Cơ sở lý thuyết
Thực trạng công tác bồi dưỡng học sinh giỏi trung học phổ thông trên địa bàn Tỉnh Nghệ An
1.1 Tầm quan trọng của bồi dưỡng học sinh giỏi
"Hiền tài là nguyên khí Quốc gia" nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát hiện và bồi dưỡng nhân tài để xây dựng một quốc gia phồn thịnh Nghị quyết đại hội Đảng khóa VIII đã khẳng định rằng "giáo dục và đào tạo là Quốc sách hàng đầu" Trong hệ thống giáo dục của đất nước, giáo dục ở bậc phổ thông đóng vai trò then chốt trong việc phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao cho tương lai.
Việc phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi (HSG) đóng vai trò then chốt trong quá trình xây dựng nguồn nhân lực chất lượng cao cho đất nước Đây là những bước đầu tiên quan trọng nhằm đáp ứng yêu cầu hội nhập và phát triển bền vững.
1.2 Thực trạng công tác bồi dưỡng học sinh giỏi
Công tác bồi dưỡng học sinh giỏi (HSG) là nhiệm vụ quan trọng trong kế hoạch giáo dục hàng năm tại các trường phổ thông Lãnh đạo trường cần xây dựng và phát triển chương trình dạy học một cách kịp thời và chi tiết, đồng thời ưu tiên về thời gian, nhân lực và vật lực cho việc bồi dưỡng HSG.
Dựa trên kế hoạch của nhà trường, các tổ chuyên môn sẽ phân công giáo viên có năng lực và kinh nghiệm giảng dạy phụ trách đội tuyển HSG Thời gian bồi dưỡng HSG dự kiến kéo dài từ một đến hai tháng sau khi đội tuyển được thành lập để tham gia kỳ thi HSG cấp Tỉnh Giáo viên sẽ lên kế hoạch, soạn nội dung và phối hợp với các giáo viên khác trong quá trình bồi dưỡng Để đạt hiệu quả cao, việc phát hiện sớm học sinh có năng lực tư duy Vật lý từ lớp 10 là rất quan trọng Quá trình bồi dưỡng HSG bắt đầu từ việc phát hiện học sinh ở các lớp THCS đến lớp đầu cấp THPT, sau đó là tuyển chọn và tổ chức tham gia các kỳ thi HSG Kết quả thi HSG chỉ là một căn cứ để đánh giá quá trình bồi dưỡng, trong khi hiệu quả thực tế của quá trình này phản ánh khả năng đáp ứng yêu cầu nguồn nhân lực chất lượng cao của xã hội trong giáo dục phổ thông và giáo dục đại học.
Trên thực tế, việc bồi dưỡng HSG ở bậc THPT thường giao cho một số
Trong số các giáo viên tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi (HSG), một số giáo viên chú trọng phát triển năng lực tự giải quyết vấn đề, sáng tạo và tự học, dẫn đến hiệu quả bồi dưỡng HSG cao thể hiện qua kết quả thi và sản phẩm đào tạo đáp ứng tốt yêu cầu phát triển kinh tế xã hội Tuy nhiên, cũng có nhiều giáo viên quá chú trọng vào thành tích mà xem nhẹ việc hình thành phẩm chất và năng lực cho học sinh giỏi, dẫn đến việc chỉ tập trung cung cấp kiến thức mà thiếu sự phát triển toàn diện cho học sinh.
Nhiều giáo viên hiện nay chỉ chú trọng vào việc dạy lý thuyết và giải bài tập hàn lâm, dẫn đến việc học sinh chỉ giỏi trong những lĩnh vực này mà thiếu kỹ năng giải quyết vấn đề, hợp tác, sáng tạo và tự học Nguyên nhân của tình trạng này có nhiều, nhưng một trong những nguyên nhân chính là phương pháp giảng dạy chưa đáp ứng được nhu cầu phát triển toàn diện của học sinh.
GV tham gia bồi dưỡng cần phát triển niềm đam mê và kỹ năng thiết kế bài tập để nâng cao năng lực giải quyết vấn đề, khả năng tự học và sáng tạo của học sinh.
GV dạy bồi dưỡng HSG quá lệ thuộc vào nguồn học liệu có sẵn càng tạo ra
“Sức ì” của bản thân và sự “rập khuôn” trong học sinh dẫn đến việc thiếu khả năng tự giải quyết vấn đề khi có tình huống mới Để khắc phục tình trạng này, cần thiết phải có những định hướng chiến lược nhằm trang bị cho giáo viên kỹ năng phát triển bài tập, từ đó nâng cao năng lực cho học sinh giỏi Vật lý.
