SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT HOẰNG HÓA 3 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VỀ LỰC MA SÁT NHẰM PHÁT HUY NĂNG LỰC SÁNG TẠO TRONG DẠY HỌC CHỦ ĐỀ LỰC MA SÁT – VẬT
NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
Thực trạng, kết quả, hiện quả vấn đê nghiên cứu
Vật lí là môn khoa học ứng dụng, chủ yếu dựa vào quan sát và thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết và giải thích các hiện tượng tự nhiên Do đó, việc vận dụng kiến thức vật lí vào cuộc sống là rất quan trọng trong giảng dạy ở chương trình phổ thông Giáo viên cần khuyến khích học sinh áp dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn để nâng cao khả năng hiểu biết và ứng dụng vật lí trong cuộc sống hàng ngày.
Hầu hết giáo viên tập trung vào việc truyền đạt kiến thức Vật lý cho học sinh mà ít chú ý đến việc phát triển năng lực thực nghiệm, giao tiếp, đánh giá và phản biện Điều này dẫn đến việc học sinh không được rèn luyện đầy đủ các kỹ năng cần thiết để áp dụng kiến thức vào thực tiễn và tư duy phản biện hiệu quả.
Việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học và rèn luyện năng lực thực nghiệm cho học sinh còn hạn chế Do các nguyên nhân sau:
Trong một tiết học, khối lượng kiến thức thường rất lớn, trong khi thời gian dành cho các thí nghiệm nhóm lại hạn chế Điều này khiến giáo viên ngần ngại trong việc thực hiện các thí nghiệm, ảnh hưởng đến quá trình học tập và trải nghiệm thực hành của học sinh.
Cơ sở vật chất cho môn Vật lý hiện còn hạn chế, với việc thiếu thiết bị và các bài thí nghiệm chưa đạt tiêu chuẩn chuyên nghiệp Thời gian lắp ráp thí nghiệm kéo dài và độ chính xác của kết quả đo không cao, gây khó khăn trong quá trình thực hiện Điều này dẫn đến việc học sinh ít có cơ hội tiếp xúc với thực hành thí nghiệm.
Giáo viên thường sử dụng bộ thí nghiệm theo quy định của Bộ Giáo dục, nhưng thực hành thí nghiệm chủ yếu do giáo viên thực hiện, trong khi học sinh chỉ quan sát hoặc làm theo sách giáo khoa Các thí nghiệm thường ít được thực hiện trong giờ học chính khóa và chủ yếu mang tính minh họa, không kèm theo nhiệm vụ nhận thức hay kiểm tra giả thuyết Việc bổ sung bài tập thí nghiệm ngoài sách giáo khoa rất hiếm, và giáo viên chưa hướng dẫn học sinh tự chế tạo hoặc thực hiện các thí nghiệm đơn giản do thời gian hạn hẹp và sự chuẩn bị thí nghiệm tốn nhiều thời gian.
Hầu hết học sinh hiện nay chủ yếu học thuộc lòng kiến thức và giải bài tập mà chưa chú trọng đến việc nghiên cứu và thực hành thí nghiệm để phát triển năng lực học tập Phương pháp dạy học hiện tại vẫn thiên về truyền đạt kiến thức, trong khi mục tiêu của đa số học sinh là để thi vào các trường Đại học, thay vì tập trung vào việc áp dụng kiến thức và kỹ năng vào thực tiễn.
Học sinh hiện nay chưa được tiếp cận nhiều với các phương pháp dạy học tích cực như học theo nhóm, dự án và ngoại khóa Điều này dẫn đến việc các em ít có cơ hội hoạt động, không chủ động trong việc tiếp thu kiến thức và gặp khó khăn trong việc giải quyết các vấn đề thực tiễn.
Trong giờ học, học sinh thường chỉ thực hiện thí nghiệm vào cuối chương, chủ yếu để hoàn thành báo cáo theo hướng dẫn sách giáo khoa Việc này hạn chế khả năng đề xuất phương án thí nghiệm và hình dung thiết bị cần thiết cho quá trình thí nghiệm.
