Giáo án Bài 28. Động lượng

Tạo tình huống gợi mở, giúp HS nhận ra một vật chuyển động khó dừng hơn khi phụ thuộc cả khối lượng và vận tốc, từ đó xác định nhiệm vụ học tập: tìm đại lượng mô tả “mức độ chuyển động” của vật.

GV đặt hai câu hỏi:

• Câu 1: Quả bóng bowling và quả bóng bàn cùng chạy với tốc độ như nhau, quả nào khó dừng lại hơn? Vì sao?
• Câu 2: Hai xe cùng chạy với tốc độ 2 m/s, xe nặng 2 kg và xe nhẹ 0,5 kg, xe nào khó dừng hơn?
  HS trả lời nhanh, không cần đúng hoàn toàn; GV ghi các ý kiến lên bảng.

• HS nhận thấy: quả bóng bowling (nặng hơn) khó dừng hơn; xe 2 kg khó dừng hơn xe 0,5 kg khi cùng tốc độ.
• Kết luận nhiệm vụ: mức độ “khó dừng” phụ thuộc cả khối lượng và vận tốc, cần một đại lượng mới kết hợp hai yếu tố này. Đại lượng đó là động lượng.

HS nêu được khái niệm động lượng $\vec{p}=m\vec{v}$, đơn vị $\mathrm{kg\cdot m/s}$ và tính chất vectơ cùng hướng với vận tốc thông qua quan sát mô phỏng.

Nhóm 4 HS sử dụng mô phỏng “Băng thử va chạm” trên trang bài học NeoEdu, cho xe chạy và bật mũi tên động lượng $\vec{p}$, điền Phiếu học tập số 1 cho ba xe:

• Xe A: $m=1$ kg, $v=2$ m/s.
• Xe B: $m=0{,}5$ kg, $v=4$ m/s.
• Xe C: $m=2$ kg, $v=1$ m/s.
  Câu hỏi thảo luận:

1. Tính $p=mv$ của mỗi xe và nêu đơn vị.
2. Vectơ $\vec{p}$ có hướng nào so với $\vec{v}$?
3. Xe nhẹ nhất có động lượng lớn nhất không?
4. Nếu hai xe cùng khối lượng 1 kg, chuyển động ngược chiều với vận tốc $+2$ m/s và $-2$ m/s, tổng động lượng bằng bao nhiêu?

• Bảng kết quả (Phiếu số 1):
  • Xe A: $p=1\times 2=2$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  • Xe B: $p=0{,}5\times 4=2$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  • Xe C: $p=2\times 1=2$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
• Vectơ $\vec{p}$ cùng hướng với $\vec{v}$; khối lượng dương nên $\vec{p}$ và $\vec{v}$ luôn cùng chiều.
• Vật nhẹ (0,5 kg) chạy nhanh vẫn có động lượng lớn bằng vật nặng chạy chậm; không phải vật nhẹ luôn có động lượng nhỏ hơn.
• Hai xe 1 kg với $v=+2$ và $v=-2$ m/s có tổng động lượng bằng 0 (cộng vectơ).
• Kiến thức HS rút ra:
  • Động lượng: đại lượng vectơ $\vec{p}=m\vec{v}$, đơn vị $\mathrm{kg\cdot m/s}$, cùng hướng với vận tốc.
  • Động lượng của hệ là tổng vectơ; động lượng có dấu theo chiều chuyển động đã chọn làm chiều dương.

HS nêu được xung lượng của lực và mối liên hệ $\vec{F}\Delta t=\Delta\vec{p}$; giải thích được vì sao kéo dài thời gian va chạm làm giảm lực trung bình.

