con quay hồi chuyển và một vài kết quả khảo sát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Phạm Lê Giang Dũng Tên đề tài: CON QUAY HỒI CHUYỂN VÀ MỘT VÀI KẾT QUẢ KHẢO SÁT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  Phạm Lê Giang Dũng Tên đề tài: CON QUAY HỒI CHUYỂN VÀ MỘT VÀI KẾT QUẢ KHẢO SÁT Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Th.S Dương Đào Tùng Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2013 LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn chân thành gởi đến Th.S Dương Đào Tùng tận tình hướng dẫn giúp đỡ hoàn thành luận văn Đồng thời xin cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hoàng Long cô Ngô Thị Phương tạo điều kiện tốt để hoàn thành công việc thực nghiệm thiết bị Xin cảm ơn quý thầy cô khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh sau năm cung cấp kiến thức kỹ cần thiết để tự tin hoàn thành luận văn tốt nghiệp trường Cuối xin gởi lời tri ân đến gia đình bạn bè, người quan tâm, động viên suốt chặng đường qua Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2013 Phạm Lê Giang Dũng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU PHẦN MỘT: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ VẬT RẮN 12 1.1 Chuyển động vật rắn 12 1.1.1 Chuyển động tịnh tiến 12 1.1.2 Chuyển động quay 13 1.2 Các định lý momen động lượng hệ chất điểm 13 1.2.1 Momen động lượng hệ 13 1.2.2 Định lý momen động lượng hệ 14 1.3 Phương trình chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định 15 1.3.1 Momen lực trục 15 1.3.1.1 Tác dụng lực chuyển động quay 15 1.3.1.2 Momen lực trục quay 16 1.3.2 Thiết lập phương trình chuyển động quay vật rắn 17 1.3.3 Tính momen quán tính 18 1.3.3.1 Tính momen quán tính hình trụ tròn 19 1.3.3.2 Tính momen quán tính số vật rắn 19 CHƯƠNG II LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY 20 2.1 Nhắc lại momen động lượng vật rắn 20 2.2 Chuyển động quay tự vật rắn 21 2.3 Chuyển động vật rắn quay quanh điểm cố định Con quay hồi chuyển 23 2.4 Một số ứng dụng thực tế quay 27 PHẦN HAI: THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 31 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ BỘ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 31 1.1 Giới thiệu chung 31 1.2 Giới thiệu quay hồi chuyển U52006 đo tần số quay 32 1.2.1 Con quay hồi chuyển U52006 () 32 1.2.2 Bộ đo tần số quay đĩa 33 1.3 Các thí nghiệm thực 34 CHƯƠNG II – KẾT QUẢ KHẢO SÁT 35 2.1 Xác định momen quán tính đĩa quay 35 2.1.1 Mục đích thí nghiệm 35 2.1.2 Cơ sở lý thuyết 35 2.1.3 Lắp đặt dụng cụ 36 2.1.4 Tiến hành thí nghiệm 36 2.1.5 Số liệu tính toán đo đạc 37 2.1.5.1 Đối với vật nặng có khối lượng 𝑚1 = 0.02𝑘𝑔 37 1T 2.1.5.2 Đối với vật nặng có khối lượng 𝑚2 = 0.03𝑘𝑔 40 1T 2.1.5.3 Đối với vật nặng có khối lượng 𝑚3 = 0.04𝑘𝑔 43 1T 2.1.6 Nhận xét kết thực nghiệm 46 2.2 Khảo sát tiến động quay 47 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 47 2.2.2 Cơ sở lý thuyết 47 2.2.3 Lắp đặt dụng cụ 48 2.2.4 Tiến hành thí nghiệm 50 2.2.5 Số liệu tính toán đo đạc 51 2.2.5.1 Đối với gia trọng có khối lượng 𝑚1 = 0.03𝑘𝑔 52 1T 2.2.5.2 Đối với gia trọng có khối lượng 𝑚2 = 0.04𝑘𝑔 54 1T 2.2.5.3 Đối với gia trọng có khối lượng 𝑚3 = 0.05𝑘𝑔 55 1T 2.2.5.4 Đối với gia trọng có khối lượng 𝑚4 = 0.06𝑘𝑔 57 1T 2.2.6 Nhận xét kết thực nghiệm 59 2.3 Khảo sát chương động quay: 61 2.3.1 Mục đích thí nghiệm 61 2.3.2 Cơ sở lý thuyết 61 2.3.3 Lắp đặt dụng cụ 61 2.3.4 Tiến hành thí nghiệm 61 2.3.5 Kết đo đạc 62 2.3.6 Nhận xét kết thí nghiệm 66 2.4 Sự khử momen động lượng quay 66 2.4.1 Mục đích thí nghiệm 67 2.4.2 Cơ sở lý thuyết 67 2.4.3 Lắp đặt dụng cụ 67 2.4.4 Tiến hành thí nghiệm 67 2.4.5 Kết thí nghiệm 68 2.4.6 Nhận xét kết thí nghiệm 69 NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Kết thí nghiệm xác định momen quán tính đĩa ứng với vật nặng 0.02kg 37 Bảng 2-2 Kết thí nghiệm xác định momen quán tính đĩa ứng với vật nặng 0.03kg 40 Bảng 2-3 Kết thí nghiệm xác định momen quán tính đĩa ứng với vật nặng 0.04kg 43 Bảng 2-4 Kết thí nghiệm khảo sát tiến động quay ứng với gia trọng 0.03kg 52 Bảng 2-5 Kết thí nghiệm khảo sát tiến động quay ứng với gia trọng 0.04kg 54 Bảng 2-6 Kết thí nghiệm khảo sát tiến động quay ứng với gia trọng 0.05kg 55 Bảng 2-7 Kết thí nghiệm khảo sát tiến động quay ứng với gia trọng 0.06kg 57 Bảng 2-8 Kết thí nghiệm khảo sát chương động quay 62 DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1-1 Chuyển đông vật rắn quay xung quanh trục 13 Hình 1-2 Tác dụng lực chuyển động quay 15 Hình 1-3 Xác định momen quán tính khối trụ 19 Hình 1-4 Momen quán tính số vật rắn 19 Hình 1-5 Chuyển động quay tự quay đối xứng (1) 22 Hình 1-6 Chuyển động quay tự quay đối xứng (2) 22 Hình 1-7 Chuyển động quay trường trọng lực quanh điểm cố định 24 Hình 1-8 Ngẫu lực đặt vào quay quay 26 Hình 1-9 Bộ ổn định hóa quay hồi chuyển tàu thủy 28 Hình 1-10 Bộ ổn định hóa quay hồi chuyển ngư lôi 29 Hình 1-12 Chuyển động viên đạn không gian (2) 30 Hình 1-11 Chuyển động viên đạn không gian (1) 30 Hình 2-1 Bộ dụng cụ thí nghiệm 31 Hình 2-2 Con quay hồi chuyển U52006 32 Hình 2-3 Bộ đo tần số quay đĩa 34 Hình 2-4 Bài toán xác định momen quán tính I đĩa 35 Hình 2-5 Thí nghiệm xác định momen quán tính I đĩa 36 Hình 2-6 Đo đường kính phần ống quấn dây 37 Hình 2-7 Đồ thị đường thẳng tF2 = g(h) ứng với vật nặng 0.02kg 40 Hình 2-8 Đồ thị đường thẳng tF2 = g(h) ứng với vật nặng 0.03kg 43 Hình 2-9 Đồ thị đường thẳng tF2 = g(h) ứng với vật nặng 0.04kg 46 Hình 2-10 Con quay cân theo phương ngang 49 Hình 2-11 Thí nghiệm khảo sát tiến động 49 Hình 2-12 Cách làm cho đĩa quay 50 Hình 2-13 Treo vào đầu trục gia trọng di chuyển quay lệch khỏi cổng quang 50 Hình 2-14 Con quay thực tiến động Chắn sáng quét qua cổng quang 51 Hình 2-15 Đồ thị đường thẳng f = g(TP) ứng với gia trọng 0.03kg 53 Hình 2-16 Đồ thị đường thẳng f = g(TP) ứng với gia trọng 0.04kg 55 Hình 2-17 Đồ thị đường thẳng f = g(TP) ứng với gia trọng 0.05kg 57 Hình 2-18 Đồ thị đường thẳng f = g(TP) ứng với gia trọng 0.06kg 59 Hình 2-19 Tác dụng lực nhẹ, tức thời lên đầu trục quay đĩa quay 62 Hình 2-20 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tần số quay đĩa f tần số chương động fN 65 1T Hình 2-21 Bằng phương pháp chụp ảnh liên hoàn, ta ghi nhận lại di chuyển đầu trục quay chu kỳ chương động 66 Hình 2-22 Cách làm hai đĩa quay vận tốc góc ngược chiều 67 Hình 2-23 Hiện tượng xảy móc gia vào đầu trục quay hai đĩa 69 Hình 2-24 Hiện tượng xảy tác dụng lực tức thời theo phương ngang vào đầu trục quay hai đĩa 69 LỜI MỞ ĐẦU Vật lý học môn khoa học thực nghiệm Phần lớn kiến thức vật lý mà người tìm bắt nguồn từ quan sát, thí nghiệm Một xe đạp chuyển động không bị ngã? Tại vụ quay nhanh quanh trục đối xứng tự đứng được? Tại người ta lại xẻ rãnh nòng súng viên đạn bay quay quanh trục nó? Đó vài câu hỏi thú vị tượng vật lý mà ngày quan sát hoàn toàn trả lời dựa vào kiến thức Cơ học, cụ thể kiến thức quay hồi chuyển Con quay hồi chuyển, cách đơn giản vật rắn quay quanh trục, mà trục thay đổi tự theo phương không gian Con quay hồi chuyển có nhiều tính chất kỳ lạ ứng dụng rộng rãi khoa học kỹ thuật Đó lý khiến quan tâm đến thiết bị lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chủ yếu cho luận văn tốt nghiệp Bên cạnh đó, mắt nhà Sư phạm, nhận thấy vai trò thực nghiệm việc truyền đạt kiến thức vật lý đến người học quan trọng Một kiến thức vật lý “khô khan” trở nến sống động có ý nghĩa biểu diễn hay chứng minh từ mô hình trực quan Nắm bắt nhu cầu này, nhà sản xuất nghiên cứu, cho đời thí nghiệm vật lý phù hợp với đối tượng Đó thuận lợi khó khăn đặt cho quan tâm Thuận lợi chỗ tay nhà nghiên cứu hay người học có công cụ thực nghiệm vật lý phong phú, đầy đủ lĩnh vực vật lý Còn khó khăn phần lớn thí nghiệm, dụng cụ thực hành vật lý sản xuất từ hãng nước Do gây số khó khăn việc vận hành phát huy tối đa ứng dụng thiết bị điều kiện phòng thí nghiệm nước Ngoài khó khăn nằm chỗ, dụng cụ sản xuất đa phần phù hợp với số thí nghiệm mà nhà sản xuất quy định cẩm hướng dẫn kèm Do đó, không nghiên cứu kỹ lưỡng dụng cụ cho vận hành thử dễ dàng vướng phải sai lầm ảnh hưởng đến chất lượng công việc tuổi thọ dụng cụ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 7.03 6.22 5.59 4.73 11.36 9.54 8.09 7.07 6.31 5.65 5.11 4.74 12.69 10.32 8.59 7.56 6.65 5.97 5.39 4.91 4.47 3.93 11.13 9.04 7.77 6.90 6.16 5.57 5.04 4.45 12.20 9.60 7.93 6.74 Hệ số góc trung bình ��� 𝛼4 �����4 = 0.008 Sai số ∆𝛼 6.53 5.86 5.30 4.53 10.02 8.57 7.48 6.61 5.92 5.32 4.87 4.46 11.12 9.26 7.85 6.95 6.21 5.62 5.11 4.67 4.27 3.83 9.85 8.22 7.20 6.43 5.78 5.25 4.78 4.27 10.43 8.52 7.28 6.92 = 0.314 6.780 6.040 5.445 4.630 10.690 9.055 7.785 6.840 6.115 5.485 4.990 4.600 11.905 9.790 8.220 7.255 6.430 5.795 5.250 4.790 4.370 3.880 10.490 8.630 7.485 6.665 5.970 5.410 4.910 4.360 11.315 9.060 7.605 6.830 21.34 19.90 17.12 15.69 33.63 28.12 23.78 20.91 19.28 18.04 15.28 15.34 36.59 30.47 25.97 22.78 20.27 18.68 16.93 15.22 16.19 13.65 32.37 27.10 22.97 20.96 19.03 17.66 16.22 14.13 35.22 29.25 24.18 20.00 0.32 0.30 0.32 0.30 0.32 0.32 0.33 0.33 0.32 0.30 0.33 0.30 0.33 0.32 0.32 0.32 0.32 0.31 0.31 0.31 0.27 0.28 0.32 0.32 0.33 0.32 0.31 0.31 0.30 0.31 0.32 0.31 0.31 0.34 0.003 0.011 0.004 0.019 0.004 0.008 0.013 0.013 0.003 0.010 0.012 0.014 0.011 0.007 0.002 0.004 0.003 0.004 0.004 0.000 0.044 0.030 0.010 0.004 0.012 0.004 0.001 0.008 0.012 0.006 0.007 0.005 0.000 0.027 f (Hz) TP (s) Hình 2-18 Đồ thị đường thẳng 𝒇 = 𝒈(𝑻𝑷 ) ứng với gia trọng 0.06kg 2.2.6 Nhận xét kết thực nghiệm Về mặt định tính Khi ta treo gia trọng 𝑚 vào đầu trục quay quay tượng tiến động xảy nhận định ban đầu: Trục quay quay quanh trục thẳng đứng theo chiều kim đồng hồ nhìn từ xuống Bên cạnh có vài tượng khác ghi nhận trình làm thí nghiệm: - Thứ nhất, buông tay tiến động quay không ổn định mà đung đưa lên xuống thời gian ngắn, đầu trục quay quét đường hình sóng có biên độ giảm dần tới không gian Sở dĩ điều xảy thời điểm ta buông tay khỏi trục, nhiều ta tác dụng lên trục lực nhỏ tức thời Dẫn đến việc quay bên cạnh việc thực tiến động thực thêm chuyển động chương động Sự kết hợp hai chuyển động dẫn đến tượng vừa nêu