Khối lượng, tốc độ và bình phương tốc độ
Động năng vật A16 J
Sơ đồ và biểu đồ dùng trực tiếp Wđ = mv2/2. Khi tốc độ A bằng 0, so sánh bằng tỉ số không xác định; mô phỏng nêu riêng trạng thái này.
HAT PHYSICS LEARNING · KHOA HỌC TỰ NHIÊN 9 · KẾT NỐI TRI THỨC
Bài 2 – Động năng. Thế năng
Chương I · Năng lượng cơ học · SGK trang 15–17
01 · MỤC TIÊU BÀI HỌC
Phân biệt động năng – thế năng, tính đúng giá trị và điều kiện
⚽ Động năng
Nêu được động năng là năng lượng do chuyển động; viết và dùng công thức Wđ = ½mv2, với m (kg), v (m/s), Wđ (J).
🏔️ Thế năng trọng trường
Giải thích thế năng của vật ở gần mặt đất phụ thuộc vào trọng lượng và độ cao so với mốc được chọn; dùng Wt = Ph = mgh.
📏 Lập luận so sánh
Dự đoán được động năng thay đổi khi khối lượng hoặc tốc độ thay đổi; so sánh thế năng khi cùng trọng lượng và thay đổi mốc.
🧪 Thực hành và an toàn
Giải thích vì sao bi nặng/nhanh có thể làm biến dạng đất nặn nhiều hơn; kiểm soát các biến số trong thí nghiệm và không thực hành với vật nặng nguy hiểm.
Tình huống khởi động: Người chơi xích đu đi từ vị trí cao nhất A xuống vị trí thấp nhất O: tốc độ và động năng thay đổi thế nào? Quả bóng đứng yên trên cao có thể có dạng năng lượng nào?
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Động năng – thế năng trọng trường
I. Động năng
Vật chuyển động có khả năng tác dụng lên vật khác, làm chúng biến dạng hoặc thay đổi chuyển động. Động năng là năng lượng vật có do chuyển động. Động năng của vật phụ thuộc vào khối lượng và tốc độ của vật xét trong hệ quy chiếu đã chọn.
(1) Động năng
Wđ = ½mv2
Wđ: động năng (J); m: khối lượng (kg), m ≥ 0; v: tốc độ (m/s), v ≥ 0. Công thức dùng cho vật ở tốc độ thông thường, xét gần đúng như một vật chuyển động tịnh tiến.
Nhận xét kiểm chứng: Với cùng tốc độ, khối lượng gấp đôi thì động năng gấp đôi. Với cùng khối lượng, tốc độ gấp đôi thì động năng gấp bốn; tốc độ gấp ba thì động năng gấp chín. Vật đứng yên trong hệ quy chiếu đang xét: v = 0, động năng bằng 0.
Ví dụ: Bóng đá khối lượng 0,45 kg bay với tốc độ 10 m/s có động năng Wđ = 0,5 × 0,45 × 102 = 22,5 J.
Phân biệt: Khi tính động năng phải dùng tốc độ (độ lớn không âm), không tự ý thay bằng tọa độ hoặc quãng đường; khi so sánh phải giữ cố định đại lượng còn lại.
II. Thế năng trọng trường ở gần mặt đất
Vật ở một độ cao nhất định có khả năng thực hiện công khi chuyển xuống thấp. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường. Ở gần mặt đất, trong phạm vi coi trọng lực không đổi, thế năng tính theo độ cao so với mốc thế năng xác định trước.
(2) Thế năng trọng trường
Wt = Ph = mgh
Wt: thế năng (J); P = mg: trọng lượng (N); h: độ cao có dấu so với mốc thế năng (m). Khi sử dụng ví dụ SGK, có thể lấy g ≈ 10 N/kg nếu đề cho hoặc nêu rõ giả thiết.
Hai mốc thế năng: Bao xi măng có trọng lượng 500 N, ở độ cao 1,4 m so với sân thượng; mặt sân thượng cao 20 m so với mặt đất. Nếu chọn sân thượng làm gốc: Wt = 500 × 1,4 = 700 J. Chọn mặt đất làm gốc: h = 20 + 1,4 = 21,4 m, Wt = 10 700 J.
Lưu ý quan trọng: Thế năng phụ thuộc mốc lựa chọn. Khi đổi mốc, thế năng của cùng một vật tại cùng vị trí có thể đổi; không có mâu thuẫn. Với mốc thế năng ở cao hơn vật, h < 0 và Wt < 0 cũng hoàn toàn có ý nghĩa vật lí, dù các bài cơ bản thường chọn mốc phía dưới.
III. Nhận biết, so sánh và vận dụng
Động năng
Do chuyển động; phụ thuộc m và bình phương v; có thể bằng 0 nếu vật đứng yên trong hệ quy chiếu xét.
Thế năng trọng trường
Do vị trí; phụ thuộc P, h và mốc chọn. Vật đứng yên trên cao vẫn có thể có thế năng.
Quy trình giải: (1) Xác định vật và hệ quy chiếu; (2) ghi rõ mốc thế năng nếu tính Wt; (3) đổi kg, m/s, N và m; (4) thế số có đơn vị J; (5) kiểm tra trường hợp v = 0, h = 0, hoặc tỉ số khi tăng tốc độ.
Ứng dụng: Giới hạn tốc độ giao thông liên quan đến việc động năng tăng nhanh theo tốc độ; thủy điện sử dụng năng lượng của nước ở vị trí cao; chọn vị trí thả hàng và sử dụng thiết bị bảo hộ đòi hỏi xét độ cao, khối lượng và điều kiện an toàn.
03 · QUAN SÁT – THỰC HÀNH
Ba trạm mô phỏng: tốc độ, mốc thế năng, thí nghiệm bi–đất nặn
Nguyên tắc: Thay đổi một đại lượng mỗi lần khi so sánh. Các mô phỏng tính toán dùng giả thiết rõ ràng và là mô hình học tập, không thay thế thiết bị đo thực tế.
Bao xi măng: thay đổi mốc sân thượng/mặt đất
Thế năng theo mốc chọn700 J
Giả thiết: sân thượng cao 20 m so với mặt đất; trọng lực coi như không đổi. Hình phối cảnh không vẽ theo đúng tỉ lệ. Vật ở trên sân thượng 1,4 m thì cao 21,4 m so với mặt đất.
Viên bi va vào đất nặn: so sánh tác dụng theo động năng
Động năng trước va chạm4 J
Mức biến dạng minh họa định tính, không phải kết quả đo hoặc công thức về độ lún. Trong so sánh có ý nghĩa phải dùng cùng loại viên bi, cùng đất nặn, cùng điều kiện va chạm và chỉ đổi một biến. Không thực hiện với bi/khối nặng gây nguy hiểm.
04 · LUYỆN TẬP – KIỂM TRA
36 câu tự luyện · 22 câu kiểm tra/10 điểm
36Câu tự luyện6Nhóm kiến thức22Câu kiểm tra10Điểm tối đa
Nhóm: khối lượng; tốc độ và tỉ số; tính động năng; thế năng theo mốc; kiểm soát thí nghiệm; vận dụng. Tự luyện không hiện đáp án trước khi học sinh kiểm tra hoặc chọn xem lời giải.
Phần A · Ngân hàng luyện tập theo sáu nhóm
0/36
Trang 1/6
05 · SƠ ĐỒ TƯ DUY
Động năng – Thế năng · Công thức, điều kiện, mốc
Chọn từng nhánh để hệ thống hóa các dạng năng lượng, yếu tố ảnh hưởng và lỗi thường gặp.
06 · EM CÓ BIẾT?
Năng lượng cơ học quanh ta: từ an toàn giao thông đến thủy điện
🚘 Vì sao cần giới hạn tốc độ?
Cùng một xe, nếu tốc độ tăng gấp đôi thì động năng gấp bốn. Động năng lớn hơn thường đồng nghĩa việc phải chuyển hóa nhiều năng lượng hơn khi xe dừng; khoảng cách dừng thực tế còn phụ thuộc phanh, mặt đường và phản ứng người lái.
💧 Hồ chứa thủy điện
Nước được tích trữ ở cao có thế năng trọng trường so với vị trí thấp hơn. Khi nước chảy qua tuabin, một phần năng lượng được chuyển hóa để phát điện, với tổn hao thực tế.
🎢 Xích đu và trò chơi
Khi đi từ vị trí cao xuống vị trí thấp, tốc độ xích đu có xu hướng tăng nên động năng tăng. Muốn phân tích định lượng sự chuyển hóa, cần học thêm Bài 3 – Cơ năng.
🧱 Hai cách chọn mốc
Một bao xi măng ở cùng vị trí có thể được gán thế năng 700 J theo mặt sân thượng hoặc 10 700 J theo mặt đất. Chính sự lựa chọn mốc làm thay đổi giá trị thế năng, không phải thay đổi trạng thái thực của bao.
Thử thách cuối bài: Tính động năng quả bóng 0,45 kg ở tốc độ 10 m/s; sau đó tăng tốc độ lên 20 m/s. So sánh kết quả và nêu rõ đại lượng nào được giữ cố định. Giải thích vì sao không thể nói “thế năng của vật luôn là 700 J” nếu chưa cho mốc.
Đối chiếu: SGK Khoa học tự nhiên 8 – Kết nối tri thức, Bài 29, trang 118–122. Hình vẽ và thông số mô phỏng mang tính minh họa, không thay thế số đo.