Câu hỏi thí nghiệm và định luật cần tìm hiểu
Định luật II Newton cho biết hợp lực tác dụng lên một vật bằng khối lượng nhân với gia tốc của vật: F = ma. Với xe đồ chơi, lực kéo không phải là lực duy nhất: ma sát ở bánh xe và mặt đường cũng ảnh hưởng đến chuyển động.
Trong hoạt động này, học sinh dùng cảm biến gia tốc của micro:bit để quan sát xe tăng tốc. Sau đó, các em thay đổi khối lượng xe trong khi cố giữ cách kéo giống nhau, rồi xem gia tốc đo được thay đổi ra sao. Đây là phép so sánh thực nghiệm, không phải phép đo chính xác hợp lực.
Chuẩn bị xe và đường chạy
Chuẩn bị một micro:bit có hộp pin, xe đồ chơi chạy thẳng, vật nhỏ để tăng khối lượng và thước đo khối lượng nếu có. Chọn mặt đường phẳng, nhẵn và đủ dài để xe không va vào vật cản trong lúc ghi dữ liệu.
Cố định micro:bit chắc chắn trên xe. Đánh dấu hướng xe chạy và đặt một trục đo của micro:bit, chẳng hạn trục X, dọc theo hướng đó. Giữ bảng mạch ở cùng một tư thế trong mọi lượt chạy; nếu xe chúi đầu hoặc nghiêng khi di chuyển, số đo sẽ bị ảnh hưởng bởi trọng lực.
Lập trình ghi số đo
Trong MakeCode, dùng khối đọc gia tốc theo trục X; giá trị thường được biểu diễn bằng milli-g (mg). Lập trình nút A theo trình tự: khi xe đứng yên, lấy trung bình khoảng 20 số đo để có giá trị nền a₀; đếm ngược để người thực hiện chuẩn bị; sau đó lưu giá trị gia tốc và thời điểm tương ứng mỗi 50 mili giây trong khoảng 2 giây.
Lưu dữ liệu vào các mảng để xem sau lượt chạy. Có thể lập trình nút B lần lượt hiển thị thời điểm và số đo đã lưu. Cách này cho phép xe dùng hộp pin và chạy không vướng cáp USB. Đừng cho màn hình cuộn số trong lúc đo, vì việc đọc số khi xe đang chạy vừa khó vừa không cần thiết.
Chạy thử và chọn khoảng dữ liệu
Đặt xe đứng yên ở vạch xuất phát, bấm A và chờ hết đếm ngược. Kéo xe theo đường thẳng bằng dây hoặc dây chun, rồi để xe dừng an toàn. Thử vài lượt để chọn thời điểm bắt đầu kéo phù hợp với khoảng ghi dữ liệu.
Xem các số đo theo thời gian. Bỏ qua đoạn xe còn đứng yên, đoạn vừa giật dây và đoạn xe đã thôi được kéo. Chọn một khoảng giữa lượt chạy mà cách kéo tương đối đều, rồi tính trung bình các số đo trong khoảng đó. Ghi lại cả thời điểm bắt đầu và kết thúc khoảng đã chọn để áp dụng nhất quán cho các lượt khác.
Đổi số đo và so sánh các lượt chạy
Với từng số đo được chọn, trừ giá trị nền a₀. Có thể đổi độ lớn của kết quả từ mg sang m/s² bằng cách nhân với 9,81 rồi chia cho 1.000. Chẳng hạn, chênh lệch 200 mg tương ứng xấp xỉ 1,96 m/s². Nếu kết quả mang dấu âm khi xe tăng tốc theo hướng đã đánh dấu, hãy kiểm tra chiều trục X và dùng cùng một quy ước dấu cho toàn bộ thí nghiệm.
Cân xe cùng micro:bit và hộp pin, rồi thêm vật nhỏ được cố định chắc chắn và cân lại. Với mỗi khối lượng, thực hiện ít nhất ba lượt. Để cách kéo gần giống nhau, có thể dùng cùng một dây chun và kéo đến cùng một vạch đánh dấu trước mỗi lượt; cách này chỉ giúp lực kéo gần tương đương, không bảo đảm lực luôn không đổi.
Lập bảng gồm khối lượng toàn bộ xe, gia tốc trung bình của từng lượt và giá trị trung bình cho mỗi mức khối lượng. Khi so sánh, chỉ chọn các lượt có khoảng kéo và điều kiện mặt đường tương tự nhau.
Giải thích kết quả theo định luật II Newton
Nếu khối lượng tăng mà lực kéo và lực cản gần như không đổi, gia tốc dự kiến sẽ giảm. Kết quả phù hợp với xu hướng ấy giúp minh họa mối liên hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc trong F = ma.
Nếu số liệu không theo xu hướng rõ ràng, hãy kiểm tra xem dây chun có được kéo đến đúng vạch không, vật thêm vào có làm bánh xe cọ xát không và micro:bit có bị nghiêng khi xe chạy không. Ma sát có thể thay đổi khi tăng tải, nên không thể lấy riêng lực kéo làm hợp lực để tính và khẳng định một giá trị gia tốc chính xác.
Mở rộng và lưu ý an toàn
Giữ nguyên khối lượng xe rồi thử hai hoặc ba mức kéo khác nhau, mỗi mức lặp lại nhiều lượt. Hỏi học sinh: gia tốc thay đổi theo hướng nào khi lực kéo mạnh hơn? Những yếu tố nào ngoài lực kéo có thể giải thích sự khác biệt giữa các lượt?
Chạy xe trên sàn hoặc bàn có chặn ở mép, tránh để xe rơi. Cố định pin và các vật thêm vào trước khi thả xe; không đặt tay trên đường chạy trong lúc xe đang di chuyển.
