Hình 2.28. Bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng
- Máy vi tính có cài phần mềm GQY (1)
- Bộ xử lý tín hiệu DAS (2)
- Cặp cảm biến chuyển động (3)
- Cặp cảm biến lực (4)
- Máng nhôm dài 110 cm: trên máng có hai rãnh để hai bánh xe lăn trên theo đƣờng thẳng mà không bị trƣợt ra ngoài. (5)
- Hai xe lăn khối lƣợng 210g (6) - Giá đỡ, quả rọi, 4 gia trọng 20g. (7)
* Các thí nghiệm đƣợc tiến hành
Thí nghiệm 1. Nghiên cứu chuyển động thẳng đều
a) Mục đích thí nghiệm
- Khảo sát quy luật chuyển động thẳng đều của vật. - Minh hoạ tính chất chuyển động thẳng đều của vật. - Xác định vận tốc chuyển động thẳng đều của vật.
b) Bố trí thí nghiệm (1) (3) (4) (5) (6) (7) (7) (2)
Hình 2.29. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng
- Đặt máng nhôm lên giá đỡ, tăng dần độ nghiêng của máng cho tới khi
cân bằng ma sát.
- Lắp nguồn phát của cảm biến chuyển động lên xe, nguồn thu của cảm
biến chuyển động lên giá đỡ sao cho nguồn phát sóng âm và sóng hồng ngoại luôn thẳng hàng với nguồn thu của sóng âm và sóng hồng ngoại.
- Nối cảm biến chuyển động với DAS và nối DAS với máy vi tính.
c) Tiến hành thí nghiệm
- Bật núm Power khởi động bộ DAS.
- Mở phần mềm chạy thí nghiệm, kích vào biểu tƣợng để mở mẫu giao diện thí nghiệm bài “Chuyển động thẳng đều”.
- Bật nguồn phát tín hiệu trên cảm biến phát tín hiệu (đèn sáng). - Nhận cảm biến.
- Xe có khối lƣợng 210g, cảm biến có khối lƣợng 60g nên xe đặt yên trên máng nghiêng phải đặt thêm 3 gia trọng 20g để 2 vật có khối lƣợng 270g. - Đẩy nhẹ cho xe chuyển động, đồng thời bật ON để bắt đầu lấy số liệu; khi xe xuống gần tới chân mặt phẳng nghiêng thì nhấn nút Off để kết thúc quá trình. Tắt nguồn phát tín hiệu.
- Hiển thị bảng dữ liệu thí nghiệm gồm toạ độ x, vận tốc v theo thời gian t. - Hiển thị đồ thị vận tốc v theo thời gian t, chọn hàm khớp hàm vận tốc theo thời gian, rút ra quy luật chuyển động của vật.
- Hiển thị đồ thị độ dời x theo thời gian t, chọn hàm phít hàm toạ độ chuyển động theo thời gian, rút ra tính chất chuyển động của vật.
- Từ bảng số liệu thí nghiệm hoặc phƣơng trình toạ độ theo thời gian, xác định vận tốc của xe.
d) Kết quả thí nghiệm
Hình 2.30. Đồ thị v-t Hình 2.31. Đồ thị x-t
Khớp hàm vận tốc phụ thuộc thời gian (v-t) nhƣ hình trên ta đƣợc đồ thị là đƣờng thẳng gần nhƣ song song với trục Ot (v = 0,0121.t + 0,30650). Suy ra quy luật chuyển động thẳng đều và vận tốc tức thời không đổi theo thời gian và trƣờng hợp này vận tốc bằng 0,3065 m/s.
Đồ thị toạ độ chuyển động theo thời gian của vật (x-t) minh hoạ cho tính chất của chuyển động thẳng đều là đồ thị toạ độ chuyển động theo thời gian là một đƣờng thẳng. Đƣờng thẳng này có dạng x = 0,3088.t + 0,0002. Từ đồ thị toạ độ và vận tốc theo thời gian, ta suy ra đƣợc vận tốc chuyển động của vật, v = 0,3088 m/s.
Thí nghiệm 2: Nghiên cứu chuyển động thẳng biến đổi đều
a) Mục đích thí nghiệm
- Minh hoạ quy luật đƣờng đi của chuyển động thẳng biến đổi đều s ~ t2. - Khảo sát và rút ra quy luật chuyển động thẳng biến đổi đều.
