Giáo án Bài 11. Thực hành: Đo gia tốc rơi tự do

Huy động kiến thức về chuyển động rơi tự do đã học, xác định được cần đo đại lượng nào và công thức tính g để hoàn thành nhiệm vụ thực hành.

GV nêu câu hỏi: Nếu thả một viên bi từ nghỉ và đo được quãng đường rơi s cùng thời gian rơi t, em có thể tính gia tốc rơi tự do g được không? Bằng công thức nào? Đo s và t ở đâu, bắt đầu bấm đồng hồ lúc nào? HS ghi dự đoán cá nhân vào vở trong 2 phút, sau đó nêu nhiệm vụ của tiết học: thiết kế phương án, đo g bằng cổng quang và đồng hồ hiện số, xử lí số liệu và đánh giá sai số.

HS nêu được công thức $g=\frac{2s}{t^2}$ với vật rơi từ nghỉ, xác định được s là quãng đường rơi của cùng một mốc trên vật và t là thời gian từ lúc thả đến lúc vật chạm cổng; ghi được nhiệm vụ của tiết học vào vở.

Thiết kế được phương án đo g bằng cổng quang và đồng hồ hiện số; nêu được các điều kiện cần kiểm soát để giảm sai lầm trong đo đạc.

Nhóm 4 HS hoàn thành Phiếu học tập số 1, phần A (thiết kế phương án). Nhiệm vụ: (1) Nêu cách cân chỉnh giá thẳng đứng bằng dây dọi và chân đế ba vít; (2) Xác định vị trí thả bi bằng nam châm điện và thời điểm ngắt điện để kích đồng hồ; (3) Chọn vị trí cổng quang (ví dụ s = 40 cm) và giải thích vì sao đồng hồ chỉ đo khoảng thời gian chắn cổng chứ không phải toàn bộ thời gian rơi trừ khi cổng đặt đúng điểm bắt đầu; (4) Nêu các điều kiện an toàn và cách kiểm soát sai lầm (khay mềm, không đưa tay vào đường rơi, nam châm do GV kiểm tra).

Phương án gồm: giá đỡ được cân chỉnh thẳng đứng bằng dây dọi; bi được giữ bởi nam châm điện, khi ngắt điện bi rơi và đồng hồ bắt đầu đếm; đo s từ vị trí bi đứng yên đến vị trí cổng quang trên cùng mốc; chỉ dùng thời gian đo được khi thời điểm bắt đầu trùng sự thả; cần đo lặp ở nhiều độ cao (20, 40, 60, 80 cm). Điều kiện an toàn: khay mềm hứng vật, không đưa tay vào đường rơi.

Thực hành đo thời gian rơi t ứng với các quãng đường s khác nhau, tính được g từ từng lần đo và ghi đầy đủ số liệu vào bảng.

Nhóm thực hành với bộ thí nghiệm thật hoặc mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu: cân chỉnh giá, đặt cổng quang tại s = 40 cm, thực hiện 3 lần thả, ghi t và tính g = 2s/t². Sau đó đổi s = 20, 40, 60, 80 cm, mỗi vị trí đo tối thiểu 2 lần, ghi vào bảng ở Phiếu học tập số 2, phần A. Lưu ý: mỗi lần thả phải kiểm tra bi có nằm đúng tâm không, không đưa tay vào đường rơi.

Kết quả mẫu của mô phỏng: với s = 0,40 m, t = 0,286 s, g = $\frac{2 \times 0{,}40}{0{,}286^2}$ ≈ 9,78 m/s²; đo 3 lần được g = 9,76 ± 0,03 m/s². Khi đổi s = 20, 40, 60, 80 cm, các điểm (t², s) thẳng hàng qua gốc, hệ số góc cho g ≈ 9,75 m/s². Bảng số liệu ghi đủ s, t, t², g từng lần đo.

Vẽ được đồ thị $s$ theo $t^2$, xác định g từ hệ số góc; tính giá trị trung bình và sai số tỉ đối của g.

Nhóm vẽ đồ thị s theo t² trên giấy kẻ ô li (trục hoành t², trục tung s), kẻ đường thẳng đi qua gốc, tính hệ số góc k và suy ra g = 2k. Sau đó tính giá trị trung bình g và sai số tuyệt đối Δg, sai số tỉ đối $\frac{\Delta g}{g}$, đối chiếu với công thức ước lượng $\delta g \approx \delta s + 2\delta t$. Hoàn thành phần B và C của Phiếu học tập số 2.

Đồ thị là đường thẳng đi qua gốc, hệ số góc k ≈ 4,9 m/s² (tương ứng g ≈ 9,8 m/s²; kết quả mô phỏng g ≈ 9,75 m/s²). Với kết quả mô phỏng g = 9,76 ± 0,03 m/s², sai số tỉ đối $\frac{0{,}03}{9{,}76} \approx 0{,}3\%$. Nêu được: sai số t ảnh hưởng g theo hệ số gần 2, nên cần đo t cẩn thận hơn đo s.

Vận dụng công thức tính g, dự đoán thời gian rơi, ước lượng sai số và nhận diện điều kiện đúng khi đo g.

HS làm nhanh bộ bài tập sau trong nhóm, ghi đáp án vào vở rồi đối chiếu với GV: (1) Vật rơi từ nghỉ có s = 0,45 m, t = 0,30 s. Tính g. (2) Đồ thị s theo t² có độ dốc 4,9 m/s². Tính g. (3) s = 0,80 m, g = 10 m/s². Dự đoán thời gian rơi. (4) Sai số tỉ đối của s là 1%, của t là 0,5%. Ước lượng sai số tỉ đối của g. (5) Đại lượng trên trục ngang để đồ thị lí tưởng là đường thẳng qua gốc: A. t²; B. t; C. 1/t; D. √t. (6) Đúng hay sai: a) Vật cần thả từ nghỉ khi dùng 2s/t²; b) Nên cố định giá; c) Thời gian chắn cổng luôn là thời gian rơi; d) Phải ghi rõ số liệu minh hoạ nếu chưa đo thật. (7) Khi cùng s, nhập t lớn hơn thật thì g tính ra thế nào?

Đáp án: (1) g = 2 × 0,45/0,30² = 10 m/s². (2) g = 2 × 4,9 = 9,8 m/s². (3) t = √(2 × 0,80/10) = 0,40 s. (4) δg ≈ 1 + 2 × 0,5 = 2%. (5) Đáp án A (s = (g/2)t²). (6) a) Đ; b) Đ; c) S (hai khoảng thời gian khác ý nghĩa); d) Đ. (7) Đáp án C: g nhỏ hơn, vì g tỉ lệ nghịch với t².

Vận dụng kiến thức sai số để giải thích kết quả đo g lệch khỏi giá trị chuẩn và đề xuất cách hiệu chỉnh; liên hệ ứng dụng hiệu chuẩn cảm biến gia tốc và đo địa trọng lực.

GV nêu tình huống: Một nhóm đo với s = 0,45 m, nhưng đồng hồ ghi t = 0,31 s do nam châm nhả bi trễ (thời gian thật là 0,30 s). Tính g nhóm tính được và tỉ lệ sai lệch so với 10,0 m/s². Giao về nhà: dùng thí nghiệm vật lí ảo NeoEdu (có phiếu báo cáo) để đo g và so sánh với kết quả lớp; nêu một ứng dụng của đo gia tốc rơi tự do trong thực tế (hiệu chuẩn cảm biến gia tốc, khảo sát địa trọng lực).

Kết quả: g = 2 × 0,45/0,31² ≈ 9,4 m/s², nhỏ hơn 10,0 m/s² khoảng 6%; nguyên nhân là t đo lớn hơn thật, phù hợp kết luận g tỉ lệ nghịch với t². HS nêu được ít nhất một ứng dụng: hiệu chuẩn cảm biến gia tốc hoặc đo địa trọng lực để khảo sát khoáng sản.