SỰ BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG


1. Mục Đích:

Xác minh Định luật bảo toàn động lượng sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu;

Tìm hiểu Định luật bảo toàn động lượng qua va chạm mềm và va chạm tuyệt đối đàn hồi;

Nắm vững kĩ năng thí nghiệm 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

Hai cổng quang điện cùng với thiết bị kết nối

Thanh gắn kim loại dùng cho cổng quang điện

Xe trượt và đường ray

Giá đỡ

Cân

Băng keo

Chú ý: Phương pháp Hồi quy tuyến tính sẽ được dùng trong thí nghiệm này.

Thí nghiệm 10-1. Tìm hiểu sự bảo toàn động lượng trong va chạm mềm

Sự bảo toàn động lượng trong va chạm mềm

Khi hai vật va chạm vào nhau, vectơ tổng động lượng của hai vật được bao toàn tức là vectơ tổng động lượng của hai vật trước và sau vạ chạm là như nhau. Trong trường hợp va chạm mềm, một vật đang di chuyển theo một hướng nào đó, va chạm vào một vật đang đứng yên, sau đó cả hai vật nhập làm một sau va chạm chuyển động cùng hướng ban đầu với vật thứ nhất. Bằng định luật bảo toàn động lượng, chúng ta thiết lập được phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa vận tốc ban đầu của vật thứ nhất và vận tốc của hệ hai vật sau va chạm:

Với ν kí hiệu vận tốc của hệ hai vật sau va chạm, ν1 và m1 lần lượt kí hiệu vận tốc của vật thứ nhất trước lúc va chạm và khối lượng tương ứng của nó, và m2 kí hiệu khối lượng của vật đứng yên (trước va chạm).

Nối một aMixer vào máy tính đồng thời nối một cảm biến chuyển động vào CH1 của aMixer, nối hai cổng quang điện vào CH2 và CH3. 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 5: Sự bảo toàn Động lượng

Gắn băng keo vào mặt trước của một xe trượt (kí hiệu là xe trượt A) và gắn băng keo vào đuôi của xe trượt còn lại (xe trượt B). Gắn miếng kim loại vào hai xe trượt (xem Hình 1).

Đo khối lượng tổng cộng của xe trượt A (kí hiệu ) và ghi lại số liệu vào bảng 1. Tương tự như vậy, đo khối lượng tổng cộng của xe trượt B (kí hiệu ) và ghi lại số liệu vào bảng 1.

Sau đó tính  và ghi lại số liệu vào bảng 1.

Đặt đường ray lên mặt bàn.

Kẹp Cảm biến chuyển động vào giá đỡ, để cảm biến chuyển động cách đầu bên trái của đường ray khoảng 15 cm, đồng thời điều chỉnh cho bộ phận cảm ứng của cảm biến chuyển động hướng về phía đường ray (xem Hình 2).

Đặt xe trượt A lên đầu trái của đường ray sao cho đầu trước của xe trượt hướng về bên phải (xem Hình 3).

Gắn một miếng hãm vào đầu bên phải của đường ray. Sau đó đặt xe trượt AB lên đầu phải của đường ray sao cạnh bên phải của xe trượt cách miếng hãm khoảng 25 cm, đồng thời đuôi xe trượt hướng sang bên trái (xem Hình 4).

Sử dụng bộ nối để kết nối đế của hai cổng quang điện (xem Hình 5) và gắn thanh kim loại vào 1 trong 2 cổng quang điện. 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.

Kẹp thanh kim loại gắn vào cổng quang điện vào giá đỡ ở một độ cao sao cho cổng quang điện bên trái cách miếng hãm 25.5 cm (khi đó miếng kim loại gắn vào xe trượt B sẽ ngay sát bên trái của cặp cổng quang điện). Điều chỉnh độ cao của cặp cổng quang điện sao cho miếng kim loại gắn vào xe trượt B sẽ chắn ánh sáng phát ra từ cổng quang điện khi nó đi qua cặp cổng quang điện (xem Hình 6).

.

Thí nghiệm lần1

Bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu.

Đẩy nhẹ xe trượt A sang bên phải sao cho xe trượt A bắt đầu di chuyển về hướng xe trượt B.

Chú ý:

Trong thí nghiệm với va chạm mềm (và cả va chạm đàn hồi trong thí nghiệm 10-2), chúng ta không nên đẩy xe trượt quá mạnh để đạt vận tốc cao, vì điều đó sẽ dẫn đến một loại va chạm rất phức tạp (không mong muốn). Vận tốc cuối cùng của xe trượt A trong khoảng từ 0.2 ms1 tới 0.5 ms1 thường cho kết quả thí nghiệm tương đối chính xác.

Sử dụng đồ thị quãng đường theo thời gian thu được từ Cảm biến chuyển động để dựng đồ thị vận tốc theo thời gian cho xe trượt A. Từ đó xác định , vận tốc của xe trượt A ngay trước va chạm và ghi số liệu đó vào Bảng 2 ở phần Thí nghiệm lần 1.

