Giáo án Bài 8. Chuyển động biến đổi. Gia tốc

Nhận biết vận tốc có thể thay đổi theo thời gian và nảy sinh nhu cầu định lượng mức độ thay đổi đó, từ đó dẫn vào khái niệm gia tốc.

GV trình bày bảng so sánh hai xe xuất phát từ đứng yên trên một đường thẳng:

• Xe A: vận tốc tăng từ 0 lên 10 m/s trong 2 s.
• Xe B: vận tốc tăng từ 0 lên 10 m/s trong 5 s.
  Câu hỏi: (1) Xe nào thay đổi vận tốc nhanh hơn? Vì sao? (2) Vì sao chỉ nói “vận tốc 10 m/s” chưa đủ để mô tả mức độ tăng tốc của xe? (3) Cần thêm đại lượng nào để so sánh công bằng?

• HS nhận xét: xe A thay đổi vận tốc nhanh hơn vì cùng tăng 10 m/s nhưng trong thời gian ngắn hơn (2 s so với 5 s).
• HS nêu: vận tốc tuyệt đối không cho biết sự thay đổi; cần đại lượng đo độ biến thiên vận tốc trong một đơn vị thời gian.
• Kết luận định hướng: đại lượng đó là gia tốc, ghi tên bài “Chuyển động biến đổi. Gia tốc”.

Phát biểu được khái niệm chuyển động biến đổi và gia tốc, nêu được ý nghĩa và đơn vị của gia tốc, tính được gia tốc trung bình từ sự thay đổi vận tốc.

HS làm việc theo nhóm 4 với Phiếu học tập số 1, đọc mục khái niệm và công thức trong SGK, sau đó trả lời:

• Câu 1: Chuyển động biến đổi là gì? Cho một ví dụ thực tế.
• Câu 2: Viết công thức gia tốc trung bình, giải thích từng đại lượng và nêu đơn vị của $a$.
• Câu 3: Vận dụng công thức cho Ví dụ 1 và Ví dụ 2: (a) Vận tốc tăng từ 2 lên 10 m/s trong 4 s; (b) Vận tốc giảm từ 12 xuống 3 m/s trong 3 s.
• Câu 4: Nhận xét: gia tốc đo điều gì, có phải đo độ nhanh hiện có của vật không?

• Chuyển động biến đổi: chuyển động có vận tốc thay đổi theo thời gian (ví dụ: xe máy khi xuất phát, xe buýt khi phanh ở bến).
• Gia tốc trung bình: $a=\dfrac{v-v_0}{t-t_0}=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}$; $a$ là đại lượng vectơ; đơn vị $\mathrm{m/s^2}$; ý nghĩa: cho biết vận tốc biến thiên bao nhiêu mét trên giây trong mỗi giây.
• Ví dụ (a): $a=\dfrac{10-2}{4}=2$ m/s².
• Ví dụ (b): $a=\dfrac{3-12}{3}=-3$ m/s² (dấu âm cho biết vận tốc giảm).
• Kết luận HS rút ra: gia tốc đo sự biến thiên vận tốc, không đo độ nhanh hiện có; một vật có vận tốc lớn vẫn có thể có gia tốc nhỏ.

Phân biệt chuyển động nhanh dần và chậm dần bằng cách so sánh chiều của $\vec{a}$ và $\vec{v}$; nhận ra rằng dấu của $a$ đơn lẻ chưa đủ để kết luận.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 2 và mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu. Các thí nghiệm ảo:

• TN1: Bật quạt, xe chuyển động sang phải; đọc vận tốc lúc 1 s và 3 s.
• TN2: Đẩy xe sang phải với 0,6 m/s rồi quay quạt về phía trước; quan sát xe đến khi dừng và sau đó.
• TN3: Xe chạy sang trái, quạt đẩy sang trái; đọc dấu của vận tốc và gia tốc.
  Câu hỏi: (1) Tính a trong TN1. (2) Trong TN2, $\vec{a}$ và $\vec{v}$ cùng hay ngược chiều lúc đầu? Xe đang nhanh dần hay chậm dần? (3) Khi xe dừng lại ở 3 s, xe có tiếp tục chuyển động không? Vì sao? (4) Trong TN3, gia tốc mang dấu gì và xe nhanh dần hay chậm dần?

• TN1: vận tốc tăng từ 0,25 m/s (lúc 1 s) lên 0,55 m/s (lúc 3 s), $a=\dfrac{0{,}55-0{,}25}{3-1}=0{,}15$ m/s²; $a$ cùng chiều $\vec{v}$, xe nhanh dần.
• TN2: $a=-0{,}2$ m/s² ngược chiều $\vec{v}$ dương, xe chậm dần; đến 3 s xe dừng nhưng $a\neq 0$ nên xe chạy ngược lại (đổi chiều).
• TN3: $a$ âm nhưng $v$ cũng âm nên $a$ cùng chiều $v$, xe nhanh dần.
• Kết luận HS rút ra (bảng quy tắc): nhanh dần khi $\vec{a}$ cùng chiều $\vec{v}$; chậm dần khi $\vec{a}$ ngược chiều $\vec{v}$; không được kết luận chỉ bằng dấu của $a$.

