Khóa luận Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm chuyển động thẳng để phục vụ dạy học phần cơ học trong chương trình SGK lớp 10 THPT

Phương và chiều của lực tương tác chính là phương và chiều chuyển động của hai xe - Ưu điểm: Bộ thí nghiệm hoạt động với nguyên tắc dễ hiểu đối với học sinh Bộ thí nghiệm gọn nhẹ, rẻ tiền nên có thể sử dụng rộng rãi ở các trường phổ thông. Kết quả thí nghiệm dễ xử lý để đưa ra kết luận cho bài học - Nhược điểm: Bộ thí nghiệm cho kết quả bằng cách đánh dấu bằng sợi dây cước nên sai số lớn Khi tiến hành thí nghiệm phải chú ý nhiều chi tiết như quấn chỉ, đốt chỉ, buộc dây cước để kết quả thu được có độ chính xác hơn Bộ thí nghiệm sử dụng đồng hồ tương tác từ Hình 2.5: Bộ thí nghiệm sử dụng đồng hồ tương tác từ + Nguyên tắc hoạt động - Vật là hai xe lăn, một xe có gắn giá để gia trọng, một xe có gắn đồng hồ tương tác từ. Xe chuyển động trên một máng có gắn thanh ray dẫn điện, điện đưa vào các thanh ray bằng các dây nối từ nguồn thứ cấp của biến thế 220V-12V. - Giữa 2 thanh ray có 1 băng giấy, trên đồng hồ gắn 1 ngòi bút, khi đồng hồ hoạt động và xe chuyển động thì ngòi bút chấm đều đặn trên băng giấy. Hình ảnh chấm mực trên băng giấy cho ta thông tin chuyển động của vật. + Ưu điểm Bộ thí nghiệm hoạt động với nguyên tắc dễ hiểu đối với học sinh Chỉ tiến hành một lần thí nghiệm cho một chuyển động nhưng thu được nhiều số liệu. Bộ thí nghiệm gọn nhẹ, rẻ tiền có thể sử dụng rộng rãi ở các trường phổ thông. Kết quả thí nghiệm dễ xử lý để đưa ra kết luận cho bài học + Nhược điểm Pit tông, xi lanh ngắn nên đồng hồ lắc rất mạnh Ma sát lớn nên kết quả thí nghiệm vẫn còn sai số Không nghiên cứu được định luật III Niu tơn Bộ thí nghiệm nghiên cứu định luật III Niu – tơn Hình 2.6: Bộ thí nghiệm nghiên cứu định luật III Niu – tơn + Nguyên tắc hoạt động - Vật là hai xe lăn, một xe có gắn giá để gia trọng, một xe treo gia trọng. Đồng hồ tương tác từ được gắn trên hai xe. Xe chuyển động trên một máng có gắn thanh ray dẫn điện, điện đưa vào các thanh ray bằng các dây nối từ nguồn thứ cấp của biến thế 220V-12V. - Bên cạnh 2 thanh ray có 1 băng giấy, trên đồng hồ gắn 1 ngòi bút, khi đồng hồ hoạt động và xe chuyển động thì ngòi bút chấm đều đặn trên băng giấy. Hình ảnh chấm mực trên băng giấy cho ta thông tin chuyển động của vật. + Ưu điểm Bộ thí nghiệm hoạt động với nguyên tắc dễ hiểu đối với học sinh Chỉ tiến hành một lần thí nghiệm cho một chuyển động nhưng thu được nhiều số liệu. Bộ thí nghiệm gọn nhẹ, rẻ tiền có thể sử dụng rộng rãi ở các trường phổ thông. Kết quả thí nghiệm dễ xử lý để đưa ra kết luận cho bài học + Hạn chế : Không nghiên cứu được : Các dạng chuyển động thẳng Định luật I Niu – tơn Định luật II Niu – tơn Định luật bảo toàn động lượng => Từ hạn chế của hai bộ thí nghiệm có sử dụng đồng hồ tương tác từ trên, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo bộ thí nghiệm có thể đáp ứng được đầy đủ hơn nhu cầu của người sử dụng. 3. Thiết kế bộ thí nghiệm Ý tưởng Đồng hồ đo thời gian kiểu tương tác từ vẫn là một gợi ý quan trọng trong việc thiết kế chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng mới. Bởi vì : Đồng hồ có thiết kế nhỏ gọn Sử dụng nguồn điện 12V đảm bảo nguyên tắc an toàn. Nguyên tắc hoạt động dễ hiểu Ứng dụng đồng hồ đo thời gian tương tác từ trong chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng mới: lắp đồng hồ lên vật và thiết kế hệ thống đưa điện lên đồng hồ, hệ thống này hoạt động ổn định trong khi xe chuyển động. Ý tưởng cho hệ thống dẫn điện: đồng hồ lắp trên 1 xe, nối với các bánh xe (bánh xe làm bằng kim loại dẫn điện), xe chuyển động trên các thanh ray dẫn điện, điện đưa vào các thanh ray bằng các dây nối từ nguồn thứ cấp của biến thế 220V-12V. Ý tưởng cho hệ thống ghi lại chuyển động: bên cạnh 1 thanh ray có 1 băng giấy được giữ chắc và phẳng, trên đồng hồ gắn 1 ngòi bút, khoảng cách giữa ngòi bút và băng giấy có thể thay đổi sao cho khi đồng hồ hoạt động và xe chuyển động thì ngòi bút chấm đều đặn trên băng giấy. Khi nghiên cứu định luật III Niu- tơn, ta sử dụng gia trọng nối vào xe bằng một sợi dây nên ta phải xẻ rãnh trên máng để sợi dây xuyên qua và phải để hệ thống này trên một độ cao nhất định nhờ hai chân đế. Ngoài ra cần có thêm các bộ phận khác: Bộ phận cung cấp vận tốc ban đầu cho vật Bộ phận chặn xe Hai chân đế để nghiên cứu định luật II và định luật III Niu-tơn. Bộ phận đo góc nghiêng, bộ phận đỡ gia trọng 3.2 Mô hình bộ thí nghiệm 220V Biến thế 220V-12V Súng vận tốc Bộ phận chặn xe Xe định luật bảo toàn động lượng Đồng hồ Gia trọng Bộ phận đỡ vật máng Thanh ray Sợi dây Chân đế Biến thế 220V-12V Nguồn 220V Đồng hồ Gia trọng Bộ phận đỡ vật máng Thanh ray Sợi dây Chân đế Biến thế 220V-12V Nguồn 220V Chân đế Bộ phận đo góc nghiêng Đồng hồ Gia trọng Bộ phận đỡ vật máng Thanh ray Sợi dây Chân đế Biến thế 220V-12V Nguồn 220V Hình 3.2 :Mô hình bộ thí nghiệm 4. Chế tạo bộ thí nghiệm 4.1 Máng và các thanh ray (1) - Máng: tấm gỗ có kích thước 101x12x2,5 (cm) có xẻ rãnh ở giữa. - Rãnh có kích thước 80x1,5x2,5 (cm) - Thanh ray: sử dụng thanh ray trong các cửa khung nhôm kính (các thanh ray này không có lớp mạ cách điện). Cố định các thanh ray lên máng: khoảng cách 2 thanh ray là 5cm, chiều dài thanh ray là 100cm. Thanh ray được nối với nguồn điện bằng các chốt điện. - Băng giấy và bộ phận giữ giấy: băng giấy có chiều dài là 84cm, chiều rộng là 2,5cm, băng giấy được kẹp giữa 1 nam châm và 1 miếng sắt trong đó nam châm được cố định trìm dưới máng; có 4 nam châm như thế. Các xe - Các bánh xe: Không tận dụng được bánh xe trong các cửa khung nhôm kính do các bánh xe này sử dụng ổ bi chất lượng kém mà đó lại là loại ổ bi có kích thước chuyên dụng, không phổ biến. Chế tạo bánh xe mới: sử dụng khung bánh xe cũ (bánh xe của cửa khung nhôm); tiện bánh xe mới có kích thước phù hợp với khung bánh xe, với đường ray, bánh xe quay xung quanh trục là các chốt đồng có kích thước phù hợp. - Tấm gỗ làm thân xe: có kích thước 12x8x1.1 (cm) Ròng rọc: được chế tạo bằng đồng và gắn trên xe Móc buộc dây: được chế tạo bằng sắt tây, có một lỗ nhỏ để xuyên dây, được gắn trên xe còn lại. - Đồng hồ: chế tạo đồng hồ theo thiết kế mới với pit tông và xi lanh dài hơn để giảm sự rung lắc, có một trục nằm ngang để chỉnh vị trí của đồng hồ trên xe (trên xe có 1 trục