2. Các bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng đã có
2.3 Bộ thí nghiệm máng CT 10-2
Nguyên tắc hoạt động:
Vật là viên bi có đường kính d lăn trên 1 máng có thể thay đổi góc nghiêng. Bộ thí nghiệm có 2 cổng quang, 1 đồng hồ hiện số. Đồng hồ liên kết với 2 cổng quang, có nhiều chế độ: đồng hồ có thể đo thời gian các cổng quang bị che lấp, đo thời gian từ lúc cổng 1 bị che đến lúc cổng 2 bị che. Tùy vào phương án đo mà sử dụng đồng hồ và cổng quang cho hợp lí. Từ thời gian hiện trên đồng hồ, đường kính viên bi, khoảng cách 2 cổng quang ta xác định được vận tốc, gia tốc của vật.
Ưu điểm:
• Thời gian đo bằng đồng hồ hiện số, vật lăn trên máng ít ma sát do đó sai số nhỏ.
• Gọn nhẹ, dễ sử dụng. Nhược điểm :
• Phải thực hiện nhiều lần thí nghiệm để nghiên cứu cùng một chuyển động
• Không sử dụng được để nghiên cứu định luật bảo toàn động lượng
• Dụng cụ đòi hỏi chi phí cao
2.4 Bộ thí nghiệm về lực tương tác giữa hai xe lăn:
- Bố trí thí nghiệm: Hình 3 Hình 2.3 Bộ thí nghiệm máng CT 10-2 Hình 2.4: Bộ thí nghiệm về lực tương tác giữa hai xe lăn
- Nguyên tắc hoạt động:
Hai xe được nối với nhau bằng sợi dây cước có một nút buộc vào thanh sắt nhỏ nằm ngang ở giữa dây. Khi đốt sợi chỉ buộc ép lò xo ở đầu xe lăn thứ nhất thì lò xo bật ra, làm hai xe tương tác với nhau và chuyển động ngược chiều nhau. Khi dây cước được kéo căng, nó sẽ bị buộc chặt vào thanh sắt nhỏ và làm hai xe dừng lại. Ta đo được quãng đường mà hai xe đi được trong cùng một khoảng thời gian, từ đó tính được vận tốc của từng xe. Coi vận tốc này là vận tốc lúc xe dừng lại ta tính được gia tốc của từng xe. Với vận tốc ban đầu là vận tốc lúc hai xe bắt đầu tương tác. Biết khối lượng và gia tốc của hai xe ta có thể so sánh được độ lớn lực tương tác của hai xe.
Phương và chiều của lực tương tác chính là phương và chiều chuyển động của hai xe - Ưu điểm:
• Bộ thí nghiệm hoạt động với nguyên tắc dễ hiểu đối với học sinh
• Bộ thí nghiệm gọn nhẹ, rẻ tiền nên có thể sử dụng rộng rãi ở các trường phổ thông.
• Kết quả thí nghiệm dễ xử lý để đưa ra kết luận cho bài học - Nhược điểm:
• Bộ thí nghiệm cho kết quả bằng cách đánh dấu bằng sợi dây cước nên sai số lớn
• Khi tiến hành thí nghiệm phải chú ý nhiều chi tiết như quấn chỉ, đốt chỉ, buộc dây cước để kết quả thu được có độ chính xác hơn
2.5 Bộ thí nghiệm sử dụng đồng hồ tương tác từ
+ Nguyên tắc hoạt động
- Vật là hai xe lăn, một xe có gắn giá để gia trọng, một xe có gắn đồng hồ tương tác từ. Xe chuyển động trên một máng có gắn thanh ray dẫn điện, điện đưa vào các thanh ray bằng các dây nối từ nguồn thứ cấp của biến thế 220V-12V.
- Giữa 2 thanh ray có 1 băng giấy, trên đồng hồ gắn 1 ngòi bút, khi đồng hồ hoạt động và xe chuyển động thì ngòi bút chấm đều đặn trên băng giấy. Hình ảnh chấm mực trên băng giấy cho ta thông tin chuyển động của vật.
+ Ưu điểm
• Bộ thí nghiệm hoạt động với nguyên tắc dễ hiểu đối với học sinh
• Chỉ tiến hành một lần thí nghiệm cho một chuyển động nhưng thu được nhiều số liệu.
• Bộ thí nghiệm gọn nhẹ, rẻ tiền có thể sử dụng rộng rãi ở các trường phổ thông.
