Bài giảng Môn Vật lý lớp 10 - Bài 1: Khảo sát chuyển động rơi tự do. Xác định gia tốc rơi tự do

BÀI 1: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG RƠI TỰ DO.
XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO
I - MỤC ĐÍCH
 Đo thời gian rơi t trên những đoạn đường s khác nhau để vẽ đồ thị s ~ t2, rồi từ đó suy ra tính chất của chuyển động. Ngoài ra, với số liệu đó ta xác định được gia tốc rơi tự do.
II - CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1. Mối quan hệ giữa quãng đường rơi tự do và thời gian rơi
Thả một vật ( trụ thép, viên bi…) từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phơng thẳng đứng (phương song song với dây dọi). Trong trường hợp này ảnh hưởng của không khí không đáng kể, vật chỉ chuyển động dưới tác dụng của trọng lực, nên có thể coi là vật rơi tự do.
Khi một vật có vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc a, thì quãng đường đi được s sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) được xác định bởi công thức: s = 
2. Vẽ đồ thị f (s, t2) 
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa s và t2 có dạng một đường thẳng đi qua gốc toạ độ và có hệ số góc: tgα = a/2
III - DỤNG CỤ CẦN THIẾT (Hình 8.1) 
 1. Đồng hồ đo thời gian hiện số (Hình 8.2).
 2. Hộp công tắc đóng ngắt điện một chiều cấp cho nam châm điện và bộ đếm thời gian.
 3. Nam châm điện N (Hình 8.3).
 4. Cổng quang điện E (Hình 8.4).
 5. Trụ hoặc viên bi (bằng thép) làm vật rơi tự do.
 6. Quả dọi.
 7. Giá đỡ thẳng đứng có vít điều chỉnh thăng bằng.
 8. Hộp đựng cát khô.
 9. Giấy kẻ ô li để vẽ đồ thị. Kẻ sẵn bảng ghi số liệu theo mẫu trong SGK.
IV - GIỚI THIỆU DỤNG CỤ ĐO (sgk)
Hình 8.1. Ảnh chụp bộ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do
V - LẮP RÁP THÍ NGHIỆM 
 1. Nam châm điện N lắp trên đỉnh giá đỡ, được nối qua công tắc vào ổ A của đồng hồ đo thời gian. Ổ A vừa cấp điện cho nam châm, vừa nhận tín hiệu từ công tắc chuyển về. Cổng E lắp ở dưới, được nối với ổ B. Sử dụng MODE đo  AB, chọn thang đo 9,999 s.
 2. Quan sát quả dọi, phối hợp điều chỉnh các vít ở chân giá để sao cho quả dọi nằm  đúng tâm lỗ tròn T.  Khi vật rơi qua lỗ tròn của cổng quang điện E, chúng cùng nằm trên một trục thẳng đứng. Khăn vải bông được đặt  nằm dưới  để để vật rơi . 
 3. Cho nam châm hút giữ vật rơi. Dùng miếng ke áp sát đáy vật rơi để xác định vị trí đầu s0 của vật. Ghi giá trị số vào Bảng 8.1 (có ở mẫu báo cáo).
VI - TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
 Đo thời gian rơi ứng với các khoảng cách s khác nhau
 1. Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách s0 một khoảng  s = 0,050 m. Nhấn nút RESET trên mặt đồng hồ để đưa chỉ thị số về giá trị  0. 000.
 Ấn nút trên hộp công tắc để thả vật rơi, rồi  nhả nhanh nút trước khi vật rơi đến cổng quang điện E. Ghi thời gian rơi  của vật vào Bảng 8.1. Lặp lại phép đo thêm 4 lần,  ghi vào Bảng 8.1.
 2. Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách s0 một khoảng  s =  lần lượt bằng 0,200; 0,450; 0,800 m. Ứng với mỗi giá trị của s, thả vật rơi và ghi thời gian t tương ứng vào bảng Bảng 8.1. Lặp lại phép đo thêm 4 lần,  ghi vào Bảng 8.1.