với kích thước phù hợp với lỗ tròn) Hình 4.2a: Tấm gỗ làm thân xe Hình 4.2b : Xe gắn đồng hồ - Lắp ráp các xe: Lắp các bánh xe sao cho khoảng cách giữa các bánh phù hợp với khoảng các hai thanh ray Lắp ròng rọc vào xe thông qua một trục nhỏ sao cho ròng rọc có thể quay quanh trục một cách dễ dàng Lắp móc buộc dây vào xe sao cho móc nằm phía trong xe để không kồng kềnh và kéo xe dễ dàng hơn, phải chốt chắc chắn móc buộc dây vào xe. Lắp đồng hồ lên xe sao cho khi đặt xe lên máng thì đồng hồ ở phía máng có chỗ trống để có thể đặt giấy phía dưới ngòi bút của đồng hồ. Lắp một trục cố định ở giữa hai xe để giữ quả nặng khi ta thay đổi khối lượng của xe. 4.3 Các bộ phận khác Bộ phận đỡ gia trọng (2) Bộ phận cung cấp vận tốc ban đầu cho vật [7] (3) Bộ phận chặn xe (4) Bộ phận đo sự thăng bằng (5) Bộ phận đo góc (6) Các bộ phận dùng chung Hai chân đế (bộ phận nâng máng) (7) Gia trọng (8) Nguồn 220V-12V (9) 4.5 Bộ thí nghiệm sau khi chế tạo 1 9 6 8 2 5 3 7 4 Hình 4.5 Bộ thí nghiệm sau khi chế tạo 5. Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng đều Mục đích thí nghiệm: Minh họa đặc điểm của chuyển động thẳng đều: chuyển động thẳng có vận tốc tức thời không đổi. Xác định vận tốc chuyển động thẳng đều của vật Bố trí thí nghiệm Đặt máng nằm ngang, lắp súng vận tốc vào máng Nối điện từ hộp biến thế vào máng, từ nguồn vào hộp biến thế Đặt xe có gắn đồng hồ lên máng và sát với súng vận tốc Gắn băng giấy lên máng, giữ giấy phẳng nhờ các nam châm và miếng sắt Tiến hành thí nghiệm: Điều chỉnh bút ở đồng hồ sát với mặt giấy sao cho khi đồng hồ hoạt động bút vừa vặn chấm xuống mặt giấy. Bật công tắc nguồn, công tắc đồng hồ cho đồng hồ bắt đầu hoạt động. Thả rơi quả nặng 600g trên trục của súng vận tốc để xe chuyển động Khi xe chuyển động đến cuối máng, tắt đồng hồ, tắt nguồn, rút băng giấy ra để thu số liệu. Dùng thước đo độ dời mà xe đi được trong khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp. Lặp lại thí nghiệm 2 lần với băng giấy khác. Từ đó rút ra kết luận về đặc điểm chuyển động của xe. Kết quả thí nghiệm S(mm) 6.0 7.0 6.5 6.5 6.5 7.0 6.5 7.0 7.0 7.0 V(m/s) 0.300 0.350 0.325 0.325 0.325 0.350 0.325 0.350 0.350 0.350 Chọn gốc tọa độ, mốc thời gian tại điểm bắt đầu khảo sát, ta có: t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 x(mm) 0.0 6.0 14.0 19.5 26.0 32.5 42.0 45.5 56.0 63.0 70.0 v(m/s) 0.300 0.300 0.350 0.325 0.325 0.325 0.350 0.325 0.350 0.350 0.350 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của tọa độ theo thời gian trong chuyển động thẳng đều Đồ thị biểu diễn sự biến thiên vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng đều chuyê Nhận xét: Trong chuyển động thẳng đều, đồ thị s –t là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, đồ thị v –t là một đường thẳng song song với trục Ot . Đồ thị vẽ được từ kết quả thực nghiệm cho ta kết luận, vật chuyển động thẳng đều Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng nhanh dần đều Mục đích thí nghiệm: Xác định tọa độ theo thời gian, vận tốc trung bình trong những khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp để từ đó vẽ đồ thị x-t và v-t Xác định gia tốc chuyển động theo định nghĩa Bố trí thí nghiệm: Xuyên trục nâng máng qua máng và lắp lên chân đế Lắp bộ phận đo góc lên máng Nối điện từ nguồn vào biến thế, từ biến thế vào máng Gắn băng giấy lên máng, giữ giấy phẳng nhờ các nam châm và miếng sắt Đặt xe có lắp đồng hồ lên máng và điều chỉnh độ cao của bút cho phù hợp Thí nghiệm được bố trí như hình: Tiến hành thí nghiệm: Nâng máng lên 1 góc, đưa xe lên đỉnh máng, bật công tắc cho đồng hồ hoạt động Thả tay để xe chuyển động trên máng. Khi xe chuyển động hết máng tắt công tắc, lấy băng giấy ra khỏi máng để thu số liệu. Dùng thước đo độ dời của xe trong những khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp Tiến hành thí nghiệm với góc nghiêng khác. Kết quả thí nghiệm - Với α=5o S(mm) 4.60 5.00 5.40 5.80 6.10 6.50 6.90 7.40 7.80 8.20 8.60 ∆S(mm) 0.40 0.40 0.40 0.30 0.40 0.40 0.50 0.40 0.40 0.40 a (m/s2) 1.00 1.00 1.00 0.75 1.00 1.00 1.25 1.00 1.00 1.00 Đồ thị v - t Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu khảo sát, ta có: t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 V(m/s) 0.305 0.322 0.338 0.355 0.371 0.388 0.406 0.424 0.442 0.455 0.474 Sự biến thiên vận tốc theo thời gian với góc nghiêng 50 - Với α=8o S(mm) 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.00 9.50 ∆S(mm) 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.00 0.50 a (m/s2) 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 0.00 1.25 Đồ thị v – t Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu khảo sát, ta có: t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 V(m/s) 0.354 0.373 0.392 0.413 0.433 0.454 0.476 0.498 0.520 0.540 0.563 Sự biến thiên vận tốc theo thời gian với góc nghiêng 80 + Nhận xét đồ thị: Trong chuyển động thẳng nhanh dần đều với vận tốc ban đầu khác 0, đồ thị v-t là một đường thẳng không đi qua gốc tọa độ. Đồ thị vẽ được từ kết quả thực nghiệm với 2 góc nghiêng 50 và 80 cho ta kết luận, vật chuyển động thẳng nhanh dần đều Thí nghiệm nghiên cứu định luật II Niu-tơn Mục đích thí nghiệm: kiểm nghiệm lại định luật II Niu tơn trong trường hợp: gia tốc mà một vật (khối lượng không đổi) thu được trong chuyển động thẳng nhanh dần đều tỉ lệ với lực tác dụng vào vật a~F Bố trí và tiến hành thí nghiệm; giống như thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng nhanh dần đều Kết quả thí nghiệm: Sử dụng kết quả đã đo được với thí nghiệm chuyển động thẳng nhanh dần đều. Ta có: Góc nghiêng 50 Góc nghiêng 80 Từ bảng số liệu : a= 1m/s2 Có F = P.sin 50 a’ = g. sin50 = 0.87 m/s2 Vì a a’=> a ~F - Từ bảng số liệu : a= 1.25m/s2 Có F = P.sin 80 a’ = g. sin80 = 1.36 m/s2 Vì a a’=> a ~F Thí nghiệm nghiên cứu định luật bảo toàn động lượng Mục đích thí nghiệm: kiểm nghiệm định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp va chạm mềm của hai vật. Bố trí thí nghiệm Đặt máng nằm ngang, lắp súng vận tốc vào máng Nối điện từ hộp biến thế vào máng, từ nguồn vào hộp biến thế Đặt 2 xe lên máng cách nhau một khoảng, trong đó một xe đặt sát súng vận tốc Gắn băng giấy lên máng, giữ giấy phẳng nhờ các nam châm và miếng sắt Thí nghiệm được bố trí như hình dưới đây: Tiến hành thí nghiệm: giống như tiến