Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 6: Thực hành: Đo tốc độ của vật chuyển động

Video giải Vật lí lớp 10 Bài 6: Thực hành: Đo tốc độ của vật chuyển động

Khởi động trang 30 Vật Lí 10: Làm thế nào để đo được tốc độ chuyển động của vật bằng dụng cụ thí nghiệm thực hành?

Lời giải:

Để đo được tốc độ chuyển động của vật bằng dụng cụ thí nghiệm thực hành ta cần đo các đại lượng quãng đường s và thời gian t sau đó dùng công thức tính tốc độ $v=\frac{s}{t}$ để tính.

I. Cách đo tốc độ trong phòng thí nghiệm

Hoạt động trang 30 Vật Lí 10: Hãy thảo luận nhóm về các nội dung sau:

1. Dùng dụng cụ gì để đo quãng đường và thời gian chuyển động của vật?

2. Làm thế nào đo được quãng đường đi được của vật trong một khoảng thời gian và ngược lại?

3. Thiết kế các phương án đo tốc độ và so sánh ưu, nhược điểm của các phương án đó.

Lời giải:

1. Dụng cụ đo quãng đường: thước thẳng, thước dây,..

Dụng cụ đo thời gian: dùng đồng hồ bấm giây, đồng hồ hiện số…

2. Để đo quãng đường đi được của vật trong một khoảng thời gian ta cho vật di chuyển trên một máng thẳng, trên máng có gắn thước hoặc các vạch chia để đo quãng đường đi được trên máng.

Để đo thời gian di chuyển, ta dùng đồng hồ bấm giây khi vật đi được 1 quãng đường đã xác định, hoặc đọc giá trị trên đồng hồ hiện số khi làm thí nghiệm sử dụng cổng quang điện.

3. Thiết kế phương án:

Phương án 1: Sử dụng đồng hồ bấm giây.

- Ưu điểm: Dễ thiết kế, tốn ít chi phí,

- Nhược điểm: Sai số lớn do quá trình thao tác bấm đồng hồ khi bắt đầu di chuyển hay khi kết thúc quãng đường không được chính xác.

- Thao tác thực hiện:

+ Xác định điểm xuất phát, điểm kết thúc.

+ Dùng thước đo độ dài của quãng đường s (tính từ điểm xuất phát đến điểm kết thúc).

+ Dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian t từ khi vật bắt đầu chuyển động từ điểm xuất phát tới điểm kết thúc.

+ Dùng công thức $v=\frac{s}{t}$ để tính tốc độ.

Phương án 2: Dùng đồng hồ hiện số và cổng quang điện.

- Ưu điểm: Sai số thấp nên cho kết quả có độ chính xác cao hơn.

- Nhược điểm: Tốn kém do chi phí mua dụng cụ thí nghiệm cao.

Dụng cụ thí nghiệm cồng kềnh.

- Thao tác thực hiện:

+ Đo khoảng cách giữa 2 cổng quang điện (đọc trên thước đo gắn với giá đỡ). Khoảng cách này chính là quãng đường s mà vật chuyển động.

+ Bấm công tắc để vật bắt đầu chuyển động.

+ Khi vật đi qua cổng quang điện thứ 1 thì đồng hồ bắt đầu đo.

+ Khi vật đi qua cổng quang điện thứ 2 thì đồng hồ ngừng đo.

+ Đọc số chỉ thời gian hiển thị trên đồng hồ đo thời gian hiện số chính là thời gian của vật chuyển động trên quãng đường

+ Dùng công thức $v=\frac{s}{t}$ để tính tốc độ.

II. Giới thiệu dụng cụ đo thời gian

1. Đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện

Câu hỏi trang 30 Vật Lí 10: Sử dụng đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện để đo tốc độ chuyển động có ưu điểm, nhược điểm gì?

Lời giải:

Khi thực hiện thí nghiệm bằng đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện để đo tốc độ chuyển động có:

- Ưu điểm: Đo thời gian có độ chính xác cao hơn, cổng quang điện cảm biến có độ nhạy cực cao, cho kết quả chính xác ngay khi có vật chạy qua.

