lắc đơn dùng cảm biến SONAR
• Thí nghiệm về dao động điều hòa của con lắc lò xo thẳng đứng
a) Mục tiêu thí nghiệm
Qua các số liệu thu được về tọa độ, vận tốc, gia tốc của con lắc lò xo dao động theo thời gian chứng minh chuyển động của con lắc lò xo trong một khoảng thời gian ngắn là dao động điều hòa.
Dựa vào đồ thị xác định được chu kì của con lắc lò xo và từ đó đi kiểm chứng công thức T 2 m
k
π
= .
Với các số liệu thu thập được, tiến hành vẽ đồ thị động năng, thế năng, cơ năng theo thời gian và từ đó kiểm đi đến việc kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng của con lắc lò xo dao động điều hòa.
b) Bố trí thí nghiệm
Bố trí thí nghiệm như hình.
Trong TN này ta dùng các lò xo có độ cứng từ 1 – 10 N/m có khối lượng rất nhẹ, để có thể bỏ qua ảnh hưởng của khối lượng lò xo đến TN. Các quả nặng có khối lượng lần lượt là 50 g, 100 g, 150 g, 200 g.
Đặt cảm biến dưới quả nặng, sao cho đầu dò cảm biến thẳng hàng với phương dao động thẳng đứng của con lắc lò xo. Lưu ý trong quá trình quả nặng dao động, vị trí thấp nhất của nó phải cách đầu dò cảm biến tối thiểu 15 cm.
c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
* Tiến hành thí nghiệm
- Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: li độ theo thời gian và vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho Logger pro là 15 giây.
- Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình.
- Đặt cảm biến dưới quả nặng của con lắc lò xo, sao cho khi quả nặng ở vị trí cân bằng thì nó cách cảm biến 30 cm.
- Vào thư mục “Experiment” của Logger pro, nhấp chuột để chọn chế độ đo
“zero”. Khi đó vị trí cân bằng của quả nặng trở thành gốc tọa độ, làm mốc để thu
thập dữ liệu ví trí. Vị trí của quả nặng được xác định trong quá trình dao động chính là li độ của nó.
Hình 2.38. Sơ đồ bố trí TN con
- Nâng (hoặc kéo) quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng khoảng 5 – 10 cm, rồi thả nhẹ cho nó dao động. Chú ý thao tác thả phải thật nhẹ nhàng và dứt khoát, để
quả nặng dao động theo phương thẳng đứng và tránh cho quả nặng lắc lư từ bên
này sang bên kia.
- Khi con lắc lò xo dao động ổn định, nhấp chuột vào biểu tượng “Collect” trên cửa sổ phần mềm để bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu.
* Kết quả thí nghiệm
- Để xác định chu kì dao động của con lắc, ta nhấp chuột vào biểu tượng trên cửa sổ phần mềm Logger pro. Công cụ này giúp ta xác định được các giá trị số liệu trên đồ thị, khi ta đưa chuột đến ví trí cần xác định. Do đó, ta có thể xác định khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp con lắc qua vị trí cân bằng, hoặc giữa hai lần liên tiếp con lắc ở vị trí cao nhất (vị trí biên trên). Từ đó xác định được chu kì của con lắc lò xo và kiểm chứng kết quả có phù hợp với công thức chu kì T 2 m
k
π
= .
Ta cũng có thể thay đổi các quả nặng khác nhau, hay các lò xo khác nhau trong quá trình TN và tiến hành thu thập dữ liệu để kiểm chứng chu kì T tỉ lệ thuận với m
và tỉ lệ nghịch với k .
Hình 2.39. Đồ thị tọa đô, vận tốc của con lắc lò xo dao động thẳng đứng theo thời gian.
- Để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng của con lắc lò xo với các dữ liệu li độ và vận tốc đã đo được, ta đi thiết lập các hàm động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian, rồi vẽ đồ thị của chúng. Nhấp chuột vào thư mục “data” chọn “ New calculated column”.
Ví dụ để thiết lập hàm thế năng 1 2 2
t
W = kx , ta làm như sau:
+ Thư mục “Column Definition”: Ở mục “Name” ta gõ tên “ Thế năng”, mục viết tắt “ Short Name” ta gõ “T”, đơn vị “ Units” là “J”. Ở mục “ Equation” ta nhập hàm 1 2
2kx như hình với độ cứng k trong TN này là 2.65 N/m, và “Li độ” được lấy từ mục “ Variables (Columns)”.
+Thư mục “Option”: Mục “Style” chọn kiểu độ thị, “Color” chọn màu cho đồ thị, “Displayed Precision” chọn có bao nhiêu chữ số sau dấu thập phân của số liệu. Kết thúc nhấp chuột vào “Done”.
+ Tương tự ta lập hàm động năng 1 2 2
đ
W = mv , W = Wđ+Wtnhư hình:
Hình 2.42. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column
Options khi thiết lập hàm động năng
* Kết quả đồ thị thu được như sau:
Hình 2.44. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian của
con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng
Hình 2.43. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column
Thí nghiệm về dao động điều hòa của con lắc lò xo nằm ngang và nằm nghiêng trên đệm không khí
a) Mục tiêu thí nghiệm
Qua các số liệu thu được về tọa độ, vận tốc, gia tốc của con lắc lò xo dao động theo thời gian chứng minh chuyển động của con lắc lò xo trong một khoảng thời gian ngắn là dao động điều hòa.
Dựa vào đồ thị xác định được chu kì của con lắc lò xo.
b) Bố trí thí nghiệm
Trong TN lò xo dao động theo phương ngang ta dùng hai lò xo giãn, có độ cứng trong khoảng từ 1 – 10 N/m và khối lượng rất nhẹ. Trong TN lò xo nằm nghiêng chỉ dùng một lò xo, ta đặt đệm khí lên giá đỡ để tạo mặt phẳng nghiêng.Ta có thể thay đổi khối lượng của xe trượt, bằng cách gắn thêm các quả gia trọng vào xe.
Lưu ý là đặt đầu dò cảm biến phải thẳng hàng với vật trượt và trong quá trình dao động vật trượt luôn cách cảm biến tối thiểu 15 cm. Ta gắn thêm tấm nhựa
vào vật trượt, để cảm biến thu thập sóng phản xạ tốt hơn.
c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
* Tiến hành thí nghiệm
- Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: li độ theo thời gian và vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho Logger pro là 10 giây.
- Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình.
- Vào thư mục “Experiment” của Logger pro, nhấp chuột để chọn chế độ đo
“zero”. Khi đó vị trí cân bằng của quả nặng trở thành gốc tọa độ, làm mốc để thu
thập dữ liệu ví trí. Vị trí của quả nặng được xác định trong quá trình dao động chính là li độ của nó.
- Nâng (hoặc kéo) quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng khoảng 5 – 10 cm, rồi thả nhẹ cho nó dao động.
- Khi con lắc lò xo dao động ổn định, nhấp chuột vào biểu tượng “Collect” trên cửa sổ phần mềm để bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu.
* Kết quả thí nghiệm
Hình 2.48. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương
nghiêng theo thời gian
Hình 2.47. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nằm ngang theo thời gian
• Thí nghiệm về dao động điều hòa của con lắc đơn
a) Mục tiêu thí nghiệm
Qua các số liệu thu được về tọa độ, vận tốc, gia tốc của con lắc đơn dao động theo thời gian chứng minh chuyển động của con lắc đơn với biên độ góc nhỏ là dao động điều hòa.
Dựa vào đồ thị xác định được chu kì của con lắc đơn và kiểm tra sự ảnh hưởng của khối lượng và chiều dài con lắc đến chu kì của nó. Từ công thức tính chu kì của con lắc đơn T 2 l
g
π
= , với chiều dài l của dây treo đã biết, xác định gia tốc
trọng trường 4 22l g
T
π
= tại nơi thực hiện TN.
Với các số liệu thu thập được, tiến hành vẽ đồ thị động năng, thế năng, cơ năng theo thời gian và từ đó kiểm đi đến việc kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng của con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ góc nhỏ.
b) Bố trí thí nghiệm
Bố trí thí nghiệm như hình.
Trong TN ta dùng dây treo là dây dù (hoặc dây chỉ) không co dãn và rất nhẹ. Cho quả nặng dao động trong mặt phẳng chứa cảm biến và dây treo.
Lưu ý là trong quá trình dao động,
quả nặng phải cách cảm biến tối thiểu 15
cm. Để dao động của con lắc là dao động
điều hòa thì biên độ góc phải nhỏ (< 100) và
chiều dài con lắc đơn được tính từ điểm treo đến trọng tâm (điểm giữa) của quả
nặng.
c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
* Tiến hành thí nghiệm
Hình 2.49. Sơ đồ bố trí TN dao động của
- Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: li độ theo thời gian và vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho Logger pro là 10 giây.
- Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình.
- Đặt đầu dò cảm biến thẳng hàng với quả nặng của con lắc đơn, sao cho khi quả nặng ở vị trí cân bằng thì nó cách cảm biến 30 cm.
- Vào thư mục “Experiment” của Logger pro, nhấp chuột để chọn chế độ đo
“zero”. Khi đó vị trí cân bằng của quả nặng trở thành gốc tọa độ, làm mốc để thu
thập dữ liệu ví trí. Vị trí của quả nặng được xác định trong quá trình dao động chính là li độ của nó.
- Kéo quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng một góc nhỏ, rồi thả nhẹ cho nó dao động. Chú ý thao tác thả phải thật nhẹ nhàng, để quả nặng dao động trong mặt
phẳng chứa dây treo và cảm biến và tránh cho quả nặng lệch khỏi mặt phẳng này.
- Khi con lắc lò xo dao động ổn định, nhấp chuột vào biểu tượng “Collect” trên cửa sổ phần mềm để bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu.
* Kết quả thí nghiệm
- Để xác định chu kì dao động của con lắc, ta nhấp chuột vào biểu tượng trên cửa sổ phần mềm Logger pro. Công cụ này giúp ta xác định được các giá trị số liệu trên độ thị, khi ta đưa chuột đến ví trí cần xác định. Do đó, ta có thể xác định khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp con lắc qua vị trí cân bằng, hoặc giữa hai lần liên tiếp con lắc qua vị trí biên dương ( hoặc âm). Từ đó xác định được chu kì của con lắc đơn và kiểm chứng kết quả có phù hợp với công thức chu kì T 2 l
g
π
= . - -Ta thay đổi các quả nặng khác nhau, hay thay đổi chiều dài dây treo trong quá trình TN và tiến hành thu thập dữ liệu để kiểm chứng sự ảnh hưởng của khối lương, chiều dài dây treo đến chu kì của con lắc.
- Để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng của con lắc đơn với các dữ liệu li độ và vận tốc đã đo được, ta đi thiết lập các hàm động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian, rồi vẽ đồ thị của chúng. Cách thiết lập các hàm này tương tự như trong trường hợp dao động của con lắc lò xo thẳng đứng mà ta đã trình bày ở trên.
+ Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian thu được như hình:
Hình 2.51. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn dao động theo thời gian
Thế năng trọng trường Wt = mgz Thế năng đàn hồi 2 1 . 2 t W = k x CƠ NĂNG đ t W W W= + ĐỘNG NĂNG đ 1 . 2 2 W = m v THẾ NĂNG
Định lí biến thiên cơ năng
W
∆ =Akhông thế
Định luật bảo toàn cơ năng
W
∆ =0
Công cơ học
A=F.s.cos∝
CÁC ĐẠI LƯỢNG BẢO TOÀN ĐỘNG
LƯỢNG
Định lí biến thiên động lượng ∆ = ∆
. p F t
Định luật bảo toàn động lượng ∆ =
0 p
Chuyển động phản lực