Bản chất vật lý trong các bài tập định tính ở phần cơ học lớp 10

LỜI NÓI ĐẦU

Cơ học hay khoa học về chuyển động và cân bằng của các vật thể là
một trong những phần quan trọng nhất và cũng sớm trở thành một lĩnh vực
thực sự khoa học của Vật lý học. Bắt đầu từ những công trình của Galilêo
Galilei và Isaac Newton vào nửa sau thế kỉ XVII. Suốt ba thế kỉ tiếp theo
nhiều thế hệ nhà khoa học ở nhiều nước khác nhau trên thế giới
đã đóng góp
công sức lớn lao mở rộng phạm vi và hoàn thiện công cụ nghiên cứu Cơ học
để hoàn chỉnh nó thành một khoa học tương đối độc lập và khái quát. Chỉ từ
cuối thế kỉ thứ XIX trở đi, Cơ học Newton mới dần dần bộc lộ tính hạn chế
của nó và các hiểu biết về chuyển động đã trở nên sâu sắc và đầy đủ hơn
nhờ sự hình thành và phát triển của thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Cơ
học Newton bây giờ được gọi là Cơ học cổ điển, coi như trường hợp riêng
của Cơ học tương đối tính và Cơ học lượng tử, khi mà vận tốc của chuyển
động là nhỏ so với vận tốc ánh sáng và kích thước vật chuyển động là lớn
so với kích thước củ
a các hạt tạo thành nguyên tử như hạt electron. Dĩ nhiên
Cơ học Newton vẫn cực kì quan trọng đối với hoạt động sống của con người
vì nó giúp ta hiểu được chuyển động của mọi vật thể ở Trái Đất cũng như
các vật thể khác trong vũ trụ.
Phần Cơ học nghiên cứu trong chương trình lớp 10 được chia thành
ba bộ phận : Động học nghiên cứu chuyển độ
ng của chất điểm một cách độc
lập với nguyên nhân gây ra chuyển động, gồm các chuyển động thẳng và
chuyển động cong mà cụ thể là chuyển động tròn. Động lực học nghiên cứu
các chuyển động nói trên trong mối quan hệ với nguyên nhân gây ra sự biến
đổi của chúng. Cuối cùng là tĩnh học nghiên cứu sự cân bằng của các vật
thể, hiểu như trường hợp đặc biệt c
ủa chuyển động khi vận tốc của vật bằng
không.
Bài tập định tính là loại bài tập được đưa ra với nhiều tên gọi khác
nhau : “câu hỏi thực hành, câu hỏi để lĩnh hội, bài tập logic, bài tập miệng,
câu hỏi định tính, câu hỏi kiểm tra,…” Sự đa dạng trong cách gọi chứng tỏ
loại bài tập này có những ưu điểm về phương pháp ở nhiều mặt, bởi vì m
ỗi
một tên gọi đều phản ánh một khía cạnh nào đó của ưu điểm.
Thuật ngữ “ bài tập định tính “ cũng chưa hoàn toàn chính xác bởi vì
một đặc trưng định tính của hiện tượng được xác định nhờ những quan hệ
định lượng thích ứng. Đặc điểm của bài tập định tính là nhấn mạnh về mặt
định tính của các hiện tượng đang kh
ảo sát. Chúng tạo điều kiện cho học
sinh đào sâu và củng cố các kiến thức, phân tích hiện tượng, làm phát triển ở
học sinh tư duy logic, khả năng phán đoán, mơ ước sáng tạo, kỹ năng vận
dụng những kiến thức lý thuyết để giải thích các hiện tượng trong tự nhiên,
trong đời sống, trong kĩ thuật. Mở rộng tầm mắt kĩ thuật của học sinh, chuẩ
n
bị một bước để đi vào hoạt động thực tế sau khi tốt nghiệp.
Đối với giáo viên, nếu biết vận dụng khéo léo các bài tập định tính thì
sẽ nâng cao được hứng thú của học sinh khi học vật lí và giúp học sinh phát
huy được tính tích cực tiếp thu tài liệu khi lên lớp. Vì thế, tôi đã chọn đề tài :
“Bản chất vật lí trong các bài tập định tính”. Nội dung của đề tài được
chia làm bốn chương, mỗi chương đều được trình bày theo một cấu trúc
chung:

Cơ sở lí thuyết.

