DAO ĐỘNG CON LẮC LÒ XO THẲNG ĐỨNG


SGK Vật lý 12 CB – Bài 2 – Trang 10

SGK Vật lý 12 NC – Bài 6 – Trang 28; SGK Vật lý 12 NC – Bài 13 – Thực hành

1. Mục tiêu

Thu được đồ thị li độ – thời gian và lực – thời gian của vật dao động.

Hiểu sâu hơn về dao động đơn giản thông qua phân tích chi tiết li độ và lực

2. Chuẩn bị lý thuyết

Trong cơ học cổ điển, dao động tử điều hòa là một hệ thống cơ học thực hiện dao động mà chuyển động có thể mô tả bởi những hàm số điều hòa của thời gian, mà cụ thể ở đây thường là hàm sin và cosin.

v240 con lắc lò xoLi độ trong dao động điều hòa đơn được mô tả bởi hàm số sin hoặc cosin của thời gian, cho bởi:

x = A cos (ωt + φ)

: biên độ hay li độ cực đại

\omega : tần số góc

\varphi : pha ban đầu

Chu kì của dao động của con lắc được xác định tỉ lệ nghịch với tần số góc

T=\frac{2\pi }{\omega }

Vận tốc là sự biến thiên của li độ theo thời gian, do đó nó cũng là hàm tuần hoàn theo thời gian:

v = – x’ = – A ω sin (ωt + φ)

Gia tốc cũng là một hàm tuần hoàn của thời gian:

a = v’ = x’ ‘= -A ω2 cos (ωt + φ)

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

1 aMixer MGA, 1 cảm biến chuyển động, 1 cảm biến lực với thanh nhựa, 1 móc treo khối lượng, 2 vật nặng 50 g, 1 trụ đỡ, 1 thanh kẹp, 1 lò xo xoắn, 1 thước mét

v231 cảm biến chuyển độngv231 cảm biến lực

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết cảm biến chuyển động với CH 1 của MGA. Chọn “Chuyển động (0,15-1,6m)”, nhấn “Chạy”.

Chú ý: Công tắc cảm biến phải được đặt ở thang 1.6m

v231 lựa chọn thang đov231 công tắc cảm biến

Bước 2: Kết nối cảm biến lực vào CH 2 của MGA và chọn “Cảm biến lực (± 10N)”. Công tắc cảm biến lực cũng được bật ở thang ± 10N.

Bước 3: Chèn thanh nhựa vào lỗ giữa cảm biến lực rồi dùng vít cố định. Kẹp thanh nhựa để gắn cảm biến lực vào trụ đỡ. Đảm bảo rằng cảm biến lực song song với trục của trụ đỡ. Gắn lò xo vào móc treo của cảm biến lực.

v243 gắn cảm biến lực

Bước 4: Nhấn vào biểu tượng bt21 sau đó nhấn chọn vào ô vuông bên cạnh “CH2”, nhấn “Chạy”, giá trị lực thu được trên MGA sẽ đặt về không.

v235 chuẩn cảm biến

Bước 5: Gắn móc khối lượng và vật nặng (tổng 150 g) vào lò xo, đặt cảm biến chuyển động vào dưới móc gắn khối lượng.

Chú ý: Điều chỉnh vật nặng cách cảm biến chuyển động khoảng 22 cm

v245 sơ đồ thí nghiệm

II. Thu thập dữ liệu

Bước 6:  Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Để vật ở trạng thái dừng sau đó ghi lại giá trị li độ và lực trên màn hình MGA (đây chính là giá trị d0 và F0).

Bước 7: Nhẹ nhàng kéo vật nặng xuống dưới vị trí cân bằng khoảng 3 cm và nhả tay. Vật sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng và ta sẽ thu được đồ thị li độ – thời gian và lực – thời gian xuất hiện trên màn hình MGA. Khi đồ thị đầy toàn màn hình, nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập.

v247 thu thập dữ liệu

Bước 8: Nhấn vào biểu tượng bt5 rồi nhấn vài lần trên màn hình MGA tới khi quan sát đỉnh và vùng trũng của đồ thị li độ – thời gian xuất hiện hầu như toàn màn hình.

v248 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

v248 dịch chuyển đồ thị

Bước 9: Phác họa lại dạng của đồ thị li độ – thời gian và lực – thời gian thu được trên màn hình MGA vào đồ thị phác họa với dạng nét liền và nét đứt tương ứng.

v249 đồ thị phác họa

Bước 10: Nhấn vào biểu tượng bt8 rồi nhấn vào điểm ở đỉnh đường màu xanh (đồ thị của li độ – thời gian). Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Giá trị x và y (khoanh hình chữ nhật) cho ta biết tọa độ thời gian (kí hiệu t) và khoảng cách (kí hiệu) xuất hiện. Ghi lại vào cột 2 và 3 của Bảng 1.

Chú ý: Để dịch chuyển dấu ‘+’ đến vị trí chính xác ta có thể sử dụng các phím mũi tên trên MGA.

v2410 đánh dấu điểmv295 phím mũi tên trên MGA

v24b1

Chú ý:  a=\frac{F-{{F}_{0}}}{m} (m là khối lượng của vật nặng)

Bước 11: Nhấn vào biểu tượng  bt11 để xóa đi dấu ‘+’ vừa đọc. Lặp lại các bước 10 và 11 với các điểm còn lại được ghi trong Bảng 1.

Bước 12: Nhấn vào kí hiệu “CH1” (khoanh tròn) trên màn hình để chuyển sang đọc đồ thị của “CH2” (lực – thời gian) đường màu đỏ.

v2412 chuyển kênh đồ thị

Bước 13: Nhấn vào biểu tượng bt18 rồi nhấn chọn ô bên cạnh “Trục X”. Điền giá trị thời gian của Điểm 1 đã thu được trong Bảng 1 vào ô “Xin mới nhập giá trị”, nhấn “Chạy”. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện trên đường màu đỏ. Ghi lại giá trị y (giá trị lực F) vào Bảng 1.

v2412 chọn tọa độ trục x v2413 đánh dấu điểm

Bước 14: Nhấn vào biểu tượng  bt11 để xóa đi dấu ‘+’ vừa đọc. Lặp lại các bước 13 với các điểm còn lại được ghi trong Bảng 1.

5. Kết luận

Thiết bị Addest cho phép ta thu được kết quả một cách chính xác bằng số, cho phép ta phân tích kết quả thu được. Từ phân tích đó, ta sẽ thu được giá trị độ cứng của lò xo một cách chính xác.

Các câu hỏi thảo luận:

1. Từ Bảng 1 hãy đưa ra kết luận về mối liên hệ giữa gia tốc và li độ của vật?

2. Dạng đồ thị li độ thu được hãy cho biết chu kì của dao động là bao nhiêu?

3. Đồ thị phác họa cho ta biết gì về dạng đồ thị của li độ và lực theo thời gian?