Thiết kế tiến trình dạy học bài: đường đi trong chuyển động biến đổi đều

Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức

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

        Theo lô gíc hình thành kiến thức như trong sơ đồ trên thì trong thí nghiệm cần phải xác định được tọa độ của vật chuyển động theo thời gian, vẽ được đồ thị tọa độ và chứng tỏ được đồ thị đó có dạng là một parabol. Để xác định tọa độ của vật tại mỗi thời điểm sau những khoảng thời gian bằng nhau ta có thể thực hiện được bằng phương pháp dùng đồng hồ cần rung điện hay dùng tia lửa điện. Tuy nhiên, từ kết quả thí nghiệm thu được trên băng giấy, để có được bảng số liệu và đồ thị thì cần rất nhiều thời gian để đo và vẽ nên không thể hoàn thành trong một tiết học. Chính vì lý do này mà chúng có thể dùng phần mềm phân tích video để học sinh sử dụng trong giờ học. Nhờ sự trợ giúp của máy tính mà việc xác định tọa độ của vật và vẽ các đồ thị được thực hiện nhanh chóng, dành thời gian cho các thao tác trí tuệ của học sinh. Học sinh sẽ sử dụng các bộ thí nghiệm thực trong các buổi làm thí nghiệm thực hành.

Kết quả thí nghiệm:

Phân tích tiến trình dạy học

        Trong pha chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, giáo viên đặt ra cho học sinh bài toán cần xác định vị trí tại thời điểm t của một vật chuyển động nhanh dần đều với vận tốc ban đầu v₀, gia tốc a. Với bài toán này, học sinh thấy rằng cần phải tìm hiểu xem quãng đường mà vật chuyển động nhanh dần đều đi được phụ thuộc như thế nào vào thời gian chuyển động. Học sinh phát biểu được vấn đề cần nghiên cứu là tìm công thức tính đường đi trong chuyển động nhanh dần đều.

         Để xây dựng được công thức đường đi trong chuyển động biến đổi đều, học sinh cần phải nắm được cách biểu diễn đường đi trong chuyển động thẳng đều để từ đó suy luận tương tự và đưa ra cách biểu diễn đường đi trên đồ thị vận tốc. Vì vậy, trước hết giáo viên phải yêu cầu học sinh nhắc lại công thức tính đường đi trong chuyển động thẳng đều, vẽ đồ thị vận tốc - thời gian trên hệ trục tọa độ v-t và cho học sinh thấy rằng có thể biểu diễn đường đi bằng diện tích của hình chữ nhật giới hạn bởi đồ thị vận tốc và các trục tọa độ. Sau khi học sinh đã nắm được cách biểu diễn đường đi như trên, giáo viên gợi ý học sinh suy luận tương tự để đưa ra cách biểu diễn đường đi trong chuyển động nhanh dần đều trên đồ thị vận tốc.

          Học sinh được phân công thành các nhóm, có thể trao đổi và thảo luận để giải quyết nhiệm vụ. Kết thúc phần này, học sinh đưa ra đường đi trong chuyển động thẳng biến đổi đều được biểu diễn bởi diện tích của hình thang trên đồ thị vận tốc và xây dựng được công thức đường đi s = v₀t + at²/2.

          Sau khi thành lập được công thức đường đi thì vấn đề đặt ra là phải kiểm tra công thức đó bằng thực nghiệm. Một mặt, từ công thức đường đi, học sinh suy ra được phương trình chuyển động, mặt khác do đã được làm quen với phần mềm phân tích video trong các bài học trước nên học sinh có thể nhanh chóng lựa chọn phần mềm này để giải quyết vấn đề đặt ra. Sử dụng phần mềm phân tích video khảo sát chuyển động của một vật, học sinh thu được đồ thị v-t là đường thẳng chứng tỏ chuyển động là nhanh dần đều. Sau khi vẽ đồ thi x-t và sử dụng đồ thị của hàm chuẩn trong phần mềm để đối chiếu, học sinh kết luận được đồ thị x-t của chuyển động đó là một parabol. Kết quả này phù hợp với công thức suy luận bằng lí thuyết, cho phép thừa nhận công thức đường đi và phương trình chuyển động nêu trên.

