Đề tài: “Phân loại và giải bài tập chương Động học chất điểm vật lý lớp 10 nâng cao”

Chia sẻ: My An | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

653
lượt xem 140
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong đường lối xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phải trở thành nước công nghiệp". Muốn thực hiện thành công sự nghiệp này, chúng ta phải thấy rõ nhân tố quyết định thắng lợi chính là nguồn nhân lực con người Việt Nam. Nền giáo dục của ta không chỉ lo đào tạo cho đủ về số lượng mà cần quan tâm đặc biệt đến chất lượng đào tạo. Trước tình hình đó, giáo dục nước ta hiện...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: “Phân loại và giải bài tập chương Động học chất điểm vật lý lớp 10 nâng cao”

Luận văn Đề tài: “Phân loại và giải bài tập chương Động học chất điểm vật lý lớp 10 nâng cao” 1
Mục lục . Më §ÇU ............................................................................................................................ 3 1. Lý do chọn đề tài......................................................................................................... 3 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 4 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................ 4 4. Đối tượng nghiên cứu ................................ ................................ ............................... 4 5. Phạm vi nghiên cứu ................................ ................................................................... 4 6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 4 7. Cấu trúc tiểu luận ....................................................................................................... 4 A. MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 4 PHỤ LỤC ............................................................................................................................. 4 1.1. Vai trò của bài tập trong dạy học vật lý ........................................................... 5 1.2. Phân loại bài tập vật lý ................................ ................................ .......................... 6 1.2.1. Căn cứ vào cách giải ................................................................ ................................ .... 6 1.2.2. Căn cứ vào mục đích sử dụng ....................................................................................... 6 1.2.3. Căn cứ vào nội dung ................................................................ ................................ .... 6 1.3. Phương pháp chung để giải bài tập vật lý ....................................................... 6 1.4. Vấn đề lựa chọn bài tập vật lý................................ ................................ ............. 8 2.1. Nội dung kiến thức cơ bản chương “Động học chất điểm” vật lý lớp 10 nâng cao ............................................................................................................................. 8 2.1.1. Vị trí, vai trò kiến thức chương “Động học chất điểm” ............................ 8 2.1.2. Kiến thức cơ bản và kỹ năng học sinh cần đạt trong chương “Động học chất điểm” ................................ ................................ ................................ ................. 9 2.1.2.1. Cấu trúc chương Động học chất điểm ....................................................... 9 2.1.2.2. Kiến thức cơ bản của chương Động học chất điểm ............................... 9 2.1.2.2.1. Chất điểm ....................................................................................................... 9 2.1.2.2.2. Quỹ đạo ........................................................................................................... 9 2.1.2.2.3. Hệ quy chiếu ................................................................................................ 10 2.1.2.2.4. Vận tốc ................................ .......................................................................... 10 2.1.2.2.5. Gia tốc ................................................................ ................................ ........... 11 2.1.2.2.6. Các dạng chuyển động đơn giản............................................................ 12 Độ dời của chất điểm chuyển động thẳng đều theo thời gian: ......................................... 13 2.1.2.2.7. Tính tương đối của chuyển động ........................................................... 19 2.1.2.3. Kỹ năng học sinh cấn đạt được trong chương Động học chất điểm20 2.2. Phân loại, hệ thống và giải một số bài tập chương “Động học chất điểm” ................................ ................................ ................................................................. 20 2.2.1.1. Các dạng bài tập ............................................................................................ 20 2.2.1.2. Bài tập luyện tập ............................................................................................ 26 2.2.2.1. Các dạng bài tập ............................................................................................ 30 2.2.2.2. Bài tập luyện tập ............................................................................................ 37 2.2.3.1. Bài toán về chuyển động tròn .................................................................... 39 2.2.3.2. Bài tập luyện tập ............................................................................................ 41 2
A. Më §ÇU 1. Lý do chọn đề tài Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong đường lối xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ b ản phải trở thành nước công nghiệp". Muốn thực hiện th ành công sự nghiệp này, chúng ta phải thấy rõ nhân tố quyết định thắng lợi chính là nguồn nhân lực con người Việt Nam. Nền giáo dục của ta không ch ỉ lo đ ào tạo cho đủ về số lượng mà cần quan tâm đặc biệt đến chất lượng đào tạo. Trước tình hình đó, giáo dục nước ta hiện nay đặc biệt nhấn mạnh đến việc đổi mới phương pháp, hình thức tổ chức dạy học theo hướng phát huy tính năng động, sáng tạo của người học và phát huy khả năng học tập suốt đời để chủ động tồn tại trong th ế giới mới. Ở trường phổ thông, đổi mới ph ương pháp dạy học nghĩa là tạo mọi điều kiện để học sinh có thể tiếp thu kiến thức một cách tích cực, tự lực và biết vận dụng sáng tạo tri thức để giải quyết các vấn đề trong học tập và cuộc sống. Với tinh thần đó, chúng ta đang thực hiện đổi mới phương pháp dạy học theo hướng đưa học sinh vào vị trí chủ thể của hoạt động nhận thức. Vật lý là một môn học quan trọng trong hệ thống các môn học ở trư ờng phổ thông. Nó cung cấp những kiến thức cơ bản về các hiện tượng vật lý, các khái niệm, các đ ịnh luật, các thuyết…và góp phần h ình th ành thế giới quan khoa học cho học sinh. Bài tập vật lý phổ thông có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc cũng cố, mở rộng, đào sâu, hoàn thiện kiến thức lý thuyết và rèn luyện cho học sinh khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn, góp phần giáo dục kỹ thuật tổng hợp. Tuy nhiên thực tế việc dạy học vật lý và bài tập vật lý ở trường phổ thông hiện nay vẫn theo phương pháp truyền thống, chưa có phương pháp cụ thể, đặc trưng cho từng loại bài tập. Từ đó học sinh tiếp nhận kiến thức một cách thụ động dẫn đến giờ học trở n ên nhàm chán. Nhà vật lý Albert Einstein đã từng nói: “Chức năng cao nhất của người thầy không phải là truyền đạt kiến thức m à là khuyến khích học sinh yêu kiến thức và mưu cầu kiến thức”. Để làm được nh ư vậy chúng ta cần phải nghiên cứu, áp dụng và liên tục cải tiến các phương pháp giảng dạy. Chương “Động học chất điểm” là một chương quan trọng trong phần cơ học của chương trình Vật lý lớp 10 nâng cao. Các kiến thức trong phần này sẽ là nền tảng để học sinh tiếp tục tiếp thu các kiến thức mới. Do đó việc nghiên cứu, tìm ra biện pháp phù hợp để dạy học có hiệu quả chương “Động học chất điểm” là việc làm cần thiết. Vì những lí do trên cùng với mong muốn có thể góp phần nâng cao chất lượng dạy học, phù hợp với chính sách đổi mới nội dung và phươn g pháp d ạy học của Bộ giáo dục, em xin chọn đề tài: “Phân loại và giải b ài tập chương Động học chất điểm vật lý lớp 10 nâng cao” để làm đề tài tiểu luận này. 3
2. Mục tiêu nghiên cứu - Phân loại bài tập chương “Động học chất điểm” - Nêu phương pháp và giải một số bài tập chương “Động học chất điểm” 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí lu ận và thực tiễn việc sử dụng b ài tập trong dạy học vật lý ở trường phổ thông - Nghiên cứu nội dung kiến thức chương “Động học chất điểm” - Phân loại b ài tập của chư ơng “Động học chất điểm” - Đề xuất phương pháp giải bài tập chương “Động học chất điểm” - Giải một số b ài tập chương “Động học chất điểm” 4. Đối tượng nghiên cứu Bài tập chương “Động học chất điểm” vật lý lớp 10 nâng cao 5. Phạm vi nghiên cứu Trong tiểu luận này chỉ nghiên cứu các cách phân loại bài tập chương “Động học ch ất điểm” vật lý lớp 10 nhằm giúp học sinh dễ dàng nắm bắt các dạng bài tập của chương qua đó phát huy tính tích cực, sáng tạo trong h ọc tập cho các em. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý luận - Tổng kết kinh nghiệm 7. Cấu trúc tiểu luận A. MỞ ĐẦU B. NỘI DUNG Chương I: Bài tập trong dạy học vật lý Chương II: Phân loại và giải bài tập ch ương “Động học chất điểm” Vật lý 10 nâng cao C. KẾT LUẬN D. TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 4
b. néi dung ch¬ng i. bµi tËp trong d¹y häc vËt lý 1.1. Vai trò của bài tập trong dạy học vật lý Việc giảng dạy b ài tập vật lý trong nhà trường không chỉ giúp học sinh hiểu được một cách sâu sắc và đầy đủ những kiến thức quy định trong chương trình mà còn giúp các em vận dụng những kiến thức đó để giải quyết những nhiệm vụ của học tập và những vấn đề m à thực tiễn đ ã đ ặt ra. Muốn đạt được điều đó, phải thường xuyên rèn luyện cho học sinh những kỹ năng, kỹ xảo vận dụng kiến thức vào cuộc sống hằng ngày. Kỹ năng vận dụng kiến thức trong b ài tập và trong thực tiễn đời sống chính là thước do mức độ sâu sắc và vững vàn của những kiến thức m à học sinh đã thu nhận được. Bài tập vật lý với chức năng là một phương pháp d ạy học có một vị trí đặc biệt trong dạy học vật lý ở trư ờng phổ thông. Trước hết, vật lý là một môn khoa học giúp học sinh nắm dược qui luật vận động của thế giới vật chất và bài tập vật lý giúp học sinh hiểu rõ những qui luật ấy, biết phân tích và vận dụng những qui luật ấy vào thực tiễn. Trong nhiều trường hợp mặt dù người giáo viên có trình bày tài liệu một cách mạch lạc, hợp lôgích, phát biểu định luật chính xác, làm thí nghiệm đúng yêu cầu, qui tắc và có kết quả chính xác th ì đó ch ỉ là điều kiện cần chứ chưa đủ để học sinh hiểu và nắm sâu sắc kiến thức. Chỉ thông qua việc giải các b ài tập vật lý dưới hình thức này hay hình thức khác nhằm tạo điều kiện cho học sinh vận dụng kiến thức đã học để giải quyết các tình huống cụ thể thì kiến thức đó mới trở nên sâu sắc và hoàn thiện. Trong qua trình giải quyết các tình huống cụ thể do các b ài tập vật lý đặt ra, học sinh phải sử dụng các thao tác tư duy như phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa , trừu tượng hóa …để giải quyết vấn đề, do đó tư duy của học sinh có điều kiện để phát triển. Vì vậy có thể nói bài tập vật lý là một phương tiện rất tốt để phát triển tư duy, óc tưởng tượng, khả năng độc lập trong suy nghĩ và hành động, tính kiên trì trong việc khắc phục những khó khăn trong cuộc sống của học sinh. Bài tập vật lý là cơ hội để giáo viên đề cập đến những kiến thức m à trong giờ học lý thuyết ch ưa có điều kiện để đề cập qua đó nhằm bổ sung kiến thức cho học sinh. Đặc biệt, để giải được các bài tập vật lý dưới hình thức trắc nghiệm khách quan học sinh ngoài việc nhớ lại các kiến thức một cách tổng hợp, chính xác ở nhiều phần, nhiều ch ương, nhiều cấp học thì học sinh cần phải rèn luyện cho mình tính ph ản ứng nhanh trong từng tình huống cụ thể, bên cạnh đó học sinh phải giải thật nhiều các dạng bài tập khác nhau để có đư ợc kiến thức tổng hợp, chính xác và khoa học. 5
1.2. Phân loại bài tập vật lý Tất cả các cách phân loại đều có tính tương đối và có tính ch ất qui ước. Người ta phân loại bài tập dựa vào d ấu hiệu, căn cứ khác nhau. 1.2.1. Căn cứ vào cách giải - Bài tập định tính - Bài tập định lượng (bài tập tính toán) - Bài tập đồ thị - Bài tập thí nghiệm 1.2.2. Căn cứ vào mục đích sử dụng - Bài tập tập dượt - Bài tập tổng hợp 1.2.3. Căn cứ vào nội dung - Bài tập có nội dung lịch sử - Bài tập có nội dung thực tế - Bài tập có nội dung giả tạo 1.3. Phương pháp chung để giải bài tập vật lý Tác dụng của b ài tập vật lý chỉ phát huy tối khi tuân thủ đúng phương pháp giải bài tập vật lý. Vì vậy cần phải rèn luyện cho học sinh biết cách giải b ài tập một cách khoa học mới đảm bảo đi đến kết quả một cách chắc chắn. Cần phải giúp học sinh tránh cách giải theo kiểu mò mẩm, may rủi. Muốn thế, thầy giáo phải hư ớng dẫn học sinh vận dụng phương pháp giải bài tập vật lý ngay từ những tiết bài tập đầu tiên cũng như trong suốt quá trình học vật lý. Trên thực tế, đa số học sinh thường vận dụng công thức một cách máy móc và giải một cách mò mẫm: áp dụng công thức n ày không được thì áp dụng công thức khác m à không hiểu được b ài toán đó liên quan đến hiện tượng, định luật hay hệ quả nào. Và không hiểu đư ợc bản chất vật lý của các hiện tượng liên quan. Để cho việc giải bài tập thực sự có hiệu quả, khi giải bài tập vật lý cần hướng dẫn học sinh theo các bư ớc sau: Bước 1. Đọc kỹ đầu bài, tìm hiểu ý nghĩa của những thuật ngữ mới, nắm vững đâu là dữ kiện, đâu là ẩn số phải tìm. Để từ đó tóm tắt đầu bài bằng những kí hiệu và hình vẽ. Đọc kĩ đầu bài là nh ằm giúp học sinh hiểu được đề ra và tìm được phương hướng để giải quyết vấn đề. Song không phải mọi học sinh đều nhận thức rõ đ iều đó và tạo cho mình thói quen đọc đi đọc lại đề ra nhiều lần trư ớc khi b ắt tay vào giải. Thực tế cho th ấy nhiều học sinh chỉ đọc lướt qua để sau đó giải ngay, do đó thường dẫn đến sai lầm, thiếu sót do hiểu sai đề ra, hoặc không thể giải được bài toán do bỏ sót dữ kiện. Nh ững sai sót này có thể tránh được nếu ta biết đọc kĩ đề ra. Bước 2. Phân tích hiện tượng vật lý của đề bài nhằm sáng tỏ bản chất của các hiện tượng, quá trình vật lý được đề cập trong bài tập. 6
