Giáo án Bài 3. Cơ năng

HS nhận diện sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng khi vật rơi và nảy; đặt vấn đề về việc năng lượng có được bảo toàn hay không.

HS quan sát video quả bóng rơi xuống và nảy lên. HS trả lời hai câu hỏi: (1) Khi bóng rơi xuống, dạng năng lượng nào tăng, dạng nào giảm? (2) Vì sao bóng nảy lên ngày càng thấp?

• Khi bóng rơi, độ cao giảm nên thế năng giảm, vận tốc tăng nên động năng tăng.
• Khi bóng nảy lên, động năng chuyển thành thế năng.
• Bóng nảy thấp dần: HS dự đoán có một phần năng lượng bị mất đi, GV ghi nhận các dự đoán lên bảng để kiểm chứng sau bài học.

HS nêu được khái niệm cơ năng và điều kiện bảo toàn cơ năng qua quan sát mô phỏng quả nặng.

HS làm việc theo cặp, mở mô phỏng quả nặng 1 kg trên dây dài 1 m, thả từ A cao $0{,}5\ \mathrm{m}$. HS quan sát và ghi $W_{\text{đ}}$, $W_{\text{t}}$, $W$ tại A, tại O, tại B và tại độ cao $0{,}2\ \mathrm{m}$.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Tại A, vật có dạng năng lượng nào? Bằng bao nhiêu?
• Tại O, thế năng bằng bao nhiêu? Động năng bằng bao nhiêu? Tốc độ khoảng bao nhiêu?
• Tổng $W = W_{\text{đ}} + W_{\text{t}}$ tại các vị trí có thay đổi không?
• Khi quả nặng lên B và có cản, điều gì xảy ra?

• Tại A: $W_{\text{t}} = 5\ \mathrm{J}$, $W_{\text{đ}} = 0$, $W = 5\ \mathrm{J}$.
• Tại O: $W_{\text{t}} = 0$, $W_{\text{đ}} = 5\ \mathrm{J}$, $v \approx 3{,}16\ \mathrm{m/s}$.
• Tại độ cao $0{,}2\ \mathrm{m}$: $W_{\text{t}} = 2\ \mathrm{J}$, $W_{\text{đ}} = 3\ \mathrm{J}$, $W = 5\ \mathrm{J}$.
• Kết luận HS rút ra: cơ năng $W = W_{\text{đ}} + W_{\text{t}}$ luôn bằng $5\ \mathrm{J}$ khi không có cản, nên cơ năng được bảo toàn. Khi có cản, quả nặng thấp dần, cơ năng giảm và phần mất đi chuyển thành nhiệt.

HS nêu được hao phí cơ năng và phân biệt được cơ năng, bảo toàn cơ năng, hao phí cơ năng.

HS làm việc theo nhóm 4 theo kĩ thuật mảnh ghép. Mỗi HS nhận một khái niệm trong Phiếu học tập số 1, nghiên cứu, sau đó quay về nhóm mới để giải thích cho các bạn. Sau đó cả nhóm hoàn thành bảng ghép khái niệm.
Câu hỏi GV đặt ra: Khi có ma sát hoặc lực cản, cơ năng của vật có còn được bảo toàn không? Phần cơ năng bị hao phí đi đâu?

• Cơ năng: tổng động năng và thế năng trong mô hình đang xét.
• Bảo toàn cơ năng: áp dụng khi chỉ có lực thế hoặc hao phí không đáng kể theo giả thiết.
• Hao phí cơ năng: có thể chuyển thành nội năng, tổng năng lượng không mất đi.
• Kết luận nhóm: ma sát hoặc cản chuyển cơ năng sang dạng khác; chỉ khi xét tổng năng lượng của toàn hệ đủ rộng thì năng lượng mới được bảo toàn.

HS củng cố khái niệm cơ năng, bảo toàn cơ năng, hao phí cơ năng qua bài tập trắc nghiệm và ghép đôi.

HS làm bài tập 1 đến 5 trong thời gian 8 phút, làm việc cá nhân trước, sau đó đối chiếu với bạn cùng bàn. Có thể dùng bài tập tương tác trên trang bài học NeoEdu để kiểm tra.
Các câu hỏi:

1. Trong bài này, cơ năng có đặc điểm nào? A. tổng động năng và thế năng trong mô hình đang xét; B. chỉ là động năng; C. luôn bằng công suất.
2. Trong bài này, bảo toàn cơ năng có đặc điểm nào? A. nghĩa là vận tốc không đổi; B. áp dụng khi chỉ có lực thế hoặc hao phí không đáng kể theo giả thiết; C. áp dụng mọi chuyển động có ma sát.
3. Ghép khái niệm với đặc điểm tương ứng: Cơ năng, Bảo toàn cơ năng, Hao phí cơ năng.
4. Bóng rơi có ma sát vẫn luôn giữ nguyên cơ năng của riêng bóng–Trái Đất. Đúng hay sai?
5. Chọn thuật ngữ phù hợp với mô tả “có thể chuyển thành nội năng, không mất tổng năng lượng”.

• Câu 1: A.
• Câu 2: B.
• Câu 3: Cơ năng – tổng động năng và thế năng trong mô hình đang xét; Bảo toàn cơ năng – áp dụng khi chỉ có lực thế hoặc hao phí không đáng kể theo giả thiết; Hao phí cơ năng – có thể chuyển thành nội năng, không mất tổng năng lượng.
• Câu 4: Sai. Ma sát hoặc cản chuyển cơ năng sang dạng khác; chỉ tổng năng lượng toàn hệ đủ rộng mới được bảo toàn.
• Câu 5: Hao phí cơ năng.

HS vận dụng kiến thức để tính động năng trong tình huống cụ thể và giải thích hiện tượng thực tế có hao phí cơ năng.

HS làm việc cá nhân rồi thảo luận cặp đôi trong 5 phút để giải các câu sau:
6. Thả vật 1 kg từ $h = 5\ \mathrm{m}$, đứng yên, bỏ qua cản, $g = 10\ \mathrm{m/s^2}$. Ở độ cao $h = 2\ \mathrm{m}$, động năng của vật bằng bao nhiêu?
7. Bóng nảy thấp dần có vi phạm bảo toàn năng lượng không? Giải thích.
8. Một bạn khẳng định: “Bóng rơi có ma sát vẫn luôn giữ nguyên cơ năng của riêng bóng–Trái Đất.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.

• Câu 6: Cơ năng đầu $W = mgh = 1 \cdot 10 \cdot 5 = 50\ \mathrm{J}$. Thế năng tại $2\ \mathrm{m}$ là $W_{\text{t}} = 1 \cdot 10 \cdot 2 = 20\ \mathrm{J}$, nên động năng $W_{\text{đ}} = 50 - 20 = 30\ \mathrm{J}$. Không cần tính $v$ vì đề chỉ hỏi năng lượng.
• Câu 7: Không vi phạm. Một phần cơ năng chuyển thành nhiệt, âm thanh, biến dạng của bóng và truyền cho môi trường. Không được dùng riêng định luật bảo toàn cơ năng khi hao phí đáng kể.
• Câu 8: Lí do: ma sát hoặc cản chuyển cơ năng sang dạng khác. Hệ quả sai: tính vận tốc rơi quá lớn khi đã có cản không khí đáng kể. Phát biểu đúng: Cơ năng của riêng bóng–Trái Đất giảm do có ma sát, phần mất đi chuyển thành nội năng; tổng năng lượng toàn hệ vẫn được bảo toàn.