Tốc độ chuyển động: từ quãng đường đến thời gian

• Môn học: Khoa học tự nhiên 7 (Phân môn Vật lí – Chủ đề: Tốc độ chuyển động).
• Mục tiêu bài học: Nêu được ý nghĩa của tốc độ, sử dụng thành thạo công thức $v = \frac{s}{t}$, đổi đúng các đơn vị đo tốc độ và biết cách đo tốc độ bằng dụng cụ thực tế.

1. Tốc độ cho biết điều gì?

Trong đời sống, để so sánh xem ai chạy nhanh hơn hay xe nào đi nhanh hơn, ta thường dựa vào:

• Cùng đi một quãng đường như nhau, vật nào mất ít thời gian hơn thì chuyển động nhanh hơn.
• Cùng trong một khoảng thời gian như nhau, vật nào đi được quãng đường dài hơn thì chuyển động nhanh hơn.

Khái niệm tốc độ: Tốc độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ nhanh hay chậm của chuyển động. Tốc độ chuyển động của một vật được xác định bằng quãng đường đi được trong một đơn vị thời gian.

2. Công thức tính tốc độ và Tam giác công thức kỳ diệu

Tốc độ chuyển động được tính bằng thương số giữa quãng đường đi được và thời gian đi hết quãng đường đó:

Trong đó:

• $s$: Quãng đường vật đi được (đơn vị thường dùng là mét $[\text{m}]$ hoặc kilômét $[\text{km}]$).
• $t$: Thời gian vật đi hết quãng đường đó (đơn vị thường dùng là giây $[\text{s}]$ hoặc giờ $[\text{h}]$, với $t > 0$).
• $v$: Tốc độ của vật (đơn vị tương ứng là mét trên giây $[\text{m/s}]$ hoặc kilômét trên giờ $[\text{km/h}]$).

Quy tắc tam giác công thức (Speed Triangle):

Dựa vào tam giác công thức $s - v - t$, học sinh có thể dễ dàng suy ra hai công thức hệ quả mà không bao giờ sợ nhầm lẫn:

1. Tìm Quãng đường ($s$): Che chữ $s$, ta thấy hai chữ $v$ và $t$ nằm cạnh nhau ở hàng dưới:$$s = v \times t$$
2. Tìm Thời gian ($t$): Che chữ $t$, ta thấy chữ $s$ nằm trên chữ $v$:$$t = \frac{s}{v}$$

3. Quy tắc đổi đơn vị đo tốc độ: $\text{m/s} \rightleftharpoons \text{km/h}$

Hai đơn vị đo tốc độ thông dụng nhất trong khoa học và đời sống là mét trên giây ($\text{m/s}$) và kilômét trên giờ ($\text{km/h}$):

• Đơn vị hợp pháp trong hệ đo lường quốc tế (SI) là: $\text{m/s}$.
• Đơn vị phổ biến trên đồng hồ đo tốc độ (công tơ mét) của xe máy, ô tô là: $\text{km/h}$.

Chứng minh quy tắc nhân/chia $3{,}6$:

Ta có: $1\text{ km} = 1000\text{ m}$ và $1\text{ h} = 3600\text{ s}$.

Ghi nhớ thần tốc:

• Đổi từ $\text{m/s}$ sang $\text{km/h}$: NHÂN với $3{,}6$ (ví dụ: $10\text{ m/s} = 10 \times 3{,}6 = 36\text{ km/h}$).
• Đổi từ $\text{km/h}$ sang $\text{m/s}$: CHIA cho $3{,}6$ (ví dụ: $54\text{ km/h} = 54 : 3{,}6 = 15\text{ m/s}$).

