Đề tài Lưu ý về tính chất hữu hướng của các đại lượng vật lý khi giảng dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi

PHÒNG GD VÀ ĐT HUYỆN TUY ĐỨC TRƯỜNG THCS NGÔ QUYỀN &œ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Tên đề tài: LƯU Ý VỀ TÍNH CHẤT HỮU HƯỚNG CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ KHI GIẢNG DẠY VÀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI. Giáo viên: NGUYỄN THỊ LẬP Tổ : Toán lý Năm học 2011-2012 PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài : Thông thường việc phân tích, khảo sát các hiện tượng vật lý một cách định lượng đều phải thông qua các đại lượng vật lý thuộc một trong hai dạng: đại lượng vô hướng và đại lượng hữu hướng .Vì bản chất của các phép toán trên hai dạng đại lượng là khác nhau nên thực trạng học sinh nhầm lẫn khi giải bài toán liên quan đến tính chất hữu hướng của một số đại lượng vật lý. Việc lưu ý tính chất hữu hướng của một số đại lượng hữu hướng của sách giáo khoa.Ngoài ra chính nhờ sự lưu ý này mà ta giúp học sinh giải được các bài toán SGK và đặc biệt khi bồi dường học sinh giỏi môn vật lý thuộc chương trình vật lý trung học cơ sở. Mục đích của đề tài : Nghiên cứu thực trạng học tập của học sinh, cách giải bài tập vật lý của học sinh liên quan đến tính chất hữu hướng của các đại lượng vậ lý, từ đó đề xuất một số lưu ý về tính chất hữu hướng của một số đại lượng vật lý nhằm giúp các em giải tốt hơn dạng bài tập này, đặc biệt phần nâng cao mở rộng đối với học sinh giỏi môn vật lý. Phạm vi nghiên cứu : Các dạng bài tập vật lý liên quan về tính chất hữu hướng của các đại lượng vật lý thuộc phần động học và động lực học. B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ: I. Giải pháp thực hiện : I.1. a. Soạn bài : Nghiên cứu chương trình, SGK , sách nâng cao và các tài liệu liên quan để khái quát, phân loại các dạng bài tập liên quan đến tính chất hữu hướng của đại lượng vật lý từ đó rút ra những bài học kinh nghiệm, những sai lầm mà học sinh thường xuyên vấp phải khi giải các dạng bài tập thuộc dạng này. I.1.b. Lưu ý tính chất của các đại lượng: Vật lý học ngày càng phát triển thì các đại lượng vật lý ngày càng phong phú nhưng nhìn chung có thể phân làm hai dạng : Đại lượng vô hướng và đại lượng hữu hướng.Ta thử thống kê một số đại lượng vật lý thuộc chương trình Trung học cơ sở. Đại lượng vô hướng Đại lượng hữu hướng Khối lượng, thể tích , công, công suất, điện trở,… Vận tốc, trọng lực, lực đàn hồi, lực căng dây, lực ma sát, áp lực, cường độ dòng điện, hiệu điện thế, điện trường, từ trường,… Đại lượng vô hướng được xác định khi biết số đo hay độ lớn của chúng. Đại lượng hữu hướng được xác định khi biết được độ lớn, điểm đặt, hướng( phương và chiều) của đại lượng đó. II. Các lưu ý khi dạy lý thuyết: 1. Phân biệt giữa lực và độ lớn của lực : Ví dụ1 : Xét một vật có khối lượng m treo trên một lò xo có lực đàn hồi F (H.1) vật đứng yên.Hãy giải thích hiện tượng và giải thích lực đàn hồi F ( 500 bài tập vật lý 8) (H1) Một số học sinh không phân biệt được giữa lực và độ lớn của lực nên trả lời : “Vì vật đứng yên nên lực đàn hồi bằng với trọng lượng”. => F = P = 10m Cách nói trên xét về mặt ý nghĩa vật lý lại không đúng, phải nói rằng: ‘ Vì vật đứng yên nên lực đàn hồi cân bằng với