Bài 1 : XÁC ĐỊNH GIA TỐC CỦA CHUYỂN ĐỘNG THẲNG NHANH DẦN ĐỀU
2) Cơ sở lí thuyết
Trong biểu thức của định luật III Newton và các định luật bảo tồn có mặt các đại lượng vận tốc, gia tốc của các vật tham gia tương tác ở các thời điểm ngay trước và ngay sau khi tương tác xảy ra, đồng thời trong biểu thức của định luật này ln có mặt khoảng thời gian xảy ra tương tác (rất ngắn). Để kiểm chứng các định luật này ngồi việc tạo ra các thí nghiệm thỏa mãn các điều kiện khác nhau của từng định luật thì ta cần phải xác định được bằng thực nghiệm các đại lượng tức thời này. Trong các thí nghiệm các đại lượng trên đều không thể xác định trực tiếp mà đều phải thông qua việc xác định quãng đường và khoảng thời gian tương ứng.
Để xác định được các đại lượng tức thời này bằng thực nghiệm thì cần phải tạo ra
được chuyển động thẳng đều của các vật sau khi tương tác. Khi đó thay vì phải so sánh
các tỷ số: 12 21 F F và 2 1 a
a để nghiên cứu mối tương quan giữa lực và phản lực, ta sẽ quy về
so sánh các tỷ số: 1 2 m m và 2 1 s s .
Kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp hệ hai vật tương
tác trên một đường thẳng nằm ngang là kiểm chứng biểu thức:
' ' 1 1 2 2 1 1 2 2
m v m v m v m v
Sẽ quy về kiểm chứng biểu thức:
, , 1 1 2 2 1 1 2 2
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
37
Kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp tương tác giữa hai
vật trên đường thẳng nằm ngang là kiểm chứng biểu thức:
2 2 '2 '2
1 1 2 2 1 1 2 2
2 2 2 2
m v m v m v m v
Quy về kiểm chứng biểu thức:
2 2 ,2 ,2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 m s m s m s m s 3) Dụng cụ thí nghiệm
Sử dụng bộ thí nghiệm với xe động lực ME-9435 và ME-9429 gồm:
- Thanh ray 1,2 m trên có hai rãnh song song để tạo chuyển động thẳng, một đầu thanh gắn với vật chắn cố định, đầu kia là thanh chắn có thể dịch chuyển bằng cách nới và vặn ốc xiết.
- Xe động lực có nút phóng hai đầu có gắn bộ nén từ ME9430, khối lượng của xe: m= 5.10-1 Kg.
- Xe bị va chạm khơng có nút phóng ME9454, khối lượng của xe: m= 5.10-1 Kg. - Hai xe động lực tương tác có nam châm (bộ Pasco).
- Các vật nặng có khối lượng 5.10-1 Kg. 4) Tiến hành thí nghiệm
Kiểm chứng định luật III Newton, định luật bảo toàn động lượng
Hai xe trước khi tương tác đứng yên, sau tương tác chúng chuyển động gần như đều trên một máng ma sát không đáng kể.
Kiểm chứng định luật III Newton và định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp này quy về kiểm chứng biểu thức:
1 2 2 1
m s
m s (*)
Hai xe có khối lượng bằng nhau tương tác với nhau
Trong trường hợp này theo định luật III hai xe chuyển động với gia tốc có độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều. Thí nghiệm kiểm chứng biểu thức S1= S2.
Đặt thước có bọt nước nằm trên thanh ray, cân chỉnh để bọt nước nằm chính giữa, chứng tỏ thanh ray đã nằm ngang.
- Ép lò xo nén ở đầu một xe động lực.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
38 - Đặt cho xe động lực tiếp xúc với xe bị tác dụng ở vị trí chính giữa qng
đường.
- Nhấn dứt khốt nút phóng cho lị xo bung ra.
- Quan sát chuyển động của hai xe và lắng nghe âm thanh ở thời điểm hai xe va chạm vào các thanh chắn ở hai đầu quãng đường.
- Nếu va chạm là đồng thời thì biểu thức đã được xác nhận.
Hai xe có khối lượng khác nhau
- Lần lượt đặt thêm các thỏi sắt có khối lượng bằng khối lượng của xe lên thùng của một trong hai xe.
- Chọn vị trí đặt hai xe tiếp xúc sao cho thỏa mãn biểu thức (*), nếu định luật là đúng thì sau khi tương tác với nhau hai xe sẽ va chạm vào các thanh chắn ở hai đầu quãng đường cùng một lúc.
Khảo sát va chạm đàn hồi – định luật bảo toàn cơ năng Một trong hai xe trước khi va chạm đang ở trạng thái chuyển động.
- Sử dụng xe động lực của Pasco.
- Đặt đầu xe động lực có nút phóng (lị xo đã bị nén) tiếp xúc với thanh chắn động.
- Đặt một xe bị va chạm ở một vị trí trong khoảng giữa quãng đường giữa hai thanh chắn.
- Nhấn dứt khốt nút phóng để xe động lực chuyển động và va chạm vào xe đứng yên có cùng khối lượng.
- Nếu định luật là đúng thì sau khi va chạm xe động lực dừng lại còn xe kia sẽ chuyển động, nếu thí nghiệm khơng thành cơng, hãy tìm hiểu nguyên nhân và cách khắc phục.
Kiểm chứng định luật bảo tồn động lượng
Các thí nghiệm đã làm trong mục 4 đều có thể lập luận để trở thành thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp hệ có hai vật tương tác với nhau trên một đường thẳng nằm ngang.
Kiểm chứng định luật bảo tồn cơ năng
Các thí nghiệm đã làm trong mục 4.a đều có thể lập luận để trở thành thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo tồn cơ năng trong trường hợp hệ có hai vật tương tác với nhau trên một đường thẳng nằm ngang.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
39 Thí nghiệm 2 - Khảo sát chuyển động thẳng đều
II.
1) Mục đích
- Xác định vận tốc tức thời của viên bi tại các điểm trên mặt phẳng ngang có ma sát rất nhỏ.
- So sánh vận tốc tức thời với vận tốc trung bình trên một đoạn đường bất kì. Từ đó nghiệm lại định luật I Niutơn.
2) Cơ sở lý thuyết
Thả viên bi từ một điểm trên một máng nghiêng cho lăn xuống mặt phẳng ngang với ma sát rất nhỏ. Trên mặt phẳng ngang với ma sát không đáng kể, do phản lực cân bằng với trọng lực nên theo định luật I Niutơn, viên bi sẽ chuyển động thẳng đều. Vận tốc tức thời tại mọi điểm bằng nhau và bằng vận tốc trung bình trên một đoạn đường bất kì.
3) Dụng cụ
Đế 3 chân, giá đỡ có gắn sẵn hai cổng quang và nam châm điện phía trên máng nghiêng nhỏ, cơng tắc nam châm, thước đo góc có gắn quả dọi, bi thép, khớp nối, đồng hồ hiện số.
4) Lắp ráp dụng cụ thí nghiệm
- Nam châm điện lắp trên đỉnh máng nghiêng của giá đỡ, được nối qua công tắc vào ổ cắm C của đồng hồ hiện số.
- Cổng quang điện 1 và 2 lắp ở hai vị trí nhất định trên mặt phẳng ngang, cách nhau một đoạn s. Hai cổng quang này được cắm vào ổ A và B của đồng hồ.
- Đồng hồ được sử dụng ở chế độ A + B hoặc AB, với thang đo 9,999s. - Lưu ý phải điều chỉnh để giá đỡ nằm ngang. Điều này được kiểm tra nhờ quả dọi treo ở thước đo góc.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
40 5) Tiến hành thí nghiệm
Đo vận tốc tức thời của bi thép tại các điểm khác nhau trên qũy đạo
- Mở công tắc đồng hồ, nhấn nút RESET cho đồng hồ về giá trị 0.000. Đặt đồng hồ ở MODE A+B. Cho nam châm hút giữ bi thép. Dịch chuyển hai cổng quang đến các vị trí cách nhau một khoảng s = 30cm-50cm.
- Nhấn nút công tắc cho nam châm nhả bi thép. Khi bi đi qua cổng quang 1, đồng hồ chỉ t1 là thời gian viên bi chắn tia hồng ngoại. Tiếp tục chuyển động, bi qua cổng quang 2 trong thời gian t2. Đồng hồ chỉ thời gian t = t1+t2. Nếu t1 = t2 thì chuyển động của bi là thẳng đều. Ghi lại các giá trị t1, t2.
- Dùng thước kẹp đo đường kính d của viên bi, từ đó tính được vận tốc tức thời của bi tại nơi đặt hai cổng quang điện là: v1 = d/t1; v2 = d/t2.
Chú ý: Lau chùi sạch máng nghiêng để giảm ma sát, vì có ma sát nhỏ nên cần
điều chỉnh máng nghiêng góc khoảng 1 độ xem như khử ma sát. Đo đường kính viên bi nhiều lần để có kết quả chính xác.
Đo vận tốc trung bình của viên bi trên các quãng đường khác nhau
- Mở công tắc đồng hồ, nhấn nút RESET cho đồng hồ về giá trị 0.000. Đặt đồng hồ ở MODE AB. Cho nam châm hút giữ bi thép. Dịch chuyển hai cổng quang đến các vị trí cách nhau một khoảng s = 30 cm.
- Nhấn nút công tắc cho nam châm nhả bi thép. Khi bi đi đến cổng quang 1, đồng hồ bắt đầu đếm. Tiếp tục chuyển động, bi đến cổng quang 2 thì đồng hồ ngừng đếm. Đồng hồ chỉ thời gian viên bi đi quãng đường s từ cổng quang 1 đến 2. - Giữ nguyên cổng quang 1, dịch chuyển cổng quang 2 ra xa cổng quang 1 mỗi
lần 5 cm. Lặp lại các động tác đo như trên. Ghi kết quả vào bảng 1. Thí nghiệm 3 - Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại và hệ số ma sát trượt III.
1) Mục đích
Xác định hệ số ma sát nghỉ cực đại và ma sát trượt bằng phương pháp động lực học và phương pháp bảo toàn.
2) Cơ sở lý thuyết
- Cho vật nằm yên trên mặt phẳng nghiêng góc với mặt phẳng ngang. Tăng dần
đến một giá trị o thì vật bắt đầu trượt. Khi đó, hệ số ma sát nghỉ cực đại
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
41 - Khi >o thì vật trượt nhanh dần đều và ma sát tác dụng lên vật là ma sát trượt.
Theo phương pháp động lực học: hệ số ma sát trượt được tính theo cơng thức: a
= g(sin-tcos). Gia tốc a được tính theo cơng thức a = 2s/t2, trong đó s là quãng đường vật trượt không vận tốc đầu sau thời gian t (được xác định nhờ đồng hồ hiện số). Tính được a và đo được sẽ tính được t theo công thức:
t = tg-a/gcos
Theo phương pháp bảo tồn năng lượng thì hệ số ma sát trượt được tính theo
cơng thức:
g.s.sin = v2/2+ t g.s.cos
Vận tốc tức thời v của vật ở chân mặt phẳng nghiêng được xác định nhờ đồng hồ hiện số cho biết thời gian đường kính của khối trụ đi qua cổng quang. Đo quãng đường s và góc nghiêng sẽ tính được t.
3) Dụng cụ
Đế 3 chân, giá đỡ có gắn sẵn cổng quang và nam châm điện phía trên, cơng tắc nam châm, thước đo góc có gắn quả dọi, khối trụ thép (đường kính và chiều cao cùng bằng 3 cm), khớp nối, đồng hồ đo hiện số.
4) Lắp ráp thí nghiệm
Nam châm điện lắp trên đỉnh của giá đỡ, được nối qua công tắc vào ổ cắm A của đồng hồ hiện số. Cổng quang điện 1 lắp ở một vị trí nhất định trên mặt phẳng ngang, cách nam châm một đoạn s. Cổng quang này được cắm vào ổ B của đồng hồ. Đồng hồ được sử dụng ở chế độ AB, với thang đo 9,999 s.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
42 5) Tiến hành thí nghiệm
Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại
- Đặt khối trụ thép lên giá đỡ nghiêng. Lấy tay nâng từ từ đầu mặt phẳng nghiêng để tăng dần góc nghiêng . Khi khối trụ bắt đầu trượt thì dừng lại và đọc góc nghiêng o trên thước đo góc gắn trên mặt phẳng nghiêng.
- Lặp lại thí nghiệm 5 lần và ghi kết quả vào bảng 1.
Đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp động lực
- Đặt giá đỡ nghiêng với góc >o. Mở công tắc đồng hồ, nhấn nút RESET cho đồng hồ về giá trị 0000. Đặt đồng hồ ở MODE AB. Cho nam châm hút giữ trụ thép. Dịch chuyển cổng quang đến vị trí cách trụ thép một khoảng s = 40 cm.
- Nhấn nút công tắc cho nam châm nhả trụ thép trượt, đồng hồ bắt đầu đếm. Khi trụ thép tới cổng quang thì đồng hồ ngừng đếm. Thời gian t hiện trên đồng hồ là thời gian trụ thép trượt trên quãng đường s.
- Lặp lại như vậy 5 lần và ghi kết quả vào bảng 2.
Đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp bảo toàn:
- Đặt giá đỡ nghiêng với góc >0. Mở cơng tắc đồng hồ, nhấn nút RESET cho đồng hồ về giá trị 0000. Đặt đồng hồ ở MODE B. Cho nam châm hút giữ trụ thép. Dịch chuyển cổng quang đến vị trí cách trụ thép một khoảng s = 40 cm. - Nhấn nút công tắc cho nam châm nhả trụ thép trượt. Khi trụ thép đi qua cổng
quang thì đồng hồ đếm. Thời gian t hiện trên đồng hồ là thời gian trụ thép chắn cổng quang. Đo đường kính d của khối trụ sẽ tính được vận tốc tức thời của nó ở nơi đặt cổng quang theo công thức v = d/t.
- Lặp lại như vậy 5 lần và ghi kết quả vào bảng 3.
Chú ý: Lau chùi sạch giá đỡ để giảm sai số. Đo quãng đường s chính xác.
Câu hỏi IV.
1. Sử dụng các thí nghiệm sử dụng xe động lực vào giảng dạy các kiến thức tương ứng như thế nào là hiệu quả và có sức thuyết phục?
2. Với các dụng cụ: khối gỗ chữ nhật, tấm ván phẳng và lực kế, hãy thiết kế phương án thí nghiệm để xác định hệ số ma sát nghỉ và hệ số ma sát trượt giữa gỗ và tấm ván.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
43
Báo cáo thực hành theo mẫu sau
BÀI 3: KIỂM CHỨNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
ĐO HỆ SỐ MA SÁT NGHỈ CỰC ĐẠI VÀ HỆ SỐ MA SÁT TRƯỢT
Họ và tên: ................................................................................................................... Lớp: ....................... Nhóm: ......................................
Ngày thực hành: ....................................................... Ngày nộp báo cáo: ....................................................
Mục đích I.
.................................................................................................................................... Cơ sở lí thuyết
II.
Trình bày tóm tắt các nội dung sau: - Các định luật Newton.
- Định luật bảo toàn động lượng: nội dung, điều kiện áp dụng.
- Định luật bảo toàn cơ năng, định lý biến thiên động năng, định lý biến thiên cơ năng.
- Đặc điểm của các loại lực ma sát: ma sát nghỉ, ma sát trượt, ma sát lăn. Kết quả
III.
1) Thí nghiệm 1 - Kiểm chứng các định luật bảo toàn
Lần m1 (kg) m2 (kg) s1 (m) s2 (m) Âm thanh 1
2 …
Các kết quả của thí nghiệm có phù hợp với lý thuyết khơng? Giải thích. 2) Thí nghiệm 2 - Khảo sát chuyển động thẳng đều
Khảo sát vận tốc tức thời Lần d (cm) t1 (s) t2 (s) v1 (cm/s) v2 (cm/s) 1 2 3 TB
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
44
So sánh các kết quả t1 và t2 để rút ra nhận xét về chuyển động của bi trên mặt phẳng ngang.
Đo đường kính viên bi d bằng thước kẹp 3 lần. Tính giá trị trung bình của d. Từ đó tính vận tốc tức thời trung bình v1 và v2 của viên bi khi qua hai cổng quang.
Khảo sát vận tốc trung bình Lần s (cm) t(s) v = s/t (cm/s) ∆v (cm/s) 1 2 3 4 TB
Viết kết quả vận tốc trung bình của xe.
So sánh giá trị vận tốc trung bình với vận tốc tức thời trong thí nghiệm 1. Nhận xét.
3) Thí nghiệm đo hệ số ma sát nghỉ cực đại và hệ số ma sát trượt
Bảng 1: Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại Lần o o = tgo ∆o 1 2 3 4 5 TB
Viết kết quả: o = ……
Bảng 2: Đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp động lực Quãng đường: s = … (m). Góc nghiêng: = …
n t(s) a= 2s/t 2 (m/s2) t = tan-a/gcos ∆t 1 2 3 4
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
45 5
TB
Viết kết quả: t = ……
Bảng 3: Đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp bảo toàn
Quãng đường: s = … (m); Góc nghiêng: = … (độ); Đường kính khối trụ: d = …(m) n t(s) v = d/t (m/s) t = tan-v