Đó là câu hỏi của một giáo viên vật lý dành cho sinh viên của mình. Tiến sĩ Scott Lee, hiện đang giảng dạy tại Đại học Toledo, Hoa Kỳ. Ông nghĩ rằng giáo dục là phải tạo được hứng thú cho học sinh.
Vì vậy, thay vì đưa ra các đề bài khô khan khiến tiết học vật lý nhập môn nên buồn ngủ và chán nản, tiến sĩ Lee đã đặt ra một câu hỏi khác biệt. Ông đố sinh viên của mình hãy tính toán xem:
Liệu Usain Bolt, vận động viên người Jamaica đã 8 lần vô địch Olympic có thể chạy thoát một con khủng long hai mào Dilophosaurus hay không, tính trong cự li 100 m sở trường của anh ấy?
"Một vấn đề lớn trong giáo dục vật lý ngày nay là làm sao để học sinh cảm thấy hứng thú với tài liệu của khóa học", tiến sĩ Lee nói. "Ví dụ như những bài toán về khủng long này thực sự đã thu hút được học sinh và khiến các em quan tâm".
Trong bài báo mới trên tạp chí Sư phạm Vật lý, tiến sĩ Lee đã mô tả lại kinh nghiệm của mình trong tiết dạy, đưa ra lời giải của bài toán, đồng thời khuyến khích các giáo viên vật lý khác thay đổi cách giảng bài truyền thống của họ.
Nếu bạn cũng bị cuốn hút bởi cách dạy vật lý này, hãy cùng tìm hiểu.
Đầu tiên hãy nói về Usain Bolt
Nhắc đến người chạy nhanh nhất hành tinh, người ta sẽ nhắc đến Usain Bolt. Vận động viên người Jamaica lần đầu tiên ghi dấu ấn vào lịch sử ở Thế vận hội Bắc Kinh 2008. Năm đó, anh đã phá kỷ lục thế giới của chính mình trong trận chung kết 100 mét nam để dành HCV với thành tích 9,69 giây.
Một mình Unsain Bolt đã chiếm lĩnh đường chạy, thậm chí bỏ xa người về thứ hai đã cán đích ở 9,89 giây. Bolt thậm chí còn giảm tốc độ để ăn mừng trước vạch "Finish".
Vận động viên người Jamaica dường như muốn để dành một lần phá kỷ lục nữa. Bởi theo huấn luyện viên của anh ấy, nếu không giảm tốc thì Bolt đã có thể về đích ở 9,52 giây.
Việc Usain Bolt giảm tốc ở vạch đích thậm chí còn thu hút một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Oslo ngồi lại tính toán xem với gia tốc không giảm, anh ấy sẽ cán đích ở phút thứ bao nhiêu? Kết quả của họ tương đối sát: 9,55 giây.
Một năm sau tại Giải vô địch thế giới năm 2009 ở Berlin, Bolt đã chứng minh được thực lực đó của mình. Anh tiếp tục phá kỷ lục cũ của chính mình ở thời gian 9,58 giây.
Theo một nghiên cứu năm 2013 của các nhà vật lý đến từ Đại học Tự động hóa Quốc gia Mexico, Usain Bolt có thể đạt gia tốc 9,5 m/s2 ở vạch xuất phát và tạo ra công suất 2,6 kilowatt (3,5 mã lực) trong chưa đầy 1 giây.
Anh có chiều cao 1m95, cao hơn so với nhiều vận động viên chạy nước rút khác. Điều đó có nghĩa là sải chân của Bolt cũng dài hơn và có thể thực hiện ít bước chạy hơn để kết thúc cự ly của mình.
Tuy nhiên ở chiều ngược lại, Bolt cũng gặp lực cản không khí lớn hơn. Tính toán cho thấy anh ấy chỉ sử dụng 8% năng lượng của mình để chạy, trong khi tới 92% năng lượng là để thắng được lực cản khí động học.
Nhưng nếu anh ấy chạy xuôi gió, các nhà khoa học Mexico tính toán rằng Bolt sẽ được hưởng lợi một chút. Cụ thể nếu cuộc đua năm 2009 diễn ra trong trời lặng, thành tích của anh sẽ bị hụt đi 0,1 giây, dừng lại ở mức 9,68 giây/100 mét.
Ngược lại nếu trời có gió xoáy và Bolt bắt được nó, anh có thể hoàn thành cuộc đua với thành tích kỷ lục 9,46 giây/100 mét.
Còn những con khủng long thì sao?
Từ lâu, các nhà khoa học cũng đã bị thu hút bởi tốc độ chạy tối đa của khủng long, đặc biệt là những con khủng long bạo chúa Tyrannosaurus rex. Năm 2002, một nhóm các nhà nghiên cứu đã xây dựng một mô hình toán học để đo khối lượng cơ chân khủng long T-rex.
Họ nghĩ theo mô hình này, T-rex chỉ có thể chạy ở vận tốc tối đa 40 km/h. Nhưng cũng có các nghiên cứu khác, dựa trên nhiều thông số như khí động học, cấu trúc và chuyển động đuôi, cả các vết chân mà T-rex để lại cho thấy loài khủng long này chủ yếu chỉ đi bộ ở tốc độ 4,6 km/h.
Nếu T-rex chạy hoặc đi bộ nhanh, nó cũng không vượt qua được tốc độ tối đa khoảng 18 km/h. Một mặt, các tính toán cho thấy chạy khiến T-rex hao hụt năng lượng rất nhanh. Mặt khác, các nhà khoa học nghĩ rằng nó có thể bị gãy xương chân nếu chạy trên 18 km/h, bởi khối lượng cơ thể quá lớn.
Ở tốc độ này, T-rex sẽ không thể đuổi kịp Usain Bolt, với vận tốc tối đa lên tới 43 km/h mà anh đạt được trên đường chạy. Đó là lý do chính tại sao tiến sĩ Lee chọn Dilophosaurus, loài khủng long hai mào nhỏ hơn làm đại diện thi đấu với vận động viên người Jamaica.
Dilophosaurus là một loài khủng long sống ở kỷ Jura sớm. Nó cao khoảng 3 mét, chiều dài từ đầu tới đuôi khoảng 7 mét và nặng khoảng 400 kg. Một số nhà khoa học dự đoán Dilophosaurus có thể chạy với vận tốc tối đa 10,5 m/s. Con số này ngang với vận tốc của Usain Bolt khi anh lập kỷ lục thế giới năm 2009 tại Đức.
Tuy nhiên, vấn đề mà các sinh viên trong lớp của tiến sĩ Lee xác định được là họ phải so sánh gia tốc của Bolt và của con khủng long trong cuộc đua này. Theo định luật thứ hai của Newton, gia tốc có thể tính bằng đạo hàm vận tốc theo thời gian.
Các sinh viên đã tính được gia tốc của Usain Bolt theo phương ngang là 9,91 m/s2. Trong khi khủng long với khối lượng lớn hơn ở vạch xuất phát sẽ chỉ đạt gia tốc 4,19 m/s2.
Với lợi thế về mặt khối lượng, Bolt vì thế sẽ dễ dàng bỏ xa con khủng long Dilophosaurus trong 2-4 giây đầu của cuộc đua. "Thực tế vận tốc trung bình của Usain Bolt trong cuộc đua 100 mét gần sát với vận tốc tối đa của Dilophosaurus, điều đó có nghĩa là Usain Bolt sẽ giành chiến thắng trong toàn bộ cuộc thi đấu này", tiến sĩ Lee viết.
Các sinh viên của ông sau đó cũng tính toán thêm một số thông số khác và lập bảng chuyển vị cho cả Usain Bolt và khủng long Dilophosaurus, các bảng thể hiện vận tốc và gia tốc theo thời gian.
Tiến sĩ Lee cho biết qua bài tập này, các sinh viên của ông đã vận dụng được nhiều công thức, từ vận tốc tức thời, gia tốc, vận tốc trung bình cho đến phương pháp số học để vẽ đồ thị.
"Các em cũng đã tiếp cận câu hỏi một cách hết sức hào hứng", Tiến sĩ Lee viết. "Sinh viên của tôi gần như nhào vào vấn đề và rất nhiệt tình làm việc để đi tìm đáp án". Đây rõ ràng là một kinh nghiệm giảng dạy thành công mà ông muốn chia sẻ với mọi người.
Tham khảo
https://genk.vn/usain-bolt-chay-thi-voi-khung-long-dilophosaurus-2-mao-ai-se-thang-20220309184533835.chn Lấy link