Bài học

Bài tập tổng hợp Cơ học và Quang học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải được một bài toán nhiều phần theo đúng cấu trúc đề thi tuyển sinh lớp 10, kết hợp công — công suất — cơ năng ở phần cơ học với dựng ảnh qua thấu kính ở phần quang học, trong cùng một đề bài.

Kiến thức nền cần nhớ

Toàn bộ Chương 1 (công, công suất, cơ năng) và Chương 2 (khúc xạ, thấu kính) là kiến thức nền trực tiếp của bài ôn tập này — bài học không giới thiệu công thức mới nào, mà rèn kỹ năng NHẬN DIỆN và VẬN DỤNG đúng công thức khi đề bài trộn lẫn nhiều phần, đúng kỹ năng mà một bài kiểm tra cuối kỳ hay đề thi thật luôn đòi hỏi.

Khởi động

Một đề thi tuyển sinh lớp 10 thường không hỏi riêng lẻ từng công thức, mà đưa ra một tình huống rồi chia thành nhiều câu (a), (b), (c) — thậm chí liên kết sang một chủ đề khác hoàn toàn ở phần sau. Bí quyết để không "rối" khi gặp dạng đề này là gì?

Kiến thức trọng tâm

Bài ôn tập này ghép hai chủ đề tưởng chừng không liên quan: một chuyển động cơ học (nâng vật, thả rơi) ở phần đầu, và một cấu hình quang học (thấu kính) ở phần sau — đúng cấu trúc thường gặp trong đề thi thật, nơi đề bài chia thành Câu 1 (cơ học), Câu 2 (quang học) độc lập nhau trên cùng một đề thi, chứ không nhất thiết phải liên kết kết quả.

Một lỗi thường gặp khi ôn thi là học sinh chỉ luyện từng dạng bài riêng lẻ (chỉ bài công suất, chỉ bài thấu kính) mà chưa từng luyện đề trộn cả hai trong cùng một buổi làm bài — dẫn đến việc khi gặp đề thật, dù biết cả hai công thức, các em vẫn mất nhiều thời gian hơn bình thường vì phải "chuyển kênh tư duy" đột ngột giữa hai chủ đề. Luyện các bài tổng hợp như bài này chính là cách rèn luyện kỹ năng chuyển đổi đó trước khi bước vào phòng thi thật.

Với một đề tổng hợp, chiến lược làm bài hiệu quả là: đọc toàn bộ đề trước khi tính bất kỳ con số nào, để nhận diện đề có mấy phần độc lập hay các phần liên kết với nhau (kết quả phần trước dùng cho phần sau); với mỗi phần, xác định đúng chủ đề (cơ học hay quang học) rồi mới chọn công thức tương ứng — tránh nhầm công thức của chủ đề này sang chủ đề khác; trình bày lời giải TÁCH RIÊNG từng phần theo đúng thứ tự đề bài, đánh số kết quả trung gian nếu phần sau cần dùng lại. Bài ôn tập này ghép hai chủ đề tưởng chừng không liên quan: một chuyển động cơ học (nâng vật, thả rơi) ở phần đầu, và một cấu hình quang học (thấu kính) ở phần sau — đúng cấu trúc thường gặp trong đề thi thật, nơi đề bài chia thành Câu 1 (cơ học), Câu 2 (quang học) độc lập nhau trên cùng một đề thi, chứ không nhất thiết phải liên kết kết quả. Một lỗi thường gặp khi ôn thi là học sinh chỉ luyện từng dạng bài riêng lẻ (chỉ bài công suất, chỉ bài thấu kính) mà chưa từng luyện đề trộn cả hai trong cùng một buổi làm bài — dẫn đến việc khi gặp đề thật, dù biết cả hai công thức, các em vẫn mất nhiều thời gian hơn bình thường vì phải "chuyển kênh tư duy" đột ngột giữa hai chủ đề. Luyện các bài tổng hợp như bài này chính là cách rèn luyện kỹ năng chuyển đổi đó trước khi bước vào phòng thi thật.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp công, công suất và cơ năng

