Giáo án Bài 2. Động năng. Thế năng

Xác định vấn đề học tập: vật chuyển động và vật ở trên cao đều có khả năng thực hiện công, từ đó dự đoán năng lượng của vật phụ thuộc vào những yếu tố nào.

HS quan sát mô phỏng xe lăn 2 kg chạy trên ray và quả nặng 2 kg kẹp ở độ cao 5 m trên học liệu NeoEdu, sau đó trả lời hai câu hỏi: (1) Vì sao xe chạy nhanh đâm vào khúc gỗ có thể gây hậu quả nặng hơn xe chạy chậm? (2) Quả nặng ở trên cao có khả năng làm gì khi được thả xuống?

HS nêu được dự đoán: vật chuyển động có năng lượng, năng lượng này liên quan đến khối lượng và tốc độ của vật (xe càng nhanh, năng lượng càng lớn). Vật ở trên cao cũng có năng lượng, năng lượng này liên quan đến độ cao và khối lượng của vật. HS ghi được hai tên gọi cần tìm hiểu: động năng và thế năng trọng trường.

Nêu được động năng của vật chuyển động, viết được công thức $W_{đ}=\dfrac{m v^{2}}{2}$ và giải thích được vì sao tốc độ tăng gấp đôi làm động năng tăng gấp bốn khi khối lượng không đổi.

HS làm việc theo cặp với mô phỏng xe lăn trên NeoEdu, thực hiện phần A của Phiếu học tập số 1:

• Đặt xe 2 kg chạy với tốc độ 3 m/s, tính động năng theo công thức.
• Đặt xe 2 kg chạy với tốc độ 6 m/s, so sánh với kết quả trước.
• Đặt xe 1 kg chạy với tốc độ 3 m/s, so sánh động năng với xe 2 kg.
  Câu hỏi cho HS: Động năng phụ thuộc vào những đại lượng nào? Khi tốc độ tăng gấp đôi, động năng tăng bao nhiêu lần?

• Xe 2 kg, 3 m/s: $W_{đ}=\dfrac{2 \cdot 3^{2}}{2}=9\ \mathrm{J}$.
• Xe 2 kg, 6 m/s: $W_{đ}=\dfrac{2 \cdot 6^{2}}{2}=36\ \mathrm{J}$, tăng gấp 4 lần so với 9 J.
• Xe 1 kg, 3 m/s: $W_{đ}=\dfrac{1 \cdot 3^{2}}{2}=4{,}5\ \mathrm{J}$, bằng một nửa so với xe 2 kg.
• Kết luận HS rút ra: Động năng là năng lượng mà vật có được do chuyển động, phụ thuộc khối lượng và bình phương tốc độ; khi khối lượng không đổi, tốc độ tăng gấp đôi thì động năng tăng gấp 4 vì $v$ có bình phương; đơn vị là joule (J).

Nêu được thế năng trọng trường của vật gần mặt đất, viết được $W_{t}=mgh$, nêu được mốc thế năng và đơn vị năng lượng $1\ \mathrm{J}=1\ \mathrm{N{\cdot}m}$.

HS làm việc theo cặp với mô phỏng quả nặng 2 kg kẹp ở độ cao 5 m so với mặt đất (phần B của Phiếu học tập số 1):

• Tính thế năng trọng trường của quả nặng ở 5 m, lấy $g=10\ \mathrm{N/kg}$, chọn mốc thế năng tại mặt đất.
• Hạ quả nặng xuống còn độ cao 2 m, tính thế năng mới.
• Kiểm tra đơn vị: vì sao joule bằng newton nhân mét?
  Câu hỏi cho HS: Thế năng trọng trường phụ thuộc vào đại lượng nào? Vì sao phải nêu rõ mốc thế năng khi tính?

• Quả nặng 2 kg, $h=5\ \mathrm{m}$: $W_{t}=2 \cdot 10 \cdot 5=100\ \mathrm{J}$.
• Hạ xuống $h=2\ \mathrm{m}$: $W_{t}=2 \cdot 10 \cdot 2=40\ \mathrm{J}$, thế năng giảm khi độ cao giảm.
• Đơn vị: $1\ \mathrm{J}=1\ \mathrm{N{\cdot}m}$, vì $W=F\cdot s$ trong hệ SI nên đơn vị năng lượng là N·m, gọi là joule.
• Kết luận HS rút ra: Thế năng trọng trường của vật gần mặt đất phụ thuộc khối lượng và độ cao so với mốc chọn, biểu thức $W_{t}=mgh$; cần nêu mốc và đơn vị khi tính.

