Đang tải... (xem toàn văn)
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ tính thay đổi tính chất hình học hoặc tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo. Khi có tác dụng c[r]
(1)MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU -4
1 Lý chọn đề tài -4
2 Mục đích nghiên cứu -5
3 Đối Tượng Nghiên Cứu -5
4 Phương pháp nghiên cứu -5
PHẦN NỘI DUNG -6
I Khái niệm -6
1 Các khái niệm -6
2 Nguyên lý đo lực -6
II Phân loại: -7
III Cảm biến áp điện. -7
1 Hiệu ứng áp điện : -7
a Cơ chế áp điện -7
b Cấu tạo cảm biến : -8
2 Nguyên lý hoạt động. -9
3 Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm -11
4 Cảm biến thạch anh nhiều thành phần. -12
5 Sơ đồ mạch đo -13
a Sơ đồ tương đương cảm biến -13
b Sơ đồ khuếch đại điện áp -14
c Sơ đồ khuếch đại điện tích -14
IV Cảm biến từ giảo -15
1 Hiệu ứng từ giảo -15
(2)3 Cảm biến từ dư biến thiên -18
VI Cảm biến xúc giác -19
VII Ứng dụng -20
1 Thí nghiệm khảo sát định luật Hooke -20
a Mục đích thí nghiệm -20
b Dụng cụ thí nghiệm -20
c Cơ sở lý thuyết -20
d Tiến trình thí nghiệm -20
2 Kiểm chứng định luật newton -20
a Mục đích thí nghiệm -21
b Dụng cụ thí nghiệm -21
c Cơ sở lý thuyết -21
d Tiến trình thí nghiệm -21
3 Khảo sát điều kiện cân bằng vật rắn có trục quay cố định -22
a Mục đích thí nghiệm -22
b Cơ sở lý thuyết -22
c Tiến trình thí nghiệm -22
4 Khảo sát lực đàn hồi -23
a Mục đích thí nghiệm -23
b Dụng cụ thí nghiệm -23
c Cơ sở lý thuyết -23
d Tiến trình thí nghiệm -23
5 Đo trọng lượng khối lượng -24
a Mục đích thí nghiệm -24
(3)c Cơ sở lý thuyết -25
d Tiến trình thí nghiệm -25
6 Khảo sát chuyển động tròn -26
a Mục đích thí nghiệm: -26
b Dụng cụ thí nghiệm: -26
c Thí nghiệm Bố trí thí nghiệm tìm hiểu phương pháp thiết- -27 d Thí nghiệm Xác minh mối liên hệ lực hướng tâm vận tốc, tìm hiểu chuyển động tròn -30
PHẦN KẾT LUẬN -33
(4)PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài
Trong xã hội văn minh phát triển nay, sinh viên trường đại học cần không ngừng nghiên cứu khoa học nghiên cứu kiến thức thông tin cập nhật hệ thống công nghệ thông tin Nghiên cứu khoa học sinh viên góp phần không nhỏ cho sinh viên bước tiếp đường chiếm lĩnh tri thức khoa học kĩ thuật thời đại Các nghiên cứu khoa học sinh viên bao gồm phạm vi nhiều lĩnh vực khác Trong đó khoa học tự nhiên nghiên cứu nhiều hình thức Nhiều đề tài cơng bố công nhận Một lĩnh vực nghiên cứu sinh viên đó lĩnh vực vật lý Trong ngành vật lý, với phát triển khoa học công nghệ đòi hỏi phải có phát triển mặt nó để ứng dụng vào thực tiễn sống Một ứng dụng khoa học vào ngành vật lý đó cảm biến lực Hiện cảm biến lực sử dụng nhiều phịng thí nghiệm khoa học phịng thí nghiệm trường đại học, cao đẳng trường trung học phổ thông với mục đích thí nghiệm nghiên cứu khoa học
Nhưng người nghiên cứu cụ thể hiểu tổng quát nguyên lý, nguyên tắc đo lực, loại cảm biến hoạt động nó ứng dụng thí nghiệm Vì mà chúng tơi chọn đề tài cảm biến lực ứng dụng thí nghiệm vật lý làm đề tài nghiên cứu
(5)nghiệm phổ thơng Đồng thời tài liệu sở quan trọng cho người quan tâm cảm biến lực cho công tác nghiên cứu sâu nó, ứng dụng nó đời sống thực tiễn
2 Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu ngun tắc đo lực, nguyên lý cấu tạo cảm biến lực
- Các loại cảm biến lực nguyên tắc hoạt động loại cảm biến lực
- Các ứng dụng cảm biến lực thí nghiệm chứng minh định luật có liên quan đến đo lực
3 Đối Tượng Nghiên Cứu
Các sở lý thuyết cảm biến lực
Phân loại ứng dụng cảm biến lực thí nghiệm phổ thơng
