Trả lời nhanh
Tốc độ trung bình của viên bi từ cổng quang điện E đến cổng F là v = s / t. s là khoảng cách giữa hai cổng, t là thời gian bi đi từ E sang F, đo bằng đồng hồ hiện số ở chế độ A↔B. Làm ít nhất năm lần, lấy t trung bình rồi mới chia. Tốc độ tức thời lúc qua một cổng thì khác: lấy đường kính viên bi chia cho thời gian bi che cổng đó, đồng hồ để chế độ A hoặc B.
Tốc độ trung bình từ cổng E đến cổng F
Câu hỏi này thuộc hoạt động thảo luận, Bài 6 Thực hành đo tốc độ của vật chuyển động, Vật lí 10 Kết nối tri thức. Viên bi được thả trên máng nhôm, lăn qua hai cổng quang điện. Mỗi cổng có một tia sáng. Khi bi che tia, đồng hồ nhận một tín hiệu.
Muốn có tốc độ trung bình trên cả quãng EF, em cần đúng hai đại lượng trong công thức v = s / t.
- Quãng đường s là khoảng cách giữa hai tia sáng của cổng E và cổng F, không phải khoảng cách giữa hai cái vỏ cổng. Đo bằng thước dọc theo máng, cùng đơn vị với thời gian sẽ dùng (nên đưa s về mét).
- Thời gian t là thời gian bi đi hết quãng đó. Chọn MODE A↔B: đồng hồ bắt đầu khi bi vào cổng E và dừng khi bi vào cổng F. Nhấn RESET về 0 trước mỗi lần thả. Thả bi từ cùng một chỗ, tốt nhất là nhả nam châm điện giữ bi ở đỉnh máng, để vận tốc ban đầu mỗi lần như nhau.
Một lần đo dễ lệch. Em lặp ít nhất năm lần, lập bảng, tính t trung bình rồi mới tính v = s / t trung bình. Không tính năm tốc độ rồi cộng tùy tiện nếu s không đổi: với s cố định, lấy trung bình các t rồi chia một lần là gọn và đúng với cách xử lí sai số ở dưới.
Ví dụ số đo và cách tính sai số
Bộ số sau là ví dụ để thấy cách lập bảng. Số của nhóm em phải lấy từ thí nghiệm của nhóm, không chép lại ví dụ này.
Đặt s = 0,400 m, sai số thước lấy Δs = 0,001 m. Năm lần đo thời gian từ E đến F, đơn vị giây: 0,512; 0,518; 0,509; 0,515; 0,521.
Thời gian trung bình: (0,512 + 0,518 + 0,509 + 0,515 + 0,521) / 5 = 2,575 / 5 = 0,515 s.
Tốc độ trung bình: v = 0,400 / 0,515 ≈ 0,777 m/s. Phép chia chính xác là 400/515 = 80/103 ≈ 0,7767, làm tròn ba chữ số thập phân được 0,777 m/s.
Sai số ngẫu nhiên của thời gian lấy trung bình các độ lệch tuyệt đối so với 0,515 s: |0,512 − 0,515| = 0,003; tương tự 0,003; 0,006; 0 và 0,006. Tổng độ lệch 0,018 s. Δt = 0,018 / 5 = 0,0036 s. Sai số này lớn hơn độ chia 0,001 s của đồng hồ, nên dùng 0,0036 s, không lấy mỗi 0,001 s.
Sai số tỉ đối: δs = 0,001 / 0,400 = 0,25%. δt = 0,0036 / 0,515 ≈ 0,70%. Với phép chia, δv ≈ δs + δt ≈ 0,95%. Sai số tuyệt đối Δv ≈ 0,95% × 0,777 ≈ 0,007 m/s.
Kết quả viết được: v = (0,777 ± 0,007) m/s. Nghĩa là tốc độ trung bình trên quãng EF nằm quanh 0,777 m/s, độ tin cậy của phép đo này cỡ vài phần nghìn mét trên giây.
Tốc độ tức thời khi bi đi qua một cổng
Câu hỏi thứ hai của hoạt động: tốc độ lúc bi đang đi qua riêng cổng E, hoặc riêng cổng F. Quãng đường lúc này rất ngắn, bằng đường kính d của viên bi, vì chỉ trong lúc thân bi che tia thì đồng hồ mới chạy. Đo d bằng thước kẹp, vuông góc với phương lăn.
Đồng hồ để MODE A nếu đo tại cổng E, MODE B nếu đo tại cổng F. Thời gian t là thời gian che một cổng. Tốc độ tức thời gần đúng là v = d / t. Cách này càng hợp khi d nhỏ so với cả máng, vận tốc ít đổi trong lúc bi đi qua tia.
Ví dụ tại cổng E: d = 0,0180 m, Δd = 0,0001 m. Năm lần thời gian che cổng, đơn vị giây: 0,023; 0,022; 0,023; 0,023; 0,023. Trung bình t = 0,114 / 5 = 0,0228 s. Vậy vE = 0,0180 / 0,0228 ≈ 0,789 m/s.