Tuy nhiên chương động diễn thời gian ngắn nên sau quay thực tiến động Khi tiến động trở nên ổn định - Thứ hai, sau lúc thực tiến động, trục quay không giữ trạng thái nằm ngang lúc ban đầu mà nghiêng hướng gia trọng Nguyên nhân trình tiến động, lực ma sát trục đứng trục quay quay làm tiêu hao lượng Vì quay quay nhanh nên động xem không đổi, nên dẫn đến quay giảm Do trục quay nghiêng phía vật nặng Về mặt định lượng 𝑚 (𝑘𝑔) Hệ số góc trung bình Sai số 𝑚1 = 0.03 0.1543 0.0033 𝑚2 = 0.04 0.2157 0.0043 𝑚3 = 0.05 0.2682 0.0056 𝑚4 = 0.06 0.3143 0.0084 Kết thực nghiệm cho thấy, đồ thị (f; TP ) đường thẳng qua góc tọa độ Ngoài ra, khối lượng gia trọng thay đổi hệ số góc đường thẳng f = g(TP ) thay đổi Cụ thể khối lượng gia trọng tăng lên hệ số góc tăng Như vậy, công thức ta đưa ban đầu 𝑓 = nghiệm 𝑚𝑔𝑎 4𝜋2 𝐼 TP phù hợp với thực So sánh đường thẳng thực nghiệm đường thẳng lý thuyết ta thấy đường thẳng thực nghiệm bốn trường hợp nằm bên đường thẳng lý thuyết Giải thích điều tương tự thí nghiệm Khi vẽ đường thẳng lý thuyết ta bỏ qua momen quán tính ống quấn dây Còn thực nghiệm ta công nhận có tồn momen Do dẫn đến sai khác hai đường thẳng Ngoài ảnh hưởng việc bấm đồng hồ ma sát giống phần nêu Khi khối lượng gia trọng tăng lên đồng thời sai số phép đo tăng Ta lý giải điều sau: Ứng với tần số 𝑓, chu kỳ tiến động TP lớn khối lượng gia trọng nhỏ ngược lại TP nhỏ khối lượng gia trọng lớn Bởi việc xác định chu kỳ TP tiến hành mắt thường việc đo đạc chu kỳ nhỏ gây nhiều khó khăn Điều dẫn đến sai số phép đo có khác biệt 2.3 Khảo sát chương động quay: 2.3.1 Mục đích thí nghiệm - Khảo sát mặt định tính tượng chương động quay - Đo tần số quay đĩa 𝑓 tần số chương động 𝑓𝑁 - Vẽ đồ thị hàm số 𝑓 = 𝑔(𝑓𝑁 ) Dựa vào đồ thị nhận xét mối quan hệ tần số quay đĩa tần số chương động 2.3.2 Cơ sở lý thuyết Trong Phần Một luận văn ta trình bày, quay quay nhanh với trục nằm cân không chuyển động, ta tác dụng vào đầu trục lực tức thời (va chạm) đầu trục quay không chuyển động theo lực ta tác dụng mà chuyển động theo quỹ đạo tròn toàn trục quay vạch nên hình nón không gian Hiện tượng gọi chương động quay [6, tr.125] Sau ta khảo sát chương động quay tìm mối quan hệ tần số quay đĩa 𝑓 tần số chương động 𝑓𝑁 2.3.3 Lắp đặt dụng cụ Lắp đặt dụng cụ giống Hình 2-11 2.3.4 Tiến hành thí nghiệm Cho đĩa quay cách giật dây (Hình 2-12) Di chuyển quay để chắn sáng quét qua cổng quang Để làm điều này, ta di chuyển quay cho trục đứng thẳng hàng với hai cột đứng cổng quang Khi đĩa quay quay quay ổn định, dùng ngón tay tác động lực nhẹ, tức thời lên đầu trục quay Hình 2-19 Hình 2-19 Tác dụng lực nhẹ, tức thời lên đầu trục quay đĩa quay Lúc tượng chương động xảy Khi chương động ổn định, ta ghi nhận kết tần số quay 𝑓1 đĩa hiển thị hình máy thu tín hiệu U21005 Cũng thời điểm đó, tay ta bấm đồng hồ Sau quay thực chu kỳ chương động, ta ghi nhận tần số 𝑓2 lúc với việc bấm đồng hồ lần thứ hai Lúc giá trị hiển thị đồng hồ thời gian chu kỳ chương động 5T N Từ ta tính tần số chương động 𝑓𝑁 = 5/(5𝑇𝑁 ) Tần số quay trung bình đĩa tính công thức 𝑓 = Lặp lại thí nghiệm với tần số quay khác đĩa 𝑓1 +𝑓2 2.3.5 Kết đo đạc Bảng 2-8 Kết thí nghiệm khảo sát chương động quay Lần đo f (Hz) 12.50 10.81 11.39 f (Hz) 11.98 10.25 10.82 f (Hz) 12.240 10.530 11.105 5T N (s) 8.41 10.44 9.75 f N (Hz) 0.59 0.48 0.51 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 9.90 8.88 7.43 11.64 12.13 10.43 9.31 8.24 7.34 11.93 10.67 8.86 7.33 6.41 12.09 10.89 9.64 8.56 7.58 6.19 11.31 9.26 7.83 6.94 6.13 10.72 9.46 7.76 6.90 6.15 11.58 9.89 8.85 9.95 8.87 7.62 6.65 12.39 10.78 9.71 9.47 8.46 6.98 11.22 11.64 9.98 8.86 7.83 6.93 11.47 10.23 8.42 6.85 5.98 11.68 10.36 9.18 8.14 7.18 5.80 10.88 8.82 7.44 6.55 5.71 10.26 9.09 7.38 6.51 5.76 10.64 9.43 8.42 9.50 8.46 7.20 6.26 11.84 10.27 9.27 9.685 8.670 7.205 11.430 11.885 10.205 9.085 8.035 7.135 11.700 10.450 8.640 7.090 6.195 11.885 10.625 9.410 8.350 7.380 5.995 11.095 9.040 7.635 6.745 5.920 10.490 9.275 7.570 6.705 5.955 11.110 9.660 8.635 9.725 8.665 7.410 6.455 12.115 10.525 9.490 10.12 11.87 13.93 8.39 9.03 9.78 11.34 12.59 14.25 8.54 9.69 11.60 14.66 16.25 8.19 9.71 10.50 11.76 13.22 17.88 9.25 10.71 13.18 15.19 17.40 9.22 11.03 13.62 15.50 17.00 9.78 10.78 11.78 10.41 11.94 13.66 16.03 8.43 9.78 10.66 0.49 0.42 0.36 0.60 0.55 0.51 0.44 0.40 0.35 0.59 0.52 0.43 0.34 0.31 0.61 0.51 0.48 0.43 0.38 0.28 0.54 0.47 0.38 0.33 0.29 0.54 0.45 0.37 0.32 0.29 0.51 0.46 0.42 0.48 0.42 0.37 0.31 0.59 0.51 0.47 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 8.64 7.47 6.22 12.53 11.04 9.84 8.71 7.75 6.89 5.54 12.45 11.01 9.89 8.84 7.89 7.06 6.19 5.41 12.69 11.31 9.33 8.28 7.41 6.57 5.47 12.50 11.16 10.00 8.88 7.95 7.08 4.93 12.65 11.28 10.02 8.97 7.98 7.06 5.72 4.93 8.15 7.05 6.82 11.98 10.44 9.43 8.27 7.34 6.50 5.17 11.95 10.54 9.44 8.42 7.49 6.65 5.80 5.07 12.21 10.82 8.91 7.87 7.01 6.17 5.13 12.07 10.68 9.53 8.48 7.55 6.63 4.51 12.13 10.75 9.64 8.52 7.57 6.64 5.31 4.52 8.395 7.260 6.520 12.255 10.740 9.635 8.490 7.545 6.695 5.355 12.200 10.775 9.665 8.630 7.690 6.855 5.995 5.240 12.450 11.065 9.120 8.075 7.210 6.370 5.300 12.285 10.920 9.765 8.680 7.750 6.855 4.720 12.390 11.015 9.830 8.745 7.775 6.850 5.515 4.725 13.25 14.60 17.85 8.50 9.88 10.81 11.84 13.53 15.34 19.19 8.50 9.50 10.53 11.75 13.50 14.97 17.03 19.66 8.16 9.34 10.94 12.69 14.47 16.13 19.43 8.15 9.37 10.47 11.69 13.06 15.12 21.78 8.28 9.56 10.00 11.72 13.28 15.53 18.34 20.91 0.38 0.34 0.28 0.59 0.51 0.46 0.42 0.37 0.33 0.26 0.59 0.53 0.47 0.43 0.37 0.33 0.29 0.25 0.61 0.54 0.46 0.39 0.35 0.31 0.26 0.61 0.53 0.48 0.43 0.38 0.33 0.23 0.60 0.52 0.50 0.43 0.38 0.32 0.27 0.24 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 12.29 10.92 9.78 8.75 7.79 6.95 6.19 5.39 11.99 9.51 10.40 9.11 8.09 7.25 12.21 10.73 8.74 11.80 10.46 9.25 8.31 7.39 6.58 5.77 5.03 11.49 9.06 9.92 8.66 7.68 6.83 11.65 10.20 8.31 12.045 10.690 9.515 8.530 7.590 6.765 5.980 5.210 11.740 9.285 10.160 8.885 7.885 7.040 11.930 10.465 8.525 8.35 9.41 11.81 12.37 13.50 15.03 16.88 19.97 9.28 10.97 10.15 11.60 13.16 14.53 8.75 9.90 12.50 0.60 0.53 0.42 0.40 0.37 0.33 0.30 0.25 0.54 0.46 0.49 0.43 0.38 0.34 0.57 0.51 0.40 f (Hz) 𝑓𝑁 (Hz) Hình 2-20 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ tần số quay đĩa 𝒇 tần số chương động 𝒇𝑵 2.3.6 Nhận xét kết thí nghiệm Về mặt định tính Khi ta dùng ngón tay tác động lực nhẹ, tức thời lên đầu trục quay, tượng chương động xảy nhận định ban đầu: Trục quay đĩa quay xung quanh trục cố định quét thành hình nón không gian Bằng phương pháp chụp ảnh liên hoàn, ta ghi nhận lại di chuyển đầu trục quay chu kỳ chương động Hình 2-21 Hình 2-21 Bằng phương pháp chụp ảnh liên hoàn, ta ghi nhận lại di chuyển đầu trục quay chu kỳ chương động