(6)PHẦN NỘI DUNG I. Khái niệm
1 Các khái niệm bản
Cảm biến dụng cụ có thể cảm nhận trị số tuyệt đối độ biến thiên đại lượng vật lí (vd nhiệt độ, áp suất, tốc độ dịng chảy, độ pH, cường độ ánh sáng, âm sóng vơ tuyến, vv.) biến đổi thành tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho hệ thống thu thập xử lí thơng tin
2 Ngun lý đo lực
Xác định ứng lực học tác động lên cấu trúc điều kiện xác định vấn đề hàng đầu việc đánh giá độ an toàn cho hoạt động móc, thiết bị
Theo định luật động lực học, lực xác định biểu thức:
F = ma Trong đó:
- F lực tác dụng (N)
- m khối lượng vật (kg) - a gia tốc vật (m/s2)
Trong công thức trên, cho lực có cường độ F tác động vào vật có khối lượng m gây gia tốc a
(7)Trong cảm biến đo lực thường có vật trung gian chịu tác động lực cần đo biến dạng Biến dạng vật trung gian nguyên nhân gây lực đối kháng giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng
Biến dạng lực gây biến dạng có thể đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng, đo gián tiếp tính chất điện vật liệu chế tạo trung gian phụ thuộc vào biến dạng
Ta có thể xác định lực bằng cách cân bằng nó với lực biết Theo công thức xác định trọng lực vật trọng trường trái đất:
P = mg
Trong đó môi trường có g biết trước, cân khối lượng m vật ta có thể xác định trọng lực vật đó, ngược lại sử dụng vật có khối lượng biết có lực xác định Đây nguyên tắc chuẩn cảm biến bằng máy đo có khối lượng treo
II Phân loại:
Cảm biến lực bao gồm loại sau: Cảm biến áp điện, Cảm biến từ giảo,
Cảm biến dựa phép đo dịch chuyển cảm biến xúc giác III Cảm biến áp điện
1 Hiệu ứng áp điện : a Cơ chế áp điện
(8)bản cực đó xuất điện tích trái dấu Hiệu điện điện tích cực tỉ lệ với lực tác dụng Lợi dụng đặc điểm người ta chế tạo cảm biến dùng để đo lực tác dụng đo đại lượng vật lí có tác động giống lực tác dụng áp suất gia tốc, độ rung Đó gọi cảm biến áp điện
Hiệu ứng áp điện hiệu ứng thuận nghịch Dưới tác dụng điện trường theo chiều thích hợp, vật liệu bị biến dạng Đặt biệt vật liệu áp điện có thể bị kích thích đến trạng thái cộng hưởng học cao
Cơ chế áp điện có thể giải thích theo tinh thể thạch anh Thạch anh tinh thể SO2 Khi không có lực tác dụng điện tích dương âm có tổng Momen = Cịn có lực tác dụng cấu trúc bị biến dạng làm cho trọng tâm điện tích khơng trùng nữa, từ đó làm xuất phân cực điện
Trong vật liệu áp điện thạch anh quan tâm hàng đầu tính ổn định cao độ cứng Ngoài gốm sử dụng giá thành thấp dễ sản xuất
b Cấu tạo cảm biến :
Dưới tác dụng lực làm cho vật liệu áp điện bị biến dạng hình thành cực tính.Tuy nhiên, sử dụng phiến ghép đơn độ nhạy cảm biến giảm đáng kể nên thông thường sử dụng cách ghép cực tụ điện
Có nhiều cách ghép cực tụ điện Dựa vào cấu trúc chế họat động cảm biến hay đơn giản độ nhạy cảm biến hai phần tử có thể kết dính với nối theo cực để nhận biến dạng chiều hay ngược chiều
(9)Trong trường hợp đấu nối tiếp điện áp hở mạch trở kháng tăng lên gấp đôi giá trị điện dung giảm xuống lần
Những nguyên tắc áp dụng cho trường hợp ghép nhiều cực Đối với thạch anh có nhiều cách chế tạo khác theo yêu cầu: Vòng đệm thạch anh: nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục Cảm biến thạch anh nhiều thành phần: loại có tác dụng với hướng xác định lực nhiên độ nhạy cao nên sử dụng trường hợp đặc biệt
Cảm biến có độ nhạy cao: dùng để đo lực nhỏ có cấo tạo theo cấu trúc dạng dầm dạng xà Khi có lực tác dụng có co lại khác giãn Thường dùng để đo lực cắt