Đây là bước có tính chất quyết định đến chất lượng của việc giải bài tập vật lý. Kết quả của b ước phân tích n ày cần làm rõ một số điểm sau đây: - Bài tập đang giải thuộc loại nào: bài tập định tính hay định lượng, bài tập đồ thị hay bài tập thí nghiệm. - Nội dung b ài tập đề cập đến hiện tư ợng vật lý nào? Mối liên h ệ giữa các hiện tượng ra sao và diễn biến theo quy luật n ào? - Đối tư ợng đang xét ở trạng thái nào: biến đổi hay ổn định? Những điều kiện ổn định hay biến đổi là gì? - Có những đặc trưng định tính, định lượng nào đã biết và chưa biết ? Mối liên h ệ giữa các đặc trưng đó liên quan đến những định luật, quy tắc , đ ịnh nghĩa nào?... Kết quả của bư ớc n ày là chỉ ra được các công thức, các định luật cần huy động giải bài tập. Bước 3. Xác định phương pháp, vạch kế hoạch và tiến h ành giải cụ thể. Có hai phương pháp chung, đó là: phương pháp phân tích và phương pháp tổng hợp. - Phương pháp phân tích: Theo phương pháp phân tích thì việc giải b ài tập vật lý được phân chia nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn là một bài tập nhỏ đơn giản và cả b ài tập tạo thành hệ thống gồm nhiều bài tập nhỏ. Để tìm ẩn số ta phải lần lư ợt đi giải các bài toán nhỏ đó. Theo phương pháp này việc giải một b ài tập phải bắt đầu từ ẩn số. - Phương pháp tổng hợp : Theo phương pháp tổng hợp thì việc giải một b ài tập vật lý không bắt đầu từ ẩn số mà bắt đầu từ dự kiện của b ài toán để tính toán(hoặc lập luận) đ ể tiến dần đến ẩn số phải tìm. Bước 4. Kiểm tra và biện luận. Để đảm bảo tính đúng đắn của lời giải sau khi giải ta cần tiến hành kiểm tra kết quả và biện luận (đối với những bài tập cần biện luận) để loại bỏ những kết quả không phù hợp hoặc khẳng định kết qu ả theo điều kiện ban đầu đặt ra. Bước này rất cần thiết, qua đó có thể rèn luyện cho học sinh đức tính cẩn thận, cũng như thói quen và ý thức thường xuyên kiểm tra kết quả của công việc. Đó là một trong những phẩm chất cần thiết của người lao động mới. Tùy vào từng bài toán mà ta có th ể biện luận hoặc không cần biện luận, nhưng không thể bỏ qua khâu kiểm tra. Để kiểm tra chúng ta có thể tiến hành theo một trong các cách sau: - Xem lại một cách cẩn thận các tiến trình giải để phát hiện những sai sót có thể có. - Giải lại bài toán nhưng b ằng phương pháp khác và so sánh kết quả của hai lần giải. 7
- Khác với công thức toán học, một công thức vật lý phải bằng nhau cả hai vế về trị số lẫn đơn vị. Vì vậy để kiểm tra kết quả đúng hay sai ta cần kiểm tra thứ nguyên của biểu thức kết quả. Việc kiểm tra và biện luận khi giải bài tập giúp học sinh mở rộng sự hiểu biết của mình. Qua biện luận những kết quả không phù hợp với điều kiện ban đầu của bài toán, không phù hợp với thực tế phải loại bỏ. Nhờ biện luận và kiểm tra giúp học sinh phát hiện được những sai sót trong tiến trình giải bài tập. Trên đây là b ốn bư ớc để giải một bài tập vật lý, tuy nhiên mỗi loại bài tập có những đặc điểm riêng, nên khi vận dụng phải tùy vào từng b ài tập cụ thể để vận dụng cho linh hoạt. 1.4. Vấn đề lựa chọn bài tập vật lý Trong dạy học bất cứ một đề tài nào, giáo viên cần phải lựa chọn một hệ thống bài tập thoả mãn các yêu cầu sau: 1. Các bài tập phải đi từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp (phạm vi và số lượng các kiến thức, kĩ năng cần vận dụng từ trong một đề tài đ ến trong nhiều đ ề tài, số lượng các đại lượng cho biết và các đại lượng phải tìm…) giúp học sinh n ắm được phương pháp giải các loại b ài tập điển h ình. 2. Mỗi bài tập phải là một mắt xích trong hệ thống bài tập, đóng góp một phần nào đó vào việc củng cố, hoàn thiện và m ở rộng kiến thức. 3. Hệ thống bài tập cần bao gồm nhiều loại bài tập : bài tập giả tạo và bài tập có nội dung thực tế, b ài tập luyện tập và bài tập sáng tạo, bài tập cho thừa hoặc thiếu dữ kiện, b ài tập mang tính chất ngụy biện và nghịch lí, bài tập có nhiều cách giải khác nhau và bài tập có nhiều lời giải tuỳ theo những điều kiện cụ thể của bài tập mà giáo viên không nêu lên hoặc chỉ n êu lên một điều kiện n ào đó mà thôi. Ch¬ng ii. Ph©n lo¹i vµ gi¶I bµi tËp ch¬ng ®énghäc chÊt ®iÓm vËt lý 10 n©ng cao 2.1. Nội dung kiến thức cơ bản chương “Động học chất điểm” vật lý lớp 10 nâng cao 2.1.1. Vị trí, vai trò kiến thức chương “Động học chất điểm” Ph ần động học chất điểm là một phần của cơ học nghiên cứu về các chuyển động đơn giản nhất trong tự nhiên (chuyển động cơ học). Trong đó người ta nghiên cứu các cách xác định vị trí của các vật trong không gian tại những thời điểm khác nhau và mô tả tính chất chuyển động của các vật bằng các ph ương trình toán học, nhưng chưa xét đến n guyên nhân chuyển động. Ở phần n ày đề cập đến các khái niệm liên quan đ ến chuyển động như chất điểm, qu ỹ đạo, độ dời, hệ quy chiếu; các đại lượng đặc trưng cho chuyển động như thời gian, 8
