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.1. Phân tích mục tiêu và nội dung dạy học chương “Các định luật bảo toàn” Vật lí
II.1.1. Cấu trúc chương “Các định luật bảo toàn”
Chương “Các đ nh luật bảo toàn” là chương thứ tư trong chương trình Vật lí 10. Chương này gồm có 14 tiết, trong đó có: 10 tiết lí thuyết, 3 tiết bài tập và 1 tiết kiểm tra
Chương “ Các đ nh luật bảo toàn” gồm các bài học sau:
Bài 31: Đ nh luật bảo toàn động lượng
Bài 32: Chuyển động bằng phản lực, Bải tập về đ nh luật bảo toàn động lượng Bài 33: Công và công suất
Bài 34: Động năng. Đ nh lí động năng Bài 35: Thế năng. Thế năng trọng lượng Bài 36: Thế năng đàn hồi
Bài 37: Đ nh luật bảo toàn cơ năng
Bài 38: Va chạm đàn hồi và không đàn hồi Bài 39: Bài tập về các đ nh luật bảo toàn
Bài 40: Các đ nh luật Kê – ple. Chuyển động của vệ tinh
Những nội dung chính của chương có thể được tóm tắt bằng sơ đồ sau:
39
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ các nội dung chính của chương “Các đ nh luật bảo toàn”.
Cụ thể các kiến thức cơ ản trong chương “Các đ nh luật bảo toàn”
Khái niệm
Định luật
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO
TOÀN
Các mối liên hệ
Ứng dụng
Hệ kín Động lượng Công Công suất
Thế năng Động năng
Cơ năng
Đ nh luật bảo toàn động lượng
Ba đ nh luật Kê - ple Đ nh luật bảo toàn cơ năng
Đ nh lí động năng
Biến thi n động lượng và xung của lực
Công của lực đàn hồi và biến thiên thế năng đàn hồi
Công của trọng lực và biến thiên thế năng trọng trường
Biến thi n cơ năng và công của lực không phải lực thế
Chuyển động bằng phản lực Hộp số ô tô, xe máy
Va chạm đàn hồi và không đàn hồi Chuyển động của vệ tinh
40
Hệ kín
- Khái niệm hệ kín: Một hệ vật gọi là hệ kín nếu các vật trong hệ chỉ tương tác với nhau mà không tương tác với các vật ngoài hệ hoặc nội lực rất lớn so với ngoại lực hoặc có ngoại lực nhưng ngoại lực này b các ngoại lực khác khử.
Động lượng - Khái niệm động lượng:
+ Động lượng của một vật có khối lượng m đang chuyển động với vận tốc ⃗ là một đại lượng được xác đ nh bởi công thức ⃗⃗ ⃗⃗
+ Động lượng là một đại lượng vectơ cùng hướng với vận tốc của vật + Đơn v động lượng: kg.m/s
+ Động lượng của một hệ vật là tổng vectơ các động lượng của từng vật trong hệ:
⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗
Đ nh lí biến thi n động lượng
- Đ nh lí biến thi n động lượng: Độ biến thi n động lượng của một vật trong một khoảng thời gian bằng xung của lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian ấy
⃗⃗ ⃗⃗
- Hệ quả: Lực đủ mạnh tác dụng lên một vật trong một khoảng thời gian hữu hạn thì có thể gây ra biến thi n động lượng của vật
Đ nh luật bảo toàn động lượng
- Đ nh luật bảo toàn động lượng: Tổng động lượng trong một hệ kín được bảo toàn
⃗⃗⃗ = ⃗⃗⃗⃗
- Đối với hệ hai vật:
⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗
Nguyên tắc chuyển động bằng phản lực: Trong một hệ kín đứng yên nếu có một phần của hệ chuyển động theo một hướng thì phần còn lại của hệ phải chuyển động theo hướng ngược lại.
