Giáo án Bài 25. Động năng, thế năng

Huy động kiến thức nền về năng lượng của vật chuyển động và vật ở độ cao; tạo tình huống có vấn đề dẫn vào bài động năng, thế năng.

HS quan sát mô phỏng 3D búa máy 2 kg thả từ độ cao 0,6 m xuống đầu cọc trên trang bài học NeoEdu. HS trả lời câu hỏi: (1) Khi búa đang treo ở độ cao, búa có khả năng sinh công không? Vì sao? (2) Khi búa rơi, năng lượng nào giảm, năng lượng nào tăng? (3) Vì sao cọc bị lún? Cá nhân ghi dự đoán vào vở trước khi xem mô phỏng.

Dự đoán ban đầu của HS: (1) Búa đang ở độ cao có khả năng sinh công vì có năng lượng do vị trí. (2) Khi rơi, thế năng giảm, tốc độ tăng nên động năng tăng. (3) Búa chạm cọc đang có động năng, động năng này làm cọc lún xuống cát. GV ghi các dự đoán lên bảng để so sánh ở cuối tiết học.

Nêu được khái niệm, biểu thức và đơn vị của động năng; nhận xét được động năng phụ thuộc bình phương tốc độ và luôn không âm.

Nhóm 4 người hoàn thành Phiếu học tập số 1, phần A (Động năng). Câu hỏi: (1) Động năng là gì? (2) Viết biểu thức động năng của vật khối lượng m, tốc độ v. Đơn vị là gì? (3) Nếu tốc độ tăng gấp đôi, động năng tăng bao nhiêu lần? Vì sao? (4) Hai vật cùng khối lượng, một chuyển động với $v=+4$ m/s, một với $v=-4$ m/s thì động năng có khác nhau không? Vì sao? Dùng kĩ thuật khăn trải bàn: mỗi HS ghi ý kiến cá nhân vào ô của mình, sau đó nhóm thống nhất ý kiến chung vào ô giữa.

Kiến thức HS rút ra: Động năng là năng lượng vật có do chuyển động. Biểu thức: $W_{đ}=\dfrac{1}{2}mv^2$, đơn vị J (kg·m²/s²). Động năng luôn không âm. Tốc độ tăng gấp đôi thì động năng tăng bốn lần, không tăng đôi. Hai vật có $v=+4$ m/s và $v=-4$ m/s có cùng động năng vì động năng dùng bình phương tốc độ, không phụ thuộc dấu của v. Ví dụ kiểm tra: m = 2 kg, v = 3 m/s thì $W_{đ}=\dfrac{1}{2}\cdot 2\cdot 3^2=9$ J.

Nêu được thế năng trọng trường $W_t=mgh$; giải thích được thế năng phụ thuộc mốc chọn và chỉ độ chênh lệch thế năng mới có ý nghĩa vật lí.

Nhóm hoàn thành Phiếu học tập số 1, phần B (Thế năng). Vật 2 kg ở cao 2 m so với sàn, lấy $g=10$ m/s². (1) Thế năng trọng trường là gì? (2) Tính $W_t$ khi chọn mốc tại sàn. (3) Nếu chọn mốc cao 1 m so với sàn thì thế năng của vật ở vị trí cao 2 m là bao nhiêu? (4) Thế năng của vật ở vị trí h = −2 m so với mốc có giá trị bao nhiêu? (5) Với mốc đã chọn, thế năng giảm từ 40 J xuống 20 J thì công của trọng lực là bao nhiêu? Quan sát thêm mô phỏng búa máy: chuyển mốc sang đỉnh cọc hay điểm thả, nêu xem W_t đổi như thế nào, còn độ giảm thế năng có đổi không.

Kiến thức HS rút ra: Thế năng trọng trường là năng lượng vật có do vị trí trong trọng trường so với mốc chọn trước; $W_t=mgh$, đơn vị J. Mốc thế năng là vị trí có thế năng bằng 0 và có thể chọn tuỳ ý. Đáp án: (2) $W_t=2\times 10\times 2=40$ J. (3) Với mốc cao 1 m, h = 1 m, $W_t=2\times 10\times 1=20$ J; thế năng thay đổi theo mốc nhưng chuyển động của vật không đổi. (4) $W_t=1\times 10\times(-2)=-20$ J khi m = 1 kg; thế năng có thể âm. (5) Công của trọng lực $A=W_{t1}-W_{t2}=40-20=20$ J, độ giảm thế năng không đổi khi đổi mốc.

Nêu được định lí động năng $A=W_{đ2}-W_{đ1}$; giải thích được độ biến thiên động năng bằng tổng công của các lực tác dụng lên vật.

Nhóm hoàn thành Phiếu học tập số 2 (Định lí động năng). Câu hỏi: (1) Phát biểu định lí động năng bằng công thức. (2) Động năng của vật tăng từ 10 J lên 34 J, tổng công của các lực bằng bao nhiêu? Công này dương hay âm? (3) Khi búa 2 kg chạm cọc, $v=3{,}43$ m/s, tính động năng ngay trước khi chạm. Cho $g=9{,}8$ m/s². Vì sao $W_{đ}$ này bằng $mgH$ với H = 0,6 m? (4) Cát tác dụng lực cản $F_c=400$ N làm cọc lún s = 3,1 cm; hãy giải thích vì sao động năng của búa bằng không sau khi lún và viết phương trình công của các lực.

Kiến thức HS rút ra: Định lí động năng $A=W_{đ2}-W_{đ1}$, trong đó A là tổng công các lực. Đáp án: (2) $A=34-10=24$ J, công dương vì động năng tăng. (3) $W_{đ}=\dfrac{1}{2}\cdot 2\cdot 3{,}43^2\approx 11{,}76$ J, bằng $mgH=2\cdot 9{,}8\cdot 0{,}6=11{,}76$ J, vì thế năng giảm đúng bằng động năng tăng. (4) Khi lún: $(mg-F_c)s=0-W_{đ}$, công của lực cản âm làm hết động năng của búa; kiểm tra: $(19{,}6-400)\cdot 0{,}031\approx -11{,}8$ J.

Vận dụng được biểu thức động năng, thế năng và định lí động năng để giải các bài tập trắc nghiệm, đúng–sai; nhận diện được quan niệm sai.

HS làm các bài sau theo nhóm, chia ba trạm (mỗi trạm 6 phút, luân chuyển): Trạm 1: Bài 3 và bài 4. Trạm 2: Bài 5 và bài 7. Trạm 3: Bài 6. Đề bài: (3) Động năng từ 10 J tăng lên 34 J. Tổng công bao nhiêu J? (4) m = 1 kg, g = 10 m/s², h = −2 m so mốc. Thế năng bao nhiêu J? (5) Tốc độ tăng 3 lần, khối lượng không đổi, động năng thế nào? A. Giảm 3 lần; B. Không đổi; C. Tăng 9 lần; D. Tăng 3 lần. (6) Về năng lượng: a) Động năng không âm. b) Thế năng có thể âm. c) Thay mốc thế năng làm đổi công trọng lực giữa cùng hai điểm. d) Tổng công âm làm động năng giảm. Đánh dấu Đ hoặc S. (7) Xe chuyển động v = −4 m/s có động năng so với v = +4 m/s, cùng m thế nào? A. Bằng nhau; B. Đối dấu; C. Nhỏ hơn; D. Bằng 0.

Đáp án: Bài 3: 24 J (A = ΔWđ = 34 − 10 = 24 J). Bài 4: −20 J (Wt = 1 × 10 × (−2) = −20 J). Bài 5: đáp án C, tăng 9 lần vì Wđ tỉ lệ với v². Bài 6: a) Đ; b) Đ; c) S; d) Đ (đổi mốc không đổi chênh lệch thế năng). Bài 7: đáp án A, bằng nhau vì động năng dùng bình phương tốc độ. HS tự chấm và ghi số câu đúng vào bảng nhóm.

Vận dụng định lí động năng và thế năng để giải thích ứng dụng thực tế: lí do giới hạn tốc độ và cơ sở của hồ chứa thuỷ điện.

Cá nhân hoặc cặp đôi giải bài tập 8: Vật 2 kg đang chuyển động với tốc độ 4 m/s, chịu tổng công −12 J. Tìm tốc độ cuối. Sau đó trả lời: (a) Vì sao cần giới hạn tốc độ xe chạy trên đường vì động năng tăng theo bình phương vận tốc? (b) Vì sao hồ chứa nước ở độ cao lớn của đập thuỷ điện được coi là nơi tích trữ thế năng? Nêu ý nghĩa của điều này với việc phát điện.

Đáp án bài 8: $W_{đ1}=\dfrac{1}{2}\cdot 2\cdot 4^2=16$ J; $W_{đ2}=16-12=4$ J; từ $\dfrac{1}{2}mv^2=4$ suy ra $v^2=4$, v = 2 m/s. Động năng không cho biết chiều vận tốc cuối. Thang chấm: động năng đầu 0,25; động năng cuối 0,25; tốc độ 0,25; nêu được giới hạn về chiều 0,25. Ứng dụng: (a) Tốc độ tăng gấp đôi thì động năng tăng bốn lần nên khi va chạm, năng lượng cần hấp thụ tăng mạnh, do đó cần giới hạn tốc độ để đảm bảo an toàn. (b) Nước ở độ cao có thế năng lớn; khi chảy xuống, thế năng chuyển thành động năng làm quay tua-bin phát điện.