Tài liệu thực hành thí nghiệm vật lý

THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Vật lí là một khoa học thực nghiệm, học vật lí trong trường phổ thông là học tập gắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRƯỜNG THPT

MÔN VẬT LÍ

(Lưu hành nội bộ)

HÀ NỘI, THÁNG 9 NĂM 2011

Chủ trì biên soạn tài liệu

Nhóm tác giả biên soạn tài liệu

NGUYỄN TRỌNG SỬU (Chủ biên)

HỒ TUẤN HÙNG NGUYỄN VĂN KHÁNH TRẦN MINH THI

LỜI NÓI đẦU

Nhằm triển khai đề án phát triển hệ thống trường THPT chuyên giai ựoạn 2010 - 2020, với mục tiêu nâng cao chất lượng dạy học trong các trường THPT chuyên và phát triển chuyên môn cho giáo viên môn chuyên Vật lắ, Bộ Giáo dục và đào tạo tổ chức biên soạn tài liệu ỘThắ nghiệm thực hành trường THPT môn Vật lắỢ để ựáp ứng yêu cầu ựổi mới dạy học tăng cường dạy thắ nghiệm thực hành và thi chọn học sinh giỏi vật lắ THPT, Bộ Giáo dục và đào tạo ựã mời các chuyên gia, giảng viên các trường ựại học tham gia biên soạn Cấu trúc tài liệu gồm có:

Phần 1 Những vấn ựề chung Phần 2 Một số bài thắ nghiệm thực hành môn Vật lắ THPT

Mỗi bài thực hành ựược biên soạn và hướng dẫn cho GV, HS một cách chi tiết, có phần câu hỏi mở rộng ựể khai thác sâu hơn kiến thức, kỹ năng và phát huy tắnh sáng tạo của HS THPT chuyên

Phần 3 Tổ chức dạy học thắ nghiệm thực hành trong các trường THPT chuyên

Mặc dù tài liệu ựược viết rất công phu, Tiểu ban thẩm ựịnh môn Vật lắ ựọc góp ý và biên tập nội dung nhưng khó tránh khỏi còn có những sơ sót nhất ựịnh Các tác giả mong nhận ựược góp ý của quý thầy cô giáo và ựộc giả khi sử dụng tài liệu

Trân trọng cám ơn Tiểu ban thẩm ựịnh và bạn ựọc

CÁC TÁC GIẢ

Phần thứ nhất NHỮNG VẤN ðỀ CHUNG

A THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG TRƯỜNG

TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

Vật lí là một khoa học thực nghiệm, học vật lí trong trường phổ thông là học tập gắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện tượng vật lí trong thế giới tự nhiên ñể giúp HS hiểu biết các quy luật của nó và cùng chung sống với thực tiễn

ñời sống xã hội

Thí nghiệm thực hành (gọi tắt là thí nghiệm) Vật lí trong trường Trung học phổ thông (THPT) là một trong những mục ñích quan trọng giúp học sinh (HS) hình thành nên những nét nhân cách con người thông qua những kĩ năng khoa học

và các thao tác tư duy logic vật lí, ñồng thời qua ñó giúp HS hiểu sâu sắc hơn các khái niệm, hiện tượng vật lí, giải thích ñược các hiện tượng vật lí ñơn giản ñang xảy ra trong thế giới tự nhiên và xung quang chúng ta

Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT giúp HS củng cố và khắc sâu những kiến thức, kĩ năng thu ñược từ thực tiễn và các bài giảng lí thuyết, gắn lí thuyết với thực hành, học ñi ñôi với hành, giúp HS tin tưởng vào các chân líkhoa học

Hơn nữa, thí nghiệm Vật lí trong trường THPT, giúp HS rèn luyện các kĩ năng vận dụng sáng tạo, tự tin và ñạt kết quả cao khi làm các bài thi HSG quốc gia

và Olympic Vật lí

Vì vậy, coi trọng thí nghiệm Vật lí trong trường THPT, ñặc biệt là trong các trường THPT Chuyên là ñịnh hướng lâu dài và vững chắc cho mục tiêu ñào tạo nhân cách HS ñể hình thành các năng lực cho HS trong những năm tới và mai sau

B CHỨC NĂNG CỦA THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH

VÀ YÊU CẦU ðỐI VỚI GIÁO VIÊN KHI DẠY HỌC

I CHỨC NĂNG CỦA THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH

Theo quan ñiểm lí luận nhận thức thì thí nghiệm có những chức năng cụ thể sau ñây:

1 Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức

Thí nghiệm là một phương tiện quan trọng của hoạt ñộng nhận thức của con người, thông qua thí nghiệm con người ñã thu nhận ñược những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao năng lực của bản thân ñể có thể tác ñộng và cải tạo thực tiễn Trong học tập thí nghiệm là phương tiện của hoạt ñộng nhận thức của học sinh, nó giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết

2 Thắ nghiệm là phương tiện kiểm tra tắnh ựúng ựắn của tri thức

Trong khoa học phương pháp thực nghiệm ựược coi là Ộhòn ựã thử vàngỢ của mọi tri thức chân chắnh Bởi vậy, có thể nói thắ nghiệm có chức năng trong việc kiểm tra tắnh ựúng ựắn của tri thức ựã thu nhận

3 Thắ nghiệm là phương tiện ựể vận dụng tri thức vào thực tiễn

Trong quá trình vận dụng kiến thức vào thực tiễn, vào việc thiết kế và chế tạo các thiết bị kĩ thuật, người ta gặp phải những khó khăn nhất ựịnh do tắnh khái quát và trừu tượng của các tri thức cần vận dụng, cũng như bởi tắnh phức tạp của các thiết bị kĩ thuật cần chế tạo Trong trường hợp ựó thắ nghiệm ựược sử dụng với

tư cách là phương tiện thử nghiệm cho việc vận dụng tri thức vào thực tiễn

4 Thắ nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức

Thắ nghiệm luôn ựóng một vai trò rất quan trọng trong các phương pháp nhận thức khoa học Chẳng hạn, ựối với phương pháp thực nghiệm, thắ nghiệm luôn có mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn ựề nghiên cứu, kiểm tra tắnh ựúng ựắn của các giả thuyết Trong phương pháp mô hình, thắ nghiệm giúp ta thu thập các thông tin về ựối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình Ngoài ra, ựối với mô hình vật chất ựiều bắt buộc là người ta phải tiến hành các thắ nghiệm thực sự với nó Cuối cùng, nhờ những kết quả của các thắ nghiệm ựược tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở ựể ựối chiếu với kết quả thu ựược từ mô hình, qua

ựó ựể có thể kiểm tra tắnh ựúng ựắn của mô hình ựược xây dựng và chỉ ra giới hạn

áp dụng của nó

II YÊU CẦU đỐI VỚI GIÁO VIÊN KHI HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH

Giáo viên khi hướng dẫn HS thực hành cần ựảm bảo các yêu cầu sau ựây:

1 Soạn bài, chuẩn bị ựầy ựủ dụng cụ, thiết bị thắ nghiệm, mẫu báo cáo thực hành, vật liệu tiêu hao cho các bài thực hành trước khi hướng dẫn cho HS làm thắ nghiệm thực hành

2 Kiểm tra HS và củng cố lại cơ sở lắ thuyết của bài thực hành, phán ựoán các tình huống xảy ra trong quá trình làm thắ nghiệm thực hành

3 Phân nhóm thực hành hợp lắ, hướng dẫn cách lắp ựặt thắ nghiệm, các bước tiến hành thắ nghiệm, thu thập thông tin, xử lắ kết quả và cách viết báo cáo và trình bày thắ nghiệm

