Giáo án Bài 5. Tốc độ và vận tốc

Nêu được vấn đề học tập: tốc kế chỉ đại lượng nào và vì sao tốc độ trung bình cả chuyến đi có thể khác trung bình cộng hai tốc độ.

GV chiếu ảnh tốc kế ô tô và đề bài: ô tô đi 60 km với tốc độ 30 km/h rồi đi tiếp 60 km với tốc độ 60 km/h.
Câu hỏi GV đặt ra:
(1) Kim tốc kế chỉ tốc độ hay vận tốc? Nó cho biết đại lượng đó tại thời điểm nào?
(2) Tốc độ trung bình cả chuyến đi có bằng trung bình cộng $\dfrac{30+60}{2}=45$ km/h không?
(3) “Tốc độ” và “vận tốc” có giống nhau không?

HS dự đoán: tốc kế chỉ tốc độ tức thời; trung bình cộng 45 km/h có thể chưa đúng; tốc độ và vận tốc khác nhau ở chỗ vận tốc có hướng. HS ghi dự đoán vào mục “Dự đoán ban đầu” trong vở. Kết quả sẽ được kiểm chứng sau khi học: tốc độ trung bình $=\dfrac{120}{3}=40$ km/h.

Nêu được định nghĩa tốc độ trung bình và tốc độ tức thời; tính được tốc độ trung bình và đổi được km/h sang m/s.

HS làm việc nhóm 4 trên khăn trải bàn, hoàn thành Phiếu học tập số 1.
Nhiệm vụ: (1) Đọc mục khái niệm và viết định nghĩa tốc độ trung bình bằng lời của nhóm. (2) Xe đi 120 m trong 20 s rồi quay lại 40 m trong 10 s: tính tổng quãng đường, tổng thời gian và tốc độ trung bình. (3) Giải thích vì sao tốc kế hiển thị tốc độ tức thời. (4) Đổi 72 km/h sang m/s. (5) Giải thích vì sao không lấy trung bình cộng hai tốc độ khi hai khoảng thời gian không bằng nhau.

Kết quả:

• Tốc độ trung bình $v=\dfrac{s}{t}$ là thương số giữa quãng đường đi được và thời gian đi hết quãng đường đó.
• Ví dụ xe: tổng quãng đường $160$ m, tổng thời gian $30$ s, tốc độ trung bình $\dfrac{160}{30}\approx 5{,}33$ m/s.
• Tốc độ tức thời là tốc độ tại một thời điểm, đo trong khoảng thời gian rất ngắn; tốc kế cho biết giá trị này.
• $72$ km/h $=\dfrac{72}{3{,}6}=20$ m/s.
• Kiến thức HS rút ra: không lấy trung bình cộng các tốc độ trừ khi hai khoảng thời gian bằng nhau; ví dụ trên có thời gian 20 s và 10 s không bằng nhau.

Nêu được định nghĩa vận tốc trung bình; tính được vận tốc trung bình và giải thích được vì sao vận tốc trung bình bằng $0$ khi vật trở về chỗ cũ.

HS làm việc theo cặp đôi, hoàn thành Phiếu học tập số 2.
Nhiệm vụ: (1) Viết công thức vận tốc trung bình và nêu ý nghĩa của độ dịch chuyển $\vec{d}$. (2) Xe đi 120 m rồi quay lại 40 m trong 30 s: tính độ dịch chuyển và vận tốc trung bình theo chiều đi đầu. (3) Một vật đi một vòng và về đúng chỗ cũ sau 100 s: vận tốc trung bình bằng bao nhiêu? Tốc độ trung bình có bằng 0 không?

Kết quả:

• Vận tốc trung bình $\vec{v}=\dfrac{\vec{d}}{t}$ là đại lượng vectơ, cùng hướng với độ dịch chuyển.
• Độ dịch chuyển theo chiều đi: $120-40=80$ m; vận tốc trung bình $\dfrac{80}{30}\approx 2{,}67$ m/s.
• Khi về đúng chỗ cũ, $\vec{d}=0$ nên vận tốc trung bình bằng $0$; tốc độ trung bình vẫn khác $0$ vì quãng đường khác $0$.
• Kiến thức HS rút ra: tốc độ và vận tốc khác nhau ở chỗ vận tốc có hướng và dùng độ dịch chuyển thay cho quãng đường.

Vận dụng được công thức cộng vận tốc cho các vận tốc cùng phương và vuông góc; giải thích được hiện tượng ca nô bị cuốn trôi khi qua sông.

HS làm việc nhóm 4 trên mô phỏng 3D “Kênh nước” trong trang bài học NeoEdu (neoedu.vn/learn/10/physics/bai-5-toc-do-va-van-toc). Quy ước: 1 là ca nô, 2 là nước, 3 là bờ.
Nhiệm vụ:
(a) Tắt dòng nước, cho ca nô chạy 120 m trong 15 s; tính tốc độ trung bình.
(b) Bật dòng nước 6 m/s; ca nô chạy xuôi và ngược dòng với tốc độ 8 m/s so với nước; tính $v_{13}$ khi xuôi và khi ngược.
(c) Hướng mũi ca nô vuông góc với bờ: tính $v_{13}=\sqrt{8^2+6^2}$, thời gian qua sông 40 m và quãng trôi xuôi dòng.
(d) Đi xuôi 120 m rồi ngược về 120 m: tính tốc độ trung bình và so sánh với trung bình cộng 8 m/s.

