skkn tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hướng tâm ở lớp 10 theo hướng huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (749.04 KB, 26 trang )
A. MỞ ĐẦU
1/ Lý do chọn đề tài
Mục tiêu của giáo dục trong giai đoạn mới đã được chỉ rõ trong Nghị quyết của Hội
nghị Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khoá VIII: “Nhiệm vụ cơ bản của
giáo dục là nhằm xây dựng con người và thế hệ thiết tha gắn bó với lí tưởng độc lập dân tộc và
chủ nghĩa xã hội, có đạo đức trong sáng, có ý chí kiên cường xây dựng và bảo vệ Tổ quốc
công nghiệp hoá hiện đại hoá; giữ gìn và phát huy tiềm năng của dân tộc và con người Việt
Nam, có ý thức cộng đồng và phát huy tính tích cực cá nhân, làm chủ chi thức khoa học và
công nghệ hiện đại, có tư duy sáng tạo, có kỹ năng thực hành giỏi, có tác phong công nghiệp,
có tính tổ chức kỉ luật, có sức khoẻ, là những người thừa kế xây dựng chủ nghĩa xã hội vừa
hồng vừa chuyên như lời dặn của Bác Hồ”.
Để đạt được mục tiêu trên, nghành giáo dục đã có nhiều đổi mới cả về cơ sở vật chất
lẫn phương pháp dạy học cho phù hợp với thời đại và hoàn cảnh của đất nước ta. Một trong
những nội dung quan trọng của việc đổi mới phương pháp dạy học là đổi mới và đa dạng hoá
các hình thức tổ chức hoạt động học tập của học sinh, trong đó khẳng định vai trò không thể
thiếu của hoạt động học tập ngoài giờ lên lớp (hay hoạt động ngoại khoá). Nó không những
giúp củng cố những kiến thức đã học chính khoá mà còn giúp đào sâu, mở rộng kiến thức,
phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh. Đây là những điều mà học chính khoá không làm
được hoặc làm chưa tốt, chưa đầy đủ do điều kiện thời gian, phương tiện dạy học, nội dung
hay do sức ép thi cử …
Đối với bộ môn vật lí là một môn khoa học thực nghiệm, các khái niệm vật lí, các
định luật vật lí đều phải gắn với thí nghiệm . Thông qua thí nghiệm, những biểu tượng cụ thể
về sự vật và hiện tượng được hình thành ở học sinh mà không lời lẽ nào có thể mô tả đầy đủ
được. Trong thực hành, không những các kỹ năng thực hành như quan sát, sử dụng dụng cụ
vật lí, lắp ráp thí nghiệm, vẽ đồ thị, xác định sai số,... được rèn luyện, mà cả tư duy lí lôgic và
nhất là tư duy sáng tạo cũng được phát triển mạnh. Trong chương trình vật lí phổ thông, lực
hướng tâm ở lớp 10 nâng cao là một trong những nội dung kiến thức vật lí trừu tượng, có ứng
dụng rộng rãi trong thực tế đời sống và kỹ thuật. Tuy vậy, nội dung này trong chương trình
lớp 10 nâng cao chỉ bố trí học trong một tiết (Tiết 30), mà do điều kiện thời gian hạn chế và
thiết bị thí nghiệm đo lực hướng tâm chưa có, một số trường có bộ thí nghiệm minh hoạ của
Trung Quốc nhưng cũng có nhược điểm, ngay cả các thí nghiệm định tính đơn giản cũng chưa
được khai thác. Giáo viên lên lớp chủ yếu vẫn là dạy chay, mang tính giới thiệu và thông báo
thuần tuý, giờ học tự chọn thì giáo viên chủ yếu là hướng dẫn học sinh giải bài tập, học sinh
1
thụ động, kém hứng thú trong quá trình tiếp thu kiến thức. Những kiến thức về lực hướng tâm,
học sinh chưa nắm được bản chất, còn mắc nhiều sai lầm phổ biến, nhiều học sinh cho rằng
lực hướng tâm là một lực đặc biệt trong tự nhiên và đặc biệt là chưa vận dụng được kiến thức
đã học vào giải thích các hiện tượng vật lí và các ứng dụng kỹ thuật có liên quan, chưa phân
biệt được hiệu ứng li tâm, lực hướng tâm và lực quán tính li tâm.
Vì vậy để nâng cao kết quả học tập, phát huy tính tích cực, sáng tạo cho học sinh thì rất
cần tổ chức các hoạt động ngoại khoá về thí nghiệm.
Với những lý do trên, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “ Tổ chức hoạt động ngoại
khoá về lực hướng tâm ở lớp 10 theo hướng huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng
tạo của học sinh”.
2/ Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu việc tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hướng tâm cho học sinh lớp 10
nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh, tạo môi trường học tập hấp dẫn.
3/ Đối tượng nghiên cứu
Hoạt động dạy học ngoại khoá về lực hướng tâm trong chương trình vật lí 10.
Một số dụng cụ thí nghiệm về lực hướng tâm.
4/ Giả thuyết khoa học
Nếu tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hướng tâm với nội dung và hình thức đa
dạng, hấp dẫn, phương pháp dạy học phù hợp thì sẽ phát huy tính tích cực, sáng tạo của học
sinh, nâng cao hứng thú học tập, giúp củng cố, đào sâu, mở rộng kiến thức về lực hướng tâm.
5/ Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục đích nghiên cứu đề ra, đề tài có những nhiệm vụ sau:
+ Nghiên cứu lý luận về việc tổ chức hoạt động ngoại khoá bộ môn vật lí nhằm phát huy tính
tích cực, sáng tạo của học sinh, trong đó có việc nghiên cứu vai trò, vị trí của thí nghiệm vật lí
đối với việc phát triển năng lực sáng tạo của học sinh.
+ Tìm hiểu mục tiêu dạy học về kiến thức, kỹ năng theo chương trình vật lí 10 nâng cao, mục
tiêu về mặt hứng thú, kỹ năng, tư duy mà học sinh cần đạt được khi học về lực hướng tâm. Từ
đó, xác định được những thí nghiệm cần tiến hành về lực hướng tâm.
+ Tìm hiểu thực tế dạy học về lực hướng tâm, trong đó có tình hình thiết bị thí nghiệm phục vụ
dạy và học ở các trường THPT của huyện Yên Mô hiện nay, nhằm phát hiện những sai lầm
phổ biến của học sinh trong dạy học chính khoá kiến thức này, để có căn cứ xây dựng nội
dung, hình thức tổ chức, phương pháp dạy học ngoại khoá về lực hướng tâm cho học sinh.
+ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm và tiến hành các thí nghiệm về lực
hướng tâm với những dụng cụ đã chế tạo, là cơ sở hướng dẫn học sinh, hình dung các khó
2
khăn của học sinh trong quá trình chế tạo và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm.
+ Xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hướng tâm nhằm phát huy tính tích
cực, sáng tạo của học sinh, củng cố, mở rộng, khắc sâu kiến thức.
+ Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá tính khả thi của quy trình ngoại khoá đã soạn thảo và
bước đầu đánh giá hiệu quả của hoạt động ngoại khoá.
6/ Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được các nhiệm vụ nghiên cứu trên, chúng tôi sử dụng những phương
pháp nghiên cứu sau:
+ Nghiên cứu lý thuyết: đó là nghiên cứu các tài liệu về tâm lý học, giáo dục học, logic học,
phương pháp nghiên cứu khoa học, phương pháp dạy học vật lí, các tài liệu hướng dẫn tổ chức
hoạt động ngoại khoá về vật lí, các tài liệu hướng dẫn chế tạo dụng cụ thí nghiệm đơn giản,
chương trình, SGK,SGV, sách bài tập vật lý lớp 10.
+ Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm: nghiên cứu chế tạo hai dụng cụ thí nghiệm về lực
hướng tâm để hướng dẫn học sinh thiết kế, chế tạo.
+ Nghiên cứu thực tiễn: điều tra, khảo sát tình hình dạy học chính khoá về lực hướng tâm ở
một số trường THPT thuộc huyện Yên Mô; tiến hành thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính
khả thi của quy trình hoạt động ngoại khoá và hiệu quả của hoạt động ngoại khoá đã được xây
dựng.
7/ Đóng góp của đề tài
- Đã chế tạo được một bộ dụng cụ làm được 7 thí nghiệm từ các vật liệu đơn giản dễ
kiếm , với các phương án khác nhau về lực hướng tâm.
