CHUYỂN ĐỘNG TRÒN


SGK Vật lý 10 CB – Bài 5 – Trang 29

SGK Vật lý 10 NC – Bài 8 – Trang 37

1. Mục tiêu

Thu được thời gian và lực của con lắc khi nó đạt được vị trí cân bằng

Thu được vận tốc và lực hướng tâm từ phép đo thời gian và lực

Thiết lập mối liên hệ giữa lực vận tốc và lực hướng tâm

2. Chuẩn bị lý thuyết

Chuyển động tròn là chuyển động có quỹ đạo là một đường tròn. Ví dụ: quỹ đạo của những chiếc ghế trên đu quay khi chiếc đu quay tròn là những đường tròn có tâm nằm trên trục quay. Từ đó người ta đưa ra khái niệm về chuyển động tròn đều: chuyển động tròn đều là chuyển động có quỹ đạo tròn và có tốc độ trung bình trên mọi cung tròn là như nhau.

v260 chuyển động tròn đều

Vectơ vận tốc của một chuyển động tròn đều có phương tiếp tuyến với đường tròn quỹ đạo và có độ lớn (tốc độ dài) là: v=\frac{\Delta \text{s}}{\Delta t} (m/s)

Tốc độ góc trong chuyển động tròn là đại lượng đo bằng góc mà bán kính quét được trong một đơn vị thời gian: \omega =\frac{\Delta \alpha }{\Delta t} (rad/s)

Trong chuyển động tròn đều, tuy vận tốc có độ lớn không đổi, nhưng hướng luôn thay đổi, nên chuyển động này có gia tốc. Gia tốc trong chuyển động tròn đều luôn hướng vào tâm của quỹ đạo nên gọi là gia tốc hướng tâm:  \displaystyle {{a}_{ht}}=\frac{{{v}^{2}}}{r}

Các công thức liên hệ: v=r\omega , T=\frac{2\pi }{\omega } , {{a}_{ht}}=\frac{{{v}^{2}}}{r}=r{{\omega }^{2}}

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

1 aMixer MGA, 1 cảm biến lực (với thanh nhựa đen), 2 cổng quang điện, 1 bộ kết nối 2 cổng quang, 1 móc treo vật nặng và vật nặng (tổng cộng 300 g), 1 trụ đỡ với kẹp, 1 dây dài 100 cm, 1 thước mét

v260 sơ đồ thí nghiêm

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết 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”. (v201)

v201 lựa chọn thang đov201 công tắc cảm biến lực

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

Bước 2: 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. Đặt trụ đỡ lên mặt bàn. Điều chỉnh kẹp sao cho móc của cảm biến lực cách mặt sàn 80 cm.

v262 đặt trụ đỡ lên bàn

Bước 3: Nhấn vào biểu tượng bt21 sau đó nhấn chọn vào ô vuông bên cạnh “CH1”, nhấn “Chạy”, giá trị lực thu được trên MGA sẽ đặt về không.

v235 chuẩn cảm biến

Bước 4: Gắn một đầu dây vào vật nặng 300 g và đầu còn lại vào móc cảm biến lực. Điều chỉnh kẹp giá đỡ sao cho vật nặng cách mặt sàn khoảng 3,5 cm.

v264 gắn vật nặng vào cảm biến

Bước 5: Gắn 2 cổng quang điện vào rãnh của bộ kết nối 2 cổng quang điện. Cố định các cổng này bằng vít. Đặt cổng quang điện dưới con lắc sao cho con lắc ở giữa 2 cổng và khi con lắc che tia hồng ngoại khi chuyển động.

Chú ý: Sau khi gắn xong 2 cổng quang vào bộ kết nối thì khoảng cách giữa 2 cổng là 3.5 cm

v207 gắn cổng quang điện vào bộ kết nốiv207 dùng vít cố định cổng quang điệnv265 điều chỉnh vị trí vật nặng

II. Thu thập dữ liệu

Bước 6:  Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Dịch chuyển con lắc đến vị trí nằm ngang cách cổng quang điện 40 cm sao cho dây vẫn căng.

v266 dịch chuyển con lắc

Bước 7: Nhẹ nhàng thả cho quả lắc dao động và cần bảo đảm con lắc không chạm vào cổng quang điện. Để cho quả lắc dao động 3 vòng (do đó nó sẽ di chuyển qua cổng quang điện 6 lần). Nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Ta sẽ thu được đồ thị của lực – thời gian (màu xanh) giống dạng hình sin. Và tập hợp vùng trũng màu đỏ và xanh gần nhau.

v267 đồ thị thu đượcv268 phóng to đồ thị

Bước 8: Nhấn vào biểu tượng bt5 rồi nhấn khoảng 6 lần vào tập hợp vùng trũng đỏ và xanh cuối cùng tới khi 2 vùng trũng chiếm hơn 1/2 màn hình.

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.

v268 dịch chuyển đồ thị

Bước 9: Nhấn vào biểu tượng bt8 rồi nhấn vào điểm trên đường màu đỏ đi xuống bên trái. Một dấu ‘+’ xuất hiện. Giá trị x (khoanh chữ nhật) cho biết thời điểm của đường này (kí hiệu t1). Ghi lại giá trị vào Bảng 1. 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 .

v269 đánh dấu điểmv295 phím mũi tên trên MGA

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

Bước 10: Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa các dấu ‘+’ vừa đọc. Lặp lại bước 10 với vùng trũng màu xanh rồi ghi lại giá trị thu được vào Bảng 1 ở cột t3, t4 .

Bước 11: Nhấn vào biểu tượng bt8 sau đó nhấn chọn vào một điểm trên đồ thị lực – thời gian (xanh lá cây). Điểm này phải nằm giữa cạnh đi lên màu đỏ  và cạnh đi xuống màu xanh. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện, ta có thể lại dùng các phím mũi tên trên MGA để điều chỉnh vị trí của dấu ‘+’ đến điểm cần thiết. Ghi lại giá trị y (khoanh chữ nhật) vào Bảng 1.

v2612 đánh dấu điểm

Bước 12: Lặp lại các bước từ 6 đến 12 với khoảng cách từ con lắc đến cổng quang điện tăng lên thành 45 cm, 50 cm, 55 cm và 60 cm. Ghi lại các giá trị thu được vào Bảng 1.

v26b1

Chú ý: Fht = F – mg  (Fht là lực hướng tâm, m là khối lượng của vật).

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:

v26b2

{{t}_{t}}=\frac{{{t}_{1}}+{{t}_{2}}}{2} (tt là thời điểm con lắc qua cổng quang điện 1)

{{t}_{s}}=\frac{{{t}_{3}}+{{t}_{4}}}{2}  (ts là thời điểm con lắc qua cổng quang điện 2)

v=\frac{\left( {{t}_{s}}-{{t}_{t}} \right)}{d} (d là khoảng cách giữa 2 cổng quang điện, d = 3.5 cm).

Sau đây ta sẽ vẽ đồ thị của Fht theo v2

Bước 13: 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 14: Nhấn vào biểu tượng btch (khoanh hình chữ nhật). Nhập tên và đơn vị vào 2 cột lần lượt là “Fht” đơn vị “N”, “v2” đơn vị “m2/s2

v2310 nhấn CH để chọn tênv2615 nhập tên và đơn vị

Bước 15: Nhấn vào nút bt0  bắt đầu nhập các giá trị thu được từ Bảng 1 và 2 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 Fht theo v2.

v2616 nhập vào dữ liệu v2616 đồ thị thu được

Bước 16: Nhấn vào biểu tượng  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 con lắc. R2 biểu thị độ phù hợp, nếu R2 = 1 thì đường thẳng thu được phù hợp hoàn toàn với những điểm đã có.

v2617 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. Tại sao giá trị độ dốc (gradient) a của đồ thị cuối cùng cho biết về khối lượng của của con lắc?

2. Dựa vào kết quả thu được trong Bảng 2 giải thích tại sao khoảng cách từ con lắc đến cổng quang điện khác nhau thì vận tốc của con lắc khi di chuyển qua cổng quang điện khác nhau?