- Nhược điểm:

+ Thí nghiệm cồng kềnh, lắp đặt phức tạp, đòi hỏi sự chính xác cao.

+ Chi phí mua thiết bị đắt.

2. Thiết bị đo thời gian bằng cần rung (đồng hồ cần rung)

III. Thực hành đo tốc độ chuyển động

1. Dụng cụ thí nghiệm

2. Thiết kế phương án thí nghiệm

Hoạt động trang 31 Vật Lí 10: Thả cho viên bi chuyển động đi qua cổng quang điện trên máng nhôm. Thảo luận nhóm để lập phương án đo tốc độ của viên bi theo các gợi ý sau:

1. Làm thế nào xác định được tốc độ trung bình của viên bi khi đi từ cổng quang điện E đến cổng quang điện F?

2. Làm thế nào xác định được tốc độ tức thời của viên bi khi đi qua cổng quang điện E hoặc cổng quang điện F?

3. Xác định các yếu tố có thể gây sai số trong thí nghiệm và tìm cách để giảm sai số.

Lời giải:

1. Xác định tốc độ viên bi theo công thức: $v=\frac{s}{t}.$

Bước 1: Lấy số đo trên máng nhôm, đo độ dài quãng đường EF = s.

Bước 2: Đọc các giá trị thời gian trên đồng hồ hiện số t₁ khi vật qua cổng E và t₂ khi vật qua cổng F, từ đó tính khoảng thời gian t = t₂ – t₁.

Bước 3: Lặp lại phép đo 5 lần.

Bước 4: Lập bảng tính tốc độ qua 5 lần đo theo công thức $v=\frac{s}{t}.$

Bước 5: Tính tốc độ trung bình $\overline{v}=\frac{v_1+v_2+\mathrm{..}+v_5}{5}$

2. Xác định tốc độ tức thời qua cổng E (hoặc F).

Chuyển chế độ đo của đồng hồ hiện số, chỉ đo thời gian vật đi qua 1 cổng.

Bước 1: Đo đường kính d của viên bi bằng thước kẹp

Bước 2: Cho viên bi đi qua cổng E

Bước 3: Đọc kết quả thời gian t trên đồng hồ hiện số khi viên bi đi qua cổng E.

Bước 4: Tốc độ tức thời tại cổng E: $v=\frac{d}{t}.a$

3. Các yếu tố gây sai số: thao tác đo quãng đường, sai số của dụng cụ đo thời gian.

Cách khắc phục: Tiến hành đo cẩn thận, thực hiện nhiều lần.

3. Tiến hành thí nghiệm

Hoạt động trang 32 Vật Lí 10: Đo tốc độ trung bình và tốc độ tức thời của viên bi thép chuyển động trên máng nghiêng.

Lời giải:

Học sinh tiến hành thí nghiệm đo dưới sự hướng dẫn của người phụ trách.

4. Kết quả thí nghiệm

Hoạt động trang 33 Vật Lí 10: Xử lí kết quả thí nghiệm

1. Tính tốc độ trung bình và tốc độ tức thời của viên bi thép và điền kết quả vào Bảng 6.1 và Bảng 6.2

2. Tính sai số của phép đo s, t và phép đo tốc độ rồi điền vào Bảng 6.1 và Bảng 6.2. Trong đó

+ $\Delta s$ bằng nửa ĐCNN của thước đo.

+ $\Delta t$ theo công thức (3.1), (3.2) trang 18.

+ $\Delta v$ tính theo ví dụ trang 18.

3. Đề xuất một phương án thí nghiệm có thể đo tốc độ tức thời của viên bi tại hai vị trí: cổng quang điện E và cổng quang điện F.

Lời giải:

1. Số liệu tham khảo:

Thước đo có ĐCNN là 1 mm.

Bảng 6.1. Quãng đường s = 1 m; $\Delta s=0,0005m$

$\overline{v}=\frac{s}{\overline{t}}=\frac{1}{1,5527}\approx 0,64404m/s$

Bảng 6.2. Đường kính viên bi d = 0,03 m; $\Delta d=$0,0005 m

${\overline{v}}_t=\frac{d}{\overline{t}}=\frac{0,03}{0,0473}=0,6338m/s$

2. Phép đo tốc độ trung bình

Sai số của tốc độ trung bình:

$\overline{\Delta t}=\frac{\Delta t_1+\Delta t_2+\Delta t_3}{3}=\frac{\left|1,5527-1,553\right|+\left|1,5527-1,549\right|+\left|1,5527-1,556\right|}{3}\approx 0,0024$$\delta t=\frac{\overline{\Delta t}}{\overline{t}}.100\%=\frac{0,0024}{1,5527}.100\%=0,155\%$

$\delta s=\frac{\overline{\Delta s}}{s}.100\%=\frac{0,0005}{1}.100\%=0,05\%$

$\delta v=\delta s+\delta t=0,05\%+0,155\%=0,205\%$

$\Delta v=\delta v.\overline{v}=0,205\%.0,64404=0,0013$

$v=0,64404\pm 0,0013$ (m/s)

Phép đo tốc độ tức thời

Sai số của tốc độ tức thời:

$\overline{\Delta t}=\frac{\Delta t_1+\Delta t_2+\Delta t_3}{3}=\frac{\left|0,0473-0,045\right|+\left|0,0473-0,049\right|+\left|0,0473-0,048\right|}{3}\approx 0,0016$

$\delta t=\frac{\overline{\Delta t}}{\overline{t}}.100\%=\frac{0,0016}{0,0473}.100\%=3,383\%$

$\delta d=\frac{\overline{\Delta d}}{d}.100\%=\frac{0,0005}{0,03}.100\%=1,667\%$

$\delta v=\delta d+\delta t=1,667\%+3,383\%=5,05\%$

$\Delta v=\delta v.\overline{v}=5,05\%.0,6338=0,032$

$v=0,6338\pm 0,032$(m/s)

3. Để đo tốc độ tức thời của viên bi ở cả hai cổng quang điện E và F thì ta phải sử dụng hai đồng hồ đo hiện số.

- Đo đường kính d của viên bi bằng thước kẹp.

- Nối đồng hồ đo hiện số thứ nhất với cổng quang điện E, đồng hồ thứ hai với cổng quang điện F. Điều chỉnh chế độ đo của các đồng hồ về chế độ đo thời gian vật qua một cổng quang.

- Khi viên bi bắt đầu đi vào cổng quang điện E thì đồng hồ thứ nhất chạy số, sau khi vật đi qua cổng quang E thì đồng hồ đó dừng lại; viên bi tiếp tục đi qua cổng quang điện F thì đồng hồ đo số hai sẽ thực hiện đo thời gian.

- Xác định được thời gian viên bi chuyển động qua cổng quang điện E và cổng quang điện F.

- Sử dụng công thức $v=\frac{d}{t}$ ta sẽ xác định được tốc độ tức thời của viên bi tại hai cổng quang điện E và F.

Em có thể 1 trang 33 Vật Lí 10: Mô tả một số phương án đo tốc độ thông dụng và đánh giá ưu, nhược điểm của các phương án đó.

Lời giải:

Một số phương án đo tốc độ:

Sử dụng súng bắn tốc độ:

- Ưu điểm: tiện lợi, nhanh gọn, thao tác đơn giản, phù hợp cho cảnh sát giao thông, khu công nghiệp,..

- Nhược điểm: Giá thành cao.

Phương pháp đo tốc độ bằng đồng hồ bấm giây:

- Ưu điểm: Dễ thực hiện, dụng cụ đơn giản.

- Nhược điểm: Sai số cao do quá trình đo hoặc sai số của dụng cụ đo.

- Thao tác thí nghiệm:

+ Xác định vạch xuất phát và vạch đích. Dùng thước đo độ dài của quãng đường s.

+ Dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian t từ khi vật bắt đầu chuyển động từ vạch xuất phát tới khi vượt qua vạch đích.

+ Dùng công thức $v=\frac{s}{t}$ để tính tốc độ.

Em có thể 2 trang 33 Vật Lí 10: Sử dụng điện thoại thông minh, quay video chuyển động của một vật rồi sử dụng phần mềm phân tích video để xác định tốc độ chuyển động của vật đó.

Lời giải:

Học sinh tự thực hiện thí nghiệm theo yêu cầu.