trọng lực”. F = P = 10m Ví dụ 2: Treo một vật vào một lực kế trong không khí thì lực kế chỉ 13,8 N , Vẫn treo vật vào lực kế nhưng nhúng chìm hoàn toàn vật trong nước thì lực kế chỉ giá trị F’ =8,8N . Vì sao có sự chênh lệch này? Hãy giải thích? ( sách bài tập vật lý 8) Giải thích : + Khi treo vật trong không khí, các lực tác dụng lên vật gồm : trọng lực P hướng xuống và lực đàn hồi F của lò xo lực kế hướng lên, vật cân bằng => F = P (1) + Khi treo vật trong nước, các lực tác dụng lên vật gồm:Trọng lực P hướng xuống, lực đàn hồi F’ của lò xo lực kế hướng lên, lực đẩy Acsimet hướng lên. Vật cân bằng : P = F’ + FA => F’ = P - FA (2) Từ (1) và (2) ta thấy độ chênh lệch của lực kế đúng bằng độ lớn của lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật. 2. Biểu diến các lực trên hình vẽ phải theo đúng tỉ lệ : Trên hình vẽ nếu biểu diễn các lực không đúng theo tỉ lệ ( như giả thiết) sẽ dẫn đến một kết quả khác, một hiện tượng vật lý khác. Ví dụ 1: Trên (H 2) biểu diễn các lực trong trường hợp dưới tác dụng của lực F và trọng lực P viên bi đứng yên. Hình vẽ có chính xác không? Nếu sai hãy vẽ lại cho đúng. (H2) Ta biết rằng viên bi có trọng lực P tạo ra lực F1 kéo viên bi xuống dọc theo mặt phẳng nghiêng ta có : F1 = P = P Giả sử mặt phẳng nghiêng không có ma sát .Nếu viên bi đứng yên thì : F = F1 = P => (H2) sai không đúng tỉ lệ . Nên phải điều chỉnh lại sao cho F = P. Ví dụ 2: Xác định bằng hình vẽ hợp lực của hai lực đồng quy có độ lớn là 6N, 8N trong trường hợp hai lực vuông góc với nhau.( lấy tỉ xích 2cm ứng 2N) ( bài nâng cao vật lý 8) F F1 F1 F F2 F2 (H3) (H4) Qua cách vẽ ở hình 3, trên ta thấy nếu vẽ không đúng tỉ lệ như ở H4 sẽ dẫn đến một kết quả khác : hợp lực của hai lực đồng quy sẽ có hướng bị lệch và độ lớn cũng bị khác so với kết quả ở H4. 3. Mở rộng hay tổng quát hóa: Trên nền kiến thức sách giáo khoa và ở những chổ cần thiết giáo viên chỉ nên mở rộng với mức độ thích hợp, vừa sức với học sinh để các em có cái nhìn tổng quát hơn ( chỉ nên mở rộng đối với học sinh khá, giỏi ) Ví dụ 1: Quả bóng trên sàn nhà, quyển sách trên bàn khi chưa có lực tác dụng sẽ nằm yên mãi mãi không tự thay đổi vận tốc để chuyển động được. Thực ra thì quả bóng, quyển sách , …đều có trọng lực tác dụng nhưng do tính chất tác dụng tương hỗ giữa các vật nên phản lực của sàn, của bàn đã cân bằng với trọng lực của vật nên chúng đứng yên ( H5) và ( H6) F F P P ( H5) (H6) Chính nhờ phần mở rộng này mà học sinh sẽ có cái nhìn tổng quát hơn khi xét một vật đứng yên. Ví dụ 2: Một học sinh dùng một lực kế kéo đều một vật có trọng lượng 24N lên theo mặt phẳng nghiêng dài 1,6m, cao 40cm .Lực kế chỉ F1 = 10,8N. Tính: a/ Công có ích ? b/ Công Toàn phần ? c/ Hiệu suất mặt phẳng nghiêng ? d/ Lực ma sát ( Fms ) của mặt phẳng nghiêng? e/ Lực cần thiết (F2 ) để dịch chuyển đều vật đó theo mặt phẳng nghiêng từ trên cao xuống thấp. ( sách bài tập vật lý 8) Fms F1 C F2 B A Giải : (H7) P a/ Công có ích : Ai = P.h = 24. 0,4 = 9,6 ( J) b/ Công toàn phần : Atp = F1.AC = 10,8 . 1,6 = 17,2 (J) c/ Hiệu suất mặt phẳng nghiêng : H = . . 100% = . 100% = 55% d/ Vật có trọng lượng P gây ra lực F’1 kéo vật xuôi theo mặt phẳng nghiêng , ta có : F’1 = P. = 24. = 6 (N) Ngoài ra ta biết chiều của lực ma sát luôn ngược với chiều chuyển động của vật ( đây là phần mở rộng) , vì vật chuyển động đều nên : F1 = Fms +F’1 => Fms = F1 - F’1 Fms = 10,8 - 6 = 4,8 (N) c/ Lý luận như trên ở (H8) ta được : F2 + Fms = F’1 => F2 = F’1 - Fms = 6 - 4,8 = 1,2 (N) Việc mở rông bài giảng khi đề cập đến chiều của lực ma sát so với chiều chuyển động của vật giúp ta giải bài toán này dễ dàng hơn. 4. Các lưu ý khi giải bài toán mở rộng : a/ Phép cộng hai đại lượng hữu hướng cùng phương: Ví dụ 1: Hai bên con sông AB thẳng cách nhau một khoảng AB= s. Một ca nô xuôi dòng từ A đến B mất thời gian t1 , còn ngược dòng từ A đến B mất thời gian t2 .Hỏi vận tốc v1 của ca nô và vận tốc v2 của dòng nước .Áp dụng S = 60km, t1 = 2h , t2 = 3h . Đối với bài này giáo viên hướng dẫn học sinh áp dụng công thức hợp vận tốc: v = v1 + v2 trong trường hợp v1 và v2 cùng phương, cùng chiều lúc xuôi dòng ; cùng phương ngược chiều lúc ngược dòng . Giải : Vận tốc ca nô đối với bờ sông : - Lúc xuôi dòng : v = v1 + v2 = (1) - Lúc ngược dòng : v’ = v1 - v2 = (2) Lấy (1) cộng (2) vế theo vế, ta có : 2v1= + => v1 = ( + ) (3) Từ (1) suy ra : v2 = - v1= - ( + ) v2 = ( - ) (4) Thay số : v1 = ( + ) = 25 (km/h) v2 = ( - ) = 5 (km/h) (Ở bài này ta lưu ý cho học sinh về cách cộng hai đại lượng hữu hướng cùng phương) b/ Phép cộng hai đại lượng hữu hướng đồng qui : theo qui tắc hình bình hành. Ví dụ 1: Một ca nô chạy qua một con sông rộng 800m mất 200s, nhưng vì dòng nước chảy nên ca nô bị trôi xuôi dòng và đến bên kia tại một điểm cách bến dự định 600m. a/ Tính vận tốc của dòng nước và vận tốc tổng hợp của ca nô? b/ Nếu muốn ca nô chạy đúng như dự định thì phải cho ca nô chạy như thế nào. Tính vận tốc riêng và vận tốc tổng hợp của ca nô? (sách giáo khoa chuyên lý 7) B A vAB vBC vAC Giải : a/ Gọi VAB , VBC , VAC lần lượt là vận tốc của ca nô so với nước, vận tốc của dòng nước C so với bờ, vận tốc của ca nô so với bờ, ta có: VAC = VAB + VBC (H8) Các vec tơ vận tốc được biểu diễn như hình vẽ Vận tốc của ca nô so với nước : VAB = = 4 (m/s) Vận tốc của dòng nước so với bờ : C VBC = = 3 (m/s) Vận tốc của ca nô so với bờ: vAC’ V2AC = V2AB + V2BC = 42 + 32 = 25 VAC = 5 (m/s) B A vC’B vAB Lý luận tương tự ta dễ dáng suy ra : Vận tốc tổng hợp của ca nô : VAB = 4 (m/s) Vận tốc của dòng nước : VC’B = 3 (m/s) ( H9) Vận tốc riêng của ca nô : VAC’ = 5 (m/s) Vậy muốn ca nô chạy đúng như dự định phải hướng mũi ca nô đến vị trí C’ ở bên kia bờ sông và cách bến dự định B một khoảng 600m về phía đầu nguồn và ca nô phải chạy với vận tốc 5 m/s ( Ở ví dụ này , cho ta lưu ý về phép cộng hai đại lượng hữu hướng đồng qui) Ví dụ 2 : Cho hệ cơ như hình vẽ (H10) phải treo vào vị trí B một vật có trọng lượng bằng bao nhiêu để hệ cơ cân bằng ( bỏ qua khối lượng thanh AC) Cho biết AC = 3AB C B A 2m (H10) P Xem hệ cơ ( H11) trên cân bằng tương đương với thanh AC cân bằng , với C là điểm tựa . Vật có khối lượng 2m tao ra trọng lượng ( P), thì phải tác dụng lên B một lực F sao cho : F.BC = P.AC => F= = .2.10m = 30m Vậy muốn hệ cơ cân bằng thì phải treo vào B một vật có khối lượng 3m ( Ở ví dụ này cho ta lưu ý khả năng giảng lược về bài toán tương đương) c/ Chiều của lực ma sát luôn ngược với chiều chuyển động của vật: Ví dụ : Một ô tô lên dốc với vận tốc trung bình v= 2m/s trong thời gian 75 s thì đi hết dốc . Chiều cao của dốc h = 12m, công của lực ma sát bằng 12% công do động cơ sinh ra, trọng lượng của ô tô P = 44.103 N 1/ Tìm công suất của động cơ ô tô ? 