SKKN Những biện pháp dạy học nhằm khắc phục những sai lầm khi giải bài toán vế bổ sung năng lượng trong dao động tắt dần để có dao động duy trì

Nội dung text: SKKN Những biện pháp dạy học nhằm khắc phục những sai lầm khi giải bài toán vế bổ sung năng lượng trong dao động tắt dần để có dao động duy trì

1. SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT LÊ LAI Tên đề tài: Những biện pháp dạy học nhằm khắc phục những sai lầm khi giải bài toán vế bổ sung năng lượng trong dao động tắt dần để có dao động duy trì . S¸ng kiÕn kinh nghiÖm m«n VËt lý Hä vµ tªn: Lª C«ng Thä Chøc vô: Gi¸o viªn §¬n vÞ: Tr­êng THPT Lª Lai – Ngäc LÆc N¨m häc: 2011 - 2012 1
2. A. MỞ ĐẦU I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI: - Trong quá trình giảng dạy vật lý phổ thông, đặc biệt là chương dao động cơ của sách giáo khoa vật lý 12, tôi nhận thấy những bài toán vật lý càng sát với thực tế thì việc phân tích , đánh giá đúng bản chất vật lý của nó là rất khó và dễ mắc phải những sai lầm. - Một trong những vấn đề đó có vần đề về bổ sung năng lượng cho dao động tắt dần của con lắc lò xo và con lắc đơn. Vì đây là bài toán gần sát với thực tế. - Do vậy khi học sinh tiếp cận về vấn đề này sẽ gặp rất nhiều khó khăn và rất dễ đưa đến các sai lầm. Một khía cạnh khác khi các giáo viên giảng dạy phần này cho học sinh cũng chưa thực sự đào sâu suy nghĩ cũng chỉ dựa vào các tài liệu sẳn có. - Và còn một nguyên nhân khác nữa là có một số tài liệu khi đề cập đến vấn đề này cũng hay “né tránh” và nếu có cũng không phân tích rõ ràng vì vậy cũng gây ra những hiểu lầm cho học sinh. - Từ những vấn đề được phân tích ở trên nên tôi chọn đề tài “Những biện pháp dạy học nhằm khắc phục những sai lầm khi giải bài toán vế bổ sung năng lượng trong dao động tắt dần để có dao động duy trì’’. II. THỰC TRẠNG CỦA VIỆC DẠY VÀ HỌC MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ “ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG TẮT DẦN ĐỂ CÓ DAO ĐỘNG DUY TRÌ”. 1. Những nguyên nhân dẫn đến sai lầm trong việc dạy học một số bài toán về “ bổ sung năng lượng trong dao động tắt dần để có dao động duy trì” Trong thực tiễn dạy học một số bài toán về bổ sung năng lượng để dao động duy trì tại các trường trung học phổ thông nói chung và tại trường THPT Lê Lai nói riêng, một số giáo viên và học sinh còn có những hiểu sai về vấn đề bổ sung năng lượng cho dao đông tắt dần để có dao động duy trì. Cho nên việc giải quyết một số bài tập còn có những sai sót. Thực trạng đó là do các nguyên nhân sau: 2
3. 1.1. Các nguyên nhân từ phía giáo viên. - Nguyên nhân thứ nhất: Trong quá trình giảng dạy giáo viên không chỉ rõ cho học sinh các đặc điểm của dao động duy trì nên đã làm cho học sinh hiểu sai hoặc không phân biệt được dao động duy trì và các đặc điểm của các loại dao động khác. - Nguyên nhân thứ hai: Trong quá trình giảng dạy giáo viên có nhắc đến các đặc điểm của dao động duy trì song chưa có biện pháp để khắc sâu những đặc điểm này nên dẫn đến học sinh nhanh quên và không khắc sâu được đặc điểm này. - Nguyên nhân thứ ba: Một số giáo viên còn chưa tìm hiểu sâu về đặc điểm của dao động duy trì nên chưa hiểu rõ về dao động duy trì dẫn đến là né tránh các bài toán liên quan đến dao động duy trì và bổ sung năng lượng cho dao động tắt dần để có dao động duy trì. Đây là nguyên nhân hết sức nguy hiểm vì sai lầm này sẽ còn tiếp diễn những sai lầm khác tương tự nên cần phải chấn chỉnh ngay. - Nguyên nhân thứ tư: Đây là dạng toán không mới nhưng trong quá trình thi và kiểm tra lại rất ít đề cập tới, nên về tâm lí thi cử một cách thực dụng làm cho giáo viên cũng không mấy khi hoặc không đề cập