Chuyên đề Phương pháp cộng vận tốc trong bài toán cực trị của chuyển động – Vật lí THCS

CHUYÊN ĐỀ:
PHƯƠNG PHÁP CỘNG VẬN TỐC 
TRONG BÀI TOÁN CỰC TRỊ CỦA CHUYỂN ĐỘNG – VẬT LÍ THCS
Tác giả:
Họ và tên: Triệu Như Vũ
Chức vụ: Giáo viên
Đơn vị công tác: Trường THCS Tam Dương
PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
II.Mục đích chuyên đề:
Trong phần trong phần chuyển động cơ học, nghiên cứu về chuyển động của các vật, thường có những dạng bài tập xác định khoảng cách, thời gian hay vận tốc lớn nhất hay nhỏ nhất của các vật trong quá trình chuyển động, để giải quyết các bài tập này hầu như học sinh và giáo viên thường vận dụng phương pháp lập phương trình chuyển động. 
Tuy nhiên trong một số bài toán cụ thể cần khả năng tư duy cao, nếu dùng dùng phương pháp lập phương trình chuyển động thì bài toán dài dòng, phức tạp. Thực tế qua một số năm giảng dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi vật lý lớp 8 + 9, ôn luyện học sinh thi vào lớp 10 chuyên lý tôi nhận thấy có thể giúp học sinh sử dụng cộng thức cộng vận tốc vào trong bài toán cực trị của phần chuyển động cơ học để giải quyết các yêu cầu của bài toán đưa ra một cách nhanh, gọn và thuận tiện, đồng thời giải quyết được các khó khăn đã nêu trên. 
II. Mục đích chuyên đề:
- Giúp học sinh hiểu, khắc sâu thêm phần lí thuyết đã học và đặc biệt là giúp học sinh nắm được phương pháp giải bài tập tìm cực trị trong chuyển động cơ học - Vật lí THCS nói riêng và bài tập tìm cực trị trong chương trình vật lí trung học cơ sở nói chung.
- Biết vận dụng để giải quyết các nhiệm vụ học tập và những vấn đề thực tế của đời sống, là thước đo mức độ hiểu biết, nhân thức, kĩ năng của mỗi học sinh.
- Giúp các em học sinh hiểu sâu hơn những quy luật vật lí, hiện tượng vật lí, tạo điều kiện để học sinh có những vận dụng linh hoạt, tự giải quyết những tình huống cụ thể khác nhau để từ đó hoàn thiện về mặt nhận thức và tích luỹ thành vốn kiến thức vật lí riêng cho bản thân. 
- Đồng thời giúp học sinh có cơ hội vận dụng các thao tác tư duy, so sánh, phân tích, tổng hợp, khái quát hoá để xác định được bản chất vật lí trong các bài tập và tình huống cụ thể.
- Là căn cứ để giáo viên kiểm tra kiến thức, kĩ năng của học sinh trong quá trình tiếp thu kiến thức vật lí. Đồng thời cũng là cơ sở để kích thích học sinh say mê học tập, tìm tòi kiến thức vật lí.
- Nâng cao trình độ của học sinh trong đội tuyển HSG là cơ sở để các em tự tin trong các kỳ thi và đem lại kết quả tốt nhất đóng góp vào thành tích chung của nhà trường và Phòng GD&ĐT Tam Dương. 
III.Đối tượng nghiên cứu.
- Học sinh lớp 8, 9 đội tuyển học sinh giỏi môn vật lý 9 của huyện Tam Dương dự thi cấp tỉnh.
IV.Phạm vi chuyên đề:
- Áp dụng với đối tượng học sinh khá, giỏi khối 8, 9. 
Thời gian dự kiến bồi dưỡng: 4 buổi (12 tiết).
PHẦN II - NỘI DUNG
I. Nội dung chính và phương pháp thực hiện:
1. Nội dung:
1.1.Tính tương đối của toạ độ: Đối với các hệ quy chiếu khác nhau thì toạ độ khác nhau
