Khảo sát các thí nghiệm cơ học dựa trên bộ dung cụ thí nghiệm bàn không khí

20 CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG .... 26 2.2 Khảo sát thực nghiệm các tính chất của động học chất điểm – địn

Đỗ Hữu Minh Nhựt

L ỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ của các thầy cô giảng viên khoa Vật Lý trường Đại học Sư Phạm

Thầy Lý Duy Nhất – người trực tiếp hướng dẫn về đề tài luận văn, đã hướng

Khoa Vật Lý Trường Đại học Sư Phạm TP HCM đã tạo mọi điều kiện thuận

ra những ý kiến quý giá về luận văn

giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 4 năm 2016

Đỗ Hữu Minh Nhựt

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

C HƯƠNG 1 GIỚI THIỆU BỘ DỤNG CỤ “BÀN KHÔNG KHÍ” 9

1.1 Tìm hi ểu một số bộ thí nghiệm cơ học đang giảng dạy ở phòng thí nghiệm Vật lý đại cương và Vật lý phổ thông 9

1.1.1 Bộ dụng đệm không khí 9

1.1.2 B ộ rung điện 11

1.1.3 B ộ dụng cụ cổng quang và đồng hồ đo hiện số 13

1.2 Giới thiệu bộ dụng cụ “bàn không khí” 17

1.2.1 Các bộ phận - chức năng 17

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động 19

1.2.3 Ưu điểm của bộ dụng cụ “Bàn không khí” 20

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG 21

2.1 Lý thuyết về chương động học chất điểm và các định luật bảo toàn 21

2.1.1 Động học chất điểm 21

2.1.2 Định luật bảo toàn động lượng 26

2.2 Khảo sát thực nghiệm các tính chất của động học chất điểm – định luật bảo toàn động lượng 29

2.2.1 Chuyển động thẳng đều 29

2.2.2 Chuyển động thẳng biến đổi đều 38

2.2.3 Chuy ển động tròn đều 46

2.2.4 Chuy ển động phức hợp 56

2.2.5 Bài toán va chạm 76

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MẪU DỰA TRÊN VIỆC

ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN 95

3.1 Thi ết kế các bài thí nghiệm mẫu 95

3.2 Kh ảo sát thí nghiệm với sinh viên 151

KẾT LUẬN VÀ ĐỂ XUẤT 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 156

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 B ộ dụng cụ đệm không khí 10

Hình 1.2 Bộ rung điện 12

Hình 1.3 Bộ dụng cụ cổng quang và đồng hồ đo hiện số 15

Hình 2.1 Các thiết bị trong bộ dụng cụ “Bàn không khí” 17

Hình 2.2 Quỹ đạo chuyển động ném ngang 25

Hình 2.3 Quỹ đạo chuyển động ném xiên 26

Hình 2.4 Quỹ đạo chuyển động của chất điểm trong chuyển động thẳng đều 30

Hình 2.5 Ký hiệu các mốc trên quỹ đạo chuyển động của chất điểm 30

Hình 2.6 Ký hiệu các mốc trên quỹ đạo chuyển động thẳng biến đổi đều 40

Hình 2.7 Xác định bán kính quỹ đạo chuyển động tròn đều của chất điểm 48

Hình 2.8 Xác định hình chiếu quỹ đạo chuyển động ném ngang của chất điểm 60

Hình 2.9 Xác định hình chiếu quỹ đạo chuyển động ném xiên của chất điểm 62

Hình 2.10 Quỹ đạo chuyển động của vật trong va chạm đàn hồi 79

Hình 2.11 Quỹ đạo chuyển động của vật trong va chạm mềm 81

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Chuyển động của chất điểm trong thực tế là một phần nội dung cơ bản trong việc

quãng đường chuyển động của vật lớn hơn rất nhiều so với kích thước của vật Tính chất chuyển động của chất điểm đã được khái quát quá dựa trên các kết quả thực

trị Vì vậy, từ việc làm thí nghiệm, người học có thể lĩnh hội được kiến thức dễ dàng hơn, vừa được áp dụng các kiến thức đã được học vào thực tế Trong học phần thực

nhiều thí nghiệm khác nhau nhằm khảo sát được chuyển động của chất điểm hoặc của

chạm giữa hai vật, các định luật bảo toàn động lượng cũng là vấn đề cần được kiểm

trên ở phòng vật lý đại cương và vật lý phổ thông Qua quá trình học tập và nghiên

không được cao cũng như không có được tính tổng quát trong quá trình thí nghiệm Ví

