1.3 Khảo sát, Thí nghiệm và Đo lường
Mục tiêu
- Lựa chọn và sử dụng thiết bị thích hợp để thu thập dữ liệu khoa học
- Thiết kế và tiến hành thí nghiệm điều khiển các biến chính
- Nêu giả thuyết, tiên đoán và kiểm tra các hiện tượng dựa trên các mô hình khoa học
Từ khóa
- Chu kì
- Tần số
- Sai số phần trăm
- Độ lệch phần trăm
Việc phân tích một hiện tượng thế giới “thực”, như cái bạn sẽ làm trong khóa học này, đòi hỏi khả năng thực hiện các phép đo – từ rất nhỏ cho đến rất lớn. Nó cũng đòi hỏi bạn có thể hình dung dữ liệu theo những cách khác nhau, và để xác định xem những mô hình hiện nay có thể tiên đoán các sự kiện thực tế chính xác như thế nào. Trong phần này, bạn sẽ làm hai thí nghiệm cho bạn cơ hội bắt đầu có kinh nghiệm với việc đo lường những sự kiện thực tế và phân tích dữ liệu phát sinh trong những thí nghiệm đó.
Trong nghiên cứu thứ nhất, bạn sẽ thiết kế thí nghiệm của riêng mình để khảo sát các biến xác định tốc độ đong đưa của một con lắc. Trong nghiên cứu thứ hai, bạn sẽ so sánh các kết quả thí nghiệm của mình từ nghiên cứu thứ nhất với một mô hình hiện có tiên đoán tốc độ đong đưa của con lắc bị chi phối như thế nào. Sau đó, bạn sẽ có cơ hội thực hành sử dụng một số công cụ toán học của một nhà vật lí, so sánh dữ liệu của bạn với những tiên đoán của một mô hình toán học.
Trước khi bạn tiến hành các nghiên cứu ở hai trang sau, hãy suy nghĩ về chuyển động của cái xích đu, giống như cái trong Hình 1.10. Suy nghĩ xem bạn có thể áp dụng các thuật ngữ nhiếp ảnh cho chuyển động của đứa trẻ hay không.
Hình 1.10 Cái xích đu là một thí dụ hay của chuyển động tuần hoàn.
Thời gian cần thiết để hoàn thành một dao động được gọi là chu kì.
Chu kì = khoảng thời gian / 1 vòng chuyển động
Đơn vị SI cho chu kì, T, là giây (s).
Số dao động trong một khoảng thời gian đặc biệt được gọi là tần số.
f = số dao động / khoảng thời gian
Đơn vị SI cho tần số, f, là 1/s hay Hertz (Hz).
Những chiếc đồng hồ cổ không chỉ đơn thuần là vật giữ nhịp thời gian, mà chúng còn là những tác phẩm nghệ thuật. Một chi tiết quan trọng của chiếc đồng hồ cổ là một con lắc lộng lẫy hoa văn đong đưa tới lui.
Bài toán
Phần 1: Những yếu tố nào ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc?
Phần 2: So sánh các kết quả của bạn với các tiên đoán của bạn.
Giả thuyết
Hãy xây dựng một giả thuyết liệt kê các biến sẽ ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc. Dự đoán xem mỗi biến sẽ ảnh hưởng như thế nào đến chu kì dao động.
Thiết bị
Các quả nặng (50 g đến 100 g)
Dây (1 m)
Đồng hồ đếm giờ
Giá đỡ
Thao tác
1. Với một người hỗ trợ, hãy thiết kế một thí nghiệm xác định các biến sẽ ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc. Nghiên cứu tối thiểu là ba biến.
2. Đưa ra các thao tác từng bước một.
3. Dự đoán và ghi lại ảnh hưởng của mỗi biến, và có dự đoán riêng của thầy giáo của bạn.
4. Tuân thủ các quy định an toàn của trường bạn, hãy tiến hành thí nghiệm và ghi lại các quan sát của bạn.
Phân tích và kết luận
1. Bạn sử dụng bao nhiêu dao động để xác định chu kì của con lắc?
2. Bạn đã chạy thử bao nhiêu lần trước khi thay đổi các biến? Như vậy đã đủ chưa? Hãy giải thích.
3. Giả thuyết của bạn có nêu chiều dài là một biến không? Nếu có thì tại sao? Nếu không thì tại sao không? Giải thích sự chọn lựa biến của bạn.
4. Xác định sai số trong dữ liệu của bạn bằng cách tính sai số phần trăm giữa giá trị cực đại và cực tiểu bạn cho chu kì dao động đối với mỗi biến có điều khiển. Tham khảo mục Kĩ năng 1 để hiểu rõ về độ lệch phần trăm.
5. Theo các kết quả của bạn, thì những biến nào ảnh hưởng đến chu kì dao động của một con lắc? Hãy giải thích, đưa ra càng nhiều chi tiết càng tốt.
Các nhà vật lí và thợ chế tạo đồng hồ thường sử dụng kết quả thu từ những thí nghiệm như thí nghiệm trước để phát triển một mối liên hệ giữa chu kì dao động của một con lắc và chiều dài của nó. Mô hình toán học cho mối liên hệ này được cho bởi phương trình sau:
T = 2π√(l/g)
Trong đó: T = chu kì dao động
l = chiều dài con lắc
g = 9,8 m/s2 (gia tốc trọng trường ở gần bề mặt Trái đất)
Bài toán
Nên phân tích dữ liệu thực nghiệm như thế nào để kiểm tra (a) sai số trong bộ dữ liệu và (b) độ chính xác khi so sánh với một giá trị lí thuyết?
Giả thuyết
Xây dựng một giả thuyết dự đoán xem kết quả thí nghiệm của bạn từ Nghiên cứu 1A phù hợp như thế nào với mô hình toán học giới thiệu ở trên.
Thao tác
1. Lập một bảng số liệu giống như bảng cho bên dưới.
2. Sử dụng phương trình lí thuyết và số liệu mà bạn thu thập trong nghiên cứu trước để hoàn thành bảng số liệu. Tham khảo Kĩ năng 1 để hiểu rõ về độ lệch phần trăm.
3. Nếu chiều dài không phải là một trong các biến mà bạn và người hỗ trợ của mình đã kiểm tra, thì hãy mượn số liệu thí nghiệm do bạn khác trong lớp của bạn tiến hành.
Phân tích và kết luận
1. Vẽ hai đồ thị sau trên cùng một hệ trục tọa độ:
(a) Tthí nghiệm theo l.
(b) Tlí thuyết theo l.
2. Phân tích đồ thị. Có thể nào xác định định lượng xem số liệu thực nghiệm của bạn có giống với các kết quả do lí thuyết dự đoán hay không?
3. Các giá trị độ lệch phần trăm có cho phép bạn xác định định lượng xem số liệu thực nghiệm của bạn có giống với các kết quả do lí thuyết dự đoán hay không? Xem Phụ lục B để tìm giải thích của độ lệch phần trăm.
4. Hãy đề xuất một phương pháp xác định xem độ lệch thực nghiệm của số liệu của bạn có nằm trong những thông số có thể chấp nhận hay không.
5. Hãy đề xuất các kĩ thuật nhằm giảm bớt độ lệch thực nghiệm giữa số liệu của bạn và các giá trị chu kì lí thuyết.
6. Giải thích sự khác biệt giữa độ lệch phần trăm và sai số phần trăm. Khi nào thì nên sử dụng đại lượng tương ứng?
[Lược bỏ một đoạn]
Hết phần mở đầu
SGK vật lý 11, McGraw-Hill Ryerson
Phần trước | Phần tiếp theo
