Giáo án Bài 4. Công và công suất

Tạo tình huống gợi vấn đề, giúp HS nhận ra không phải mọi trường hợp “tốn sức” đều là công theo nghĩa khoa học; xác định nhiệm vụ học tập của bài.

GV đưa ra ba tình huống: (1) Một bạn xách túi sách đứng yên trên tay suốt 1 phút; (2) Một bạn kéo thùng hàng đi trên sàn nhà; (2) Một bạn đẩy hết sức vào bức tường nhưng tường không chuyển dời.
GV đặt câu hỏi: “Trong trường hợp nào người đó thực hiện công theo nghĩa khoa học? Vì sao em cảm thấy mệt nhưng vẫn có thể chưa làm công?”

HS nêu được: Trường hợp (2) có công vì có lực tác dụng và vật dịch chuyển theo hướng của lực. Trường hợp (1) và (3) mệt nhưng không có công vì vật không dịch chuyển. Từ đó HS xác định được nhiệm vụ: tìm hiểu khi nào có công cơ học và cách đo độ nhanh chậm khi thực hiện công.

Hình thành khái niệm công cơ học $A = F \cdot s$ và điều kiện áp dụng công thức (lực cùng hướng chuyển dời, lực không đổi).

HS hoạt động nhóm 4 người theo kĩ thuật khăn trải bàn: mỗi nhóm nhận Phiếu học tập số 1, gồm ba tình huống: (a) Kéo thùng đi ngang $3\,\text{m}$ bằng lực $20\,\text{N}$ cùng phương ngang; (b) Người mang túi xách đi ngang trên sàn, lực nâng của tay vuông góc với hướng đi; (c) Đẩy tường bằng lực $50\,\text{N}$ nhưng tường đứng yên.
Nhiệm vụ: Nhóm xác định trong mỗi tình huống có lực nào, vật có chuyển dời theo hướng lực không; tính công nếu có; rút ra điều kiện áp dụng công thức $A = F \cdot s$.
GV hướng dẫn kĩ thuật khăn trải bàn: mỗi thành viên ghi ý kiến cá nhân vào ô của mình, sau đó thống nhất ý kiến chung vào ô giữa.

Kết quả trên Phiếu học tập số 1:

• Tình huống (a): $A = F \cdot s = 20 \cdot 3 = 60\,\text{J}$, có công vì lực cùng hướng chuyển dời.
• Tình huống (b): không có công (lực vuông góc với chuyển dời, $A = 0$).
• Tình huống (c): không có công (vật không chuyển dời, $s = 0$).
  Kiến thức HS rút ra: Công cơ học $A = F \cdot s$ khi lực cùng hướng chuyển dời không đổi. Công thức chỉ áp dụng khi lực và chuyển dời phù hợp hướng giả thiết; nếu lực vuông góc với chuyển dời hoặc vật không dịch chuyển thì không có công.

Hình thành khái niệm công suất $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$ và nhận ra công suất đặc trưng cho tốc độ thực hiện công, không quyết định trực tiếp tổng công.

HS hoạt động cặp đôi, sử dụng mô phỏng “Máy kéo (tời điện): máy nhanh 5 s, máy chậm 10 s cho 3 m” và Phiếu học tập số 2.
Nhiệm vụ 1: Quan sát máy nhanh (kéo vật 3 m trong 5 s bằng lực 20 N) và máy chậm (kéo cùng vật, cùng quãng đường, trong 10 s). Tính công của mỗi máy và công suất trung bình của mỗi máy.
Nhiệm vụ 2: Trả lời câu hỏi: “Máy nào làm được nhiều công hơn? Máy nào thực hiện công nhanh hơn? Vì sao công suất không phải là tổng công?”
GV lưu ý: công suất cho biết tốc độ thực hiện công; $A = \mathscr{P}\,t$ nên công còn phụ thuộc thời gian.

Kết quả trên Phiếu học tập số 2:

• Máy nhanh: $A = 60\,\text{J}$, $t = 5\,\text{s}$, $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{60}{5} = 12\,\text{W}$.
• Máy chậm: $A = 60\,\text{J}$, $t = 10\,\text{s}$, $\mathscr{P} = \dfrac{60}{10} = 6\,\text{W}$.
  Kết luận HS rút ra: Hai máy làm cùng một công $60\,\text{J}$ nhưng máy nhanh có công suất lớn hơn ($12\,\text{W} > 6\,\text{W}$). Công suất đặc trưng cho tốc độ thực hiện công, $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$, đơn vị $\mathrm{W}$. Công suất lớn chưa chắc làm được công lớn hơn; công còn phụ thuộc thời gian: $A = \mathscr{P}\,t$.

Củng cố khái niệm công cơ học, công suất, điều kiện công thức; vận dụng công thức để giải bài toán và phân biệt công với công suất.

Phần A (làm nhóm mảnh ghép, khoảng 10 phút): Mỗi nhóm nhận 5 câu trắc nghiệm và ghép khái niệm (câu 1–5 trong bài tập). Sau đó HS đối chiếu đáp án.
Phần B (làm cá nhân, khoảng 15 phút): HS giải câu 6, 7, 8.
Câu 6: Kéo vật bằng lực $20\,\text{N}$ cùng chiều đi $3\,\text{m}$ trong $5\,\text{s}$. Tính công và công suất trung bình.
Câu 7: Hai máy cùng nâng một tải lên cùng độ cao nhưng thời gian khác nhau, so sánh công và công suất.
Câu 8: Một bạn khẳng định: “Máy công suất lớn luôn làm công lớn hơn dù thời gian khác nhau.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.

Đáp án:

1. Đáp án B: Công cơ học $A = F \cdot s$ khi lực cùng hướng chuyển dời không đổi.
2. Đáp án C: $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$, đặc trưng tốc độ thực hiện công.
3. Ghép đúng: Công cơ học – $A = F \cdot s$ khi lực cùng hướng chuyển dời không đổi; Công suất – $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$, đặc trưng tốc độ thực hiện công; Điều kiện công thức – lực và chuyển dời phải phù hợp hướng giả thiết.
4. Sai. Vì $A = \mathscr{P}\,t$ nên còn phụ thuộc thời gian; không thể chỉ so công suất để kết luận tổng công.
5. Điều kiện công thức.
6. $A = 20 \cdot 3 = 60\,\text{J}$; $\mathscr{P} = \dfrac{60}{5} = 12\,\text{W}$. Không áp dụng $20 \cdot 3$ nếu lực vuông góc với chuyển dời.
7. Công trọng lực cần thắng như nhau, theo $mgh$; máy nhanh hơn có công suất trung bình lớn hơn. Công suất không phải tổng năng lượng vô điều kiện.
8. Lí do: $A = \mathscr{P}\,t$ nên công còn phụ thuộc thời gian. Hệ quả sai: máy $100\,\text{W}$ chạy $1\,\text{s}$ được xem là làm công lớn hơn máy $50\,\text{W}$ chạy $10\,\text{s}$, trong khi thực tế $100\,\text{J} < 500\,\text{J}$. Kết luận đúng: Máy có công suất lớn hơn thực hiện công nhanh hơn; còn công thực hiện phụ thuộc cả công suất và thời gian làm việc.

Vận dụng công thức công và công suất vào tình huống thực tế: so sánh công và công suất của hai người leo cùng một cầu thang trong thời gian khác nhau.

Nhiệm vụ (có thể giao về nhà): Mỗi nhóm chọn hai thành viên có khối lượng khác nhau (hoặc cùng một người leo hai lần với tốc độ khác nhau). Dùng cân để đo khối lượng, thước để đo độ cao của cầu thang (tổng chiều cao các bậc), đồng hồ bấm giây để đo thời gian leo.
Coi lực kéo tác dụng lên cơ thể để nâng người theo phương thẳng đứng bằng trọng lượng của người, công thực hiện là $A = P \cdot h$ với $P$ là trọng lượng (tương đương $mgh$).
Nhiệm vụ: Tính công và công suất trung bình của mỗi người; so sánh và giải thích vì sao hai người có công khác nhau hoặc công suất khác nhau.

Sản phẩm: Bảng số liệu gồm khối lượng, độ cao $h$, thời gian $t$, công $A$ và công suất $\mathscr{P}$ của từng người; nhận xét khoa học.
Kiến thức HS rút ra: Hai người leo cùng độ cao thì công trọng lực cần thắng bằng nhau theo $mgh$ (nếu cùng khối lượng); người leo nhanh hơn có công suất trung bình lớn hơn. Công suất không phải là tổng năng lượng vô điều kiện; cần nêu rõ điều kiện đo và sai số khi báo cáo.