Thiết Kế Tiến Trình Dạy Học Bài- Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

Thiết kế tiến trình dạy họcbài: định luật bảo toàn động

lượngBởi:

PGS.T.S Nguyễn Ngọc HưngNguyễn Xuân Thành

phamxuanque

THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC BÀI: ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀNĐỘNG LƯỢNG

Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức

Thiết kế tiến trình dạy học bài: định luật bảo toàn động lượng

1/14

www.princexml.com

Prince - Non-commercial License

This document was created with Prince, a great way of getting web content onto paper.


2/14

Lựa chọn thí nghiệm hỗ trợ hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học


3/14

Để có thể tổ chức hoạt động tìm tòi sáng tạo giải quyết vấn đề của học sinh theotiến trình xây dựng kiến thức trong sơ đồ trên thì trước hết cần phải có phương tiện thínghiệm cho phép xác định được vận tốc của các vật trước và sau va chạm. Do quá trìnhva chạm xảy ra rất nhanh, trong mỗi thí nghiệm lại phải xác định được đồng thời vậntốc của các vật cả trước và sau va chạm (4 phép đo cần thực hiện cùng một lúc), phươngchuyển động của các vật sau va chạm lại không biết trước nên các bộ thí nghiệm thôngthường không thực hiện được. Với các bộ thí nghiệm hiện có như bộ thí nghiệm dùngcần rung điện, bộ ghi quỹ đạo bằng tia lửa điện hay bộ thí nghiệm đệm không khí thìmới chỉ có thể tiến hành cho trường hợp va chạm mềm cùng chiều mà trước va chạmmột trong hai vật đứng yên. Chính vì lý do đó nên chúng tôi xây dựng phần mềm phântích video nhằm hỗ trợ hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học bài này. Do tệpphim video có thể quay đi quay lại nhiều lần nên với mỗi va chạm chúng ta có thể xâydựng phần mềm để lần lượt xác định tọa độ của các vật trước và sau va chạm, sau đótính vận tốc tương ứng của chúng làm cơ sở để học sinh đưa ra và kiểm tra giả thuyết.Để kiểm tra dự đoán nào thì học sinh chỉ việc đánh vào dòng "Dự đoán" công thức củađại lượng đó rồi ấn "Enter". Kết quả tính tổng trước và sau va chạm tương ứng được đưara màn hình cho phép nhanh chóng khẳng định hay bác bỏ giả thuyết. Cuối cùng, phầnmềm cho phép vẽ ra màn hình các véc tơ động lượng của các vật trước và sau va chạm,chứng tỏ véc tơ tổng động lượng của các vật trước và sau va chạm bằng nhau.

Tiến hành thí nghiệm


4/14

Kết quả thí nghiệm


5/14


6/14


7/14


8/14


9/14

Phân tích tiến trình dạy học

Trước khi chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, giáo viên thông báo về khái niệmhệ kín và tư tưởng về các đại lượng bảo toàn trong hệ kín.

Nhằm chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, trước hết giáo viên cho học sinh quansát lại một số va chạm giữa các vật trên đệm khí nằm ngang ở tốc độ bình thường vàquay chậm theo từng cảnh để học sinh có thể sơ bộ thấy được sự thay đổi vận tốc củacác vật sau khi chúng va chạm với nhau phụ thuộc vào khối lượng của chúng và phụthuộc vào kiểu va chạm. Câu hỏi đặt ra là: Đại lượng bảo toàn trong hệ kín gồm hai vậtva chạm trên đệm khí có quan hệ thế nào đến vận tốc và khối lượng của các vật đó?

Giáo viên tổ chức cho học sinh thảo luận tìm phương án thí nghiệm cần sử dụngđể tìm đại lượng có liên quan đến vận tốc và khối lượng có thể được bảo toàn tronghệ. Học sinh có thể xác định được được yêu cầu của thí nghiệm là phải đo được vậntốc của các vật trước và sau va chạm đồng thời cũng nhận thấy rằng với bốn đại lượngcần đo đồng thời trong thời gian rất ngắn khi va chạm thì các dụng cụ thí nghiệm thôngthường không thực hiện được. Trên cơ sở đó, giáo viên đưa ra giải pháp là sử dụng phầnmềm phân tích video để phân tích lần lượt từng chuyển động của các vật trước rồi sau


10/14

va chạm và tính được các giá trị vận tốc tương ứng. Cũng chính nhờ quá trình thảo luậnnhư trên mà học sinh nắm được mục đích cũng như cách sử dụng phần mềm để khảo sátva chạm và bắt tay vào thực hiện. Giáo viên giao cho mỗi nhóm học sinh phân tích mộtloại va chạm trên đệm khí để tìm đại lượng bảo toàn.

