Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Khởi động trang 30
Đề bài: Làm thế nào đo được tốc độ chuyển động của vật bằng dụng cụ thí nghiệm thực hành?
Lời giải:
Để đo tốc độ chuyển động của một vật, ta cần đo được hai đại lượng: quãng đường $s$ và thời gian $t$ mà vật đi hết quãng đường đó, rồi dùng công thức:
$$v = \dfrac{s}{t}$$
Trong phòng thí nghiệm, ta dùng các dụng cụ chuyên dụng như thước, thước cặp (đo độ dài) và đồng hồ bấm giây hoặc đồng hồ đo thời gian hiện số kết hợp với cổng quang điện (đo thời gian) để xác định hai đại lượng trên.
I. Cách đo tốc độ trong phòng thí nghiệm
Hoạt động mục I
Đề bài: Hãy thảo luận nhóm về các nội dung sau:
- Dùng dụng cụ gì để đo quãng đường và thời gian chuyển động của vật?
- Làm thế nào đo được quãng đường đi được của vật trong một khoảng thời gian hoặc ngược lại?
- Thiết kế các phương án đo tốc độ và so sánh ưu, nhược điểm của các phương án đó.
Lời giải:
1. Dụng cụ:
- Đo quãng đường: thước thẳng, thước cuộn, thước cặp.
- Đo thời gian: đồng hồ bấm giây, đồng hồ đo thời gian hiện số (kèm cổng quang điện), đồng hồ cần rung.
2. Hai cách đo:
- Cố định thời gian, đo quãng đường: bấm đồng hồ khi vật bắt đầu chuyển động, bấm dừng sau một khoảng thời gian định trước, rồi dùng thước đo quãng đường mà vật đã đi.
- Cố định quãng đường, đo thời gian: đánh dấu hai vị trí cách nhau một quãng đường xác định, đo thời gian vật đi từ vị trí đầu đến vị trí cuối.
3. Một số phương án đo tốc độ:
| Phương án | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|
| Thước + đồng hồ bấm giây | Đơn giản, dụng cụ dễ tìm | Sai số lớn do thao tác bấm đồng hồ của người đo |
| Đồng hồ hiện số + cổng quang điện | Đo thời gian rất chính xác (đến phần nghìn giây), tự động | Thiết bị phức tạp, đắt tiền |
| Đồng hồ cần rung + băng giấy | Ghi lại được nhiều điểm liên tục, biết được chuyển động ở từng thời điểm | Cần thiết bị chuyên dụng, xử lí băng giấy mất thời gian |
II. Giới thiệu dụng cụ đo thời gian
Câu hỏi mục II.1
Đề bài: Sử dụng đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện để đo tốc độ chuyển động có ưu điểm, nhược điểm gì?
Lời giải:
Ưu điểm:
- Đo thời gian rất chính xác, đến phần nghìn giây (0,001 s).
- Tự động ghi nhận thời gian khi vật đi qua cổng quang điện, không phụ thuộc thao tác bấm của người đo nên giảm sai số chủ quan.
Nhược điểm:
- Cần thiết bị chuyên dụng, đắt tiền, khó trang bị đại trà.
- Chỉ đo được tại các vị trí có cổng quang điện, không ghi nhận chuyển động liên tục.
III. Thực hành đo tốc độ chuyển động
Hoạt động mục III.2
Đề bài: Thả cho viên bi chuyển động đi qua cổng quang điện trên máng nhôm. Thảo luận nhóm để lập phương án đo tốc độ của viên bi theo các gợi ý sau:
- Làm thế nào xác định được tốc độ trung bình của viên bi khi đi từ cổng quang điện E đến cổng quang điện F?
- Làm thế nào xác định được tốc độ tức thời của viên bi khi đi qua cổng quang điện E hoặc cổng quang điện F?
- Xác định các yếu tố có thể gây sai số trong thí nghiệm và tìm cách để giảm sai số.
Lời giải:
1. Đo tốc độ trung bình từ E đến F:
- Đo khoảng cách $EF$ bằng thước.
- Nối cổng E với ổ A, cổng F với ổ B của đồng hồ. Chọn MODE A $\leftrightarrow$ B để đo thời gian viên bi đi từ E đến F.
- Tính: $v_{tb} = \dfrac{EF}{t}$.
2. Đo tốc độ tức thời tại E (hoặc tại F):
- Đo đường kính $d$ của viên bi bằng thước cặp.
- Chỉ dùng một cổng quang điện (ví dụ E nối với ổ A, đặt MODE A). Đo thời gian $\Delta t$ mà viên bi chắn cổng quang điện.
- Tính: $v_t = \dfrac{d}{\Delta t}$.
3. Các yếu tố gây sai số và cách giảm:
| Yếu tố gây sai số | Cách giảm sai số |
|---|---|
| Sai số dụng cụ (thước, đồng hồ, thước cặp) | Dùng dụng cụ có ĐCNN nhỏ; tính cả sai số dụng cụ trong kết quả |
| Vị trí thả viên bi không cố định giữa các lần đo | Đánh dấu vị trí xuất phát và thả viên bi ở đúng vị trí đó |
| Ma sát trên máng không đều, máng rung | Lau sạch máng, đặt máng vững chắc trên mặt phẳng |
| Cổng quang điện đặt không đúng phương | Lắp cẩn thận, kiểm tra trước khi đo |
| Sai số ngẫu nhiên | Đo nhiều lần (ít nhất 3 lần) và lấy giá trị trung bình |
Hoạt động mục III.4
Đề bài: Xử lí kết quả thí nghiệm.
- Tính tốc độ trung bình và tốc độ tức thời của viên bi thép và điền kết quả vào Bảng 6.1 và mẫu Bảng 6.2.
- Tính sai số của phép đo $s$, $t$ và phép đo tốc độ rồi điền vào mẫu Bảng 6.1 và mẫu Bảng 6.2. Trong đó:
- $\Delta s$ bằng nửa ĐCNN của thước đo.
- $\Delta t$ theo công thức (3.1), (3.2) trang 18.
- $\Delta v$ tính theo ví dụ trang 18.
- Đề xuất một phương án thí nghiệm để có thể đo tốc độ tức thời của viên bi tại hai vị trí: cổng quang điện E và cổng quang điện F.
Lời giải:
(Lưu ý: số liệu dưới đây là số liệu mẫu để minh hoạ cách tính. Khi làm bài, em điền số liệu thực tế đo được trong nhóm.)
1 & 2. Xử lí kết quả
Bảng 6.1. Đo tốc độ trung bình. Quãng đường $s = 0{,}500$ m; $\Delta s = 0{,}0005$ m (nửa ĐCNN của thước 1 mm).
| Lần đo | Lần 1 | Lần 2 | Lần 3 | Trung bình | Sai số |
|---|---|---|---|---|---|
| $t$ (s) | 0,778 | 0,779 | 0,777 | $\overline{t} = 0{,}778$ | $\overline{\Delta t} = 0{,}0007$ |
Tính sai số của thời gian $t$:
- Sai số ngẫu nhiên trung bình: $\overline{\Delta t} = \dfrac{0 + 0{,}001 + 0{,}001}{3} \approx 0{,}0007$ s.
- Sai số dụng cụ: $\Delta t_{dc} = 0{,}5 \times 0{,}001 = 0{,}0005$ s.
- Sai số tuyệt đối: $\Delta t = \overline{\Delta t} + \Delta t_{dc} = 0{,}0007 + 0{,}0005 = 0{,}0012$ s $\approx 0{,}001$ s.
Tính tốc độ trung bình:
$$\overline{v} = \dfrac{s}{\overline{t}} = \dfrac{0{,}500}{0{,}778} \approx 0{,}643 \text{ m/s}$$
Sai số của tốc độ:
$$\delta v = \delta s + \delta t = \dfrac{0{,}0005}{0{,}500}.100% + \dfrac{0{,}001}{0{,}778}.100% \approx 0{,}10% + 0{,}13% = 0{,}23%$$
$$\Delta v = \delta v \cdot \overline{v} = 0{,}0023 \times 0{,}643 \approx 0{,}002 \text{ m/s}$$
Kết quả: $v_{tb} = (0{,}643 \pm 0{,}002)$ m/s.
Bảng 6.2. Đo tốc độ tức thời. Đường kính viên bi $d = 0{,}020$ m; $\Delta d = 0{,}00001$ m (nửa ĐCNN của thước cặp 0,02 mm).
| Lần đo | Lần 1 | Lần 2 | Lần 3 | Trung bình | Sai số |
|---|---|---|---|---|---|
| $t$ (s) | 0,033 | 0,034 | 0,032 | $\overline{t} = 0{,}033$ | $\overline{\Delta t} = 0{,}0007$ |
Tính sai số của thời gian $t$:
$$\Delta t = \overline{\Delta t} + \Delta t_{dc} = 0{,}0007 + 0{,}0005 = 0{,}0012 \text{ s} \approx 0{,}001 \text{ s}$$
Tính tốc độ tức thời:
$$\overline{v}_t = \dfrac{d}{\overline{t}} = \dfrac{0{,}020}{0{,}033} \approx 0{,}606 \text{ m/s}$$
Sai số:
$$\delta v_t = \delta d + \delta t = \dfrac{0{,}00001}{0{,}020}.100% + \dfrac{0{,}001}{0{,}033}.100% \approx 0{,}05% + 3{,}03% \approx 3{,}08%$$
$$\Delta v_t = \delta v_t \cdot \overline{v}_t = 0{,}0308 \times 0{,}606 \approx 0{,}02 \text{ m/s}$$
Kết quả: $v_t = (0{,}61 \pm 0{,}02)$ m/s.
3. Phương án đo tốc độ tức thời tại cả hai cổng E và F
Cách lắp đặt: Nối cổng quang điện E vào ổ A, cổng quang điện F vào ổ B của đồng hồ đo thời gian hiện số. Đánh dấu một vị trí xuất phát cố định trên máng.
Tiến hành 2 lần đo (cùng vị trí xuất phát):
- Lần đo tại E: Đặt MODE A trên đồng hồ. Reset đồng hồ về 0,000. Thả viên bi từ vị trí xuất phát. Đồng hồ chỉ ghi thời gian $t_E$ mà viên bi chắn cổng E. Tính $v_E = \dfrac{d}{t_E}$.
- Lần đo tại F: Reset đồng hồ. Chuyển sang MODE B. Thả viên bi từ cùng vị trí xuất phát. Đồng hồ ghi thời gian $t_F$ mà viên bi chắn cổng F. Tính $v_F = \dfrac{d}{t_F}$.
Lặp lại mỗi lần đo ít nhất 3 lần để lấy giá trị trung bình và giảm sai số ngẫu nhiên.
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