2/ Tìm lực kéo của động cơ tác dụng lên ô tô ? ( Trích đề thi học sinh giỏi ĐN 98-99) Giải : Xe ô tô có trọng lượng P sinh ra lực kéo F1 kéo ô tô xuống dốc, ta có : F1= F C Fms F1 P B A (H11) Chiều của lực ma sát ngược với chiều chuyển động. Ngoài ra xem ô tô chuyển động đều nên công A do ô tô sinh ra khi đi hết đoạn dốc AC ( xem H11) 1/ Công do ma sát và công do lực F1 sinh ra: A = 12%A + F1. AC = 12% A+ P.BC => 88% A = P.BC => A = Thay số ta có : A = 44.103 .2.75. = 7500000(J) = 75.105( W) Vậy công suất của ô tô là : p = = = 105 (W) 2/ Ta có : A= F.AC = F.v.t => F= = = 5.104 (N) Vậy lực kéo của ô tô là : 5.104 (N) ( Ở ví dụ này cho ta lưu ý về chiều của lực ma sát so với chiều chuyển động của vật) III. HIỆU QUẢ CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM : Sau khi thực nghiệm tại trường THCS Ngô Quyền tôi thấy học sinh học có ý thức hơn, trình bày lý luận chặt chẽ hơn , đặc biệt các em giải rất tốt phần bài tập liên quan về tính chất hữu hướng của các đại lượng vật lý, số học sinh được bồi dưỡng ngày càng có chất lượng hơn. Việc lưu ý tính chất hữu hướng của một số đại lượng vật lý khi giảng dạy vật lý Trung học cơ sở là việc làm cần thiết và hữu ích, giúp học sinh hiểu sâu sắc một số hiện tượng vật lý, tránh nhầm lần khi giải các bài toán cơ bản và góp phần nâng cao chất lượng bồi dưỡng môn vật lý cho học sinh khá giỏi. Qua việc áp dụng tính chất hữu hướng khi dạy chương trình vật lý Trung học cơ sở, chúng tôi nhận thấy phần lớn các em tiếp thu kiến thức tốt hơn và những bài tập áp dụng ở dạng này tỉ lệ học sinh đạt khá giỏi cao hơn, đặc biệt ở những bài tập nâng cao , bồi dưỡng học sinh giỏi giúp các em lý luận chặt chẽ, kết quả khả quan hơn. KẾT LUẬN 1/ Những điểm còn hạn chế và giới hạn của sáng kiến kinh nghiệm: Đề tài chỉ nghiên cứu phạm vi còn hạn hẹp, vì vậy để nâng cao chất lượng bộ môn vật lý thì người giáo viên cần phải nghiên cứu kĩ hơn nữa nội dung chương trình dạy học,phần đề tài nghiên cứu này chỉ hỗ trợ một phần để giúp các em giải tốt và học tốt hơn môn vật lý. 2. Lời kết: Được sự giúp đỡ và ủng hộ của nhà trường và đồng nghiệp, tôi đã cố gắng tìm tòi và học hỏi và chọn ra một đề tài nghiên cứu có thể giúp nâng cao chất lượng bộ môn vật lý . Trong quá trính viết đề tài này do điều kiện còn hạn hẹp về thời gian và kinh nghiệm nên vẫn còn một số thiếu sót. Tôi mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp quí báu của các đồng chí, các bạn để sáng kiến này được hoàn chỉnh hơn và có hiệu quả tốt hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Quảng Tân, ngày 20 tháng 09 năm 2011 Người viết NGUYỄN THỊ LẬP TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo khoa vật lý 8, vật lý 9. Sách bài tập vật lý 8, vật lý 9. Sách giáo viên vật lý 8, vật lý 9. 500 bài tập vật lý nâng cao, Phan Hoàng Văn chủ biên. 121 bài tập vật lý nâng cao. Bài tập vật lý nâng cao- Vũ Thanh Khiết chủ biên., NXBGD. Nhận xét của Hội đồng khoa học các cấp: Hội đồng khoa học cấp trường: 2. Hội đồng khoa học phòng GD và DDT huyện Tuy Đức: 3.Hội đồng khoa học sở GD và ĐT tỉnh ĐăkNông: