Kinh nghiệm từ việc dạy bồi dưỡng học sinh giỏi phần chuyển động cơ học môn Vật lí THCS

KINH NGHIỆM TỪ VIỆC DẠY BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI PHẦN CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC MÔN VẬT LÍ THCS TÁC GIẢ: Trần Văn Tuấn CHỨC VỤ: Giáo viên ĐƠN VỊ: Trường THCS Lê Thánh Tông MÔN (HOẶC CHỦ ĐỀ): Vật lí A. PHẦN MỞ ĐẦU: I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Khi dạy bồi dưỡng học sinh giỏi (HSG) về phần chuyển động cơ học môn Vật Lý THCS, nếu sử dụng SGK và sách bài tập của bộ môn thì về lý thuyết rất đơn giản; Bài tập vận dụng ít về số lượng và chưa phong phú về dạng bài tập Dẫn đến trong việc bồi dưỡng HSG giáo viên (GV) không đưa ra được những phần lý thuyết phát triển nâng cao cho học sinh; học sinh không được làm nhiều các dạng bài tập vận dụng... Làm chất lượng dạy và học dồi dưỡng HSG kém hiệu quả; Để giúp đỡ đồng nghiệp và HS tháo gỡ những vướng mắc trên tôi xin đưa ra sáng kiến kinh nghiệm với đề tài “Kinh nghiệm từ việc dạy bồi dưỡng học sinh giỏi phần chuyển động cơ học môn Vật lí THCS ”. II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI: Giúp GV và HS : - Nắm thêm một số kiến thức cơ bản phát triển và nâng cao về phần chuyển động cơ học môn Vật Lý THCS. Biết Vận dụng lý thuyết đã học vào làm các bài tập vận dụng phát triển, nâng cao, bài tập tổng hợp phức tạp trong phần chuyển động cơ học. - Hiểu sâu sắc, đa dạng hơn về lý thuyết phần chuyển động cơ học. - Vận dụng làm được và làm thạo các thêm nhiề dạng bài tập vận dụng phát triển nâng cao, các bài tập tổng hợp, bài tập khó. - Thấy được ý nghĩa và ứng dụng rất lớn của môn vật lý trong đời sống, sản xuất. III. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: 1. Nhiệm vụ đề tài: - Đưa ra một số kinh nghiệm để làm thành công, làm tốt việc dạy bồi dưỡng HSG phần chuyển động cơ học môn Vật Lý. - Đưa ra Một vài phần kiến thức lý thuyết Vật Lý phát triển, nâng cao, có liên quan đến phần chuyển động cơ học. - Đưa ra một số dạng bài tập vận dụng, bài tập khó, bài tập tổng hợp và cách giải các dạng bài tập trên để thành công tốt việc bồi dưỡng HSG môn Vật Lý. 2. Giới hạn đề tài: Kiến thức Vật Lý đưa ra cơ bản nằm trong chương trình Vật Lý THCS, ngoài ra cần sử dụng đến kiến thức khoa học các môn học khác cũng nằm 1 trong chương trình THCS như môn toán và kiến thức đời sống vốn có của học sinh. IV. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: HS lớp 8 và 9. V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Chia đội tuyển HSG môn Vật Lý ra làm hai nhóm, một nhóm được vận dụng SKKN (được học thêm kiến thức mở rộng, phát triển nâng cao, được hướng dẫn các dạng bài tập vận dụng, rồi vận dụng làm một số bài tập). Một nhóm không được vận dụng SKKN (không được học thêm kiến thức mở rộng, phát triển nâng cao, không được hướng dẫn các dạng bài tập vận dụng và vận dụng làm bài tập). - Kiểm tra, thu kết quả hai nhóm cùng một đề bài kiểm tra. - So sánh kết quả hai nhóm. - Nhận xét đánh giá rút ra kinh nghiệm. - Bổ sung để sửa đổi phương pháp dạy bồi dưỡng HSG để đáp ứng nhiệm vụ dạy học của người giáo viên. VI. CƠ SỞ KHOA HỌC: - Dựa vào nội dung kiến thức Vật Lý trong SGK vật lý THCS. - Dựa vào nội dung các bài tập cụ thể trong từng bài học, tiết học môn Vật Lý. - Dựa vào tài liệu hướng dẫn dạy bồi dưỡng HSG có trong thư viện và sưu tầm. - Dựa vào nội dung các lớp học chuyên đề môn Vật lý THCS. - Dựa vào đối tượng HS để nghiên cứu. - Dựa vào tài liệu tự học BDTX chu kì 2004-2007 VII. THỰC TRẠNG DẠY HỌC CỦA GV VÀ KHẢ NĂNG HỌC CỦA HS: 1. Thực trạng dạy học của GV: - Đa số GV dạy môn Vật Lý đã từng dạy bồi dưỡng HSG. - Chưa có ý thức tìm tòi, đi sâu kiến thức, hay chưa phát triển nâng cao được kiến thức trong việc bồi dưỡng HSG. - Chưa đưa ra được các dạng bài tập tổng hợp, bài tập phức tạp và bài tập đa dạng trong việc bồi dưỡng HSG - Từ thực trạng trên, với những kinh nghiệm đúc rút được trong quá trình dạy học bồi dưỡng HSG ở nhiều năm, tôi viết SKKN này mong được góp phần nhỏ bé cho các độc giả, đồng nghiệp, HS có tư liệu tham khảo. 2. Khả năng của HS: - Đa số thích học môn Vật Lý. - Có tư chất để tiếp thu và nắm vững kiến thức phát triển nâng cao môn Vật Lý. - Có khả năng làm được các bài tập vận dụng, bài tập tổng hợp, bài tập phát triển và nâng cao khi được GV gợi ý, hướng dẫn. 2 VIII. KHẢO SÁT THỰC TẾ: - GV và HS đều có sách giáo khoa, sách bài tập Vật lý THCS và các sách tham khảo khác thuộc bộ môn Vật lý. - Ham thích học môn Vật lý. - Hiện nay trong các thư viện, và ở ngoài thị trường có đủ các loại sách tham khảo, sách bồi dương, sách phát triển, nâng cao bộ môn vật Lý. GV và HS có thể mượn, mua để tham khảo, sử dụng. B. NỘI DUNG: I. NỘI DUNG ĐỀ TÀI: ÔN TẬP VỀ CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC A. LÝ THUYẾT CẦN NHỚ: I.1 Chuyển động thẳng đều: 1.Vận tốc: - Công thức: v = S t Trong đó S: quãng đường đi t: Thời gian chuyển động. v: là vận tốc - Đơn vị: m/s; cm/s; km/h... 2. Véc tơ vận tốc: • Gốc: Vị trí vật. • Giá: Quỹ đạo. • Chiều: Chiều chuyển động. S • Độ dài: Biểu diễn giá trị của t Chuyển động thẳng đều v = const 3. Các phương trình: a) Phương trình tổng quát của chuyển động: O t0 t1 M0 x0 x S = x - x0 v = const x = v(t- t0) +x0 b) Chú ý: • Nếu t0 = 0 và x0 = 0 thì: x = S = vt • Trục 0x được chọn làm trục chuyển động. 3 v > 0 nếu vật chuyển động theo chiều dương Do đó v < 0 nếu vật chuyển động ngược chiều dương 4. Công thức cộng vận tốc (Tổng hợp các véc tơ vận tốc): v13 = v12 + v23 v13 : véc tơ vận tốc của vật (1) đốí với vật (3) v12 : véc tơ vận tốc của vật (1) đốí với vật (2) v23 : véc tơ vận tốc của vật (2) đốí với vật (3) Đặc biệt: v12 // v23 •v 12 v23 v12 v13 = v12 + v23 v23 v13 •v 12 v23 v12 v13 = v12 - v23 v23 v13 •v 12  v23 v12 2 2 2 v13 = v12 + v23 v v23 13 I. 2. Đồ thị của chuyển động: 1. Đồ thị vận tốc - thời gian : v = S v = const t • Song song với trục hoành Đường thẳng • Xuất phát từ thời điểm t0. • Cắt trục tung tại giá trị vận tốc v. Thí dụ (Hình a dưới): y x x v x0 x1 0 0 0 t0 t t t0 t t0 t 1 Hình b Hình c 4 Hình a 2. Đồ thị tọa độ - thời gian : x = v(t- t0) +x0 • Có độ dốc v; Đường thẳng • Xuất phát từ thời điểm t0, tại vị trí x0: (t0; x0) Thí dụ (hình b trên): 3. Đồ thị quãng đường - thời gian : S = x = v.(t-t0) • Có độ dốc v; • Xuất phát từ thời điểm t 0, cắt trục tung tại gốc tọa độ: (t ; 0) và đi qua tọa độ điểm (t ; x ). Đường thẳng 0 1 1 • Đồ thị chỉ biểu diễn độ dài đi được của chuyển động sau thời gian đi là bao nhiêu, không biểu diễn sau thời gian đi vật ở vị trí nào. Thí dụ (hình c trên): I.3. Vận tốc trung bình của chuyển động: - Trong một thời gian ( hay trong một quãng đường): S vtb = t - Trường hợp tổng quát: v1.t1 v2.t2 ... vn .tn vtb = t1 t2 ... tn B. CÁC DẠNG BÀI TOÁN VẬN DỤNG: BÀI TOÁN 1: TÍNH VẬN TỐC VÀ QUÃNG ĐƯỜNG TRONG CHUYỂN ĐỘNG: 1. BÀI TẬP VẬN DỤNG: 1.1: Hai xe chuyển động thẳng đều trên một đường thẳng với các vận tốc không đổi. - Nếu đi ngược chiều thì sau 15phút khoảng cách giữa hai xe giảm 25km. - Nếu đi cùng chiều thì sau 15phút, khoảng cách giữa hai xe chỉ giảm 5km. Tính vận tốc của hai xe. Giải: - Chọn chiều dương là chiều chuyển động của mỗi xe. Quảng đường mỗi xe đi được trong thời gian t là s = vt. - Theo đề: v1 v2 S1 + S2 = (v1 + v2)t1 25 4 v2 v1 S2 - S1 = (v2 - v1)t2 5 4 Vậy: v1 + v2 = 100 5 v2 - v1 = 20 Suy ra: v1 = 40km/h v2 = 60km/h 1.2: Hai xe chuyển động thẳng đều từ A đến B cách nhau 60km. Xe (1) có vận tốc 15km/h và đi liên tục không nghỉ. Xe thứ (II) khởi hành sớm hơn 1h nhưng dọc đường nghỉ mất 2h. Hỏi xe (II) phải đi với vận tốc bao nhiêu để đến B cùng lúc với xe (I)? Giải: - Chọn chiều dương là chiều chuyển động. Hệ thức liên lạc giữa quãng đường và thời gian của chuyển động là: S = vt - Thời gian chuyển động của xe (I) là: S 60 t1 = 4(h) . t 15 Để đến B cùng lúc, thời gian chuyển động của xe (II) phải là: t2 = t1 + 1 - 2 = 3(h). Suy ra vận tốc của xe (II): S 60 v2 = 20km/h t2 3 1.3: Hai vận động viên xe đạp chuyển động đều, ngược chiều có dạng hình tròn. Hai người xuất phát từ hai vị trí A, B trên đường tròn. Họ gặp nhau lần đầu sau 20 phút kể từ lúc xuất phát. Các lần liên tiếp, họ gặp nhau lần sau cách lần trước cách nhau 30phút. Tính khoảng cách AB trên đường tròn. Giải: Theo đề thì thời gian hai người đi hết chu vi đường trong L là 30phút. Trong lần đầu, vì hai người không xuất phát cùng một nơi nên quãng đường l họ đi được là một phần đường tròn theo tỉ lệ: l 20 2 L 30 3 Do đó khoảng cách l' giữa A và B theo đường tròn là 2L L l' = L - . 3 3 2. BÀI TẬP LUỴEN TẬP 1.4: Năm 1946 người ta đo khoảng cách Trái Đất- Mặt Trăng bằng kĩ thuật phản xạ sóng rađa. Sóng rađa phát đi từ Trái Đất truyền với vận tốc c = 3.10-8m/s phản xạ trên bề mặt của Mặt Trăng và trở lại Trái Đất. Người ta ghi nhận được sóng phản xạ sau 2,5s kể từ lúc phát đi. 6 Coi Trái Đất và Mặt Trăng là những hình cầu, bán kính lần lượt là RD = 6400km, RT = 1740km. Tính khoảng cách giữa tâm Trái Đất và tâm Mặt Trăng. BÀI TOÁN 2: XÁC ĐỊNH THỜI ĐIỂM VỊ TRÍ CỦA CÁC VẬT CHUYỂN ĐỘNG. 1. HƯỚNG DẪN: • Nếu vật chuyển động trên đường thẳng : - Chọn chiều dương, gốc tọa độ, gốc thời gian. Suy ra vận tốc các vật và điều kiện ban đầu. - Áp dụng phương trình tổng quát để lập phương trình chuyển động của mỗi vật. x = v(t - t0) + x0 - Khi hai vật gặp nhau, toạ độ của hai vật bằng nhau: x2 = x1 - Giải phương trình trên để tìm thời gian và toạ độ gặp nhau. • Nếu vật chuyển động trên đường đa giác, hay đường tròn, giải bài toán bằng cách tính quãng đường đi. 2. BÀI TẬP THÍ DỤ: 2.1: Lúc 6 giờ sáng một người đi xe đạp đuổi theo người đi bộ đã đi được 8km. Cả hai chuyển động thẳng đều với các vận tốc 12km/h và 4km/h. tìm vị trí và thời gian người đi xe đạp đuổi kịp người đi bộ. Giải: 6h v2 v1 A 8km B - Chọn: * Chiều dương là chiều chuyển động. * Gốc toạ độ là vị trí khởi hành của người đi xe đạp (điểm A). * Gốc thời gian 6h sáng. Ta có: v1 - 4km/h. v2 = 12km/h t01 = 0 t02 = 0 x01 = 8km x02 = 0 Các phương trình chuyển động: x1 = 4t + 8 (km) x2 = 12t (km) - Khi gặp nhau: x2 = x1 Hay: 12t = 4t + 8 t = 1(h) Suy ra: x1 = x2 = 12t = 12(km). Vậy người đi xe đạp đuổi kịp người đi bộ ở thời đỉên t = 1h, (tức lúc 7giờ), tại nơi cách vị trí khởi hành 12km. 2.2: Hai ôtô chuyển động thẳng đều hướng vể nhau với các vận tốc 40km/h và 60km/h. Lúc 7h sáng, hai xe cách nhau 150km. Hỏi hai xe ôtô gặp nhau lúc mấy giờ? Ở đâu? 7 Giải: V2 v1 A B 150km - Chọn: * Chiều dương là chiều chuyển động của xe (I). * Gốc toạ độ là vị trí khởi hành của xe (I) lúc 7h (điểm A). * Gốc thời gian 7h. Ta có: v1 - 40km/h. v2 = - 60km/h t01 = 0 t02 = 0 x01 = 0 x02 = 150 (km) Các phương trình chuyển động: x1 = 40(km) x2 = -60t + 150t (km) - Khi gặp nhau: x2 = x1 Hay: - 60t + 150 = 40t t = 1,5(h) Suy ra: x2 = x1 = 60(km). Vậy hai xe gặp nhau lúc 8h30 tại nơi cách vị trí chọn làm gốc tọa độ 60km. 2.3: Trên một đường gấp khúc tại thành một tam A giác đều ABC cạnh a = 30m, có hai xe khởi hành cùng lúc tại A. Xe (I) chuyển động theo hướng v v AB với vận tốc không đổi v1 = 3m/s; Xe (II) 1 2 chuyển động theo hướng AC, với vận tốc không đổi v2 = 2m/s. Mỗi xe chạy 5 vòng. Hãy xác định số lần hai xe gặp nhau, vị trí vả thời điểm hai xe gặp nhau (không kể những lần hai xe gặp nhau ở A). B C Giải: Ta có chu vi của đường ABC là: s = 3a = 3.30 = 90 (m). Hai xe gặp nhau khi tổng quãng đường đi từ đầu (hay lần gặp nhau trước đó) đúng bằng chu vi của tam giác. Vậy khoảng thời gian giữa hai lần gặp nhau liên tiếp được tính bởi: v1t + v2t = S S 90 t 18(s) v1 v2 5 Vậy chọn gốc thời gian là lúc khởi hành thì các thời điểm gặp nhau là: t1 = 1.18(s) t2 = 2.18 = 36(s) t3 = 3.18 = 54(s) .................................. tn = n.18 = 18n(s). 8 Ngoài ra v1 > v2 nên với 5 vòng chạy thì xe (I) đi hết thời gian: t = 5.90 = 150(s). 3 Xe (I) tới A vào những thời điểm: t'1 = 30s; t'2 = 60s; t'1 = 30s; t'3 = 90s; t'4 = 120s; t'5 = 150s. Ta suy ra: - Không kể những lần gặp nhau ở A thì hai xe gặp nhau trên đường đi ở các thời điểm: t1 = 18s; t2 = 36s; t3 = 54s; t4 = 72s; t6 = 108s; t7 = 126s; t8 = 144s. Có tất cả 7 lần gặp nhau trên đường đi. - Vị trí gặp nhau được tính từ các thời điển trên và so với đỉnh gần nhất là: Lần 1: Cách C đoạn CM1 = 6m theo chiều CB Lần 2: Cách B đoạn BM2 = 12m theo chiều BA Lần 2: Cách C đoạn CM3 = 6m theo chiều CA Lần 4: Cách B đoạn BM4 = 6m theo chiều BC Lần 5: Cách C đoạn CM5 = 6m theo chiều CB (bỏ lần gặp ở A và do đó coi như hai xe lại chuyển động bắt đầu từ A). Lần 6: Cách B đoạn BM6 = 12m theo chiều BA Lần 7: Cách C đoạn CM7 = 12m theo chiều CA. 2.4: Hai xe (I) và (II) chuyển động trên một đường tròn với vận tốc không đổi. Xe (I) đi hết 1 vòng mất 10phút, xe (II) đi 1 vòng 50phút. Hỏi khi xe (II) đi 1 vòng thì gặp xe (I) mấy lần, trong các trường hợp sau đây? a. Hai xe khởi hành cùng lúc tại một điểm trên đường tròn và chuyển động cùng chiều. b. Hai xe khởi hành cùng lúc tại một điểm trên đường tròn và chuyển động ngược chiều. Giải: a. Hai xe chuyển động cùng chiều: Theo đề ra ta suy ra: v v 1 1 2 Vận tốc xe (I) là: v1 = vòng/phút 10 1 Vận tốc xe (II) là: v2 = vòng/phút. 50 R Đặt t là thời điểm hai xe gặp nhau. Quãng đường các xe đi được cho tới lúc đó là: O t t S1 = v1t = (vòng). S2 = v2t = (vòng). 10 50 Ta phải có: S1 - S2 = n (vòng) (n 4) t t 4t 50n = n = n t = = 12,5n (phút) (t 50phút). 10 50 50 4 Các thời điểm gặp nhau là: 9 * n = 1 t1 = 12,5phút * n = 2 t2 = 25phút v1 v2 * n = 3 t3 = 37,5phút * n = 4 t4 = 50phút Vây khi chuyển động cùng chiều và khởi R hành cùng lúc, tại một điểm thì xe (II) gặp xe (I) 4 lần cho mỗi vòng của nó. O b. Hai chuyển động ngược chiều: Vận dụng các kết quả ở câu a. ta có điều kiện cho trường hợp này là: t t S1 + S2 = n(vòng) (n 6) = n 10 50 6t 50n 25n = n t = (phút) n (t 50phút). 50 5 3 Các thời điểm gặp nhau là: * n = 1 t1 = 8,3phút * n = 2 t2 = 16,7phút * n = 3 t3 = 25phút * n = 4 t4 = 33,3hút * n = 5 t5 = 41,7phút * n = 6 t6 = 50phút Vây khi chuyển động ngược chiều và khởi hành cùng lúc, tại một điểm thì xe (II) gặp xe (I) 6 lần cho mỗi vòng của nó. 3. BÀI TẬP LUYỆN TẬP 2.5: Một xe khởi hành từ A lúc 9h để về B, theo chuyển động thẳng đều với vận tốc 36km/h. Nửa giờ sau, một xe chuyển động thẳng đều từ B về A với vận tốc 54km/h. Cho AB = 108km. Xác định lúc và nơi hai xe gặp nhau. Đáp số: 10h30phút; 54km. 2.6: Lúc 7h có một xe khởi hành từ A chuyển động thẳng đều về B với vận tốc 40km/h. Lúc 7h30 một xe khác khởi hành từ B đi về A theo chuyển động thẳng đều với vận tốc 50km/h. Cho AB = 110km. a. Xác định vị trí của mỗi xe và khoảng cách giữa chúng lúc 8h và lúc 9h. b. Khi hai xe gặp nhau lúc mấy giờ? Ở đâu? Đáp số: a. Cách A 40km, 85km, 45km Cách A 80km, 45km, 35km. b. 8h30phút; cách A 60km. BÀI TOÁN 3: VỀ ĐỒ THỊ CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU. DÙNG ĐỒ THỊ ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN CHUYỂN ĐỘNG. 1. HƯỚNG DẪN: a. Đồ thị của chuyển động (Tọa độ -thời gian): - Vẽ đồ thị của chuyển động (Tọa độ -thời gian): 10