Giáo án Bài 10. Sự rơi tự do

Huy động hiểu biết ban đầu của HS về sự rơi của các vật; xác định vấn đề: vì sao vật rơi khác nhau trong không khí nhưng có thể giống nhau khi không có sức cản.

GV nêu tình huống: thả đồng thời một hòn sỏi và một tờ giấy phẳng từ cùng độ cao. HS dự đoán vật nào chạm đất trước và giải thích. Sau đó GV chiếu mô phỏng Ống Newton ở chế độ có không khí, yêu cầu HS quan sát lông chim và bi thép.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Vật nào chạm đất trước? Vì sao?
• Nếu bỏ không khí thì hai vật sẽ chuyển động thế nào?

Dự đoán ban đầu của HS: hòn sỏi chạm đất trước vì tờ giấy chịu lực cản của không khí lớn hơn so với trọng lượng của nó.
Nhận định sau quan sát: trong không khí, lông chim rơi chậm và chao đảo do lực cản; nếu hút hết không khí thì bi thép và lông chim rơi cùng nhau. Từ đó nêu vấn đề: rơi tự do là gì và có quy luật gì?

Nêu được rơi tự do là chuyển động chỉ dưới tác dụng của trọng lực; mô tả được đặc điểm thẳng đứng, chiều từ trên xuống, nhanh dần đều và gia tốc $g$ như nhau với mọi vật.

HS làm việc theo cặp đôi, quan sát mô phỏng Ống Newton ở chế độ chân không và xem ảnh hoạt nghiệm chụp mỗi 0,1 s (khoảng cách 4,9 cm; 14,7 cm; 24,5 cm; 34,3 cm). Trả lời các câu hỏi trong Phiếu học tập số 1, phần A.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Khi hút hết không khí, bi thép và lông chim rơi như thế nào so với nhau?
• Quỹ đạo, chiều chuyển động và tính chất chuyển động của bi thép trên ảnh hoạt nghiệm là gì?
• Vì sao khoảng cách giữa các ảnh tăng theo tỉ lệ 1 : 3 : 5 : 7?
• Từ đó, rơi tự do là gì?

Kết quả cần đạt:

• Khi không có không khí, bi thép và lông chim rơi cùng nhau, cùng gia tốc.
• Quỹ đạo là đường thẳng đứng, chiều từ trên xuống, chuyển động nhanh dần đều.
• Khoảng cách tăng theo tỉ lệ 1 : 3 : 5 : 7 là dấu hiệu của chuyển động nhanh dần đều từ trạng thái nghỉ (trong các khoảng thời gian bằng nhau, quãng đường tăng theo tỉ lệ số lẻ liên tiếp).
• Kết luận HS rút ra: Rơi tự do là chuyển động của vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực. Gia tốc rơi tự do $g$ như nhau với mọi vật tại cùng nơi gần mặt đất, khoảng $9{,}8\ \text{m/s}^2$.

Viết được các công thức $v=gt$, $h=\dfrac{1}{2}gt^2$, $v^2=2gh$ và kiểm tra được chúng bằng số liệu từ ảnh hoạt nghiệm.

HS làm việc nhóm 4 người theo kĩ thuật mảnh ghép: mỗi thành viên nhận một công thức (vận tốc; quãng đường; liên hệ vận tốc và độ cao) và tìm cách kiểm tra bằng mô phỏng tại thời điểm $t = 0{,}3\ \text{s}$ và đáy giếng $h = 0{,}8\ \text{m}$. Sau đó các thành viên về nhóm cũ, ghép kết quả vào Phiếu học tập số 1, phần B.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Với $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$, tại $t = 0{,}3\ \text{s}$, vận tốc và quãng đường rơi là bao nhiêu? Kiểm tra với ảnh hoạt nghiệm.
• Vì sao có thể dùng $v^2=2gh$ mà không cần biết thời gian rơi?

Các công thức cần ghi nhớ:

• $v=gt$: vận tốc khi rơi tự do không vận tốc đầu.
• $h=\dfrac{1}{2}gt^2$: quãng đường rơi.
• $v^2=2gh$: liên hệ vận tốc và độ cao rơi.