4. Các phương pháp đo tốc độ trong thực tế

4.1. Đo tốc độ trong phòng thí nghiệm

Để đo tốc độ của viên bi lăn trên máng nghiêng hoặc xe lăn đồ chơi, người ta thường dùng:

• Phương pháp thủ công: Dùng thước dây đo quãng đường $s$ và đồng hồ bấm giây đo thời gian $t$, sau đó tính $v = \frac{s}{t}$ (có sai số do phản xạ tay người bấm).
• Phương pháp tự động độ chính xác cao: Sử dụng cổng quang điện (Photogate) nối với đồng hồ đo thời gian hiện số. Khi tấm chắn sáng trên xe đi qua cổng quang điện, đồng hồ sẽ tự động đếm thời gian với độ chính xác đến hàng phần nghìn giây ($0{,}001\text{ s}$).

4.2. Thiết bị "bắn tốc độ" của Cảnh sát giao thông

Súng bắn tốc độ nghiệp vụ hoạt động dựa trên:

• Sóng vô tuyến (Hiệu ứng Doppler): Phát ra chùm sóng radio hướng vào xe đang chạy, tín hiệu phản xạ về có tần số thay đổi tỷ lệ thuận với tốc độ xe.
• Laser (Lidar): Bắn các xung ánh sáng hồng ngoại liên tiếp tới xe và đo khoảng cách sau từng phần triệu giây, từ đó vi xử lý tính toán ngay tốc độ chuyển động tức thời của phương tiện.

5. Bài tập vận dụng có lời giải chi tiết

Ví dụ 1: Tính tốc độ chuyển động

Một bạn học sinh đạp xe từ nhà đến trường trên đoạn đường dài $4{,}5\text{ km}$ hết $15\text{ phút}$. Tính tốc độ đạp xe của bạn theo đơn vị $\text{km/h}$ và $\text{m/s}$.

Hướng dẫn giải:

• Đổi đơn vị thời gian: $15\text{ phút} = \frac{15}{60}\text{ h} = 0{,}25\text{ h}$.
• Tốc độ đạp xe theo $\text{km/h}$ là:$$v = \frac{s}{t} = \frac{4{,}5}{0{,}25} = 18\text{ km/h}$$
• Đổi sang đơn vị $\text{m/s}$:$$v = 18 : 3{,}6 = 5\text{ m/s}$$
• Đáp số: $18\text{ km/h}$ hoặc $5\text{ m/s}$.

Ví dụ 2: Tìm quãng đường đi được

Một đoàn tàu hỏa rời ga chạy với tốc độ đều $72\text{ km/h}$. Hỏi sau $45\text{ phút}$, đoàn tàu đã đi được quãng đường bao xa?

Hướng dẫn giải:

• Đổi đơn vị thời gian: $45\text{ phút} = \frac{45}{60}\text{ h} = 0{,}75\text{ h}$.
• Quãng đường tàu đi được sau $45$ phút là:$$s = v \times t = 72 \times 0{,}75 = 54\text{ km}$$
• Đáp số: $54\text{ km}$.

Ví dụ 3: So sánh tốc độ giữa hai vật thể

Bạn Nam chạy cự ly $100\text{ m}$ hết thời gian $16\text{ giây}$. Bạn Hùng đi xe đạp điện trên đoạn đường $1{,}8\text{ km}$ hết $4\text{ phút}$. Hỏi bạn nào chuyển động nhanh hơn?

Hướng dẫn giải:

• Tốc độ chạy của bạn Nam:$$v_{\text{Nam}} = \frac{s_1}{t_1} = \frac{100}{16} = 6{,}25\text{ m/s}$$
• Đổi đơn vị của bạn Hùng: $s_2 = 1{,}8\text{ km} = 1800\text{ m}$; $t_2 = 4\text{ phút} = 4 \times 60 = 240\text{ s}$.
• Tốc độ đi xe của bạn Hùng:$$v_{\text{Hùng}} = \frac{s_2}{t_2} = \frac{1800}{240} = 7{,}5\text{ m/s}$$
• So sánh: Vì $7{,}5\text{ m/s} > 6{,}25\text{ m/s}$ nên bạn Hùng chuyển động nhanh hơn bạn Nam.

6. Bài viết liên quan

• Nguyên lý Bernoulli trong cuộc sống!
• STEM thiết kế và làm đèn kéo quân
• Tổng hợp giáo án chủ đề STEM trong môn Hóa học