Khảo sát rơi tự do của viên bi sử dụng cổng quang học và máy đếm

KHẢO SÁT RƠI TỰ DO CỦA VIÊN BI SỬ DỤNG CỔNG QUANG HỌC VÀ MÁY ĐẾM Free fall I.THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM STT TÊN THIẾT BỊ SỐ LƯỢNG 1 Chân đế chữ V 1 2 Thanh trụ 1 3 Cổng quang học 2 4 Nam châm giữ 1 5 Viên bi sắt 1 6 Quả dọi có dây 1 7 Máy đếm hiện số 1 8 Thước dây (phụ kiện) 1 IV. HƯỚNG DẪN LẮP ĐẶT CHUNG Lắp thanh trụ lên chân đế chữ V, vặn ốc chặt. Lắp nam châm giữ lên điểm cao của thanh trục Lắp 02 cổng quang học lên thanh trụ phía dưới nam châm giữ. Dùng quả dọi có dây để điều chỉnh vị trí của nam châm giữ và hai cổng quang học sao cho chúng ở trên cùng một đường thẳng. Việc này để nhằm mục đích đảm bảo khi viên bi rơi suống thì phải ngắt qua tia sáng của cổng quang học. Nối dây cáp của nam châm giữ vào cổng vào P1/E.MAGNET của máy đếm hiện số. Nối dây cáp của cổng quang học 1 vào cổng vào P1 của máy đếm hiện số. Nối dây cáp của cổng quang học 2 vào cổng vào P2 của máy đếm hiện số. Cắm nguồn điện và bật công tắc hoạt động của máy đếm. Nhấn nút FUNCTION nhiều lần đến khi đèn hiển thị đặt ở chế độ GRAVITY ACCELERATION. Đặt viên bi lên vị trí của nam châm giữ ( viên bi sẽ bị nam châm giữ hút và dính vào đó). Sơ đồ lắp đặt thiết bị bài thí nghiệm rơi tự do sử dụng cổng quang học và máy đếm. Sử dụng quả dọi điều chỉnh vị trí của cổng quang học và nam châm giữ Nam châm giữ Thanh trụ Cổng quang học 1 Cổng quang học 2 Quả dọi có dây Máy đếm hiện số Chân đế chữ V HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MÁY ĐẾM HIỆN SỐ Giới thiệu chung Máy đếm AT- 02 là loại máy đếm được hãng PUDAK thiết kế đồng bộ với các thiết bị thuộc các bộ thí nghiệm của hãng như: Khảo sát con lắc thuận nghịch Khảo sát quá trình động lực học trên đệm không khí một chiều. Máy ATWOOD. Bộ thí nghiệm rơi tự do. V...V. Do đó nó có một số chức năng riêng để ứng dụng cho từng bài thí nghiệm riêng biệt cụ thể. Sơ đồ hình ngoài của Máy đếm hiện số Bề ngoài của máy đếm có hình dạng như sơ đồ trên, trong đó: Đèn chỉ thị các đại lượng đo. Màn hình hiển thị. Công tắc nguồn. Nút bấm E.MAGNET Đèn chỉ thị các chức năng. Đèn chỉ thị nam châm điện hoạt động. Nút bấm FUNCTION Nút bấm CH.OVER Nút bấm DATA FETCH. Lối vào P1 Lối vào P2 Lối vào cho nam châm giữ P1/E.MAGNET. Phích cắm và dây nguồn. Cách sử dụng máy đếm Lối vào: Máy đếm có 4 lối vào chính tương ứng với các đầu của các dây cáp của cổng quang học và nam châm giữ. Lối vào P1: tương ứng khi kết quả hiện ra trên màn hình là thứ nhất. Lối vào P2 (02) lối: tương ứng với kết quả hiện ra trên màn hình là thứ hai Lối vào P1/E.MAGNET: nối với nam châm giữ, được thực hiện tương ứng với bài thí nghiệm rơi tự do. Các chế độ đo: Timing I: sử dụng để đo khoảng thời gian bị chắn sáng của một cổng quang học. Chế độ đo Timing 1 Timing II: Sử dụng để đo khoảng thời gian hai lần bị chắn sáng của cổng quang học ( có thể là một cổng hoặc hai cổng). Máy đếm hoạt động với một cổng quang học hoạt động ở chế độ Timing II Máy đếm hoạt động ở chế độ đo Timing II với hai cổng quang học Collision: Khảo sát riêng với trường hợp va chạm của con trượt trên đệm không khí một chiều. Với chức năng này: ta sử dụng hai con trượt trên có gắn hai tấm cản quang kép có kích thước như nhau và cho chuyển động từ bên ngoài 2 phía của 2 cổng quang học tới va chạm vào nhau và chuyển động ra phía ngoài với các vận tốc khác lúc trước khi va chạm. Máy đếm sẽ ghi các giá trị thời gian của các con trượt khi chuyển động qua cổng quang học trước và sau khi va chạm. Máy đếm sẽ hiện ra các giá trị P11: Tương ứng thời gian con trượt qua cổng quang học1 trước khi va chạm. P12: Tương ứng với thời gian con trượt qua cổng quang học 1sau va chạm. P21:Tương ứng với thời gian con trượt qua cổng quang học 2 trước khi va chạm. P22: Tương ứng với thời gian con trượt qua cổng 2 sau khi va chạm. Gravity