Bao Toan Dong Luong Trem Dem Khi

ThÝ nghiÖm vËt lý

nghiÖm ®Þnh luËt b¶o toµn §éng l−îng trªn ®Öm kh«ng khÝ Dông cô : 1. §Öm kh«ng khÝ vµ gi¸ ®ì cã th−íc th¼ng milimÐt vµ c¸c vÝt ®iÒu chØnh c©n b»ng ; 2. B¬m nÐn khÝ vµ èng dÉn khÝ ; 3. Hai xe tr−ît cã b¶n ch¾n s¸ng (h×nh ch÷ U); 4. Bèn ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸; 5. Hai ®Çu va ch¹m mÒm cã v¶i gai mãc dÝnh ; 6. Bé qu¶ gia träng 2x50g vµ 2x100g ; 7. Hai m¸y ®o thêi gian hiÖn sè kiÓu MC-963 ; 8. Hai ®Çu c¶m biÕn thu-ph¸t quang ®iÖn hång ngo¹i .

I. C¬ së lý thuyÕt 1. §Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng Mét vËt, chÞu t¸c dông cña lùc, sÏ chuyÓn ®éng cã gia tèc (H×nh 1). Theo ®Þnh luËt Newton thø hai : Gia tèc a cña vËt cïng h−íng vµ tû lÖ thuËn víi lùc tæng hîp F t¸c dông lªn vËt vµ tû lÖ nghÞch víi khèi l−îng m cña vËt ®ã :

a =

F m

a

F

(1) m §¬n vÞ ®o cña lùc F lµ newton (N), cña khèi l−îng m lµ kil«gam (kg) vµ cña gia tèc a lµ mÐt trªn gi©y b×nh ph−¬ng (m/s2 ). H×nh 1 C«ng thøc (1) cã thÓ viÕt d−íi d¹ng : m.a = F (2) Ph−¬ng tr×nh (2) gäi lµ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña ®éng lùc häc chÊt ®iÓm, nã còng ®óng ®èi víi vËt r¾n chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn. Tõ ph−¬ng tr×nh nµy ta suy ra hÖ qu¶ sau : nÕu lùc tæng hîp t¸c dông lªn vËt triÖt tiªu F = 0 th× a =

dv = 0 , ν = const vµ vËt chuyÓn ®éng th¼ng ®Òu. dt

VËn tèc cña vËt chuyÓn ®éng th¼ng ®Òu cã trÞ sè b»ng : s v= = const (3) F2 A B F1 t víi s lµ ®o¹n ®−êng vËt ®· ®i ®−îc trong kho¶ng thêi gian t . m1 m2 dv Thay a = vµo ph−¬ng tr×nh (2) vµ chó ý r»ng m = const , ta ®−îc : H×nh 2 dt d( mv ) dK = =F (4) dt dt Vect¬ K = mv gäi lµ ®éng l−îng cña vËt vµ ®Æc tr−ng cho tr¹ng th¸i ®éng lùc häc cña vËt . ¸p dông ph−¬ng tr×nh (4) ®èi víi hÖ c« lËp gåm hai vËt cã khèi l−îng lµ m1 vµ m2 t−¬ng t¸c víi nhau b»ng c¸c lùc F1 vµ F2 (H×nh 2) , ta cã : dK 2 d ( m2 v 2 ) dK1 d( m1v1 ) = = F1 vµ = = F2 dt dt dt dt Céng vÕ víi vÕ cña hai ph−¬ng tr×nh trªn , ta ®−îc : dK1 dK 2 d ( m1v1 ) d( m2 v 2 ) + = + = F1 + F2 dt dt dt dt d( K1 + K 2 ) d ( m1v1 + m2 v 2 ) = = F1 + F2 dt dt Theo ®Þnh luËt Newton thø ba : F2 = −F1 , nªn F1 + F2 = 0 , suy ra :

hay

K1 + K 2 = m1v1 + m2 v 2 = const

(5)

C«ng thøc (5) gäi lµ ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng vµ ph¸t biÓu nh− sau : " Tæng ®éng l−îng cña hÖ vËt c« lËp b¶o toµn ". NÕu hÖ c« lËp gåm n vËt, ph−¬ng tr×nh (5) sÏ viÕt thµnh : K=

n

∑ mi v i

= const

(6)

i =1

Chó ý : §èi víi hÖ vËt kh«ng c« lËp, nh−ng tæng hîp c¸c ngo¹i lùc t¸c dông lªn hÖ vËt triÖt tiªu th× tæng ®éng l−îng cña hÖ vËt còng b¶o toµn . 2. Qu¸ tr×nh va ch¹m gi÷a hai vËt Gi¶ sö mét hÖ gåm hai vËt cã khèi l−îng m1 vµ m2 chuyÓn ®éng kh«ng ma s¸t theo ph−¬ng ngang víi vËn tèc tíi va ch¹m xuyªn t©m vµo nhau . Khi ®ã tæng hîp c¸c ngo¹i lùc (gåm träng lùc vµ ph¶n lùc cña mÆt gi¸ ®ì) t¸c dông lªn hÖ vËt triÖt tiªu, nªn theo (5), tæng ®éng l−îng cña hÖ vËt b¶o toµn . Gäi v1 , v2 , v1′ , v2′ lµ vËn tèc cña hai vËt m1 vµ m2 tr−íc vµ sau khi va ch¹m. XÐt hai tr−êng hîp : a. Va ch¹m ®µn håi : Sau va ch¹m, hai vËt m1 vµ m2 chuyÓn ®éng víi vËn tèc v1′ vµ v 2′ cã trÞ sè kh¸c nhau : v1′ ≠ v2′ . Trong tr−êng hîp nµy, ph−¬ng tr×nh ®¹i sè biÓu diÔn ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ¸p dông ®èi víi hÖ hai vËt m1 vµ m2 cã d¹ng : m1v1/ + m2 v 2/ = m1v1 + m2 v 2 NÕu tr−íc va ch¹m, vËt m1 ®øng yªn ( v1 = 0 ) , th× ph−¬ng tr×nh (7) viÕt thµnh :

(7)

m1v1/ + m2 v 2/ = m2 v 2 (8) b. Va ch¹m mÒm (kh«ng ®µn håi) : Sau va ch¹m, hai vËt m1 vµ m2 g¾n chÆt vµo nhau vµ chuyÓn

®éng víi cïng vËn tèc v ′ .Trong tr−êng hîp nµy, ph−¬ng tr×nh ®¹i sè biÓu diÔn ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ¸p dông ®èi víi hÖ hai vËt m1 vµ m2 cã d¹ng :

( m1 + m 2 ) ⋅ v ′ = m1v 1 + m 2v 2 NÕu tr−íc va ch¹m, vËt m1 ®øng yªn ( v 2 = 0 ) , th× ph−¬ng tr×nh ( 9 ) viÕt thµnh : ( m1 + m 2 ) ⋅ v ′ = m1v 1

(9)

(10) Trong thÝ nghiÖm nµy, ta nghiÖm l¹i ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ®èi víi qu¸ tr×nh va ch¹m ®µn håi vµ va ch¹m mÒm gi÷a hai xe tr−ît trªn ®Öm kh«ng khÝ (H×nh 3) . ThiÕt bÞ ®Öm kh«ng khÝ gåm mét hép H b»ng kim lo¹i (dµi kho¶ng 1200 cm), mét ®Çu bÞt kÝn vµ ®Çu cßn l¹i nèi th«ng víi mét b¬m nÐn kh«ng khÝ P. Hép H cã d¹ng h×nh m¸i nhµ vµ trªn mÆt cña nã cã hai d·y lç nhá ph©n bè ®Òu nhau ®Ó khÝ nÐn phôt ra ngoµi. Hai xe tr−ît X1 vµ X2 cã thÓ chuyÓn ®éng trªn mÆt hép H . T C1

C2 §1

P

.

§2

. . . . . . . . . . . . X1

m/

V1

. . . . . . . . . . . . X2

m¸y ®o thêi gian mc - 963

V2 m¸y ®o thêi gian mc - 963

H×nh 3

2

H

Khi cho b¬m nÐn P thæi kh«ng khÝ vµo trong hép H, c¸c luång kh«ng khÝ nÐn tho¸t ra tõ c¸c lç nhá, n©ng hai xe tr−ît X1 vµ X2 lªn khái mÆt cña èng H, t¹o ra mét líp ®Öm kh«ng khÝ (dµy cì 0,5÷1 mm). Khi ®ã c¸c xe tr−ît X1 vµ X2 cã thÓ chuyÓn ®éng trªn líp ®Öm kh«ng khÝ víi ma s¸t kh«ng ®¸ng kÓ. ë ®Ønh mçi xe tr−ît nµy cã l¾p mét b¶n ch¾n s¸ng C1 hoÆc C2 h×nh ch÷ U. Kho¶ng c¸ch gi÷a hai mÐp bªn tr¸i cña hai c¹nh ch÷ U trªn mçi b¶n ®Òu b»ng s . Muèn x¸c ®Þnh vËn tèc cña xe tr−ît X1 vµ X2 trªn ®Öm kh«ng khÝ, ng−êi ta dïng hai m¸y ®o thêi m¸y ®o thêi gian MC - 963 gian hiÖn sè MC-963 (H×nh 4) ®Ó ®o kho¶ng thêi 00 0000 A+B A ↔ B gian ch¾n s¸ng t cña b¶n C1 hoÆc C2 khi chóng ®i n=N-1 Time B n=50 qua c¶m biÕn thu-ph¸t quang ®iÖn §1 hoÆc §2 . A n= N/2 mode NÕu c¸c xe X1 vµ X2 chuyÓn ®éng th¼ng ®Òu, vËn tèc cña chóng sÏ tÝnh theo c«ng thøc (3) víi s 9,999 99,99 A B RESET time range K lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai mÐp bªn tr¸i cña hai c¹nh ch÷ U trªn mçi b¶n C1 hoÆc C2 . H×nh 4

