Hình 2-21. Bằng phương pháp chụp ảnh liên hoàn, ta ghi nhận lại sự di chuyển của đầu trục quay trong một chu kỳ chương động
2.4.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát hiện tượng tiến động và chương động của con quay khi cho hai đĩa quay cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều.
2.4.2. Cơ sở lý thuyết
Ta có công thức (4)tính momen động lượng của con quay: 𝐿�⃗ =�[𝑟��⃗ ∧ 𝑚𝑣𝚤 ���⃗𝚤]
𝑖
=� 𝐼𝑖𝜔����⃗𝚤 𝑖
Từ đây ta thấy, nếu con quay có hai đĩa quay mà hai đĩa này quay cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều thì momen động lượng của con quay sẽ bằng 0. Khi đó, các hiện tượng tiến động và chương động mà ta đã khảo sát ở phần trên sẽ không xảy ra.
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 cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều bằng phương pháp như sau:
- Quấn hai đầu của dây mảnh vào hai ống quấn dây của hai đĩa.
- Chiều quấn dây ở đĩa thứ nhất ngược với chiều quấn dây ở đĩa thứ hai. - Dùng ngón tay móc tại trung điểm của dây và giật mạnh. (Hình 2-22)
Hình 2-22. Cách làm hai đĩa quay cùng vận tốc
Khi hai đĩa đang quay nhanh, điều chỉnh sao cho trục quay của đĩa cân bằng theo phương ngang (giống như trong thí nghiệm khảo sát hiện tượng tiến động), móc một gia trọng có khối lượng 𝑚 vào đầu của trục quay. Quan sát hiện tượng xảy ra.
Sau đó tháo gia trọng ra, cân bằng trục quay theo phương ngang. Sau đó tay ta tác dụng một lực tức thời lên đầu trục quay theo phương ngang (Hình 2-19). Quan sát hiện tượng xảy ra.
2.4.5. Kết quả thí nghiệm
Khi ta móc một gia trọng vào đầu trục quay khi hai đĩa quay cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều, thì con quay sẽ không thực hiện tiến động mà trục của nó chuyển động xuống dưới về phía gia trọng (Hình 2-23).
Khi ta tác dụng một lực tức thời theo phương ngang thì con quay không thực hiện chương động mà trục của nó chuyển động theo chiều của lực (Hình 2-24).
2.4.6. Nhận xét kết quả thí nghiệm
Như vậy, nhận định ban đầu theo lý thuyết là chính xác: Khi hai đĩa của con quay quay cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều thì các hiện tượng tiến động và chương động đều không xảy ra. Nguyên nhân là do momen động lượng của con quay đã bị khử (𝐿�⃗ = 0).
Hình 2-23. Hiện tượng xảy ra khi móc gia trong vào đầu trục quay của hai đĩa
Hình 2-24. Hiện tượng xảy ra khi tác dụng một lực tức thời theo phương ngang vào đầu trục
quay của hai
NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT
Với những mục đích được đặt ra ban đầu của đề tài, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu tài liệu nhằm đưa ra những thí nghiệm định tính cũng như định lượng khả thi trên cơ sở các thiết bị hiện có. Kết quả thu được cụ thể như sau:
Xác định momen quán tính của đĩa: Bằng phương pháp đo đạc thời gian và độ cao rơi của một vật nặng có khối lượng 𝑚, chúng tôi đã xác định được momen quán tính của đĩa quay một cách gần đúng là 𝐼̅(𝑘𝑔𝑚2) = 0.01250. Tuy nhiên, do khi tính toán 𝐼𝑙𝑡, chúng tôi đã bỏ qua momen quán tính của ống quấn dây gắn với đĩa nên đồ thị đường thẳng 𝑡𝐹2 = g(ℎ) của thực nghiệm trong các trường hợp đều nằm bên trên đường thẳng lý thuyết.
Khảo sát sự tiến động của con quay: Về mặt định tính, hiện tượng chúng tôi khảo sát được đúng với phần kết luận của lý thuyết. Khi móc gia trọng vào đầu trục quay của con quay đang quay nhanh thì đầu trục sẽ dịch chuyển theo phương ngang, tức là dịch chuyển theo phương vuông góc với 𝑃�⃗. Còn về mặt định lượng, đồ thị mối quan hệ giữa tần số quay của đĩa và chu kỳ tiến động 𝑓 =𝑔(𝑇𝑃) là một đường thẳng đi qua góc tọa độ. Kết quả này phù hợp với công thức lý thuyết đã chứng minh đó là 𝑓= 𝑚𝑔𝑎4𝜋2𝐼TP. Tuy nhiên, cũng giống như trong thí nghiệm xác định momen quán tính của đĩa, do bỏ qua momen quán tính của ống quấn dây nên đường thẳng 𝑓 =𝑔(𝑇𝑃) của thực nghiệm trong các trường hợp đều nằm bên trên của đường thẳng lý thuyết.
Khảo sát sự chương động của con quay: Về mặt định tính, hiện tượng thu được đúng với kết luận của tài liệu mà chúng tôi nghiên cứu. Khi con 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. Về mặt định lượng, chúng tôi đã vẽ được đồ thị mối quan hệ giữa tần số quay của đĩa và tần số chương động 𝑓=𝑔(𝑓𝑁). Đồ thị này là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Căn cứ vào kết quả này, chúng tôi đã đi đến (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
kết luận: Tần số quay của
đĩa và tần số chương động tỉ lệ thuận với nhau.
Khảo sát sự khử momen động lượng của con quay: Đây là một thí nghiệm định tính và kết quả thu được hoàn toàn trùng khớp với phần kết luận của lý thuyết. Khi hai đĩa của con quay quay cùng vận tốc góc nhưng ngược chiều thì các hiện tượng tiến động và chương động đều không xảy ra. Nguyên nhân là do momen động lượng của con quay đã bị khử (𝐿�⃗ = 0).
Thông qua các kết quả thực nghiệm vừa nêu, chúng tôi nhận thấy, giữa lý thuyết và thực nghiệm có mối tương đồng khá sâu sắc. Dựa vào lý thuyết, có thể dự đoán được một số kết quả thực nghiệm. Và cũng nhờ có thực nghiệm, lý thuyết mới trở nên có ý nghĩa.
Tuy nhiên, do điều kiện dụng cụ còn hạn chế, cũng như khả năng tiếp cận các tài liệu có liên quan đến con quay hồi chuyển không nhiều, nên khiến cho đề tài này bị bó hẹp. Trải qua quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã phát hiện ra một số hướng mở rộng để giúp cho việc khai thác bộ dụng cụ con quay hồi chuyển U52006 trở nên đầy đủ hơn:
- Thứ nhất là khảo sát hiện tượng chương động khi con quay đang thực hiện
tiến động.
- Thứ hai là khảo sát hiện tượng tiến động và chương động trong trường hợp
cả hai đĩa quay cùng chiều.
Cuối cùng chúng tôi mong rằng khóa luận này sẽ góp một phần nhỏ vào việc làm phong phú thêm các nội dung thực nghiệm, phục vụ cho việc dạy và 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 các 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 cơ 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