CHƯƠNG II: VẬN DỤNG LÍ THUYẾT KIẾN TẠO THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
II.3. Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức
II.3.2. BÀI 37: ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG
Mục tiêu
69 Kiến thức
N u được khái niệm cơ năng của một vật. Lấy được ví dụ minh họa.
Trình ày được nội dung của đ nh luật bảo toàn cơ năng. Thiết lập được biểu thức của đ nh luật bảo toàn cơ năng (trong trường hợp vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi).
Nhận biết được khi nào cơ năng của vật bảo toàn, khi nào cơ năng của vật không bảo toàn.
Xây dựng được biểu thức liên hệ giữa biến thi n cơ năng và công của lực không phải lực thế.
Kĩ năng
Phát hiện ra được vấn đề từ tình huống thực tế từ đó phát iểu được vấn đề cần giải quyết.
Thực hiện biến đổi toán học và suy luận logic từ những kiến thức cũ để xây dựng biểu thức tính cơ năng, đ nh luật bảo toàn cơ năng (trong trường hợp vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi).
Đề xuất được các phương án TN để kiểm nghiệm lại đ nh luật bảo toàn cơ năng.
Đánh giá, lựa chọn được phương án TN tối ưu nhất để kiểm nghiệm.
Tiến hành được các TN để kiểm nghiệm lại đ nh luật bảo toàn cơ năng.
Sử dụng máy vi tính, phần mềm phân tích video.
Quan sát, thu thập, thực hiện xử lí số liệu thu được từ TN để rút ra kết luận.
Giải thích được các11 hiện tượng trong đời sống.
Vận dụng biểu thức tính cơ năng, đ nh luật bảo toàn cơ năng để giải các bài tập.
Thái độ
- Hứng thú với tiết học, yêu thích môn học - Yêu thích tìm tòi, nghiên cứu khoa học.
- Có tinh thần hợp tác trong học tập.
- Đề xuất th m các phương án thí nghiệm khác để kiểm chứng đ nh luật.
Chuẩn bị
70
GV: Bộ TN máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 (bộ TN rơi tự do) và bảng hướng dẫn thực hiện TN; phiếu quan sát số 2.
HS: Ôn lại các kiến thức động năng, thế năng (trọng trường và đàn hồi), đ nh lí động năng, hệ thức liên hệ giữa công của lực thế và hiệu thế năng.
Những hiểu biết ban đầu và những khó khăn HS hay gặp phải Những hiểu biết ban đầu:
Khi một vật có khả năng thực hiện công cơ học thì ta nói vật có cơ năng.
Cơ năng của vật phụ thuộc vào v trí của vật so với mặt đất, hoặc so với một v trí khác được chọn làm vật mốc để tính độ cao gọi là thế năng trọng trường.
Vật có khối lượng càng lớn và ở càng cao so vớ mặt đất thì thế năng trọng trường của vật càng lớn.
vật đàn hồi khi b biến dạng thì có khả năng sinh công, tức là có năng lượng, gọi là thế năng đàn hồi. Vật b biến dạng nhiều hơn thì thế năng đàn hồi càng lớn.
Cơ năng của vật do chuyển động mà có gọi là động năng. Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn.
Động năng và thế năng là hai dạng của cơ năng. Vật vừa có động năng, thế năng thì cơ năng của vật bằng tổng thế năng và động năng của nó.
Đ nh lí động năng, hệ thức liên hệ giữa công của lực thế và hiệu thế năng Những khó khăn HS hay gặp phải:
- Đối với các vật ay theo phương ngang, chuyển động trên mặt phẳng ngang hay trên mặt phẳng nghiêng ch u tác dụng của lực cản, HS gặp khó khăn khi xác đ nh độ biến thi n động năng (theo cách tính ằng công của lực cản)
- HS thường sai lầm khi không chọn gốc tính thế năng trọng trường của một vật, khó khăn li n quan tới mốc tính thế năng trong trường hợp vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng, chuyển động theo cung tròn.
- Đối với trường hợp vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng ch u tác dụng của lực ma sát, HS thường sai lầm khi tính công của lực ma sát.
