Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng kiến thức

 

         

   

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

 

          Để có thể tổ chức hoạt động tìm tòi sáng tạo giải quyết vấn đề của học sinh theo tiến trình xây dựng kiến thức trong sơ đồ trên thì trước hết cần phải có phương tiện thí nghiệm cho phép xác định được vận tốc của các vật trước và sau va chạm. Do quá trình va chạm xảy ra rất nhanh, trong mỗi thí nghiệm lại phải xác định được đồng thời vận tốc của các vật cả trước và sau va chạm (4 phép đo cần thực hiện cùng một lúc), phương chuyển động của các vật sau va chạm lại không biết trước nên các bộ thí nghiệm thông thường không thực hiện được. Với các bộ thí nghiệm hiện có như bộ thí nghiệm dùng cần rung điện, bộ ghi quỹ đạo bằng tia lửa điện hay bộ thí nghiệm đệm không khí thì mới chỉ có thể tiến hành cho trường hợp va chạm mềm cùng chiều mà trước va chạm một trong hai vật đứng yên. Chính vì lý do đó nên chúng tôi xây dựng phần mềm phân tích video nhằm hỗ trợ hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học bài này. Do tệp phim video có thể quay đi quay lại nhiều lần nên với mỗi va chạm chúng ta có thể xây dựng phần mềm để lần lượt xác định tọa độ của các vật trước và sau va chạm, sau đó tính vận tốc tương ứng của chúng làm cơ sở để học sinh đưa ra và kiểm tra giả thuyết. Để kiểm tra dự đoán nào thì học sinh chỉ việc đánh vào dòng "Dự đoán" công thức của đại lượng đó rồi ấn "Enter". Kết quả tính tổng trước và sau va chạm tương ứng được đưa ra màn hình cho phép nhanh chóng khẳng định hay bác bỏ giả thuyết. Cuối cùng, phần mềm cho phép vẽ ra màn hình các véc tơ động lượng của các vật trước và sau va chạm, chứng tỏ véc tơ tổng động lượng của các vật trước và sau va chạm bằng nhau.

Tiến hành thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm

Phân tích tiến trình dạy học

 

        Trước khi chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, giáo viên thông báo về khái niệm hệ kín và tư tưởng về các đại lượng bảo toàn trong hệ kín.

        Nhằm chuyển giao nhiệm vụ cho học sinh, trước hết giáo viên cho học sinh quan sát lại một số va chạm giữa các vật trên đệm khí nằm ngang ở tốc độ bình thường và quay chậm theo từng cảnh để học sinh có thể sơ bộ thấy được sự thay đổi vận tốc của các vật sau khi chúng va chạm với nhau phụ thuộc vào khối lượng của chúng và phụ thuộc vào kiểu va chạm. Câu hỏi đặt ra là: Đại lượng bảo toàn trong hệ kín gồm hai vật va chạm trên đệm khí có quan hệ thế nào đến vận tốc và khối lượng của các vật đó?

        Giáo viên tổ chức cho học sinh thảo luận tìm phương án thí nghiệm cần sử dụng để tìm đại lượng có liên quan đến vận tốc và khối lượng có thể được bảo toàn trong hệ. Học sinh có thể xác định được được yêu cầu của thí nghiệm là phải đo được vận tốc của các vật trước và sau va chạm đồng thời cũng nhận thấy rằng với bốn đại lượng cần đo đồng thời trong thời gian rất ngắn khi va chạm thì các dụng cụ thí nghiệm thông thường không thực hiện được. Trên cơ sở đó, giáo viên đưa ra giải pháp là sử dụng phần mềm phân tích video để phân tích lần lượt từng chuyển động của các vật trước rồi sau va chạm và tính được các giá trị vận tốc tương ứng. Cũng chính nhờ quá trình thảo luận như trên mà học sinh nắm được mục đích cũng như cách sử dụng phần mềm để khảo sát va chạm và bắt tay vào thực hiện. Giáo viên giao cho mỗi nhóm học sinh phân tích một loại va chạm trên đệm khí để tìm đại lượng bảo toàn.

          Học sinh hoạt động theo nhóm với phần mềm phân tích video. Phần mềm cho phép xác định được tọa độ của các vật trước và sau va chạm ghi vào 4 bảng tọa độ - thời gian. Kích vào núm "Vận tốc trước và sau va chạm", phần mềm cho ra màn hình một bảng ghi khối lượng và vận tốc của các vật trước và sau va chạm. Căn cứ vào bảng số liệu đó, học sinh có thể đưa ra các dự đoán về đại lượng bảo toàn như mv, mv²/2...Để kiểm tra đại lượng dự đoán là có được bảo toàn hay không, học sinh chỉ cần nhập vào công thức của đại lượng đó vào dòng "Dự đoán". Trong quá trình hoạt động với phần mềm, những nhóm được giao phân tích tệp phim ghi va chạm ngược chiều thấy mv không bảo toàn trong khi các nhóm bên cạnh được giao phân tích tệp phim ghi va chạm cùng chiều thì thấy mv được bảo toàn. Hai nhóm có thể trao đổi với nhau và phát hiện được vai trò về hướng của vận tốc và dự đoán đại lượng được bảo toàn là mv. Ngay sau đó các nhóm có thể kiểm tra lại bằng phần mềm và tìm thấy sự phù hợp. Trong phần học sinh báo cáo kết quả và thảo luận, giáo viên xác nhận kết quả mà học sinh thu được và nhận định rằng trong hệ gồm các vật va chạm chuyển động cùng phương trên đệm khí thì đại lượng mv được bảo toàn.

         Tiếp theo, giáo viên đặt vấn đề cần phải tìm hiểu xem đại lượng đó có bảo toàn trong trường hợp hai vật va chạm chuyển động theo các phương bất kì không. Để giúp học sinh xác định lí thuyết cần sử dụng để khảo sát va chạm, giáo viên nêu câu hỏi về nguyên nhân làm biến đổi vận tốc của các vật trong va chạm. Từ câu hỏi của giáo viên, học sinh liên hệ đến lực tương tác giữa hai vật trong va chạm và áp dụng định luật 2, 3 Niu tơn để suy ra mối liên hệ giữa gia tốc rồi vận tốc của các vật đó. Kết quả tìm được cho thấy tổng mv của các vật trước và sau va chạm bằng nhau.

         Sử dụng phần mềm phân tích video, sau khi xác định tọa độ, vận tốc và kiểm tra đại lượng bảo toàn, học sinh kích vào núm "Kết quả", trên màn hình xuất hiện các véc tơ tổng động lượng trước và sau va chạm có thể dịch chuyển để chúng chồng lên nhau.

Hoạt động của giáo viên và học sinh

{Đề xuất vấn đề}

GV: Như chúng ta vừa phân tích, trong hệ kín có những đại lượng bảo toàn được phát biểu bởi các định luật bảo toàn. Để đi tìm xem đại lượng nào được bảo toàn trong hệ kín, trước hết chúng ta nghiên cứu sự va chạm giữa hai vật trên đệm khí nằm ngang. Các em hãy quan sát lại sự va chạm giữa các vật trong tệp phim sau và dự đoán xem đại lượng nào được bảo toàn. (Giáo viên lần lượt cho học sinh quan sát lại một số loại va chạm gồm: vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm đàn hồi với m2=m1 đang đứng yên, sau va chạm m1 dừng lại còn m2 bắn đi; vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm đàn hồi với m2<m1 đang đứng yên; vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm đàn hồi với m2>m1 đang đứng yên; vật khối lượng m1 chuyển động đến va chạm không đàn hồi với m2 đang đứng yên; vật m1 và m2 chuyển động đến va chạm với nhau...)

HS1: Trong va chạm vận tốc của các vật bảo toàn.

HS2: Vận tốc không bảo toàn vì vận tốc của các vật sau va chạm phụ thuộc vào khối lượng của chúng.

GV: Như vậy đại lượng nào có thể được bảo toàn?

HS: Vận tốc của các vật sau va chạm có phụ thuộc vào khối lượng của chúng.

Đại lượng bảo toàn có quan hệ đến cả vận tốc và khối lượng của các vật. Chúng ta phải đi tìm đại lượng có mối quan hệ đó.

{Xác định điều kiện cần sử dụng để tìm đại lượng bảo toàn}

GV: Để tìm đại lượng đó thì có thể tiến hành thí nghiệm như thế nào? Thí nghiệm cần phải xác định được những đại lượng nào?

HS: Thí nghiệm cần phải xác định vận tốc của các vật trước và sau va chạm.

GV: Như vậy chúng ta cần phải bố trí thí nghiệm để có thể cùng một lúc xác định được 4 giá trị vận tốc. Với các phương pháp đo vận tốc của một chuyển động mà em được biết thì có thể sử dụng phương pháp nào trong trường hợp này? Với phương pháp đó thì cần phải bố trí và tiến hành thí nghiệm như thế nào?

HS: Nếu sử dụng đồng hồ cần rung hay đồng hồ hiện số thì không được vì cho dù có đủ cả 4 chiếc thì cũng không biết trước sau va chạm các vật sẽ chuyển động theo hướng nào để đặt chúng...Có thể dùng phần mềm phân tích video vì tệp phim có thể quay đi quay lại nhiều lần.

GV: Đồng ý. Chúng ta có thể sử dụng phần mềm phân tích video để xác định tọa độ của các vật trước và sau va chạm rồi tính vận tốc của chúng. Bây giờ tôi sẽ giới thiệu cách sử dụng phần mềm này, sau đó các em tiến hành khảo sát các va chạm mà nhóm mình được phân công và báo cáo kết quả.

{Học sinh sử dụng phần mềm để phân tích va chạm. Một số nhóm được giao phân tích các va chạm mà các vật chỉ chuyển động theo cùng chiều, một số nhóm được giao phân tích các va chạm mà các vật chuyển động ngược chiều nhau}

HS1 (Thuộc nhóm khảo sát va chạm cùng chiều): Trong va chạm đại lượng tính bằng tích mv có thể được bảo toàn.

HS2 (Thuộc nhóm khảo sát va chạm ngược chiều): Trong va chạm không tìm thấy đại lượng nào được bảo toàn.

GV: Tại sao lại có sự khác biệt như vậy? Các loại va chạm được khảo sát có điểm gì khác nhau không?

HS: Sự khác nhau của các va chạm là ở chiều chuyển động của các vật.

GV: Đại lượng được bảo toàn có quan hệ gì không tới chiều chuyển động của các vật đó?

HS: Có thể đại lượng bảo toàn là m[v]. Thử lại với phần mềm cho thấy trong các va chạm thì đều có m[v] bảo toàn. (Ký hiệu véc tơ v là [v])

{Đề xuất vấn đề cần kiểm nghiệm kiến thức}

GV: Như vậy, trong hệ gồm các vật va chạm trên đệm khí thì mv được bảo toàn. Liệu đại lượng đó có được bảo toàn trong hệ kín gồm các vật chuyển động theo các phương bất kì đến va chạm với nhau không? Sự bảo toàn của đại lượng đó có phù hợp với các định luật Niu tơn không?

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

HS: Vận tốc của các vật biến đổi do có lực tác dụng đã gây ra gia tốc theo định luật 2 Niu tơn. Các lực tương tác giữa hai vật tuân theo định luật 3 Niu tơn. Vận dụng định luật 2 và định luật 3 Niu tơn có thể tìm được mối liên hệ giữa vận tốc và khối lượng của các vật trong va chạm.

GV: Đúng vậy, các em hãy sử dụng các định luật Niu tơn để suy ra đại lượng bảo toàn trong va chạm, sau đó sử dụng phần mềm phân tích video để kiểm tra kết quả.

{Học sinh tự lực giải quyết vấn đề}

HS: Những lực tương tác giữa hai vật tuân theo định luật 3 Niu tơn và gây ra gia tốc cho các vật, dẫn đến sự biến đổi vận tốc.

Như vậy, trong va chạm tổng các véc tơ mv trước và sau va chạm bằng nhau.

Sử dụng phần mềm phân tích video thu được tổng các véc tơ mv trước và sau va chạm, có thể dịch chuyển cho chúng chồng khít lên nhau. Kết quả thí nghiệm phù hợp với lí thuyết.

{Thể chế hóa tri thức}

GV: So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả suy ra bằng lý thuyết chúng ta thấy rằng trong hệ gồm 2 vật va chạm trên mặt phẳng nằm ngang thì tổng các đại lượng tính bằng tích giữa khối lượng của vật và véc tơ vận tốc của nó trước và sau va chạm không đổi. Đại lượng đó được gọi là động lượng của vật. Với lý thuyết và thực nghiệm trong phạm vi rộng hơn cho hệ kín đã dẫn đến xác nhận tổng véc tơ động lượng của hệ kín không đổi được phát biểu bằng định luật bảo toàn động lượng. Em hãy phát biểu định nghĩa động lượng và định luật bảo toàn động lượng.