Kết quả:

• (a) $v=\dfrac{120}{15}=8$ m/s.
• (b) Xuôi dòng: $v_{13}=8+6=14$ m/s; ngược dòng: $v_{13}=8-6=2$ m/s. Cùng phương nên cộng đại số theo chiều đã chọn.
• (c) $v_{13}=\sqrt{8^2+6^2}=10$ m/s; thời gian qua sông $t=\dfrac{40}{8}=5$ s; trôi $6\times 5=30$ m; độ dịch chuyển $\sqrt{40^2+30^2}=50$ m.
• (d) Tổng quãng đường $240$ m, tổng thời gian $\dfrac{120}{14}+\dfrac{120}{2}\approx 68{,}6$ s; tốc độ trung bình $\dfrac{240}{68{,}6}\approx 3{,}5$ m/s, không phải $\dfrac{14+2}{2}=8$ m/s.
• Kiến thức HS rút ra: $\vec{v}_{13}=\vec{v}_{12}+\vec{v}_{23}$; khi hai vận tốc vuông góc thì $v_{13}=\sqrt{v_{12}^2+v_{23}^2}$.

Vận dụng được định nghĩa, công thức tốc độ và vận tốc trung bình, đổi đơn vị và cộng vận tốc để giải bài tập trắc nghiệm và tính toán.

Trò chơi “Thẻ đúng–sai và ai nhanh hơn”: GV chiếu từng câu, HS giơ thẻ A/B/C/D hoặc Đ/S; nhóm đúng nhanh nhất được cộng điểm. Bộ đề:

1. Đi 150 m trong 30 s. Tốc độ trung bình bao nhiêu m/s?
2. Đổi 72 km/h sang m/s.
3. Đi 80 m rồi quay lại 20 m trong tổng 20 s. Vận tốc trung bình theo chiều đầu bao nhiêu m/s?
4. Thuyền đi 4 m/s so với nước, ngược dòng 1 m/s. Tốc độ với bờ bao nhiêu m/s?
5. Tốc kế trên xe chỉ gần đúng đại lượng nào? A. Độ dịch chuyển; B. Gia tốc; C. Tốc độ tức thời; D. Vận tốc trung bình cả ngày.
6. Xe đi 60 km với 30 km/h rồi 60 km với 60 km/h: a) tổng thời gian 3 h; b) tốc độ trung bình 45 km/h; c) quãng đường 120 km; d) tốc độ trung bình 40 km/h. Đánh dấu Đ hoặc S.
7. Đi một vòng về đúng chỗ cũ sau 100 s, vận tốc trung bình bằng gì? A. 0; B. Chu vi chia 100; C. 100 chia chu vi; D. Không thể bằng 0.
8. (Thử thách) Hai chặng có cùng quãng đường đi với tốc độ $v$ và $2v$. Tìm tốc độ trung bình cả hành trình.

Đáp án:

1. $\dfrac{150}{30}=5$ m/s.
2. $\dfrac{72}{3{,}6}=20$ m/s.
3. Độ dịch chuyển $80-20=60$ m; $\dfrac{60}{20}=3$ m/s.
4. Chọn chiều thuyền làm dương: $4+(-1)=3$ m/s.
5. Đáp án C (tốc kế cho độ lớn tốc độ tại thời điểm, không cho hướng).
6. a) Đ ($\dfrac{60}{30}+\dfrac{60}{60}=3$ h); b) S; c) Đ; d) Đ ($\dfrac{120}{3}=40$ km/h).
7. Đáp án A (độ dịch chuyển bằng 0 nên vận tốc trung bình bằng 0).
8. Quãng đường tổng $2s$, tổng thời gian $\dfrac{s}{v}+\dfrac{s}{2v}=\dfrac{3s}{2v}$; tốc độ trung bình $\dfrac{2s}{3s/(2v)}=\dfrac{4v}{3}\approx 1{,}33v$, không phải $\dfrac{3v}{2}$.

Vận dụng được cộng vận tốc vuông góc và độ dịch chuyển để giải thích, dự đoán hành trình của phương tiện thực tế.

Tình huống: một chiếc phà chạy so với nước 8 m/s, nước chảy 6 m/s, sông rộng 40 m.
(a) Nếu mũi phà luôn vuông góc với bờ, sau bao lâu phà sang tới bờ bên kia và bị trôi xuôi dòng bao xa?
(b) Vận tốc của phà so với bờ bằng bao nhiêu?
(c) Để phà cập đúng bến đối diện, người lái phải hướng mũi phà về phía nào? Vì sao?
Nhiệm vụ về nhà: tìm thêm một ví dụ thực tế về chuyển động có gió hoặc dòng nước (máy bay, thuyền buồm) và phân tích theo công thức cộng vận tốc.

Đáp án:
(a) $t=\dfrac{40}{8}=5$ s; trôi xuôi dòng $6\times 5=30$ m.
(b) $v_{13}=\sqrt{8^2+6^2}=10$ m/s.
(c) Phà phải hướng mũi chếch về phía thượng nguồn (ngược dòng) để bù phần bị nước cuốn trôi; khi đó vận tốc tổng hợp hướng về bến đối diện.
Kiến thức vận dụng: phân tích được chuyển động tổng hợp của phương tiện trên sông và giải thích hiện tượng trôi dạt trong thực tế.