Vai trò của bài tập trong bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí ………………… 4 3 Một số nguyên tắc của sáng tạo thường vận dụng trong việc phát triển bài tập bồi dưỡng HSG Vật lí
Bài tập có vai trò rất quan trọng trong quá trình bồi dưỡng HSG, cụ thể nó thể hiện trên các phương diện sau đây:
- BTVL là một phương tiện rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn.
BTVL đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển tư duy và năng lực giải quyết vấn đề của học sinh, đồng thời giúp bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học hiệu quả.
Giải BTVL giúp học sinh phát triển những đức tính tốt và tác phong làm việc khoa học, bao gồm tính tự lực, kiên trì vượt khó, cẩn thận, hợp tác, và khiêm tốn trong việc học hỏi.
BTVL là công cụ hiệu quả giúp củng cố và ôn tập kiến thức một cách sinh động Việc giải các bài tập yêu cầu học sinh vận dụng các công thức và định luật Vật lý, từ đó nâng cao sự hiểu biết sâu sắc về kiến thức đã học.
- BTVL là phương tiện để để phát hiện, đánh giá năng lực của HS.
BTVL đóng vai trò quan trọng trong quá trình dạy học, có thể được sử dụng ở bất kỳ giai đoạn nào Mục tiêu chính khi giải bài tập vật lý là giúp học sinh hiểu sâu sắc các quy luật vật lý, phân tích và áp dụng chúng vào thực tiễn và kỹ thuật, từ đó phát triển năng lực tư duy và giải quyết vấn đề Giải BTVL không chỉ nâng cao tính tích cực và khả năng tự học của học sinh, mà còn giáo dục ý chí, tinh thần vượt khó, rèn luyện phong cách nghiên cứu khoa học và khơi dậy niềm yêu thích môn Vật lý.
3 Một số nguyên tắc của sáng tạo thường vận dụng trong việc phát triển bài tập bồi dưỡng HSG Vật lí.
Để phát triển bài tập Vật lí hiệu quả, chúng ta có thể áp dụng các nguyên tắc sáng tạo từ bộ sách “Sáng tạo và đổi mới” của giáo sư Phan Dũng Những nguyên tắc này thường được sử dụng để nâng cao chất lượng và tính sáng tạo trong việc thiết kế bài tập.
Nguyên tắc phân nhỏ là một khái niệm quan trọng thường được áp dụng trong sách giáo khoa Vật lý Nguyên tắc này liên quan đến việc sử dụng vi phân và tích phân, giúp giải quyết các bài toán phức tạp một cách hiệu quả.
Nguyên tắc tách khỏi là một hiện tượng vật lý, trong đó các quá trình phức tạp được chia thành những phần riêng biệt để nghiên cứu và giải quyết từng vấn đề một cách hiệu quả.
Nguyên tắc kết hợp là việc giải quyết từng vấn đề riêng lẻ và sau đó liên kết chúng lại để tạo thành một quá trình thống nhất, có tính tổng thể.
- Nguyên tắc đảo ngược : Nguyên tác này thường được sử dụng để phát triển bài tập có tính thuận nghịch.
- Nguyên tắc linh động : Thêm hoặc bớt các thông số của bài tập để được bài tập mới.
- Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học : Thay đổi kết cấu của cơ hệ thì được bài tập mới
Nguyên tắc thay đổi các thông số hóa lý của đối tượng cho phép chúng ta điều chỉnh giá trị của các đại lượng vật lý trong bài tập, từ đó phát triển thành những bài tập mới.
Giải pháp
Mối quan hệ của phát triển bài tập với phát triển năng lực giải quyết vấn đề, năng lực sáng tạo …………………………………………………… 5 2 Kỹ thuật phát triển bài tập vật lí bồi dưỡng học sinh giỏi
đề, năng lực sáng tạo của HS.
Một kỹ thuật quan trọng trong dạy học giải quyết vấn đề là tạo ra những tình huống có vấn đề, chứa đựng mâu thuẫn giữa vấn đề cần giải quyết và kiến thức, kỹ năng sẵn có của học sinh Việc sử dụng tài liệu có sẵn với học sinh có năng lực môn Vật lý thường không tạo ra tình huống có vấn đề, vì lời giải đã có sẵn hoặc học sinh đã tự học Do đó, giáo viên cần sáng tạo trong việc phát triển bài tập mới để rèn luyện năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh giỏi Vật lý Khi giáo viên tự phát triển bài tập, không chỉ tạo ra tình huống có vấn đề mà còn giúp họ chủ động và linh hoạt trong dạy học Hơn nữa, việc học sinh tự giải quyết vấn đề mới sẽ góp phần quan trọng trong việc phát triển năng lực tư duy sáng tạo của bản thân.
