2.1.1. Nội dung các bài thực hành thí nghiệm phần cơ học
Theo chương trình vật lí 10 - nâng cao, phần cơ học gồm ba bài thực hành thí nghiệm, cụ thể các bài như sau:
1) Bài 12. Thực hành xác định gia tốc rơi tự do.
Bài thực hành này được thực hiện cuối chương 1, khi đó học sinh đã được học về phương pháp khảo sát chuyển động thẳng, học sinh đã biết các bước tiến hành thí nghiệm nói chung (bài 3), biết cách xác định sai số trong bài học sai số trong thí nghiệm thực hành (bài 11). Như vậy, đây là bài thực hành thí nghiệm đầu tiên mà học sinh được tiến hành với thí nghiệm thật.
Mục đích của bài thí nghiệm này là đo gia tốc rơi tự do của một vật. Về cơ bản, rơi tự do là một chuyển động nhanh dần đều, muốn xác định gia tốc có thể đo quãng đường và thời gian chuyển động của vật dựa vào công thức s=v0t + 1/2gt2. Việc xác định vận tốc v0 là khó khăn nên có thể chọn v0=0, tức là cần đo thời gian rơi của vật từ lúc vật bắt đầu chuyển động. Một nguyên nhân có thể làm sai lệch kết quả trong quá trình tiến hành thí nghiệm là khi vật rơi có sức cản có không khí, cần chọn vật rơi thích hợp để làm giảm ảnh hưởng của không khí đến kết quả đo.
Ví dụ: Thả một vật ( trụ thép, viên bi…) từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phương 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
33
vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc g, đo quãng đường đi được s sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) hoặc đo thời gian t khi vật chuyển động được quãng đường s, gia tốc đ- ược xác định bởi công thức: g=2s/t2
.
Như vậy, trong thí nghiệm trên, để xác định gia tốc g ta có thể chọn s hoặc t là biến độc lập (có thể đặt trước giá trị) và đo đại lượng còn lại là biến phụ thuộc.
Với bài thực hành đo gia tốc rơi tự do trong sách giáo khoa vật lí 10 – nâng cao, phương án thí nghiệm trên được tiến hành với bộ thí nghiệm với máng CT10-1 và đồng hồ đo thời gian hiện số MC964 (hình 2.1), các dụng cụ thí nghiệm cụ thể như sau:
Hình 2.1. Ảnh chụp bộ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do
34
Đồng hồ đo thời gian hiện số là loại dụng cụ đo thời gian chính xác cao (độ chia nhỏ nhất 0,001 - 0,01s). Nó có thể hoạt động như một đồng hồ bấm giây, được điều khiển bằng các cổng quang điện.
Hình 2.2. Ảnh chụp đồng hồ đo thời gian hiện số MC964
Hình 2.3. Nam châm điện và trụ thép
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 2.3). 4. Cổng quang điện E .
Cổng quang điện gồm một điôt D1 phát ra tia hồng ngoại, và một điôt D2 nhận tia hồng ngoại từ D1 chiếu sang. Dòng điện cung cấp cho D1 được lấy từ đồng hồ đo thời gian. Khi có vật chắn chùm tia hồng ngoại chiếu từ D1 sang D2, D2 sẽ phát ra tín hiệu truyền theo dây dẫn đi tới đồng hồ, điều khiển đồng hồ hoạt động tức thì, gần như không có quán tính.
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.
