ĐỊNH LUẬT II NEWTON


SGK Lớp 10 – Bài 10 – Trang 59

1. Mục Đích:

Xác minh Định Luật thứ hai của Newton về chuyển động bằng thí nghiệm với thiết bị thu thập dữ liệu;

Tìm hiểu về phương pháp thiết kế và bố trí thí nghiệm;

Tìm hiểu về Định luật chuyển động của Newton

2.Dụng cụ thí nghiệm:

Một aMixer (thiết bị thu thập dữ liệu)

Một cảm biến chuyển động

Một cảm biến lực cùng với thanh gắn kim loại

Bộ xe trượt và đường ray

Dây (với độ dài ít nhất là 200 cm)

Một quả cân 100 g có thể treo dễ dàng bởi dây treo

Một cái kéo

Giá đỡ

Cân

Thí nghiệm 4-1. Xác minh định luật thứ hai của Newton về chuyển động bằng thiết bị thu thập dữ liệu và tìm hiểu về phương pháp thiết kế và bố trí thí nghiệm

Nối một aMixer vào máy tính đồng thời nối một cảm biến chuyển động và một cảm biến lực lần lượt vào CH1 và CH2 của aMixer. Điều chỉnh công tắc của cảm biến chuyển động ở mức “1.6 m”, và công tắc của cảm biến lực ở mức “±50 N”. Sau đó click chuột mở bảng chọn “Hiệu Chỉnh Nhanh”, sau đó chọn“Bộ Addestation Cơ học (Tự học)”, tiếp theo chọn “Bài 3: Các định luật Newton về chuyển động”.

Đặt đường ray AB (với A và B kí hiệu hai đầu của đường ray) trên bàn sao cho đầu B kéo dài ra ngoài mặt bàn khoảng 5cm.

Kẹp cảm biến chuyển động vào giá đỡ, và đặt nó cách đầu bên trái của đường ray khoảng 15 cm, đồng thời điều chỉnh cho bộ cảm ứng của cảm biến chuyển động hướng về phía đường ray (xem Hình 1).

Đặt thanh kim loại của Cảm biến lực vào lỗ trống ở giữa xe trượt (xem Hình 2). Đầu bên dưới của thanh kim loại có đường xoắn ốc. Từ đáy của xe trượt dùng ốc (kèm theo cùng với bộ thí nghiệm) vặn chặt để giữ cố định thanh gắn.

Sau đó gắn cảm biến lực vào thanh kim loại và vặn chặt cảm biến lực vào thanh kim loại, đồng thời gắn một miếng kim loại vào xe trượt (xem Hình 3).

Cân cả hệ thống bao gồm xe trượt cùng với cảm biến lực và miếng kim loại (để đơn giản hóa, cả hệ thống gồm 3 vật này được gọi chung là xe trượt). Kí hiệu khối lượng của xe trượt là m và ghi lại giá trị đó vào Bảng 1. Ba cột cuối cùng của Bảng 1 sẽ được dùng để ghi số liệu trong quá trình thí nghiệm.

Đặt xe trượt ở giữa đường ray sao cho móc treo của cảm biến lực hướng về phía đầu B của đường ray.

Điều chỉnh độ cao của cảm biến chuyến động sao so với mặt bàn sao cho bộ phận cảm ứng của cảm biến chuyển động hướng về tâm của miếng kim loại gắn vào với xe trượt.

Bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu thí nghiệm.

Điều chỉnh cảm biến lực về 0.

Điều chỉnh hướng của bộ phận cảm ứng của cảm biến chuyển động sao cho khoảng cách từ cảm biến chuyển động đến xe trượt được xác định một cách chính xác trên màn hình quan sát. Di chuyển xe trượt tới đầu B của đường ray và kiểm tra để đảm bảo rằng khoảng cách từ cảm biến chuyển động đến xe trượt luôn được xác định chính xác trên màn hình quan sát. (Nếu khoảng cách hiện thị trên màn hình không chính xác, điều chỉnh bộ phận cảm ứng của cảm biến chuyển động cho đến khi khoảng cách đo được trong cả hai trường hợp trên đều chính xác).

Gắn chặt một bánh xe vào đầu B của đương ray. Đầu tiên, gắn chặt khối trượt vào đầu B của đường ray (xem Hình 4a), và sau đó gắn chặt bánh xe vào kẹp bánh xe (xem Hình 4b). Cuối cùng, vặn chặt cái kẹp bánh xe vào khối trượt (xem Hình 4c).

Đồng thời đặt một khối hãm ở bên tay phải của đường ray (xem Hình 5), để tránh trường hợp xe trượt đâm trực tiếp vào khối trượt.

Một đầu dây được buộc vào móc của của cảm biến lực và đầu còn lại buộc vào quả cân 100 g, sau đó để dây treo vòng qua bánh xe (dây luồn qua lỗ của khối hãm) với quả cân được treo thẳng đứng bên dưới (xem Hình 6). Chiều dài của sợi dây cần đủ để khi xe trượt ở vị tí đầu A của đường ray, đáy của quả cân cách sàn khoảng 30 cm khi sợi dây căng.

Chú ý: Luôn luôn để quả cân nằm nhẹ nhàng trên sàn khi bạn chưa cho xe trượt chuyển động. Khi đó, xe trượt sẽ không nằm ở vị trí đầu A của đường ray mà nằm ở khoảng giữa đường ray.

Nhẹ nhàng kéo xe trượt cách đầu A của đường ray khoảng 2 cm từ đầu A và giữ nguyên xe trượt ở vị trí đó.  Lúc này, quả cân sẽ được nâng lên độ cao khoảng 30 cm so với mặt sàn.

Nhẹ nhàng thả xe trượt.

Bạn sẽ quan sát được đồ thị khoảng cách theo thời gian cùng với đồ thị lực tác dụng theo thời gian trên màn hình quan sát Addestation. Từ đồ thị quãng đường (khoảng cách) theo thời gian, dựng đồ thị vận tốc theo thời gian, đồ thị vận tốc theo thời gian sẽ hiển thị trên màn hình quan sát cùng với đồ thị lực tác dụng theo thời gian và đồ thị khoảng cách theo thời gian. In các đồ thị đó (Đặt tên là bản in 1) và kẹp vào báo cáo thí nghiệm.

Từ đồ thị vận tốc theo thời gian, dựng đồ thị gia tốc theo thời gian, đồ thị đồ thị gia tốc theo thời gian sẽ hiển thị trên màn hình quan sát cùng với đồ thị lực tác dụng theo thời gian và đồ thị khoảng cách theo thời gian. In các đồ thị đó (Đặt tên là bản in 2) và kẹp vào báo cáo thí nghiệm.

Để tiện lợi cho việc thảo luận, một đồ thị lực tác dụng theo thời gian mẫu thu được trong thí nghiệm với cách bố trí tương tự được cho ở hình 7. Bạn sẽ quan sát được lực tác dụng đo bởi cảm biến lực đạt giá trị cực đại ngay trước khi xe trượt được thả tự do (vùng mà lực tác dụng đạt giá trị cực đại được kí hiệu là vùng 1 trong Hình 7). Sau đó lực tác dụng giảm dần sau khi xe trượt được thả tự do và lực gần như không đổi trong một khoảng thời gian (vùng 2). Tiếp đó, lực tác dụng giảm tới 0 (vùng 3), rồi sau đó lực tác dụng có giá trị âm (vùng 4). Cuối cùng, lực tác dụng lại trở về 0 (vùng 5).

Xác định và chỉ ra rõ ràng năm vùng trên trong đồ thị lực tác dụng theo thời gian ở Bản in 1 mà bạn vừa thu được.

Đánh dấu vùng 2 trên màn hình quan sát. Sau đó xác định giá trị trung bình của gia tốc (được kí hiệu là ) và giá trị trung bình của lực tác dụng đo bởi cảm biến lực (được kí hiệu là ) trong vùng đang khảo sát, ghi lại các số liệu đó vào Bảng 1. Tính giá trị m ghi lại số liệu đó vào Bảng 1.

và  có ý nghĩa vật lý như thế nào?

Xác minh Định luật chuyển động thứ hai của Newton bằng cách kiểm tra xem giá trị  có gần với giá trị mhay không. Tính toán độ chênh lêch, nếu có.

Trong thí nghiệm trên, bánh xe đóng vai trò gì? Lực ma sát gây ra bởi bánh xe và dây có ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm như thế nào?

Khối lượng của quả cân treo có ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm như thế nào?

Thí nghiệm 4-2. Tìm hiểu Định luật thứ hai về chuyển động của Newton

Mô tả trong Bảng 2 những quan sát của bạn về vận tốc và gia tốc trong năm vùng của lực tác dụng xác định ở trên.

Dựa vào các Định luật chuyển động của Newton, tính lực tác dụng, vận tốc và gia tốc trong năm vùng khảo sát, chú ý sử dụng sự chuyển động của xe trượt và quả cân 100 g. Sau đó ghi các số liệu tính toán tương ứng vào dòng cuối cùng của Bảng 2.

3. Đồ dùng cần thiết:

4. Thực hành: