Hình thành định luật bảo toàn cơ năng và công thức tính công của lực điện bằng bài tập Vật Lí

1 Hình thành định luật bảo toàn cơ năng và công thức tính công của lực điện bằng bài tập vật lí Nguyễn Đức Sinh Lớp Cao học K12- Vật lí TS. Nguyễn Thế Khôi Tr−ờng ĐHSP Hà Nội 2 Tóm tắt Trong dạy học vật lí ở tr−ờng phổ thông, bài tập vật lí là một trong các ph−ơng pháp dạy học giáo trình vật lí có hiệu quả. Tuy nhiên, chức năng hình thành kiến thức mới của nó ch−a đ−ợc chú ý đúng mức. Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày thí dụ về hình thành hình thành định luật bảo toàn cơ năng và công thức tính công của lực điện bằng giải bài tập trong dạy học Vật lí lớp 10,11 THPT. Thực nghiệm s− phạm đF xác nhận: Chất l−ợng học tập của học sinh đ−ợc nâng cao rõ rệt. 1. Định nghĩa về bài tập vật lí (BTVL) lần đầu tiên đ−ợc trình bày một cách rõ ràng trong cuốn sách dùng cho giáo viên (GV) “Ph−ơng pháp giải BTVL ở tr−ờng phổ thông” của X.E. Camenetxki và V.P. Ôrêkhôv (2, tr5). Với định nghĩa này, BTVL không chỉ mang ý nghĩa là tập vận dụng đơn kiến thức lý thuyết đI học vào trong những tr−ờng hợp cụ thể, mà còn dùng để hình thành kiến thức mới khi giải quyết vấn đề đặt ra ch−a có câu trả lời, hoặc ch−a có cách giải quyết. Trong sách giáo khoa (SGK) Vật lí, kiến thức mới th−ờng đ−ợc rút ra bằng thực nghiệm. Tuy nhiên thực tế dạy học đI chỉ ra rằng, không phải mọi kiến thức vật lí đ−ợc hình thành cho học sinh (HS) chỉ bằng thí nghiệm mà nhiều khi đ−ợc tìm ra qua việc giải một số BTVL. Hơn nữa, việc làm này còn giúp HS thu nhận kiến thức một cách chủ động, vững chắc, đồng thời phát triển đ−ợc t− duy toán học của các em. D−ới đây chúng tôi đ−a ra thí dụ về việc hình thành định luật bảo toàn cơ năng và công thức tính công của lực điện cho HS lớp 10,11 THPT. 2. Kiến thức về định luật bảo toàn cơ năng đ−ợc SGK Vật lí 10 trình bày trong bài 27 (1, tr.142), Vật lí 10 Nâng cao trình bày trong bài 37(3, tr.172). Đầu tiết học GV mô tả cho HS quan sát chuyển động của con lắc đơn trong tr−ờng trọng lực ( là một tr−ờng thế). HS nhận thấy có sự biến đổi qua lại giữa hai dạng năng l−ợng là động năng và thế năng của vật trong quá trình vật chuyển động: thế năng giảm, động năng tăng và ng−ợc lại. Để xét xem mối quan hệ giữa độ biến thiên của động năng và thế năng có tuân theo quy luật nào không? GV yêu cầu HS giải bài tập 1( tr−ờng trọng lực): “ Một vật có khối l−ợng m rơi tự do, lần l−ợt qua hai vị trí A và B t−ơng ứng với các các độ cao z1 và z2, tại đó vật có các vận tốc v1 và v2. Tính tổng động năng và thế năng của vật tại mỗi điểm trên quỹ đạo chuyển động của nó. Từ đó có nhận xét gì về tổng ấy tại mỗi điểm trên quỹ đạo”. HS vận dụng những kiến thức đI học về định lí biến thiên động năng, công của lực thế và hiệu thế năng để tìm hệ thức liên hệ giữa động năng và thế năng của vật trong tr−ờng thế đi đến lời giải: Trong quá trình vật rơi tự do chỉ d−ới tác dụng của trọng 2 lực, vận tốc tăng dần. Trọng lực sinh công A12, theo định lí động năng: công do trọng lực thực hiện bằng độ tăng động năng của vật: 2 1 2 2 2 1 12 2 2 d d mv mv A W W= − = − (1) Mặt khác vật rơi tự do trong trọng tr−ờng vật có thế năng trọng tr−ờng. Khi vật rơi độ cao của vật giảm, công của trọng lực bằng độ giảm thế năng giữa hai vị trí đó: A12= Wt1-Wt2= mgz1- mgz2 (2) Từ (1) và (2) rút ra: 2 2 2 1 2 1 2 2 mv mv mgz mgz+ = + (3) Nếu gọi tổng động năng và thế năng của vật là cơ năng.Ta có thể viết một cách tổng quát kết quả trên: 2 co 2 d t mv W W W mgz nst= + = + = (4) Ta có thể kiểm nghiệm kết quả trên nếu đo đ−ợc vận tốc và độ cao tại hai điểm bất kì. Dùng một chiếc th−ớc đo độ cao để đo độ cao tại hai điểm đó. Còn vận tốc tại hai điểm có thể đ−ợc xác định qua công thức của vật rơi tự do: v =gt, g là gia tốc trọng tr−ờng, thời gian t ta dùng đồng hồ bấm giây hoặc đồng hồ hiện số. Vì hai điểm A, B là bất kì nên có thể khái quát: Trong trọng tr−ờng động năng có thể chuyển hóa thành thế năng và ng−ợc lại, và tổng của chúng là cơ năng của vật là không đổi. Bài tập 2 (tr−ờng hợp lực đàn hồi): “Một vật có khối l−ợng m đ−ợc mắc vào một đầu của một lò xo nhẹ có độ cứng k, đầu kia của lò xo gắn cố định, tất cả đặt trên mặt phẳng nằm ngang không ma sát. Kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng một đoạn rồi buông tay.Vật sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng. HIy xác định tổng động năng và thế năng tại những điểm bất kì trên quỹ đạo chuyển động của vật”. HS dễ dàng nhận ra trong quá trình vật chuyển động luôn có sự thay đổi giữa động năng của vật và thế năng đàn hồi của lò. Với kiến thức đI học về độ biến thiên động năng, thế năng đàn hồi và công của lực đàn hồi, HS lập đ−ợc biểu thức tại hai điểm có tọa độ x1 , x2 bất kì của vật nh− sau: A= mv2 2/2 - m1 2/2 A= kx1 2/2 - kx2 2/2 Từ đó suy ra: mv2 2/2+ kx2 2/2= mv1 2/2+ kx1 2/2 hay W2=W1 Với bộ thí nghiệm đệm không khí, đồng hồ hiện số để đo thời gian chúng ta xác định đ−ợc vận tốc của vật, tọa độ của vật. Kết quả thu đ−ợc cơ năng của vật là không đổi. 3. Công của lực điện đ−ợc SGK Vật lí 11 trình bày trong bài 4(1, tr.22), Vật lí 10 Nâng cao trình bày trong bài 4(3, tr.19). Sau khi nhắc lại kiến thức đI học. Một điện tích đặt trong điện tr−ờng sẽ chịu tác dụng của lực điện và di chuyển ra xa hay lại gần điện tích gây ra điện tr−ờng. Nghĩa là điện tr−ờng có khả năng sinh công, GV yêu cầu HS giải bài tập: 3 “Một điện tích +q có thể di chuyển từ điểm M đến điểm N trong điện tr−ờng dều giữa hai tấm kim loại rộng, song song mang điện tích trái dấu có độ lớn bằng nhau. 1) Điện tích +q có thể di chuyển từ M đến N theo các con đ−ờng nào? Tính công của lực điện theo từng con đ−ờng ấy. So sánh kết quả. 2) Nếu điện tích q< 0 thì kết quả trên có thay đổi không? 3) Lực điện có phải là lực thế không?” D−ới sự trợ giúp của GV. Lời giải của HS nh− sau: Điện tích q đặt trong điện tr−ờng nên nó chịu tác dụng của lực điện: F qE= ur ur Vì c−ờng độ điện tr−ờng h−ớng từ bản d−ơng sang bản âm của hai tấm kim loại, do q>0nên lực điện F ur cũng h−ớng từ bản d−ơng sang bản âm, có cùng ph−ơng cùng chiều với véc tơ c−ờng độ điện tr−ờng E ur . Điện tích +q có thể di chuyển từ M đến N theo ba con đ−ờng: + Theo đ−ờng thẳng MN hợp với các đ−ờng sức điện một góc α: Dễ dàng suy ra: AMN =F MN cosα= qEd (d là hình chiếu của M và N trên một đ−ờng sức bất kì). + Theo đ−ờng gấp khúc MPN: AMPN=AMP+APN=qEd. + Theo đ−ờng cong: Dựa vào cách tính và kết quả nh− ở từng tr−ờng hợp trên, suy ra: AMN =ΣAi=qEd Từ các kết quả trên thu đ−ợc: Công của lực điện làm điện tích +q di chuyển từ điểm M đến điểm N trong điện tr−ờng là: AMN = qEd - Với q< 0 t−ơng tự nh− cách tính ở trên kết quả thu đ−ợc không thay đổi. Điều đó chứng tỏ: Công của lực điện tác dụng lên một điện tích không phụ thuộc dạng đ−ờng đi của điện tích mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của đ−ờng đi trong điện tr−ờng. - Lực điện là lực thế vì công của nó không phụ thuộc vào dạng đ−ờng đi của vật chịu tác dụng của lực điện, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối. 4. Nội dung trên đ−ợc chúng tôi tiến hành thực nghiệm s− phạm ở một số tr−ờng THPT thuộc các tỉnh, thành phố Hà Nội, Vĩnh Phúc. Kết quả cho thấy chất l−ợng học tập (hứng thú, kết quả bài kiểm tra,...) của HS lớp thực nghiệm cao hơn hẳn lớp đối chứng. Bên cạnh hai bài học trên, chúng tôi còn tiến hành thực nghiệm s− phạm với một số kiến thức trong bài học của ch−ơng trình vật lí THPT. Kết quả thu đ−ợc cũng t−ơng tự nh− trên. 5. Trong các SGK Vật lí tr−ờng THPT, đI có một số kiến thức mới đ−ợc rút ra trong quá trình giải BTVL. Tuy nhiên, vấn đề này còn ch−a đ−ợc các tác giả đề cập nhiều. Qua nghiên cứu và thực nghiệm, chúng tôi khẳng định: Cần chú ý nhiều hơn nữa đến việc hình thành kiến thức mới bằng giải bài tập nhằm nâng cao chất l−ợng dạy học bộ môn vật lí ở tr−ờng phổ thông. 4 Tài liệu tham khảo 1. L−ơng Quyên Bình (Tổng chủ biên kiêm Chủ biên) - Nguyễn Xuân Chi -Tô Giang - Trần Chí Minh - Vũ Quang - Bùi Gia Thịnh. Vật lí 10. NXB Giáo dục, 2006. 2. X. E. Camenetski, V. P. Ôrêkhôv. Ph−ơng pháp giải bài tập vật lí ở tr−ờng phổ thông. NXB Giáo dục, 1987 (Bản tiếng Nga). 3. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) - Phạm Quý T− (chủ biên) - L−ơng Tất Đạt - Lê Chân Hùng - Nguyễn Ngọc H−ng -Phạm Đình Thiết - Bùi Trọng Tuân - Lê Trọng T−ờng. Vật lí 10 Nâng cao. NXB Giáo dục, 2006.