Nhận biết lực đàn hồi.
So sánh lực có cường độ mạnh, yếu dựa vào tác dụng của lực làm biến dạng vật nhiều hay ít.
Biết sử dụng cảm biến lực để đo lực trong một số trường hợp thông thường và biết đơn vị lực là Newton (N).
b. Dụng cụ thí nghiệm
Một sách hướng dẫn thí nghiệm, một aMixer mini và phần mềm Addestation 6.0, một quả bóng, Cảm biến lực (khoảng thực nghiệm 10 – 50N), Cảm biến chuyển động (khoảng thực nghiệm 0.4 – 1.6m), một hệ thống để định hướng chuyển động, một lò xo để treo quả bóng
c. Cơ sở lý thuyết
Lực đàn hồi là lực mà vật bị biến dạng đàn hồi tác dụng lên vật gây ra biến dạng.
d. Tiến trình thí nghiệm
Lắp đặt hệ thí nghiệm như hình vẽ
Trên màn hình Addestation thực hiện các bước sau:
Chọn “Hiệu chỉnh nhanh” -> “Bộ Addestation Cơ học” -> “Bài 9: Định luật Húc”
Bật Scope
Ban đầu giữ quả bóng sao cho lò xo ở vị trí có độ dài tự nhiên. Ghi nhận giá trị lực trên màn hình
Kéo lò xo dãn từ từ. Quan sát trên màn hình độ lớn của lực đàn hồi và khoảng cách từ quả bóng đến mặt đất thay đổi như thế nào khi chiều dài lò xo thay đổi.
Nhận xét mối quan hệ giữa độ lớn lực đàn hồi và sự biến dạng của lò xo 5. Đo trọng lượng và khối lượng
a. Mục đích thí nghiệm
Phân biệt giữa khối lượng và trọng lượng
Xác định giá trị của trọng lượng
Mối quan hệ giữa khối lượng và trọng lượng
Biết sử dụng cảm biến lực để đo lực trong một số trường hợp thông thường và biết đơn vị lực là Newton (N)
b. Dụng cụ thí nghiệm
Amixer mini (hoặc aMixer MGA), Cảm biến lực (khoảng thực nghiệm 10N – 50N), Cái cân, Quả nặng (quả cân)
c. Cơ sở lý thuyết
Trọng lực là lực hút của Trái Đất tác dụng lên vật. Trọng lượng là độ lớn của trọng lực.
Khối lượng đo bằng cân, đơn vị là kg, còn trọng lượng đo bằng lực kế, đơn vị là N.
Ở Trái Đất, một vật có khối lượng là 1 kg thì có trọng lượng được tính tròn là 10 N.
d. Tiến trình thí nghiệm
Dùng cân để xác định khối lượng của quả cân, ghi lại giá trị này.
Lắp đặt hệ thống như hình vẽ. Kết nối cảm biến lực với aMixer.
Dùng cảm biến lực để xác định trọng lượng của quả cân: thiết lập hệ thống như hình vẽ, chọn cảm biến lực (± 10N)
Chú ý: chọn xem hỗn hợp đa kênh (MultiScope) trong tuỳ chọn Scope tại màn hình nền ban đầu
Xác định mối quan hệ giữa trọng lượng và khối lượng P = m.g
(trọng lượng = khối lượng × 10) 6. Khảo sát chuyển động tròn
a. Mục đích thí nghiệm:
Xác minh mối liên hệ giữa lực hướng tâm và vận tốc chuyển động tròn sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu;
Tìm hiểu về phương pháp thiết kế và bố trí thí nghiệm;
Tìm hiểu về chuyển động tròn.
b. Dụng cụ thí nghiệm:
Một Amixer (thiết bị thu thập dữ liệu)
Một cảm biến lực cùng với thanh gắn kim loại
Hai cổng quang điện cùng với thiết bị kết nối, giá đỡ, dây (với độ dài khoảng 60 cm), một quả cân 200 g có thể treo dễ dàng bởi dây treo, thước đo.
c. Thí nghiệm 1. Bố trí thí nghiệm và tìm hiểu về phương pháp thiết kế thí nghiệm
Nối một Amixer vào máy tính đồng thời nối một cảm biến lực vào CH1
của Amixer, nối hai cổng quang điện vào CH2 và CH3. Điều chỉnh công tắc của cảm biến lực ở mức “±10 N”. Sau đó click chuột mở bảng chọn “Hiệu Chỉnh Nhanh”, sau đó chọn “Bộ Addestation Cơ Học (Tự học)”, tiếp theo chọn “Bài 4: Chuyển động tròn”.
Đặt giá đỡ trên mặt bàn.
Gắn thanh kim loại vào cảm biến lực, và kẹp thanh kim loại vào giá đỡ esao cho đáy của móc treo của cảm biến lực có độ cao khoảng 80 cm so với sàn (Hình 1).
Buộc một đầu dây vào quả cân 200 g và đầu còn lại vào móc treo của cảm biến lực, sao cho đáy của quả cân cách sàn khoảng 3.5 cm (xem Hình 2).
Sử dụng bộ nối để kết nối đế của hai cổng quang điện (Hình 3). Khi đó
khoảng cách giữa hai nguồn phát ánh sáng của cổng quang điện (và cả khoảng cách giữa bộ phận nhận ánh sáng) vào khoảng 3.5 cm.
Đặt bộ hai cổng quang điện ngay bên dưới quả cân (Hình 4). Chú ý đảm bảo rằng quả cân nằm giữa cổng quang điện sao cho khi quả cân sẽ chuyển động qua lại giữa cổng quang điện, quả cân sẽ cản chùm sáng phát ra của cổng quang điện.
Kéo quả cân về một phía và chú ý luôn giữ cho dây căng như hình 5.
Đồng thời chú ý đảm bảo rằng khi quả cân được thả tự do, nó sẽ dao động qua lại giữa cổng quang điện mà không chạm vào chúng.
Nhẹ nhàng thả quả cân cho dao động. Sau đó lưu lại đồ thị giá trị cung cấp bởi cảm biến lực và cổng quang điện theo thời gian hiển thị trên màn hình quan sát.
Sự chuyển động của quả cân có thể coi như một chuyển động tròn. Theo bạn chuyển động tròn của quả cân đó là loại chuyển động tròn gì?
Theo bạn thì cảm biến lực có thể đo được lực hướng tâm trong suốt toàn bộ quá trình chuyển động hay không? Hãy tính toán cho câu trả lời của bạn.
Hãy nêu lên một phương pháp để đo lực tác dụng gây ra bởi quả cân chuyển động lên cảm biến lực tại vị trí mà độ cao của quả cân là thấp nhất.
Hãy vẽ hình minh họa cho câu trả lời (nếu cần). Ghi rõ những giả thuyết sử dụng.
Gợi ý: Sử dụng đồ thị giá trị đo đạc theo thời gian của cảm biến lực và cổng quang điện.
Hãy nêu lên một phương pháp để ước lượng vận tốc của quả cân tại vị trí mà độ cao của quả cân là thấp nhất. Hãy vẽ hình minh họa cho câu trả lời (nếu cần). Ghi rõ những giả thuyết sử dụng.
Sử dụng đồ thị giá trị đo đạc theo thời gian của cổng quang điện
d. Thí nghiệm 2. Xác minh mối liên hệ giữa lực hướng tâm và vận tốc, tìm hiểu về chuyển động tròn
Mối liên hệ giữa lực hướng tâm và vận tốc
Một vật có khối lượng m tham gia chuyển động tròn đều sẽ chịu một lực hướng tâm có độ lớn được tính bằng công thức fc = mv2/r, với v kí hiệu vận tốc của vật đó và r là bán kính của chuyển động tròn.
Nếu m và r là cỏc đại lượng khụng đổi(hằng số), thỡ fc.à=v2, và từ hệ số góc của đồ thị đường thẳng fc theo v2, giá trị m/r có thể tính toán được.
Bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu.
Di chuyển quả cân sao cho nó cách sàn khoảng 10 cm và chú ý luôn để cho dây được căng. Sau đó nhẹ nhàng thả quả cân để nó dao động tự do.
Sử dụng phương pháp bạn nghĩ ra trong thí nghiệm 1 để ước lượng giá trị f, lực tác dụng lên cảm biến lực gây ra bởi quả cân chuyển động, và đồng thời ước lượng giá trị v, vận tốc của quả cân; xác định hai giá trị đó ở thời
điểm quả cân đạt độ cao thấp nhất. Ghi lại giá trị của f và v lần lượt vào cột thứ hai và cột thứ tư của Bảng 1.
Chú ý:
Khi quả cân chuyển động, nó sẽ đạt được độ cao thấp nhất một số lần.
Do đó, có một số vùng tương ứng trên đồ thị mà bạn có thể phóng to để xác định các giá trị cần tính toán. Bạn chỉ nên sử dụng vùng đồ thị nơi đồ thị lực tác dụng theo thời gian đủ “phẳng” (ít biến đổi) đủ để ước lượng giá trị của f và v.
Lặp lại các bước được mô tả ở phần 2 và 3 để thu thập thêm số liệu với độ cao của quả cân lần lượt là 15 cm, 20 cm, 25 cm và 30 cm. Ghi lại giá trị tương ứng của f và v thu được vào Bảng 1.
Tính giá trị (f – mg), với g là gia tốc rơi tự do, bạn có thể sử dụng giá trị của g là 9.8 ms-2, ghi lại kết quả vào Cột 3 của Bảng 1.
Giá trị (f – mg) có ý nghĩa vật lý gì?
Tính v2 từ giá trị của v, và ghi lại kết quả vào Cột 4 của Bảng 1.
Sư dụng chương trình Addestation để đánh dấu các điểm (v2, f-mg) đã ghi lại ở Bảng 1 lên màn hình của đồ thị (f – mg) theo v2.
Sau đó sử dụng công cụ phân tích dữ liệu để dựng đường thẳng đi qua hầu hết các điểm đó (đường thẳng “khớp” nhất với các điểm).
Đại lượng (f – mg) à= v2 khụng? Giải thớch và chứng minh.
Xác định k, hệ số góc của đường thẳng dựng ở trên, ghi lại giá trị đó vào Bảng 2.
Xác định giá trị của r (với r = m/k – phương trình của lực hướng tâm), ghi lại giá trị đó vào Bảng 2. Có thể sử dụng giá trị m = 0.2 kg để tính toán.
Đo d, khoảng cách từ móc treo của Cảm biến lực tới tâm của quả cân 200 g và ghi lại số liệu đó vào Bảng 2.
Về mặt lý thuyết, giá trị của d và r có bằng nhau không? Giải thích và chứng minh cho câu trả lời.
Nếu bạn cho rằng về mặt lý thuyết d và r có giá trị bằng nhau, hãy tính độ chênh lệch giữa hai giá trị xác định từ thí nghiệm nếu chúng không bằng nhau.
PHẦN KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng tôi đã thực hiện được và làm sáng tỏ các vấn đề sau:
Làm rõ kiến thức cũng như hệ thống hóa lại kiến thức cũng như các công thức về cảm biến lực
Qua lý thuyết đó đã ứng dụng được cảm biến lực vào một số bài thí nghiệm cơ bản trong nhà trường phổ thông.
Qua đây cũng giúp cho quá trình làm việc và công tác trong phòng thí nghiệm sau này cũng dễ dàng hơn.