Khảo sát chuyển động cảu xe trượt

Thí nghiệm vật lý: Khảo sát chuyển động cảu xe trượt trên đệm khí - kiểm chứng ba định luật của niuton

1 Thí nghiệm vật lý BKM040A khảo sát chuyển động của xe trợt trên đệm khí kiểm chứng ba định luật niu tơn . I. Mục đích : Một xe có dạng chữ V ngợc chuyển động trợt dọc theo một băng kim loại có mặt trợt đồng dạng với xe. Nhờ khí nén thoát ra từ các lỗ nhỏ trên mặt trợt của băng, nâng xe lên khỏi mặt băng, đồng thời tạo ra một lớp đệm khí có tác dụng giảm thiểu gần nh triệt tiêu lực ma sát giữa xe và mặt băng. Từ điều kiện đó cho phép ta kiểm chứng lại ba định định luật Niutơn 1. Sự bảo toàn trạng thái chuyển động của xe ( đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều ) khi xe chịu các lực cân bằng. 2. Mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc chuyển động của xe. 3. Mối quan hệ giữa lực và phản lực xuất hiện khi hai xe tác dụng tơng hỗ với nhau bằng lực đàn hồi. III. Dụng cụ thí nghiệm 1. Băng đệm khí có 3 chân vít điều chỉnh thăng bằng. 2. Hai chiếc xe trợt . 3. Bơm nén khí và ống dẫn khí nén. 4. Máy đo thời gian hiện số (MC-963 hoặc tơng đơng ) 5. Hai cổng quang điện E, F 6. Các phụ kiện khác : 2 Gia trọng chữ nhật , các quả cân nhỏ (1g, 2g , 5g ), dòng dọc, dây treo, cốc nhỏ đựng quả cân, đĩa đệm 7. III. Giới thiệu dụng cụ đo. 1. Đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện. 2. Băng đệm khí đợc làm từ hợp kim nhôm, có dạng một hộp rỗng dài 1m2 , hai đầu bịt bằng hai tấm nhựa cứng T1, T2 , đầu T1 kín , đầu T2 có lỗ nối thông với bơm nén khí. Mặt trên của băng có dạng chữ V ngợc, rất phẳng và nhẵn, ngời ta khoan hai dy lỗ nhỏ cho khí phun ra. Xe trợt cũng đợc chế tạo từ hợp kim nhôm, có dạng chữ V dài khoảng 150 mm, khối lợng khoảng 200g. Có thể đeo thêm các gia trọng chữ nhật vào hai bên thành xe để thay đổi khối lợng của nó. Cờ chắn tia hồng ngoại dạng chữ I hoặc chữ U đợc gắn trên đỉnh xe. Hai cổng quang điện E, F đợc lắp trên thanh đỡ có thể dịch chuyển dọc theo băng đệm khí. Thớc mm gắn trên băng và mũi tên trên thanh đỡ giúp ta xác định vị trí hai cổng E và F. Một dòng dọc nhỏ , rất nhẹ và rất tinh xảo đợc gắn ở một đầu băng. Lực kéo xe đợc tạo ra bằng cách nối xe với cốc nhỏ đựng quả cân 2 bằng một sợi dây ni lon mảnh vắt qua dòng dọc này. Ba chân vít cùng các đĩa đệm dùng để điều chỉnh thăng bằng hoặc tạo độ nghiêng cho băng đệm khí. Bơm nén khí chạy điện xoay chiều 220V, có độ ồn nhỏ, lu lợng khoảng 30 m3/h, tạo ra áp suất khí 650mmH2O, cung cấp khí nén cho băng đệm khí hoạt động. IV. Lắp ráp thí nghiệm 1. Băng đệm khí cần đợc lắp đặt trên mặt bàn phẳng, vững chắc. Hai cung đàn hồi đợc lắp ở hai đầu băng để tránh cho xe chạy đập vào hai tấm chắn T1, T2 làm hỏng xe hoặc gy tấm nhựa T1, T2 . 2. Lắp ống dẫn khí nén nối thông giữa băng đệm khí và máy bơm. Bật điện cho chạy máy bơm , đặt xe trợt lên băng đệm khí , và tiến hành điều chỉnh thăng bằng cho hệ thống nhờ các vít và đĩa đệm. Hệ thống đợc xem là thăng bằng khi xe đứng yên hoặc không chuyển dịch u tiên theo hớng nào. Để đảm bảo độ chính xác, thí nghiệm cần đợc thực hiện trong điều kiện không có gió. 3. Hai cổng quang điện E, F ban đầu có thể đặt ở vị trí 40 và 70 cm. V. Tiến hành thí nghiệm. 1. Khảo sát chuyển động của xe dới tác dụng của các lực cân bằng : Thí nghiệm: Đồng hồ đo thời gian hiện số đặt ở MODE A+B. Kéo xe bằng trọng lực của ( Cốc + quả cân 10g ), dây đợc nối sao cho khi xe ở vị trí tận cùng phải của băng thì cốc gia trọng chỉ cách mặt sàn khoảng 10 cm ( có thể dùng một mặt ghế để tạo giá đỡ cốc). Nh vậy sau khi chuyển động đợc 10 cm thì lực kéo bị gỡ bỏ, xe chỉ còn chịu tác dụng của những lực cân bằng. Ghi lại thời gian chắn tia t1 và t khi xe đi qua hai cổng E, F. Hy xác định vận tốc của xe tại 2 vị trí này. Lặp lại phép đo trên tại các vị trí khác nhau của hai cổng quang điện E, F, ghi kết quả vào bảng 1. Phân tich kết quả : Thời gian chắn tia khi xe đi qua cổng thứ 2 ( cổng E ) là t2 = t t1 . Nếu t1 = t2 thì chuyển động của xe là thẳng đều. 2. Khảo sát mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc. a. Thí nghiệm Trong thí nghiệm này ta có thể dùng 4 quả cân ( 1 quả 1g , 2 quả 2g , và 1 quả 5g) để tạo ra các trọng lực kéo xe P = ( m0 + ( 1,2,3,4 .10)).g.10-3 ( N ). Các quả cân tạo lực kéo đợc bỏ vào cốc, các quả còn lại đặt lên xe. Khối lợng của cả hệ : M = ( M0 + m0 + 10 ) (g). Trong đó M0 là khối lợng xe, m0 là khối lợng cốc. Có nhiều cách đo gia tốc của xe trợt trên đệm khí : - Nếu dùng cờ chắn sáng dạng chữ I có bề rộng h = 10mm , hai cổng E, F đặt tại vị trí bất kỳ trên đờng chuyển động của xe, cho máy đo thời gian làm việc ở MODE (A+B) ta đo đợc t1và t2 là thời gian che sáng khi xe đi qua hai cổng E , F sau đó chuyển Mode hoạt động máy đo thời gian về vị trí A B để đo khoảng thời gian t xe chạy giữa 2 cổng E, F , thì gia tốc a xác định đợc từ công thức : a = tvv12 (1) Trong đó v1= h/ t1 và v2= h/ t2 là vận tốc của xe tại hai cổng E, F. - Nếu cổng F đợc đặt tại vị trí khi xe bắt đầu chuyển động sao cho mép trớc của cờ chắn sáng chỉ cách tia hồng ngoại khoảng < 1mm, máy đo thời gian đặt ở MODE ( A B ), thì ta đo đợc khoảng thời gian t xe chạy đến cổng E. Gia tốc a đợc xác định bởi : 3 a = 2ts2 (2) ( s : khoảng cách giữa hai cổng E,F ) Thực hiện các phép đogia tốc ứng với trờng hợp bỏ vào cốc các quả cân có khối lợng lần lợt bằng m = 1,2,3,4,5 10 . Các quả còn lại đặt lên xe . Ghi kết quả vào bảng 2 . Thực hiện các phép đogia tốc ứng với trờng hợp bỏ vào cốc chỉ 1 quả cân có khối lợng 5g , còn khối lợng xe thay đổi bằng cách thêm bớt gia trọng. Ghi kết quả vào bảng 2 . b. Phân tich kết quả : Lực kéo P truyền gia tốc a cho hệ. Trong trờng hợp khối lợng của hệ không đổi : - Tỷ số P1 / a1 = P2 / a2 = P3 / a3 = P4 / a4 = - Đồ thị biểu diễn quan hệ P (a) là một đoạn thẳng Gia tốc do lực P truyền cho hệ tỷ lệ với lực tác dụng. Trong trờng hợp lực kéo không đổi, khối lợng M của hệ thay đổi : - Tỷ số : a1 / a2 = M2 / M1 Gia tốc do lực P truyền cho hệ tỷ lệ nghịch với khối lợng của hệ. 3. Khảo sát lực tơng tác giữa hai vật : a. Thí nghiệm : Trong thí nghiệm này ta sử dụng hai xe trợt có khối lợng m1 và m2. Lắp vào đầu mỗi xe một lò xo lá . Dùng một vòng chỉ buộc nén chúng lại sao cho lò xo căng . Chọn hai cờ chắn sáng dạng chữ U có kích thớc bằng nhau , máy đo thời gian đặt ở mode A B. Bật điện máy bơm, đặt hai xe nằm ở khoảng giữa hai cổng E, F, điều chỉnh cẩn thận thăng bằng cho băng đệm khí . Đốt sợi chỉ, lực đàn hồi của lò xo làm cho cả hai xe chuyển động bật ra. Khi lò xo đ dn hết, hai xe bắt đầu rời nhau thì lực tơng tác giữa hai xe cũng kết thúc, hai chuyển động đều với vận tốc v1 , v2 . Ghi vào bảng 3 thời gian t1 , t2 các cờ chắn sáng đi qua các cổng E, F . Treo thêm gia trọng vào các xe và lặp lại thí nghiệm trên với các khối lợng m1 , m2 khác nhau. Ghi tiếp kết quả vào bảng 3. b. Phân tích kết quả : Lực F2 do xe m2 tác dụng lên xe m1 truyền cho m1 một gia tốc a1 : F2 = m1 a1. Gia tốc a1 có thể tính : a1 = v1/ t. ( t : thời gian tơng tác giữa hai xe ). Lực F1 do xe m1 tác dụng lên xe m2 truyền cho m2 một gia tốc a2 : F1 = m2 a2. Gia tốc a2 có thể tính : a2 = v2/ t. ( t : thời gian tơng tác giữa hai xe ). F1 , F2 là hai lực cùng phơng , ngợc chiều. Về trị số : F2 / F1 = ( m1. v1 / m2 . v2) = m1. t2 / m2. t1 . Kết quả thực nghiệm cho thấy m1. t 2 = m2. t1 , thì F1, F2 là hai lực trực đối. Câu hỏi 1. Với các dụng cụ nh trên, có những cách nào để xác định vận tốc tức thời và những cách nào để xác định gia tốc của chuyển động ? 2. Để dễ nhận biết đợc tính chất của chuyển động, hoặc mối tơng quan giữa các đaị lợng, từ các số liệu thực nghiệm thu đợc ta nên xây dựng đồ thị mô tả quan hệ giữa các đại lợng nào ? Hy dự đoán tính chất của đồ thị và nghiệm lại bằng kết quả thực nghiệm. 3. Nếu mép bên phải của cờ che sáng của xe nằm ở vị trí ban đầu cách tia hồng ngoại cổng F 3mm, thì phép đo vận tốc tức thời và gia tốc tại điểm E cách F một khoảng l = 0,5m, phạm thêm sai số hệ thống là bao nhiêu % ? 4 Bảng 1 Vị trí E1 F1 E2 F2 t v = h/ t Bảng 2 Khối lợng xe M0 = Khối lợng cốc m0 = . M P t1 t2 t a Vẽ đồ thị : a = a(P) khi M= const và đồ thi a= a(M) khi P= const Bảng 3 Khối lơng m t m/t Xe m1 Xe m2 Xe m1 Xe m2 Xe m1 Xe m2 IV Nhận xét kết quả . 5 Phụ lụcPhụ lụcPhụ lụcPhụ lục : Đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện Khi nghiên cứu các hiện tợng cơ học, ta gặp các hiện tợng xảy ra rất nhanh, chẳng hạn sự rơi tự do, hiện tợng va chạm Thí dụ một vật bắt đầu rơi tự do, đi qua 0,050 m đầu tiên chỉ hết 0,100 s ; đi qua 0,150 m tiếp theo hết 0,100 s, ; đi qua 0,600 m tiếp theo chỉ mất 0,200 s . Rõ ràng, không thể dùng đồng hồ bấm giây thông thờng để đo các khoảng thời gian nh thế, cho dù các đồng hồ bấm giây