Đề tài Phương pháp giải bài toán định lượng Vật lý 8

MỞ ĐẦU Chương trình Vật Lý 8 là phần mở đầu giai đoạn hai của chương trình Vật Lý THCS, nên những yêu cầu về khả năng tư duy trườu tượng, khái quát, cũng như yêu cầu về mặt định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật Vật lý đều cao hơn các lớp ở giai đoạn một. Chính vì thế mà sách giáo khoa Vật Lý 8 có yêu cầu cao hơn về mặt logíc và sự chặt chẽ, tính hệ thống và sự hoàn chỉnh của lý thuyết so với chương trình vật lý ở giai đoạn một. Chính vì thế vấn đề giải bài toán Vật lý định lượng ở giai đoạn này cũng có yêu cầu chặt chẽ về tính tư duy logíc và khoa học. Để tạo cho học sinh có những nắm bắt cơ bản về cách phân tích và giải bài toán định lượng trong Vật lý, làm nền tản cho những năm học sau này. Đồng thời từng bước tạo cho các em có một phong cách làm việc tư duy logíc trong khoa học nói chung và khoa học thực nghiệm nói riêng. THỰC TRẠNG Trường THPT Đạ Tông là một trường thuộc diện khó khăn nhất của tỉnh Lâm Đồng. Trình độ dân trí còn thấp, đa số học sinh là người dân tộc thiểu số. Tình hình kinh tế còn rất nhiều khó khăn, nhận thức về việc học của con em mình rấn hạn chế .... Đó là những nguyên nhân dẫn đến quá trình nhận thức khoa học của học sinh còn rất nhiều khó khăn. Bên cạnh đó trường được thành lập cách đây không lâu, đội ngũ cán bộ giáo viên còn non trẻ cả về tuổi đời cũng như trình độ tay nghề, kinh nghiệm giảng dạy chưa nhiều, cũng có một số người chưa thực sự tâm huyết với nghề và ý thức gắn bó lâu dài với trường chưa cao. Tài liệu tham khảo cho học sinh hầu như không có gì đặc biệt là chương trình sách giáo khoa mới. Với thực trạng đó và yêu cầu của chương trình sách giáo khoa mới, vấn đề đổi mới phương pháp dạy học cộng với đặc thù của bộ môn nói riêng và đối với khoa học thực nghiệm nói chung. Như vậy vấn đề là làm thế nào để cho học sinh bước đầu phân tích và tiến hành giải được bài toán định lượng Vật lý là rất cần thiết. GIẢI PHÁP Bất kì một chương trình giáo dục nào, cấp học nào, bài học nào cũng có mục tiêu riêng. Đối với bộ môn Vật lý 8 có một số mục tiêu như sau. A. Nội dung. 1. Chương cơ học. - Mô tả được chuyển động cơ học và tính tương đối củachuyển động. - Nắm được khái niệm vận tốc cả về định tính và định lượng. - Nêu được ví dụ về tác dụng lực làm biến đổi vận tốc của vật. Nhận biết quán tính, giải thích hiện tượng có liên quan đến quán tính. - Nắm được khi nào xuất hiện lực ma sát. Cách làm tăng hay giảm lực ma sát. - Sự cân bằng lực. Nhận biết tác dụng của hai lực cân bằng lên một vật. - Aùp suất là gì? Cách làm tăng, giảm áp suất. Tính toán áp suất. - Mô tả hiện tượng chứng tỏ sự tồn tại của áp suất khí quyển. Tính toán áp suất chất lỏng theo độ sâu, giải thích nguyên lý bình thông nhau. - Nhận biết lực đẩy Aùcsimét. Tính toán độ lớn của lực đẩy Aùcsimét. Giải thích khi nào vật nổi, vật chìm và vật lơ lửng trong lòng chất lỏng. - Khái niệm công cơ học, tính công cơ học. - Công suất và tính công suất của vật hay máy. - Mô tả sự chuyển hoá năng lượng giữa thế năng và động năng. 2. Chương nhiệt học. - Nhận biết cấu tạo chất ( Sơ lược về thuyết cấu tạo nguyên tử của các chất ). - Nhận biết nhiệt năng là gì? cách làm biến đổi nhiệt năng. Giải thích cách truyền nhiệt. - Xác định nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra. Dùng công thức tính nhiệt lượng và phương trình cân bằng nhiệt. - Nhận biết sự chuyển hoá năng lượng trong quá trình cơ-nhiệt. Sự bảo toàn năng lượng. - Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt 4 kì. Tính năng suất tỏa nhiệt khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. 3. Một số điểm mới trong chương trình vật lý 8. - Kế hoạch dạy học: Chương trình vật lý 8 mới chỉ có 1 tiết /tuần, giảm đi 1 tiết so với chương trình cũ. Không có tiết bài tập và ôn tập cho mỗi bài kiểm tra. - Nội dung: Phát triển dựa trên chương trình Vật lý 6 mới và Vật lý 7 cũ. Đây là chương trình Vật lý ở giai đoạn hai của chương trình Vật lý THCS. - Tuy nhiên, nếu so sánh khối lượng nội dung chương trình Vật lý 8 với nội dung tương ứng của chương trình Vật lý THCS cũ và nội dung chương trình Vật lý từng lớp ở cấp THCS, thì chương trình Vật lý 8 có nội dung nặng nhất trong các lớp ở cấp THCS. B. Những yêu cầu về phương pháp dạy học Việc đổi mới phương pháp dạy học môn Vật lý 8 cũng không nằn ngoài khuôn khổ của những quan điểm chủ đạo và những biện pháp đổi mới phương pháp dạy học môn Vật lý THCS. 1.Quan điểm chỉ đạo đổi mới phương pháp dạy học ở Vật lý 8 THCS. -Tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh, phát huy tính chủ động, sáng tạo của học sinh trong học tập bằng cách: + Cải tiến, nâng cao hiệu quả các phương pháp dạy học theo hướng phát huy tính chủ động, sáng tạo của học sinh. đ Kích thích óc tò mò khoa học, ham hiểu biết của học sinh. đ Hướng đến việc rèn óc đập lập suy nghĩ và tư duy sáng tạo. + Khuyến khích sử dụng phương pháp dạy học tích cực như nêu vấn đề và giải quyết vấn đề, theo quan điểm kiến tạo. - Quan tâm đế phương pháp học, bồi dưỡng năng lực tự học cho học sinh. + Coi trọng việc trau dồi kiến thức lẫn bồi dưỡng kĩ năng, đặc biệt là kĩ năng quá trình. + Chú ý phương pháp nhận thức đặc thù của bộ môn vật lý. - Phối hợp năng lực cá nhân và năng lực của nhóm. - Đổi mới cách kiểm tra, đánh giá. 2. Những giải pháp đổi mới phương pháp dạy học ở Vật lý THCS. - Nắm bắt mức độ lượng hóa mục tiêu bài học. - Tổ chức cho học sinh hoật động chiếm lĩnh kiến hức. - Sử dụng phương tiện dạy học theo hướng tích cự hoá. 3. Đặt điểm tâm sinh lý. - Xuất phát từ quan điểm của triết học duy vật biện chứng về quá trình nhận thức của con người “ Từ thực tiễn đến khái quát, từ trực quan sinh động đến tư duy trườu tượng ”. Từ tâm sinh lý lứa tuổi trong quá trình nhận thức khoa học. Để tạo cho các em bước đầu có những thói quen suy nghĩ và làm việc có tư duy logíc trong khoa học. THỰC HIỆN Tất cả các bộ môn khoa học đều có phương pháp nghiên cứu khác nhau, cách thức tiếp cận và lĩnh hội khác nhau. Bộ môn Vật lý cũng là bộ môn khoa học nên nó cũng có phương pháp đặt thù của bộ môn. Tuy nhiên phương pháp phân tích là phương pháp phổ biến cho các bộ môn khoa học đặc biệt là kho học thực nghiệm. VẤN ĐỀ Dự kiện cho dựa vào suy luận Dự kiện cho trực tiếp Dự kiện cho dán tiếp Phân tích hướng tìm dự Hình 1. Sơ đồ phân tích bài toán tổng quát Dự kiện cần tìm kiện bài toán yêu cầu dựa vào các dự kiện. Với phương pháp giải bài toán định lượng Vật lý theo phương pháp phân tích có thể tiến hành theo các bước sau. Bước 1. Đọc và tìm hiểu bài toán. - Học sinh đọc kĩ bài toán để tìm ra những dữ kiện mà bài toán cho và những yêu cầu của bài toán. Có thể tìm ra những đại lượng có liên quan cần thiết của bài toán. Bước 2. Tóm tắt- qui đổi đơn vị. - Tóm tắt bài toán dưới dạng kí hiệu qui ước của Vật lý và đơn vị của các đại lượng kèm theo. Qui đổi các đơn vị của các đại lượng theo hệ đơn vị chuẩn quốc tế SI ( System Intenational). Bước 3. Phân tích bài toán. - Dựa vào những đại lượng đã có để phân tích hướng tìm các đại lượng bài toán yêu cầu. Có bao nhiêu cách tìm đại lượng cần tìm. Xem và dùng cách nào là đơn giản và hợp lý nhất. đ Đại lượng đã cho trực tiếp: Dùng công thức có liên hệ trực tiếp với đại lượng bài toán yêu cầu. đ Đại lượng gián tiếp: Bằng suy luận tìm ra đại lượng cần thiết giúp tìm ra đại lượng bài toán yêu cầu. Bước 4. Giải bài toán. - Có thể một bài toán có nhiều hướng giải quyết, tuy nhiên với phương pháp phân tích chúng ta giải quyết bài toán theo hướng ngược với hướng phân tích. ” Phân tích sau -giải trước, phân tích trước -giải sau ”. 1. Một số công thức của chương trình Vật lý 8. - Độ lớn vận tốc trong chuyển động thẳng đều. V = S/t + S: Quãng đường đi được (m). + t: Thời gian vật đi hết quãng đường đó (s). + V: Vận tốc (m/s). - Độ lớn vận tốc trong chuyển động không đều. Vtb = S/t + S: Quãng đường đi được (m). + t: Thời gian vật đi hết quãng đường đó (s). + V: Vận tốc (m/s). - Aùp suất. P = F/S + F: Độ lớn áp lực (N) . + S: Diện tích mặt tiếp xúc (m2). + P: Aùp suất (Pa, N.m2). - Aùp suất chất lỏng theo độ sâu. P = d.h + d: Trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3). + h: Độ sâu mực chất lỏng so với mặt thoáng (m). + P: Aùp suất (Pa, N.m2). - Lực đẩy Aùcsimét: ­ Phương thẳng đứng. ­ Chiều từ trên xuống dưới. ­ Điểm đặt tại vật. ­ Độ lớn FA = P = d.V + P: Trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ. (N) + d: Trọng lượng riêng của chất lỏng. (N/m3) + V: Thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ. (m3) - Công cơ học ( Công thức này chỉ dùng cho trường hợp phương của lực cùng phương với phương của chuyển động ). A = F.S + F: Độ lớn của lực tác dụng (N). + S: Quãng đường di chuyển của vật (m). + A: Công cơ học (J). - Công suất P = A/t = F.V + A: Công cơ học (J). + t: Thời gian vật thực hiện công (s). + F: Độ lớn của lực tác dụng (N). + V: Vận tốc của vật (m/s). - Hiệu suất của máy cơ đơn giản. H = A1/A2 + A1: Công có ích (J). + A2: Công toàn phần (J). Thường ta tính hiệu suất theo % vì H<=1 (A1<=A2). - Nhiệt lượng Q = m.c.)t + m: Khối lượng của vật (kg). + c: Nhiệt dung riêng (J/kg.K). + )t: Độ biến thiên nhiệt độ (0c). - Phương trình cân bằng nhiệt. Qtoả ra = Qthu vào. - Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn. Q = m.q + m: Khối lượng nhiên liệu (kg). + q: Năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg). + Q: Nhiệt lượng tỏa ra (J). - Hiệu suất của động cơ nhiệt. H = A/Q + A: Công có ích (J). + Q: Công toàn phần (J). + H: Hiệu suất của động cơ nhiệt. Thường ta tính hiệu suất theo % vì H<=1 (A <= Q). 2. Một số ví dụ minh họa cho phương pháp. Bài toán 1. Một người đi xe đạp xuống dốc dài 100m hết 25 giây. Xuống hết dốc, xe chuyển động tiếp một quãng đường là 50m trong 20 giây rồi dừng lại hẳn. Tính vận tốc trung bình của người đi xe trên các đoạn đường và trên cả quãng đường. Tóm tắt. S1=100m A S2=50m t1=25s. S1=100m t2=20s. t1=25s. B C Vtb1=? Vtb1=? S2=50m Vtb2=? t2=20s. Vtb=? Vtb2=? Vấn đề cần tìm Vtb1=? Vtb=? Vtb2=? Vận dụng công thức Vtb= S/t Vtb=S/t Vtb2=S2/t2 Vtb1=S1/t1 + S = S1+S2 + t = t1+t2 Hình 2. Sơ đồ phân tích bài toán 1 Bài giải. Vận tốc trung bình của người đi xe trên đoạn đường dốc. Vtb1=S1/t1 = 100/25 = 4 m/s. Vận tốc trung bình của người đi xe trên đoạn đường nằm ngang. Vtb2=S2/t2 = 50/20 = 2,5 m/s. Vận tốc trung bình của người đi xe trên cả quãng đường. Vtb=S/t = (S1+S2) / (t1+t2) = 150/45 = 3,33 m/s. Vậy: Vtb1= 4 m/s. Vtb2= 2,5 m/s. Vtb= 3,33 m/s. Bài toán 2. Để cày một sào đất, người ta dùng trâu cày thì mất 2 giờ, nhưng nếu dùng máy cày Bông Sen thì chỉ mất 20 phút. Hỏi trâu hay máy có công suất lớn hơn và lớn hơn bao nhiêu lần. Vấn đề cần tìm Tóm tắt. tm=20 phút=1/3h. tt=2h. Pm =? Pt Pm =? Pt =? Vận dụng công thức P= A/t Pm= A/tm Pt= A/tt Lý luận để tìm ra At = Am = A Pm/Pt Hình 3. Sơ đồ phân tích bài toán 2 Bài giải. Vì cả trâu và máy đều cày cùng một sào ruộng nên công của trâu và máy đều bằng nhau. Công suất của trâu cày. Pt= A/tt = A/2 Công suất của máy cày. Pm= A/tm = A/ (1/3) Pm/Pt = 6 => Pm= 6Pt Vậy: Pm= 6Pt Bài toán 3. Một con ngựa kéo một cái xe với một lực không đổi bằng 80N và đi được 4,5km trong nửa giờ. Hãy: Biểu diễn lực kéo của con ngựa trên? Tính công và công suất trung bình của con ngựa? c. Tìm vận tốc trung bình của con ngựa trên quãng đường đó? Vấn đề cần tìm Tóm tắt. F = 80N S = 4,5km = 4500m t = ½ h = 1800s a. F Vtb =? F A = ? P = ? b. A = ?, P = ? Vận dụng công thức A=F.S Cách biểu diễn lực bằng Vector c. Vtb =? Vận dụng công thức P=A/t, P=F.V Vận dụng công thức Vtb= S/t, V=P/F Phân tích chọn hướng giải đơn giản nhất Hình 3. Sơ đồ phân tích bài toán 3. Bài giải. Chọn tỉ lệ xích. tương ứng với 40N. F Công cơ học của con ngựa. A= F.S = 80.4500 = 360.103 (J). Công suất trung bình của con ngựa sinh ra trong ½ h. P = A/t = 360.103/1800 = 200 (W). Vận tốc trung bình của con ngựa trên quãng đường trên. Từ P = F.V => V= P/F = 200/80 = 2,5 (m/s). Vậy: A = 360.103 (J). = 360 (kJ). P = 200 (W). V = 2,5 (m/s). Bài toán 4. Một người tác dụng lên mặt sàn một áp suất là 1,7.104N/m2. Diện tích của hai bàn chân tiếp xúc với mặt sàn là 0,03m2. Hỏi trọng lượng và khối lượng của người đó là bao nhiêu? Vấn đề cần tìm Tóm tắt. P = 1,7.104N/m2. S = 0,03m2. P = ? m = ? m = ? P = ? Vận dụng công thức P = 10.m Vận dụng công thức P = F/S Lý giải để tìm P = F Hình 5. Sơ đồ phân tích bài toán 4. Bài giải. Vì người đứng yên tác dụng lên sàn một lực ép, lực này chính bằng trọng lượng của người. F = P. Trọng lượng của người. Từ P = P/S => P = P.S = 1,7.104.0,03 = 510 (N). Khối lượng của người. Từ P = 10.m => m = P/10 = 510/ 10 = 51 (kg). Vậy: P = 510 N. m = 51 (kg). Bài toán 5. Một học sinh thả 300g chì ở 1000C vào 250g nước ở 58,50C làm cho nước nóng lên tới 600C. Hỏi nhiệt độ của chì ngay khi có cân bằng nhiệt? Tính nhiệt lượng nước thu vào. Tính nhiệt dung riêng của chì. So sánh nhiệt dung riêng của chì tính được với nhiệt dung riêng của chì tra trong bảng và giải thích tại sao có sự chênh lệch đó. Lấy nhiệt dung riêng của nước là 4190J/kg.K Vấn đề cần tìm Tóm tắt. t = 600C t1 = 58,50C t2 = 1000C m1 = 250g = 0,25kg So sánh c2’ và c2 = 130J/kg.K c2’ =? Q1 =? tc =? m2 = 300g = 0,3kg c1 = 4190J/kg.K a. tc =? b. Q1 =? c. c2’ =? d. So sánh c2’ và Truyền nhiệt cho môi trường xung quanh Q1 = Q2 = c2’.m2.( t2-t ) => c2’=Q2/m2.(t2-t) Vận dụng công thức Q1=c1.m1.(t-t1) Vận dụng phương trình cân bằng nhiệt c2 = 130J/kg.K Hình 6. Sơ đồ phân tích bài toán 5. Bài giải. Nhiệt độ cuối cùng của chì cũng chính là nhiệt độ cuối cùng của nước, Chì truyền nhiệt cho nước. tc = 600C. Nhiệt lượng của nước thu vào. Q1=c1.m1.( t - t1 ) = 4190.0,25.( 60 - 58,5 ) = 1571,25 (J). Theo phương trình cân bằng nhiệt thì nhiệt lượng nước thu vào chính bằng nhiệt lượng chì toả ra. Q1 = Q2 = c2’.m2.( t2 - t ) => c2’ = Q2/m2.( t2 - t ) 1571.25 = = 130,93 ( J/kg.K ) (0,3.( 100 - 60 ) c2’ = 130,93 ( J/kg.K ); c2 = 130 ( J/kg.K ) vì đã bỏ qua nhiệt lượng truyền cho môi trường xung quanh. Vậy: tc = 600C ; Q1= 1571,25 (J); c2’ =130,93 ( J/kg.K ) KẾT LUẬN Phương pháp Giải bài tập định lượng bằng hướng phân tích được nhiều môn khoa học tự nhiên vận dụng. Nhưng tùy thuộc vào mục đích và đối tượng mà mỗi bộ môn có đều có cách tiếp cận khác nhau, riêng đối với bộ môn Vật lý và đặc biệt với đối tượng học sinh lớp 8 mới bước đầu tiếp cận với bài toán định lượng một cách hoàn chỉnh. Thì phương pháp này theo tôi là rất quan trọng và có nhiều thuận lợi. Như vậy để giáo viên vận dụng phương pháp này có kết qủa và học sinh bước đầu nắm phương pháp vận dụng vào bài tập thì: - Giáo viên cần kiên trì sử dụng phương pháp này. - Sử dụng thường xuyên, từ mức độ thấp đến cao. - Học sinh tường bước tiến hành bài toán theo hướng dẫn của Giáo viên. - Thực hành vận dụng nhiều để nắm vững phương pháp. - Rèn từng bước từ mức thấp đến cao. Tuy rằng kinh nghiệm giảng dạy của bản thân còn hạn chế, nhưng tôi huy vọng rằng với phương pháp này thì Giáo viên có thể vận dụng cho nhiều đối tượng học sinh và đặc biệt là học sinh ở các trường vùng sâu, nhận thức của học sinh còn yếu như trường THPT Đạ Tông chúng ta. Vậy tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp trong tổ Vật lý nói riêng và các tổ bộ môn trong toàn trường nói chung, để giải pháp này được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! --------˜&™-------- Người viết: Bùi Văn Khoa Đạ Tông ngày 09/01/2006