1
Xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập
chương “động lực học vật rắn” thuộc chương
trình vật lí lớp 12 nâng cao nhằm bồi dưỡng học
sinh giỏi

Nguyễn Văn Hùng

Trường Đại học Giáo dục
Luận văn ThS ngành: Lý luận và phương pháp dạy học; Mã số: 60 14 10
Người hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Huy Sinh
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Trình bày lý luận về bài tập vật lý và phương pháp giải bài tập vật lý nhằm
đạt hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu nội dung kiến thức lý thuyết và bài tập chương
“Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao trung học phổ
thông (THPT), tài liệu giáo khoa chuyên vật lý THPT và một số tài liệu tham khảo
vật lý khác. Phân tích vị trí, vai trò nội dung kiến thức chương “Động lực học vật
rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT. Dựa vào mục đích yêu cầu
theo phân phối chương trình thực hiện giảng dạy vật lý nâng cao lớp 12 THPT. Dựa
vào cấu trúc, nội dung kiến thức cần đạt được trong các đề thi học sinh giỏi (HSG)
vật lý các cấp trong 4 năm trở lại đây của thành phố Hà Nội. Xây dựng hệ thống bài
tập về nội dung kiến thức chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý
lớp 12 nâng cao THPT, dùng cho công tác bồi dưỡng HSG vật lý THPT. Đề xuất một
số phương pháp giải bài tập nhằm góp phần nâng cao hiệu quả trong các kỳ thi HSG
vật lý THPT các cấp. Điều tra khảo sát tính khả thi của những biện pháp được đề
xuất. Xử lý kết quả thực nghiệm bằng toán học thống kê.

Keywords: Phương pháp dạy học; Vật lý; Phương pháp giải bài tập; Động lực học;
Học sinh giỏi

HSG môn vật lý.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận về bài tập vật lý và phương pháp giải bài tập vật lý nhằm đạt
hiệu quả cao nhất.

3
- Nghiên cứu nội dung kiến thức lý thuyết và bài tập chương “Động lực học vật rắn”
thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, tài liệu giáo khoa chuyên vật lý THPT và
một số tài liệu tham khảo vật lý khác.
- Xây dựng hệ thống bài tập về nội dung kiến thức chương “Động lực học vật rắn”
thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, dùng cho công tác bồi dưỡng HSG vật lý
THPT.
- Đề xuất một số phương pháp giải bài tập nhằm góp phần nâng cao hiệu quả trong
các kỳ thi HSG vật lý THPT các cấp.
- Điều tra khảo sát tính khả thi của những biện pháp được đề xuất. Xử lý kết quả thực
nghiệm bằng toán học thống kê.
6. Giới hạn của đề tài
Nghiên cứu cơ sở lý luận, cơ sở thực tiễn về hệ thống và phương pháp giải bài tập vật
lý chương “Động lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT.
Trên cơ sở đó xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập. Nhằm bồi dưỡng HSG
phần động lực học vật rắn.
7. Phƣơng pháp nghiên cứu
7.1. Phương pháp nghiên cứu lí luận
7.2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực tiễn
7.3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm
8. Những đóng góp của luận văn
- Bước đầu xây dựng được một hệ thống và phương pháp giải bài tập chương “Động
lực học vật rắn” thuộc chương trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT, phong phú đa dạng. Giúp
GV và HS có thêm tư liệu trong việc dạy và học, đặc biệt trong công tác bồi dưỡng đội
tuyển HSG vật lý THPT các cấp.