- Kiểm nghiệm dấu hiệu nhận biết chuyển động thẳng nhanh dần đều đã đƣợc rút ra từ suy luận lý thuyết.
- Xác định gia tốc trong chuyển động thẳng nhanh dần đều.
b) Bố trí thí nghiệm
- Lắp nguồn phát của cảm biến chuyển động lên xe, nguồn thu của cảm biến chuyển động lên giá đỡ sao cho nguồn phát luôn thẳng hàng với nguồn thu.
- Nối cảm biến chuyển động với cục DAS và nối với máy vi tính. c) Tiến hành thí nghiệm
- Bật núm Power khởi động bộ DAS.
- Mở phần mềm chạy thí nghiệm, kích vào biểu tƣợng để mở mẫu giao diện thí nghiệm bài “Chuyển động thẳng biến đổi đều”.
- Bật nguồn phát tín hiệu của cảm biến trên xe (đèn sáng). - Nhận cảm biến.
- Cho xe chuyển động, đồng thời bật ON để thu thập số liệu; khi xe xuống gần tới chân mặt phẳng nghiêng thì nhấn nút Off để kết thúc quá trình. Tắt nguồn phát tín hiệu trên cảm biến phát tín hiệu.
- Hiển thị dữ liệu thí nghiệm gồm toạ độ x, vận tốc v theo thời gian t. - Hiển thị đồ thị sự phụ thuộc toạ độ x theo thời gian t, chọn và khớp hàm để rút ra tính chất chuyển động thẳng biến đổi đều của vật.
- Hiển thị đồ thị vận tốc theo thời gian t, chọn và khớp hàm để rút ra quy luật chuyển động của xe.
- Tính các Δs trong những khoảng thời gian Δt nhƣ nhau, kiểm nghiệm đƣợc dấu hiệu nhận biết chuyển động thẳng biến đổi đều.
- Xác định đƣợc gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều.
Hình 2.32. Đồ thị x-t Hình 2.33. Đồ thị v-t
Hình 2.34. Đồ thị gia tốc – thời gian
Thí nghiệm 3: Định luật bảo toàn động lượng
- Kiểm nghiệm định luật bảo toàn động lƣợng.
b) Bố trí thí nghiệm
Hình 2.35. Thí nghiệm về Định luật bảo toàn động lượng
- Đặt máng ở trạng thái cân bằng.
- Đặt hai xe trên máng, một xe có gắn nguồn phát tín hiệu, một xe không gắn nguồn phát tín hiệu, hai xe đặt cách nhau khoảng 40 cm.
- Gắn nguồn thu trên giá đỡ.
- Nối cảm biến với DAS và nối với máy tính.
c) Tiến hành thí nghiệm
- Bật núm Power khởi động bộ DAS.
- Mở phần mềm chạy thí nghiệm, kích vào biểu tƣợng để mở mẫu giao diện thí nghiệm bài “Định luật bảo toàn động lƣợng”.
- Bật nguồn phát tín hiệu trên cảm biến phát tín hiệu (đèn sáng). - Nhận cảm biến.
- Cho xe gắn nguồn phát tín hiệu chuyển động, đồng thời bật ON để thu thập số liệu; khi hai xe dính vào nhau chuyển động đến gần chân mặt phẳng thì nhấn nút Off để kết thúc quá trình.Tắt nguồn phát tín hiệu.
- Hiển thị dữ liệu thí nghiệm.
- Hiển thị đồ thị sự biến thiên x theo thời gian t.
- Quan sát đồ thị có hai giai đoạn chuyển động phân biệt, chọn và phít hàm cho hai giai đoạn, nhận xét về hệ số của hai đƣờng đó.
- Từ nhận xét về hệ số của hai đƣờng đó và tỉ lệ khối lƣợng của hai xe, rút ra kết luận định luật bảo toàn động lƣợng đƣợc nghiệm đúng.
d) Kết quả thí nghiệm
Hình 2.36. Đồ thị x ~ t khi hai xe khối lượng m=270g
Trên hình hai xe cùng có khối lƣợng m, vận tốc trƣớc va chạm của xe chuyển động tới là 0,2363m/s và vận tốc của hệ hai xe khối lƣợng 2m sau va chạm là 0,4938m/s. Từ trƣờng hợp trên và tổng quát trong nhiều trƣờng hợp khác, định luật bảo toàn động lƣợng đƣợc nghiệm đúng.