Giải Vật Lí lớp 10 Bài 6: Thực hành đo tốc độ của vật chuyển động thẳng

Mở đầu trang 36 Vật Lí 10: Muốn biết chuyển động của một vật là nhanh hay chậm tại một thời điểm nào đó, ta cần đo được tốc độ tức thời của chúng. Trong thực tiễn, có những phương pháp đo tốc độ tức thời thông dụng nào và ưu, nhược điểm của chúng ra sao?

Lời giải:

Trong thực tế, để đo tốc độ tức thời ta có thể dùng các cách sau:

- Dùng tốc kế (một thiết bị đo tốc độ giống thiết bị trên xe máy, ô tô....). Cách này tương đối chính xác nhưng phụ thuộc vào độ hiện đại của thiết bị đo.

- Viết phương trình chuyển động của vật, sau đó tính vận tốc và tốc độ dựa theo phương trình chuyển động đó. Cách này phụ thuộc vào việc có thiết lập chính xác được phương trình chuyển động của vật cần đo hay không. Chuyển động càng phức tạp thì phương trình chuyển động càng khó thiết lập.

- Đo quãng đường và thời gian chuyển động trong một khoảng rất nhỏ, sau đó xác định vận tốc tức thời chính là vận tốc trung bình trong khoảng thời gian rất nhỏ đó. Cách này có nhược điểm là phụ thuộc vào thiết bị đo.

1. Thí nghiệm đo tốc độ

Câu hỏi 1 trang 36 Vật Lí 10: Tìm hiểu thang đo thời gian và chức năng của các chế độ đo (MODE) trên đồng hồ đo thời gian hiện số (Hình 6.1).

Lời giải:

- Thang đo: Bên nút thang đo có ghi giới hạn đo (GHĐ) và độ chia nhỏ nhất (ĐCNN) của đồng hồ là: 9,999 s – 0,001 s và 99,99 s – 0,01 s.

Các MODE trên đồng hồ

Chế độ A, B: Chỉ đo thời gian vật đi qua cổng quang điện A hoặc B

Chế độ A + B:  Đo tổng thời gian vật đi qua cổng quang điện A cộng với thời gian vật đi qua cổng quang điện B

Chế độ A – B: Quãng thời gian để đi hết quãng đường từ cổng A tới cổng B.

Một số máy đo có thể đo chu kì T.

Lời giải:

- Nguyên tắc đo:

Dựa vào việc đo quãng đường và thời gian chuyển động trong một khoảng thời gian nhỏ, sau đó xác định vận tốc tức thời chính là vận tốc trung bình trong khoảng thời gian nhỏ đó. Độ lớn của vận tốc tức thời là tốc độ tức thời.

- Nguyên tắc tiến hành: Đo kích thước của viên bi (thông thường đo đường kính của viên bi), sau đó cho viên bi đi qua cổng A hoặc B của máy đo. Đường kính của viên bi chính là quãng đường chuyển động, còn thời gian chuyển động được hiển thị trên đồng hồ đo. Cuối cùng dựa vào các dữ liệu tính toán được tốc độ tức thời trong các lần đo đó.

- Các bước tiến hành:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như hình 6.2. Điều chỉnh đoạn nằm ngang của máng sao cho thước đo độ chỉ 00. Cố định nam châm điện và cổng quang điện A (đặt cách đoạn chân dốc nghiêng của máng một khoảng 20 cm).

Bước 2: Chọn MODE ở vị trí A (hoặc B) để đo thời gian viên bi chắn cổng quang điện mà ta muốn đo tốc độ tức thời của viên bi ở vị trí tương ứng.

Bước 3: Sử dụng thước kẹp để đo đường kính của viên bi hoặc khối trụ. Thực hiện đo đường kính viên bi khoảng 5 lần và ghi kết quả.

Bước 4: Đưa viên bi lại gần nam châm điện sao cho viên bi hút vào nam châm. Ngắt công tắc điện để viên bi bắt đầu chuyển động xuống đoạn dốc nghiêng và đi qua cổng quang điện cần đo thời gian.

Bước 5: Ghi nhận giá trị thời gian hiển thị trên đồng hồ đo.

Thực hiện phương án thí nghiệm: Học sinh tự tiến hành theo trình tự và điều kiện thí nghiệm của nhà trường.

Báo cáo thí nghiệm trang 37 Vật Lí 10: Tính tốc độ tức thời của viên bi, ghi kết quả vào Bảng 6.2.

Lời giải:

Học sinh có thể tham khảo bảng kết quả sau

Bảng 6.1. Bảng kết quả đo đường kính viên bi

Đường kính trung bình: $\overline{d}=\frac{d_1+d_2+d_3+d_4+d_5}{5}=2,014cm$

Sai số tuyệt đối trung bình trong 5 lần đo: $\overline{\Delta d}=\frac{\Delta d_1+\Delta d_2+\Delta d_3+\Delta d_4+\Delta d_5}{5}=0,0048cm$

Do đề bài không nói đến sai số hệ thống nên ta có thể bỏ qua.

