Thí nghiệm: Khảo sát mối liên hệ giữa gia tốc với lực và khối lượng — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Không đo lực trực tiếp, cũng không đo gia tốc trực tiếp — chỉ với một băng giấy và vài quả nặng có rãnh, liệu có thể xác định được mối quan hệ giữa a với F và m hay không?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: a = F/m (Phương pháp giữ biến cố định)
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Vật lý 10 · Chương IV Bài 2 (SGK tr. 88–93)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (8 bước)
- Bước 1 (Làm quen dụng cụ): Các dụng cụ trên bàn dùng để làm gì? Tại sao đầu máng phía gắn đồng hồ đánh dấu lại phải kê cao lên? — Kết luận: Thí nghiệm này lấy trọng lượng của các quả nặng treo làm lực kéo (SGK tr. 88 “Lực kéo tác dụng lên xe lăn có thể coi bằng trọng lượng của các quả nặng treo”), dùng băng giấy để tính gia tốc (tr. 89 Phương pháp 2), dùng cân để đo khối lượng (tr. 89) — bộ thí nghiệm theo đúng Phương án tham khảo 1 ở Hình 4.2-2. |
F = m_h·g, m đọc từ cân, a tính từ băng giấy - Bước 2 (Cân bằng lực cản): Tại sao phải kê cao một đầu máng gỗ? Kê đến mức nào thì coi là “đã cân bằng tốt”? Nếu kê quá cao thì sao? — Kết luận: Cân bằng lực cản chính là làm cho thành phần trọng lực dọc theo máng gỗ vừa vặn triệt tiêu lực ma sát (SGK tr. 90 “Sao cho khi không chịu lực kéo, xe lăn có thể kéo theo băng giấy chuyển động thẳng đều dọc theo máng gỗ”); tiêu chí kiểm tra là khoảng cách giữa các chấm trên băng giấy đều nhau chứ không phải “cứ kê lên là xong”; nếu kê quá cao sẽ làm dư ra một lượng gia tốc μ·g = 0.196 m/s². |
m·g·sinθ₀ = μ·m·g·cosθ₀ → tanθ₀ = μ - Bước 3 (Gõ chấm trên băng giấy): Bật nguồn điện trước hay thả xe lăn trước? Nếu làm ngược trình tự thì trên băng giấy sẽ bị mất đi phần nào? — Kết luận: SGK tr. 37 “Đặt xe lăn dừng ở vị trí gần đồng hồ đánh dấu. Khởi động bộ đếm thời gian, sau đó thả xe lăn…… Ngay sau đó, lập tức tắt nguồn điện”; đồng hồ đánh dấu dùng nguồn điện xoay chiều 50 Hz, cứ 0.02 s gõ một chấm, do đó “giữa hai điểm đếm liên tiếp có 4 chấm không vẽ ra” = khoảng thời gian giữa hai điểm đếm là 0.1 s. |
T = 4 × 0.02 s = 0.1 s - Bước 4 (Tính gia tốc): Làm thế nào để từ một băng giấy tìm ra gia tốc a? Tại sao không dùng trực tiếp công thức a = 2x/t²? — Kết luận: Hiệu hai quãng đường liên tiếp không đổi ⟹ chuyển động nhanh dần đều; vₙ = (xₙ + xₙ₊₁)/(2T) (SGK tr. 23–24 “Dùng vận tốc trung bình trên đoạn nhỏ để đại diện cho vận tốc tức thời tại điểm chính giữa”), hệ số góc của đường thẳng nối 3 điểm chính là gia tốc a (mục Phân tích dữ liệu tr. 37 SGK). Vì băng giấy đã lược bỏ các chấm dày đặc ở đoạn đầu nên vận tốc tại mốc đầu v₀ = 0.40 m/s ≠ 0, do đó không thể áp dụng công thức a = 2x/t². |
vₙ = (xₙ + xₙ₊₁)/(2T)；a = [(x₃+x₄) − (x₁+x₂)]/(4T²) - Bước 5 (Quan hệ giữa a và F): Giữ nguyên khối lượng xe lăn, treo thêm mỗi lần một quả nặng thì a thay đổi bao nhiêu? Biểu diễn 5 điểm đo lên đồ thị sẽ thu được hình dạng gì? — Kết luận: Giữ biến cố định: khi chỉ thay đổi lực kéo thì a ∝ F; đồ thị a–F là đường thẳng đi qua gốc tọa độ (SGK tr. 91 “Nếu các điểm này nằm sát một đường thẳng đi qua gốc tọa độ thì chứng tỏ gia tốc a tỉ lệ thuận với lực kéo F”), hệ số góc chính là 1/m. Năm giá trị này trùng khớp từng chữ số với Bảng 4 trong SGK — trong đó ô 0.67 trong SGK để trống yêu cầu học sinh tự điền (tính theo a = F/m ra đúng 0.67). |
a = F / m (m không đổi) · k_F = Σ(F·a)/ΣF² - Bước 6 (Quan hệ giữa a và m): Giữ lực kéo không đổi, vẽ đồ thị a theo m ta thấy điều gì? Tại sao SGK lại chuyển sang vẽ đồ thị a–1/m? — Kết luận: Từ đường cong hypebol rất khó kết luận trực tiếp mối quan hệ tỉ lệ nghịch (SGK tr. 91 “Chúng ta rất khó nhận biết trực quan bằng mắt thường xem đường cong có phải là hypebol hay không”); khi đổi sang trục a–1/m, nếu đồ thị là đường thẳng đi qua gốc tọa độ thì có thể khẳng định ngay a ∝ 1/m (nguyên văn SGK tr. 92) — bước này chính là phép đổi trục từ Hình 4.2-4 → Hình 4.2-5 → Hình 4.2-7 trong SGK. Năm con số này trùng khớp với Bảng 5 SGK, trong đó ô ứng với m = 0.31 kg là ô trống để học sinh tự tính điền vào kết quả 0.94. |
a ∝ 1/m (F không đổi) · k_R = Σ((1/m)·a)/Σ(1/m)² - Bước 7 (Sai số): Nếu máng gỗ chưa được kê cân bằng tốt, hoặc quả nặng treo quá nặng, đồ thị a–F sẽ biến dạng như thế nào? Hai lỗi này biểu hiện trên đồ thị có giống nhau không? — Kết luận: Dấu của giao điểm trục tọa độ giúp nhận biết ngay trạng thái: cắt trục F ở nửa trục dương = chưa triệt tiêu hết ma sát (chưa cân bằng đủ); cắt trục a ở nửa trục dương = kê máng quá dốc. Khi khối lượng quả nặng treo không thỏa mãn điều kiện “rất nhỏ so với khối lượng xe lăn” thì giả thiết F = m_h·g không còn đúng nữa (chú thích lề tr. 88 SGK “điều kiện là khối lượng quả nặng treo phải nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng xe lăn”), biểu hiện thành đường đồ thị bị uốn cong xuống ở phần đầu trên và khối lượng tính từ hệ số góc bị lớn hơn thực tế. |
a = F/m ∓ μ·g (Tung độ gốc) · a_thực/a_lý_thuyết − 1 = −m_h/(m+m_h) - Bước 8 (Thực hành đánh giá): Chỉ với các quả nặng treo, băng giấy và một tờ giấy kẻ ô, không dùng cân, liệu có thể xác định được khối lượng của xe lăn hay không? — Kết luận: Không có kết luận mới: vận dụng tổng hợp 7 bước trước — giữ biến cố định (m không đổi) + đo gia tốc a từ băng giấy + hệ số góc đường thẳng qua gốc tọa độ = 1/m. Đây chính là phiên bản định lượng của mệnh đề ở tr. 91 SGK. |
k_F = 1/m → m_đo = 1/k_F; |m_đo − m|/m ≤ 5 %
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Thí nghiệm: Khảo sát mối liên hệ giữa gia tốc với lực và khối lượng · Trang chủ VietLab 3D