Khảo sát độ lớn lực hướng tâm theo bán kính, tốc độ góc và khối lượng — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Thiết bị thí nghiệm quay tay này chỉ cho biết số vạch trên hai thước đo — liệu có thể dùng nó để xác định mối quan hệ định lượng giữa F với m, r, ω không?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: Fn = mω²r (Cố định biến số)
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Vật lý 10 (SGK GDPT 2018) · Chương VI Bài 2 (trang 27–29)
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (8 bước)
- Bước 1 (Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm): Thiết bị này tên là gì? Tay quay, puli bậc, rãnh dài, tay ngang, ống lồng, thước đo có tác dụng gì? Tại sao giá trị đọc được là “số vạch” chứ không phải “Newton”? — Kết luận: Quả cầu chuyển động tròn đều, lực hướng tâm do áp lực của tấm chắn tay ngang tác dụng lên quả cầu cung cấp; phản lực của quả cầu lên tấm chắn truyền qua đòn bẩy làm ống lồng hạ xuống, để lộ thước đo. SGK trang 29 nêu rõ: “Dựa vào các vạch chia đều đỏ trắng xen kẽ lộ ra trên thước đo, có thể tính sơ bộ tỉ số lực hướng tâm tác dụng lên hai quả cầu” — thiết bị này cho biết tỉ số chứ không cho biết mỗi lực bằng bao nhiêu Newton. |
Fn = mω²r - Bước 2 (Kiểm tra thiết bị): Tại sao trước tiên phải chỉnh hai quả cầu về “cùng khối lượng, cùng bán kính, cùng tốc độ góc”? Khi đó hai thước đo phải lộ số vạch bằng nhau, nếu lộ khác nhau thì chứng tỏ điều gì? — Kết luận: Thí nghiệm ở SGK tr.29 cho hai quả cầu quay đồng thời và đọc số đồng thời, nên nếu bất kỳ đại lượng nào khác nhau thì kết quả đọc được không còn là ảnh hưởng của riêng một đại lượng đó; sau khi cả bốn mục khớp nhau và hai thước đo cao bằng nhau (tỉ số vạch 1.00), thiết bị mới coi là “đã hiệu chỉnh xong” — đây cũng là tiền đề để ba bước tiếp theo có giá trị. |
Tỉ số m = Tỉ số r = Tỉ số ω = 1 - Bước 3 (Quan hệ với khối lượng): Chỉ đổi quả cầu, giữ nguyên các yếu tố khác: số vạch lộ ra có tăng gấp đôi không? Tại sao không được đồng thời dịch quả cầu ra xa hơn? — Kết luận: Khi chỉ thay đổi khối lượng, tỉ số vạch bằng tỉ số khối lượng ⟹ F ∝ m. Câu hỏi ở SGK tr.29 “Làm thế nào để khi thay đổi một đại lượng vật lý thì vẫn giữ các đại lượng vật lý khác không đổi” được trả lời ngay tại đây: khi đã đổi khối lượng quả cầu thì bậc bán kính và bậc dây đai tuyệt đối không được chạm vào. |
F ∝ m (r, ω không đổi) - Bước 4 (Quan hệ với bán kính): Chuyển quả cầu ở rãnh dài sang vị trí 6.0 cm, 8.0 cm thì số vạch tăng gấp mấy lần? Tỉ lệ thuận với bán kính hay tỉ lệ thuận với bình phương bán kính? — Kết luận: Khi chỉ thay đổi bán kính, tỉ số vạch bằng tỉ số bán kính ⟹ F ∝ r (bậc nhất, không phải bình phương); bán kính tăng gấp đôi thì lực cũng tăng gấp đôi, đồng thời tốc độ dài cũng tăng gấp đôi (v = ωr) — vì vậy “F ∝ v²” và “F ∝ r” hoàn toàn không mâu thuẫn: khi v tăng thì r cũng tăng. |
F ∝ r (m, ω không đổi) - Bước 5 (Quan hệ với tốc độ góc): Chuyển dây đai từ cùng tầng sang lệch một tầng, lệch hai tầng, quả cầu phải quay nhanh gấp 2 lần, 3 lần — số vạch có tăng gấp 2 lần, 3 lần không? — Kết luận: Tốc độ góc quả cầu phải tăng 2 lần thì lực hướng tâm tăng 4 lần; tăng 3 lần thì lực tăng 9 lần ⟹ F ∝ ω² (không phải bậc nhất theo ω). Bài tập 3 SGK tr.26 nêu “truyền động ma sát không trượt → ω tỉ lệ nghịch với r” chính là nguồn gốc của tỉ số puli bậc 1:2:3 ở bước này. |
F ∝ ω² (m, r không đổi) - Bước 6 (Tổng hợp ba quan hệ thành một công thức): Gộp cả ba đại lượng lại thì viết thế nào? Khi cả ba đại lượng đều khác nhau, tỉ số vạch có thể vẫn bằng 1.00 được không? — Kết luận: Gộp cả ba đại lượng lại ta được Fn = mω²r; kết hợp với v = ωr suy ra ngay Fn = m v²/r (hai công thức đóng khung đỏ trên cùng trang 29 SGK). Hai chế độ khác nhau có thể ghép ra cùng một tỉ số vạch chỉ khi “số mũ của ba đại lượng lần lượt là 1, 1, 2” — đây là bằng chứng thuyết phục nhất của bài học này. |
Fn = mω²r = m v²/r - Bước 7 (Sai số & Thao tác sai): Khi dây đai tuột ra, tại sao thước đo bên phải không lộ vạch nào? Sau khi bật chế độ “Dụng cụ thực tế”, tại sao tỉ số vạch lại thành 0.29 chứ không phải 0.25? — Kết luận: Dây đai trượt làm quả cầu phải quay chậm hơn mức danh định → lực hướng tâm bên phải nhỏ hơn → tỉ số vạch lớn hơn (chiều sai lệch cố định ở A2.18, có thể tính kiểm chứng); vài phần trăm chênh lệch ở tỉ số vạch không phải do định luật sai, mà chính là điều SGK gọi là “ước tính sơ bộ”: thước đo chỉ đếm được số vạch nguyên (mỗi bên ±0.5 vạch, cận trên sai số tỉ số là 0.5/trái + 0.5/phải). |
Tỉ số vạch_thực = Tỉ số vạch_danh định ÷ 0.94² - Bước 8 (Kiểm tra · ω là hàm bình phương): Hai quả cầu có cùng khối lượng, cùng bán kính, chỉ thay đổi bậc dây đai — dùng thước đo ghi 3 bộ dữ liệu, liệu có thể xác định ngay tại chỗ tỉ số vạch tỉ lệ thuận với (tỉ số tốc độ góc)² không? — Kết luận: Không có kết luận mới: vận dụng lại phương pháp ở Bước 5 — chỉ thay đổi một đại lượng + tỉ số vạch hai thước đo + đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Kiểm tra bình phương của ω thay vì bậc nhất của r vì học sinh dễ sai nhất ở chỗ này (tưởng quay nhanh gấp 2 lần thì số vạch chỉ tăng gấp 2 lần). |
F ∝ ω²: Hệ số góc = 1
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Khảo sát độ lớn lực hướng tâm theo bán kính, tốc độ góc và khối lượng · Trang chủ VietLab 3D