GIÁO KHOA VẬT LÝ 10 NÂNG CAO THEO PPTN
2.3. SOẠN THẢO TIẾN TRÌNH DẠY HỌC THEO CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PPTN CÁC KIẾN THỨC CỦA BÀI “ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
CỦA PPTN CÁC KIẾN THỨC CỦA BÀI “ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG VÀ BÀI “ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG”
2.3.1. Sơ đồ mô phỏng tiến trình khoa học giải quyết vấn đề, xây dựng tri thức
Dạng khái quát của sơ đồ mô phỏng tiến trình
khoa học giải quyết vấn đề, đề suất một kiến thức cụ thể [23] Tình huống (điều kiện) xuất phát nảy sinh vấn đề
Vấn đề
(đòi hỏi tìm kiếm xây dựng kiến thức)
Định hướng giải pháp cho vấn đề BÀI TOÁN
Giải quyết bài toán nhờ suy luận/ nhờ thí nghiệm và quan sát/ nhờ phỏng đoán/ giả thuyết
Dạng khái quát của sơ đồ mô phỏng tiến trình khoa học giải quyết vấn đề, kiểm nghiệm hoặc ứng dụng một kiến thức cụ thể [23]
Tình huống (điều kiện) xuất phát nảy sinh vấn đề
Giải bài toán bằng suy luận lý thuyết nhờ vận dụng kết luận/ kiến thức
Giải bài toán nhờ thí nghiệm và quan sát
Kết luận
(thu được nhờ suy luận lý thuyết)
Kết luận (thu được nhờ thí nghiệm và quan sát)
Kết luận về kiến thức mới Vấn đề
(Đòi hỏi kiểm nghiểm - Ứng dụng kết luận/ kiến thức đã nêu )
Định hướng giải pháp cho vấn đề BÀI TOÁN
2.3.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức: Định luật bảo toàn động lượng Trong tương tác giữa hai vật mỗi vật đều thu được gia tốc nghĩa là vận
tốc của hai vật thay đổi
Có hệ thức nào liên hệ giữa vận tốc của các vật trước và sau va chạm với khối lượng của chúng không? Và từ đó có thể nhận thấy đại lượng nào đặc trưng cho các vật chuyển động mà trong quá trình tương tác nó tuân theo một quy luật
- Từ mối liên hệ giữa các lực tương tác theo định luật III Niutơn, biểu diễn các lực theo định luật II Niutơn (theo a
) - Biểu diễn các a
theo v
Ta sẽ thấy được mối liên hệ của các véc tơ vận tốc trước và sau va chạm với khối lượng của chúng
Theo định luật II Niutơn:
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:
12 21
F F
1 1 2 2 1 '1 2 '2
m v m v m v m v
Tổng của hai tích khối lượng và vận tốc của các vật trước và sau tương tác là một số không đổi
Ta có thể kiểm nghiệm kết lụân này như thế nào?
- Tiến hành thí nghiệm với bộ đệm không khí: + Bố trí thí nghiệm
+ Tiến hành thí nghiệm Suy luận từ định luật bảo toàn động lượng 1 1 2 2 1 '1 2 '2 m v m v m v m v Xét trường hợp m1 = m2 = m; v2 = 0 +Va chạm đàn hồi v1 = v2’ ' s s t t +Va chạm mềm v1 = 2v’ 2 ' s s t t Đọc các thời gian t, t’ trên đồng hồ đo hiện số + Va chạm đàn hồi: t = t’ + Va chạm mềm: t’ = 2t + Va chạm đàn hồi: t = t’ + Va chạm mềm: t’ = 2t
- Tổng của hai tích khối lượng của vận tốc của các vật trước và sau tương tác không đổi
- Tích mv
đặc trưng cho lượng chuyển động của vật được gọi là động lượng của vật. Ký hiệu là: p
- Định nghĩa động lượng: động lượng của một vật là đại lượng véc tơ bằng tích của khối lượng với vận tốc của vật ấy
2.3.3. Tiến trình giảng dạy bài “Định luật bảo toàn động lượng” sách giáo khoa vật lý 10 nâng cao theo PPTN
I. Mục tiêu 1. Về kiến thức
- Phát biểu được định nghĩa hệ kín và lấy ví dụ về hệ kín
- Viết được công thức tính động lượng và nêu được đơn vị đo động lượng. - Phát biểu và viết được hệ thức của định luật bảo toàn động lượng đối với hệ hai vật.