hành thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng đều nhưng khi thu thập số liệu chú ý phân tích vị trí có sự biến đổi vận tốc đột ngột. Kết quả thí nghiệm: Lần 1: S(mm) 12.0 13.0 12.5 12.0 12.0 12.5 11.5 12.0 V(m/s) 0.600 0.650 0.625 0.600 0.600 0.625 0.575 0.600 S(mm) 6.0 7.0 6.5 6.5 6.5 7.0 6.5 7.0 V(m/s) 0.300 0.350 0.325 0.325 0.325 0.350 0.325 0.350 - Định luật bảo toàn động lượng viết cho hai vật: Vì = 0, va chạm là va chạm mềm, nên biểu thức của định luật trở thành : - Từ kết quả thí nghiệm ta thấy, va chạm của hai xe tuân theo định luật bảo toàn động lượng Đồ thị biểu diễn vận tốc của vật phụ thuộc vào thời gian trước và sau va chạm Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu khảo sát, ta có: t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 V(m/s) 0.600 0.650 0.625 0.600 0.600 0.625 0.575 0.600 t (s) 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 V(m/s) 0.300 0.350 0.325 0.325 0.325 0.350 0.325 0.350 0 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên vận tốc theo thời gian trong va chạm Lần 2 S(mm) 13.0 12.5 12.5 12.0 12.0 7.0 7.0 6.5 6.5 6.5 6.0 V(m/s) 0.650 0.625 0.625 0.600 0.600 0.350 0.350 0.325 0.325 0.325 0.300 Đồ thị biểu diễn vận tốc của vật phụ thuộc vào thời gian trước và sau va chạm Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu khảo sát, ta có: t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 V(m/s) 0.650 0.625 0.625 0.600 0.600 0.350 0.350 0.325 0.325 0.325 0.300 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên vận tốc theo thời gian trong va chạm Nhận xét: Từ 2 đồ thị ta thấy, trong giới hạn sai số cho phép, vận tốc của vật trước va chạm gấp đôi vận tốc của vật sau va chạm. Kết quả này cho ta nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng áp dụng cho trường hợp đơn giản Thí nghiệm nghiên cứu định luật III Niu – tơn Mục đích thí nghiệm : Khảo sát định luật III Niuton: Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này là hai lực trực đối. Bố trí thí nghiệm - Đặt máng nằm ngang trên giá nâng máng - Đặt xe có gắn đồng hồ lên máng và nối sợi dây không giãn vào xe thứ nhất, vắt dây qua ròng rọc. - Treo gia trọng vào sợi dây và đặt gia trọng trên giá nâng vật - Nối điện từ hộp biến thế vào máng, từ nguồn vào hộp biến thế - Gắn băng giấy lên máng, giữ giấy phẳng nhờ các nam châm và miếng sắt Thí nghiệm được bố trí như hình dưới đây: Tiến hành thí nghiệm: - Điều chỉnh bút ở đồng hồ sát với mặt giấy sao cho khi đồng hồ hoạt động bút vừa vặn chấm xuống mặt giấy. - Bật công tắc nguồn, đồng hồ bắt đầu hoạt động. - Kéo dây của giá nâng vật ra khỏi chốt và thả nhẹ để gia trọng chuyển động, kéo hai xe chuyển động theo. - Khi hai xe gặp nhau thì ngừng chuyển động, tắt nguồn, rút băng giấy ra để thu thập số liệu. - Dùng thước đo độ dời mà xe đi được trong khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau. - Lặp lại thí nghiệm lần 2 với băng giấy khác, khối lượng xe khác. Từ đó tính hiệu các độ dời liên tiếp trong những khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp để chứng minh đó là chuyển động nhanh dần đều rồi tính gia tốc của từng vật theo công thức : ∆l= aτ2 . Trong ∆l là hiệu các độ dời liên tiếp mà vật đi được trong những khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau τ. Tính lực tương tác theo công thức: F= ma. Kết quả thí nghiệm Thời gian τ = 0,02s l1, l2 lần lượt là độ dời xe 1 (xe có móc buộc dây) và xe 2 (xe gắn ròng rọc) đi được trong những khoảng thời gian bằng nhau τ Xe 1 có khối lượng , xe 2 có khối lượng Nghiên cứu trường hợp xe 2 treo gia trọng =100g Trường hợp 1: + m1 = 338g + m2 = 338g Lần 1 l1 (mm) 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 l2 (mm) 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 Lần 2 l1 (mm) 4.5 5.0 5.5 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 9.5 l2 (mm) 4.0 4.5 5.0 5.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.5 8.5 9.0 Trường hợp 2 (m1=2 m2 ) : + m1 = 676 g + m2 = 338g Lần 1 l1 (mm) 3.0 3.5 4.0 4.5 4.5 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 l2 (mm) 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 10.5 11.5 12.5 13.0 14.0 Lần 2 l1 (mm) 4.0 4.5 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 l2 (mm) 3.5 4.5 5.0 5.5 6.5 7.5 8.5 9.0 10.0 11.0 12.0 Xử lí kết quả Trường hợp 1 Lần 1 ∆l1 (mm) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 ∆l2 (mm) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Lần 2 ∆l1 (mm) 0.5 0.5 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.0 ∆l2 (mm) 0.5 0.5 0.0 1.0 0.5 0.0 0.5 0.5 1.0 0.5 Xử lí kết quả đối với xe 1 Xử lí kết quả đối với xe 2 Lần 1 Giá trị trung bình: ∆l1(mm) = 0,5 a1= 125 cm/s2 Giá trị trung bình: ∆l2(mm) = 0,5 a2 = 125 cm Lần 2 Giá trị trung bình: ∆l1(mm) = 0,5 a1= 125 cm/s2 Giá trị trung bình: ∆l2(mm) = 0,5 a2 = 125 cm Trường hợp 2 Lần 1 ∆l1(mm) 0.5 0.5 0.5 0.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 ∆l2(mm) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 1.0 0.5 1.0 Lần 2 ∆l1(mm) 0.5 0.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 ∆l2(mm) 1.0 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 1.0 1.0 Xử lí kết quả đối với xe 1 Xử lí kết quả đối với xe 2 Lần 1 Giá trị trung bình: ∆l1(mm) = 0,5 a1= 125 cm/s2 Giá trị trung bình: ∆l2(mm) = 0,5 a2 = 225 cm Lần 2 Giá trị trung bình: ∆l1(mm) = 0,5 a1= 112,5 cm/s2 Giá trị trung bình: ∆l2(mm) = 0,5 a2 = 212,5 cm Nhận xét kết quả thí nghiệm - Hai xe chuyển động cùng phương, ngược chiều chứng tỏ lực mà xe 1 tác dụng lên xe 2 và lực mà xe 2 tác dụng trở lại xe 1 là cùng phương, ngược chiều. - Vì lực tương tác tính theo công thức F= ma nên khối lượng hai vật bằng nhau thì khi so sánh hai lực ta chỉ cần so sánh hai gia tốc. + Nếu thì + Nếu thì - Từ bảng số liệu ta có thể kết luận: Hai vec tơ và là hai vec tơ cùng phương, ngược chiều và trong giới hạn sai số cho phép, có thể nói chúng có độ lớn bằng nhau. Nguyên nhân sai số: - Do chưa khử được hết ma sát giữa bánh xe và thanh ray - Do ảnh hưởng của chuyển động của gia trọng - Do khi thả vật có thể làm cho hai vật không chuyển động đồng thời. - Do ma sát giữa ngòi bút và mặt giấy Nhận xét về bộ thí nghiệm sau khi chế tạo Những điểm mới: - Đồng hồ có thiết kế nhỏ gọn, tháo lắp dễ dàng, di chuyển cùng xe và ghi lại chuyển động của xe nên dễ trong nhận thức của học sinh. - Chỉ tiến hành một lần thí nghiệm cho một chuyển động nhưng thu được nhiều số liệu. Kết quả có độ chính xác có thể chấp nhận được với học sinh - Bộ thí nghiệm tương đối gọn, đẹp, chắc chắn, có tính di động khá cao, có thể mang xuống lớp học. - Có thể sử dụng được những thiết bị dùng chung trong phòng thí nghiệm - Đồng hồ hoạt động với hiệu điện thế 12V nên đảm bảo quy tắc an toàn. - Thí nghiệm sử dụng trong các bài học là thí nghiệm mở, học sinh có thể tự thiết kế, tự lắp ráp - So với bộ thí nghiệm trước có sử dụng đồng hồ tương tác từ thì bộ thí nghiệm mới chế tạo có: Pít tông xi lanh được thiết kế dài hơn để giảm sự rung lắc, xe được chế tạo bằng loại gỗ nhẹ hơn. Ngoài các thí nghiệm mà bộ trước có thể tiến hành, bộ thí nghiệm mới chế tạo còn có thể nghiên cứu được định luật III Niu tơn, đáp ứng được đầy đủ hơn nhu cầu của người sử dụng - Bộ thí nghiệm có giá thành rẻ, đơn giản dễ sử dụng nên có thể phổ biến rộng rãi tới các trường phổ thông. Nhược điểm - Bộ thí nghiệm còn có sai số do ma sát giữa bánh xe và thanh ray - Bộ thí nghiệm tương đối cồng kềnh Hướng phát triển Sử dụng đồng hồ đo thời gian kiểu tương tác từ để chế tạo các bộ thí nghiệm mới hoàn thiện hơn: Khắc phục được những nhược điểm của các bộ thí nghiệm đã có Đáp ứng một cách tốt nhất nhu cầu của người sử dụng 7. Soạn thảo tiến trình dạy học sử dụng bộ thí nghiệm 7.1 Chuyển động thẳng đều (mục 5 bài 2 SGK Vật lí 10NC) 7.1.1 Phân tích kiến thức cần xây dựng - Kiến thức cần xây dựng là khái niệm một hiện tượng vật lí: chuyển động thẳng đều. - Khi dạy học khái niệm một hiện tượng vật lí , trước hết cần tạo điều kiện cho học sinh có những biểu tượng rõ ràng, chính xác về hiện tượng đó. Sau đó từng bước giúp học sinh phát hiện được những dấu hiệu bản chất của hiện tượng rồi kiểm tra nhận thức đó bằng thực nghiệm. Cuối cùng diễn đạt thâu tóm định nghĩa hiện tượng. - Chuyển động thẳng đều là chuyển động thẳng, trong đó chất điểm có vận tốc tức thời không đổi. Bản chất của chuyển động thẳng đều thể hiện ở phương trình chuyển động thẳng đều: x=xo+vt - Vấn đề đặt ra là xây dựng được phương trình chuyển động thẳng đều. Mục tiêu - Kiến thức: Phát biểu được định nghĩa chuyển động thẳng đều Viết được phương trình chuyển động thẳng đều - Kĩ năng: Quan sát, phân tích hiện tượng vật lí: quan sát thí nghiệm xe chuyển động thẳng đều. Thực hiện thí nghiệm: chuyển động thẳng đều với bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng sử dụng đồng hồ đo thời gian tương tác từ. Giải bài toán vật lí: giải bài toán tìm phương trình chuyển động thẳng đều. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Từ thí nghiệm về chuyển động thẳng đều đưa ra định nghĩa chuyển động thẳng đều. Chất điểm chuyển động thẳng đều có phương trình như thế nào? Từ định nghĩa chuyển động thẳng đều, biểu diễn tọa độ x của chất điểm chuyển động thẳng đều theo thời gian t. Theo định nghĩa, gọi vận tốc của chất điểm chuyển động thẳng đều là v không đổi Tại thời điểm ban đầu vật ở vị trí có tọa độ xo Từ định nghĩa vận tốc trung bình và vận tốc tức thời: x-xo = v.t Phương trình chuyển động của chất điểm chuyển động thẳng đều : x = xo + v.t 7.1.4 Lựa chọn phương pháp Sử dụng phối hợp các phương pháp truyền thống: nhóm phương pháp dùng ngôn ngữ, phương pháp thực hành thí nghiệm. Tiến trình dạy học cụ thể Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: Định nghĩa chuyển động thẳng đều Sau khi hướng dẫn học sinh tìm hiểu các khái niệm vận tốc trung bình, vận tốc tức thời, giáo viên yêu cầu học sinh chia nhóm tiến hành thí nghiệm chuyển động thẳng đều trên bộ thí nghiệm sử dụng đồng hồ đo thời gian tương tác từ !! Yêu cầu học sinh xác định vận tốc trung bình của vật trên mỗi đoạn đường vật đi được trong 0.02s. !! Yêu cầu học sinh so sánh các vận tốc trung bình đó. Gợi ý hướng đến vận tốc tức thời => Đưa ra định nghĩa chuyển động thẳng đều Chia nhóm tiến hành thí nghiệm Xác định vận tốc trung bình của vật trên mỗi đoạn đường vật đi được trong 0.02s. Nhận xét: các vận tốc trung bình đó gần bằng nhau. - Lắng nghe, ghi nhớ Hoạt động 2: Xây dựng phương trình chuyển động thẳng đều Đặt vấn đề: Ta biết rằng, tính chất của mọi chuyển động luôn được thể hiện trong phương trình chuyển động, phương trình này cho phép ta xác định tọa độ của vật tại một thời điểm bất kì. !! Yêu cầu học sinh xây dựng phương trình chuyển động thẳng đều Gợi ý giải pháp: - Vận tốc tức thời không đổi nên có thể suy ra vận tốc trung bình trên một quãng đường bất kỡ luụn bằng vận tốc tức thời đó. - Vận tốc trung bình liên quan đến độ dời và thời gian - Độ dời liên quan đến tọa độ. => Từ các mối liên hệ đó có thể thành lập phương trình chuyển động thẳng đều. Xây dựng phương trình chuyển động thẳng đều theo gợi ý của giáo viên 7.2 Chuyển động thẳng biến đổi đều (mục 2 bài 4 SGK Vật lí 10NC) 7.2.1 Phân tích kiến thức cần xây dựng - Kiến thức cần xây dựng là khái niệm một hiện tượng vật lí: chuyển động thẳng biến đổi đều. “Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động thẳng, trong đó gia tốc tức thời không đổi”. Bản chất của chuyển động thẳng biến đổi đều thể hiện ở sự biến đổi của vận tốc theo thời gian: v=vo+at - Vấn đề đặt ra là xây dựng được phương trình thể hiện sự biến đổi của vận tốc theo thời gian. Mục tiêu - Kiến thức: Phát biểu được định nghĩa chuyển động thẳng biến đổi đều Nêu được sự biến đổi vận tốc theo thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều Hiểu, phân biệt được chuyển động thẳng nhanh dần đều và chậm dần đều - Kĩ năng: Quan sát, phân tích hiện tượng vật lí: hiện tượng xe chuyển động trên máng nghiêng. Vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều. Giải bài toán vật lí: giải bài toán tìm sự phụ thuộc vận tốc theo thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Từ định nghĩa chuyển động thẳng biến đổi đều, định nghĩa gia tốc, biểu thức giá trị đại số của gia tốc trung bình, ta tìm được biểu thức của vận tốc biến đổi theo thời gian Trong chuyển động thẳng biến đổi đều, vận tốc biến đổi theo thời gian như thế nào? Theo định nghĩa, gọi gia tốc của chất điểm chuyển động thẳng biến đều là a không đổi. Tại thời điểm ban đầu vật có vận tốc vo Từ định nghĩa gia tốc trung bình và gia tốc tức thời: v-vo = a.t Tùy vào dấu của v.a chia làm 2 trường hợp: Chuyển động nhanh dần đều Chuyển động chậm dần đều Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vận tốc theo thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều. Công thức vận tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều : v = vo + a.t Tại thời điểm t, v.a>0 thì chuyển động khi đó là chuyển động nhanh dần đều Tại thời điểm t, v.a<0 thì chuyển động khi đó là chuyển động chậm dần đều Đồ thị vận tốc theo thời gian là một đường thẳng cắt trục tung ở vo và có hệ số góc bằng gia tốc a. Từ thí nghiệm về chuyển động thẳng nhanh dần đều đưa ra định nghĩa chuyển động thẳng biến đổi đều. 7.2.4 Lựa chọn phương pháp Sử dụng nhóm phương pháp dạy học dùng ngôn ngữ. Tiến trình dạy học cụ thể Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: Định nghĩa chuyển động thẳng biến đổi đều Hướng dẫn học sinh tìm hiểu các khái niệm gia tốc trung bình, gia tốc tức thời !! Yêu cầu học sinh: dựa vào kết quả bài thực hành trước đó, tính gia tốc trung bình của vật trong mỗi khoảng thời gian 0,02s !! Hãy sánh các gia tốc trung bình đó. Gợi ý hướng đến gia tốc tức thời Đưa ra định nghĩa chuyển động thẳng biến đổi đều Xác định gia tốc trung bình của vật trong mỗi khoảng thời gian 0.02s So sánh: các gia tốc trung bình đó gần bằng nhau. Lắng nghe, ghi nhớ định nghĩa. Hoạt động 2: Tìm hiểu sự phụ thuộc vận tốc theo thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều Đặt vấn đề: vật chuyển động thẳng biến đổi đều có gia tốc, tức là vận tốc của nó biến đổi theo thời gian. Vậy sự biến đổi đó cụ thể như thế nào?... !! Yêu cầu học sinh tìm sự phụ thuộc vận tốc theo thời gian Gợi ý giải pháp: gia tốc tức thời không đổi nên có thể suy ra gia tốc trung bình trên một quãng đường bất kỡ luụn bằng gia tốc tức thời đó. Gia tốc trung bình liên quan đến vận tốc và thời gian. Từ các mối liên hệ đó có thể tìm sự phụ thuộc của vận tốc theo thời gian. Đưa ra định nghĩa chuyển động nhanh, chậm dần đều: “Một vật chuyển động nhanh dần đều khi nó chuyển động biến đổi đều và giá trị vận tốc tăng lên (độ lớn của v lớn hơn độ lớn của vo; ngược lại khi độ lớn của v nhỏ hơn độ lớn vo ta có chuyển động chậm dần đều.” ? Dựa vào phương trình thể hiện sự phụ thuộc vận tốc theo thời gian, em hãy cho biết, trong 2 trường hợp chuyển động nhanh, chậm dần đều thỡ tớch v.a khác nhau như thế nào? - Tìm sự phụ thuộc của vận tốc theo thời gian từ các gợi ý của giáo viên. - Kết luận: v = vo + a.t Tìm đặc điểm của tích v.a trong 2 trường hợp: chuyển động nhanh, chậm dần đều. Kết luận: v.a<0 thì vật chuyển động chậm dần đều. v.a>0 thì vật chuyển động nhanh dần đều. Hoạt động 3: Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc theo thời gian !! Yêu cầu học sinh: Từ biểu thức sự phụ thuộc của vận tốc theo thời gian vừa tìm được, hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc đó và chỉ rõ trong đồ thị mà mỗi học sinh vẽ thì dấu của v, a như thế nào? Vẽ và giải thích đồ thị Định luật I Niu-tơn Phân tích kiến thức cần xây dựng - Kiến thức cần xây dựng là một định luật vật lí: định luật I Niu-tơn: “nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0 thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.” - Đây là một trong ba định luật cơ bản nhất của cơ học, định luật này không thể kiểm nghiệm bằng thực nghiệm bởi điều kiện kiểm tra nó là lí tưởng. - Câu hỏi đề xuất vấn đề là: “Nếu một vật không chịu tác dụng của lực hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0 thì trạng thái của vật sẽ có trạng thái như thế nào?” Mục tiêu - Kiến thức: Hiểu và phát biểu được định luật I Niuton - Kĩ năng: Quan sát mô tả và giải thích hiện tượng vật lí: hiện tượng các vật chỉ có thể duy trì vận tốc khi có vật khác tác dụng lên nó. Thực hiện thí nghiệm chuyển động thẳng đều. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Quan sát thức tế cho thấy: vật chỉ có thể duy trì vận tốc khi có vật khác tác dụng lên nó. Nhưng trong thức tế, vật luôn chịu tác dụng của lực ma sát. Nếu một vật không chịu tác dụng của lực hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0 thì trạng thái của vật sẽ có trạng thái như thế nào? Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0 thì nó giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Tiến hành thí nghiệm một vật chuyển động dưới tác dụng của lực ma sát đã được giảm đến mức tối thiểu có thể. Nhận xét về chuyển động của vật và tưởng tượng đến trạng thái lí tưởng khi vật không chịu tác dụng của lực hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0, rút ra kết luận 7.3.4 Lựa chọn phương pháp dạy học Sử dụng phối hợp nhóm phương pháp dạy học dùng ngôn ngữ, phương pháp biểu diễn thí nghiệm. Tiến trình dạy học cụ thể Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động: Tìm hiểu định luật I Niuton !! Nêu một vài ví dụ về sự không duy trì vận tốc của vật khi không tác dụng lực phát động vào vật, yêu cầu học sinh nhận xét. !! Nhận xét câu trả lời của học sinh và đề xuất vấn đề: “Nếu một vật không chịu tác dụng của lực hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0 thì trạng thái của vật sẽ có trạng thái như thế nào?” Mô tả thí nghiệm lịch sử của Galile !! Yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm chuyển động thẳng đều. Từ 2 thí nghiệm : ? Khi thực hiện được điều kiện lí tưởng (vật hoàn toàn cô lập, không chịu tác dụng của lực hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0) thì điều gì sẽ xảy ra? => Đó là nội dung định luật I Niu - ton Nhận xét hiện tượng xảy ra trong các ví dụ của giáo viên: vật không duy trì được vận tốc khi không có lực phát động, nhưng đó là do vật chịu tác dụng của lực ma sát. Tiến hành thí nghiệm chuyển động thẳng đều TL: Khi đó vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi Định luật II Niu-tơn (mục 1, bài 15 SGK Vật lí 10 NC) Phân tích kiến thức cần xây dựng - Kiến thức cần xây dựng là một định luật vật lí: định luật II Niu-tơn: “Vecto gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vecto gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vecto lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.” - Đây là định luật cơ bản của cơ học cổ điển, nó nêu lên biểu hiện của vật đáp trả lại tác động cơ học bên ngoài - Câu hỏi đề xuất vấn đề là: “Gia tốc vật thu được do tác dụng của lực có liên quan như thế nào với lực tác dụng đó?” Mục tiêu - Kiến thức: Hiểu, phát biểu được định luật II Niu-tơn - Kĩ năng: Quan sát, mô tả hiện tượng vật lí: sự thay đổi vận tốc của các vật dưới tác dụng của lực. Thực hiện thí nghiệm: sử dụng bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng kiểm nghiệm định luật II Niu-tơn. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Tiến hành các thí nghiệm, quan sát thực tế từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc của gia tốc vật thu được vào lực tác dụng lên vật. Gia tốc vật thu được do tác dụng của lực có liên quan như thế nào với lực tác dụng đó? Từ quan sát thực tế: gia tốc không chỉ phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào khối lượng của chính nó. Khái quát từ nhiều quan sát và thí nghiệm, Niuton đã đưa ra kết luận về mối liên hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc của vật. Vec-tơ gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vec-tơ gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vecto lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Từ quan sát thực tế: lực tác dụng vào vật làm vật biến đổi vận tốc, tức là lực gây ra gia tốc. Có thể kiểm nghiệm kết luận trên như thế nào? Tiến hành thí nghiệm: xác định gia tốc của vật tương ứng với lực tác dụng vào nó. Nhận xét sự thay đổi gia tốc tương ứng với sự thay đổi của lực tác dụng. So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả rút ra từ kết luận trên. Đo gia tốc của vật khi máng nghiêng góc 50 : a1= Đo gia tốc của vật khi máng nghiêng góc 80 : a2= Gia tốc tỉ lệ thuận với lực tác dụng nên khi lực tăng lên 1,5 lần thì gia tốc cũng tăng lên 1,5 lần a2≈1,5. a1 a2= a1≈1,5. a1 Định luật II Niu-tơn: “Vecto gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vecto gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vecto lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.” 7.4.4 Lựa chọn phương pháp dạy học Sử dụng phối hợp nhóm phương pháp dạy học dùng ngôn ngữ, phương pháp thực hành thí nghiệm. Tiến trình dạy học cụ thể Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: Tìm hiểu định luật II Niu-tơn Đặt vấn đề: ? Hiện tượng gì xảy ra đẩy một chiếc xe đang nằm yên trên mặt đất? Nhận xét câu trả lời và đặt vấn đề cần nghiên cứu: khi đẩy xe tức là tác dụng vào xe 1 lực, xe chuyển từ trạng thái đứng yên sang chuyển động, nghĩa là nó thay đổi vận tốc. Như vậy, lực gây ra sự biến đổi vận tốc, hay nói khác đi lực gây ra gia tốc. Vậy: “Gia tốc vật thu được do tác dụng của lực có liên quan như thế nào với lực tác dụng đú?” !! Yêu cầu học sinh tổng hợp quan sát, kinh nghiệm thu được trong đời sống ! Để trả lời câu hỏi đó, trước hết em hãy tả một vài hiện tượng em gặp phải trong đời sống hàng ngày có liên quan đến sự thu gia tốc khi chịu tác dụng của lực. Gợi mở trong quá trình học sinh tổng hợp kinh nghiệm để đi đến kết luận: gia tốc không chỉ phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào khối lượng của chính nó. Phân tích một số ví dụ và yêu cầu học sinh rút ra nhận xét về phương chiều của gia tốc và mối liên hệ giữa độ lớn của lực, khối lượng và gia tốc !! Nhận xét câu trả lời của học sinh Trả lời: khi đẩy xe, xe sẽ chuyển động. Miêu tả các hiện tượng gặp phải trong đời sống hàng ngày có liên quan đến sự thu gia tốc khi chịu tác dụng của lực. Nhận xét : Vecto gia tốc của một vật luụn cựng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vecto gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vecto lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.” Hoạt động 2: Kiểm nghiệm kết luận thu được Đặt vấn đề: Rất nhiều thí nghiệm và cả thực tiễn đã chứng minh sự đúng đắn của kết luận trên. Trong phạm vi lớp học, chúng ta tiến hành thí nghiệm nhỏ để kiểm nghiệm lại kết luận này. Trước hết, ta hãy kiểm nghiệm xem cú đỳng gia tốc tỉ lệ thuận với lực tác dụng hay không. !! Yêu cầu học sinh đề xuất phương án thí nghiệm. !! Giới thiệu bộ thí nghiệm và yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm theo phương án đã đề ra. !! Yêu cầu học sinh so sánh kết quả thí nghiệm với kết quả rút ra từ kết luận và nhận xét. => Vậy, ta có thể khẳng định kết luận trên là đúng đắn. Đú chớnh là nội dung của định luật II Niu-tơn: “Vecto gia tốc của một vật luụn cựng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vecto gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vecto lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.” - Đề xuất phương án thí nghiệm kiểm nghiệm kết luận trong trường hợp a~F: xe chuyển động trờn mỏng nghiờng, thay đổi góc nghiêng để thay đổi lực tác dụng, đo gia tốc tương ứng. - Tiến hành thí nghiệm theo phương án đã đề ra. Nhận xét: kết quả thí nghiệm phù hợp với kết quả rút ra từ kết luận trên. Lắng nghe, ghi chép 7.5 Định luật III Niu tơn (mục 2 bài 16 SGK Vật lí 10 NC) 7.5.1 Phân tích kiến thức cần xây dựng - Kiến thức cần xây dựng là một định luật vật lý. Định luật III Niu-tơn: “Khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này là hai lực trực đối.” - Ta có thể xây dựng định luật này thông qua sự quan sát trực tiếp và khái quát hóa thực nghiệm hoặc thông qua quan sát trực tiếp và khái quát hóa lý thuyết hoặc xuất phát từ những mệnh đề lý thuyết tổng quát đã biết. - Câu hỏi đề xuất vấn đề : “Lực vật A tác dụng lên vật B và lực vật B tác dụng trở lại vật A có đặc điểm gì về phương, chiều và độ lớn?” 7.5.2 Mục tiêu - Kiến thức Học sinh hiểu và phát biểu được nội dung định luật III Niu-tơn - Kĩ năng Học sinh giải thích được một số hiện tượng dựa vào định luật III Niu-tơn Học sinh vận dụng được định luật III Niu-tơn để giải một số bài tập trong sách giáo khoa và các bài tập tương tự. 7.5.3 Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Quan sát thí nghiệm về sự tương tác giữa hai lò xo chuyển động trong SGK Các ví dụ về sự tác dụng tương hỗ giữa các vật Lực vật A tác dụng lên vật B và lực vật B tác dụng trở lại vật A có đặc điểm gì về phương, chiều và độ lớn? Tiến hành thí nghiệm tương tác giữa hai vật chuyển động. Nhận xét lực tương tác về phương và chiều. Tính độ lớn lực tương tác và rút ra nhận xét. - Tiến hành thí nghiệm Nhận xét về phương và chiều của lực tương tác Tính hiệu quãng đường liên tiếp vật đi được trong những khoảng thời gian bằng nhau Tính gia tốc theo công thức: ∆l= aτ2 Tính lực theo công thức: F= ma. Lực vật A tác dụng lên