Giáo án Bài 23. Năng lượng. Công cơ học

Huy động kiến thức nền của HS về năng lượng và việc thực hiện công; xác định vấn đề cần giải quyết: lực cần thoả mãn điều kiện gì để sinh công và làm sao đo được “phần việc” đó.

GV trình chiếu hai tình huống: (1) một người dùng lực kéo thùng hàng trượt trên sàn; (2) một người giữ túi xách đứng yên trên tay trong khi đứng yên tại chỗ. HS trả lời các câu hỏi: “Trong tình huống nào người đã làm được việc có ích cho vật? Dựa vào đâu để khẳng định?” và “Năng lượng có thể hiểu đơn giản là gì?”.

HS nhận ra: ở tình huống (1) vật được dịch chuyển dưới tác dụng của lực nên lực đã “làm việc”; ở tình huống (2) lực có tác dụng nhưng vật không dịch chuyển nên không có việc được thực hiện theo nghĩa vật lí. Dự kiến HS nêu: năng lượng là khả năng làm việc hoặc sinh công của vật. Vấn đề bài học: xác định đại lượng đo “phần việc” truyền cho vật, gọi là công cơ học, và cách tính công.

Nêu được khái niệm năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công hoặc truyền nhiệt; nêu được định luật bảo toàn năng lượng và nhận biết sự chuyển hoá năng lượng trong các hiện tượng quen thuộc.

Nhóm HS hoàn thành Phiếu học tập số 1, phần A: quan sát ba hiện tượng (quả bóng rơi, nhà máy thuỷ điện, hộp trượt có ma sát làm đế nóng lên), xác định các dạng năng lượng xuất hiện trước và sau hiện tượng và viết mũi tên chuyển hoá. Sau đó nhóm trả lời: “Năng lượng có được tạo ra từ hư không không? Điều gì xảy ra với năng lượng khi vật này truyền cho vật khác?”. Kỹ thuật sử dụng: khăn trải bàn, mỗi HS viết ý kiến cá nhân vào ô của mình, sau đó nhóm thống nhất ý kiến chung vào ô trung tâm.

Sơ đồ chuyển hoá năng lượng của nhóm, ví dụ: quả bóng rơi: thế năng → động năng (một phần chuyển thành nhiệt và âm thanh khi chạm đất); nhà máy thuỷ điện: năng lượng của nước → năng lượng điện; hộp trượt có ma sát: một phần năng lượng chuyển thành nhiệt làm đế hộp nóng lên. Kiến thức HS rút ra: (1) Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công hoặc truyền nhiệt của vật. (2) Định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác.

Nêu được công cơ học là số đo phần năng lượng truyền khi lực làm điểm đặt dịch chuyển; tính được công của lực không đổi bằng $A=Fd\cos\alpha$; xác định được dấu của công theo góc α.

Nhóm dùng mô phỏng 3D “kéo hộp trên ray” trên trang bài học NeoEdu và hoàn thành Phiếu học tập số 1, phần B. Thí nghiệm: hộp 2 kg được kéo bằng lực F = 10 N. (a) Kéo song song ray, cùng hướng dịch chuyển tới vạch 1,5 m; (b) nâng dây lên góc α = 60°; (c) kéo thẳng đứng; (d) trên dải nhám (μ = 0,2) kéo tới vạch 1,5 m. Nhóm điền công của từng trường hợp và trả lời: “Vì sao kéo thẳng đứng công bằng 0 dù vẫn dùng lực 10 N? Vì sao công ma sát là âm?”. Sau đó GV đặt câu hỏi về dấu của công: “Khi nào công dương, âm, bằng 0?”.