Vận dụng công thức gia tốc trung bình và mối liên hệ $\Delta v=a\Delta t$ để giải bài tập định lượng.

HS làm cá nhân 4 bài, sau đó đổi chéo vở kiểm tra với bạn cùng bàn:

• Bài 1: v tăng từ 2 lên 10 m/s trong 4 s. Tính gia tốc trung bình.
• Bài 2: v giảm từ 12 xuống 3 m/s trong 3 s. Tính gia tốc trung bình.
• Bài 3: v từ −2 xuống −8 m/s trong 3 s. Tính gia tốc.
• Bài 4: Gia tốc 1,5 m/s² trong 4 s. Tính độ biến thiên vận tốc.

Đề và đáp án:

• Bài 1: $a=\dfrac{10-2}{4}=2$ m/s².
• Bài 2: $a=\dfrac{3-12}{3}=-3$ m/s².
• Bài 3: $a=\dfrac{-8-(-2)}{3}=-2$ m/s²; tốc độ tăng từ 2 lên 8 m/s nên xe nhanh dần.
• Bài 4: $\Delta v=a\Delta t=1{,}5\times 4=6$ m/s.
  Kỹ năng HS đạt: tính đúng hiệu $v-v_0$, giữ dấu âm khi vận tốc âm, ghi đơn vị.

Củng cố bản chất gia tốc, phân biệt gia tốc với vận tốc, và xác định chuyển động nhanh dần, chậm dần qua dấu của $a$ và $v$.

HS làm việc theo cặp đôi với các câu:

• Bài 5: $a<0$, $v<0$ trên một trục. Vật đang: A. Luôn chậm dần; B. Đứng yên; C. Chắc chắn rơi tự do; D. Nhanh dần.
• Bài 6: Xét tính đúng/sai: (a) Đơn vị gia tốc là m/s²; (b) $a=0$ luôn suy ra $v=0$; (c) Chuyển động đổi hướng có thể có gia tốc dù tốc độ không đổi; (d) $a$ ngược chiều $v$ làm tốc độ giảm tại thời điểm xét.
• Bài 7: Vận tốc −5 m/s biểu thị điều gì? A. Chắc chắn chậm dần; B. Đi theo chiều âm với tốc độ 5 m/s; C. Gia tốc −5 m/s²; D. Quãng đường âm.
• Bài 8: Phản bác nhận định “gia tốc càng lớn thì tốc độ hiện tại càng lớn” bằng một ví dụ cụ thể.

Đề và đáp án:

• Bài 5: Đáp án D (a và v cùng chiều âm nên độ lớn vận tốc tăng).
• Bài 6: (a) Đúng; (b) Sai, vì vận tốc có thể không đổi khác 0 khi $a=0$; (c) Đúng; (d) Đúng.
• Bài 7: Đáp án B (dấu vận tốc chỉ chiều chuyển động; chưa đủ để biết gia tốc).
• Bài 8: Phân biệt: gia tốc là tốc độ biến thiên vận tốc, không phải tốc độ hiện tại. Phản ví dụ: xe 1 vừa bắt đầu tăng tốc có $v=1$ m/s, $a=3$ m/s²; xe 2 chạy đều với $v=20$ m/s, $a=0$. Xe 1 có gia tốc lớn hơn nhưng tốc độ nhỏ hơn.

Vận dụng khái niệm gia tốc để phân tích thông số tăng tốc 0–100 km/h của ô tô và giải thích vì sao phanh gấp làm xe chậm dần.

Nhiệm vụ cá nhân hoặc nhóm đôi (có thể giao về nhà phần tính toán):

• Câu 1: Một ô tô tăng tốc từ 0 đến 100 km/h trong 10 s. Đổi đơn vị và tính gia tốc trung bình (làm tròn đến 0,1 m/s²).
• Câu 2: Một xe khác tăng từ 0 đến 100 km/h trong 6 s. Gia tốc của xe này lớn hơn hay nhỏ hơn? Vì sao?
• Câu 3: Xe chạy với 20 m/s, phanh và dừng hẳn sau 5 s. Tính gia tốc và cho biết xe nhanh dần hay chậm dần.
• Câu 4: Vì sao đường băng sân bay cần đủ dài và xe cần phanh tốt? Giải thích dựa trên khái niệm gia tốc.

• Câu 1: $100$ km/h $=\dfrac{100}{3{,}6}\approx 27{,}8$ m/s; $a=\dfrac{27{,}8-0}{10}\approx 2{,}8$ m/s².
• Câu 2: $a=\dfrac{27{,}8}{6}\approx 4{,}6$ m/s²; lớn hơn, vì cùng độ tăng vận tốc nhưng thời gian ngắn hơn.
• Câu 3: $a=\dfrac{0-20}{5}=-4$ m/s²; $a$ ngược chiều $v$ nên xe chậm dần.
• Câu 4: Để đạt vận tốc cất cánh cần thời gian và quãng đường đủ để gia tốc tạo ra vận tốc đó; phanh tốt cho gia tốc âm lớn để xe giảm vận tốc trong quãng đường ngắn hơn.