Thí nghiệm vật lý nghiệm định luật bảo toàn động lượng trên đệm không khí

Thí nghiệm vật lý nghiệm định luật bảo toàn Động l−ợng trên đệm không khí Dụng cụ : 1. Đệm không khí và giá đỡ có th−ớc thẳng milimét và các vít điều chỉnh cân bằng ; 2. Bơm nén khí và ống dẫn khí ; 3. Hai xe tr−ợt có bản chắn sáng (hình chữ U); 4. Bốn đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá; 5. Hai đầu va chạm mềm có vải gai móc dính ; 6. Bộ quả gia trọng 2x50g và 2x100g ; 7. Hai máy đo thời gian hiện số kiểu MC-963 ; 8. Hai đầu cảm biến thu-phát quang điện hồng ngoại . I. Cơ sở lý thuyết 1. Định luật bảo toàn động l−ợng Một vật, chịu tác dụng của lực, sẽ chuyển động có gia tốc (Hình 1). Theo định luật Newton thứ hai : Gia tốc a của vật cùng h−ớng và tỷ lệ thuận với lực tổng hợp F tác dụng lên vật và tỷ lệ nghịch với khối l−ợng m của vật đó : m F a = (1) Đơn vị đo của lực F là newton (N), của khối l−ợng m là kilôgam (kg) và của gia tốc a là mét trên giây bình ph−ơng (m/s2 ). Công thức (1) có thể viết d−ới dạng : Fa.m = (2) Ph−ơng trình (2) gọi là ph−ơng trình cơ bản của động lực học chất điểm, nó cũng đúng đối với vật rắn chuyển động tịnh tiến. Từ ph−ơng trình này ta suy ra hệ quả sau : nếu lực tổng hợp tác dụng lên vật triệt tiêu F = 0 thì 0 dt dv a == , ν = const và vật chuyển động thẳng đều. Vận tốc của vật chuyển động thẳng đều có trị số bằng : v = s t = const (3) F2 A B F1 với s là đoạn đ−ờng vật đã đi đ−ợc trong khoảng thời gian t . m1 m2 Thay a = dv dt vào ph−ơng trình (2) và chú ý rằng m const= , ta đ−ợc : Hình 2 d mv dt dK dt F ( ) = = (4) Vectơ K mv= gọi là động l−ợng của vật và đặc tr−ng cho trạng thái động lực học của vật . áp dụng ph−ơng trình (4) đối với hệ cô lập gồm hai vật có khối l−ợng là m1 và m2 t−ơng tác với nhau bằng các lực F1 và F2 (Hình 2) , ta có : dK dt d m v dt F2 2 2 1= = ( ) và dK dt d m v dt F1 1 1 2= = ( ) Cộng vế với vế của hai ph−ơng trình trên , ta đ−ợc : dK dt dK dt d m v dt d m v dt F F1 2 1 1 2 2 1 2+ = + = + ( ) ( ) hay d K K dt d m v m v dt F F ( ) ( )1 2 1 1 2 2 1 2 + = + = + Theo định luật Newton thứ ba : F F2 1= − , nên F F1 2 0+ = , suy ra : a F m Hình 1 2 K K m v m v const1 2 1 1 2 2+ = + = (5) Công thức (5) gọi là định luật bảo toàn động l−ợng và phát biểu nh− sau : " Tổng động l−ợng của hệ vật cô lập bảo toàn ". Nếu hệ cô lập gồm n vật, ph−ơng trình (5) sẽ viết thành : K m v consti i i n = = = ∑ 1 (6) Chú ý : Đối với hệ vật không cô lập, nh−ng tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên hệ vật triệt tiêu thì tổng động l−ợng của hệ vật cũng bảo toàn . 2. Quá trình va chạm giữa hai vật Giả sử một hệ gồm hai vật có khối l−ợng m1 và m2 chuyển động không ma sát theo ph−ơng ngang với vận tốc tới va chạm xuyên tâm vào nhau . Khi đó tổng hợp các ngoại lực (gồm trọng lực và phản lực của mặt giá đỡ) tác dụng lên hệ vật triệt tiêu, nên theo (5), tổng động l−ợng của hệ vật bảo toàn . Gọi v1 ,v2 , ′v1 , ′v2 là vận tốc của hai vật m1 và m2 tr−ớc và sau khi va chạm. Xét hai tr−ờng hợp : a. Va chạm đàn hồi : Sau va chạm, hai vật m1 và m2 chuyển động với vận tốc ′v1 và ′v2 có trị số khác nhau : ′v1 ≠ ′v2 . Trong tr−ờng hợp này, ph−ơng trình đại số biểu diễn định luật bảo toàn động l−ợng áp dụng đối với hệ hai vật m1 và m2 có dạng : m v m v m v m v1 1 2 2 1 1 2 2 / /+ = + (7) Nếu tr−ớc va chạm, vật m1 đứng yên ( )v1 0= , thì ph−ơng trình (7) viết thành : m v m v m v1 1 2 2 2 2 / /+ = (8) b. Va chạm mềm (không đàn hồi) : Sau va chạm, hai vật m1 và m2 gắn chặt vào nhau và chuyển động với cùng vận tốc ′v .Trong tr−ờng hợp này, ph−ơng trình đại số biểu diễn định luật bảo toàn động l−ợng áp dụng đối với hệ hai vật m1 và m2 có dạng : 221121 vmvmv)mm( +=′⋅+ (9) Nếu tr−ớc va chạm, vật m1 đứng yên )v( 02 = , thì ph−ơng trình ( 9 ) viết thành : 1121 vmv)mm( =′⋅+ (10) Trong thí nghiệm này, ta nghiệm lại định luật bảo toàn động l−ợng đối với quá trình va chạm đàn hồi và va chạm mềm giữa hai xe tr−ợt trên đệm không khí (Hình 3) . Thiết bị đệm không khí gồm một hộp H bằng kim loại (dài khoảng 1200 cm), một đầu bịt kín và đầu còn lại nối thông với một bơm nén không khí P. Hộp H có dạng hình mái nhà và trên mặt của nó có hai dãy lỗ nhỏ phân bố đều nhau để khí nén phụt ra ngoài. Hai xe tr−ợt X1 và X2 có thể chuyển động trên mặt hộp H . T C1 C2 m / Đ1 Đ2 P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X1 V1 X2 V2 H máy đo thời gian máy đo thời gian mc - 963 mc - 963 Hình 3 3 Khi cho bơm nén P thổi không khí vào trong hộp H, các luồng không khí nén thoát ra từ các lỗ nhỏ, nâng hai xe tr−ợt X1 và X2 lên khỏi mặt của ống H, tạo ra một lớp đệm không khí (dày cỡ 0,5ữ1 mm). Khi đó các xe tr−ợt X1 và X2 có thể chuyển động trên lớp đệm không khí với ma sát không đáng kể. ở đỉnh mỗi xe tr−ợt này có lắp một bản chắn sáng C1 hoặc C2 hình chữ U. Khoảng cách giữa hai mép bên trái của hai cạnh chữ U trên mỗi bản đều bằng s . Muốn xác định vận tốc của xe tr−ợt X1 và X2 trên đệm không khí, ng−ời ta dùng hai máy đo thời gian hiện số MC-963 (Hình 4) để đo khoảng thời gian chắn sáng t của bản C1 hoặc C2 khi chúng đi qua cảm biến thu-phát quang điện Đ1 hoặc Đ2 . Nếu các xe X1 và X2 chuyển động thẳng đều, vận tốc của chúng sẽ tính theo công thức (3) với s là khoảng cách giữa hai mép bên tr iá của hai cạnh chữ U trên mỗi bản C1 hoặc C2 . II. Trình tự thí nghiệm 1. Điều chỉnh đệm không khí nằm cân bằng thẳng ngang a. Lắp thêm vào mỗi đầu của hộp H một đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá. Đặt hai cảm biến Đ1 Đ2 nằm trong khoảng giữa của mặt hộp H tại hai vị trí cáh nhau 40ữ50cm trên th−ớc thẳng T. Cắm đầu dây của cảm biến Đ1 và Đ2 vào ổ A trên mặt mỗi máy đo thời gian MC-963. Cắm phích lấy điện của hai máy đo thời gian MC-963 vào nguồn điện ~220V. Bấm khóa K trên các mặt máy này : các chữ số sẽ hiện thị trên các cửa sổ “n = N -1” và "Time". Vặn núm chuyển mạch chọn cách đo "MODE" sang vị trí n = N/2 . Gạt núm chuyển mạch chọn thang đo "TIME RANGE" sang vị trí 9,999 s. b. Đặt xe tr−ợt X1 (có bản chắn sáng C1 , không mang gia trọng m / ) nằm trên mặt hộp H trong khoảng giữa hai cảm biến Đ1 Đ2 . Cắm phích lấy điện của bơm nén khí P vào nguồn điện ~220V để nén không khí vào hộp H. Nếu xe tr−ợt X1 bị trôi về một phía thì ta phải dùng tay giữ nhẹ xe tr−ợt X1 , đồng thời vặn từ từ vít V1 hoặc V2 để điều chỉnh độ cao của một trong hai đầu của hộp H sao cho khi buông nhẹ tay thì xe tr−ợt X1 tự nó đứng yên. Khi đó đệm không khí đã đ−ợc điều chỉnh cân bằng thẳng ngang . Kiểm tra lại vị trí cân bằng này theo thứ tự sau : - Đặt xe tr−ợt X1 ở gần một đầu của hộp H phía ngoài hai cảm biến Đ1 Đ2 ; - Bấm nút "RESET" của máy đo thời gian MC-963 để các số hiện thị trên cửa sổ "tIME" trở về trạng thái "0" ; - Đẩy xe tr−ợt X1 đi qua hai cảm biến Đ1 Đ2 với vận tốc đủ lớn (thí dụ, nên chọn vận tốc ứng với khoảng cách mm30s = sao cho thời gian chắn sáng của bản C1 đi qua các cảm biến Đ1 hoặc Đ2 bằng ms120100t ữ= ). Khi đó nếu số đo khoảng thời gian chắn sáng trên hai máy đo thời gian hiện số MC-963 bằng nhau (hoặc chênh nhau 0,001 s) thì có thể coi chuyển động của xe tr−ợt X1 trên đệm không khí là thẳng đều và đệm không khí đã cân bằng thẳng ngang. Chú ý : Giữ nguyên vị trí cân bằng này của đệm không khí trong suốt quá trình thí nghiệm. 2. Khảo sát quá trình va chạm đàn hồi a. Đặt xe tr−ợt X1 (không mang gia trọng) nằm ở gần đầu của hộp H phía ngoài hai cảm biến Đ1 Đ2 . Đồng thời, đặt thêm xe tr−ợt X2 (mang hai gia trọng 2m / ) nằm trên mặt hộp H phía trong hai cảm biến Đ1 Đ2 , nh−ng gần Đ2 hơn. Trong tr−ờng hợp này, cần lắp thêm vào mỗi đầu đối diện của hai xe tr−ợt X1 và X2 một đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá. Bấm nút "RESET" của hai máy đo thời gian MC-963 để các số chỉ thị trên cửa sổ "TIME" chuyển về trạng thái "0”. máy đo thời gian MC - 963 0 0 0 0 0 0 A+B A ↔ B n=N-1 Time B n=50 A n= N/2 mode 9,999 99,99 A B RESET time range K Hình 4 4 b. Đẩy xe tr−ợt X1 chuyển động đi qua cảm biến Đ1 với vận tốc đủ lớn tới va chạm vào xe tr−ợt X2 đang đứng yên. Sau va chạm, xe tr−ợt X1 đổi chiều chuyển động đi qua cảm biến Đ1 lần thứ hai và xe tr−ợt X2 chuyển động thuận chiều ban đầu đi qua cảm biến Đ2 . Gọi 1t , t1 / là các khoảng thời gian chắn sáng t−ơng ứng khi bản C1 đi qua cảm biến Đ1 tr−ớc và sau va chạm, còn t2 / là khoảng thời gian chắn sáng khi bản C2 đi qua cảm biến Đ2 sau va chạm. Nếu t là khoảng thời gian chắn sáng tổng cộng khi tấm chắn C1 đi qua cảm biến Đ1 trong cả hai lần (tr−ớc và sau va chạm) thì 11 ttt −=′ . Đọc và ghi vào bảng 1 các giá trị 1t , t1 / và t2 / . Vận tốc chuyển động của hai xe tr−ợt X1 và X2 tr−ớc và sau va chạm tính theo công thức : 1 1 t s v = , 02 =v , v s t 1 1 / / = , v s t 2 2 / / = (11) trong đó s là khoảng cách giữa hai mép bên tr iá của hai cạnh chữ U trên mỗi bản C1 hoặc C2 . c. Thực hiện động tác trên 5 lần. Đọc và ghi vào bảng 1 giá trị của t t t2 1 2, , / / trong mỗi lần đo để tính các vận tốc 1v , 1v ′ , 2v ′ . Chú ý xác định chiều (+ hoặc -) của các vận tốc 1v , 1v ′ , 2v ′ . Định luật bảo toàn động l−ợng sẽ đ−ợc nghiệm đúng, nếu tổng đại số các động l−ợng sau va chạm của hai xe tr−ợt X1 và X2 bằng tổng đại số các động l−ợng tr−ớc va chạm của chúng : M v M v M v1 1 2 2 2 2 / /+ = (12) ở đây M1 = 11011 mmm ++ là khối l−ợng tổng cộng của xe tr−ợt X1 với m1 là khối l−ợng của xe tr−ợt X1 , m01 là khối l−ợng của bản chắn sáng C1 và 11m là khối l−ợng của đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá gắn vào xe tr−ợt X1 ; còn m2mmmM 210222 ′+++= là khối l−ợng tổng cộng của xe tr−ợt X2 với m2 là khối l−ợng của xe tr−ợt X2 ,m02 là khối l−ợng của bản chắn sáng C2 , m21 là khối l−ợng của đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá và m / là khối l−ợng của mỗi gia trọng gắn vào xe tr−ợt X2 . 3. Khảo sát quá trình va chạm mềm (không đàn hồi) a. Tháo tấm chắn C2 ra khỏi xe tr−ợt X2 (mang hai gia trọng 2m / ). Thay hai đầu va chạm đàn hồi trên hai đầu đối diện của hai xe tr−ợt X1 và X2 bằng hai đầu va chạm mềm có vải gai móc dính. Sau đó, đặt hai xe tr−ợt X1 và X2 tại các vị trí nh− mục II.2,a. Bấm nút "RESET" của hai máy đo thời gian MC-963 để các số hiện trên cửa sổ "THời GIAN" chuyển về trạng thái "0". b. Đẩy xe tr−ợt X1 (không mang gia trọng) chuyển động đi qua cảm biến Đ1 với vận tốc đủ lớn 1v tới va chạm vào xe tr−ợt X2 đang đứng yên )0v( 2 = . Sau va chạm, hai đầu va chạm mềm có vải gai móc dính vào nhau nên cả hai xe tr−ợt X1 và X2 tiếp tục chuyển động với cùng vận tốc v / đi qua cảm biến Đ2 thuận chiều ban đầu. Đọc và ghi vào bảng 2 khoảng thời gian chắn sáng t / khi bản C1 đi qua cảm biến Đ2 . Vận tốc của hai xe tr−ợt X1 và X2 tr−ớc và sau va chạm đ−ợc tính theo công thức : 1 1 t s v = , 0v 2 = , v v v s t 1 2 / / / / = = = (13) c. Thực hiện động tác trên 5 lần. Đọc và ghi vào bảng 2 các giá trị của t t2 , / trong mỗi lần đo để tính các vận tốc 1v và v ′ . Định luật bảo toàn động l−ợng sẽ đ−ợc nghiệm đúng, nếu tổng động l−ợng sau va chạm của hai xe X1 và X2 bằng tổng đại số các động l−ợng tr−ớc va chạm của chúng : 1121 vMv).MM( ′=′′+′ (14) 5 ở đây 110111 mmmM ′++=′ là khối l−ợng tổng cộng của xe tr−ợt X1 với m1 là khối l−ợng của xe tr−ợt X1 , 01m là khối l−ợng của bản chắn sáng C1 và 11m′ là khối l−ợng của đầu va chạm mềm có dán vải gai móc dính gắn vào xe tr−ợt X1 ; còn m2mmM 2222 ′+′+=′ với m2 là khối l−ợng của xe tr−ợt X2 , 22m′ là khối l−ợng của đầu va chạm mềm có dán vải gai móc dính và m / là khối l−ợng của mỗi gia trọng gắn vào xe tr−ợt X2 . 4. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 và bảng 2 : - Khối l−ợng m1 của xe tr−ợt X1 và khối l−ợng m2 của xe tr−ợt X2 . - Khối l−ợng m01 của tấm chắn C1 và khối l−ợng m02 của tấm chắn C2 . - Khối l−ợng m / của mỗi gia trọng (hình chữ nhật). - Khối l−ợng m21 và m22 của các đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá. - Khối l−ợng 11m′ và 22m′ của các đầu va chạm mềm có dán vải gai móc dính . - Khoảng cách s giữa hai mép bên trái của hai cạnh chữ U trên mỗi bản chắn sáng C1 hoặc C2 . III. Câu hỏi kiểm tra 1. Phát biểu định luật bảo toàn động l−ợng . 2. Phân biệt các quá trình va chạm đàn hồi và va chạm mềm (không đàn hồi) giữa hai vật. 3. Mô tả nguyên tắc hoạt động của thiết bị đệm không khí và ph−ơng pháp đo khoảng thời gian chuyển động của các xe tr−ợt trên đệm không khí bằng máy đo thời gian hiện số MC-963 với các cảm biến thu-phát quang điện hồng ngoại. 4. Trình bày ph−ơng pháp nghiệm định luật bảo toàn động l−ợng trong các quá trình va chạm đàn hồi giữa hai xe tr−ợt trên đệm không khí . 5. Trình bày ph−ơng pháp nghiệm định luật bảo toàn động l−ợng trong các quá trình va chạm mềm (không đàn hồi) giữa hai xe tr−ợt trên đệm không khí . 6. Tr−ớc khi tiến hành thí nghiệm này, tại sao cần phải điều chỉnh đệm không khí nằm cân bằng thẳng ngang ? 7. Trong thí nghiệm này, tại sao phải đẩy xe tr−ợt X1 đi qua cảm biến Đ1 với vận tốc đủ lớn chuyển động tới va cham vào xe tr−ợt X2 ? 8. Hiện t−ợng nội ma sát (hay ma sát nhớt) trong lớp đệm không khí có ảnh h−ởng đối với kết quả thí nghiệm không ? Tại sao ? 6 Báo cáo thí nghiệm nghiệm định luật bảo toàn động l−ợng trên đệm không khí Xác nhận của thày giáo Tr−ờng Đại học Bách khoa Hànội Lớp ...................Tổ ..................... Họ tên ......................................... I. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... II. kết quả thí nghiệm 1. Nghiệm định luật bảo toàn động l−ợng đối với va chạm đàn hồi Bảng 1 m1 = ............... ..± .............. (kg) m2 =....................± .............. (kg) m / =....................±................(kg) s =...................±..................(mm) 01m =....................±..................(kg) 02m =....................±..................(kg) m11 =....................±..................(kg) m21 =....................±..................(kg) Lần đo v1 = 0 (m/s) t2 (s) v2 (m/s) t1 / (s) v1 / (m/s) t2 / (s) v2 / (m/s) 1 2 3 a. Tính tổng động l−ợng của hệ hai xe X1 và X2 trong va chạm đàn hồi Lần đo K = M2 .v2 (kg.m/s) K/ = M1 .v1 / + M2 .v2 / (kg.m/s) δ = ∆K K = ′ −K K K 1 2 3 b. Kết luận Trong va chạm đàn hồi, định luật bảo toàn động l−ợng đ−ợc nghiệm với độ sai lệch tỷ đối δ =.............% 7 2. Nghiệm định luật bảo toàn động l−ợng đối với va chạm mềm Bảng 2 m1 = .............. ± ............. (10 -3 kg) m2 =................± ............. (10 -3 kg) m / =................±..............(10-3 kg) s =..............±...............(mm) 01m =....................±..................(kg) 02m =....................±..................(kg) 11m′ =..............±..............(10 -3 kg) 22m′ =..............±..............(10 -3 kg) Lần đo v1 = 0 (m/s) t2 (s) v2 (m/s) t / (s) v1 / = v2 / = v / (m/s) 1 2 3 a.Tính tổng động l−ợng của hệ hai xe X1 và X2 trong va chạm mềm : Lần đo K = M2 / . v2 (kg.m/s) K/ = ( M1 /+M2 /).v / (kg.m/s) δ = ∆K K = ′ −K K K 1 2 3 b. Kết luận : Trong va chạm mềm, định luật bảo toàn động l−ợng đ−ợc nghiệm với độ sai lệch tỷ đối δ = ...........% 8 Thí nghiệm vật lý nghiệm định luật newton thứ hai trên đệm không khí Dụng cụ : 1. Đệm không khí và giá đỡ có th−ớc thẳng milimét và các vít điều chỉnh cân bằng ; 2. Bơm nén khí và ống dẫn khí ; 3. Xe tr−ợt có bản chắn sáng hình chữ I ; 4. Hai đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá; 5. Ròng rọc nhỏ và giá đỡ ; 6. Cốc nhựa nhỏ có dây treo ; 7. Hộp quả cân 0ữ200g ; 8. Bộ gia trọng 2x50g và 2x100g ; 9. Hai máy đo thời gian hiện số MC-963 ; 10. Hai đầu cảm biến thu-phát quang điện hồng ngoại . I. Cơ sở lý thuyết Một vật, chịu tác dụng của lực, sẽ chuyển động có gia tốc (Hình 1). Theo định luật Newton thứ hai : Gia tốc a của vật cùng h−ớng và tỷ lệ thuận với lực tổng hợp F tác dụng lên vật và tỷ lệ nghịch với khối l−ợng m của vật đó : a = F m (1) Đơn vị đo của lực F là newton (N), của khối l−ợng m là kilôgam (kg) và của gia tốc a là mét trên giây bình ph−ơng (m/s2 ). Từ công thức (1) ta suy ra hệ quả sau : nếu lực tổng hợp tác dụng lên vật triệt tiêu F = 0 thì 0 dt dv a == và ν = const , nghĩa là vật chuyển động thẳng đều. Vận tốc của vật chuyển động thẳng đều có trị số bằng : v = s t = const (2) với s là đoạn đ−ờng vật đi đ−ợc trong khoảng thời gian t . Xét một hệ vật gồm một xe tr−ợt X khối l−ợng M chuyển động trên một mặt phẳng ngang nhẵn do tác dụng kéo của một vật khối l−ợng m treo ở đầu một sợi dây mảnh không dãn vắt qua ròng rọc nhỏ R và nối với xe tr−ợt X (Hình 2). M R m B d A Hình 2 Nếu bỏ qua ma sát, gia tốc a của hệ vật này tính theo định luật Newton thứ hai sẽ bằng : mM mg mM P a + = + = (3) Mặt khác, nếu đo đ−ợc các vận tốc 1v và 2v của xe tr−ợt X khi nó đi qua các vị trí A và B cách nhau một khoảng ABd = , thì ta có thể xác định gia tốc a của hệ vật này theo công thức : d.2 vv a 2 A 2 B − = (4) a F m Hình 1 9 Trong thí nghiệm này, ta có thể nghiệm lại định luật Newton thứ hai bằng cách khảo sát chuyển động thẳng nhanh dần đều của xe tr−ợt X trên đệm không khí (Hình 3) . Thiết bị đệm không khí gồm một hộp H bằng kim loại (dài khoảng 1200 cm), một đầu bịt kín và đầu còn lại nối thông với một bơm nén không khí P. Hộp H có dạng hình mái nhà và trên mặt của nó có hai dãy lỗ nhỏ phân bố đều nhau để khí nén phụt ra ngoài. Một xe tr−ợt X1 mang hai gia trọng 2m/ có thể chuyển động trên mặt hộp H (Hình 3) . T C1 m / Đ1 Đ2 R P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X1 V1 V2 H m máy đo thời gian máy đo thời gian mc - 963 mc - 963 Hình 3 Khi cho bơm nén P thổi không khí vào trong hộp H, các luồng không khí nén thoát ra từ các lỗ nhỏ, nâng xe tr−ợt X1 lên khỏi mặt ống H, tạo ra một lớp đệm không khí (dày cỡ 0,5ữ1 mm). Khi đó xe tr−ợt X1 có thể chuyển động trên lớp đệm không khí với ma sát không đáng kể. ở đỉnh của xe tr−ợt này có lắp một bản chắn sáng C1 hình chữ I với độ rộng bằng s . Muốn xác định vận tốc của xe tr−ợt X1 trên đệm không khí, ng−ời ta dùng hai máy đo thời gian hiện số MC-963 (Hình 4) để đo khoảng thời gian chắn sáng t của bản C1 khi nó đi qua cảm biến thu-phát quang điện Đ1 hoặc Đ2 . Nếu xe X1 chuyển động thẳng đều, vận tốc của nó sẽ tính theo công thức (2) với s là độ rộng của cạnh chữ I trên bản C1 . II. Trình tự thí nghiệm 1. Điều chỉnh đệm không khí nằm cân bằng thẳng ngang a. Lắp thêm vào mỗi đầu của hộp H một đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá. Đặt hai cảm biến Đ1 Đ2 nằm trong khoảng giữa trên mặt hộp H tại các vị trí cách nhau 40ữ50cm trên th−ớc thẳng T. Cắm đầu dây của cảm biến Đ1 và Đ2 vào ổ A trên mặt của mỗi máy đo thời gian MC-963. Cắm phích lấy điện của hai máy đo thời gian MC-963 vào nguồn điện ~220V. Bấm khóa K trên các mặt máy này : các chữ số sẽ hiện thị trên các cửa sổ “n = N -1” và "Time". Vặn núm chuyển mạch chọn cách đo "MODE" sang vị trí A (ở tận cùng bên trái). Gạt núm chuyển mạch chọn thang đo "TIME RANGE" sang vị trí 9,999 s. b. Đặt xe tr−ợt X1 (mang hai gia trọng 2m / ) nằm trên mặt hộp H trong khoảng giữa hai cảm biến Đ1 Đ2 . Cắm phích lấy điện của bơm nén khí P vào nguồn điện ~220V để nén không khí vào hộp H. Nếu xe tr−ợt X1 bị trôi về một phía, ta phải dùng tay giữ nhẹ xe tr−ợt X1 , đồng thời vặn từ từ vít V1 hoặc V2 để điều chỉnh độ cao của một trong hai đầu của hộp H sao cho khi buông nhẹ tay thì xe tr−ợt X1 tự nó đứng yên. Khi đó đệm không khí đã đ−ợc điều chỉnh cân bằng thẳng ngang . máy đo thời gian MC - 963 0 0 0 0 0 0 A+B A ↔ B n=N-1 Time B n=50 A n= N/2 mode 9,999 99,99 A B RESET time range K Hình 4 10 Kiểm tra lại vị trí cân bằng này theo thứ tự sau : - Đặt xe tr−ợt X1 ở gần một đầu của hộp H phía ngoài hai cảm biến Đ1 Đ2 ; - Bấm nút "RESET" của máy đo thời gian MC-963 để các số hiện thị trên cửa sổ "tIME" trở về trạng thái "0" ; - Đẩy xe tr−ợt X1 đi qua hai cảm biến Đ1 Đ2 với vận tốc đủ lớn (thí dụ, nên chọn vận tốc ứng với độ rộng mm10s = sao cho thời gian chắn sáng ms4030t ữ= ). Khi đó nếu số đo khoảng thời gian chắn sáng trên hai máy đo thời gian hiện số MC-963 bằng nhau (hoặc chênh nhau 0,001 s) thì có thể coi chuyển động của xe tr−ợt X1 trên đệm không khí là thẳng đều và đệm không khí đã cân bằng thẳng ngang. Chú ý : Giữ nguyên vị trí cân bằng này của đệm không khí trong suốt quá trình thí nghiệm. 2. Xác định gia tốc a của xe tr−ợt X1 chuyển động trên đệm không khí a. Dùng một sợi dây dài mảnh và không dãn vắt qua ròng rọc R để nối xe tr−ợt X1 (mang hai gia trọng 2m / ) với một cốc nhựa khối l−ợng m0 , đồng thời giữ xe tr−ợt X1 nằm ở sát một đầu của hộp H đối diện với đầu có lắp ròng rọc R nh− hình 3. Chú ý thao tác nhẹ nhàng và không treo các vật hoặc các quả cân có khối l−ợng lớn hơn 20 gam vào ròng rọc R để tránh làm gãy hỏng kim nhọn ở hai đầu trục quay của nó. Bấm nút "RESET" của hai máy đo thời gian MC-963 để các số chỉ thị trên cửa sổ "TIME" chuyển về trạng thái "0”. b. Bỏ thêm một quả cân nhỏ có khối l−ợng bằng 2 gam vào cốc nhựa m0 . Sau đó buông tay để xe tr−ợt X1 chuyển động thẳng nhanh dần đều do tác dụng kéo của trọng lực g).2m(P 0 += h−ớng thẳng đứng xuống d−ới, với g là gia tốc trọng tr−ờng tại phòng thí nghiệm. Đọc và ghi vào bảng 1 số đo các khoảng thời gian chắn sáng At và Bt khi bản C1 có độ rộng bằng s lần l−ợt đi qua các cảm biến Đ1 và Đ2 đặt tại các vị trí A và B . Vận tốc của xe tr−ợt X1 tại các vị trí A và B có giá trị gần đúng bằng : A A t s v = , B B t s v = (5) Nh− vậy gia tốc của hệ vật nêu trên đ−ợc đo bằng thực nghiệm theo các vận tốc Av và Bv có giá trị a xác định bởi công thức (4). c. Thực hiện 5 lần động tác II.2b bằng cách tăng dần số l−ợng quả cân đựng trong cốc nhựa m0 , mỗi lần lại bỏ thêm vào 1 quả cân 2 gam. Khi đó khối l−ợng của cốc nhựa và các quả cân 2 gam đựng trong cốc ứng với lần thứ 5,4,3,2,1n = tính theo công thức : n.2mm 0 += 3. Nghiệm lại định luật Newton thứ hai a. Dùng cân kỹ thuật (có giới hạn đo 0 ữ 500gam và độ chính xác 0,5 ữ1,0 gam) để xác định lần l−ợt khối l−ợng của các phần trong hệ vật. Đọc và ghi vào bảng 1 các giá trị sau đây : - khối l−ợng •m của xe tr−ợt X1 (kèm theo bản chắn sáng C1 , đầu móc dùng buộc dây và các ốc vít của nó), - khối l−ợng m/ của mỗi gia trọng, - khối l−ợng m0 của cốc nhựa. Ghi chú : Cũng có thể cho biết sẵn giá trị các khối l−ợng •m , m/ và m0 trên bàn thí nghiệm. b. áp dụng công thức (3) để tính giá trị gia tốc a′ của hệ vật theo định luật Newton thứ hai : mM g.m )n.2m()m2m( g).n.2m( a 0 0 + = ++′+ + =′ • (6) c. So sánh giá trị a đo đ−ợc bằng thực nghiệm với giá trị a′ tính theo định luật Newton thứ hai. Trong tr−ờng hợp nếu sai số t−ơng đối %5 a aa a a ≤ ′ − ′ = ′ ∆ , ta có thể kết luận : định luật Newton thứ hai đã đ−ợc nghiệm đúng. 11 III. Câu hỏi kiểm tra 1. Phát biểu và viết công thức của định luật Newton thứ hai. Nêu rõ đơn vị đo của các đại l−ợng vật lý có trong công thức của định luật này. 2. Trình bày ph−ơng pháp nghiệm lại định luật Newton thứ hai trên đệm không khí. Phân tích các lực tác dụng lên hệ vật ta xét, đồng thời dựa vào định luật Newton thứ hai để chứng minh gia tốc a′ của hệ vật có dạng nh− công thức (6). 3. Tr−ớc khi tiến hành thí nghiệm này, tại sao cần phải điều chỉnh đệm không khí nằm cân bằng thẳng ngang ? 4. Hiện t−ợng nội ma sát (hay ma sát nhớt) trong lớp đệm không khí có ảnh h−ởng đối với kết quả thí nghiệm không ? Tại sao ? 5. Dựa vào kết quả thí nghiệm, hãy nêu lên nhận xét về sự phụ thuộc của gia tốc a vào lực kéo g).n.2m(P 0 += : gia tốc a thay đổi (tăng hay giảm) khi tăng lực kéo P ? 6. So sánh giá trị sai số t−ơng đối a aa a a −′ = ′ ∆ trong các lần đo khác nhau : sai số này tăng hay giảm khi tăng lực kéo P ? Giải thích tại sao ? Báo cáo thí nghiệm 12 nghiệm định luật Newton thứ hai trên đệm không khí Xác nhận của thày giáo Tr−ờng Đại học Bách khoa Hànội Lớp ...................Tổ ..................... Họ tên ......................................... I. Mục đích thí nghiệm ..................................................................................................................................................... ..................................................................