Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Khởi động trang 47
Đề bài: Các vật rơi tự do chuyển động rất nhanh, làm thế nào để đo được gia tốc rơi tự do của vật?
Lời giải:
Vì vật rơi tự do chuyển động rất nhanh, ta không thể dùng đồng hồ bấm giây thông thường để đo chính xác thời gian. Ta cần dùng các dụng cụ đo điện tử như:
- Cổng quang điện để ghi nhận chính xác thời điểm vật bắt đầu và kết thúc rơi.
- Đồng hồ đo thời gian hiện số có độ chính xác cao (đến 0,001 s).
Đo được quãng đường rơi $s$ và thời gian rơi $t$, rồi áp dụng công thức rơi tự do $s = \dfrac{1}{2}.g.t^2$ ta tính được gia tốc:
$$g = \dfrac{2s}{t^2}$$
II. Thiết kế phương án thí nghiệm
Hoạt động mục II
Đề bài: Thảo luận về phương án thí nghiệm dựa trên hoạt động sau: Thả trụ thép rơi qua cổng quang điện trên máng đứng và trả lời câu hỏi.
- Xác định gia tốc rơi tự do của trụ thép theo công thức nào?
- Để xác định gia tốc rơi tự do của trụ thép cần đo các đại lượng nào?
- Làm thế nào để trụ thép rơi qua cổng quang điện?
- Cần đặt chế độ đo của đồng hồ ở vị trí nào để đo được đại lượng cần đo?
Lời giải:
1. Trụ thép được thả từ trạng thái nghỉ tại vị trí của nam châm điện, rơi tự do (không vận tốc đầu) đến cổng quang điện. Áp dụng công thức rơi tự do không vận tốc đầu:
$$s = \dfrac{1}{2}.g.t^2 \quad \Rightarrow \quad g = \dfrac{2s}{t^2}$$
Trong đó: $s$ là quãng đường từ vị trí ban đầu của trụ đến cổng quang điện; $t$ là thời gian rơi hết quãng đường đó.
2. Để xác định $g$ cần đo hai đại lượng:
- Quãng đường $s$: đo bằng thước gắn trên máng đứng (khoảng cách từ vị trí ban đầu của trụ thép đến cổng quang điện).
- Thời gian $t$: đo bằng đồng hồ đo thời gian hiện số (khoảng thời gian từ lúc trụ bắt đầu rơi đến khi đi qua cổng quang điện).
3. Cách để trụ thép rơi qua cổng quang điện:
- Đặt máng đứng thẳng đứng trên giá đỡ (dùng dây dọi đã có sẵn để kiểm tra phương thẳng đứng).
- Treo trụ thép vào nam châm điện ở đầu trên của máng (nam châm điện hút giữ trụ).
- Nhấn công tắc kép để ngắt điện vào nam châm điện, trụ thép được nhả ra và rơi tự do dọc theo máng, đi qua cổng quang điện đặt ở phía dưới.
4. Đặt chế độ MODE của đồng hồ ở vị trí A ↔ B: đồng hồ sẽ đo khoảng thời gian từ lúc tín hiệu ở ổ A xuất hiện (lúc nam châm điện ngắt điện, trụ bắt đầu rơi) đến lúc tín hiệu ở ổ B xuất hiện (lúc trụ thép đi qua cổng quang điện).
IV. Kết quả thí nghiệm
Hoạt động 1 mục IV
Đề bài: Hãy tính giá trị trung bình và sai số tuyệt đối của phép đo gia tốc rơi tự do.
Lời giải:
(Lưu ý: kết quả phụ thuộc vào số liệu thực tế của em. Dưới đây là số liệu mẫu để minh hoạ cách tính.)
