Khảo sát chuyển động cảu xe trượt

1
Thí nghiệm vật lý BKM040A
khảo sát chuyển động của xe trợt trên đệm khí
kiểm chứng ba định luật niu tơn .












I. Mục đích :
Một xe có dạng chữ V ngợc chuyển
động trợt dọc theo một băng kim loại có
mặt trợt đồng dạng với xe. Nhờ khí nén
thoát ra từ các lỗ nhỏ trên mặt trợt của
băng, nâng xe lên khỏi mặt băng, đồng thời
tạo ra một lớp đệm khí có tác dụng giảm
thiểu gần nh triệt tiêu lực ma sát giữa xe và
mặt băng. Từ điều kiện đó cho phép ta kiểm
chứng lại ba định định luật Niutơn
1. Sự bảo toàn trạng thái chuyển động của
xe ( đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều )
khi xe chịu các lực cân bằng.
2. Mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc

chuyển động của xe.
3. Mối quan hệ giữa lực và phản lực xuất
hiện khi hai xe tác dụng tơng hỗ với nhau
bằng lực đàn hồi.
III. Dụng cụ thí nghiệm
1. Băng đệm khí có 3 chân vít điều chỉnh
thăng bằng.
2. Hai chiếc xe trợt .
3. Bơm nén khí và ống dẫn khí nén.
4. Máy đo thời gian hiện số (MC-963 hoặc
tơng đơng )
5.
Hai cổng quang điện E, F
6.
Các phụ kiện khác : 2 Gia trọng chữ
nhật , các quả cân nhỏ (1g, 2g , 5g ), dòng
dọc, dây treo, cốc nhỏ đựng quả cân, đĩa đệm
7.
III. Giới thiệu dụng cụ đo.
1. Đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng
quang điện.
2. Băng đệm khí đợc làm từ hợp kim
nhôm, có dạng một hộp rỗng dài 1m2 , hai đầu
bịt bằng hai tấm nhựa cứng T
1
, T
2
, đầu T
1
kín

, đầu T
2
có lỗ nối thông với bơm nén khí. Mặt
trên của băng có dạng chữ V ngợc, rất phẳng
và nhẵn, ngời ta khoan hai dy lỗ nhỏ cho khí
phun ra.
Xe trợt cũng đợc chế tạo từ hợp kim
nhôm, có dạng chữ V dài khoảng 150 mm,
khối lợng khoảng 200g. Có thể đeo thêm các
gia trọng chữ nhật vào hai bên thành xe để
thay đổi khối lợng của nó. Cờ chắn tia hồng
ngoại dạng chữ I hoặc chữ U đợc gắn trên
đỉnh xe.
Hai cổng quang điện E, F đợc lắp trên thanh
đỡ có thể dịch chuyển dọc theo băng đệm khí.
Thớc mm gắn trên băng và mũi tên trên thanh
đỡ giúp ta xác định vị trí hai cổng E và F.
Một dòng dọc nhỏ , rất nhẹ và rất tinh xảo
đợc gắn ở một đầu băng. Lực kéo xe đợc tạo
ra bằng cách nối xe với cốc nhỏ đựng quả cân


2
bằng một sợi dây ni lon mảnh vắt qua dòng
dọc này.
Ba chân vít cùng các đĩa đệm dùng để
điều chỉnh thăng bằng hoặc tạo độ nghiêng
cho băng đệm khí. Bơm nén khí chạy điện
xoay chiều 220V, có độ ồn nhỏ, lu lợng
khoảng 30 m

