IV. KẾT NỐI THIẾT BỊ VÀ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
7. Khảo sát tần số (chu kỳ) dao động của hai lò xo khác nhau ghép nối tiếp, kh
vị trí với nhau. Với hệ số đàn hồi của hai lò xo lần lượt là k1=10N/m, k2=20N/m và
khối lượng quả nặng m=100g.
a. Mục đích
- Khảo sát dao động của con lắc lò xo.
- Kiểm tra giá trị tần số (chu kỳ) đo được từ thực nghiệm có thay đổi hay không, khi đổi vị trí hai lò xo cho nhau và so sánh với giá trị chu kỳ tính theo lý thuyết.
b.Cơ sở lý thuyết
- Chu kỳ và tấn số dao động điều hòa của con lắc lò xo.
- Ta thấy tần số (chu kỳ) dao động của con lắc lò xo phụ thuộc vào khối lượng m và hệ số đàn hồi k. Vậy với k và m cho trước ta xác định được giá trị chu kỳ.
c. Tiến hành thí nghiệm
- Ta thực hiện các bước tương tự như thí nghiệm 1 ở trên.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 68 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
Thí nghiệm 1: Lò xo có độ cứng 10N/m ở trên, 20N/m ở dưới. - Lần đo 1:
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 69 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 70 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 71 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
Thí nghiệm 2: Lò xo có độ cứng 10N/m ở dưới, 20N/m ở trên. - Lần đo 1:
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 72 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 73 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 74 SVTH: Đặng Hữu Mạnh Thí nghiệm f (Hz) (Lý thuyết) f (Hz) (Thực nghiệm) f1 f2 f3 f f= 1 1,298 1,250 1,282 1,222 1,251 0,031 1,251 0,031 2 1,220 1,250 1,216 1,228 0,022 1,228 0,022 Bảng 12: Kết quả thí nghiệm e. Nhận xét:
- Từ đồ thị dao động xác định được tần số qua các lần đo như Bảng 12. Ta thấy các giá trị của tần số ở các phép đo trong hai thí nghiệm gần như nhau.
Kết luận: Khi hai lò xo ghép nối tiếp đổi vị trí cho nhau thì không làm thay đổi tần số hay chu kỳ dao động. Kết quả này phù hợp với trạng thai dao động của hệ hai lò xo ghép nối tiếp và phù hợp với kết quả tính được từ lý thuyết.
8. Khảo sát đồ thị khối lƣợng theo chu kỳ của con lắc lò xo với lò xo có hệ số đàn hồi K=3N/m và quả nặng thay đổi đƣợc khối lƣợng.
a. Mục đích
- Khảo sát dao động của con lắc lò xo.
- Kiểm chứng dạng đồ thị khối lượng theo chu kỳ của con lắc lò xo. So sánh đường đồ thị thực nghiệm và đường đồ thị lý thuyết. Đồng thời xác định được hàm khối lượng (m) theo chu kỳ (T) từ thực nghiệm.
b.Cơ sở lý thuyết
- Từ công thức
- Vậy đồ thị khối lượng theo chu kỳ con lắc lò xo được đưa về dạng . Đồ thị có dạng là một đường parabol hướng lên vì a>0.
c. Tiến hành thí nghiệm
- Ta thực hiện các bước tương tự như thí nghiệm 1 ở trên.
d.Kết quả thí nghiệm Lần đo T (s) m (kg) k (N/m) 1 0 0 3 2 0.04 3 0.05 4 0.06 5 0.07 6 0.08 7 0.09 8 0.1 9 0.11 10 0.12 Bảng 13: Giá trị làm thí nghiệm
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 75 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Lần 2: m=40g
- Lần 3: m=50g
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 76 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Lần 5: m=70g
- Lần 6: m=80g
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 77 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Lần 8: m=100g
- Lần 9: m=110g
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 78 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
e. Nhận xét:
- Sau khi làm thí nghiệm ta xác định được chu kỳ (T) qua các lần đo tương ứng với các giá trị khối lượng (m).
- Từ số liệu đo được, ta xác định được dạng đồ thị khối lượng theo chu kỳ như sau: Lần đo T (s) Thực nghiệm m (kg) k (N/m) 1 0 0 3 2 0.752 0.04 3 0.832 0.05 4 0.917 0.06 5 0.972 0.07 6 1.038 0.08 7 1.101 0.09 8 1.158 0.1 9 1.200 0.11 10 1.253 0.12 Bảng 14: Số liệu đo được
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 79 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
Từ cơ sở lý thuyết ta có: với
Từ đồ thị thực nghiệm ta xác định được hàm biểu diễn m theo T có dạng:
Kết luận:
- Từ đồ thị thực nghiệm biểu diễn khối lượng theo chu kỳ có dạng là một đường parabol hướng lên phù hợp với lý thuyết.
- Trong phạm vi sai số cho phép, thì ta thấy hàm phân bố theo thực nghiệm phù hợp với hàm phân bố theo lý thuyết.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 80 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
PHẦN KẾT LUẬN
Thực hiện được đề tài là cơ hội để tôi học hỏi và rút ra nhiều kinh nghiệm cho bản thân trong công việc nghiên cứu khoa học. Chẳng hạn như sau, cách thu thập và xử lí số liệu, cách trình bày nội dụng cũng như hình thức một bài nghiên cứu khoa học nói chung và một luận văn tốt nghiệp nói riêng. Đồng thời tôi còn được trau dồi thêm kĩ năng thực hành phục vụ cho công tác giảng dạy bằng thí nghiệm ở trường phổ thông sau này.
Qua các thí nghiệm, tôi đã thực hiện được các mục đích của đề tài đưa ra:
- Kiểm tra sự phụ thuộc của chu kỳ hay tần số dao động vào biên độ dao động của con lắc lò xo.
- Kiểm tra sự phụ thuộc của chu kỳ hay tần số dao động vào khối lượng của quả nặng.
- Kiểm tra sự phụ thuộc của chu kỳ hay tần số dao động vào hệ số đàn hồi.
- Xác định hệ số đàn hồi k khi biết khối lượng m, đo chu kỳ hay tần số suy ra được hệ số đàn hồi k của lò xo đang khảo sát.
- Kiểm chứng chu kỳ đo được khi làm thí nghiệm với kết quả tính được từ lý thuyết khi biết trước hệ số đàn hồi của lò xo và khối lượng của quả nặng.
- Xác định hệ số đàn hồi k của hệ lò xo ghép nối tiếp và hệ số đàn hồi của từng lò xo, so sánh với giá trị của nhà cung cấp thiết bị.
- Kiểm tra giá trị chu kỳ đo được từ thực nghiệm có thay đổi hay không, khi đổi vị trí hai lò xo cho nhau và so sánh với giá trị chu kỳ tính theo lý thuyết.
- Khảo sát dạng đồ thị khối lượng theo chu kỳ của con lắc lò xo. So sánh đường đồ thị thực nghiệm và đường đồ thị lý thuyết. Đồng thời có thể suy ra được khối lượng (m) tương ứng với chu kỳ (T) từ đồ thị thực nghiệm.
Những kết quả thu được trên đây hoàn toàn xuất phát từ thí nghiệm trên thực tế, và phù hợp với lý thuyết.
Các đại lượng vật lý như chu kỳ hay tần số xác định từ thực nghiệm gần như bằng với kết quả tính toán từ lý thuyết, đồng thời hằng số k của lò xo xác định từ thực nghiệm cũng phù hợp với giá trị của nhà cung cấp thiết bị.
Qua quá trình thực hiện đề tài, tôi hiểu sâu sắc hơn vai trò của thực nghiệm trong vật lí, cũng như tầm quan trọng của thí nghiệm trong dạy học. Hơn nữa, tôi đã tự tin hơn, kĩ năng và các thao tác thực hành trong thí nghiệm tiến bộ hơn. Đó là một thành quả rất lớn đối với bản thân tôi và tôi sẽ có gắng phát huy thật tốt trong công tác giảng dạy của mình sau này.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 81 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
PHỤ LỤC
DÙNG PHẦN MỀM MEASURE ĐỂ XỬ LÝ ĐỒ THỊ
“Measure” là một phần mềm thu nhận và xử lý dữ liệu mạnh mẽ, thao tác và phân tích đồ thị. Dữ liệu có thể được ghi lại bằng một hoặc nhiều kênh dữ liệu đồng thời. Dữ liệu được gửi hoặc thông qua cửa PHYWE Cobra4 giao diện máy tính mà một hay một số cảm biến kết nối.
Ngoài ra dụng cụ đo và toàn bộ thiết lập thử nghiệm có thể được kết nối với máy tính trực tiếp và các nguồn dữ liệu có thể được điều khiển bởi “Measure”.
Các menu chức năng thường xuyên nhất được sử dụng:
Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã sử dụng phần mền “Measure” để xử lí đồ thị dao động của con lắc lò xo.
Trước hết là quá trình thực hiện khảo sát đồ thị dao động của con lắc lò xo:
Click vào biểu tượng hoặc vào menu File/ New measurement…
- Trước khi đo, ta thực hiện kết nối và cài đặt thông số cho các thiết bị (đã trình bày ở phần bố trí thí nghiệm. Bố trí thí nghiệm phần thực hành).
- Để kết thúc qua trình đo ta Click vào biểu tượng Stop trên giao diện phần mềm. Điều này sẽ mở ra một cửa sổ.
- Lúc này bạn có thể lựa chọn:
+ “send all data to mesure” nhận dữ liệu và tiếp tục xữ lí đồ thị. + “clear all values” xóa dữ liệu vừa thu được.
+ “keep current processed values” giữ lại dữ liệu vừa thu được.
Sau khi kết thúc quá trình đo và thu được đồ thị dao động của con lắc lò xo, ta tiến hành thao tác xử lí đồ thị.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 82 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
Ta được đồ thị
- Để xem dữ liệu trong một cửa sổ mới. Click vào biểu tượng hay vào menu Measurement/ Data Table hoặc R – Click chọn Data Table.
- Sau đó ta chọn vùng đồ thị trong một khoảng thời gian nào đó mà trạng thái dao động ổn định nhât, gần đúng với đồ thị dao động điều hòa, như đồ thi ở trên thì ta thấy trong khoảng thời gian từ 20s đến 40s thì trạng thái dao động của con lắc lò xo gần như ổn định. Vậy ta sẽ lấy số liệu khảo sát trong khoảng thời gian này. Đồng thời để đặt tên cho đồ thị và thay đổi hiển thị trên đồ thị.
- Để thực hiện việc này ta có thể làm theo các bước sau:
Click vào biểu tượng hay vào menu Measurement/ Display options hoặc R – Click chọn Display options.
- Điều này sẽ mở ra một cửa sổ trong đó có sự xuất hiện của các tính năng đồ thị đa dạng dữ liệu có thể sửa đổi được.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 83 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
Trong cửa sổ Display options: -Chọn “channels”
Đặt tên đồ thị bằng cách gõ tên vào đồ thị vào mục Title ở phần Parameters. Sau đó chọn kí hiệu của đại lượng cần đo ở mục Symbol và chọn đơn vị đo ở mục Unit.
Thay đổi hiển thị trên đồ thị ở phần Display option:
Mục Status: chọn vị trí trục đứng của đồ thị (mặc định là trục nằm bên trái).
Có thể thay đổi khoảng biến thiên của đồ thị phù hợp với giá trị cần đo ở mục Displayed area.
Chọn màu của đồ thị ở mục color.
Thay đổi độ dày của đồ thị trong mục Line width.
Có thể đánh dấu vị trí các điểm thực nghiệm trong mục Symbol.
Cong hóa đồ thị để giảm bớt nét gãy của đồ thị bằng cách chọn “curves” trong mục Interpolation.
- Chọn “x-data” để thay đổi dữ liệu cho trục x.
Đặt tên cho trục x (trục nằm ngang) trong mục Tile.
Chọn kí hiệu và đơn vị đo hiển thị trên trục x ở mục Symbol và Unit.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 84 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Chọn “General” để theo dõi những thông tin chung về đồ thị hoặc có thể lưu những lưu ý cho đồ thị đó.
- Sau khi việc định dạng đồ thị được hoàn tất ta Click chọn trong cửa sổ . Khi đó ta sẽ được một đồ thị mới như sau:
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 85 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Từ đồ thị để xác định được chu kỳ một cách chính xác nhất. Click chọn biểu tượng “Survey” sau đó kéo chuột chọn vùng cho một số chu kỳ (nT) nào đó. Khi đó đồ thị được hiển thị như sau:
- Từ đó ta dể dàng xác định được chu kỳ T: Như đồ thị trên thì ta thấy độ biến thiên tương ứng với .
Vậy T được tính như sau:
- Để xác định dạng đồ thị phổ tần số cho vùng khảo sát 10 chu kỳ này. Click chọn biểu tượng “Mark” kéo chuột chọn vùng khảo sát 10 chu kỳ trên. Lúc này xuất hiện đồ thi:
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 86 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Sau đó Click chọn biểu tượng “Fourier analysis” Điều này sẽ mở ra một cửa sổ:
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 87 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Hiển thị giá trị cực đại và giá trị cực tiểu cho phổ tần số. Click chọn biểu tượng “Show extrema” Điều này sẽ mở ra một cửa sổ:
- Click chọn và chọn . Khi đó ta được đồ thị phổ tần số như sau:
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 88 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
- Sau đó đặt tên cho đồ thị và thay đổi hiển thị trên đồ thị.
Một số thao tác khác trên đồ thị:
- Di chuyển Bốn biểu tượng “Scroll left”, “Scroll right”, “Scroll up”, “Scroll down” để dịch chuyển một đoạn đồ thị trên màn hình trong bất kỳ của bốn hướng.
- Ngoài ra, phần mềm Measure còn cung cấp các phân tích chức năng và sửa đổi các chức năng như:
“Fit in”: với bốn mũi tên, bạn có thể tự động điều chỉnh các trục của đồ thị. Tính năng này rất hữu ích vì nó sẽ lùi lại các thao tác đồ thị liên kết trước đó.
“Scale curve”: Quy mô các đường cong.
“Regression”: Hồi quy. Trong một hồi quy, chế độ phân tích hồi quy một số ngành, nghề có thể được thiết lập.
“Peak analysis”: Đỉnh phân tích.
“Curve analysis”: Phân tích đường cong.
“Show average value”: Hiển thị giá trị trung bình. “Show slope”: Hiển thị dốc.
“Show integral”: Hiển thị chọ vẹn.
“Show extrema”: Hiển thị giá trị cực đại và giá trị cực tiểu. “Point of equivalence”: Điểm tương đương.
“Channel modification”: Kênh sửa đổi. “Fourier analysis”: Phân tích Fourier.
“Funtion fitting”: Chức năng phù hợp. “Sound support”: Ân thanh.
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 89 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
DANH MỤC HÌNH
PHẦN LÝ THUYẾT
Hình 1: Đồ thị biểu diễn li độ theo thời gian……….…………...6
Hình 2: Đồ thị biểu diễn vận tốc theo thời gian……….…….….7
Hình 3: Đồ thị biểu diễn gia tốc theo thời gian………..……..7
Hình 5: Con lắc lò xo……….……….…...……9
Hình 6: Mô tả chuyển động con lắc lò xo theo phương thẳng đứng ……….….….10
Hình 7: Mô tả chuyển động con lắc lò xo theo phương nằm ngang….……….…..…11
Hình 8: Mô tả chuyển động con lắc lò xo theo phương thẳng đứng………...…14
Hình 9: Đồ thị biểu diễn li độ của dao động tắt dần ứng với ma sát nhỏ…….…..….18
Hình 10: Đồ thị biểu diễn chuyển động của vật ứng với ma sát lớn……….…….….19
Hình 11: Sự biến thiên của biên độ dao động cưỡng bức theo tần số ngoại lực…….21
Hình 12: Đồ thị biểu diễn biên độ dao động cưỡng bức theo tần số ngoại lực và ma sát..………...…22
Hình 13 (a) và 13 (b): Lò xo ghép song song………..………...23
GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 90 SVTH: Đặng Hữu Mạnh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].Lê Văn Nhạn, Bài giảng Cơ học đại cương 2, Đại học Cần Thơ.
[2].Bùi Quang Hân, Dao động và song cơ học – Tập 1, Nhà xuất bản Giáo dục.
[3].Chu Văn Biên, Bổ trợ kiến thức Vật lí – Tập 1,nhà xuất bản tổng hợp Thành Phố Hồ Chí Minh.
[4].Sách giáo khoa Vật lí 12, Nhà xuất bản Giáo dục, 2011.
[5].Vƣơng Tấn Sĩ, Tài liệu hướng dẫn thực hành thí nghiệm “Khảo sát dao động con lắc lò xo”
[6].Các trang Wed tham khảo:
http://www.phywe
http://www.tailieu.vn
http://www.vatli.com