2 Nguyên lý hoạt động.
Cảm biến áp điện hoạt động dựa nguyên lý hiệu ứng áp điện Phần tử cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự tụ điện chế tạo bằng cách phủ hai cực lên hai mặt đối diện phiến vật liệu áp điện mỏng Vật liệu áp điện thường dùng thạch anh nó có tính ổn định độ cứng cao Tuy nhiên vật liệu gốm ( ví dụ gốm PZT) có ưu điểm độ bền độ nhạy cao, điện dung lớn, chịu ảnh hưởng điện trường ký sinh, dễ sản xuất giá thành chế tạo thấp sử dụng đáng kể
(10)Bảng 1: Đặc trưng vật lý số vật liệu áp điện
Vật liệu Độ từ thẩm
Điện trở suất (Ω.m)
Modun young (109 N.m-2)
ứng lực cực đại (107
N.m-2)
Nhiệt độ làm việc Tmax (0C)
Thạch anh ε11=4,5 1012 Y
11=80 10 550
Muối
seignette ε11=350 >10
10
Y11=19,3
Y22=30
1,4 45
L.H ε11=5,6 >1010 46 1,5 75
PZT5A ε11=1 700 1011 Y
33=53 – 365
Dưới tác dụng lực học, tâm áp điện bị biến dạng, làm xuất hai cực điện tích trái dâu Hiệu điện xuất hai tỷ lệ nghích với lực tác dụng
Các biến dạng xác định chế độ làm việc áp điện Trên hình biểu diễn biến dạng áp điện
Trong nhiều trường hợp điện ghép thành theo cách ghép nối tiếp song song
b)
c)
d) a)
Hình 1:Các biến dạng
a.theo chiều dọc b theo chiều ngang c theo bề dày d theo bề mặt
±
±
± ±
Hình 2: Cách ghép phân tử áp điện Hai phần tử song song b hai phần tử nối tiếp
(11)Trường hợp ghép song song hai áp điện, điện dung cảm biến tăng gấp đôi so với trường hợp áp điện Khi ghép nối tiếp điện áp hở mạch trở kháng tăng gấp đôi điện dung giảm xuống Những nguyên tắc áp dụng cho trường hợp ghép nhiều áp điện với
3 Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm
Các cảm biến thạch anh kiểu vịng điện có cấu tạo hình 3, chúng gốm phiến cắt vòng đệm nối với nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục
Giới hạn dải đo phụ thuộc vào diện tích vịng đệm, cỡ từ vài kN ( với đường kính ~ cm) đến 103 kN (với đường kính ~ 10 cm).
Người ta có thể dùng cảm biến loại để đo lực kéo bằng cách tạo lực nén đặt trước (dùng bulong xiết chặt vòng đệm), đó lực kéo đo sụt giảm lực nén Tuy nhiên, đó độ nhạy giảm 5-10%