           Sau phần báo cáo và thảo luận, giáo viên xác nhận kết quả đó để học sinh chính thức sử dụng trong việc giải các bài tập về chuyển động của các vật. Học sinh cũng sẽ được tiếp tục sử dụng phần mềm phân tích video để khảo sát chuyển động của vật rơi tự do, chuyển động của một vật bị ném thẳng đứng lên trên trong các bài học sau.

Hoạt động của giáo viên và học sinh

{Đề xuất vấn đề}

GV: Một vật chuyển động nhanh dần đều trên một đường thẳng AB với gia tốc a. Tại thời điểm t = 0 vật đi qua điểm A và có vận tốc v₀. Xác định vị trí của vật ở thời điểm t.

HS: Để xác định được vị trí của vật tại thời điểm t, cần phải tính được quãng đường mà vật đi được trong thời gian t. Tức là phải tìm hiểu xem quãng đường mà một vật chuyển động nhanh dần đều đi được phụ thuộc như thế nào vào thời gian.

{Tìm điều kiện cần sử dụng để giải quyết vấn đề}

GV: Với chuyển động thẳng đều ta có s = vt, x = x₀ + vt. Như vậy quãng đường mà vật đi được phụ thuộc vào thời gian chuyển động và vận tốc của vật. Từ công thức s = vt ta thấy có thể biểu diễn đường đi trên đồ thị vận tốc bởi diện tích của hình chữ nhật giới hạn bởi đồ thị vận tốc và trục thời gian. Liệu có thể biểu diễn đường đi trong chuyển động nhanh dần đều trên đồ thị vận tốc tương tự như trong chuyển động đều không? Chú ý rằng nếu xét trong khoảng thời gian rất nhỏ thì vận tốc của chuyển động thay đổi rất ít và chuyển động có thể coi gần đúng là đều.

{Học sinh hoạt động tìm tòi giải quyết vấn đề}

HS: Chia chuyển động của vật thành nhiều phần trong thời gian rất nhỏ. Tương tự như chuyển động đều, quãng đường đi trong thời gian rất nhỏ đó được biểu diễn bởi diện tích hình chữ nhật nhỏ tương ứng. Quãng đường mà vật đi được bằng tổng đường đi trong các khoảng thời gian nhỏ được biểu diễn bằng hình thang giới hạn bởi đồ thị vận tốc và trục thời gian.

GV: Từ cách biểu diễn đó, có thể suy ra công thức tính đường đi của chuyển động như thế nào?

HS: Từ công thức tính diện tích hình thang, suy ra công thức đường đi là s=v₀t + at²/2.

{Đề xuất vấn đề đòi hỏi phải kiểm nghiệm kiến thức}

GV: Bây giờ chúng ta cần phải kiểm tra kết quả tính toán đó bằng thực nghiệm. Để thực hiện được điều đó thì phải có thí nghiệm như thế nào?

HS: Thí nghiệm phải xác định được x theo t. Có thể sử dụng phần mềm phân tích video.

GV: Đồng ý. Các em hãy lập phương trình chuyển động sau đó sử dụng phần mềm phân tích video để khảo sát chuyển động đã cho trong tệp phim "Chuyển động nhanh dần đều", đối chiếu với kết quả suy ra từ lý thuyết và đưa ra kết luận.

{Học sinh sử dụng phần mềm phân tích video để khảo sát chuyển động}

HS: x = x₀ + s = x₀ + v₀t + at²/2.

Đồ thị v-t là đường thẳng (Hình 14).

Đồ thị x-t là đường parabol (Hình15). Kết quả phù hợp với lý thuyết.

{Thể chế hóa tri thức}

GV: Đúng vậy, các công thức mà các em vừa xây dựng được nghiệm đúng với một chuyển động biến đổi đều bất kỳ, trong đó a, v là các giá trị hình chiếu của các véc tơ gia tốc và vận tốc lên trục tọa độ. Phương trình x=x₀+v₀t+at²/2 gọi là phương trình chuyển động.