Khi học về ma sát, học sinh thường gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa lực ma sát nghỉ và lực ma sát nghỉ cực đại, cũng như trong việc biểu diễn véc tơ lực ma sát tác dụng lên vật Kiến thức chủ yếu được tiếp thu từ lý thuyết và thí nghiệm trong sách giáo khoa, dẫn đến việc học sinh chỉ ghi nhớ để làm bài tập mà không thực sự hiểu rõ vai trò và ứng dụng của ma sát trong thực tế Mặc dù ma sát có nhiều ứng dụng gần gũi trong cuộc sống, nhưng học sinh ít quan tâm đến vấn đề này.
1.2 Nguyên nhân của những tồn tại, hạn chế [1]
Vật lý được coi là một trong những môn học khó khăn tại trường phổ thông, và nếu thiếu bài giảng cũng như phương pháp giảng dạy phù hợp, học sinh dễ trở nên thụ động trong việc tiếp thu kiến thức Hiện tượng một bộ phận học sinh không còn hứng thú với môn vật lý ngày càng gia tăng, dẫn đến việc họ dần lạnh nhạt với những giá trị thực tiễn mà môn học này mang lại.
Chương trình học hiện tại chủ yếu tập trung vào kiến thức lý thuyết, dẫn đến việc giáo viên gặp khó khăn trong việc truyền đạt nội dung cho học sinh Điều này khiến thời gian dành cho việc liên hệ thực tế, mở rộng kiến thức và thực hiện thí nghiệm trở nên hạn chế.
Cơ sở vật chất cho phòng học Vật lí tại nhiều trường còn hạn chế, dẫn đến khó khăn trong việc thực hiện thí nghiệm, khiến học sinh ít có cơ hội tiếp xúc với thực hành và hiểu rõ các hiện tượng thực tế Hơn nữa, việc xét tổ hợp môn vào Đại học và Cao đẳng cho một số ngành không yêu cầu môn Vật lí cũng khiến học sinh không chú trọng đầu tư vào môn học này.
Nguyên nhân thứ hai là từ những người trực tiếp giảng dạy môn học.
Giáo viên cần chú trọng hơn đến đối tượng giáo dục của mình và xác định rõ nhiệm vụ cũng như trách nhiệm trong việc nghiên cứu Việc áp dụng đồng loạt một phương pháp dạy học và bài giảng cho nhiều lớp và thế hệ học sinh là một hiện tượng phổ biến nhưng cần được khắc phục.
Nhiều giáo viên dạy Vật lý hiện nay thường sử dụng các thuật ngữ khoa học trừu tượng, khiến cho học sinh khó hiểu và không tiếp cận được kiến thức thực tế Điều này dẫn đến việc giảng dạy Vật lý trở nên xa rời với thực nghiệm, trong khi môn học này vốn dĩ gắn liền với các ứng dụng thực tế.
Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến việc học sinh tiếp thu kiến thức kém là cách ra đề kiểm tra đánh giá vẫn còn theo lối mòn, chủ yếu yêu cầu học thuộc lý thuyết từ sách giáo khoa Các bài tập kiểm tra chủ yếu chỉ yêu cầu áp dụng công thức để tính toán mà không gắn liền với thực tiễn hoặc thí nghiệm thực hành Điều này khiến học sinh chỉ học theo xu hướng ra đề của giáo viên mà không thực sự hiểu và vận dụng kiến thức vào cuộc sống.
1.3 Phân tích, đánh giá và chỉ ra tính cấp thiết của sáng kiến.
Giải pháp để thực hiện sáng kiến
2.1 Nội dung kiến thức trọng tâm về lực ma sát
2.1.1 Giới thiệu hiện tượng ma sát
Trong vật lý học, ma sát là lực cản giữa các bề mặt vật chất, ngăn chặn sự thay đổi vị trí tương đối giữa chúng Ma sát hiện diện trong mọi khía cạnh của cuộc sống, thường bị bỏ qua nhưng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động hàng ngày.