II. Tr×nh tù thÝ nghiÖm 1. §iÒu chØnh ®Öm kh«ng khÝ n»m c©n b»ng th¼ng ngang a. L¾p thªm vµo mçi ®Çu cña hép H mét ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸. §Æt hai c¶m biÕn §1 §2 n»m trong kho¶ng gi÷a cña mÆt hép H t¹i hai vÞ trÝ c¸h nhau 40÷50cm trªn th−íc th¼ng T. C¾m ®Çu d©y cña c¶m biÕn §1 vµ §2 vµo æ A trªn mÆt mçi m¸y ®o thêi gian MC-963. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña hai m¸y ®o thêi gian MC-963 vµo nguån ®iÖn ~220V. BÊm khãa K trªn c¸c mÆt m¸y nµy : c¸c ch÷ sè sÏ hiÖn thÞ trªn c¸c cöa sæ “n = N -1” vµ "Time". VÆn nóm chuyÓn m¹ch chän c¸ch ®o "MODE" sang vÞ trÝ n = N/2 . G¹t nóm chuyÓn m¹ch chän thang ®o "TIME RANGE" sang vÞ trÝ 9,999 s. b. §Æt xe tr−ît X1 (cã b¶n ch¾n s¸ng C1 , kh«ng mang gia träng m/ ) n»m trªn mÆt hép H trong kho¶ng gi÷a hai c¶m biÕn §1 §2 . C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña b¬m nÐn khÝ P vµo nguån ®iÖn ~220V ®Ó nÐn kh«ng khÝ vµo hép H. NÕu xe tr−ît X1 bÞ tr«i vÒ mét phÝa th× ta ph¶i dïng tay gi÷ nhÑ xe tr−ît X1 , ®ång thêi vÆn tõ tõ vÝt V1 hoÆc V2 ®Ó ®iÒu chØnh ®é cao cña mét trong hai ®Çu cña hép H sao cho khi bu«ng nhÑ tay th× xe tr−ît X1 tù nã ®øng yªn. Khi ®ã ®Öm kh«ng khÝ ®· ®−îc ®iÒu chØnh c©n b»ng th¼ng ngang . KiÓm tra l¹i vÞ trÝ c©n b»ng nµy theo thø tù sau : - §Æt xe tr−ît X1 ë gÇn mét ®Çu cña hép H phÝa ngoµi hai c¶m biÕn §1 §2 ; - BÊm nót "RESET" cña m¸y ®o thêi gian MC-963 ®Ó c¸c sè hiÖn thÞ trªn cöa sæ "tIME" trë vÒ tr¹ng th¸i "0" ; - §Èy xe tr−ît X1 ®i qua hai c¶m biÕn §1 §2 víi vËn tèc ®ñ lín (thÝ dô, nªn chän vËn tèc øng víi kho¶ng c¸ch s = 30 mm sao cho thêi gian ch¾n s¸ng cña b¶n C1 ®i qua c¸c c¶m biÕn §1 hoÆc §2 b»ng t = 100 ÷ 120 ms ). Khi ®ã nÕu sè ®o kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng trªn hai m¸y ®o thêi gian hiÖn sè MC-963 b»ng nhau (hoÆc chªnh nhau 0,001 s) th× cã thÓ coi chuyÓn ®éng cña xe tr−ît X1 trªn ®Öm kh«ng khÝ lµ th¼ng ®Òu vµ ®Öm kh«ng khÝ ®· c©n b»ng th¼ng ngang. Chó ý : Gi÷ nguyªn vÞ trÝ c©n b»ng nµy cña ®Öm kh«ng khÝ trong suèt qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm. 2. Kh¶o s¸t qu¸ tr×nh va ch¹m ®µn håi a. §Æt xe tr−ît X1 (kh«ng mang gia träng) n»m ë gÇn ®Çu cña hép H phÝa ngoµi hai c¶m biÕn §1 §2 . §ång thêi, ®Æt thªm xe tr−ît X2 (mang hai gia träng 2m/ ) n»m trªn mÆt hép H phÝa trong hai c¶m biÕn §1 §2 , nh−ng gÇn §2 h¬n. Trong tr−êng hîp nµy, cÇn l¾p thªm vµo mçi ®Çu ®èi diÖn cña hai xe tr−ît X1 vµ X2 mét ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸. BÊm nót "RESET" cña hai m¸y ®o thêi gian MC-963 ®Ó c¸c sè chØ thÞ trªn cöa sæ "TIME" chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i "0”.

3

b. §Èy xe tr−ît X1 chuyÓn ®éng ®i qua c¶m biÕn §1 víi vËn tèc ®ñ lín tíi va ch¹m vµo xe tr−ît X2 ®ang ®øng yªn. Sau va ch¹m, xe tr−ît X1 ®æi chiÒu chuyÓn ®éng ®i qua c¶m biÕn §1 lÇn thø hai vµ xe tr−ît X2 chuyÓn ®éng thuËn chiÒu ban ®Çu ®i qua c¶m biÕn §2 . Gäi t 1 , t 1/ lµ c¸c kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng t−¬ng øng khi b¶n C1 ®i qua c¶m biÕn §1 tr−íc vµ sau va ch¹m, cßn t 2/ lµ kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng khi b¶n C2 ®i qua c¶m biÕn §2 sau va ch¹m. NÕu t lµ kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng tæng céng khi tÊm ch¾n C1 ®i qua c¶m biÕn §1 trong c¶ hai lÇn (tr−íc vµ sau va ch¹m) th× t 1′ = t − t 1 . §äc vµ ghi vµo b¶ng 1 c¸c gi¸ trÞ t 1 , t 1/ vµ t 2/ . VËn tèc chuyÓn ®éng cña hai xe tr−ît X1 vµ X2 tr−íc vµ sau va ch¹m tÝnh theo c«ng thøc :

v1 =

s s s , v 2 = 0 , v1/ = / , v 2/ = / t1 t1 t2

(11)

trong ®ã s lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai mÐp bªn tr¸i cña hai c¹nh ch÷ U trªn mçi b¶n C1 hoÆc C2 . c. Thùc hiÖn ®éng t¸c trªn 5 lÇn. §äc vµ ghi vµo b¶ng 1 gi¸ trÞ cña t 2 , t 1/ , t 2/ trong mçi lÇn ®o ®Ó tÝnh c¸c vËn tèc v 1 , v 1′ , v ′2 . Chó ý x¸c ®Þnh chiÒu (+ hoÆc -) cña c¸c vËn tèc v 1 , v 1′ , v ′2 . §Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng sÏ ®−îc nghiÖm ®óng, nÕu tæng ®¹i sè c¸c ®éng l−îng sau va ch¹m cña hai xe tr−ît X1 vµ X2 b»ng tæng ®¹i sè c¸c ®éng l−îng tr−íc va ch¹m cña chóng :

M1v1/ + M 2 v2/ = M 2 v2

(12)

ë ®©y M1 = m1 + m01 + m11 lµ khèi l−îng tæng céng cña xe tr−ît X1 víi m1 lµ khèi l−îng cña xe tr−ît X1 , m01 lµ khèi l−îng cña b¶n ch¾n s¸ng C1 vµ m11 lµ khèi l−îng cña ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸ g¾n vµo xe tr−ît X1 ; cßn M 2 = m2 + m02 + m21 + 2 m ′ lµ khèi l−îng tæng céng cña xe tr−ît X2 víi m2 lµ khèi l−îng cña xe tr−ît X2 , m02 lµ khèi l−îng cña b¶n ch¾n s¸ng C2 , m21 lµ khèi l−îng cña ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸ vµ m / lµ khèi l−îng cña mçi gia träng

g¾n vµo xe tr−ît X2 . 3. Kh¶o s¸t qu¸ tr×nh va ch¹m mÒm (kh«ng ®µn håi) a. Th¸o tÊm ch¾n C2 ra khái xe tr−ît X2 (mang hai gia träng 2m/ ). Thay hai ®Çu va ch¹m ®µn håi trªn hai ®Çu ®èi diÖn cña hai xe tr−ît X1 vµ X2 b»ng hai ®Çu va ch¹m mÒm cã v¶i gai mãc dÝnh. Sau ®ã, ®Æt hai xe tr−ît X1 vµ X2 t¹i c¸c vÞ trÝ nh− môc II.2,a. BÊm nót "RESET" cña hai m¸y ®o thêi gian MC-963 ®Ó c¸c sè hiÖn trªn cöa sæ "THêi GIAN" chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i "0". b. §Èy xe tr−ît X1 (kh«ng mang gia träng) chuyÓn ®éng ®i qua c¶m biÕn §1 víi vËn tèc ®ñ lín v 1 tíi va ch¹m vµo xe tr−ît X2 ®ang ®øng yªn ( v 2 = 0 ) . Sau va ch¹m, hai ®Çu va ch¹m mÒm cã v¶i gai mãc dÝnh vµo nhau nªn c¶ hai xe tr−ît X1 vµ X2 tiÕp tôc chuyÓn ®éng víi cïng vËn tèc v / ®i qua c¶m biÕn §2 thuËn chiÒu ban ®Çu. §äc vµ ghi vµo b¶ng 2 kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng t / khi b¶n C1 ®i qua c¶m biÕn §2 . VËn tèc cña hai xe tr−ît X1 vµ X2 tr−íc vµ sau va ch¹m ®−îc tÝnh theo c«ng thøc :

v1 =

s s , v 2 = 0 , v1/ = v 2/ = v / = / t1 t

(13)

c. Thùc hiÖn ®éng t¸c trªn 5 lÇn. §äc vµ ghi vµo b¶ng 2 c¸c gi¸ trÞ cña t 2 , t / trong mçi lÇn ®o ®Ó tÝnh c¸c vËn tèc v 1 vµ v ′ . §Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng sÏ ®−îc nghiÖm ®óng, nÕu tæng ®éng l−îng sau va ch¹m cña hai xe X1 vµ X2 b»ng tæng ®¹i sè c¸c ®éng l−îng tr−íc va ch¹m cña chóng :

( M1′ + M 2′ ).v ′ = M1′ v 1

4

(14)

′ lµ khèi l−îng tæng céng cña xe tr−ît X1 víi m1 lµ khèi l−îng cña ë ®©y M1′ = m1 + m01 + m11

′ lµ khèi l−îng cña ®Çu va ch¹m mÒm xe tr−ît X1 , m01 lµ khèi l−îng cña b¶n ch¾n s¸ng C1 vµ m11 ′ + 2 m ′ víi m2 lµ khèi l−îng cña cã d¸n v¶i gai mãc dÝnh g¾n vµo xe tr−ît X1 ; cßn M 2′ = m2 + m22 ′ lµ khèi l−îng cña ®Çu va ch¹m mÒm cã d¸n v¶i gai mãc dÝnh vµ m / lµ khèi l−îng xe tr−ît X2 , m22 cña mçi gia träng g¾n vµo xe tr−ît X2 . 4. §äc vµ ghi c¸c sè liÖu sau ®©y vµo b¶ng 1 vµ b¶ng 2 : - Khèi l−îng m1 cña xe tr−ît X1 vµ khèi l−îng m2 cña xe tr−ît X2 . - Khèi l−îng m01 cña tÊm ch¾n C1 vµ khèi l−îng m02 cña tÊm ch¾n C2 . - Khèi l−îng m / cña mçi gia träng (h×nh ch÷ nhËt). - Khèi l−îng m21 vµ m22 cña c¸c ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸.

′ vµ m22 ′ cña c¸c ®Çu va ch¹m mÒm cã d¸n v¶i gai mãc dÝnh . - Khèi l−îng m11 - Kho¶ng c¸ch s gi÷a hai mÐp bªn tr¸i cña hai c¹nh ch÷ U trªn mçi b¶n ch¾n s¸ng C1 hoÆc C2 .

III. C©u hái kiÓm tra 1. Ph¸t biÓu ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng . 2. Ph©n biÖt c¸c qu¸ tr×nh va ch¹m ®µn håi vµ va ch¹m mÒm (kh«ng ®µn håi) gi÷a hai vËt. 3. M« t¶ nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ ®Öm kh«ng khÝ vµ ph−¬ng ph¸p ®o kho¶ng thêi gian chuyÓn ®éng cña c¸c xe tr−ît trªn ®Öm kh«ng khÝ b»ng m¸y ®o thêi gian hiÖn sè MC-963 víi c¸c c¶m biÕn thu-ph¸t quang ®iÖn hång ngo¹i. 4. Tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p nghiÖm ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng trong c¸c qu¸ tr×nh va ch¹m ®µn håi gi÷a hai xe tr−ît trªn ®Öm kh«ng khÝ . 5. Tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p nghiÖm ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng trong c¸c qu¸ tr×nh va ch¹m mÒm (kh«ng ®µn håi) gi÷a hai xe tr−ît trªn ®Öm kh«ng khÝ . 6. Tr−íc khi tiÕn hµnh thÝ nghiÖm nµy, t¹i sao cÇn ph¶i ®iÒu chØnh ®Öm kh«ng khÝ n»m c©n b»ng th¼ng ngang ? 7. Trong thÝ nghiÖm nµy, t¹i sao ph¶i ®Èy xe tr−ît X1 ®i qua c¶m biÕn §1 víi vËn tèc ®ñ lín chuyÓn ®éng tíi va cham vµo xe tr−ît X2 ? 8. HiÖn t−îng néi ma s¸t (hay ma s¸t nhít) trong líp ®Öm kh«ng khÝ cã ¶nh h−ëng ®èi víi kÕt qu¶ thÝ nghiÖm kh«ng ? T¹i sao ?

5

B¸o c¸o thÝ nghiÖm

nghiÖm ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng trªn ®Öm kh«ng khÝ X¸c nhËn cña thµy gi¸o Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµnéi Líp ...................Tæ ..................... Hä tªn .........................................

I. Môc ®Ých thÝ nghiÖm ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................

II. kÕt qu¶ thÝ nghiÖm 1. NghiÖm ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ®èi víi va ch¹m ®µn håi B¶ng 1 m1 = ............... ..± .............. (kg)

m01 =....................±..................(kg)

m2 =....................± .............. (kg)

m02 =....................±..................(kg)

/

m =....................±................(kg) s =...................±..................(mm) LÇn ®o

v1 = 0 (m/s)

t2 (s)

m11 =....................±..................(kg) m21 =....................±..................(kg) t1/ (s)

v2 (m/s)

v1/ (m/s)

t2/ (s)

v2/ (m/s)

1 2 3 a. TÝnh tæng ®éng l−îng cña hÖ hai xe X1 vµ X2 trong va ch¹m ®µn håi

LÇn ®o

K = M2 .v2 (kg.m/s)

K/ = M1 .v1/ + M2 .v2/ (kg.m/s)

δ=

∆K K

=

K′ −K K

1 2 3

b. KÕt luËn

Trong va ch¹m ®µn håi, ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ®−îc nghiÖm víi ®é sai lÖch tû ®èi δ =.............%

6

2. NghiÖm ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ®èi víi va ch¹m mÒm B¶ng 2 m1 = .............. ± ............. (10-3 kg)

m01 =....................±..................(kg)

-3

m2 =................± ............. (10 kg) /

m02 =....................±..................(kg)

′ =..............±..............(10-3 kg) m11

-3

m =................±..............(10 kg) s =..............±...............(mm) LÇn ®o

v1 = 0 (m/s)

′ =..............±..............(10-3 kg) m22

t2 (s)

v2 (m/s)

t/ (s)

v1/ = v2/ = v / (m/s)

1 2 3 a.TÝnh tæng ®éng l−îng cña hÖ hai xe X1 vµ X2 trong va ch¹m mÒm :

LÇn ®o

K = M2/ . v2 (kg.m/s)

K/ = ( M1/+M2/).v / (kg.m/s)

δ=

∆K K

=

K′ −K K

1 2 3

b. KÕt luËn :

Trong va ch¹m mÒm, ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng ®−îc nghiÖm víi ®é sai lÖch tû ®èi δ = ...........%

7

ThÝ nghiÖm vËt lý

nghiÖm ®Þnh luËt newton thø hai trªn ®Öm kh«ng khÝ Dông cô : 1. §Öm kh«ng khÝ vµ gi¸ ®ì cã th−íc th¼ng milimÐt vµ c¸c vÝt ®iÒu chØnh c©n b»ng ; 2. B¬m nÐn khÝ vµ èng dÉn khÝ ; 3. Xe tr−ît cã b¶n ch¾n s¸ng h×nh ch÷ I ; 4. Hai ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸; 5. Rßng räc nhá vµ gi¸ ®ì ; 6. Cèc nhùa nhá cã d©y treo ; 7. Hép qu¶ c©n 0÷200g ; 8. Bé gia träng 2x50g vµ 2x100g ; 9. Hai m¸y ®o thêi gian hiÖn sè MC-963 ; 10. Hai ®Çu c¶m biÕn thu-ph¸t quang ®iÖn hång ngo¹i .