1.2. Tính tương đối của vận tốc: Vận tốc của cùng một vật trong các hệ quy chiếu khác nhau thì khác nhau.
- Công thức cộng vận tốc
 : vận tốc vật 1 đối với vật 3( vận tốc tuyệt đối)
 : vận tốc vật 1 đối với vật 2(vận tốc tương đối)
 : vận tốc vật 2 đối với vật 3(vận tốc kéo theo)
1.3. Hệ quả:
- Nếu cùng phương ,cùng chiều thì độ lớn: 
- Nếu cùng phương, ngược chiều thì độ lớn: 
- Nếu vuông góc với nhau thì độ lớn: 
- Nếu tạo với nhau một góc thì độ lớn: 
(H-1)
B
C
A
2. Kiến thức toán học:
2.1. Định lí Pitago: 
	Cho ∆ABC vuông tại A. Ta có: 
2.2. Hàm số lượng giác của góc nhọn:	 
	Theo (H-1):
(H-2)
B
C
A
 (1)
2.3. Định lý hàm Sin:
	Cho ∆ ABC bất kỳ ta có:
 (2)
2.4. Định lý hàm Cos :
	Cho bất kỳ ta có:
	 (3) 
2.5. Công thức cộng góc:
2.6. Hàm số lượng giác của các góc có liên quan đặc biệt:
Ví dụ: với 
II. Nội dung bài tập:
Các bài tập ví dụ:
Bài 1:(Bài tập lí thuyết)
A
B
x
y
Hai chất điểm chuyển động trên hai đường thẳng Ax và By vuông góc với nhau, tốc độ lần lượt là v1 và v2( Hình vẽ)
a. Vẽ vẽ véc tơ vận tốc của chất điểm 1 so với chất điểm 2
b. Biểu diễn trên cùng một hình vẽ khoảng cách ngắn nhất giữa hai chất điểm trong quá trình chuyển động.
Giải:
Xét chuyển động tương đối của vật 1 so với vật 2, ta có:
Đoạn BH vuông góc với đường thẳng chứa véc tơ vận tốc chính là khoảng cách ngắn nhất giữa hai chất điểm.
V1
A
B
V2
Bài 2: 
Từ hai bến A, B trên cùng 1 bờ sông có hai ca nô cùng khởi hành. Khi nước sông không chảy do sức đẩy của động cơ chiếc ca nô từ A chạy song song với bờ theo chiều từ A® B có V1 = 24km/h. Còn chiếc ca nô chạy từ B vuông góc với bờ có vận tốc 18km/h. Quãng đường AB là 1km. Hỏi khoảng cách nhỏ nhất giữa hai ca nô trong quá trình chuyển động là bao nhiêu nếu nước chảy từ A ® B với V3 = 6km/h (sức đẩy của các động cơ không đổi) (Trích đề thi chuyên lý vào).
Giải
	Theo đề bài ta có hình vẽ.	 	
Do dòng nước chảy từ từ A ®B với 
vận tốc là 6km/h nên khi canô 1 chuyển động	 H
xuôi dòng vận tốc của nó là :	 V21	 V2 V’2
Vx = V1 + V3 = 24 + 6 = 30km/h	
 A A V’x V1 B V3
- Canô 1 xuất phát từ B nhưng do bị nước 	a
đẩy ta có hướng của vận tốc như hình vẽ. 
Áp dụng định lý Pitago trong tam giác vuông BV3 ta được :
 = = 182 + 62 = 6km/h
Ta áp dụng tính tương đối của vận tốc cho bài toán này. Canô 1 đi từ A®B với vận tốc Vx nhưng ta tưởng tượng rằng coi như canô 1 đứng yên và điểm B chuyển động với vận tốc V với V = Vx còn hướng của V ngược chiều với Vx. Do đó canô 2 mặc dù chuyển động theo hướng nhưng khi chọn mốc là canô1 thì hướng chuyển động của canô lúc này là V21 hợp với AB góc a. Từ đây dễ dàng suy ra khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 canô có độ lớn bằng độ dài của đoạn AH ^V21 
Ta sẽ tính AH trong tam giác vuông AHB
Có Sina = Þ AH = AB Sina (1)
Mặt khác xét trong tam giácvuông BV2V21
Có :V= V2 = 182 + (30 – 6)2 = 900
Þ V21 = 30km/h
Và Sin= (2)
Thế (2) vào (1) ta được AH = AB.sina = 1.0,6 = 0,6(km)
Vậy khoảng cách nhỏ nhất của 2 canô trong quá trình chuyển động trên là 0,6km.
Nhận xét: Bài này cũng giống bài 1 tìm khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 vật trong quá trình chuyển động. Tuy nhiên cách giải hoàn toàn khác nhau. Về bản chất thì cùng giống nhau về hiện tượng đó khoảng cách của 2 vật bị thay đổi theo thời gian. Đối với bài 1 ta lập biểu thức d (khoảng cách của 2 vật) là 1 hàm của thời gian t sau đó từ d = f(t) ta tìm được giá trị nhỏ nhất. Còn bài 3 ta cũng có thể giải theo bài 1 nhưng ở đây tôi đưa ra cách giải này để học sinh tham khảo. Cách giải bài này là một sự kết hợp giữa tính tương đối của vận tốc và hình học. Đó là vật 1 chuyển động nhưng ta coi là đứng yên do đó vật 2 sẽ chuyển động so với vật, 1 còn khoảng cách ngắn nhất giữa hai 2 vật thì dựa vào hình học phải là đoạn thẳng vuông góc với hướng chuyển động của vật 2.
Bài 3: 
Hai xe chuyển động trên hai đường vuông góc với nhau, xe A đi về hướng tây với tốc độ 50km/h, xe B đi về hướng Nam với tốc độ 30km/h. Vào một thời điểm nào đó xe A và B còn cách giao điểm của hai đường lần lượt 4,4km và 4km và đang tiến về phía giao điểm. Tìm khoảng cách ngắn nhất giũa hai xe.
Giải
 Xét chuyển động tương đối của vật 1 so với vật 2, ta có:
Đoạn BH vuông góc với đường thẳng chứa véc tơ vận tốc chính là khoảng cách ngắn nhất giữa hai xe dmin= BH
 tan 
dmin= BH = BI. sin = (BO - OI) sin = (BO - OA.tan).sin = 1,166(km)
Bài 4.( đề thi HSG Nghệ An 2005-2006, bảng B )
Hai vật chuyển động trên hai đường đường thẳng vuông góc với nhau với tốc độ không đổi có giá trị lần lượt v1= 30km/h, v2= 20km/h. Tại thời điểm khoàng cách giữa hai vật nhỏ nhất thì vật 1 cách giao điểm s1=500m. Hỏi lúc đó vật 2 cách giao điểm trên đoạn s2 bằng bao nhiêu.
Giải:
Xét chuyển động tương đối của vật 1 so với vật 2, ta có:
-Tại A cách O đoạn s1=500m dựng véc tơ và véc tơ -, và . Kẻ đường AB vuông góc với đường thẳng chứa véc tơ ( Theo đề bài đây là khoảng cách ngắn nhất dmin= AB)
 tan=
BO = 
Bài 5:
Hai tàu chuyển động đều với tốc độ như nhau trên hai đường hợp với nhau một góc và đang tiến về phía giao điểm O. Xác định khoảng cách nhỏ nhất giữa hai tàu. Cho biết lúc đầu hai tàu cách giao điểm O những khoảng l1=20km, l2=30km.
Giải:
Xét chuyển động tương đối của vật 1 so 2 ta có:
dmin= BH, là tam giác đều (vì tốc độ hai tàu như nhau)
 dmin=KB.sin
 KB = l2 - l1 dmin= 5(km)
Bài 6: 
Hai vật chuyển động thẳng đều trên hai đường thẳng tạo với nhau một góc =300 với tốc độ và đang hướng về phía giao điểm, tại thời điểm khoảng cách giữa hai vật nhỏ nhất thì vật 1 cách giao điểm một đoạn d1= 30m. Hỏi vật 2 cách giao điểm một đoạn bao nhiêu?
Giải:
Xét chuyển động tương đối của vật 1 so 2 ta có
BA , dmin = AB
Vì nên chứng minh được
Hạ đường AH
AH = AO.sin300 = d1.sin300 =15 (m)
HO = d1.cos300 = 45 (m)
BH =BO=d2= 90(m)
Bài 7:
Có hai vật M1 và M2 lúc đầu cách nhau một khoảng l =2m (Hình vẽ), cùng lúc hai vật chuyển động thẳng đều M1 chạy về B với tốc độ 
v1=10m/s, M2 chạy về C với tốc độ v2=5m/s . Tính khoảng cách ngắn nhất giữa hai vật và thời gian để đạt được khoảng cách này. Biết góc tạo bởi hai đường .
Giải:
Xét chuyển động tương đối của vật 1 so vật 2, ta có:
dmin = AH = AB.sin
v21=
- Áp dụng định lí hàm sin, ta có:
0,5( m)
BH= 0,138(s)
Bài 8:
Ở một đoạn sông thẳng có dòng nước chãy với vận tốc vo, một người từ vị trí A ở bờ sông bên này muốn chèo thuyền tới B ở bờ sông bên kia. Cho AC; CB = a. Tính vận tốc nhỏ nhất của thuyền so với nước mà người này phải chèo để có thể tới B.
Giải:
Ta có . Ta biểu diễn các véc tơ vận tốc trên hình vẽ
Vì vo không đổi nên v12 nhỏ nhất khi 
 V12= vo.sin= 
*/ Nhận xét:
Các bài toán trên hoàn toàn có thể giải theo cách thiết lập phương trình, rồi sau đó lí luận theo hàm bậc hai về mặt toán học, tuy nhiên lời giải khá dài hơn!
Bài 9:
Một ô tô chuyển động thẳng đều với vận tốc v1 = 54km/h. Một hành khách cách ô tô đoạn a = 400m và cách đường đoạn d = 80m, muốn đón ô tô. Hỏi người ấy phải chạy theo hướng nào, với vận tốc nhỏ nhất là bao nhiêu để đón được ô tô? 
Giải:
Xét chuyển động tương đối của vật 2 so vật 1, ta có:
Để 2 gặp được 1 thì phải luôn có hướng AB.
Véc tơ vận tốc có ngọn luôn nằm trên đường 
Xy // AB. khi xy , tức là AB.
Tính chất đồng dạng của tam giác: DAB và AHD , ta có:
* Nhận xét : Ở bài toán này học sinh phải lập được biểu thức tính vận tốc của người chạy để đón ô tô. Sau đó dựa vào biểu thức để tìm giá trị nhỏ nhất của vận tốc.
Bài 10:
A
C
B
H
Hai tàu A và B ban đầu cách nhau một khoảng l. Chúng chuyển động cùng một lúc với các vận tốc có độ lớn lần lượt là v1, v2. Tàu A chuyển động theo hướng AC tạo với AB góc (hình vẽ).
Hỏi tàu B phải đi theo hướng nào để có thể gặp tàu A. Sau bao lâu kể từ lúc chúng ở các vị trí A và B thì hai tàu gặp nhau?
A
M
B
H
-
Muốn hai tàu gặp nhau ở H (BH vuông góc với ) thì các độ lớn vận tốc v1, v2 phải thỏa mản điều kiện gì?
Giải:
a. Tàu B chuyển động với vận tốc hợp với góc.
- Hai tàu gặp nhau tại M. Ta có AM = v1.t, BM = v2.t
- Trong tam giác ABM: 
+ 
	 sin = (1)
- Tàu B phải chạy theo hướng hợp với một góc thỏa mãn (1)
- Cos = cos[1800 – (] = - cos( = 
- Gọi vận tốc của tàu B đối với tàu A là . Tại thời điểm ban đầu cùng phương chiều với . Theo công thức cộng vận tốc:
=> 
=> 
=()+()
=(+(
= ( ( theo (1) )
=> v21 = 
Vậy thời gian để tàu B chuyển động đến gặp tàu A là: 
	t = 
b. Để 2 tàu gặp nhau ở H thì: 
Theo (1) ta có: 
Bài 11:
Hai người bơi xuất phát từ A trên bờ một cón sông và phải đạt tới điểm B ở bờ bên kia nằm đối diện với điểm A. Muốn vậy, người thứ nhất bơi để chuyển động được theo đúng đường thẳng AB, còn người thứ hai luôn bơi theo hướng vuông góc với với dòng chảy, rồi đến bờ bên kia tại C, sau đó chạy ngược tới A với vận tốc u. Tính giá trị u để hai người tới A cùng lúc. Biết vận tốc nước chảy vo=2km/h, vận tốc của mỗi người bơi đối với nước là v’=2,5km/h
Giải:
*Xét người thứ nhất:
-Vận tốc của người đối với bờ:
, do 
Thời gian người thứ nhất đến B là:
t1= 
*Xét người thứ hai:
Vận tốc của người thứ hai đối với bờ
, do 
Thời gian đến C là t20= =
Thời gian chạy trên bờ: t’20= 
Theo đề bài t1= t20+t’20
Bài 12:
	Một người đứng ở A cách đường quốc lộ h=100m nhìn thấy một xe ô tô vừa đến B cách mình d=500m đang chạy trên đường với vận tốc v1=50km/h (hình vẽ). Đúng lúc nhìn thấy xe thì người ấy chạy theo hướng AC () với vận tốc v2.
 a. Biết km/h. Tính 
 b. bằng bao nhiêu thì cực tiểu? Tính vận tốc cực tiểu đó.
Giải:
A
C
H
B
h
d
∝
β
Gọi t là thời gian để ô tô và người đi đến C. Ta có:
Theo định lý hàm sin có: 
Mặt khác: 
Từ (1) và (2) suy ra: (3)
=>
b. Từ (3) => Ta thấy v1, h, d không đổi nên v2 min khi 
Lúc đó: 
M
N
O
H
∝
Bài tập vận dụng:
Bài 1: 
Một người A đi xe đạp trên đường thẳng Ox theo chiều từ trái sang phải, xuất phát từ M cách O là OM=800m, với vận tốc không đổi V=4,2m/s. Một người B đi bộ trên cánh đồng xuất phát từ điểm H cách O là OH=173,2m vận tốc không đổi v=1,2m/s theo một đường thẳng HN để gặp được A tại N. Hãy xác định vị trí của N nếu 2 người đến cùng một lúc.
