CẢM ỨNG TỪ VÀ GIA TỐC CỦA VẬT RƠI TỰ DO


SGK Vật lý 11 NC – Bài 38 – Trang 184; SGK Vật lý 11 CB – Bài 23 – Trang 142

SGK Vật lý 10 NC – Bài 6 – Trang 29; SGK Vật lý 10 CB – Bài 4 – Trang 24

1. Mục tiêu

Ước tính gia tốc g của vật rơi tự do dựa trên đồ thị cảm ứng từ thu được khi nam châm rơi tự do qua cuộn dây ngắn và dài.

2. Chuẩn bị lý thuyết

Mỗi khi từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên. Ta có công thức của suất điện động cảm ứng như sau:           {{e}_{c}}=-\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}

Trong đó, {{e}_{c}} là suất điện động cảm ứng, \Delta \Phi  là độ biến thiên từ thông trong mạch, \Delta t là độ biến thiên thời gian.

Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực trong trường hợp có thể bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố khác lên vật rơi. Chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều theo phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống dưới và công thức tính quãng đường rơi tự do là:        s=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}

Trong đó, s là quãng đường vật đi được, g là gia tốc trọng trường, t là thời gian rơi.

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

1 aMixer MGA, 1 cảm biến điện thế, 1 cuộn dây 3 lớp ngắn, 1 cuộn dây dài, 1 tay cầm (đã gắn 1 nam châm), 2 nam châm, 1 trụ đỡ với 1 kẹp.

v4 0 dụng cụ thí nghiệm

Chú ý: Tay cầm có 6 dấu chấm trắng, khoảng cách giữa các 2 chấm trắng là 1.5 cm.

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết nối cảm biến điện thế vào CH 1 của MGA. Khi màn hình “Tự động lựa chọn cảm biến” xuất hiện, nhấn vào biểu tượng btk1 chọn “C.biến điện thế(EMF)” rồi nhấn “Chạy”.

Chú ý: Bảo đảm rằng công tắc của cảm biến điện thế được bật ở thang ±1V.

v1 1 lựa chọn thang đov1 1 công tắc

Bước 2:. Kết nối 2 đầu kẹp cá sấu của cảm biến điện thế với nhau. Nhấn nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Sau đó nhấn nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu.

Chú ý: Ta tiến hành bước này để làm cho 2 đầu cảm trở về giá trị không về mặt thực tế mặc dù màn hình MGA không hiện giá trị không.

Bước 3: 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.

v1 3 chuẩn cảm biến

Bước 4: Nhấn vào nút bt0 để xác nhận điện thế vừa đọc được đặt về không. Rồi nhấn nút bt00.

Khảo sát 1: Gia tốc g ước tính với cuộn dây ngắn

Bước 5: Dùng kẹp cá sấu của cảm biến điện thế kẹp 2 đầu của cuộn dây 3 lớp. Gắn 2 nam châm vào đầu của tay cầm (như vậy sẽ có tổng cộng 3 nam châm ở đầu tay cầm).

v1 5 kẹp cảm biến vào cuộn dây

Bước 6: Kẹp cuộn dây vào trụ đỡ vào bảo đảm rằng nó đặt thẳng đứng so với mặt trên của bàn.

v4 6 kẹp cuộn dây vào trụ đỡ

II. Thu thập dữ liệu

Bước 7: Nhấn vào nút bt0 để bắt đầu thu thập dữ liệu. Giữ tay cầm nam châm (không gắn thêm bất kì nam châm nào) hướng xuống. Điều chỉnh tay cầm sao cho chấm trắng thứ nhất của tay cầm ở điểm trên cuộn dây.

v4 7 vị trí tay cầm nam châm

Bước 8: Thả tay cầm nam châm cho rơi tự do, đảm bảo rằng khi tay cầm rơi sẽ không chạm vào cuộn dây. Nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Nhấn vào biểu tượng bt5 rồi nhấn 5 lần vào vùng đồ thị nơi xuất hiện cảm ứng từ.

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.

v4 8 dịch chuyển đồ thị

Bước 9: Quan sát phần bắt đầu của đồ thị và xác định điểm mà cảm ứng từ bắt đầu tăng lên (hoặc giảm xuống) do chuyển động ban đầu của nam châm. Ước tính giá trị của g và ghi lại vào Bảng 1.

Chú ý: Giá trị của g được xác định theo công thức s = ut + 1/2 gt2. Trong đó: u là vận tốc ban đầu, t là thời gian xảy ra hiện tượng cảm ứng, s là chiều dài của ống dây.

Bước 10: Lặp lại các bước từ 7 đến 9 thêm 2 lần nữa và ghi lại vào Bảng 1.

Bảng 1

 

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

Giá trị g (m/s2) (cuộn dây ngắn 3 lớp)

Khảo sát 2: Gia tốc g ước tính với cuộn dây dài

Bước 11: Gắn 2 nam châm vào đầu của tay cầm nam châm (tổng cộng có 3 nam châm). Ngắt kết nối 2 đầu của cảm biến điện thế khỏi cuộn dây ngắn 3 lớp và gắn vào cuộn dây dài.

Bước 12: Lặp lại các bước từ 6 đến 9 với cuộn dây dài. Ghi lại các giá trị thu được vào Bảng 2.

Chú ý: Trong bước tương ứng với bước 8 ta chỉ nhấn vào phóng đại đồ thị lên 4 lần với vùng cảm ứng từ xuất hiện.

Bảng 2

 

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Trung bình

Giá trị g (m/s2) (cuộn dây dài)

5. Kết luận

Thí nghiệm cho phép ta rút ra được g theo một cách rất khác so với các phép đo gia tốc trọng trường thông thường mà ta đã biết.

Các câu hỏi thảo luận:

1. So sánh giá trị g trung bình thu được trong Bảng 1 và Bảng 2 so với giá trị lý thuyết và giải thích tại sao có sự sai số như vậy?

2. Giá trị g về lý thuyết trong khảo sát 1 và 2 có khác nhau không? So sánh giá trị g trung bình thu được trong Bảng 1 và Bảng 2, giá trị nào gần với lý thuyết hơn? Giải thích?