Dạy học “bài tập phát triển” mang lại lợi ích lớn cho học sinh (HS) thông qua việc cung cấp một hệ thống bài tập từ cơ bản đến nâng cao, giúp HS xây dựng kiến thức toàn diện về một chủ đề Kỹ năng “nhìn cây thấy rừng” được hình thành từ đó không chỉ giúp HS giải quyết các vấn đề thực tiễn một cách chủ động mà còn phát triển khả năng tự học Trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi (HSG), khả năng tự học của HS là yếu tố quyết định, nếu không có, việc bồi dưỡng của giáo viên sẽ tốn nhiều thời gian và hiệu quả đạt được sẽ không cao.
2 Kỹ thuật phát triển bài tập Vật lí bồi dưỡng học sinh giỏi
2.1 Kỹ thuật 1 (KT1): Phát triển bài tập Vật lí với số liệu cụ thể thành bài tập không có số liệu cụ thể
Các bài tập vật lý trong sách giáo khoa và sách tham khảo thường cung cấp dữ liệu cụ thể về các đại lượng vật lý Khi các đại lượng trong bài tập không được cho dưới dạng số cụ thể, chúng ta có thể tạo ra một bài tập mới, từ đó phát triển kỹ năng và tư duy cho học sinh giỏi.
* Tác dụng của KT1 trong việc bồi dưỡng HSG:
Việc sử dụng KT1 trong một số bài tập giúp tạo ra những bài tập mới với nhiều tình huống vật lý khác nhau, từ đó phát triển nhiều kỹ năng cho học sinh Những kỹ năng này bao gồm khả năng phát hiện vấn đề, phân tích hiện tượng vật lý, tự giải quyết vấn đề, hợp tác, tư duy sáng tạo, và đặc biệt là khả năng khái quát hóa vấn đề, giúp học sinh "nhìn cây thấy rừng".
2.2 Kỹ thuật 2 (KT2): Phát triển bài tập Vật lí bằng cách thay đổi dữ kiện bài tập
Kỹ thuật bồi dưỡng học sinh giỏi không chỉ đơn thuần là thay đổi số liệu trong bài tập cơ bản, mà còn là việc điều chỉnh dữ kiện bài tập bằng cách thêm bớt một số thông số của các đại lượng vật lý Qua đó, bản chất và quá trình vật lý của bài tập sẽ được thay đổi, giúp học sinh phát triển tư duy và kỹ năng giải quyết vấn đề một cách hiệu quả hơn.
* Tác dụng của KT2 trong việc bồi dưỡng HSG:
Thông qua KT2, bài tập vật lý mới giúp phát triển các kỹ năng quan trọng cho học sinh, bao gồm khả năng phát hiện vấn đề, phân tích hiện tượng vật lý, tự giải quyết vấn đề, hợp tác và tư duy sáng tạo.
2.3 Kỹ thuật 3 (KT3): Phát triển bài tập Vật lí theo hướng hiện tượng Vật lí tăng dần “từ đơn giản đến phức tạp, từ dễ đến khó”
Bài tập Vật lý có thể được xây dựng theo hướng phát triển từ đơn giản đến phức tạp, từ dễ đến khó bằng cách áp dụng kỹ thuật thay đổi điều kiện Kỹ thuật này giúp tạo ra những hiện tượng Vật lý đa dạng, với quá trình diễn ra qua nhiều giai đoạn, độ phức tạp và độ khó tăng dần.
* Tác dụng của KT3 trong việc bồi dưỡng HSG:
Việc dạy học các bài tập này giúp hình thành nhiều kỹ năng quan trọng như phân tích hiện tượng vật lý, tổng hợp thông tin, phát triển tư duy logic và sáng tạo, cũng như nâng cao năng lực giải quyết vấn đề từ những tình huống đơn giản đến phức tạp.
2.4 Kỹ thuật 4 (KT4): Kỹ thuật tạo “nút thắt” trong bài tập vật lí
Một bài tập Vật lí thú vị thường có công cụ giải quyết không rõ ràng, yêu cầu giáo viên hướng dẫn học sinh gỡ “nút thắt” Kỹ thuật tạo “nút thắt” trong bài tập là việc xây dựng dữ kiện sao cho hiện tượng Vật lí và định luật Vật lí liên quan được “ẩn dấu”.
KT4 đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý, vì nó không chỉ yêu cầu những kỹ năng phân tích tổng hợp và giải quyết vấn đề, mà còn đòi hỏi học sinh phải có khả năng tư duy sâu sắc về bản chất hiện tượng và sự nhạy bén trong việc nhận diện những "nút thắt" trong bài tập.
3 Phương pháp dạy học bài tập Vật lí trong bồi dưỡng học sinh giỏi
3.1 Chiến lược chung về dạy học bài tập Vật lí nhằm phát triển phẩm chất và năng lực của HS
Sơ đồ hóa về phương pháp dạy học bài tập vật lí
XUẤT PHÁT MỤC TIÊU ĐƯỜNG ĐI
Hình thức dạy học giải quyết vấn đề đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển phẩm chất và năng lực của người học Sơ đồ phương pháp dạy học bài tập Vật lí đáp ứng yêu cầu đổi mới trong giáo dục hiện nay, cung cấp một cái nhìn tổng quát về cách thức dạy học hiệu quả Việc áp dụng sơ đồ này trong giảng dạy bài tập Vật lí cần tuân theo một trình tự cụ thể để đạt được hiệu quả tối ưu.
- Trước hết cần xác định “xuất phát” điểm của vấn đề cần giải quyết, đó chính là “giả thiết” của bài tập.
- Xác định “mục tiêu” cần đạt được, đó chính là kết luận của bài tập cần đạt được.
Để đạt được mục tiêu, việc xác định con đường là rất quan trọng, điều này bao gồm việc hiểu rõ mối liên hệ giữa các đại lượng vật lý, được chi phối bởi các định luật và công thức vật lý.
Giáo viên đóng vai trò quan trọng trong việc hướng dẫn học sinh khám phá các quy luật Vật lý thông qua hệ thống câu hỏi định hướng Bằng cách này, giáo viên giúp học sinh phân tích hiện tượng và tìm ra những quy luật cơ bản, từ đó phát triển tư duy khoa học và khả năng tư duy phản biện.
Từ đó, HS chủ động tìm ra mối liên hệ giữa các đại lượng Vật lí thông qua các định luật và công thức Vật lí.
- Để đi đến đích thì cần tìm “phương tiện” phù hợp, đó là công cụ toán học.
3.2 Vận dụng phương pháp chung về dạy học bài tập Vật lí trong bồi dưỡng HSG
Củng cố kiến thức trong việc dạy bài tập cho học sinh giỏi (HSG) không phải là mục tiêu chính, mà phát triển năng lực giải quyết vấn đề và tư duy sáng tạo mới là ưu tiên hàng đầu Do đó, các bài tập trong chương trình bồi dưỡng HSG thường có mối liên hệ giữa các đại lượng Vật lý không rõ ràng, khiến việc xác định "đường đi" và "phương tiện" cho học sinh trở nên khó khăn.
Trong việc xác định "đường đi," điều quan trọng nhất là hướng dẫn học sinh tự khám phá bản chất vật lý của quá trình diễn ra trong bài tập.
Phát triển hệ thống bài tập phần “động lực học” nhằm phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi ……………………………………………… 9 1 Phát triển bài tập bằng kỹ thuật “Phát triển bài tập Vật lí với số liệu cụ thể thành bài tập không có số liệu cụ thể”
Phát triển bài tập bằng kỹ thuật “Phát triển bài tập Vật lí bằng cách
“Phát triển bài tập Vật lí bằng cách thay đổi dữ kiện bài tập”
Hệ gồm hai vật nhỏ với khối lượng m1 = 350 g và m2 = 400 g, được kết nối bằng dây nhẹ, không dãn, đi qua ròng rọc cố định trên mặt phẳng nghiêng Mặt phẳng nghiêng tạo với phương ngang một góc α = 30° Trong tính toán, bỏ qua mọi ma sát cũng như khối lượng của ròng rọc và dây nối.
Thả nhẹ cho hệ chuyển động từ trạng thái nghỉ Tính gia tốc mỗi vật và lực căng dây sau khi thả.
- Chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất, chiều dương theo chiều chuyển động của vật m 1.
- Do m g m g > sin α nên hệ chuyển động theo chiều m đi xuống. m2 m1 α h
- Áp dụng định luật II Niu-tơn cho hệ ta xác định được gia tốc mỗi vật là:
- Áp dụng định luật II Niu-tơn cho m 1 ta tìm được lực căng dây là:
KT2 chúng ta chỉ cần thêm dữ kiện về độ cao ban đầu của m 1 thì sẽ được
Cơ hệ gồm hai vật nhỏ với khối lượng m1 = 350 g và m2 = 400 g, được nối bằng dây nhẹ, không dãn, vắt qua ròng rọc trên mặt phẳng nghiêng cố định Mặt phẳng nghiêng tạo với phương ngang một góc α = 30 độ Ban đầu, dây được giữ căng, với cả hai vật m1 và m2 ở độ cao h = 1 m so với mặt sàn Dây đủ dài để đảm bảo m2 không va chạm vào ròng rọc trong quá trình chuyển động.
Bỏ qua ma sát và khối lượng của ròng rọc cùng dây nối, với gia tốc trọng trường g = 10 m/s², khi thả nhẹ hệ từ trạng thái nghỉ, cần tính độ cao cực đại của khối m2.
