 0,007 2,612 26,5.10-2 2,650 2 15,5.10-3 0,006 3,337 32,6.10-2 3,260 3 15,8.10-3 0,006 3,467 34.10-2 3,400
- Ưu điểm của bộ thí nghiệm + Dễ chế tạo, giá thành rẻ
+ Thao tác thí nghiệm đơn giản, dễ tiến hành - Nhược điểm của bộ thí nghiệm:
Không quan sát được kết quả trực tiếp, phải thông qua tính toán nên dễ mắc sai số.
* Thí nghiệm 6
- MĐTN: Nghiệm định luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- DCTN:
+ Đệm không khí có gắn thước thẳng milimét + Một con lắc lò xo + Một xe trượt + Giá đỡ và các khớp nối - BTTN như hình 2.4 Hình 2.4 - THTN:
+ Điều chỉnh hai vít thăng bằng sao cho hộp khí nằm ngang
+ Mắc xe trượt vào lò xo (như hình 6), xác định vị trí cân bằng của xe trượt + Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng rồi buông tay, con lắc chuyển động không ma sát. Xác định các vị trí biên mà vật có thể đạt được (A, A’).
- KQTN: AA’.
- Ưu điểm của bộ thí nghiệm:
+ Khử được ma sát nên cho kết quả chính xác cao. + Thao tác thí nghiệm đơn giản, dễ tiến hành.
+ Có thể quan sát trực tiếp kết quả cần kểm nghiệm. - Nhược điểm của bộ thí nghiệm:
Thí nghiệm cồng kềnh, giá thành cao.