Giáo án Bài 19. Lực cản và lực nâng

HS nhận ra khi vật chuyển động trong không khí hoặc chất lỏng thì có lực của chất lưu cản lại chuyển động; từ đó xác định vấn đề cần tìm hiểu trong bài.

GV thả đồng thời một viên bi thép và một tờ giấy phẳng cùng khối lượng gần bằng nhau từ cùng độ cao, sau đó hỏi:

• Vật nào chạm đất sau? Vì sao?
• Nếu thả cùng viên bi trong không khí và trong nước, bi rơi như nhau không? Hãy dự đoán.
  HS ghi dự đoán cá nhân vào vở trong 1 phút, sau đó trao đổi nhanh với bạn cùng bàn.

Dự đoán dự kiến: tờ giấy rơi chậm hơn vì diện tích mặt cản lớn, không khí tác dụng lực cản lên tờ giấy; bi rơi trong nước chậm hơn bi trong không khí vì nước tác dụng lực cản lớn hơn. Vấn đề bài học: Lực cản của chất lưu có đặc điểm gì? Vật rơi trong chất lưu sẽ chuyển động như thế nào?

HS nêu được định nghĩa lực cản, nhận biết lực cản ngược chiều chuyển động và các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản qua quan sát thí nghiệm ống dầu.

GV biểu diễn thí nghiệm: thả viên bi thép trong ống không khí (ống kín thoáng khí) và trong ống dầu (ống dầu do GV chuẩn bị). Nhóm 4 HS quan sát, so sánh chuyển động rơi của bi trong hai môi trường, ghi vào Phiếu học tập số 1 và trả lời:

• Bi rơi nhanh dần rồi về sau gần đều trong dầu hay trong không khí?
• Lực nào tác dụng lên bi ngược chiều chuyển động? Lực đó phụ thuộc vào những yếu tố nào?
• Nếu thay bi bằng một tấm bìa phẳng có diện tích lớn hơn thì lực cản thay đổi thế nào?

Kết quả quan sát: bi rơi gần như nhanh dần đều trong không khí; trong dầu bi rơi chậm hơn và sau một thời gian chuyển động gần như đều.
Kiến thức HS rút ra:

• Chất lưu gồm chất lỏng và chất khí.
• Lực cản là lực chất lưu tác dụng ngược chiều chuyển động của vật.
• Lực cản tăng theo tốc độ và diện tích mặt cản; còn phụ thuộc hình dạng vật và tính chất chất lưu.
• Lực cản không có một công thức duy nhất dùng cho mọi trường hợp.
  Ví dụ: khi đạp xe nhanh, người đạp thu gọn thân để giảm diện tích cản và giảm lực cản không khí.

HS giải thích được vì sao vật rơi trong chất lưu nhanh dần lúc đầu rồi đạt tốc độ giới hạn, và viết được điều kiện cân bằng khi đó.

Nhóm HS dùng mô phỏng 3D tương tác trong trang bài học NeoEdu: thả cùng lúc ba viên bi thép vào Ống không khí, Ống nước và Ống dầu nhờn; quan sát chuyển động và ghi tốc độ khi bi rơi đều.
Nhiệm vụ:

• Vẽ sơ đồ các lực tác dụng lên bi khi rơi trong dầu: trọng lực $P$ xuống, lực đẩy Archimedes $F_A$ và lực cản $F_c$ lên.
• Trả lời: Vì sao lúc đầu bi nhanh dần? Khi nào bi rơi đều? Ở tốc độ giới hạn, quan hệ giữa các lực là gì?
• Vận dụng: Bi có $P = 0{,}10\ \mathrm{N}$, lực đẩy $F_A = 0{,}02\ \mathrm{N}$, rơi đều. Tính lực cản $F_c$.

Kiến thức HS rút ra:

• Lúc đầu lực cản nhỏ nên trọng lực lớn hơn tổng lực lên, bi tăng tốc.
• Khi tốc độ tăng, lực cản tăng; đến khi lực cản và lực đẩy Archimedes cân bằng với trọng lực thì hợp lực bằng 0, gia tốc bằng 0, bi rơi đều với tốc độ giới hạn.
• Tại tốc độ giới hạn: $mg = F_A + F_c$, không phải luôn $F_c = mg$.
• Kết quả mô phỏng: tốc độ giới hạn của bi thép là $1{,}37\ \mathrm{m/s}$ trong nước và $0{,}92\ \mathrm{m/s}$ trong dầu; trong không khí bi gần như rơi tự do.
  Ví dụ đáp án: $F_c = P - F_A = 0{,}10 - 0{,}02 = 0{,}08\ \mathrm{N}$.

HS nêu được lực nâng là lực chất lưu đẩy vật lên và nêu được điều kiện nổi của vật trong chất lỏng.

GV yêu cầu HS dùng mô phỏng 3D thay viên bi thép bằng bóng nhựa rỗng đường kính 1 cm, thả vào ống nước và ống dầu; quan sát chuyển động và trả lời:

• Bóng chuyển động thế nào? Lực nào đẩy bóng lên?
• Lực nâng so với trọng lực của bóng như thế nào khi bóng nổi lên?
• Lực nâng cánh máy bay có phải là lực đẩy Archimedes không? Lực nâng là gì?