Tay người có thể dễ dàng cầm một vật nhờ có ma sát
Trong trận chung kết giải vô địch bóng đá U23 châu Á 2018 tại Thường Châu, Trung Quốc, các cầu thủ U23 Việt Nam đã phải thay giày thường bằng giày có đinh sắt dài hơn Việc này nhằm tăng cường ma sát và chống trơn trượt khi thi đấu trên sân mưa tuyết.
Lốp xe đạp non hơi khiến người đạp tốn nhiều sức lực và di chuyển chậm Khi lốp được bơm căng, ma sát giảm, giúp việc đạp xe trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Ma sát đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, giúp giữ đồ vật trong tay và duy trì vị trí của bàn ghế trong phòng Nếu không có ma sát, chúng ta sẽ không thể di chuyển bằng cách đi bộ hay sử dụng các phương tiện như xe máy, ô tô Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc giảm ma sát là cần thiết, chẳng hạn như trong các hiện tượng chuyển động hoặc khi chế tạo động cơ Ngược lại, có những tình huống cần tăng ma sát, như khi rải cát trên đường trơn, cải thiện độ bám cho đế giày hoặc sử dụng bột trong một số môn thể thao để tăng cường ma sát.
2.1.2 Phân loại lực ma sát[2]
Hình 2.1.1 mô tả một vật đứng yên tiếp xúc với mặt phẳng ngang của một vật khác Khi tác dụng lực kéo F, theo định luật II Newton, vật sẽ có gia tốc và chuyển động Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy vật nặng vẫn đứng yên mặc dù có lực kéo tác dụng Điều này được giải thích bởi hiện tượng ma sát, giữ cho vật không di chuyển.
Lực ma sát nghỉ là lực xuất hiện để chống lại ngoại lực, giúp giữ cho vật thể không di chuyển.
Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi vật chịu tác dụng của ngoại lực nó có xu hướng chống lại ngoại lực làm cho vật đứng yên
- Độ lớn của lực ma sát nghỉ
Lực ma sát nghỉ luôn cân bằng với ngoại lực Fmsn=F
- Đặc điểm của lực ma sát nghỉ:
+ Điểm đặt: Trên vật tại chỗ tiếp xúc giữa vật và bề mặt.
+ Phương: Tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
+ Chiều: ngược chiều với chiều ngoại lực tác dụng làm vật có xu hướng trượt.
Lực kéo tăng, lực ma sát nghỉ cũng tăng tương ứng, khi vật bắt đầu chuyển động lực ma sát nghỉ đạt giá trị cực đại: F msn (max) n N
+ n là hệ số ma sát nghỉ.
Khi vật trượt, lúc này lực ma sát nghỉ được thay bằng lực ma sát trượt.
- Lực ma sát trượt xuất hiện khi một vật trượt trên mặt một vật khác và có tác dụng ngăn cản chuyển động trượt của vật
- t : Hệ số ma sát trượt ( n > t )
Biểu thức tính gia tốc:
Do độ lớn phản lực pháp tuyến N bằng với trọng lực P của vật.
- Đặc điểm của lực ma sát trượt:
+ Điểm đặt: Trên vật chuyển động trượt tại vị trí tiếp xúc
+ Phương: tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
+ Chiều: Ngược chiều với vận tốc tương đối của vật đối với vật tiếp xúc.
+ Độ lớn: tỉ lệ với áp lực ở mặt tiếp xúc N: F mst t N
Hệ số ma sát trượt không bị ảnh hưởng bởi diện tích bề mặt tiếp xúc hay vận tốc di chuyển của vật Thay vào đó, nó phụ thuộc vào bản chất và tình trạng của bề mặt tiếp xúc.
Để đề xuất các phương án thí nghiệm xác định thông số trong hiện tượng ma sát, chúng tôi trình bày các biểu thức tính toán cho vật trượt trên mặt phẳng nghiêng, như thể hiện trong Hình 2.4.
Viết phương trình chuyển động:
Hình 2.1.2 Biểu diễn các lực tác dụng lên vật sinh ra lực ma sát nghỉ
Hình 2.1.3 Biểu diễn hiện tượng sinh ra lực ma sát trượt
Hình 2.1.4 Biểu diễn các lực lên vật trượt lên phía trên mặt phẳng nghiêng
Vật có xu hướng trượt trên mặt nghiêng từ trên xuống Chiếu theo chiều chuyển động:
Do F ms t N và nên vật trượt xuống trên mặt phẳng nghiêng có gia tốc:
- Theo định nghĩa hệ số ma sát
- Vật được thả không vận tốc ban đầu nên suy ra a = 2 2 t
Lực ma sát lăn xuất hiện tại điểm tiếp xúc giữa hai vật khi một vật lăn trên bề mặt của vật khác, có tác dụng ngăn cản chuyển động lăn của vật đó.
- Đặc điểm của lực ma sát lăn
+ Điểm đặt: Trên vật chuyển động lăn tại vị trí tiếp xúc
+ Phương: tiếp tuyến với mặt tiếp xúc
+ Chiều: Chống lại chuyển động lăn.
+ Độ lớn: tỉ lệ với áp lực ở mặt tiếp xúc
- l : Hệ số ma sát lăn ( l t ). động tương đối của vật.
2.1.3.Ứng dụng của ma sát [2]
- Nhờ ma sát con người và các loài động vật có thể di chuyển, đứng yên, ta có thể cầm nắm các vật, các đồ vật cố định
Lực ma sát có khả năng làm biến dạng bề mặt vật liệu, và ma sát mài mòn các bề mặt này Do đó, ma sát là yếu tố kỹ thuật quan trọng trong việc phát triển các thiết bị như máy mài, mài gương, sơn mài và đánh bóng.
Lực ma sát đóng vai trò quan trọng trong việc cản trở chuyển động, giúp hãm tốc độ các phương tiện giao thông trên Trái Đất Đồng thời, nó cũng chuyển đổi năng lượng chuyển động thành năng lượng nhiệt.
Nhiệt năng do lực ma sát tạo ra được ứng dụng trong bộ đánh lửa bằng đá lửa Theo truyền thuyết, tổ tiên chúng ta đã biết cách tạo ra lửa bằng cách ma sát giữa các dụng cụ như đá và cành cây.
2.1.4.Các biện pháp làm giảm ma sát [2]
Các giải pháp giảm ma sát thông thường như sau:
- Thay ma sát trượt bằng ma sát lăn
- Thay ma sát khô bằng ma sát nhớt
- Làm nhẵn bề mặt tiếp xúc
- Giảm diện tích hiệu dụng.
- Dùng thiết bị có dạng thuôn
Hình 2.1.5 Mô tả hiện tượng lăn của vật sinh ra lực ma sát nghỉ
2.2 Hệ thống bài thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng ma sát
* Về kiến thức cơ sở
Nghiên cứu tài liệu về ma sát bao gồm việc tìm hiểu các bài tập và thí nghiệm có trong sách giáo khoa, cũng như các tài liệu tham khảo và nguồn thông tin từ internet Việc này giúp củng cố kiến thức và ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn.
- Xây dựng một số phương án khác nhau để đo hệ số ma sát
- Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm để tiến hành thao tác các bài thí nghiệm.
Học sinh cần ôn tập kiến thức về ma sát và nghiên cứu tài liệu tham khảo để tham gia vào việc xây dựng và thực hiện các thí nghiệm liên quan.
- Thông qua giờ học thực hành học sinh có hiểu biết cụ thể hơn về khái niệm
“năng lực thực nghiệm”, tìm hiểu quy trình giải quyết nhiệm vụ thực tiễn từ các kiến thức đã được học tập.
