6. Phương phỏp nghiờn cứu
2.4.3. Những hạn chế khi sử dụng bộ thớ nghiệm cần rung
Khi sử dụng thớ nghiệm bộ cần rung ta chỉ cú thể khảo sỏt trong trường hợp đơn giản đú là hệ kớn gồm hai vật tương tỏc, trong đú vật ban đầu đứng yờn. Cỏc trường hợp như hai vật đang chuyển động ta khụng thể kiểm tra đựơc. Để tớnh vận tốc ta phải tớnh trung gian qua quảng đường và thời gian t mà khụng thể đo trực tiếp vận tốc như vậy sai số sẽ lớn.
Như vậy, nếu ta sử dụng bộ thớ nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng sẽ cú nhiều điểm hạn chế. Tuy nhiờn, ngày nay khoa học kỹ thuật và cụng nghệ thụng tin phỏt triển con người đó nghiờn cứu ra cỏc bộ thớ nghiệm hiện đại và chớnh xỏc hơn để phục vị cho quỏ trỡnh nghiờn cứu. Để kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng con người đó nghiờn cứu ra bộ thớ nghiệm đệm khụng khớ ghộp nối mỏy tớnh hiện đại và chớnh xỏc hơn. Vỡ vậy, trong phần sau luận văn đi sõu vào nghiờn cứu, khai thỏc cỏc thớ nghiệm từ bộ thớ nghiệm “
đệm khụng khớ kết nối mỏy vi tớnh” để sử dụng trong dạy học chương “ cỏc định luật bảo toàn” vật lý 10- Ban nõng cao.
2.5. Cỏc thớ nghiệm được lắp rỏp và sử dụng vào dạy học phần “Cỏc định luật bảo toàn” từ bộ thớ nghiệm “đệm khụng khớ ghộp nối mỏy vi tớnh”
2.5.1. Cỏc dụng cụ thớ nghiệm trong bộ thớ nghiệm
Hỡnh 2.2: Nguồn cung cấp khớ và ống dẫn khớ nối vào mỏng nghiờng
Hỡnh 2.4 : Bộ kớch hoạt trờn mỏng nghiờng
Hỡnh 2.5: Mỏng nghiờng, xe, và bộ kớch hoạt trờn mỏng nghiờng
Hỡnh 2.7: Cổng quang điện
Hỡnh 2.8: Mỏy vi tớnh, cổng quang điện và mỏng nghiờng - Nguồn cung cấp khụng khớ.
- Mỏng nghiờng cú chiều dài 2m. Khi cỏc vật chuyển động trờn mỏng nghiờng cú cung cấp khụng khớ khi đú ma sỏt khụng đỏng kể và chuyển động của cỏc vật được coi là chuyển động đều.
- Mỏy vi tớnh và phần mềm đo vận tốc: Cài đặt cho mỏy phần mềm đo tự động “Time/ Counter”. Khi cỏc vật bắt đầu chuyển động ta cho phần mềm hoạt động cựng lỳc và khi vật thụi chuyển động thỡ nú cũng kết thỳc. Như vậy ta sẽ cú kết quả chớnh xỏc và trực quan khi làm thớ nghiệm.
- Nguồn cung cấp điện 12 V.
- Cỏp dữ liệu RS 232: Lấy dữ liệu từ cổng quang điện đưa vào mỏy tớnh và xử lý số liệu đú để cho ta kết quả trờn mỏy tớnh.
- Hệ thống kớch hoạt ở mỏng nghiờng: Để tạo vận tốc ban đầu cho xe.
- Hai cổng quang điện: Khi cỏc vật đi qua cổng quang điện thỡ cổng quang điện sẽ đỏnh dấu thời điểm mà vật bắt đầu đi qua cổng quang điện.
- Hai xe: Hai xe cú thể di chuyển khụng ma sỏt trờn đệm khụng khớ.
- Cỏc rào cản ỏnh sỏng màu đen: Lắp vào cỏc xe để khi cỏc xe chuyển động đi qua cổng quang điện thỡ cổng quang điện đỏnh dấu thời điểm mà vật đi qua. - Cỏc rónh khối lượng 50g.
- Cỏc rónh khối lượng 10g.
- Cỏc dõy nối: Cỏc dõy nối để nối từ cổng quang điện đến mỏy tớnh và cỏc cổng quang điện với nhau gồm 2 dõy vàng, 2 dõy đỏ và 2 dõy xanh. Mỗi dõy cú chiều dài là 100 cm.
- Chất dẻo. - Cỏc kim sắt.
2.5.2. Cỏch lắp rỏp và sử dụng bộ thớ nghiệm vào dạy học chương cỏc định luật bảo toàn luật bảo toàn
2.5.2.1. Va chạm đàn hồi
a. Mục đớch thớ nghiệm
- Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn động năng trong va chạm đàn hồi.
b. Dụng cụ và cỏch lắp rỏp thớ nghiệm Dụng cụ:
- Mỏng nghiờng cú chiều dài 2m - Mỏy nộn khớ và ống dẫn khớ dài.
- Nam chõm điện và bộ kớch hoạt trờn mỏng nghiờng.
- Hai xe trượt trờn mỏng tạo đệm khụng khớ, trờn mỗi xe cú gắn giỏ chắn sỏng với độ dài là lo = 5 cm để chắn ỏnh sỏng tế bào quang điện.
- Hai cổng quang điện. - Cỏp dữ liệu.
- Dõy cao su gắn vào giỏ chữ U. - Cỏc kim bằng sắt khụng gỉ.
- Mỏy vi tớnh cú cài đặt phần mềm “Time/Counter”
- Cỏc dõy nối gồm: Hai dõy vàng, hai dõy màu xanh và hai dõy màu đỏ. - Cỏc quả cõn.
Lắp rỏp thớ nghiệm như hỡnh 1.
Hỡnh 2.9: Bố trớ lắp rỏp va chạm đàn hồi
c. Thực hành thớ nghiệm
- Kớch chuột vào biểu tượng chữ “Measure” để bắt đầu chương trỡnh “Time/Counter”.
- Kớch chuột vào “ Gauge” trờn thanh cụng cụ để cài đặt cỏc thụng số cho chương trỡnh “Time/Counter” đo vận tốc như hỡnh sau:
Hỡnh 2.10: Cài đặt chương trỡnh “Time/Counter”.
- Kớch chuột vào “continue” khi đú trờn màn hỡnh mỏy tớnh xuất hiện như hỡnh sau:
Hỡnh 2.11: Hỡnh ảnh xuất hiện khi bắt đầu phộp đo
- Lỳc đú Timer 1 đo vận tốc của xe 1, cũn Timer 2 đo vận tốc của xe 2. - Tải trọng của chiếc đu với một số lượng tựy ý cỏc rảnh đặt khối lượng.
- Đặt cổng quang điện 1 nối với mỏy tớnh và đặt trờn đệm khụng khớ ở vị trớ là 60cm, cổng quang điện 2 nối với mỏy tớnh và đặt trờn đệm khụng khớ ở vị trớ là 140cm. Sơ đồ cỏch nối hai cổng quang điện như hỡnh sau:
Hỡnh 2.12: Sơ đồ cỏch nối hai cổng quang điện - Nõng màn hỡnh mỏy tớnh lờn 10cm trờn cổng quang điện.
- Điều chỉnh khụng khớ đến cấp độ 4. Cho 2 vật di chuyển qua 2 cổng quang điện ở một vận tốc khụng đổi, để xỏc định xem đó phự hợp chưa và cú thể điều chỉnh lại mức độ của khụng khớ nếu cần.
Hỡnh 2.13: Điều chỉnh cấp độ khụng khớ.
- Bắt đầu ghi lại cỏc phộp đo theo hỡnh trờn để xúa cỏc giỏ trị đo trước đú.
- Chốn thanh mẫu với dải cao su vào lỗ dưới của một chiếc đu (xe) và chốt ở lỗ dưới của một chiếc đu khỏc. Cỏc lỗ thấp hơn được chọn để quỏ trỡnh truyền nội lực xảy ra khi kết quả cú thể đối với chiều cao của trọng tõm chiếc đu.
- Vị trớ của 2 chiếc đu kết thỳc đối nhau của cỏc vết khụng khớ và cung cấp cho chỳng một lực đẩy nhẹ theo hướng trung tõm của vết.
- Ban đầu, 2 cổng quang điện đo vận tốc của chiếc đu trước khi va chạm. sự va chạm hoàn toàn phải diễn ra giữa hai cổng quang điện. trong trường hợp của một va chạm đàn hồi, hai chiếc đu đảo ngược hướng của chỳng một lần nữa và đi qua cổng quang điện, lỳc này đo vận tốc sau va chạm. Như vậy, vận tốc trước
và sau va chạm được ghi lại và ta cú thể đọc trờn màn hỡnh mỏy tớnh. Trong đú giỏ trị vận tốc lỳc chưa va chạm hiện lờn ở phớa trờn, cũn giỏ trị vận tốc lỳc sau va chạm hiện lờn ở phớa dưới. Time 1 đo giỏ trị vận tốc của xe 1 trước và sau va chạm cũn Time 2 thỡ đo giỏ trị vận tốc của đu 2 trước và sau va chạm. Vận tốc trước và sau va chạm hiện lờn màn hỡnh như hỡnh sau.
Hỡnh 2.14: Vận tốc trước và sau va chạm hiển thị trờn màn hỡnh mỏy tớnh. - Để bắt đầu lại phộp đo ta kớch chuột vào “stop” và cài đặt lại như ban đầu. - Ta cú thể thay đổi khối lượng chiếc xe bằng cỏch thờm vào xe cỏc quả cõn để khảo sỏt cỏc trường hợp khỏc nhau.
d. Kết quả
TH1: Khi m1 = 204.8 (g), m2 = 204.5 (g)
- Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe 1 trước va chạm. Gọi v1, v’1 là vận tốc của xe 1 trước và sau va chạm, v2, v’2 là vận tốc trước và sau va chạm của xe 2. Giỏ trị vận tốc dương nếu chiều chuyển động trựng với chiều dương đó chọn và vận tốc nhận giỏ trị õm nếu chuyển động ngược chiều dương.
pt, ps là tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm của hệ, Wđt, Wđs là tổng động năng của hệ trước và sau va chạm.
Ta cú: pt =m1v1+m2v2, ps =m1v'1+m2v'2 Wđt = m v m v2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 + , Wđt = ' '2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 v m v m + Lần đo v1 v'1 v2 v'2 Wđt Wđs pt ps 1 0.115 - 0.667 - 0.687 0.109 0.4960 0.4655 -0.1128 -0.1177 2 0.114 - 0.695 - 0.708 0.116 0.0525 0.0505 -0.1215 -0.1179 3 0.113 - 0.920 - 0.899 0.107 0.0839 0.0874 -0.1608 -0.1656 4 0.111 - 0.835 - 0.820 0.120 0.0700 0.0725 -0.1450 -0.1456 Nhận xột:
- Ta thấy tổng động lượng của hệ trước và sau va chạm cú thể coi là bằng nhau, tổng động năng của hệ trước và sau va chạm cũng bằng nhau.
- Trường hợp này m1 gần bằng m2 và sau va chạm ta thấy cú sự trao đổi vận tốc.
TH2: Khi m1 =0.210 Kg , m2 = 0.310 Kg Lần đo v1 v'1 v2 v'2 Wđt Wđs pt ps 1 0.546 -0.786 - 0.562 0.345 0.080 0.083 -0.0595 -0.0581 2 1.256 -3.405 -2.676 0.520 1.275 1.259 -0.5658 - 0.5538 3 1.153 -3.595 - 2.836 0.405 1.386 1.382 -0.6370 - 0.629 4 0.916 -3.565 -2.848 -0.315 1.345 1.349 -0.690 - 0.651 - Nhận xột: Nếu ta bỏ qua sai số ta cú: Wđt = Wđs và pt =ps
d. Kết luận
- Trong va chạm đàn hồi trực diện tương tỏc của hai vật xảy ra trong thời gian rất ngắn, khi đú tương tỏc nội lực lớn hơn rất nhiều so với ngoại lực nờn coi hệ hai vật là hệ kớn. Khi va chạm hai vật bị biến dạng, sau va chạm trở về vị trớ ban đầu, chuyển động với vận tốc riờng biệt và tổng động lượng cũng như động năng toàn phần khụng thay đổi.
- Đối với trường hợp là khi m1 = m2 ta cú sau va chạm hai xe cú sự trao đổi vận tốc. Sau va chạm, xe thứ nhất nhận vận tốc trước va chạm của xe thứ hai, cũn xe thứ hai nhận vận tốc trước va chạm của xe thứ nhất.
- Đối với trường hợp là khi bắn vật thứ nhất vào vật thứ hai cú khối lượng rất lớn và đang đứng yờn thỡ sau va chạm vật thứ hai vẫn đứng yờn cũn vật thứ nhất thỡ chuyển động ngược lại với vận tốc ban đầu.
e. Vận dụng dạy học
- Thớ nghiệm này cú thể được sử dụng dưới hỡnh thức thớ nghiệm biểu diễn và dựng kết quả thớ nghiệm để học sinh cú thể nghiệm lại định luật bao toàn động lượng và động năng khi dạy bài “ Bài 31: Định luật bảo toàn động lượng và Bài 38. Va chạm đàn hồi và khụng đàn hồi” – Vật lý 10 – Nõng cao – THPT.
- Thời điểm: Khi dạy kiến thức về phõn loại va chạm và đặc điểm của va chạm đàn hồi( mục 1 bài 38). Hoặc cú thể dựng bảng số liệu ở trường hợp 2 để kiểm định lại định luật bảo toàn động lượng khi dạy mục 3 phần thớ nghiệm kiểm chứng (bài 31 mục 3d).
2.5.2.2 Va chạm mềm a. Mục đớch thớ nghiệm
- Kiểm chứng lại định luật bảo toàn động lượng trong va chạm mềm
b. Dụng cụ thớ nghiệm và cỏch lắp rỏp thớ nghiệm. Dụng cụ:
- Mỏng nghiờng cú chiều dài là 2m. - Mỏy nộn khớ và ống dẫn khớ.
- Nam chõm điện trờn mỏng nghiờng và bộ kớch hoạt
- Hai xe trượt trờn mỏng tạo đệm khụng khớ, trờn mỗi xe cú gắn giỏ chắn sỏng với độ dài là lo = 5 cm để chắn ỏnh sỏng tế bào quang điện.
- Hai cổng quang điện. - Cỏp dữ liệu RS 232
- Mỏy vi tớnh cú cài đặt phần mềm “Time/Counter”
- Cỏc dõy nối gồm: Hai dõy vàng, hai dõy xanh và hai dõy vàng. - Cỏc kim sắt ( khụng bị gỉ)
- Chất dẻo.
Hỡnh 2.15: Lắp rỏp va chạm khụng đàn hồi.
c. Tiến hành thớ nghiệm
- Bắt đầu chương trỡnh “Time/Counter” và cài đặt thụng số đo cho quỏ trỡnh đo vận tốc như hỡnh 11.
- Tải trọng của chiếc xe với một số lượng tựy ý cỏc rảnh đặt khối lượng: luụn luụn đặt cựng khối lượng cho cả hai chiếc đu.