đệm khí trong thí nghiệm Cơ – Nhiệt Mặt khác, sử dụng nhiều thiết bị để tiến hành nhiều thí nghiệm chiếm một diện tích lớn trong phòng thực hành và nhiều thiết bị gây khó khăn trong quản lí, bảo trì Việc thực hành các thí nghiệm cũng chiếm thời gian khá lớn nếu ta sử dụng nhiều bộ dụng cụ để khảo sát các chuyển động của chất điểm

dụng cụ “Bàn không khí” đã đáp ứng được các yêu cầu này “Bàn không khí” có thể

đổi đều, chuyển động tròn và sự va chạm giữa hai vật, định luật bảo toàn động lượng

và momen động lượng và chuyển động phức hợp với tính tổng quát rộng hơn Với

“Bàn không khí”, khảo sát các tính chất của chương động học chất điểm cũng như

Xuất phát từ những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài cho khóa luận năm nay là:

“Khảo sát thực nghiệm các tính chất của chương động học chất điểm và định luật

2 Mục đích của đề tài

- Tìm hiểu được chức năng và hoạt động của từng thiết bị trong bộ dụng cụ “Bàn không khí”

- Dựa trên các chức năng đó, thiết kế các bài thí nghiệm bộ dụng cụ “Bàn không

vật, định luật bảo toàn động lượng

3 Đối tượng nghiên cứu

- Các tính chất của chất điểm trong chuyển động thẳng đều, chuyển động thẳng biến đổi đều, chuyển động tròn đều, chuyển động phức hợp ném ngang – ném xiên

- Định luật bảo toàn động lượng khi hai vật va chạm vào nhau

4 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

không khí”

- Nhiệm vụ 3: khảo sát các tính chất của chuyển động thẳng biến đổi đều bằng thực

phương ngang và gia tốc vật theo phương thẳng đứng khi vật chuyển động ném ngang, ném xiên

- Nhiệm vụ 5: khảo sát chuyển động tròn của chất điểm bằng cách tìm ra vận tốc

lượng bằng cách tìm ra vận tốc 2 vật sau khi va chạm, sự thay đổi về phương

- Nhiệm vụ 7: xây dựng bài thí nghiệm mẫu, mẫu báo cáo thí nghiệm, khảo sát bài

- Nghiên cứu lý thuyết: Lý thuyết về chương động học chất điểm, định luật bảo toàn

động thẳng đều, chuyển động thẳng biến đổi đều, chuyển động tròn đều, chuyển động phức hợp và định luật bảo toàn động lượng trong bài toán va chạm bằng bộ

CHƯƠNG 1

1.1 Tìm hiểu một số bộ thí nghiệm cơ học đang giảng dạy ở phòng thí nghiệm Vật lý đại cương và Vật lý phổ thông

1.1.1 B ộ dụng đệm không khí

Mục đích thí nghiệm

chạm mềm

C ấu tạo

Cốc nhựa nhỏ đựng gia trọng trong,

Cách hoạt động

Điều chỉnh băng đệm khí cân bằng nằm ngang

Bấm nút “RESET” của máy đo thời gian MC – 964 để các số hiển thị trên cửa sổ thời

chắn tia hồng ngoại Δt trên hai máy đo thời gian hiện số MC – 964 bằng nhau (hoặc

thẳng đều và đệm không khí đã cân bằng thẳng ngang và giữ nguyên vị trí cân bằng

Khảo sát quá trình va chạm đàn hồi

1

Hình 1.1 Bộ dụng cụ đệm

không khí

Bấm nút “RESET” để các số chỉ thị trên cửa sổ thời gian của máy đo MC – 964 ở

Khảo sát quá trình va chạm mềm

“RESET” trên đồng hồ đo MC – 964 để các số hiển thị trên cửa sổ thời gian trở về

vào nhau và cùng chuyển động với vận tốc v’ đi qua cổng quang F thuận chiều ban

Ưu điểm

- Thí nghiệm rõ ràng, thao tác dễ thực hiện

Nhược điểm

- Bài thí nghiệm không có tính tổng quát cao: chỉ khảo sát sự va chạm va chạm

bấm trên đồng hồ bị mai một theo thời gian, các vật gia trọng bị gỉ sét…

tác

1.1.2 B ộ rung điện

Mục đích thí nghiệm

Cấu tạo

châm hút một cần rung là một thanh kim loại ở đầu có mũi nhọn và gõ vào một băng giấy do một vật chuyển động thẳng kéo qua,

Đo gia tốc của một vật trên mặt phẳng nghiêng

đầu máng

2

Hình 1.2 B ộ rung điện

Kẹp một đầu băng giấy vào xe lăn và luồn đầu kia qua khe trên bộ rung điện, dưới tấm

Bộ rung điện được cung cấp nguồn điện 6V – 50 Hz từ một biến áp

Đặt xe lăn trên đầu mặt phẳng nghiêng Đóng công tắc để bộ rung điện hoạt động rồi

gõ những chấm trên băng giấy

băng giấy thẳng hàng Nếu chấm mờ phải thay giấy than

Đo gia tốc của vật rơi tự do

khay đựng giấy để dựng quả nặng khi quả nặng rơi xuống đất

Đóng công tắc cho bộ rung điện hoạt động rồi thả cho vật rơi tự do kéo theo băng

các chấm trên băng giấy thẳng hàng

Ưu điểm

- Bộ dụng cụ thí nghiệm phổ thông, dễ thực hiện

Nhược điểm

- Phải chuẩn bị các băng giấy dài và giấy than để làm thí nghiệm

- Chiếm không gian lớn trong phòng thí nghiệm

1.1.3 B ộ dụng cụ cổng quang và đồng hồ đo hiện số

3 Nam châm điện có hộp công tắc đóng ngắt để giữ, thả vật và đọc thười gian vật rơi trên đồng hồ đo hiện số,

4 Cổng quang điện,

7 Ê-ke ba chiều để xác định vị trí đầu của vật rơi,

Mở công tắc đồng hồ, ấn nút “RESET” cho đồng hồ về giá trị 0000 Cho nam châm

Ưu điểm

- Thao tác thí nghiệm dễ thực hiện

- Sai số thí nghiệm không lớn

Nhược điểm

- Chiếm diện tích lớn trong phòng

- Đồng hồ hiện số đôi khi hoạt động không chuẩn xác

- Nam châm điện đôi lúc không hoạt động

1.2 Giới thiệu bộ dụng cụ “bàn không khí”

1.2.1 Các b ộ phận - chức năng

(1) – (7) Bàn làm việc (79cm x 67cm x 130cm, 18kg), với bề mặt kính (60cm x 55cm) được phủ một lớp giấy kim loại để làm bề mặt làm việc (phần rìa được giới hạn bởi dây cao su)

4

Hình 2.1 Các thiết bị trong bộ dụng cụ “Bàn không khí”

(1) Nơi đặt điểm hỗ trợ và là chân đế cho mặt bàn

(4) Nơi để cuộn giấy ghi phủ kim loại

(6) Thanh kẹp kim loại mang dòng điện từ nguồn điện dùng để cung cấp điện tích cho

(7) Cổng 4mm, được kết nối với thanh kẹp (6) và nguồn điện

(10) Cây cung cấp điện, cắm vào ổ (5.4); với 2 ổ cắm được kết nối song song để kết

(12) Vật (số lượng 2) với đệm khí và kim ghi, gồm:

(12.4) công tắc kim ghi

(13) Vòng tăng trọng cho vật (12), khối lượng 500 ± 2 g

được gắn trên bề mặt làm việc)

được gắn vào ổ (12.3)

(19) Trục quay cố định, có vòng thiếc ở phía trên

(21) Chân hỗ trợ tạo độ dốc cho mặt bàn làm việc, có chiều cao 1cm và 2cm

1.2.2 Nguyên t ắc hoạt động

Khi ấn nút nguồn (5.1) để cho bàn làm việc hoạt động, các thanh kẹp kim loại có

loại khi thanh kẹp tiếp xúc với giấy Kim ghi (12.5) sẽ dao động theo một tần số nhất định thông qua cần gạt tần số (5.1) Khi gạt nút (12.4) sang vị trí ON, kim ghi sẽ được

loại sẽ tạo nên những chấm đen tại vị trí tiếp xúc giữa kim ghi và giấy, từ đó vẽ nên

1.2.3 Ưu điểm của bộ dụng cụ “Bàn không khí”:

- Thiết bị dựa trên sự tự động hóa, độ chính xác rất cao,

CHƯƠNG 2

CHẤT ĐIỂM – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

2.1 Lý thuyết về chương động học chất điểm và các định luật bảo toàn

2.1.1 Động học chất điểm

Chuyển động cơ học là sự thay đổi vị trí của vật này so với vật khác hoặc của phần

thước của vật là nhỏ so với quãng đường chuyển động Động học chất điểm nghiên cứu chuyển động của chất điểm, mà chưa xét đến nguyên nhân gây ra chuyển động, nghĩa là chưa xét đến khối lượng của nó và các lực tác dụng lên nó

đạo hàm bậc nhất theo thời gian của bán kính vectơ của chất điểm tại điểm đó và có phương tiếp tuyến với quỹ đạo tại điểm đó Chiều của vectơ vận tốc là chiều chuyển động của chất điểm trên quỹ đạo

đạo hàm bậc nhất theo thời gian của vận tốc chất điểm tại điểm đó, cũng là đạo hàm

Gia tốc 𝑎𝑎⃗ có hai thành phần:

- Gia tốc tiếp tuyến a���⃗= τ dv ⃗

0

động trên quỹ đạo của chất điểm chuyển động đều là:

s = s + v t

Chuy ển động biến đổi đều

τ

dv

dt

Khi t = 0, chất điểm có tọa độ ban đầu s = s0 và vận tốc ban đầu v = v0 Do đó v0 = C1

chất điểm chuyển động biến đổi đều là:

Chuyển động tròn là chuyển động theo một quỹ đạo phẳng là một đường tròn Người

ta cũng nói rằng chất điểm quay quanh một tâm quay là tâm của vòng tròn

Xét một chất điểm chuyển động trên vòng tròn bán kính R Chọn A làm điểm gốc và chiều dương ngược chiều kim đồng hồ

góc trung bình của chất điểm trên quãng đường MN là

dφ

ω = dtĐơn vị vận tốc góc là radian trên giây (kí hiệu: rad/s)

phẳng quỹ đạo, có chiều sao cho người đứng dọc theo chiều của vectơ đó mà nhìn

(2.13)

(2.14)

(2.15)

ε = dt

dd

tròn với tốc độ góc không đổi

2 2 n

v

R

Chuyển động phức hợp (ném ngang – ném xiên)

phương ngang vật chuyển động thẳng đều, phương thẳng đứng vật chuyển động biến đổi đều có gia tốc a

(2.16)

(2.17)

(2.18)

(2.19) (2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(1) và (2) ta rút ra được phương trình quỹ đạo của vật

(2.25) (2.26)

(2.27) (2.28) (2.29)

(2.30)

(2.31) (2.32) (2.33)

(2.34) (2.35) (2.36) (2.37)

Từ ba phương trình của 2 chuyển động thành phần

ta rút ra được phương trình quỹ đạo của vật

2 0 2

Theo định luật thứ hai của Newton: gia tốc 𝑎𝑎⃗ của một vật cùng hướng và tỷ lệ thuận

F

a = m

dd

vật khối lượng m1 và m2 tương tác với nhau bằng các lực 𝐹𝐹���⃗ và 𝐹𝐹1 ���⃗, ta có : 2

1 1

2

d(m v )

= Fdt

6

Hình 2.3 Quỹ đạo chuyển động ném

Tổng động lượng của một hệ cô lập bảo toàn (giữ nguyên không đổi)

Va chạm đàn hồi và va chạm mềm

tốc 𝑣𝑣���⃗ và 𝑣𝑣1 ����⃗, va chạm vào nhau 2

trường hợp này, hệ vật là hệ cô lập, nên động lượng của hệ được bảo toàn:

m v + m v = m v' + m v'd d d d

biến dạng của các vật tự phục hồi sau va chạm thì va chạm là đàn hồi Nếu biến dạng

1 Va chạm đàn hồi

Trong trường hợp này, ngoài tổng động lượng của hệ vật bảo toàn xác định theo công thức (3), thì tổng động năng của hệ vật này cũng bảo toàn, tức là

Sau va chạm, hai vật m1 và m2 gắn chặt vào nhau và chuyển động với cùng vận tốc 𝑉𝑉�⃗ Trong trường hợp này, tổng động lượng của hệ vẫn bảo toàn

2.2 Khảo sát thực nghiệm các tính chất của động học chất điểm – định luật bảo toàn động lượng

2.2.1 Chuyển động thẳng đều

Đặt vấn đề

Giải quyết vấn đề

Chuyển động thẳng đều là chuyển động có quỹ đạo là đường thẳng và có vận tốc trung bình như nhau trên mọi quãng đường

s

v = t

v : vận tốc của vật (m/s)

𝜏𝜏 bằng nhau, ta có thể xác định được trung bình cộng vận tốc khi vật chuyển động

Thực hành

- Bước 1: chuẩn bị bàn không khí

- Bước 2: điều chỉnh mặt bàn nằm ngang

• Điều chỉnh các nút vặn để cho 3 chân đế ở vị trí dưới hình vẽ cùng nằm trên mặt bàn làm việc (số 1 và 2)

giữa

vặn sau cho vật đứng yên trên mặt bàn (Đây là bước quan trọng nhất trong

thí nghi ệm, phải điều chỉnh mặt bàn thí nghiệm cho vật không còn chuyển động để thí nghiệm có độ chính xác cao nhất.)

- Bước 3: tiến hành khảo sát chuyển động thẳng đều của vật

đó thả tay để cho vật tự chuyển động đồng thời ấn và giữ nút công tắc (8) để

Hình 2.4 Quỹ đạo chuyển động của chất điểm

trong chuyển động thẳng đều

Hình 2.5 Ký hiệu các mốc trên quỹ đạo chuyển

động của chất điểm

• Lần lượt đo khoảng cách giữa các mốc trên hình vẽ bằng thước milimet và xác định số khoảng cách n giữa 2 mốc liên tiếp

- Các bước thực hiện đơn giản, dễ dàng

- Các khoảng cách giữa hai điểm mốc liên tiếp gần bằng nhau

- Kết quả thí nghiệm dưới 10% Với khoảng cách giữa các mốc càng lớn, kết quả càng đạt chính xác

2.2.2 Chuyển động thẳng biến đổi đều

Đặt vấn đề

Khảo sát các tính chất của chuyển động thẳng biến đổi đều

Giải quyết vấn đề

Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động có độ lớn vận tốc tức thời hoặc tăng đều, hoặc giảm đều theo thời gian

2 o

1

2

a: gia tốc chuyển động của vật (m/s2

)

Gia tốc của chuyển động thẳng nhanh dần đều

2

d

a = τ

đều trong những thời gian 𝜏𝜏 bằng nhau, ta có thể xác định được gia tốc chuyển động

của vật

Thực hành

- Bước 1: chuẩn bị bàn không khí

- Bước 2: tiến hành khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều của vật

chồng lên nhau và đặt lên trục quay (19) sao cho điểm hỗ trợ và hai chân hỗ trợ

hình vẽ Trong trường hợp này f = 50 Hz

• Bật công tắc nguồn, (5.2), ấn và giữ công tắc (8) Thả vật (12) chuyển động từ

vị trí cao trên mặt bàn Lưu ý luôn ấn và giữ công tắc trong suốt quá trình vật

chấm nhỏ liên tiếp bằng thước milimet và ghi số liệu vào bảng

động thẳng biến đổi đều của chất điểm

𝒅𝒅 = 𝒅𝒅� ± ∆𝒅𝒅 =

- Bước 3: thực hiện lại thí nghiệm khi thay đổi chân hỗ trợ cao 3 cm, 2cm và

rút ra nhận xét về tính chất của chuyển động thẳng biến đổi đều