Lý 10 Bài 8: Thực hành: Khảo sát chuyển động rơi tự do và xác định gia tốc rơi tự do

Đo thời gian rơi t trên những đoạn đường s khác nhau để vẽ đồ thị s ~ t2, rồi từ đó suy ra tính chất của chuyển động. Ngoài ra, với số liệu đó ta xác định được gia tốc rơi tự do.

• Giá đỡ 
• Trụ bằng sắt non
• Nam châm điện
• Cổng quang điện
• Đồng hồ đo thời gian
• thước thẳng 800 mm
• Ke ba
• Khăn vải bông

a) Cơ sở lý thuyết

- Mối quan hệ giữa quãng đường rơi tự do và thời gian rơi

• Khi một vật có vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc a, thì quãng đ­ường đi đ­ược s sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) được xác định bởi công thức:​ s = \(\frac{1}{2} \)g.t²

- Vẽ đồ thị f (s, t2)

•  Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa s và t2 có dạng một đ­ường thẳng đi qua gốc toạ độ và có hệ số góc: tanα = \(\frac{g}{2} \)

b) Lắp ráp thí nghiệm

• 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. Sử dụng MODE đo AB, chọn thang đo 9,999 s.

• Quan sát quả dọi, phối hợp điều chỉnh các vít ở chân giá để sao cho quả dọi nằm  đúng tâm lỗ tròn T.  Khi vật rơi qua lỗ tròn của cổng quang điện E, chúng cùng nằm trên một trục thẳng đứng. Khăn vải bông được đặt  nằm dưới  để để vật rơi .

• Cho nam châm hút giữ vật rơi. Dùng miếng ke áp sát đáy vật rơi để xác định vị trí đầu s₀ của vật.

• Ghi giá trị số vào Bảng 8.1 (có ở mẫu báo cáo).

c) Tiến trình thí nghiệm

• Đo thời gian rơi ứng với các khoảng cách s khác nhau

• Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách s0 một khoảng  s = 0,050 m. Nhấn nút RESET trên mặt đồng hồ để đưa chỉ thị số về giá trị  0. 000.

• Ấn nút trên hộp công tắc để thả vật rơi, rồi  nhả nhanh nút tr­ước khi vật rơi đến cổng quang điện E. Ghi thời gian rơi  của vật vào Bảng 8.1. Lặp lại phép đo thêm 4 lần,  ghi vào Bảng 8.1.

• Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách s0 một khoảng  s =  lần lượt bằng 0,200; 0,450; 0,800 m. Ứng với mỗi giá trị của s, thả vật rơi và ghi thời gian t t­ương ứng vào bảng Bảng 8.1. Lặp lại phép đo thêm 4 lần,  ghi vào Bảng 8.1.

• Kết thúc thí nghiệm:  Nhấn khoá K , tắt  điện đồng hồ đo thời gian hiện số.

a) Trả lời câu hỏi

- Sự rơi tự do là gì ? Nếu đặc điểm của chuyển động rơi tự do và viết công thức tính gia tốc rơi tự do ?

- Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực.

- Đặc điểm:

• Phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống.
• Là chuyển động nhanh dần đều.
• Tại một nơi nhất định trên Trái Đất và ở gần mặt đất, mọi vật đều rơi tự do với cùng gia tốc g.

- Công thức tính gia tốc rơi tự do: \(g = \frac{{2{\rm{s}}}}{{{t^2}}} \)

Trong đó:

• s : quãng đường đi được của vật rơi tự do (m).
• t : thời gian vật rơi tự do (s).

b) Kết quả

Bảng 8.1 Khảo sát chuyển động rơi tự do : Đo thời gian rơi ứng với các khoảng cách s khác nhau.

• Vị trí đầu của vật rơi: s₀ = 0 (mm).

• Vẽ đồ thị: Dựa vào kết quả trong Bảng 8.1, chọn tỉ lệ thích hợp trên các trục tung và trục hoành để vẽ đồ thị s = s(t²)

• Nhật xét: Đồ thị s = s(t²) có dạng là một đường cong parabol. Như vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.

• Khi đã xác định được chuyển động rơi tự do là một chuyển động nhanh dần đều, ta có thể xác định các giá trị của g theo công thức \(g = \frac{{2{\rm{s}}}}{{{t^2}}} \)${\displaystyle \frac{{\mathrm{}}^{}}{}}$ và vận tốc của vật rơi tại cổng E theo công thức \(\frac{{2{\rm{s}}}}{t} \) ứng với mỗi lần đo. Hãy tính các giá trị trên và ghi vào bảng 8.1

Câu 1: Một viên đá được thả từ một khí cầu đang bay lên theo phương thẳng đứng với vận tốc 5 m/s, ở độ cao 300 m. Viên đá chạm đất sau khoảng thời gian

A. 8,35 s

B. 7,8 s

C. 7,3 s

D. 1,5 s

Câu 2: Một vật rơi từ độ cao 10 m so với một sàn thang máy đang nâng đều lên với vận tốc 0,5 m/s để hứng vật. Trong khi vật rơi để chạm sàn, sàn đã được nâng lên một đoạn bằng (g = 10 m/s²).

A. 0,71 m.

 B. 0,48 m.

C. 0,35 m.

D. 0,15 m.

Câu 3: Một vật nhỏ rơi tự do từ các độ cao h=80 m so với mặt đất. Lấy gia tốc rơi tự do g = 10 m/s². Quãng đường vật đi được trong 1 giây cuối cùng trước khi chạm đất là

A. 0,71 m.

B. 0,48 m.

C. 0,35 m.

D. 0,15 m.

Câu 4: Hai chất điểm rơi tự do từ các độ cao h₁, h₂. Coi gia tốc rơi tự do của chúng là như nhau. Biết vận tốc tương ứng của chúng khi chạm đất là v₁ = 3v² thì tỉ số giữa hai độ cao tương ứng là

A. h₁ = (1/9)h₂

B. h₁ = (1/3)h₂

C. h₁ = 9h₂

D. h₁ = 3h₂

Qua bài Thực hành: Khảo sát chuyển động rơi tự do và Xác định gia tốc rơi tự do này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như:

• Nắm được tính năng và nguyên tắc hoạt động của đồng hồ đo thời gian hiện số sử dụng công tắc đóng ngắt và cổng quang điện.

• Vẽ được đồ thị mô tả sự thay đổi vận tốc rơi của vật theo thời gian t và quãng đường đi s theo t. Từ đó rút ra kết luận về tính chất của chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.