Kiến thức HS rút ra:

• Lực nâng là lực chất lưu đẩy vật lên, ví dụ lực đẩy Archimedes trong chất lỏng hoặc lực nâng cánh máy bay; lực nâng có thể vuông góc với dòng chảy.
• Điều kiện nổi: lực nâng (lực đẩy Archimedes trong chất lỏng) lớn hơn trọng lực của vật, khi đó vật nổi lên.
• Kết quả mô phỏng: trong nước và dầu bóng nhựa rỗng nổi lên vì lực nâng lớn hơn trọng lực.
  Lưu ý: không xét khối lượng riêng ở đây; quan niệm “vật nặng hơn luôn nổi kém hơn bất kể thể tích” là sai, vì khả năng nổi phụ thuộc so sánh lực nâng với trọng lực.

HS vận dụng cân bằng lực, định luật II Newton và công thức chuyển động đều để giải các bài tập định lượng.

Nhóm đôi làm các bài sau và ghi kết quả vào vở:

1. Bi có $P = 0{,}10\ \mathrm{N}$, lực đẩy $0{,}02\ \mathrm{N}$, rơi đều. Lực cản bao nhiêu N?
2. $P = 10\ \mathrm{N}$, lực đẩy $2\ \mathrm{N}$, lực cản $3\ \mathrm{N}$. Hợp lực xuống bao nhiêu N?
3. Hợp lực xuống $4\ \mathrm{N}$ tác dụng lên vật $2\ \mathrm{kg}$. Gia tốc xuống bao nhiêu $\mathrm{m/s^2}$?
4. Vật chuyển động đều $0{,}2\ \mathrm{m/s}$ trong $5\ \mathrm{s}$. Quãng đường bao nhiêu m?

Đáp án:

1. $F_c = 0{,}08\ \mathrm{N}$ vì $F_c = P - F_A = 0{,}10 - 0{,}02$.
2. $F = 10 - 2 - 3 = 5\ \mathrm{N}$.
3. $a = F/m = 4/2 = 2\ \mathrm{m/s^2}$.
4. $s = vt = 0{,}2 \times 5 = 1\ \mathrm{m}$.

HS nhận biết đúng trạng thái cân bằng lực ở tốc độ giới hạn và phân biệt đúng sai về chuyển động của vật rơi trong chất lưu.

Cá nhân làm trắc nghiệm và đúng sai, sau đó đối chiếu với bạn cùng bàn:
5. Tốc độ giới hạn ứng với trạng thái nào?
A. Hợp lực bằng 0, tốc độ không đổi.
B. Không có trọng lực.
C. Gia tốc tăng mãi.
D. Lực cản bằng 0.
6. Bi rơi đều trong dầu. Các mệnh đề sau đúng (Đ) hay sai (S)?
a) Gia tốc bằng 0.
b) Có thể có lực đẩy Archimedes.
c) Lực cản nhất thiết bằng trọng lực.
d) Chuyển động không phải rơi tự do.
7. Thu gọn thân khi đạp xe nhanh thường nhằm mục đích gì?
A. Xoá trọng lực.
B. Tạo chân không.
C. Giảm lực cản không khí.
D. Tăng khối lượng xe.

Đáp án:
5. A (tại tốc độ giới hạn các lực cân bằng, không phải lực biến mất).
6. a) Đ; b) Đ; c) S (vì $F_c = P - F_A$, lực đẩy khác 0 làm $F_c$ nhỏ hơn trọng lực); d) Đ.
7. C (giảm diện tích cản và thay đổi hình dạng theo hướng khí động học).

HS vận dụng kiến thức về lực cản, tốc độ giới hạn và lực nâng để giải thích thiết kế khí động học và nhảy dù, đồng thời nhận thức an toàn khi nghiên cứu lực cản.

Nhóm 4 HS chọn một trong hai tình huống:

• Tình huống 1: Thiết kế khí động học ô tô hoặc máy bay. Nhóm giải thích vì sao thân xe có dạng thuôn, vì sao cánh máy bay tạo lực nâng.
• Tình huống 2: Nhảy dù. Nhóm giải thích vì sao người nhảy dù đạt tốc độ giới hạn trước khi mở dù và vì sao mở dù làm tốc độ giảm.
  Mỗi nhóm lập bảng gồm: các lực tác dụng lên vật, yếu tố làm lực cản thay đổi, kết luận về tốc độ.
  Lưu ý an toàn: chỉ thảo luận, không tự chế dù để thả người hoặc tải từ cao.

Sản phẩm mẫu của nhóm (tình huống nhảy dù):

• Các lực: trọng lực hướng xuống; lực cản không khí hướng lên.
• Khi lực cản tăng theo tốc độ đến khi cân bằng trọng lực thì người rơi với tốc độ giới hạn.
• Mở dù làm diện tích mặt cản tăng, lực cản tăng đột ngột, hợp lực hướng lên, vật giảm tốc.
• Kết luận: thiết kế dù và thân xe đều dựa trên việc điều khiển lực cản. Trình bày trước lớp bằng sơ đồ lực và 3–4 câu giải thích.