I. C¬ së lý thuyÕt Mét vËt, chÞu t¸c dông cña lùc, sÏ chuyÓn ®éng cã gia tèc (H×nh 1). Theo ®Þnh luËt Newton thø hai : Gia tèc a cña vËt cïng h−íng vµ tû lÖ thuËn víi lùc tæng hîp F t¸c dông lªn vËt vµ tû lÖ nghÞch víi khèi l−îng m cña vËt ®ã :

F m

a =

a

F

m

H×nh 1 (1)

§¬n vÞ ®o cña lùc F lµ newton (N), cña khèi l−îng m lµ kil«gam (kg) vµ cña gia tèc a lµ mÐt trªn gi©y b×nh ph−¬ng (m/s2 ). Tõ c«ng thøc (1) ta suy ra hÖ qu¶ sau : nÕu lùc tæng hîp t¸c dông lªn vËt triÖt tiªu F = 0 th×

a=

dv = 0 vµ ν = const , nghÜa lµ vËt chuyÓn ®éng th¼ng ®Òu. VËn tèc cña vËt chuyÓn ®éng dt

th¼ng ®Òu cã trÞ sè b»ng : s = const (2) t víi s lµ ®o¹n ®−êng vËt ®i ®−îc trong kho¶ng thêi gian t . XÐt mét hÖ vËt gåm mét xe tr−ît X khèi l−îng M chuyÓn ®éng trªn mét mÆt ph¼ng ngang nh½n do t¸c dông kÐo cña mét vËt khèi l−îng m treo ë ®Çu mét sîi d©y m¶nh kh«ng d·n v¾t qua rßng räc nhá R vµ nèi víi xe tr−ît X (H×nh 2). v=

M R

m

B

d

A

H×nh 2 NÕu bá qua ma s¸t, gia tèc a cña hÖ vËt nµy tÝnh theo ®Þnh luËt Newton thø hai sÏ b»ng :

P mg = (3) M +m M +m MÆt kh¸c, nÕu ®o ®−îc c¸c vËn tèc v 1 vµ v 2 cña xe tr−ît X khi nã ®i qua c¸c vÞ trÝ A vµ B a=

c¸ch nhau mét kho¶ng d = AB , th× ta cã thÓ x¸c ®Þnh gia tèc a cña hÖ vËt nµy theo c«ng thøc :

v B2 − v A2 a= 2.d

8

(4)

Trong thÝ nghiÖm nµy, ta cã thÓ nghiÖm l¹i ®Þnh luËt Newton thø hai b»ng c¸ch kh¶o s¸t chuyÓn ®éng th¼ng nhanh dÇn ®Òu cña xe tr−ît X trªn ®Öm kh«ng khÝ (H×nh 3) . ThiÕt bÞ ®Öm kh«ng khÝ gåm mét hép H b»ng kim lo¹i (dµi kho¶ng 1200 cm), mét ®Çu bÞt kÝn vµ ®Çu cßn l¹i nèi th«ng víi mét b¬m nÐn kh«ng khÝ P. Hép H cã d¹ng h×nh m¸i nhµ vµ trªn mÆt cña nã cã hai d·y lç nhá ph©n bè ®Òu nhau ®Ó khÝ nÐn phôt ra ngoµi. Mét xe tr−ît X1 mang hai gia träng 2m/ cã thÓ chuyÓn ®éng trªn mÆt hép H (H×nh 3) . T C1 P

.

§1

m/

§2

R

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X1

V1

V2

m¸y ®o thêi gian mc - 963

H

m

m¸y ®o thêi gian mc - 963

H×nh 3 Khi cho b¬m nÐn P thæi kh«ng khÝ vµo trong hép H, c¸c luång kh«ng khÝ nÐn tho¸t ra tõ c¸c lç nhá, n©ng xe tr−ît X1 lªn khái mÆt èng H, t¹o ra mét líp ®Öm kh«ng khÝ (dµy cì 0,5÷1 mm). Khi ®ã xe tr−ît X1 cã thÓ chuyÓn ®éng trªn líp ®Öm kh«ng khÝ víi ma s¸t kh«ng ®¸ng kÓ. ë ®Ønh cña xe tr−ît nµy cã l¾p mét b¶n ch¾n s¸ng C1 h×nh ch÷ I víi ®é réng b»ng s . m¸y ®o thêi gian MC - 963 Muèn x¸c ®Þnh vËn tèc cña xe tr−ît X1 trªn ®Öm 00 0000 A+B A ↔ B kh«ng khÝ, ng−êi ta dïng hai m¸y ®o thêi gian hiÖn n=N-1 Time B n=50 sè MC-963 (H×nh 4) ®Ó ®o kho¶ng thêi gian ch¾n A n= N/2 mode s¸ng t cña b¶n C1 khi nã ®i qua c¶m biÕn thu-ph¸t quang ®iÖn §1 hoÆc §2 . 9,999 99,99 A B RESET time range K NÕu xe X1 chuyÓn ®éng th¼ng ®Òu, vËn tèc cña nã sÏ tÝnh theo c«ng thøc (2) víi s lµ ®é réng cña c¹nh ch÷ I trªn b¶n C1 . H×nh 4

II. Tr×nh tù thÝ nghiÖm 1. §iÒu chØnh ®Öm kh«ng khÝ n»m c©n b»ng th¼ng ngang a. L¾p thªm vµo mçi ®Çu cña hép H mét ®Çu va ch¹m ®µn håi cã vßng lß xo l¸. §Æt hai c¶m biÕn §1 §2 n»m trong kho¶ng gi÷a trªn mÆt hép H t¹i c¸c vÞ trÝ c¸ch nhau 40÷50cm trªn th−íc th¼ng T. C¾m ®Çu d©y cña c¶m biÕn §1 vµ §2 vµo æ A trªn mÆt cña mçi m¸y ®o thêi gian MC-963. C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña hai m¸y ®o thêi gian MC-963 vµo nguån ®iÖn ~220V. BÊm khãa K trªn c¸c mÆt m¸y nµy : c¸c ch÷ sè sÏ hiÖn thÞ trªn c¸c cöa sæ “n = N -1” vµ "Time". VÆn nóm chuyÓn m¹ch chän c¸ch ®o "MODE" sang vÞ trÝ A (ë tËn cïng bªn tr¸i). G¹t nóm chuyÓn m¹ch chän thang ®o "TIME RANGE" sang vÞ trÝ 9,999 s. b. §Æt xe tr−ît X1 (mang hai gia träng 2m/ ) n»m trªn mÆt hép H trong kho¶ng gi÷a hai c¶m biÕn §1 §2 . C¾m phÝch lÊy ®iÖn cña b¬m nÐn khÝ P vµo nguån ®iÖn ~220V ®Ó nÐn kh«ng khÝ vµo hép H. NÕu xe tr−ît X1 bÞ tr«i vÒ mét phÝa, ta ph¶i dïng tay gi÷ nhÑ xe tr−ît X1 , ®ång thêi vÆn tõ tõ vÝt V1 hoÆc V2 ®Ó ®iÒu chØnh ®é cao cña mét trong hai ®Çu cña hép H sao cho khi bu«ng nhÑ tay th× xe tr−ît X1 tù nã ®øng yªn. Khi ®ã ®Öm kh«ng khÝ ®· ®−îc ®iÒu chØnh c©n b»ng th¼ng ngang .

9

KiÓm tra l¹i vÞ trÝ c©n b»ng nµy theo thø tù sau : - §Æt xe tr−ît X1 ë gÇn mét ®Çu cña hép H phÝa ngoµi hai c¶m biÕn §1 §2 ; - BÊm nót "RESET" cña m¸y ®o thêi gian MC-963 ®Ó c¸c sè hiÖn thÞ trªn cöa sæ "tIME" trë vÒ tr¹ng th¸i "0" ; - §Èy xe tr−ît X1 ®i qua hai c¶m biÕn §1 §2 víi vËn tèc ®ñ lín (thÝ dô, nªn chän vËn tèc øng víi ®é réng s = 10 mm sao cho thêi gian ch¾n s¸ng t = 30 ÷ 40 ms ). Khi ®ã nÕu sè ®o kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng trªn hai m¸y ®o thêi gian hiÖn sè MC-963 b»ng nhau (hoÆc chªnh nhau 0,001 s) th× cã thÓ coi chuyÓn ®éng cña xe tr−ît X1 trªn ®Öm kh«ng khÝ lµ th¼ng ®Òu vµ ®Öm kh«ng khÝ ®· c©n b»ng th¼ng ngang. Chó ý : Gi÷ nguyªn vÞ trÝ c©n b»ng nµy cña ®Öm kh«ng khÝ trong suèt qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm. 2. X¸c ®Þnh gia tèc a cña xe tr−ît X1 chuyÓn ®éng trªn ®Öm kh«ng khÝ a. Dïng mét sîi d©y dµi m¶nh vµ kh«ng d·n v¾t qua rßng räc R ®Ó nèi xe tr−ît X1 (mang hai gia träng 2m / ) víi mét cèc nhùa khèi l−îng m0 , ®ång thêi gi÷ xe tr−ît X1 n»m ë s¸t mét ®Çu cña hép H ®èi diÖn víi ®Çu cã l¾p rßng räc R nh− h×nh 3. Chó ý thao t¸c nhÑ nhµng vµ kh«ng treo c¸c vËt hoÆc c¸c qu¶ c©n cã khèi l−îng lín h¬n 20 gam vµo rßng räc R ®Ó tr¸nh lµm g·y háng kim nhän ë hai ®Çu trôc quay cña nã. BÊm nót "RESET" cña hai m¸y ®o thêi gian MC-963 ®Ó c¸c sè chØ thÞ trªn cöa sæ "TIME" chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i "0”. b. Bá thªm mét qu¶ c©n nhá cã khèi l−îng b»ng 2 gam vµo cèc nhùa m0 . Sau ®ã bu«ng tay ®Ó xe tr−ît X1 chuyÓn ®éng th¼ng nhanh dÇn ®Òu do t¸c dông kÐo cña träng lùc P = ( m0 + 2 ). g h−íng th¼ng ®øng xuèng d−íi, víi g lµ gia tèc träng tr−êng t¹i phßng thÝ nghiÖm. §äc vµ ghi vµo b¶ng 1 sè ®o c¸c kho¶ng thêi gian ch¾n s¸ng t A vµ t B khi b¶n C1 cã ®é réng b»ng s lÇn l−ît ®i qua c¸c c¶m biÕn §1 vµ §2 ®Æt t¹i c¸c vÞ trÝ A vµ B . VËn tèc cña xe tr−ît X1 t¹i c¸c vÞ trÝ A vµ B cã gi¸ trÞ gÇn ®óng b»ng :

vA =

s , tA

vB =

s tB

(5)

Nh− vËy gia tèc cña hÖ vËt nªu trªn ®−îc ®o b»ng thùc nghiÖm theo c¸c vËn tèc v A vµ v B cã gi¸ trÞ a x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc (4). c. Thùc hiÖn 5 lÇn ®éng t¸c II.2b b»ng c¸ch t¨ng dÇn sè l−îng qu¶ c©n ®ùng trong cèc nhùa m0 , mçi lÇn l¹i bá thªm vµo 1 qu¶ c©n 2 gam. Khi ®ã khèi l−îng cña cèc nhùa vµ c¸c qu¶ c©n 2 gam ®ùng trong cèc øng víi lÇn thø n = 1,2 ,3 ,4 ,5 tÝnh theo c«ng thøc : m = m0 + 2. n 3. NghiÖm l¹i ®Þnh luËt Newton thø hai a. Dïng c©n kü thuËt (cã giíi h¹n ®o 0 ÷ 500gam vµ ®é chÝnh x¸c 0,5 ÷1,0 gam) ®Ó x¸c ®Þnh lÇn l−ît khèi l−îng cña c¸c phÇn trong hÖ vËt. §äc vµ ghi vµo b¶ng 1 c¸c gi¸ trÞ sau ®©y : - khèi l−îng m • cña xe tr−ît X1 (kÌm theo b¶n ch¾n s¸ng C1 , ®Çu mãc dïng buéc d©y vµ c¸c èc vÝt cña nã), - khèi l−îng m/ cña mçi gia träng, - khèi l−îng m0 cña cèc nhùa. Ghi chó : Còng cã thÓ cho biÕt s½n gi¸ trÞ c¸c khèi l−îng m • , m/ vµ m0 trªn bµn thÝ nghiÖm. b. ¸p dông c«ng thøc (3) ®Ó tÝnh gi¸ trÞ gia tèc a ′ cña hÖ vËt theo ®Þnh luËt Newton thø hai :

a′ =

( m 0 + 2.n ). g m. g = ( m + 2 m ′ ) + ( m 0 + 2.n ) M + m •

(6)

c. So s¸nh gi¸ trÞ a ®o ®−îc b»ng thùc nghiÖm víi gi¸ trÞ a ′ tÝnh theo ®Þnh luËt Newton thø hai. Trong tr−êng hîp nÕu sai sè t−¬ng ®èi

∆a a′

=

a′ − a a′

thø hai ®· ®−îc nghiÖm ®óng.

10

≤ 5% , ta cã thÓ kÕt luËn : ®Þnh luËt Newton

III. C©u hái kiÓm tra 1. Ph¸t biÓu vµ viÕt c«ng thøc cña ®Þnh luËt Newton thø hai. Nªu râ ®¬n vÞ ®o cña c¸c ®¹i l−îng vËt lý cã trong c«ng thøc cña ®Þnh luËt nµy. 2. Tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p nghiÖm l¹i ®Þnh luËt Newton thø hai trªn ®Öm kh«ng khÝ. Ph©n tÝch c¸c lùc t¸c dông lªn hÖ vËt ta xÐt, ®ång thêi dùa vµo ®Þnh luËt Newton thø hai ®Ó chøng minh gia tèc a ′ cña hÖ vËt cã d¹ng nh− c«ng thøc (6). 3. Tr−íc khi tiÕn hµnh thÝ nghiÖm nµy, t¹i sao cÇn ph¶i ®iÒu chØnh ®Öm kh«ng khÝ n»m c©n b»ng th¼ng ngang ? 4. HiÖn t−îng néi ma s¸t (hay ma s¸t nhít) trong líp ®Öm kh«ng khÝ cã ¶nh h−ëng ®èi víi kÕt qu¶ thÝ nghiÖm kh«ng ? T¹i sao ? 5. Dùa vµo kÕt qu¶ thÝ nghiÖm, h·y nªu lªn nhËn xÐt vÒ sù phô thuéc cña gia tèc a vµo lùc kÐo P = ( m0 + 2.n ). g : gia tèc a thay ®æi (t¨ng hay gi¶m) khi t¨ng lùc kÐo P ? 6. So s¸nh gi¸ trÞ sai sè t−¬ng ®èi

∆a a′

=

a′ − a a

trong c¸c lÇn ®o kh¸c nhau : sai sè nµy t¨ng

hay gi¶m khi t¨ng lùc kÐo P ? Gi¶i thÝch t¹i sao ?

B¸o c¸o thÝ nghiÖm

11

nghiÖm ®Þnh luËt Newton thø hai trªn ®Öm kh«ng khÝ X¸c nhËn cña thµy gi¸o Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµnéi Líp ...................Tæ ..................... Hä tªn .........................................

I. Môc ®Ých thÝ nghiÖm ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................

II. kÕt qu¶ thÝ nghiÖm 1. B¶ng 1

- Khèi l−îng cña xe tr−ît :

m • = ....................± .............. ...(kg)

- Khèi l−îng cña gia träng :

m / =.....................± .................. (kg)

- Khèi l−îng cña cèc nhùa :

m0 =.....................±...................(kg)

- §é réng cña b¶n ch¾n s¸ng C1 : s =......................±..................(mm) - Kho¶ng c¸ch gi÷a A vµ B : d =.......................±..................(mm)

a

P

a′

(m/s)

(m/s2)

( N)

(m/s2)

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

4

.

.

.

.

.

.

.

.

5

.

.

.

.

.

.

.

.

LÇn ®o

tA

vA

tB

vB

(s)

(m/s)

(s)

1

.

.

2

.

3

2. KÕt luËn §Þnh luËt Newton thø hai ............................................ (®· ®−îc nghiÖm ®óng hoÆc kh«ng nghiÖm ®óng)

12

∆a a′