 3. Kết thúc thí nghiệm:  Nhấn khoá K , tắt  điện đồng hồ đo thời gian hiện số.
Hình Minh họa
BÀI BÁO CÁO
KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG RƠI TỰ DO. XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO
Họ và tên :……………………………………; Lớp:………., ngày thực hành:………………
1. Trả lời câu hỏi : Sự rơi tự do là gì? Nêu đặc điểm của sự rơi tự do và công thức tính gia tốc rơi tự do. 	
2. Kết quả thực hành:
Bảng 1: Đo thời gian ứng với các khoảng cách s khác nhau. Vị trí ban đầu : s0 =……(mm)
 Lần đo
s(m)
Thời gian rơi
gi = 
Vi = 
1
2
3
4
5
0,05
0,20
0,45
0,80
3. Vẽ đồ thị :
Từ các kết quả của bảng 1, hãy tiến hành vẽ đồ thị của s = s(t2) và v = v(t) 
{ có thể lấy thêm một vài số liệu nửa để kết quả chính xác hơn }
4. Nhận xét – kết luận : 
a. Đồ thị của s = s(t2) có dạng gì? Và em có kết luận như thế nào về chuyển động rơi tự do ?
b. Đồ thị v = v(t) có dạng gì? Em có kết luận gì cho trường hợp này ?
Hãy tính các giá trị , , g và viết kết quả của phép đo gia tốc rơi tự do.
	….	
Với ………………	
Kết quả phép đo: 
5. Câu hỏi :
Câu 1: Khi tính g theo cách nêu trên, ta đã chú ý đến loại sai số nào? Vì sao ?
Câu 2 : Hãy đề xuất một phương án thí nghiệm khác, với các dụng cụ như trên .
MỘT SỐ ĐIỂM CẦN CHÚ Ý
Nguyên lí của hệ thống khảo sát chuyển động rơi của một vật trong không khí được trình bày trên hình 1.2.
Khi khóa K mở (nhấn nút trên hộp công tắc), đồng hồ đo thời gian bắt đầu đếm. Thời điểm đó tương ứng với vật khảo sát bắt đầu rơi.
Nếu chùm hồng ngoại tại cổng E bị ngắt, thì đồng hồ ngừng đếm. Điều này xảy ra khi vật hình trụ đi đến cổng E và bắt đầu chắn chùm hồng ngoại.
Như vậy, hệ thống trên hình 1.1 có thể xác định thời gian mà vật đi được quãng đường từ thời điểm bắt đầu rơi đến thời điểm cổng E bị chắn sáng.
Chuyển mạch trên đồng hồ MODE dùng để chọn kiểu làm việc cho đồng hồ. Ở bài này ta dùng MODE A«B (là kiểu bắt đầu đếm từ vị trí nối với cổng A và ngừng đếm tại vị trí nối với cổng B). Nhấn RESET ở công tắc để đưa số chỉ của đồng hồ về 0,000. Đặt núm chọn thang đo ở vị trí 9,999s.
Hình 1.2. Nguyên lí khảo sát chuyển động rơi tự do. A, B: các ổ cắm 5 chân của đồng hồ đo thời gian; E: cổng quang điện; V: vật rơi tự do; N: nam châm điện; K: công tắc.
Đến A
Đến B
K
E
D1
D2
V
N
1. Một số nguyên nhân gây sai số
- Thời gian bấm công tắc khác nhau của các lần thí nghiệm dẫn đến sai số sẽ khác nhau.
Trong thực hành, thời gian bấm công tắc không phải bằng không mà mất một khoảng nhất định.
Với loại công tắc không có hỗ trợ của mạch điện tử, thì tính ngắt hay đóng tức thời của công tắc phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của công tắc và cách bấm của mỗi người. Để kiểm nghiệm điều đó, ta chỉ cần cắm chốt của công tắc vào cổng A (hay B), chuyển mạch về MODE A (hay MODE B), sau đó bấm công tắc, thời gian hiển thị trên đồng hồ là thời gian công tắc ngắt điện. Do không đạt được tính đóng ngắt tức thời nên ta cũng không đạt được tính tức thời của xung đếm. Đó là một trong các nguyên nhân sai số dụng cụ và ít nhiều có tính chủ quan (phụ thuộc vào kỹ năng bấm công tắc của người thực hiện thí nghiệm).
- Tính không đồng thời của công tắc kép và nam châm.
Trong thí nghiệm này, chỉ dùng một cổng quang điện, do vậy công tắc là dụng cụ tạo xung bắt đầu đếm, còn cổng quang tạo xung ngừng đếm. Thời điểm bắt đầu đếm, cũng là thời điểm vật hình trụ rời khỏi nam châm (nam châm được ngắt điện). Để thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ đó, công tắc được thiết kế dạng kép, nghĩa là với một thao tác bấm, công tắc phải vừa ngắt mạch nam châm ngay vừa đồng thời tạo ra xung đếm, hình 1.3. Hai sự kiện này phải đồng bộ thì kết quả thí nghiệm mới chính xác. Tức là khi ta ngắt điện nam châm bằng cách nhấn công tắc thì vật phải được nhả ra đồng thời với việc đồng hồ bắt đầu đếm thời gian.
Lối ra tạo xung đếm cho đồng hồ
Lối ra cấp điện cho nam châm
Hình 1.3. Nguyên lí cấu tạo công tắc kép
Muốn vật rời khỏi nam châm thì nam châm phải bị mất từ tính ngay khi bị ngắt điện. Để nam châm giữ vật mất từ tính đồng thời với việc ngắt điện thì lõi nam châm điện và vật hình trụ phải làm bằng vật liệu từ mềm lí tưởng. Nếu không đạt được việc nam châm nhả vật ngay lập tức thì có thể sẽ xảy ra trường hợp đồng hồ đã đếm trước khi vật rơi.
Mặt khác, mặt tiếp xúc giữa vật và lõi nam châm phải đảm bảo sao cho khi nhả vật thì khi rơi phương trục chính của vật trùng với phương thẳng đứng.
Nếu các điều kiện kĩ thuật không đảm bảo được các yêu cầu trên đây thì sẽ gây ra sai số đáng kể trong các phép đo.
Vật sơ theo phương thẳng đứng, đúng vào giá hứng và cắm thẳng đứng vào trong khay chứa. Khi vật không rơi thẳng đứng, sai số sẽ tăng lên.
Vì vật rơi trong không khí nên phải chọn vị trí cổng quang thích hợp để giảm sai số.
2. Biện pháp khắc phục
Thực hiện nhấn nút công tắc nhanh và gọn để đạt được sự đồng bộ giữa thời điểm đồng hồ bắt đầu đếm và thời điểm rơi của vật.
Đặt vật khảo sát phải chính tâm của lõi nam châm điện, để tránh vật bị rơi nghiêng.
Cần lựa chọn loại công tắc có độ nhạy cao để giảm sai số phép đo.
3. Cải tiến dụng cụ thí nghiệm
a. Cải tiến công tắc kép
Chuyển công tắc kép thành công tắc đơn, lúc này nguồn cấp cho nam châm điện và lối ra tạo xung mắc nối tiếp với công tắc. Tuy nhiên, do có hiện tượng tự cảm, dạng xung ra sẽ không vuông và cần có mạch điện tử để sửa dạng xung, hình 1.4.
Hình 1.5. Nguyên lí cải tiến nam châm
Hình 1.4. Nguyên lí cải tiến công tắc kép
Nam châm điện
Mạch sửa dạng xung
b. Cải tiến nam châm điện và vật khảo sát
Chế tạo đầu của lõi nam châm điện và đầu vật tiếp xúc với lõi nam châm đều có dạng cầu. Với sự thay đổi này, tiếp xúc của hai bộ phận sẽ là tiếp xúc điểm và phương trọng lực luôn trùng với đường kính vật. Có thể thay vật hình trụ bằng viên bi dạng cầu, hình 1.5. Khi đó, việc đặt viên bi vào nam châm không còn phải lựa chọn điểm đặt một cách chính xác như trường hợp vật hình trụ.
Thực tế với sự thay đổi này kết quả cho thấy sai số đã giảm đi.
MỘT SỐ LỖI THƯỜNG GẶP
 Đồng hồ phải đếm thời gian khi bấm công tắc cho vật rơi. Khi vật rơi qua công quang đồng hồ phải ngừng đếm. Tuy nhiên đồng hồ có thể không ngừng đếm trong các trường hợp sau:
- Nếu công tăc kép không hỗ trợ mạch sữa dạng xung bằng mạch điện tử, thì thao tác bấm không nhanh (tức là nhả tay ra muộn hơn khi vật đã đi qua cổng quang) sẽ làm đồng hồ chạy không ngừng.
- Vật đi qua công quang nhưng không chắn được tia sáng, có thể giá không thẳng đứng hay nam châm bị lệc tâm.
- Cổng quang bị sự cố, với trường hợp này ta có thể kiểm tra bằng cách lấy bàn tay chắn giữa cổng quang mà đồng hồ vẫn đếm thì nguyên nhân là do cổng quang. Nếu đồng hồ ngừng đếm thì lí do có thể do vật không chắn được chùm hồng ngoại.