Đang tải... (xem toàn văn)
Bồi dưỡng chuyên đề: Áp dụng định luật bảo toàn động lượng vào giải bài bập
SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO THANH HÓA TRUNG TÂM GDTX NGA SƠN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP DẠY BỒI DƯỠNG CHUYÊN ĐỀ: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG VÀO GIẢI BÀI TẬP Người thực hiện: NGUYỄN ĐÌNH HÀ Chức vụ: GIÁO VIÊN SKKN thuộc lĩnh vực: Môn Vật lí THANH HÓA NĂM 2013 1 A. ĐẶT VẤN ĐỀ I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong các bài tập Vật lý, động lượng là một đại lượng trung gian để xác định vận tốc hoặc khối lượng của vật. Động lượng có ý nghĩa rất quan trọng đối với học sinh khi giải bài tập Vật lý có áp dụng Định luật bảo toàn (ĐLBT) động lượng trong va chạm đàn hồi, va chạm mềm ở lớp 10 và bài toán phản ứng hạt nhân ở lớp 12. Để giúp học sinh biết áp dụng ĐLBT động lượng để giải một bài toán Vật lý có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phát triển tư duy của học sinh, phát huy được khả năng tư duy sáng tạo của học sinh. Tôi xin đề xuất tiến trình và phương pháp dạy bồi dưỡng chuyên đề “Áp dụng định luật bảo toàn động lượng vào giải bài tập” II. THỰC TRẠNG 1) Thực trạng- kết quả của thực trạng. Khi giải bài tập phần này yêu cầu phải: Xác định được hệ khảo sát, phân tích lực tác dụng lên hệ, xác định các giai đoạn của quá trình khảo sát, viết động lượng cho hệ vật mỗi giai đoạn, viết phương trình của định luật bảo toàn và cách đưa phương trình của định luật bảo toàn về dạng đại số. Học sinh thướng lúng túng, chưa định hướng được cách giải quyết đơn giản. Qua các năm giảng dạy, nhất là công tác bồi dưỡng học sinh khá, giỏi khi gặp dạng bài tập này chỉ khoảng 30% học sinh giải được. Nhưng cách giải quyết còn rườm rà, chưa rõ ý. 2) Điều kiện thực hiện đề tài . Đề tài được xây dựng qua quá trình rút kinh nghiệm trong giảng dạy. Đặc biệt là sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp. Đề tài với nội dung xây dựng và giải quyết vấn đề theo tinh thần phát huy tính tư duy sáng tạo của học sinh. Giúp học sinh khái quát bài toán. Đề tài là tài liệu tham khảo bổ ích cho mọi đối tượng học sinh THPT, Trung tâm GDTX. 2 B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ. I. Giải pháp thực hiện. 1. Kiến thức liên quan. a. Kiến thức Vật lý - Kiến thức động học • 231213 VVV += tavv t . 0 += • tv vv a t . 0 − = tvatS 0 2 2 1 += aSvv t 2 2 0 2 =− • Chuyển động ném xiên - Kiến thức về Động lượng • Động lượng của một vật: . vmP = • Động lượng của hệ vật: n PPPP +++= 21 - Kiến thức về ĐLBT Động lượng • Nội dung: SGK • Biểu thức áp dụng cho hệ 2 vật: '. '. . . 22112211 vmvmvmvm +=+ b. Kiến thức toán học. Định lý hàm số cosin: a 2 = b 2 + c 2 – 2bccosA 3. Phương pháp chung giải bài tập • Xác định hệ khảo sát • Phân tích lực tác dụng lên hệ • Xét xem có thể áp dụng được định luật bảo toàn động lượng không • Xác định các giai đoạn của quá trình khảo sát • Viết động lượng cho hệ vật môi giai đoạn • Viết phương trình của định luật bảo toàn động lượng • Đưa phương trình của định luật bảo toàn động lượng về dạng đại số, từ phương trình này đưa ra đại lượng cần tìm. 3 4. Các dạng bài tập cơ bản. Bài tập 1: Tìm động lượng. Tìm tổng động lượng (hướng và độ lớn) của hệ hai vật có khối lượng bằng nhau m 1 = m 2 = 1kg. Vận tốc của vật 1 có độ lớn v 1 = 2m/s và có hướng không đổi. Vận tốc của vật 2 có độ lớn v 2 = 4m/s và: a) Cùng phương, cùng chiều với vật 1. b) Cùng phương, ngược chiều với vật 1. c) Có hướng nghiêng góc 60 0 so với v 1 . Tóm tắt: m 1 = m 2 = 1kg v 1 = 2m/s v 2 = 4m/s ?=⇒ P a) 12 vv ↑↑ b) 12 vv ↑↓ c) α == 0 21 60);( vv Yêu cầu: + Học sinh biểu diễn được các vectơ động học + Xác định được vectơ tổng trong mỗi trường hợp. + Biết áp dụng Định lí hàm số cosin. Nhận xét: + Học sinh thường gặp khó khăn khi xác định vectơ tổng động lượng của hệ các vectơ 21 , PP . + Không nhớ ĐLHS cosin, xác định góc tạo bởi 2 vectơ ( ) 21 , PP . Lời giải: Động lượng của hệ: 221121 vmvmPPP +=+= Trong đó: P 1 = m 1 v 1 = 1.2 = 2 (kgms -1 ) P 2 = m 2 v 2 = 1.4 = 4 (kgms -1 ) a) Khi 12 vv ↑↑ ⇒ 12 PP ↑↑ ⇒ P = P 1 + P 2 = 2 + 4 = 6(kgms -1 ) b) Khi 12 vv ↑↓ ⇒ 12 PP ↑↓ ⇒ P = P 2 – P 1 = 4- 2 = 2 (kgms -1 ) c) Khi 0 21 60);( =vv ⇒ α == 0 21 60);( PP Áp dụng ĐLHS cosin: β cos2 21 2 2 2 1 2 PPPPP −+= )cos(2 21 2 2 2 1 απ −−+= PPPP 2 2 0 2 4 2.2.4cos120 28= + − = (kgms -1 ) Bài tập 2: Sau va chạm 2 vật chuyển động cùng phương. Một xe goòng khối lượng m 1 = 4T chạy với tốc độ v 1 = 4m/s đến va chạm vào 1 xe goòng đứng yên khối lượng m 2 = 6T. Toa này chuyển động với vận tốc v 2 ’ = 3m/s. Xe goòng 1 chuyển động thế nào sau va chạm? Tóm tắt: m 1 = 4T v 1 = 4m/s m 2 = 6T v 2 = 0 v 2 ’ = 3m/s ? ' 1 =v Yêu cầu: Lời giải: + Xét sự va chạm xảy ra trong thời gian ngắn. + Chọn chiều dương theo chiều chuyển động của xe 1 ( 1 v ). + Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: ' 22 ' 112211 vmvmvmvm +=+ (*) + Giả sử sau va chạm 2 xe cùng chuyển động theo chiều dương của 1 v ( 12 vv ↑↑ ). 4 α 1 P απ − P 2 P 1 v m 1 m 2 + + Nêu được điều kiện hệ kín. + Nêu được kiến thức ĐLBT động lượng cho hệ 2 vật. + Giả sử chiều chuyển động của 2 xe sau va chạm. + Chiếu biểu thức động lượng xác định vận tốc , 1 v + Chiếu PT (*) lên chiều dương ta có: m 1 v 1 + 0 = m 1 v 1 ’ + m 2 v 2 ’ ' ' 1 1 2 2 1 1 4.4 6.3 0,5 / 4 m v m v v m s m − − ⇒ = = = − v 1 ’ < 0 chứng tỏ sau va chạm xe 1 chuyển động theo chiều ngược lại. Nhận xét: Học sinh gặp khó khăn khi chuyển biểu thức động lượng dạng vectơ sang biểu thức đại số để tính toán. Bài tập 3: Sau va chạm 2 vật chuyển động khác phương. Một viên đạn khối lượng 2kg đang bay thẳng đứng lên cao với vận tốc 250m/s thì nổ thành 2 mảnh khối lượng bằng nhau. Tìm hướng và độ lớn của mảnh thứ hai biết mảnh thứ nhất bay lên với vận tốc 500m/s theo phương lệch góc 60 0 so với đường thẳng đứng hướng lên phía trên Tóm tắt: m = 2kg v = 250m/s m 1 = m 2 = 1kg v 1 = 500m/s 0 21 60);( =vv ? 2 =v Yêu cầu: + Vẽ hình biểu diễn các vectơ động lượng. + Vận dụng ĐLHS cosin xác định P 2 . + Xác định góc ( ) , 2 PP= β . Lời giải: - Hệ viên đạn ngay trước và sau khi nổ là hệ kín do: + Nội lực lớn hơn rất nhiều so với ngoại lực. + Thời gian xảy ra tương tác rất ngắn. - Động lượng của hệ trước va chạm: P = m.v = 2.250 = 500 (kgms -1 ) - Động lượng của mảnh thứ nhất: P 1 = m 1 .v 1 = 1.500 = 500 (kgms -1 ) = P - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: 21 PPP += Theo định lý hàm số cosin cho tam giác OAB ta có: 2 2 2 1 2 1 2 2 cosP P P PP α = + − P 2 = 2p 0 cos60 = 2.500.1/2 = 500(kgms -1 ) 500 2222 =⇒==⇒ vvmPP (m/s) ⇒ ∆OAB đều ⇒ β= 60 0 . Vậy sau khi đạn nổ mảnh thứ hai bay lên với vận tốc v 2 = 500m/s tạo với ph ương thẳng đứng một góc β= 60 0 . Nhận xét: • Học sinh khó khăn khi biểu diễn các vectơ động lượng và xác định vectơ tổng. • Không xác định được phương chuyển động của mảnh thứ 2. 5 1 P O α A B β 2 P P Bài tập 4: Một thuyền chiều dài l = 2m, khối lượng M = 160kg, chở một người có khối lượng m = 40kg; ban đầu tất cả đứng yên. Thuyền đậu theo phương vuông góc với bờ sông. Nếu người đi từ đầu này đến đầu kia của thuyền thì thuyền tiến lại gần bờ, và dịch chuyển bao nhiêu? Bỏ qua sức cản của nước. Tóm tắt: l = 2m M = 160kg m = 40 kg l’ = ? Yêu cầu: + Mô tả chuyển động của người, thuyền so với bờ. + Chọn HQC chung là bở cho 2 vật chuyển động. + Áp dụng CT cộng vận tốc, ĐLBT động lượng. Nhận xét: + Học sinh quên cách chọn gốc quy chiếu là mặt đất đứng yên. + Không xác định được vận tốc của vật chuyển động so với gốc quy chiếu bằng cách áp dụng công thức vận tốc. Lời giải: Dễ thấy, để BTĐL của hệ và thuyền ban đầu đứng yên thì khi người chuyển động thuyền sẽ chuyển động ngược lại. - Xét khi người đi trên thuyền theo hướng ra xa bờ. + Gọi vận tốc của người so với thuyền là: )( 12 vv + Vận tốc của thuyền so với bờ là: )( 23 vV + Vận tốc của người so với bờ là: )( 13 ' vv + Áp dụng công thức vận tốc ta có: ' 231213 Vvvvvv +=⇔+= (*) + Chọn chiều dương trùng với 12 v . Do người và thuyền luôn chuyển động ngược chiều nhau nên: (*) ⇔ v’ = v – V ⇔ v = v’ + V + Khi người đi hết chiều dài của thuyền với vận tốc v thì: l = v.t Vv l v l t + ==⇒ ' Trong thời gian này, thuyền đi được quãng đường so với bờ: , ' ' . . 1 l l l V t V v v V V = = = + + (1) - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: m M V v MVmvVMvm =⇔=−⇔=+ ' '' 00 (2) Từ (1) và (2) ta có: , 2 0,4 160 1 1 40 l l m M m = = = + + 6 Bài tập 5: Bài toán đạn nổ Một súng đại bác tự hành có khối lượng M = 1 tấn và đặt trên mặt đất nằm ngang bắn một viên đạn khối lượng m = 20kg theo phương làm với đường nằm ngang một góc α = 60 0 . Vận tốc của đạn là v = 400m/s. Tính vận tốc giật lùi của súng. Tóm tắt: M = 1 tấn = 1000kg m = 20kg α = 60 0 v = 400m/s V = ? Yêu cầu: + Xác định ĐK hệ đạn và sóng là hệ kín. + Áp dụng ĐLBT động lượng. + Xác định phương động lượng bảo toàn. Lời giải: - Hệ đạn và súng ngay trước và ngay sau khi bắn là hệ kín vì: + Thời gian xảy ra tương tác ngắn. + Nội lực lớn hơn rất nhiều ngoại lực. - Trước khi đạn nổ: động lượng của hệ bằng 0. - Ngay sau khi đạn nổ: ; đ VMPvmP == + Đạn bay theo phương tạo góc 60 0 với phương ngang. + Súng giật lùi theo phương ngang. - Hệ súng và đạn là hệ kín có động lượng bảo toàn theo phương ngang. Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: 0 0 đ =+⇔=+ VMvmPP Chọn chiều dương ngược chiều chuyển động của súng. Chiếu xuống phương nằm ngang ta có: m.v.cosα – MV = 0 20 1 .cos .400. 4 1000 2 m V v M α ⇒ = = = (m/s). Nhận xét: Nhiều học sinh không xác định được phương động lượng được bảo toàn. 7 v ur M V m + α Bài tập 6:) Bài toán chuyển động của tên lửa Một tên lửa có khối lượng tổng cộng 100T đang bay với vật tốc 200m/s đối với Trái đất thì phụt ra (tức thời) 20T khí với tốc độ 500m/s đối với tên lửa. Tính vận tốc của tên lửa sau khi phụt khí trong hai trường hợp. a) Phụt ra phía sau (ngược chiều bay). b) Phụt ra phía trước (bỏ qua sức cản của trái đất). Tóm tắt: M = 100T V = 200m/s m = 20T v = 500m/s Lời giải: - Hệ tên lửa và khí phụt ra ngay trước và ngay sau khi phụt là hệ kín. - Gọi M, M’ là khối lượng tên lửa ngay trước và ngay sau khi phụt khí. - Gọi ' , VV là vận tốc của tên lửa so với trái đất ngay trước và ngay sau khi phụt khí có khối lượng m. v là vận tốc lượng khí phụt ra so với tên lửa. ⇒ Vận tốc của lượng khí phụt ra so với Trái đất là: ( ) vV + - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: ( ) ')( vVmVmMVM ++−= (*) Chọn chiều dương theo chiều chuyển động của tên lửa. a) Trường hợp khí phụt ra phía sau: tên lửa tăng tốc. ⇒↑↓ Vv (*) MV = (M – m).V’ + m(V – v) v mM m V mM vVmMV V . )( ' − += − −− =⇔ 325500. 20100 20 200 = − += (m/s) > V b) Trường hợp khí phụt ra phía sau: tên lửa giảm tốc. ⇒↑↑ Vv (*): MV = (M – m).V’ + m(V + v) v mM m V mM vVmMV V . )( ' − −= − +− =⇔ V’ = ? a) Vv ↑↓ b) Vv ↑↑ Yêu cầu: + Nêu được nguyên tắc chuyển động của tên lửa. + Chọn gốc quy chiếu và chiều dương. + Biết vận dụng công thức vận tốc để xác định vận tốc của tên lửa ngay sau khi phụt khí. + Biết trường hợp nào tên lửa tăng tốc, giảm tốc. Nhận xét: Học sinh không tưởng tượng được ra quá trình tăng tốc và giảm tốc của tên lửa nhờ khí phụt ra. 8 V M ⊕ m Bài tập 7: Một lựu đạn được ném từ mặt đất với vận tốc v 0 = 20m/s theo hướng lệch với phương ngang góc α = 30 0 . Lên tới đỉnh cao nhất nó nổ thành mảnh có khối lượng bằng nhau. Mảnh I rơi thẳng đứng với vận tốc v 1 = 20m/s. a) Tìm hướng và độ lớn vận tốc của mảnh II. b) Mảnh II lên tới độ cao cực đại cách mặt đất bao nhiêu? Tóm tắt: v 0 = 20m/s v 1 = 20m/s α = 30 0 m 1 = m 2 = 2 m a) ? 2 =v b) h Max = ? Lời giải: Chọn hệ trục toạ độ Oxy: Ox nằm ngang Oy thẳng đứng Gốc O là vị trí ném lựu đạn. Tại thời điểm ban đầu t 0 = 0, vận tốc lựu đạn theo mỗi phương: === === )/(1030sin20sin. )/(31030cos20cos. 0 00 0 00 smvv smvv y x α α Tại thời điểm t xét chuyển động của lựu đạn theo 2 phương: Ox Oy Vận tốc 310 0 == xx vv gtvv yy −= 0 (1) Toạ độ ttvx x 310== 22 0 510 2 1 ttgttvy y −=−= (2) Chuyển động đều biến đổi đều a) Khi lựu đạn lên tới độ cao cực đại 00 max =−⇔=⇔= gtvvyy Oyy 1 10 10 ===⇒ g v t Oy (s) (2) 5 max =⇒ y (m) * Xét tại vị trí cao nhất ngay sau khi nổ: - Hệ viên đạn ngay trước và ngay sau khi nổ là hệ kín vì: + Nội lực lớn hơn rất nhiều ngoại lực. + Thời gian xảy ra tương tác ngắn. - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: 21 PPP x += 9 O y O’ β x P 1 P h Max α 2 P 0 v x y Max y’ Max Do mảnh I rơi thẳng đứng, lựu đạn tại O’ có vận tốc trùng phương ngang 22 11 2 22 22 1 2 21 )()()( xx mvvmvmPPPPP +=⇔+=⇒⊥⇒ 403.10.42044 2222 12 22 1 2 2 =+=+=⇔+=⇒ xx vvvvvv (m/s) Gọi β là góc lệch của 2 v với phương ngang, ta có: 3 1 3.10.2 20 2 tan 1111 ===== xxx v v mv vm P P β 0 30=⇒ β Vậy mảnh II bay lên với vận tốc 40m/s tạo với phương ngang một góc β = 30 0 . b) Mảnh II lại tham gia chuyển động ném xiên dưới góc ném β = 30 0 . Tương tự phần (a), ta có: === === )/(20 2 1 .40sin.' )/(320 2 3 .40cos.' 20 20 smvv smvv y x β β Sau thời gian t’ lựu đạn nổ, ta có: −=−= == '1020''' '320'.'' tgtvv ttvv Oyy Oxx Khi mảnh II lên tới độ cao cực đại: 2 10 20 '0' ==⇔= tv y (s) Độ cao cực đại của mảnh II lên tới kể từ vị trí lựu đạn nổ: 202.52.20' 2 1 ''' 22 max =−=−= gttvy Oy (m) Vậy độ cao cực đại của mảnh II lên tới là: 25205' maxmaxmax =+=+= yyh (m) Nhận xét: Học sinh thường gặp khó khăn khi: + Xét chuyển động của một vật bị ném xiên, xác định độ cao cực đại. + Xác định phương bảo toàn động lượng và biểu diễn vectơ động lượng của các mảnh đạn ngay trước và ngay sau khi nổ. 5. Bài tập ôn tập. Hoc sinh tự giải. Bài tập 1. Khẩu đại bác đặt trên một xe lăn, khối lượng tổng cộng m 1 =7,5 tấn, nòng sung hợp góc α = 60 0 với mặt đường nằm ngang. Khi bắn một vien đạn khối lượng m 2 = 20kg, súng giật lùi theo phương ngang với vân tốc v 1 = 1m/s. Tính vận tốc viên đạn lúc rời nòng súng. Bỏ qua ma sát. Bài tập 2. Một viên đạn đang bay ngang với vận tốc 300m/s thì vỡ thành hai mảnh có khối lượng m 1 =10kg và m 2 =20kg. Mảnh 1 bay lên theo phương thẳng đứng với tốc độ v 1 =519m/s. Xác định vận tốc của mảnh 2 ngay sau khi nổ? Bài tập 3. Một tên lửa khối lượng tổng cộng m = 500kg đang chuyển dộng với vận tốc v = 200m/s thì khai hỏa động cơ. Một lượng nhiên liệu, khối lượng m 1 = 50kg, cháy và phụt tức thời ra phía sau với vận tốc v 1 = 700m/s. Tính vận tốc tên lửa sau khi nhiên liệu cháy. 10 [...]... tìm phương pháp giải Trong giờ bài tập, giáo viên hướng dẫn học sinh trình bày lời giải và nhiều học sinh có thể cùng tham gia giải một bài III KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Quá trình thực hiện giảng dạy theo cách giải quyết của đề tài, khi kiểm tra đánh giá có khoảng 80% học sinh biết cách áp dụng định luật bảo toàn vào giải bài tập, kể cả những bài tập đòi hỏi sự tư duy sáng tạo cao hơn của chuyên đề C... giao bài tập về nhà cho học sinh nghiên cứu giúp học sinh có thái độ tích cực, tự giác tìm lời giải cho mỗi bài toán Đến tiết bài tập, giáo viên tổ chức hướng dẫn học sinh trình bày bài giải chi tiết, nhiều em có thể cùng tham gia giải một bài tập, kích thích khả năng độc lập, sáng tạo của mỗi học sinh Giúp các em có được cái nhìn tổng quan về phương pháp giải một bài tập Vật lý nói chung và bài tập...II Biện pháp thực hiện Trang bị cho học sinh các kiến thức toán học cần thiết: lượng giác, giá trị các hàm số lượng giác, định lí hàm số cosin Hướng dẫn học sinh sử dụng thành thạo máy tính bỏ túi Yêu cầu học sinh kẻ sẵn một số bảng giá trị các hàm số lượng giác để tìm được kết quả nhanh chóng Giáo viên khai thác triệt để các bài toán trong SGK và SBT bằng cách giao bài tập về nhà cho... Giúp các em có được cái nhìn tổng quan về phương pháp giải một bài tập Vật lý nói chung và bài tập liên quan đến ĐLBT động lượng nói riêng Tạo hứng thú say mê học tập trong bộ môn Vật lý Từ đó phát huy được khả năng tự giác, tích cực của học sinh, giúp các em tự tin vào bản thân khi gặp bài toán mang tính tổng quát Đó chính là mục đích mà tôi đặt ra XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 10 tháng . ngay trước và ngay sau khi phụt là hệ kín. - Gọi M, M’ là khối lượng tên lửa ngay trước và ngay sau khi phụt khí. - Gọi ' , VV là vận tốc của tên lửa so với trái đất ngay trước và ngay. Đạn bay theo phương tạo góc 60 0 với phương ngang. + Súng giật lùi theo phương ngang. - Hệ súng và đạn là hệ kín có động lượng bảo toàn theo phương ngang. Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: 0 0 đ =+⇔=+. đạn và súng ngay trước và ngay sau khi bắn là hệ kín vì: + Thời gian xảy ra tương tác ngắn. + Nội lực lớn hơn rất nhiều ngoại lực. - Trước khi đạn nổ: động lượng của hệ bằng 0. - Ngay sau khi