- HS thường gặp khó khăn khi giải ài toán li n quan đến đ nh luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp vật ch u tác dụng đồng thời của cả trọng lực và lực đàn hồi
71
(trường hợp con lắc lò xo thẳng đứng dao động xác đ nh cơ năng của vật ở v trí lò xo đang giãn)
Sơ đồ tiến trình DHKT
Đơn vị kiến thức 1 : Xây dựng định luật bảo toàn cơ năng
1. Làm nảy sinh vấn đề cần nghiên cứu:
Ví dụ:
- Sử dụng thí nghiệm rơi tự do. Vì rơi tự do là CĐNDĐ, khi thả vật rơi tự do: vận tốc vật tăng => động năng tăng, độ cao giảm => thế năng giảm.
Khi vật chuyển động trong trường lực thế, nếu động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại. Ví dụ: Vật rơi tự do, con lắc lò xo, con lắc đơn.
2. Phát biểu vấn đề: Khi vật chuyển động chỉ ch u tác dụng của những lực thế thì động năng và thế năng của nó có hệ thức liên hệ như thế nào? Áp dụng cho trường hợp vật chỉ ch u tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi
3. Giải quyết vấn đề
3.1.Giải quyết vấn đề nhờ SLLT
- Suy đoán giải pháp GQVĐ: Vật rơi tự do chỉ ch u tác dụng của trọng lực:
+ Động năng tăng: Từ đ nh lí động năng ta có mối liên hệ giữa công của lực với độ biến thi n động năng. Mặt khác, thế năng lại giảm => Công trọng lực bằng độ giảm thế năng. Từ đó rút ra được mối liên hệ động năng và thế năng.
- Thực hiện giải pháp suy đoán:
+ Đ nh lí động năng, công do trọng lực bằng độ biến thi n động năng:
(1)
+ Công do trọng lực thực hiện bằng độ giảm thế năng:
(2) + Từ (1) và (2) ta có:
(3)
Hay : = >
72 hằng số
Áp dụng cho trường hợp : lực thế là lực đàn hồi.
Công của lực đàn hồi bằng độ biến thi n động năng:
(4)
Công do lực đàn hồi thực hiện bằng độ giảm thế năng:
(5)
= >
Trường hợp lực thế là trọng lực: hằng số Trường hợp lực thế là lực đàn hồi : hằng số
Kiểm nghiệm kết quả thu được từ SLLT 3.2. Xác đ nh nội dung cần kiểm nghiệm:
+ Trường hợp lực thế là trọng lực: Thả vật rơi tự do, chọn mốc tính thế năng. Xác đ nh thế năng tại điểm thả vật, tính thế năng, động năng tại 1 điểm bất kì.
+ Trường hợp lực thế là lực đàn hồi: Thí nghiệm với con lắc lò xo, quan sát dao động của con lắc đo khoảng cách từ VTCB đến v trí biên. Tính: ,
- Thiết kế phương án TN:
+ Trường hợp lực thế là trọng lực: Bộ TN máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964, bộ TNg cần rung điện.
Thực hiện TNg:
+ Với bộ TN máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đo z ở v trí thả vật, đo vận tốc thông qua quãng đường, thời gian qua cổng quang điện và z ở v trí đó.
+ Với bộ TNg cần rung điện: Thả vật rơi tự do, đo quãng đường mà vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực trong những khoảng thời gian bằng nhau. Tính được động năng, thế năng tại 2 v trí bất kì qua việc chọn gốc thế năng tại v trí cuối
73 ăng giấy.
4. Rút ra kết luận.
- Tổng của động năng và thế năng gọi là cơ năng.
- Cơ năng của vật chỉ ch u tác dụng của những lực thế luôn được bảo toàn.
- Áp dụng cho các trường hợp:
+ Trường hợp lực thế là trọng lực:
+ Trường hợp lực thế là lực đàn hồi:
Tiến trình dạy học
Kiến thức: Định luật bảo toàn cơ năng
Hoạt động của GV Hoạt động của HS
Hoạt động 1: Làm nảy sinh vấn đề
- Ở lớp 8 HS đã iết cơ năng của một vật bằng tổng động năng và thế năng.
- Cho HS quan sát chuyển động của vật rơi tự do và con lắc đơn, con lắc lò xo.
- Lắng nghe
- Quan sát, suy nghĩ trả lời
74 hình 1
hình 2
Hình 3
- Hình 2: O là v trí cân bằng; A, B là 2 v trí i n có độ cao h, M là v trí giữa A và O.
