Luận văn Xây dựng và hướng dẫn học sinh giải các bài tập vật lí thực tế vào dạy học chương 4 “các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 cơ bản

t tăng, vật sinh công âm, ngoại lực tác dụng lên vật sinh công dương” Bổ sung thêm một số hình ảnh minh họa. 2.1.3.5. Bài 26 “Thế Năng” 1. Mục tiêu a. Kiến thức Phát biểu được định nghĩa trọng trường, trọng trường đều. Viết được biểu thức trọng lực của một vật p= mg, trong đó g là gia tốc của vật chuyển động tự do trong trọng trường đều. Phát biểu được định nghĩa và viết được biểu thức của thế năng trọng trường (hay thế năng hấp dẫn). Định nghĩa được mốc tính thế năng. Phát biểu được định nghĩa và viết được biểu thức của thế năng đàn hồi. b. Kỹ năng Vận dụng công thức thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi để giải các bài tập tương tự như các bài tập trong SGK. 2. Phân tích và nhận xét a. Phân tích Thế năng Thế năng trọng trường Thế năng đàn hồi Định nghĩa Biểu thức Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực Trọng trường Công của lực đàn hồi 62 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc nội dung bài 26 “Thế năng”. Bài này có 2 phần chính Phần 1: SGK xây dựng đại lượng thế năng trọng trường Mở đầu, SGK xây dựng khái niệm về trọng trường và trọng trường đều để làm nền tảng để SGK xây dựng các kiến thức tiếp theo. Tiếp đó, SGK xây dựng định nghĩa thế năng trọng trường bằng cách khái quát một số ví dụ trong thực tế. Sau đó để xây dựng biểu thức của thế năng trọng trường, SGK tính công của trọng lực khi một vật rơi từ độ cao z và định nghĩa giá trị công đó chính là thế năng của vật. Tiếp đó, SGK xây dựng mối liên hệ giữa thế năng và công của trọng lực và nêu ra một số hệ quả của quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường. Phần 2: SGK xây dựng đại lượng thế năng đàn hồi Mở đầu, SGK cũng xây dựng công thức tính công của lực đàn hồi, sau đó định nghĩa thế năng đàn hồi là công của lực đàn hồi. b. Nhận xét  Ưu điểm SGK có đặt vấn đề khi bắt đầu vào bài mới để kích thích quá trình tư duy của học sinh. Các đề mục trong SGK trình bày lôgic, dẫn dắt vấn đề hợp lí, xuất phát từ các ví dụ thực tế sau đó tổng quát thành các kiến thức. Các câu hỏi nhỏ C1, C2, C3 và một số ví dụ được đưa vào rất thích hợp, giúp học sinh vận dụng ngay những kiến thức vừa mới học. Hình ảnh minh họa hợp lí  Khuyết điểm SGK đưa ra “công A = P.z = mgz được định nghĩa là thế năng của vật”, sau đó phần I.3 là “liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực” có mâu thuẫn với nhau. 2.1.3.6. Bài 27 “Cơ năng” 1. Mục tiêu 63 a. Kiến thức Viết được công thức tính cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường. Phát biểu được “Định luật bảo toàn cơ năng” của một vật chuyển động trong trọng trường. Viết được công thức tính cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi của lò xo Phát biểu được “Định luật bảo toàn cơ năng” của một vật chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi của lò xo b. Kỹ năng Thiết lập được công thức tính cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường. Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng của một vật chuyển động trong trọng trường để giải một số bài toán đơn giản. 2. Phân tích và nhận xét a. Nhận xét Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc nội dung bài 27 “Cơ năng”. Bài này có 2 phần chính Phần 1: SGK xây dựng cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường Mở đầu, SGK đưa ra định nghĩa cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường. Sau đó, SGK xây dựng sự bảo toàn cơ năng bằng cách áp dụng công thức Cơ năng Cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường Cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi Định nghĩa Sự bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường Hệ quả 64 tính độ biến thiên động năng và công thức tính công của trọng lực khi một vật có khối lượng m chuyển động trong trọng trường từ M đến N. Cuối cùng, SGK nêu lên một số hệ quả trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường. Phần 2: SGK xây dựng cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi SGK không chứng minh như đã làm với cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường mà đưa ra thẳng cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi. Sau đó, SGK đưa ra chú ý quan trọng về điều kiện áp dụng định luật bảo toàn cơ năng và độ biến thiên của cơ năng. b. Nhận xét  Ưu điểm SGK có đặt vấn đề khi bắt đầu vào bài mới để kích thích quá trình tư duy của học sinh. Các đề mục trong SGK trình bày lôgic, dẫn dắt vấn đề hợp lí. Hình ảnh minh họa hợp lí Các câu hỏi nhỏ C1, C2, C3 và một số ví dụ được đưa vào rất thích hợp, giúp học sinh vận dụng ngay những kiến thức vừa mới học. SGK có thêm một mục phụ “Em có biết?” giúp học sinh hiểu thêm những của kiến thức đã học được ứng dụng như thế nào trong cuộc sống và kỹ thuật (ứng dụng vào thủy điện để cung cấp năng lượng cho quốc gia)  Khuyết điểm SGK đã đưa vào nhiều hình ảnh minh họa nhưng còn thiếu hình ảnh minh họa cho cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi. Do đó, SGK nên bổ sung thêm hình ảnh cho phần kiến thức này. SGK chưa đi sâu vào độ biến thiên cơ năng, vì trong thực tế vật còn chịu tác dụng của những lực không phải lực thế. Do đó, SGK nên đi sâu hơn phần này. 2.2. Xây dựng hệ thống các bài tập vật lí thực tế chương 4 “Các định luật bảo toàn”_vật lí 10 CB và phương pháp giải từng bài cụ thể. 2.2.1. Xây dựng hệ thống các bài tập vật lí thực tế chương 4 “Các định luật bảo toàn” _ Vật lí 10 CB 65 2.2.1.1. Bài tập Động lượng - Định luật bảo toàn động lượng BTTT 1. Bạn cùng với Việt đang chơi trượt ván. Bạn đang chạy với vận tốc có độ lớn 5 m/s thì nhảy lên một tấm ván trượt đã được đặt trước đó cách bạn 5m. Vì yêu thích môn vật lí nên bạn muốn biết vận tốc mình sau khi nhảy lên ván trượt và trượt đi. Biết bạn nặng 40kg và tấm ván trượt nặng 4,4 kg. BTTT 2. Công việc của bạn là một nhà tư vấn kĩ thuật cho một hãng phim hoạt hình để kiểm tra tính chính xác khoa học trong phim hoạt hình. Trong kịch bản một chú cá mập con khoảng 5 kg, đang bơi với vận tốc 1,8 m/s thì thấy một chú cá nhỏ đang đứng yên. Chú cá mập liền há miệng nuốt chú cá nhỏ. Ước lượng chú cá nhỏ khoảng 0,1kg. Bạn được yêu cầu tính toán xem, trong cảnh phim này, ngay sau bữa ăn đó chú cá mập con sẽ bơi với vận tốc là bao nhiêu thì hợp với khoa học. BTTT 3. Bạn được yêu cầu hỗ trợ cảnh sát biển để giúp xác định khu vực tìm kiếm 2 con tàu bị chìm. Theo tin tức đưa về, một con tàu du lịch sang trọng nặng 40000 tấn di chuyển theo hướng tây với tốc độ 4 m/s tại một vùng biển yên tĩnh. Do bị màn sương dày đặc che khuất, tàu đã đâm vào một chiếc tàu chở hàng nặng 60000 tấn đang di chuyển theo hướng bắc với vận tốc 2,1 m/s. Tin tức cho biết rằng, khoang hàng hóa bị xuyên thủng, 2 chiếc tàu dính vào nhau và cùng chìm xuống dưới biển. BTTT 4. Bạn làm việc trong phòng thí nghiệm của viện khoa học quốc gia và đang thử nghiệm thiết bị mới. Công việc đầu tiên là kiểm tra phạm vi bắn của một khẩu súng nhỏ, tức là phải biết được vận tốc đạn rời khỏi súng. Súng bạn đang thử nghiệm có khối lượng 1,2 kg và đạn có khối lượng 20g. Sau khi bắn, bạn đo được vận tốc giật lùi của súng là 60 m/s. BTTT 5. Bạn có công việc làm thêm trong một đoàn làm phim. Bạn đang tham gia hỗ trợ kĩ thuật trong một bộ phim. Trong kịch bản, một xe ô tô khối lượng 3 tấn đang chạy dưới trời mưa với vận tốc 45 km/h thì bất ngờ đụng vào một xe máy khối lượng 100 kg đang chạy với vận tốc 40 km/h theo phương vuông góc ở một ngã tư. Sau khi đụng xe máy bị lôi đi cùng với xe ô tô. Bạn được ông chủ yêu cầu xác định 66 vận tốc và hướng chuyển động của 2 xe sau va chạm để chuẩn bị cho công tác dựng cảnh. BTTT 6. Sau giờ tan học, bạn đạp xe đạp về nhà. Khi bạn đang chạy trên đường, thì một người bạn chạy song song ngang với bạn bỗng nhiên nhảy lên xe. Sau đó, xe và người tiếp tục chuyển động theo phương cũ. Vì yêu thích môn vật lí, nên bạn muốn biết vận tốc của xe sau khi bạn mình nhảy lên. Bạn ước tính bạn và xe là 55 kg, đang chạy với vận tốc 3m/s và bạn của bạn 50kg chạy bộ với vận tốc 4m/s. BTTT 7. Trong giờ học quân sự, bạn được thầy giới thiệu về súng AK47, học về cách bắn súng. Bạn biết rằng sau khi bắn súng sẽ giật lùi về phía sau, như vậy để giữ súng được chắc chắn bạn phải tì súng vào vai và bạn tự hỏi vai sẽ chịu một lực ép là bao nhiêu khi bắn. Qua giờ học bạn biết được súng bắn với vận tốc 600 viên/ phút, mỗi viên đạn có khối lượng 10g và vận tốc rời khỏi nòng súng 710m/s. BTTT 8. Cuối tuần bạn cùng với nhóm bạn của mình đi cắm trại gần một bờ hồ. Vì thích đi bơi thuyền nên bạn đã chèo thuyền ra giữa hồ. Bạn dừng chèo và thuyền đứng yên trên mặt nước yên tĩnh, bạn bắt đầu di chuyển từ phía đuôi thuyền lên mũi thuyền để chụp một vài tấm ảnh. Trong lúc di chuyển, bạn thấy thuyền trôi ngược lại chiều bạn bước đi. Vì bạn rất thích tìm hiểu và khám phá các hiện tượng tự nhiên nên bạn muốn biết khi bạn bước đi trên thuyền, thì tốc độ trôi của thuyền là bao nhiêu và bạn bắt đầu đo thời gian đi từ đuôi thuyền đến mũi thuyền hết 2,5s. Biết được chiếc thuyền này dài 2m và có khối lượng 140kg. 2.2.1.2. Bài tập về công – công suất BTTT 9. Bạn được thuê để thiết kế động cơ của một cầu thang cuốn trong một siêu thị. Bạn cần tính toán công suất của động cơ này để cầu thang cuốn có thể mang 20 người (khối lượng trung bình mỗi người là 50 kg) từ tầng trệt lên tầng trên cách nhau 6 m theo phương thẳng đứng trong thời gian 1 phút. BTTT 10. Bạn là một kỹ sư làm việc cho một công ty sản xuất động cơ. Bạn đang nghiên cứu thiết bị động cơ mới và muốn biết hiệu suất làm việc của động cơ này. Bạn thử nghiệm cho động cơ kéo một vật có trong lượng 12000 N lên cao 30 m 67 theo phương thẳng đứng thì mất 90 giây. Cho biết động cơ có công suất tiêu thụ bằng 5 kW. BTTT 11. Bạn vừa mua một cái máy bơm mới để thay cho cái bơm cũ đã hư ở nhà. Máy bơm bạn mua có công suất 125W. Bạn muốn kiểm tra hiệu suất thực tế của máy bơm. Bạn cho máy bơm hoạt động để bơm nước lên độ cao 8m trong 30 phút thì nước đầy bể, biết bể có thể tích 2mP3 P. BTTT 12. Bạn đang cùng một nhóm đồng nghiệp lắp đặt thang máy cho một tòa nhà. Một buồng thang máy khối lượng 1 tấn. Khi chuyển động thang máy chịu lực cản không đổi là 4.10P3 PN. Công việc của bạn là xác định trọng lượng tối đa mà thang máy này chở thêm được. Biết thang máy đưa người lên cao với vận tốc 3m/s và động cơ có công suất là 64920 W. Lấy g = 9,8 m/sP2 P. BTTT 13. Sau chuyến đi tham quan nhà máy thủy điện Trị An, bạn được yêu cầu viết bài thu hoạch, trong đó có câu tính công suất thiết kế của nhà máy thủy điện. Qua báo cáo của người hướng dẫn, bạn biết được nhà máy thủy điện có 4 tổ, lưu lượng chạy máy ở công suất định mức cho mỗi tổ là 220 mP3 P/s, cột nước tính là 53m. 2.2.1.3. Bài tập Định luật bảo toàn cơ năng BTTT 14. Bạn là một vận động viên lái xe mô tô địa hình, đang chuẩn bị cho buổi trình diễn mô tô bay. Trong buổi trình diễn, bạn cho mô tô chạy lên một dốc dài 20m nghiêng 20 P0 P so với phương ngang. Sau đó, mô tô bốc khỏi dốc và bay lên không trung. Bạn muốn phá kỉ lục lần trước là sẽ bay lên không trung ở độ cao 31,2 m. Như vậy, bạn phải tính toán vận tốc ban đầu cần đạt được trước khi lên dốc. BTTT 15. Bạn đang làm việc cùng với một nhóm thiết kế để xây dựng một cầu trượt trong công viên nước. Cầu trượt AB được thiết kế sao cho sau khi trượt từ đầu A, người trượt sẽ rời đầu B theo phương ngang sau đó chạm mặt nước ở điểm C cách B 5m theo phương ngang. Yêu cầu thời gian từ khi rời B cho đến C chỉ bằng 0,5 giây. Như vậy, bạn cần tính toán xem cầu trượt phải được xây cao bao nhiêu để đảm bảo được các yêu cầu trên. 68 BTTT 16. Bạn đang tham gia cổ vũ cho một người bạn trong một buổi biểu diễn trượt ván. Trước khi biểu diễn, bạn của bạn đã thử trượt lên mặt cong với vận tốc có độ lớn là v thì trọng tâm của người bạn này có độ cao cực đại là 2,8 m đối với mặt đất. Nhưng bạn của bạn mong muốn có thể lên tới độ cao lớn nhất là 3,4 m. Vì biết bạn giỏi về vật lí, nên bạn của bạn đã nhờ bạn giúp đỡ xác định vận tốc lúc bắt đầu trượt lên mặt cong phải đạt giá trị nào mới có thể đạt được độ cao mong muốn? BTTT 17. Vì bạn học rất giỏi môn vật lí, nên bạn đã có một công việc phụ giúp trong phòng thí nghiệm khoa học quốc gia. Bạn được yêu cầu xác định vận tốc của một viên đạn mới. Để xác định vận tốc v của viên đạn có khối lượng 10g đang bay theo phương ngang bạn phải dùng “con lắc thử đạn”, đó là một túi cát có khối lượng 1 kg được treo nằm yên. Sau khi bắn viên đạn vào trong túi cát, đạn nằm trong túi cát, túi cát nâng lên độ cao 0,45m so với vị trí cân bằng. 2.2.1.4. Bài tập Định lí biến thiên động năng BTTT 18. Trên đường đi học về, bạn đã chứng kiến một vụ tại nạn khủng khiếp dưới trời mưa to khi băng ngang qua một đại lộ. Một chiếc xe máy vừa dừng đèn đỏ thì một chiếc ô tô bất ngờ từ phía sau lao tới đâm vào xe máy, hai xe cùng chuyển động với nhau được một khoảng thì dừng lại. Qua tin tức bạn biết được người tài xế ô tô lái xe với tốc độ 24 m/s đang say rượu và do trời mưa to nên nhìn không rõ đường. Chiếc xe máy gần như vỡ nát. Bạn tự hỏi trong khi va chạm chiếc xe máy đã nhận một năng lượng là bao nhiêu? Qua tìm hiểu bạn biết chiếc ô tô cho khối lượng 1100kg và chiếc xe máy có khối lượng 100kg. BTTT 19. Trong giờ thể dục học môn đẩy tạ, bạn đẩy một quả tạ 4kg theo phương ngang, tạ rơi xuống mặt cát cách vị trí ném 8m và lún xuống cát khoảng 6 cm. Vì yêu thích vật lí nên bạn muốn biết lực cản trung bình của cát. Biết khi bắt đầu đẩy tạ nằm ngang vai có độ cao khoảng 1,4m. 2.2.1.5. Bài tập Thế năng đàn hồi BTTT 20. Bạn có một công việc làm thêm trong một nhóm tổ chức sự kiện. Bạn đang tham gia thiết kế một buổi giới thiệu mẫu ô tô mới. Trong buổi giới thiệu 69 này, chiếc xe sẽ được trưng bày trên một sàn đỡ bởi các lò xo giống nhau. Biết mỗi lò xo sẽ bị nén một đoạn 5cm và khi bị nén lò xo sẽ tích trữ một thế năng tổng cộng là 100J. Như vậy, bạn cần xác định số lò xo dùng để đỡ chiếc ô tô mới này. Biết trọng lượng của chiếc xe là 16.10 P3 P N. 2.3. Phương pháp giải từng bài cụ thể 2.3.1 Phương pháp chung Hình 2.8: Sơ đồ các bước giải bài tập vật lí thực tế. 2.3.2 Định hướng giải từng bài cụ thể BTTT 1. Bạn cùng với Việt đang chơi trượt ván. Bạn đang chạy với tốc độ 5 m/s thì nhảy lên một tấm ván trượt đã được đặt trước đó cách bạn 5m. Vì yêu thích Tìm hiểu ngữ cảnh đề bài Tóm tắt đề bài, xác định mục đích và yêu cầu Phân tích hiện tượng: Phân tích các giai đoạn diễn biến của hiện tượng các đặc tính của hiện tượng Lập luận tư duy lôgic: Đưa ra giải pháp giải quyết bài tập Biện luận: Giải bài tập Tìm hiểu đề bài, nắm vững giả thuyết của đề Xác định khái niệm, định luật tương ứng Xác định đại lượng cần tìm Tại sao phải tìm đại lượng đó? Vẽ biểu đồ, sơ đồ nếu có Làm rõ bản chất Vật lí của các hiện tượng 70 môn vật lí nên bạn muốn biết vận tốc mình sau khi nhảy lên ván trượt và trượt đi. Biết bạn nặng 40kg và tấm ván trượt nặng 4,4 kg. Hướng dẫn giải và giải Bước 1: Tìm hiểu ngữ cảnh đề bài Bạn cùng với Việt đang chơi trượt ván. Bạn đang chạy với vận tốc có độ lớn 5 m/s thì nhảy lên một tấm ván trượt đã được đặt trước đó cách bạn 5m. Có sự va chạm giữa bạn và tấm ván trượt. Đơn giản hóa ngữ cảnh: bạn có khối lượng 40 kg chuyển động với vận tốc 5 m/s thì nhảy lên ván trượt có khối lượng 4,4 kg đang đứng yên. Tìm vận tốc sau khi nhảy lên tấm ván trượt. Bước 2: Tóm tắt đề bài, xác định mục đích, yêu cầu Khối lượng của bạn M = 40kg Vận tốc của bạn trước khi nhảy lên V = 5 m/s Khối lượng tấm ván trượt m = 4,4 kg Vận tốc ván trượt trước khi bạn nhảy lên là v = 0 (m/s) Mục đích: muốn biết vận tốc mình sau khi nhảy lên ván trượt và trượt đi. Đại lượng cần tìm: Vận tốc sau khi nhảy lên ván trượt v’ = ? (m/s) Bước 3: Phân tích hiện tượng Bạn đang chạy với vận tốc V nhảy lên tấm ván trượt và trượt đi với vận tốc v’. Xem chuyển động của bạn là chuyển động thẳng đều, hợp lực tác dụng lên hệ = 0. Vậy, hệ được xem là hệ kín. Sau khi nhảy lên ván trượt, chuyển động của bạn cùng ván trượt được coi là một vật, vậy đây là dạng va chạm mềm. Bước 4: Lập kế hoạch thực hiện Xét hệ gồm bạn và ván trượt là hệ kín. Động lượng của bạn trước khi nhảy lên ván trượt: pଵሬሬሬሬԦ ൌ M. VሬԦ Động lượng của ván trượt trước khi bạn nhảy lên: pଶሬሬሬሬԦ ൌ m. vሬԦ ൌ 0 Động lượng của hệ sau khi bạn nhảy lên: p′ሬሬሬԦ ൌ ሺM ൅mሻvᇱሬሬሬԦ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: pଵሬሬሬሬԦ ൅ pଶሬሬሬሬԦ ൌ p′ሬሬሬԦ 71 ⇒ M. vሬԦ ൌ ሺM ൅mሻvᇱሬሬሬԦ Bước 5: Giải và nhận xét kết quả Xét hệ gồm bạn và ván trượt là hệ kín. Động lượng của bạn trước khi nhảy lên ván trượt: pଵሬሬሬሬԦ ൌ M. VሬԦ Động lượng của ván trượt trước khi bạn nhảy lên: pଶሬሬሬሬԦ ൌ m. vሬԦ ൌ 0 Động lượng của hệ sau khi bạn nhảy lên: p′ሬሬሬԦ ൌ ሺM ൅mሻvᇱሬሬሬԦ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: pଵሬሬሬሬԦ ൅ pଶሬሬሬሬԦ ൌ p′ሬሬሬԦ ⇒ M. vሬԦ ൌ ሺM ൅mሻvᇱሬሬሬԦ Chọn chiều dương là chiều chuyển động lúc đầu, ta có: vᇱ ൌ ୑.୴୑ା୫ ൌ4,5 (m/s) Vậy, sau khi nhảy lên ván trượt, bạn trượt đi với vận tốc 4,5 m/s. Khi chúng ta vừa nhảy lên ván trượt khối lượng chúng ta tăng lên (thêm phần khối lượng tấm ván trượt) nên vận tốc sau khi nhảy lên nhỏ hơn vận tốc ban đầu. BTTT 2. Công việc của bạn là một nhà tư vấn kĩ thuật cho một hãng phim hoạt hình để kiểm tra tính chính xác khoa học trong phim hoạt hình. Trong kịch bản một chú cá mập con khoảng 5 kg, đang bơi với vận tốc 1,8 m/s thì thấy một chú cá nhỏ đang đứng yên. Chú cá mập liền há miệng nuốt chú cá nhỏ. Ước lượng chú cá nhỏ khoảng 0,1kg. Bạn được yêu cầu tính toán xem, trong cảnh phim này, ngay sau bữa ăn đó chú cá mập con sẽ bơi với vận tốc là bao nhiêu thì hợp với khoa học. Hướng dẫn giải và giải Bước 1: Tìm hiểu ngữ cảnh đề bài Ngữ cảnh của đề bài: bạn là một nhà tư vấn kĩ thuật cho một hãng phim hoạt hình để kiểm tra tính chính xác khoa học trong phim hoạt hình. Trong kịch bản một chú cá mập con khoảng 5 kg, đang bơi với vận tốc 1,8 m/s thì thấy một chú cá nhỏ đang đứng yên. Chú cá mập liền há miệng nuốt một chú cá. Ngữ cảnh vật lí là chú cá mập con khoảng 5 kg, đang bơi với vận tốc 1,8 m/s thì thấy một chú cá nhỏ đang đứng yên. Chú cá mập liền há miệng nuốt chú cá nhỏ. Có sự tương tác giữa 2 vật là chú cá mập và chú cá nhỏ. 72 Đơn giản hóa ngữ cảnh: chú cá mập con khoảng 5 kg, đang bơi với vận tốc 1,8 m/s thì thấy một chú cá nhỏ đang đứng yên. Chú cá mập liền há miệng nuốt chú cá. Xác định vận tốc chú cá mập ngay sau bữa ăn đó. Bước 2: Tóm tắt đề bài, xác định mục đích, yêu cầu Khối lượng cá mập M = 5kg Vận tốc trước khi há miệng nuốt cá con là v = 1,8 m/s Khối lượng chú cá con m = 0,1 kg Mục đích: tính toán xem, sau bữa ăn này chú cá mập con sẽ bơi với vận tốc là bao nhiêu? Đại lượng cần tìm: Vận tốc cá mập sau khi nuốt v’ = ? (m/s) Bước 3: Phân tích hiện tượng Sau khi cá mập nuốt cá con, chuyển động của cá mập và cá con được coi là một vật, vậy đây là dạng va chạm mềm. Xem lực cản của nước không đáng kể và chuyển động của chú cá mập trong nước là chuyển động thẳng đều, vậy hệ gồm cá mập và cá con được xem là hệ kín. Bước 4: Lập kế hoạch thực hiện Động lượng cá mập trước khi nuốt cá con: pሬԦ ൌ M. vሬԦ Động lượng cá mập sau khi nuốt cá con: p′ሬሬሬԦ ൌ ሺM ൅mሻv′ሬሬሬԦ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng, ta tìm được vận tốc của chú cá mập sau bữa ăn. Bước 5: Giải và nhận xét kết quả Xét hệ gồm chú cá mập + chú cá con là hệ kín Động lượng cá mập trước khi nuốt cá con: pሬԦ ൌ M. vሬԦ Động lượng cá mập sau khi nuốt cá con: p′ሬሬሬԦ ൌ ሺM ൅mሻv′ሬሬሬԦ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: pሬԦ ൌ pᇱሬሬሬԦ ⇒ M. vሬԦ ൌ ሺM ൅mሻv′ሬሬሬԦ Chọn chiều dương là chiều chuyển động ban đầu của chú cá mập, ta có vᇱ ൌ M. vM ൅m ൌ 1,5ሺ m s ሻ 73 Vậy sau bữa ăn, chú cá mập con bơi vói vận tốc 1,5 m/s. Chúng ta nhận thấy, sau khi nuốt cá con, khối lượng chú cá mập tăng lên nên vận tốc giảm. BTTT 3. Bạn được yêu cầu hỗ trợ cảnh sát biển để giúp xác định khu vực tìm kiếm 2 con tàu bị chìm. Theo tin tức đưa về, một con tàu du lịch sang trọng nặng 40000 tấn di chuyển theo hướng tây với tốc độ 4 m/s tại một vùng biển yên tĩnh. Do bị màn sương dày đặc che khuất, tàu đã đâm vào một chiếc tàu chở hàng nặng 60000 tấn đang di chuyển theo hướng bắc với vận tốc 2,1 m/s. Tin tức cho biết rằng, khoang hàng hóa bị xuyên thủng, 2 chiếc tàu dính vào nhau và cùng chìm xuống dưới biển. Hướng dẫn giải và giải Bước 1: Tìm hiểu ngữ cảnh đề bài Ngữ cảnh đề bài: hỗ trợ cảnh sát biển để giúp xác định khu vực tìm kiếm 2 con tàu bị chìm bằng cách xác định vận tốc sau va chạm. Ngữ cảnh vật lí: Do màn sương dày đặc che khuất, nên con tàu du lịch di chuyển theo hướng tây đã đâm vào chiếc tàu chở hàng di chuyển theo hướng bắc. Sau va chạm, 2 chiếc tàu dính vào nhau. Có sự va chạm giữa 2 vật là hai chiếc tàu. Đơn giản hóa đề bài: tàu thứ nhất có khối lượng 40000 tấn chuyển động với vận tốc 4 m/s đến va chạm mềm vào tàu thứ 2 có khối lượng 60000 tấn đang chuyển động với vận tốc 2,1 m/s. Tìm vận tốc 2 chiếc tàu sau va chạm. Bước 2: Tóm tắt đề bài, xác định mục đích, yêu cầu Khối lượng tàu du lịch là mR1R = 40000 tấn = 4.10P7 P kg Vận tốc tàu du lịch trước khi xảy ra va chạm là vR1R = 4 m/s Khối lượng tàu chở hàng là mR2R = 60000 tấn = 6.10P7P kg Vận tốc tàu chở hàng trước khi xảy ra va chạm là vR2R = 2,1 m/s Mục đích đề bài: Xác định khu vực tìm kiếm 2 con tàu bị chìm Đại lượng cần tìm là vận tốc 2 chiếc tàu sau va chạm là v’ = ? (m/s) Bước 3: Phân tích hiện tượng Sau va chạm hai chiếc tàu dính vào nhau và được coi là một vật, vậy đây là dạng va chạm mềm. 74 P2 P1 N T Đ B P Bỏ qua lực cản của nước, xem hai con tàu là chuyển động thẳng đều trên mặt biển, hệ gồm 2 chiếc tàu là một hệ cô lập. Bước 4: Lập kế hoạch thực hiện Động lượng của tàu du lịch trước va chạm: pଵሬሬሬሬԦ ൌ mଵ. vଵሬሬሬԦ Động lượng cùa tàu chở hàng trước va chạm: pଶሬሬሬሬԦ ൌ mଶ. vଶሬሬሬԦ Động lượng của hệ trước va chạm: pሬԦ ൌ pଵሬሬሬሬԦ ൅ pଶሬሬሬሬԦ Động lượng của hệ sau va chạm: p′ሬሬሬԦ ൌ ሺmଵ ൅ mଶሻvሬԦ Áp dụng dịnh luật bảo toàn động lượng Do 2 chiếc tàu chuyển động theo 2 phương vuông góc nên ta dùng phép cộng vectơ để tìm vận tốc của 2 chiếc tàu sau va chạm Bước 5: Giải và nhận xét kết quả Xét hệ gồm 2 chiếc tàu là hệ kín Động lượng của tàu du lịch trước va chạm: pଵሬሬሬሬԦ ൌ mଵ. vଵሬሬሬԦ Động lượng cùa tàu chở hàng trước va chạm: pଶሬሬሬሬԦ ൌ mଶ. vଶሬሬሬԦ Động lượng của hệ trước va chạm: pሬԦ ൌ pଵሬሬሬሬԦ ൅ pଶሬሬሬሬԦ Động lượng của hệ sau va chạm: p′ሬሬሬԦ ൌ ሺmଵ ൅ mଶሻvሬԦ Áp dụng dịnh luật bảo toàn động lượng: pሬԦ ൌ p′ሬሬሬԦ ⇒ pሬԦ ൌ pଵሬሬሬሬԦ ൅ pଶሬሬሬሬԦ Từ hình vẽ ta có: p ൌ ඥpଵଶ ൅ pଶଶ ൌ 0,204. 10ଽ kg.m/s Suy ra vận tốc sau va chạm là v ൌ ୮୫భା୫మ ൌ 2,04 m/s 75 Sau va chạm 2 chiếc tàu dính vào nhau và cùng chuyển động với vận tốc 10 m/s theo hướng Tây - Bắc, có phương hợp với hướng tây một góc: tanα ൌ pଶpଵ ൌ 0,7875 ⇒ α ൌ 38,22 ଴ BTTT 4. Bạn làm việc trong phòng thí nghiệm của viện khoa học quốc gia và đang thử nghiệm thiết bị mới. Công việc đầu tiên là kiểm tra phạm vi bắn của một khẩu súng nhỏ, tức là phải biết được vận tốc đạn rời khỏi súng. Súng bạn đang thử nghiệm có khối lượng 1,2 kg và đạn có khối lượng 20g. Sau khi bắn, bạn đo được vận tốc giật lùi của súng là 60 m/s. Hướng dẫn giải và giải Bước 1: Tìm hiểu ngữ cảnh đề bài Ngữ cảnh đề bài: Bạn làm việc trong phòng thí nghiệm của viện khoa học quốc gia và đang thử nghiệm thiết bị mới. Công việc đầu tiên là kiểm tra phạm vi bắn của một khẩu súng nhỏ, tức là phải biết được vận tốc đạn rời khỏi súng. Ngữ cảnh vật lí: Ban đầu, khi chưa bắn súng và đạn là một khối có khối lượng bằng tổng khối lượng của súng và đạn là 1,4 kg. Sau khi bắn bắn viên đạn bay về phía trước, vật lúc này tách thành 2 phần súng và đạn riêng biệt. Bước 2: Tóm tắt đề bài, xác định mục đích, yêu cầu Khối lượng của súng M = 1,2 kg Khối lượng của đạn m = 0,02 kg Vận tốc giật lùi của súng sau khi bắn V = 60 m/s Mục đích đề bài: xác định phạm vi khẩu súng khi được bắn. Đại lượng cần tìm: vận tốc đầu đạn sau khi bắn: v = ? (m/s) Bước 3: Phân tích hiện tượng Từ một khối (gồm súng với đạn) tách thành 2 vật súng và đạn, đây là dạng chuyển động bằng phản lực. Khi thuốc súng nổ, các khí sinh ra tác dụng lực lên đạn, đồng thời theo định luật III Niu-tơn, chúng tác dụng phản lực lên súng. Các lực này trực đối nhau từng đôi một. Hệ súng và đạn là hệ cô lập. Bước 4: Lập kế hoạch thực hiện 76 Khi chưa bắn, súng và đạn xem như đứng yên. Động lượng của súng trước khi bắn: pሬԦ ൌ ሺM ൅mሻ. 0 ൌ 0 Động lượng của súng sau khi bắn: p′ሬሬሬԦ ൌ M. VሬԦ ൅ m. vሬԦ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta tìm được vận tốc của đầu đạn vRđR Bước 5: Giải và nhận xét kết quả Xét hệ gồm súng + đạn Khi chưa bắn, súng và đạn xem như đứng yên. Động lượng của súng trước khi bắn: pሬԦ ൌ ሺM ൅mሻ. 0 ൌ 0 Động lượng của súng sau khi bắn: p′ሬሬሬԦ ൌ M. VሬԦ ൅ m. vሬԦ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: pሬԦ ൌ p′ሬሬሬԦ ⇒ M.VሬԦ ൅ m. vሬԦ ൌ 0