• Kết quả thí nghiệm dễ xử lý để đưa ra kết luận cho bài học + Nhược điểm
• Pit tông, xi lanh ngắn nên đồng hồ lắc rất mạnh
• Ma sát lớn nên kết quả thí nghiệm vẫn còn sai số
• Không nghiên cứu được định luật III Niu tơn
2.6 Bộ thí nghiệm nghiên cứu định luật III Niu – tơn
+ Nguyên tắc hoạt động
- Vật là hai xe lăn, một xe có gắn giá để gia trọng, một xe treo gia trọng. Đồng hồ tương tác từ được gắn trên hai xe. Xe chuyển động trên một máng có gắn thanh ray dẫn điện, điện đưa vào các thanh ray bằng các dây nối từ nguồn thứ cấp của biến thế 220V-12V. - Bên cạnh 2 thanh ray có 1 băng giấy, trên đồng hồ gắn 1 ngòi bút, khi đồng hồ hoạt động và xe chuyển động thì ngòi bút chấm đều đặn trên băng giấy. Hình ảnh chấm mực trên băng giấy cho ta thông tin chuyển động của vật.
+ Ưu điểm
• Bộ thí nghiệm hoạt động với nguyên tắc dễ hiểu đối với học sinh
• Chỉ tiến hành một lần thí nghiệm cho một chuyển động nhưng thu được nhiều số liệu.
• Bộ thí nghiệm gọn nhẹ, rẻ tiền có thể sử dụng rộng rãi ở các trường phổ thông.
• Kết quả thí nghiệm dễ xử lý để đưa ra kết luận cho bài học + Hạn chế : Không nghiên cứu được :
•Các dạng chuyển động thẳng
•Định luật I Niu – tơn
•Định luật II Niu – tơn
•Định luật bảo toàn động lượng
=> Từ hạn chế của hai bộ thí nghiệm có sử dụng đồng hồ tương tác từ trên, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo bộ thí nghiệm có thể đáp ứng được đầy đủ hơn nhu cầu của người sử dụng.
3. Thiết kế bộ thí nghiệm
3.1 Ý tưởng
Đồng hồ đo thời gian kiểu tương tác từ vẫn là một gợi ý quan trọng trong việc thiết kế chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng mới. Bởi vì :
• Đồng hồ có thiết kế nhỏ gọn
• Sử dụng nguồn điện 12V đảm bảo nguyên tắc an toàn.
• Nguyên tắc hoạt động dễ hiểu
Ứng dụng đồng hồ đo thời gian tương tác từ trong chế tạo bộ thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng mới: lắp đồng hồ lên vật và thiết kế hệ thống đưa điện lên đồng hồ, hệ thống này hoạt động ổn định trong khi xe chuyển động.
Ý tưởng cho hệ thống dẫn điện: đồng hồ lắp trên 1 xe, nối với các bánh xe (bánh xe làm bằng kim loại dẫn điện), xe chuyển động trên các thanh ray dẫn điện, điện đưa vào các thanh ray bằng các dây nối từ nguồn thứ cấp của biến thế 220V-12V.
Ý tưởng cho hệ thống ghi lại chuyển động: bên cạnh 1 thanh ray có 1 băng giấy được giữ chắc và phẳng, trên đồng hồ gắn 1 ngòi bút, khoảng cách giữa ngòi bút và băng giấy có thể thay đổi sao cho khi đồng hồ hoạt động và xe chuyển động thì ngòi bút chấm đều đặn trên băng giấy.
Khi nghiên cứu định luật III Niu- tơn, ta sử dụng gia trọng nối vào xe bằng một sợi dây nên ta phải xẻ rãnh trên máng để sợi dây xuyên qua và phải để hệ thống này trên một độ cao nhất định nhờ hai chân đế.
Ngoài ra cần có thêm các bộ phận khác: Bộ phận cung cấp vận tốc ban đầu cho vật Bộ phận chặn xe
Hai chân đế để nghiên cứu định luật II và định luật III Niu-tơn. Bộ phận đo góc nghiêng, bộ phận đỡ gia trọng
3.2 Mô hình bộ thí nghiệm
Líp: K57 B - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội
Chân đế Bộ phận đo góc nghiêng Đồng hồ Gia trọng máng Thanh ray Sợi dây Chân đế Biến thế 220V-12V Đồng hồ Gia trọng máng Thanh ray Sợi dây Chân đế Biến thế 220V-12V 220V Biến thế 220V- 12V Súng vận tốc Bộ phận chặn xe Xe định luật bảo toàn động lượng
4. Chế tạo bộ thí nghiệm4.1 Máng và các thanh ray (1) 4.1 Máng và các thanh ray (1)
- Máng: tấm gỗ có kích thước 101x12x2,5 (cm) có xẻ rãnh ở giữa. - Rãnh có kích thước 80x1,5x2,5 (cm)
- Thanh ray: sử dụng thanh ray trong các cửa khung nhôm kính (các thanh ray này không có lớp mạ cách điện). Cố định các thanh ray lên máng: khoảng cách 2 thanh ray là 5cm, chiều dài thanh ray là 100cm. Thanh ray được nối với nguồn điện bằng các chốt điện.
- Băng giấy và bộ phận giữ giấy: băng giấy có chiều dài là 84cm, chiều rộng là 2,5cm, băng giấy được kẹp giữa 1 nam châm và 1 miếng sắt trong đó nam châm được cố định trìm dưới máng; có 4 nam châm như thế.
Đồng hồ Gia trọng Bộ phận đỡ vật máng Thanh ray Sợi dây Chân đế Biến thế 220V-12V Nguồn 220V Hình 3.2 :Mô hình bộ thí nghiệm
4.2 Các xe
- Các bánh xe:
• Không tận dụng được bánh xe trong các cửa khung nhôm kính do các bánh xe này sử dụng ổ bi chất lượng kém mà đó lại là loại ổ bi có kích thước chuyên dụng, không phổ biến.
• Chế tạo bánh xe mới: sử dụng khung bánh xe cũ (bánh xe của cửa khung nhôm); tiện bánh xe mới có kích thước phù hợp với khung bánh xe, với đường ray, bánh xe quay xung quanh trục là các chốt đồng có kích thước phù hợp.
- Tấm gỗ làm thân xe: có kích thước 12x8x1.1 (cm) Ròng rọc: được chế tạo bằng đồng và gắn trên xe
Móc buộc dây: được chế tạo bằng sắt tây, có một lỗ nhỏ để xuyên dây, được gắn trên xe còn lại.
- Đồng hồ: chế tạo đồng hồ theo thiết kế mới với pit tông và xi lanh dài hơn để giảm sự rung lắc, có một trục nằm ngang để chỉnh vị trí của đồng hồ trên xe (trên xe có 1 trục với kích thước phù hợp với lỗ tròn)
- Lắp ráp các xe:
• Lắp các bánh xe sao cho khoảng cách giữa các bánh phù hợp với khoảng các hai thanh ray
• Lắp ròng rọc vào xe thông qua một trục nhỏ sao cho ròng rọc có thể quay quanh trục một cách dễ dàng
• Lắp móc buộc dây vào xe sao cho móc nằm phía trong xe để không kồng kềnh và kéo xe dễ dàng hơn, phải chốt chắc chắn móc buộc dây vào xe.
• Lắp đồng hồ lên xe sao cho khi đặt xe lên máng thì đồng hồ ở phía máng có chỗ trống để có thể đặt giấy phía dưới ngòi bút của đồng hồ.
• Lắp một trục cố định ở giữa hai xe để giữ quả nặng khi ta thay đổi khối lượng của xe.
4.3 Các bộ phận khác
• Bộ phận đỡ gia trọng (2)
• Bộ phận cung cấp vận tốc ban đầu cho vật [7] (3)
• Bộ phận chặn xe (4)
• Bộ phận đo sự thăng bằng (5)
• Bộ phận đo góc (6)
4.4 Các bộ phận dùng chung
• Hai chân đế (bộ phận nâng máng) (7)
• Gia trọng (8)
• Nguồn 220V-12V (9)
8 1 3 5 6 9 7 2
Hình 4.5 Bộ thí nghiệm sau khi chế tạo
5. Tiến hành thí nghiệm
5.1 Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng đều
Mục đích thí nghiệm:
Minh họa đặc điểm của chuyển động thẳng đều: chuyển động thẳng có vận tốc tức thời không đổi.
Xác định vận tốc chuyển động thẳng đều của vật Bố trí thí nghiệm
Đặt máng nằm ngang, lắp súng vận tốc vào máng
Nối điện từ hộp biến thế vào máng, từ nguồn vào hộp biến thế Đặt xe có gắn đồng hồ lên máng và sát với súng vận tốc
Gắn băng giấy lên máng, giữ giấy phẳng nhờ các nam châm và miếng sắt Tiến hành thí nghiệm:
Điều chỉnh bút ở đồng hồ sát với mặt giấy sao cho khi đồng hồ hoạt động bút vừa vặn chấm xuống mặt giấy.