Nhóm 3–4 HS làm Phiếu học tập số 2 gồm hai phần:
Phần A (tính toán): Quả bóng 0,20 kg bay với $v=+10$ m/s, sau khi đập vào tường bật lại với $v=-5$ m/s, thời gian tương tác $\Delta t=0{,}10$ s. Tính động lượng đầu, động lượng cuối, $\Delta p$ và lực trung bình.
Phần B (quan sát mô phỏng): Cho xe 1 kg chạy 2 m/s lần lượt va vào đệm thép ($\Delta t=10$ ms), đệm cao su ($40$ ms) và đệm xốp ($100$ ms). Ghi $\Delta p$, $F_{\text{tb}}$ và $F\Delta t$ của mỗi trường hợp.
Câu hỏi thảo luận: Độ biến thiên động lượng $\Delta p$ có giống nhau ở ba trường hợp không? Khi thời gian tăng thì lực trung bình tăng hay giảm? Vì sao túi khí và mũ bảo hiểm giảm chấn thương?

• Phần A:
  • Động lượng đầu: $p_1=0{,}20\times 10=2{,}0$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  • Động lượng cuối: $p_2=0{,}20\times(-5)=-1{,}0$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  • Độ biến thiên: $\Delta p=p_2-p_1=-3{,}0$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  • Lực trung bình: $F_{\text{tb}}=\dfrac{\Delta p}{\Delta t}=\dfrac{-3{,}0}{0{,}10}=-30$ N; dấu âm cho biết lực hướng ngược chiều chuyển động ban đầu.
• Phần B (xe 1 kg, $v=2$ m/s, $\Delta p=-2$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$):
  • Đệm thép, $\Delta t=0{,}01$ s: $F_{\text{tb}}=200$ N; $F\Delta t=2$ $\mathrm{N\cdot s}$.
  • Đệm cao su, $\Delta t=0{,}04$ s: $F_{\text{tb}}=50$ N; $F\Delta t=2$ $\mathrm{N\cdot s}$.
  • Đệm xốp, $\Delta t=0{,}1$ s: $F_{\text{tb}}=20$ N; $F\Delta t=2$ $\mathrm{N\cdot s}$.
• Kiến thức HS rút ra:
  • Xung lượng của lực: $\vec{F}\Delta t=\Delta\vec{p}$, bằng độ biến thiên động lượng; đơn vị $\mathrm{N\cdot s}$ tương đương $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  • Với $\Delta p$ không đổi, thời gian tương tác $\Delta t$ càng dài thì lực trung bình càng nhỏ: đây là cơ sở của túi khí, mũ bảo hiểm và cú co tay của thủ môn.

HS vận dụng công thức $p=mv$, $\Delta p$, $F_{\text{tb}}=\dfrac{\Delta p}{\Delta t}$ để giải các bài tập trắc nghiệm, đúng–sai và tự luận; kiểm tra dấu và ý nghĩa vật lí của kết quả.

GV chiếu bộ đề bài tập 1–8. Nhóm 4 HS chia nhiệm vụ: nhóm trưởng điều phối; mỗi bạn nhận 2 câu để giải nhanh, sau đó thảo luận chung câu 5, 6, 7 và 8.
Đề bài tóm tắt:

1. Vật $m=2$ kg, $v=3$ m/s. Động lượng theo chiều chuyển động bằng bao nhiêu $\mathrm{kg\cdot m/s}$?
2. Vật $m=0{,}2$ kg, $v$ từ $+10$ m/s đến $-5$ m/s. Tính $\Delta p$.
3. Lực không đổi 20 N tác dụng trong 0,5 s. Xung lượng của lực bằng bao nhiêu N·s?
4. $\Delta p=-3$ kg·m/s trong 0,1 s. Lực trung bình bằng bao nhiêu N?
5. Động lượng có hướng nào? A. Luôn hướng lên; B. Luôn hướng hợp lực; C. Không có hướng; D. Cùng hướng vận tốc.
6. Hai vật 1 kg, $v$ lần lượt $+2$ và $-2$ m/s. Đánh dấu Đúng (Đ) hoặc Sai (S): a) Tổng động lượng bằng 0; b) Tổng động năng bằng 0; c) Mỗi vật có động năng 2 J; d) Tổng động năng bằng 4 J.
7. Cùng biến thiên động lượng, nếu thời gian dừng tăng gấp đôi thì độ lớn lực trung bình: A. Tăng bốn lần; B. Giảm một nửa; C. Tăng đôi; D. Không đổi.
8. Bóng 0,1 kg từ $+6$ m/s bật lại $-4$ m/s trong 0,02 s. Tính lực trung bình và giải thích dấu.

