Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức của bài học.

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

      Để có thể tổ chức cho học sinh hoạt động nhận thức theo tiến trình xây dựng kiến thức trong sơ đồ trên, phương tiện thí nghiệm phải giúp cho học sinh có thể xác định được vận tốc của các vật theo thời gian. Với các dụng cụ thí nghiệm như bộ cần rung điện, bộ dùng tia lửa điện hay đồng hồ thời gian thì việc xác định nhiều giá trị vận tốc trong quá trình chuyển động của vật đòi hỏi phải tốn nhiều thời gian đo đạc, tính toán nên không thể thực hiện trong một tiết học. Hơn nữa với việc sử dụng đồng hồ đo thời gian thì việc xác định nhiều vận tốc tức thời trong một chuyển động lại phải thông qua nhiều chuyển động được coi là giống nhau. Như vậy, việc xác định vận tốc của đồng thời hai vật chuyển động để có thể so sánh chúng với nhau càng khó khăn hơn gấp bội. Để giải quyết vấn đề đó, chúng ta sử dụng phần mềm phân tích video xác định được tọa độ của các vật chuyển động tại mỗi thời điểm, sau đó máy tính sẽ giúp học sinh trong việc tính toán vận tốc tức thời và cho các bảng số liệu v-t và vẽ các đồ thị v-t. Căn cứ vào đó học sinh có thể đưa ra nhận xét về sự biến đổi của vận tốc theo thời gian cũng như so sánh sự biến đổi vận tốc của hai chuyển động mà đưa ra khái niệm gia tốc.

          Theo định nghĩa vận tốc trung bình, vận tốc tức thời, chúng ta có thể tính gần đúng vận tốc của vật chuyển động tại mỗi thời điểm bằng cách tính vận tốc trung bình trên quãng đường rất ngắn giữa hai điểm lân cận.

           Ví dụ một vật chuyển động có các vị trí sau những khoảng thời gian bằng nhau Δ t rất nhỏ là A, B, C, D thì vận tốc tức thời của chuyển động đó tại các điểm B, C có thể được tính gần đúng theo công thức: V_B = AC/2Δ t = (x_C - x_A)/2Δ t; V_C = BD/2Δ t = (x_D - x_B)/2Δ t

Trình bày kết quả thí nghiệm cần đạt được trong bài học.

Bảng tọa độ - thời gian và vận tốc - thời gian của hai xe trên đệm khí

Phân tích tiến trình dạy học

        Để chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, phát biểu vấn đề, giáo viên bắt đầu từ việc đưa ra một số ví dụ về chuyển động của các vật trong tự nhiên và yêu cầu học sinh so sánh chuyển động của hai vật cùng chuyển động trên hai đệm khí đặt song song với nhau. Bằng trực giác và kinh nghiệm của mình, học sinh trước hết có thể nhận thấy rằng các chuyển động khác nhau là ở vận tốc và sự biến đổi vận tốc của chúng. Từ đó xuất hiện nhu cầu tìm xem trong mỗi chuyển động biến đổi có thuộc tính gì đặc trưng cho sự biến đổi vận tốc.

        Nhằm giúp học sinh xác định điều kiện phải sử dụng để tìm hiểu về chuyển động, giáo viên gợi ý học sinh tìm phương án thí nghiệm nghiên cứu sự biến đổi của vận tốc theo thời gian. Học sinh đưa ra rằng thí nghiệm cần phải xác định được vận tốc của vật chuyển động tại mỗi thời điểm và có thể sử dụng các bộ thí nghiệm mà học sinh đã biết khi học chương trước như bộ thí nghiệm dùng cần rung điện hay dùng đồng hồ thời gian... Việc tiến hành thí nghiệm với các bộ thí nghiệm này gặp khó khăn và cần nhiều thời gian, hơn nữa do đã được làm quen với phần mềm phân tích video khi khảo sát chuyển động thẳng đều nên học sinh cũng có thể nhanh chóng lựa chọn và sử dụng phần mềm phân tích video để khảo sát các chuyển động biến đổi. Giáo viên giao cho học sinh sử dụng phần mềm để phân tích đồng thời hai vật chuyển động tăng tốc trong cùng một tệp phim nhằm so sánh chúng với nhau.

        Học sinh hoạt động theo nhóm với phần mềm phân tích video, trong quá trình thao tác với phần mềm, học sinh phải lần lượt trả lời các câu hỏi trắc nghiệm do phần mềm đưa ra về dạng chuyển động, sự biến đổi của vận tốc... Ngoài việc tránh không để học sinh chỉ biết kích chuột vào các núm chức năng khi sử dụng phần mềm thì những câu hỏi này cũng góp phần rèn luyện cho học sinh phương pháp tư duy khoa học khi nghiên cứu bằng thực nghiệm. Kết quả hoạt động với phần mềm phân tích video, học sinh sẽ thu được đồng thời hai đồ thị vận tốc là những đường thẳng đi lên. So sánh hai chuyển động này, học sinh thấy được sự giống nhau của chúng là vận tốc tăng tỉ lệ thuận với thời gian. Điểm khác nhau là một vật có vận tốc tăng nhanh hơn vật kia. Chính vì sự khác nhau này dẫn đến việc cần phải tìm đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi vận tốc của chuyển động, đó là độ biến thiên vận tốc trong một đơn vị thời gian. Từ đồ thị vận tốc tà đường thẳng đi lên, học sinh viết được công thức v_t = v₀ + at và suy ra a = (v_t - v₀)/Δ t chính là độ tăng vận tốc trong một đơn vị thời gian. So sánh hai đồ thị trên màn hình, chuyển động nào có đồ thị dốc hơn thì có a lớn hơn và vận tốc tăng nhanh hơn.

         Trong phần báo cáo kết quả và thảo luận, nếu học sinh mới chỉ dừng lại ở nhận xét rằng hai chuyển động giống nhau ở chỗ đều có vận tốc tăng tỉ lệ thuận với thời gian còn khác nhau ở chỗ vật nọ tăng tốc nhanh hơn vật kia thì giáo viên sẽ tiếp tục đưa ra yêu cầu để học sinh đi tìm đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên vận tốc của chúng như trên. Cuối cùng, giáo viên thông báo với học sinh rằng chuyển động của các vật như trên gọi là chuyển động nhanh dần đều. Ngược lại, những chuyển động có vận tốc giảm tỉ lệ nghịch với thời gian được gọi là chuyển động chậm dần đều. Cả hai loại chuyển động được gọi chung là chuyển động biến đổi đều. Đại lượng a mà các em vừa tìm được gọi là gia tốc của chuyển động. Do vận tốc là đại lượng véc tơ nên trong trường hợp tổng quát, gia tốc là đại lượng véc tơ đặc trưng cho sự biến đổi của vận tốc cả về hướng và độ lớn. Sau phần thông báo đó, giáo viên yêu cầu học sinh tự phát biểu định nghĩa chuyển động biến đổi đều, định nghĩa và đơn vị của gia tốc.

Hoạt động của giáo viên và học sinh

{Đề xuất vấn đề}

GV: Chuyển động của các vật trong tự nhiên nói chung đều là những chuyển động có vận tốc biến đổi theo thời gian. Quan sát chuyển động của các vật, em có nhận xét gì về vận tốc của chúng?

HS: Vận tốc của các vật khác nhau, sự biến đổi của vận tốc cũng khác nhau.

GV: Làm thế nào để có thể so sánh một cách định lượng sự biến đổi vận tốc của các vật?

HS: Cần phải tìm hiểu xem sự biến đổi vận tốc của một chuyển động có những đặc điểm gì phân biệt với chuyển động khác.

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

GV: Đồng ý. Để tìm hiểu sự biến đổi vận tốc của một chuyển động theo thời gian thì chúng ta cần phải tiến hành thí nghiệm như thế nào?

HS: Do không có dụng cụ đo trực tiếp vận tốc tức thời của chuyển động nên chúng ta phải dựa vào biểu thức định nghĩa v = Δ s/Δ t. Vậy phải xác định được tọa độ của vật theo thời gian rồi suy ra vận tốc. Có thể sử dụng phương pháp dùng đồng hồ cần rung hoặc phần mềm phân tích video.

GV: Đồng ý. Dùng đồng hồ cần rung, chúng ta có thể xác định được vị trí của vật sau những khoảng thời gian bằng nhau. Khoảng cách giữa hai chấm liên tiếp chính là quãng đường vật đi được trong thời gian đó. Vận tốc tức thời tại thời điểm đó gần đúng bằng Δ s/Δ t. Tuy nhiên, với bộ thí nghiệm dùng cần rung điện thì việc khảo sát đồng thời hai chuyển động và so sánh sự biến đổi vận tốc của chúng gặp nhiều khó khăn. Chúng ta có thể sử dụng phần mềm phân tích video để thực hiện việc đó dễ dàng và nhanh chóng hơn. Hãy sử dụng phần mềm để khảo sát các chuyển động đã cho trong tệp phim "Hai vật chuyển động" và nhận xét về sự biến đổi vận tốc của chúng.

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

HS: Vận tốc của các vật đều tăng tỷ lệ thuận theo thời gian vì có đồ thị v-t là đường thẳng đi lên. (Hình 11)

GV: Như vậy, hai chuyển động này khác nhau ở điểm nào? Có thể dùng thuộc tính nào để phân biệt chúng?

HS: Hai chuyển động khác nhau ở chỗ chúng có tốc độ tăng vận tốc khác nhau. Để phân biệt hai chuyển động, chúng ta cần phải so sánh độ tăng vận tốc của chúng trong một đơn vị thời gian.

Với vật 1: v₁ = a₁t + b₁ a₁ = (v₁ - b₁)/t

Với vật 2: v₂ = a₂t + b₂ a₂ = (v₂- b₂)/t

Vì vật 2 tăng tốc nhanh hơn nên a₂ > a₁

{Thể chế hóa tri thức}

GV: Đồng ý. Đại lượng đó đặc trưng cho sự biến thiên nhanh hay chậm của vận tốc, gọi là gia tốc. Chuyển động có vận tốc tăng tỷ lệ thuận với thời gian được gọi là chuyển động nhanh dần đều. Ngược lại, những chuyển động có vận tốc giảm tỷ lệ nghịch với thời gian gọi là chuyển động chậm dần đều. Hai loại chuyển động này được gọi chung là chuyển động biến đổi đều.

Công thức tính gia tốc tìm được ở trên là gia tốc của chuyển động biến đổi đều. Trong các công thức đó, b chính là vận tốc ở thời điểm t = 0. Do vận tốc là đại lượng véc tơ nên gia tốc cũng là đại lượng véc tơ.