Chuyển động ném: quỹ đạo và cản không khí

Bài Chuyển động ném thuộc chủ đề Động học của Vật lí 10 (Chương trình GDPT 2018) yêu cầu học sinh phân tích chuyển động ném thành hai thành phần độc lập: chuyển động đều theo phương ngang và chuyển động biến đổi đều theo phương thẳng đứng, rồi vận dụng để tính tầm xa, độ cao cực đại và thời gian bay. Mô phỏng này dựng bốn màn hình theo đúng kịch bản của bài học: Giới thiệu, Vectơ, Cản không khí và Phòng thí nghiệm, mỗi màn hình có bộ điều khiển và số liệu riêng. Màn hình Giới thiệu cho học sinh đặt bệ phóng ở độ cao 0–15 m, chỉnh góc bắn 0–90°, tốc độ đầu 5–30 m/s rồi bắn để ngắm trúng đích màu cam kéo được trên mặt đất. Màn hình Vectơ giữ nguyên bộ điều khiển nhưng thêm bốn vectơ vận tốc thành phần, vận tốc tổng hợp và gia tốc, đọc được tại bất kỳ điểm nào trên quỹ đạo bằng công cụ đầu dò. Màn hình Cản không khí bật lực cản tỉ lệ với bình phương tốc độ và tiết diện của vật (bóng rổ, bi thép hoặc cầu lông), vẽ chồng quỹ đạo có cản lên quỹ đạo lý tưởng để thấy tầm xa giảm và quỹ đạo mất đối xứng; thanh trượt độ cao so với mực nước biển làm giảm mật độ không khí. Màn hình Phòng thí nghiệm mở khoá khối lượng, đường kính, hệ số cản và gia tốc trọng trường (Trái Đất, Mặt Trăng, Sao Hoả hoặc tuỳ chỉnh) để kiểm nghiệm ảnh hưởng của từng đại lượng. Ví dụ đối chiếu: bắn từ mặt đất với v₀ = 15 m/s, góc 45°, g = 9,8 m/s² cho tầm xa 22,96 m và độ cao cực đại 5,74 m, đúng công thức R = v₀²sin2α/g; bắn ngang (α = 0°) từ bệ cao 5 m với cùng tốc độ chỉ bay được 15,15 m vì thời gian rơi bị giới hạn bởi độ cao chứ không phải góc bắn. Khi bật cản không khí cho quả cầu lông nhẹ, tầm xa giảm rõ rệt so với bóng rổ cùng kích thước và góc 45° không còn cho tầm xa lớn nhất. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao bắn ngang từ độ cao h thì thời gian bay chỉ phụ thuộc h và g, không phụ thuộc tốc độ đầu? – Bật cản không khí, vì sao góc cho tầm xa lớn nhất lại nhỏ hơn 45°? – Tại đỉnh quỹ đạo (không cản), vectơ vận tốc có những thành phần nào bằng 0?