Về mặt định lượng Dựa vào Hình 2-20, ta thấy đồ thị biểu diễn mối liên hệ tần số quay đĩa f tần số chương động fN đường thẳng qua gốc tọa độ Như ta rút nhận xét rằng: Giữa 𝑓 𝑓𝑁 có mối quan hệ tỉ lệ thuận với Dạng phương trình đường thẳng 𝑓 = 𝑔(𝑓𝑁 ) : với 𝛽 số 2.4 𝑓 = 𝛽𝑓𝑁 Sự khử momen động lượng quay 2.4.1 Mục đích thí nghiệm Khảo sát tượng tiến động chương động quay cho hai đĩa quay vận tốc góc ngược chiều 2.4.2 Cơ sở lý thuyết Ta có công thức (4) tính momen động lượng quay: ���⃗𝚤 ] 𝐿�⃗ = �[�𝑟⃗𝚤 ∧ 𝑚𝑣 𝑖 = � 𝐼𝑖 ����⃗ 𝜔𝚤 𝑖 Từ ta thấy, quay có hai đĩa quay mà hai đĩa quay vận tốc góc ngược chiều momen động lượng quay Khi đó, tượng tiến động chương động mà ta khảo sát phần không xảy 2.4.3 Lắp đặt dụng cụ Lắp đặt dụng cụ giống Hình 2-10 2.4.4 Tiến hành thí nghiệm Cho hai đĩa quay vận tốc góc ngược chiều phương pháp sau: - Quấn hai đầu dây mảnh vào hai ống quấn dây hai đĩa - Chiều quấn dây đĩa thứ ngược với chiều quấn dây đĩa thứ hai - Dùng ngón tay móc trung điểm dây giật mạnh (Hình 2-22) Hình 2-22 Cách làm hai đĩa quay vận tốc góc ngược chiều Khi hai đĩa quay nhanh, điều chỉnh cho trục quay đĩa cân theo phương ngang (giống thí nghiệm khảo sát tượng tiến động), móc gia trọng có khối lượng 𝑚 vào đầu trục quay Quan sát tượng xảy Sau tháo gia trọng ra, cân trục quay theo phương ngang Sau tay ta tác dụng lực tức thời lên đầu trục quay theo phương ngang (Hình 2-19) Quan sát tượng xảy 2.4.5 Kết thí nghiệm Khi ta móc gia trọng vào đầu trục quay hai đĩa quay vận tốc góc ngược chiều, quay không thực tiến động mà trục chuyển động xuống phía gia trọng (Hình 2-23) Hình 2-23 Hiện tượng xảy móc gia vào đầu trục quay hai đĩa Khi ta tác dụng lực tức thời theo phương ngang quay không thực chương động mà trục chuyển động theo chiều lực (Hình 2-24) Hình 2-24 Hiện tượng xảy tác dụng thời lực tức theo phương ngang vào đầu trục quay hai đĩa 2.4.6 Nhận xét kết thí nghiệm Như vậy, nhận định ban đầu theo lý thuyết xác: Khi hai đĩa quay quay vận tốc góc ngược chiều tượng tiến động chương động không xảy Nguyên nhân momen động lượng quay bị khử (𝐿�⃗ = 0) NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT Với mục đích đặt ban đầu đề tài, tiến hành nghiên cứu tài liệu nhằm đưa thí nghiệm định tính định lượng khả thi sở thiết bị có Kết thu cụ thể sau: Xác định momen quán tính đĩa: Bằng phương pháp đo đạc thời gian độ cao rơi vật nặng có khối lượng 𝑚, xác định momen quán tính đĩa quay cách gần 𝐼(̅ 𝑘𝑔𝑚2 ) = 0.01250 Tuy nhiên, tính toán 𝐼𝑙𝑡 , bỏ qua momen quán tính ống quấn dây gắn với đĩa nên đồ thị đường thẳng 𝑡𝐹2 = g(ℎ) thực nghiệm trường hợp nằm bên đường thẳng lý thuyết Khảo sát tiến động quay: Về mặt định tính, tượng khảo sát với phần kết luận lý thuyết Khi móc gia trọng vào đầu trục quay quay quay nhanh đầu trục dịch chuyển theo phương ngang, tức dịch chuyển theo phương vuông góc với 𝑃�⃗ Còn mặt định lượng, đồ thị mối quan hệ tần số quay đĩa chu kỳ tiến động 𝑓 = 𝑔(𝑇𝑃 ) đường thẳng qua góc tọa độ Kết phù hợp với công thức lý thuyết chứng minh 𝑓 = 𝑚𝑔𝑎 4𝜋2 𝐼 TP Tuy nhiên, giống thí nghiệm xác định momen quán tính đĩa, bỏ qua momen quán tính ống quấn dây nên đường thẳng 𝑓 = 𝑔(𝑇𝑃 ) thực nghiệm trường hợp nằm bên đường thẳng lý thuyết Khảo sát chương động quay: Về mặt định tính, tượng thu với kết luận tài liệu mà nghiên cứu Khi quay quay nhanh với trục nằm cân không chuyển động, ta tác dụng vào đầu trục lực tức thời (va chạm) đầu trục quay không chuyển động theo lực ta tác dụng mà chuyển động theo quỹ đạo tròn toàn trục quay vạch nên hình nón không gian Về mặt định lượng, vẽ đồ thị mối quan hệ tần số quay đĩa tần số chương động 𝑓 = 𝑔(𝑓𝑁 ) Đồ thị đường thẳng qua gốc tọa độ Căn vào kết này, đến kết luận: Tần số quay đĩa tần số chương động tỉ lệ thuận với Khảo sát khử momen động lượng quay: Đây thí nghiệm định tính kết thu hoàn toàn trùng khớp với phần kết luận lý thuyết Khi hai đĩa quay quay vận tốc góc ngược chiều tượng tiến động chương động không xảy Nguyên nhân momen động lượng quay bị khử (𝐿�⃗ = 0) Thông qua kết thực nghiệm vừa nêu, nhận thấy, lý thuyết thực nghiệm có mối tương đồng sâu sắc Dựa vào lý thuyết, dự đoán số kết thực nghiệm Và nhờ có thực nghiệm, lý thuyết trở nên có ý nghĩa Tuy nhiên, điều kiện dụng cụ hạn chế, khả tiếp cận tài liệu có liên quan đến quay hồi chuyển không nhiều, nên khiến cho đề tài bị bó hẹp Trải qua trình thực đề tài, phát số hướng mở rộng để giúp cho việc khai thác dụng cụ quay hồi chuyển U52006 trở nên đầy đủ hơn: - Thứ khảo sát tượng chương động quay thực tiến động - Thứ hai khảo sát tượng tiến động chương động trường hợp hai đĩa quay chiều Cuối mong khóa luận góp phần nhỏ vào việc làm phong phú thêm nội dung thực nghiệm, phục vụ cho việc dạy học vật lý TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lương Duyên Bình (2005), Giáo trình Vật lý đại cương, Tập một, NXB Giáo dục [2] Phạm Thượng Hàn (2003), Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý, Tập một, NXB Giáo dục [3] Nguyễn Hữu Mình (1991), Cơ học, NXB Giáo dục [4] Đào Văn Phúc – Phạm Viết Trinh (1990), Cơ học, NXB Giáo dục [5] X.T.Targ (1994), Giáo trình giản yếu học lý thuyết, NXB Giáo dục Tiếng Anh [6] Eugene Butikov, Precession and nutationof a gyroscope, NXB St Petersburg State University [7] Walter Benenson (2002), Handbook Physics, NXB Spinger [8] Gyroscope U52006, 3B Scientific Physics Các trang web: • www.3bscientific.es/product-manual/U52006.pdf • www.ifmo.ru/butikov/Gyroscope.pdf [...]... quay đều quanh trục thẳng đứng ∆ với vận tốc góc 𝜔, vạch nên một mặt nón tròn xoay, đỉnh 𝑂 và nữa góc mở là 𝜃 Một cách tổng quát, khi con quay đang quay nhanh nếu tác dụng lên trục con quay một lực 𝐹⃗ thì đầu trục con quay sẽ dịch chuyển theo phương vuông góc với 𝐹⃗ Tính chất đó gọi là hiệu ứng hồi chuyển Do đó ta gọi là con quay hồi chuyển Từ bây giờ để đơn giản ta sẽ gọi con quay hồi chuyển là con. .. khảo sát của con quay để chế tạo các bộ ổn định hóa con quay hồi chuyển, các thiết bị định hướng con quay hồi chuyển và các thiết bị chuyên dùng khác Thí dụ về bộ ổn định hóa con quay hồi chuyển tác dụng trực tiếp, là thiết bị chống lắc của con tàu Đây là một con quay hồi chuyển nặng quay quanh trục 𝐴𝐴1 (Hình 1-9), gắn vào một khung có trục quay 𝐷𝐷1 gắn vào thân tàu Khi tàu đi trên ��⃗ tác dụng, thì mô-tơ... ngẫu lực đã gây thêm một chuyển động quay của con quay quanh trục quán tính 𝑦 Khi tác dụng vào con quay một ngẫu lực để buộc trục quay của nó quay quanh khối tâm, thì con quay sẽ tác dụng ngược trở lại một ngẫu lực trực đối, gọi là ngẫu lực con quay Ngẫu lực con quay có trị bằng trị (độ lớn) của ngẫu lực tác dụng lên nó: 𝑀 = 𝑑𝐹 = 𝐼𝑧 𝜔𝑧 𝜔 Nó tỉ lệ với 𝐼𝑧 và 𝜔𝑧 Vì vậy khi con quay đang quay nhanh với vận... 20g và 10g Mỗi vật nặng có gắn một móc treo  Dây quấn: Là dây mảnh, được vòng ở một đầu  Đồng hồ bấm giây: Độ chính xác 0.01s  Thước kẹp: Độ chính xác 0.05mm 1.2 Giới thiệu về con quay hồi chuyển U52006 và bộ đo tần số quay 1.2.1 Con quay hồi chuyển U52006 () Con quay hồi chuyển số hiệu U52006 do hãng 3B SCIENTIFIC sản xuất Chức năng của nó là giúp khảo sát một số hiện tượng liên quan đến con quay, ... quay đang quay nhanh với trục nằm cân bằng không chuyển động, nếu ta tác dụng vào đầu trục một lực tức thời (va chạm) thì đầu trục của con quay sẽ không chuyển động theo lực ta tác dụng mà nó sẽ chuyển động theo một quỹ đạo tròn và toàn bộ trục quay vạch nên một hình nón trong không gian [6, tr.125] 2.4 Một số ứng dụng thực tế của con quay Người ta đã dựa và các tính chất vừa khảo sát của con quay để... chọn ban đầu đối với con quay hồi chuyển cũng như mong muốn khắc phục các khó khăn trong việc ứng dụng các thiết bị thí nghiệm vật lý vào học tập và nghiên cứu, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài: CON QUAY HỒI CHUYỂN VÀ MỘT VÀI KẾT QUẢ KHẢO SÁT Với tên đề tài như vậy, mục đích của chúng tôi trong luận văn này là xây dựng các thí nghiệm dựa trên bộ dụng cụ có sẵn nhằm minh họa và kiểm chứng các hiện... quét thứ hai Kết quả của quá trình là trên màn hình hiển thị của đầu thu sẽ cho ta nghịch đảo thời gian giữa hai lần quét, tức là cho ta tần số quay của đĩa 1.3 - Các thí nghiệm thực hiện Xác định momen quán tính 𝐼 của đĩa - Khảo sát hiện tượng tiến động của con quay - Khảo sát hiện tượng chương động của con quay - Khảo sát sự khử momen động lượng của con quay CHƯƠNG II – KẾT QUẢ KHẢO SÁT 2.1 Xác định... là con quay Chuyển động của con quay dưới tác dụng của lực 𝐹⃗ như trên gọi là tiến động Hiện tượng xảy ra cũng tương tự như vậy khi đặt vào con quay, đang quay nhanh quanh trục z của nó một ngẫu lực 𝐹⃗ , −𝐹⃗ 𝑥 ��⃗ 𝑀 𝐴 𝐵 𝐹⃗ 𝜔 �⃗ 𝐹⃗ 𝜔𝑧 𝑧 𝑦 Hình 1-8 Ngẫu lực đặt vào con quay đang quay Rõ ràng ngẫu lực không gây nên một chuyển động tịnh tiến nào của khối tâm mà chỉ làm cho trục z của con quay quay quanh... các hiện tượng tiến động, chương động và khử momen động lượng của con quay hồi chuyển phục vụ cho việc dạy học, nghiên cứu các kiến thức về con quay hồi chuyển Ngoài ra, trong bộ dụng cụ chúng tôi sử dụng, thiết bị quan trọng nhất đó là con quay hồi chuyển U52006 do hãng 3B SCIENTIFIC sản xuất Chúng tôi sẽ tiến hành đo đạc momen quán tính của đĩa quay con quay hồi chuyển nhằm giúp cho những ai sử dụng... momen quán tính, khảo sát quá trình tiến động, khảo sát quá trình chương động và sự khử momen động lượng Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu cấu tạo của con quay này Con quay hồi chuyển U52006 gồm các bộ phận như sau: Hình 2-2 Con quay hồi chuyển U52006 (a) Các đối trọng: Gồm 4 đối trọng có khối lượng lần lượt là 1400g, 1400g, 50g và 10g (theo nhà sản xuất) Vai trò của các đối trọng này là giúp trục quay của đĩa ... ban đầu quay hồi chuyển mong muốn khắc phục khó khăn việc ứng dụng thiết bị thí nghiệm vật lý vào học tập nghiên cứu, định lựa chọn đề tài: CON QUAY HỒI CHUYỂN VÀ MỘT VÀI KẾT QUẢ KHẢO SÁT Với... thiệu quay hồi chuyển U52006 đo tần số quay 1.2.1 Con quay hồi chuyển U52006 () Con quay hồi chuyển số hiệu U52006 hãng 3B SCIENTIFIC sản xuất Chức giúp khảo sát số tượng liên quan đến quay, ... gọi hiệu ứng hồi chuyển Do ta gọi quay hồi chuyển Từ để đơn giản ta gọi quay hồi chuyển quay Chuyển động quay tác dụng lực