Hệ thống các bài tập định tính.

Ý nghĩa của việc xác định bản chất vật lí trong các bài tập
định tính.
Lần đầu tiên tham gia nghiên cứu chắc hẳn không tránh khỏi những
hạn chế. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn bè và nhất
là các bạn học sinh phổ thông đang học phân môn Cơ học. Hy vọng đây sẽ là
một tài liệu hữu ích góp phần phát huy hơn tính tích cực và chủ động trong
công tác dạy và học ở nhà trường.

N
N
g
g
ư
ư
ờ
ờ
i
i


t
t
h
h
ự
ự
c
c


h
h
i
i
ệ
ệ
n
n


Trần Quốc Duyệt

Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
PHẦN I : MỞ ĐẦU


I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Bản chất của quá trình học vật lý là nghiên cứu các sự vật, hiện
tượng xảy ra trong tự nhiên. Tìm ra quy luật của sự tồn tại và vận động của
chúng trong tự nhiên để tác động vào các sự vật, hiện tượng đó theo ý muốn
của con người.
Các lý thuyết, các đối tượng nghiên cứu được trình bày ở phổ thông
và vật lý đại cương đều có dạng tổng quát và còn mang đậm tính lí t
ưởng
hoá, đã tách khỏi các mối quan hệ ràng buộc, qui định lẫn nhau. Chính vì vậy
từ việc học lí thuyết đến việc vận dụng để giải quyết các nhiệm vụ đặt ra là cả
một vấn đề nan giải đối với người học vật lí. Và đó cũng chính là điều mà
nhiều SV-HS đang bâng khuâng suy nghĩ.
Các sự vật, hiện tượng vật lí là muôn màu, muôn vẻ với nhiều
điều bất
ngờ thú vị. Được học vật lí trong sự thú vị và sống động của các sự vật, hiện
tượng có lẽ là cách học tốt nhất để nắm vững bản chất vật lí.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Xây dựng kỹ năng vận dụng lý thuyết để giải thích các hiện
tượng vật lí thường gặp trong tự nhiên và giải quyết các bài tập
định tính trong Cơ học.
III. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Bản chất vật lí trong các bài tập định tính ở phần cơ học lớp 10.
IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
a. Động học.
b. Động lực học.
c. Các định luật bảo toàn.
d. Cân bằng của vật rắn.
V. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU:

Trang 1
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
o Xây dựng hệ thống các điểm tựa lí thuyết và xác định rõ giới
hạn áp dụng của chúng.
o Tìm hiểu bản chất vật lí trong các bài bài tập định tính cơ học.
o Phân tích và đánh giá vai trò của các nguyên nhân tác động
đến kết quả trong hệ thống các bài tập định tính.
o Thiết lập logíc cho các kiểu giải quyết các bài tập định tính.
o Áp dụng giải quyết các nhiệm vụ thực tiễn như gi
ải thích các
hiện tượng vật lí, giải bài tập định tính và định lượng,…
VI. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :
1. Nghiên cứu và phân tích các tài liệu giáo khoa, các lí thuyết vật lí có
liên quan.
2. Phương pháp thu thập tư liệu.
3. Phương pháp quan sát sư phạm.
VII. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC:
 Người học cần phải xây dựng một hệ thống các điểm tựa của
tư duy dựa trên những bản chất cốt lõi của vấn đề
để giải quyết
các nhiệm vụ thực tiễn đặt ra trong việc học vật lí nói chung và
cơ học nói riêng.
VIII. THỜI GIAN NGIÊN CỨU: Từ 01/04/2004 đến 30/06/2004.







Trang 2
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT

PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG I : ĐỘNG HỌC

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT :
Động học nghiên cứu hình học của chuyển động. Đó là sự mô tả toán
học chuyển động của các vật mà không phân tích nguyên nhân gây ra các
chuyển động đó. Nói cách khác, sẽ không có sự giải thích tại sao chuyển
động đang khảo sát lại diễn ra như hế này mà không như thế khác. Đồng
thời, trong động học ta sẽ thiết lập các hệ thức toán học giữa các đại lượng
đặc trưng cho chuyển động như độ dời, đường đi, vận tốc, gia tốc và thời
gian chuyển động.
Để miêu tả chuyển động của vật, tức là sự chuyển dịch của nó trong
không gian đối với các vật khác, ta gắn vào các vật một hệ qui chiếu. Hệ qui
chiếu được chọn lựa trong Cơ học Newton là một hệ đứng yên tuyệt đối,
gồm một đ
iểm O trên vật làm mốc gọi là gốc toạ độ, một hệ trục toạ độ với
chiều dương tự chọn và một mốc thời gian để khảo sát chuyển động. Với
những vật có kích thước rất nhỏ so với quỹ đạo chuyển động được gọi là
chất điểm thì vị trí của chúng được xác định bởi véc tơ bán kính
r
. Vậy
chuyển động của một chất điểm là hoàn toàn xác định nếu ta biết được vectơ
bán kính
r
như là một hàm của thời gian
)t(r
r
. Chẳng hạn đối với chuyển
động đều:
)1(
0
tvrr += , còn chuyển động biến đổi đều :
)2(
2
2
00
ta
tvrr ++=
.
Trong đó,
đặc trưng cho vị trí ban đầu của chất điểm, là vận tốc ban
đầu của chất điểm lúc bắt đầu khảo sát chuyển động.
0
r
0
v
Trong động học, gia tốc được xem là đã cho nhưng thực tế gia tốc
được tìm bằng thực nghiệm hoặc bằng tính toán dựa trên các định luật của
động lực học khi biết các lực xác định đặc tính của chuyển động. Phương
trình (1) mô tả chuyển động của chất điể
m trong một hệ qui chiếu quán tính,
nếu như không có lực nào tác dụng lên vật (hoặc tất cả các lực tác dụng lên
vật cân bằng nhau), còn phương trình (2) cho các lực tác dụng là không đổi.
Trong trường hợp thứ hai, vật chuyển động trong một trường lực đồng nhất
không thay đổi theo thời gian. Chẳng hạn, đối với những vật ở độ cao rất nhỏ
so với bán kính Trái Đất thì trường lực hấp dẫ
n của Trái Đất tác dụng lên các

Trang 3
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
vật là đồng nhất và không thay đổi theo thời gian. Chuyển động của vật ở
gần mặt đất được mô tả bởi phương trình (2) nếu bỏ qua sức cản không khí.
Như vậy, hàm
)(tr
r
chứa đựng thông tin đầy đủ về động học chuyển
động của vật, tức là chỉ cần sử dụng hàm
)(tr
r
ta có thể trả lời mọi câu hỏi
trong các bài tập về động học. Chẳng hạn, sự phụ thuộc của vận tốc tức thời
của chất điểm vào thời gian, ta có thể dễ dàng rút ra từ phương trình (2)
bằng cách lấy đạo hàm vectơ bán kính
)(tr
r
theo thời gian và có dạng :

).3(
0
tavv +=
rrr
Khi giải bài tập, ta sẽ viết phương trình (2) trực tiếp qua các hình chiếu
trên các trục tọa độ. Tùy thuộc
a
r
có bao nhiêu hình chiếu, tức có bao nhiêu
bậc tự do, mà ta sẽ có bấy nhiêu phương trình tương ứng trên các trục tọa
độ. Nếu số bậc tự do là 1 thì vật chuyển động trên đường thẳng, là 2 thì vật
chuyển động trong mặt phẳng và vật sẽ chuyển động trong không gian nếu
số bậc là 3. Để thuận tiện cho việc khảo sát ta nên chọn gốc tọa độ tại điểm
vật bắt đầu chuy
ển động và hệ trục tọa độ cho thích hợp để số bậc tự do là
nhỏ nhất.
Đối với vật chuyển động đều theo một quĩ đạo tròn, vận tốc của vật chỉ
có hướng thay đổi, còn độ lớn không đổi. Khi đó gia tốc hướng tâm vuông
góc với vận tốc và có độ lớn :
)4(
2
R
v
a = , với R là bán kính của đường tròn.
Công thức này vẫn còn đúng đối với một chất điểm có độ lớn vận tốc v không
đổi chuyển động trên một quĩ đạo cong bất kì. Chỉ có điều bây giờ r là bán
kính cong của quĩ đạo ở điểm đang xét. Lúc này gia tốc sẽ hướng vè tâm
cong, tức là vuông góc với vectơ vận tốc, còn vận tốc thì tiếp tuyến vớ
i quĩ
đạo. Nếu vận tốc không phải hằng số mà là một hàm biến đổi theo thời gian
thì ngoài thành phần pháp tuyến
)(tv
r
n
a
r
hướng về tâm, gia tốc
a
r
còn có
thêm thành phần
tiếp tuyến với quĩ đạo, có hướng theo vận tốc nếu độ lớn
vận tốc tăng hoặc ngược hướng với vận tốc nếu độ lớn vận tốc giảm.
t
a
r
Việc giải các bài toán động học quy về việc sử dụng các phương trình
nói trên trong những điều kiện cụ thể được cho trong bài toán. Sẽ là sai lầm
nếu nghĩ rằng có m
ột “phương pháp chung“ để giải quyết mọi vấn đề, bởi lẽ
đơn giản là không tồn tại một phương pháp như thế. Mà trái lại, các hiện
tượng vật lí thì muôn màu muôn vẻ. Với các cách tiếp cận khác nhau trong
từng trường hợp cụ thể sẽ bộc lộ lên bản chất vật lí ở từng khía cạnh của
vấn đề.
II. HỆ THỐNG CÁC BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH PHẦN ĐỘNG HỌC :
1. Chuyển động của vật trong hệ qui chiếu đứng yên:
1. 1. Thí nghiệm xác định tốc độ trung bình:

Trang 4
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
Dùng một quả bóng rổ hay bóng đá và ba đồng hồ bấm giây. Chia
học sinh thành ba tốp làm thí nghiệm trên một hành lang đủ dài. Một học sinh
cho bóng lăn vừa đủ để bóng đi hết đường hành lang không quá nhanh. Ba
tốp đứng ở vị trí cách bóng là a, 2a, 3a và cùng quan sát bóng lăn, ghi nhận
lại khoảng thời gian để bóng lăn đến chỗ của mình. Sau đó tính tốc độ trung
bình ứng với mỗi vị trí dựa vào công thức :
t
S
v =
.
Dựa vào tốc độ trung bình ứng với vị trí 3a, có thể dự đoán được
tốc độ trung bình ứng với các vị trí khác như 5a,10a,. . . hay không? Trong
cùng điều kiện chuyển động (vật thể chuyển động, tính chất của con đường),
chuyển động có cùng một qui luật. Do dó có thể dự đoán vận tốc trung bình ở
những đoạn đường tiếp theo bất kì dựa vào quy luật của chuyể
n động.
Vận tốc trung bình trên những quãng đường khác nhau thì khác
nhau( ) và vận tốc trung bình khác với trung bình của vận tốc.
21
vv ≠
1. 2. Đồ thị của chuyển động:
a) Trên hình 1. 1 cho đồ thị vận tốc của ba chuyển động. Có thể thể
nói gì về mỗi chuyển động đó?

(I)
(II)
(III)
V




t
O

Hình 1. 1

Đồ thị I là đường thẳng song song trục Ot cho biết
constv =
r
. Đồ thị
II là đường thẳng hợp trục Ov một góc nhọn và hướng theo chiều dương cho
biết chuyển động là nhanh dần đều. Đồ thị III song song trục Ov cho biết tại
một thời điểm vật có thể đạt mọi giá trị của vận tốc nên đây là một chuyển
động không có thực.
b) Hai chất điểm chuyển động thẳng đều có vận tốc
. Hỏi đồ
thị vận tốc trong hệ toạ độ (Ov,t), đồ thị toạ độ trong hệ toạ độ (Ox,t) khác
nhau ở điểm nào?
21
vv >

Trang 5
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
Hai chất điểm chuyển động thẳng đều , chọn x=0 thì
21
vv >
Sx ≡

nên trong cùng một khoảng thời gian t, chúng có tọa độ
và được đặc
trưng trên đồ thị(Ox,t) là góc
21
SS >
21
α>α
. Với
21
αα ,
lần lượt là góc hợp bởi đồ
thị và trục thời gian của chất điểm thứ I và thứ II. Còn trong đồ thị (Ov,t) là hai
nửa đường thẳng song song, khoảng cách giữa các đường là
12
vv −
.
Đường đi là diện tích hình giới hạn bởi đồ thị với các trục toạ độ.

I
O t
O
II
1
α
2
α
2
S

1
S

1
v
2
v
1
S
II
I
V
X


2
S


t

c) Trên hình 1. 2 biểu diễn sự biến thiên đường đi của ba vật theo thời
gian. Các vật ấy chuyển động như thế nào?

II
III
I
x




O
t
Hình 1. 2

Cả ba đồ thị đều là những đường thẳng chứng tỏ các vật chuyển
động đều. Độ dốc của đồ thị hay góc hợp b
ởi đồ thị và trục thời gian cho
phép so sánh vận tốc của các vật chuyển động thẳng đều. Vì vậy dựa vào
hình 1. 2 ta thấy vật II chuyển động nhanh nhất vì có độ dốc lớn nhất, vật III
chuyển động chậm nhất vì có độ dốc nhỏ nhất. Giao điểm của đồ thị với trục
Ox cho biết khoảng cách từ vật đến vị trí làm mốc trong hệ qui chiế
u đã chọn
tại thời điểm ban đầu. Còn giao điểm của đồ thị với trục thời gian Ot là thời
điểm được chọn để xác định chuyển động. Giao điểm của các đồ thị với nhau
cho biết thời điểm hai chuyển động gặp nhau tại một tọa độ xác định.
d) Dựa vào đồ thị vận tốc củ
a một vật chuyển động nhanh dần đều
không có vận tốc ban đầu, hãy chứng minh rằng những quãng đường vật đi

Trang 6
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
được trong những khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau tỉ lệ với dãy các số lẻ
liên tiếp?
3
S∆
2
S∆
1
S∆
C
B
A
O
V





t

t∆
Hình 1.3

Một chuyển động nhanh dần đều được mô tả bằng đồ thị 1. 3 và sử
dụng ý nghĩa đồ thị của vận tốc : Quãng đường vật đi được trong những
khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau là
321
S,S,S ∆∆∆
được biểu diễn bằng
diện tích các hình thang tương ứng.
Ta có:
2
.
1
tAA
S
∆
′
=∆
;
2
3
2
2
)t.AA(t).BBAA(
S
∆
′
=
∆
′
+
′
=∆
;
)t.AA(
t).CCBB(
S ∆
′
=
∆
′
+
′
=∆
2
5
2
3

do tỉ lệ đồng dạng
32
CCBB
AA
′
=
′
=
′
nên :
531
321
::S:S:S =∆∆∆
.
 Căn cứ đặc điểm hình dạng của đồ thị có thể rút ra được qui luật
của chuyển động và số chiều không gian tồn tại chuyển động qua hệ trục tọa
độ của đồ thị. Có những thông tin được khai thác từ đồ thị căn cứ vào hình
dạng của đồ thị, điểm xuất phát, giao điểm, diện tích, hệ trục tọa
độ,. . . Tuỳ
thuộc yêu cầu của vấn đề đặt ra cần giải quyết mà ta có sự lựa chọn thông
tin cho phù hợp để giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng, rõ ràng.
1. 3. Thí nghiệm khảo sát gia tốc của một viên bi lăn trên máng
nghiêng:

Trang 7
Bản chất Vật lý trong các bài tập định tính TRẦN QUỐC DUYỆT
1. 3. 1. Ghép hai thước bẹt dài a(m) –đủ lớn để có đủ thời gian
khảo sát chuyển động –và tạo thành một cái máng chữ V. Gác một đầu máng
lên trên một quyển sách để tạo thành một máng nghiêng. Lựa chọn chiều dày
quyển sách để cho một viên bi bắt đầu thả lăn từ đầu máng đi trọn chiều dài
a(m) trong t(s). Chuyển động của viên bi lăn trên máng nghiêng là chuyển
động gì? Gia tốc bi chỉ phụ thuộc vào yếu tố nào?
Chuyển động của bi lăn trên máng nghiêng, nếu bỏ qua ma sát chịu
tác dụng của trọng lực, phản lực của máng nghiêng lên bi. Dưới tác dụng của
hợp lực không đổi thì gia tốc sinh ra là không đổi trong suốt thời gian chuyển
động lăn của bi trên máng nghiêng. Càng xuống thấp vận tốc bi càng tăng
nên đây là một chuyển động nhanh dần đều. Độ lớn gia tốc chỉ phụ thuộc vào
thành phần của trọ
ng lực theo phương mặt phẳng nghiêng, còn thành phần
theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng đã triệt tiêu với phản lực của
máng. Mà thành phần này tỉ lệ với độ dốc của máng (góc
α
hợp bởi máng và
mặt phẳng nằm ngang) nên độ lớn của gia tốc trong trường hợp này chỉ phụ
thuộc vào độ dốc của máng nghiêng; nó càng tăng khi máng càng dốc.
1. 3. 2. Các thông tin có thể khai thác được từ thí nghiệm:
a)Quãng đường viên bi đi được trong những khoảng thời gian t/2 là
bao nhiêu? Nếu vội vã bạn sẽ dễ dàng đoán sai là quãng đường đó bằng
nửa chiều dài của máng, tức a/2(m). Nhưng kết luận này chỉ
đúng khi vật
chuyển động thẳng đều(s tỉ lệ t), còn viên bi thì chuyển động nhanh dần đều
(S tỉ lệ t
2
) nên quãng đường đi được giảm đi bằng (1/2)
2
=1/4 lần độ dài máng
nghiêng.
{
quyết định trạng thái của chuyển động. Chuyển động với gia
tốc
bao hàm cả các chuyển động thẳng đều Î quy luật biến đổi của gia
tốc xác định quy luật thay đổi của chuyển động. Khi a=0:chuyển động thẳng
đều,
=
a
r
a
r
a
r
const : chuyển động biến đổi đều, consta ≠
r
:chuyển động biến đổi
theo qui luật biến đổi của
a
r
.
b)Đánh dấu các vị trí a/2, a/4 tính từ đỉnh máng. Nếu thả hai viên bi
cho lăn cùng lúc từ hai vị trí này thì chúng sẽ lăn xuống dưới mỗi lúc một rời
xa nhau hơn hay mỗi lúc một lại gần nhau hơn?
Tính chất cơ bản của chuyển động hay ma sát trên mặt phẳng
nghiêng là a chỉ phụ thuộc vào độ dốc của mặt phẳng nghiêng. Với những
vật được thả từ mặt phẳng nghiêng v
ới độ dốc như nhau thì gia tốc của
chúng sẽ bằng nhau. Và cả hai viên bi đều được thả cùng lúc không vận tốc
đầu nên chúng sẽ đi được những quãng đường bằng nhau trong những
khoảng thời gian như nhau. Do đó, khoảng cách giữa các viên bi sẽ không
thay đổi trong suốt quá trình chuyển động.
2. Tính tương đối của chuyển động :

Trang 8

Xem chi tiết: Bản chất vật lý trong các bài tập định tính ở phần cơ học lớp 10