Giáo án Bài 6. Thực hành: Đo tốc độ của vật chuyển động

Nêu được vấn đề cần giải quyết: vì sao nên đo tốc độ bằng cổng quang điện thay vì đồng hồ bấm tay; xác định các đại lượng cần đo để tính tốc độ trung bình và tốc độ tức thời.

GV chiếu hình ảnh cảm biến bắn tốc độ phương tiện giao thông và cảnh chạy thi có cổng điện tử. GV nêu ba câu hỏi:

• Câu 1: Cảm biến bắn tốc độ phương tiện cần đo đại lượng nào để tính tốc độ?
• Câu 2: Vì sao đồng hồ bấm tay cho kết quả kém chính xác?
• Câu 3: Muốn đo tốc độ viên bi trên máng nghiêng, cần đo những đại lượng nào?
  GV dẫn vào nhiệm vụ: đo tốc độ trung bình giữa hai cổng và tốc độ tức thời tại một cổng, sau đó đánh giá sai số.

Dự kiến HS trả lời:

• Câu 1: Cần đo quãng đường và thời gian tương ứng; tốc độ bằng quãng đường chia cho thời gian.
• Câu 2: Thời gian bấm tay phụ thuộc phản xạ của người nên sai số lớn; cổng quang điện và đồng hồ hiện số đo chính xác đến 0,001 s nên khách quan hơn.
• Câu 3: Cần đo khoảng cách hai cổng $s$ và thời gian đi giữa hai cổng $\Delta t$; hoặc đo chiều dài chắn tia $d$ của viên bi và thời gian chắn tia.
  Nhiệm vụ chốt: đo $\bar{v}$ giữa hai cổng, đo $v$ tại một cổng, lặp lại ba lần, tính trung bình và đánh giá sai số.

Nêu được chức năng của cổng quang điện và các chế độ đồng hồ; trình bày được hai phương án đo; vận dụng được công thức tính tốc độ.

HS làm việc theo cặp đôi, đọc mục Hiểu bản chất và điều kiện áp dụng, Khái niệm, Công thức và Ví dụ trong sách, rồi hoàn thành Phiếu học tập số 1. GV làm mẫu nhanh cách đặt cổng quang điện và chọn chế độ A, B, A↔B trên đồng hồ.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Muốn đo tốc độ trung bình giữa hai cổng, cần đo độ dài nào và thời gian nào?
• Muốn đo tốc độ tại một cổng, thay độ dài nào bằng $d$? Vì sao không thay $s$ bằng $d$?
• Với hai dữ liệu minh hoạ (hai cổng cách 0,40 m, thời gian 0,50 s; tấm chắn 0,020 m chắn tia 0,020 s), tốc độ là bao nhiêu?

Kết quả trên Phiếu học tập số 1:

• Tốc độ trung bình giữa hai cổng: $\bar{v}=\dfrac{s}{\Delta t}$, với $s$ là khoảng cách hai cổng, $\Delta t$ là thời gian đi giữa hai cổng.
• Tốc độ tức thời gần đúng tại một cổng: $v=\dfrac{d}{\Delta t}$, với $d$ là chiều dài chắn tia (hoặc đường kính bi) theo hướng chuyển động, $\Delta t$ là thời gian chắn tia.
• Ví dụ minh hoạ: $\bar{v}=\dfrac{0{,}40}{0{,}50}=0{,}80\ \mathrm{m/s}$; $v=\dfrac{0{,}020}{0{,}020}=1{,}00\ \mathrm{m/s}$.
• Kết luận HS rút ra: không thay $s$ bằng $d$ hoặc ngược lại; khoảng chắn càng ngắn thì kết quả tại cổng càng gần tốc độ tức thời; chế độ A↔B đo thời gian giữa hai cổng, chế độ B đo thời gian chắn tia tại cổng B.

Đo được tốc độ trung bình giữa hai cổng và tốc độ tức thời tại một cổng của viên bi bằng cổng quang điện; đánh giá được sai số của kết quả đo.

