Giáo án Bài 15. Định luật 2 Newton

Tạo tình huống có vấn đề, giúp HS dự đoán mối liên hệ giữa gia tốc với lực tác dụng và khối lượng của vật, từ đó xác định nhiệm vụ học tập của bài.

HS quan sát hai tình huống: (1) Hai xe cùng khối lượng, một xe được kéo bằng lực lớn hơn. (2) Hai xe cùng lực kéo, một xe nặng hơn. HS trả lời: Xe được kéo bằng lực lớn hơn tăng tốc nhanh hay chậm hơn? Xe nặng hơn tăng tốc thế nào khi chịu cùng lực kéo? Vì sao xe tải khó khởi động và khó dừng hơn xe con?

Dự đoán dự kiến của HS: (1) Lực kéo lớn hơn thì gia tốc lớn hơn, xe tăng tốc nhanh hơn. (2) Xe nặng hơn thì gia tốc nhỏ hơn, tăng tốc chậm hơn. Nhiều HS có thể cho rằng lực lớn thì vận tốc lớn; GV ghi nhận và chốt rằng gia tốc (không phải vận tốc) tỉ lệ với lực. Nhiệm vụ của bài: tìm hiểu gia tốc phụ thuộc vào lực và khối lượng như thế nào.

HS phát biểu được định luật 2 Newton, viết được biểu thức, nêu được khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính và định nghĩa đơn vị niutơn.

Cặp đôi, dùng kĩ thuật khăn trải bàn. Mỗi cặp đọc mục 'Hiểu bản chất và điều kiện áp dụng' trong SGK và trả lời ba câu hỏi: (1) Hợp lực có quan hệ với gia tốc như thế nào về phương và chiều? (2) Khi giữ khối lượng không đổi, tăng lực gấp đôi thì gia tốc thay đổi ra sao? Khi giữ lực không đổi, tăng khối lượng gấp đôi thì sao? (3) Khối lượng và trọng lượng khác nhau thế nào? Mỗi cặp ghi ý kiến vào ô tương ứng trên khăn trải bàn; phần giữa khăn ghi kết luận chung của nhóm 4.

Kiến thức HS rút ra:

• Định luật 2 Newton: gia tốc của vật cùng hướng với hợp lực $\sum \vec{F}$, độ lớn tỉ lệ thuận với độ lớn hợp lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng.
• Biểu thức: $\vec{a}=\dfrac{\vec{F}}{m}$ hay $\vec{F}=m\vec{a}$ (với $\vec{F}$ là hợp lực).
• Khi giữ $m$ không đổi: $F$ tăng gấp đôi thì $a$ tăng gấp đôi. Khi giữ $F$ không đổi: $m$ tăng gấp đôi thì $a$ giảm một nửa.
• Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính, đơn vị kg; trọng lượng là lực, đơn vị N, không phải khối lượng.
• $1\ \mathrm{N}=1\ \mathrm{kg\cdot m/s^2}$: lực truyền cho vật khối lượng 1 kg gia tốc 1 m/s².
• Khi tính, phải dùng hợp lực (tổng vectơ các lực); các lực vuông góc với chuyển động có thể cân bằng nhau.

HS tiến hành thí nghiệm (ảo hoặc thực), thu thập số liệu, tính gia tốc và rút ra sự phụ thuộc của gia tốc vào lực và khối lượng; kiểm chứng định luật 2 Newton.

Nhóm 4 HS thực hiện thí nghiệm ảo 'Định luật 2 Newton: gia tốc và khối lượng' trên NeoEdu hoặc mô phỏng 3D trong trang bài học.
Thí nghiệm 1: xe trượt 300 g, quả nặng 50 g kéo qua ròng rọc (F = 0,5 N); đo thời gian t khi xe đi quãng đường s = 40 cm = 0,4 m; tính $a=\dfrac{2s}{t^2}$.
Thí nghiệm 2: giữ F không đổi, đặt thêm khối 250 g lên xe; đo lại t và tính a.
Thí nghiệm 3: chuyển quả nặng từ xe sang móc treo để thay đổi lực kéo, đo lại t và tính a.
Các nhóm ghi số liệu vào Phiếu học tập số 1 và trả lời: a tỉ lệ với F hay với m trong mỗi trường hợp? Với thí nghiệm 1, kiểm tra $F=ma$ với $F=0{,}5\ \mathrm{N}$, $m=0{,}5\ \mathrm{kg}$. Khi làm thí nghiệm thật, cần cố định giá, không đưa tay vào bánh xe, ngắt nguồn trước khi điều chỉnh cảm biến.

Số liệu chuẩn tham chiếu (mô phỏng): F = $0{,}5\ \mathrm{N}$, m = $0{,}5\ \mathrm{kg}$, t = $0{,}894\ \mathrm{s}$ trên quãng đường 40 cm, suy ra $a=\dfrac{2\cdot 0{,}4}{0{,}894^2}\approx 1{,}00\ \mathrm{m/s^2}$; kiểm tra $\dfrac{F}{m}=\dfrac{0{,}5}{0{,}5}=1\ \mathrm{m/s^2}$, khớp với số đo.
Kết luận rút ra từ thí nghiệm:

• Khi m không đổi, tăng F thì a tăng, a tỉ lệ thuận với F.
• Khi F không đổi, thêm khối 250 g (tăng m) thì a giảm theo 1/m, nghĩa là a tỉ lệ nghịch với m.
• Gia tốc luôn cùng hướng với hợp lực: khi đẩy xe ngược lại, xe chạy sang trái, chậm dần rồi quay lại.
  Kết luận: gia tốc tỉ lệ thuận với hợp lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng, đúng với định luật 2 Newton.

