6. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
2.5. Định luật bảo toàn cơ năng
2.5.1. Mục đích thí nghiệm
- Thu đƣợc đồ thị li độ theo thời gian và vận tốc - thời gian khi thả rơi quả bóng. - Xác định đƣợc động năng, thế năng tại những thời điểm khác nhau và khảo sát định luật bảo toàn cơ năng.
- Rèn luyện kĩ năng sử dụng bộ thí nghiệm cơ – động học và xử lí số liệu thu đƣợc từ thiết bị cảm biến Addestation.
2.5.2. Cơ sở lý thuyết
Trong vật lý học, cơ năng là tổng của động năng và thế năng.
W Wt Wđ (5.1) Động năng của vật là năng lƣợng do chuyển động mà có. Động năng có giá trị bằng một nửa tích khối lƣợng và bình phƣơng vận tốc của vật.
1 2
2
đ
W mv (5.2) Thế năng là trƣờng thế vô hƣớng của trƣờng véctơ lực bảo toàn. Thế năng có giá trị tùy theo quy ƣớc thế năng của điểm lấy mốc. Đôi khi, khái niệm hiệu thế năng thƣờng đƣợc dùng khi so sánh thế năng giữa hai điểm, hoặc nói về thế năng của một điểm khi lấy điểm kia là mốc có thế năng bằng 0. Trƣờng hợp vật chỉ chịu tác dụng của lực hấp dẫn Trái Đất thì thế năng của vật đƣợc gọi là thế năng trọng trƣờng và đƣợc xác định theo công thức:
Wt mgz (5.3) với m là khối lƣợng của vật, g là gia tốc trọng trƣờng và z là độ cao so với mốc thế năng (vị trí thế năng đƣợc xem là bằng 0).
Định luật bảo toàn cơ năng: Trong quá trình chuyển động, nếu vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực, động năng có thể chuyển hóa thành thế năng và ngƣợc lại, và tổng của chúng, tức là cơ năng của vật, đƣợc bảo toàn ( không đổi theo thời gian).
Trong bài này, ta sẽ xác định độ cao và vận tốc của vật từ đó tính đƣợc giá trị cơ năng của vật và khảo sát lại định luật bảo toàn cơ năng.
48
2.5.3. Dụng cụ thí nghiệm
STT Tên dụng cụ Hình ảnh
1 1 thiết bị aMixer MGA
2 1 bộ thí nghiệm cơ – động học gồm: + 01 cảm biến chuyển động
+ 01 khung dẫn hƣớng có khắc thƣớc đo chiều cao
+ 01 quả bóng bàn nặng 2,37g
2.5.4. Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm
Bước 1: Bật công tắc aMixer MGA. Cắm cảm biến chuyển động vào Kênh 1. Trong mục lựa chọn thang đo, chọn “ Cảm biến chuyển động (0.15m – 1.6m)” và nhấn “Chạy”.
Bước 2: Gạc công tắc bên hông cảm biến chuyển động sang nấc 1.6m.
Bước 3: Dùng ngón trỏ giữ quả bóng bàn cách mặt cảm biến khoảng 15cm.
Hình 2.6. Bố trí thí nghiệm Định luật bảo toàn cơ năng
49 đầu đo.
Lƣu ý: Sau 2 phút không sử dụng thì MGA sẽ bật chế độ tắt màn hình để tiết kiệm pin. Để tiếp tục sử dụng, ta nhấn vào nút trái hoặc phải trên MGA để thoát khỏi chế độ này, tuyệt đối không tắt đi bật lại MGA.
Bước 5: Nhanh tay rút ngón trỏ để quả bóng rơi tự do. Nhấn vào biểu tƣợng lần nữa hoặc nút trên MGA để ngừng thu thập khi quả bóng không còn nảy lên nữa. Màn hình hiển thị đồ thị li độ - thời gian của quả bóng.
Bước 6: Nhấn vào các biểu tƣợng hoặc rồi nhấn vào vùng đồ thị cần tác dụng để phóng to hoặc thu nhỏ. Trƣờng hợp đồ thị lệch thì sử dụng biểu tƣợng để dịch chuyển đồ thị theo mong muốn.
Bước 7: Nhấn vào biểu tƣợng rồi nhấn vào vị trí ứng với thời điểm quả bóng chạm đế lần đầu tiên. Màn hình xuất hiện dấu “ +”. Sử dụng các phím nút mũi tên trên MGA để di chuyển dấu “ +” đến vị trí chính xác.
50
Bước 8: Nhấn tiếp vào vị trí ứng với vị trí cao nhất của quả bóng sau lần nảy thứ nhất, dấu “ +” khác sẽ xuất hiện. Giá trị “ Độ lệch biên độ” trên màn hình cho biết độ cao tại vị trí cao nhất sau lần nảy thứ nhất so với đế. Giá trị x cho biết thời điểm t1
của vị trí này. Ghi giá trị này vào bảng 2.8.
Bước 9: Nhấn vào biểu tƣợng để xóa các thông số.
Bước 10: Nhấn vào biểu tƣợng . Trong mục “ Phƣơng pháp phân tích”, chọn “ Vi phân (động học)” và nhấn chạy. Đồ thị vận tốc – thời gian ( màu đỏ) sẽ xuất hiện.
Bước 11: Chọn điểm tƣơng ứng với thời điểm t2
quả bóng di chuyển lên với tốc độ lớn nhất ngay sau lần nảy thứ nhất. Đọc giá trị thời gian, vận tốc vàghi lại vào bảng 2.9.
Bước 12: Nhấn vào biểu tƣợng để xóa các thông số. Tƣơng tự, đo giá trị vận tốc tại thời điểm t4
quả bóng di chuyển xuống với tốc độ lớn nhất trƣớc khi chạm đế lần thứ 2.
51
Bước 13: Đo độ cao và vận tốc tại một thời điểm bất kì thuộc khoảng thời gian nảy lên lần một và chạm đế lần 2. Điền số liệu vào Bảng 2.10.
Chú ý: Kích vào “Thời gian vận tốc” trên trục tung của đồ thị để thay đổi thang đo sang CH1 ( li độ - thời gian ) và ngƣợc lại.
Bước 14: Nhấn vào biểu tƣợng và nhập tên để lƣu đồ thị vào thẻ SD. Tắt aMixer MGA và thu dọn các dụng cụ.
2.5.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý 2.5.5.1. Bảng số liệu
Bảng 2.8. Khảo sát tại vị trí cao nhất sau lần nảy thứ nhất Gia tốc rơi tự do: 9,81 m/s2
Khối lƣợng quả bóng bàn: 2,37g
Thời điểm (s) Độ cao so với đế (m) Thế năng (J)
Đạt vị trí cao nhất sau lần nảy thứ nhất
t1 = 2,163
0,217 5,045.10-3
Bảng 2.9. Khảo sát tại vị trí ngay sau khi nảy và trƣớc khi chạm đế
Thời điểm (s) Vận tốc (m/s) Động năng (J)
Di chuyển lên với tốc độ lớn nhất ngay sau lần nảy thứ nhất
t2= 1,960
-2,074 5,097.10-3
Di chuyển xuống với tốc độ lớn nhất trƣớc khi chạm đế lần thứ hai
t3 = 2,356
52 Bảng 2.10. Khảo sát tại vị trí bất kì Thời điểm (s) Độ cao so với mặt đế (m) Vận tốc (m/s) Wt (J) Wđ (J) Wt + Wđ (J) t4 = 2,044 0,137 -1,257 3,185.10-3 1,872.10-3 5,057.10-3
- Từ các kết quả ở bảng 1 và bảng 2, ta có nhận xét 3 giá trị thế năng, động năng thu đƣợc xấp xỉ bằng nhau.
Theo lý thuyết, tại vị trí vật đạt độ cao cực đại, vận tốc bằng 0, sau đó vật đổi chiều. Động năng tại vị trí này bằng 0, do đó cơ năng bằng với thế năng.
Vị trí vật có tốc độ cực đại là ngay sau khi nảy lên hoặc trƣớc khi chạm đất lần nữa. Độ cao so với đế tại các vị trí này xấp xỉ bằng 0 nên thế năng so với đế xem nhƣ bằng 0, suy ra cơ năng bằng động năng.
Nhƣ vậy, các giá trị ta thu đƣợc hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.
- Tiếp tục so sánh động năng, thế năng ở các điểm đặc biệt với tổng Wt + Wđ ở bảng 2.10 thì ta nhận thấy các giá trị này cũng gần bằng nhau.Vẫn có một lƣợng sai số nhỏ giữa các giá trị năng lƣợng, cụ thể ta nhận thấy năng lƣợng giảm dần theo thời gian, nguyên nhân là do ma sát giữa quả bóng với không khí khi chuyển động. Nếu bỏ qua hao phí này thì từ các kết quả thu đƣợc, ta kết luận đƣợc trong trƣờng lực hấp dẫn Trái Đất, cơ năng luôn đƣợc bảo toàn.
* Câu hỏi kiểm tra
1. Mốc thế năng đƣợc chọn ở vị trí nào? Mốc thế năng đƣợc chọn ở mặt đế.
2. Giải thích giá trị âm dƣơng của vận tốc trong đồ thị vận tốc – thời gian thu đƣợc. Li độ của quả bóng đƣợc xác định bằng khoảng cách giữa quả bóng tới mặt cảm biến. Vì vậy, ta xem cảm biến nhƣ gốc tọa độ, chiều dƣơng của chuyển động hƣớng thẳng xuống.
Vận tốc tức thời: v x t
khi ∆t rất bé. Khi vật đi lên, li độ giảm nên ∆x âm → v
âm và ngƣợc lại khi vật đi xuống, li độ tăng nên ∆x dƣơng → v dƣơng.
3. Dự đoán kết quả thí nghiệm sẽ nhƣ thế nào nếu ta lấy giá trị động năng, thế năng tại thời điểm đạt độ cao cực đại và tốc độ cực đại ở các lần nảy sau lần nảy thứ 2.
53
Giá trị động năng và thế năng tại các vị trí này sẽ giảm đi nhiều do quả bóng ma sát với không khí và va chạm đàn hồi với mặt đế nên năng lƣợng sẽ bị chuyển hóa một phần thành nhiệt năng tỏa vào môi trƣờng.
2.5.5.2. Nhận xét
a) Nhận xét bài thí nghiệm
Bài thí nghiệm “Định luật bảo toàn cơ năng” sử dụng bộ thí nghiệm Cơ – động học của Addestation giúp học sinh khảo sát đƣợc đồ thị li độ - thời gian , vận tốc – thời gian khi thả rơi quả bóng bàn. Từ đó, học sinh có thể tính năng lƣợng tại bất kì một điểm nào và khảo sát đƣợc sự bảo toàn cơ năng một cách dễ dàng.
Trong quá trình thí nghiệm, ta có thể mắc một số lỗi khiến cho sai số lớn:
- Khoảng cách ban đầu giữa quả bóng và cảm biến chuyển động chƣa đảm bảo: Cảm biến chỉ đo khoảng cách từ 0,15 – 1,6m. Do đó, nếu ta để bóng gần cảm biến quá thì sẽ làm cho số liệu thu đƣợc bị sai lệch.
- Thả bóng không đúng cách: Bóng bị cọ xát vào các thanh kim loại, hoặc khi rút ngón tay trỏ không cẩn thận làm bóng bị xoay ảnh hƣởng đến kết quả rơi tự do.
- Các yếu tố bên ngoài ảnh hƣởng đến thí nghiệm: Gió, lực cản không khí, … làm ảnh hƣởng đến sự rơi của quả bóng.
- Sóng phản xạ về cảm biến bị nhiễu :
+ Giữa cảm biến và quả bóng còn có vật khác ( chẳng hạn sách vở, dây nối của cảm biến, …) nằm trong phạm vi hình nón của sóng siêu âm phát ra làm cho sóng phản xạ trở về cảm biến bị nhiễu nên đồ thị thu đƣợc không chính xác.
+ Phòng thí nghiệm có một nguồn khác phát ra sóng siêu âm cùng dải tần số với sóng siêu âm do cảm biến phát ra, làm cho cảm biến đo đạc không chính xác nữa.
Để hạn chế sai số do nguyên nhân chủ quan, cần chú ý:
- Đặt bóng ở vị trí cách mặt cảm biến 15cm. Có thể quan sát trên thƣớc đo chiều cao đƣợc gắn trên khung dẫn hƣớng hoặc kiểm tra khoảng cách trên màn hình MGA.
- Đặt bóng vào đúng chính giữa, thả cho rơi thẳng đứng. Khi thả rơi bóng ta nên đƣa tay thật nhanh xuống phía dƣới để bóng không bị xoay.
- Thực hiện thí nghiệm trong phòng kín, tắt quạt để tránh ảnh hƣởng đến quá trình thí nghiệm.
54
- Đảm bảo không có vật nào khác trong không gian đang tiến hành thí nghiệm; trong quá trình thí nghiệm, lƣu ý không đƣợc để tay vào vùng giữa cảm biến và bóng; tắt tất cả các thiết bị có thể gây nhiễu nhƣ động cơ, máy quạt, máy lạnh.
b) Nhận xét về bộ dụng cụ đo
Ƣu điểm:
- Đây là bộ dụng cụ thí nghiệm Cơ – Động học hiện đại của Addestation, cho kết quả với độ chính xác cao, thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng và an toàn với học sinh.
- Ngoài việc khảo sát cơ năng của quả bóng, ta có thể sử dụng bộ dụng cụ này để xác định gia tốc rơi tự do, khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều, khảo sát va chạm, động lƣợng quả bóng. Giáo viên có thể dùng bộ dụng cụ để thực hiện thí nghiệm biểu diễn khi dạy các phần lí thuyết liên quan. Nhƣ vậy sẽ giúp cho học sinh dễ hình dung về bài học hơn, số liệu phân tích sẽ thực tế hơn.
Nhƣợc điểm: Dễ bị nhiễu, do đó, trong quá trình thí nghiệm phải đảm bảo không có thiết bị phát sóng siêu âm khác có cùng dải tần số với sóng siêu âm của cảm biến, không có vật cản khác giữa vật đang xét và mặt cảm biến.
2.5.6. Kết luận bài 5
Qua nghiên cứu bộ thí nghiệm Cơ – Động học, các lí thuyết liên quan đến cơ năng trong chƣơng “ Các định luật bảo toàn” của Vật lí 10 và thực hiện thí nghiệm nhiều lần, tôi đã xây dựng đƣợc hƣớng dẫn thí nghiệm bài “ Định luật bảo toàn cơ năng”.
Hiện tại trong chƣơng “ Các định luật bảo toàn” chỉ có một bộ thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lƣợng ( SGK Vật lí 10 Nâng cao trang 146) nhƣng thuộc phần đọc thêm nên giáo viên chỉ giới thiệu và học sinh tự tìm hiểu. Nếu bài thí nghiệm này đƣợc đƣa vào trong quá trình dạy và học thì tôi tin rằng nó sẽ mang lại hiệu quả cao, không những giúp học sinh thu đƣợc đồ thị của chuyển động, các giá trị tức thời, tính toán đƣợc động năng, thế năng, cơ năng tại các vị trí, kiểm chứng lại định luật bảo toàn cơ năng mà còn rèn luyện kỹ năng thao tác thí nghiệm, đọc và xử lí số liệu từ thiết bị aMixer MGA.