Tài liệu Skkn bài tập định luật bảo toàn động lượng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VĨNH PHÚC TRƯỜNG THPT YÊN LẠC 2 ---------- BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN Tên sáng kiến: BÀI TẬP ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG Tác giả sáng kiến: Đỗ Anh Toản Mã sáng kiến: 28.54.03 Vĩnh Phúc, năm 2020 0 BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN 1.Lời giới thiệu Đổi mới phương pháp dạy học là khắc phục phương pháp truyền thụ một chiều, rèn luyện thói quen, nếp sống tư duy sáng tạo của người học. Để thực hiện được nhiệm vụ này cần phải bồi dưỡng được cho học sinh phương pháp học tập để phát triển tư duy nhận thức và kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tế. Muốn nâng cao chất lượng học tập bộ môn vật lý phải có nhiều yếu tố song hành trong đó việc áp dụng các phương pháp hướng dẫn giải bài tập vật lý đóng vai trò hết sức quan trọng. Trong quá trình giải bài tập vật lý lớp 10 phần định luật bảo toàn động lượng học sinh còn nhiều lúng túng, nhiều em chưa có phương pháp giải phù hợp, linh hoạt, chưa biết vận dụng phương pháp phân tích - tổng hợp để giải bài tập một cách có hiệu quả. Bài tập vật lí là một trong những công cụ không thể thiếu được trong quá trình dạy học. Với tính chất là một phương tiện dạy học, bài tập vật lí giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong việc hoàn thành dạy học vật lí: - Bài tập vật lí giúp học sinh hiểu sâu hơn những quy luật vật lí, biết phân tích chúng và ứng dụng chúng vào những vấn đề thực tiễn. - Thông qua các bài tập vật lí, với sự vận dụng linh hoạt kiến thức đã học để tự lực giải quyết tốt những tình huống có vấn đề thì các kiến thức đó trở nên sâu sắc, hoàn thiện hơn. - Bài tập vật lí là phương tiện tốt để phát triển óc tưởng tượng, tính độc lập trong suy luận, tính kiên trì trong việc khắc phục khó khăn. - Bài tập vật lí là một hình thức củng cố, ôn tập, hệ thống hóa kiến thức trong một chương hay một phần. Động lượng là một khái niệm Vật lý trừu tượng đối với học sinh. 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 động lượng trong va chạm đàn hồi, va chạm mềm ở lớp 10 cơ bản và bài toán dao động điều hoà ,phản ứng hạt nhân ở lớp 12. Việc kết hợp các ĐLBT để giải một bài toán Vật lý có ý nghĩa rất quan 1 trọng trong việc phát triển tư duy của học sinh, phát huy được khả năng tư duy sáng tạo của học sinh. Vì vậy tôi chọn đề tài “ Bài tập định luật bảo toàn động lượng”. 2. Tên sáng kiến Bài tập định luật bảo toàn động lượng 3. Tác giả sáng kiến - Họ và tên: Đỗ Anh Toản - Địa chỉ tác giả sáng kiến: Trường THPT Yên Lạc 2 – huyện Yên Lạc – tỉnh Vĩnh Phúc - Số điện thoại: 0965142054; địa chỉ Email; [email protected]. 4. Chủ đầu tư sáng kiến - Đỗ Anh Toản - Trường THPT Yên Lạc 2 – huyện Yên Lạc – tỉnh Vĩnh Phúc 5. Lĩnh vực áp dụng sáng kiến Sáng kiến được áp dụng trong giảng dạy phần định luật bảo toàn động lượng, chương 4, Vật lý 10, ban cơ bản. Sáng kiến giúp phân loại bài tập nhằm giúp học sinh dễ nhận biết và phân loại nhanh tìm ra hướng giải quyết bài toán. 6. Ngày sáng kiến được áp dụng Ngày 15/01/2020 7. Mô tả bản chất sáng kiến Hệ thống bài tập có liên quan đến lý thuyết động lượng và vận dụng làm một số bài tập, tuy kiến thức vật lý SGK nhưng học sinh lại thường gặp khó khăn do kiến thức toán học có nhiều hạn chế. Để học sinh nắm được phương pháp giải bài toán động lượng, trước hết giáo viên cần kiểm tra và trang bị lại cho học sinh một số kiến thức toán học cơ bản, đặc biệt là công thức lượng giác.  Định lí hàm số cosin, tính chất của tam giác vuông.  Giá trị của các hàm số lượng giác với các góc đặc biệt.  Kỹ năng sử dụng máy tính điện tử bỏ túi. 2 7.1. Thực trạng của học sinh trước khi thực hiện đề tài - Phần lớn học sinh không nhớ biểu thức Định lí hàm số cosin, Định lí Pitago, không xác định được giá trị của các hàm số lượng giác ứng với các góc đặc biệt (300, 450, 600, 900, 1200,…). - Khoảng 50% học sinh chưa có động cơ học tập đúng đắn. 7.2. 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 học sinh tự nghiên cứu tìm phương pháp giải.  Trong giờ bài tập, giáo viên hướng dẫn học sinh trình bày lời giải và nhiều học sinh có thể cùg tham gia giải một bài. 7.3. Mô tả nội dung sáng kiến 7.3.1. Cơ sở lý thuyết 7.3.1.1. Kiến thức Toán học: 1. Định lý hàm số cosin: a2 = b2 + c2 – 2bccosA 2. Công thức tam giác vuông : a2 = b2 + c2 3. Yêu cầu học sinh nhớ lại hàm số lượng giác cơ bản ứng với các góc đặc biệt: 7.3.1.2. Kiến thức Vật lý: 7.3.1.3. Kiến thức động học  V13 V12  V23  a   Chuyển động ném xiên. vt  v0 v.t vt v0  a.t vt2  v02 2aS 1 S  at 2  v0t 2 7.3.1.4. Kiến thức về Động lượng 7.3.1.4.1. Khái niệm hệ kín: Một hệ vật gọi là hệ kín (hay cô lập) nếu các vật trong hệ chỉ tưng tác với nhau mà không tương tác với các vật ở ngoài hệ (gọi tắt là môi trường ngoài). 3 Ví dụ: Hệ hai vật chuyển động không có ma sát trên mặt phẳng nhẵn nằm ngang. Trong các hiện tượng nổ, va chạm, hệ vật có thể coi gần đúng là hệ kín trong thời gian ngắn xảy ra hiện tượng.  7.3.1.4.2. Khái niệm Động lượng động với vận tốc của vật:  p  v p của một vật khối lượng m đang chuyển là đại lượng vectơ bằng tích của khối lượng m với vận tốc  v  =mv . - Động lượng có hướng của vân tốc. - Động lượng của một hệ là tổng các vectơ các động lượng của các vật trong hệ. - Đơn vị: kg.m/s. 7.3.1.4.3. Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng của một hệ kín được bảo toàn   p  p' a) Đối với hệ hai vật:  p const . hay   p1  p2 const . b) Nếu hệ không kín nhưng các ngoại lực có cung phương Oy chẳng hạn thì hình chiếu của tổng ngoại lực xuống phương Ox bằng không. Do đó, hình chiếu của tổng động lượng trên phương Ox vẫn bảo toàn :   p1x  p2 x const . 7.3.1.4.4. Liên hệ giữa lực và động lượng: Độ biến thiên động lượng của một vật trong khoảng thời gian nào đó bằng xung lượng của tổng các lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó :  p =  F .t. 7.3.2. CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN: 7.3.2.1. Bài tập tự luận Bài tập ví dụ 1: Tìm tổng động lượng (hướng và độ lớn) của hệ hai vật có khối lượng bằng nhau m1 = m2 = 1kg. Vận tốc của vật 1 có độ lớn v 1 = 1m/s và có hướng không đổi. Vận tốc của vật 2 có độ lớn v2 = 2m/s và: a) Cùng hướng với vật 1. b) Cùng phương, ngược chiều. c) Có hướng nghiêng góc 600 so với v1. Tóm tắt: m1 = m 2 =  P ? a) v2  v1 Yêu cầu: b) v2  v1 + Học sinh biểu diễn được các vectơ 4 1kg động học v1 = 1m/s c) v2 = 2m/s (v1 ; v2 ) 60 0  + Xác định được vectơ tổng trong mỗi trường hợp. + Biết áp dụng Định lí hàm số cosin. Nhận xét: Lời giải: + Học sinh thường gặp khó khăn khi xác Động lượng của hệ: định vectơ tổng động lượng của hệ các P P1  P2 m1 v1  m2 v2 vectơ Trong đó: P1 = m1v1 = 1.1 = 1 (kgms-1) P1 , P2 . P2 = m2v2 = 1.2 = 2 (kgms-1) + Không nhớ ĐLHS cosin, xác định góc tạo bởi 2 vectơ  P1 , P2  . a) Khi v2  v1  P2  P1  P = P1 + P2 = 3 (kgms-1) P b) Khi v2  v1  P2  P1 P1   P = P2 – P1 = 1 (kgms-1) 0 0 c) Khi (v1 ; v2 ) 60  ( P1 ; P2 ) 60   P2 Áp dụng ĐLHS cosin: P 2 P12  P22  2 P1 P2 cos  P12  P22  2 P1 P2 cos(   ) 12  2 2  2.1.2 cos120 0 7 (kgms-1) Bài tập ví dụ 2: Sau va chạm 2 vật chuyển động cùng phương. Một toa xe khối lượng m1 = 3T chạy với tốc độ v1 = 4m/s đến va chạm vào 1 toa xe đứng yên khối lượng m2 = 5T. Toa này chuyển động với vận tốc v2’ = 3m/s. Toa 1 chuyển động thế nào sau va chạm? Tóm tắt: Lời giải: m1 = 3T v1 = 4m/s + Xét sự va chạm xảy ra trong thời gian m2 = 5T v2 = 0 ngắn. v2’ = 3m/s v1' ? + m1 v1 m2 + Chọn chiều dương theo chiều chuyển động của xe 1 ( v ). 1 + Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: (*) + Giả sử sau va chạm 2 xe cùng chuyển m1 v1  m2 v2 m1 v1'  m2 v2' động theo chiều dương của 5 v1 (v 2  v1 Yêu cầu: ). + Nêu được điều kiện hệ kín. + Chiếu PT (*) lên chiều dương ta có: + Nêu được kiến thức ĐLBT động m1v1 + 0 = m1v1’ + m2v2’ m1v1  m2 v2' 3.4  5.3  v    1 m1 3 lượng cho hệ 2 vật. ' 1 + Giả sử chiều chuyển động của 2 xe v1’ < 0 chứng tỏ sau va chạm 1 chuyển sau va chạm. + Chiếu biểu thức động lượng xác động theo chiều ngược lại. định vận tốc v1, 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 ví dụ 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. Mảnh thứ nhất bay lên với vận tốc 250m/s theo phương lệch góc 600 so với đường thẳng đứng. Tóm tắt: Lời giải: m = 2kg v = - Hệ viên đạn ngay trước và sau khi nổ là 250m/s hệ kín do: m1 = m2 = 1kg v 1 = + Nội lực lớn hơn rất nhiều so với ngoại 500m/s lực. (v1 ; v2 ) 60 0 P A P2 B β α v2 ? + Thời gian xảy ra tương tác rất ngắn. - Động lượng của hệ trước va chạm: P = m.v = 2.250 = 500 (kgms-1) P1 - Động lượng của mảnh thứ nhất: O P 1 = m.v = 1.500 = 500 (kgms1 )=P - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: P P1  P2 Yêu cầu: Theo định lý hàm số cosin cho tam giác + Vẽ hình biểu diễn các vectơ động OAB ta có: lượng. P 2 P12  P22  2 P1 P2 cos  6 + Vận dụng ĐLHS cosin xác định P2. 2 P 2 (1  cos  ) + Xác định góc  P2 , P  . 1  P2 P 2(1  cos  ) 500 2 1   500 2  (kgms-1)  P2 P m2v2  v2 500 (m/s)  ∆OAB đều  = 600. Vậy sau khi đạn nổ mảnh thứ hai bay lên với vận tốc v2 = 500m/s tạo với phương thẳng đứng một góc = 600. 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. Bài tập ví dụ 4: Một thuyền chiều dài l = 2m, khối lượng M = 140kg, chở một người có khối lượng m = 60kg; 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: Lời giải: l = 2m M = 140kg Dễ thấy, để BTĐL của hệ và thuyền m = 60kg l’ = ? ban đầu đứng yên thì khi người chuyển động thuyền sẽ chuyển động Yêu cầu: ngược lại. + Mô tả chuyển động của người, thuyền - Xét khi người đi trên thuyền theo so với bờ. hướng ra xa bờ. + Chọn HQC chung là bở cho 2 vật + Gọi vận tốc của người so với chuyển động. thuyền là: v (v12 ) + Áp dụng CT cộng vận tốc, ĐLBT động + Vận tốc của thuyền so với bờ là: lượng. V (v23 ) + Vận tốc của người so với bờ là: 7 v ' (v13 ) (1) v12 V ( 2) + Áp dụng công thức vận tốc ta có: (3) v13 v12  v23  v ' v  V (*) + Chọn chiều dương trùng với v12 . Do người và thuyền luôn chuyển động ngược chiều nhau nên: Nhận xét: (*)  v’ = v – V  v = v’ + V + Học sinh quên cách chọn gốc quy + Khi người đi hết chiều dài của chiếu là mặt đất đứng yên. thuyền với vận tốc v thì: l = v.t + Không xác định được vận tốc của vật l v chuyển động so với gốc quy chiếu bằng  t   cách áp dụng công thức vận tốc. l v V ' Trong thời gian này, thuyền đi được quãng l V .t V . đường so l l  v' v V 1 V ' với bờ: (1) - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: mv '  M V 0  mv '  MV 0  v' M  V m (2) Bài tập ví dụ 5: Bài toán đạn nổ Một súng đại bác tự hành có khối lượng M = 800kg 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 = 600. Vận tốc của đạn là v = 400m/s. Tính vận tốc giật lùi của súng. Tóm tắt: Lời giải: M = 800kg m = 20kg - Hệ đạn và súng ngay trước và ngay sau α = 600 v = 400m/s khi bắn là hệ kín vì: v V=? m  V M  + 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. 8 - Ngay sau khi đạn nổ: Pđ mv ; P M V + Đạn bay theo phương tạo góc 600 với phương ngang. + Súng giật lùi theo phương ngang. - Hệ súng và đạn là hệ kín có động lượng Yêu cầu: bảo toàn theo phương ngang. + Xác định ĐK hệ đạn và sóng là hệ Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: kín. Pđ  P 0  mv  M V 0 + Áp dụng ĐLBT động lượng. Chọn chiều dương ngược chiều chuyển + Xác định phương động lượng bảo động của súng. toàn. Chiếu xuống phương nằm ngang ta có: m.v.cosα – MV = 0 V  m 20 1 v. cos   .400. 5 (m/s). M 800 2 Nhận xét: Nhiều học sinh không xác định được phương động lượng được bảo toàn. Bài tập ví dụ 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: Lời giải: M = 100T V = 200m/s - Hệ tên lửa và khí phụt ra ngay trước và m = 20T v = 500m/s ngay sau khi phụt là hệ kín. V’ =? a) v  V - Gọi M, M’ là khối lượng tên lửa ngay b) v  V trước và ngay sau khi phụt khí. 9 - Gọi Yêu cầu: V , V' là vận tốc của tên lửa so với trái đất ngay trước và ngay sau khi phụt V  + Nêu được nguyên tắc khí có khối lượng m. v là vận tốc lượng khí phụt ra so với chuyển động của tên tên lửa. lửa.  Vận tốc của lượng khí phụt ra so với + Chọn gốc quy chiếu và chiều dương. Trái đất là: M V v  + Biết vận dụng công - Áp dụng ĐLBT động lượng ta có: thức vận tốc để xác định M V ( M  m)V '  m V  v vận tốc của tên lửa ngay Chọn chiều dương theo chiều chuyển sau khi phụt khí. + Biết trường hợp nào  m tên lửa tăng tốc, giảm  (*) động của tên lửa. a) Trường hợp khí phụt ra phía sau: tên tốc. lửa tăng tốc. v  V  (*): MV = (M – m).V’ + m(V Nhận xét: – v) Học sinh không tưởng tượng được ra  V '  MV  m(V  v) V  M m quá trình tăng tốc và giảm tốc của tên lửa nhờ khí phụt ra. 200  m .v M m 20 .500 325 (m/s) 100  20 >V b) Trường hợp khí phụt ra phía sau: tên lửa giảm tốc. v  V  (*): MV = (M – m).V’ + m(V + v)  V ' MV  m(V  v ) m V  .v M m M m 200  20 .500 75 (m/s) 100  20 - Xem thêm -