4 Theo dõi các nhóm thực hành, hướng dẫn HS thảo luận, khai thác, xử lắ kết quả thắ nghiệm, xử lắ các tình huống ựề xuất trong quá trình thực hành đánh giá năng lực thực hành của từng HS ựảm bảo sự khách quan và công bằng thông qua sự theo dõi và kết quả báo cáo thực hành

5 Hướng dẫn HS về an toàn, vệ sinh môi trường, bảo quản thiết bị thắ

Phần thứ hai MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH MÔN VẬT LÍ THPT

Bài thực hành mở ñầu TÍNH SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU

I Mục ñích

- Rèn luyện kỹ năng tính giá trị trung bình và sai số của ñại lượng vật lí ñược ño trực tiếp

- Vận dụng thành thạo các phương pháp tính sai số của ñại lượng ño gián tiếp

- Từ bảng số liệu thực nghiệm, học sinh cần nắm vững phương pháp xử lí số liệu ñể tính giá trị trung bình và sai số của ñại lượng ño gián tiếp

- Nắm vững và thành thạo quy tắc làm tròn số và viết kết quả ño ñại lượng vật lí

II Cơ sở lí thuyết

2.1 ðịnh nghĩa phép tính về sai số

Các khái niệm

a Phép ño trực tiếp: ðo một ñại lượng vật lí có nghĩa là so sánh nó với một

ñại lượng cùng loại mà ta chọn làm ñơn vị

b Phép ño gián tiếp: Trường hợp giá trị của ñại lượng cần ño ñược tính từ giá trị của các phép ño trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học, thì phép ño ñó

là phép ño gián tiếp

Phân loại sai số

Khi ño một ñại lượng vật lí, dù ño trực tiếp hay gián tiếp, bao giờ ta cũng mắc phải sai số Người ta chia thành hai loại sai số như sau:

b Sai số ngẫu nhiên:

Sai số ngẫu nhiên sinh ra do nhiều nguyên nhân, ví dụ do hạn chế của giác quan người làm thí nghiệm, do sự thay ñổi ngẫu nhiên không lường trước ñược của

các yếu tố gây ảnh hưởng ñến kết quả ño Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả ño lệch về cả hai phía so với giá trị thực của ñại lượng cần ño Sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ ñược Trong phép ño cần phải ñánh giá sai số ngẫu nhiên

2.2 Phương pháp xác ñịnh sai số của phép ño trực tiếp

a) Phương pháp chung xác ñịnh giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên

Giả sử ñại lượng cần ño A ñược ño n lần Kết quả ño lần lượt là A1,A2, A n.

ðại lượng

n

A n

A A

A A

n

i i n

∑

=

= + + +

= 1 2 1

(1)

ñược gọi là giá trị trung bình của ñại lượng A trong n lần ño Số lần ño càng lớn,

giá trị trung bìnhA càng gần với giá trị thực A Các ñại lượng:

n

A

A A A

A A A

2 2

1 1

ñược gọi là sai số tuyệt ñối trong mỗi lần ño riêng lẻ ðể ñánh giá sai số của phép

ño ñại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình Theo lí thuyết xác

suất, sai số toàn phương trung bình là:

( )

1 2

và kết quả ño ñại lượng A ñược viết: A= A± σ (3)

Như vậy, giá trị thực của ñại lượng A với một xác suất nhất ñịnh sẽ nằm trong khoảng từ A− σ ñến A+ σ, nghĩa là:

∑

=

∆ 1

(4) Kết quả ño lúc này ñược viết dưới dạng: A = A ± ∆A (5)

δ = 100 0

A

A

Kết quả ño ñược viết như sau: A=A± δ 0 (7)

Như vậy, cách viết kết quả phép ño trực tiếp như sau:

- Tính giá trị trung bình A theo công thức (1)

- Tính các sai số ∆A theo công thức (4) hoặc (6)

- Kết quả ño ñược viết như (5) hoặc (7)

Ví dụ: ðo ñường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau:

● Tuy nhiên cũng vì một lí do nào ñó, phép ño chỉ ñược tiến hành một lần hoặc ñộ

nhạy của dụng cụ ño không cao, kết quả của các lần ño riêng lẻ trùng nhau Trong trường hợp ñó, ta phải dựa vào ñộ nhạy của dụng cụ ñể xác ñịnh sai số Sai số ∆A

thường ñược lấy bằng nửa giá trị của ñộ chia nhỏ nhất của dụng cụ

● Khi ño các ñại lượng ñiện bằng các dụng cụ chỉ thị kim, sai số ñược xác ñịnh

theo cấp chính xác của dụng cụ

Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2 Nếu dùng thang ño 200V ñể ño hiệu ñiện thế

thì sai số mắc phải là ∆U = 2 0 200 = 4V

Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả ño sẽ là: U = 150 ± 4V

● Khi ño các ñại lượng ñiện bằng các ñồng hồ ño hiện số, cần phải lựa chọn thang

ño thích hợp

- Nếu các con số hiển thị trên mặt ñồng hồ là ổn ñịnh (con số cuối cùng bên phải không bị thay ñổi) thì sai số của phép ño có thể lấy giá trị bằng tích của cấp chính xác và con số hiển thị

Ví dụ: ñồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ ño

hiện số), giá trị ñiện áp hiển thị trên mặt ñồng hồ là: U = 218 V

thì có thể lấy sai số dụng cụ là:

0

∆U = 1 218 = 2,18 V

Làm tròn số ta có U = 218,0 ± 2,2 V

- Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn ñịnh (nhảy số), thì sai số của phép

ño phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong khi ño

Ví dụ: khi ñọc giá trị hiển thị của ñiện áp bằng ñồng hồ nêu trên, con số cuối

cùng không ổn ñịnh (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng ñơn

vị không ổn ñịnh) Trong trường hợp này lấy giá trị trung bình U = 217 V Sai số phép ño cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong quá trình ño ∆U = 2n V Do vậy:

Giá trị trung bình A ñược xác ñịnh bằng cách thay thế các giá trị x, y, z vào hàm trên, nghĩa là A = f (x,y,z)

2

dt t g dv t d

v dt v

dh= 0sin α + 0cos α α + sin α 0−

=(v0 sin α −gt).dt+v0 tcos α dα + sin αt.dv0

∆h = v0.sin - gt.∆t+ v0.t.cos..∆ α + sin α t ∆v0

360

2 30 cos 2 2 , 39 2 , 0 2 8 9 30 sin 2

a Lấy logarit cơ số e của hàm A= f(x,y,z)

b Tính vi phân toàn phần hàm lnA = ln f(x,y,z), sau ñó gộp các số hạng có chưa

vi phân của cùng một biến số

c Lấy giá trị tuyệt ñối của biểu thức ñứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d

thành ∆ ta có δ=

A A

∆

d Tính ∆A= A δ

Ví dụ: Gia tốc trọng trường ñược xác ñịnh bằng biểu thức: g = 2

2 4

T l

2

2

4

) 4

4

) 4 (

at t v

t t t

v v

2

2

mv mgh

- Nếu chữ số ở hàng bỏ ñi có giá trị ≥ 5 thì chữ số bên trái nó tăng thêm một ñơn

vị

Ví dụ: 2 , 83745 → 2 , 84

c) Cách viết kết quả

- Sai số tuyệt ñối ∆A và sai số trung bình ñều ñược làm tròn theo quy tắc trên

- Khi viết kết quả, giá trị trung bình ñược làm tròn ñến chữ số cùng hàng với chữ

số có nghĩa của sai số tuyệt ñối

Ví dụ:

Không thể viết m= 2 , 83745 ± 0 , 0731g

mà phải viết m= 2 , 84 ± 0 , 07g

hoặc là ta tính 100 % 2 , 464 2 , 464 %

84 , 2

07 , 0

=

=













=

Ta có thể viết m= ( 2 , 84 ± 2 , 5 2 , 84 %) g Nếu sai số lấy ñến 1 chữ số có nghĩa thì

(2,84 0, 07)

Chú ý rằng khi viết kết quả cuối cùng, sai số toàn phần sẽ bằng tổng sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống: ∆TP = ∆NN + ∆HT

Ví dụ: Khi dùng thước kẹp ñể ño ñường kính một sợi dây nhỏ, giả sử ta ño 5 lần, sai số ngẫu nhiên tính ñược là ∆d = 0 , 05mm Thước kẹp có ñộ chính xácδ = 0 , 02mm thì sai số toàn phần sẽ là ∆TP = 0 , 05 + 0 , 02 = 0 , 07mm

Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn sai số hệ thống thì ta bỏ qua sai số ngẫu nhiên

ñó (vì không thể ño ñược kết quả chính xác hơn cả cấp chính xác của dụng cụ ño)

Trong trường hợp phép ño chỉ thực hiện một lần thì sai số toàn phần ñược lấy chính là sai số hệ thống (do dụng cụ ño)

2.5 Xử lí số liệu và biểu diễn kết quả bằng ñồ thị

Trong nhiều trường hợp kết quả thí nghiệm ñược biểu diễn bằng ñồ thị là rất thuận lợi, vì ñồ thị có thể cho thấy sự phụ thuộc của một ñại lượng y vào ñại lượng

x nào ñó Phương pháp ñồ thị thuận tiện ñể lấy trung bình các kết quả ño

Giả sử bằng các phép ño trực tiếp, ta xác ñịnh ñược các cặp giá trị của x và y như sau:







∆

±

∆

±

1

1

1

1

y

y

x

x







∆

±

∆

±







∆

±

∆

±

n n

n n

y y

x x y

y

x x

2 2

2 2

Muốn biểu diễn hàm y= f (x) bằng đồ thị, ta làm như sau:

a Trên giấy kẻ ơ, ta dựng hệ tọa độ decac vuơng gĩc Trên trục hồnh đặt các giá trị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thị chốn đủ trang giấy

b Dựng các dấu chữ thập hoặc các hình chữ nhật cĩ tâm là các điểm A1(x1,y1),

) , ( )

,

( 2 2

2 x y A n x n y n

A và cĩ các cạnh tương ứng là (2 ∆x1, 2 ∆y1) (, 2 ∆x n, 2 ∆y n) Dựng

đường bao sai số chứa các hình chữ nhật hoặc các dấu chữ thập

c ðường biểu diễn y= f (x) là một đường

cong trơn trong đường bao sai số được vẽ

sao cho nĩ đi qua hầu hết các hình chữ

nhật và các điểm A1,A2 A n nằm trên hoặc

phân bố về hai phía của đường cong (hình

1)

d Nếu cĩ điểm nào tách xa khỏi đường

cong thì phải kiểm tra lại giá trị đĩ bằng

thực nghiệm Nếu vẫn nhận được giá trị cũ

thì phải đo thêm các điểm lân cận để phát hiện ra điểm kì dị

e Dự đốn phương trình đường cong cĩ thể là tuân theo phương trình nào đĩ:

Việc thiết lập phương trình đường cong được thực hiện bằng cách xác định các

hệ số a, b, …n Các hệ số này sẽ được tính khi làm khớp các phương trình này với

đường cong thực nghiệm

Các phương trình này cĩ thể chuyển thành phương trình đường thẳng bằng cách đổi biến thích hợp (tuyến tính hĩa)

+ + +

+

+ +

Chú ý: Ngoài hệ trục có tỉ lệ xích chia ñều, người ta còn dùng hệ trục có một trục

chia ñều, một trục khác có thang chia theo logarit ñể biểu diễn các hàm mũ, hàm

logarit (y = lnx; x

a

III Nội dung thực hành

1 Tính sai số của ñại lượng ño gián tiếp

Hãy tính sai số của các ñại lượng ño gián tiếp sau:

R g h h

- 01 ñộng cơ ñiện dùng nguồn ñiện 220 V xoay chiều

- 01 máng nằm ngang nhẵn, ñược gắn vuông góc với

trục thẳng ñứng (trục quay) Do trục quay ñược liên kết với

ñộng cơ nên máng nằm ngang có thể quay tròn xung quanh

trục thẳng ñứng

- 01 xe lăn trên máng, có khối lượng m ñược nối với

trục quay bằng môt sợi dây mềm, nhẹ, không dãn Khi

máng quay xung quanh trục thẳng ñứng, xe lăn sẽ chuyển

ñộng ra làm căng sợi dây và cùng với máng quay quanh trục

F

r

H×nh 1

- 01 cổng quang học ñể ño vận tốc góc của máng

- 01 giá ñỡ có gắn lực kế lò xo, một sợi dây mềm và một ròng rọc có khối lượng nhỏ không ñáng kể

- 01 hộp gia trọng ñể gắn lên xe

- 01 cân chính các ñể xác ñịnh khối lượng xe và các gia trọng

- 01 thước ño chiều dài có ñộ chia tới mm ñể ño khoảng cách của xe tới trục quay Khi xe cùng máng quay xung quanh trục thẳng ñứng, ta ño ñược r, ω từ ñó tính ñược lực hướng tâm:

r

m

F = ω2 trong ñó các ñại lượng m, r, ω là các ñại lượng ño trực tiếp ñược với 5 lần ño như trong bảng thống kê sau:

Chú ý: Cổng quang là máy ñếm tần số hoặc ño chu kì dùng tế bào quang

ñiện Mỗi lần máng ngang ñi qua cổng quang thì ñược ñếm một lần Khi sử dụng

núm gạt trên cổng quang thì có thể chọn ñược chế ñộ ñếm thích hợp ñể ño chu kì T

(xem cách sử dụng trong bài thí nghiệm 1 và bài thí nghiệm 7)

Bảng thống kê các ñại lượng ño trực tiếp

e Hãy tính sai số tương ñối của ñại lượng F

Câu hỏi mở rộng

Dùng lực kế ñể liên kết xe với trục quay, người ta có thể ño kiểm nghiệm

ñược lực hướng tâm tác dụng lên xe lăn, khi máng quay ñều Hãy tìm hiểu kĩ tính

năng của các dụng cụ trong bài ñể ñưa ra cách bố trí lực kế cho phép ñọc ñược ñộ lớn của lực hướng tâm trên lực kế, mà sai số của phép ño nhỏ nhất Hãy vẽ sơ ñồ

bố trí thí nghiệm và giải thích

Gợi ý: Trước khi làm bài toán này, nên tìm hiểu kĩ các dụng cụ ñã cho, ñặc

biệt công dụng và cách sử dụng cổng quang ñược nêu trong bài thí nghiệm 1 và 7

IV Báo cáo thực hành

THỰC HÀNH TÍNH SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU

Họ và tên: Lớp: Nhóm: Ngày làm thực hành: Viết báo cáo theo các nội dung sau:

1 Mục ñích

……… ………

3 Trình bày các nội dung

3.1 Bài toán tính sai số của ñại lượng ño gián tiếp:

Tính sai số của ba ñại lượng ño gián tiếp

Chú ý: Thực hiện theo cả 2 phương pháp tính sai số của ñại lượng ño gián tiếp

Sau ñó rút ra ưu, nhược ñiểm của 2 phương pháp ñó

3.2 Bài toán xử lí số liệu và tính toán ñại lượng ño gián tiếp

Bảng thống kê các ñại lượng ño trực tiếp

- Tính các giá trị trung bình và sai số của các ñại lượng ño trực tiếp:

r

m,

,

ω , ∆ ω , ∆m, ∆r từ các số liệu trong bảng

Tính giá trị trung bình và sai số của lực hướng tâm F

+ Biểu thức giá trị trung bình:

4 Trả lời câu hỏi mở rộng

Dùng lực kế ñể liên kết xe với trục quay, người ta có thể ño kiểm nghiệm ñược lực hướng tâm tác dụng lên xe lăn, khi máng quay ñều

Bài thực hành số 1 KHẢO SÁT CHUYỂN ðỘNG VÀ XÁC ðỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO

I Mục ñích

- ðo thời gian rơi t của vật trên những quãng ñường s khác nhau

- Vẽ và khảo sát ñồ thị s ∼ t2, rút ra tính chất của chuyển ñộng rơi tự do

- Xác ñịnh gia tốc rơi tự do

II Cơ sở lí thuyết

Theo ñịnh nghĩa, sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực Các vật khác nhau khi rơi tự do sẽ rơi nhanh như nhau Thực tế, các thí nghiệm về sự rơi ñều ñược tiến hành trong không khí nên chỉ gần ñúng là rơi tự do

Thả một vật (trụ thép, viên bi…) từ ñộ cao s trên mặt ñất, vật sẽ rơi rất

nhanh theo phương thẳng ñứng (phương song song với dây dọi) Trong trường hợp này ảnh hưởng của không khí không ñáng kể, vật chỉ chuyển ñộng dưới tác dụng của trọng lực, nên có thể coi là vật rơi tự do

Khi một vật có vận tốc ban ñầu bằng 0, chuyển ñộng thẳng nhanh dần ñều

với gia tốc a, thì quãng ñường s ñi ñược sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt

ñầu chuyển ñộng) ñược xác ñịnh bằng công thức:

2 2

1

at

s=

ðồ thị biểu diễn quan hệ giữa s và t 2

có dạng một ñường thẳng ñi qua gốc tọa ñộ và có hệ số góc:

2 tan α = a

III Dụng cụ và lắp ñặt

1 Dụng cụ

1.Giá ñỡ thẳng ñứng, có dây dọi ở mặt sau Mặt bên của giá có kẻ vạch dùng ñể làm thước ño Giá ñược gắn trên ñế 3 chân có vít ñiều chỉnh thăng bằng

2.Nam châm ñiện ñược gắn ở ñầu trên của giá ñể giữ vật sắt non

3.Hộp công tắc, một ñầu 5 chân ñược nối với ổ A của ñồng hồ ño thời gian hiện

số và ñầu kia ñược nối với nam châm ñiện

4.Cổng quang ñiện, gắn trên giá và di chuyển ñược Mặt bên có cửa sổ trong suốt ñể xác ñịnh vị trí của cổng trên thước của giá

5.ðồng hồ ño thời gian hiện số

ñược nối qua hộp công tắc và

tiếp ñến ổ A trên ñồng hồ ño thời gian

Cổng quang ñiện E lắp phía dưới và di chuyển ñược (khi

di chuyển cần nới lỏng ốc hãm phía sau), dây ñiện của cổng

ñược nối với ổ B trên ñồng hồ ño

thời gian

ðiều chỉnh chân ñế, sao

cho quả dọi nằm ñồng tâm và chính giữa lỗ tròn phía sau giá

- Bật công tắc nguồn ñồng

hồ, nếu lắp ñúng thì nam châm

sẽ có từ tính Lúc ñó nếu ñặt vật khảo sát dưới nam châm thì vật

sẽ bị hút dính chặt vào nam châm Bấm công tắc, nam châm bị ngắt ñiện, vật ñược nhả ra và rơi xuống

Hình 1.1 Bộ thí nghiệm ño gia tốc rơi tự do

ðồng hồ phải ñếm thời gian khi bấm công tắc cho vật rơi Khi vật rơi ñi qua

cổng quang ñồng hồ phải ngừng ñếm Tuy nhiên ñồng hồ có thể không ngừng ñếm trong các trường hợp sau:

+ Nếu công tắc kép không có hỗ trợ mạch sửa dạng xung bằng mạch ñiện tử, thì thao tác bấm không nhanh (tức nhả tay ra muộn hơn khi vật ñã ñi qua cổng quang) sẽ làm ñồng hồ chạy không ngừng

+ Vật ñi qua cổng quang nhưng không chắn ñược tia sáng, có thể giá không thẳng ñứng hay nam châm bị lệch tâm

+ Cổng quang bị sự cố, với trường hợp này ta có thể kiểm tra bằng cách lấy bàn tay chắn giữa cổng quang mà ñồng hồ vẫn ñếm thì nguyên nhân là do cổng quang Nếu ñồng hồ ngừng ñếm thì lí do có thể do vật không chắn ñược chùm hồng ngoại

Vật rơi theo phương thẳng ñứng, ñúng vào giá hứng và cắm thẳng ñứng vào bột dẻo ở trong giá Khi vật không rơi thẳng ñứng, sai số sẽ tăng lên

Vì vật rơi trong không khí nên phải chọn vị trí cổng quang thích hợp ñể giảm sai số

IV Tiến hành thí nghiệm

a Xác ñịnh vị trí ban ñầu của vật bằng thước ke 3 chiều ðể lựa chọn một vạch thích hợp nhất ñịnh, ta ñiều chỉnh vị trí của nam châm (nới lỏng tai hồng và dịch chuyển)

b Chọn quãng ñường khảo sát S1 (ví dụ 20 mm) Nhấn nút Reset trên ñồng

hồ ñể ñưa số chỉ về 0,000 Nhấn nút trên hộp công tắc ñể vật rơi, nhả nhanh tay trước khi vật rơi qua cổng E ðọc thời gian của vật rơi trên ñồng hồ và ghi vào bảng số liệu 1.1 Lặp lại thí nghiệm một số lần ñể xác ñịnh giá trị trung bình của

ñại lượng ño và sai số của nó

c Tiếp tục chọn các quãng ñường S2, S3,… thực hiện thí nghiệm tương tự như trên và ñọc thời gian tương ứng, ghi vào bảng số liệu 1.1

d Sau khi tiến hành thí nghiệm xong, tắt công tắc ñiện của ñồng hồ ở phía sau (nút ñỏ có ghi ON, OFF)

- Từ bảng số liệu tính toán giá trị của các ñại lượng ñặc trưng cho chuyển

ñộng rơi tự do

Khi khóa K mở (nhấn nút trên hộp công tắc), ñồng hồ ño thời gian bắt ñầu

ñếm Thời ñiểm ñó tương ứng với vật khảo sát bắt ñầu rơi

Nếu chùm hồng ngoại tại cổng E bị ngắt, thì ñồng hồ ngừng ñếm ðiều này xảy ra khi vật hình trụ ñi ñến cổng E và bắt ñầu chắn chùm hồng ngoại

Như vậy, hệ thống trên hình 1.1 có thể xác ñịnh thời gian mà vật ñi ñược quãng ñường từ thời ñiểm bắt ñầu rơi ñến thời ñiểm cổng E bị chắn sáng

Chuyển mạch trên ñồng hồ MODE dùng ñể chọn kiểu làm việc cho ñồng hồ

Ở bài này ta dùng MODE A↔B (là kiểu bắt ñầu ñếm từ vị trí nối với cổng A và ngừng ñếm tại vị trí nối với cổng B) Nhấn RESET ở công tắc ñể ñưa số chỉ của

ñồng hồ về 0,000 ðặt núm chọn thang ño ở vị trí 9,999s

1 Một số nguyên nhân gây sai số

Hình 1.2 Nguyên lí khảo sát chuyển ñộng rơi tự do A, B: các ổ cắm 5

chân của ñồng hồ ño thời gian; E: cổng quang ñiện; V: vật rơi tự do; N:

nam châm ñiện; K: công tắc

- Thời gian bấm công tắc khác nhau của các lần thắ nghiệm dẫn ựến sai số sẽ khác nhau

Trong thực hành, thời gian bấm công tắc không phải bằng không mà mất một khoảng nhất ựịnh

Với loại công tắc không có hỗ trợ của mạch ựiện tử, thì tắnh ngắt hay ựóng tức thời của công tắc phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của công tắc và cách bấm của mỗi người để kiểm nghiệm ựiều ựó, ta chỉ cần cắm chốt của công tắc vào cổng A (hay B), chuyển mạch về MODE A (hay MODE B), sau ựó bấm công tắc, thời gian hiển thị trên ựồng hồ là thời gian công tắc ngắt ựiện Do không ựạt ựược tắnh

ựóng ngắt tức thời nên ta cũng không ựạt ựược tắnh tức thời của xung ựếm đó là

một trong các nguyên nhân sai số dụng cụ và ắt nhiều có tắnh chủ quan (phụ thuộc vào kỹ năng bấm công tắc của người thực hiện thắ nghiệm)

- Tắnh không ựồng thời của công tắc kép và nam châm

Trong thắ nghiệm này, chỉ dùng một cổng quang ựiện, do vậy công tắc là dụng cụ tạo xung bắt ựầu ựếm, còn cổng quang tạo xung ngừng ựếm Thời ựiểm bắt ựầu ựếm, cũng là thời ựiểm vật hình trụ rời khỏi nam châm (nam châm ựược ngắt ựiện) để thực hiện ựồng thời hai nhiệm vụ ựó, công tắc ựược thiết kế dạng kép, nghĩa là với một thao tác bấm, công tắc phải vừa ngắt mạch nam châm ngay vừa ựồng thời tạo ra xung ựếm, hình 1.3 Hai sự kiện này phải ựồng bộ thì kết quả thắ nghiệm mới chắnh xác Tức là khi ta ngắt ựiện nam châm bằng cách nhấn công tắc thì vật phải ựược nhả ra ựồng thời với việc ựồng hồ bắt ựầu ựếm thời gian

Muốn vật rời khỏi nam châm thì nam châm phải bị mất từ tắnh ngay khi bị ngắt ựiện để nam châm giữ vật mất từ tắnh ựồng thời với việc ngắt ựiện thì lõi nam châm ựiện và vật hình trụ phải làm bằng vật liệu từ mềm lắ tưởng Nếu không

ựạt ựược việc nam châm nhả vật ngay lập tức thì có thể sẽ xảy ra trường hợp ựồng

hồ ựã ựếm trước khi vật rơi

Lối ra tạo xung ựếm cho ựồng hồ

Lối ra cấp ựiện cho nam châm

Hình 1.3 Nguyên lắ cấu tạo công tắc kép

Mặt khác, mặt tiếp xúc giữa vật và lõi nam châm phải ñảm bảo sao cho khi nhả vật thì khi rơi phương trục chính của vật trùng với phương thẳng ñứng

Nếu các ñiều kiện kĩ thuật không ñảm bảo ñược các yêu cầu trên ñây thì sẽ gây ra sai số ñáng kể trong các phép ño

2 Biện pháp khắc phục

Thực hiện nhấn nút công tắc nhanh và gọn ñể ñạt ñược sự ñồng bộ giữa thời

ñiểm ñồng hồ bắt ñầu ñếm và thời ñiểm rơi của vật

ðặt vật khảo sát phải chính tâm của lõi nam châm ñiện, ñể tránh vật bị rơi

nghiêng

Cần lựa chọn loại công tắc có ñộ nhạy cao ñể giảm sai số phép ño

3 Cải tiến dụng cụ thí nghiệm

a Cải tiến công tắc kép

Chuyển công tắc kép thành công tắc ñơn, lúc này nguồn cấp cho nam châm ñiện

và lối ra tạo xung mắc nối tiếp với công tắc Tuy nhiên, do có hiện tượng tự cảm, dạng xung ra sẽ không vuông và cần có mạch ñiện tử ñể sửa dạng xung, hình 1.4

b Cải tiến nam châm ñiện và vật khảo sát

Chế tạo ñầu của lõi nam châm ñiện và ñầu vật tiếp xúc với lõi nam châm ñều

có dạng cầu Với sự thay ñổi này, tiếp xúc của hai bộ phận sẽ là tiếp xúc ñiểm và phương trọng lực luôn trùng với ñường kính vật Có thể thay vật hình trụ bằng viên bi dạng cầu, hình 1.5 Khi ñó, việc ñặt viên bi vào nam châm không còn phải lựa chọn ñiểm ñặt một cách chính xác như trường hợp vật hình trụ

Thực tế với sự thay ñổi này kết quả cho thấy sai số ñã giảm ñi

VI Câu hỏi mở rộng

Hình 1.4 Nguyên lí cải tiến công tắc kép

Nam châm ñiện

Mạch sửa dạng xung

Hình 1.5 Nguyên lí cải tiến nam châm

1 Vì sao chọn vật khảo sát là hình trụ sắt phẳng hai ñầu? Lựa chọn này có mâu thuẫn gì với ñiều kiện bỏ qua sức cản của không khí?

2 Kể ra nguyên nhân gây sai số nếu vật là viên bi

3 Nếu có ba người chọn 3 phương án thí nghiệm như sau:

- Người thứ nhất, lựa chọn các quãng ñường khảo sát ở phía trên của giá ñỡ

- Người thứ hai, lựa chọn các quãng ñường khảo sát ở phía giữa của giá ñỡ

- Người thứ ba, lựa chọn các quãng ñường khảo sát ở phía dưới của giá ñỡ Hãy nhận xét các kết quả thực hiện của 3 người? Kết quả nào sẽ hợp lí hơn khi dùng cùng một bộ dụng cụ và cùng môi trường thí nghiệm

4 Hãy nêu ñiều kiện lí tưởng của nam châm và vật khảo sát ñể thu ñược kết quả thí nghiệm là chính xác nhất?

5 Bài thí nghiệm có thể dùng MODE A (hoặc MODE B) ñể khảo sát ñược không? Nếu có thì cách tiến hành thế nào? Kết quả có chính xác không? Tại sao?

VII Báo cáo thực hành

THỰC HÀNH KHẢO SÁT CHUYỂN ðỘNG RƠI TỰ DO

VÀ XÁC ðỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO

Họ và tên: Lớp: Nhóm: Ngày làm thực hành: Viết báo cáo theo các nội dung sau:

………

………

Công thức tính gia tốc rơi tự do

………

………

3 Kết quả

a Khảo sát chuyển ñộng rơi tự do

Vị trí ñầu của vật rơi: s0 = mm

i

i i

Nhận xét thấy ñồ thị s = s(t2) có dạng một ñường……… , như vậy chuyển

ñộng của vật rơi tự do là chuyển ñộng ………

- Gia tốc rơi tự do có thể xác ñịnh theo góc nghiêng α của ñồ thị:

g = 2tanα =

- Khi ñã xác ñịnh ñược chuyển ñộng rơi tự do là một chuyển ñộng nhanh dần ñều,

ứng với mỗi lần ño, ta có thể xác ñịnh các giá trị của g theo công thức

2 2

i

i i

t

s

2

v =Hãy tính các giá trị trên và ghi vào bảng 1 2

Vẽ ñồ thị v = v(t) dựa trên các số liệu của bảng 1.2, ñể một lần nữa nghiệm lại tính chất của chuyển ñộng rơi tự do

ðồ thị v = v(t) có dạng một ñường……., tức là vận tốc rơi tự do…… theo thời

gian Vậy chuyển ñộng của vật rơi tự do là chuyển ñộng ………

- Tính

1 1

g g g

g

/

m s g

g

4 Trả lời các câu hỏi

Câu 1 Chọn vật khảo sát là hình trụ sắt phẳng hai ñầu là vì

………

………

Câu 4 ðể thu ñược kết quả thí nghiệm là chính xác nhất, ñiều kiện lí tưởng của

nam châm và vật khảo sát là

………

………

Câu 5 Bài thí nghiệm …… ……dùng MODE A (hoặc MODE B) ñể khảo sát

Cách tiến hành là

………

……… Kết quả

………

……… Giải thích

………

………

Bài thực hành số 2 TỔNG HỢP LỰC

+

= (hình 1a,b)

Hình 1a: Hai lực ñồng quy Hình 1b: Quy tắc hình bình hành

- Kết quả xác ñịnh lực tổng hợp R trong hình 1b là cơ sở tiến hành thí nghiệm ñể kiểm tra kết quả thu ñược ở trên

2 Tổng hợp hai lực song song cùng chiều

+

=

hai lực P = P1 + P2 Giá của lực P nằm trong mặt phẳng chứa hai lựcP1 và P2

d P

P

=

=1 2

2

1

(hình 2)

Hình 2: Sơ ñồ tổng hợp hai lực song song cùng chiều

- Kết quả tính toán ñộ lớn và ñiểm ñặt của lực F trên hình 2 là cơ sở ñể tiến hành thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều

III Dụng cụ thí nghiệm

1 Dụng cụ thí nghiệm tổng hợp hai lực ñồng quy

- Bảng sắt ñược gắn lên giá có ñế 3 chân

- Thước ño góc, ñược in trên tấm bìa màu trắng

dày 0,15 ñến 0,2mm, ép plastic, có kích thước

200x200 mm ðộ chia nhỏ nhất 10

- Thước ño chiều dài có ñộ chia nhỏ nhất 1 mm

- Hai lực kế ống 5N, hai vòng kim loại có ñế

nam châm xuyến mạ kẽm Nhờ hai nam châm này,

ta có thể ñịnh vị hai lực kế trên bảng sắt

- Lò xo 5N có nam châm ñể gắn dính lên bảng

sắt

- Một dây chỉ bền và một dây cao su

- Một ñế nam châm ñể buộc dây cao su

- Một viên phấn

2 Dụng cụ thí nghiệm tổng hợp hai lực song

song cùng chiều

- Hai lò xo xoắn 5N, dài khoảng 60 mm

- Ba dây cao su

- Thanh treo qua nặng, bằng kim loại nhẹ, cứng, dài 400 mm, ñể treo các quả nặng tổng cộng ñến 10N mà không bị biến dạng Trên thanh có gắn thước 400 mm

và 3 con trượt có gắn móc treo, hai ñầu có lỗ móc treo 2 lò xo 5N

- Thanh ñịnh vị, bằng kim loại nhẹ, mỏng, dài 300 mm, sơn màu ñen, gắn

ñược lên bảng sắt

- Cuộn dây treo, nhẹ, mềm và có màu tối

- Hộp các quả nặng có khối lượng bằng nhau 50g

- Giá ñỡ có trục Φ10 mm, cắm lên ñế 3 chân và bảng sắt

- Hai ñế nam châm ñể buộc dây cao su

- Thước ño chiều dài có ñộ chia nhỏ nhất 1 mm

- Một viên phấn

Hình 4: Tổng hợp hai lực song song cùng chiều

IV Các bước tiến hành thí nghiệm

1 Thí nghiệm tổng hợp hai lực ñồng quy

Tìm hiểu kĩ các dụng cụ ñể lắp ñặt, bố trí thí nghiệm

Bước 1 Tổng hợp hai lực ñồng quy theo quy tắc hình bình hành

- Buộc một ñầu của dây cao su vào ñế nam châm, ñầu kia của dây cao su ñược thắt vào giữa dây chỉ Hai ñầu dây chỉ ñược buộc vào móc của hai lực kế

- Kéo hai lực kế sao cho dây cao su song song mặt phẳng bảng tới vị trí A

- Dùng phấn ñánh dấu lên bảng sắt: ñiểm A của ñầu dây cao su, phương của hai lực F1

- Dựng hình bình hành có cạnh là các lực F1 và F2theo tỉ lệ xích chọn trước Dựng véc tơ R F1 F2

+

= bằng quy tắc hình bình hành ðo chiều dài l của véc tơ R , tính

giá trị của R theo tỉ lệ xích ñã chọn, ghi vào bảng số liệu 1

Bước 2 Kiểm nghiệm lại véc tơ R ñã dựng ñược ở trên

- Dùng một lực kế ñể kéo dây cao su dãn song song với mặt phẳng bảng cũng tới

ñúng ñiểm A nói trên ðọc giá trị R trên lực kế và ghi vào bảng số liệu 1

- Thực hiện lặp lại hai lần bước thí nghiệm này ñể nhận ñược các giá trị R2, R3 Ghi lại các giá trị R2, R3 tương ứng vào bảng số liệu, tính giá trị trung bình R và sai số

- So sánh các kết quả tổng hợp lực R

thu ñược bằng tính toán và bằng thí nghiệm kiểm chứng, rút ra kết luận

2 Thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều

Tìm hiểu kĩ các dụng cụ ñể lắp ñặt, bố trí thí nghiệm

Bước 1 Tổng hợp theo quy tắc hợp hai lực song song cùng chiều

- Gắn hai nam châm lên bảng sắt, sau ñó treo thanh kim loại lên hai ñế nam châm

bằng hai dây cao su (hoặc bằng 2 lò xo)

- Chọn vị trí 2 móc treo quả nặng ở trên thước (vị trí A và B), các vị trí này có thể lựa chọn bất kì bằng cách trượt các miếng mica trong khe kẹp của thước Tuy nhiên nên chọn trùng với các vạch chia của thước ñể tránh sai số khi ño

- Treo các quả nặng vào hai lỗ móc của miếng mica Vị trí treo các quả nặng là

ñiểm ñặt A, B của các lực thành phần P1

, P2

tương ứng

- ðặt thước ñịnh vị có 2 nam châm phía dưới vào bảng từ (hoặc căng dây cao su),

ñiều chỉnh cho thước ñịnh vị (hoặc dây cao su) và thước treo quả nặng song song

với nhau ( hoặc trùng khít nhau)

- Dùng phấn vẽ thanh và hai lực P1

, P2

lên bảng sắt Áp dụng các công thức của quy tắc hợp lực song song cùng chiều ñể xác ñịnh ñộ lớn và ñiểm ñặt O (ñộ dài a của ñoạn OA) của hợp lực P