4 Cảm biến thạch anh nhiều thành phần.
Trong cảm biến loại này, vòng đệm thạch anh cắt theo hướng khác nhau, đó chúng nhạy với hướng xác định lực
Hình 3: Cấu tạo cảm biến thạch anh vòng đệm Các vòng đệm Các đế Đầu nối dây
1
3
(12)Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26 đó vòng điện cắt theo phương trục X nhạy với lực nén ( có d11), lực ký sinh tác động, theo cạnh bên khơng gây nên hiệu ứng với vịng đệm ứng lực mà hiệu ứng chúng liên quan đến d12, d14 không có mặt Tương tự vậy, dòng điện cắt theo phương Y nhạy với lực cắt theo bề dày (vì có d26) bằng cách lắp ghép hợp lý có thể loại trừ hiệu ứng ứng lực liên quan đến d25 (cắt theo mặt) Hai mặt cắt đặc biệt biểu diễn hình 4b, chúng sử dụng để chế tạo cảm biến thạch anh nhiều thành phần
Trên hình 4c biểu diễn cảm biến ba phần vng góc gồm ba cặp vòng tròn ghép với nhau, cặp nhạy với lực nén Fx, hai mặt lại nhạy với lực Fy Fz vuông góc với Fx
5 Sơ đồ mạch đo
a Sơ đồ tương đương cảm biến
Trong dải thông rộng, cảm biến tương đương với dòng mắc song song với trở kháng (gồm ba nhánh) cảm biến (hình 5a) Nhánh p,
λ ,γ đặc trưng cho cộng hưởng điện thứ tần số cao nằm ngồi dải thơng cảm biến Điện trở Rg, điện trở cách điện vật liệu áp
p
γ
Rg Cg
Rg Cg Rs Cs
a) b) c)
1 1 1 1 C C C R R R g s g s
Hình 5: Sơ đồ tương đương cảm biến áp điện
a)Trong dải thông rộng b) Trong dải thông thường c) Nối với mạch ngồi
y x
Hình 4: Cảm biến thạch anh nhiều thành phần
Kí hiệu trục b Các phiến cắt đặc biệt c Cảm biến ba thành phần vuông góc
a)
b)
(13)dt dQ Cs V m Rs Re Ce dt
dQ Req Ceq
V m
điện, tần số thấp nó trở thành trở kháng cảm biến Tụ điện Cg, điện dung nguồn phát điện tích, tần số trung bình cao nó trở thành trở kháng cảm biến
Trên thực tế dải thông thường sử dụng, người ta dùng mạch tương đương biểu diễn hình 5b
Khi nối cảm biến với mạch bằng cáp dẫn, trở kháng cáp dẫn tương đương điện trở R1, tụ điện C1 mắc song song với cảm biến, đó mạch tương đương có dạnh hình 5c
b Sơ đồ khuếch đại điện áp
Trở kháng vào khuếch đại điện áp tương đương với điện trở Req mắc song song với tụ Ceq, đó mạch tương đương có dạng hình
Điện áp lối vào khuếch đại xác định công thức:
Vm=Q Cq
ReqCeqp 1+ReqCeqP c Sơ đồ khuếch đại điện tích
Trong mạch khuếch đại điện tích, di chuyển điện tích lối vào gây nên lối điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào Bộ khuếch đại điện tích gồm biến đổi điện tích-điện áp đầu vào, tầng chuẩn độ nhạy, lọc trung gian số tầng khuếch đại đầu để cung cấp tín hiệu điện
Cảm biến cáp nối Trở kháng vào khuếch đại điện
e s eq e s eq C C C R R R
1 1
1
Hình 6: Sơ đồ tương đương cảm biến mắc nối tiếp với khuếch đại điện
(14)Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với chuyển đổi điện áp – điện tích trình bày hình 7b
IV Cảm biến từ giảo 1 Hiệu ứng từ giảo
Dưới tác động từ trường, số vật liệu sắt từ tính thay đổi tính chất hình học tính chất học (hệ số Young) Hiện tượng gọi hiệu ứng từ giảo Khi có tác dụng lực học gây ứng lực vật liệu sắt từ làm thay đổi đường cong từ hóa chúng, đó dựa vào thay đổi độ từ thẩm từ dư có thể xác định độ lớn lực tác dụng Đây hiệu ứng từ giảo nghịch
Cơ chế từ hóa: Như biết vật liệu sắt từ, nguyên tử đặc trưng nhóm momen từ Để giảm thiểu lượng tổng
a)
b)
Hình 7: Sơ đồ khuếch đại điện tích
(15)cộng, momen từ nguyên tử miền từ hóa tự nhiên (domen) phải hướng theo hướng chung Hướng chung định hướng theo số hướng ưu tiên mạng tinh thể gọi hướng dễ từ hóa
