Từ số chỉ đồng hồ đến giá trị gia tốc g: đo, xử lí số liệu, đánh giá sai số và trình bày báo cáo thực hành.
Nêu được dụng cụ và vai trò của nam châm điện – công tắc kép – cổng quang; từ hệ thức rơi tự do suy ra cách xác định g qua quãng đường rơi và thời gian.
Thiết kế và thực hiện phép đo đúng mốc; ghi bảng số liệu, tính giá trị trung bình, ước lượng sai số, vẽ đồ thị s theo t², nhận xét và viết báo cáo khoa học.
Sản phẩm cần đạt: Bảng ghi năm mức quãng đường rơi, phép tính g, đồ thị thực nghiệm, kết luận kèm độ không đảm bảo và nguồn sai số.
Trong Bài 10, chuyển động rơi tự do từ trạng thái nghỉ được mô tả bằng phương trình quãng đường. Ở Bài 11, ta đo s và t rồi suy ra g, thay vì mặc định lấy g = 9,8 m/s². Giá trị đo thực tế có thể sai khác do thiết bị và phương án đo.
Vật được thả từ nghỉ; lấy chiều chuyển động hướng xuống và g là độ lớn gia tốc rơi tự do.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(s\) | Khoảng rơi theo phương thẳng đứng | m |
| \(t\) | Thời gian kể từ lúc thả tới lúc phát hiện | s |
| \(g\) | Độ lớn gia tốc rơi tự do | m/s² |
Điều kiện: vận tốc ban đầu gần bằng 0; gia tốc gần như không đổi; lực cản và các độ trễ có thể bỏ qua trong mô hình lí tưởng.
Phép đo gián tiếp: đo s bằng thước, t bằng đồng hồ liên kết nam châm điện và cổng quang rồi tính g.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(g\) | Giá trị gia tốc suy ra từ phép đo | m/s² |
| \(s\) | Quãng đường rơi, cùng một mốc đo | m |
| \(t\) | Thời gian rơi | s |
Điều kiện: s > 0, t > 0; chọn mốc hình học nhất quán để vị trí bắt đầu và thời điểm chắn chùm tia tương ứng với cùng điểm chuẩn của vật.
Với mỗi mức s, tính thời gian trung bình, suy ra gᵢ rồi lấy trung bình các giá trị hợp lệ.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(g_i\) | Giá trị gia tốc ở mức đo thứ i | m/s² |
| \(n\) | Số mức quãng đường có số liệu hợp lệ | không có |
| \(\overline g\) | Trung bình các kết quả gᵢ | m/s² |
Điều kiện: có ít nhất hai mức quãng đường và dữ liệu hợp lệ; không coi kết quả trung bình là không có sai số.
Nếu dùng quy ước cộng sai số tuyệt đối tương đối ở mức phổ thông, ảnh hưởng của sai số thời gian được nhân đôi. Đây là ước lượng theo giới hạn trên, không phải độ không đảm bảo thống kê chuẩn.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\Delta s\) | Ước lượng sai số tuyệt đối của quãng rơi | m |
| \(\Delta t\) | Ước lượng sai số tuyệt đối của thời gian | s |
| \(\Delta g\) | Ước lượng sai số tuyệt đối của gia tốc | m/s² |
Điều kiện: s,t dương; sai số tương đối nhỏ; bỏ qua tương quan giữa các nguồn sai số, không áp dụng như phương pháp xử lí độ không đảm bảo chính xác cho mọi thiết bị.
Thiết bị: (1) máng đứng và dây dọi; (2) trụ thép; (3) nam châm điện N; (4) cổng quang E; (5) giá đỡ, đế ba chân và vít cân bằng; (6) đồng hồ đo thời gian hiện số; (7) công tắc kép. Dùng thêm thước đo chiều dài và vật hứng mềm phù hợp.
Đặt trụ thép sát nam châm, cho trụ rơi qua tâm cổng quang. Thiết bị đo thời gian từ khoảnh khắc ngắt nam châm đến khoảnh khắc trụ chắn tia. Khoảng rơi s là độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của cùng một điểm chuẩn trên trụ giữa hai thời điểm. Cần đo lặp và thay đổi khoảng rơi.
Với s = 0,784 m và t = 0,400 s: \(g=2(0{,}784)/(0{,}400)^2=9{,}80\,\mathrm{m/s^2}\). Nếu sai số ước lượng \(\Delta s=0{,}002\,\mathrm m\), \(\Delta t=0{,}002\,\mathrm s\), thì \(\Delta g/g\approx0{,}002/0{,}784+2(0{,}002/0{,}400)\approx1{,}26\%\), hay \(\Delta g\approx0{,}12\,\mathrm{m/s^2}\). Cần nêu rõ quy ước này khi báo cáo.
Ba hoạt động dưới đây kết nối dự đoán – thao tác – dữ liệu – kết luận; không thay thế việc lắp ráp và thao tác dụng cụ thật tại phòng thực hành.
Dự đoán: Với cùng g, nếu tăng khoảng rơi s lên bốn lần thì thời gian rơi thay đổi thế nào?
Chọn s, g và bấm Thả trụ. Đồng hồ dừng khi trụ tới cổng quang.
Thao tác: Thay đổi quãng rơi, bấm “Thả trụ”, quan sát đồng hồ và ghi phép đo vào bảng. Nhấn “Đặt lại” để lặp lại.
Kết quả và kết luận: Trong mô hình rơi từ nghỉ, t tỉ lệ với căn bậc hai của s; tăng s bốn lần thì t gấp đôi. Khi đối chiếu với dữ liệu thực đo, có thể có sai số.
Giới hạn: Mô phỏng không xét lực cản, độ trễ điện từ và kích thước hình học của trụ; giá trị số hiển thị chỉ là dữ liệu giả lập.
Khi trụ đã rơi qua cổng, điều gì quyết định mốc kết thúc phép đo: tổng thời gian che tia hay thời điểm bắt đầu che tia?
Dự đoán: Nếu sai số thời gian tăng gấp đôi, kết quả g nhạy đến mức nào theo hệ thức sai số gần đúng?
Các ô có thể sửa trực tiếp. Bộ số liệu ví dụ là dữ liệu mô phỏng; khi đo thật, phải thay bằng số liệu thực đo. Mỗi hàng thiếu dữ liệu sẽ không được đưa vào phép tính tổng hợp.
| Mức | s (m) | t₁ (s) | t₂ (s) | t₃ (s) | t₄ (s) | t₅ (s) | t̄ (s) | gᵢ (m/s²) | Δgᵢ (m/s²) |
|---|
Đồ thị dùng trục hoành t² (s²), trục tung s (m). Đường qua gốc có độ dốc k được tính theo bình phương tối thiểu từ số liệu nhập: k = Σ(t²s)/Σ(t⁴); trong mô hình lí tưởng g ≈ 2k. Phần mềm không ép dữ liệu phải cho g = 9,81 m/s².
Thao tác: Điền số liệu ví dụ hoặc số liệu đo thật; điều chỉnh Δs, Δt₀; so sánh ḡ với 9,8 m/s² và xem độ phân tán giữa các hàng.
Giới hạn: Sai số được ước lượng theo quy tắc phổ thông; nếu chỉ nhập một giá trị t ở một mức s, chưa thể đánh giá độ phân tán của phép đo lặp. Không tự động coi dữ liệu mô phỏng là dữ liệu thực.
Vì sao nên đo ở nhiều quãng đường rơi và đo lặp thay vì tính g từ đúng một lần đo?
Dự đoán: Nếu mốc đo quãng đường bị dịch đi 2 cm trong khi thời gian không đổi, đồ thị s theo t² có còn đi gần qua gốc?
Thao tác: Dùng bảng đo để thay một giá trị s, giữ nguyên t; quan sát biến đổi độ dốc và vị trí các điểm trên đồ thị.
Giới hạn: Bài học không thay thế quá trình hiệu chuẩn, đo độ không đảm bảo theo quy trình phòng thí nghiệm chuyên nghiệp.
Đề xuất hai biện pháp giảm sai số và giải thích biện pháp nào giảm sai số ngẫu nhiên, biện pháp nào giảm sai số hệ thống.
Hệ thống quy trình từ thiết kế phép đo đến lập báo cáo; bấm hình để phóng to.
Nếu chuyển động đúng gần mô hình rơi từ nghỉ, đồ thị s theo t² gần đường thẳng; hệ số góc k xấp xỉ g/2. Các điểm không thẳng hàng tuyệt đối là thông tin để phân tích chứ không phải lý do để xóa bỏ phép đo.
Gợi ý: dùng nhiều mức s để có thể kiểm tra độ tuyến tính của dữ liệu.
Giá trị g thay đổi theo vĩ độ, độ cao và vị trí địa lí. Ở bề mặt Trái Đất, mức gần 9,8 m/s² thường được dùng trong bài tập phổ thông; đó không phải giá trị phải đạt bằng mọi phép đo thực tế.
Nguồn đối chiếu: SGK Vật lí 10 – Kết nối tri thức, Bài 11, trang 47–48; bài học sử dụng dữ liệu mô phỏng do HAT tạo để minh họa, không phải số liệu thí nghiệm thực đo.