Thực hành thí nghiệm vật lý phổ thông THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến Lớp: TN-K58, Khoa Vật Lý. Câu 09: Thuyết trình nội dung dạy học Đ31 SGKVL 10 nâng cao: “Định luật bảo toàn động lượng”, trong đó có sử dụng thí nghiệm với bộ thí nghiệm băng đệm khí và đồng hồ đo thời gian hiển thị số. * * * TÊN THÍ NGHIỆM: Định luật bảo toàn động lượng. 1. Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm nội dung định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp va chạm mềm của 2 vật, sử dụng bộ thí nghiệm bộ thí nghiệm băng đệm khí và đồng hồ đo thời gian hiển thị số. 2. Bố trí thí nghiệm: + Điều chỉnh cho băng đệm khí nằm ngang và lắp ống dẫn khí từ bơm nén vào băng. + Đặt hai cổng quang điện ở hai vị trí tùy ý trên băng đệm khí và nối chúng vào đồng hồ đo thời gian làm việc ở chế độ Timing I + Đặt xe trượt 1 có tấm dính ở đầu xe và đã được lắp thanh cản quang lên một đầu của băng đệm khí, còn xe trượt 2 cũng có tấm dính ở đầu xe được đặt ở khoảng giữa của 2 cổng quang điện. 3. Tiến hành thí nghiệm: + Cho bơm nén khí và đồng hồ đo thời gian hoạt động. Đẩy nhẹ xe 1 để nó chuyển động, quan sát hiện tượng diễn ra và lần lượt đọc trên đồng hồ hiện số các thông số khoảng thời gian t và t’ đẻ kiểm nghiệm các hệ quả đã rút ra + Lặp lại thí nghiệm để kiểm nghiệm định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp xe 1 có khối lượng gấp đôi hoặc bằng nửa khối lượng xe 2. 6. Tiến trình sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức: Định luật bảo toàn động lượng a. Mục tiêu dạy học: 1. Kiến thức: - Nắm được khái niệm hệ kín. Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến. Lớp TN-K58, Khoa Vật Lý Trang 1 Thực hành thí nghiệm vật lý phổ thông - Nắm vững định nghĩa động lượng và nội dung cuả định luật bảo toàn động lượng áp dụng cho hệ kín. 2. Kỹ năng: - Nhận biết hệ vật, hệ kín, khái niệm động lượng, điều kiện áp dụng được định luật bảo toàn động lượng. - Bíêt vận dụng định luật để giải một số bài toán tìm động lượng và áp dụng định luật bảo toàn động lượng. - Đề xuất được phương án thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng. b. Vấn đề cần giải quyết: Động lượng của một hệ kín trước và sau khi va chạm có mối quan hệ với nhau như thế nào? c. Đề cương tiến trình: * Hoạt động 1: Tìm hiểu khái niệm hệ kín: Hoạt động của giáo viên Hoạt dộng của học sinh - Thông báo khái niệm hệ kín: Một hệ vật gọi là hệ kín nếu chỉ có các vật trong hệ tương tác lẫn nhau (gọi là nội lực) mà không có tác dụng của những lực từ bên ngoài (gọi là ngoại lực), hoặc nếu có thì phải triệt tiêu lẫn nhau. - Hệ gồm một vật và Trái đất có phải là hệ kín không?. - Thông báo: Thực tế không có hệ kín tuyệt đối. Một hệ có thể coi là kín khi mà nội lực rất lớn so với ngoại lực. - Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. * Hoạt động 2: Tìm hiểu các định luật bảo toàn. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến. Lớp TN-K58, Khoa Vật Lý Trang 2 Thực hành thí nghiệm vật lý phổ thông Bài toán: Một viên bi khối lượng m lăn không ma sát từ đỉnh một máng nghiêng cao h với vận tốc ban đầu bằng không. Xác định vận tốc của viên bi tại chân máng. - Thông báo: Ngoài phương pháp động lực học, chúng ta còn có thể giải các bài toán cơ học bằng một phương pháp khác, là phương pháp sử dụng các định luật bảo toàn. - Thông báo: Đại lượng bảo toàn là đại lượng không thay đổi theo thời gian. - Thông báo: Định luật bảo toàn là định luật cho biết đại lượng vật lý nào bảo toàn. Các định luật bảo toàn là các định luật tổng quát trong tự nhiên, có vai trò rất quan trọng trong đời sống. - Không giải được theo phương pháp động lực học: Vì máng không phẳng, lực tác dụng vào viên bi luôn thay đổi trong quá trình viên bi lăn trên máng. - Tiếp thu các thông báo. * Hoạt động 3: Xây dựng khái niệm động lượng. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Bài toán: Xét một viên bi lăn từ mặt phẳng nghiêng với các độ cao khác nhau và va chạm vào một miếng gỗ. Khúc gỗ sẽ chuyển động như thế nào? - Như vậy dưới tác dụng của lực F (do viên tác dụng) trong thời gian t ∆ , vận tốc của khúc gỗ thay đổi thế nào? - Theo định luật II Niu-tơn ta được điều gì? - Tức là ta có: vmvmtF −=∆ ' - Thông báo: Vế trái F t∆ r gọi là xung của lực, vế phải là độ biến thiên của đại lượng vm gọi là động lượng p của vật - Yêu cầu học sinh phát biểu định nghĩa động Quan sát và trả lời: Khúc gỗ chuyện động nhanh chậm khác nhau trong mỗi trường hợp - Vận tốc của khúc gỗ thay đổi từ v  thành v ' r và thu được gia tốc: v ' v a t − = ∆ r r r t vv mF ∆ − = ' . - Tiếp thu các thông báo. Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến. Lớp TN-K58, Khoa Vật Lý Trang 3 h Thực hành thí nghiệm vật lý phổ thông lượng, viết biểu thức và nêu đơn vị. Từ biểu thức của động lượng ta thấy hướng của vec-tơ động lượng như thế nào? - Thông báo: Động lượng là đại lượng đặc trưng cho sự truyền chuyển động giữa các vật tương tác. Khi một vật chịu tương tác thì động lượng của nó thay đổi. Động lượng của một vật là đại lượng đo bằng tích số giữa khối lượng và vận tốc của vật. Biểu thức: p = vm Đơn vị: kg.m/s Động lượng cùng hướng vec-tơ vận tốc của vật - Tiếp thu thông báo * Hoạt động 4: Xây dựng định luật bảo toàn động lượng bằng con đường lý thuyết. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh - Động lượng của một hệ kín trước và sau khi va chạm có mối quan hệ với nhau như thế nào? Bài toán: Cho hệ kín gồm 2 vật tương tác với nhau. Vận tốc ban đầu của 2 vật là 1 v r và 2 v . r Sau thời gian tương tác là t∆ , vận tốc biến đổi thành ' 1 v r và ' 2 v . r • Xác định độ biến thiên động lượng của 2 vật • So sánh độ biến thiên động lượng của 2 vật • So sánh tổng động lượng của hệ trước và sau khi va chạm Có thể gợi ý cho học sinh: Sử dụng định luật II và định luật III Niu-tơn. Kết luận: Tổng động lượng của hệ trước và sau khi va chạm không thay đổi. * )'( 1111 vvmp −=∆ )'( 2222 vvmp −=∆ * Theo định luật II Newton có: t vv m t v mamF ∆ − = ∆ ∆ == 1 ' 1 1 1 1111 t vv m t v mamF ∆ − = ∆ ∆ == 2 ' 2 2 2 2222 Theo định luật III Newton: 21 FF −= Do vậy: )'()'( 222111 vvmvvm −=− (1) Hay: 21 pp ∆=∆ * Biến đổi (1) ta có: ' 22 ' 112211 vmvmvmvm +=+ Suy ra: '' 2121 pppp +=+ Hay: 'pp = Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến. Lớp TN-K58, Khoa Vật Lý Trang 4 Thực hành thí nghiệm vật lý phổ thông * Hoạt động 5: Kiểm nghiệm định luật bảo toàn động lượng bằng thực nghiệm. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh - Như vậy là từ lý thuyết chúng ta đã chứng minh được tổng động lượng của hệ trước và sau khi va chạm không thay đổi. Tuy nhiên để nó trở thành một kiến thức khoa học thì ta cần phải kiểm nhiệm lại bằng thực nghiệm. Các em hãy đề xuất một phương án thí nghiệm để kiểm nghiệm nội dung của định luật này. - Phân tích các phương án mà học sinh đưa ra: Trong phương án này, việc dùng thước kẻ và đồng hồ bấm giờ để xác định vận tốc của 2 viên bi là đúng vì muốn đo vận tốc ta phai đo quáng đường và thời gian. Nhưng trong trường hợp này đo vận tốc của 2 viên bi trong 2 giai đoạn là rất khó và kém chính xác. Các em có phương án khác không? - Như vậy là chúng ta sẽ kiểm nghiệm định luật trong trường hợp va chạm mềm. Sau đó giới thiệu bộ thí nghiệm đệm khí và đồng hồ đo thời gian hiển thị số (Nói qua vì học sinh đã biết bộ thí nghiệm này ở các bài học trước). - Theo các em thì chúng ta phải bố trí và làm thí nghiệm như thế nào? - Bây giờ chúng ta cùng tiến hành thí nghiệm: - Suy nghĩ và đưa ra phương án: Cho 2 viên bi lăn đến và va chạm với nhau, dùng thước kẻ và đồng hồ bấm giờ để xác định vận tốc của các biên bi trước và sau va chạm. Từ đó ta tính động lượng của hệ trước và sau va chạm. - Cho một viên bi lăn tới va chạm vào một viên bi đang đứng yên, và làm thế nào đó để sau khi va chạm 2 viên bi lăn cùng vận tốc. - Đặt hai cổng quang điện ở hai vị trí tùy ý trên băng đệm khí và nối chúng vào đồng hồ đo thời gian làm việc ở chế độ Timing I - Đặt xe trượt 1 có tấm dính ở đầu xe và đã được lắp thanh cản quang lên một đầu của băng đệm khí, còn xe trượt 2 cũng có tấm dính ở đầu xe được đặt ở khoảng giữa của 2 cổng quang điện. - Cho bơm nén khí và đồng hồ đo thời gian hoạt động. Đẩy nhẹ xe 1 để nó chuyển động, lần lượt đọc trên đồng hồ hiện số các thông số khoảng thời gian t và t’. Dùng cân để đo khối lượng 2 xe, dùng đước đo bề rộng thanh cản quang để kiểm nghiệm định luật trong trường hợp này. Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến. Lớp TN-K58, Khoa Vật Lý Trang 5 Thực hành thí nghiệm vật lý phổ thông (Để tiết kiệm thời gian, giáo viên làm thí nghiệm và yêu cầu học sinh đọc số liệu. Có thể lặp lại thí nghiệm để kiểm nghiệm định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp xe 1 có khối lượng gấp đôi hoặc bằng nửa khối lượng xe 2). - Khi đã có số liệu, yêu cầu học sinh tính toán động năng của hệ trước va chạm và sau va chạm. So sánh 2 giá trị này. - Nhận xét: Trong phạm vi sai số, kết quả thí nghiệm cho thấy tổng động lượng của hệ trước va chạm và sau va chạm là không đổi. Như vậy định luật đã được kiểm nghiệm là đúng. - Yêu cầu học sinh phát biểu định luật. - Đọc và ghi lại các số liệu. - Tính toán và nhận xét. - Vec tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn * Hoạt động 6: Củng cố bài học và ra yêu cầu nhiệm vụ học tập tiếp theo. Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh - Nhắc lại khái niệm hệ kín, khi nào một hệ có thể coi là hệ kín. - Nhắc lại khái niệm động lượng - Nhắc lại nội dung định luật bảo toàn động lượng. - Yêu cầu học sịnh về nhà làm các bài tập 1, 2, 3, 4 và 5 trong SGK Sinh viên: Nguyễn Chí Hiến. Lớp TN-K58, Khoa Vật Lý Trang 6 . được định luật bảo toàn động lượng. - Bíêt vận dụng định luật để giải một số bài toán tìm động lượng và áp dụng định luật bảo toàn động lượng. - Đề xuất. Đại lượng bảo toàn là đại lượng không thay đổi theo thời gian. - Thông báo: Định luật bảo toàn là định luật cho biết đại lượng vật lý nào bảo toàn. Các