Vật líLớp 10Chương 4. Năng lượng, công, công suất

Giáo án Bài 27. Hiệu suất

Kế hoạch bài dạy theo mẫu Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH · 1 tiết (45 phút)

Tải Word (.docx) Bài học trên Học liệu

I. Mục tiêu

1. Kiến thức

Nêu được năng lượng có ích và năng lượng hao phí trong một quá trình chuyển hoá năng lượng.
Viết và vận dụng được công thức $H=\dfrac{W_{ci}}{W_{tp}}\cdot100\%=\dfrac{P_{ci}}{P_{tp}}\cdot100\%$ để tính hiệu suất.
Tính được hiệu suất của một thiết bị (động cơ nâng vật) từ số liệu đo và nhận xét được hiệu suất luôn nhỏ hơn 100%.
Tính được năng lượng đầu vào và năng lượng hao phí khi biết năng lượng có ích và hiệu suất.
Nêu được một biện pháp nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng.

2. Năng lực

a) Năng lực chung

Tự chủ và tự học: HS tự đọc số liệu trên oát kế và thước đo, tự tính toán các đại lượng, đối chiếu kết quả với đáp án.
Giao tiếp và hợp tác: HS làm việc nhóm 4 và cặp đôi, trình bày kết quả, nhận xét lời giải của bạn bằng lập luận vật lí.
Giải quyết vấn đề và sáng tạo: HS phân tích vì sao hiệu suất giảm khi ổ trục khô và đề xuất cách làm tăng hiệu suất.

b) Năng lực đặc thù

Nhận thức vật lí: HS phân biệt được năng lượng có ích (thế năng vật nhận) và năng lượng hao phí (nhiệt ở cuộn dây, ổ trục, dây curoa), hiểu rằng hao phí không bị mất đi.
Tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí: HS giải thích hiện tượng đèn sợi đốt nóng, động cơ ấm lên và lựa chọn thiết bị tiết kiệm năng lượng dựa trên hiệu suất.
Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học: HS vận dụng công thức hiệu suất để giải bài toán máy bơm nước và đánh giá tính hợp lí của kết quả.

3. Phẩm chất

Chăm chỉ: HS hoàn thành đầy đủ các phép tính trong phiếu học tập và bài luyện tập.
Trách nhiệm: HS nêu được ý thức sử dụng tiết kiệm điện năng trong gia đình và trường học.
Trung thực: HS ghi đúng số liệu quan sát được trên mô phỏng, không làm tròn hay điều chỉnh số liệu để đạt kết quả mong muốn.

II. Thiết bị dạy học và học liệu

1. Giáo viên

Máy tính, máy chiếu hoặc bảng tương tác để trình chiếu học liệu số.
Học liệu số NeoEdu: trang bài học https://neoedu.vn/learn/10/physics/bai-27-hieu-suat, mô phỏng 3D “Động cơ nâng quả nặng” gồm oát kế 12 V thang 0 – 30 W, động cơ điện có cánh tản nhiệt, hộp số và dây curoa, cột ròng rọc và thước đo độ cao.
Hình ảnh hoặc bóng đèn sợi đốt và bóng đèn LED thật để mở đầu bài học.
Phiếu học tập số 1 (in cho mỗi nhóm), bảng phụ ghi công thức và ví dụ.
Bảng nhóm, bút dạ để HS giơ bảng trong hoạt động luyện tập.

2. Học sinh

Vở ghi, bút, thước kẻ.
Máy tính bỏ túi.
Máy tính bảng hoặc điện thoại có kết nối mạng (nếu nhà trường cho phép) để truy cập mô phỏng NeoEdu.
Bảng con hoặc bảng nhóm để trình bày đáp án.

III. Tiến trình dạy học

Hoạt động 1: Mở đầu · 5 phút

Đèn sáng hay đèn nóng?

a) Mục tiêu

HS nhận ra điện năng không chỉ chuyển thành ánh sáng mà còn chuyển thành nhiệt, từ đó xác định vấn đề cần học: làm sao đo phần năng lượng hữu ích.

b) Nội dung

GV cho HS quan sát bóng đèn sợi đốt đang sáng và bóng đèn LED cùng loại độ sáng, nêu câu hỏi: “Khi chạm tay vào bóng đèn sợi đốt đang sáng, bạn cảm thấy gì? Điều đó cho thấy điện năng đã chuyển thành những dạng năng lượng nào?” và “Nếu chỉ quan tâm đến ánh sáng, bóng đèn nào sử dụng điện năng hiệu quả hơn? Làm thế nào để so sánh điều đó bằng số đo?”

c) Sản phẩm

HS trả lời: bóng đèn sợi đốt nóng rõ rệt, điện năng chuyển thành ánh sáng và nhiệt; bóng LED ít nóng hơn. HS nêu được vấn đề: cần tách phần năng lượng có ích (ánh sáng hoặc công cơ học) khỏi phần hao phí để so sánh. GV ghi tên bài “Hiệu suất” lên bảng.

d) Tổ chức thực hiện

Hoạt động của giáo viên

Hoạt động của học sinh

Giáo viên
Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ
GV bật bóng đèn sợi đốt, sau đó bóng LED cùng cho HS quan sát. GV đặt câu hỏi: “Bóng đèn nào nóng hơn khi cùng sáng? Điều đó nói lên điều gì về điện năng?”
Học sinh
HS quan sát, lắng nghe câu hỏi và suy nghĩ cá nhân trong 30 giây.
Giáo viên
Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ
GV mời 2–3 HS chia sẻ suy nghĩ ban đầu, không đánh giá đúng sai ngay.
Học sinh
HS cặp đôi trao đổi nhanh: “Bóng sợi đốt nóng vì một phần điện năng chuyển thành nhiệt.” “Muốn so sánh thì phải đo được phần ánh sáng hoặc phần công có ích.”
Giáo viên
Bước 3: Báo cáo, thảo luận
GV ghi nhanh các ý kiến lên bảng, gom thành hai cột: “Có ích” và “Không mong muốn”.
Học sinh
Đại diện HS lên ghi ý kiến, các bạn bổ sung.
Giáo viên
Bước 4: Kết luận, nhận định
GV dẫn dắt: điện năng luôn được chia thành phần có ích và phần hao phí; cần một đại lượng để đánh giá mức độ hiệu quả. GV giới thiệu mục tiêu bài học.
Học sinh
HS ghi tên bài và mục tiêu vào vở.

Hoạt động 2.1: Hình thành kiến thức mới · 10 phút

Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

a) Mục tiêu

HS nêu được khái niệm năng lượng có ích và năng lượng hao phí, phân tích được một quá trình cụ thể bằng mô phỏng NeoEdu.

b) Nội dung

Nhóm 4 HS mở mô phỏng “Động cơ nâng quả nặng” trong trang bài học, cài đặt quả nặng 2 kg, nâng lên độ cao 1 m trong 2 s. Đọc số chỉ oát kế, điền Phần A của Phiếu học tập số 1: tính điện năng động cơ nhận, thế năng vật nhận được, năng lượng hao phí và chỉ ra hao phí chuyển thành dạng nào. Câu hỏi GV: “Phần năng lượng nào là có ích? Phần nào là hao phí? Vì sao động cơ lại ấm lên?”

c) Sản phẩm

Số liệu: P = 12,25 W, t = 2 s, W = P·t = 24,5 J; có ích mgh = 2 · 9,8 · 1 = 19,6 J; hao phí = 24,5 − 19,6 = 4,9 J. Kiến thức HS rút ra: năng lượng có ích là phần chuyển hoá theo mục đích (thế năng của vật); năng lượng hao phí là phần chuyển sang dạng không mong muốn, thường là nhiệt ở cuộn dây, ổ trục và dây curoa; hao phí không bị mất đi mà chuyển thành nhiệt.

d) Tổ chức thực hiện

Hoạt động của giáo viên

Hoạt động của học sinh

Giáo viên
Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ
GV hướng dẫn cách mở mô phỏng trong trang bài học, nêu mục đích quan sát và nhắc nhóm ghi số liệu đúng như oát kế hiển thị. Phát Phiếu học tập số 1, phần A.
Học sinh
HS nhận phiếu, phân công người thao tác, người đọc số liệu, người ghi chép.
Giáo viên
Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ
GV đi quanh lớp, gợi ý: “Hãy so sánh điện năng nhận vào với thế năng vật nhận được.”
Học sinh
HS thao tác mô phỏng, đọc P = 12,25 W, tính W = 24,5 J, mgh = 19,6 J, hao phí 4,9 J. Nếu bật mô phỏng với ổ trục, quan sát động cơ ấm lên.
Giáo viên
Bước 3: Báo cáo, thảo luận
GV mời 2 nhóm trình bày kết quả, yêu cầu nhóm khác nhận xét phép tính.
Học sinh
Nhóm 1 trả lời: “Điện năng nhận 24,5 J, có ích 19,6 J, hao phí 4,9 J.” Nhóm 2 bổ sung: “Phần hao phí thành nhiệt ở cuộn dây và ổ trục nên động cơ ấm lên.”
Giáo viên
Bước 4: Kết luận, nhận định
GV chốt: năng lượng có ích là phần chuyển hoá theo mục đích; năng lượng hao phí là phần chuyển sang dạng không mong muốn, thường là nhiệt. GV nhấn mạnh hao phí không bị huỷ mà vẫn tồn tại dưới dạng nhiệt.
Học sinh
HS ghi khái niệm và ví dụ vào vở.

Hoạt động 2.2: Hình thành kiến thức mới · 12 phút

Hiệu suất và cách tính

a) Mục tiêu

HS nêu được định nghĩa, viết và vận dụng được công thức hiệu suất, nhận xét được khoảng giá trị của hiệu suất.

b) Nội dung

GV trình bày định nghĩa: hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần (đầu vào) trong cùng một quá trình; khi tính theo công suất phải dùng cùng khoảng thời gian. HS tính hiệu suất của động cơ trong mô phỏng ở phần B của Phiếu học tập số 1. Câu hỏi GV: “Vì sao H luôn nhỏ hơn 1? Khi tính đầu vào từ H và phần có ích, ta chia hay nhân?” Cả lớp cùng giải ví dụ: nhận 5000 J, có ích 3500 J.

c) Sản phẩm

H = 19,6 / 24,5 × 100% = 80%; cách khác H = P_ci / P_tp. Ví dụ: H = 3500 / 5000 × 100% = 70%, hao phí 5000 − 3500 = 1500 J. Kiến thức HS rút ra: H = W_ci/W_tp · 100% = P_ci/P_tp · 100%; 0 < H < 1 (0 < H < 100%); thiết bị thực có H < 100%. Khi biết H và W_ci, đầu vào W_tp = W_ci / H (ví dụ: cần 3500 J có ích với H = 70% thì W_tp = 3500/0,70 = 5000 J, không nhân thêm 0,70). Khi so sánh thiết bị phải nói rõ phần có ích là gì.

d) Tổ chức thực hiện

Hoạt động của giáo viên

Hoạt động của học sinh

Giáo viên
Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ
GV viết định nghĩa và công thức lên bảng, giải thích từng đại lượng. Nêu câu hỏi: “Vì sao hiệu suất không bao giờ bằng 100% đối với thiết bị thực?”
Học sinh
HS ghi công thức, suy nghĩ câu hỏi trong 1 phút.
Giáo viên
Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ
GV yêu cầu HS hoàn thành Phần B của phiếu và giải ví dụ 5000 J → 3500 J. Nhắc HS kiểm tra điều kiện cùng khoảng thời gian khi dùng công suất.
Học sinh
HS cá nhân tính H = 80% cho mô phỏng, sau đó tính H = 70% cho ví dụ, rồi thảo luận cặp đôi về lý do phải chia khi tìm đầu vào.
Giáo viên
Bước 3: Báo cáo, thảo luận
GV gọi HS trình bày, yêu cầu nêu rõ phần có ích khi giải thích.
Học sinh
HS trả lời: “H = 80%.” “H = 70%, hao phí 1500 J.” “Vì một phần năng lượng luôn chuyển thành nhiệt nên phần có ích nhỏ hơn đầu vào.” “Đầu vào bằng có ích chia cho H, không nhân với 0,70 lần nữa.”
Giáo viên
Bước 4: Kết luận, nhận định
GV chốt công thức và các điều kiện áp dụng. Nêu hai quan niệm sai: “Có thể chế tạo máy có hiệu suất 100%” và “Hao phí bị mất đi hoàn toàn”, giải thích rằng cả hai đều không đúng vì hao phí chuyển thành nhiệt và năng lượng được bảo toàn.
Học sinh
HS ghi công thức, điều kiện áp dụng và đối chiếu lại quan niệm sai của bản thân.

Hoạt động 3: Luyện tập · 10 phút

Luyện tập nhanh theo cặp đôi

a) Mục tiêu

HS vận dụng công thức hiệu suất để tính đại lượng, nhận biết được tính đúng sai và lựa chọn đáp án phù hợp.

b) Nội dung

HS làm việc theo cặp đôi, giải các câu sau và giơ bảng đáp án:

Nhận 5000 J, có ích 3500 J. Hiệu suất bao nhiêu phần trăm?
Cần 800 J có ích, H = 80%. Đầu vào bao nhiêu J?
Công suất đầu vào 200 W, H = 60%. Công suất có ích bao nhiêu W?
Cùng đầu vào, tăng hiệu suất làm gì? A. Không ảnh hưởng đầu ra; B. Tạo năng lượng từ không; C. Tăng phần có ích; D. Giảm phần có ích.
Xét đúng (Đ) hay sai (S): a) Có ích phải xác định theo mục đích; b) Hao phí đồng nghĩa năng lượng bị huỷ; c) H = 0,8 tương đương 80%; d) Hiệu suất khác công suất.
Kết quả hiệu suất 120% cho máy nâng thông thường cho biết điều gì? A. Cần kiểm tra dữ liệu và xác định năng lượng; B. Máy tạo thêm năng lượng; C. Hao phí âm là bình thường; D. Máy không chịu trọng lực.

c) Sản phẩm

Đáp án: 1) 70% (H = 3500/5000 × 100%). 2) 1000 J (800/0,80). 3) 120 W (0,60 × 200). 4) C (W_ích = H·W_vào). 5) a Đ; b S (hao phí chuyển thành nhiệt, không bị huỷ); c Đ; d Đ (hao phí vẫn là năng lượng). 6) A (hiệu suất vượt 100% không phù hợp cân bằng năng lượng, cần kiểm tra lại dữ liệu). Các nhóm đã sai phải nêu được lí do sai.

d) Tổ chức thực hiện

Hoạt động của giáo viên

Hoạt động của học sinh

Giáo viên
Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ
GV chiếu 6 câu hỏi, nêu luật chơi: cặp đôi giải nhanh, cùng giơ bảng đáp án khi GV hô “Giơ bảng”. Nhắc HS ghi rõ đơn vị và phép tính.
Học sinh
HS nhận câu hỏi và chuẩn bị bảng con.
Giáo viên
Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ
GV cho HS làm lần lượt, đi kiểm tra một số cặp; nhắc cặp làm sai kiểm tra lại điều kiện “cùng khoảng thời gian” hoặc “chia hay nhân”.
Học sinh
Cặp đôi tính toán, thảo luận và ghi đáp án lên bảng con.
Giáo viên
Bước 3: Báo cáo, thảo luận
GV hô “Giơ bảng” sau mỗi câu, mời 1–2 cặp giải thích cách làm.
Học sinh
HS giơ bảng: 70%, 1000 J, 120 W, C, Đ–S–Đ–Đ, A. Một cặp giải thích: “Đầu vào bằng có ích chia cho H, 800 chia 0,8 bằng 1000 J.”
Giáo viên
Bước 4: Kết luận, nhận định
GV nhận xét, nhấn mạnh lỗi thường gặp: nhân thay vì chia khi tìm đầu vào, hiểu hao phí là năng lượng bị huỷ, hiểu hiệu suất vượt 100% là máy tạo năng lượng.
Học sinh
HS sửa lỗi trong vở, ghi lại câu sai của cặp mình.

Hoạt động 4: Vận dụng · 8 phút

Máy bơm nước và tiết kiệm năng lượng

a) Mục tiêu

HS vận dụng công thức hiệu suất vào tình huống máy bơm nước thực tế, phân biệt công suất đầu vào và công suất có ích, nêu biện pháp nâng cao hiệu suất.

b) Nội dung

Bài toán: Máy bơm nâng 100 kg nước lên độ cao 4 m trong 20 s, H = 50%, g = 10 m/s². Tính năng lượng có ích, năng lượng đầu vào, công suất đầu vào và công suất có ích. Sau đó nhóm đề xuất hai biện pháp làm tăng hiệu suất hoặc tiết kiệm năng lượng cho một thiết bị trong gia đình (dựa trên ví dụ bôi trơn ổ trục và chạy đúng tải trong mô phỏng).

c) Sản phẩm

Năng lượng có ích: mgh = 100 · 10 · 4 = 4000 J. Năng lượng đầu vào: 4000 / 0,5 = 8000 J. Công suất đầu vào: 8000 / 20 = 400 W; công suất có ích chỉ 200 W (vì 4000 J / 20 s). Biện pháp đề xuất: bôi trơn ổ trục để giảm hao phí do ma sát, dùng thiết bị chạy gần đúng tải thiết kế để H tăng (mô phỏng: H ≈ 84% khi bôi trơn và chạy tải 4 kg), chọn thiết bị hiệu suất cao như đèn LED thay đèn sợi đốt.

d) Tổ chức thực hiện

Hoạt động của giáo viên

Hoạt động của học sinh

Giáo viên
Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ
GV đưa bài toán máy bơm lên màn hình, nêu yêu cầu tính 4 đại lượng và đề xuất biện pháp. Giao nhiệm vụ cho nhóm 4 HS, mỗi nhóm có một thư ký ghi kết quả.
Học sinh
HS đọc đề, xác định dữ liệu đã cho và đại lượng cần tìm.
Giáo viên
Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ
GV theo dõi, gợi ý: “Muốn tìm đầu vào, dùng H như thế nào? Công suất đầu vào khác công suất có ích ở điểm nào?”
Học sinh
Nhóm tính mgh, W_vào, P_vào, P_ích và thảo luận hai biện pháp tiết kiệm năng lượng.
Giáo viên
Bước 3: Báo cáo, thảo luận
GV mời 1 nhóm trình bày bài giải và 1 nhóm nêu biện pháp, các nhóm khác nhận xét.
Học sinh
Nhóm trình bày: 4000 J; 8000 J; 400 W; 200 W. Đề xuất: bôi trơn ổ trục, chạy gần đúng tải, dùng thiết bị hiệu suất cao.
Giáo viên
Bước 4: Kết luận, nhận định
GV chốt: hiệu suất là công cụ đánh giá và so sánh thiết bị, cần nêu rõ phần có ích; biện pháp nâng cao hiệu suất là giảm hao phí và sử dụng thiết bị đúng tải. GV nhắc HS áp dụng vào tiết kiệm điện trong gia đình.
Học sinh
HS ghi bài giải và các biện pháp vào vở, chọn một biện pháp để thực hiện ở nhà.

Phiếu học tập

Phiếu học tập số 1

Phần A. Năng lượng có ích và hao phí (quan sát mô phỏng)

Quả nặng: 2 kg; nâng lên 1 m trong 2 s; oát kế chỉ P = 12,25 W.

Điện năng động cơ nhận: $W = P\cdot t =$ ........ J.
Năng lượng có ích (thế năng vật nhận được): $W_{ci} = mgh =$ ........ J (lấy g = 9,8 m/s²).
Năng lượng hao phí: $W_{hp} = W - W_{ci} =$ ........ J.
Hao phí chuyển thành dạng năng lượng nào? Nêu ví dụ bộ phận trong động cơ.

Phần B. Tính hiệu suất

$H = \dfrac{W_{ci}}{W_{tp}}\cdot100\% =$ ........
Nếu bôi trơn ổ trục, hiệu suất tăng hay giảm? Vì sao?
Ví dụ: nhận 5000 J, có ích 3500 J. Tính H và hao phí.

Phần C. Ghi nhớ

Năng lượng có ích là phần chuyển hoá theo mục đích sử dụng.
Năng lượng hao phí là phần chuyển sang dạng không mong muốn, thường là nhiệt.

Hướng dẫn về nhà

Hoàn thành Phần C của Phiếu học tập số 1 và làm lại ví dụ: nhận 5000 J, có ích 3500 J; cần 800 J có ích với H = 80% thì đầu vào bao nhiêu J.
Làm bài toán máy bơm nước trong phần vận dụng: nếu thời gian bơm là 25 s, tính công suất đầu vào và công suất có ích.
Quan sát một thiết bị trong gia đình (đèn, quạt, máy bơm, bếp điện). Nêu năng lượng có ích và năng lượng hao phí của thiết bị đó, đề xuất một biện pháp tiết kiệm điện và viết ngắn gọn vào vở.
Xem lại trang bài học NeoEdu (neoedu.vn/learn/10/physics/bai-27-hieu-suat) và làm các bài tập tương tác để củng cố công thức hiệu suất.

Giáo án do NeoEdu soạn với sự hỗ trợ của AI, dựa trên nội dung bài học trên Học liệu. Thầy cô nên đọc lại và điều chỉnh cho phù hợp với học sinh của mình; bản Word để sửa trực tiếp.