SỰ CHUYỂN HÓA & BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG


SGK Lớp 10 – Bài 23 – Trang 122

1. Mục Đích:

Tìm hiểu Định luật bảo toàn Năng lượng sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu trong thí nghiệm về động năng và thế năng của quả bóng đập nảy;

Tìm hiểu tiện ích của công cụ phân tích dữ liệu cùng với thiết bị thu thập dữ liệu.

2. Chuẩn bị lý thuyết:

Một aMixer (thiết bị thu thập dữ liệu)

Một cảm biến chuyển động.

Bộ thí nghiệm động lực học

Sự bảo toàn năng lượng của một vật rơi tự do

Khi một vật rơi tự do dưới sự ảnh hưởng của trường trọng lực, tổng thế năng (PE) và động năng (KE) tại mọi thời điểm trong quá trình rơi sẽ không đổi. Hiện tượng vật rơi tự do là một hiện tượng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày thể hiện sự bảo toàn năng lượng.  Sự bảo toàn năng lượng thể hiện qua phương trình toán học sau:

PE + KE = const

Với const là một hằng số. Do  PE = mgh KE = ½ mv2, với m, vh lần lượt kí hiệu khối lượng, vận tốc và độ cao của vật rơi tự do, và g kí hiệu gia tốc rơi tự do, phương trình trên có thể biểu diễn dưới dạng sau:

mgh + ½ mv2 = const

Thí nghiệm 9-1. Thực hiện đo đạc các giá trị cần thiết để tìm hiểu sự bảo toàn năng lượng sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu

Nối một aMixer vào máy tính đồng thời nối một cảm biến chuyển động vào aMixer. Điều chỉnh công tắc của cảm biến chuyển động ở mức “1.6 m”.  Sau đó click chuột mở bảng chọn “Hiệu Chỉnh Nhanh”, sau đó chọn “Bộ Addestation Cơ Học (Tự học)”, tiếp theo chọn “Bài 6: Sự bảo toàn năng lượng

Đặt bộ thí nghiệm động lực học lên mặt bàn. Đặt Cảm biến chuyển động thật vững trong lỗ hổng ở phía trên bảng giá đỡ và cho quả bóng bàn vào bên trong bốn trụ thẳng đứng của bộ thí nghiệm (xem Hình 1).

Bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu.

Nâng cao quả bóng bàn để đáy quả bóng cho tới độ cao khoảng 28 cm trên đế của giá đỡ (có thể dùng khoảng vạch chia trên bộ thí nghiệm để xác định độ cao của quả bóng).

Nhẹ nhàng thả quả bóng chú ý không tác dụng lực hướng lên hoặc hướng xuống (hoặc hướng ngang) lên quả bóng.

Dừng việc thu thập dữ liệu ngay khi quả bóng ngừng nảy. Bạn sẽ quan sát được đồ thị quãng đường theo thời gian trên màn hình quan sát Addestation.

Giảm độ chia “s/div” tới 0.25, và điều chỉnh “Vị trí đường ngang” để có thể quan sát bản phóng to của đồ thị (đồ thị thu được sẽ hiện ra tương tự như đồ thị Hình 2 dưới đây). In đồ thị khoảng cách theo thời gian thu được và gắn vào cùng với báo cáo thí nghiệm.

Thí nghiệm 9-2. Xác minh định luật bảo toàn Năng lượng sử dụng công cụ phân tích dữ liệu

Tiện ích của phần mềm

Việc xác minh định luật bảo toàn năng lượng không thật sự đơn giản vì phương trình PE + KE = const luôn chính xác tại mọi thời điểm trong quá trình rơi tự do.

Để thực hiện điều đó, chúng ta sẽ sử dụng công cụ máy tính để tính đồ thị mgh theo thời gian từ đồ thị khoảng cách theo thời gian, đồng thời chúng ta cũng tính đồ thị của ½ mv2 theo thời gian từ đồ thị vận tốc v theo thời gian. Sau đó chúng ta tính tổng của hai đồ thị để thu được đồ thị (mgh + ½ mv2) và xác minh xem đồ thị này có phải là một hằng số (đường thẳng nằm ngang) trong suốt quá trình rơi tự do hay không.

Giả thiết khối lượng của quả bóng bàn là 2.5 g.

Đặt khoảng cách xác định từ đồ thị khoảng cách theo thời gian là d (nói một cách chính xác, khoảng cách phải là d(t) vì khoảng cách phụ thuộc vào thời gian, t), và gọi  độ cao từ bộ phận cảm ứng của cảm biến chuyển động tới đáy của bộ thí nghiệm động lực học là H, bạn có thể sử dụng giá trị 49 cm.

Sau đó từ đồ thị khoảng cách theo thời gian, dựng đồ thị thế năng theo thời gian dự trên phương trình PE = mg(Hd) và lưu vào Kênh 4. In đồ thị thu được và gắn vào cùng với báo cáo thí nghiệm.

Biểu thức (Hd) trong phương trình “PE = mg(Hd)” có ý nghĩa vật lý gì?

Từ đồ thị vận tốc theo thời gian, dựng đồ thị động năng theo thời gian dự trên phương trình KE = ½ m v2 và lưu vào Kênh 5. In đồ thị thu được và gắn vào cùng với báo cáo thí nghiệm.

Tính tổng của hai đồ thị: đồ thị thế năng theo thời gian lưu ở Kênh 4 và đồ thị động năng theo thời gian lưu ở Kênh 5, lưu đồ thị vừa thu được ở Kênh 6. In đồ thị thu được và gắn vào cùng với báo cáo thí nghiệm.

Một đồ thị mẫu (PE + KE) theo thời gian được thể hiện trong Hình 2 để tham khảo.

Xác định các vùng của đồ thị (PE + KE) theo thời gian trong quá trình từ lúc quả bóng bàn được thả rơi tự do cho tới thời điểm quả bóng đập vào sàn lần đầu tiên. Khoanh tròn vùng đồ thị đó trong bản in đồ thị của bạn.

Nhận xét về tính chính xác của định luật bảo toàn năng lượng dựa trên giá trị (PE + KE) trong vùng đánh dấu.

Tính độ chênh lệch giữa giá trị của (PE + KE) ở độ cao lớn nhất (có thể quan sát được từ vùng đánh dấu ở bước 8) và giá trị đó ở các độ cao thấp hơn theo thời gian.

Đồng thời nhận xét về tính chính xác của định luật bảo toàn năng lượng dựa trên giá trị (PE + KE) trong các vùng có độ cao thấp hơn.

Chúng ta tìm hiểu định luật bảo toàn năng lượng trong trường hợp một vật rơi tự do.  Dựa trên vùng đồ thị thích hợp của đồ thị (PE + KE) theo thời gian, nhận xét về định luật bảo toàn năng lượng trong trường hợp một vật được ném thẳng đứng dưới ảnh hưởng của trường trọng lực. Hãy nêu rõ vùng đồ thị nào bạn sử dụng.