Hướng momen từ domen cạnh không trùng Khi có từ trường H tác động, định hướng momen từ domen theo hướng chung tăng dần Khi H nhỏ, vách domen từ dịch chuyển kích thước domen từ
Có hướng từ hóa thuận lợi trùng với hướng từ trường bên tăng lên Khi từ trường tăng lên đến mức đó xảy tượng đảo hướng domen theo hướng từ trường Khi từ trường đủ mạnh làm quay hướng dễ từ hóa domen từ theo hướng từ trường ngồi dẫn đến bão hịa (hình 8a)
Hiện tượng từ trể : Sauk hi từ hóa lần đầu đến bão hòa (H=Hm), giữ nguyên phương từ trường thực chu trình khép kín ( Hm,0,-Hm,0) ta nhận đường cong từ hóa hình 6.8b gọi đường cong từ trể với độ từ dư B, kháng từ Hc
Khi có tác dụng lực học gây ứng lực vật liệu sắt từ, kích thước mạng tinh thể thay đổi, hướng từ hóa thay đổi định hướng đômen làm thay đổi đường cong từ hóa chúng, đó dựa vào thay
Hình 8: Đường cong từ hóa a) Từ hóa lần đầu b) Chu trình từ trễ
(16)đổi độ từ thẩm từ dư có thể xác định độ lớn lực tác dụng Đây hiệu ứng từ giảo nghịch Trên hình biểu diễn ảnh hưởng ứng lực đến đường cong từ hóa vật liệu permalloy 68
2 Cảm biến từ thẩm biến thiên
Cấu tạo cảm biến gồm cuộn dây có lõi từ hợp với khung sắt từ tạo thành mạch từ kín ( hình 10) Dưới tác dụng lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo thay đổi độ từ thẩm µ , làm cho từ trỏ mạch từ thay đổi đó độ tự cảm cuộn dây thay đổi Sự thay đổi tương đối L, R, µ tỉ lệ với ứng lực σ tức với lực cần đo F:
Δμ μ =
ΔR
R =
ΔL L =K.σ
3 Cảm biến từ dư biến thiên
Hình 9: biến dạng đường cong từ hóa tác
dụng lực kéo
1
2
3
(17)Phần tử cảm biến từ dư biến thiên lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dư Br Dưới tác dụng lực cần đo, thí dụ lực nén ( d
σ <0), Br tăng lên:
dBr
dσ =−1,5 10
−9Wb m−2
N.m−2
Sự thay đổi từ thông làm xuất cuộn dây suất điện động tỉ lệ với dBr/dt Biểu thức điện áp hở mạch có dạng:
Vm=KdBr dt =K
dBr
dσ dσ
dt
Trong đó K hệ số tỉ lệ với số vòng dây tiết diện vòng dây Vm: Cảm biến đo lực dựa phép đo dịch chuyển
Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian gây nên thay đổi kích thước ∆l nó Sự thay đổi kích thước đo bằng cảm biến dịch chuyển Khi đó tín hiệu Vm lực tác dụng biểu diễn bằng biểu thức :
Vm F = Vm Δl Δl F Trong đó:
-Vm/∆l Gọi tỉ số truyền đạt cảm biến -∆l/F gọi độ mềm vật trung gian
Vật trung gian vòng đo lực có thể sử dụng nhiều loại cảm biến dịch chuyển khác :
- Điện kế điện trở
- Cảm biến từ trở biến thiên - Cảm biến tụ điện
(18)Phần cảm biến đế cách điện đó có lưới dẫn điện (hình 11a) đặt điện áp V Lưới điện gồm hai hệ thống dây dẫn ( X1, X2) (Y1, Y2) vuông góc với tạo thành ô vuông nhỏ, ô vuông nhỏ có điện cực cách điện với dây dẫn lưới bao quanh nó, điện cực nối với đất thông qua mạch đo dòng Mặt hệ thống phủ cao su có hạt dẫn điện Khi có lực nén tác dụng lên phần đó cao su, khoảng cách giũa hạt dẫn điện phần đó ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên (hình 11b) Tọa độ vùng có dịng điện tăng xác định vị trí lực tác dụng giá trị nó xác định giá trị lực
I 0
I
I
I
I F
Hình 11: Cảm biến xúc giác
Hệ thống cực đob tác dụng lực lên điện cực
(19)VII Ứng dụng
1 Thí nghiệm khảo sát định luật Hooke a Mục đích thí nghiệm
Khảo sát độ lớn lực đàn hồi lò xo b Dụng cụ thí nghiệm
Ba lị xo dài có độ cứng khác nhau, bảng có in ba thước đo độ dài nam châm gắn bảng, hộp đựng gia trọng 50g
c Cơ sở lý thuyết
Trong giới hạn đàn hồi, độ lớn lực đàn hồi lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng lò xo: Fđh=k|Δl| .