Nhóm 4 HS thực hành theo Phiếu học tập số 2. Trình tự:

• Bước 1: Dùng thước kẹp đo đường kính viên bi $d$ ba lần, lấy trung bình.
• Bước 2: Đặt cổng A và cổng B cách nhau $s$ (đo bằng thước); đặt đồng hồ ở chế độ A↔B, thả bi từ cùng một điểm, không đẩy; đo $t_{AB}$ và lặp lại ba lần.
• Bước 3: Chuyển đồng hồ sang chế độ B, thả bi, đo thời gian bi chắn cổng B $\Delta t_B$; lặp lại ba lần.
• Bước 4: Tính giá trị trung bình, tốc độ trung bình, tốc độ tức thời và sai số.
  GV nhắc: kiểm tra nguồn thấp áp, cố định máng, đặt khay hứng bi an toàn. Nếu lớp thiếu thiết bị, nhóm dùng mô phỏng 3D trong trang bài học NeoEdu để thực hiện cùng trình tự.
  Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao phải chọn đúng chế độ đồng hồ? Vì sao $v_B$ lớn hơn $\bar{v}_{AB}$?

Kết quả tham khảo (theo mô phỏng NeoEdu, cần ghi rõ là dữ liệu mô phỏng):

• Đường kính bi: $d=20{,}00\ \mathrm{mm}=0{,}0200\ \mathrm{m}$.
• Thời gian giữa hai cổng: $t_{AB}\approx 0{,}506\ \mathrm{s}$; tốc độ trung bình: $\bar{v}_{AB}=\dfrac{0{,}50}{0{,}506}\approx 0{,}99\ \mathrm{m/s}$.
• Thời gian chắn cổng B: $\Delta t_B\approx 0{,}0153\ \mathrm{s}$; tốc độ tức thời: $v_B=\dfrac{d}{\Delta t_B}\approx 1{,}30\ \mathrm{m/s}$.
• Nhận xét: $v_B$ lớn hơn $\bar{v}_{AB}$ vì viên bi lăn nhanh dần, tốc độ tăng dần theo đoạn đường.
• Sai số: tính $\bar{t}$ của ba lần đo; lấy độ lệch lớn nhất $|t_i-\bar{t}|$ làm sai số ngẫu nhiên; đánh giá sai số dụng cụ (thước kẹp, đồng hồ 0,001 s); sai số tỉ đối $\delta=\dfrac{\Delta A}{A}\cdot 100\%$.
• Bảng số liệu nhóm ghi đủ $s$, $d$, các thời gian, đơn vị và sai số.

Vận dụng được công thức tính tốc độ và cách tính sai số; nhận biết lỗi thường gặp khi đo tốc độ.

HS làm bài tập nhanh bằng bảng con (kĩ thuật trả lời đồng thời), sau đó đổi bảng với bạn cùng bàn để kiểm tra. GV chiếu lần lượt các đề sau:

• Câu 1: Hai cổng cách 0,60 m, thời gian đi giữa cổng 0,75 s. Tốc độ trung bình bao nhiêu m/s?
• Câu 2: Tấm chắn dài 0,030 m chắn tia 0,050 s. Tốc độ gần đúng bao nhiêu m/s?
• Câu 3: Ba thời gian 0,49 s; 0,50 s; 0,51 s. Thời gian trung bình bao nhiêu s?
• Câu 4: Khoảng cách 0,50 m, sai số 0,005 m. Sai số tỉ đối bao nhiêu phần trăm?
• Câu 5: Muốn đo tốc độ tại một cổng, độ dài dùng là gì? A. Độ cao giá đỡ; B. Chiều dài chắn tia theo hướng chuyển động; C. Khoảng cách hai cổng bất kì; D. Chiều dài cả bàn.
• Câu 6: Đánh giá thực hành: a) Cần khay hứng bi; b) Có thể đẩy mạnh khác nhau mỗi lần rồi coi điều kiện giống nhau; c) Cần ghi đơn vị từng cột; d) Tốc độ giữa hai cổng luôn là tốc độ tại cổng cuối. Ghi Đ hoặc S.
• Câu 7: Nếu chiều dài chắn tia nhập lớn gấp đôi thực tế, thời gian đúng, tốc độ tính thế nào? A. Bằng nửa; B. Không đổi; C. Bằng 0; D. Lớn gấp đôi.

Đáp án:

• Câu 1: $v=\dfrac{0{,}60}{0{,}75}=0{,}80\ \mathrm{m/s}$.
• Câu 2: $v=\dfrac{0{,}030}{0{,}050}=0{,}60\ \mathrm{m/s}$.
• Câu 3: $\bar{t}=\dfrac{0{,}49+0{,}50+0{,}51}{3}=0{,}50\ \mathrm{s}$.
• Câu 4: $\delta=\dfrac{0{,}005}{0{,}50}\cdot 100\%=1\%$.
• Câu 5: B, vì thời gian chắn tia ứng với chiều dài vật chắn theo hướng chuyển động.
• Câu 6: a) Đ; b) S (làm thay đổi điều kiện ban đầu, phải thả cùng điểm, không đẩy); c) Đ; d) S (nhầm tốc độ trung bình với tốc độ tức thời).
• Câu 7: D, vì $v=\dfrac{d}{\Delta t}$; khi $d$ tăng gấp đôi, $v$ tính được tăng gấp đôi.
  Lỗi thường gặp cần nhấn mạnh: chọn sai chế độ đồng hồ; bỏ qua sai số dụng cụ khi ghi kết quả.

Lập được báo cáo thực hành có bảng số liệu, kết quả, đơn vị và nhận xét sai số; liên hệ phương pháp đo với các ứng dụng thực tế.

GV yêu cầu HS lập báo cáo mẫu với dữ liệu minh hoạ: khoảng cách $s=0{,}36\ \mathrm{m}$; các thời gian $t=0{,}60\ \mathrm{s}$, $0{,}61\ \mathrm{s}$, $0{,}59\ \mathrm{s}$. Báo cáo gồm: bảng số liệu, thời gian trung bình, tốc độ trung bình, nhận xét về độ phân tán và điều kiện an toàn.
Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao phải ghi rõ dữ liệu này là minh hoạ? Nếu chưa biết sai số của thước và đồng hồ thì có kết luận được sai số tổng không? Cổng quang điện được dùng để bắn tốc độ phương tiện và đo thành tích chạy như thế nào?
GV giao về nhà: hoàn thiện báo cáo của nhóm mình theo mẫu.

Gợi ý báo cáo mẫu (thang chấm 1 điểm, mỗi ý 0,25 điểm):

• Bảng dữ liệu: $s=0{,}36\ \mathrm{m}$; $t_1=0{,}60\ \mathrm{s}$, $t_2=0{,}61\ \mathrm{s}$, $t_3=0{,}59\ \mathrm{s}$ (dữ liệu minh hoạ).
• Thời gian trung bình: $\bar{t}=\dfrac{0{,}60+0{,}61+0{,}59}{3}=0{,}60\ \mathrm{s}$.
• Tốc độ trung bình: $\bar{v}=\dfrac{0{,}36}{0{,}60}=0{,}60\ \mathrm{m/s}$, ghi đúng đơn vị.
• Nhận xét sai số: độ phân tán thời gian khoảng 0,01 s; chưa đủ thông tin để kết luận sai số tổng nếu chưa biết sai số của thước và đồng hồ; cần giữ máng và điểm thả cố định, hứng bi an toàn.
  Ứng dụng: cảm biến bắn tốc độ phương tiện và cổng điện tử đo thành tích chạy đều dựa trên việc đo độ dài và thời gian tương ứng như trong bài.