3
/h, tạo ra áp suất khí
650mmH
2
O, cung cấp khí nén cho băng đệm
khí hoạt động.
IV. Lắp ráp thí nghiệm
1. Băng đệm khí cần đợc lắp đặt trên mặt
bàn phẳng, vững chắc. Hai cung đàn hồi
đợc lắp ở hai đầu băng để tránh cho xe chạy
đập vào hai tấm chắn T
1
, T
2
làm hỏng xe
hoặc gy tấm nhựa T
1
, T
2
.
2. Lắp ống dẫn khí nén nối thông giữa băng
đệm khí và máy bơm. Bật điện cho chạy máy
bơm , đặt xe trợt lên băng đệm khí , và tiến
hành điều chỉnh thăng bằng cho hệ thống
nhờ các vít và đĩa đệm. Hệ thống đợc xem
là thăng bằng khi xe đứng yên hoặc không
chuyển dịch u tiên theo hớng nào. Để đảm
bảo độ chính xác, thí nghiệm cần đợc thực
hiện trong điều kiện không có gió.
3. Hai cổng quang điện E, F ban đầu có thể

đặt ở vị trí 40 và 70 cm.

V. Tiến hành thí nghiệm.
1. Khảo sát chuyển động của xe dới tác
dụng của các lực cân bằng :



.
..
.
Thí nghiệm:

Đồng hồ đo thời gian hiện số đặt ở
MODE A+B.
Kéo xe bằng trọng lực của ( Cốc + quả
cân 10g ), dây đợc nối sao cho khi xe ở vị
trí tận cùng phải của băng thì cốc gia trọng
chỉ cách mặt sàn khoảng 10 cm ( có thể
dùng một mặt ghế để tạo giá đỡ cốc). Nh
vậy sau khi chuyển động đợc 10 cm thì lực
kéo bị gỡ bỏ, xe chỉ còn chịu tác dụng của
những lực cân bằng. Ghi lại thời gian chắn
tia t
1
và t khi xe đi qua hai cổng E, F. Hy
xác định vận tốc của xe tại 2 vị trí này.
Lặp lại phép đo trên tại các vị trí khác
nhau của hai cổng quang điện E, F, ghi kết
quả vào bảng 1.

.
..
. Phân tich kết quả :
Thời gian chắn tia khi xe đi qua cổng thứ
2 ( cổng E ) là t
2
= t t
1 .
Nếu t
1
= t
2
thì
chuyển động của xe là thẳng đều.
2. Khảo sát mối quan hệ giữa lực tác
dụng và gia tốc.
a. Thí nghiệm
Trong thí nghiệm này ta có thể dùng 4
quả cân ( 1 quả 1g , 2 quả 2g , và 1 quả 5g)
để tạo ra các trọng lực kéo xe P = ( m
0
+ (
1,2,3,4 .....10)).g.10
-3
( N ). Các quả cân tạo
lực kéo đợc bỏ vào cốc, các quả còn lại đặt
lên xe. Khối lợng của cả hệ :
M = ( M
0
+ m

0
+ 10 ) (g).
Trong đó M
0
là khối lợng xe, m
0
là khối
lợng cốc.
Có nhiều cách đo gia tốc của xe trợt
trên đệm khí :
- Nếu dùng cờ chắn sáng dạng chữ I có bề
rộng h = 10mm , hai cổng E, F đặt tại vị trí
bất kỳ trên đờng chuyển động của xe, cho
máy đo thời gian làm việc ở MODE (A+B)
ta đo đợc t
1
và t
2
là thời gian che sáng khi xe
đi qua hai cổng E , F sau đó chuyển Mode
hoạt động máy đo thời gian về vị trí A B
để đo khoảng thời gian t xe chạy giữa 2 cổng
E, F , thì gia tốc a xác định đợc từ công
thức :
a =
t
vv
12

(1)

Trong đó v
1
= h/ t
1
và v
2
= h/ t
2
là vận tốc của
xe tại hai cổng E, F.
- Nếu cổng F đợc đặt tại vị trí khi xe bắt
đầu chuyển động sao cho mép trớc của cờ
chắn sáng chỉ cách tia hồng ngoại khoảng <
1mm, máy đo thời gian đặt ở MODE ( A
B ), thì ta đo đợc khoảng thời gian t xe
chạy đến cổng E. Gia tốc a đợc xác định
bởi :

3
a =
2
t
s2
(2)
( s : khoảng cách giữa hai cổng E,F )
Thực hiện các phép đogia tốc ứng với
trờng hợp bỏ vào cốc các quả cân có
khối lợng lần lợt bằng
m
= 1,2,3,4,5....10 .