Ghi các giá trị P, a vào bảng số liệu 2

Bước 2 Kiểm nghiệm lại ñộ lớn, phương chiều của véc tơ P

ñã dựng ñược ở trên

- Móc các quả nặng ñã dùng ở trên vào một ñiểm nào ñó trong khoảng AB sao cho vị trí của thanh kim loại trùng với vị trị ban ñầu ñã ñược ñánh dấu ðo và ghi vào bảng số liệu (bảng 2) giá trị ñộ dài a1 từ ñiểm treo các quả nặng tới A

- Lặp lại bước thí nghiệm này thêm hai lần, tìm a2 và a3 tương ứng và ghi vào bảng số liệu 2

- Tính các giá trị a và ∆a So sánh kết quả từ thực nghiệm với kết quả tính theo lí thuyết

Bước 3 Tiến hành hai bước thí nghiệm trên trong trường hợp thay ñổi số quả nặng

treo tại A và B và ñộ dài AB cũng thay ñổi

- So sánh các kết quả hợp lực P

thu ñược bằng tính toán và bằng thí nghiệm kiểm chứng, rút ra kết luận

V Các vấn ñề cần chú ý

1 Quá trình tổng hợp hai lực ñồng quy

Trong quá trình thí nghiệm tổng hợp hai lực ñồng quy, mức ñộ chính xác của kết quả thu ñược phụ thuộc nhiều vào kĩ năng thực hành Cần chú ý các vấn ñề sau:

- Khi dùng các lực kế ñể kéo, nếu ống lực không thẳng ñứng, lò xo trong ống có thể chạm vào vỏ gây nên ma sat, làm giảm trị số của lực kế

- Nếu phương của hai lực kế và dây cao su không song song với mặt phẳng bảng sắt, các lò xo trong lực kế cũng chạm vào vỏ làm kết quả thí nghiệm thiếu chính xác

- Không thực hiện thí nghiệm trong trường hợp dùng lực kéo quá lớn vượt giới hạn ñàn hồi của lò xo trong lực kế (vượt chỉ số lớn nhất của lực kế)

2 Quá trình tổng hợp hai lực song song cùng chiều

- Treo các quả nặng vào hai lỗ móc của miếng mica, nên chọn số quả nặng hai bên không như nhau ñể ñộ nghiêng của thước bất kì

- ðộ chính xác của việc xác ñịnh ñiểm ñặt của lực tổng hợp (ñộ dài a) phụ thuộc nhiều vào kĩ năng dùng phấn ñể ñánh dấu các ñiểm ñặt của các lực và dựng các lực thành phần trên bảng sắt

VI Câu hỏi mở rộng

Gọi G là trọng tâm của vật rắn có khối lượng m Vật ñược treo bằng một sợi dây mảnh chịu ñược lực căng tối ña có giá trị Tmax Người ta ñồng thời tác dụng hai lực

1 Hãy nêu lên các ñiều kiện của hai lực F1 và F2 ñể sau khi dây bị dứt, toàn bộ vật chỉ chuyển ñộng tịnh tiến cùng trọng tâm G, nhưng không bị quay, trong quá trình chuyển ñộng theo phương thẳng ñứng

2 Trong trường hợp hai lực F1

và F2

như thế nào thì vật vừa chuyển ñộng tịnh tiến vừa quay

Hãy vận dụng kiến thức về tổng hợp các lực ñồng quy, hợp các lực song song, và

mô men lực ñể giải thích

VII Báo cáo thực hành

THỰC HÀNH TỔNG HỢP LỰC

Họ và tên: Lớp: Nhóm: Ngày làm thực hành: Viết báo cáo theo các nội dung sau:

b Tổng hợp hai lực song song cùng chiều

R

(từ thí nghiệm)

l

(mm) R (N) R1 R2 R3 R ∆R R=R± ∆R

1

1 mm ứng với …

N

ứng với …

- Rút ra kết luận

3.2 Thí nghiệm tổng hợp hai lực song song cùng chiều

Bảng 2: Tổng hợp hai lực song song cùng chiều

P (N)

ðộ dài a của ñoạn OA (mm)

d P

P

=

=1 2

4 Trả lời các câu hỏi

a Câu 1

b Câu 2

Bài thực hành số 3 XÁC ðỊNH HỆ SỐ CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG

I Mục ñích

- Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng

- ðo hệ số căng bề mặt

II Cơ sở lí thuyết

Mặt thoáng của chất lỏng luôn có các lực căng, theo phương tiếp tuyến với

mặt thoáng Các lực căng này làm cho mặt thoáng của chất lỏng có khuynh hướng co lại

ñến diện tích nhỏ nhất Chúng ñược gọi là

các lực căng bề mặt (hay còn gọi là lực căng mặt ngoài) của chất lỏng

Có nhiều phương pháp ño lực căng bề mặt, ở ñây ta dùng một vòng nhôm ñược treo dưới một lực kế nhạy (loại có ñộ chia nhỏ nhất là 0,001 N)

Xét một vòng nhôm ñang ngập một phần trong chất lỏng Kéo vòng lên từ từ Khi ñáy vòng nhôm còn tiếp xúc với bề mặt chất lỏng thì sẽ có một màng chất lỏng bám quanh chu vi ngoài và chu vi trong của vòng, hình 3.1 Màng chất lỏng này tạo ra một lực FC kéo vòng nhôm vào trong lòng khối lỏng Lực Fc tác dụng vào vòng có giá trị ñúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của vòng nhôm

Do ta xem vòng bị chất lỏng dính ướt hoàn toàn, nên khi kéo vòng lên khỏi mặt thoáng và có một màng chất lỏng bám giữa ñáy vòng và mặt thoáng, thì lực căng Fc có cùng phương chiều với trọng lực P của vòng Giá trị lực F ño ñược trên lực kế bằng tổng của hai lực này

Giá trị lực căng bề mặt tác dụng lên một ñơn vị dài của chu vi gọi là hệ số

căng bề mặt σ của chất lỏng Gọi D là ñường kính ngoài và d là ñường kính trong

của chiếc vòng, ta tính ñược hệ số căng bề mặt của chất lỏng ở nhiệt ñộ nơi làm thí nghiệm

) (D d

P F

b Vòng nhôm hình trụ Φ52 mm, cao 9

mm, dày 0,7 mm, khoan 6 lỗ cách ñều và

có dây treo

c Hai cốc nhựa Φ80 mm, có vòi ở gần

ñáy, nối thông nhau b ằng một ống mềm dài 0,5 m

d Giá ñỡ Φ10 mm, ñược gắn lên ñế 3 chân Dùng khớp ña năng ñể nối với giá nằm ngang Φ8 mm

e Thước kẹp ñể ño ñường kính ngoài và

ñường kính trong của vòng nhôm ðộ chia

nhỏ nhất của thước kẹp, tùy loại, có thể ñạt tới 0,1 mm; 0,05 mm hoặc 0,02 mm

2 Lắp ñặt thí nghiệm

Sơ ñồ thí nghiệm ñược trình bày trên hình 3.2

IV Tiến hành thí nghiệm

1 ðo ñường kính ngoài và ñường kính trong của vòng

- Dùng thước kẹp ño 5 lần ñường kính ngoài D và ñường kính trong d của

vòng, ghi kết quả vào bảng 3.1

2 ðo lực căng F C

Hình 3.2 Bộ dụng cụ ño hệ số căng bề

mặt của chất lỏng

a - Lau sạch vòng nhôm bằng giấy mềm, móc dây treo vào lực kế Treo lực

kế lên giá nằm ngang

b - ðặt hai cốc A, B có ống cao su nối thông với nhau lên mặt bàn ðổ chất lỏng cần ño hệ số căng bề mặt (nước cất) vào hai cốc Lượng nước cỡ 50% dung tích của cốc

c - Hạ hệ thống lực kế, vòng nhôm vào trong cốc A, sao cho ñáy của vòng chạm ñều vào mặt nước

d - Hạ cốc B xuống, ñể nước trong A chảy dần sang cốc B Quan sát vòng và lực kế Ta thấy khi mực nước trong A hạ dần, vòng nhôm bị kéo theo xuống, làm cho số chỉ trên lực kế tăng dần Giá trị F ño ñược là số chỉ của lực kế ngay trước khi màng nước bám vào vòng nhôm bị ñứt