Khái niệm công
- Một lực sinh công khi điểm đặt của nó chuyển dời. Nếu lực không đổi có điểm đặt chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc α thì công của lực
được tính theo công thức:
41 A = Fs cosα
Khái niệm công suất:
- Công là một đại lượng vô hướng
i) Nếu cos > 0 thì A > 0 và khi đó A gọi là công phát động.
ii) Nếu cos = 0 thì A = 0 và lực vuông góc với phương chuyển dời không sinh công.
iii) Nếu cos < 0 thì A < 0 và lực có tác dụng cản trở lại chuyển động, khi đó A gọi là công cản (hay công âm).
- Trong hệ SI, đơn v công là jun (J).
- Công suất là đại lượng có giá tr được đo ằng công sinh ra trong một đơn v thời gian. Đơn v công suất là Oát (W).
- Ý nghĩa công suất: Để so sánh khả năng thực hiện công của các máy khác nhau trong cùng một khoảng thời gian.
- Công suất trung bình của một lực: Ptb =
- Công suất tức thời của một lực P = = ⃗⃗⃗ ⃗ = F. ⃗⃗ (*)
+ Nếu t rất nhỏ thì ⃗⃗ là vận tốc tức thời => P là công suất tức thời
+ Ứng dụng thực tế của công thức (*): Với công suất không đổi cho trước của một động cơ thì lực kéo tỉ lệ ngh ch với vận tốc. Hộp số ôtô, xe máy hoặc líp xe đạp nhiều tầng hoạt động trên nguyên tắc này.
Khái niệm động năng:
- Động năng là dạng năng lượng của một vật có được do nó đang chuyển động và được xác đ nh theo công thức :
Wđ = mv2
- Trong hệ SI, đơn v của động năng là Jun (J)
Đ nh lí biến thi n động năng:
- Độ biến thi n động năng của một vật trong một quá trình bằng tổng công thực hiện bởi cá ngoại lực tác dụng lên vật trong quá trình đó
A12 = - - Hệ quả :
42
+ Khi lực tác dụng vào vật sinh công dương => động năng tăng + Khi lực tác dụng vào vật sinh công âm => động năng giảm
Thế năng trọng trường
- Thế năng trọng trường (thế năng hấp dẫn) của một vật là một dạng năng lượng tương tác giữa trái đất và vật ứng với một v trí xác đ nh của vật trong trọng trường.
Nếu chọn gốc thế năng là mặt đất, thế năng trọng trường tại một v trí có độ cao z là:
Wt = m.g.z
+ Trong hệ SI, đơn v thế năng là Jun (J)
- Đ nh lí biến thiên thế năng: Công của trọng lực bằng hiệu thế năng của vật tại v trí đầu và tại v trí cuối, tức là bằng hiệu thế năng
A12 = Wt1 – Wt2 = mgz1 – mgz2 - Hệ quả:
+ Khi vật giảm độ cao -> thế năng giảm -> trọng lực sinh công dương + Khi vật tăng độ cao -> thế năng tăng -> trọng lực sinh công âm + Khi quỹ đạo của vật khép kín thì công của trọng lực bằng không.
Thế năng đàn hồi
- Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng của một vật ch u tác dụng của lực đàn hồi - Công thức tính thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái biến dạng là:
Wt = k( )2
+ Trong hệ SI, đơn v thế năng đàn hồi là Jun (J)
- Đ nh lí biến thiên thế năng: Công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng đàn hồi A 12 = Wt1 – Wt2 = k - k
Cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường
- Cơ năng của một vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực bằng tổng động năng và thế năng trọng trường của vật
W = mv2 + mgz
Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi
- Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật
W= mv2 + k(∆l)2
43
Đ nh luật bảo toàn cơ năng:
- Nếu không có tác dụng của lực khác ( như lực cản, lực ma sát…) thì trong quá trình chuyển động cơ năng của vật là đại lượng ảo toàn.