- Hình 3: O là v trí cân bằng; A, A‟ là 2 v trí biên OA= OA‟= x, M là v trí giữa A và O.
a) So sánh vận tốc tại O và M?
b) Nếu M có độ cao h/2 (OM= x/2) thì vận tốc tại M là bao nhiêu?
- Suy nghĩ trả lời.
- Câu trả lời mong đợi:
Vật chuyển động rơi tự do: Trọng lực
Con lắc đơn: trọng lực, lực căng
75 - Làm thế nào tính được vận tốc tại điểm M trong các trường hợp trên?
Gợi ý để đi đến vấn đề cần giải quyết:
Trong quá trình các vật chuyển động chúng ch u tác dụng của những lực nào?
Nhận xét gì về sự thay đổi động năng và thế năng của vật trong quá trình vật chuyển động từ O tới M với từng trường hợp?
Động năng phụ thuộc vào vận tốc, thế năng phụ thuộc vào độ cao của vật so với v trí chọn làm mốc, độ biến dạng của lò xo.
- Nêu yêu c u: Hãy phát biểu ngắn gọn vấn đề cần giải quyết?
dây, thành phần vuông góc với phương chuyển động cân bằng với lực căng dây
Con lắc lò xo: Trọng lực, phản lực pháp tuyến, lực đàn hồi. Trong đó trọng lực và phản lực pháp tuyến cân bằng nhau
- Tiếp nhận vấn đề cần giải quyết.
- Phát biều vấn đề cần giải quyết: tìm hệ thức biểu th mối liên hệ giữa động năng và thế năng khi vật chuyển động chỉ ch u tác dụng của những lực thế.
Áp dụng cho trường hợp vật chỉ ch u tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi
Hoạt động 2: Suy đoán giải pháp GQVĐ nhờ SLLT và thực hiện giải pháp đã suy đoán
- Trường hợp lực thế là trọng lực Nêu câu hỏi gợi ý:
Có thể trả lời câu hỏi trên nhờ vận dụng các kiến thức đã iết không?
Có thể vận dụng những kiến thức đã biết nào và vận dụng những kiến thức này như thế nào để trả lời câu hỏi trên?
- Gợi ý giải pháp tìm câu trả lời: Trong quá trình vật chuyển động vật ch u tác dụng của các lực làm cho vận tốc của vật tăng =>
động năng tăng, độ cao giảm => thế năng giảm. Vậy có mối quan hệ gì giữa độ tăng động năng và độ giảm thế năng?
- Suy đoán giải pháp GQVĐ: Viết mối liên hệ giữa công của lực tác dụng lên vật làm tăng động năng (đ nh lí biến thi n động năng), công của lực tác dụng lên vật làm giảm thế năng. Từ đó
76 - Tương tự với trường hợp lực thế là lực đàn hồi
- Theo dõi giúp đỡ HS thực hiện giải pháp đã đề xuất.
- Nhận xét: Thấy rằng trong quá trình vật chuyển động, động năng của vật tăng thì thế năng của vật giảm nhưng tổng động năng và thế năng của vật thì không đổi. Tức cơ năng của vật được bảo toàn.
tìm được mối quan hệ giữa độ tăng động năng và giảm thế năng.
- Thực hiện giải pháp:
+ Với trường hợp lực thế là trọng lực:
Đ nh lí động năng, công do trọng lực bằng độ biến thi n động năng:
(1)
Công do trọng lực thực hiện bằng độ giảm thế năng:
(2)
Từ (1) và (2) ta có:
(3)
Hay : (3‟)
+ Với trường hợp lực thế là lực đàn hồi:
- Công của lực đàn hồi bằng độ biến thi n động năng:
(4)
- Công do lực đàn hồi thực hiện bằng độ giảm thế năng:
(5)
(6)
= >
77 - Đưa ra nội dung đ nh luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp vật chỉ ch u tác dụng của lực thế: Cơ năng của một vật chỉ chỉ tác dụng của những lực thế luôn được bảo toàn.
Trường hợp lực thế là trọng lực:
.
Trường hợp lực thế là lực đàn hồi :
.
