Trả lời nhanh
Muốn đo tốc độ, ta đo quãng đường s và khoảng thời gian t tương ứng rồi tính v = s/t. Có ba cách thông dụng ở lớp học: (1) thước và đồng hồ bấm giây, rẻ nhưng sai số lớn vì phản xạ của người đo; (2) cổng quang điện với đồng hồ hiện số, chính xác nhất nhưng cần thiết bị; (3) quay video rồi phân tích từng khung hình, tiện lợi nhưng phụ thuộc số khung hình mỗi giây.
Nguyên tắc chung của mọi phương án đo tốc độ
Tốc độ trung bình trên một đoạn đường là v = s/t. Nếu khoảng thời gian rất ngắn thì giá trị này gần với tốc độ tức thời. Vì vậy mỗi phương án thực chất là một cách đo s và t sao cho sai số nhỏ nhất. Trước khi chọn, ta cần trả lời ba câu hỏi: vật chuyển động nhanh hay chậm, quãng đường dài hay ngắn, và có cần tốc độ tại một điểm hay tốc độ trung bình.
Phương án 1: Thước và đồng hồ bấm giây
- Cách làm: đánh dấu hai vạch cách nhau quãng đường s (đo bằng thước), bấm giờ khi vật qua vạch thứ nhất và dừng khi qua vạch thứ hai.
- Ưu điểm: dụng cụ rẻ, dễ kiếm, thao tác đơn giản.
- Nhược điểm: sai số do thời gian phản xạ của người bấm (thường khoảng 0,1 đến 0,2 s); chỉ cho tốc độ trung bình; không phù hợp với vật chuyển động nhanh hoặc quãng đường ngắn.
Phương án 2: Một cổng quang điện và tấm chắn sáng
- Cách làm: gắn lên vật tấm chắn sáng có bề rộng d. Khi tấm chắn đi qua cổng quang, đồng hồ hiện số ghi thời gian Δt tấm chắn che tia sáng. Tốc độ tức thời tại cổng là v = d/Δt.
- Ưu điểm: đo được tốc độ tức thời, thời gian chính xác đến phần nghìn giây, loại bỏ sai số do con người.
- Nhược điểm: thiết bị đắt hơn, cần căn chỉnh cổng quang, chỉ cho tốc độ tại một vị trí.
Phương án 3: Hai cổng quang điện
- Cách làm: đặt hai cổng quang cách nhau quãng đường s, đồng hồ đo khoảng thời gian Δt từ lúc vật qua cổng thứ nhất đến cổng thứ hai. Tốc độ trung bình là s/Δt. Kết hợp thêm tấm chắn sáng, ta có thể tính tốc độ tức thời tại từng cổng.
- Ưu điểm: độ chính xác cao, đo được tốc độ ở hai vị trí để suy ra vật có tăng hay giảm tốc.
- Nhược điểm: cần hai bộ cảm biến và việc đo khoảng cách giữa hai cổng phải chuẩn.
Phương án 4: Quay video và phân tích khung hình
- Cách làm: quay vật chuyển động cạnh một thước chia vạch bằng điện thoại. Khoảng thời gian giữa hai khung hình liên tiếp bằng 1/fps (video 30 khung hình trên giây thì mỗi khung cách nhau khoảng 0,033 s). Đếm số khung hình giữa hai vị trí để suy ra t.
- Ưu điểm: rẻ, quan sát được nhiều vị trí cùng lúc, có thể xem lại nhiều lần.
- Nhược điểm: độ phân giải thời gian bị giới hạn bởi số khung hình; sai số do góc quay lệch, vật mờ khi chạy nhanh.
Bảng so sánh các phương án
| Tiêu chí | Đồng hồ bấm giây | Một cổng quang | Hai cổng quang | Quay video |
|---|---|---|---|---|
| Đại lượng thu được | Tốc độ trung bình | Tốc độ tức thời | Trung bình và tức thời | Trung bình, có thể nhiều điểm |
| Độ chính xác | Thấp | Cao | Cao | Trung bình |
| Chi phí | Rẻ | Cao | Cao | Rẻ |
| Phù hợp vật nhanh | Không | Có | Có | Hạn chế |
Ví dụ tính toán và sai số
Ví dụ 1 (một cổng quang). Tấm chắn rộng d = 2,0 cm = 0,020 m, đồng hồ ghi Δt = 0,025 s. Tốc độ tức thời: v = 0,020/0,025 = 0,80 m/s.
Ví dụ 2 (hai cổng quang). Hai cổng cách nhau 0,50 m, đồng hồ ghi Δt = 0,500 s. Tốc độ trung bình: v = 0,50/0,500 = 1,0 m/s. Nếu đồng hồ sai 0,001 s thì sai số tương đối của thời gian chỉ khoảng 0,2%.
Ví dụ 3 (bấm giây bằng tay). Vật đi 2,0 m hết khoảng 2,0 s, tức v ≈ 1,0 m/s. Nếu thời gian đo lệch 0,2 s thì t nằm trong khoảng 1,8 đến 2,2 s, khi đó v nằm trong khoảng từ 0,91 đến 1,11 m/s, sai số khoảng 10%. Đó là lí do cần dùng cổng quang khi đòi hỏi độ chính xác.
Cách trả lời câu hỏi “so sánh ưu, nhược điểm”
- Nêu rõ từng phương án: dụng cụ, đại lượng đo trực tiếp, công thức tính tốc độ.
- Chỉ ra nguồn sai số chính của từng phương án.
- So sánh bằng bảng hoặc theo các tiêu chí: độ chính xác, chi phí, tính tiện dụng, loại tốc độ đo được.
- Kết luận: chọn phương án nào cho điều kiện cụ thể và vì sao.
Lỗi sai thường gặp
- Dùng v = d/Δt nhưng đổi sai đơn vị (cm với m).
- Cho rằng tấm chắn rộng bao nhiêu cũng được: tấm chắn càng hẹp, v = d/Δt càng gần tốc độ tức thời.
- Quên rằng đồng hồ bấm giây chỉ cho tốc độ trung bình.
Bài luyện tập
1) Tấm chắn rộng 3,0 cm đi qua cổng quang hết 0,015 s. Tính tốc độ tức thời. Đáp án: 0,030/0,015 = 2,0 m/s.
2) Một xe đi giữa hai cổng quang cách nhau 1,2 m hết 2,4 s. Tính tốc độ trung bình. Đáp án: 1,2/2,4 = 0,50 m/s.
3) Vì sao thí nghiệm đo tốc độ xe lăn trên máng nghiêng nên dùng cổng quang thay vì bấm giây? Đáp án: xe đi nhanh và thời gian đo ngắn, sai số phản xạ của người bấm sẽ chiếm tỉ lệ lớn so với thời gian thật.
Câu hỏi thường gặp
Có những phương án nào để đo tốc độ chuyển động?
Phổ biến là thước kết hợp đồng hồ bấm giây, một hoặc hai cổng quang điện với đồng hồ hiện số, và quay video rồi phân tích khung hình.
Vì sao cổng quang điện chính xác hơn đồng hồ bấm giây?
Vì thời gian được máy ghi tự động đến phần nghìn giây, không phụ thuộc thời gian phản xạ 0,1 đến 0,2 s của người bấm.
Công thức tính tốc độ tức thời bằng tấm chắn sáng là gì?
v = d/Δt, với d là bề rộng tấm chắn sáng và Δt là thời gian tấm chắn che tia sáng của cổng quang.