ĐỊNH LUẬT II NIU-TƠN (THÍ NGHIỆM 2)


SGK Vật lý 10 NC – Bài 15 – Trang 67

1. Mục tiêu

Thu được lực và gia tốc của xe trượt do lực kéo

Khảo sát mối liên hệ giữa lực và gia tốc tác dụng lên vật từ đó thu được hiểu biết sâu hơn về định luật II Niu-tơn

2. Chuẩn bị lý thuyết

Khái quát hóa từ rất nhiều quan sát và thí nghiệm, Niu-tơn đã xác định được mối liên hệ giữa lực, khối lượng và gia tốc, nêu lên thành định luật II Niu-tơn :

Vectơ gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vectơ gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vectơ lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

\displaystyle \overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}

Ví dụ, một chiếc xe đang đứng yên trên sàn nhà rất nhẵn. Ta đẩy (hoặc kéo) xe về phía nào thì xe chuyển động nhanh dần về phía đó. Như vậy, vectơ lực và vectơ gia tốc có cùng hướng. Nếu ta đẩy càng mạnh (lực càng lớn) thì xe tăng tốc càng nhanh (gia tốc lớn hơn).

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

– 1 aMixer MGA

– 1 cảm biến lực

– 2 cổng quang điện

– 1 tay cầm cổng quang (màu trắng)

– 1 bộ kết nối 2 cổng quang

– Những vật dụng trong bộ thí nghiệm cơ học – động lực học

+ 1 khối cố định với tấm chắn

+ 1 ròng rọc

+ 1 kẹp ròng rọc

+ 1 xe trượt với cán nhựa đen

– 1 móc treo vật nặng và các vật nặng (tổng 300 g)

– 1 dây (dài 150 cm)

– 1 trụ đỡ với 1 kẹp

– 1 thước mét

v200 Sơ đồ thí nghiệm

 

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết nối cảm biến lực vào CH 1 và 2 cổng quang điện vào CH 2 và CH 3 của MGA. Màn hình “Tự động lựa chọn cảm biến” xuất hiện. Chọn “Cảm biến lực (±10N)”, sau đó nhấn “Chạy”

Chú ý: Bảo đảm rằng công tắc của cảm biến lực được bật ở “±10N”

v201 lựa chọn thang đov201 công tắc cảm biến lực

 

Chuẩn bị đường dẫn

Bước 2: Đặt thanh đường dẫn AB lên bàn. Ở đây điểm A và B kí hiệu cho 2 đầu của thanh đường dẫn. Điểm B chồi ra khỏi mặt bàn khoảng 5 cm. Gắn khối cố định cùng tấm chắn vào đầu B của thanh đường dẫn. Sau đó gắn ròng rọc vào kẹp ròng rọc. Gắn kẹp ròng rọc vào khối cố định.

v215 gắn khối cố định và tấm chắn vào thanh đường rayv204 gắn ròng rọc vào kẹp ròng rọcv204 gắn kẹp ròng rọc vào khối cố định

 

Chuẩn bị xe trượt

Bước 3: Lắp đầu có ren của cán nhựa (màu đen) vào lỗ ở giữa xe trượt rồi dùng vít vặn vào ren của cán để cố định cán nhựa.

v222 gắn cán nhựa vào xe trượtv212 cố định thanh nhựa bằng ốc vít

 

Bước 4: Lắp lỗ giữa của cảm biến lực vào cán nhựa đến khi nó dừng tại mấu nhô ra của cán nhựa. Dùng vít trên cảm biến lực để cố định cảm biến.

v203 gắn cảm biến lực vào xe trượt

 

Bước 5:. Đặt xe lên thanh đường dẫn sao cho móc của cảm biến lực đối diện đầu B. Đặt đoạn dây nối của cảm biến lực với MGA lên mặt bàn và đảm bảo rằng dây sẽ trùng trong suốt thí nghiệm.

Bước 6: Đảm bảo rằng không có ngoại lực tác dụng lên móc của cảm biến lực. Nhấn vào biểu tượng bt21 và sau đó nhấn vào ô vuông bên cạnh “CH 1” sau đó nhấn “Chạy”. Khi đó, giá trị lực đọc được trên MGA sẽ đặt về không.

v206 chuẩn cảm biến

 

Bước 7: Gắn 2 cổng quang điện vào rãnh của bộ kết nối 2 cổng. Dùng vít cố định các cổng này. Gắn tay cầm (màu trắng) vào cổng quang điện.

v207 gắn cổng quang điện vào bộ kết nốiv207 dùng vít cố định cổng quang điệnv207 gắn cán nhựa vào cổng quang điện

 

Bước 8: Kẹp tay cầm cổng quang điện vào giá đỡ. Điều chỉnh bộ cổng quang điện sao cho ở giữa của thanh đường dẫn, điều chỉnh độ cao để cho cán nhựa màu đen che tia hồng ngoại phát ra từ cổng quang điện.

v208 gắn cổng quang vào giá đỡ

 

Bước 9: Buộc một đầu dây vào móc của cảm biến lực và đầu khác vào móc treo khối lượng 50 g.

Chú ý:

  • Trước khi buộc đầu dây vào móc treo khối lượng cần phải xuyên dây qua lỗ trên tấm chắn và điều chỉnh chiều cao ròng rọc sao cho dây không chạm vào lỗ.
  • Móc treo vật nặng cần phải đặt ở dưới sàn trước khi làm thí nghiệm.

v2010 gắn dây vào cảm biến lực và móc treo vật

 

II. Thu thập dữ liệu

Bước 10: Đặt xe trượt ở bên phải cổng quang điện và điều chỉnh vị trí sao cho móc treo cách mặt đất 30 cm và dùng tay giữ cho xe không chuyển động.

v2010 đặt xe lên thanh đường ray

 

Bước 11: Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Thả tay cho xe chuyển động. Sau khi xe trượt va vào tấm chắn ở đầu B thanh đường dẫn, nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Ta sẽ thu được 1 đồ thị lực-thời gian và 2 đồ thị hiệu điện thế-thời gian. Nhấn vào biểu tượng bt5 và phóng to khoảng giữa vùng trũng đỏ và xanh 2 lần.

v2011 đồ thị thu đượcv2011 phóng to đồ thị

 

Chú ý: Nếu khi phóng to đồ thị bạn không ấn vào giữa vùng trũng thì đồ thị sẽ bị lệch. Khi đó, ấn vào biểu tượng bt7 rồi ấn vào vùng rìa (màu vàng) để dịch chuyển đồ thị về vị trí mong muốn. Nếu ấn quá nhiều lần phóng to ta có thể nhấn vào biểu tượng bt6 rồi thu nhỏ đồ thị

v2011 dịch chuyển đồ thị

 

Bước 12: Nhấn vào biểu tượng bt8 , nhấn vào một điểm bên trái vùng trũng màu đỏ rồi rê qua bên phải vùng trung màu xanh, rồi nhả tay. Một hình chữ nhật màu cam sẽ xuất hiện biểu thị vùng được chọn. Nhấn vào biểu tượng bt19. Giá trị lực trung bình xuất hiện trên góc trên cùng bên phải (Ê:0,695N). Ghi lại vào Bảng 1.

v2012 giá trị trung bình

Bước 13: Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa đi giá trị vừa đọc được. Lại nhấn vào biểu tượng bt5 rồi nhấn nhiều lần vào khoảng giữa vùng trũng màu đỏ đến khi vùng trũng chiếm hơn 1/2 màn hình.

Bước 14: Nhấn vào biểu tượng bt8 sau đó nhấn vào cạnh đi xuống vùng trũng đỏ. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Ghi lại giá trị x (khoanh hình chữ nhật) thu được vào Bảng 1 ở cột giá trị t1 . Tiếp tục nhấn chọn vào cạnh đi lên của vùng trũng đỏ lại ghi lại giá trị x vào Bảng 1 ở cột giá trị t2 .

