BÀI 8. THỰC HÀNH
KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG RƠI TỰ DO. XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO
I. MỤC ĐÍCH
- Đo được thời gian rơi t của một vật trên những quãng đường s khác nhau.
- Vẽ và khảo sát đồ thị s∼t2, rút ra kết luận về tính chất của chuyển động rơi tự do và xác định được gia tốc rơi tự do.
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
- Thả một vật (trụ bằng sắt, hòn bi…) từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phương thẳng đứng (phương của dây dọi). Trong trường hợp này ảnh hưởng của không khí không đáng kể, vật chỉ chuyển động dưới tác dụng của trọng lực nên có thể coi là vật chuyển động rơi tự do.
- Khi một vật có vận tốc ban đầu bằng không, chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc a, thì quãng đường đi được s sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) được xác định bằng công thức: \(s=\frac{1}{2}a{{t}^{2}}\)
- Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa s và t2 có dạng một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có hệ số góc \(\tan \alpha =\frac{a}{2}\)
III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
Chuẩn bị các dụng cụ sau:
- Giá đỡ thẳng đứng có dây dọi và ba chân có vít điều chỉnh thăng bằng.
- Trụ bằng sắt làm vật rơi tự do.
- Nam châm điện N có hộp công tắc đóng ngăt điện để giữ và thả vật rơi.
- Cổng quang điện E.
- Đồng hồ đo thời gian hiện số, độ chia nhỏ nhất 0,001s
- Thước thẳng 800 m gắn chặt vào giá đỡ.
- Một chiếc eke vuông ba chiều
- Một hộp đựng cát khô
IV. GIỚI THIỆU DỤNG CỤ ĐO
+ Đồng hồ đo thời gian hiện số là loại dụng cụ đo thời gian chính xác cao (độ chia nhỏ nhất 0,001 - 0,01s). Nó có thể hoạt động như một đồng hồ bấm giây, được điều khiển bằng các cổng quang điện.
+ Cổng quang điện gồm một điôt D1 phát ra tia hồng ngoại, và một điôt D2 nhận tia hồng ngoại từ D1 chiếu sang. Dòng điện cung cấp cho D1 được lấy từ đồng hồ đo thời gian. Khi có vật chắn chùm tia hồng ngoại chiếu từ D1 sang D2, D2 sẽ phát ra tín hiệu truyền theo dây dẫn đi tới đồng hồ, điều khiển đồng hồ hoạt động tức thì, gần như không có quán tính.
+ Trên mặt đồng hồ có hai ổ cắm 5 chân, một nút ấn và một cái chuyển mạch.
+ Ổ A có 5 chân, được nối với cổng quang điện E, vừa cung cấp dòng điện cho cổng E, vừa nhận tín hiệu từ E gửi về.
+ Ổ B được nối với cổng quang điện F, và có chức năng như trên.
+ Nhấn nút RESET để đưa số chỉ của đồng hồ về giá trị 000.
+ Cái chuyển mạch MODE (kiểu làm việc) dùng để chọn kiểu làm việc cho đồng hồ đo thời gian. Trong bài này ta đặt nó ở vị trí A
B. Các MODE khác ta không dùng đến.
MODE A B hoạt động như sau:
- Khi có tín hiệu từ E chuyển sang thì đồng hồ bắt đầu hoạt động.
- Khi có tín hiệu từ F chuyển sang thì đồng hồ đo ngừng hoạt động.
Khoảng thời gian ngăn cách từ lúc có tín hiệu thứ nhất đến lúc có tín hiệu thứ hai được hiện trên mặt hiện số của đồng hồ.
|
|
|
Ảnh chụp bộ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do | Ảnh chụp đồng hồ đo thời gian hiện số | Nam châm điện và trụ thép (bên phải) |
V. LẮP RÁP THÍ NGHIỆM
- Nam châm điện N lắp trên đỉnh giá đỡ, được nối qua công tắc vào ổ A của đồng hồ đo thời gian. Ổ A vừa cấp điện cho nam châm, vừa nhận tín hiệu từ công tắc chuyển về. Cổng E lắp ở dưới, được nối với ổ B. Sử dụng MODE đo A ↔ B, chọn thang đo 9,999 s.
- Quan sát quả dọi, phối hợp điều chỉnh các vít ở chân giá để sao cho quả dọi nằm đúng tâm lỗ tròn T. Khi vật rơi qua lỗ tròn của cổng quang điện E, chúng cùng nằm trên một trục thẳng đứng. Khăn vải bông được đặt nằm dưới để để vật rơi .
- Cho nam châm hút giữ vật rơi. Dùng miếng ke áp sát đáy vật rơi để xác định vị trí đầu s0 của vật. Ghi giá trị số vào Bảng 8.1 (có ở mẫu báo cáo).
VI. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
- Đo thời gian rơi ứng với các khoảng cách s khác nhau
- Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách s0 một khoảng s = 0,05m. Ấn nút RESET tren mặt đồng hồ để đưa chỉ thị số về giá trị 0.000.
- Ấn nút trên hộp công tắc thả rơi vật, rồi nhả nhanh nút trước khi vật rơi đến cổng quang điện E. Ghi thời gian vật rơi vào bảng 8.1. Lặp lại thêm 4 lần, ghi vào bảng 8.1.
- Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách s0 một khoảng s = 0,200; 0,450; 0,800m. Ứng với mỗi khoảng cách s, thả vật rơi và ghi thời gan tương ứng vào bảng 8.1. Lặp lại phép do này thêm 4 lần.
- Kết thúc thí nghiệm: Nhấn khóa K, tắt điện đồng hồ đo thời gian hiện số.