(6‟)
- Lắng nghe, ghi nhớ
Hoạt động 3: Thiết kể phương án TN và tiến hành TN Nêu câu hỏi thiết kế phương án TN:
- Làm thế nào để kiểm nghiệm được nhờ TN kết quả đã rút ra
- Việc sử dụng hai cổng quang điện để xác đ nh vận tốc của vật tại hai v trí đòi hỏi người quan sát phải đọc kết quả rất nhanh chính xác hoặc phải có hai người cùng quan sát kết quả để đọc vậy làm thế nào để chỉ dùng một cổng quang điện mà xác đ nh được vận tốc của vật tại hai v trí?
- Từ đó rút ra hệ quả cần kiểm nghiệm cho trường hợp này
- Đề xuất phương án TN với việc sử dụng bộ TNg máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC – 964
Thả vật rơi tự do, xác đ nh vận tốc, độ cao của vật tại hai v trí bất kì, độ cao đo ằng thước còn khối lượng của vật thì dùng cân để xác đ nh.
Muốn xác đ nh vận tốc của vật có thể dùng cảm quang điện
- Có thể giải quyết khó khăn này bằng cách chọn một v trí bất kì đặt cổng quang điện tính cơ năng, v trí còn lại tại v trí lúc bắt đầu thả vật.
- Hệ quả cần kiểm nghiệm nhờ TN ; => mg =
78 - Ngoài cách này ta có thể kiểm nghiệm nhờ TNg nào khác được không?
- Làm thế nào tính được động năng và thế năng tại 2 v trí bất kì
- Kết quả cần kiểm nghiệm nhờ TNg là gì?
- Giao nhiệm vụ cho các nhóm HS tiến hành TNg theo phương án đã đề xuất. Hai nhóm tiến hành kiểm nghiệm sử dụng bộ TNg máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC – 964 với trường hợp độ cao cổng quang điện z2 = h1 = 0,7m, z2 = h2 = 0,5m.
Hai nhóm còn lại tiến hành kiểm nghiệm sử dụng bộ TNg cần rung điện.
- Nêu câu hỏi điều cần kiểm nghiệm trong TN của mỗi nhóm là gì?
- Quan sát giúp đỡ HS trong quá trình TN
=> Cơ năng của vật ở v trí 1 bằng thế năng của vật, cơ năng của vật ở v trí 2 bằng tổng động năng và thế năng
Nhờ thước ta xác đ nh được z1, z2, xác đ nh v nhờ cổng quang điện
- Đề xuất phương án với việc sử dụng bộ thí nghiệm cần rung điện
Thả vật rơi tự do, đo quãng đường mà vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực trong những khoảng thời gian bằng nhau. Tính được động năng, thế năng tại 2 v trí bất kì
- Chọn gốc thế năng tại v trí cuối ăng giấy để tính thế, xác đ nh động năng thông qua quãng đường và thời gian (dựa vào các chấm mực tr n ăng giấy) - Cơ năng ở 2 v trí được chọn phải bằng nhau.
- Cần kiểm nghiệm:
Sử dụng bộ TNg máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC – 964
Thế năng tại v trí bắt đầu thả vật có bằng tổng động năng và thế năng tại v trí bất kì đó không?
- Các nhóm HS phân công nhiệm vụ
79 - Yêu cầu đại diện các nhóm HS báo cáo kết quả TN
- Đây là TN về trường hợp lực thế là trọng lực, khi làm TN với trường hợp lực thế là lực đàn hồi người ta cũng thu được kết quả tương tự.
- Thông báo việc sử dụng phần mềm phân tích video để kiểm nghiệm kết quả đã rút ra từ suy luận lý thuyết trong trường hợp tính cơ năng tại hai v trí bất kì
lập bảng số liệu, lắp ráp TN, tiến hành TN 3 lần ghi vào bảng số liệu
+ Trường hợp h1 = 0,7m
Lần v Wt Wđ W 1
2 3
+ Trường hợp h2 = 0,5m
Lần v Wt Wđ W 1
2 3
Sử dụng bộ TNg cần rung điện:
Bố trí, tiến hành làm TNg tính động năng, thế năng của vật tại v trí bất kì.
Chọn gốc thế năng tại v trí cuối ăng giấy.