đến dạng toán này trong đề thi. Đây cũng là nguyên nhân dẫn đến bài toán này không được một số giáo viên tìm hiểu và nghiên cứu sâu. 1.2. Các nguyên nhân từ phía học sinh. - Nguyên nhân thứ nhất: Học sinh hiểu sai về đặc điểm của dao động duy trì, ở đây học sinh hiểu rằng cứ cho dao động nào không tắt thì được gọi là dao động duy trì nhưng học sinh lại quên mất rằng dao động duy trì là phải có biên độ và chu kì không thay đổi. - Nguyên nhân thứ hai: Một số nhóm học sinh khi được hỏi về dao động duy trì thì các em mới chỉ nói được đó là dao động không tắt và có chu kì không đổi. Ở đây các em vẫn không chỉ ra được rằng là phải giữ cho biên độ không đổi. - Nguyên nhân thứ ba: Một số nhóm học sinh khi được hỏi về dao 3
4. động duy trì thì các em hoàn toàn không biết dao động duy trì là gì. Đây là nhóm học sinh không được trang bị kiến thức về vật lí nói chung và kiến thức về dao động duy trì nói riêng. Trong các nhóm sai lầm thì nhóm sai lầm này chúng ta không bàn đến trong đề tài này. 2. Mục đích của đề tài. Trong phạm vi của sáng kiến kinh nghiệm đề tài của tôi được viết với mục đích : - Giúp học sinh và giáo viên hiểu rõ hơn về dao động duy trì, tạo điều kiện cho cách tiếp cận về bổ sung năng lượng trong dao động tắt dần. - Giúp chỉ cho giáo viên thấy những nguyên nhân dẫn đến các sai lầm trong bài toán bổ sung năng lượng cho dao động tắt dần để có dao động duy trì, và đưa ra một số giải pháp để khắc phục những nguyên nhân này. - Giúp học sinh và giáo viên có cái nhìn đúng đắn hơn về vấn đề cung cấp năng lượng cho dao động tắt dần, bù lại phần năng lượng đó mất (do ma sát) để được một dao động duy trì.Từ đó để ứng dụng giải quyết một số bài tập còn hiểu sai về vấn đề bổ sung năng lượng cho dao động duy trì 4
5. B. NỘI DUNG NHỮNG BIỆN PHÁP DẠY HỌC NHẰM KHẮC PHỤC NHỮNG SAI LẦM KHI GIẢI BÀI TOÁN VỀ “BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG TẮT DẦN ĐỂ CÓ DAO ĐỘNG DUY TRÌ”. I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA SỰ HAO HỤT NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG TẮT DẦN. 1. Những cơ sở lí luận từ thực tiễn. - Như ta đã biết không một dao động nào trong thế giới tự nhiên có thể dao động tự do một cách mãi mãi. - Như vậy để có một dao động duy trì thì ta phải cung cấp cho nó một phần năng lượng đã mất (do ma sát) mà không làm thay đổi chu kì dao động của nó và để giử cho dao động có một biên độ không đổi theo thời gian. - Về thực nghiệm, đơn giản nhất thì ta làm như sau: + Cứ sau mỗi một chu kì ta tác động vào vật trong khoảng thời gian ngắn một lực sao cho công của lực này đúng bằng phần năng lượng đã mất. Nhưng phải đảm bảo công này phải là công dương dùng để thắng các lực cản. - Cơ chế của sự cung cấp này là rất phức tạp vì vậy trong khuôn khổ của đề tài này tôi không đề cập tới. - Trên đây là những lí luận thực tiễn. Sau đây tôi xin trình bày một số quan điểm cho việc tính toán cụ thể phần năng lượng được bù vào hay mất đi. 2. Các khái niệm cơ bản. - Khi hệ vật hay vật dao động trong môi trường có ma sát (Fms) thì hệ vật hay vật đó sẽ dao động tắt dần. - Lực ma sát luôn có xu hướng ngược chiều chuyển động nên sinh công âm làm cho cơ năng của của con lắc giảm dần chuyển hóa thành nhiệt năng. - Lực ma sát lớn dao động sẽ tắt nhanh còn lực ma sát nhỏ dao động sẽ tắt chậm. 5