Đáp số: N cách O là 242,2m
Bài 2:
Một người đứng cách con đường thẳng một khoảng h. Trên đường một ô tô đang chạy với vận tốc v1. Khi người ấy thấy xe cách mình một khoảng a thì bắt đầu chạy ra đường để đón ô tô.
a. Nếu vận tốc chạy của của người ấy là v2 thì người ấy phải chạy theo hướng nào để gặp được ô tô.
b. Tính vận tốc tối thiểu và hướng chạy của người để gặp được ô tô.
 Áp dụng: v1=10m/s; h=50m; a=200m; v2=3m/s
Đáp số: a. Vậy người chạy theo hướng vuông góc với AB
	b. 
x
y
A
O
B
Bài 3:
Trong hệ trục toạ độ xOy (như hình vẽ), có hai vật nhỏ A và B chuyển động thẳng đều. Lúc bắt đầu chuyển động, vật A cách vật B một đoạn L=100m. Biết vận tốc của vật A là v1=10m/s theo hướng Ox, vận tốc của vật B là v2=15m/s theo hướng Oy.
Sau thời gian bao lâu kể từ lúc bắt đầu chuyển động, hai vật A và B lại cách nhau 100m.
Xác định khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vật A và B.
Đáp số: a. Sau 9,23 giây kể từ lúc bắt đầu chuyển động
	b. 
Bài 4:
O
A
B
v1
v2
Hình 1
Từ điểm O trên bờ một con sông rộng OA=0,5km, một người muốn đi tới điểm A đối diện bên kia sông bằng cách đi thuyền từ O đến B rồi đi bộ từ B về A (Hình 1). Vận tốc của thuyền đối với nước là v1=3km/h, vận tốc của nước đối với bờ sông là v2=2km/h, vận tốc đi bộ trên bờ là v=5km/h. Tìm độ dài BA để thời gian chuyển động là ngắn nhất và tính thời gian ngắn nhất đó. 
Đáp số: và 
Bài 5: ( Kỳ thi chọn HS giỏi NH 06-07, vật lí 9)
Một ghe máy có vận tốc khi nước yên lặng là 6km/h đi xuôi dòng từ bến A đến bến B cách nhau 12km. Cùng lúc đó có một thuyền máy ngược dòng từ B đến A, vận tốc thuyền máy khi nước yên lặng là 10km/h, sau khi gặp nhau chúng quay lại và trở về bến xuất phát của mình. Hỏi rằng vận tốc của dòng chảy ít nhất là bao nhiêu để cho ghe máy về lại bến A không sớm hơn một giờ sau khi thuyền máy về đến bến B.
PHẦN III – KẾT LUẬN
Trong các bài toán mà tôi nêu trên, có thể có nhiều cách giải khác, tuy nhiên khi áp dụng công thức cộng vận tốc để giải thì bài giải khá ngắn gọn, đơn giản hơn. Tất nhiên trong một số bài cụ thể thì cần kết hợp các phương pháp khác.
Đề tài này tôi đã tiến hành thử nghiệm trong quá trình giảng dạy, bồi dưỡng học sinh ở lớp 8,9, đối tượng là học sinh khá, giỏi, kết quả cho thấy tương đối khả quan, hầu như các các em đều biêt vận dụng giải và thu được kết quả nhanh. Vì vậy đề tài này theo tôi là có tính khả thi.
Trong khi viết chuyên đề không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong các bạn đồng nghiệp đóng góp thêm các ý kiến đê chuyên đề hoàn thiện và có hiệu quả hơn. Tôi xin chân thành cám ơn!
Người thực hiện:
Triệu Như Vũ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
	1. Nâng cao và phát triển vật lí 8 – Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam
	2. Chuyên đề bồi dưỡng Vật lí 8 – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ 	 Chí Minh
	3. 121 bài tập Vật lí nâng cao lớp 8 – Nhà xuất bản Đà Nẵng.
	4. 500 bài tập Vật lí THCS – Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí 	Minh.
5. Vật lí nâng cao 10 – Nhà xuất bản giáo dục
6. Bài tập Vật lí nâng cao 10 – Nhà xuất bản giáo dục.
7. Tuyển chọn đề thi vào lớp 10 chuyên môn Vật lí –Nhà xuất bản Hà Nội