2. Về kĩ năng
- Suy luận được định luật bảo toàn động lượng từ các kiến thức đã biết (định luật II Niutơn, định luật III Niutơn và công thức tính gia tốc)
- Sử dụng được thiết bị thí nghiệm đệm không khí để tiến hành về tương tác của hai xe.
- Áp dụng được định luật bảo toàn động lượng để giải bài toán và giải thích các hiện tượng có liên quan
- Rèn kĩ năng lập luận lôgic, phát triển tư duy và kĩ năng thực nghiệm. 3. Về tư tưởng
- Tạo hứng thú trong nghiên cứu tài liệu mới.
- Xây dựng tinh thần đoàn kết giúp đỡ nhau trong học tập. II. Chuẩn bị
1.Giáo viên
Dụng cụ thí nghiệm gồm:
- 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
- Chi tiết tạo va chạm đàn hồi và va chạm mềm 2. Học sinh
- Ôn tập công thức tính gia tốc. - Ôn tập định luật II, III Niutơn. III. Thiết kế hoạt động dạy học
Hoạt động của học sinh Trợ giúp của giáo viên Hoạt động 1:
Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát. Xác định vấn đề cần nghiên cứu a F m
Viết biểu thức của định luật II Niutơn?
'v v v v v v a t t
Như vậy biết lực tác dụng lên vật có thể
suy ra được gia tốc. Biết gia tốc có thể tìm được vận tốc hay không?
Khối lượng của vật không thay đổi trong quá trình tương tác
Đúng vậy, khi biết lực ta còn có thế biết được chuyển động của vật tức là đã giải quyết được bài toán cơ bản của động lực học. Tuy nhiên định luật II Niutơn chỉ đúng trong điều kiện khối lượng của vật mà ta xét như thế nào?
Tuy nhiên trong thực tế có những trường hợp ta không thể xác định được khối lượng của vật liên tục thay đổi. Ví dụ trong các vụ nổ, trong quá trình chuyển động của tên lửa…
Cá nhân nhận thức vấn đề của bài học
Trong những điều kiện như vậy để xác định vị trí, tính chất chuyển động của vật ta không thể dùng các định luật Niutơn mà phải đi theo con đường khác. Đó chính là con đường dùng các định luật bảo toàn. Bài học hôm nay chúng ta sẽ đi nghiên cứu định luật bảo toàn đầu tiên là định luật bảo toàn động lượng
Hoạt động 2:
Tìm hiểu về thuật ngữ “Bảo toàn” Bảo toàn ở đây có nghĩa là không thay đổi, ban đầu bao nhiêu thì lúc sau vẫn giữ nguyên như vậy
Trong cuộc sống hàng ngày các em thường được nghe tới các khái niệm bảo toàn như: Bảo toàn vốn, bảo toàn lực lượng. Vậy những khái niệm bảo toàn này được hiểu như thế nào?
Trong vật lý học, người ta cũng sử dụng các khái niệm bảo toàn như bảo toàn năng lượng, bảo toàn động lượng, bảo toàn công thì khái niệm bảo toàn ở đây cũng được hiểu là những đại lượng có giá trị không đổi theo thời gian
Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ Các định luật bảo cho ta một phương pháp mới có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu vật lý vì chúng có lĩnh vực áp dụng rất rộng rãi
Hoạt động 3:
Sự cần thiết đưa ra khái niệm hệ kín
Mỗi vật trong hệ chịu tác dụng của nhiều lực từ các vật trong hệ lẫn các vật ngoài hệ
Khi ta xét một hệ vật thì thông thường mỗi vật trong hệ chịu tác dụng của những lực nào?
Để đơn giản người ta nghiên cứu những hệ mà các vật trong hệ chỉ tương tác với nhau mà không tương tác với các vật ngoài hệ. Người ta gọi đó là những hệ kín hay hệ cô lập.
Ghi khái niệm hệ kín Thông báo khái niệm hệ kín Hệ vật và trái đất không phải hệ
kín vì vẫn có lực hấp dẫn từ các thiên thể trong vũ trụ
Hệ vật và trái đất có phải là hệ kín không?
Thông báo: Trong thực tế trái đất khó có thể thực hiện được một hệ tuyệt đối kín vì không thể nào triệt tiêu được hoàn toàn lực ma sát, các lực cản và lực hấp dẫn. Nhưng nếu các lực đó là nhỏ thì một cách gần đúng ta coi hệ vật và trái đất là hệ kín.
Cá nhân tiêp thu thông báo Trong các vụ nổ, va chạm các nội lực xuất hiện thường rất lớn so với ngoại lực thông thường nên hệ vật có thể coi gần đúng là hệ kín trong thời gian ngắn xảy ra hiện tượng
Hoạt động 4:
Hình thành khái niệm động lượng, định luật bảo toàn động lượng
Tìm câu trả lời (thảo luận)
Khi hai vật tương tác vào nhau thì mỗi vật đều thu được gia tốc, nghĩa là vận tốc của mỗi vật đều bị thay đổi. Nếu vật 1 có khối lượng m1, chuyển động với vận tốc
v
1 va chạm với vật 2 có khối lượng m2, chuyển động với vận tốc v
2, sau va chạm vận tốc của chúng là v' , '1 v 2
thì có hệ thức nào biểu thị mối liên hệ giữa các vận tốc này không?
- Đề xuất giải pháp (thảo luận chung toàn lớp)
Viết mối liên hệ giữa các vận tốc và gia tốc, mối liên hệ giữa gia tốc và lực, mối liên hệ giữa hai lực tương tác.
- Thực hiện giải pháp (làm việc cá nhân) 1 1 2 2 1 '1 2 '2 m v m v m v m v 1 1 1 1 ' v v v a t t 2 2 2 2 ' v v v a t t 1 2 2 2 F m a ; F2 1 m a11
Gợi ý tìm câu trả lời: Sự biến đổi của vận tốc có liên quan đến gia tốc, gia tốc của vật này biểu thị được qua lực mà vật kia tác dụng lên. Các lực này lại có mối liên hệ với nhau. Vậy các vận tốc này có mối liên hệ với nhau như thế nào
12 21 2 2 1 1F F m a m a F F m a m a 2 2 1 1 2 1 ' ' v v v v m m t t Kết luận: 1 1 2 2 1 '1 2 '2 m v m v m v m v
Đề xuất phương án thí nghiệm (thảo luận chung toàn lớp): + Cho hai vật chuyển động va chạm vào nhau, xác định các vận tốc của chúng trước và sau va chạm, còn khối lượng của mỗi vật thì dùng cân để xác định + Muốn xác định vận tốc của vật, ta có thể dùng đồng hồ hiện số đo thời gian để vật đi được quãng đường mà ta định trước hoặc dùng đồng hồ cần rung đo quãng đường mà vật đi được trong khoảng thời gian đã biết.
+ Ta phải xác định đồng thời các vận tốc của hai vật trước va chạm và vận tốc của chúng sau va chạm
Làm thế nào để kiểm nghiệm được kết luận này?
Để thu hẹp được phạm vi kiểm nghiệm, ta có thể rút ra hệ quả: Cho vật 1 chuyển động đến va chạm vào vật 2 đứng yên (m1 = m2 = m; v2 = 0)
được kiểm tra bằng thí nghiệm: Vì v2 = 0; m1 = m2 = m + Va chạm mềm: v’1 = v’2 = v’; v1 = v => v = 2v’ 2 ' ' s s t t + Va chạm đàn hồi: v1 = v; v’1 = 0; v’2 = v’ => v = v’ ' ' s s t t ' ' s s t t
nghiệm điều gì bằng thí nghiệm?
- Nếu dùng đồng hồ hiện số: Đặt xe 2 trong khoảng, xe 1 ngoài khoảng hai cảm biến. Đẩy nhẹ xe 1 chuyển động đến va chạm xe 2. Đọc trên đồng hồ các khoảng thời gian t và t’ (s = s’)
Kiểm tra với:
+ Va chạm mềm: t’ = 2t + Va chạm đàn hồi: t’ = t
- Nếu dùng đồng hồ cần rung: Cho xe 1 gắn băng giấy chuyển động đến va chạm với xe 2 đang đứng yên. Đo quãng đường các xe chuyển động được trước và sau va chạm trong cùng một khoảng thời gian (t = t’)
Kiểm tra với:
Với đồng hồ hiện số hoặc đồng hồ rung làm thế nào để kiểm tra được điều này?
