ĐỘNG NĂNG VÀ THẾ NĂNG CỦA BÓNG BÀN


SGK Vật lý 10 NC – Bài 27 – Trang 142

1. Mục tiêu

Thu được đồ thị tọa độ – thời gian và vận tốc – thời gian của bóng bàn

Thu được động năng và thế năng của bóng tại những thời điểm khác nhau và khảo sát định luật bảo toàn năng lượng

2. Chuẩn bị lý thuyết

v16 0 môi trường không trọng lực

Động năng của một vật là năng lượng do vật chuyển động mà có. Động năng có giá trị bằng một nửa tích của khối lượng và bình phương vận tốc của vật:  \displaystyle {{W}_{d}}=\frac{m{{v}^{2}}}{2}

Mọi vật xung quanh Trái Đất đều chịu tác dụng của lực hấp dẫn do Trái Đất gây ra. Khi một vật có độ cao z so với mặt đất thì vật đó có khả năng sinh công, nghĩa là vật mang năng lượng. Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường:  {{W}_{t}}=mgz

Nếu một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì tổng động năng và thế năng của vật là một đại lượng bảo toàn

\displaystyle W={{W}_{d}}+{{W}_{t}}=\frac{1}{2}m{{v}^{2}}+mgz=const

Do đó, khi một vật chuyển động trong trọng trường, nếu động năng giảm thì thế năng tăng và ngược lại. Tại vị trí nào thế năng cực đại thì động năng cực tiểu và ngược lại.

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

v16 4 đồ thị thu được v16 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 2 lần nảy lên đầu tiên 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: Nhấn vào biểu tượng bt8 rồi nhấn vào điểm trên đồ thị tương ứng với thời điểm lần đầu quả bóng va chạm vào đế sau khi thả tay. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện.Tiếp tục nhấn vào điểm trên đồ thị tương ứng với thời điểm quả bóng đạt độ cao cực đại sau lần nảy thứ 1. Dấu ‘+’ nữa sẽ xuất hiện. Lúc này trên màn hình MGA xuất hiện 2 giá trị. Ghi lại giá trị “Độ lệch biên độ” (khoanh chữ nhật) vào Bảng 1.

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

v16 7 phân tích đồ thịphimmuiten

 

Bước 8: Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa đi dấu ‘+’ và các giá trị vừa đọc.

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: Nhấn vào biểu tượng bt8 sau đó nhấn vào điểm trên đồ thị vận tốc – thời gian mà tương ứng với chuyển chuyển có vận tốc lớn nhất của quả bóng sau khi nảy lên lần 1. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Ghi lại giá trị y (khoanh chữ nhật) cho biết vận tốc quả bóng vào Bảng 2.

v16 10 đánh dấu điểm

Bước 11: Nhấn vào biểu tượng bt11 để xóa đi dấu ‘+’ và các giá trị vừa đọc.

Bước 12: Nhấn vào biểu tượng bt8 sau đó nhấn vào điểm trên đồ thị vận tốc – thời gian mà tương ứng với chuyển động có vận tốc lớn nhất của quả bóng khi rơi xuống. Một dấu ‘+’ sẽ xuất hiện. Ghi lại giá trị y (khoanh chữ nhật) cho biết vận tốc quả bóng vào Bảng 2.

v16 12 đánh dấu điểm

 

Bảng 1

Khi quả bóng…

Độ cao so với đế (m)

Thế năng (J)

tại điểm cao nhất sau nảy lên lần 1

 

 

 Bảng 2

Khi quả bóng…

Vận tốc (m/s)

Động năng (J)

chuyển động với vận tốc lớn nhất sau khi nảy lên lần 1

chuyển động với vận tốc lớn nhất khi rơi xuống

5. Kết luận

Thí nghiệm lắp đặt đơn giản, gọn nhẹ, 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. Dựa trên giá trị độ cao ghi trong Bảng 1, tính giá trị thế năng của bóng.

(Gợi ý: bạn có thể sử dụng gia tốc rơi tự do là 9.8 m/s2, khối lượng vật là 2,37 g)

2. Dựa vào giá trị vận tốc trong Bảng 2, tính giá trị động năng của bóng.

3. So sánh giá trị lý thuyết của 3 giá trị: thế năng của bóng tại vị trí cao nhất sau nảy lên lần 1, động năng của bóng khi nó chuyển động lên với vận tốc lớn nhất, động năng của bóng khi nó chuyển động xuống với tấc độ cao nhất. Giải thích?

4. So sánh giá trị thực nghiệm của 3 giá trị ở câu 3. Giải thích sai số?