V trí
v (m/s)
h (m)
Wđ (J)
Wt (J)
Wđ+Wt (J) 1
2
`
- Đại diện báo cáo kết quả TN
Hoạt động 4: GV tổng kết và bổ sung kiến thức. Vận dụng kiến thức mới để giải
80 các bài tập định tính , định lƣợng.
- Vận dụng các kiến thức đã học suy ra được
Trường hợp lực thế là trọng lực:
.
Trường hợp lực thế là lực đàn hồi :
.
Kết quả này đã được xác nhận nhờ TN - Đ nh nghĩa cơ năng
- Nêu biểu thức và đơn v của cơ năng.
- Yêu cầu HS: Hãy phát biểu và viết biểu thức của đ nh luật bảo toàn cơ năng?
- Lưu ý HS: Đ nh luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng trong trường hợp vật chỉ ch u tác dụng của lực thế
Yêu cầu HS làm việc nhóm trả lời lại tình huống an đầu của bài.
Chữa bài, nhận xét, lưu ý với HS những điểm sai sota
- Nghe GV tổng kết kiến thức.
- Nghe và ghi vào vở đ nh nghĩa cơ năng
- Đơn v của cơ năng là: J
- Phát biểu và viết biểu thức của đ nh luật bảo toàn cơ năng
- 2 nhóm làm với trường hợp con lắc đơn, 2 nhóm còn lại làm với trường hợp con lắc lò xo nằm ngang.
Trình bày ra phiếu học tập.
Phân tích “cơ hội” phát triển NL GQVĐ qua tiến trình dạy học kiến thức:
“ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG”
Các ước trong dạy học kiến tạo
“Cơ hội” để phát triển năng lực GQVĐ
Xây dựng kiến thức: Đ nh luật bảo toàn cơ năng a. Đưa ra những tình
huống làm bộc lộ những hiểu biết, quan niệm sẵn có của HS. Từ những hiểu
HS được phát triển kĩ năng nhận biết vấn đề, khi các em huy động những hiểu biết sẵn có để tìm cách giải
Đưa ra bài tập tình huống:
Vật chuyển động rơi tự do, con lắc đơn, con lắc lò xo nằm ngang
81 biết, quan niệm sẵn có của
mình, các em tìm cách đưa ra những dự đoán, giả thuyết nhằm GQVĐ trong tình huống. Qua việc đưa ra những dự đoán, giả thuyết, trao đổi, thảo luận
HS thấy rằng những quan niệm, hiểu biết của mình chưa đầy đủ hoặc chưa đúng mà cần phải đi tìm hiểu để có kiến thức đầy đủ, đúng đắn hơn.
quyết (đưa ra dự đoán, giả thuyết) thì các em cũng được phát triển các kĩ năng huy động, kết nối thông tin để tìm cách đưa ra các giải pháp.
HS cũng iết so sánh, đánh giá sự phù hợp của những quan niệm, giải pháp của mình để biết cần có quan niệm, giải pháp thích hợp hơn.
HS huy động các kiến thức đã iết so sánh được vận tốc ở các v trí khác nhau, sự biến đổi về động năng, thế năng, xác đ nh được các lực tác dụng lên vật, lực nào gây ra chuyển động cho vật.
HS chưa tìm được vận tốc tại điểm M cần phải đi tìm hiểu để có kiến thức trả lời cho câu hỏi đó.
Từ đó yêu cầu HS khái quát phát biểu vấn đề cần giải quyết: tìm hệ thức biểu th mối liên hệ giữa động năng và thế năng khi vật chuyển động chỉ ch u tác dụng của những lực thế.
Áp dụng cho trường hợp vật chỉ ch u tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi.
/ (Dưới sự hướng dẫn của GV) HS xây dựng kiến thức mới (trong đó có thể SLLT, suy luận hệ quả logic, kiểm nghiệm bằng thực nghiệm); trong đó những hiểu biết, quan niệm an đầu của HS được thay
+ HS được phát triển khả năng vận dụng kiến thức đã học GQVĐ SLLT để suy đoán giải pháp.
+ HS phát triển năng lực nhận biết vấn đề, đưa ra giải pháp, thực hiện giải
- HS được suy đoán giải pháp GQVĐ: Viết mối liên hệ giữa công của lực tác dụng lên vật làm tăng động năng (đ nh lí biến thiên động năng), công của lực tác dụng lên vật làm giảm thế năng. Từ đó tìm được