Phòng thí nghiệm lò xo và khối lượng

Chủ đề Dao động của Vật lí 11 (Chương trình GDPT 2018) cần học sinh phân biệt được vị trí cân bằng khi treo vật vào lò xo (lệch khỏi chiều dài tự nhiên một đoạn mg/k) với chu kì dao động điều hoà T = 2π√(m/k), đồng thời hiểu vì sao có lực cản thì biên độ giảm dần nhưng chu kì gần như không đổi. Mô phỏng dựng lại kịch bản của lò xo treo thẳng đứng bằng bốn màn hình độc lập, mỗi màn hình phục vụ một mục tiêu riêng thay vì gộp hết vào một hình duy nhất. Màn hình Giới thiệu cho kéo vật rồi thả để dao động tự do, hiện đường chiều dài tự nhiên, đường vị trí cân bằng và một vệt chấm đánh dấu đáy mỗi chu kì kèm số đo T thực tế để đối chiếu với công thức. Màn hình Vector giữ nguyên mô hình đó nhưng thêm các mũi tên vận tốc, gia tốc, lực đàn hồi, trọng lực để học sinh thấy rõ tại vị trí nào lực đàn hồi lớn nhất, tại vị trí nào tốc độ lớn nhất. Màn hình Năng lượng thêm biểu đồ cột động năng, thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và nhiệt năng cập nhật theo thời gian thực, giúp thấy sự chuyển hoá năng lượng và kiểm tra định luật bảo toàn khi tắt lực cản. Màn hình Phòng thí nghiệm đặt hai lò xo độ cứng khác nhau cạnh nhau, cho chọn trọng trường của các hành tinh khác nhau và treo các vật bí ẩn để học sinh tự đo độ giãn hoặc chu kì rồi suy ra khối lượng thật. Ví dụ đối chiếu: khối lượng 0,25 kg treo vào lò xo 10 N/m dao động với chu kì lý thuyết T = 2π√(0,25/10) ≈ 0,99 s và độ giãn cân bằng mg/k = 0,245 m; vật bí ẩn 180 g treo vào lò xo 10 N/m trên Trái Đất có độ giãn cân bằng khoảng 17,6 cm, còn nếu treo lò xo đó lên Mặt Trăng (g = 1,6 m/s²) độ giãn chỉ còn khoảng 2,9 cm dù cùng một lò xo và cùng một vật. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao đổi trọng trường (Trái Đất sang Mặt Trăng) làm độ giãn cân bằng thay đổi nhưng chu kì dao động thì không? – Tại vị trí cân bằng và tại hai biên, động năng và thế năng đàn hồi có giá trị như thế nào? – Làm sao dùng một lò xo đã biết độ cứng để tìm khối lượng một vật chưa biết mà không cần cân?