Bật công tắc nguồn, công tắc đồng hồ cho đồng hồ bắt đầu hoạt động. Thả rơi quả nặng 600g trên trục của súng vận tốc để xe chuyển động
Khi xe chuyển động đến cuối máng, tắt đồng hồ, tắt nguồn, rút băng giấy ra để thu số liệu.
Dùng thước đo độ dời mà xe đi được trong khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp. Lặp lại thí nghiệm 2 lần với băng giấy khác. Từ đó rút ra kết luận về đặc điểm chuyển động của xe.
Kết quả thí nghiệm
S(mm) 6.0 7.0 6.5 6.5 6.5 7.0 6.5 7.0 7.0 7.0
V(m/s) 0.300 0.350 0.325 0.325 0.325 0.350 0.325 0.350 0.350 0.350
Chọn gốc tọa độ, mốc thời gian tại điểm bắt đầu khảo sát, ta có:
t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
x(mm) 0.0 6.0 14.0 19.5 26.0 32.5 42.0 45.5 56.0 63.0 70.0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 B x (m m ) t (s) 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 B v ( m /s ) t (s) chuyê Nhận xét:
Trong chuyển động thẳng đều, đồ thị s –t là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, đồ thị v –t là một đường thẳng song song với trục Ot .
Đồ thị vẽ được từ kết quả thực nghiệm cho ta kết luận, vật chuyển động thẳng đều
Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của tọa độ theo thời gian trong chuyển động thẳng đều
Đồ thị biểu diễn sự biến thiên vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng đều
5.2 Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động thẳng nhanh dần đều
Mục đích thí nghiệm:
Xác định tọa độ theo thời gian, vận tốc trung bình trong những khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp để từ đó vẽ đồ thị x-t và v-t
Xác định gia tốc chuyển động theo định nghĩa Bố trí thí nghiệm:
Xuyên trục nâng máng qua máng và lắp lên chân đế Lắp bộ phận đo góc lên máng
Nối điện từ nguồn vào biến thế, từ biến thế vào máng
Gắn băng giấy lên máng, giữ giấy phẳng nhờ các nam châm và miếng sắt Đặt xe có lắp đồng hồ lên máng và điều chỉnh độ cao của bút cho phù hợp Thí nghiệm được bố trí như hình:
Tiến hành thí nghiệm:
Nâng máng lên 1 góc, đưa xe lên đỉnh máng, bật công tắc cho đồng hồ hoạt động Thả tay để xe chuyển động trên máng. Khi xe chuyển động hết máng tắt công tắc, lấy băng giấy ra khỏi máng để thu số liệu.
Dùng thước đo độ dời của xe trong những khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp Tiến hành thí nghiệm với góc nghiêng khác.
Kết quả thí nghiệm - Với α=5o S(mm) 4.60 5.00 5.40 5.80 6.10 6.50 6.90 7.40 7.80 8.20 8.60 ∆S(mm) 0.40 0.40 0.40 0.30 0.40 0.40 0.50 0.40 0.40 0.40 a (m/s2) 1.00 1.00 1.00 0.75 1.00 1.00 1.25 1.00 1.00 1.00 • Đồ thị v - t
Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu khảo sát, ta có: t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 V(m/s) 0.305 0.322 0.338 0.355 0.371 0.388 0.406 0.424 0.442 0.455 0.474 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 v (m /s ) t (s) - Với α=8o S(mm) 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.00 9.50 ∆S(mm) 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.00 0.50 a (m/s2) 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 1.25 0.00 1.25 • Đồ thị v – t
Chọn gốc thời gian là lúc bắt đầu khảo sát, ta có:
t (s) 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 V(m/s) 0.354 0.373 0.392 0.413 0.433 0.454 0.476 0.498 0.520 0.540 0.563
-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 B va n to c v (m /s ) thoi diem t(s)
+ Nhận xét đồ thị: Trong chuyển động thẳng nhanh dần đều với vận tốc ban đầu khác 0, đồ thị v-t là một đường thẳng không đi qua gốc tọa độ. Đồ thị vẽ được từ kết quả thực nghiệm với 2 góc nghiêng 50 và 80 cho ta kết luận, vật chuyển động thẳng nhanh dần đều
5.3 Thí nghiệm nghiên cứu định luật II Niu-tơn
Mục đích thí nghiệm: kiểm nghiệm lại định luật II Niu tơn trong trường hợp: gia tốc mà một vật (khối lượng không đổi) thu được trong chuyển động thẳng nhanh dần đều tỉ lệ với lực tác dụng vào vật a~F