điện tử ngày nay có ĐCNN còn gọi là độ phân giải bằng 0,01s hay nhỏ hơn nữa. Nguyên nhân là do khi dùng tay bấm đồng hồ, chúng ta không thể vợt qua giới hạn tốc độ phản xạ thần kinh và cơ bắp của con ngời, giới hạn này chỉ vào khoảng 0,1 s. Đồng hồ đo thời gian hiện số điều khiển bằng các cổng quang điện khắc phục đợc khó khăn nói trên. Hình 1 giới thiệu đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 và sơ đồ nguyên lý một cổng quang điện. Đồng hồ đo thời gian MC-964 (H.1a) có hai thang đo thời gian : 9,999s và 99.99s , với độ chia nhỏ nhất (ĐCNN) - còn gọi là độ phân giải, tơng ứng là 0,001s và 0,01s. Chỉ cần gạt núm chuyển mạch Thang đo trên mặt đồng hồ, ta dễ dàng chọn đợc thang đo thích hợp. Phía mặt trớc của đồng hồ có cửa sổ hiển thị thời gian, gồm : bốn chữ số chỉ thị bằng LED 7 thanh và một dấu chấm thập phân tự động dịch chuyển khi chọn thang đo, một núm vặn chuyển mạch MODE và một nút nhấn RESET . Núm vặn chuyển mạch MODE dùng để chọn kiểu làm việc cho máy đo thời gian. Nút nhấn RESET dùng để đa các chữ số chỉ của đồng hồ này về giá trị 0000. Đồng hồ hai ổ cắm A, B (loại 5 chân) và công-tắc K : ổ cắm A đợc nối với cổng quang điện E, vừa cung cấp dòng điện cho cổng E vừa nhận tín hiệu từ E gửi về. ổ cắm B đợc nối với cổng quang điện F, và có chức năng nh trên. Công-tắc K dùng để đóng hoặc ngắt điện cấp cho đồng hồ. D1 D2 Thanh trụ kim loại (a) (b) Hình 1. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 và sơ đồ nguyên lý cổng quang điện 6 Cổng quang điện (H.1b) gồm điôt D1 phát ra tia hồng ngoại và điốt D2 nhận tia hồng ngoại từ D1 chiếu sang. Hai tấm chắn có lỗ nhỏ đặt trớc D1 và D2 tạo ra chùm tia hồng ngoại mảnh, chiếu thẳng từ D1 sang D2. Dòng điện cung cấp cho D1 đợc lấy từ máy đo thời gian. Khi có vật (một trụ kim loại chẳng hạn) chắn chùm tia hồng ngoại chiếu từ D1 sang D2 , thì D2 sẽ phát ra tín hiệu điện truyền theo dây dẫn đi tới đồng hồ đo thời gian và điều khiển đồng hồ hoạt động. Quá trình này xảy ra rất nhanh, hầu nh không có quán tính, nên cho phép đo chính xác các khoảng thời gian rất nhỏ, không phụ thuộc vào phản xạ của các giác quan con ngời. Để đo khoảng thời gian chuyển động của một vật giữa hai điểm nào đó, ta dùng hai cổng quang điện E, F đặt tại hai điểm đó và nối chúng với hai ổ cắm A, B của đồng hồ đo thời gian MC - 964. Các kiểu làm việc của đồng hồ đo thời gian MC-964 Đồng hồ đo thời gian hiện số MC964 có năm kiểu làm việc khác nhau, ghi trên mặt máy tại các vị trí : A , B , A+B , AB , T. Có thể chọn một trong các kiểu làm việc này bằng cách vặn chuyển mạch MODE của đồng hồ đến đúng vị trí tơng ứng với kiểu làm việc cần chọn. 1. MODE A (chuyển mạch đặt ở vị trí A) : MODE này chỉ cho phép cổng quang điện E nối với ổ A của đồng hồ đo thời gian MC964 hoạt động. Giả sử một thanh trụ chuyển động tới cổng E. Khi thanh trụ bắt đầu tới chắn tia hồng ngoại, đồng hồ bắt đầu đếm. Khi thanh trụ vừa ra khỏi cổng E, thôi không chắn tia hồng ngoại nữa, đồng hồ ngừng đếm. Khoảng thời gian thanh trụ chắn tia hồng ngoại của cổng E sẽ hiện thị trên cửa sổ thời gian TIME của đồng hồ. Nh vậy nếu x là độ dài của thanh trụ chuyển động đi qua cổng E (với x đủ nhỏ) và t là khoảng thời gian tia hồng ngoại bị chắn bởi thanh trụ đợc hiện thị trên đồng hồ, thì vận tốc tức thời của thanh trụ tính bằng : v = tx (1) 2. MODE B (chuyển mạch đặt ở vị trí B) : MODE này hoạt động tơng tự nh MODE A, nhng chỉ cho phép cổng quang điện F nối với ổ B của đồng hồ đo thời gian MC-964 hoạt động. Cả hai MODE A và B đều hoạt động khi có ít nhất một cổng quang điện nối với một ổ tơng ứng đ chọn (A hoặc B). Nếu dùng một công-tắc bấm bằng tay thay cho cổng quang điện, thì đồng hồ đo thời gian MC-964 khi đó hoạt động nh đồng hồ bấm giây thông thờng. 3. MODE A+B (chuyển mạch đặt ở vị trí A+B) : MODE này bắt buộc phải có hai cổng quang điện E, F nối với hai ổ A, B của đồng hồ đo thời gian MC-964. Khi thanh trụ chuyển động đi qua cổng E, trên đồng hồ hiện thị khoảng thời gian t1. Khi thanh trụ tiếp tục đi qua cổng F trong khoảng thời gian t2 , trên đồng hồ hiện thị khoảng thời gian t bằng tổng của hai khoảng thời gian t1 và t2. Nh vậy, khoảng thời gian thanh trụ đi qua cổng F tính bằng : t2 = t - t1 Nếu thanh trụ chuyển động thẳng đều, thì t2 = t1 . Nếu thanh trụ chuyển động thẳng biến đổi đều, thì t2 t1 . 7 Trong trờng hợp này, ta có thể tính các vận tốc tức thời v1 , v2 tại hai cổng quang điện E , F và đo khoảng cách s giữa hai cổng này, để xác định gia tốc a của chuyển động theo công thức : v2 2 - v12 = 2.a.s (2) 4. MODE A B (chuyển mạch đặt ở vị trí AB) : MODE này bắt buộc phải có hai cổng quang điện E, F nối vào hai ổ A, B của đồng hồ đo thời gian MC-964. Khi mép trớc của thanh trụ bắt đầu tới chạm vào tia hồng ngoại của cổng E, đồng hồ bắt đầu đếm. Khi thanh trụ ra khỏi cổng E, đồng hồ tiếp tục đếm cho tới khi mép trớc của thanh trụ bắt đầu tới chạm vào tia hồng ngoại của cổng F, đồng hồ mới dừng đếm. Khi đó trên đồng hồ hiện thị khoảng thời gian t , đúng bằng khoảng thời gian thanh trụ chuyển động đi qua đoạn đờng s từ cổng E đến cổng F. Nếu tại cổng E thanh trụ bắt đầu chuyển động không vận tốc đầu (v0 = 0) và khoảng cách s giữa hai cổng E, F đợc đo bằng thớc thẳng milimét, thì ta có thể xác định vận tốc tức thời v và gia tốc a của chuyển động : Nếu thanh trụ chuyển động thẳng đều, thì vận tốc tại E và F đều bằng nhau : vE = vF = v = ts (3) Nếu vật chuyển động thẳng biến đổi đều, thì vận tốc tức thời tại F tính bằng : vF = v = ts2 (4) và gia tốc của chuyển động trong khoảng giữa E, F bằng : 2ts2a = (5) Trong trờng hợp này, nếu x là độ dài của thanh trụ và t là khoảng thời gian chắn tia hồng ngoại của thanh trụ hiện thị trên đồng hồ khi nó đi qua cổng F, đồng thời cổng F đợc đặt tại vị trí cách cổng E một khoảng chỉ bằng s/ = s -2x , thì vận tốc tức thời tại cổng F đợc xác định khá chính xác theo công thức : vF = v = tx (6) 5. MODE N/2 (chuyển mạch đặt ở vị trí N/2) : MODE này dùng đo khoảng thời gian T của từng chu kỳ dao động, hoặc khoảng thời gian t của n chu kì dao động (với t = nT) khi nghiên cứu các dao động tuần hoàn. Chú ý : Một vài cách thử hoạt động bình thờng của đồng hồđo thời gian hiện số MC-964 Để kiểm tra hoạt động bình thờng của đồng hồ đo thời gian MC-964, ta có thể thực hiện các động tác sau đây : 1. Ban đầu cả ba ổ A, B, C đều để trống. Cắm phích lấy điện của đồng hồ MC-964 vào ổ điện ~ 220V. Bấm công-tắc K của đồng hồ, các đèn LED chỉ thị số phát sáng đều. 2. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí A. Khi không nối cổng quang điện với ổ A, đồng hồ đếm thời gian liên tục, các chữ số hiện thị liên tục nhảy, hàng số kề bên trái dấu chấm thập phân, mỗi giây nhảy một số. 8 Cắm phích 5 chân của cổng quang điện E vào ổ A. Nếu đồng hồ lập tức dừng đếm, các chữ số hiện thị không nhảy nữa, thì hoạt động của đồng hồ là bình thờng. Nếu đồng hồ tiếp tục đếm không dừng, thì phải kiểm tra cổng quang điện xem : tia hồng ngoại từ cửa sổ D1 chiếu sang cửa sổ D2 có bị chắn không, hoặc tia hồng ngoại từ cửa sổ D1 có chiếu thẳng vào cửa sổ D2 không ? Sau khi xác định rõ nguyên nhân, cần điều chỉnh lại hoặc thay thế cổng quang điện nếu cần thiết. Có thể dùng hộp công-tắc kép có nút nhấn, đóng ngắt bằng tay để kiểm tra đồng hồ đo thơì gian MC-964 thay cho cổng quang điện . 3. Làm tơng tự với ổ B khi vặn chuyển mạch MODE đến vị trí B. 4. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí A+B. Cắm phích 5 chân của cổng E vào ổ A và cắm cổng F vào ổ B. Kiểm tra hoạt động của đồng hồ bằng cách lần lợt chắn tia hồng ngoại tại E, rồi tiếp đến F. Khi đó khoảng thời gian chắn sáng tổng cộng t hiện thị trên đồng hồ bằng tổng các khoảng thời gian chắn sáng t1 tại E và t2 tại F. 5. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí A B. Kiểm tra hoạt động của đồng hồ bằng cách lần lợt chắn tia hồng ngoại tại cổng E, rồi tiếp đến cổng F. Trong trờng hợp này, khoảng thời gian chắn sáng t hiện thị trên đồng hồ đúng bằng khoảng thời gian kể từ thời điểm tia hông ngoại tại cổng E bắt đầu bị chắn đến thời điểm tia hông ngoại tại cổng F bắt đầu bị chắn. 6. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí T và rút phích 5 chân của cổng quang điện F ra khỏi ổ cắm B. Kiểm tra hoạt động của đồng hồ bằng cách dùng một thanh chắn cho nó chuyển động qua lại cổng E. Cứ sau mỗi chu kì, đồng hồ lại dừng đếm. Khoảng thời gian T của mỗi chu kì giữa hai lần dao động kế tiếp nhau sẽ hiện thị trên đồng hồ. . BKM040A khảo sát chuyển động của xe trợt trên đệm khí kiểm chứng ba định luật niu tơn . I. Mục đích : Một xe có dạng chữ V ngợc chuyển động. cả hai xe chuyển động bật ra. Khi lò xo đ dn hết, hai xe bắt đầu rời nhau thì lực tơng tác giữa hai xe cũng kết thúc, hai chuyển động đều