quãng đường, vận tốc, gia tốc; các dạng chuyển động đ ơn giản nh ư chuyển động thẳng gồm có chuyển động thẳng đều và chuyển động thẳng biến đổi đều, chuyển động tròn và chyển động của vật bị ném và nghiên cứu một đặc điểm của chuyển động là tính tương đối của chuyển động. Các phương pháp vật lý nghiên cứu trong phần này gồ m có phương pháp mô hình, phương pháp thực nghiệm, phương pháp tương tự. 2.1.2. Kiến thức cơ bản và kỹ năng học sinh cần đạt trong chương “Động học chất điểm” 2.1.2.1. Cấu trúc chương Động học chất điểm 2.1.2.2. Kiến thức cơ bản của chương Động học chất điểm 2.1.2.2.1. Ch ất điểm Chất điểm là một vật có khối lượng nhưng có kích thước không đáng kể so với những khoảng cách mà ta khảo sát Khi một vật được coi là chất điểm th ì khối lượng của vật coi như tập trung tại ch ất điểm đó Các hành tinh trong h ệ mặt trời chuyển động xung quanh mặt trời cũng có thể coi là các chất điểm. 2.1.2.2.2. Quỹ đạo 9
Qu ỹ đạo là đường mà ch ất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động.Muốn xác đ ịnh quỹ đạo chuyển động của vật ta phải dựa vào các phương pháp to ạ độ 2.1.2.2.3. Hệ quy chiếu Vật đ ược chọn làm mốc cùng với hệ toạ độ và đồng hồ gắn liền với nó, dùng đ ể xác đ ịnh vị trí củ a vật khác đư ợc gọi là h ệ quy chiếu. Hệ quy chiếu ban đầu được xây dựng trong cơ học cổ điển Newton là một hệ đứng yên tuyệt đối.Tuy nhiên thực nghiệm đã chứng tỏ rằng sự tồn tại của một hệ quy chiếu tuyệt đối chỉ là ảo giác 2.1.2.2.4. Vận tốc Vận tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự nhanh hay chậm của chuyển động và cho biết hướng của chuyển động. Như vậy vận tốc vừa là một đại lượng có hướng vừa có một giá trị cụ thể. Vậy vận tốc phải là một đại lượng vectơ. Mặt khác trong quá trình chuyển động, chất điểm có thể chuyển động nhanh hơn hay ch ậm đi, do đó khi xét đến khái niệm vận tốc ta phải khảo sát trong các khoảng thời gian nhất định. Định nghĩa chính xác nh ất của vận tốc là:   ds  dt Định nghĩa n ày thực ra là đ ịnh nghĩa vận tốc tức thời,phù hợp cho mọi loại chuyển động và ch ặt chẽ về mặt lôgic.Nhưng muốn định nghĩa này phải có kiến thức về giới hạn,đạo hàm,vi phân.Điều này gặp khó khăn đối với học sinh đầu cấp,vì vậy phải đưa thêm các khái niệm khác như vận tốc trung bình,tốc độ trung bình,tốc độ tức thời. + Vận tốc trung bình Vectơ vận tốc trung bình của chất điểm trong thời gian t được định nghĩa là:   r v t  Với r là vectơ độ dời của chất điểm. Vectơ vận tốc trung bình có hướng trùng với vectơ d ịch chuyển và biểu thị sự thay đ ổi vị trí của chất điểm trong khoảng thời gian  t Trong chuyển động thẳng, giá trị của vận tốc trung bình được tính theo công thức: x v t 10
Như vậy giá trị của vận tốc trung b ình có thể âm hoặc dương, d ấu của vận tốc trung bình thể hiện chiều chuyển động của chất điểm. Nếu vận tốc trung bình nh ận giá trị dương có ngh ĩa là chất điểm chuyển động cùng chiều với chiều dương và ngược lại + Tốc độ trung bình Tốc độ trung bình bằng tỷ số giữa quãng đường chất điểm đi đ ược trong một khoảng thời gian và khoảng thời gian đó: s vs  t Tốc độ trung bình là đại lượng vô hướng, dương và nói chung là không bằng độ lớn của vận tốc trung bình. Ch ỉ trong trường hợp chuyển đ ộng thẳng một chiều thì tốc độ trung bình b ằng giá trị tuyệt đối của độ lớn vận tốc trung b ình. + Tốc độ tức thời Tốc độ tức thời của chất điểm tại thời điểm t đư ợc xác định : s ds vs  lim  t d t . t  0 Như vậy tốc độ tức thời bằng độ lớn của vectơ vận tốc tức thời nhưng luôn có giá trị dương. Nói đ ến vận tốc hay tốc độ tức thời, ta phải gắn nó với một th ời điểm hoặc một vị trí xác định trên qu ỹ đạo ví dụ tốc độ tức thời của chất điểm tại thời đểm t hoặc tốc độ tức thời của chất điểm khi qua điểm A. Nếu ta chỉ nói đến vận tốc thì có nghĩa là ta đang nói đến vận tốc tức thời, vì chỉ có vận tốc tức thời mới diễn đạt hết ý nghĩa đặc trưng cho sự nhanh hay chậm của chuyển động và chỉ hướng chuyển động của chất điểm ở từng thời điểm 2.1.2.2.5. Gia tốc Trong chuyển động, chất điểm có thể thay đổi vận tốc. Do đó cần có một đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc, nó cho ta biết vậ tốc của vật thay đổi nhanh hay chậm, tăng hay giảm. Đại lư ợng đó chính là gia tốc. Cũng như đối với khái niệm vận tốc,những đặc trưng đ ầy đủ của một véctơ gia tốc phải được diễn đạt bằng một đạo hàm véctơ:    ds d 2 s   dt dt 2 Ngoài ra còn đưa thêm khái niệm: + Gia tốc trung bình 11