Tình huống mới trong bài tập:
- HS không nhận ra m 2 chuyển động theo hai giai đoạn trước khi đạt độ cao cực đại tại C. m2 m1 α A h
Khi giải quyết tình huống mới trong bài tập, giáo viên cần hỗ trợ học sinh phân tích các giai đoạn chuyển động của hệ thống và hình thành khái niệm giải quyết tình huống kế thừa giữa các giai đoạn Điều này giúp học sinh sử dụng sự tương tự giữa các giai đoạn để giải quyết bài tập một cách nhanh chóng, đồng thời chuẩn bị các thông số từ giai đoạn trước để áp dụng cho giai đoạn sau.
- Chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất, chiều dương theo chiều chuyển động của vật m 1.
- Do m g m g 1 > 2 sin α nên hệ chuyển động theo chiều m 1 đi xuống.
- Áp dụng định luật II Niu-tơn cho hệ ta xác định được gia tốc mỗi vật là:
- Lúc m 1 chạm mặt sàn thì m 2 đã đi được một đoạn đường AB = h = 1 m, lúc này m2 có vận tốc v B = 2 ah = 2 m/s 2
- Sau khi m 1 chạm mặt sàn thì dây chùng lại làm cho lực căng dây T = 0, nên sau đó m 2 bắt đầu chuyển động chậm dần đều đi lên với gia tốc
2 sin 5 m/s a = − g α = − với vận tốc đầu v 0 = v B = 2 m/s.
- m 2 dừng lại tại C, ta có:
BC= − a - Sau khi đến C, m 2 trượt xuống ngược lại nên C chính là vị trí m2 có độ cao cực đại, do đó: h max = + h AC sin α = + + 1 (1 0,4)sin30 1,7 m 0 =
CH1 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Sau khi thả, hệ chuyển động như thế nào ?
CH2 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Hãy phân tích cụ thể chuyển động của vật m 2 theo từng giai đoạn.
CH3 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Cần xác định những thông số nào trong giai đoạn đầu để sử dụng cho giai đoạn tiếp theo.
CH4 ( câu hỏi định hướng tìm phương tiện ): Áp dụng công thức nào để xác định đường đi của m 2 trước và sau khi m 1 chạm mặt sàn ?
KT2, từ BTPT2.10 chúng ta thêm sữ kiện về lực ma sát đồng thời thay đổi câu hỏi sẽ được
Hệ gồm hai vật nhỏ với khối lượng m1 = 400 g và m2, được nối bằng dây nhẹ qua ròng rọc trên mặt phẳng nghiêng Mặt phẳng nghiêng tạo với phương ngang góc α = 37°, và hệ số ma sát giữa m2 và mặt phẳng nghiêng là μ = 0,5 Bỏ qua ma sát ở ròng rọc và khối lượng của ròng rọc cùng dây nối Với gia tốc trọng trường g = 10 m/s², hệ được giữ đứng yên và khi thả nhẹ thì không chuyển động Từ đó, cần tính khối lượng m2.
Tình huống mới trong bài tập:
HS không thực hiện phân tích đầy đủ về xu hướng chuyển động của m2, dẫn đến việc không xác định rõ ràng các khả năng có thể xảy ra liên quan đến hướng và độ lớn của lực ma sát nghỉ.
Trong bài tập này, giáo viên hướng dẫn học sinh phân tích chi tiết xu hướng chuyển động của vật m2, đồng thời xác định hướng và độ lớn của lực ma sát nghỉ.
- Hệ đứng yên nên tổng ngoại lực tác dụng lên hệ bằng không và lực ma sát tác dụng vào m 2 là lực ma sát nghỉ.
- Nếu lực ma sát tác dụng vào m 2 hướng lên thì ta có phương trình cân bằng của hệ là: m2 m1 α
2 kg. sin cos ms ms m g m g F F m g m g m g m m α α à α α à α
- Nếu lực ma sát tác dụng vào m 2 hướng xuống thì ta có phương trình cân bằng của hệ là:
0,4 kg. sin cos ms ms m g m g F F m g m g m g m m α α à α α à α
Vậy, vật m 2 có khối lượng thuộc khoảng: 0,4 ≤ ≤ m 2 2 (kg).
CH1 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Nêu điều kiện về xu hướng chuyển động của m 2, hướng của lực ma sát nghỉ trong các trường hợp đó.
CH2 ( câu hỏi định hướng tìm phương tiện ): Vận dụng điều kiện nào để xác định khoảng giá trị của m 2
KT2, thay đổi điều kiện bài tập từ việc thả cho hệ chuyển động, giờ đây chúng ta giữ cho hệ đứng yên và khảo sát các lực tác động lên m2 Chúng ta có bài tập BTPT2.12 để phân tích.
