ĐỘNG HỌC CỦA QUẢ BÓNG BÀN


SGK Vật lý 10 NC – Bài 5 – Trang 25

1. Mục tiêu

Thu được đồ thị tọa độ – thời gian của một quả bóng nảy

Hiểu sâu hơn về động học của quả bóng nảy qua đồ thị vận tốc và gia tốc theo thời gian

2. Chuẩn bị lý thuyết

v15 0 đồ thị vận tốc theo thời gian

Chuyển động học (động học chất điểm) là một nhánh của cơ học cổ điển, có mục đích mô tả chuyển động của các vật thể trong khi bỏ qua các nguyên nhân dẫn đến các chuyển động đó. Có nhiều loại chuyển động đã được nghiên cứu như: chuyển động thẳng, chuyển động tròn, dao động, sóng,…

Người ta đã thiết lập được các công thức và mối liên hệ giữa các đại lượng như quãng đường, vận tốc, gia tốc của chất điểm tương ứng với từng loại chuyển động của chất điểm.

Trong thí nghiệm này ta xét về chuyển động thẳng biến đổi đều. Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động mà trong đó độ lớn của vận tốc tức thời hoặc tăng đều hoặc giảm đều theo thời gian. Đối với chuyển động thẳng biến đổi nhanh (chậm) dần đều ta có các công thức: s={{v}_{o}}t+\frac{1}{2}a{{t}^{2}},v={{v}_{0}}+at

(s là quãng đường, v là vận tốc, a là gia tốc, t là thời gian)

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

1 aMixer MGA, 1 cảm biến chuyển động, 1 bộ thí nghiệm cơ học động học

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết nối cảm biến chuyển động vào CH 1 của MGA. Bảo đảm rằng “Chuyển động (0,15-1,6m)” được chọn, rồi nhấn “Chạy”.

Chú ý; Cần bảo đảm rằng công tắc của cảm biến chuyển động được bật ở thang 1.6 m

v13 1 lựa chọn thang đo v13 1 công tắc cảm biến

Bước 2: Gấp cảm biến sao cho góc giữa mặt cảm biến và đế cảm biến chuyển động bằng 90o.

v14 0 2 gấp mặt cảm biến v14 0 2 góc giữa đế và mặt cảm biến

Bước 3: Chèn mặt cảm biến qua lỗ ở bàn phẳn trên, đặt quả bóng bàn vào giữa 4 thanh kim loại và dùng ngón trỏ giữa nó sao cho khoảng cách từ nó đến mặt cảm biến khoảng 15 cm.

Chú ý: Chiều cao của quả bóng bàn nếu dùng thanh trụ đánh dấu chiều cao thì sẽ khoảng 30 cm, khi đó khoảng cách từ quả bóng bàn đến mặt cảm biến sẽ khoảng 15 cm.

v14 0 3 mô hình thí nghiệm

II. Thu thập dữ liệu

Bước 4: Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Bảo đảm rằng có một đường ngang trên màn hình MGA chỉ khoảng cách của quả bóng dưới cảm biến. Thả quả bóng và nhanh tay di chuyển ngón trỏ của bạn ra ngoài.

Bước 5: Khi quả bóng không nảy nữa, nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Đồ thị tọa độ – thời gian sẽ xuất hiện trên màn hình MGA. Ngắt cảm biến chuyển động khỏi MGA

v14 0 4 đồ thị thu được v14 0 5 phóng to đồ thị

Bước 6: Nhấn vào biểu tượng bt5 sau đó nhấn 2 lần vào vùng trên màn hình mà đồ thị tương ứng với lần nảy lên thứ 1 để mở rộng 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.

v14 0 5 dịch chuyển đồ thị

Bước 7: Phác họa lại đồ thị tọa độ theo thời gian quan sát được trên màn hình MGA vào đồ thị phác họa. Đồ thị phác họa tỉ lệ với 2 điểm đánh dấu trên trục tung.

Bước 8: Ghi lại tọa độ và thời gian của quả bóng tại những thời điểm khác nhau vào cột 3 trong Bảng 1.

Cách thu được tọa độ của điểm

+ Nhấn vào biểu tượng bt8 rồi nhấn vào một điểm trên màn hình MGA. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Giá trị y (khoanh chữ nhật) cho biết tọa độ của bóng so với cảm biến chuyển động tại thời điểm x.

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

v14 0 8 đánh dấu điểmphimmuiten

+ Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa đi dấu ‘+’ và các giá trị vừa đọc. Lặp lại bước trên để tìm giá trị tọa độ và thời gian tại điểm khác.

Bước 9: Nhấn vào biểu tượng bt20 và trong mục “Phương pháp phân tích”, chọn “Vi phân (động học)”. Sau đó nhấn “Chạy”. Ta sẽ thu được đồ thị vận tốc – thời gian đường màu đỏ (chồng lên đồ thị tọa độ – thời gian).

v15 9 đồ thị vận tốc thời gian

Bước 10: Phác họa lại đồ thị vận tốc theo thời gian quan sát được trên màn hình MGA vào đồ thị phác họa. Chú ý tỉ lệ thời gian của đồ thị này giống tỉ lệ thời gian của đồ thị tọa độ thời gian.

Các đồ thị phác họa

Đồ thị tọa độ – thời gian

v15 10 đồ thị tọa độ thời gian

 

Đồ thị vận tốc – thời gian

v15 10 đồ thị vận tốc thời gian

 

Đồ thị gia tốc – thời gian

v15 10 đồ thị gia tốc thời gian

 

Bảng 1

Quả bóng khi…

Nhãn

Tọa độ (m)

Độ cao so với đế (m)

thả tay

T

chạm mặt đế lần 1

C1

đạt vị trí cao nhất lần nảy 1

N1

chạm mặt đế lần 2

C2

đạt vị trí cao nhất lần nảy 2

N2

chạm mặt đế lần 3

C3

5. Kết luận

Thí nghiệm bằng thiết bị addest cho phép ta phân tích kết quả một cách tự động bằng các hàm như hồi qui tuyến tính, vi phân, …

Các câu hỏi thảo luận:

1. Xác định các điểm trên đồ thị phác họa tọa độ theo thời gian tương ứng với những điểm trong cột 1 của Bảng 1. Đánh tên các điểm (như T, C1, N1,…).

2. Giải thích cách mà đồ thị vận tốc theo thời gian thu được mà thiết bị xử lý đã thực hiện tự động?

3. Từ câu hỏi 2 suy ra đồ thị phác họa của gia tốc theo thời gian. Giải thích những đoạn mà gia tốc trong đồ thị mà gia tốc không đổi.

(Chú ý: Ta cũng có thể làm việc này tự động trên MGA)