- Xây dựng được kế hoạch dạy học ngoại khoá (nội dung, phương pháp dạy học, quy
trình tổ chức) về lực hướng tâm đã được tiến hành thực nghiệm sư phạm nhằm phát huy tính
tích cực, sáng tạo của học sinh.
B. NỘI DUNG
I.
MỤC TIÊU DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ LỰC HƯỚNG TÂM TRONG
CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ LỚP 10 NÂNG CAO
Trước khi lập kế hoạch tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hướng tâm, để xây dựng
được nội dung ngoại khoá, hình thức tổ chức và phương pháp dạy học phù hợp, chúng tôi đã
tiến hành nghiên cứu chương trình vật lý lớp 10 nâng cao. Chúng tôi thấy khi dạy học các kiến
thức này, học sinh cần đạt được những mục tiêu sau:
1. Mục tiêu kiến thức
- Hiểu được khái niệm lực hướng tâm là một lực hoặc là lực tổng hợp của hai hay nhiều
lực cơ học ( lực hấp dẫn, lực đàn hồi, lực ma sát), lực hướng tâm không phải là một loại lực
3
đặc biệt trong tự nhiên.
- Hiểu được lực hướng tâm luôn hướng vào tâm của quỹ đạo cong (trường hợp đặc biệt
là chuyển động tròn); lực hướng tâm có tác dụng làm thay đổi hướng của véc tơ vận tốc của
vật chuyển động, gây ra gia tốc hướng tâm cho vật.
- Hiểu được biểu thức định lượng của lực hướng tâm là để giữ vật chuyển động với tốc
độ dài v hay tốc độ góc w trên quỹ đạo tròn có bán kính R cần tác dụng một lực hướng tâm có
m.v 2
độ lớn : Fht
hay Fht = mw2R.
R
- Phân biệt được lực hướng tâm, lực quán tính li tâm với hiệu ứng li tâm.
- Vận dụng những kiến thức này để giải được các bài tập và giải thích được các hiện
tượng vật lí (ví dụ: chuyển động của tàu lượn trong công viên,..) và những ứng dụng kỹ thuật
trong thực tế có liên quan (ví dụ: tại sao các cầu bắc qua sông thường làm cong lên, nguyên lý
hoạt động của máy li tâm sữa...).
2. Mục tiêu kỹ năng
- Biết cách sử dụng các dụng cụ thí nghiệm, biết cách lấy số liệu thí nghiệm trong quá
trình nghiên cứu chuyển động của một vật.
- Biết thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm về lực hướng tâm.
- Biết làm thí nghiệm và quan sát chuyển động của các vật, từ đó rút ra được biểu hiện
của lực hướng tâm trong các hiện tượng thực tế.
- Biết cách khảo sát độ lớn của lực hướng tâm thông qua các đại lượng như khối lượng,
tốc độ quay, bán kính quỹ đạo.
- Biết xử lý số liệu, phân tích kết quả thí nghiệm.
3. Mục tiêu về thái độ
- Có hứng thú học vật lí nói chung và các kiến thức về lực hướng tâm nói riêng, yêu
thích tìm tòi khoa học; trân trọng đối với những đóng góp của vật lí học cho sự tiến bộ của xã
hội và đối với công lao của các nhà khoa học.
- Có thái độ khách quan, trung thực; có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác và có tinh
thần hợp tác trong học tập cũng như trong việc áp dụng những kiến thức về lực hướng tâm.
- Có ý thức vận dụng những kiến thức về lực hướng tâm vào đời sống.
II. ĐIỀU TRA TÌNH HÌNH DẠY HỌC VỀ LỰC HƯỚNG TÂM TRONG CHƯƠNG
TRÌNH VẬT LÍ LỚP 10 Ở MỘT SỐ TRƯỜNG THPT CỦA HUYỆN YÊN MÔ - NINH
BÌNH
1. Mục đích điều tra
Tìm hiểu thực tế tình hình dạy học về lực hướng tâm ở một số trường THPT, đối chiếu
với mục tiêu dạy học trong chương trình vật lý 10 để phát hiện những điểm còn hạn chế cả về
4
phương pháp và phương tiện dạy học, những khó khăn của giáo viên, những sai lầm phổ biến
của học sinh khi dạy học phần này. Đây là một căn cứ xây dựng nội dung, hình thức tổ chức
và dự kiến phương pháp dạy học ngoại khoá nhằm củng cố, mở rộng kiến thức, phát huy tính
tích cực, sáng tạo của học sinh.
2. Phương pháp điều tra
- Điều tra giáo viên và học sinh: điều tra bằng phiếu, trao đổi trực tiếp, dự giờ lên lớp,
qua bài kiểm tra.
- Tham quan phòng thí nghiệm vật lí để tìm hiểu về tình hình các trang thiết bị thí
nghiệm phục vụ dạy học phần này.
3. Đối tượng điều tra
- Một số giáo viên vật lí và học sinh ở bốn trường THPT ở huyện Yên Mô
- Phòng thí nghiệm vật lí của bốn trường THPT nêu trên.
4. Kết quả điều tra
a/ Tình hình giáo viên và phương pháp dạy học
* Tình hình giáo viên: Giáo viên của các trường đều được đào tạo chính quy tập trung
tại các trường đại học sư phạm Hà Nội, trường đại học sư phạm Hà Nội II, ĐHSP Vinh Nhiều
GV có trình độ chuyên môn tốt, có kinh nghiệm giảng dạy, tâm huyết với nghề. Một số giáo
viên trẻ tuy chưa nhièu kinh nghiệm giảng dạy nhưng có trình độ chuyên môn vững, nhiệt tình,
yêu nghề và nắm được lí luận về phương pháp dạy học mới.
* Phương pháp dạy học:
Qua việc tổng hợp hai mươi phiếu điều tra về tình hình dạy học kiến thức về lực hướng
tâm ở bốn trường THPT (có mẫu phiếu điều tra ở phụ lục) cho thấy:
- Phương pháp dạy học chủ yếu là thuyết trình, thông báo thuần tuý, ví dụ như: giáo
viên thông báo khái niệm, giáo viên đưa ra công thức độ lớn của lực hướng tâm dựa vào định
luật 2 của Newton và công thức gia tốc hướng tâm,…
- Phương pháp dạy học chưa phát huy được tính tích cực, sáng tạo của học sinh, được
thể hiện là: giáo viên chưa giao nhiệm vụ nhận thức cho học sinh, không cho học sinh dự đoán
mối liên hệ giữa lực hướng tâm với tốc độ quay, bán kính và khối lượng của vật; không yêu
cầu học sinh vận dụng kiến thức để giải thích các ứng dụng kỹ thuật…, như vậy giáo viên đã
bỏ qua những hoạt động có tác dụng phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của
học sinh.
- Giáo viên không tiến hành các thí nghiệm và cũng không chuẩn bị dụng cụ, mô hình
để mô tả các ứng dụng của lực hướng tâm ngay cả các thí nghiệm đơn giản.
- 100% giáo viên được hỏi đều cho biết kiến thức này trừu tượng và có nhiều ứng dụng
5
trong thực tế nhưng số tiết thì quá ít.
- Chưa bao giờ giáo viên tự làm hay hướng dẫn học sinh chế tạo dụng cụ thí nghiệm để
dạy học kiến thức này.
- Chưa bao giờ tổ chức hoạt động ngoại khoá.
- Đa số giáo viên cho rằng để dạy học phần này có hiệu quả cần có dụng cụ thí nghiệm
và ngoài học chính khoá phải tổ chức thêm hoạt động ngoại khoá.
b/ Về tình hình học tập của học sinh
Qua điều tra cho thấy:
- Học sinh chưa nắm được hết kiến thức cơ bản như: một số học sinh quan niệm lực
hướng tâm là một loại lực đặc biệt trong tự nhiên và thường cho thêm lực hướng tâm tác dụng
vào vật chuyển động tròn đều khi giải bài tập...
- Kỹ năng vận dụng kiến thức lí thuyết vào giải thích các hiện tượng vật lí và các ứng
dụng kỹ thuật rất kém ví dụ như: không có học sinh nào trả lời được câu hỏi tại sao các cầu
bắc qua sông thường làm cong lên mà không phải cong xuống.
- Học sinh chưa phân biệt được lực hướng tâm, lực quán tính li tâm và hiệu ứng li tâm.
Một số học sinh cho rằng lực quán tính li tâm là phản lực của lực hướng tâm,...
- Học sinh chưa hứng thú học, chưa tích cực hoạt động.
- Học sinh chưa bao giờ được tham gia thiết kế, chế tạo thí nghiệm vật lí.
- 100% học sinh đều thích được tham gia chế tạo, làm thí nghiệm vật lí.
c/ Tình hình sử dụng thiết bị thí nghiệm
Các trường đều không tiến hành thí nghiệm phần này
III. KẾ HOẠCH TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NGOẠI KHOÁ VỀ LỰC HƯỚNG TÂM
1. Mục tiêu của hoạt động ngoại khoá
- Củng cố hiểu biết của học sinh về lực hướng tâm, khắc phục những sai lầm của học
sinh và mở rộng các kiến thức như lực quán tính li tâm, hiệu ứng li tâm...
- Vận dụng những kiến thức nêu trên vào giải thích hiện tượng thực tế có liên quan như:
khi pha nước chanh, hạt chanh thường tập chung ở giữa đáy cốc,... và tìm hiểu nguyên lý của
ứng dụng kỹ thuật của lực hướng tâm như nguyên lý hoạt động của máy li tâm sữa...
- Rèn luyện các kỹ năng: thiết kế chế tạo dụng cụ thí nghiệm như: thiết kế dụng cụ thí
nghiệm lực hướng tâm chỉ do một lực gây ra (các lực khác đều cân bằng với nhau), dụng cụ thí
nghiệm lực hướng tâm do hai hay nhiều lực gây ra, lực hướng tâm tác dụng lên vật rắn, khối
chất lỏng, khối khí; dự đoán hiện tượng, kỹ năng phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm; kỹ
năng giải thích các hiện tượng vật lí và các ứng dụng kỹ thuật; kỹ khả năng giao tiếp khi trình
bày ý kiến, thảo luận, báo cáo kết quả.
6
- Phát huy tính tích cực, tạo hứng thú cho học sinh qua các hoạt động: học sinh tự nhận
thí nghiệm yêu thích để nghiên cứu thiết kế, chế tạo; tự tổ chức hoạt động của nhóm; học sinh
tự bố trí thời gian rỗi để chế tạo và làm thí nghiệm.
- Phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh thông qua các hoạt động như: học sinh đề
xuất các phương án thiết kế dụng cụ thí nghiệm, tìm các giải pháp kỹ thuật ví dụ: tạo ra
chuyển động quay bằng động cơ điện, bằng tay quay hay bằng dây xoắn; đề xuất phương án
thí nghiệm, cách thực hiện các phép đo; lựa chọn các vật liệu như: máng thí nghiệm có thể làm
bằng nhựa, thanh ray bằng nhôm hay làm bằng tre, gỗ...
- Rèn luyện kỹ năng làm việc theo nhóm, đây là yếu tố hiện nay học sinh còn rất yếu,
học chính khoá thì ít có thời gian để rèn luyện.
- Giáo dục tinh thần đoàn kết, hợp tác, tính tập thể trong học tập và đời sống qua các
hoạt động: cho các em tự tổ chức, bàn bạc, phân công nhau chuẩn bị vật liệu, thảo luận
phương án thiết kế và cùng nhau làm thí nghiệm; từ kết quả của các em làm được sẽ khích lệ,
động viên các em tự tin hơn.
2. Nội dung hoạt động ngoại khoá
Chúng tôi tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hướng tâm và lực quán tính li tâm với 2
nội dung:
+ Giáo viên giao và hướng dẫn các nhóm học sinh thiết kế, chế tạo dụng cụ và tiến
hành một số thí nghiệm về lực hướng tâm.
+ Tổ chức cho học sinh tiến hành thí nghiệm biểu diễn và tham gia trò chơi, thi giải
thích hiện tượng vật lí có liên quan đến lực hướng tâm.
3. Thiết kế, chế tạo và tiến hành một số thí nghiệm đơn giản về lực hướng tâm từ các
vật liệu dễ kiếm.
a. Sự cần thiết phải chế tạo dụng cụ thí nghiệm
Để đáp ứng yêu cầu phát huy tính tích cực sáng tạo của học sinh và giúp học sinh gắn lí
thuyết với thực hành, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo một bộ thí nghiệm đơn giản về
lực hướng tâm gồm có 10 thí nghiệm. Từ đó, giáo viên có thể hướng dẫn học sinh nghiên cứu
thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản và tiến hành thí nghiệm về lực hướng tâm.
b. Các bộ phận của dụng cụ thí nghiệm
Stt
Loại vật liệu
Kích thứơc
Số
Ghi chú
lượng
1
Bánh xe gắn vật
bán kính 7cm
1
Gồm: cúc nhựa, dây thép
2
Bìa cứng
R = 10cm
2
Hình tròn
3
Bu lông
18
2
7
4
Chai nhựa
loại 1,5 lit
1
5
Chai thí nghiệm
loại 0,3 lít
1
ống truyền nhựa, dây nhôm
và chai nhựa
6
Cốc nhựa
7
Dây
8
Dây cao su
9
Động cơ điện
10
loại nhỏ
2
1
Cuộn dây
dài 30cm
6
Loại nhỏ
loại nhỏ
1
Tấm gỗ
cạnh a = 14cm
2
11
Mẩu xốp
tròn
1
12
Miếng nam châm
loại nhỏ
22
13
ống gen điện
dài 30cm
2
14
Thanh sắt
dài 10cm
1
15
Vật bằng sắt
đinh ốc 18,12
4
Loại mới và loại cũ
16
Vật nhựa
R = 1,5cm
2
Hình tròn
17
Viên bi
1
18
Giá dỡ
1
Làm bằng sắt
19
Vòng quay tay
1
làm bằng nhôm và gen điện
20
Vòng nhào lộn
1
vòng tròn, máng trượt, giá
Hình vuông
1. Phần đáy của chai nhựa.
7. Bi.
13. Nam châm.
2. Cốc nhựa.
8. Vật bằng sắt.
14. Thanh sắt.
3.Chai thí nghiệm.
9. Bánh xe gắn vật.
15. ống gen điện.
4. Động cơ điện loại nhỏ.
10. Dây đàn hồi.
16. Bìa cứng.
5. Giá đỡ.
11. Dây.
17. Bulông.
6. Vật bằng nhựa.
12, Miếng xốp.
18. Tấm gỗ.
c. Các thí nghiệm được tiến hành với thiết bị thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Sự thay đổi hướng vận tốc của một viên bi do tơng tác với một mẩu nam châm.
* Mục đích thí nghiệm
+ Minh hoạ nguyên nhân làm thay đổi hướng vận tốc của vật là do lực hướng tâm tác
dụng vào vật.
+ Khắc phục quan niệm sai lầm của học sinh cho rằng lực là nguyên nhân gây ra vận
tốc của vật, hướng của lực trùng với hớng của vận tốc.
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Búng 1 viên bi sắt chuyển động trên mặt sàn nhẵn nằm ngang thì thấy bi chuyển
động thẳng.
8
+ Búng 1 viên bi sắt chuyển động trên mặt sàn nhẵn nằm ngang có đặt thêm 1 thanh
nam châm ở bên cạnh đường đi của viên bi thì viên bi chuyển động theo đường cong với bề
lõm hướng về phía nam châm.
* Giải thích hiện tượng
+ Khi không có nam châm, viên bi chịu tác dụng của trọng lực, phản lực của sàn lên vật
và lực ma sát, gây ra chuyển động thẳng chậm dần.
+ Khi có nam châm, viên bi chịu thêm tác dụng lực hút của nam châm lên viên bi. Lực
đó đóng vai trò lực hướng tâm gây ra gia tốc hớng tâm, làm thay đổi hướng của vectơ vận tốc
của vật hay là làm thay đổi hướng chuyển động của vật.
* Lu ý
+ Chọn viên bi phù hợp với nam châm để lực hút của nam châm lên viên bi là đáng kể.
+ Khi truyền cho viên bi vận tốc có độ lớn thích hợp để có thể quan sát rõ sự thay đổi
hướng chuyển động rõ nét.
+ Để có thể quan sát rõ quỹ đạo của viên bi, ta có thể cho viên bi chuyển động trên 1 tờ
giấy trắng đặt trên mặt sàn nằm ngang và tẩm mực vào viên bi.
Thí nghiệm 2: Chuyển động tròn của các vật đặt trên một đĩa phẳng, tròn, nằm ngang quay
xung quanh trục thẳng đứng đi qua tâm.
* Mục đích thí nghiệm
+ Tìm hiểu trường hợp lực ma sát nghỉ đóng vai trò là lực hướng tâm.
+ Hiểu đúng mối quan hệ giữa độ lớn của lực hướng tâm với bán kính quỹ đạo, khối
lượng của vật và tốc độ góc.
* Cách tạo ra chuyển động quay: có hai phương án
+ Dùng động cơ điện.
+ Dùng mômen xoắn của dây, khi dây tời ra sẽ làm dây xoay tròn
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Gắn đồng tâm tấm bìa với tấm gỗ.
+ Buộc 3 dây vào 3 điểm sát mép ngoài của tấm bìa. Ba điểm tạo thành một tam giác
đều.
+ Buộc nút dây ở gần tâm của tấm bìa và gỗ.
9
H.1.a
H.1.b
H.1. Dụng cụ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động của vật trên đĩa quay tròn.
H.1.a. Nhìn từ trên xuống.
H.1.b. Nhìn thẳng bên.
Từ
các dụng cụ trên, chúng ta có thể tiến hành các thí nghiệm sau:
Thí nghiệm 2.1. Kiểm nghiệm mối quan hệ giữa lực hướng tâm với tốc độ góc
khi khối lượng của vật và bán kính r xác định.
- Đặt một vật nặng lên tấm bìa, cho tấm bìa bắt đầu chuyển động quay nhanh dần
từ trạng thái nghỉ.
- Lúc đầu, vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo quỹ đạo tròn có
bán kính xác định.
- Khi tốc độ quay của tấm bìa đạt đến một giá trị nào đó thì vật sẽ văng ra
Thí nghiệm 2.2. Kiểm nghiệm mối quan hệ giữa lực hướng tâm với bán kính r
khi khối lượng của vật và tốc độ góc nh nhau.
- Đặt hai vật nặng giống nhau lên tấm bìa ở các vị trí cách trục quay khác nhau.
(Bán kính r khác nhau).
- Cho tấm bìa bắt đầu chuyển động quay nhanh dần từ trạng thái nghỉ.
- Lúc đầu, các vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn có bán kính khác nhau.
- Khi tốc độ quay của tấm bìa đạt đến một giá trị nào đó thì vật ở vị trí bán kính lớn
hơn sẽ văng ra trớc.
Thí nghiệm 2.3. Kiểm nghiệm mối quan hệ giữa lực hướng tâm là lực ma sát
nghỉ với khối lượng của vật khi bán kính r và tốc độ góc nh nhau.
- Đặt hai vật có cùng tính chất bề mặt nhưng có khối lợng khác nhau lên tấm bìa tại
hai vị trí có cùng khoảng cách đến tâm tấm bìa.
- Cho tấm bìa bắt đầu chuyển động quay nhanh dần từ trạng thái nghỉ.
- Lúc đầu, các vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn có bán kính nh nhau.
10
- Khi tốc độ quay của tấm bìa đạt đến một giá trị nào đó thì hai vật đồng thời văng
ra.
Thí nghiệm 2.4. Kiểm nghiệm mối quan hệ giữa lực hướng tâm là lực ma sát
nghỉ với hệ số ma sát.
- Đặt hai vật cùng khối lượng nhưng tính chất bề mặt khác nhau lên tấm bìa ở hai vị
trí có cùng khoảng cách đến tâm quay.
- Cho tấm bìa bắt đầu chuyển động quay nhanh dần từ trạng thái nghỉ.
- Lúc đầu, các vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn có bán kính nh nhau.
- Khi tốc độ quay của tấm bìa đạt đến một giá trị nào đó thì vật có bề mặt nhẵn hơn
sẽ văng ra trước.
* Giải thích hiện tợng
Thí nghiệm 2.1
Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
- Ban đầu, vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn. Khi đó, vật chịu tác dụng của 3 lực là: P; N ; Fmsn . Trong đó, trọng lực và phản lực của
tấm bìa lên vật cân bằng nhau, vật chỉ chịu tác dụng của lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực
hướng tâm, giúp vật chuyển động theo quỹ đạo tròn.
- Khi tốc độ quay của tấm bìa tăng đến giá trị nào đó, lực ma sát nghỉ không thể
tăng đến giá trị đủ lớn để đóng vai trò là lực hướng tâm giữ vật trên quỹ đạo tròn, vật sẽ văng
ra theo phương tiếp tuyến.
Thí nghiệm 2.2
Cách 1: Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
- Ban đầu, hai vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn. Khi đó, vật chịu tác dụng của 3 lực là: P; N ; Fmsn . Trong đó, trọng lực và phản lực của
tấm bìa lên vật cân bằng nhau, vật chỉ chịu tác dụng của lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực
hướng tâm, giúp vật chuyển động theo quỹ đạo tròn.
- Khi tốc độ quay w tăng lên thì Fht tăng lên, với vật ở bán kính lớn hơn sẽ cần lực
hướng tâm lớn hơn, mà lực ma sát nghỉ của mỗi vật với sàn nh nhau.
- Khi tốc độ quay tăng lên đến một giá trị nào đó, lực ma sát nghỉ không thể tăng
đến giá trị đủ lớn để đóng vai trò là lực hướng tâm, vật nào nằm ở quỹ đạo có bán kính r lớn
hơn sẽ văng ra theo phương tiếp tuyến.
Cách 2: Xét trong hệ quy chiếu gắn với tấm bìa.
- Ban đầu, hai vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
11
tròn. Khi đó, vật chịu tác dụng của 4 lực là: P; N ; Fmsn ; Fqtlt , . Trong đó, trọng lực và phản lực
của tấm bìa lên vật cân bằng nhau, lực quán tính li tâm cân bằng với lực ma sát nghỉ.
- Khi tốc độ quay w tăng lên thì Fqtlt tăng lên, với vật ở bán kính lớn hơn sẽ chịu lực
quán tính li tâm lớn hơn, mà lực ma sát nghỉ của mỗi vật với sàn như nhau.
- Vì lực ma sát nghỉ không thể tăng đến giá trị đủ lớn để cân bằng với là lực quán
tính li tâm, vật ở bán kính quỹ đạo lớn hơn sẽ văng ra theo phương tiếp tuyến.
Thí nghiệm 2.3
Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
- Ban đầu, hai vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn. Khi đó, vật chịu tác dụng của 3 lực là: P; N ; Fmsn . Trong đó, trọng lực và phản lực của
tấm bìa lên vật cân bằng nhau, vật chỉ chịu tác dụng của lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực
hướng tâm, giúp vật chuyển động theo quỹ đạo tròn.
- Vì hai vật có khối lợng khác nhau nên áp lực N lên tấm bìa khác nhau; hai vật cùng
tính chất bề mặt nên hệ số ma sát nghỉ cực đại gần nh nhau; hai vật cùng quay với tấm bìa nên
có cùng tốc độ góc w.
- Ta có: Fht1 = m1.w2.r ; Fht2 = m2.w2.r ; Fmsn1max = m1g; Fmsn2max = m2g .
- Khi tốc độ quay của tấm bìa tăng đến giá trị nào đó Fht1 > Fmsn1max ,đồng thời Fht2 >
Fmsn2max . Lúc đó, hai vật sẽ đồng thời văng ra khỏi tấm bìa.
Thí nghiệm 2.4
Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
- Ban đầu, hai vật nằm trên tấm bìa và chuyển động cùng tấm bìa theo các quỹ đạo
tròn. Khi đó, vật chịu tác dụng của 3 lực là: P; N ; Fmsn . Trong đó, trọng lực và phản lực của
tấm bìa lên vật cân bằng nhau, vật chỉ chịu tác dụng của lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực
hướng tâm, giúp vật chuyển động theo quỹ đạo tròn.
- Khi tốc độ quay w tăng lên thì Fht tăng lên. Vật vẫn nằm trên tấm bìa khi Fmns tăng
lên để đóng vai trò lực hướng tâm.
- Vì hai vật có cùng khối lợng nên áp lực N lên tấm bìa nh nhau; hai vật cùng tính
chất bề mặt khác nhau nên hệ số ma sát nghỉ cực đại khác nhau; (vật nhẵn có hệ số ma sát 1;
vật gỉ có hệ số ma sát 2 >1). Vậy lực ma sát nghỉ cực đại của vật gỉ lớn hơn vật nhẵn.
- Khi tốc độ quay tăng đến một giá trị nào đó thì lực ma sát nghỉ của vật gỉ vẫn có
thể bằng lực hướng tâm, vật gỉ vẫn chuyển động tròn. Nhng lực ma sát nghỉ cực đại của vật
nhẵn không thể bằng lực hướng tâm, vật nhẵn sẽ bị văng ra theo phương tiếp tuyến.
* Lu ý
12
+ Khi đặt các vật lên tấm bìa tại các vị trí có bán kính bằng nhau phải xác định chính
xác từ tâm của vật đến tâm quay.
+ Khi xoắn dây cần giữ mặt phẳng tấm bìa luôn nằm ngang để không bị lắc và nghiêng
khi quay.
*Nhận xét
Phương án tạo chuyển động quay dùng động cơ điện dễ làm hơn phương án tạo chuyển
động quay nhờ momen xoắn của dây. Tuy nhiên phơng án 1 khó quan sát hơn phương án 2 vì
tốc độ quay nhanh, muốn thay đổi tốc độ quay của động cơ cần dùng thêm biến trở. Đối với
học sinh ở nông thôn và vùng khó khăn như Trường THPT Yên Mô A thì phương án 2 dễ
thực hiện hơn vì dụng cụ đơn giản, dễ làm.
* u điểm
+ Chỉ cần dụng cụ đơn giản, dễ chế tạo, chúng ta có thể kiểm nghiệm đợc tương đối đầy
đủ mối quan hệ giữa lực hướng tâm là lực ma sát nghỉ với khối lợng, bán kính quỹ đạo, tốc độ
góc, khối lượng, hệ số ma sát.
+ Học sinh có thể quan sát rõ đợc ảnh hưởng của lực hướng tâm hoặc lực quán tính li
tâm tác dụng lên vật chuyển động tròn.
+ Học sinh có thể nhận thấy đợc mối quan hệ tổng quan giữa lực hướng tâm với các đại
lượng đặc trưng như bán kính quỹ đạo, khối lượng, tốc độ góc...
Thí nghiệm 3: Kiểm nghiệm lực hướng tâm là lực tổng hợp của trọng lực và phản lực của
một cung lõm tác dụng lên vật đặt trên một cung lõm quay xung quanh một trục thẳng đứng.
* Mục đích thí nghiệm
+ Tìm hiểu trường hợp lực hớng tâm là hợp lực của trọng lực và phản lực của một cung
lõm.
+ Phân biệt được quỹ đạo tròn của vật và chỉ ra đợc hướng của lực hướng tâm. Từ đó,
giải thích đợc hiện tượng xảy ra với vật.
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Dùng bulông, đai ốc gắn ống gen, tấm bìa và tấm gỗ tại tâm của mỗi vật.
+ Buộc 3 dây vào 3 điểm sát mép ngoài của tấm bìa. Ba điểm tạo thành một tam giác
đều.
+ Buộc một nút dây ở gần tâm của tấm bìa và gỗ.
13
H.2. Dụng cụ thí nghiệm kiểm nghiệm lực hướng tâm là lực tổng hợp của trọng lực và
phản lực của một cung lõm.
+ Xoắn dây, đặt viên bi lên ống gen.
+ Ban đầu, viên bi nằm gần tâm của tấm bìa.
+ Tấm bìa bắt đầu chuyển động quay nhanh dần từ trạng thái nghỉ.
+ Khi tốc độ quay tăng lên thì viên bi chuyển động ra xa dần tâm quay, đi lên gần đến
vị trí có bán kính quỹ đạo quay lớn nhất.
* Giải thích hiện tượng
+ Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
+ Xét viên bi tại một vị trí bất kỳ trên cung
O’
tròn (Hình vẽ)
N
(Ma sát giữa viên bi và ống gen không đáng kể).
O
+ Khi tốc độ quay đều với một giá trị nào đó
thì viên bi sẽ nằm cân bằng tại một vị trí nh hình vẽ
r Fth
P
và quay tròn cùng cung lõm với tâm quỹ đạo là O và
bán kính quỹ là r.
+ Hợp lực của trọng lực và phản lực của cung lõm đóng vai trò lực hướng tâm giúp vật
chuyển động tròn.
+ Khi tốc độ quay tăng lên, vật phải chuyển động đi ra xa trục quay để hợp lực còn có
thể bằng độ lớn của lực hướng tâm.
+ Fht FTH P N
+ Ta có: Sin = r/R ; tan = Fht/P. =>
+ Mà : Fht = mw2r ; P = mg.
r
R
Fht
Fht2 P 2
=> r R 2
g2
4
+ Từ biểu thức, ta thấy:
14
- Khi cha quay, w = 0 thì viên bi gần trục quay (r 0)
- Khi quay nhanh dần, w tăng dần thì viên bi sẽ chuyển động đi lên ra xa trục quay (r
tăng lên).
- Khi tốc độ quay rất lớn, w tiến đến vô cùng thì r tiến đến R, viên bi ở vị trí cách xa
trục quay nhất. Vì vậy, viên bi không thể chuyển động đi lên nữa.
* Lu ý
+ Khi xoắn dây cần giữ mặt phẳng tấm bìa luôn nằm ngang để không bị lắc và nghiêng
khi quay.
*Nhận xét
+ Phơng án thí nghiệm đa ra đơn giản nhưng tạo ra tình huống bất ngờ thú vị. Nhiều
học sinh nghĩ rằng bi sẽ luôn chuyển động ra ngoài khi tốc độ quay đủ lớn nhng bi chỉ lên đến
vị trí có bán kính r lớn nhất bằng bán kính của cung lõm.
* Ưu điểm
+ Dụng cụ thí nghiệm đơn giản dễ kiếm, dễ chế tạo.
+ Thao tác thí nghiệm đơn giản, dễ làm.
+ Phương án thí nghiệm minh hoạ biểu hiện của lực hướng tâm hoặc lực quán tính li
tâm. Từ đó, giúp học sinh nhận ra đợc quỹ đạo chuyển động tròn của vật, hướng của lực
hướng tâm.
Thí nghiệm 4: Kiểm nghiệm lực hướng tâm là lực tổng hợp của trọng lực và phản lực của
cung tròn tác dụng lên vật đặt trên một cung tròn quay xung quanh 1 trục bất kỳ.
* Mục đích thí nghiệm
+ Tìm hiểu trường hợp lực hướng tâm là hợp lực của trọng lực, phản lực của một cung
tròn khi trục quay thay đổi.
+ Phân biệt đợc quỹ đạo tròn của vật và chỉ ra được hướng của lực hướng tâm khi thay
đổi phương trục quay. Từ đó, giải thích được hiện tợng xảy ra với vật khi thay đổi phương của
trục quay.
H.3. Dụng cụ thí nghiệm kiểm nghiệm lực hướng tâm là lực tổng hợp của trọng lực và
15
phản lực của cung tròn tác dụng lên vật đặt trên một cung tròn quay xung quanh 1 trục
bất kỳ.
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Cầm vòng dây sao cho trục quay nằm ngang.
+ Đặt viên bi vào rãnh của cung tròn ở vị trí thấp nhất.
+ Quay vòng dây xung quanh trục nằm ngang.
+ Bi quay cùng vòng dây mà không rơi ra khỏi vòng dây khi đi qua vị trí cao nhất.
+ Vừa quay đều và nghiêng dần trục quay đến khi trục quay thẳng đứng.
+ Viên bi vẫn luôn ở trên vòng dây và cùng quay với vòng dây.
+ Khi giảm tốc độ quay thì viên bi chuyển động dịch xuống phía tay cầm dưới.
+ Khi tăng tốc độ quay thì viên bi chuyển động đi lên đến vị trí chính giữa vòng dây.
Dù tăng tốc độ quay nữa thì viên bi vẫn không dịch chuyển nữa.
* Giải thích hiện tượng
Xét trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
N
+ Xét viên bi tại vị trí cao nhất
P
trên cung tròn (Hình vẽ)
+ Ta có: P + N = Fht
P + N = mw2R
<=>
=> N = mw2R - P
=> Để viên bi không rơi, N >
0. Vậy với tốc độ góc w >
g/R
+ Khi thay đổi trục quay đến vị trí thẳng đứng, ta có hình vẽ:
+ Khi tốc độ quay đều với một giá trị nào đó thì viên
bi sẽ nằm cân bằng tại một vị trí nh hình vẽ.
+ Khi đó lực hớng tâm : Fht Fth N P ;
Fht = mw2r.
+ Ta có: Sin = r/R; tan = Fht /P.
=>
r
R
Fht
Fht2 P 2
R
N
=> r R 2
Fth
g2
r
4
+ Từ biểu thức, ta thấy:
P
- Khi cha quay, w = 0 thì viên bi gần trục quay (r 0)
- Khi quay nhanh dần, w tăng dần thì viên bi sẽ
chuyển động đi lên ra xa trục quay (r tăng lên).
16
- Khi tốc độ quay rất lớn, w tiến đến vô cùng thì r tiến đến R, viên bi ở vị trí cách xa
trục quay nhất. Vì vậy, viên bi không thể chuyển động đi lên nữa.
* Nhận xét
Dụng cụ thí nghiệm đơn giản, dễ chế tạo, thao tác thí nghiệm đơn giản nhưng giúp học
sinh hiểu rõ về quỹ đạo chuyển động tròn của bi và hướng của lực hướng tâm khi thay đổi
phương của trục quay. Thí nghiệm còn đa ra những hiện tượng bất ngờ thú vị khi học sinh
nghĩ bi sẽ đi lên mãi nhưng thực tế cho thấy bi chỉ lên đến vị trí có bán kính quỹ đạo tròn lớn
nhất.
Thí nghiệm 5: Kiểm nghiệm chuyển động của viên bi trong vòng nhào lộn.
* Mục đích thí nghiệm
Tìm hiểu trờng hợp lực hướng tâm là hợp lực của trọng lực và phản lực của giá tác
dụng lên vật ở các vị trí khác nhau khi vật chyển động còn giá đứng yên.
H.4.Dụng cụ thí nghiệm kiểm nghiệm chuyển động của viên bi trong vòng nhào lộn.
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Thả một viên bi ve ở đỉnh của mặt phẳng nghiêng.
+ Viên bi chuyển động theo rãnh đến vòng tròn.
+ Tuỳ theo vị trí thả mà viên bi có
1
thể chuyển động hết cả vòng tròn hoặc
v
N
chỉ đến 1 vị trí nào đó rồi rơi xuống.
P
* Giải thích hiện tượng
2
Fht
v
+ Khi viên bi lên đến vị trí cao
3
nhất trên vòng tròn nh hình vẽ.
Ta có: P N Fht m.aht
Chiếu lên trục toạ độ hướng vào tâm:
P + N = m.v2/R
=> N = m.v2/R - m.g .
+ Viên bi không rời khỏi máng: N > 0 khi đó v > vgh .
17
+ Khi thả viên bi từ độ cao h lớn hơn một giá trị giới hạn thì viên bi khi đến vị trí cao
nhất sẽ có vận tốc lớn hơn giá trị giới hạn, nó có thể chuyển động theo cả vòng tròn đó (vị trí
1).
+ Khi thả viên bi từ độ cao h nhỏ hơn thì vận tốc của viên bi tại vị trí cao nhất nhỏ hơn
giá trị giới hạn, nó sẽ rơi xuống. Nếu độ cao h quá nhỏ thì bi chỉ lên đợc một đoạn cung tròn
rồi sẽ bay ra theo quỹ đạo parabol (vị trí 2) hoặc lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng (vị trí 3).
* Nhận xét
Dụng cụ thí nghiệm đơn giản đã minh hoạ được hiện tợng làm xiếc khi đi mô tô hoặc
tàu lợn qua những vị trí cao nhất của vòng tròn, khi đầu ngời chúc xuống, người vẫn không bị
rơi xuống.
Thí nghiệm 6: Kiểm nghiệm chuyển động của nhiều vật cùng tham gia chuyển động tròn.
* Mục đích thí nghiệm
+ Tìm hiểu trờng hợp lực hướng tâm là lực ma sát nghỉ tác dụng lên nhiều vật cùng
chuyển động tròn trong mặt phẳng nằm ngang.
+ Tìm hiểu trờng hợp lực hướng tâm là trọng lực, phản lực của giá đỡ tác dụng lên các
vật chuyển động tròn trong mặt phẳng thẳng đứng.
+ Quan sát đồng thời nhiều vật chuyển động tròn đều trong mặt phẳng ngang và mặt
phẳng thẳng đứng.
+ So sánh lực hướng tâm tác dụng lên các vật trên các quỹ đạo có bán kính khác nhau
khi tốc độ quay tăng dần.
.
H.5. Dụng cụ thí nghiệm kiểm nghiệm chuyển động của nhiều vật cùng
tham gia chuyển động tròn.
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Gắn bánh xe và nắp nhựa vào trục động cơ.
18
+ Đặt động cơ thẳng đứng sao cho mặt phẳng bánh xe nằm ngang.
+ Chỉnh các cúc áo cách trục quay những khoảng khác nhau.
+ Bật công tắc cho động cơ hoạt động.
+ Các cúc ở xa trục văng ra phía vành bánh xe trớc; các cúc gần trục quay sẽ văng ra
sau.
+ Khi các cúc đã văng ra ngoài, thay đổi phương của trục quay sang phơng ngang, các
vật vẫn không rơi vào tâm, mà chuyển động theo quỹ đạo tròn có bán kính bằng bán kính của
vành bánh xe.
+ Khi tắt động cơ, tốc độ quay giảm dần, các vật chuyển động theo các quỹ đạo tròn có
bán kính giảm dần, cuối cùng các vật ở trên sẽ rơi về trục quay.
* Giải thích hiện tượng
+ Xét hệ quy chiếu gắn với mặt đất.
N
+ Khảo sát vật cách trục quay một đoạn r.
+ Khi bánh xe nằm ngang, quay xung quanh trục
Fmsn
P
thẳng đứng, ta có hệ vật nh hình vẽ.
+ Mỗi vật đều chịu tác dụng của trọng lực, phản
lực của nan hoa và lực ma sát nghỉ. Trọng lực cân bằng với phản lực của nan hoa tác dụng lên
vật. Vì vậy, lực ma sát nghỉ đóng vai trò lực hướng tâm giúp vật chuyển động tròn cùng bánh
xe.
+ Khi tốc độ của động cơ đạt đến giá trị nào đó, lực ma sát nghỉ cực đại không thể bằng
độ lớn lực hướng tâm thì vật sẽ không chuyển động tròn mà sẽ văng ra ngoài.Vì vậy, các vật
có bán kính quay lớn hơn sẽ cần lực hớng tâm lớn hơn sẽ văng ra trước.
+ Khi thay đổi phương của trục quay đến khi trục quay nằm ngang, vật sẽ chuyển động
trong mặt phẳng thẳng đứng.
N
Fmsn
+ Khảo sát một vật trên hình vẽ, ta có:
P
Fht P N Fmsn m.aht
+ Chiếu lên trục toạ độ hướng vào tâm, ta có:
P.Sin - Fmsn = mw2R.
Với: Fmsn < .N và N = P.Cos . Điều kiện tan > , ta có:
.P.Cos > P. Sin - mw2R .
=> w >
g.Sin .g.Cos
R
+ Giá trị giới hạn nhỏ nhất của tốc độ quay là: wmin =
g.Sin .g.Cos
R
+ Khi tốc độ quay lớn hơn giá trị wmin thì vật sẽ chuyển động đến sát vành bánh xe và
19
cân bằng ở vị trí bán kính R.
+ Khi tốc độ quay nhỏ hơn wmin thì vật sẽ rơi xuống.
+ Khi = 900 , vật ở vị trí cao nhất thì lực hướng tâm là do trọng lực gây ra.
Nếu tốc độ quay lớn quá, trọng lực không thể gây ra lực hướng tâm để giữ vật thì vật sẽ văng
ra đến sát vành bánh xe; khi đó, xuất hiện phản lực của vòng dây tác dụng vào vật, F ht= P + N;
hiện tượng trở về thí nghiệm 4.
+ Khi = 00 , vật ở trên đờng nằm ngang, kết quả chuyển về trờng hợp đã xét ở thí
nghiệm 1.
*Nhận xét
Qua thí nghiệm, ta còn nhận thấy trong trường hợp hệ vật chuyển động trong mặt phẳng
thẳng đứng, kết quả không phụ thuộc vào khối lượng của vật.
* Ưu điểm:
+ Dụng cụ thí nghiệm đơn giản, dễ chế tạo, vật liệu dễ kiếm.
+ Từ thí nghiệm, ta có thể kiểm nghiệm đồng thời nhiều đại lợng vật lý như: bán kính
R, tốc độ góc w, khối lượng m.
+ Ta có thể quan sát hiện tượng trong nhiều trường hợp: lực hướng tâm là do lực ma sát
nghỉ (vật trên mặt phẳng ngang), lực hướng tâm là tổng hợp của trọng lực, phản lực, lực ma sát
nghỉ(vật trên mặt phẳng nghiêng), lực hướng tâm là trọng lực ( vật trên phương thẳng đứng).
Thí nghiệm 7: Kiểm nghiệm chuyển động của vật treo vào bàn quay.
* Mục đích thí nghiệm
+ Kiểm nghiệm trường hợp lực hướng tâm là hợp lực của trọng lực và lực căng của
dây.
+ Khảo sát sự phụ thuộc của góc lệch vào chiều dài của dây, khối lượng vật nặng và
tốc độ quay.
* Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
+ Dùng bulông và đai ốc gắn tấm bìa và tấm gỗ đồng tâm.
+ Buộc 3 dây vào 3 điểm sát mép ngoài của tấm bìa. Ba điểm tạo thành một tam giác
đều.
+ Buộc một nút dây ở gần tâm của tấm bìa và gỗ.
+ Buộc vào mép tấm bìa các vật nặng có khối lợng khác nhau nhng cùng chiều dài của
dây; các vật nặng có cùng khối lợng nhng khác chiều dài của dây.
20
H.6. Dụng cụ thí nghiệm kiểm nghiệm chuyển động của vật treo vào bàn quay.
+ Thả tay cho tấm bìa quay nhanh dần.
+ Tốc độ quay tăng dần, các vật nặng treo vào tấm bìa sẽ văng ra với góc lệch so với
phương thẳng đứng tăng lên.
+ Các vật khác khối lượng nhng cùng chiều dài của dây sẽ có góc lệch so với phương
thẳng đứng nh nhau.
+ Các vật cùng khối lượng nhưng treo vào dây ngắn sẽ có góc lệch nhỏ hơn.
* Giải thích hiện tợng
+ Khi tấm bìa quay, các vật nặng sẽ văng ra chuyển
động trên các quỹ đạo tròn và sợi dây tạo với phương thẳng
Rbia
đứng góc .
L
Xét hệ quy chiếu gắn với mặt đất, hợp lực của trọng lực và
lực căng dây đóng vai trò lực hớng tâm giúp vật chuyển
FTH
động trên quỹ đạo tròn.
+ Khi tốc độ quay tăng lên, hợp lực không đủ bằng
T
P
lực hướng tâm, vật sẽ chuyển sang quỹ đạo với bán kính lớn hơn.
+ Ta có: Fht FTH P T ; tan =
Fht
P
+ Với r là bán kính quỹ đạo tròn: r = Rbìa + L.Sin
w2 ( Rbia L.Sin )
g
=> tan =
=> w2 =
Rbia . cot an L.Cos
g
+ Mặt khác, ta có:
R
g . tan
w 2 ( bia sin )
L
L
+ Với L >> Rbìa , có:
g . tan
g
w 2 .sin cos
L
L.w 2
21
+ Với L << Rbia , có: g.tan w2.Rbia => tan w2.Rbia/g
Nhận xét
+ Từ kết quả, ta thấy một điều thú vị là góc lệch của sợi dây không phụ thuộc vào khối
lượng của vật nặng mà chỉ phụ thuộc vào chiều dài của dây và tốc độ quay. Tốc độ quay càng
lớn thì góc lệch của dây càng lớn.
+ Với chiều dài của dây L tương đối lớn so với bán kính của đĩa thì góc lệch của dây tỉ
lệ với chiều dài dây treo.
+ Với chiều dài của dây rất ngắn so với bán kính của đĩa thì góc lệch không phụ thuộc
vào chiều dài dây treo.
4. Tổ chức cho học sinh tiến hành thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm đơn giản, tham
gia trò chơi, thi giải thích hiện tượng vật lí liên quan đến lực hướng tâm
Bước 1. Tập trung HS, chia nhóm và giao nhiệm vụ
Nhiệm vụ 1: Viên bi sắt sẽ chuyển động nh thế nào khi bên cạnh đờng đi của nó có đặt một
thanh nam châm nhỏ? Làm thế nào để tạo ra và quan sát đợc quỹ đạo chuyển động của vật đó?
Nhiệm vụ 2: Vật đặt trên một đĩa phẳng, tròn, nằm ngang quay xung quanh trục thẳng đứng đi
qua tâm thì lực hướng tâm là lực nào? Lực đó phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo, khối lượng của
vật, tốc độ góc nh thế nào?
Nhiệm vụ 3: Một vật đặt trên cung lõm quay xung quanh một trục thẳng đứng thì lực hướng
tâm là lực nào? Khi tăng tốc độ góc thì vật sẽ chuyển động đi lên đến vị trí có bán kính quỹ
đạo bằng bán kính của cung lõm. Tại sao như vậy?
Nhiệm vụ 4: Một vật đặt trên cung tròn quay xung quanh một trục quay bất kỳ thì quỹ đạo của
vật sẽ thay đổi thế nào? Lực hướng tâm là lực nào và có thay đổi thế nào khi thay đổi phương
của trục quay? Khi thay đổi tốc độ quay thì vật sẽ dịch chuyển nh thế nào trên cung tròn?
Nhiệm vụ 5: Tại sao các diễn viên xiếc có thể đi xe mô tô lên đến vị trí cao nhất của vòng
nhào lộn mà không bị rơi xuống? Hãy thiết kế phương án thí nghiệm để minh hoạ hiện tượng
đó? Có những khả năng nào có thể xảy ra đối với diễn viên xiếc đó?
Nhiệm vụ 6: Quan sát chuyển động của hạt cờm lồng qua nan hoa của bánh xe, khi bánh xe
quay trong mặt phẳng thẳng đứng và mặt phẳng nằm ngang. Hãy đa ra dụng cụ thí nghiệm để
kiểm nghiệm hiện tượng đó ? Từ đó, chỉ ra lực hớng tâm và mối quan hệ với bán kính quỹ
đạo, khối lượng của vật và tốc độ góc ?
Nhiệm vụ 7: Khi treo một vật vào bàn quay thì góc lệch của dây phụ thuộc vào chiều dài của
dây treo, khối lượng của vật và tốc độ góc nh thế nào? Lực hớng tâm tác dụng lên vật là những
lực nào? Thiết kế một phơng án thí nghiệm để minh kiểm nghiệm các nhận định đó?
Bước 2. Tổ chức báo cáo sản phẩm
22
+ Giáo viên tổ chức học sinh thực hiện một buổi báo cáo đợt hoạt động ngoại khoá mà
học sinh tiến hành thí nghiệm biểu diễn và thí nghiệm đơn giản về lực hướng tâm. Giáo viên
tổng kết, đánh giá quá trình nghiên cứu thiết kế và chế tạo các dụng cụ thí nghiệm về lực
hướng tâm. Qua đó, học sinh trao đổi kinh nghiệm làm thí nghiệm giữa các nhóm và giới thiệu
tới các học sinh khác trong trường, lớp.
Bước 3. Tham gia trò chơi Vật lí
+ Học sinh tham gia trò chơi di chuyển một quả bóng bàn từ bàn này sang bàn kia mà
không chạm tay vào bóng và lấy vật ra khỏi dây thép ở trong một chiếc lọ kín nhờ lực hướng
tâm; thi giải thích các hiện tượng vật lí liên qua đến lực hướng tâm đợc cụ thể bằng những câu
hỏi, gồm có:
Câu hỏi 1: Tại sao một ngời đang chạy, đột nhiên muốn đi quanh một cái cột hay một thân cây
thì người đó phải lấy một tay ôm lấy cột hay thân cây?
Câu hỏi 2: Khi đa ngọn nến đang cháy từ chỗ này đến chỗ kia thì ngọn lửa sẽ lệch về phía nào
trong 2 trường hợp có (không có) chụp đậy hoặc khi ta dang tay để quay đều đặn ?
Câu hỏi 3: Tại sao ở những đoạn đờng vòng cua trên đờng sắt, ngời ta thường làm đờng ray
bên ngoài cao hơn đường ray bên trong? Trên đờng bộ, khi đi vào đoạn đường vòng, ngời lái
xe máy thường làm thế nào? Giải thích?
Câu hỏi 4: Tại sao các cây cầu đều làm cong lên mà không làm cong xuống?
Câu hỏi 5: Tại sao các đoàn tàu lượn không bị rơi khi đi qua vị trí cao nhất, đầu người chúc
xuống dưới ?
IV. SƠ BỘ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG NGOẠI KHÓA TẠI TRƯỜNG THPT
YÊN MÔ A
Qua theo dõi quá trình diễn ra hoạt động ngoại khoá của học sinh, qua trao đổi với học
sinh, giáo viên và lãnh đạo nhà trường, căn cứ vào những kết quả mà học sinh đã làm được,
chúng tôi sơ bộ đánh giá về hiệu quả của đợt học ngoại khoá như sau:
*Nội dung ngoại khoá đã lựa chọn là phù hợp, đáp ứng được yêu cầu đã đề ra là củng
cố, khắc sâu và mở rộng kiến thức học nội khoá nhằm phát huy tính tích cực và phát triển năng
lực sáng tạo của học sinh. Điều này đợc thể hiện cụ thể nh sau:
- Nội dung ngoại khoá mới lạ đối với học sinh nên đã thu hút được học sinh ở nhiều lớp
tham gia. Để đảm bảo tất cả các em đều trực tiếp nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tiến hành thí
nghiệm, chúng tôi chỉ chọn những học sinh tiêu biểu ở mỗi lớp để tham gia và có sự thi đua,
trong đó có học sinh lớp 10 và học sinh lớp 11. Qua đó, chúng tôi cũng đánh giá đợc mức độ
nắm vững kiến thức của học sinh với phơng pháp dạy học truyền thống.
- Việc học sinh tự mình thực hiện các thí nghiệm đã củng cố, khắc sâu cho các em một số
23
kiến thức đã học chính khoá như: hiểu đúng ý nghĩa vật lý và công thức độ lớn của lực hướng
tâm, xác định đúng bán kính quỹ đạo...
- Qua hoạt động ngoại khoá, học sinh đã phân biệt được lực hướng tâm, lực quán tính li tâm
và hiệu ứng li tâm. Sau mỗi nhiệm vụ đặt ra, học sinh đã hiểu sâu sắc hơn kiến thức về lực
hướng tâm, là cơ sở để học sinh có thể tự giải quyết một số vấn đề trong các nhiệm vụ tiếp
theo.
- Qua việc tham gia trò chơi các em đã đợc vận dụng kiến thức thu được vào thực tế, đây
cũng chính là căn cứ để đánh giá mức độ nắm vững kiến thức của học sinh như giải thích được
các hiện tượng vật lý, di chuyển vật nhỏ bằng sử dụng kiến thức về lực hướng tâm …
- Khi tham gia các nội dung ngoại khoá học sinh đã đợc mở rộng một số kiến thức, vận dụng
kiến thức vào thực tế mà học chính khoá cha làm đợc nh giải thích được nguyên lý hoạt động
của máy li tâm sữa, giải thích đợc một số hiện tượng vật lý liên quan.
- Một số dụng cụ thí nghiệm học sinh chế tạo thành công có thể sử dụng đưược trong học
nội khoá nh thí nghiệm khảo sát lực hớng tâm đối với hệ nhiều vật, thí nghiệm tìm hiểu bản
chất của lực hướng tâm và mối quan hệ của lực hướng tâm với các đại lợng đặc trưng như bán
kính quỹ đạo, khối lượng của vật, tốc độ quay,...
+ Trước đây, học sinh cha bao giờ nghiên cứu thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm
nhưng qua sự hướng dẫn của giáo viên, các em đã biết tổ chức nhóm để thảo luận các phương
án thí nghiệm và có một số cải tiến trong quá trình làm thí nghiệm như: lúc đầu, làm thí
nghiệm tìm hiểu lực hướng tâm là hợp lực của trọng lực và phản lực của cung tròn tác dụng
lên vật, học sinh định dùng ống gen điện để tạo cung tròn nhưng làm mất nhiều thời gian và
khó thành công nên học sinh đã chuyển sang dùng vòng nhôm tạo máng lăn....
+ Trong quá trình làm thí nghiệm, học sinh đợc vận dụng lý thuyết vào thực tế. Các em
rất hứng thú với cách học này, nhiều em làm việc rất say mê, làm suốt ngày và hoàn thành
nhiệm vụ được giao nhanh nhất và luôn mầy mò tìm cách cải tiến sao cho dụng cụ đẹp nhất và
chính xác nhất.
*Về hình thức tổ chức và phương pháp hướng dẫn các nội dung ngoại khoá như đã dự
kiến là có tính khả thi, thực tế đã chứng minh là đã phát huy được tính tích cực, sáng tạo của
học sinh. Điều này đợc thể hiện nh sau:
Với hình thức hoạt động theo nhóm, với nội dung công việc và mục đích khác nhau
hoặc cùng mục đích nhng với phương án khác nhau đã phát huy đợc sức mạnh của trí tuệ tập
thể, tinh thần đoàn kết, tập luyện cách làm việc theo nhóm nhưng cũng không mất đi vai trò
tích cực của mỗi cá nhân, vẫn phát huy được năng lực, sở trường của từng thành viên trong
nhóm.
24
Hướng dẫn học sinh thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm bằng phương pháp đã đưa ra
theo các bước, với mức độ yêu cầu từ cao xuống thấp đã phát huy cao độ khả năng sáng tạo
của học sinh, vì vậy đã có nhiều phương án thiết kế, nhiều sáng kiến kỹ thuật khác với giáo
viên dự kiến được học sinh đề xuất và thực hiện thành công
Sự hướng dẫn của giáo viên ở từng bớc chỉ mang tính định hướng nên đã gợi sự tò mò,
say mê khám phá, gây được hứng thú cho học sinh, điều này đợc thể hiện là học học sinh đã
tận dụng tất cả các giờ rảnh rỗi đễ thảo luận các phương án thiết kế, chế tạo và làm thí nghiệm,
có lúc thấy các em tranh luận quyết liệt, khi đó giáo viên phải đóng vai trò trọng tài để giải
quyết. Khi học sinh làm thí nghiệm trờng hợp lực hướng tâm là tổng hợp của trọng lực và
phản lực....
C. KẾT LUẬN
Đối chiếu với mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài chúng tôi đã nghiên cứu
và đạt được những kết quả sau:
-Vận dụng đ]ợc cơ sở lí luận về đổi mới phơng pháp dạy học và việc tổ chức hoạt động
ngoại khoá vật lí ở trờng THPT vào việc tổ chức hoạt động ngoại khoá về lực hớng tâm cho
học sinh lớp 10 và lớp 11.
-Trên cơ sở tìm hiểu, điều tra thực tế tình hình dạy học, tình hình trạng thiết bị thí
nghiệm phục vụ dạy học bài lực hướng tâm chúng tôi đã tìm ra những khó khăn, hạn chế và
sai lầm của học sinh khi học bài lực hướng tâm, từ đó chúng tôi đã đề xuất phương án tổ chức
hoạt động ngoại khoá về phần kiến thức này nhằm khắc phục những hạn chế trên.
-Chúng tôi đã xây dựng được nội dung ngoại khoá là hướng dẫn học sinh thiết kế, chế
tạo dụng cụ và làm một số thí nghệm về lực hướng tâm, kết hợp với tổ chức trò chơi để học
sinh có điều kiện vận dụng kiến thức đã học đợc vào việc giải thích các hiện tượng vật lí và
ứng dụng kĩ thuật có liên quan.
-Chúng tôi cũng đã dự kiến hình thức tổ chức và phương pháp hướng dẫn các nội dung
ngoại khoá nói trên, nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh.
-Kết quả thực nghiệm sư phạm cho thấy nội dung ngoại khoá đa ra là phù hợp với điều
kiện dạy học bài lực hướng tâm hiện nay và phù hợp với đối tượng học sinh, hình thức tổ chức
và phương pháp hướng dẫn nh đã đề xuất là có tính khả thi. Học sinh thực sự đã tích cực, tự
lực hoạt động trong học tập, đã tạo đợc sự hứng thú, say mê cho học sinh, những kiến thức học
sinh thu được thông qua các hoạt động ngoại khoá thực sự sâu sắc và có tính bền vững cao.
Hoạt động ngoại khoá đã góp phần giáo dục nhân cách toàn diện cho học sinh.
Tuy kết quả đề tài đã đạt được những mục tiêu đề ra, thu được những kết quả quan
trọng, song do thời gian thực hiện đề tài cha nhiều, tài liệu chuyên sâu về tổ chức hoạt động
25