• Đáp án:
  1. $p=2\times 3=6$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  2. $\Delta p=0{,}2\times(-5-10)=-3$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$.
  3. $\vec{F}\Delta t=20\times 0{,}5=10$ N·s.
  4. $F_{\text{tb}}=\dfrac{-3}{0{,}1}=-30$ N.
  5. Đáp án D: động lượng cùng hướng vận tốc vì khối lượng dương.
  6. a) Đ; b) S (động năng không có dấu, mỗi vật có $\dfrac{1}{2}\cdot 1\cdot 2^2=2$ J nên tổng 4 J); c) Đ; d) Đ.
  7. Đáp án B: $F_{\text{tb}}=\dfrac{\Delta p}{\Delta t}$, thời gian gấp đôi thì lực giảm còn một nửa.
  8. $\Delta p=0{,}1\times(-4-6)=-1$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$; $F_{\text{tb}}=\dfrac{-1}{0{,}02}=-50$ N. Dấu âm: lực trung bình hướng ngược chiều vận tốc ban đầu; độ lớn 50 N.
• Thang chấm câu 8 (1 điểm): động lượng đầu và cuối 0,25; $\Delta p$ 0,25; lực 0,25; giải thích dấu 0,25.
• Kiến thức HS củng cố: phân biệt đại lượng vectơ và vô hướng; xử lí dấu khi tính $\Delta p$ và lực; liên hệ động năng với động lượng.

HS vận dụng mối liên hệ $\vec{F}\Delta t=\Delta\vec{p}$ để giải thích và định lượng một tình huống thực tế về giảm lực va chạm, từ đó đề xuất cách bảo vệ bản thân.

Tình huống: Một quả bóng khối lượng 0,45 kg chuyển động với tốc độ 20 m/s, thủ môn bắt bóng và đưa bóng về trạng thái dừng hẳn.

• Trường hợp 1: thủ môn giữ tay cứng, bóng dừng trong $\Delta t=0{,}05$ s.
• Trường hợp 2: thủ môn co tay theo bóng, bóng dừng trong $\Delta t=0{,}2$ s.
  Nhiệm vụ nhóm: (1) Tính độ lớn $\Delta p$ và lực trung bình ở hai trường hợp. (2) Giải thích vì sao co tay giúp giảm lực. (3) Đề xuất một tình huống khác trong đời sống (xe đạp, mũ bảo hiểm, túi khí...) áp dụng cùng nguyên lí, viết thành 3–4 câu.

• Kết quả định lượng: $\Delta p=0{,}45\times 20=9$ $\mathrm{kg\cdot m/s}$ (độ lớn).
  • Trường hợp 1: $F_{\text{tb}}=\dfrac{9}{0{,}05}=180$ N.
  • Trường hợp 2: $F_{\text{tb}}=\dfrac{9}{0{,}2}=45$ N.
• Giải thích: độ biến thiên động lượng của bóng không đổi (bóng đều dừng hẳn), khi co tay kéo dài thời gian dừng, lực trung bình giảm còn một phần tư.
• Ví dụ mở rộng của HS (dự kiến): mũ bảo hiểm có lớp đệm xốp làm kéo dài thời gian va chạm của đầu, giảm lực tác dụng lên đầu; túi khí ô tô làm tăng thời gian người ngồi dừng lại.
• Kiến thức HS vận dụng: $\vec{F}\Delta t=\Delta\vec{p}$; với $\Delta p$ cố định, $\Delta t$ tăng thì $F$ giảm.