Thí nghiệm lần 2, 3, 4 và 5

Đặt 2 xe trượt trở về vị trí ban đầu. Sau đó đẩy xe trượt A hơi mạnh hơn lần thí nghiệm 1 một chút để xác định ν1, vận tốc của xe trượt A, và đồng thời xác định ν, vận tốc của hệ hai xe trượt bằng phương pháp vừa sử dụng ở trên. Ghi lại giá trị của  ν và ν1 vào Bảng 2 ở phần Thí nghiệm lần 2.

Lặp lại các bước thí nghiệm trên 3 lần, từ từ tăng dần lực đẩy vào xe trượt A.  Sau đó ghi lại các số liệu tương ứng vào Bảng 2 ở phần Thí nghiệm lần 3, 4, 5.

Phân tích

Sử dụng phần mềm Addestation để đánh dấu các điểm (ν1, ν) đã ghi lại ở Bảng 2 trên màn hình đồ thị  theo .

Sau đó sử dụng công cụ phân tích dữ liệu để dựng một đường thẳng đi qua hầu hết các điểm (“ăn khớp” nhất với tất cả các điểm đánh dấu) và xác định hế số góc của đường thẳng đó.

Nhận xét về tính chính xác của phương trình , giải thích và chứng minh câu trả lời của bạn.

Thí nghiệm 10-2. Tìm hiểu sự bảo toàn động lượng trong va chạm Đàn hồi

Sự bảo toàn động lượng trong va chạm đàn hồi

Trong trường hợp va chạm đàn hồi, khi một vật chuyển động va chạm vào một vật cố định cùng khối lượng, sự bảo toàn động lượng dẫn tới mối liên hệ về vận tốc như sau:

ν = ν1

Với ν là vận tốc sau va chạm của vật ban đầu đứng yên và ν1 là vận tốc ban đầu của của vật chuyển động (trước va chạm).

Đặc biệt, vật lúc đầu chuyển động sẽ dừng lại sau va chạm đàn hồi.

Bỏ băng keo dĩnh vào hai xe trượt. Gắn một vòng hãm vào đầu của một xe trượt (gọi là xe trượt A) và một vòng hãm vào đuôi của xe trượt còn lại (xe trượt B).  (xem Hình 7.)

Lặp lại các bước thí nghiệm trong Thí nghiệm 10-1 để đo vận tốc của xe trượt A trước khi va chạm và vận tốc của xe trượt B sau va chạm, chú ý các điểm sau:

Xe trượt A được đặt ở bên trái của đường ray với vòng hãm của xe trượt A hướng sang bên phải và xe trượt B được đặt trên của đường ray với vòng hãm của xe trượt B hướng sang bên trái, đồng thời miếng kim loại của xe trượt B ngay ở bên trái của cặp cổng quang điện;

Xe trượt A sẽ dừng lại sau va chạm trong khi xe trượt B, ban đầu cố định , sẽ chuyển động vè bên phải;

Vận tốc của xe trượt A trước va chạm được kí hiệu là , và vận tốc của xe trượt B sau va chạm được kí hiệu là , cả hai giá trị này đều được ghi lại vào Bảng 3 qua 5 lần thí nghiệm;

Giả thiết khối lượng của xe trượt A và B là bằng nhau.

Sử dụng phần mềm Addestation để đánh dấu các điểm đã ghi lại ở Bảng 3 trên màn hình đồ thị ν theo ν1.

Sau đó sử dụng công cụ phân tích dữ liệu để dựng một đường thẳng đi qua hầu hết các điểm (“ăn khớp” nhất với tất cả các điểm đánh dấu) và xác định hệ số góc của đường thẳng đó.

Nhận xét về tính chính xác của phương trình ν = ν1, giải thích và chứng minh câu trả lời của bạn.

Thí nghiệm 10-3. Thiết kế, bố trí và xác minh thí nghiệm

Trong Thí nghiệm 10-2, chúng ta đo vận tốc của xe trượt A and B sử dụng một cảm biến chuyển động và hai cổng quang điện.

Trong Thí nghiệm này, bạn hãy thiết kế một thí nghiệm tương tự để đo vận tốc của xe trượt A và B với sự bố trí như Thí nghiệm 10-2, nhưng chỉ sử dụng hai cổng quang điện má không sử dụng cảm biến chuyển động nào (bạn có thể sử dụng thêm các dụng cụ thí nghiệm khác trong phòng thí nghiệm, nhưng không được sử dụng các cảm biến). Thí nghiệm này sẽ giúp bạn phát triển kĩ năng thiết kế và bố trí thí nghiệm với những điều kiện ràng buộc. Trong trường hợp này, điều kiện ràng buộc là bạn bị giới hạn về số cảm biến.

Mô tả thí nghiệm, tập trung mô tả phương pháp xác định vận tốc của hai xe trượt chỉ sử dụng hai cổng quang điện (Viết câu trả lời vào khoảng trống với đường kẻ ngang cho bên dưới). Nêu lên các giả thiết đặt ra và nhận xét về tính hiệu lực, thực tiễn của các giả thiết đó.

Hãy thực hiện thí nghiệm để xác định xem ý tưởng của bạn có khả thi hay không?

3. Đồ dùng cần thiết:

4. Thực hành: