Sau khi thiết kế, chế tạo được bộ thí nghiệm cảm biến lực, gia tốc và bộ ghép nối tương thích, chúng tôi tiến hành khảo sát đánh giá và xây dựng 5 bài thí nghiệm: thí nghiệm kiểm chứng định luật I Newton, thí nghiệm kiểm chứng định luật II Newton (thí nghiệm đo gia tốc của vật chuyển động trên mặt phăng nghiêng và mặt phẳng năm ngang), thí nghiệm kiểm chứng định luật 3 Newton, thí nghiệm kiểm chứng dao động điều hòa của con lắc lò xo, thí nghiệm kiểm chứng va chạm đàn hồi.
4.1.1. Mục đích thí nghiệm
Thí nghiệm 1 — Kiểm chứng định luật I Newton: Khảo sát vận tốc chuyển động của một vật theo thời gian trong chuyền động thăng đều; so sánh giá trị vận tốc do bằng bộ cảm biến với phương pháp sử dụng cổng quang dé đánh giá độ chính xác của bộ thí
nghiệm.
Thí nghiệm 2 — Kiểm chứng định luật II Newton: Kiểm chứng mối quan hệ giữa 3 đại lượng gia tốc (a), lực (F) và khối lượng (m).
— Thí nghiệm 2.1: Do gia tốc của vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng bằng bộ cảm biến. So sánh kết quả thí nghiệm với gia tốc theo lý thuyết dé kiêm chứng mối quan hệ a — F, gia tốc đo bằng phương pháp dùng cần rung điện.
— Thí nghiệm 2.2: Do gia tốc chuyên động của vật trên mặt phẳng nằm ngang được kéo bởi gia trọng thông qua ròng rọc. So sánh kết quả này với giá trị theo lý thuyết.
Thí nghiệm 3 — Kiểm chứng dao động điều hòa của lắc lò xo: Do gia tốc tức thời và lực tức thời tác dụng vào vật thông qua khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò xo,
từ đó kiêm chứng môi quan hệ a - F.
44
Thí nghiệm 4 — Kiểm chứng định luật II] Newton: Do lực kéo giữa bộ cam biến với lực kế lò xo và bộ cảm biến lực của hang Vernier dé đánh giá độ chính xác của cam
biên lực.
Thí nghiệm 5 — Kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng: Khảo sát vận tốc của vật trước và sau va chạm trong va chạm đàn hồi theo một phương.
4.1.2. Các bước tiễn hành thí nghiệm.
— Bật công tắc nguồn bộ cảm biến.
— Kết nối mạch thu sóng radio với máy tính bằng cáp USB.
— Mở chương trình giao diện dạy học trên máy tính.
4.1.2.1. Thí nghiệm l — Kiểm chứng định luật I Newton
Định luật I Newton: Khi vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc hợp lực tác
dụng lên vật bằng không, vật sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyên động thang
đêu.
Trong thí nghiệm này, ta khảo sát vận tốc của xe động lực trên mặt phẳng nằm ngang. Coi như ma sát không đáng ké thì hợp lực tác dụng lên vật bằng không, cung cấp cho vật vận tốc ban đầu thì vật sẽ chuyền động thang đều với van tốc không đôi.
Bồ trí thí nghiệm 1 như hình 4.1
45
Cảm biến đặt trên xe, ở một đầu xe có gan một thanh thước bề rộng Ax = 2,l4 cm.
Sử dụng cổng quang và bộ Labquest để đo vận tốc thông qua đo thời gian thanh thước chuyền động qua công quang và so sánh với giá trị vận tốc đo được từ bộ cảm biến. Khi xe chuyển động trên máng qua công quang điện, thanh thước sẽ chan cổng quang trong khoảng thời gian At, dựa vào việc đo khoảng thời gian At ta có thé tính được vận tốc
Ro 4A . 2 an 3 x Ax _ 2,14.107?
chuyên động khi xe chuyên động thăng đêu: v = aS:
Đều chỉnh các giá trị ban đầu của cảm biến về 0. Chon tần số lay mau là 20
mẫu/giây, thời gian lay mau là 2 giây. Dùng tay day nhanh vào xe dé cung cấp vận tốc ban đầu, đồng thời nhấp chuột vào biéu tượng thu thập của giao diện dé bắt đầu thu nhận
sô liệu.
Bằng việc đo gia tốc chuyên động của vật, sử dụng chức năng tích phân, ta tìm được đồ thị biểu diễn vận tốc theo thời gian (hình 4.2).
46
Thai gian (5)
Hình 4. 2. Do thi vận tốc — thời gian (v — t) trong chuyển động thang đều.
Đồ thị vận tốc trong khoảng 0.9 s đến 1.7 s có dạng đường thăng song song với trục Ot chứng tỏ vật chuyên động thắng đều với vận tốc v = 0,93 + 0,02 m/s. Thời gian
2,14.1072
0,0234
thanh thước chắn cổng quang là 0.0234 s, ta tinh duge v = = 0,91 m/s. Lap lại thí nghiệm nhiều lần, ta thu được bang số liệu. Sai số trung bình của van tốc do băng cảm biến với phương pháp dùng công quang là 4.18 %.
Bảng 4.1. So sánh kết quả do vận tốc bằng bộ cảm biến và phương pháp dùng cổng
quang điện.
Lần đo|_ At(s) AX/At Van tốc | Sai số
(m/s) trung bình | (%)
(m/s)
1 0.0234 | 0.91 0.93 2.2
2 0.0243 | 0.88 0.84 4.5
3 0.0240 | 0.89 0.87 2.2
4 0.0232 | 0.92 0.85 7.6
5 0.0235 0.91 0.87 4.4
47
4.1.2.2. Thí nghiệm 2 — Kiểm chung định luật IT Newton
Định luật II Newton: Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng. Độ lớn của
gia tốc tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật đó F = ma.
Trong thí nghiệm nay ta sẽ khảo sát mối quan hệ giữa 3 đại lượng F - a— m.
Thí nghiệm 2.1: Do gia tốc của vật chuyển động trên mặt phang nghiêng.
Bồ trí thí nghiệm như hình thí nghiệm 2.1:
Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành đo gia tốc của xe động lực chuyển động
thang nhanh dần đều trên mặt phẳng nghiêng 15° bằng phương pháp cần rung điện và sử dụng cảm biến đã chế tạo, đồng thời so sánh với kết quả gia tốc của lý thuyết. Cách tiến hành như sau, đặt cảm biến đã chế tạo lên xe động lực, một đầu băng giấy nối với cảm biến dé chế tạo còn một đầu băng giấy luồn qua cần rung điện có tần số f = 50 Hz. Sau đó
cho xe động lực chuyên thang thang nhanh dan đều đi xuống dốc mặt phang nghiêng.
Bật nguồn dé cần rung hoạt động, đồng thời thả cho xe chuyên động. Gia tốc do được bang cảm biến thể hiện ở đồ thị a - t.
48
File Edit View Project Operate Tools Window Help [3ẹ
> (@ju [2 2
a Chon do thi
Ay-t
Trung bỉnh sai so
2.43482 0.08133
| Cursors xv fa
13 00
07-00 |
{
coat 1 1 1 + 1 1 1
-20-i 1 I 1 1 1 00 02 04 06 08 10 12 14] 1 i] 1 J J † Ũ 2 l4 KH
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 Time |All i.
Time (s) ` = := = = re =—
Amplitude
Gia toc (m/s2)
-1,0-4
Hình 4. 4. Đồ thi gia tốc — thời gian (a — t) trong thí nghiệm 2.1.
Đồ thi a — t cho ta thay gia tốc trong khoảng thời gian từ 0.7 đến 1.3 giây gần như không đổi và có giá trị dương chứng tỏ xe chuyên động nhanh dần đều. Tuy nhiên, đồ thị biếu diễn gia tốc chỉ tiệm cận là đường thang song song với trục Ot, nguyên nhân là do sai số của cảm biến và các tác động từ bên ngoài làm ảnh hưởng đến kết quả đo. Sử dụng chức năng tính trung bình, tìm được gia tốc a = 2.43+0.08 m/s’. Kết quả này nhỏ gia tốc tính theo lí thuyết a = gsin15° = 2.53 m/s’ là do ma sát giữa xe với thanh ray và băng giấy
với cần rung điện. Sai số giữa kết quả đo được với giá trị theo lí thuyết là 3.9 %.
Kết qua đo gia tốc của xe bang phương pháp cần rung điện theo công thức
S2—S1
022 . Trong đó thời gian giữa hai cham liên tiếp trên băng giấy là 0,02 s (vif = 50 Hz) và s¡, so là quãng đường vật đi được trong 0,02 giây dau và 0,02 giây tiếp theo. Bằng cách đo khoảng cách giữa các chấm liên tiếp nhau, ta tìm được gia tốc
trung bình là:
_ As As, +As2+As3+As,+As (14+1,5+14+14+1).1073 2
đẹp = = es es 8 = 2,75 ms.
0,022 5.0,022 5.0,022
Nhu vậy, việc do gia toc băng bộ cảm biên này cho kêt quả nhanh, chính xác va sai
số nhỏ hơn so với phương pháp dùng cần rung điện.
Thí nghiệm 2.2: Đo gia tốc của vật chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang.
49
Bồ trí thí nghiệm như hình 4.5:
Hệ xe (m,. = 500 g) và cảm biến (Meambien = 230 g) đặt trên thanh ray nằm ngang.
Dùng quả năng khối lượng 150 g mắc vào cảm biến lực thông qua ròng roc dé tạo lực kéo làm xe chuyên động nhanh dần đều. Tiến hành đo lực và gia tốc khi xe chuyền động, kết quả thể hiện ở đồ thị hình 4.5.
| Pict BAN:
10-
05-
0.0-|
Be
Gia toc E220
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 14 12 13 14 15 16
Thoi gian (s)
Hình 4. 6. Đồ thi gia tốc — thời gian (a — t) trong thí nghiệm 2.2.
00-7 J J J I J J 0 J T J J I 1 1
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 Thoi gian (s)
Hình 4. 7. Đồ thi lực — thời gian (F — t) trong chuyển động nhanh dân đều.
Ban đầu giữa xe đứng yên, ta thấy trên đồ thị F - t lực tác dụng vào cảm biến gần băng 1.42 N (cân băng với lực mà tay ta giữ xe đứng yên) gần đúng với trọng lượng của nặng 150 g. Trong khoảng thời gian từ 0.6 s đến 1.3 s, vật chuyển động nhanh dần đều với gia tốc trung bình là ag, = 1.69 + 0.03 m/s”. Tuy nhiên khi bắt đầu chuyên động (0.6 s đến 1.3 s), độ lớn lực gần như không đồi F = 1.17 N nhưng nhỏ hơn giá trị ban dau, điều này có thể lí giải là do khối lượng của ròng roc là đáng ké, làm cho lực căng dây ở hai nhánh là khác nhau, do đó lực căng dây tác dụng vào cảm biến nhỏ hơn trọng lượng của quả nặng. Theo định luật II Newton gia tốc của hệ là a = = 1,61 m/s’.F
MyetMcambien
Giá trị gia tốc do được nhỏ hơn giá trị tinh theo lí thuyết
Mquanang
(ay = .9,8 = 1,67 m/s’) là do ma sát giữa xe và thanh ray.
Thxe†Thquanang TTcambien
4.1.2.3. Thí nghiệm 3 — Kiém chứng dao động điêu hòa của con lac lò xo
Trong dao động điều hòa, vận tốc và gia tốc của con lắc biên thiên tuần hoàn theo thời gian theo quy luật hàm sin. Lực đàn hồi của lò xo cũng biến thiên tuần hoàn theo thời gian và cùng pha với gia tốc. Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát sự biến thiên của gia tốc và lực theo thời gian, mỗi quan hệ giữa gia tốc tức thời và lực đàn hồi tức thời
Bồ trí thí nghiệm như hình 4.8
Lục (N)
+1 0 ay 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1 1
EO EP TA TÚ Sóc 2Á St 22/0 VI TH" ca FA Sh Be A
Thai gian (s)
Hình 4. 9. Đồ thi F — t trong giao động điêu hòa.
Dùng lò xo móc vào cảm biến đo lực, đầu còn lại treo vào giá đỡ. Kéo nhẹ bộ cảm biến dé nó dao động động hòa, ta tiến hành ghi nhận giá trị lực tác dụng vào cảm biến
(cũng là lực đàn hồi của lò xo) và gia tốc tức thời theo thời gian. Chọn giá trị zero của
cảm biên lực khi lò xo năm tai vi trí cân băng.
Gia toc (m/s2))
-3.0-| | 1 I 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Thoi gian (s)
Hình 4. 10. Đồ thi gia tốc — thời gian (a — t) trong dao động điêu hòa.
0.9-
0.6-
8.4- 0.2-
Luc (N) 0.0-
-1..-
-0.4- -0.6-
-0.9-| 1 1 1 1 1 1 1 l 1 \ 1 1 1 1 1 1
-4.0 -35 -3.0 -25 -20 -15 -10 -05 00 05 10 15 20 25 30 35 40
Hình 4. 11. Đồ thị luc — gia tốc (F — a) trong dao động diéu hòa.
Đồ thị a —t có dạng hình sin của dao động điều hòa, gia tốc và lực biến thiên tuần hoàn theo thời gian và cùng pha với nhau. Biểu diễn hai đại lượng a và F trên cùng một đồ thị (hình 4.11) ta thấy nó có dạng gần đúng đường thang tuyến tính phù hợp với định