1
Một động cơ điện nâng một vật nặng 100kg lên cao 6m trong thời gian 5s. (a) Tính công suất của động cơ. (b) Tính cơ năng của vật ở độ cao đó so với mặt đất. (c) Nếu vật được thả rơi tự do từ độ cao đó (bỏ qua sức cản không khí), tính tốc độ của vật ngay trước khi chạm đất.
2
Trọng lượng vật: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 100 = 1000$ N. (1) Công thực hiện: $A = F.s = 1000 \times 6 = 6000$ J. (2) Từ (2), công suất: $P = \dfrac{A}{t} = \dfrac{6000}{5} = 1200$ W $= 1,2$ kW.
Trọng lượng vật: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 100 = 1000$ N. (1) Công thực hiện: $A = F.s = 1000 \times 6 = 6000$ J. (2) Từ (2), công suất: $P = \dfrac{A}{t} = \dfrac{6000}{5} = 1200$ W $= 1,2$ kW.
3
Ở độ cao 6m, vật đứng yên (vừa được nâng lên) nên cơ năng bằng thế năng: $W = W_t = 10mh = 10 \times 100 \times 6 = 6000$ J. (3) Giá trị này trùng với công đã tính ở (2), điều hợp lí vì toàn bộ công của động cơ chuyển thành thế năng của vật ở độ cao đó.
Ở độ cao 6m, vật đứng yên (vừa được nâng lên) nên cơ năng bằng thế năng: $W = W_t = 10mh = 10 \times 100 \times 6 = 6000$ J. (3) Giá trị này trùng với công đã tính ở (2), điều hợp lí vì toàn bộ công của động cơ chuyển thành thế năng của vật ở độ cao đó.
4
Bỏ qua sức cản không khí, áp dụng bảo toàn cơ năng: cơ năng lúc chạm đất bằng cơ năng ban đầu, từ (3): $W = 6000$ J. Tại mặt đất $h=0$ nên toàn bộ cơ năng là động năng: $\dfrac{1}{2}mv^2 = 6000 \Rightarrow v^2 = \dfrac{2 \times 6000}{100} = 120 \Rightarrow v = \sqrt{120} \approx 11$ m/s.
Bỏ qua sức cản không khí, áp dụng bảo toàn cơ năng: cơ năng lúc chạm đất bằng cơ năng ban đầu, từ (3): $W = 6000$ J. Tại mặt đất $h=0$ nên toàn bộ cơ năng là động năng: $\dfrac{1}{2}mv^2 = 6000 \Rightarrow v^2 = \dfrac{2 \times 6000}{100} = 120 \Rightarrow v = \sqrt{120} \approx 11$ m/s.
5
Vậy công suất động cơ là 1,2kW, cơ năng của vật ở độ cao 6m là 6000J, tốc độ vật ngay trước khi chạm đất khoảng 11 m/s.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp dựng ảnh qua hai loại thấu kính

1
Vật sáng AB cao 3cm đặt vuông góc trục chính, cách thấu kính hội tụ tiêu cự $f=10cm$ một khoảng $d=15cm$ . (a) Xác định và mô tả tính chất ảnh A'B'. (b) Nếu giữ nguyên vật AB nhưng thay thấu kính hội tụ bằng thấu kính phân kỳ cùng tiêu cự, ở cùng khoảng cách $d=15cm$ , mô tả tính chất ảnh mới và so sánh với câu (a).
Vật sáng AB cao 3cm đặt vuông góc trục chính, cách thấu kính hội tụ tiêu cự $f=10cm$ một khoảng $d=15cm$. (a) Xác định và mô tả tính chất ảnh A'B'. (b) Nếu giữ nguyên vật AB nhưng thay thấu kính hội tụ bằng thấu kính phân kỳ cùng tiêu cự, ở cùng khoảng cách $d=15cm$, mô tả tính chất ảnh mới và so sánh với câu (a).
2
$2f = 20$ cm. Vì $f=10cm < d=15cm < 2f=20cm$ , áp dụng đúng quy luật: ảnh A'B' là ảnh thật, ngược chiều, và LỚN HƠN vật AB.
$2f = 20$cm. Vì $f=10cm < d=15cm < 2f=20cm$, áp dụng đúng quy luật: ảnh A'B' là ảnh thật, ngược chiều, và LỚN HƠN vật AB.
3
Thấu kính phân kỳ luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật bất kể vị trí đặt vật, nên ở $d=15cm$ ảnh vẫn là ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật AB.
Thấu kính phân kỳ luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật bất kể vị trí đặt vật, nên ở $d=15cm$ ảnh vẫn là ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật AB.
4
Ảnh qua thấu kính hội tụ (câu a) là ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật — hứng được trên màn; ảnh qua thấu kính phân kỳ (câu b) là ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật — không hứng được trên màn. Cùng một vật, cùng một khoảng cách, nhưng bản chất ảnh hoàn toàn khác nhau tuỳ loại thấu kính.
5
Vậy qua thấu kính hội tụ ở $d=15cm$ , ảnh là ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật; qua thấu kính phân kỳ cùng vị trí, ảnh là ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật.
Vậy qua thấu kính hội tụ ở $d=15cm$, ảnh là ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật; qua thấu kính phân kỳ cùng vị trí, ảnh là ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật.

Sai lầm thường gặp

Khi đề bài chuyển từ phần cơ học sang phần quang học (hoặc ngược lại), học sinh vẫn cố dùng lại số liệu/công thức của phần trước cho phần sau dù hai phần hoàn toàn độc lập về mặt vật lí — luôn đọc kỹ xem đề có yêu cầu liên kết kết quả hay không trước khi giả định.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Đề tổng hợp thường chia nhiều phần theo chủ đề khác nhau; đọc kỹ, tách đúng chủ đề, áp dụng đúng công thức riêng cho từng phần, chỉ liên kết kết quả khi đề yêu cầu.

Bài cuối cùng áp dụng đúng chiến lược này cho phần điện học, cảm ứng điện từ và năng lượng tái tạo.