Quan sát – đo đạc – dựng vectơ – đối chiếu kết quả thực nghiệm và lí thuyết
Giải thích được cách xác định hợp lực của hai lực đồng quy bằng quy tắc hình bình hành, và của hai lực song song cùng chiều bằng điều kiện cùng tổng lực, cùng moment đối với một điểm.
Lắp bộ lực kế – dây cao su – thước đo góc; thao tác với thanh treo và tải trọng; ghi số đo có đơn vị, phân biệt số đo với số tính, xử lí sai số và viết nhận xét từ bằng chứng.
Hai thí nghiệm của Bài 22 khảo sát tác dụng tương đương: thay hai lực bằng một lực sao cho tác dụng lên hệ không đổi trong điều kiện khảo sát. Không đặt thêm hợp lực vào cùng hệ hai lực thực tế khi vẽ sơ đồ lực, vì như vậy sẽ đếm lực hai lần.
Hợp lực \(\vec F\) là đường chéo hình bình hành dựng từ hai vectơ lực có chung điểm đặt. Muốn đo thực nghiệm, điều chỉnh lực kế đơn sao cho đầu dây cao su trở về đúng vị trí đánh dấu.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(\vec F_1,\vec F_2\) | Hai vectơ lực thành phần đồng quy | N |
| \(\vec F\) | Vectơ hợp lực tương đương | N |
Điều kiện: hai lực tác dụng lên cùng một vật, cùng điểm đặt (hoặc có giá đồng quy đối với vật rắn).
Định lí cosin cho độ lớn hợp lực. Khi hai lực vuông góc, \(F_{lt}=\sqrt{F_1^2+F_2^2}\); khi cùng chiều, \(F_{lt}=F_1+F_2\); khi ngược chiều, \(F_{lt}=|F_1-F_2|\).
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F_1,F_2\) | Độ lớn các lực thành phần | N |
| \(F_{lt}\) | Độ lớn hợp lực tính theo lí thuyết | N |
| \(\alpha\) | Góc giữa hai hướng lực, từ 0° đến 180° | độ (°) |
Điều kiện: cùng một mặt phẳng, hai vectơ lực có góc α xác định. Trong JavaScript cần đổi độ sang radian trước khi dùng cos.
Hai lực \(\vec F_1,\vec F_2\) song song, cùng chiều, đặt ở A và B, có hợp lực \(\vec F\) nằm giữa A và B, gần lực có độ lớn lớn hơn. Nếu \(AB=L\), \(OA+OB=L\).
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F,F_1,F_2\) | Độ lớn hợp lực và hai lực cùng chiều | N |
| \(OA,OB,AB\) | Khoảng cách các điểm đặt trên thanh | m (bảng đo có thể dùng cm) |
Điều kiện: hai lực song song, cùng chiều, tác dụng lên cùng một vật rắn. Không áp dụng quy tắc vị trí này cho hai lực ngược chiều.
Vị trí O được xác định bằng bảo toàn moment của hệ lực đối với O. Cần đọc đúng lực tại B nằm ở tử số khi tính khoảng cách từ A.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(OA_{lt}\) | Vị trí đặt hợp lực theo lí thuyết tính từ A | m (hoặc cm nhất quán với AB) |
| \(F_1,F_2\) | Độ lớn các lực tại A, B | N |
| \(AB\) | Khoảng cách hai điểm đặt A, B | m (hoặc cm) |
Điều kiện: \(F_1+F_2>0\); O nằm trong đoạn AB.
Chỉ số để so sánh kết quả; không đồng nghĩa với độ không đảm bảo đo. Với thí nghiệm song song, thay F bằng OA: \(\delta_{OA}=|OA_{tn}-OA_{lt}|/OA_{lt}\cdot100\%\).
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(F_{tn},F_{lt}\) | Độ lớn hợp lực đo và tính | N |
| \(\delta_F\) | Phần trăm sai lệch so với lí thuyết | % |
Điều kiện: chỉ tính khi mẫu số khác 0. Sai số đầy đủ phải xét độ chia nhỏ nhất và độ lặp lại của phép đo.
Hai bộ thí nghiệm sau bám tiến trình SGK trang 86–89. Hãy phân biệt dữ liệu ảo do phần mềm sinh với số đo thật do học sinh nhập. Bộ thí nghiệm thực có sai số nên kết quả đo không buộc phải trùng hoàn toàn với giá trị lí thuyết.
Lưu ý: không kéo quá giới hạn 5 N; khi α gần 180° và F₁≈F₂, hợp lực gần 0 và hướng của hợp lực không xác định.
Câu hỏi quan sát:Trong sơ đồ, mũi tên nét đứt là hợp lực thay thế, không đồng thời tác dụng với hai lực thật. Hệ quy chiếu: A bên trái, B bên phải.
Câu hỏi quan sát:Video minh họa dụng cụ bàn lực tương đương về nguyên lí với phép tổng hợp các lực đồng quy. Dụng cụ trong video khác bộ bảng thép – lực kế của SGK; dùng để quan sát quy tắc cân bằng lực, không thay thế trình tự SGK.
Nguồn: MRC Pahayahay, video “Experiment 1: Force Table and Vector Addition of Forces” (2021), YouTube. Cần Internet để xem.
Dùng mô phỏng để kiểm tra phương pháp hình bình hành hoặc thành phần vectơ, sau khi đã xác định kết quả đo của riêng mình.
Nguồn: PhET Interactive Simulations – University of Colorado Boulder.
Có thể nhập dấu phẩy hoặc dấu chấm thập phân. Nhập kết quả đo thực tế hoặc chọn “Số liệu minh họa” để học cách tính. Hai chế độ luôn được ghi nhãn khác nhau. Dữ liệu được lưu trên trình duyệt này.
| Lần đo | F₁ (N) | F₂ (N) | α (°) | Ftn (N) | Flt (N) | Chênh lệch (N) | Sai lệch (%) |
|---|
| Lần đo | F₁ (N) | F₂ (N) | AB (cm) | Ftn (N) | OAtn (cm) | OAlt (cm) | Sai lệch OA (%) |
|---|
Hai cách bố trí thí nghiệm, hai nhóm công thức và yêu cầu báo cáo. Nhấn sơ đồ để phóng to.
Quy tắc hình bình hành cho phép cộng hai vectơ bằng hình học. Trong thực hành, việc thay hai lực bằng một lực có cùng tác dụng lên một dây cao su là cách biến một mệnh đề hình học thành kết quả có thể đo đạc.
Gợi mở tìm hiểu: phép cộng vectơ và sự phát triển của cơ học cổ điển.
Điểm đặt của hợp lực hai tải song song cùng chiều không phải trung điểm nếu tải trọng không đều. Khi bố trí móc treo và kết cấu đỡ, cần xem cả độ lớn tải và vị trí đặt.
Khi \(F_{tn}\) khác \(F_{lt}\) đôi chút, hãy kiểm tra độ chia nhỏ nhất, sai số đọc góc, ma sát móc, dây không cùng mặt phẳng và sai lệch khi đưa vật về đúng vị trí tham chiếu. Báo cáo cần nêu cả độ phù hợp lẫn giới hạn phép đo, không chỉ một con số trùng khớp.