Thí nghiệm: Kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng — Mô phỏng 3D Tương tác (Vật lý THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Khi quả nặng rơi xuống, liệu độ giảm thế năng trọng trường có chuyển hóa vừa vặn thành độ tăng động năng hay không? Chỉ với một băng giấy, làm thế nào để kiểm chứng điều đó?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: ½v² = gh (Đo vận tốc từ băng giấy)
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Vật lý 10 · Chương VIII Bài 5 (SGK tr. 95–98)
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? Các chấm trên băng giấy do thiết bị nào tạo ra? Quả nặng được gắn vào đầu dưới băng giấy như thế nào? — Kết luận: SGK tr. 96: Sử dụng đồng hồ đánh dấu để ghi lại quá trình rơi tự do của quả nặng. Ba đại lượng có ba cách đo riêng biệt — khối lượng đo bằng cân (tr. 96), độ cao rơi đo bằng thước thẳng từ điểm O đến các điểm trên băng giấy (tr. 98 Hình 8.5-5), vận tốc tính từ ba chấm liên tiếp (tr. 97 Hình 8.5-3); và điều kiện để cơ năng bảo toàn là chỉ có trọng lực sinh công (tr. 95). |
ΔEp = mgh_B，ΔEk = ½mv_B² - Bước 2 (Bật nguồn trước, thả vật sau): Ở bước này cần làm việc gì trước? Nếu buông tay thả vật trước rồi mới bật nguồn điện thì trên băng giấy sẽ bị mất đi phần nào? — Kết luận: Nguyên văn SGK tr. 98 “Trong thí nghiệm, bật nguồn điện trước, sau đó mới thả quả nặng”; đồng hồ đánh dấu dùng nguồn xoay chiều 50 Hz, cứ cách 0.02 s lại gõ một chấm (Vật lý 10 tr. 18), do đó khoảng thời gian giữa hai chấm liên tiếp là T = 0.02 s. |
T = 0.02 s (50 Hz) · Đoạn trống = ½g(0.10 s)² = 49.0 mm - Bước 3 (Chọn điểm đo): Bắt đầu đo từ đâu? Cụm các chấm dày đặc sát điểm O có dùng ngay được không? Nên chọn chấm thứ mấy làm điểm B để đo được chính xác? — Kết luận: Ở Hình 8.5-5 tr. 98 SGK, sát cạnh điểm O là một chuỗi các chấm khích nhau, nếu lấy điểm đo quá gần O sẽ có sai số lớn; đáp án cho câu hỏi ở tr. 96 SGK “Nên chọn hai vị trí nào làm vị trí đầu và vị trí cuối của quá trình” là: chọn hai vị trí cách xa nhau và có vết chấm rõ nét — h càng lớn thì sai số tỉ đối ứng với độ chia 0.1 mm càng nhỏ. |
δh/h = 0.1 mm ÷ h_B - Bước 4 (Đo h và tính v): Vận tốc v_B được tính từ hai điểm nào? Tại sao không tính bằng (h_C − h_B)/T? — Kết luận: Nguyên văn Hình 8.5-3 tr. 97 SGK: “Vận tốc tức thời tại điểm B bằng vận tốc trung bình giữa hai điểm A và C” — vận tốc tức thời tại thời điểm chính giữa của chuyển động biến đổi đều bằng vận tốc trung bình trong khoảng thời gian đó, nên phải lấy độ dịch chuyển giữa A và C chia cho 2T; đáp án Bài tập 1 tr. 98 SGK chính là ΔEp = mgh_B, ΔEk = ½mv_B² (không được lấy g nhân t để tính v, cũng không được lấy (h_C − h_B)/T làm vận tốc tại B). |
v_B = (h_C − h_A)/(2T) · ΔEp = mgh_B · ΔEk = ½mv_B² - Bước 5 (Ghi số liệu và vẽ đồ thị): Biểu diễn 4 điểm đo lên đồ thị ½v²–h sẽ thu được hình dạng gì? Hệ số góc bằng bao nhiêu khi so sánh với g? — Kết luận: Vẽ đồ thị ½v² theo h thu được đường thẳng đi qua gốc tọa độ chính là hệ quả trực tiếp khi giản ước khối lượng m ở phương trình bảo toàn cơ năng tại mục “Phân tích dữ liệu” tr. 96 SGK (½v² = gh); hệ số góc chính là gia tốc trọng trường g đo được từ băng giấy, so sánh nó với 9.8 m/s² chính là bước “kiểm chứng”. Nguyên văn SGK tr. 96: Thiết kế bảng tương ứng theo phương án thí nghiệm đã chọn để ghi số liệu. |
½v² = k·h，k = Σ(h·½v²)/Σh² - Bước 6 (Thay đổi quả nặng): Đổi quả nặng từ 0.050 kg lên 0.500 kg thì h và v trên băng giấy có thay đổi không? Cân có phải là dụng cụ bắt buộc phải dùng không? — Kết luận: Chú thích bên lề tr. 96 SGK đặt câu hỏi “Trong khi làm thí nghiệm, thực ra có thể không cần đo khối lượng của vật. Hãy suy nghĩ xem tại sao?” — Bởi vì ở hai vế của ½mv² = mgh đều có thừa số m, khi lập tỉ số hoặc rút gọn sẽ triệt tiêu nhau, chỉ cần so sánh ½v² với gh là đủ nên không bắt buộc phải dùng cân. Trong điều kiện thực tế, quả nặng càng lớn thì tỉ phần công của lực cản càng nhỏ (δ = −f/(mg)), đây chính là ý trả lời đầu tiên cho Câu hỏi 1 tr. 96 SGK “Làm thế nào để giảm ảnh hưởng của lực cản”. |
½v² = gh (Giản ước m) · δ = −f/(mg) - Bước 7 (Sai số): Hiện tượng “độ giảm thế năng lớn hơn một chút so với độ tăng động năng” là do tính toán sai hay do bản thân thiết bị? Nếu băng giấy bị lệch nghiêng thì sao? — Kết luận: Nguyên văn Bài tập 1(3) tr. 98 SGK “Nhiều kết quả thí nghiệm cho thấy độ giảm thế năng trọng trường lớn hơn một chút so với độ tăng động năng, theo em nguyên nhân là gì?” có đáp án là: khi quả nặng rơi phải chịu lực cản không khí và lực ma sát giữa băng giấy với khe dẫn hướng, lực cản sinh công âm ⇒ ΔEk = ΔEp − f·h, làm δ = −f/(mg) < 0 (chiều lệch luôn mang dấu âm); cách khắc phục: chọn quả nặng có khối lượng lớn (Bước 6), giữ băng giấy thẳng đứng và chỉnh các khe dẫn hướng thẳng hàng. |
ΔEk = ΔEp − f·h · δ = −f/(mg) · k = g − f/m - Bước 8 (Thực hành đánh giá): Cho một băng giấy đã gõ chấm, không tra bảng và không tính gia tốc trực tiếp, liệu có thể xác định được gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm hay không? — Kết luận: Không có kết luận mới: kết nối 7 bước trước để vận dụng hoàn chỉnh — chọn điểm, đo h, tính v, vẽ đồ thị và tìm hệ số góc chính là g. Đây chính là phép kiểm chứng định lượng định luật bảo toàn cơ năng ở tr. 92 SGK. |
k = Σ(h·½v²)/Σh² · |k/g − 1| ≤ 2 %
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Thí nghiệm: Kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng · Trang chủ VietLab 3D