Tài liệu Skkn vận dụng nguyên tắc sáng tạo triz xây dựng bài tập sáng tạo chương “các định luật bảo toàn” vật lý 10 trung học phổ thông.

BM 01-Bia SKKN SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI Đơn vị: Trường THPT Tam Phước Mã số: ................................ (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi) SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM VẬN DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRIZ XÂY DỰNG BÀI TẬP SÁNG TẠO CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÝ 10 - TRUNG HỌC PHỔ THÔNG. Người thực hiện: CHU THỊ THANH TÂM Lĩnh vực nghiên cứu: - Quản lý giáo dục  - Phương pháp dạy học bộ môn: VẬT LÍ  - Lĩnh vực khác: .......................................................  Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN  Mô hình  Đĩa CD (DVD)  Phim ảnh  Hiện vật khác (các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm) Năm học: 2014 - 2015 1 BM02-LLKHSKKN SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC –––––––––––––––––– I. THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN 1. Họ và tên: CHU THỊ THANH TÂM 2. Ngày tháng năm sinh: 02/02/1977 3. Nam, nữ: Nữ 4. Địa chỉ: Ấp Long Đức 1 - Tam Phước - Biên Hòa - Tỉnh Đồng Nai. 5. Điện thoại: 0613.511420(CQ)/ 0613.528659(NR); ĐTDĐ: 0982.528659 6. Fax: E-mail: [email protected] 7. Chức vụ: Giáo viên 8. Nhiệm vụ được giao: giảng dạy vật lí khối 10, 12; bồi dưỡng học sinh giỏi lớp 10, chủ nhiệm lớp 10 9. Đơn vị công tác: Trường THPT Tam Phước II. TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO - Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Thạc sỹ - Năm nhận bằng: 2013 - Chuyên ngành đào tạo: LL&PPDH bộ môn Vật lí III. KINH NGHIỆM KHOA HỌC - Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Giảng dạy Vật lí THPT Số năm có kinh nghiệm: 16 năm - Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây: 0 2 VẬN DỤNG NGUYÊN TẮC SÁNG TẠO TRIZ XÂY DỰNG BÀI TẬP SÁNG TẠO CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÝ 10 I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thế kỉ XXI, thế kỉ của trí tuệ và sáng tạo, đất nước ta đang trong thời kì phát triển nhanh, mạnh quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước. Trước tình hình đó đòi hỏi ngành Giáo dục - Đào tạo phải không ngừng đổi mới đặc biệt là đổi mới về phương pháp dạy học để góp phần vào việc bồi dưỡng trí tuệ khoa học, năng lực sáng tạo cho thế hệ trẻ để từ đó có thể tạo ra những tri thức mới, phương pháp mới, cách giải quyết vấn đề mới. Dạy học vật lý ở trường phổ thông có bốn nhiệm vụ cụ thể: Một là: cung cấp cho học sinh một hệ thống các kiến thức vật lý cơ bản, khoa học, hiện đại và các kĩ năng kĩ xảo tương ứng. Hai là: phát triển tư duy, bồi dưỡng năng lực sáng tạo và khả năng tự học và hoạt động độc lập ở học sinh. Ba là: góp phần giáo dục đạo đức cho học sinh. Bốn là: giáo dục kĩ thuật tổng hợp cho học sinh. Trong đó, nhiệm vụ phát triển tư duy là nhiệm vụ có tầm quan trọng đặc biệt và cũng là mục đích cuối cùng của quá trình dạy học. Bồi dưỡng TDST cho học sinh là một nội dung quan trọng của nhiệm vụ phát triển tư duy. BTST vật lý là một phương tiện hữu hiệu để bồi dưỡng TDST. Làm thế nào để có BTST và sử dụng BTST như thế nào? Là câu hỏi dành cho GVVL muốn thực hiện được nhiệm bồi dưỡng TDSTcho học sinh trong quá trình dạy học của mình. TRIZ là công cụ hỗ trợ cho sự sáng tạo, nhằm tăng cường tính hệ thống của quá trình sáng tạo, rút ngắn thời gian, tiết kiệm công sức. Làm cho quá trình sáng tạo trở thành một khoa học, có những tiêu chí, nguyên tắc nhất định chứ không phải một quá trình mày mò, may rủi. Một số nguyên tắc sáng tạo TRIZ có thể vận dụng để xây dựng BTST nhằm bồi dưỡng TDST cho học sinh. Nhìn chung, các bài toán cơ học đều có thể giải được bằng phương pháp động lực học và phương pháp dùng các định luật bảo toàn. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Vận dụng nguyên tắc sáng tạo TRIZ xây dựng và sử dụng BTST dạy học chương “Các định luật bảo toàn” - Vật lý 10”. 3 II. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN II.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN II.1.1. Tìm hiểu TRIZ  TRIZ là một công cụ hỗ trợ cho sự sáng tạo, nhằm: - Tăng cường tính hệ thống của quá trình sáng tạo, rút ngắn thời gian, tiết kiệm công sức - Làm cho quá trình sáng tạo trở thành một khoa học, có những tiêu chí, nguyên tắc nhất định chứ không phải một quá trình mày mò, may rủi. - Rèn luyện cho con người, đặc biệt cho học sinh khả năng sáng tạo, khả năng thích ứng, khả năng và kĩ năng giải quyết vấn đề.  Nội dung cơ bản của TRIZ gồm: - 9 quy luật phát triển hệ thống. - 40 nguyên tắc sáng tạo (NTST) cơ bản. - 11 biến đổi mẫu dùng để giải bài toán sáng chế. Trong số 40 NTST trên, tôi đã lựa chọn được 11 nguyên tắc sáng tạo của TRIZ vận dụng vào để xây dựng BTST gồm: nguyên tắc phân nhỏ, nguyên tắc thay đổi các thông số hoá lý của đối tượng, nguyên tắc kết hợp, nguyên tắc đảo ngược, nguyên tắc linh động, nguyên tắc giải “thiếu” hoặc “thừa”, nguyên tắc biến hại thành lợi, nguyên tắc quan hệ phản hồi, nguyên tắc tự phục vụ, nguyên tắc sao chép (copy), Sử dụng dao động cơ học. II.1.2. Tìm hiểu bài tập sáng tạo Bài tập sáng tạo vật lý là bài tập mà giả thiết không có đầy đủ thông tin liên quan đến hiện tượng, quá trình vật lý; có những đại lượng vật lý ẩn giấu; điều kiện của bài toán không chứa đựng sự chỉ dẫn trực tiếp về angôrit giải hay kiến thức vật lý cần sử dụng. Bài tập sáng tạo là một phương tiện hữu hiệu để bồi dưỡng tư duy sáng tạo. Theo Ra - zu - mốp - xki, BTST gồm hai loại tương ứng với hai sản phẩm sáng tạo là phát minh và sáng chế, đó là: - Bài tập nghiên cứu: Đòi hỏi phải trả lời được câu hỏi “vì sao?” (Tương ứng với phát minh trong nghiên cứu khoa học) - Bài tập thiết kế: Đòi hỏi phải trả lời được câu hỏi “làm thế nào?” (Tương ứng với sáng chế trong nghiên cứu khoa học) Tuy nhiên, cách phân loại này mang tính khái quát, bao hàm trong đó cả bài tập luyện tập và BTST. Để giúp giáo viên sử dụng BTST thuận lợi trong dạy học vật lí, tác giả Phạm Thị Phú và Nguyễn Đình Thước đã nêu ra các dấu hiện bề ngoài của BTST dựa trên những phẩm chất của TDST gồm:  Dấu hiệu 1: Bài tập có nhiều cách giải: Giúp cho học sinh hiểu được rằng khi xem xét một vấn đề cần phải nhìn nhận từ nhiều góc độ, nhiều quan điểm 4 khác nhau để từ đó thể vạch ra nhiều con đường nhằm đạt đến mục đích và tìm ra con đường hiệu quả nhất.  Dấu hiệu 2: Bài tập có hình thức tương tự nhưng có nội dung biến đổi: Những bài tập này thường có nhiều hơn một câu hỏi mà thông thường câu đầu tiên là bài tập luyện tập, các câu hỏi tiếp theo có hình thức tương tự nhưng nếu vẫn áp dụng phương pháp cũ thì sẽ gặp sự bế tắc vì nội dung câu hỏi đã có sự thay đổi về chất.  Dấu hiệu 3: Bài tập về thí nghiệm vật lí gồm các BTTN định tính và BTTN định lượng. BTTN định tính sẽ yêu cầu thiết kế thí nghiệm theo một mục đích cho trước, thiết kế một dụng cụ ứng dụng vật lí hoặc yêu cầu làm thí nghiệm theo chỉ dẫn quan sát và giải thích hiện tượng vật lí. BTTN định lượng gồm các bài tập đo đạc đại lượng Vật lí, minh họa lại quy luật vật lí bằng thực nghiệm, thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm đơn giản.  Dấu hiệu 4: Bài tập thừa (thiếu) dữ kiện đòi hỏi học sinh phải tự lập kế hoạch để tìm dữ liệu bằng việc quan sát, thống kê, tra cứu sau đó mới thực hiện giải.  Dấu hiệu 5: Bài tập nghịch lý, ngụy biện: Là những bài toán mà trong đề bài chứa đựng sự ngụy biện nên đã dẫn đến một nghịch lý, kết luận rút ra mâu thuẫn với những nguyên tắc, định luật vật lí đã biết.  Dấu hiệu 6: Bài toán hộp đen: Là bài toán gắn liền với việc nghiên cứu cấu trúc bên trong (là đối tượng nhận thức mới) nhưng có thể đưa ra mô hình cấu trúc của đối tượng nếu biết các dữ kiện “đầu vào” và “đầu ra”. Việc giải bài toán hộp đen là quá trình sử dụng kiến thức tổng hợp và phân tích mối quan hệ giữa dữ kiện “đầu vào” và “đầu ra” để tìm thấy cấu trúc bên trong của hộp đen. Ngoài các BTST có các dấu hiệu trên đây, còn có nhiều dạng BTST được xây dựng dựa trên sự phân tích phương hướng cơ bản của khoa học và công nghệ như: - Bài tập giải thích một hiện tượng kĩ thuật nào đó hoặc tiếp thu một hiệu ứng kĩ thuật - Bài tập giải thích hoặc sử dụng một hiện tượng nào đó của tự nhiên. - Bài tập giải thích hoạt động của một dụng cụ thí nghiệm. - Bài toán xây dựng một mô hình hiện tượng. II.2. CƠ SỞ THỰC TIỄN II.2.1. Thực trạng xuất bản II.2.1.1. Sách giáo khoa và sách bài tập vật lí 10 Qua tìm hiểu và thống kê bài tập và BTST chương “Các định luật bảo toàn”, chúng tôi thu được kết quả cụ thể như sau: * Sách cải cách giáo dục: Các BTST dưới dạng BTTN rất ít, khoảng 4/57 bài chiếm 7% nhưng mới chỉ là các dạng bài tập có nhiều cách giải (4 bài). 5 * Sách vật lí 10 nâng cao (từ năm 2006 trở lại đây): các BTST đã được chú ý hơn nhưng số lượng còn hạn chế, khoảng 5/116 bài chiếm khoảng 4,3% trong đó có 2 bài tập có nhiều cách giải và 3 bài tập thực hành thí nghiệm. Số lượng BTST còn ít hơn nhiều ở sách vật lí 10 cơ bản. II.2.1.2. Sách tham khảo Rất ít sách viết riêng BTST đặc biệt là chuyên đề về các ĐLBT. Có thể đơn cử một số sách có số lượng BTST tương đối nhiều như: + Những bài tập định tính về vật lí cấp ba - M.E. Tultrinxi, NXB giáo dục năm 1978. + Bài tập thí nghiệm vật lí THCS - Nguyễn Thượng Chung - NXB giáo dục 2002. + Những bài toán nghịch lí và ngụy biện vui về vật lí - ME. TUNCHINXKI NXB VHTT 2001. + Hỏi đáp về những hiện tượng vật lí tập 1, 2, 3, 4 - Nguyễn Đức Minh, Ngô Quốc Quýnh - NXB KHKT 1976. + Những bài tập sáng tạo về vật lí (THPT) - Nguyễn Đình Thước - NXB ĐHQG Hà Nội. * Trong tuyển tập các đề thi Olympic vật lí lớp 10, 11, 12 số lượng BTST có xuất hiện nhưng rất hạn chế, chiếm khoảng 10% II.2.1.3. Đề kiểm tra và đề thi * Trong các đề kiểm tra, đề thi học kì, đề thi tốt nghiệp thì hầu như mới chỉ có các bài tập luyện tập nhằm kiểm tra mức độ học thuộc và áp dụng công thức để tính toán các bài tập đơn giản. * Trong đề thi tuyển sinh đại học những năm gần đây, số lượng các câu hỏi trắc nghiệm đòi hỏi tính sáng tạo được nâng lên đáng kể (chiếm khoảng 15%) đây là một điều rất đáng mừng. II.2.2. Thực tế dạy học - 100% giáo viên khẳng định vai trò và tác dụng của bài tập trong dạy học vật lí là luyện tập cho học sinh vận dụng các công thức, định luật nhằm kiểm tra đánh giá mức độ nắm bắt và vận dụng kiến thức của học sinh. Bên cạnh đó, bài tập vật lí còn cung cấp một số đơn vị kiến thức cơ bản. - 76,2% giáo viên coi “độ khó của bài tập” và “mức sáng tạo của bài tập” là như nhau. Bài tập càng khó, càng vận dụng nhiều kiến thức toán học vào để tính toán và biện luận thì tính sáng tạo càng cao, họ chưa hiểu về BTST. - 71,43% giáo viên vật lí sử dụng các bài tập khó trong các sách tham khảo để bồi dưỡng học sinh giỏi cấp trường, cấp tỉnh, ôn thi tốt nghiệp, luyện thi đại học... - 47,65% giáo viên chưa biết cách xây dụng BTST, chưa từng sử dụng BTST, không biết mình đã từng sử dụng BTST hay chưa. 6 - 33,3% giáo viên cho rằng rất khó để triển khai BTST trong các tiết học trên lớp vì thời gian quá ít. - 38% giáo viên thường xuyên yêu cầu học sinh làm thí nghiệm theo SGK hoặc theo yêu cầu của giáo viên. - Đa số giáo viên chưa biết và chưa vận dụng các NTST của TRIZ. Vì vậy, việc sử dụng các NTST của TRIZ để xây dựng hệ thống BTST trong dạy học Vật lí là rất quan trọng và cấp thiết 7 III. TỔ CHỨC THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP III.1. Quy trình xây dựng và giải BTST về vật lý Nhóm tác giả Phạm Thị Phú, Nguyễn Đình Thước và Nguyễn Thị Xuân Bằng đã mô hình hoá quy trình xây dựng BTST như sau BTXP, phân tích hiện tượng vật lí, giải BTXPdạng tổng quát NTST của TRIZ, Trả lời các câu hỏi định hướng tư duy NTST của TRIZ: Câu hỏi định hướng tư duy Định hướng giải BTST. Xây dựng các BTST Tính mới và tính lợi ích Đánh giá tính sáng tạo của BTST Trên cơ sở lí luận và thực tiễn, tôi xây dựng một số bài BTST chương “Các định luật bảo toàn” - Vật lí 10. Thứ tự trình bày trong mỗi bài như sau: a. Đề bài tập xuất phát (BTXP) * Lời giải. b. Các BTST.  Các NTST để xây dụng BTST  Đề BTST  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST.  Lời giải tóm tắt BTST. III.2. Vận dụng các nguyên tắc sáng tạo để xây dụng bài tập sáng tạo: III.2.1. BT có nhiều cách giải và có hình thức tương tự nhưng nội dung biến đổi  BTXP 1 a. Đề BTXP 1: Một vật khối lượng m = 5kg, trượt không vận tốc ban đầu, không ma sát dọc theo một mặt phẳng nghiêng, góc nghiêng 600 từ độ cao 1,8m rơi vào một xe cát có khối lượng M = 45kg đang đứng yên (Hình 1). Tìm vận tốc của xe sau đó. Bỏ qua ma sát giữa xe và mặt đường. Biết mặt cát rất gần chân mặt phẳng nghiêng. * Lời giải: 8 + Xét quá trình chuyển động của vật m trên mặt phẳng nghiêng, hệ vật, mặt phẳng nghiêng và trái đất là một hệ kín không ma sát. Áp dụng ĐLBT cơ năng: mgh  1 2 mv 2 Vận tốc của vật m ở chân mặt phẳng nghiêng (ngay trước khi va chạm): v  2 gh = 6m/s. Xét quá trình va chạm của m và xe cát là va chạm không đàn hồi, áp dụng ĐLBT động lượng trong hệ quy chiếu gắn với mặt phẳng ngang: mv cos    M  m  V Vận tốc của vật m và xe cát ngay sau va chạm là: V  mv cos  = 0,3m/s M m b. BTST Các NTST sử dụng để xây đựng BTST 1  - Sao chép: Giữ nguyên nội dung và yêu cầu của BTXP. - Thay đổi thông số lí hóa: Thay đổi hệ số ma sát giữa vật và mặt nghiêng.  BTST 1: Giải bài toán trên trong trường hợp ma sát giữa vật m và mặt phẳng nghiêng là 0,1 theo những cách khác nhau.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST: - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài tập nào? Sự khác biệt giữa bài tập này với bài tập tương tự là gì? (Nguyên tắc sao chép, thay đổi thông số). - Câu hỏi 2: Bài tương tự đó có thể áp dụng vào việc giải bài tập này không? Cần phải thay đổi điều gì để giải quyết sự khác biệt giữa hai bài tập? (Nguyên tắc sao chép, linh động). - Câu hỏi 3: Ngoài việc áp dụng ĐLBT năng lượng ra, còn có những cách nào để tìm được vận tốc của vật ở chân mặt phẳng nghiêng? (Nguyên tắc linh động).  Các NTST sử dụng để xây dụng BTST 2 - Sao chép (Copy): Dạng bài toán vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng. - Thay đổi sơ đồ cơ học: Thay vì vật chuyển động từ trên xuống, ta cung cấp vận tốc đầu để vật đi từ chân mặt phẳng nghiêng lên. - Đảo ngược: Thay vì tìm vận tốc ở chân mặt phẳng nghiêng, tìm độ cao mà vật lên được.  BTST 2: Từ vị trí A, người ta truyền cho vật vận tốc v1 = 4m/s (Hình 2a). Vật lên đến B có độ cao h thì trượt xuống và khi trở lại A nó có vận tốc v2 = 3m/s. Biết α = 450. Tính độ cao h, hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng nghiêng bằng các cách khác nhau.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST: 9 - Câu hỏi 1: Có thể dùng những phương pháp nào để giải bài tập này? (Nguyên tắc linh động). - Câu hỏi 2: Có thể áp dụng những định luật nào để giải bài tập này? - Câu hỏi 3: Chia bài toán này thành những giai đoạn nào? (Nguyên tắc phân nhỏ). - Câu hỏi 4: Có áp dụng được bài tập tương tự để giải bài tập này không?  BTXP 2 a. Đề BTXP 2: Một xe ô tô có khối lượng m = 4T đang chạy với vận tốc 36km/h thì lái xe thấy có chướng ngại vật ở cách 10m và hãm phanh. Xe có đụng chướng ngại vật không, nếu đường ướt, lực hãm bằng 8000N. * Lời giải: Khi hãm phanh, lực ma sát thực hiện công làm giảm động năng của xe. Áp dụng định lí động năng, ta có: Wđ  W  Wđ  AFms ' đ 1 mv 2  s  9, 09m 2 Fms Nhận xét thấy, quãng đường mà xe còn đi được phụ thuộc mạnh vào lực hãm (tỉ lệ nghịch). Vì xe đi thêm được quãng đường s = 9,09m < 10m nên nó không đụng vào chướng ngại vật. b. Các BTST  Các NTST sử dụng để xây dụng BTST 3 - Sao chép (Copy): Giữ nguyên nội dung và yêu cầu của BTXP. - Thay đổi thông số lí hóa: Thay đổi hệ số ma sát giữa xe và mặt đường.  Đề BTST 3: Một xe ô tô có khối lượng m = 4T đang chạy với vận tốc 36km/h thì lái xe thấy có chướng ngại vật ở cách 10m và hãm phanh. Hiện tượng gì sẽ xảy ra nếu đường ướt, lực hãm bằng 8000N. Giải bài toán bằng 2 phương pháp.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài nào? Có thể vận dụng bài tập tương tự vào giải bài tập này không? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 2: Có thể giải bài tập này bằng những cách nào? (Nguyên tắc linh động). - Câu hỏi 3: Để dự đoán được hiện tượng, ta phải xác định được đại lượng Vật lí nào? (Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa). - Câu hỏi 4: Từ bài toán, rút ra kinh nghiệm gì cho thực tế? (Nguyên tắc dự phòng). III.2.2. BT thừa hoặc thiếu dữ kiện 10 a. Đề BTXP 3 * Đề bài: Một vật khối lượng m1 đang bay ngang với vận tốc v0, đập vào mặt nghiêng của một chiếc nêm có hình tam giác vuông cân (Hình 3a). Nêm có khối lượng m2 ban đầu đang đứng yên trên một mặt ngang nhẵn. Sau va chạm tuyệt đối đàn hồi, vật m1 nảy lên theo phương thẳng đứng với vận tốc v1 còn nêm chuyển động theo hướng cũ của vật m1 với vận tốc v2. Tính độ cao cực đại (tính từ vị trí va chạm) mà vật m1 lên được. * Lời giải: Áp dụng ĐLBT động lượng theo phương ngang: m1v1x  m2 v2 x  m1v0  m2 v2 (1) Do va chạm tuyệt đối đàn hồi nên động năng của hệ được bảo toàn: 1 1 1 m1v02  m1v12  m2v22 2 2 2 (2) Giải hệ phương trình (1) và (2) ta có vận tốc của m1 ngay sau va chạm là: v12  m2 (m2  m1 ) 2 v2 m12 (Bài toán chỉ được giải khi m2  m1 ) Áp dụng ĐLBT cơ năng cho chuyển động của m1 sau va chạm: 1 m1v12  m1 gh 2 Độ cao cực đại mà m1 đạt được sau va chạm là: h v12 m2 (m2  m1 ) 2  v2 2g 2 gm12 b. Các BTST  Các NTST sử dụng để xây dụng BTST 4 - Sao chép: Sử dụng sơ đồ cơ học của BTXP. - Thay đổi thông số lí hóa và sơ đồ cơ học: Thay đổi hệ số ma sát giữa nêm và mặt đường bằng cách biến ma sát trượt thành ma sát lăn. - Đảo ngược: Cho quả rơi từ độ cao h xuống va chạm vào nêm, tính vận tốc nêm thay cho tính độ cao của quả cầu.  BTST 4: Một quả cầu có khối lượng m1 rơi từ độ cao h xuống đập vào mặt nghiêng của một cái nêm khối lượng m2 đứng yên trên sàn nhẵn (Hình 3b). Sau va chạm tuyệt đối đàn hồi, quả cầu bật ra theo phương ngang. Tính vận tốc của nêm.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài tập nào? Sự khác biệt giữa bài tập này với bài tập tương tự là gì? (Nguyên tắc sao chép, thay đổi thông số lí hóa, thay đổi sơ đồ cơ học). 11 - Câu hỏi 2: Bài tương tự đó có thể áp dụng vào việc giải bài tập này không? (Nguyên tắc sao chép), cần bổ sung thêm dữ kiện gì để quả cầu bật ra theo phương ngang sau va chạm? Giải thích? (Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa). - Câu hỏi 3: Có cần điều kiện gì đối với khối lượng vật và nêm không? (Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa). III.2.3. Bài tập thí nghiệm  BTXP 4 a. Đề bài: Tàu kéo có khối lượng m1 = 600 tấn đạt vận tốc 1,5m/s thì bắt đầu làm căng dây cáp và kéo xà lan có khối lượng m2 = 400 tấn chuyển động theo. Tính vận tốc chung của tàu kéo và xà lan (Bỏ qua khối lượng của dây cáp, dây không dãn). * Lời giải: Xét hệ vật gồm tàu kéo, dây cáp và xà lan. Trong thời gian tương tác rất ngắn, tàu kéo và xà lan có vận tốc khác nhau gắn lại với nhau bởi dây cáp (Va chạm mềm) có nội lực (lực kéo) rất lớn so với ngoại lực (Lực cản của nước), trọng lực đã cân bằng với phản lực của mặt nước vì vậy hệ tàu kéo, dây cáp và xà lan là một hệ kín. ur r Áp dụng ĐLBT động lượng, ta có:  m1  m2  v '  m1 v ur v Vận tốc của hệ sau khi dây căng (ngay sau tương tác) là: '  r ur r m1 v m1  m2 Nhận thấy v và v ' cùng hướng với nhau và độ lớn vận tốc chung của tàu kéo và xà lan là: v '  m1v 600.1,5   0,9m / s m1  m2 1000 Vậy, khi dây căng thì xà lan chuyển động cùng hướng, cùng tốc độ với tàu b. Các BTST  Các NTST sử dụng để xây dụng BTST 5 - Sao chép: Sơ đồ cơ học giữa tàu kéo và phà. - Đảo ngược: Thay vì tính vận tốc của hệ khi biết khối lượng các vật trong hệ, đi xác định khối lượng của phà.  Đề BTST 5: Tại bến phà Bãi Cháy, một tàu kéo đang kéo một chiếc phà. Người lái tàu có thể ước lượng được tổng khối lượng của phà và hàng hóa. Người đó đã làm thế nào?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài tập nào? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 2: Bài tương tự đó có thể áp dụng vào việc giải bài tập này không? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 3: Người lái tàu có thể sử dụng dụng cụ đo nào trên tàu để xác định được khối lượng của xà lan? 12  BTXP 5 a. Đề bài: Trên hồ có một con thuyền, mũi thuyền thẳng góc hướng vào bờ. Ban đầu thuyền đứng yên, khoảng cách từ mũi thuyền tới bờ là d = 0,75m. Một người đi từ mũi đến đuôi thuyền. Hỏi mũi thuyền có cập bờ được không? Biết chiều dài của thuyền là l = 2m, khối lượng của thuyền là M = 140kg, người có khối lượng m = 60kg. Bỏ qua ma sát giữa thuyền và nước. * Lời giải: - Chọn hệ quy chiếu gắn với bờ, hệ thuyền và người là hệ kín. r - Gọi v là vận tốc của thuyền đối với bờ; r u là vận tốc của người đối với thuyền. r r r Áp dụng ĐLBT động lượng cho hệ người và thuyền: M v  m(v  u )  0 r r mu Vận tốc của thuyền so với bờ là: v   M m (Dấu trừ cho thấy thuyền luôn chuyển động ngược chiều với người) Thời gian người bước đi trên thuyền cũng là thời gian thuyền di chuyển. Khi người đi hết chiều dài thuyền l thì thuyền dịch chuyển được độ dời s. s m l  0,6m  0, 75m M m Mũi thuyền không thể cập bờ. b. Các BTST  Các NTST sử dụng để xây dựng BTST 6 - Sao chép: Bài toán chuyển động bằng phản lực của thuyền trên hồ. - Đảo ngược: Tính khối lượng của thuyền dựa trên việc ước lượng độ dời của thuyền và chiều dài của thuyền.  BTST 6: Bằng một sợi dây đủ dài, có thể cân được một chiếc thuyền. Phải làm như thế nào để thực hiện được điều đó?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài tập nào? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 2: Bài tương tự đó có thể áp dụng vào việc giải bài tập này không? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 3: Để cân một vật thông thường người ta làm cách nào? Ngoài cách đo trực tiếp ra người ta còn đo bằng cách nào khác nếu không có một chiếc cân? (Nguyên tắc linh động). - Câu hỏi 4: Sử dụng sợi dây như thế nào để đo được khối lượng của thuyền? (Nguyên tắc tự phục vụ, linh động). 13  BTXP 6 a. Đề bài: Một khẩu đại bác khối lượng M dễ dàng lăn bánh trên một đường ngang. Nếu súng bắn ra theo phương ngang một viên đạn có khối lượng m với r vận tốc v thì khẩu đại bác sẽ chuyển động như thế nào? * Lời giải: Coi hệ đạn + khẩu đại bác là một hệ kín, áp dụng ĐLBT động lượng: r ur r ur mv mv  MV  0 hay: V   M Dấu trừ cho thấy: Khẩu đại bác sẽ bị chuyển động ngược chiều với viên đạn (giật lùi). Chuyển động đó gọi là chuyển động bằng phản lực. b. Các BTST  Các NTST sử dụng để xây dựng BTST 7, 8 - Sao chép: Bài toán chuyển động bằng phản lực. - Đảo ngược: Sử dụng chuyển động bằng phản lực không mong muốn của khẩu súng để đưa tên lửa, tàu ngầm chuyển động về một phía (chuyển động mong muốn).  BTST 7: Chuyển động bằng phản lực là chuyển động của một vật sau khi nó phóng về một hướng một phần của chính nó. Hãy tìm hiểu về cấu tạo của tên lửa và nghiên cứu chế tạo một mô hình tên lửa bằng những vật liệu đơn giản.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Quan sát quá trình phóng tên lửa, tên lửa được phóng lên không trung dựa trên nguyên tắc nào? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 2: Trong trường hợp đơn giản, ta có thể thay thế nhiên liệu đốt trong khoang tên lửa để phụt khói bằng cách nào? (Nguyên tắc linh động, tự phục vụ). - Câu hỏi 3: Tại sao lại dùng nước, bơm hơi để thay thế cho việc phụt khói? (Nguyên tắc sử dụng kết cấu khí và lỏng, nguyên tắc tách khỏi đối tượng). - Câu hỏi 4: Các bộ phận chính của tên lửa nước gồm những gì? - Câu hỏi 5: Có thể sử dụng những vật liệu sẵn có, vật liệu phế thải nào để chế tạo? (Nguyên tắc lấy rẻ thay cho đắt).  BTST 8: Nghiên cứu chế tạo mô hình tầu ngầm, một người đưa ra phương án như sau: Dùng một quả bóng bay (loại bóng dài), nạp đầy nước vào bóng rồi dùng một nút chai nhựa (có đục một vài lỗ nhỏ đường kính cỡ 1mm) nút chặt. Khi thả vào trong nước, quả bóng không chìm cũng không nổi trên mặt nước. Nước trong quả bóng sẽ phun ra theo các lỗ nhỏ ở nắp chai, đẩy quả bóng tiến về phía trước như một chiếc tầu ngầm. Em hãy thực hiện theo hướng dẫn và giải thích cách làm trên.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST 14 - Câu hỏi 1: Tại sao quả bóng bay chứa đầy nước khi thả vào nước nó không nổi cũng không chìm? - Câu hỏi 2: Vì sao phải đục các lỗ nhỏ trên nắp chai? - Câu hỏi 3: Tại sao quả bóng lại chuyển động được về phía trước? (nguyên tắc quan hệ phản hồi)  Từ BTXP 1 sử dụng các NTST để xây dựng BTST 9 - Sao chép: Chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng có ma sát.  BTST 9: Hãy đề xuất phương án thí nghiệm để xác định nhiệt lượng tỏa ra khi khối gỗ trượt không vận tốc đầu trên mặt phẳng nghiêng.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Nguyên nhân nào dẫn đến sự tỏa nhiệt khi khối gỗ trượt trên mặt phẳng nghiêng? (Nguyên tắc quan hệ phản hồi) - Câu hỏi 2: Nhiệt lượng tỏa ra được tính thông qua đại lượng vật lí nào? - Câu hỏi 3: Thực tế đã có thiết bị đo trực tiếp năng lượng chưa? Muốn đo được năng lượng trao đổi thì dùng phương pháp nào? (Nguyên tắc linh động, giải thiếu hoặc thừa) - Câu hỏi 4: Đề xuất những dụng cụ cần thiết để đo nhiệt lượng tỏa ra trong chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng? (Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa)  BTXP 7 a. Đề bài: Một hộp cát khối lượng M treo vào đầu một sợi dây không dãn (hình 4a). Một viên đạn khối lượng m bắn theo phương ngang, đạn cắm vào hộp cát, hộp cát và đạn vạch ra một cung tròn và trọng tâm của hộp lên cao một khoảng h so với ở vị trí cân bằng. Tính vận tốc của viên đạn. (Bài toán con lắc thử đạn) * Lời giải: Vì va chạm giữa đạn và hộp cát là va chạm mềm nên ngay sau va chạm, vận tốc của đạn và hộp cát là u. Áp dụng ĐLBT động lượng: mv   M  m  u  u  mv M m (1) Động năng của đạn và hộp cát đã chuyển hóa thành thế năng. Áp dụng ĐLBT cơ năng cho chuyển động của hộp cát sau va chạm: (2) Giải hệ (1) và (2) ta được: v M m 2 gh m b. BTST: 15 1  M  m  u 2   M  m  gh 2  Các NTST sử dụng để xây dựng BTST 10, 11, 12 - Sao chép: Bài toán con lắc thử đạn  Đề BTST 10: Bằng một khúc gỗ xốp treo ở đầu hai sợi dây không dãn (Hình 4a), hãy đề ra phương án để xác định vận tốc của một viên đạn?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài tập nào? (Nguyên tắc sao chép) - Câu hỏi 2: Có thể vận dụng bài tập đó để giải bài tập này không? - Câu hỏi 3: Bài tập này khác với bài tập tương tự ở điểm nào? Giải quyết sự khác biệt đó như thế nào? - Câu hỏi 4: Để đo vận tốc của viên đạn cần những dụng cụ gì? (Nguyên tắc giải thiếu hoặc thừa, linh động)  BTST 11: Cho hai viên bi thép, một viên đã biết khối lượng, một giá treo, một mẩu băng keo hai mặt, thước đo góc và thước đo chiều dài, hai sợi dây dài như nhau. Hãy xác định khối lượng của viên bi còn lại.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Để tìm khối lượng của một viên bi khi đã biết khối lượng của viên bi khác, ta có thể dùng những phương pháp nào? - Câu hỏi 2: Với những thiết bị và dụng cụ đã cho, ta nên cho hai viên bi tương tác với nhau như thế nào? - Câu hỏi 3: Đến đây, em đã nhận ra bài tập này tương tự với bài tập nào? Có điểm gì khác biệt không? Giải quyết sự khác biệt đó như thế nào? (cần cải tiến gì trong cách tiến hành thí nghiệm không?) - Câu hỏi 4: Từ thí nghiệm có thể đo trực tiếp được đại lượng nào? Suy ra đại lượng nào? (Nguyên tắc quan hệ phản hồi) - Câu hỏi 5: Làm thế nào để đo được góc α một cách chính xác?  Lời giải tóm tắt BTST Bố trí thí nghiệm như Hình 4c. Kéo lệch con lắc m1 (đã biết) lệch khỏi vị trí cân bằng (VTCB) góc α1, thả nhẹ. Khi m1 về đến VTCB sẽ va chạm với m2 (đang cần xác định) và bị dính vào nhau (do băng keo hai mặt) nên va chạm đó là va chạm mềm. Sau va chạm, hai bi cùng chuyển động đến vị trí cao nhất mà tại đó hai dây treo hợp với phương thẳng đứng góc α2. Áp dụng ĐLBT động lượng cho va chạm của hai bi: m1v1   m1  m 2  v2 (bỏ qua khối lượng của băng keo) 16 Suy ra khối lượng của bi 2 là: m2  m1  v1  v2  v   m1  1  1 v2  v2  Áp dụng ĐLBT cơ năng cho chuyển động của bi 1 từ vị trí thả đến VTCB ta được vận tốc của bi 1 trước va chạm: v1  2 gl  1  cos1  Áp dụng ĐLBT cơ năng cho chuyển động của bi 1 và 2 từ vị trí cao nhất của nó đến VTCB: v2  2 gl  1  cos 2  1    sin 2  Vậy khối lượng của bi 2 là: m2  m1    1  sin 2   2  Dùng thước đo góc để đo α1 và α2 sẽ đo được gián tiếp khối lượng của bi 2.  BTST 12: Cho một viên bi sắt đặc, đường kính khoảng 2cm đến 3cm, một viên bi sáp đặc (có khối lượng riêng đã biết), kích thước bằng viên bi sắt; một thước đo; giá treo; 2 sợi dây. Hãy nêu phương án thí nghiệm để xác định tỉ lệ tiêu hao cơ năng trong va chạm không đàn hồi của hai bi.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST (tương tự như BTST 11) - Câu hỏi 5: Có thể xác định tỉ lệ tiêu hao năng lượng trong va chạm một cách trực tiếp không? Để xác định được tỉ lệ năng lượng đã tiêu hao cần so sánh những đại lượng nào với nhau? (Nguyên tắc linh động)  Từ BTXP 2, sử dụng các NTST để xây dựng BTST 13 - Sao chép: Bài toán xe gặp chướng ngại vật (BTXP 2) Đảo ngược: Xác định hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường thay vì bài toán cho.  BTST 13: Giả sử bạn đang lái một chiếc môtô trên đoạn đường ngang, nếu chỉ dùng các dụng cụ đo gắn với xe có thể xác định gần đúng hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường không?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Khi giảm ga (cắt côn) xe môtô sẽ chuyển động như thế nào? Nguyên nhân? - Câu hỏi 2: Bài tập này tương tự với bài nào? Có điểm gì khác biệt? Giải quyết điều đó như thế nào? (Nguyên tắc linh động) - Trên xe có dụng cụ đo nào? Có thể xác định được đại lượng vật lí nào nhờ dụng cụ đo ấy? (Nguyên tắc tự phục vụ) 17 III.2.4. Bài tập giải thích một hiện tượng kĩ thuật nào đó hoặc tiếp thu một hiệu ứng kĩ thuật nào đó  Từ BTXP 2  Các NTST sử dụng để xây dụng BTST 14 - Sao chép: Bài toán xe gặp chướng ngại vật - Đảo ngược: Tìm vận tốc của xe khi biết hệ số ma sát và chiều dài quãng đường vật đi thêm được.  BTST 14: Một người đi xe môtô gây ra một tai nạn, tại hiện trường cảnh sát giao thông tiến hành đo vết trượt của bánh xe trên đường sau đó kiểm tra tình trạng của lốp xe môtô. Hãy giải thích việc làm của cảnh sát giao thông.  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Bài tập này tương tự với bài nào? Người cảnh sát giao thông đo vết trượt trên đường nhằm mục đích gì? - Câu hỏi 2: Tại sao lại phải kiểm tra tình trạng lốp xe? (Nguyên tắc kết hợp, nguyên tắc quan hệ phản hồi) Từ BTXP 6  Các NTST sử dụng để xây dụng BTST 15 - Sao chép: Bài toán chuyển động bằng phản lực.  BTST 15: Một phi hành gia sau khi chuẩn bị đầy đủ phương tiện kĩ thuật đã ra khỏi con tàu và làm việc trong không gian tuy nhiên ông ta lại quên một việc hết sức quan trọng là không buộc sợi dây giữa mình và con tàu. Tại sao nói việc buộc dây là hết sức quan trọng? Bằng cách nào người đó có thể trở về tàu và thực hiện công việc đó?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Nhà du hành vũ trụ khi ra khỏi con tàu bắt buộc phải mang theo vật dụng gì? - Câu hỏi 2: Tại sao nhà du hành vũ trụ phải buộc sợi dây nối mình với con tàu? - Câu hỏi 3: Khi quên không buộc dây nối mình với con tàu, nhà du hành vũ trụ có thể đi bộ trở về con tàu không? Để trở về được con tàu thì nhà du hành vũ trụ cần làm cách nào? (Nguyên tắc linh động) - Câu hỏi 4: Chuyển động của nhà du hành vũ trụ khi trở về con tàu bằng phương án vừa nêu giống như bài tập nào đã gặp? Nhà du hành vũ trụ đã vận dụng kiến thức Vật lí nào? (Nguyên tắc sao chép). - Câu hỏi 5: Trong trường hợp nhà du hành vũ trụ ra khỏi con tàu mà không mang bất cứ trang thiết bị gì thì bằng cách nào để ông ta quay trở lại tàu? (Nguyên tắc dự phòng) 18 BTXP 8 a. Đề bài: Thác nước cao 2m, mỗi giây đổ xuống 30 lít nước. Lợi dụng thác nước, có thể xây dựng trạm thủy điện công suất bao nhiêu? Biết hiệu suất của trạm thủy điện là 75% * Lời giải: Chọn gốc thế năng tại vị trí đặt tuabin của máy phát điện. Thế năng Wt  mgh  30.10.2  6.102 J  0, 6 KJ của 30 lít nước ở độ cao 2m là: Công mà lực trọng trường thực hiện đúng bằng độ giảm thế năng của khối nước, công suất tương ứng là: P  6.102  6.102W =0,6KW (Công suất toàn 1 phần) Hiệu suất là 75% nên công suất có ích là: P '  H .P  0, 75.6.10 2 =450W  0, 45 KW b. BTST  Các NTST sử dụng để xây dựng BTST 16 - Sao chép: Lợi dụng thế năng của dòng nước để làm quay tuabin của máy phát điện.  BTST 16: Có thể thiết kế được nhà máy thủy điện nhỏ ngay trong thành phố không? Làm như thế nào?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST - Câu hỏi 1: Để xây dựng nhà máy thủy điện, người ta phải làm gì? Mục đích của việc làm đó? - Vấn đề đặt ra: Tại sao phải tốn năng lượng để bơm nước lên các nhà cao tầng, các chung cư rồi sau khi sử dụng, nước thải lại chảy tuột xuống lòng đất mà không tạo ra chút năng lượng nào? Tại sao không “vớt vát” được phần nào năng lượng đã bị mất đi (điện để bơm nước lên cao)? - Câu hỏi 2: Tận dụng thế năng của dòng nước thải đã qua xử lí sơ bộ đó được không? Phải làm như thế nào?  Các NTST sử dụng để xây dựng BTST 17 - Đảo ngược: BTST 16 biến thế năng của dòng nước thành động năng quay của tuabin, BTST 17 sẽ biến động năng của chuyển động thẳng của dòng nước thành động năng quay của của cọn nước, biến động năng của dòng nước thành thế năng.  BTST 17: Có thể chế tạo một máy bơm nước từ một con suối lên một cánh đồng ở trên cao không mà không dùng động cơ sử dụng các loại năng lượng thông thường (Xăng, dầu hoặc điện)?  Các câu hỏi định hướng tư duy - các NTST vận dụng để giải BTST 19 - Câu hỏi 1: Dòng nước chảy ở con suối có mang năng lượng không? Năng lượng đó tồn tại ở dạng nào? - Câu hỏi 2: Có thể biến động năng của dòng nước thành thế năng không? Làm như thế nào? (Nguyên tắc đảo ngược, nguyên tắc quan hệ phản hồi) - Câu hỏi 3: Hãy quan sát hình ảnh, người dân miền núi đã vận dụng kiến thức vật lí nào để chế tạo cái cọn nước? - Câu hỏi 4: Nếu vị trí cần dẫn nước tới rất cao mà nếu chỉ biến động năng thành thế năng vẫn không đưa nước lên tới nơi thì phải làm thế nào? - Câu hỏi 5: Làm cách nào để tạo nên áp suất lớn? III.2.5. Bài toán hộp đen  BTXP 9 a. Đề bài: Một búa máy có khối lượng M rơi từ độ cao h đóng vào đầu một chiếc cọc có khối lượng m. Coi va chạm là mềm. Tính vận tốc của búa và cọc ngay sau va chạm. Tính nhiệt lượng tỏa ra trong va chạm. * Lời giải: Có thể coi hệ búa và cọc là một hệ kín. Chọn gốc thế năng ở vị trí của cọc (không xét đến thế năng của cọc vì nó biến đổi không đáng kể) Gọi vận tốc của búa ngay trước khi va chạm là v1 (được xác định bởi ĐLBT cơ năng cho quá trình búa rơi - bỏ qua sức cản của không khí), vận tốc của búa và cọc ngay sau va chạm là v2. Áp dụng ĐLBT động lượng cho hệ búa - cọc: Mv1   M  m  v2 Vận tốc của búa và cọc ngay sau va chạm là: v2  Mv1 M m 1 Wđ1  Mv12 2 Động năng của hệ trước va chạm là: 1 2 Động năng của hệ sau va chạm là: Wđ2   M  m  v22  M Wđ1  Wđ1 M m Như vậy, động năng của vật không được bảo toàn. Theo ĐLBT năng lượng, độ biến thiên động năng đó đúng bằng nội năng (Nhiệt năng Q) Wđ  Wđ1  Wđ2 = m Wđ1 M m Nhận xét: Nếu vật m có giá trị rất lớn, lớn hơn hẳn khối lượng M thì phần lớn động năng của búa bị biến thành nhiệt năng, biến thiên động lượng càng nhỏ, chấn động càng ít. Ngược lại, nếu m  M thì động năng của búa gần như được truyền sang cho cọc, biến thiên động lượng càng lớn, chấn động càng mạnh. 20