Sáng kiến kinh nghiệm Phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng, ưu thế của phương pháp so với phương pháp động lực học trong việc giải các bài toán cơ Vật lý lớp 10

 PHỤ LỤC 
A - ĐẶT VẤN ĐỀ 
I. TÊN ĐỀ TÀI 
II. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 
1. Lý do khách quan: 
2. Lý do chủ quan: 
B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 
I. CƠ SỞ LÍ LUẬN 
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 
II.1. PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ 
NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG 
II.1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
1.1.1. Đ ng năng 
1.1.2. Th năng 
1.1.3. Cơ năng 
1.1.4. S a ch của c c 
1.1.5. S chuyển hóa năng lượng 
II.1.2. CÁC DẠNG TOÁN VÀ BÀI TẬP VÍ DỤ 
1.2.1. D ng 1. Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng 
1.2.2. D ng 2: Bài toán va chạm 
1.2.3. D ng 3: Chuyển hóa năng lượng 
II.2. PHẦN 2. ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO 
TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG SO VỚI PHƯƠNG PHÁP 
ĐỘNG LỰC HỌC 
II.2.1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 
II.2.2. ƯU THẾ VÀ VÍ DỤ DẪN CHỨNG 
II.3. PHẦN 3. BÀI TÂP TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN VÀ TỰ LUẬN VẬN 
DỤNG PHƯƠNG PHÁP 
III. KẾT LUẬN 
IV- TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 1 
cơ năng và chuyển hóa năng lượng hoặc phải kết hợp cả hai phương pháp thì 
mới giải được các dạng toán đó. 
 Trong sách giáo khoa vật lí 10 chương trình nâng cao cũng chỉ mới đề cập 
định luật bảo toàn cơ năng vào giải các dạng toán chuyển động ném, va chạm 
đàn hồi và con lắc đơn. Chưa có hoặc chưa nói rõ các dạng toán sử dụng sự 
chuyển hóa năng lượng trong các bài tập, dạng toán phức tạp hơn, cũng như 
chưa chỉ ra được sự tiện lợi hay ưu thế của phương pháp sử dụng định luật bảo 
toàn cơ năng và chuyển hóa năng lượng so với phương pháp động lực học hay 
sự kết hợp giữa hai phương pháp để giải quyết các bài toán phức tạp, khó cho 
các học sinh lớp chuyên, lớp chọn. Từ sự nhìn nhận đó kết hợp kinh nghiệm dạy 
ở các lớp chọn của năm học 2012- 2013 vừa qua tôi cảm thấy chất lượng kiến 
thức cũng như phương pháp mà sách giáo khoa cung cấp chưa đủ và chưa phong 
phú để giúp các em tư duy hay phát huy tinh năng động tích cực khám phá cái 
mới cái hay của vật lí học lớp 10. 
 Ở đây tôi xin giới thiệu phương pháp sử dụng định luật bảo toàn cơ năng 
và chuyển hóa năng lương cũng như một số dạng toán ứng dụng nhiều trong cơ 
học vật lí 10, chỉ ra các ưu thế của phương pháp này so với phương pháp động 
lực học và một số dạng toán kết hợp giữa hai phương pháp trong giới hạn các 
bài toán cơ chương trình vật lí 10 để giúp các em hoc sinh khắc sâu các định 
luật, đồng thời phát huy tính tích cực năng động sáng tạo trong vận dụng lí 
thuyết, phương pháp vào bài tập. 
 Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về cách sử dụng định luật bảo toàn cơ năng 
và chuyển hóa năng lương trong giải các bài toán cơ vật lý 10 và chỉ ra được ưu 
thế cũng như tiện ích của phương pháp so với phương pháp động lực học cũng 
như đưa ra một số dạng toán có sự kết hợp của hai phương pháp mới giải quyết 
được các bài tập vật lý 10 nâng cao của trường trung học phổ thông, cụ thể là 
các em học sinh lớp 10 và học sinh tốp đầu của trường THPT hay trường chuyên 
lớp chọn và đã áp dụng, tích lũy ở lớp 10A2 trường THPT Hoằng Hóa II năm 
học 2012 – 2013 vừa qua. 
 II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 
 II.1. PHẦN 1 
 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG VÀ CHUYỂN 
 HÓA NĂNG LƯỢNG 
 II.1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
 1.1.1. Đ ng năng 
 a Đ nh ngh a: 
Động năng là dạng năng lượng có được do vật chuyển động 
 1 Ch Wđ có giá trị lớn hơn hoặc bằng 0. 
 W mv2 (J) 
 đ 2 Wđ phụ thuộc hệ quy chiếu. 
 b) Đ nh l ng năng: 
 1 1
 mv2 mv2 A ; A : tổng các công của các l c tác dụng vào vật) 
 2 2 2 1
 3 
vn , vn’ : các thành phần pháp tuyến. 
 m1v1 m2v2
c Va chạm không đàn hồi xuyên tâm (v1’ = v2’ = v’) v 
 m1 m2
1.1.5. S chuyển hóa năng lượng 
Năng lượng: là một đại lượng vật lí đặc trưng cho khả năng sinh công của vật. 
Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau: như cơ năng, nội năng, năng 
lượng điện trường, năng lượng từ trường. 
Năng lượng có thể chuyển hoá qua lại từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền 
từ vật này sang vật khác. 
 ưu ý: Công là số đo phần năng lượng bị biến đổi. 
 W = W1 = W2+ Ams = Wđ + Wt + Ams 
 ∆W = W1-W2= Ams 
II.1.2. CÁC DẠNG TOÁN VÀ BÀI TẬP VÍ DỤ 
1.2.1. D ng 1. Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng 
 Phương ph p giải 
Khi áp dụng định luật bảo toàn cơ năng cần : 
 - Xác định được biểu thức cụ thể của động năng và thế năng tại hai vị trí của 
vật. Thông thường ta chọn hai vị trí có động năng hoặc thế năng bằng không 
hoặc tại vị trí mà việc tính toán cơ năng là đơn giản. 
 - Chọn mốc thế năng sao cho việc tính thế năng của vật là dễ nhất. 
 - Định luật bảo toàn cơ năng chỉ được áp dụng đối với trọng lực hoặc lực 
đàn hồi ( l c th . 
Bài p dụ 
Từ độ cao 10 m so với mặt đất, một vật được ném lên cao theo 
phương th ng đứng với vận tốc đầu 5 m/s. B qua sức cản c ủa 
không khí và lấy g = 10 m/s 2 . 
a. Tính độ cao cực đại mà vật đạt được so với mặt đất. 
b. Tính vận tốc của vật tại thời điểm vật có động năng bằng thế năng. 
c. Tìm cơ năng toàn phần của vật, biết khối lượng của vật là m = 200 g. 
Hướng dẫn: 
Chọn gốc thế năng tại mặt đất 
a) Tìm hmax 
 1
Cơ năng tại vị trí ném A: W = mv2 mgh 
 A 2 AA
 ọi B là vị trí cao nhất mà vật đạt được : vB 0 
 Cơ năng của vật tại B : WWB tBmgh max 
 1
Theo định luật bảo toàn cơ năng : WW mgh v2 mgh 
 B A max 2 A A
 v2
 h A h 1,25 10 11,25 m 
 mAax 2g
 5 
Động năng của hệ hai h n bi sau va chạm là : 
 2 2 2
 ’ m1 u m 2 u33 m 1 u m 2 m 1 gl
Wđ = 3 
 2 2 2 4 3
Sau va chạm hai h n bi dính vào nhau và tiếp nối chuyển động tr n của h n bi 
 ’
A. Khi hệ gồm hai h n bi lên đến độ cao tối đa h thì toàn bộ động năng Wđ s 
chuyển thành thế năng 
 ’
Wt = m1 m 2 gh3 m 1 gh 
 p dụng định luật bảo toàn cơ năng : 
 ’ ’ m1 gl l
Wt = Wđ 3m1 gh h 11 cm 4 
 3 9
Phần động năng của h n bi A đã biến thành nhiệt là : 
 ’ m11 gl2 m gl
 Q = Wđ - Wđ = m1 gl 1 J 5 
 33
K ểm t a lạ định luật bảo toàn năng lượng : 
Ban đầu năng lượng của hệ hai h n bi là thế năng m1 gl của h n bi A ở độ cao l. 
 m gl
Sau va chạm, hệ có thế năng 1 , cơ năng không được bảo toàn mà một phần 
 3
động năng của bi A đã chuyển thành nhiệt, trong quá trình va chạm mềm. 
Nhưng năng lượng được bảo toàn : 
 + =Q 6 
b) Va chạm đàn h t c d ện : 
 ọi vv12; lần lượt là vận tốc của honf bi A và B ngay sau khi va chạm. p dụng 
định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng cho hệ gồm hai h n 
bi A và B ta có : 
 m1 v m 1 v 1 m 2 v 2 v v 1 2 v 2 7 
 2 2 2
 m1 v m 1 v 1 m 2 v 2 2 2 2
 v v12 2 v 8 
 2 2 2
 vv2
Từ 7 và 8 , ta suy ra : vv12 ; 9 
 33
Như vậy : Bi A chuyển động ngược chiều với chuyển động ban đầu. H n bi B 
chuyển động tiếp về phía trước. Ngay sau khi va chạm, động năng của h n bi A 
và B lần lượt là : 
 22 22
 m1 v 1 m 1 v m 1 gl m2 v 248 m 1 v m 1 gl
Wđ1 = 10 Wđ2 = 11 
 2 18 9 2 9 9
 ọi hh12; lần lượt là độ cao cực đại mà bi A, bi B lên được sau va chạm. Áp 
dụng định luật bảo toàn cơ năng, ta có : 
 7 
 3
Vậy: F  mg. 
 2
2. Truyền cho vật 2 vận tốc v0 về phía tường. 
a, Bảo toàn cơ năng: 
 2 2
 mv kx 2 2mg m 2
 0 1 mgx  x x v 0 
 2 2 1 1 k 1 k 0
 2 2
 mg mg mv0
Nghiệm dương của phương trình này là: x1 
 k k k
b, ọi x2 là độ giãn cực đại của l xo: 
 2 2
 2 2
 kx 1 kx 2 23mg  mgmv  mg
 mg(x x ) 0
 1 2 ; xx21 
 2 2 k k k k
c. Để vật 1 bị kéo kh i tường thì l xo phải giãn ra 1 đoạn x3 sao cho: 
 kx 3 mg (1) 
Vận tốc v0 nh nhất là ứng với trường hợp khi l xo bị giãn x3 như trên thì vật 2 
dừng lại. Phương trình bảo toàn năng lượng: 
- Cho quá trình l xo bị nén x1 (2) 
- Cho quá trình l xo chuyển từ nén x1 sang giãn 
 2 2
 kx 1 kx 3 2mg
x : mg(x x ) (3) Từ 3 x x 
 3 2 1 3 2 1 3 k
 3mg 15m
Kết hợp với 1 , ta được: x1 . Thay vào 2 , ta được: vg  . 
 k 0 k
 II.2. PHẦN 2 
 ƯU THẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ 
 NĂNG VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG SO VỚI PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG 
 LỰC HỌC 
 II.2.1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 
 2.1. Phương ph p ng l c học 
 Phương pháp động lực học là phương pháp khảo sát chuyển động cơ của các 
vật dựa trên cơ sở các định luật Niu-ton. Phương pháp động lực học bao gồm 
các bước cơ bản sau : 
2.1.1. Xác định đầy đủ các lực tác dụng lên vật hoặc hệ vật. Với mỗi lực xác 
định cần chỉ rõ điểm đặt, phương, chiều, độ lớn. 
2.1.2. Các lực tác dụng lên vật thường là : 
 - Các lực tác dụng do các trường lực gây ra như trường hấp dẫn, điện 
 trường, từ trường 
 - Các lực tác dụng do liên kết giữa các vật: ực căng, lực đàn hồi 
 9 
Bài giải: 
Cách 1: Sử dụng phương pháp động lực học 
Phân tích các lực tác dụng lên vật và chọn truc tọa độ như hình v 
Các lực tác dụng vào vật: 
Trọng lực P , phản lực N của mặt ph ng nghiêng 
 p dụng định luật 2 Newton F P N m a 
 2
Chiếu lên trục x : Psinα = ma a = 5m/s 
 2 2
 p dụng công thức của chuyển động biến đổi đều v v0 2as với s = l =1m 
 2
 v0 0 v 10m/ s 
Cách 2. Sử dụng phương pháp định luật bảo toàn cơ năng 
 Chọn gốc thế năng ở mặt phăng ngang ta có: 
Ở đỉnh dốc: WA = Wt = mgh = mglsinα 
 1 2
Ở chân dốc: W = W = mv 
 B đ 2
 2
 p dụng định luật bảo toàn cơ năng WA = WB v 10m/ s 
 Với hai phương pháp giải quyết một bài toán thì phương pháp sử dụng định 
luật bảo toàn cơ năng gọn, tiện lợi và nhanh hơn nhiều. 
 Trong bài toán ví dụ trên nếu có ma sát ta vẫn sử dụng phương pháp động 
lực học nhưng phải phân tích thêm lực ma sát, c n với phương pháp sử dụng 
định luật bảo toàn cơ năng ta phải chuyển hóa 1 phần cơ năng thành công của 
ma sát. 
 Bên cạnh đó c n nhưng dạng toán mà phương pháp động lực học không thể 
giải được như bài toán con lắc đơn tìm vận tốc, tìm lực căng T cần phải kết 
hợp cả hai phương pháp thi mới tìm ra vấn để của bài toán. Sau đây là các vị dụ 
dẫn chứng. 
2.2.2. Ví dụ 2. Quả cầu nh khối lượng 500 g treo ở đầu một sợi dây dài 1 m, 
đầu trên của dây cố định. Kéo quả cầu ra kh i vị trí cân bằng sao cho dây hợp 
với phương th ng ứng góc 450 rồi thả tự do. Tìm: 
a. Vận tốc của con lắc khi nó đi qua vị trí cân bằng. 
 11