BÁO CÁO THỰC HÀNH (THAM KHẢO)
Họ và tên: ………………………………; Lớp: …………………; Ngày: …………………………..
Tên bài thực hành: ……………………………………………………………………………………
1. Trả lời câu hỏi
Sự rơi tự do là gì ? Nếu đặc điểm của chuyển động rơi tự do và viết công thức tính gia tốc rơi tự do ?
Trả lời:
+ Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực.
+ Đặc điểm:
-
- Phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống.
- Là chuyển động nhanh dần đều.
- Tại một nơi nhất định trên Trái Đất và ở gần mặt đất, mọi vật đều rơi tự do với cùng gia tốc g.
- Công thức tính gia tốc rơi tự do: \(g=\frac{2\text{s}}{{{t}^{2}}}\)
2. Kết quả
Bảng 8.1. Khảo sát chuyển động rơi tự do : Đo thời gian rơi ứng với các khoảng cách s khác nhau.
Vị trí đầu của vật rơi: s0 = …. (mm).
Lần đo s (m) | Thời gian rơi t (s) | \(\overline{t}\) | \(\overline{t}{{\,}^{2}}\) | \(v=\frac{2\text{s}}{t}\) | \(g=\frac{2\text{s}}{{{t}^{2}}}\) | |∆g| | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||||
0,050 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,450 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TB |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a) Nhận xét: Đồ thị s = s(t2) có dạng là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ: gia tốc trơi tự do là một hằng số không phụ thuộc thời gian. Như vậy, chuyển động rơi tự do là một chuyển động nhanh dần đều.
b) Khi đã xác định được chuyển động rơi tự do là một chuyển động nhanh dần đều, ta có thể xác định các giá trị của g theo công thức \(g=\frac{2\text{s}}{{{t}^{2}}}\) và vận tốc rơi tại cổng E theo công thức: \(v=\frac{2\text{s}}{t}\) ứng với mỗi lần đo. Các giá trị trên được tính và ghi trong bảng 8.1.
Vị trí đầu của vật rơi: s0 = 0 (mm).
Lần đo s (m) | Thời gian rơi t (s) | \(\overline{t}\) | \(\overline{t}{{\,}^{2}}\) | \(v=\frac{2\text{s}}{t}\) | \(g=\frac{2\text{s}}{{{t}^{2}}}\) | |∆g| | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||||
0,050 | 0,101 | 0,100 | 0,100 | 0,104 | 0,103 | 0,102 | 0,010 | 0,98 | 9,688 | 0,051 |
0,200 | 0,202 | 0,203 | 0,204 | 0,201 | 0,200 | 0,202 | 0,041 | 1,98 | 9,803 | 0,153 |
0,450 | 0,305 | 0,306 | 0,308 | 0,304 | 0,304 | 0,305 | 0,093 | 2,95 | 9,649 | 0,089 |
0,800 | 0,404 | 0,405 | 0,406 | 0,402 | 0,402 | 0,404 | 0,163 | 3,96 | 9,813 | 0,075 |
TB |
|
|
|
|
|
|
| 9,738 |
| |
c) Vẽ đồ thị:
Đồ thị v = v(t) có dạng là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ: vận tốc trơi tự do tăng tỉ lệ bậc nhất theo thời gian. Vậy, chuyển động rơi tự do là một chuyển động nhanh dần đều.
d) Tính
\(\begin{array}{*{35}{l}} \overline{g}=\frac{{{\text{g}}_{1}}+{{\text{g}}_{2}}+{{\text{g}}_{3}}+{{\text{g}}_{4}}}{4}=9,738 \\ \begin{array}{*{35}{l}} \Delta {{\text{g}}_{1}}=\left| \overline{g}-{{\text{g}}_{1}} \right|=|9,738-9,688|=0,051 \\ \Delta {{\text{g}}_{2}}=\left| \overline{g}-{{\text{g}}_{2}} \right|=|9,738-9,803|=0,153 \\ \Delta {{\text{g}}_{3}}=\left| \overline{g}-{{\text{g}}_{3}} \right|=|9,738-9,649|=0,089 \\ \Delta {{\text{g}}_{4}}=\left| \overline{g}-{{\text{g}}_{4}} \right|=|9,738-9,813|=0,075 \\ \end{array} \\ \end{array}\)
e, Kết quả của phép đo gia tốc rơi tự do là: \(g=\overline{g}\pm {{\left( \Delta \text{g} \right)}_{\text{max}}}=9,74\pm 0,15\,\,m/{{s}^{2}}\)
VII. CÂU HỎI
Bài 1 (trang 50 SGK Vật Lí 10). Khi tính g theo cách nêu trên, ta đã quan tâm chủ yếu đến loại sai số nào và bỏ qua không tính đến loại sai số nào? Vì sao?
Trả lời:
- Khi tính g theo cách nêu trên, ta quan tâm chủ yếu đến sai số ngẫu nhiên và bỏ qua sai số hệ thống (sai số của dụng cụ đo)
- Vì ở đây ta đo gia tốc rơi tự do gián tiếp qua s và t cũng như sai số phép đo chủ yếu gây ra bởi các yếu tố ngẫu nhiên nên ta bỏ qua sai số dụng cụ.
Bài 2 (trang 50 SGK Vật Lí 10). Em có thể đề xuất một phương án thí nghiệm khác, vẫn dùng các dụng cụ trên, để đo g đạt kết quả chính xác hơn.
Trả lời:
Phương pháp sử dụng bộ thí nghiệm nêu trên, nhưng đặt vị trí rơi của vật ở gần giữa thước đo trước khi thả rơi
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 10 bài Thực hành khảo sát chuyển động rơi tự do. Xác định gia tốc rơi tự do do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