vật B và lực vật B tác dụng trở lại vật A là hai lực cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn. 7.5.4 Lựa chọn phương pháp dạy học Sử dụng phối hợp nhóm phương pháp dạy học dùng ngôn ngữ, phương pháp biểu diến thí nghiệm Tiến trình dạy học cụ thể Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Đặt vấn đề: Phần 1 học sinh đã biết: khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực, đây là sự tác dụng tương hỗ. Vậy lực mà vật A tác dụng lên vật B và lực vật B tác dụng trở lại vật A có đặc điểm gì về phương, chiều và độ lớn? !! Để biết được chính xác đặc điểm của hai lực này chúng ta sẽ tiến hành một thí nghiệm. ? Em hãy đề xuất một phương án tiến hành thí nghiệm để khảo sát đặc điểm của hai lực này. - Giáo viên gợi ý: 1. Muốn khảo sát hai lực mà vật A tác dụng lên vật B và vật B tác dụng trở lại vật A thì trước hết ta cần những dụng cụ nào? 2. Để đo lực tương tác ta sử dụng dụng cụ nào? 3. Khi ta sử dụng hai vật A và B là hai xe chuyển động, không đo trực tiếp lực bằng lực kế. Vậy có cách nào khác để đo độ lớn lực không? Nếu có thỡ cỏch đó là gì? 4. Khi hai vật chuyển động ta có thể đo trực tiếp gia tốc của vật được không? 5. Vậy làm thế nào để đo được lực tương tác ? 6. Nếu chuyển động đó là chuyển động nhanh dần đều thì ta còn có thể tính gia tốc bằng công thức nào? => Vậy ta sẽ sử dụng đồng hồ đo thời gian kiểu tương tác từ để đo thời gian và quãng đường liên tiếp vật đi được trong những khoảng thời gian bằng nhau. !! Giáo viên giới thiệu bộ thí nghiệm !! Giáo viên có thể yêu cầu 1 HS lên tiến hành thí nghiệm cùng với mình và những học sinh còn lại quan sát thí nghiệm hoặc chia theo nhóm, mỗi nhóm tự tiến hành thí nghiệm ? Hãy nhận xét về phương và chiều của lực tương tác giữa hai vật. Vì sao có nhận xét ấy? ? Em hóy tớnh độ lớn của lực tương tác?( giáo viên có thể làm nhiều thí nghiệm vì thí nghiệm này dễ tiến hành và tiến hành khá nhanh để nhiều học sinh cùng tham gia đo trực tiếp số liệu và xử lí số liệu) !! Giáo viên cần lưu ý cho học sinh về khối lượng của hai vật mà ta đang xét (khối lượng hai vật không phải là khối lượng của hai xe mà là khối lượng của xe có móc buộc dây và khối lượng của xe có ròng rọc cộng với khối lượng của gia trọng) ? Chúng ta có thể kết luận gì về đặc điểm của lực tương tác giữa hai vật A và B? !! Giáo viên thông báo: Hai lực này là hai lực trực đối. !! Đặc điểm về phương, chiều và độ lớn của lực mà vật A tác dụng lên vật B và vật B tác dụng trở lại vật A chính là nội dung định luật III Niu-tơn. ? Em hãy phát biểu nội dung định luật này. - Học sinh lắng nghe và suy nghĩ trả lời. Học sinh có thể trả lời các phương án sau: Hai lực này là hai lực khác nhau có phương, chiều và độ lớn khác nhau Hai lực này cú cựng phương, chiều và độ lớn. Hai lực này cú cựng phương, ngược chiều và cùng độ lớn ….. - Học sinh có thể bế tắc - Trước hết ta phải có hai vật A và B - Ta sử dụng lực kế - Ta có thể đo lực thông qua đo khối lượng và đo gia tốc. Áp dụng công thức của định luật II Niu tơn : F = ma ta sẽ tính được độ lớn của lực tương tác - Không thể đo trực tiếp gia tốc của vật - Ta không đo được trực tiếp gia tốc nhưng có thể đo gián tiếp bằng cách đo quãng đường vật chuyển động và khoảng thời gian vật chuyển động hết quãng đường đó theo công thức: x= x0 + v0t + ẵ( at2) vật chuyển động với vận tốc ban đầu bằng 0 - Nếu chuyển động đó là chuyển động nhanh dần đều thì ta còn có thể tính gia tốc theo công thức: ∆l= aτ2 Trong đó ∆l là hiệu quãng đường liên tiếp vật đi được trong những khoảng thời gian bằng nhau - Học sinh lắng nghe - Học sinh quan sát bộ thí nghiệm - Học sinh quan sát giáo viên làm thí nghiệm hoặc tự làm thí nghiệm theo nhóm Nhận xét: lực tương tác giữa 2 xe cùng phương, ngược chiều vì hai xe chuyển động cùng phương nhưng ngược chiều. - Học sinh tiến hành đo các quãng đường mà hai xe đi được trong những khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau rồi tính hiệu các quãng đường ấy. Tính gia tốc và tính lực. - Lực tương tác giữa hai vật A và B là hai lực cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn. - Học sinh lắng nghe. Phát biểu: Khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này là hai lực trực đối. Định luật bảo toàn động lượng (bài 31 SGK Vật lí 10 NC) Phân tích kiến thức cần xây dựng - Kiến thức cần xây dựng là một định luật vật lí: định luật bảo toàn động lượng. - Để xây dựng định luật này, học sinh nên biết khái niệm động lượng trước. Qua đó học sinh hiểu động lượng là một đại lượng đặc trưng cho độ mạnh, yếu trong va chạm của một vật có vận tốc. Từ đó mới nảy sinh nhu cầu tìm hiểu sự biến đổi của động lượng trong va chạm. - Vấn đề đặt ra là: “Động lượng của hai vật trước và sau va chạm biến đổi như thế nào khi chúng tương tác với nhau trong một hệ kín?” Mục tiêu - Kiến thức: Hiểu, phát biểu được định luật bảo toàn động lượng cho hệ hai vật và cho hệ nhiều vật. - Kĩ năng: Quan sát và mô tả hiện tượng vật lí: hai vật tương tác trong hệ kín. Thực hiện thí nghiệm: sử dụng bộ thí nghiệm chuyển động thẳng kiểm nghiệm định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp va chạm mềm của hê kín gồm 2 vật. Giải bài toán vật lí: từ định luật II, III Niu-tơn tìm mối liên hệ động lượng hai vật trước và sau va chạm. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức Sử dụng định luật III Niu-tơn thể hiện mối liên hệ giữa 2 lực trong tương tác. Sử dụng định luật II Niu-tơn suy ra mối liên hệ các lực tương tác với vận tốc và khối lượng. Kết hợp 2 mối liên hệ và rút ra kết quả. Động lượng của hai vật trước và sau va chạm biến đổi như thế nào khi chúng tương tác với nhau trong một hệ kín? Vec-tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn. Động lượng là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu trong va chạm của một vật có vận tốc, nó là một đại lượng vecto: Khi 2 vật tương tác với nhau trong hệ kín, vận tốc của chúng thay đổi, tức là động lượng thay đổi. Theo định luật III Niu-tơn: Theo định luật II Niu-tơn: Suy ra : Mở rộng cho tương tác của hệ kín nhiều vật: Vec-tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn. v=vo/2 v=vo/2 Đo vận tốc của vật trước va chạm: vo= Đo vận tốc của hệ 2 vật sau va chạm mềm: v= 2 vật có khối lượng bằng nhau, 1 vật chuyển động với vận tốc vo đến va chạm với vật kia đang đứng yên, sau va chạm 2 vật dính vào nhau chuyển động cùng vận tốc v. Động lượng của hệ được bảo toàn. Tiến hành thí nghiệm: 2 vật tương tác với nhau (va chạm mềm), đo vận tốc trước và sau va chạm, từ đó tính động lượng trước và sau va chạm, nhận xét. So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả rút ra từ kết luận trên. Có thể kiểm nghiệm kết luận trên như thế nào? Vec-tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn. 7.6.4 Lựa chọn phương pháp dạy học Sử dụng phối hợp nhóm phương pháp dạy học dùng ngôn ngữ, phương pháp thực hành thí nghiệm. Tiến trình dạy học cụ thể Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: Tìm hiểu định luật bảo toàn động lượng Đặt vấn đề: Động lượng là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh yếu trong va chạm của một vật có vận tốc, nó là một đại lượng vecto: . Khi 2 vật tương tác với nhau trong hệ kín, vận tốc của chúng thay đổi, tức là động lượng thay đổi. Vậy, động lượng của hai vật trước và sau va chạm biến đổi như thế nào khi chúng tương tác với nhau trong một hệ kín? Yêu cầu học sinh đề xuất giải pháp kết hợp với gợi ý: Tìm mối liên hệ động lượng 2 vật trước và sau va chạm tức là tìm mối liên hệ vận tốc trước và sau va chạm. Vận tốc của các vật thay đổi là do trong thời gian va chạm chúng tác dụng lực lên nhau. Các lực tương tác liên hệ với nhau theo định luật III Niuton, các lực lại có mối liên hệ với gia tốc và khối lượng theo định luật II Niuton, mà gia tốc lại có mối liên hệ với vận tốc. Từ các mối liên hệ đó, có thể ta sẽ tìm được mối liên hệ động lượng các vật trước và sau va chạm. !! Yêu cầu học sinh thực hiện theo giải pháp đã đề ra Nhận xét kết quả và mở rộng cho trường hợp hệ nhiều vật: Vế trỏi chớnh là tổng động lượng của hệ trước va chạm, về phải là tổng động lượng của hệ sau va chạm. Từ đó, có thể kết luận rằng: tổng động lượng của hệ được bảo toàn. Kết quả này được mở rộng cho hệ nhiều vật: - Giải pháp cho bài toán: tìm mối liện hệ động lượng 2 vật trước và sau va chạm. - Thực hiện theo giải pháp đã đề ra và rút ra kết luận : Lắng nghe và ghi nhớ Hoạt động 2: Kiểm nghiệm kết luận thu được Đặt vấn đề: kết luận trên là một định luật tổng quát trong tự nhiên, để kiểm chứng sự đúng đắn của nó đòi hỏi tiến hành rất nhiều thí nghiệm. Tuy nhiên, trong phạm vi lớp học chúng ta tiến hành thí nghiệm nhỏ trong đó có 2 vật va chạm với nhau ? Yêu cầu học sinh đề xuất phương án thí nghiệm. !! Giới thiệu bộ thí nghiệm và yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm theo phương án đã đề ra. ? Yêu cầu học sinh so sánh kết quả thí nghiệm với kết quả rút ra từ kết luận và nhận xét. Vậy, ta có thể khẳng định kết luận trên là đúng đắn. Đú chớnh là nội dung của định luật bảo toàn động lượng: “Vec-tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn.” - Đề xuất phương án thí nghiệm: 2 vật có khối lượng bằng nhau, va chạm mềm với nhau Đo vận tốc trước và sau va chạm Kiểm nghiệm xem vận tốc sau va chạm cú đỳng bằng ẵ vận tốc trước va chạm hay không, bởi đó là kết quả thu được nhờ suy luận lí thuyết. - Tiến hành thí nghiệm theo phương án đã đề ra. Nhận xét: kết quả thí nghiệm phù hợp với kết quả rút ra từ kết luận trên. - Lắng nghe, ghi chép KẾT LUẬN CHƯƠNG II Trong chương II, chúng tôi giải quyết được các vấn đề sau: - Phân tích kiến thức về chuyển động thẳng từ đó đặt ra yêu cầu đối với bộ thí nghiệm sử dụng khi dạy học phần kiến thức này - Tìm hiểu các bộ thí nghiệm nghiên cứu về chuyển động thẳng sử dụng đồng hồ tương tác từ đã có, phân tích ưu, nhược điểm của chúng. - Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng sử dụng đồng hồ đo thời gian kiểu tương tác từ mới đáp ứng đầy đủ hơn nhu cầu của người sử dụng - Tiến hành các thí nghiệm trên bộ thí nghiệm mới, thu thập và phân tích số liệu. - Sử dụng bộ thí nghiệm thiết kế phương án dạy học các kiến thức: chuyển động thẳng đều, chuyển động thẳng biến đổi đều, định luật I Niuton, định luật II Niuton, định luật III Niuton và định luật bảo toàn động lượng. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khóa luận đã giải quyết được các vấn đề sau: - Tổng hợp kiến thức về giáo dục học, tâm lí học, lí luận dạy học để xây dựng cơ sở lí luận cho đề tài. - Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng khắc phục được những nhược điểm của các bộ thí nghiệm đã có trước đó: phân tích kiến thức về chuyển động thẳng, từ đó đặt ra nhiệm vụ cần thiết kế bộ thí nghiệm như thế nào, tìm hiểu các bộ thí nghiệm đã có xem đã đáp ứng được nhu cầu chưa, còn cần bổ sung gì; thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm mới theo yêu cầu đã đặt ra. - Soạn thảo tiến trình dạy học các bài học có sử dụng bộ thí nghiệm: dựa vào các kết luận thu được từ phần cơ sở lí luận để soạn thảo tiến trình dạy học phát huy được tính tích cực, tự chủ, sáng tạo của học sinh. Một số kiến nghị: - Cải thiện cơ sở vật chất, máy móc phục vụ cho việc chế tạo các bộ thí nghiệm dùng trong dạy học. - Bổ sung thêm các học phần lí luận và phương pháp giảng dạy để cung cấp cho sinh viên kiến thức vững vàng hơn. LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Mạnh Thảo người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này bằng tất cả sự tận tình và trách nhiệm Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ Phương pháp giảng dạy đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Hà Nội, tháng 5 năm 2011 Sinh viên Nguyễn Thị Dung TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Thị Tuyết Oanh – Giáo trình Giáo Dục Học – NXB ĐH Sư phạm Nguyễn Đức Thâm-Nguyễn Ngọc Hưng-Phạm Xuân Quế - Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông – NXB ĐH Sư Phạm Phạm Xuân Quế - Ứng dụng công nghệ thông tin trong tổ chức hoạt động nhận thức vật lí tích cực, tự chủ và sáng tạo – NXB ĐH Sư Phạm Nguyễn Đức Thâm-Nguyễn Ngọc Hưng – Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông – NXB ĐH Quốc gia Hà Nội Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên)-Phạm Quý Tư (chủ biên) - Vật lí 10 Nâng cao – NXB Giáo dục Bộ môn Phương pháp dạy học-khoa Vật lí- Tài liệu hướng dẫn học phần “Thực hành thí nghiệm lí thuyết phổ thông” – Trường ĐH Sư phạm Hà Nội Nguyễn Mạnh Thảo, Phạm Thị Trang Nhung, Tạp chí giáo dục, Số 223(2009), Trang 35,36 Trích nghị quyết hội nghị lần thứ IV, BCH TƯ ĐCSVN khóa VII. NCGD số 2/1994