Momen quán tính và gia tốc góc – thí nghiệm τ = Iα, bảo toàn momen động lượng, vật lăn

Mở rộng chủ đề Động lực học của Vật lí 10 (Chương trình GDPT 2018), phần momen lực, sang chuyển động quay của vật rắn: momen quán tính I, gia tốc góc α và dạng quay của định luật II Newton τ = Iα. Vật treo kéo dây quấn quanh trục làm quay một thanh có hai quả nặng dịch được, một đĩa đặc hoặc một vành tròn; lực căng dây nhỏ hơn trọng lượng vật treo vì vật đang tăng tốc, nên momen lực là τ = m(g − a)r. Màn Thí nghiệm τ = Iα: chọn vật quay, khối lượng vật treo, bán kính trục quấn dây, độ cao rơi, bật hay tắt ma sát ở trục rồi bấm Thả; cổng quang đo thời gian rơi, bảng số liệu tính a = 2h/t², α = a/r, τ và τ/α, thanh năng lượng cho thấy thế năng chuyển thành động năng tịnh tiến, động năng quay ½Iω² và công thắng ma sát, cùng công của momen lực W = τΔθ. Đồ thị α theo τ có hệ số góc 1/I; đồ thị τ/α theo R² cho thấy I = I₀ + 2m_bR². Màn Momen động lượng: kéo quả nặng vào gần trục khi đĩa đang quay hoặc thả một vành lên đĩa để kiểm tra bảo toàn L = Iω. Màn Vật lăn: vành, cầu rỗng, trụ đặc, cầu đặc và khối trượt đua trên mặt phẳng nghiêng. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao momen lực của dây là m(g − a)r chứ không phải mgr, và khi nào hai giá trị gần bằng nhau? – Khi quả nặng dịch từ 20 cm vào 10 cm, momen quán tính và gia tốc góc thay đổi thế nào? – Vì sao cầu đặc lăn xuống dốc nhanh hơn vành dù cùng khối lượng và bán kính?