Trong hệ thống cơ học như mô tả, hai vật nhỏ có khối lượng m1 và m2 được nối với nhau bằng một dây nhẹ, không dãn, qua ròng rọc gắn trên mặt phẳng nghiêng Mặt phẳng nghiêng tạo với phương ngang một góc α, và hệ số ma sát giữa m2 và mặt phẳng nghiêng là µ Giả sử bỏ qua ma sát ở ròng rọc và khối lượng của ròng rọc cùng dây nối là không đáng kể Khi hệ được thả từ trạng thái nghỉ, cần tính toán lực căng của dây treo.
Tình huống “có vấn đề” trong bài tập:
- HS sẽ ngộ nhận m g m g 1 > 2 sin α à + m g 2 cos α thỡ m 1 đi xuống Ngược lại thì m 1 đi lên. m2 m1 α
Trong tình huống mới này, hệ đứng yên và ma sát tác dụng lên m2 là ma sát nghỉ, nhưng chiều và độ lớn của nó chưa được xác định Vấn đề khó khăn mà học sinh (HS) gặp phải là xác định điều kiện khi hai vật chuyển động: khi m1 đi xuống, m2 đi lên hoặc ngược lại Giáo viên (GV) cần hỗ trợ HS bằng cách chỉ ra các điều kiện cần thiết để hiểu rõ hơn về lực ma sát trượt và chiều của nó Từ đó, HS có thể suy ra điều kiện để hệ đứng yên Để giải quyết bài tập này, HS cần có khả năng biện luận chính xác nhằm xác định ba khả năng của bài tập và từ đó tìm ra lực căng dây.
Bài tập này có tác dụng phát hiện HS có năng lực học giỏi môn Vật lí thật sự.
- Chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất, chiều dương như hình vẽ.
1 2 sin 2 cos 1 2 (sin cos ) m g m g > α à + m g α ⇒ > m m α à α + thỡ hệ chuyển động theo chiều m 1 đi xuống
+ Áp dụng định luật II Niu-tơn cho hệ ta tìm được gia tốc các vật là:
+ Áp dụng định luật II Niu-tơn cho vật m 1 ta tìm được lực căng dây lúc này là:
- Nếu m g m g 1 < 2 sin α à − m g 2 cos α ⇒ < m m 1 2 (sin α à α − cos ) thỡ hệ chuyển động theo chiều m 1 đi lên
+ Áp dụng định luật II Niu-tơn cho hệ ta tìm được gia tốc các vật là:
+ Áp dụng định luật II Niu-tơn cho vật m 1 ta tìm được lực căng dây lúc này là:
- Nếu m 2 (sin α à α − cos ) ≤ ≤ m m 1 2 (sin α à α + cos ) thỡ hệ đứng yờn Lỳc này lực ma sát tác dụng lên m 2 là lực ma sát nghỉ.
+ Trường hợp lực ma sát nghỉ hướng xiên lên theo mặt phẳng nghiêng thì ta có: ms 2 sin ms 2 sin 2 cos 2 (sin cos )
+ Trường hợp lực ma sát nghỉ hướng xiên xuống theo mặt phẳng nghiêng thì ta có: ms 2 sin ms 2 sin 2 cos 2 (sin cos )
Vậy, trong trường hợp hệ không chuyển động lực căng dây có độ lớn thuộc khoảng: m g 2 (sin α à − cos ) α ≤ ≤ T m g 2 (sin α à + cos ) α
CH1 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Khi thả hệ thì các vật chuyển động như thế nào ?
Lực ma sát tác động lên m2 trong hệ thống có thể được phân loại thành nhiều đặc điểm quan trọng Đầu tiên, lực ma sát tĩnh xuất hiện khi m2 chưa chuyển động, ngăn cản sự di chuyển của vật Thứ hai, khi m2 bắt đầu chuyển động, lực ma sát động sẽ xuất hiện, có giá trị nhỏ hơn lực ma sát tĩnh Thứ ba, độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào loại bề mặt tiếp xúc và lực nén giữa chúng Cuối cùng, lực ma sát cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và sự hiện diện của chất bôi trơn Những đặc điểm này rất quan trọng trong việc phân tích chuyển động của m2 trong hệ.
CH3 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Trong trường hợp hệ đứng yên thì lực ma sát có hướng và độ lớn như thế nào ?
Phương trình động lực học của các vật theo phương sợi dây có thể được xác định dựa trên nhiều trường hợp khác nhau Để hiểu rõ hơn, cần phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của vật, bao gồm lực kéo, trọng lực và ma sát Việc áp dụng các định luật Newton sẽ giúp xây dựng các phương trình mô tả chính xác chuyển động của vật trong các tình huống cụ thể Thông qua đó, ta có thể tìm ra cách thức mà các vật chịu tác động của các lực khác nhau khi di chuyển theo phương sợi dây.
3 Phát triển bài tập vật lí theo hướng hiện tượng vật lí tăng dần “từ đơn giản đến phức tạp, từ dễ đến khó”
Bài tập xuất phát từ việc một vật nhỏ có khối lượng m được thả từ đỉnh mặt phẳng nghiêng, trượt xuống dưới với góc nghiêng α so với phương ngang Hệ số ma sát giữa mặt phẳng và vật là μ Gia tốc trọng trường được ký hiệu là g Nhiệm vụ là tính gia tốc của vật khi nó di chuyển trên mặt phẳng nghiêng.
Chọn hệ quy chiếu gắn với mặt đất và xác định chiều dương theo hướng chuyển động của vật Áp dụng định luật II Niu-tơn, ta có thể tính được gia tốc của vật bằng công thức: sin ms sin cos.
Bài tập này là cơ bản và hầu hết học sinh đều có thể giải quyết dễ dàng Để nâng cao độ khó, chúng ta có thể thêm thông tin về lực tác dụng lên vật theo kiến thức KT3, tạo ra bài tập phức tạp hơn.
Phát triển bài tập bằng: Kỹ thuật tạo “nút thắt” trong bài tập vật lí …… 37 PHẦN C: KẾT LUẬN …………………………………………………… 44 I Thực nghiệm sư phạm
Một vật có khối lượng m được kéo trượt đều trên mặt phẳng ngang bằng sợi dây nhẹ không dãn, với góc nghiêng α so với phương ngang Hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng là µ, trong khi gia tốc trọng trường là g Để tính lực căng của dây kéo, cần xem xét các yếu tố như trọng lực, lực ma sát và thành phần lực theo phương ngang.
- Chọn hệ quy chiếu gắn với đất, chiều dương theo chiều chuyển động của vật
- Do vật trượt đều nên áp dụng định luật II Niu-tơn cho vật theo phương ngang ta được: T cos α à = ( mg T − sin ) α
Suy ra, lực căng dây là: cos sin
Bài tập này thường được học sinh giải quyết một cách dễ dàng Tuy nhiên, khi hướng và độ lớn của lực căng dây thay đổi trong quá trình kéo vật trượt đều, nó sẽ tạo ra một tình huống mới lạ và thú vị cho học sinh Sự biến đổi này, khi được "ẩn đi", sẽ tạo ra những thách thức và "nút thắt" cho bài tập, giúp học sinh phát triển tư duy và khả năng giải quyết vấn đề.
BTPT4.20: Một người đi lên dốc có góc nghiêng so với phương ngang là α.
Người này kéo theo một vật nhỏ có khối lượng m bằng sợi dây nhẹ, không dãn α l α l v v1 v0 T a
Chiều dài dây P N được xác định để vật trượt trên mặt phẳng ngang nhẵn Giả sử người này di chuyển với tốc độ không đổi v0 Cần tính toán lực căng của dây tại thời điểm dây song song với dốc.
Tình huống “có vấn đề” trong bài tập:
Trong bài tập này, tình huống "có vấn đề" là học sinh không nhận ra đặc điểm chuyển động của vật trong hệ quy chiếu gắn với người, mà cụ thể là chuyển động tròn Điều này dẫn đến khó khăn trong việc xác định mối liên hệ giữa các thành phần vận tốc.
Để giải quyết vấn đề này, giáo viên cần hướng dẫn và hỗ trợ học sinh phân tích đặc điểm chuyển động của vật trong hệ quy chiếu gắn với người, đồng thời chỉ ra mối liên hệ giữa các thành phần vận tốc.
GV cần khuyến khích HS áp dụng linh hoạt định luật II Niu-tơn trong hai hệ quy chiếu: liên quan đến người và liên quan đến mặt đất Bài tập này không chỉ giúp phát hiện HS có năng lực học tập tốt môn Vật lí mà còn tạo cơ hội cho HS phát triển khả năng phân tích hiện tượng Vật lí từ nhiều góc độ khác nhau.
Khi dây tạo một góc α với phương ngang, vật chuyển động tịnh tiến trong hệ quy chiếu gắn với đất, trong khi trong hệ quy chiếu gắn với người, vật chuyển động theo quỹ đạo tròn với bán kính l Tại thời điểm này, vận tốc của xe được ký hiệu lần lượt là v r và v r 1 trong hai hệ quy chiếu khác nhau.
Theo công thức cộng vận tốc ta có: v v v r r r = + 1 0 và v v 1 = 0 tan (1) α
- Trong hệ quy chiếu gắn với đất Phương trình động lực học của vật theo phương thẳng đứng là: T sin α + − N mg = 0 (2)
- Trong hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc v r 0
, phương trình động lực học của vật theo phương sợi dây là:
CH1 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Hãy phân tích chuyển động của vật trong hệ quy chiếu gắn với người và hệ quy chiếu gắn với đất
CH2 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Phân tích để chỉ rõ mối quan hệ giữa các thành phần vận tốc của vật.
CH3 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Phân tích để chỉ rõ mối liên hệ giữa các lực tác dụng vào vật.
CH4 ( câu hỏi định hướng tìm phương tiện ): Cần vận dụng công thức động học, động lực học nào để nghiên cứu chuyển động của vật ?
CH5 ( câu hỏi định hướng tìm phương tiện ): Cần tách chuyển động của vật thành hai thành phần như thế nào để xác định vận tốc.
Một sợi dây không dãn có khối lượng trên một đơn vị chiều dài là ρ và chiều dài là l Sợi dây được đặt trên mặt bàn nằm ngang với hệ số ma sát là μ.
Kéo dây một lực F không đổi dọc theo phương sợi dây Tính gia tốc của dây.
HD giải: Áp dụng định luât II Niu-tơn cho dây theo phương ngang ta được: f a à g
Từ bài tập xuất phát, để tạo “nút thắt” thì cho sợi dây chuyển động vắt qua một cái đinh nhỏ đóng thẳng đứng, ta được bài tập sau:
BTPT4.21 mô tả một sợi dây không dãn có khối lượng trên một đơn vị chiều dài là ρ, được vắt qua một cái đinh nhỏ trên mặt bàn nhẵn ngang Một đầu của dây được kéo với vận tốc không đổi v, tạo ra chuyển động thẳng đều.
F Q còn lại luồn qua một khe hở nhỏ có ma sát như hình vẽ Tìm áp lực của dây tác dụng lên đinh.
Tình huống mới trong bài tập:
- HS không phát hiện ra phần tử dây khi chuyển động tới đinh thì thu được gia tốc Đây chính là “nút thắt” của bài tập.
Để hỗ trợ học sinh vượt qua khó khăn này, giáo viên áp dụng kiến thức về động lực học để phân tích chuyển động của đoạn dây nhỏ khi nó đi qua đinh, từ đó xác định được gia tốc khi dây đổi chiều chuyển động.
- Áp dụng định luật II Niu-tơn đối với đoạn dây này, với chú ý: lực căng dây không đổi bằng F và bằng lực ma sát ở khe hở dây.
- Dây chuyển động đều nên lực căng dây không đổi suốt dọc dây và F = F ms
- Lực tác dụng lên đoạn dây rất nhỏ ∆m: hai lực căng F hợp với nhau một góc α, phản lực Q của đinh có phương của phân giác của góc α.
- Áp dụng định luật II Niu-tơn cho đoạn dây nhỏ, ta được:
- CH1 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Đoạn dây nào đổi hướng chuyển động ? Gia tốc của đoạn dây đó tính như thế nào?
- CH2 ( câu hỏi định hướng tìm đường đi ): Lực gây ra gia tốc cho đoạn dây này là những lực nào ?
- CH3 ( câu hỏi định hướng tìm phương tiện giải quyết ): Tìm liên hệ giữa lực kéo F và lực ma sát ở khe hẹp.
- CH4 ( câu hỏi định hướng tìm phương tiện giải quyết ): Sử dụng công thức nào để tính phản lực Q ?
Bài tập xuất phát 3 yêu cầu tính gia tốc của vật 1 trong hệ gồm các vật có cùng khối lượng m, với dây nhẹ không dãn và khối lượng ròng rọc không đáng kể Trong hệ thống này, vật 2 được giữ cố định, và lực F không đổi được kéo theo phương ngang tại đầu dây A Bỏ qua mọi ma sát, hãy xác định gia tốc của vật 1.
- Chọn hệ quy chiếu gắn với đất, chiều dương theo chiều chuyển động sang trái của vật 1.
- Áp dụng định luật II Niu-tơn cho vật 1, ta tìm được gia tốc của vật 1 là: a F m
Để tạo "nút thắt" cho bài tập, chúng ta thả vật 2 vào chuyển động tự do và thay vì tính gia tốc của vật 1, ta sẽ tính gia tốc của đầu A Bài tập này sẽ được phát triển từ đó.
BTPT 4.22: Cho cơ hệ như hình vẽ, trong đó: các vật có cùng khối lượng
M, dây nhẹ không dãn, khối lượng ròng rọc không đáng kể Bỏ qua mọi ma sát. Kéo đầu dây A bằng lực F không đổi theo phương ngang Tính gia tốc của điểm A.
Tình huống mới trong bài tập:
Việc tính gia tốc của một đầu dây là một khái niệm mới đối với học sinh, và áp dụng định luật II Niu-tơn trong trường hợp này không mang lại kết quả hiệu quả.
Để xác định gia tốc của đầu A, giáo viên cần hướng dẫn học sinh phân tích mối liên hệ giữa gia tốc của hai vật, dựa trên đặc điểm rằng chiều dài dây luôn không thay đổi.
- Chọn hệ quy chiếu gắn với đất, chiều dương theo chiều chuyển động sang trái của vật 1.