35
Để tiến hành được thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do, học sinh cần có các kĩ năng sử dụng các dụng cụ thí nghiệm và lắp ráp các dụng cụ thí nghiệm như sau:
+ Sử dụng đồng hồ đo thời gian hiện số MC964, đây là dụng cụ thí nghiệm có độ chính xác cao và nhiều chức năng nên học sinh cần biết chọn đúng chân cắm và chọn đúng chế độ đo. Trên mặt đồng hồ có hai ổ cắm 5 chân, một nút ấn và một cái chuyển mạch. Ổ A có 5 chân, được nối với cổng quang điện E, vừa cung cấp dòng điện cho cổng E, vừa nhận tín hiệu từ E gửi về. Ổ B được nối với cổng quang điện F, và có chức năng như trên. Nút chuyển mạch MODE (kiểu làm việc) dùng để chọn kiểu làm việc cho đồng hồ đo thời gian. Việc chọn sai chế độ thì không thể đo được thời gian rơi của vật. Trong bài này cần chọn MODE ở vị trí A B. Ở chế độ này, khi có tín hiệu từ E chuyển sang thì đồng hồ bắt đầu hoạt động, khi có tín hiệu từ F chuyển sang thì đồng hồ đo ngừng hoạt động, khoảng thời gian ngăn cách từ lúc có tín hiệu thứ nhất đến lúc có tín hiệu thứ hai được hiện trên mặt hiện số của đồng hồ.
+ Vật rơi là một trụ thép nên có thể được giữ bằng 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. Khi nhấn công tắc, nam châm điện bị ngắt mạch và vật rơi, đồng thời tín hiệu được gửi về đồng hồ đo thời gian và bắt đầu đo thời gian vật rơi. Khi vật rơi qua cổng quang, đồng hồ ngừng đo. Như vậy, cần phải điều chỉnh sao cho vật rơi đi đúng qua cổng quang. Học sinh cần quan sát quả dọi, phối hợp điều chỉnh các vít ở chân giá để sao cho khi vật rơi qua lỗ tròn của cổng quang điện, như vậy nam châm, vật rơi, cổng quang phải cùng nằm trên một trục thẳng đứng.
+ Khi vật rơi, có thể vật sẽ bắn ra, gây mất an toàn trong quá trình thí nghiệm, học sinh cần phải nhận biết, dự đoán được hiện tượng sẽ xảy ra và có
36
giải pháp đảm bảo an toàn trong khi tiến hành thí nghiệm, ví dụ: sử dụng khăn vải bông được đặt nằm dưới để để vật rơi khỏi bắn ra xa.
+ Để đảm bảo đo chính xác thời gian, việc nhấn công tắc nam châm điện cũng cần nhấn và thả thật nhanh, vì chuyển động của vật là rất nhanh, việc nếu thả nút công tắc chậm thì có thể sai mất vài phần chục giây trong khi đồng hồ đo chính xác đến 1/100s.
Ngoài ra, do hiện tượng từ trễ, nam châm điện có thể làm ảnh hưởng đến chuyển động rơi của vật trong khoảng thời gian đầu.
Tóm lại: Thực hành xác định gia tốc rơi tự do là bài thực hành thí nghiệm đầu tiên trong chương trình vật lí THPT. Một số dụng cụ thí nghiệm học sinh mới được tiếp súc, kĩ năng sử dụng các dụng cụ và tiến hành của học sinh còn hạn chế trong khi bài thực hành này đòi hỏi phép đo chính xác với các dụng cụ đo hiện đại, việc lắp ráp, điều chỉnh, bố trí thí nghiệm cũng đòi hỏi sự khéo léo vì vậy đây là bài thực hành mà học sinh có thể gặp nhiều khó khăn cả về kĩ năng thiết kế thí nghiệm và kĩ năng tiến hành thí nghiệm.
2) Bài 25. Thực hành xác định hệ số ma sát.
Mục đích của thí nghiệm này là xác định hệ số ma sát của mặt phẳng và vật. Đây là bài thực hành thuộc chương động lực học chất điểm, học sinh được học về các định luật của Newton và các loại lực. Lực ma sát đã được xác định theo công thức F= µN. Như vậy, nếu xác định được lực ma sát và áp lực N của vật thì sẽ xác định được hệ số ma sát µ, tuy nhiên việc đo lực ma sát là khó khăn.
Một cách khác là xét các lực tác dụng lên vật khi trượt trên mặt phẳng nghiên. Căn cứ vào sự chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng khiα ≥ α0
(α0 là góc nghiêng của máng so với mặt phẳng nằm ngang). Vật chuyển động trượt xuống với gia tốc a, ta có:
37
Độ lớn của a phụ thuộc vào α và μt(hệ số ma sát trượt), ta có công thức hệ số ma sát trượt μt:
Xác định được α và a ta xác định được μt. α xác định bằng thước đo góc. Như vậy nhiệm vụ đặt ra còn lại là xác định gia tốc của vật chuyển động nhanh dần đều trên mặt phẳng nghiêng.
Việc thiết kế phương án và cách thức tiến hành thí nghiệm xác định gia tốc của vật chuyển động nhanh dần đều học sinh đã được học trong bài thực hành xác định gia tố rơi tự do. Những dụng cụ thí nghiệm tương tự với bài thực hành xác định gia tốc rơi tự do, điểm khác biệt là máng CT10-1 được thay bằng máng nghiêng CT10-2 (hình 2.4).
Hình 2.4. Bộ thí nghiệm thực hành xác định hệ số ma sát
Qua phân tích trên có thể cho thấy ở bài thực hành này không đòi hỏi nhiều về cơ sở lí thuyết để thiết kế phương án thí nghiệm, học sinh đã được học về các định luật Newton, chuyển động biến đổi đều, vậy có thể tự thiết kế được phương án thí nghiệm. Đồng thời học sinh đã làm quen với các dụng cụ thí nghiệm, biết cách sử dụng chúng như đồng hồ đo thời gian hiện số MC964, cổng quang, nam châm điện. Vấn đề đặt ra là đòi hỏi học sinh
38
thực hiện chính xác, với thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do, học sinh có thể so sánh kết quả của mình với gia tốc rơi tự do đúng. Với thí nghiệm này, học sinh không có giá trị chuẩn để so sánh nên học sinh cần xác định rõ sai số để từ đó khẳng định tính tin cậy của phép đo.
Tóm lại: Bài thực hành xác định hệ số ma sát thực chất là xác định gia tốc của vật chuyển động nhanh dần đều trên máng nghiêng. Các đại lượng cần đo cơ bản vẫn là đo quãng đường và thời gian. Các nguyên tắc đo và cách sử dụng các dụng cụ thí nghiệm học sinh đã được học trong bài thí nghiệm xác định gia tốc rơi tự do nên bài học này có nhiều điều kiện để học sinh tự lực rèn luyện nhiều kĩ năng thí nghiệm và những đức tính cần thiết của nhà khoa học như cẩn thận, kiên trì, trung thực…
3) Bài 30. Thực hành tổng hợp hai lực.
Mục đích thí nghiệm này là xác định lực tổng hợp từ hai lực. Bài học này yêu cầu học sinh vận dụng quy tắc tổng hợp hai lực và quy tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều. Về kiến thức vật lí không nhiều, các dụng cụ đo cũng đơn giản vì vậy có thể tăng tính tự lực của học sinh trong tiến hành thí nghiệm.
Việc xác định lực tổng hợp từ hai lực, trong trường hợp đơn giản là tổng hợp hai lực P1
và P2
song song cùng chiều tác dụng lên thanh AB, ở đây 1
P
và P2
có thể xác định nhờ trọng lực của hai vật nặng biết khối lượng (cân hoặc sử dụng quả cân đã biết khối lượng). Hợp của hai lực P1
và P2 song song cùng chiều tác dụng lên thanh AB là một lực P
song song cùng chiều với hai lực đó. Lực P
39 của lực P
nằm trong mặt phẳng chứa hai lựcP1
và P2
, chia khoảng cách giữa hai lực (chia trong) theo tỉ lệ:
OA OB d d P P 1 2 2 1 (hình 2.5)
Hình 2.5: Sơ đồ tổng hợp hai lực song song cùng chiều
Kết quả tính toán độ lớn và điểm đặt của lực F trên hình 2.5 là cơ sở để tiến hành thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều. Dụng cụ thí nghiệm bao gồm (hình 2.5):
- Hai lò xo xoắn 5N, dài khoảng 60 mm. - Ba dây cao su.
- Thanh treo qua nặng, bằng kim loại nhẹ, cứng, dài 400 mm, để treo các quả nặng tổng cộng đến 10N mà không bị biến dạng. Trên thanh có gắn thước 400 mm và 3 con trượt có gắn móc treo, hai đầu có lỗ móc treo 2 lò xo 5N.
- Thanh định vị, bằng kim loại nhẹ, mỏng, dài 300 mm, sơn màu đen, gắn được lên bảng sắt.
- Cuộn dây treo, nhẹ, mềm và có màu tối.
- Hộp các quả nặng có khối lượng bằng nhau 50g.
- Giá đỡ có trục 10 mm, cắm lên đế 3 chân và bảng sắt.
1 P 2 P . P d 1 d 2 a O A B
40 - Hai đế nam châm để buộc dây cao su.
- Thước đo chiều dài có độ chia nhỏ nhất 1 mm. - Một viên phấn
Hình 2.6: Thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy
Trong thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều đòi hỏi xác định lực tác dụng lên thanh trong hai trường hợp tác dụng bằng hai lực vào hai đầu thanh và so sánh với trường hợp một lực tổng hợp tác dụng vào thanh mà vẫn giữ thanh ở trạng thái khi tác dụng bằng hai lực. Như vậy, quá trình thí nghiệm phải rất cẩn thận đánh dấu các vị trí của thanh, chọn các quả nặng phù hợp, điều này đòi hỏi học sinh vận dụng lí thuyết để tính ra trọng lượng các quả nặng sao cho thích hợp.
Tóm lại: Với bài thí nghiệm tổng hợp hai lực song song, cùng chiều thì không đòi hỏi nhiều kĩ năng sử dụng các dụng cụ đo cũng như nguyên tắc thực hiện phép đo mà đòi hỏi học sinh vận dung kiến thức đã được học, tính toán, lựa chọn các quả nặng, từ đó thiết kế phương án thí nghiệm. Trong quá trình tiến hành thí nghiệm, học sinh cần biết cách treo các quả nặng vào hai lỗ móc của miếng mica, nên chọn số quả nặng hai bên không như nhau để độ
41
nghiêng của thước bất kì. Độ chính xác của việc xác định điểm đặt của lực tổng hợp (độ dài a) phụ thuộc nhiều vào kĩ năng dùng phấn để đánh dấu các điểm đặt của các lực và dựng các lực thành phần trên bảng sắt. Điều này đòi hỏi học sinh cẩn thận trong từng thao tác tiến hành thí nghiệm.
Đối với thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy. Sử dụng bảng sắt được gắn lên giá có đế ba chân. Gắn thước đo góc, có độ chia nhỏ nhất 10
. Hai lực kế ống 5N, hai vòng kim loại có đế nam châm xuyến mạ kẽm. Nhờ hai nam châm này, ta có thể định vị hai lực kế trên bảng sắt. Lò xo 5N có nam châm để gắn dính lên bảng sắt. (hình 2.7)
Việc gắn lực kế và các dụng cụ lên bảng có thể chúng không cùng trong mặt phẳng nên cần buộc một đầu của dây cao su vào đế nam châm, đầu kia của dây cao su được thắt vào giữa dây chỉ. Hai đầu dây chỉ được buộc vào móc của hai lực kế. Kéo hai lực kế sao cho dây cao su song song mặt phẳng bảng.
42
Hình 2.7. Thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy
Trong quá trình thí nghiệm tổng hợp hai lực đồng quy, mức độ chính xác của kết quả thu được phụ thuộc nhiều vào kĩ năng thực hành. Cần chú ý các vấn đề sau:
- Khi dùng các lực kế để kéo, nếu ống lực không thẳng đứng, lò xo trong ống có thể chạm vào vỏ gây nên ma sat, làm giảm trị số của lực kế.
- Nếu phương của hai lực kế và dây cao su không song song với mặt phẳng bảng sắt, các lò xo trong lực kế cũng chạm vào vỏ làm kết quả thí nghiệm thiếu chính xác.
- Không thực hiện thí nghiệm trong trường hợp dùng lực kéo quá lớn vượt giới hạn đàn hồi của lò xo trong lực kế (vượt chỉ số lớn nhất của lực kế)