Độ cứng lị xo phụ thuộc vào kích thước lị xo vật liệu dùng làm lò xo
d Tiến trình thí nghiệm
Lần lượt treo gia trọng 50g vào đầu lò xo tùy chọn Đọc độ giãn tương ứng lò xo Từ độ lớn lực mà gia trọng tác dụng vào lò xo, biết độ lớn lực đàn hồi suy Fđh~∆l
Tính độ cứng k lị xo lần thí nghiệm theo cơng thức
k=mg
Δl , từ đó tính giá trị k sai số ∆k
Treo đồng thời vào ba lò xo số gia trọng đọc độ dãn ∆l tương ứng để rút kết luận: độ cứng k lò xo khác có độ lớn khác
(20)Khảo sát định luật newton Biết cách sử dụng cảm biến lực b Dụng cụ thí nghiệm
Hệ động lực học xe Pascal, cảm biến lực, giao diện máy tinh CienceWorkshop, phần mềm DataStudio
c Cơ sở lý thuyết
Lực tương tác hai vật phương, ngược chiều có độ lớn d Tiến trình thí nghiệm
Lắp đặt cho cảm biến CienceWorkshop: Nối cảm biến lực có kênh A giao diện CienceWorkshop Nối cảm biến lực vào kênh B nối giao diện CienceWorkshop với máy tính Trong khơng có kết nối với cảm biến lực, ấn nút “Zero” “Tare” cảm biến lực Gắn móc cảm biến lực vào đầu dây cao su dài Mở file thí nghiệm
Ấn nút “Start” giao diện DataStudio
Dùng dây kéo hai đầu sợi dây cao su A B với lực tác dụng giống chơi trị kéo co với khơng người A mà khơng người B thắng
Việc thu liệu kết thúc sau vài giây
Ghi hướng độ lớn của: Lực người A lên người B (FAB), lực người B lên người A (FBA)
Lặp lại bước với lực tác dụng vào đầu A lớn đầu B (người A thắng)
(21)3 Khảo sát điều kiện cân bằng vật rắn có trục quay cớ định a Mục đích thí nghiệm
Khảo sát điều kiện cân bằng vật rắn có trục quay cố định để rút quy tắc mơmen lực hình thành khái niệm mơmen lực trục quay
b Cơ sở lý thuyết
Mômen lực F trục quay vuông góc với mặt phẳng chứa lực đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay lực có độ lớn M=F.d, đó F độ lớn lực tác dụng d khoảng cách từ trục quay đến giá lực
Muốn cho vật rắn có trục quay cố định nằm cân bằng tổng mơmen lực có khuynh hướng làm vật quay theo chiều kim đồng hồ bằng tổng mômen lực có khuynh hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ c Tiến trình thí nghiệm
Lần lượt treo sợi dây có buộc gia trọng vào điểm khác đĩa để tới nhận xét: lực tác dụng lên đĩa không làm đĩa quay, lực tác dụng lên đĩa làm đĩa quay quay theo chiều nào?
Treo đồng thời lên đĩa sợi dây có buộc gia trọng điểm A sợi dây có buộc hai gia trọng điểm B (đĩa đứng yên) điểm C (đĩa quay), D (đĩa đứng yên), E (đĩa đứng yên) cuối vào điểm C qua ròng rọc (đĩa đứng yên), để rút kết luận điều kiện cân bằng mọt vật rắn có trục quay cố định (quy tắc mơmen lực) hình thành khái niệm mơmen lực
(22)Nhận biết lực đàn hồi
So sánh lực có cường độ mạnh, yếu dựa vào tác dụng lực làm biến dạng vật nhiều hay
Biết sử dụng cảm biến lực để đo lực số trường hợp thông thường biết đơn vị lực Newton (N)
b Dụng cụ thí nghiệm
Một sách hướng dẫn thí nghiệm, aMixer mini phần mềm Addestation 6.0, bóng, Cảm biến lực (khoảng thực nghiệm 10 – 50N), Cảm biến chuyển động (khoảng thực nghiệm 0.4 – 1.6m), hệ thống để định hướng chuyển động, lò xo để treo bóng
c Cơ sở lý thuyết
Lực đàn hồi lực mà vật bị biến dạng đàn hồi tác dụng lên vật gây biến dạng
(23)Lắp đặt hệ thí nghiệm hình vẽ
Trên hình Addestation thực bước sau:
Chọn “Hiệu chỉnh nhanh” -> “Bộ Addestation Cơ học” -> “Bài 9: Định luật Húc”
Bật Scope
Ban đầu giữ bóng cho lị xo vị trí có độ dài tự nhiên Ghi nhận giá trị lực hình
Kéo lị xo dãn từ từ Quan sát hình độ lớn lực đàn hồi khoảng cách từ bóng đến mặt đất thay đổi chiều dài lò xo thay đổi
Nhận xét mối quan hệ độ lớn lực đàn hồi biến dạng lò xo
5. Đo trọng lượng khới lượng
a Mục đích thí nghiệm
(24)Xác định giá trị trọng lượng
Mối quan hệ khối lượng trọng lượng
Biết sử dụng cảm biến lực để đo lực số trường hợp thông thường biết đơn vị lực Newton (N)
b Dụng cụ thí nghiệm
Amixer mini (hoặc aMixer MGA), Cảm biến lực (khoảng thực nghiệm 10N – 50N), Cái cân, Quả nặng (quả cân)
c Cơ sở lý thuyết
Trọng lực lực hút Trái Đất tác dụng lên vật Trọng lượng độ lớn trọng lực
Khối lượng đo bằng cân, đơn vị kg, trọng lượng đo bằng lực kế, đơn vị N
Ở Trái Đất, vật có khối lượng kg có trọng lượng tính trịn 10 N
d Tiến trình thí nghiệm
Dùng cân để xác định khối lượng cân, ghi lại giá trị
(25)Dùng cảm biến lực để xác định trọng lượng cân: thiết lập hệ thống hình vẽ, chọn cảm biến lực (± 10N)
Chú ý: chọn xem hỗn hợp đa kênh (MultiScope) tuỳ chọn Scope hình ban đầu
Xác định mối quan hệ trọng lượng khối lượng
P = m.g
(trọng lượng = khối lượng × 10)
6 Khảo sát chuyển động trịn
a Mục đích thí nghiệm:
Xác minh mối liên hệ lực hướng tâm vận tốc chuyển động tròn sử dụng thiết bị thu thập liệu;
Tìm hiểu phương pháp thiết kế bố trí thí nghiệm;
Tìm hiểu chuyển động trịn
b Dụng cụ thí nghiệm:
Một Amixer (thiết bị thu thập liệu)
Một cảm biến lực với gắn kim loại
Hai cổng quang điện với thiết bị kết nối, giá đỡ, dây (với độ dài khoảng 60 cm), cân 200 g có thể treo dễ dàng dây treo, thước đo
(26)Nối Amixer vào máy tính đồng thời nối cảm biến lực vào CH1
của Amixer, nối hai cổng quang điện vào CH2 CH3 Điều chỉnh công tắc
của cảm biến lực mức “±10 N” Sau đó click chuột mở bảng chọn “Hiệu Chỉnh Nhanh”, sau đó chọn “Bộ Addestation Cơ Học (Tự học)”, chọn “Bài 4: Chuyển động tròn”
Đặt giá đỡ mặt bàn
Gắn kim loại vào cảm biến lực, kẹp kim loại vào giá đỡ esao cho đáy móc treo cảm biến lực có độ cao khoảng 80 cm so với sàn (Hình 1)
(27)Sử dụng nối để kết nối đế hai cổng quang điện (Hình 3) Khi đó khoảng cách hai nguồn phát ánh sáng cổng quang điện (và khoảng cách phận nhận ánh sáng) vào khoảng 3.5 cm
(28)Kéo cân phía ý ln giữ cho dây căng hình Đồng thời ý đảm bảo rằng cân thả tự do, nó dao động qua lại cổng quang điện mà không chạm vào chúng
Nhẹ nhàng thả cân cho dao động Sau đó lưu lại đồ thị giá trị cung cấp cảm biến lực cổng quang điện theo thời gian hiển thị hình quan sát
Sự chuyển động cân có thể coi chuyển động tròn Theo bạn chuyển động tròn cân đó loại chuyển động trịn gì?
(29)Hãy nêu lên phương pháp để đo lực tác dụng gây cân chuyển động lên cảm biến lực vị trí mà độ cao cân thấp Hãy vẽ hình minh họa cho câu trả lời (nếu cần) Ghi rõ giả thuyết sử dụng
Gợi ý: Sử dụng đồ thị giá trị đo đạc theo thời gian cảm biến lực và
cổng quang điện
Hãy nêu lên phương pháp để ước lượng vận tốc cân vị trí mà độ cao cân thấp Hãy vẽ hình minh họa cho câu trả lời (nếu cần) Ghi rõ giả thuyết sử dụng
Sử dụng đồ thị giá trị đo đạc theo thời gian cổng quang điện
d Thí nghiệm Xác minh mối liên hệ lực hướng tâm vận tốc, tìm hiểu chuyển động trịn
Mới liên hệ lực hướng tâm vận tốc
Một vật có khối lượng m tham gia chuyển động tròn chịu lực hướng tâm có độ lớn tính bằng cơng thức fc = mv2/r, với v kí hiệu vận
tốc vật đó r bán kính chuyển động tròn
Nếu m r đại lượng khơng đổi(hằng số), fc.µ=v2, từ hệ số
góc đồ thị đường thẳng fc theo v2, giá trị m/r có thể tính tốn
Bắt đầu trình thu thập liệu
Di chuyển cân cho nó cách sàn khoảng 10 cm ý dây căng Sau đó nhẹ nhàng thả cân để nó dao động tự
(30)điểm cân đạt độ cao thấp Ghi lại giá trị f v vào cột thứ hai cột thứ tư Bảng
Chú ý:
Khi cân chuyển động, nó đạt độ cao thấp số lần Do đó, có số vùng tương ứng đồ thị mà bạn có thể phóng to để xác định giá trị cần tính toán Bạn nên sử dụng vùng đồ thị nơi đồ thị lực tác dụng theo thời gian đủ “phẳng” (ít biến đổi) đủ để ước lượng giá trị f v
Lặp lại bước mô tả phần để thu thập thêm số liệu với độ cao cân 15 cm, 20 cm, 25 cm 30 cm Ghi lại giá trị tương ứng f v thu vào Bảng
Tính giá trị (f – mg), với g gia tốc rơi tự do, bạn có thể sử dụng giá trị g 9.8 ms-2, ghi lại kết vào Cột Bảng 1.
Giá trị (f – mg) có ý nghĩa vật lý gì?
Tính v2 từ giá trị v, ghi lại kết vào Cột Bảng 1.
Sư dụng chương trình Addestation để đánh dấu điểm (v2, f-mg) đã
(31)Sau đó sử dụng cơng cụ phân tích liệu để dựng đường thẳng qua hầu hết điểm đó (đường thẳng “khớp” với điểm)
Đại lượng (f – mg) µ= v2 khơng? Giải thích chứng minh.
Xác định k, hệ số góc đường thẳng dựng trên, ghi lại giá trị đó vào Bảng
Xác định giá trị r (với r = m/k – phương trình lực hướng tâm), ghi lại giá trị đó vào Bảng Có thể sử dụng giá trị m = 0.2 kg để tính tốn
Đo d, khoảng cách từ móc treo Cảm biến lực tới tâm cân 200 g ghi lại số liệu đó vào Bảng
Về mặt lý thuyết, giá trị d r có bằng khơng? Giải thích chứng minh cho câu trả lời
(32)PHẦN KẾT LUẬN
Qua trình nghiên cứu thực đề tài, thực làm sáng tỏ vấn đề sau:
Làm rõ kiến thức hệ thống hóa lại kiến thức công thức cảm biến lực
Qua lý thuyết đó ứng dụng cảm biến lực vào số thí nghiệm nhà trường phổ thông
(33)TÀI LIỆU THAM KHẢO http://tailieu.vn/tag/tai-lieu
2 http://media.bacbo.edu.vn/ http://www.ebook.edu.vn/
http://tailieu.vn/tag/tai-lieu http://www.ebook.edu.vn/