1.1.3.4. Các yêu cầu chung trong dạy học về bài tập vật lí
1.1.4. Một số vấn đề về phương pháp dạy học bài tập vật lí ở trường THPT

5
1.1.4.1. Tư duy trong quá trình giải bài tập vật lí
1.1.4.2. Phương pháp giải bài tập vật lí
1.1.4.3. Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí
1.1.4.4. Sử dụng bài tập vật lí nhằm phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi
* Phát hiện vấn đề nhận thức từ việc nghiên cứu hiện tượng vật lí
* Phát hiện vấn đề nhận thức từ việc đọc đề bài toán
* Bài tập để rèn luyện cách giải nhanh, thông minh
* Bài tập để rèn luyện khả năng suy luận, diễn đạt chính xác và lôgíc
* Sử dụng bài tập để rèn luyện kỹ năng thực hành
1.2. Cơ sở thực tiễn
1.2.1. Tìm hiểu nội dung kiến thức vật lí trong các kì thi học sinh giỏi cấp Thành phố
Nhận xét đề thi HSG môn vật lý THPT của thành phố Hà Nội:
Đề thi học sinh giỏi môn vật lý THPT của thành phố Hà Nội (cả hai vòng). hầu như
mới chỉ chú ý đến các bài tập định lượng, còn các dạng bài tập định tính và bài tập thí
nghiệm ít khi được đề cập và có tới 90% các đề thi đều đề cập đến nội dung kiến thức vật
rắn và động lực học vật rắn. Dựa trên những đặc điểm đó, chúng tôi đề ra định hướng
nghiên cứu đề tài xây dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập phần động lực học vật rắn,
chủ yếu tập trung vào các bài tập định lượng nhằm tạo điều kiện giúp công tác bồi dưỡng
HSG phù hợp với thực trạng ở địa phương và có thể đạt hiệu quả tốt nhất.
1.2.2. Một vài nhận xét về thực tế công tác bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí ở ba trường
THPT của huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội
Trong nhà trường THPT, nhất là ở những trường không chuyên, việc phát hiện và bồi
dưỡng HSG như thế nào để đạt kết quả tốt, quả là một vấn đề không đơn giản. Trong các trường
THPT của huyện Thanh oai, thành phố Hà Nội, việc bồi dưõng HSG đã có sự quan tâm và đầu
tư nhất định. Qua điều tra chúng tôi thấy, trong những năm gần đây, công tác bồi dưỡng HSG
nói chung và HSG môn vật lí nói riêng trong các nhà trường đã được quan tâm chú ý và đầu tư

trường, đặc biệt tùy vào kinh phí, cơ sở vật chất của từng trường.
Đứng trước thực trạng đó, chúng tôi nhận thấy việc giải quyết nhu cầu về tài liệu bồi
dưỡng HSG là nhu cầu thiết yếu cần được đáp ứng, có như vậy công tác bồi dưỡng học sinh

7
giỏi ở trường THPT nói chung, các trường THPT không phải là trường chuyên nói riêng
mới có thể mang lại kết quả như mong đợi.
1.2.3. Vấn đề sử dụng bài tập trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí THPT
1.2.3.1. Nhiệm vụ của dạy học vật lí và công tác bồi dưỡng học sinh giỏi ở trường phổ
thông
1.2.3.2. Thực trạng về dạy học và bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí ở các trường THPT huyện
Thanh Oai- Thành phố Hà Nội
- Trên cơ sở điều tra thực tế, phân tích hạn chế, khó khăn để tìm ra nguyên nhân,
biện pháp khắc phục nhằm xây dựng hệ thống bài tập và phương pháp giải bài tập phần
động lực học vật rắn thuộc chương trình vật lý 12 nâng cao.
* Kết quả điều tra
Tìm hiểu về mục đích chính của giờ lên lớp bồi dưỡng HSG, đa số các giáo viên
đều cho là: nhằm củng cố, khắc sâu kiến thức lí thuyết, rèn luyện phương pháp giải bài tập,
cho HS cọ sát với nội dung kiến thức và mức độ khó dễ của các đề thi. Thực tế cũng cho
thấy việc lựa chọn bài tập của giáo viên cũng chưa có mục đích rõ ràng, chưa đầu tư đúng
mức cho việc lựa chọn hệ thống bài tập. Thông thường chỉ chọn một số bài toán khó
trong các tài liệu tham khảo và GV thường sưu tầm một số bài toán trong các đề
thi chọn HSG các cấp để cho HS giải hoặc hướng dẫn HS giải với mục tiêu chính
là tìm ra đáp số của bài toán.
Như vậy, việc xây dựng hệ thống bài tập để bồi dưỡng HSG trong mỗi nhà trường
THPT là điều rất cần thiết đặc biệt là những trường không chuyên. Kết quả điều tra cho
thấy 90% ý kiến giáo viên được hỏi khẳng định tầm quan trọng của việc xây dựng nguồn
tài liệu phù hợp trong việc thực hiện bồi dưỡng HSG.
Chƣơng 2
XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP PHẦN ĐỘNG


ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN
Chuyển động quay quanh một trục cố định

Tốc độ
góc
Định luật bảo
toàn momen
động lượng

Động năng
quay
Momen động
lượng
Momen quán tính
Gia tốc của một điểm
trên vật

Momen lực
Toạ độ
góc
Phương trình
động học
Định lí độ biến
thiên động
năng
Phương trình

0
OM rad

Ta chỉ xét sự quay theo một chiều và chọn
là chiều dương là chiều quay của vật. Toạ
độ góc φ và φ
0
dương khi quay trục Ox
đến các véc tơ
OM

hay
0
OM

cùng chiều
dương qui ước, và
âm thì nguợc lại.
Tốc độ
Là đại lượng đặc trưng cho sự
quay nhanh hay chậm của vật
rắn.
+ Tốc độ góc trung bình:
21

+ ω < 0 khi vật quay ngược chiều dương. Gia tốc
góc
Là đại lượng đặc trưng cho sự
biến thiên nhanh chậm của tốc
độ góc.

+ Gia tốc góc trung bình:
tb
t




+ Gia tốc góc tức thời:
/
t
t0
Lim
t


   

rad/s

+ M < 0 nếu vật quay theo chiều âm. 12
đòn.
Momen
quán tính
Momen quán tính I của một vật
rắn đối với một trục là đại lượng
đặc trưng cho mức quán tính
của vật rắn m trong chuyển
động quay quanh trục ấy.

- Momen quán tính của chất điểm: I =
mR
2
- Momen quán tính của hệ chất điểm
hay của vật rắn: I = m
i
r
i
2
Với m là khối lượng của vật, r
i
là
khoảng cách từ chất điểm đến trục
quay.
kgm
2



13
Bảng 2.3. Momen quán tính của một số vật rắn đồng chất
có dạng hình học xác định đối với trục đối xứng

Dạng hình học
của vật có tính
đối xứng
Khối
lƣợng
(kg)
Bán
kính
(m)
Chiều
dài
(m)
Trục quay
Momen
quán tính
I (kgm
2
)
+ Vành tròn
+ Hình trụ rỗng
m
R

Trùng với trục của vật
mR

ml
2
Quả cầu đặc
m
R

Đi qua tâm của quả cầu
5
2
mR
2

2.1.3.3. Các phương trình động học và động lực học trong chương" Động lực học vật rắn"
Bảng 2.4. Các phương trình động học và động lực học của vật rắn
trong chuyển động quay
Các trƣờng hợp
chuyển động quay
Đặc điểm
của chuyển
động
Phƣơng trình
Quy ƣớc dấu
Phƣơng trình
chuyển động của vật
ω = hằng
số γ = 0
φ = φ
0
+ ωt
Trong đó: φ

theo thời gian thì
chuyển động quay là
nhanh dần đều (γ > 0).
Nếu tốc độ góc ω giảm
đều theo thời gian thì
chuyển động quay là
chậm dần đều (γ < 0).
Phƣơng trình độc lập
với thời gian của vật
quay biến đổi đều ω
2
- ω
0
2
= 2γ(φ-φ
0
)
Phƣơng trình liên hệ
giữa đại lƣợng góc
và đại lƣợng dài
v = R.ω

quay một góc α với: 15

2




n
t
a
a
tg
2.1.3.4. Các định luật
* Định luật II Niu-tơn cho chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay
* Định luật bảo toàn mômen động lượng:
2.1.3.5. Các định lý
* Định lí: Độ biến thiên của momen động lượng
* Định lí biến thiên động năng của vật rắn quay quanh một trục cố định
* Ðịnh lý Steiner về Momen quán tính khi chuyển trục quay