Kết quả kiểm tra của HS:

• Tại $t = 0{,}3\ \text{s}$: $v = 9{,}8 \times 0{,}3 = 2{,}94\ \text{m/s}$; $h = \dfrac{1}{2} \times 9{,}8 \times 0{,}3^2 = 0{,}441\ \text{m}$, tức $44{,}1\ \text{cm}$, khớp với tổng $4{,}9 + 14{,}7 + 24{,}5 = 44{,}1\ \text{cm}$ trên ảnh.
• Tại đáy giếng $h = 0{,}8\ \text{m}$: $v^2 = 2 \times 9{,}8 \times 0{,}8 = 15{,}68$, suy ra $v \approx 3{,}96\ \text{m/s}$.
• Công thức $v^2=2gh$ không chứa $t$ nên tiện khi biết độ cao mà không biết thời gian rơi.

Vận dụng được đặc điểm và các công thức rơi tự do để giải các bài tập định tính và định lượng; phân biệt được rơi tự do với trường hợp có lực cản.

HS làm việc cặp đôi, giải lần lượt các bài tập sau (đề lấy từ bài học, $g = 10\ \text{m/s}^2$ khi giải bài tập để tính nhanh):

1. Thả từ nghỉ trong 2 s, tốc độ bằng bao nhiêu?
2. Thả từ nghỉ ở độ cao $h = 45\ \text{m}$, thời gian chạm đất bằng bao nhiêu?
3. Thả từ nghỉ, chọn chiều lên dương; tính $v$ sau $1{,}5\ \text{s}$.
4. Hai vật khác khối lượng thả cùng nơi, cùng độ cao trong chân không: xét tính đúng sai của các phát biểu a), b), c), d).
5. Vật rơi đều với tốc độ giới hạn trong không khí có phải là rơi tự do không?
6. Vật thả từ nghỉ: tính quãng đường rơi trong giây thứ ba.
   HS đọc đề và ghi đáp án vào vở, sau đó đối chiếu với nhóm bên cạnh.

Đáp án:

1. $v = gt = 10 \times 2 = 20\ \text{m/s}$.
2. $t = \sqrt{\dfrac{2h}{g}} = \sqrt{\dfrac{2 \times 45}{10}} = \sqrt{9} = 3\ \text{s}$.
3. $v = -gt = -10 \times 1{,}5 = -15\ \text{m/s}$ (dấu âm do chiều dương hướng lên, tốc độ là $15\ \text{m/s}$).
4. a) Đúng; b) Sai (cùng độ cao và trong chân không thì rơi nhanh như nhau); c) Đúng; d) Đúng (dấu gia tốc phụ thuộc chiều trục đã chọn).
5. Không phải rơi tự do, chọn đáp án D: lực cản không khí đáng kể nên vật không chỉ chịu trọng lực. Lực cản cân bằng trọng lực làm vật rơi đều.
6. $h(3) = \dfrac{1}{2} \times 10 \times 3^2 = 45\ \text{m}$; $h(2) = \dfrac{1}{2} \times 10 \times 2^2 = 20\ \text{m}$; quãng đường trong giây thứ ba là $45 - 20 = 25\ \text{m}$, không phải $45\ \text{m}$.

Vận dụng được công thức rơi tự do vào tình huống thực tế: ước lượng độ sâu của giếng bằng thời gian rơi của hòn đá; nêu được một nguồn sai số và cách hạn chế.

GV đặt tình huống: một bạn thả hòn đá xuống giếng, đo được thời gian từ lúc thả đến khi nghe tiếng chạm đáy là $1{,}5\ \text{s}$. HS tính độ sâu giếng xấp xỉ theo mô hình rơi tự do.
Sau đó HS thảo luận: vì sao kết quả có thể lớn hơn thực tế một chút? Hãy đề xuất cách đo tốt hơn.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Chọn công thức nào để tính độ sâu khi biết $t$?
• Nếu bỏ qua thời gian âm thanh truyền lên thì kết quả có chính xác không?

Lời giải: $h = \dfrac{1}{2}gt^2 = \dfrac{1}{2} \times 9{,}8 \times 1{,}5^2 = 11{,}025\ \text{m}$, làm tròn khoảng $11\ \text{m}$.
Nhận xét của HS: thời gian đo gồm cả thời gian âm thanh truyền từ đáy giếng lên tai, nên thời gian rơi thực tế ngắn hơn $1{,}5\ \text{s}$ và độ sâu thực tế nhỏ hơn kết quả tính. Cách cải thiện: đo nhiều lần rồi lấy trung bình, bỏ qua hoặc ước lượng thời gian âm thanh truyền.