Để tổ chức các buổi học thực hành hiệu quả, cần chuẩn bị cơ sở vật chất với các thiết bị thí nghiệm cần thiết Theo chương trình giáo dục hiện hành, việc thực hiện các thí nghiệm liên quan đến hiện tượng ma sát trong phòng thí nghiệm yêu cầu trang bị đầy đủ các dụng cụ thống kê được liệt kê trong bảng dưới đây.
* Các thiết bị thí nghiệm dùng trong các bài thí nghiệm chủ đề ma sát
STT Chi tiết Số lượng
1 Máng nhôm thẳng có thước đo góc 1
2 Thước thẳng dài 800mm có vạch chia tới mm 1
3 Đồng hồ đo thời gian hiện số 1
Kết quả và khả năng áp dụng, nhân rộng
3.1 Đánh giá kết quả sau thử nghiệm
Trong học kỳ I năm học 2020 – 2021, tôi đã thực hiện thử nghiệm nội dung sáng kiến với sự hỗ trợ của các giáo viên trong nhóm Vật Lí tại trường THPT Hoằng Hóa 3 Đối tượng thử nghiệm là học sinh lớp 10C1 và 10C2, hai lớp này tương đương nhau về mọi mặt.
Trong quá trình dạy học, tôi áp dụng sáng kiến cho lớp 10C1, trong khi lớp 10C2 vẫn được giảng dạy theo phương pháp truyền thống Kết quả cho thấy học sinh lớp 10C1 rất hứng thú với bài học, thể hiện qua sự tích cực khám phá kiến thức và sự chủ động trong việc phát biểu Các em cũng chú ý lắng nghe những nhận xét và bổ sung từ giáo viên, điều này khó đạt được trong các giờ học thông thường Ngoài ra, bài test 10 phút cho thấy kết quả học tập của các em rất tốt, đáp ứng rõ rệt các mức độ kiến thức và kỹ năng cần thiết.
Kết quả cho thấy, tỷ lệ học sinh lớp 10C1 đạt điểm khá giỏi vượt quá 75% sau khi áp dụng sáng kiến, cao hơn rõ rệt so với lớp 10C2 không áp dụng Điều này chứng tỏ hiệu quả của sáng kiến trong việc nâng cao kết quả học tập của học sinh.
Sáng kiến "Xây dựng bài thí nghiệm về lực ma sát" nhằm phát huy năng lực sáng tạo trong dạy học chủ đề lực ma sát cho học sinh lớp 10 đã được kiểm chứng tính thực thi và hiệu quả tại trường THPT Hoằng Hóa 3 Sáng kiến này có thể được áp dụng rộng rãi trong việc dạy và học môn Vật lý trên toàn tỉnh.
3.2 Dự kiến đóng góp của đề tài
- Làm rõ cơ sở lí luận về dạy thực hành trong dạy học Vật lí.
- Đóng góp xây dựng bài thí nghiệm về chủ đề ma sát
- Bổ sung vào nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên phổ thông vật lí.
Giải pháp tổ chức thực hiện
Tùy thuộc vào đặc điểm giảng dạy của từng trường và đối tượng học sinh, việc triển khai nội dung sáng kiến cần được điều chỉnh cho phù hợp Để tối ưu hóa hiệu quả của sáng kiến, học sinh cần phát triển kỹ năng tự học, tự đọc và có kiến thức vững về toán học.
Giáo viên tâm huyết, có thể triển khai nội dung theo phương pháp phù hợp với đối tượng học sinh và cần số lượng thời gian
Sử dụng linh hoạt, hiệu quả các phương pháp dạy học tích cực, dạy học theo định hướng phát triển năng lực học sinh.
Cá nhân tự nghiên cứu, thể nghiệm, tổ chuyên môn nghe báo cáo trong sinh hoạt chuyên đề, dự giờ thực nghiệm và góp ý.