Acceleration: Chức năng này áp dụng riêng với bài thí nghiệm xác định gia tốc trọng trường bằng thí nghiệm Rơi tự do. Về cách sử dụng chức năng này sẽ được nói rõ trong bài thí nghiệm Rơi tự do. Cycles: Đếm thời gian con lắc phải mất trong một số chu kỳ cho trước. Count: Đếm số lần cổng quang học bị chắn sáng. Signal Source: Đếm tần số. c. Sử dụng các nút bấm Power switch: Dùng để bật tắt máy đếm khi mà máy đã được cung cấp điện qua phích cắm và cáp dẫn. E. MAGNET: Dùng để cung cấp hay không cung cấp nguồn điện cho cuộn dây ( nam châm giữ). Chỉ hoạt động khi đặt ở chế độ Gravity Acceleration. CH.OVER: Dùng để thay đổi giá trị hiển thị các đại lượng đo ( Thời gian, vận tốc, gia tốc). Bấm nút này và giữ lâu để thay đổi chế độ đặt độ rộng của tấm cản quang kép (trong bài thí nghiệm đệm không khí một chiều) hoặc độ rộng của cổng quang học (1 cm, 3 cm, 5 cm và 10 cm). Từ đây tính ra được vận tốc và gia tốc của chuyển động. Bấm nút này khi có chức năng CYCLE sẽ hiển thị giá trị trung bình chu kỳ đo. FUNCTION: Bấm nút này để lựa chọn các chức năng đo. Bấm nút này với chức năng reset để làm lại phép đo. Lắp đặt Lắp đặt các thiết bị giống như hình 1. Đặt nam châm giữ viên bi ở trí trên cùng, cổng quang học1 ở giữa và cổng quang học2 ở vị trí dưới cùng. Nam châm giữ viên bi được nối vào đầu vào E.MAGNET của máy đếm bằng dây cáp của nó. Cổng quang học1 và 2 được nối tới các đầu vào tương ứng P1 và P2 của máy đếm. Đặt 2 cổng quang họ ccách nhau 10 cm. Dùng quả dọi để điều chỉnh nam châm giữ, cổng quang học1 và cổng quang học2 sao cho khi viên bi thép rơi xuống sẽ chắn chùm ánh sáng của các hàng rào sáng. Chú ý: Nam châm giữ (E.MAGNET) được kích hoạt khi chế độ Gravity Acceleration của máy đếm được chọn. Bài thí nghiệm XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG Mục đích thí nghiệm Sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này học sinh sẽ kiểm nghiệm lại rằng gia tốc rơi tự do của một viên bi thép chính là gia tốc gây bởi trọng lực g (gia tốc trọng trường g). Cơ sở lý thuyết Chúng ta biết rằng phương trình động lực học mô tả chuyển động với gia tốc không đổi có dạng Do vậy, khi thả rơi một vật đứng yên (vo = 0) từ một độ cao h và sức cản của không khí là không đáng kể, thì phương trình chuyển động của nó sẽ là: với thời gian chuyển động từ với quãng đường là h. Hình 1.1 Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm Khi đó phương trình chuyển động được viết cho 2 quãng đường h1 và h2 tương ứng với 2 cổng quang họclắp đặt như trong hình 1.1 sẽ có dạng như sau: đối với cổng quang học1 (3) đối với cổng quang học2 (4) Từ hai phương trình (3) và (4) chúng ta thu được: Trong thí nghiệm này chúng ta sẽ sử dụng một viên bi thép làm vật rơi tự do. Từ phương trình (5) chúng ta có thể xác định được gia tốc gây bởi trọng trường g. Tiến hành thí nghiệm Bật máy đếm. Nhấn nút Function của máy đếm AT-01 vài lần để chọn chức năng Gravity Acceleration khi máy đếm làm việc ở chức năng Gravity Acceleration đèn LED chỉ thị trên máy đếm của hai chức năng này sẽ sáng. Ban đầu viên bi được giữ bởi nam châm giữ. Nhấn nút E.MAGNET trên máy đếm để bắt đầu phép đo. Sau khi nhấn nút E.MAGNET viên bi sẽ chuyển động qua cổng quang học1 và cổng quang học2. Đọc thời gian chuyển động trên màn hình hiển thị của máy đếm. Thời gian chuyển động đến cổng quang học1 (thời gian 1) và cổng quang học2 (thời gian 2) sẽ được hiển thị. Ghi lại các thời gian này vào bảng 1. Sử dụng phương trình (5) tính gia tốc trọng trường. Thay đổi độ cao h. Nhấn nút Function một lần để thiết lập lại (xóa giá trị đo trước để băt đầu phép đo mới) cho máy đếm, khi đó chức E.MAGNET sẽ được kích hoạt lại. Lặp lại phép đo bằng việc nhấn nút E.MAGNET. Bảng 1. Câu hỏi Có phải với mỗi độ cao rơi khác nhau, vật sẽ có gia tốc khác nhau không? Tại sao? Xác định gia tốc từ các giá trị vừa đo được