Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp động lực học

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp động lực học

1. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015   I. MỞ ĐẦU. 1. Lý do chọn đề tài. Mỗi phần học trong chương trình Vật lí phổ thông đều có vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng nền tảng kiến thức chung và góp phần to lớn trong việc hình thành và phát triển tư duy của các em. Tuy các em đã làm quen với môn Vật lí ở năm học lớp 6 nhưng các em vẫn không tránh khỏi những khó khăn khi tiếp xúc với phần cơ học lớp 10. Động lực học chất điểm là một nội dung quan trọng trong phần cơ học. Qua giảng dạy, bản thân tôi nhận thấy rằng đa số học sinh khi giải bài tập về động lực học các em còn hơi mơ hồ. Việc định hướng cho học sinh giải bài tập là rất cần thiết và phương pháp động lực học sẽ giúp cho các em giải quyết được các bài tập về chuyển động của chất điểm dạng cơ bản đến nâng cao, từ đó các em sẽ cảm thấy hứng thú hơn đối với bộ môn Vật lí. 2. Phạm vi đề tài. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tôi xin trình bài phương pháp động lực học là một phương pháp cơ bản để giải các bài toán cơ học. Đề tài này dùng cho các giáo viên dạy môn Vật lí tham khảo trong quá trình giảng dạy và dành cho học sinh lớp 10 học tốt môn Vật lí. II. THỰC TRẠNG CỦA NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. 1. Quan sát thực tế. Đa số học sinh khi giải bài tập về động lực học các em còn hơi mơ hồ chưa nắm vững phương pháp giải. Điều này gây khó khăn và là trở lực trong việc tiếp thu cũng như vận dụng kiến thức Vật lí của các em. Sau khi tôi áp dụng chuyên đề này cho lớp tôi dạy thì đa số học sinh đã tự giải quyết và giải quyết tốt các bài tập về động lực học. GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 1
2. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015 2. Nghiên cứu tài liệu. Đề tài này tôi nghiên cứu và tham khảo các sách như: ❖ Sách giáo khoa Vật lí 10(CB, NC) - NXBGD. ❖ Giải toán Vật lí 10 – Bùi Quang Hân. ❖ Phân loại và phương pháp giải nhanh bài tập Vật lí 10 – ThS Mai Trọng Ý. ❖ Hướng dẫn làm bài tập và ôn tập Vật lí 10 – Bùi Gia Thịnh. ❖ 423 bài toán Vật lí 10 – Trần Trọng Hưng. 3. Trình bày thực trạng. - Khả năng tiếp thu kiến thức của học sinh không đồng đều. - Khả năng tự giải bài tập về động lực học của học sinh còn hạn chế chỉ khoảng 50% học sinh tự làm được bài tập. III. CÁC GIẢI PHÁP. 1. Cơ sở lý thuyết. Động lực học nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến đổi trạng thái chuyển động của vật và nguyên nhân làm biến đổi trạng thái của chuỵển động đó. Cơ sở của động lực học là các định luật Niu-tơn. 1.1 Các định luật Niu-tơn. Cơ sở của động lực học là 3 định luật Niu –tơn của Issac Newton - nhà Vật lí người Anh (1642-1727). Trong công trình “Các tiên đề toán học của triết học tự nhiên” công bố năm 1687, ông đã phát biểu những định luật cơ bản của Vật lí cổ điển, thiết lập được định luật vạn vật hấp dẫn, nghiên cứu sự tán sắc ánh sáng và khởi thảo những cơ sở của các phép tính vi phân và tích phân. 1.1.1 Định luật I Niu-tơn. Định luật: Khi một chất điểm cô lập (không chịu một tác động nào từ bên ngoài) nếu đang đứng yên, nó sẽ tiếp tục đứng yên, nếu đang chuyển động thì chuyển động của nó là thẳng đều. Cả hai trạng thái trên vận tốc của chất điểm đều không thay đổi. GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 2
3. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015 Tổng quát: v = const Ý nghĩa của định luật I Niu-tơn: Định luật I Niu-tơn cho ta cách tìm, xác định hệ quy chiếu quán tính - là hệ quy chiếu mà trong đó định luật I Niu-tơn được nghiệm đúng. Còn xu hướng bảo toàn vận tốc của vật được gọi là quán tính. Do đó, định luật I Niu-tơn còn được gọi là định luật quán tính. 1.1.2 Định luật II Niu-tơn. 1.1.2.1 Khái niệm về lực. Lực là đại lượng vật lí đặc trưng cho tác dụng của vật này vào vật khác, là số đo của tác động cơ học do các đối tượng khác tác động vào vật. Số đo ấy đặc trưng cho hướng và độ lớn của lực tác dụng. Lực được kí hiệu là F (Force). Trong hệ SI, lực có đơn vị là Niu-tơn (N). Lực là một đại lượng vectơ F và là một khái niệm cơ bản của động lực học. Dưới tác dụng của lực, vật có thế thu gia tốc hoặc bị biến dạng. Phần này không nghiên cứu sự biến dạng của vật, chỉ nghiên cứu quan hệ giữa gia tốc của chất điểm với các lực tác dụng vào nó. Trong cơ học, ta phân biệt ba loại lực: + Các lực hút tương hỗ giữa các vật gọi là lực hấp dẫn. + Các lực xuất hiện khi các vật tiếp xúc trực tiếp tác dụng lên nhau, các lực này có chung bản chất là lực đàn hồi. + Các lực là kết quả của của sự tương tác giữa hai vật tiếp xúc nhau, chuyển động tương đối với nhau, các lực này gọi là lực ma sát. 1.1.2.2 Khái niệm về khối lượng. Mọi vật đều có xu hướng bảo toàn trạng thái chuyển động ban đầu của mình. Thuộc tính đó gọi là quán tính của vật. Mức quán tính của vật được đặc trưng bởi một đại lượng Vật lí, đó là khối lượng. Ta nói, khối lượng là số đo mức quán tính của vật. GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 3
4. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015 Quán tính của vật thể hiện ở gia tốc mà nó thu được khi có ngoại lực tác dụng và được định lượng bởi định luật II Niu-tơn: F = ma. Ta thấy, cùng với một lực tác dụng, trạng thái chuyển động biến đổi càng nhỏ (gia tốc càng nhỏ) khi khối lượng (quán tính) của vật càng lớn, và ngược lại. Trong hệ SI, đơn vị đo khối lượng là kilogam (kg) và là một trong 7 đơn vị cơ bản. 1.1.2.3 Phát biểu định luật II Niu-tơn. Véctơ gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của véctơ gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của véctơ lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. F a m Nếu vật chịu tác dụng bởi nhiều lực thì F chính là hợp lực của tất cả các lực thành phần. Định luật II Niu-tơn được phát biểu ở trên được coi là cơ sở của động lực học chất điểm. Về phương diện logic, định luật II Niu-tơn bao quát cả định luật I Niu- tơn. Thật vậy, xét trường hợp hợp lực tác dụng lên vật bằng 0 thì từ phương trình trên suy ra là a 0 nghĩa là vật đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Tuy nhiên, do vai trò quan trọng của định luật I Niu-tơn là giúp ta xác định hệ quy chiếu quán tính nên định luật I Niu-tơn có thể được coi là một định luật riêng biệt. Trong Vật lí, người ta coi phương trình định luật II Niu-tơn là phương trình cơ bản của cơ học. Tính cơ bản của nó được thể hiện ở hai điểm sau: + Trước hết, vì nó mô tả mối quan hệ giữa tương tác (lực) và chuyển động (gia tốc). Từ phương trình này ta sẽ xác định được kết quả chuyển động (vị trí vật, vận tốc, gia tốc, ). Nói cách khác nó cho ta xác định được nhiệm vụ cơ bản của mọi bài toán cơ học là xác định được kết quả của GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 4
5. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015 chuyển động trong mối tương quan động lực học. Cho nên người ta gọi phương trình này là phương trình động lực học chất điểm. + Một hệ dù phức tạp đều là tổng hợp của các vật. Vận dụng phương trình định luật II Niu-tơn cho mỗi vật trong hệ, ta sẽ tìm được quy luật chuyển động của vật trong hệ từ đó xác định được các đặc tính của hệ. Do đó, về nguyên tắc chỉ cần vận dụng phương trình đó cho mỗi vật ta sẽ xác định được trạng thái tương lai của hệ nếu biết được trạng thái ban đầu và các lực đặt vào hệ. Từ đó, trong Vật lí xuất hiện một phương pháp rất cơ bản gọi là phương pháp động lực học. 1.1.3 Định luật III Niu-tơn. Phát biểu: Khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại A một lực. Hai lực này là hai lực trực đối. FAB FBA Định luật III Niu-tơn chỉ ra rằng lực không xuất hiện riêng lẻ mà xuất hiện theo từng cặp. Nói cách khác, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác qua lại giữa hai hay nhiều vật với nhau. 1.2 Phương pháp động lực học. 1.2.1 Phương pháp động lực học - các nguyên tắc cơ bản. Phương pháp động lực học là phương pháp sử dụng các phương trình động lực học để giải các bài toán chuyển động. Đối với chất điểm, trong hệ quy chiếu quán tính, đó chính là các định luật Niu-tơn. Khi sử dụng các định luật Niu-tơn thì định luật II là định luật cơ bản (định luật I coi là trường hợp riêng của định luật II). Vì phương trình định luật II Niu-tơn là phương trình véctơ nên để thuận tiện cho tính toán ta phải biến các phương trình đó thành các phương trình vô hướng. Muốn vậy, ta chọn hệ trục tọa độ thích hợp (thông thường chọn hệ tọa độ Dercastes) rồi chiếu các phương trình véctơ đó xuống các trục tọa độ. GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 5
6. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015 1.2.2 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp động lực học. Phương pháp động lực học là phương pháp vận dụng các kiến thức động lực học (ba định luật Niu-tơn và các lực cơ học) để giải các bài toán cơ học. Các bài toán cơ học rất khác nhau, nhưng ta có thể chia ra làm hai loại chính sau đây: 1.2.2.1 Bài toán thuận : Biết các lực tác dụng lên vật, xác định chuyển động. - Biểu diễn đúng, đủ các lực tác dụng lên vật (chất điểm). - Chọn HQC cho vật sao cho việc giải bài toán được đơn giản. - Áp dụng định luật II Niu-tơn: F ma (1) - Chiếu (1) lên các trục tọa độ, chuyển sang dạng đại số. - Áp dụng các phương trình động học, xác định các thông số chuyển động. 1.2.2.2 Bài toán nghịch: Biết loại chuyển động, xác định lực tác dụng. - Chọn HQC cho vật sao cho việc giải bài toán được đơn giản. - Áp dụng các phương trình động học để suy ra gia tốc a. - Biểu diễn các véc tơ lực tác dụng lên vật. - Áp dụng định luật II Niu-tơn: F ma (1), chiếu (1) lên các trục tọa độ. - Kết hợp để suy ra các lực tác dụng. 2. Nội dung thực hiện. Một số bài tập ví dụ. Bài 1: Một vật trượt không vận tốc đầu từ đỉnh một mặt phẳng nghiêng góc 300 . Hệ số ma sát trượt là  0,3464 . Chiều dài mặt phẳng nghiêng là 1 m. Lấy g 10m / s2 . a) Tính thời gian và vận tốc khi vật đến cuối mặt phẳng nghiêng. b) Sau khi đi hết mặt phẳng nghiêng, vật tiếp tục trượt trên mặt ngang. Hệ số ma sát trượt vẫn là  0,3464 . Tính quãng đường vật trượt được cho đến khi dừng lại trên mặt ngang. GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 6
7. Sáng kiến kinh nghiệm môn Vật Lý Năm học 2014-2015 Giải y O y x N F ms N P O x Fms P a) Chọn hệ trục tọa độ Oxy gắn với Trái Đất. Các lực tác dụng lên các vật như hình vẽ. P N Fms ma Chiếu lên hệ trục tọa độ, ta được: mg sin N Psin F ma a (1) ms m P cos N 0 N mg cos (2) (1) & (2) a g(sin  cos ) 2m / s2 Thời gian và vận tốc khi vật đến cuối mặt phẳng nghiêng. 2s t 1s a v at 2m / s b) Khi vật trượt trên mặt ngang: ' P N Fms ma Chiếu lên hệ trục tọa độ, ta được: F F ma' a' ms (3) ms m P N 0 N mg(4) GV:Nguyễn Thị Thanh Nhung Trang 7