+ Va chạm mềm: s’ =
2
s
+ Va chạm đàn hồi: s’ = s
Các nhóm tiến hành thí nghiệm
Vì không có nhiều thời gian nên ta chỉ tiến hành thí nghiệm với phương án dùng đệm không khí:
- Nửa lớp sẽ tiến hành thí nghiệm với trường hợp va chạm mềm, nửa lớp còn lại tiến hành với trường hợp va chạm đàn hồi.
- Quan sát, giúp đỡ hai nhóm trong quá trình làm thí nghiệm Nhóm 1: Trường hợp va chạm mềm Đại lượng Lần TN t (s) t’ (s) 1 2 3 Nhận xét: Trong phạm vi sai số cho phép, kết luận cần kiểm nghiệm là đúng
Nhóm 2: Trường hợp va chạm đàn hồi
Yêu cầu đại diện các nhóm báo cáo kết quả và nêu kết luận
Đại lượng Lần TN t (s) t’ (s) 1 2 3 Nhận xét: Trong phạm vi sai số cho phép, kết luận cần kiểm nghiệm là đúng
Như vậy kết quả thí nghiệm khẳng định điều cần kiểm nghiệm.
Thông báo: Người ta gọi tích của vận tốc và khối lượng của vật là động lượng. Ký hiệu là p
Do vận tốc là đại lượng véc tơ, khối lượng đại lượng vô hướng nên động lượng là đại lượng véc tơ
Động lượng của vật là đại lượng véc tơ hay vô hướng?
Đúng vậy: Động lượng của một vật chuyển động là một đại lượng vật lý véc tơ đặc trưng cho chuyển động của vật trong tương tác với vật khác, được đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật: pmv
- Đơn vị của động lượng là kg m.
s
- Định luật bảo toàn động lượng: Véc tơ tổng động lượng của hệ
Hãy xác định đơn vị của động lượng, phát biểu và viết biểu thức của định luật bảo toàn động lượng.
kín được bảo toàn: p p' ' p p
: véc tơ tổng động lượng của hệ trước tương tác
p'
: véc tơ tổng động lượng của hệ sau tương tác
hệ kín gồm nhiều vật
Thông báo: Định luật bảo toàn động lượng tuy đã được suy ra từ các định luật Niutơn nhưng định luật này có ý nghĩa tổng quát hơn các định luật Niutơn. Có những trường hợp (sau này sẽ học) mà các định luật Niutơn không còn đúng nữa nhưng định luật bảo toàn động lượng vẫn đúng
Hoạt động 5:
Vận dụng, củng cố, tổng kết bài Cá nhân làm việc, đại diện trình bày
- Yêu cầu học sinh làm bài tập vận dụng: Toa xe thứ nhất có khối lượng 3 tấn chạy với vận tốc 4m/s đến va chạm với toa xe thứ 2 đứng yên có khối lượng 5 tấn làm toa này chuyển động với vận tốc 3m/s. Sau va chạm, toa xe thứ nhất chuyển động với vận tốc bằng bao nhiểu? Chọn chiều dương là chiều chuyển động ban đầu của toa thứ nhất.
- Giáo viên nhận xét bài làm của học sinh Cá nhân trả lời câu hỏi và nhận - Yêu cầu học sinh nhắc lại khái niệm
nhiệm vụ học tập động lượng, phát biểu và viết biểu thức định luật bảo toàn động lượng.
- Ra bài tập về nhà:
+ Làm bài tập 5,6 và 7 sách giáo khoa + Ôn lại kiến thức về: Khái niệm công, công suất (đã học ở THCS) và cách phân tích lực
2.3.4. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức “Định luật bảo toàn cơ năng” - Trong quá trình chuyển động, động năng và thế năng của vật trong trường lực thế (trọng lực và lực đàn hồi) liên tiếp thay đổi, khi động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại
- Định lý động năng: Độ biến thiên động năng của một vật bằng công của ngoại lực tác dụng lên vật.
- Công của lực thế bằng hiệu thế năng của vật tại vị trí đầu và vị trí cuối
Khi vật chuyển động trong trường lực thế hệ thức liên hệ giữa động năng và thế năng của vật là gì?