Bảng kết quả của nhóm (dữ liệu từ mô phỏng):

• (a) α = 0°: A = Fd = 10 × 1,5 = 15 J; đây là phần năng lượng truyền cho hộp.
• (b) α = 60°: chỉ thành phần F cos α sinh công, A = 10 × 1,5 × cos60° = 7,5 J.
• (c) Kéo thẳng đứng: hộp không dịch chuyển, A = 0; trọng lực và phản lực vuông góc với dịch chuyển nên cũng không sinh công.
• (d) Trên dải nhám: lực ma sát $f=\mu mg=0{,}2\cdot2\cdot9{,}8=3{,}92\,\mathrm{N}$ ngược hướng dịch chuyển, A_ms = −3,92 × 1,5 = −5,88 J (công cản), đế hộp nóng lên.
  Kiến thức rút ra: (1) Công cơ học là số đo năng lượng truyền khi lực làm điểm đặt dịch chuyển. (2) Với lực không đổi: $A=Fd\cos\alpha$. (3) Góc nhọn: công dương; góc tù: công âm (công cản); góc 90°: công bằng 0; có lực mà không có dịch chuyển của điểm đặt thì công bằng 0.

Vận dụng được công thức $A=Fd\cos\alpha$ để tính công và xác định dấu của công trong các tình huống khác nhau; nhận biết các lỗi sai thường gặp (có lực là có công, công luôn dương).

HS làm Phiếu học tập số 2 theo cặp đôi (làm riêng 3 phút, đổi bài kiểm tra chéo). Các bài tập: (1) F = 50 N cùng chiều dịch chuyển 4 m; (2) F = 50 N hợp dịch chuyển 4 m góc 60°; (3) ma sát 10 N cản chuyển động trên 4 m; (4) lực vuông góc dịch chuyển, F = 30 N, d = 5 m; (5) giữ túi đứng yên, công của lực giữ; (6) góc giữa lực và dịch chuyển 120°, công có dấu gì? Riêng ý (7) là bài kiểm tra nhanh đúng/sai về công.

Đáp án và lời giải (HS ghi vào phiếu):
(1) A = Fd = 50 × 4 = 200 J.
(2) A = 50 × 4 × cos60° = 100 J.
(3) α = 180°, A = −10 × 4 = −40 J (công cản).
(4) cos90° = 0 nên A = 0.
(5) Điểm đặt không dịch chuyển trong hệ quy chiếu mặt đất nên A = 0. Đáp án A.
(6) cos120° < 0 nên công âm nếu F, d > 0. Đáp án C.
(7) Nhận định: a) Công có đơn vị J: Đúng; b) Công có thể âm: Đúng; c) Độ lớn lực đủ quyết định công mà không cần dịch chuyển: Sai; d) Lực hướng tâm trong chuyển động tròn đều không sinh công: Đúng (lực vuông góc vận tốc).

Vận dụng công thức công và khái niệm công cản để phân tích tình huống kéo vật trong thực tế, tính được tổng công của các lực và giải thích phù hợp với định luật bảo toàn năng lượng.

Nhóm giải bài toán: “Một thùng hàng được kéo đi đều 3 m trên sàn ngang bằng lực kéo ngang 20 N. Tính công của lực kéo, công của lực ma sát và tổng công. Giải thích vì sao tổng công bằng 0 khi thùng chuyển động đều.” Sau đó nhóm trả lời câu hỏi thực tế: “Khi kéo thùng lên dốc, phần công của lực kéo đi đâu trong trường hợp có ma sát?”. GV giao thêm nhiệm vụ về nhà (xem phần homework).

Lời giải của nhóm: thùng đi đều nên lực ma sát bằng 20 N và ngược hướng dịch chuyển. Công kéo: A_k = 20 × 3 = +60 J. Công ma sát: A_ms = −20 × 3 = −60 J. Trọng lực và phản lực vuông góc với chuyển động nên công bằng 0. Tổng công: 0 J, phù hợp với việc động năng của thùng không đổi. Giải thích thực tế: phần năng lượng do lực kéo truyền vào bị ma sát chuyển thành nhiệt, năng lượng được bảo toàn trong quá trình chuyển hoá.