Giải Bài 8 Vật Lí 10: Thực Hành: Khảo Sát Chuyển động Rơi Tự Do. Xác ...

Nội dung bài học gồm ba phần:

• Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm
• Viết báo cáo thực hành
• Trả lời câu hỏi SGK trang 50

A. Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm

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 $s\sim t^{2}$, 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 lý thuyết

• Thả một vât từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phương thẳng đứng => Vật chuyển động rơi tự do.
• Vật chuyển động nhanh dần đều với gia tốc a, vận tốc đầu v0 = 0 thì:

$s=\frac{1}{2}at^{2}$

• Đồ thị biểu diễn quan hệ s và $t^{2}$ có dạng một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có hệ số góc:

$tan\alpha =\frac{a}{2}$

III. Dụng cu thí nghiệm

Chuẩn bị các dụng cụ sau:

1. Giá đỡ thẳng đứng có dây dọi và ba chân có vít điều chỉnh thăng bằng.
2. Trụ bằng sắt làm vật rơi tự do.
3. Nam châm điện N có hộp công tắc đóng ngăt điện để giữ và thả vật rơi.
4. Cổng quang điện E.
5. Đồng hồ đo thời gian hiện số, độ chia nhỏ nhất 0,001s
6. Thước thẳng 800m gắn chặt vào giá đỡ.
7. Một chiếc eke vuông ba chiều
8. Một hộp đựng cát khô

IV. 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 $\leftrightarrow $ 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).

V. 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.

B. Báo cáo 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 ?

Hướng dẫn:

• 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:

$g=\frac{2s}{t^{2}}$

• Trong đó:

s: quãng đường đi được của vật rơi tự do (m).

t : thời gian vật rơi tự do (s).

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 = 0 (mm).

Vẽ đồ thị: Dựa vào kết quả trong Bảng 8.1, chọn tỉ lệ thích hợp trên các trục tung và trục hoành để vẽ đồ thị s = s($t^{2}$)

a) Từ $s=\frac{1}{2}gt^{2}$ => $s=\frac{gX}{2}$ với X = $t^{2}$, ở đây t là biến nên X cũng là biến.

Ta nhận thấy sự phụ thuộc của s theo ẩn X là một hàm số bậc nhất:

Y = A.X + B (với A = $\frac{g}{2}$, B = 0) nên đồ thị s = s($t^{2}$) = s(X) có dạng là một đường thẳng. Như vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.

• Nhận xét: Đồ thị s = s($t^{2}$) có dạng một đường thẳng. Như vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động thẳng 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:

$g=\frac{2s}{t^{2}}$

và vận tốc rơi tại cổng E theo công thức: $v=\frac{2s}{t}$ ứng với mỗi lần đo. Hãy tính các giá trị trên và ghi vào bảng 8.1.

c) Vẽ đồ thị v = v(t) dựa trên số liệu của bảng 8.1, để một lần nữa nghiệm lại tính chất của chuyển động rơi tự do.

• Đồ thị v = v(t) có dạng một đường thẳng, tức là vận tốc rơi tự do tăng dần theo thời gian. Vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.

d) Ta có:

$\overline{g}=\frac{g_{1}+g_{2}+g_{3}+g_{4}}{4}=\frac{6,339+18,262+10,342+9,584}{4}=11,132$

$\Delta g_{1}=|\overline{g}-g_{1}|=|11,132-6,339|=4,793$

$\Delta g_{2}=|\overline{g}-g_{2}|=|11,132-18,262|=7,13$

$\Delta g_{3}=|\overline{g}-g_{3}|=|11,132-10,342|=0,79$

$\Delta g_{4}=|\overline{g}-g_{4}|=|11,132-9,584|=1,548$

e, Kết quả của phép đo gia tốc rơi tự do là:

g = $\overline{g}\pm (\Delta g)_{max})=11,132\pm 7,13$ (m/s$^{2}$)

C. Trả lời câu hỏi SGK trang 50

1. 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?

Hướng dẫn:

• 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.

2. 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.

Hướng dẫn:

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