Thiết kế tiến trình dạy học bài: chuyển động ném ngang, ném xiên

Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức

Lựa chọn thí nghiệm hỗ trợ hoạt động của học sinh trong dạy học

          Để có thể tổ chức cho học sinh hoạt động tự chủ trong việc tìm hiểu quy luật chuyển động của các vật bị ném ngang và ném xiên thì cần phải có phương tiện hỗ trợ giúp học sinh có thể xác định được tọa độ của vật chuyển động theo thời gian. Các bộ thí nghiệm thông thường như phương pháp dùng đồng hồ cần rung, đồng hồ hiện số hay kể cả phương pháp dùng cảm biến quang điện đều không thể thực hiện được vì không thể xác định trước quỹ đạo chuyển động của vật để bố trí dụng cụ thí nghiệm. Phần mềm phân tích video được xây dựng để giải quyết vấn đề đó. Với việc sử dụng phần mềm phân tích video học sinh có thể dễ dàng xác định được tọa độ x, y của vật chuyển động sau những khoảng thời gian bằng nhau. Từ bảng số liệu thu được, phần mềm cho phép tính được vận tốc v_x, v_y, vẽ được các tọa độ v_x - t, v_y- t, x-t, y-t (Hình 16,17,18,19). Căn cứ vào các bảng số liệu và đồ thị, học sinh có thể dự đoán quy luật chuyển động của vật và nhờ phần mềm kiểm tra dự đoán đó.

Tiến hành thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm

Phân tích tiến trình dạy học

         Bài "Phương pháp tọa độ. Chuyển động của một vật bị ném ngang" được bố trí sau khi học sinh đã học các định luật Niu tơn và các lực cơ học. Học sinh cũng đã nắm được việc vận dụng phương pháp động lực học để giải các bài toán cơ học.

         Nhằm chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, giáo viên giao cho học sinh bài toán xác định tầm xa của một vật bị ném theo phương ngang từ độ cao h với vận tốc ban đầu v₀. Đây là dạng chuyển động mà học sinh thường gặp trong cuộc sống hàng ngày và đều biết rằng tầm xa phụ thuộc vào vận tốc ban đầu v₀. Tuy nhiên, để có thể tính được tầm xa thì cần phải tìm hiểu xem chuyển động của vật bị ném ngang có tuân theo quy luật gì không. Giáo viên sử dụng các tệp phim ghi chuyển động của vật ném ngang, ném xiên trong máy tính và quay lại theo từng cảnh để học sinh có thể quan sát rõ hơn quá trình chuyển động của vật. Qua việc quan sát như trên, học sinh có thể sơ bộ thấy rằng hình như chuyển động của các vật đều tuân theo một quy luật nào đó và bắt tay vào việc tìm hiểu quy luật đó.

           Do đã được làm quen và sử dụng phần mềm phân tích video trong các bài học trước cho nên sau khi phát biểu được vấn đề cần nghiên cứu, học sinh có thể nhanh chóng xác định được điều kiện cần sử dụng để tìm hiểu quy luật chuyển động là phần mềm phân tích video. Giáo viên đồng ý với đề xuất của học sinh và giao cho học sinh sử dụng phần mềm phân tích video để khảo sát chuyển động của một vật bị ném ngang trong tệp phim.

           Học sinh sử dụng phần mềm phân tích video khảo sát chuyển động của một vật bị ném ngang trong tệp phim tương ứng. Kết quả thu được từ phần mềm là các đồ thị x-t, y-t và x-y. Sử dụng các đồ thị hàm chuẩn có trong phần mềm để kiểm tra dạng đồ thị, học sinh đi đến kết luận: đồ thị x-t là đường thẳng, xét theo phương ngang thì chuyển động là đều; đồ thị y-t là parabol, theo phương thẳng đứng thì chuyển động là nhanh dần đều.

           Sau khi điều khiển học sinh báo cáo kết quả và thảo luận, giáo viên phân tích kết quả thu được để làm rõ tính độc lập của chuyển động theo các phương và khái quát để đưa ra phương pháp tọa độ. Học sinh tiếp tục viết các phương trình chuyển động theo các trục tọa độ, suy ra phương trình quỹ đạo cũng như tầm xa của vật.

            Đến đây, học sinh tiếp tục được giao bài toán nghiên cứu chuyển động của một vật bị ném xiên lên góc α so với phương nằm ngang với vận tốc ban đầu v₀, thành lập phương trình chuyển động và phương trình quỹ đạo. Điều kiện cần sử dụng để giải bài toán là phương pháp tọa độ và phần mềm phân tích video.

            Học sinh vận dụng phương pháp tọa độ và đưa ra được các phương trình chuyển động theo trục 0x và 0y: x = (v₀cosα )t; y = (v₀sinα )t + at²/2. Sử dụng phần mềm phân tích video khảo sát chuyển động ném xiên, học sinh thu được các đồ thị x-t, y-t, y-x phù hợp với kết quả lí thuyết. Giáo viên xác nhận những kết quả mà học sinh thu được để học sinh chính thức sử dụng phương pháp tọa độ để giải các bài tập cụ thể về chuyển động ném ngang, ném xiên.

Hoạt động của giáo viên và học sinh

{Đề xuất vấn đề}

GV: Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường thấy các vật bị ném chuyển động theo quỹ đạo cong rồi rơi xuống đất. Một bài toán luôn đặt ra trong thực tế là điểm rơi cách chỗ ném đi bằng bao nhiêu và phụ thuộc như thế nào vào cách ném vật. Để tìm hiểu về vấn đề này, chúng ta hãy giải bài toán sau:

Một vật được ném theo phương ngang từ độ cao h so với mặt đất với vận tốc ban đầu v₀. Hãy xác định khoảng cách theo phương ngang từ chỗ ném đến chỗ vật chạm đất (gọi là tầm xa).

HS: Để tính được tầm xa thì trước hết phải tìm hiểu xem chuyển động của vật có tuân theo quy luật gì không.

{Xác định điều kiện cần sử dụng để tìm hiểu quy luật chuyển động}

GV: Chúng ta có thể sử dụng lí thuyết gì hay thí nghiệm như thế nào để tìm hiểu về quy luật của chuyển động ném ngang?

HS: Thí nghiệm cần phải xác định được tọa độ của vật theo thời gian, từ đó xem xét sự phụ thuộc của tọa độ vào thời gian.

GV: Với các thí nghiệm mà em đã được biết thì có thể sử dụng bộ thí nghiệm nào?

HS: Do chuyển động của vật là chuyển động cong nên phải dùng phần mềm phân tích video.

GV: Đồng ý. Do không thể xác định trước quỹ đạo của vật nên trong trường hợp này chúng ta không thể sử dụng các bộ thí nghiệm quen thuộc như đồng hồ cần rung hay đồng hồ hiện số mà phải dùng phần mềm phân tích video. Các em hãy sử dụng phần mềm để phân tích tệp phim "Chuyển động ném ngang" mà chúng ta vừa quay hôm trước để tìm hiểu về quy luật của chuyển động.

{Học sinh sử dụng phần mềm phân tích video để nghiên cứu chuyển động}

HS: Kết quả thí nghiệm cho thấy đồ thị x-t là đường thẳng xiên, theo phương 0x chuyển động là đều. Đồ thị y-t là đường parabol, theo phương 0y chuyển động là nhanh dần đều với gia tốc a = -g (rơi tự do).

GV: Căn cứ vào các đồ thị, hãy viết các phương trình chuyển động theo các phương 0x, 0y để từ đó suy ra quỹ đạo chuyển động và tầm xa.

HS: x = v₀t , y = - gt²/2

y = - gx²/2v₀² , s = v_02h/g

{Thể chế hóa tri thức}

GV: Như vậy chúng ta thấy rằng chuyển động của vật có thể được phân tích thành 2 thành phần theo phương nằm ngang và theo phương thẳng đứng để nghiên cứu một cách riêng rẽ. Khi đã xác định được quy luật chuyển động theo từng phương đó thì chúng ta có thể xác định được các tọa độ x và y, vận tốc v_x , v_y và v ở mỗi thời điểm. Đó cũng chính là phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu một chuyển động cong bất kỳ gọi là phương pháp tọa độ gồm các bước sau:

- Chọn hệ trục tọa độ và phân tích chuyển động phức tạp thành các chuyển động thành phần đơn giản hơn trên các trục tọa độ.

- Khảo sát riêng rẽ các chuyển động thành phần trên các trục tọa độ.

- Phối hợp các lời giải riêng rẽ thành lời giải đầy đủ cho chuyển động thực.

{Đề xuất vấn đề vận dụng kiến thức}

GV: Bây giờ hãy vận dụng phương pháp này để giải bài toán chuyển động của một vật bị ném lên xiên góc α so với phương ngang với vận tốc ban đầu v₀ và sử dụng phần mềm phân tích video để kiểm tra các kết luận thu được từ lý thuyết.

Kết quả thu được từ phần mềm: Đồ thị x-t là đường thẳng xiên, đồ thị y-t là đường parabol, quỹ đạo y-x là đường parabol, phù hợp với các tính toán lí thuyết.