Lặp lại các bước c và d thêm 4 lần nữa, ghi kết quả vào bảng 3.2

V Các ñiểm cần chú ý

- ðể giảm bớt thời gian thực hiện, nên tiến hành ño thô lực căng bề mặt của chất lỏng, bằng cách hạ ñáy vòng nhôm nhúng xuống nước, sau ñó nâng giá của lực kế lên cao từ từ và theo dõi giá trị lực kế lúc màng chất lỏng bị ñứt Với giá trị lực ñó, ta ñiều chỉnh thô vị trí của giá ñể có giá trị lực thấp hơn một chút Sau ñó mới ñiều chỉnh tinh mực nước hạ xuống bằng nguyên lí bình thông nhau (hạ rất chậm cốc ñựng nước B) ñể ñọc ñược giá trị lớn nhất của lực căng

- Vì giá trị lực căng nhỏ, nên tránh tác ñộng của các rung ñộng xung quanh, như va chạm vào giá, gió thổi…

- Giá trị của hệ số căng bề mặt của nước phụ thuộc nhiệt ñộ và ñộ tinh khiết của nước Khi nhiệt ñộ tăng thì σ giảm

- Nếu ñáy của chiếc vòng ñược vát mỏng sao cho D ≈ d, thì tổng chu vi ngoài+ chu vi trong xấp xỉ 2πD Như vậy chỉ cần ño ñường kính ngoài D

- Khi ño ñường kính trong, cần chú ý lúc ñầu không kéo căng thước ñể ta có thể xoay nhẹ vòng nhôm Sau ñó vừa nới căng thước, vừa xoay vòng nhôm cho

ñến khi không xoay ñược, thì giá trị ño mới là ñường kính trong của vòng nhôm

Nếu thực hiện không ñúng kĩ thuật thì giá trị ño ñược có thể chỉ là của dây cung

Một số kiến thức ñọc thêm

1 Áp suất phân tử

Xét hai phân tử hoàn toàn giống nhau nhưng ở hai vị trí khác nhau: phân tử

A nằm trong lòng khối chất lỏng, phân tử B ở sát mặt thoáng (hình 3.3)

Phân tử A tác dụng lên các phân tử xung quanh lực hút, ngựơc lại các phân

tử xung quanh cũng hút phân tử A với lực tương ứng về ñộ lớn Như ñã biết, lực hút tỉ lệ nghịch với khoảng cách (fh= A/rn, n ≈ 7) cho nên giảm nhanh theo khoảng cách Giả sử tầm bán kính tác dụng của nó bằng R, thì tất cả những phân tử nằm cách tâm phân tử A một ñoạn bằng hoặc nhỏ hơn R ñều tác dụng một lực hút lên phân tử A (và ngược lại) Nếu xem mật ñộ phân tử trung bình là như nhau ở khắp mọi nơi trong hệ thì tổng hợp lực tác dụng lên phân tử A sẽ bằng không Hình cầu

có bán kính R ñược gọi là hình cầu tác dụng phân tử, bán kính R ñược gọi là bán kính tác dụng phân tử Phân

tử B nằm ở sát mặt thoáng chất lỏng Tiếp giáp với bề mặt khối lỏng là khí (hoặc hơi) Do mật ñộ phân tử chất lỏng lớn hơn mật ñộ phân tử chất khí nên lực tổng hợp tác dụng lên phân tủ B là một lực hút hướng vào trong lòng khối chất lỏng

Như vậy, mọi phân tử nằm sát bề mặt, cách bề mặt một khoảng nhỏ hơn R ñều bị một lực hút hướng vào lòng khối lỏng Tổng hợp tất cả các lực hút ấy sẽ gây ra một áp lực nén khối lỏng lại Áp lực ấy tính trên

một ñơn vị diện tích ñược gọi là áp suất phân tử (Pi)

Áp suất này rất lớn Ví dụ, áp suất phân tử trong chất lỏng lớn hơn áp suất phân

tử trong chất khí hàng triệu lần

2 Năng lượng bề mặt

Hãy xét các phân tử nằm ở lớp bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và chất khí (bề mặt ấy ñược gọi là mặt thoáng hay bề mặt chất lỏng) Tất cả những phân tử nằm ở lớp bề mặt chất lỏng (như phân tử B) ñều bị hút bởi một lực, lực ấy có khả năng sinh công ñưa phân tử từ bề mặt vào trong lòng khối chất lỏng Dĩ nhiên khi phân tử ñi vào long khối chất lỏng thì diện tích bề mặt ngoài giảm Ngược lại một phân tử ở trong lòng chất lỏng muốn ra bề mặt phải tiêu thụ một công Nếu quá trình di chuyển ấy là ñẳng nhiệt thì công dịch chuyển phân tử là công của ngoại lực Khi phân tử từ trong lòng chất lỏng ñi ra bề mặt, làm cho diện tích bề mặt tăng lên, công của ngoại lực biến thành thế năng của phân tử

Như vậy, các phân tử ở bề mặt có một thế năng so với các phân tử ở trong

lòng khối chất lỏng Nói một cách tổng quát hơn: Hiệu năng lượng của tất cả

những phân tử ở lớp bề mặt với năng lượng cũng của những phân tử ấy nếu chúng

ở trong lòng khối chất lỏng ñược gọi là năng lượng bề mặt chất lỏng

Năng lượng bề mặt có tính chất của thế năng, nó tỉ lệ với diện tích bề mặt,

và có thể biểu diễn bởi:

Tương tự như nguyên lí cực tiểu thế năng trong cơ học, ở ñây có nguyên lí

cực tiểu của năng lượng bề mặt: Một khối lỏng luôn luôn có xu hướng tiến ñến

trạng thái có năng lượng bề mặt nhỏ nhất (Tức là có xu hướng tiến ñến trạng thái

có diện tích bề mặt nhỏ nhất) Từ nguyên lí này, suy ra α luôn luôn có giá trị dương

ðơn vị của α trong hệ SI là N/m

Ở bề mặt các vật rắn cũng có suất căng bề mặt, nhưng ở ñiều kiện bình

thường, giá trị ñó thường rất nhỏ, không ñủ làm thay ñổi hình dạng của vật rắn

3 Lực căng bề mặt

Một khối chất lỏng luôn luôn có xu hướng tiến ñến trạng thái có diện tích bề mặt nhỏ nhất ðiều ñó giống như tính chất của một màng căng (như màng cao su) Chỗ khác nhau cơ bản giữa bề mặt chất lỏng và màng căng là diện tích bề mặt chất lỏng tăng là do các phân tử từ trong lòng chất lỏng ñi ra bề mặt, bề dày của bề mặt không thay ñổi, còn diện tích màng căng tăng lên là do các phân tử giãn ra, bề dày của màng giảm