Các quả còn lại
đặt lên xe . Ghi kết quả vào bảng 2
.
Thực hiện các phép đogia tốc ứng với
trờng hợp bỏ vào cốc chỉ 1 quả cân có
khối lợng 5g , còn khối lợng xe thay
đổi bằng cách thêm bớt gia trọng.

Ghi kết quả vào bảng 2
.
b. Phân tich kết quả :
Lực kéo P truyền gia tốc a cho hệ.
Trong trờng hợp khối lợng của hệ
không đổi :
- Tỷ số P
1
/ a
1
= P
2
/ a
2
= P
3
/ a
3
= P
4
/ a
4

=
......
- Đồ thị biểu diễn quan hệ P (a) là một
đoạn thẳng
Gia tốc do lực P truyền cho hệ tỷ lệ với
lực tác dụng.
Trong trờng hợp lực kéo không đổi,
khối lợng M của hệ thay đổi :
- Tỷ số : a
1
/ a
2
= M
2
/ M
1

Gia tốc do lực P truyền cho hệ tỷ lệ
nghịch với khối lợng của hệ.
3. Khảo sát lực tơng tác giữa hai vật :
a. Thí nghiệm :
Trong thí nghiệm này ta sử dụng hai xe
trợt có khối lợng m
1
và m
2
. Lắp vào đầu
mỗi xe một lò xo lá . Dùng một vòng chỉ
buộc nén chúng lại sao cho lò xo căng .
Chọn hai cờ chắn sáng dạng chữ U có kích

thớc bằng nhau , máy đo thời gian đặt ở
mode A B. Bật điện máy bơm, đặt hai xe
nằm ở khoảng giữa hai cổng E, F, điều chỉnh
cẩn thận thăng bằng cho băng đệm khí .
Đốt sợi chỉ, lực đàn hồi của lò xo làm
cho cả hai xe chuyển động bật ra. Khi lò xo
đ dn hết, hai xe bắt đầu rời nhau thì lực
tơng tác giữa hai xe cũng kết thúc, hai
chuyển động đều với vận tốc v
1
, v
2
. Ghi vào
bảng 3 thời gian t
1
, t
2
các cờ chắn sáng đi
qua các cổng E, F .
Treo thêm gia trọng vào các xe và lặp lại
thí nghiệm trên với các khối lợng m
1
, m
2

khác nhau. Ghi tiếp kết quả vào bảng 3.
b. Phân tích kết quả :
Lực F
2
do xe m

2
tác dụng lên xe m
1
truyền
cho m
1
một gia tốc a
1
: F
2
= m
1 .
. a
1
.
Gia tốc a
1
có thể tính : a
1
= v
1
/ t. ( t : thời
gian tơng tác giữa hai xe ).
Lực F
1
do xe m
1
tác dụng lên xe m
2
truyền

cho m
2
một gia tốc a
2
: F
1
= m
2 .
. a
2
.
Gia tốc a
2
có thể tính : a
2
= v
2
/ t. ( t : thời
gian tơng tác giữa hai xe ).
F
1
, F
2
là hai lực cùng phơng , ngợc chiều.
Về trị số :
F
2
/ F
1
= ( m

1
. v
1
/ m
2
. v
2
) = m
1
. t
2
/ m
2
. t
1
.
Kết quả thực nghiệm cho thấy m
1
. t
2
= m
2
.
t
1
, thì F
1
, F
2
là hai lực trực đối.

Câu hỏi
1. Với các dụng cụ nh trên, có những cách
nào để xác định vận tốc tức thời và những
cách nào để xác định gia tốc của chuyển
động ?
2. Để dễ nhận biết đợc tính chất của chuyển
động, hoặc mối tơng quan giữa các đaị
lợng, từ các số liệu thực nghiệm thu đợc ta
nên xây dựng đồ thị mô tả quan hệ giữa các
đại lợng nào ? Hy dự đoán tính chất của đồ
thị và nghiệm lại bằng kết quả thực nghiệm.
3. Nếu mép bên phải của cờ che sáng của xe
nằm ở vị trí ban đầu cách tia hồng ngoại
cổng F 3mm, thì phép đo vận tốc tức thời và
gia tốc tại điểm E cách F một khoảng l =
0,5m, phạm thêm sai số hệ thống là bao
nhiêu % ?





4



Bảng 1
Vị trí E1 F1 E2
F2

t


v = h/ t

Bảng 2
Khối lợng xe M
0
=.............. Khối lợng cốc m
0
=.......................
M

P t
1
t
2
t a








Vẽ đồ thị : a = a(P) khi M= const và đồ thi a= a(M) khi P= const

Bảng 3
Khối lơng m t m/t

Xe m
1

Xe m
2



Xe m
1

Xe m
2



Xe m
1

Xe m
2


IV Nhận xét kết quả
...............................................................................................................................................

5


Phụ lục
Phụ lụcPhụ lục
Phụ lục
: Đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện
Khi nghiên cứu các hiện tợng cơ học, ta gặp các hiện tợng xảy ra rất nhanh, chẳng hạn sự
rơi tự do, hiện tợng va chạm Thí dụ một vật bắt đầu rơi tự do, đi qua 0,050 m đầu tiên chỉ
hết 0,100 s ; đi qua 0,150 m tiếp theo hết 0,100 s, ; đi qua 0,600 m tiếp theo chỉ mất 0,200 s ...
Rõ ràng, không thể dùng đồng hồ bấm giây thông thờng để đo các khoảng thời gian nh
thế, cho dù các đồng hồ bấm giây điện tử ngày nay có ĐCNN còn gọi là độ phân giải bằng
0,01s hay nhỏ hơn nữa. Nguyên nhân là do khi dùng tay bấm đồng hồ, chúng ta không thể
vợt qua giới hạn tốc độ phản xạ thần kinh và cơ bắp của con ngời, giới hạn này chỉ vào
khoảng 0,1 s.
Đồng hồ đo thời gian hiện số điều khiển bằng các cổng quang điện khắc phục đợc khó
khăn nói trên. Hình 1 giới thiệu đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 và sơ đồ nguyên lý một
cổng quang điện.

Đồng hồ đo thời gian MC-964 (H.1a) có hai thang đo thời gian : 9,999s và 99.99s , với độ
chia nhỏ nhất (ĐCNN) - còn gọi là độ phân giải, tơng ứng là 0,001s và 0,01s. Chỉ cần gạt
núm chuyển mạch Thang đo trên mặt đồng hồ, ta dễ dàng chọn đợc thang đo thích hợp.
Phía mặt trớc của đồng hồ có cửa sổ hiển thị thời gian, gồm : bốn chữ số chỉ thị bằng
LED 7 thanh và một dấu chấm thập phân tự động dịch chuyển khi chọn thang đo, một núm
vặn chuyển mạch MODE và một nút nhấn RESET .
Núm vặn chuyển mạch MODE dùng để chọn kiểu làm việc cho máy đo thời gian.
Nút nhấn RESET dùng để đa các chữ số chỉ của đồng hồ này về giá trị 0000.
Đồng hồ hai ổ cắm A, B (loại 5 chân) và công-tắc K :
ổ cắm A đợc nối với cổng quang điện E, vừa cung cấp dòng điện cho cổng E vừa nhận
tín hiệu từ E gửi về.
ổ cắm B đợc nối với cổng quang điện F, và có chức năng nh trên.
Công-tắc K dùng để đóng hoặc ngắt điện cấp cho đồng hồ.
D
1
D
2
Thanh trụ
kim loại
(a)
(b)
Hình 1. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 và sơ đồ nguyên lý cổng
quang điện