Chú ý: Ta có thể di chuyển dấu ‘+’ đến vị trí chính xác bằng cách sử dụng các phím mũi tên trên MGA.

v2014 đánh dấu điểm

 

Bước 15: Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa các dấu ‘+’ vừa đọc. Nhấn vào biểu tượng bt6 để thu nhỏ đồ thị tới khi cả 2 vùng trũng đỏ và xanh xuất hiện. Lặp lại bước 13, 14 với vùng trũng màu xanh rồi ghi lại giá trị thu được vào Bảng 1 ở cột t3, t4 .

Bước 16: Gắn thêm vật năng vào móc treo để tăng khối lượng vật nặng lên 100 g, 150 g, 200 g và 250 g. Lặp lại từ bước 10 đến 15 với mỗi lần tăng khối lượng.

v20b1

 

III. Phân tích kết quả

Từ Bảng 1 thu được ta sẽ sử dụng máy tính để tính các giá trị trong Bảng 2 để tìm ra gia tốc của xe trượt như sau:

v20b2

Trong đó:

{{t}_{t}}=\frac{{{t}_{1}}+{{t}_{2}}}{2}{{t}_{s}}=\frac{{{t}_{3}}+{{t}_{4}}}{2}

{{v}_{t}}=\frac{d}{\left( {{t}_{2}}-{{t}_{1}} \right)}{{v}_{s}}=\frac{d}{\left( {{t}_{4}}-{{t}_{3}} \right)}

(d là đường kính của cán nhựa đen, d = 0.012 m).

a=\frac{{{v}_{s}}-{{v}_{t}}}{{{t}_{s}}-{{t}_{t}}}

Sau đây ta sẽ vẽ đồ thị của F theo a:

Bước 17: Nhấn vào biểu tượng bt16 trong mục “Trình đơn công cụ”, chọn “Đầu vào dữ liệu riêng”, nhấn “Chạy”

v2311 đầu vào dữ liệu riêng

Bước 18: Nhấn vào biểu tượng btch (khoanh hình chữ nhật). Nhập tên và đơn vị vào 2 cột lần lượt là “F” đơn vị “N”, “a” đơn vị “m/s2

v2310 nhấn CH để chọn tênv2018 nhập tên và đơn vị

 

Bước 19: Nhấn vào nút bt0  bắt đầu nhập các giá trị thu được từ Bảng 1 các cột giá trị. Sau khi nhập xong nhấn vào biểu tượng bt10 rồi nhấn vào biểu tượng bt17 để thu được dạng đồ thị của F theo a.

v2019 nhập vào dữ liệuv2019 đồ thị thu được

Bước 20: Nhấn vào biểu tượng bt20 rồi chọn “Hồi qui tuyến tính”ta sẽ thu được một đường thẳng có dạng y = ax + b phù hợp nhất với những điểm đã có trên đồ thị. Giá trị độ dốc hay gradient a của đường thẳng thu được cho ta biết về khối lượng của xe trượt. R2 biểu thị độ phù hợp, nếu R2 = 1 thì đường thẳng thu được phù hợp hoàn toàn với những điểm đã có.

v2020 hồi qui tuyến tính

 

 

5. Kết luận

Như vậy, thiết bị addest cho phép ta làm thí nghiệm một cách chính xác định lượng, mô hình thí nghiệm gọn nhẹ, thời gian lắp đặt ngắn. Ngoài ra, thiết bị addest cho phân tích kết quả bằng cách vẽ đồ thị.

Các câu hỏi thảo luận:

1. Như vậy, giá trị độ dốc (gradient) của đồ thị biểu thị khối lượng của vật. Bạn hãy so sánh khối lượng thu được từ đồ thị và khối lượng thực của xe trượt, từ đó rút ra mức độ phù hợp với lý thuyết của thí nghiệm?

2. Vận tốc vt và vs trong thí nghiệm này là vận tốc tức thời hay là vận tốc trung bình?