Chuyên đề STEM liên quan: Physics – Vật lý, Math – Toán
Đối tượng học: 11 – 14 tuổi
—
Lấy cảm hứng từ thí nghiệm của Galileo đánh rơi hai vật từ tháp nghiêng Pisa ở Ý vào năm 1589, để chứng tỏ rằng lực kéo của trọng lực lên một vật là như nhau, không phân biệt trọng lượng của các vật. Trong bài học này chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu vận tốc và gia tốc của một quả trứng khi lăn xuống trên 1 mặt phẳng dốc.
Tìm hiểu cách tính vận tốc và gia tốc trong thí nghiệm trứng tẩu thoát.
Giới thiệu về bài học tìm hiểu về vận tốc và gia tốc với thí nghiệm Trứng tẩu thoát
Nội dung bài học tìm hiểu về vận tốc và gia tốc này được thiết kế để cho phép người học sử dụng và phát triển các kiến thức, kỹ năng của họ về Toán học, Khoa học và Thiết kế & Công nghệ. Cụ thể, người học sẽ thực hiện một thí nghiệm. Cụ thể, người học sẽ đo thời gian quả trứng lăn xuống một quãng đường dốc và tiến hành lần lượt ở nhiều độ độ khác nhau. Sau đó ghi kết quả vào bảng và trình bày kết quả dưới dạng đồ thị.
Bài học này có thể được sử dụng như một bài học chính khóa hấp dẫn để người dạy giới thiệu cách xử lý dữ liệu, tính toán vận tốc và gia tốc hoặc tác động của trọng lực lên các vật thể cho người học. Hoặc có thể sử dụng nó như một bài thực hành ngoại khóa để bổ trợ các kiến thức trên lớp.
Mục tiêu của bài học tìm hiểu về vận tốc và gia tốc với thí nghiệm Trứng tẩu thoát
Kết quả mà bài học tìm hiểu về vận tốc và gia tốc muốn đạt được:
- Người học biết cách xử lý các dữ liệu, đo được góc, tính toán được vận tốc và gia tốc, đồng thời có thể trình bày, ghi lại kết quả của một thử nghiệm trong một bảng kết quả.
- Người học có thể tự thể hiện các số liệu/ dữ liệu thành dạng biểu đồ đường.
- Sau bài học người học có thêm kiến thức về vận tốc và ga tốc. Họ có thể hiểu và giải thích được vận tốc thay đổi như thế nào theo độ dốc của quãng đường.
Vật dụng cho thí nghiệm Trứng tẩu thoát
Các vật dụng cần chuẩn bị cho bài học tìm hiểu vận tốc và gia tốc:
- Sử dụng một thanh phẳng hoặc thanh có rãnh (rãnh lơn hơn kích thước quả trứng) có chiều dài phù hợp. (Có thể sử dụng máng nước có kích thước lớn hơn quả trứng)
- Một thước đo chiều dài
- Thước đo góc
- Đồng hồ bấm giờ
- Bảng kết quả
- Một cây bút hoặc bút chì
- Một quả trứng (nhựa hoặc luộc hoặc rắn)
- Cân trọng lượng (chỉ dành cho hoạt động mở rộng 2)
Hướng dẫn thực hành thí nghiệm Trứng tẩu thoát
Thời lượng: tối thiểu 50 phút.
Giới thiệu
Người dạy giải thích cho người học rằng họ sẽ thực hiện một thí nghiệm để đo tốc độ một quả trứng lăn xuống theo một quãng đường dốc. Sau đó, người học sẽ tiến hành tính và ghi chép các số liệu về gia tốc và vận tốc… và thể hiện số liệu thành biểu đồ đường theo yêu cầu. Trước khi bắt tay vào thực hành, người dạy cần thông qua silde trình chiếu, người dạy sẽ hướng dẫn từng bước thí nghiệm cụ thể đến cho người học.
Thực hành
Bước 1: Người học sẽ sử dụng sử dụng một thanh phẳng hoặc thanh có rãnh làm quãng đường mà quả trứng sẽ lăn trên đó. Dùng thước đo độ dài, đo xem chiều dài của quãng đường này là bao nhiêu.
Cách bố trí đường lăn cho quả trứng trong thí nghiệm tìm hiểu vận tốc và gia tốc.
Bước 2: Chọn một mặt phẳng làm điểm tựa (sàn nhà) và để dốc thanh phẳng/ thanh có rãnh trên đó. Đo xem góc được tạo bởi thanh phẳng/ thanh có rãnh và sàn nhà là bao nhiêu. Cố định lại thanh phẳng/ thanh có rãnh tại điểm đó để tạo thành dốc. Lưu ý, góc của mái dốc nên được đo tại điểm tiếp xúc với sàn bằng thước đo góc.
Cách đo góc của đường dốc thả quả trứng.
Bước 3: Đặt quả trứng ở đầu dốc. Sau đó, thả quả trứng lăn xuống theo con dốc, đồng thời đo thời gian nó lăn xuống dốc. Điều quan trọng là phải đặt và thả quả trứng mà không được tác dụng lực, nếu không sẽ làm giảm độ chính xác của kết quả.
Bước 4: Tiếp tục giữ nguyện độ dốc và thả trứng lăn thêm 2 lần nữa, đo lại thời gian của từng lần và tính tốc độ trung bình theo công thức.
Bước 5: Thay đổi góc/ độ dốc và lặp lại các bước trên nhiều lần nhất có thể.
Lưu ý: Nhớ ghi chũ dữ liệu và các thông số đo được vào bảng kết quả (Bảng kết quả mẫu ở dưới)
Bước 6: Dựa trên số liệu đã thu thập được về vận tốc và gia tốc, người học thể hiện chúng ở dạng biểu đồ đường thẳng (Mẫu dưới)
Thí nghiệm trứng tẩu thoát – Bảng kết quả
Công thức: Thời gian trung bình = (Lần A + Lần B + Lần C) / 3 Vận tốc trung bình = Quãng đường (m) / Thời gian trung bình (s)
|
Góc (độ) |
Thời gian (s) | Thời gian trung bình (s) |
Vận tốc trung bình (m/s) |
||
|
Lần A |
Lần B |
Lần C |
|||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
|
|||||
Thể hiện số liệu thu thập được dưới dạng biểu đồ đường thẳng
Đánh giá kết quả
Người học trình bày về thí nghiệm của mình, nêu ra kết luận xem tốc độ của quả trứng thay đổ như thế nào khi thay đổi độ dốc của quảng đường. Sau đó so sánh đồ thị với bạn học.
Hoạt động mở rộng của bài học tìm hiểu về vận tốc và gia tốc với thí nghiệm Trứng tẩu thoát
Người học cũng có thể tính toán vận tốc và gia tốc trung bình của quả trứng và vẽ đồ thị này dựa trên độ dốc/ góc. Giải thích sự khác nhau giữa gia tốc của quả trứng và gia tốc trọng trường.
- Công thức: Gia tốc trung bình (a) = vận tốc / thời gian trung bình (m/s2)
- Trong đó, gia tốc trọng trường (g) là 9.81 (m/s2).
Ngoài vận tốc và gia tốc, người học cũng có thể tính thế năng và động năng của quả trứng tại các điểm khác nhau.
Ta có công thức tính:
- Thế năng là: PE = mgh
Lưu ý: Theo nguyên lý bảo toàn cơ năng, khi chạm đất, động năng của quả trứng phải bằng thế năng tại điểm thả.
- Động năng = ½ m v2
Trong đó:
m = khối lượng của quả trứng (Dùng cân để đo khối lượng của quả trứng)
g = gia tốc trọng trường = 9.81 m/s2
h = chiều cao tính bằng mét (Dùng thươc đo chiều cao từ mặt sàn (điểm tựa) đến điểm thả quả trứng).
v = vận tốc của quả trứng (m/s)
Lưu ý khi thực hành thí nghiệm Trứng tẩu thoát
Hoạt động tìm hiểu về vận tốc và gia tốc này có thể tổ chức dạy theo nhóm nhỏ, trong đó các thành viên trong nhóm có trách nhiệm hỗ trợ nhau bố trí thí nghiệm, đo góc, đo thời gian và ghi lại kết quả.
Người học có thể dùng máng nước bằng nhựa hoặc ống luồn dây điện hình chữ U để làm đường dốc, nhưng nhớ phải có kích thước bề mặt lớn hơn quả trứng để trứng lăn xuống không bị mắc kẹt. Trứng có thể bằng nhựa hoặc rắn (tức là đã luộc chín) để giảm nguy cơ bị vỡ.
Nếu không có vị trí hoặc điều kiện để cố định đường dốc tựa trên sàn nhà thì người học có thể cố định nó bằng cách tự mình giữ một đầu của đường dốc. Nhưng phải đảm bảo sự chính xác của góc dốc (Người học có thể đo góc, xác định vị trí và đánh dấu).
Nếu không có thước đo góc, người học có thể vận dụng kiến thức về lượng giác để có thể tính ra góc. Áp dụng công thức tính góc của tam giác vuông: Sin (góc) = chiều dài của dốc/ chiều cao (độ)
Qua bài học tìm hiểu về vận tốc và gia tốc này người học không chỉ hiểu rõ khái niệm về vận tốc, gia tốc, gia tốc trọng trường, thế năng, động năng là gì mà còn nắm vững được các công thức tính toán và đơn vị tương ứng, trong đó ó cách tính góc. Hơn hết, người học còn được rèn luyện việc làm việc theo nhóm, cách đọc và ghi chép số liệu, cách biểu diễn số liệu dưới dạng đồ thị…