Xét m ột chất điểm chuyển động trong mặt phẳng. Giả sử tại thời điểm t 0 ch ất   v0 , tại tời điểm t1 chất điểm có vận tốc v1 . Gia tốc trung bình của chất điểm có vận tốc điểm là:  v a t    Với: v  v1  v0 và t  t1  t0 Gia tốc là một đại lượng vectơ, ngh ĩa là giá trị củ a nó sẽ là một giá trì đại số. Vậy dấu của gia tốc cho biết điều gì? Dấu của gia tốc cho biết chất điểm chuyển động nhanh dần hay chậm dần. Khi gia tốc cùng dấu với vận tốc thì có nghĩa là chất điểm chuyển động nhanh dần và ngược lại nếu gia tốc ngược dấu với vận tốc th ì có ngh ĩa ch ất điểm chuyển động chậm dần. Cơ thể của chúng ta cảm nhận đ ược gia tốc. Nếu ngồi trên ôtô, khi ô tô chuyển động có gia tốc thì ta sẽ cảm nhận được. Gia tốc càng lớn thì ta cảm nhận càng rõ ràng. Nhưng nếu ôtô chuyển động không có gia tốc thì dù vận tốc có lớn đến đâu ta cũng cảm thấy bình thường, nghĩa là nếu không nhìn ra khỏi xe thì ta không biết xe chạy nhanh hay chậm. Véctơ gia tốc có thể phân tích ra hai thành phần: th ành ph ần tiếp tuyến và thành phần pháp tuyến theo phương chuyển động.trường hợp đặc biệt của chuyển động thẳng thì không có thành phần tiếp tuyến và lúc đó gia tốc chỉ đặc trưng cho sự biến thiên nhanh hay chậm của vận tốc.Đối với chuyển động thẳng đều thì gia tốc là một hằng số.Đối với chuyển động tròn đ ều,chỉ có thành phần pháp tuyến làm thay đổi liên tục phương của chuyển động. 2.1.2.2.6. Các dạng chuyển động đơn giản + Chuyển động thẳng đều: Chuyển động đơn giản nhất trong tự nhiên là chuyển động thẳng + Định nghĩa chuyển động thẳng đều Chuyển động thẳng đều là chuyển động thẳng, trong đó chất điểm có vận tốc tức thời không đổi. Vậy chuyển động thẳng đều trước hết là chuyển động có quỹ đạo là đường thẳng và vận tốc của chất điểm là như nhau trong suốt quá trình chuyển động. Trong chuyển động thẳng đều vận tốc tức thời và vận tốc trung bình có giá trị như nhau. Vì vậy không cần phân biệt hai khái niệm này. Đồ thị vận tốc-thời gian của chuyển động thẳng đều được biểu diễn như h ình vẽ dưới. 12
Trong chuyển động thẳng đều, đồ v thị vận tốc - thời gian của chất điểm có dạng đường thẳng vuông góc với trục tung, điều này thể hiện trong suốt thời v gian chuyển động vận tốc của chất điểm luôn nhận một giá trị không đổi. Từ đồ thị vận tốc - thời gian ta có thể xác định độ dời của chất điểm trong t o Hình 1 - Đồ thị Vận tốc- thời gian của quá trình chuyển động bằng cách tính chuyển động thẳng đều diện tích hình chữ nhật có một cạnh bằng v và một cạnh bằng t. Độ dời của chất điểm chuyển động thẳng đều theo thời gian: x Từ công thức: v  t Suy ra: x  v.t . Vì vận tốc không đổi nên độ dời của ch ất điểm chuyển động thẳng đều tỷ lệ thuận với khoảng thời gian chuyển động. Đồ thị biểu diển sự phụ thuộc của độ dời của chất điểm chuyển động thẳng đều theo th ời gian như sau: x (m) x (m) 70 40 t (s) o O 123456 t (s) b. Chất điểm chuyển động ngược a. Chất điểm chuyển động cùng chiều chiều dương dương Hình 2 - Đồ thị tọa độ- thời gian của chất điểm chuyển động thẳng đều Nhìn vào đồ thị tọa độ-thời gian của chất điểm, chúng ta có thể biết tất cả các thông tin về chuyển động như vị trí của chất điểm ở từng thời điểm trong quá trình chuyển động, tốc độ chuyển và chiều chuyển động. Vận tốc của chất điểm đư ợc xác định bằng hệ số góc của đồ thị. Thật vậy, từ công thức: 13
x  tan  v t Với  là góc tạo bởi trục ho ành và đồ thị. + Chuyển động thẳng biến đổi đều Trong nhiều chuyển động thường gặp thì vận tốc của vật thay đổi đều đặn theo thời gian. Loại chuyển động như vậy trên đường thẳng gọi là chuyển động thẳng biến đổi đều. - Định nghĩa Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động thẳng trong đó gia tốc tức thời không đổi theo thời gian. Chuyển động thẳng biến đổi đều theo chiều tăng vận tốc gọi là chuyển động thẳng nhanh dần đều. Chuyển động thẳng biến đổi đều theo chiều giảm vận tốc gọi là chuyển động thẳng chậm dần đều. Trong thực tế, có rất nhiều trường hợp vật chuyển động thẳng biến đổi đều. Ví dụ như một vật nhỏ đ ược ném thẳng đứng lên cao, trong giai đoạn đi lên vật chuyển động thẳng chậm dần đều còn khi đ i xu ống vật chuyển động thẳng nhanh dần đều. - Sự biến đổi của vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Vì trong chuyển động thẳng biến đổi đều, gia tốc của chất điểm không đổi theo thời gian nên ta có thể xác định vận tốc tức thời của chất điểm ở từng thời điểm dựa vào công thức sau: v  v0 a  v  v0  a(t  t 0 ) t  t0 . Nếu ta chọn mốc thời gian sao cho thời điểm đầu t 0  0 thì khi đó vận tốc tức thời của chất điểm được xác định: v  v 0  at Từ công thức trên ta thấy nếu vận tốc và gia tốc của chất điểm trái dấu nhau thì tốc độ của chất điểm sẽ giảm dần trong quá trình chuyển động. Nghĩa là chất điểm chuyển động chậm dần đều. Còn ngược lại nếu vận tốc và gia tốc của chất điểm cùng dấu th ì chất điểm chuyển động nhanh dần đều. Đồ thị vận tốc - thời gian của chất điểm chuyển động thẳng biến đổi đổi đều có dạng là đường thẳng như h ình vẽ. 14
Ở vị trí đồ thị vận tốc-thời gian của chất điểm chuyển động thẳng biến đổi đều cắt trục hoành vận tốc của chất điểm bằng 0. Nghĩa là tai đây vật dừng lại sau đó vật đổi chiều chuyển động (vận tốc của vật đổi dấu). v v v v v0 t o t o v0 v0 t t v0 o o a. Chuyển động thẳng nhanh dần đều b. Chuyển động thẳng chậm dần đều Hình 3 - Đồ thị vận tốc-thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều Từ đồ thị ta thấy hệ số góc của đồ thị là: v  v0 tan   a t Do đó có thể nói trong chuyển động thẳng biến đổi đều gia tốc của chuyển động bằng hệ số góc của đường biểu diễn vận tốc theo thời gian. - Độ dời và đường đi trong chuyển động thẳng biến đổi đều Tưong tự như trong chuyển động thẳng đều, độ dời của chất điểm chuyển động thẳng biến đổi đều có thể xác định bằng diện tích hình tạo bởi đồ thị vận tốc-thời gian của chuyển động, hai trục tọa độ và đường thẳng xác định thời điểm t. Từ hình vẽ, độ dời của chất điểm trong thời gian t v 1 được tính: x  x0  v0t  at 2 v 2 Trong đó : v  v0  at v0 1 Từ đó ta có: x  x0  v0t  at 2 2 O t Hình 4 - Độ dời của vật chuyển 1 Hay: x  x0  v0t  at 2 động thẳng biến đổi đều 2 Đây là phương trình chuyển động của chuyển động thẳng biến đổi đều, từ phương trình này ta hoàn toàn có thể xác định được vị trí của chất điểm ở mọi thời điểm nếu cho trước vận tốc ban đầu và gia tốc của chất điểm. 15
Phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều là phương trình bậc hai theo t nên đồ thị của nó là một parabol. Nếu chuyển chất điểm chuyển động một chiều th ì quãng dường vật đi được trùng với độ dời của vật n ên ta có công thức xác định đường đi của vật chuyển động thẳng 1 biến đổi đều một chiều như sau : s  v0t  at 2 2 Các bài toán về chuyển động thẳng biến đổi đều thường liên quan đến các đại lượng x , x0 , s, v0 , v, a, t . Thông thường, các bài toán cho chúng ta biết ba trong số các đại lượng n êu trên và yêu cầu chúng ta xác định một đại lượng chưa biết. Để giải được bài toán chúng ta phải tìm được mối liên hệ giữa ba đại lượng đ ã cho với đại lượng thứ tư chưa biết. Mối liên h ệ đó nằm trong các công thức đã biết về gia tốc, vận tốc tức thời, độ dời hay quãng đường dịch chuyển . Tuy nhiên các công thức này đều chứa thầnh phần t, nếu trong bài toán không liên quan đ ến thời gian th ì chúng ta cần có một mối liên h ệ giữa các đại lượng độc lập với thời gian. Từ công thức: v  v0 1 1 x  (v0  v)t  x  (v  v0 )( ) 2 2 a  2 a.x  (v  v0 ) 2 Từ công thức độc lập với thời gian ở trên, ta thấy một số trường hợp đặc biệt sau: - Vật chuyển động nhanh dần đều không vận tốc đầu thì 2as  v 2 . 2 - Vật chuyển động chậm dần đều cho đến khi dừng lại thì 2 as  v0 . + Sự rơi tự do Khi không có sức cản của không khí, các vật có hình dạng và khối lượng khác nhau đều rơi như nhau, ta bảo rằng chúng rơi tự do. Định nghĩa: Sự rơi tự do là sự rơi của một vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực. Trước đây, từ kinh nghiệm quan sát, Aristotle cho rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ. Và kết luận n ày được người Châu Âu tin tưởng hai nghìn năm. Galileo Galile là người đầu tiên cho rằng nhận định đó là sai lầm và ông đã tìm mọi cách để chứng minh nhận định của mình. Ông đ ã lập luận, làm các thí nghiệm để chứng minh nhận định của Aristotle là không đúng và thí nghiệm nổi tiếng nhất của ông là thí nghiệm thả các vật có khối lượng khác nhau từ tháp nghiêng thành Pi-da. Kết quả thí nghiệm cho thấy các vật rơi nhanh như nhau. Các thí nghiệm chính xác cho th ấy chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều. 16
Gia tốc rơi tự do phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, độ cao của vật rơi và cấu trúc địa ch ất của nơi đo. Ở cùng một nơi trên trái đất và ở gần mặt đất, các vật rơi tự do đều có cùng gia tốc. Vì rơi tự d o là chuyển động thẳng nhanh dần đều n ên nó có các công thức như chuyển động thẳng biến đổi đều. + Chuyển động tròn đều - K hái niệm chuyển động tròn đều Một chất điểm chuyển động tròn đ ều là chất điểm chuyển động trên qu ỹ đạo tròn có tốc độ trung b ình trên mọi cung tròn là như nhau.[3] Chúng ta cần lưu ý rằng, trong chuyển động tròn đ ều tốc độ của chất điểm là không đổi còn vận tốc của chất điểm thì lại thay đổi liên tục về phương. Do đó chuyển động tròn đ ều là chuyển động có gia tốc. Một số ví dụ về chuyển động tròn đều là khi ôtô chuyển động đều th ì một điểm trên vành bánh xe chuyển động tròn đ ều quanh trục của nó. - Gia tốc trong chuyển động tròn đều Xét m ột chất điểm chuyển động tròn đều với vận tốc có độ lớn không đổi v , ở   thời điểm t1 vật có vận tốc v1 , ở thời điểm t2 vật có vận tốc v 2 . Gia tốc trung bình của ch ất điểm trong thời gian từ t1 đến t2 được xác định như hình vẽ.  v1   v v2  v1 A   v2  R  R R2 O Hình 5 - G ia tốc trung bình trong chuyển động t ròn đều  Gia tốc trung bình có h ướng trùng với hướng của vectơ v , mà vì vận tốc tại các   tời điểm t1, t2 vuông góc với các bán kính R1, R2 n ên v vuông góc với R . Nghĩa là gia tốc trung bình của chất điểm hướng vào tâm cua qu ỹ đạo chuyển động.[7] 17
Khi t2 tiến tới gần trùng với t1 thì gia tốc trung bình của chất điểm chính là gia tốc tức thời. Vậy gia tốc trong chuyển động tròn đều hướng vào tâm của quỹ đạo và đặc trưng cho sự thay đổi về phương của vận tốc tức thời của chất điểm gọi là gia tốc hướng tâm. Độ lớn của gia tốc h ướng tâm được tính như sau: Từ định nghĩa gia tốc:   v a ht   v  aht .t t  R v mặt khác theo tính chất của tam giác đồng dạng, ta có:  R v và khi t rất nhỏ thì R  s  vt v2 vt aht t    a ht  R v R Điều này cho thấy gia tốc hướng tâm trong chuyển động tròn đều hư ớng vào tâm qu ỹ đạo và có độ lớn không đổi. - Tốc độ dài và tốc độ góc trong chuyển động trong đều Trong chuyển động tròn đ ều vec tơ vận tốc có phương tiếp tuyến với quỹ đạo và độ lớn không đổi. Độ lớn của vectơ vận tốc trong chuyển động tròn đều gọi là tốc độ dài Tốc độ góc là đại lượng đo bằng thương số giữa góc mà bán kính nối chất điểm với tâm quỹ đạo quét được trong khoảng thời gian  t và kho ảng thời gian ấy. Ký hiệu tốc độ góc là  . Đơn vị tính là rad/s.  v Công thức tính tốc độ góc: M  s v    t R.t R . - Chu kỳ và tần số trong chuyển động  O tròn đều M0 R Vì tốc độ dài không đổi nên cứ sau một khoảng thời gian nhất định ch ất điểm đi hết một vòng tròn, nó lại đến vị trí ban đầu và lặp Hình 6 - Tốc độ góc trong chuyển lại trạng thái chuyển động nh ư cũ. động trong đều Sự lặp đi lặp lại n ày cho ta khái niệm về chu k ỳ và tần số. 18
Chu kỳ T là kho ảng thời gian để chất điểm chuyển động tròn đều đi hết một vòng trên đường tròn. 2R T v R là bán kính quỹ đạo Trong đó : v là tốc độ dài của chất điểm Tần số f của chuyển động tròn đều là đ ại lượng đo bằng số vòng mà chất điểm đi được trong 1 giây. 1 f T Giữa tốc độ góc và chuy k ỳ, tần số có các mối liên h ệ với nhau: 2   2f T . 2.1.2.2.7. Tính tương đối của chuyển động Theo đ ịnh nghĩa chuyển động cơ là sự thay đổi vị trí của vật này so với vật khác theo th ời gian. Vậy người ngồi trong ôtô chuyển động hay cây cối bên đường chuyển động? Trong mỗi hệ quy chiếu khác nhau thì ch ất điểm có quỹ đạo, vận tốc chuyển động khác nhau. Ta nói chuyển động có tính tương đối.  Giả sử trên một chiếc bè trôi thẳng đều trên sông với vận tốc v23 có m ột người  đang chuyển động thẳng đều từ vị trí A đ ến vị trí B với vận tốc v12 , khi đó vận tốc của người trong hệ quy chiếu gắn với bờ sông là bao nhiêu? Từ h ình vẽ:        AB ' AÂ '  A ' B '   v13    v12  v23 t t B’ A A’ Hình 7 - Người đi trên bè đang trôi Như vậy, tại mỗi thời điểm, vận tốc tuyệt đối bằng tổng vectơ của vận tốc tương đối và vận tốc kéo theo: 19
   v13  v12  v23 Quy tắc trên gọi là quy tắc cộng vận tốc, đó là một phép cộng véctơ. Tùy vào hướng của các vectơ thành ph ần mà chúng ta có thể xác định tốc độ của chất điểm . 2.1.2.3. Kỹ năng học sinh cấn đạt được trong chương Động học chất điểm Ph ần n ày trình bày các chuẩn kỹ năng mà học sinh cần có sau khi ho àn thành chương Động học chất điểm. Đây cũng là cơ sở để giáo viên đặt ra mục tiêu cho từng bài học của chương, nhằm giúp học sinh có được những kiến thức cơ b ản và nh ững kỹ năng sau: + Xác đ ịnh được vị trí của một vật chuyển động trong một hệ quy chiếu đã cho. + Lập được phương trình to ạ độ x = x0 + vt. + Vận dụng được phương trình x = x0 + vt đối với chuyển động thẳng đều của một hoặc hai vật. + Vẽ được đồ thị toạ độ của hai chuyển động thẳng đều cùng chiều, ngược chiều. Dựa vào đồ thị toạ độ xác định thời điểm, vị trí đuổi kịp hay gặp nhau. + Vận dụng được phương trình chuyển động và công thức : vt = v0 + at ; 1 S  v0t  at 2 ; vt2  v0  2as 2 2 + Vẽ đ ược đồ thị vận tốc của chuyển động thẳng biến đổi đều và xác định được các đặc điểm của chuyển động dựa vào đồ thị này. + Giải được các b ài tập về chuyển động tròn đều. + Giải được bài tập về cộng hai vận tốc cùng phương và có phương vuông góc. + Xác đ ịnh được các sai số tuyệt đối và sai số tỉ đối trong các phép đo trực tiếp và gián tiếp. + Xác đ ịnh được gia tốc của chuyển động nhanh dần đều bằng thí nghiệm. 2.2. Phân loại, hệ thống và giải một số bài tập chương “Động học chất điểm” 2.2.1. CHỦ ĐỀ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU 2.2.1.1. Các dạng bài tập Dạng 1: Tìm vận tốc của hai vật chuyển động thẳng đều khi biết độ giảm khoảng cách khi chúng chuyển động cùng chiều và ngược chiều sau khoảng thời gian t. + Phương pháp giải Đây là loại bài toán đơn giản về vận tốc và quãng đường đi. Để giải b ài toán này ch ỉ cần áp dụng công thức đường đi s  vt (với qui ước chiều dương là chiều chuyển động của vật). 20