Phân biệt được động năng, thế năng trọng trường, đơn vị năng lượng; tính được Wđ và Wt; nhận biết được phát biểu sai về quan hệ giữa tốc độ và động năng.

HS làm bài tập 1 đến 6 theo hình thức ghép cặp và chấm chéo, dùng bảng con để trả lời nhanh các câu trắc nghiệm, ghép và đúng sai. Các đề cụ thể như sau:

1. Động năng có đặc điểm nào? A. luôn bằng mv (không có bình phương); B. chỉ do độ cao; C. $W_{đ}=\dfrac{mv^{2}}{2}$ của vật chuyển động trong hệ quy chiếu xét.
2. Thế năng trọng trường có đặc điểm nào? A. $W_{t}=mgh$ gần mặt đất so với mốc chọn; B. không phụ thuộc mốc độ cao; C. luôn bằng 0 dù vật ở trên cao.
3. Ghép khái niệm với đặc điểm: Động năng; Thế năng trọng trường; Đơn vị năng lượng.
4. Tốc độ gấp đôi làm động năng chỉ gấp đôi. Đúng hay sai?
5. Chọn thuật ngữ phù hợp: “joule bằng N·m trong hệ SI” mô tả {{1}}.
6. Vật 2 kg chuyển động với tốc độ 3 m/s ở độ cao 5 m, lấy $g=10\ \mathrm{N/kg}$, mốc mặt đất. Tính động năng và thế năng trọng trường.

Đáp án và kết quả HS ghi được:

1. C (Wđ = mv²/2 của vật chuyển động trong hệ quy chiếu xét; động năng có bình phương tốc độ).
2. A (Wt = mgh gần mặt đất so với mốc chọn).
3. Động năng – Wđ = mv²/2 của vật chuyển động; Thế năng trọng trường – Wt = mgh gần mặt đất so với mốc chọn; Đơn vị năng lượng – joule bằng N·m trong hệ SI.
4. Sai. Vì Wđ tỉ lệ với v², tốc độ gấp đôi làm động năng gấp 4 khi m không đổi.
5. Đơn vị năng lượng.
6. $W_{đ}=\dfrac{2 \cdot 3^{2}}{2}=9\ \mathrm{J}$; $W_{t}=2 \cdot 10 \cdot 5=100\ \mathrm{J}$, mốc thế năng tại mặt đất.

Vận dụng được công thức Wđ để giải thích nguy cơ của tốc độ cao, bác bỏ được nhận định sai và viết lại kết luận đúng.

Tình huống: Hai xe máy cùng khối lượng 100 kg, xe thứ nhất chạy với tốc độ 10 m/s, xe thứ hai chạy với tốc độ 20 m/s (lấy đây là số liệu minh họa). HS trả lời:
(1) Tính động năng mỗi xe và so sánh.
(2) Một bạn nói: “Tốc độ gấp đôi thì động năng chỉ gấp đôi, nên không đáng lo.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.
(3) Vì sao không nên tự thử nghiệm va chạm để kiểm chứng?

• Xe thứ nhất: $W_{đ}=\dfrac{100 \cdot 10^{2}}{2}=5\,000\ \mathrm{J}$; xe thứ hai: $W_{đ}=\dfrac{100 \cdot 20^{2}}{2}=20\,000\ \mathrm{J}$, gấp 4 lần.
• Lí do bác bỏ: Wđ tỉ lệ với v² nên tốc độ gấp đôi làm động năng gấp 4 khi m không đổi.
• Hệ quả của cách hiểu sai: đánh giá thấp năng lượng va chạm, dẫn đến chạy nhanh và thiếu cảnh giác.
• Kết luận đúng: Khi tốc độ tăng gấp đôi, động năng tăng gấp 4, nên tốc độ cao làm năng lượng va chạm tăng rất mạnh.
• Nêu nguy cơ: va chạm ở tốc độ cao có thể gây thương tích nghiêm trọng, do đó không tự thử nghiệm va chạm, cần tuân thủ biển báo tốc độ.