Các kiến thức của chương được xây dựng tr n cơ sở kế thừa và phát triển từ chương trình Vật lí THCS. Các khái niệm về công, công suất; biểu thức tính công, công suất; đơn v công, công suất; đ nh luật về công; khái niệm về thế năng trọng trường ( hấp dẫn), sự phụ thuộc của thế năng trọng trường vào độ cao của vật so với mặt đất; khái niệm về thế năng đàn hồi, sự phụ thuộc của thế năng đàn hồi vào biến dạng của vật; khái niệm động năng, sự phụ thuộc của động năng vào khối lượng và vận tốc của vật; khái niệm cơ năng; sự chuyển hóa và bảo toàn cơ năng HS đã được học ở lớp 8 nhưng ở mức đơn giản, chưa y u cầu cao về kiến thức cũng như kĩ năng.
Biểu thức tính thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi, động năng SGK Vật lí 8 chưa cung cấp cho HS. Tuy nhi n đó cũng là những kiến thức nền, giúp HS học tốt chương
“Các đ nh luật bảo toàn” ở chương trình Vật lí 10. Ở chương này, các kiến thức được n u tr n được mở rộng, nâng cao hơn, đặt ra những yêu cầu cao hơn về kiến thức cũng như kĩ năng đối với HS. HS biết được biểu thức tính thế năng trọng trường, mối liên hệ giữa độ biến thiên thế năng trọng trường với công của trọng lực; biểu thức tính thế năng đàn hồi và mối liên hệ giữa độ biến thiên thế năng đàn hồi với công của lực đàn hồi; biểu thức tính động năng và đ nh lí động năng; iểu thức tính cơ năng; khái niệm lực thế; biểu thức biểu th mối liên hệ giữa độ biến thi n cơ năng với công của lực không phải lực thế. Ngoài ra HS còn có thêm kiến thức về động lượng, đ nh luật bảo toàn động lượng, chuyển động bằng phản lực; a đ nh luật Kê – ple, chuyển động của vệ tinh.
Đây là chương nối tiếp kiến thức của chương “Động lực học chất điểm” và chương “Tĩnh học vật rắn” đồng thời còn là nền tảng để nghiên cứu các phần khác của chương trình Vật lí 10 “Cơ học chất lưu” cũng như chương trình Vật lí phổ thông.
Phần lớn các kiến thức của chương rất gần gũi và có nhiều ứng dụng trong thực tế, đồng thời cũng mở rộng hiểu biết cho các em HS về thế giới vĩ mô n ngoài Trái đất. HS biết được nguyên tắc hoạt động của tên lửa. HS biết được các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, vệ tinh nhân tạo của Trái Đất chuyển động như thế nào? Các nguồn nước ở trên cao có thế năng rất lớn, thế năng này có thể chuyển hóa thành động năng
44
làm quay các máy phát điện, hiện nay người ta mới chỉ sử dụng chưa tới 10% nguồn năng lượng dự trữ này. Gió có động năng rất lớn, là nguồn năng lượng sạch và rẻ tiền, nếu con người tận dụng được hết động năng của gió thì gió có thể cung cấp cho con người năng lượng càng lớn hơn năng lượng do nước cung cấp; vì vậy từ xưa con người đã iết sử dụng động năng của gió để chạy các cối xay gió. HS có thể giải thích được tại sao chúng ta phải trồng rừng đầu nguồn để hạn chế thiệt hại do ão, lũ lụt gây ra; hay tại sao ở gần biển chúng ta phải trồng rừng để chắn song, chắn cát. HS cũng có thể giải thích được tại sao khi leo lên cầu thang của tòa nhà cao tầng thường mệt hơn rất nhiều so với khi ước xuống. HS cũng iết được vận động viên nhảy sào phải thực hiện thao tác nào để đạt được thành tích cao nhất. HS cũng có thể giải thích được tại sao ở xe máy phải có bộ phận giảm sóc, biết được tác dụng của hộp số trong xe máy và ô tô…
Hệ thống bài tập của chương cũng rất đa dạng và phong phú, phù hợp với trình độ của từng đối tượng HS.
Qua phân tích đặc điểm của chương, chúng tôi iết được HS đã iết những gì và cần hình thành, phát triển kiến thức, kĩ năng nào cho các em. Đó là cơ sở để lựa chọn và đưa ra các iện pháp phát triển năng lực tư duy phù hợp với yêu cầu của mục tiêu, nội dung chương trình SGK và trình độ của HS.