Giáo án Bài 45. Lực cản của nước

Huy động hiểu biết ban đầu, nhận ra nước vẫn gây lực cản khi vật chuyển động trong nước dù không chạm đáy.

HS quan sát mô phỏng 3D trên trang bài học NeoEdu: xe kéo tấm nhựa 10 × 10 cm mặt rộng đi đều trong bể nước dài, lực kế đo lực kéo. GV đặt câu hỏi: (1) Tấm nhựa có chạm đáy bể không? (2) Vì sao lực kế vẫn chỉ một giá trị khác 0? (3) Nếu kéo cùng tấm nhựa trong không khí thì lực kế chỉ bao nhiêu?

HS dự đoán: tấm nhựa không chạm đáy nhưng nước vẫn tiếp xúc với tấm nhựa và cản chuyển động; lực kế chỉ khoảng $0{,}6\ \mathrm{N}$ khi xe kéo chạy đều ở $5\ \mathrm{cm/s}$. Dự đoán trong không khí lực cản gần như bằng 0. GV ghi các dự đoán lên bảng để đối chiếu cuối tiết.

Nêu được khái niệm lực cản của nước và giải thích được vì sao vật chuyển động trong nước vẫn chịu lực cản dù không chạm đáy.

HS làm việc cặp đôi, quan sát lại mô phỏng và trả lời ba câu hỏi: (1) Tấm nhựa chuyển động so với nước thì nước tác dụng lên tấm nhựa như thế nào? (2) Khi tấm nhựa không chạm đáy, nước có tiếp xúc với tấm nhựa không? (3) Vì sao kéo trong không khí lực cản gần như bằng 0? Sau đó đối chiếu với quan niệm sai: “Vật chuyển động trong nước không chịu lực cản nếu không chạm đáy.”

Lực cản: nước tác dụng lên vật chuyển động tương đối với nước, thường cản chuyển động.
Nước tiếp xúc với vật và gây lực cản ngay cả khi vật không chạm đáy, nên quan niệm “không chạm đáy thì không có lực cản” là sai.
Trong không khí lực cản gần như bằng 0 vì không khí tác dụng lực cản rất nhỏ so với nước (theo kết quả mô phỏng).

Nêu được hình dạng thuôn thường giảm lực cản và nêu được tiêu chí so sánh công bằng khi đổi hình dạng vật.

HS làm việc nhóm 4 theo Phiếu học tập số 1. Nhóm quan sát mô phỏng với ba trường hợp: tấm nhựa mặt rộng phía trước, tấm nhựa cạnh hẹp phía trước và mô hình thuyền thuôn; ghi số liệu lực kế. Nhóm thảo luận: điều gì phải giữ giống nhau để việc so sánh là công bằng?

Kết quả lực kế (trong điều kiện cùng độ sâu, cùng tốc độ, cùng quãng đường, lặp lại):

• Tấm nhựa mặt rộng vuông góc hướng kéo: khoảng $0{,}6\ \mathrm{N}$.
• Tấm nhựa đưa cạnh hẹp ra phía trước: khoảng $0{,}08\ \mathrm{N}$.
• Mô hình thuyền thuôn: khoảng $0{,}15\ \mathrm{N}$.
  Kết luận: hình dạng thuôn thường giảm lực cản so với mặt cản rộng khi so sánh trong cùng điều kiện.
  So sánh công bằng: giữ độ sâu và cách kéo tương tự khi đổi hình dạng (cùng độ sâu, cùng tốc độ, cùng quãng đường, lặp lại nhiều lần).

Vận dụng khái niệm lực cản, hình dạng thuôn và so sánh công bằng để trả lời câu hỏi trắc nghiệm và giải thích tình huống.

HS làm nhanh các câu sau: Câu 1 (trắc nghiệm): Lực cản có đặc điểm nào? A. nước tác dụng lên vật chuyển động tương đối với nước, thường cản chuyển động; B. chỉ có khi vật chạm đáy; C. chỉ có trong nước sôi. Câu 2 (trắc nghiệm): Hình dạng thuôn có đặc điểm nào? A. không ảnh hưởng chuyển động; B. thường giảm lực cản so với mặt cản rộng ở điều kiện so sánh; C. luôn làm lực cản bằng không. Câu 3 (đúng/sai): Vật chuyển động trong nước không chịu lực cản nếu không chạm đáy. Câu 4 (tự luận): Kéo cùng một tấm nhựa trong nước, mặt rộng vuông góc hướng kéo khó hơn khi để cạnh hẹp phía trước. Giải thích.

Đáp án: Câu 1: A. Câu 2: B. Câu 3: Sai. Nước tiếp xúc với vật và gây lực cản ngay cả khi vật không chạm đáy.
Câu 4 (gợi ý chấm, tổng 10 điểm): 40% xác định đúng dữ kiện và quan hệ khoa học; 40% suy luận theo mô hình: mặt rộng vuông góc với hướng kéo có diện tích cản lớn nên nước cản nhiều hơn, kéo khó hơn; khi đưa cạnh hẹp ra trước, diện tích cản nhỏ, lực cản giảm (mô phỏng cho thấy khoảng $0{,}08\ \mathrm{N}$); 20% kết luận: đổi tư thế làm thay đổi diện tích cản và do đó thay đổi lực cản.

Thiết kế được cách so sánh lực cản của hai mô hình thuyền không dùng điện theo đúng nguyên tắc so sánh công bằng và đảm bảo an toàn.

Nhóm thiết kế cách so sánh hai mô hình thuyền không dùng điện: một mô hình thuyền thuôn và một mô hình có mặt cản rộng. Nhóm ghi rõ: dụng cụ, các điều kiện giữ giống nhau, cách đo, số lần lặp và lưu ý an toàn. Nhiệm vụ về nhà: hoàn thiện thiết kế và thực hiện (nếu có người lớn hướng dẫn) trong chậu nước nông.

Gợi ý thiết kế: Dùng chậu nông, hai mô hình cùng khối lượng, kéo cùng quãng đường bằng lực kế với tốc độ gần nhau; lặp lại nhiều lần và ghi lực. Không thử ở sông hồ hay đứng sát mép nước sâu.
Chấm tay (tổng 10 điểm): 40% nêu đúng cơ chế và tiêu chí so sánh (cùng độ sâu, cùng tốc độ, cùng quãng đường, lặp lại); 40% áp dụng vào hai mô hình cụ thể và dự đoán kết quả (thuyền thuôn có lực cản nhỏ hơn); 20% nêu điều kiện an toàn và hạn chế của thí nghiệm.