Sai số tuyệt đối của phép đo: ∆d = 0,0048 cm

Bảng 6.2. Bảng số liệu thí nghiệm đo tốc độ tức thời

Thời gian trung bình:

 $\overline{t}=\frac{t_1+t_2+t_3+t_4+t_5}{5}=0,0444s$

Sai số tuyệt đối trung bình trong 5 lần đo: 

$\overline{\Delta t}=\frac{\Delta t_1+\Delta t_2+\Delta t_3+\Delta t_4+\Delta t_5}{5}=0,00048cm$

Sai số dụng cụ đo thời gian là:

 $\Delta t_{dc}=\frac{0,001}{2}=0,0005\left(s\right)$

Sai số tuyệt đối của phép đo thời gian là:

$$\begin{gathered} \delta v=\delta d+\delta t=\frac{\Delta d}{\overline{d}}.100\%+\frac{\Delta t}{\overline{t}}.100\%\Delta t=\Delta \overline{t}+\Delta t_{dc} \\ =0,00048+0,0005=0,00098\left(s\right) \end{gathered}$$

Sai số tương đối của tốc độ tức thời là:

$\delta v=\delta d+\delta t=\frac{\Delta d}{\overline{d}}.100\%+\frac{\Delta t}{\overline{t}}.100\%$

$=\frac{0,0048}{2,014}.100\%+\frac{0,00098}{0,0444}.100\%\approx 0,024$%

Sai số tuyệt đối của phép đo tốc độ là:

$$\begin{gathered} \delta v=\frac{\Delta v}{\overline{v}}.100\%\Rightarrow \Delta v=\frac{\delta v.\overline{v}}{100\%} \\ =\frac{0,024\%.45,36}{100\%}=0,011 \end{gathered}$$

Luyện tập trang 37 Vật Lí 10: Dựa vào bộ dụng cụ thí nghiệm được gợi ý, thảo luận để thiết kế (và thực hiện) phương án tốt nhất để xác định tốc độ trung bình của viên bi khi viên bi di chuyển từ cổng quang điện A đến cổng quang điện B.

Lời giải:

Phương án thí nghiệm

Bước 1: Bố trí thí nghiệm như hình 6.2. Điều chỉnh đoạn nằm ngang của máng sao cho thước đo độ chỉ 0⁰. Cố định nam châm điện và cổng quang điện A (đặt cách đoạn chân dốc nghiêng của máng một khoảng 20 cm).

Bước 2: Chọn MODE ở vị trí A – B  để đo thời gian chuyển động của viên bi giữa 2 cổng A, B

Bước 4: Đưa viên bi lại gần nam châm điện sao cho viên bi hút vào nam châm. Ngắt công tắc điện để viên bi bắt đầu chuyển động xuống đoạn dốc nghiêng và đi qua cổng quang điện cần đo thời gian.

Bước 5: Ghi nhận giá trị thời gian hiển thị trên đồng hồ đo.

- Thực hiện phương án thí nghiệm:

Học sinh tự tiến hành theo trình tự và điều kiện thí nghiệm của nhà trường.

2. Một số phương pháp đo tốc độ

Câu hỏi 3 trang 38 Vật Lí 10: Quan sát Hình 6.3, tìm hiểu và trình bày phương pháp đo tốc độ trung bình và tốc độ tức thời dựa vào những thiết bị trên. Đánh giá ưu và nhược điểm của mỗi phương pháp đo.

Lời giải:

- Phương án đo tốc độ dựa bằng đồng hồ bấm giây

Ưu điểm: Dễ thực hiện, có thể sử dụng để đo các khoảng thời gian linh hoạt từ nhỏ đến lớn. Thích hợp để đo tốc độ trung bình.

Nhược điểm: Độ chính xác không cao do người bấm đồng hồ. Khó đo tốc độ tức thời,

- Phương án dùng cổng quang điện:

Ưu điểm: Dễ thực hiện, độ chính xác cao, không phụ thuộc vào cảm giác của người. Thích hợp để đo tốc độ trung bình và tốc độ tức thời của các vật có kích thước trung bình tới nhỏ.

Nhược điểm: Khó đo chuyển động của các vật có kích thước lớn hoặc chuyển động với quãng đường dài.

- Phương án sử dụng súng bắn tốc độ

Ưu điểm: Độ chính xác rất cao do sử dụng sóng điện từ. Đo được vận tốc tức thời của các vật nhỏ đến lớn và cho kết quả nhanh.

Nhược điểm: Khó sử dụng để đo vận tốc trung bình trên quãng đường dài.

Vận dụng trang 39 Vật Lí 10: Hãy tìm hiểu nguyên tắc đo tốc độ tức thời của tốc kế ô tô hoặc xe máy (Hình 4.3).

Lời giải:

Tốc kế ô tô hoặc xe máy đo tốc độ dựa theo tốc độ vòng quay của bánh xe hoặc hộp số thông qua các cáp. Trong các cáp này có chứa các nam châm quay cùng tốc độ quay của động cơ hoặc bánh xe.

Khi các nam châm này quay sẽ tạo ra một từ trường biến đổi liên tục phía dưới mặt đồng hồ hiện số. Phần hiển thị mặt số của tốc kế sẽ bị từ trường này đẩy tới một góc cố định theo tỉ lệ thuận. Kết quả là ta thấy khi vòng quay động cơ ổn định (xe đi với một tốc độ ổn định) thì kim của tốc kế sẽ chỉ ở một góc tương ứng với tốc độ quay này.

Các thế hệ xe hiện đại sử dụng các chip điện tử cảm biến từ trường thay vì dùng cơ cấu nam châm như đồng hồ hiện số.