16
2.1.3.6. So sánh sự tương quan giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động thẳng và
chuyển động quay.
* Bảng2.5. So sánh sự

)
Momen lực
M
(Nm)
Lực
F (N)
Momen quán
tính
I (Kg.m
2
)
Khối lƣợng
m(kg)
Momen động
lƣợng
LI
(Kgm
2
/s)
Động lƣợng
P = mv (kgm/s)
Động năng
quay
W
đ
2
1
I
2


00
1
h.s; t; t t
2
2
             
     

x = x
0
+ v
0
t +
2
1
at
2

 
22
00
v v 2a x x  

Phƣơng trình
động lực học
MI
hay
L
M
t

2
ω
2

Định luật bảo toàn
động lƣợng
12
p h.s p p  

1 1 2 2
m v m v2.2. Phân loại bài tập phần động lực học vật rắn
2.2.1. Mục tiêu
Mục tiêu về kiến thức và kỹ năng
Nhận biết
Hiểu và vận dụng
Vận dụng linh
hoạt và sáng tạo
- Biết cách xác định vị trí của
vật rắn trong chuyển động
quay quanh một trục cố định.
- Nhớ và hiểu được ý nghĩa
của các đại lượng trong các
công thức, phương trình
động học và động lực học vật
rắn
- Nhớ được các công thức
tính momen quán tính, động

trục.
- Nhớ và hiểu được các đại
lượng trong các công thức
động năng quay và động
năng trong chuyển động
thẳng.
- Nắm được các dạng năng
lượng của vật rắn trong
chuyển động tịnh tiến và
chuyển động quay.

lượng của vật rắn trong chuyển
động quay.
- Giải được các bài tập về động
năng độ biến thiên động năng,
năng lượng và sự biến đổi năng
lượng của vật rắn trong chuyển
động quay, trong chuyển động
vừa chuyển động quay vừa
chuyển động tịnh tiến.

tượng vật lí trong
các bài toán cũng
như trong cuộc
sống.
Chủ đề IV
Cơ năng của vật rắn
Dạng 1
Momen
quán tính
của vật
rắn đối
với trục
quay cố
định.

Dạng 1
Các đại
lượng
động học
đặc trưng
cho
chuyển
động
quay của
vật rắn
quanh
một trục
cố định.

Dạng 2
Phương
trình
động
lực học

quanh
một trục
cố định.

Dạng 1
Momen
động
lượng,
độ biến
thiên
momen
động
lượng
của một
vật hoặc
hệ vật.

Dạng 2
Định
luật bảo
toàn
momen
động
lượng.

Dạng 1
Động
năng
của vật
rắn

20
Hình: 2.2. Sơ đồ các dạng bài tập theo 4 chủ đề của hệ thống các bài tập cơ bản 21
* Hệ thống bài tập tổng hợp nâng cao
Dựa vào mục tiêu nâng cao kiến thức, rèn luyện các kỹ năng bồi dưỡng HSG
Tác giả lựa chọn một hệ thống bài tập tổng hợp nâng cao. Những bài tập tổng hợp này
có liên quan đến nhiều hiện tượng vật lí mà các em đã được học, do đó khi giải bài tập
các em phải biết phân tích kĩ hiện tượng xảy ra trong bài rồi vận dụng các kiến thức
tương ứng để giải. Qua đó rèn cho học sinh khả năng phân tích, tổng hợp và vận dụng
linh hoạt các công thức toán học, kiến thức vật lí vào mỗi trường hợp khác nhau của bài
toán. Các bài tập này có nội dung phong phú và thực tế, đó là cơ sở để giúp các em
giải thích những hiện tượng vật lí tương tự trong cuộc sống, hoặc giúp cho chính bản thân
các em trong quá trình luyện tập thể dục thể thao và ứng dụng trong kĩ thuật khi các
em tham gia lao động sản xuất.
* Hệ thống bài tập tự giải
Với mục đích phát huy tính tự giác, tự lực của học sinh sau mỗi giờ lên lớp. Hệ
thống bài tập tự giải giúp học sinh vận dụng các phương pháp giải mà GV đã hướng dẫn
vào các bài tập khác nhau, đồng thời HS sẽ được rèn luyện thêm các kỹ năng giải bài tập,
nâng cao kiến thức cho mỗi nội dung lí thuyết. Qua đó cũng đánh giá được hiệu quả của
phương pháp mà tác giả đã lựa chọn
2.3. Xây dựng hệ thống và phƣơng pháp giải bài tập phần động lực học vật rắn
thuộc chƣơng trình vật lý lớp 12 nâng cao THPT nhằm bồi dƣỡng học sinh giỏi

Củng cố kiến thức phương trình động học
và động lực học của vật rắn, momen lực và
momen quay.
Từ đó tính toán các đại lượng
đặc trưng cho động lực học vật rắn.
2. Hướng dẫn giải
a. Tóm tắt. Cho:
2
3
ml
I 
;
21
m > m
; r < R
Tìm: T
1
; a
1
; T
2
; a
2
và

?
b. Xác lập mối quan hệ
- Hệ chuyển động theo chiều m
2
đi xuống vì:

21
T R Tr I


(3)

23

1
ar


(4)

2
aR


(5)
Căn cứ vào điều kiện của đề bài ta thiết lập được 5 mối liên hệ, giải hệ phương
trình này ta sẽ tìm được yêu cầu của bài tập.
c. Ta có thể giải hệ phương trình theo tiến trình sau
- Từ các phương trình: (1); (2); (4) và (5) thế vào (3) ta tìm được


- Thay

vào (4) và (5) tìm được a
1
và a

r
m R mr g
a
I m r m R



;
21
2
22
12
()
R
m R mr g
a
I mr m R


2
21
1 1 1
22
12
()m R mr g
T m g mr
I mr m R

24
giải bài tập.
- Hệ thống, phân tích và phân loại các bài tập theo nội dung của chương được
chia theo chủ đề kiến thức. Trên cơ sở đó phân chia thành nhiều dạng bài tập khác
nhau.
- Đã lựa chọn phương pháp và hướng dẫn học sinh giải các bài tập điển hình
theo phương án mà đề tài đặt ra.
- Soạn thảo một số bài tập tự giải có đáp số, mang tính chọn lọc có hệ thống theo các
dạng được phân chia.

25
Chƣơng 3
THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM

3.1. Mục đích, nhiệm vụ, đối tƣợng và phƣơng pháp của thực nghiệm sƣ phạm
3.1.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm (TNSP)
Nhằm đánh giá tính đúng đắn của giả thuyết khoa học, tính khả thi của việc xây
dựng hệ thống và phương pháp giải bài tập phần “Động lực học vật rắn” thuộc chương
trình vật lí lớp 12 nâng cao THPT nhằm bồi dưỡng HSG.
3.1.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm
- Khảo sát, điều tra cơ bản để chọn các nhóm thực nghiệm (TN) và nhóm đối chứng
(ĐC).
- Tổ chức triển khai nội dung thực nghiệm.
- Xử lí, phân tích kết quả thực nghiệm, đánh giá theo các tiêu chí từ đó nhận xét và
rút ra kết luận về tính khả thi của đề tài.
- So sánh, đối chiếu kết quả học tập giữa nhóm thực nghiệm với nhóm đối chứng
để đánh giá hiệu quả của việc bồi dưỡng HSG theo hệ thống bài tập và phương pháp giải
đã soạn thảo với những phương pháp, nội dung mà GV vẫn sử dụng để bồi dưỡng HSG.
3.1.3. Đối tượng thực nghiệm sư phạm
Bảng 3.1. Thông tin về các nhóm học sinh tham gia trong