- Đặt cổng quang điện 1 kết nối mỏy tớnh và đặt ở vị trớ trờn đệm khụng khớ đỏnh dấu 60cm, cổng quang điện 2 ở vị trớ 140cm (Sơ đồ cỏch ghộp cỏc cổng quang điện như hỡnh 13).
- Nõng màn hỡnh lờn 10 cm đối với chiếc đu.
- Điều chỉnh khụng khớ cho đến cấp độ của nú ( cấp 4). Cho 2 chiếc đu di chuyển qua cổng quang điện để thử xem cấp độ khụng khớ đó phự hợp chưa và điều chỉnh cho đến cấp độ phự hợp (Hỡnh 14).
- Bắt đầu lại phộp đo để xúa cỏc số liệu đó cú trước.
- Chốn thanh mẫu với dải cao su vào lỗ dưới của một chiếc đu và mảng mẫu với chốt ở lỗ dưới của một chiếc đu khỏc. Cỏc lỗ thấp hơn được chọn để quỏ trỡnh truyền nội lực xảy ra khi kết quả cú thể đối với chiều cao trọng tõm của chiếc đu.
- Vị trớ của hai chiếc đu kết thỳc đối nhau của cỏc vết khụng khớ và cung cấp cho chỳng một nội lực đẩy nhẹ theo hướng trung tõm của vết. Điều đú khuyến
khớch để cung cấp cho chiếc đu một xung lượng cao hơn hẳn ban đầu để cỏc chiếc đu khỏc bị tắc giữa 2 cổng quang điện.
- Ban đầu, 2 cổng quang điện đo vận tốc trước khi va chạm. Sự va chạm hoàn toàn phải diễn ra trong 2 cổng quang điện. Trong trường hợp va chạm khụng đàn hồi, hai chiếc đu đi cựng nhau sau va chạm và di chuyển theo hướng chung với cựng vận tốc. Sau va chạm và cung cấp 2 vận tốc tương tự cho những chiếc đu tiếp theo để va chạm. Về mặt trị số chỳng ta sử dụng giỏ trị trung bỡnh của 2 vận tốc.
- Ta cú thể thay đổi khối lượng của 2 chiếc đu và lặp lại thớ nghiệm nhiều lần để thu được kết quả thớ nghiệm chớnh xỏc nhất.
d. Kết quả
- Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe thứ 1.
- Xe thứ 1 cú khối lượng m1 = 0.2038 Kg, xe thứ 2 cú khối lượng m2 = 0.2038kg. Vận tốc ban đầu của xe 1 là v1, của xe 2 là v2. Sau va chạm hai xe chuyển động cựng với vận tốc là v12. Wđt, pt là tổng động năng và tổng động lượng của hệ trước va chạm. Wđs, ps là tổng động năng, và tổng động lượng của hệ sau va chạm. Wđt = m v m v2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 + , pt =m1v1+m2v2 Wđs = (m m )v2 12 2 1 2 1 + , ps = (m1+m2)v12 Ta cú giỏ trị của cỏc lần đo như sau:
Lần đo v1 v2 v12 Wđt Wđs pt ps 1 1.129 -3.437 - 1.152 1.3336 0.2704 -0.4703 -0.4695 2 1.795 - 3.378 - 0.801 1.4910 0.1307 -0.3226 -0.3264 3 1.314 - 3.266 -0.981 1.2628 0.196 -0.3978 -0.3998 4 0.851 - 3.502 - 1.324 1.3234 0.3572 -0.5402 -0.5396 - Nhận xột: Tổng động lượng trước và sau va chạm cú thể xem là bằng nhau. Cũn tổng động năng của hệ trước và sau va chạm là khỏc nhau, sau va chạm tổng động năng của hệ bị giảm so với tổng động năng của hệ trước va chạm.
Va chạm mềm là trường hợp mà sau va chạm, hai vật dớnh vào nhau và chyển động với cựng một vận tốc. Trong va chạm khụng đàn hồi, tương tỏc của