Độ lệch tuyệt đối so với 0,0228 s là 0,0002; 0,0008; 0,0002; 0,0002; 0,0002. Tổng 0,0016 s, Δt = 0,00032 s. δd = 0,0001 / 0,0180 ≈ 0,56%. δt = 0,00032 / 0,0228 ≈ 1,40%. δv ≈ 1,96%, Δv ≈ 0,015 m/s. Viết vE = (0,789 ± 0,015) m/s.
So với tốc độ trung bình 0,777 m/s ở trên: hai kết quả chồng lên nhau trong khoảng sai số (0,777 + 0,007 = 0,784 và 0,789 − 0,015 = 0,774). Điều đó hợp với máng nằm ngang giữa hai cổng, bi gần như chuyển động đều, ma sát chỉ làm tốc độ giảm rất ít. Nếu hai kết quả lệch xa khỏi khoảng sai số, em kiểm tra lại chỗ đặt cổng: cổng E còn nằm trên đoạn dốc thì tốc độ tại E phải nhỏ hơn tốc độ trung bình cả quãng, vì bi vẫn đang nhanh dần.
Những chỗ dễ gây sai số và cách giảm
Câu hỏi thứ ba của hoạt động là chỉ ra nguồn sai số. Các nguồn chính:
- Đo s giữa hai vỏ cổng thay vì giữa hai tia sáng.
- Cổng không vuông góc với máng, tia bị che lệch so với đường kính bi.
- Mỗi lần thả một vị trí, bi nhận vận tốc đầu khác nhau.
- Bi đi không thẳng, va thành máng.
- Đọc thước bị lệch mắt; thước kẹp kẹp không đúng chỗ lớn nhất của bi.
- Quên RESET, hoặc để nhầm MODE A thay vì A↔B khi đang đo cả quãng EF. Chế độ một cổng cho thời gian rất ngắn, cỡ vài phần trăm giây; nếu em đem chia cho s dài vài chục xentimét thì tốc độ sẽ vô lí.
Cách giảm: cố định nam châm và hai cổng, đo s một lần thật cẩn thận rồi dùng cho mọi lần thả, lặp năm lần, loại lần nào bi va thành máng trước khi lấy trung bình, và ghi rõ chế độ đồng hồ ngay trên bảng số liệu.
| Đại lượng | Đo bằng gì | Chế độ đồng hồ | Công thức |
|---|---|---|---|
| Tốc độ trung bình E đến F | s giữa hai tia, t cả quãng | A↔B | v = s / t |
| Tốc độ tức thời qua E | đường kính d, thời gian che E | A | v = d / t |
| Tốc độ tức thời qua F | đường kính d, thời gian che F | B | v = d / t |
Ba bài tự tính
Bài 1. s = 0,60 m, một lần đo t = 0,80 s. Tính tốc độ trung bình.
Đáp án: v = 0,60 / 0,80 = 0,75 m/s.
Bài 2. Đường kính bi 2,0 cm, thời gian che cổng E là 0,025 s. Tính tốc độ tức thời.
Đáp án: d = 0,020 m. v = 0,020 / 0,025 = 0,80 m/s.
Bài 3. s = 0,50 m. Năm lần đo t (giây): 0,40; 0,42; 0,41; 0,39; 0,43. Tính v.
Đáp án: tổng thời gian 2,05 s, t trung bình = 2,05 / 5 = 0,41 s. v = 0,50 / 0,41 ≈ 1,22 m/s.
Trước khi thay số, em viết đơn vị ra mét và giây. 2,0 cm mà quên đổi thành 0,020 m sẽ cho tốc độ lớn gấp 100 lần, sai hoàn toàn dù phép chia đúng.
Câu hỏi thường gặp
Công thức tốc độ trung bình của viên bi từ E đến F là gì?
v = s/t, trong đó s là khoảng cách giữa hai cổng quang điện và t là thời gian bi đi từ E đến F, đo ở chế độ A↔B.
Tốc độ tức thời qua cổng E tính ra sao?
Lấy đường kính viên bi chia cho thời gian bi che cổng E. Đồng hồ để chế độ A. Đường kính đo bằng thước kẹp rồi đổi ra mét.
Vì sao phải đo nhiều lần?
Mỗi lần thả đều có sai số ngẫu nhiên. Lấy trung bình ít nhất năm lần thì thời gian dùng để chia ổn định hơn một lần đo đơn.
Đặt nhầm chế độ A khi đang đo cả quãng EF thì sao?
Đồng hồ chỉ đếm thời gian bi che một cổng, rất ngắn. Mang thời gian đó chia cho quãng đường dài sẽ ra tốc độ lớn vô lí.
s nên đo giữa hai điểm nào?
Giữa hai tia sáng của cổng E và cổng F, dọc theo máng. Đo giữa hai vỏ nhựa của cổng sẽ lệch so với quãng đường bi thực sự đi trong lúc đồng hồ chạy.