Học sinh hoạt động theo nhóm với phần mềm phân tích video. Phần mềm chophép xác định được tọa độ của các vật trước và sau va chạm ghi vào 4 bảng tọa độ - thờigian. Kích vào núm "Vận tốc trước và sau va chạm", phần mềm cho ra màn hình mộtbảng ghi khối lượng và vận tốc của các vật trước và sau va chạm. Căn cứ vào bảng sốliệu đó, học sinh có thể đưa ra các dự đoán về đại lượng bảo toàn như mv, mv2/2...Đểkiểm tra đại lượng dự đoán là có được bảo toàn hay không, học sinh chỉ cần nhập vàocông thức của đại lượng đó vào dòng "Dự đoán". Trong quá trình hoạt động với phầnmềm, những nhóm được giao phân tích tệp phim ghi va chạm ngược chiều thấy mvkhông bảo toàn trong khi các nhóm bên cạnh được giao phân tích tệp phim ghi va chạmcùng chiều thì thấy mv được bảo toàn. Hai nhóm có thể trao đổi với nhau và phát hiệnđược vai trò về hướng của vận tốc và dự đoán đại lượng được bảo toàn là mv. Ngay sauđó các nhóm có thể kiểm tra lại bằng phần mềm và tìm thấy sự phù hợp. Trong phần họcsinh báo cáo kết quả và thảo luận, giáo viên xác nhận kết quả mà học sinh thu được vànhận định rằng trong hệ gồm các vật va chạm chuyển động cùng phương trên đệm khíthì đại lượng mv được bảo toàn.

Tiếp theo, giáo viên đặt vấn đề cần phải tìm hiểu xem đại lượng đó có bảo toàntrong trường hợp hai vật va chạm chuyển động theo các phương bất kì không. Để giúphọc sinh xác định lí thuyết cần sử dụng để khảo sát va chạm, giáo viên nêu câu hỏi vềnguyên nhân làm biến đổi vận tốc của các vật trong va chạm. Từ câu hỏi của giáo viên,học sinh liên hệ đến lực tương tác giữa hai vật trong va chạm và áp dụng định luật 2, 3Niu tơn để suy ra mối liên hệ giữa gia tốc rồi vận tốc của các vật đó. Kết quả tìm đượccho thấy tổng mv của các vật trước và sau va chạm bằng nhau.

Sử dụng phần mềm phân tích video, sau khi xác định tọa độ, vận tốc và kiểm trađại lượng bảo toàn, học sinh kích vào núm "Kết quả", trên màn hình xuất hiện các véctơ tổng động lượng trước và sau va chạm có thể dịch chuyển để chúng chồng lên nhau.

Hoạt động của giáo viên và học sinh

{Đề xuất vấn đề}

GV: Như chúng ta vừa phân tích, trong hệ kín có những đại lượng bảo toàn được phátbiểu bởi các định luật bảo toàn. Để đi tìm xem đại lượng nào được bảo toàn trong hệ kín,trước hết chúng ta nghiên cứu sự va chạm giữa hai vật trên đệm khí nằm ngang. Các emhãy quan sát lại sự va chạm giữa các vật trong tệp phim sau và dự đoán xem đại lượngnào được bảo toàn. (Giáo viên lần lượt cho học sinh quan sát lại một số loại va chạmgồm: vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm đàn hồi với m2=m1 đang đứng yên,


11/14

sau va chạm m1 dừng lại còn m2 bắn đi; vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạmđàn hồi với m2<m1 đang đứng yên; vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm đànhồi với m2>m1 đang đứng yên; vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm không đànhồi với m2 đang đứng yên; vật m1 và m2 chuyển động đến va chạm với nhau...)

HS1: Trong va chạm vận tốc của các vật bảo toàn.

HS2: Vận tốc không bảo toàn vì vận tốc của các vật sau va chạm phụ thuộc vào khốilượng của chúng.

GV: Như vậy đại lượng nào có thể được bảo toàn?

HS: Vận tốc của các vật sau va chạm có phụ thuộc vào khối lượng của chúng.

Đại lượng bảo toàn có quan hệ đến cả vận tốc và khối lượng của các vật. Chúng ta phảiđi tìm đại lượng có mối quan hệ đó.

{Xác định điều kiện cần sử dụng để tìm đại lượng bảo toàn}

GV: Để tìm đại lượng đó thì có thể tiến hành thí nghiệm như thế nào? Thí nghiệm cầnphải xác định được những đại lượng nào?

HS: Thí nghiệm cần phải xác định vận tốc của các vật trước và sau va chạm.

GV: Như vậy chúng ta cần phải bố trí thí nghiệm để có thể cùng một lúc xác định được4 giá trị vận tốc. Với các phương pháp đo vận tốc của một chuyển động mà em đượcbiết thì có thể sử dụng phương pháp nào trong trường hợp này? Với phương pháp đó thìcần phải bố trí và tiến hành thí nghiệm như thế nào?

HS: Nếu sử dụng đồng hồ cần rung hay đồng hồ hiện số thì không được vì cho dù cóđủ cả 4 chiếc thì cũng không biết trước sau va chạm các vật sẽ chuyển động theo hướngnào để đặt chúng...Có thể dùng phần mềm phân tích video vì tệp phim có thể quay điquay lại nhiều lần.

GV: Đồng ý. Chúng ta có thể sử dụng phần mềm phân tích video để xác định tọa độ củacác vật trước và sau va chạm rồi tính vận tốc của chúng. Bây giờ tôi sẽ giới thiệu cáchsử dụng phần mềm này, sau đó các em tiến hành khảo sát các va chạm mà nhóm mìnhđược phân công và báo cáo kết quả.

{Học sinh sử dụng phần mềm để phân tích va chạm. Một số nhóm được giao phân tíchcác va chạm mà các vật chỉ chuyển động theo cùng chiều, một số nhóm được giao phântích các va chạm mà các vật chuyển động ngược chiều nhau}


12/14

HS1 (Thuộc nhóm khảo sát va chạm cùng chiều): Trong va chạm đại lượng tính bằngtích mv có thể được bảo toàn.

HS2 (Thuộc nhóm khảo sát va chạm ngược chiều): Trong va chạm không tìm thấy đạilượng nào được bảo toàn.

GV: Tại sao lại có sự khác biệt như vậy? Các loại va chạm được khảo sát có điểm gìkhác nhau không?

HS: Sự khác nhau của các va chạm là ở chiều chuyển động của các vật.

GV: Đại lượng được bảo toàn có quan hệ gì không tới chiều chuyển động của các vậtđó?

HS: Có thể đại lượng bảo toàn là m[v]. Thử lại với phần mềm cho thấy trong các vachạm thì đều có m[v] bảo toàn. (Ký hiệu véc tơ v là [v])

{Đề xuất vấn đề cần kiểm nghiệm kiến thức}

GV: Như vậy, trong hệ gồm các vật va chạm trên đệm khí thì mv được bảo toàn. Liệuđại lượng đó có được bảo toàn trong hệ kín gồm các vật chuyển động theo các phươngbất kì đến va chạm với nhau không? Sự bảo toàn của đại lượng đó có phù hợp với cácđịnh luật Niu tơn không?

{Tìm điều kiện cần sử dụng để giải quyết vấn đề}

HS: Vận tốc của các vật biến đổi do có lực tác dụng đã gây ra gia tốc theo định luật 2Niu tơn. Các lực tương tác giữa hai vật tuân theo định luật 3 Niu tơn. Vận dụng địnhluật 2 và định luật 3 Niu tơn có thể tìm được mối liên hệ giữa vận tốc và khối lượng củacác vật trong va chạm.

GV: Đúng vậy, các em hãy sử dụng các định luật Niu tơn để suy ra đại lượng bảo toàntrong va chạm, sau đó sử dụng phần mềm phân tích video để kiểm tra kết quả.

{Học sinh tự lực giải quyết vấn đề}

HS: Những lực tương tác giữa hai vật tuân theo định luật 3 Niu tơn và gây ra gia tốc chocác vật, dẫn đến sự biến đổi vận tốc.


13/14

Như vậy, trong va chạm tổng các véc tơ mv trước và sau va chạm bằng nhau.

Sử dụng phần mềm phân tích video thu được tổng các véc tơ mv trước và sau va chạm,có thể dịch chuyển cho chúng chồng khít lên nhau. Kết quả thí nghiệm phù hợp với líthuyết.

{Thể chế hóa tri thức}

GV: So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả suy ra bằng lý thuyết chúng ta thấy rằngtrong hệ gồm 2 vật va chạm trên mặt phẳng nằm ngang thì tổng các đại lượng tính bằngtích giữa khối lượng của vật và véc tơ vận tốc của nó trước và sau va chạm không đổi.Đại lượng đó được gọi là động lượng của vật. Với lý thuyết và thực nghiệm trong phạmvi rộng hơn cho hệ kín đã dẫn đến xác nhận tổng véc tơ động lượng của hệ kín khôngđổi được phát biểu bằng định luật bảo toàn động lượng. Em hãy phát biểu định nghĩađộng lượng và định luật bảo toàn động lượng.


14/14

Documents

Thiết Kế Tiến Trình Dạy Học Bài- Định Luật Bảo Toàn Động Lượng