HS vận dụng biểu thức $\vec{a}=\dfrac{\vec{F}}{m}$ để giải bài toán tìm gia tốc, hợp lực và khối lượng; rèn kĩ năng trình bày lời giải.

HS làm cá nhân bài 1 – 4 trong 5 phút, sau đó đổi vở kiểm tra chéo với bạn cùng bàn.

1. Vật khối lượng 2 kg chịu hợp lực 6 N. Gia tốc của vật bằng bao nhiêu m/s²?
2. Vật khối lượng 4 kg có gia tốc 2 m/s². Hợp lực tác dụng lên vật bằng bao nhiêu N?
3. Xe khối lượng 2 kg được kéo bằng lực 10 N, lực cản 4 N ngược chiều kéo. Gia tốc theo chiều kéo bằng bao nhiêu m/s²?
4. Hợp lực 12 N làm vật có gia tốc 3 m/s². Khối lượng của vật bằng bao nhiêu kg?
   GV nhắc: vẽ hình, chọn chiều dương, tổng hợp lực trước khi áp dụng định luật.

Đáp án và lời giải mẫu:

1. $a=\dfrac{F}{m}=\dfrac{6}{2}=3\ \mathrm{m/s^2}$.
2. $F=ma=4\times 2=8\ \mathrm{N}$.
3. Chọn chiều kéo làm chiều dương: $\sum F=10-4=6\ \mathrm{N}$, $a=\dfrac{6}{2}=3\ \mathrm{m/s^2}$.
4. $m=\dfrac{F}{a}=\dfrac{12}{3}=4\ \mathrm{kg}$.
   Bài làm đúng: có công thức, thay số, đơn vị và chiều của lực, gia tốc.

HS củng cố quan hệ giữa a, F, m; phân biệt gia tốc với lực và trạng thái chuyển động thẳng đều khi hợp lực bằng 0.

Trò chơi 'Giơ thẻ': GV đọc câu 5 và câu 7 (trắc nghiệm), HS giơ thẻ A/B/C/D. Sau đó HS làm câu 6 (đúng/sai) bằng bộ thẻ Đ/S cho từng ý a, b, c, d.
Câu 5: Khối lượng của vật tăng gấp đôi, hợp lực không đổi thì gia tốc thay đổi thế nào? A. Giảm một nửa; B. Tăng gấp đôi; C. Không đổi; D. Tăng bốn lần.
Câu 6: Định luật II Newton: a) Gia tốc cùng hướng với hợp lực. b) Phải cộng các lực theo quy tắc vectơ. c) Chỉ cần có một lực khác 0 tác dụng thì vật chắc chắn có gia tốc khác 0. d) 1 N = 1 kg·m/s².
Câu 7: Xe chuyển động thẳng đều dù có lực kéo khác 0, vì sao? A. Khối lượng bằng 0; B. Không có trọng lực; C. Lực kéo cân bằng lực cản; D. Định luật II sai.

Đáp án:
Câu 5: A (a = F/m; m tăng gấp đôi nên a giảm một nửa).
Câu 6: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai (nhiều lực có thể cân bằng, hợp lực bằng 0 thì gia tốc bằng 0); d) Đúng.
Câu 7: C (hợp lực theo phương chuyển động bằng 0 nên gia tốc bằng 0, vận tốc không đổi).
Kiến thức HS rút ra: hợp lực bằng 0 thì gia tốc bằng 0 dù vật vẫn chịu nhiều lực; gia tốc chỉ phụ thuộc hợp lực, không phụ thuộc riêng một lực.

HS vận dụng định luật 2 Newton để giải bài toán kết hợp động học và giải thích hiện tượng thực tế (xe tải chở nặng, tên lửa).

Nhóm 4 HS thực hiện 2 nhiệm vụ.
Nhiệm vụ 1 (bài toán): Vật khối lượng 5 kg có vận tốc tăng từ 2 m/s lên 8 m/s trong 3 s với gia tốc không đổi. Tìm gia tốc và hợp lực tác dụng lên vật. Giải thích vì sao đây là hợp lực, chưa thể suy ra lực kéo riêng khi có lực cản.
Nhiệm vụ 2 (thực tế): Vì sao xe tải chở nặng cần quãng đường phanh dài hơn xe con khi phanh với cùng lực hãm? Tên lửa giảm khối lượng nhiên liệu để tăng tốc nhanh hơn, dựa trên cơ sở nào?
Sau khi thảo luận, nhóm viết lời giải vào bảng nhóm và cử đại diện trình bày.

Đáp án nhiệm vụ 1: $a=\dfrac{8-2}{3}=2\ \mathrm{m/s^2}$; $F=ma=5\times 2=10\ \mathrm{N}$, cùng chiều biến thiên vận tốc. Đây là hợp lực; nếu có lực cản thì lực kéo phải lớn hơn 10 N và cần tổng hợp lực để tính.
Đáp án nhiệm vụ 2: Với cùng lực hãm, khối lượng lớn hơn thì độ lớn gia tốc nhỏ hơn ($a=\dfrac{F}{m}$), vận tốc giảm chậm hơn nên quãng đường phanh dài hơn. Tên lửa giảm khối lượng (nhiên liệu đã cháy) thì với lực đẩy không đổi, gia tốc tăng, nên tăng tốc nhanh hơn.
Kiến thức HS vận dụng: gia tốc tỉ lệ thuận với hợp lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng; khối lượng là số đo mức quán tính.