6. - Trong khuôn khổ của đề tài này ta chỉ xét trường hợp lực ma sát nhỏ nên dao động lâu tắt tức là độ giảm biên độ sau một chu kì là rất nhỏ( A A A' nhỏ). 3. Dao động tắt dần của con lắc lò xo - Ta đã biết: Độ giảm cơ năng của con lắc sau một chu kì E chính bằng công của lực ma sát cản trở trong chu kì đó. - Gọi A là biên độ của con lắc trong chu kì đầu tiên. - Gọi A’ là biên độ của con lắc trong chu kì tiếp theo. kA2 kA'2 Suy ra: F .4A E 2 2 ms k k (A2 A'2 ) F .4A (A A' )(A A' ) F .4A 2 ms 2 ms Vì A A A' rất nhỏ nên A A' 2A k Suy ra: 2A. A F .4A 2 ms 4F A ms k - Như vậy nếu ta biết được lực cản của môi trường và độ cứng của lò xo ta có thể suy ra được độ giảm biên độ của con lắc trong một chu kì. - Nếu ta coi bài toán có độ giảm biên độ theo theo gian là không đổi, thì số dao động thực hiện được khi đó là : A N . A (Với N là số lần thực hiện dao động toàn phần đến khi con lắc dừng lại) - Khi đó ta cũng có thể suy ra được thời gian t của vật dao động kể từ khi bắt đầu dao động cho đến khi dừng lại. 2 m t NT N N.2 .  k - Trên cơ sở: Cơ năng ban đầu bằng tổng công của lực ma sát trên toàn bộ đoạn đường vật đi được do đó ta có thể tìm ra quãng đường lớn nhất S Max mà vật có thể đi được kể từ khi bắt đầu dao động cho đến khi dừng lại. 2 1 2 kA Tức là: kA Fms S Max S Max 2 2Fms 6
7. 4. Dao động tắt dần của con lắc đơn. Ta đó biết: Độ giảm cơ năng của con lắc sau một chu kì E chính bằng công của lực ma sát cản trở trong chu kì đó. E = E1- E2= Fms.4S0. 2 - Với: E1 = m.g.l.(1- cos ) = m.g.l.2.sin 0 2 2 2 - Vì rất nhỏ nên: sin 2 E mgl 0 0 2 4 1 2 '2 - Tương tự: E mgl 0 . 2 2 - Trong đó : 0 : là biên độ góc ban đầu của con lắc đơn. [rad]. ' 0 : là biên độ góc của con lắc sau một chu kì. [rad]. S0: là biên độ dài ban đầu của con lắc đơn. (S0=l 0 ). [m]. mgl 2 mgl '2 0 0 F .4(l ) - Suy ra: 2 2 ms 0 mgl ( )( ' ) F .4l 2 0 0 0 0 ms 0 ' ' Vì : 0 0 rất nhỏ nên 0 0 2 0 mg 4F Suy ra: 2 . F .4 ms 2 0 ms 0 mg Đây là độ giảm biên độ góc sau một chu kì. - Như vậy nếu ta biết được lực cản của môi trường và khối lượng của quả nặng ta có thể suy ra được độ giảm biên độ của con lắc trong một chu kì. - Nếu ta coi bài toán có độ giảm biên độ theo thời gian là không đổi, thì số dao động thực hiện được khi đó là : N 0 (Với N là số lần thực hiện dao động toàn phần đến khi con lắc dừng lại) - Khi đó ta cũng có thể suy ra được thời gian t của vật dao động kể từ khi bắt đầu dao động cho đến khi dừng lại. 7
8. 2 l t NT N N.2 .  g Trên cơ sở: Cơ năng ban đầu bằng tổng công của lực ma sát trên toàn bộ đoạn đường vật đi được ta có thể tìm ra quãng đường lớn nhất S Max mà vật có thể đi được kể từ khi bắt đầu dao động cho đến khi dừng lại. 2 1 2 mgl 0 Tức là: mgl 0 Fms S Max S Max 2 2Fms II. TÌM HIỂU VỀ SỰ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG TRONG DAO ĐỘNG TẮT DẦN ĐỂ CÓ DAO ĐỘNG DUY TRÌ. 1. Khái niệm dao động duy trì. -Theo SGK “vật lí 12 cơ bản” xuất bản năm 2008.Nhà xuất bản GD - “Muốn giữ cho biên độ dao động của con lắc không đổi mà không làm thay đổi chu kì dao động riêng của nó, người ta dùng một thiết bị nhằm cung cấp sau mỗi chu kì một phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng tiêu hao do ma sát. Dao động của con lắc được duy trì theo cách như vậy được gọi là dao động duy trì.” - Như vậy chúng ta hiểu dao động duy trì là dao động mà cần cung cấp năng lượng cho con lắc sao cho biên độ và chu kì dao động của nó không đổi theo thời gian. 2. Xác định năng lượng cần cung cấp cho con lắc 2.1.Khi bài toán yêu cầu xác định năng lượng cần cung cấp cho con lắc duy trì dao động với biên độ không đổi, thì bài toán này có yêu cầu rất rõ ràng nên: - Gọi độ hao hụt năng lượng của con lắc trong một giây là e được xác định E bằng công thức: e T - Với E là độ hao hụt năng lượng trong chu kì đầu tiên. - T là chu kì dao động của con lắc. - Năng lượng cần cung cấp cho con lắc trong một giờ dao động là: E W 3600. . T - Năng lượng cần cung cấp cho con lắc trong một ngày dao động là: 8