CHUYỂN ĐỘNG TRÒN


SGK Lớp 10 -Bài 5 – Trang 29

1. Mục Đích:

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.

2. 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

Thí nghiệm 7-1. 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 (xem 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 (xem 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 (xem 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

Thí nghiệm 7-2. 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 mr là các đại lượng không đổi(hằng số), thì fc µ 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 7-1 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 fv 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 fv.

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 fv thu được vào Bảng 1.

Tính giá trị (fmg), 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 (fmg) 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, fmg) đã ghi lại ở Bảng 1 lên màn hình của đồ thị (fmg) 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 (fmg) µ v2 không?  Giải thích 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 dr có bằng nhau không?  Giải thích và chứng minh cho câu trả lời.

Nếu bạn cho rằng về mặt lý thuyết dr có giá trị bằng nhau, hãy tính độ chênh lệch giữa hai giá trị xác định từ thí nghiệm nếu chúng không bằng nhau.