Sáng kiến kinh nghiệm Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn

1. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin A. ĐẶT VẤN ĐỀ I. LỜI MỞ ĐẦU Trong chương trình Vật lí 12 Ban KHTN của THPT cải cách, được thay đổi, chỉnh sửa và thêm mới rất nhiều kiến thức. Trong đó Chương I : “Động lực học vật rắn” lần đầu tiên đưa vào giảng dạy trong tất cả các trường phổ thông. (Trước đó chỉ có trong chương trình của các trường chuyên). Việc giảng dạy và ôn tập cho học sinh không tránh khỏi những bỡ ngỡ, khó khăn. Qua tham khảo tài liệu về cơ học vật rắn, và học hỏi các bạn bè đồng nghiệp cũng như sự nỗ lực của bản thân. Tôi mạnh dạn trình bày những kinh nghiệm của mình khi giảng dạy ôn tập cơ học vật rắn bằng phương pháp : “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” ( trong chương trình vật lí 12 – Ban KHTN). “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 1 -
2. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin II. THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ 1. Thực trạng: Trong năm đầu tiên giảng dạy chương trình vật lí 12 Ban KHTN theo chương trình đã cải cách. Và đặc biệt lần đầu tiên giảng dạy cơ học vật rắn, tôi có những nhận định sau: - Về phía giáo viên: Kiến thức về cơ học vật rắn là những kiến thức mới trong chưong trình sách giáo khoa đại trà. Nên việc giảng dạy và biên soạn những dạng bài tập để ôn tập cho học sinh có nhiều hạn chế. Lượng kiến thức và lượng công thức đòi hỏi học sinh phải ghi nhớ và vận dụng được thành thạo là nhiều. Nên đòi hỏi giáo viên phải có một phương pháp phù hợp để có thể đạt được các mục tiêu kiến thức đã đề ra khi giảng dạy kiến thức trong chương. - Về phía học sinh: Khi học tập tiếp thu những kiến thức trong chương, không khỏi bối rối khi lựa chọn cho mình một cách học, cách luyện tập sao cho đơn giản, dễ thực hiện và có hiệu quả cao nhất. 2. Kết quả của thực trạng trên: Từ những thực trạng đã nêu trên dẫn đến một hệ quả là: - Việc xây dựng bộ tài liệu giảng dạy và cho học sinh ôn tập kiến thức trong chương, có phần kiếm phong phú về số lượng cũng như chất lượng. Và việc giảng dạy cũng trở nên thụ động về phía học sinh. Dễ dẫn đến tình trạng giáo viên thông báo kiến thức và học sinh thuộc lòng công thức (đọc chép). Trong năm học vừa qua bản thân tôi cũng tham gia giảng dạy phần cơ học vật rắn. Và sau khi áp dụng phương pháp trên tôi cũng cảm thấy phần nào được thoả mãn những khúc mắc ở trên. Sau đây tôi xin trình bày những kinh nghiệm của mình khi giảng dạy chương I: “Động lực học vật rắn” bằng phương pháp : “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn”. Mà tôi đã thực hiện tại các lớp 12A2, 12A4 trường THPT Thạch Thành I trong năm học vừa qua. “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 2 -
3. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN: 1. Dựa trên sự tương tự giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động quay của vật rắn và các đại lượng đặc trưng cho chuyển động thẳng của chất điểm: Chuyển động quay của vật rắn Chuyển động thẳng (trục quay cố định, chiều không đổi) (chiều không đổi) Toạ độ góc φ (rad) Toạ độ x (m) Vân tốc góc ω (rad/s) Vận tốc v (m/s) Gia tốc góc γ (rad/s2 ) Gia tốc a (m/s2 ) Mômen lực M (N.m) Lực F (N) Mômen quán tính I (kg.m2 ) Khối lượng m (kg) Mômen động lượng L = Iω (kg.m2/s ) Động lượng p = mv (kg.m/s) 1 2 1 2 động năng quay Wd = Iω (J) Động năng Wd = mv (J) 2 2 Chuyển động quay đều: Chuyển động thẳng đều: ω = hằng số; γ = 0; φ = φ0 + ωt v = hằng số; a = 0; x = x0 + vt Chuyển động quay biến đổi đều: Chuyển động thẳng biến đổi đều: γ = hằng số a = hằng số ω = ω0 + t v = v0 + at 1 2 1 2 φ = φ0 + ω0t + γt x = x0 + v0t + at 2 2 2 2 2 2 ω – Error! Not a valid link. = 2γ (φ – φ0 ) x – x0 = 2a(x – x0 ) Quay nhanh dần: γω > 0 Chuyển động nhanh dần: av > 0 Quay cậm dần : γω < 0 Chuyển động chậm dần : av < 0 Phương trình động lực học: Phương trình động lực học: M = Iγ hay M = dL F = ma hay F = dp dt dt Định luật bảo toàn môn men động Định luật bảo toàn động lượng: “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 3 -
4. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin lượng:  I ω = I ω = hay L = hằng số 1 1 2 2  i  mi vi = hằng số Công thức liên hệ giữa các đại lượng góc và các đại lượng dài: 2 s = rφ; v = rω ; at = rγ; an = rω 2. Xây dựng các dạng bài tập dựa trên sự tương tư giữa cơ học vật rắn và cơ học chất điểm: 1. Động học vật rắn Động học chất điểm Động học vật rắn Dạng 1: Xác định các đại lượng x, v, a: Dạng 1: Xác định các đại lượng φ, ω, γ: Bài 1: Một chất điểm chuyển động x tại Bài 1: Một vật rắn quay quanh một trục các vị trí bất kỳ được ghi lại như sau: cố định φ tại các vị trí bất kỳ được ghi lại như sau: x(m) -5 -3.5 -2 -0,5 1 2,5 4 φ(rad) -5 -3.5 -2 -0,5 1 2,5 4 t(s) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 t(s) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 a.Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc x – t a.Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc x – t b. Tính vtb trong hai khoảng 0,1s đến b. Tính ωtb trong hai khoảng 0,1s đến 0,4s và 0,4 đến 0,7s. 0,4s và 0,4 đến 0,7s. Giải Giải x 0,5 5 4,5 x 0,5 5 4,5 vtb1 = = = 1,5 (m/s) ωtb1 = = = 1,5 (rad/s) t 0,3 0,3 t 0,3 0,3 x 4 - (- 0,5) 4,5 x 4 - (- 0,5) 4,5 vtb2 = = = = 1,5 (m/s) ωtb2 = = = = 1,5 (rad/s) t 0,3 0,3 t 0,3 0,3 Bài 2: Một chất điểm chuyển động Bài 2: Một chất điểm chuyển động nhanh dần đều không vận tốc ban đầu, nhanh dần đều không vận tốc ban đầu, với gia tốc a = 2m/s2. Tìm vận tốc của với gia tốc a = 2m/s 2. Tìm vận tốc của chất điểm và đoạn đường chuyển động chất điểm và góc quay được sau 3s và “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 4 -
5. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin được sau 3s và trong giây thứ 3? trong giây thứ 3? Giải Giải Chọn trục Ox trùng với quỹ đạo chuyển động, chiều dương là chiều chuyển động: v = at = 2.3 = 6 m/s ω = γt = 2.3 = 6 rad/s 1 2 1 2 Phương trình:x = x0 + at Phương trình:φ = φ0 + γt 2 2 Trong 3s: Trong 3s: Δx = 1 at2 = 9 m = s Δφ = 1 γt2 = 9 rad 2 2 Trong giây thứ 3: Trong giây thứ 3: 1 a.32 - 1 a.22 = 5 m Δφ’ = 1 γ.32 - 1 γ.22 = 5 rad 2 2 2 2 Bài 3: Một chất điểm chuyển động Bài 3: Một vật rắn quay chậm dần đều chậm dần đều từ 10m/s với gia tốc từ 10 rad/s với gia tốc 2rad/s2. Viết 2m/s2. Viết phương trình chuyển động. phương trình chuyển động. Chiều dương Chiều dương chọn ngược chiều chuyển chọn ngược chiều chuyển động, t = 0 lúc động, t = 0 lúc x0 = 3m. Tìm thời điểm φ0 = 3 rad. Tìm thời điểm vật dừng lại? chất điểm dừng lại? Giải Giải Phương trình chuyển động: Phương trình chuyển động: x = 3 – 10t + 1 .2t2 φ = 3 – 10t + 1 .2t2 2 2 (do chuyển động chậm dần đều nên (do chuyển động chậm dần đều nên av < 0) ωγ < 0) Khi chất điểm dừng lại v = 0: Khi chất điểm dừng lại ω = 0: v = - 10 + 2t = 0 ω = - 10 + 2t = 0 “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 5 -
6. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin t = 5s t = 5s Bài 4: Tại thời điểm t = 0 một chất Bài 4: Tại thời điểm t = 0 một bánh đà điểm có vận tốc 4,7 m/s, gia tốc - 0,25 có vận tốc 4,7 rad/s, gia tốc góc - 0,25 2 2 m/s và toạ độ x0 = 0. rad/s và toạ độ điểm mốc φ0 = 0. a. Tìm quãng đường s chất điểm a. Điểm mốc sẽ quay được một góc cực chuyển động được trước khi đại φmax bằng bao nhiêu theo chiều dừng lại? dương?Tại thời điểm nào? b. Thời điểm nào thì chất điểm có b.Thời điểm nào thì điểm mốc có toạ độ 1 1 toạ độ x = s φ = φmax 2 2 Giải Giải 2 2 2 2 a. Áp dụng: v – v0 = 2as a. Áp dụng công thức: ω – ω0 = 2γφ 2 2 2 v0 – ω0 = 2γφm φm = 44,18 rad - v0 = 2as s = - = 44,18 m 2a - ω t = 0 = 18,8s - v γ t = 0 = 18,8s a 2 2 φm ω0 b. ω – ω0 = 2γ ω = 1 2 1 2 2 b. x = v0t + at = s = 22,09 2 2 ω = ω0 + γt t = 5,5s t = 5,5 s Dạng 2: Gặp nhau của 2 chuyển động Dạng 2: Gặp nhau của 2 chuyển động Bài 1: Chất điểm I và chất điểm II, Bài 1: Bánh đà I và bánh đà II có cùng xuất phát cùng lúc từ cùng một điểm và trục quay, Ban đầu hai bán kính mốc chuyển động cùng chiều nhau. chất trùng nhau. Hai bánh quay cùng và điểm I chuyển động thẳng đều với v1 = cùng chiều nhau. Bánh đà I quay đều 2m/s. chất điểm II chuyển động nhanh với ω1 = 2rad/s. Bánh đà II quay nhanh dần đều gia tốc a = 1m/s2. Sau bao lâu dần đều gia tốc góc γ = 1rad/s2. Sau bao hai chất điểm lại gặp nhau? gặp ở đâu? lâu hai bán kính mốc lại gặp nhau lần tiếp theo? Khi đó mối bánh đã quay “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 6 -
7. Trường THPT Thạch Thành I Giáo viên: Nhữ Cao Vinh - Tổ: Vật lí - KTCN - Tin được góc bao nhiêu? Giải Giải Chọn trục Ox cùng chiều chuyển động, Chọn chiều dương cùng chiều chuyển gốc O tại điểm xuất phát. động, gốc O tại điểm xuất phát. Chọn t = 0 lúc hai chất điểm xuất phát. Chọn t = 0 lúc hai bánh bắt đàu quay. Phương trình chuyển động của chất Phương trình chuyển động của bánh đà điểm I: x1 = v1t = 2t I: φ1 = ω1t = 2t 1 2 2 1 2 2 chất điểm II: x2 = at = 0,5t chất điểm II: φ2 = γt = 0,5t 2 2 Khi hai chất điểm gặp nhau : x1 = x2 Khi hai chất điểm gặp nhau : φ1 = φ2 2t = 0,5t2 t = 4 (s) 2t = 0,5t2 t = 4 (s) Tại vị trí cách O: x = 2.4 = 8 (m) Hai bánh đã quay được: φ = 2.4 = 8 (rad) Dạng 3: Đồ thị chuyển động Dạng 3: Đồ thị chuyển động Bài 1: Bài 1: x (m) φ (rad) A B A B 12 12 O 2 6 10 t (s) O 2 6 10 t (s) Trên đồ thị hình trên là đồ thị x-t của Trên đồ thị hình trên là đồ thị φ-t của một chất điểm chuyển động, hãy cho một vật rắn chuyển động quay quanh biết: một trục cố định, hãy cho biết: a. Vận tốc của chất điểm trong mỗi giai a. Vận tốc góc của vật rắn trong mỗi giai đoạn? đoạn? b. Phương trình chuyển động của chất b. Phương trình chuyển động quay của điểm trong mỗi giai đoạn? vật rắn trong mỗi giai đoạn? “Sử dụng sự tương tự giữa cơ học chất điểm và cơ học vật rắn trong xây dựng câu hỏi ôn tập cơ học vật rắn” - 7 -