Giả sử kết quả đo được như Bảng 11.1 sau (mỗi quãng đường $s_i$ được đo 5 lần, lấy giá trị trung bình $\overline{t_i}$):
| Quãng đường (m) | $\overline{t_i}$ (s) | $\overline{t_i^2}$ (s²) | $g_i = \dfrac{2 s_i}{\overline{t_i^2}}$ (m/s²) |
|---|---|---|---|
| $s_1 = 0{,}3$ | 0,247 | 0,0610 | 9,84 |
| $s_2 = 0{,}4$ | 0,286 | 0,0818 | 9,78 |
| $s_3 = 0{,}5$ | 0,320 | 0,1024 | 9,77 |
| $s_4 = 0{,}6$ | 0,350 | 0,1225 | 9,80 |
| $s_5 = 0{,}7$ | 0,378 | 0,1429 | 9,80 |
Bước 1: Tính giá trị trung bình của gia tốc rơi tự do:
$$\overline{g} = \dfrac{g_1 + g_2 + g_3 + g_4 + g_5}{5} = \dfrac{9{,}84 + 9{,}78 + 9{,}77 + 9{,}80 + 9{,}80}{5} \approx 9{,}80 \text{ m/s}^2$$
Bước 2: Tính sai số tuyệt đối của mỗi lần đo ($\Delta g_i = |\overline{g} – g_i|$):
$$\Delta g_1 = 0{,}04;\ \Delta g_2 = 0{,}02;\ \Delta g_3 = 0{,}03;\ \Delta g_4 = 0{,}00;\ \Delta g_5 = 0{,}00$$
Bước 3: Sai số tuyệt đối trung bình:
$$\overline{\Delta g} = \dfrac{0{,}04 + 0{,}02 + 0{,}03 + 0{,}00 + 0{,}00}{5} = 0{,}018 \approx 0{,}02 \text{ m/s}^2$$
Bước 4: Viết kết quả phép đo:
$$g = \overline{g} \pm \overline{\Delta g} = (9{,}80 \pm 0{,}02) \text{ m/s}^2$$
Hoạt động 2 mục IV
Đề bài: Tại sao lại dùng trụ thép làm vật rơi trong thí nghiệm? Có thể dùng viên bi thép được không? Giải thích tại sao.
Lời giải:
Dùng trụ thép vì:
- Trụ thép có hình dáng thuôn dài, dễ rơi thẳng đứng dọc theo máng, không bị lăn lệch hướng.
- Có khối lượng đủ lớn để bị nam châm điện giữ chặt và thả ra chính xác.
- Khi đi qua cổng quang điện, trụ thép cắt tia sáng một cách rõ ràng, tạo tín hiệu chính xác cho đồng hồ.
Có thể dùng viên bi thép, nhưng kết quả sẽ kém chính xác hơn vì:
- Viên bi tròn dễ lăn lệch khi nam châm thả ra, khó giữ rơi thẳng đứng dọc máng.
- Khi đi qua cổng quang điện, viên bi có thể không cắt tia sáng đúng vị trí giữa, làm sai lệch tín hiệu đo thời gian.
Hoạt động 3 mục IV
Đề bài: Vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ $s$ và $t^2$ trên hệ toạ độ $(s – t^2)$.
Lời giải:
Từ bảng số liệu trên, biểu diễn các điểm có toạ độ $(t^2;\ s)$ lên hệ trục:
- Điểm 1: $(0{,}0610;\ 0{,}3)$
- Điểm 2: $(0{,}0818;\ 0{,}4)$
- Điểm 3: $(0{,}1024;\ 0{,}5)$
- Điểm 4: $(0{,}1225;\ 0{,}6)$
- Điểm 5: $(0{,}1429;\ 0{,}7)$
Nối các điểm lại, ta được một đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
Hoạt động 4 mục IV
Đề bài: Nhận xét chung về dạng của đồ thị mô tả mối quan hệ $s$ và $t^2$ rồi rút ra kết luận về tính chất của chuyển động rơi tự do.
Lời giải:
Nhận xét: đồ thị $s – t^2$ có dạng đường thẳng đi qua gốc toạ độ, nên $s$ tỉ lệ thuận với $t^2$.
Kết luận: chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều (không vận tốc ban đầu) vì có dạng công thức $s = \dfrac{1}{2}.g.t^2$ với $g$ là hằng số. Hệ số góc của đường thẳng bằng $\dfrac{g}{2}$.
Hoạt động 5 mục IV
Đề bài: Hãy đề xuất một phương án thí nghiệm khác để đo gia tốc rơi tự do của trụ thép.
Lời giải:
Một phương án khác: dùng phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm (đã giới thiệu trong Bài 10).
Cách thực hiện:
- Dùng máy ảnh có chức năng chụp ảnh liên tiếp với khoảng thời gian bằng nhau (ví dụ mỗi 0,1 s) để chụp trụ thép trong quá trình rơi tự do.
- Trên các ảnh thu được, đo vị trí của trụ tại các thời điểm chụp ảnh, từ đó xác định được quãng đường $s$ tương ứng với thời gian $t$.
- Áp dụng công thức $g = \dfrac{2s}{t^2}$ để tính gia tốc rơi tự do.
- Lặp lại nhiều lần và tính giá trị trung bình.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn