1
Thí nghiệm Vật lí BKM-040 Institute of Engineering Physics- HUT
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC
TRÊN ĐỆM KHÔNG KHÍ - NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON
VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG.
Phần I. KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN ĐỆM KHÔNG KHÍ
NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON
I. MỤC ĐÍCH
THÍ NGHIỆM
Khảo sát chuyển động của hệ vật trên băng
đệm khí để nghiệm lại ba định luật của
Newton dựa trên sự bảo toàn trạng thái
chuyển động của một vật chịu tác dụng của
các lực cân bằng, mối quan hệ giữa lực tác
dụng và gia tốc chuyển động và khối lượng
của vật. Mối quan hệ giữa lực và phản lực
xuất hiện khi hai vật tương tác bằng lực đàn
hồi.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Định luật Newton I
Khi một vật không chịu tác dụng của lực
nào (vật cô lập) hoặc chịu tác dụng của các
lực có hợp lực bằng không ( = 0), nếu vật
đó đang đứng yên thì nó tiếp tục đứng yên,
còn nếu vật đó đang chuyển động thì nó tiếp
tục chuyển động thẳng đều.
Trong hai trường hơp nêu tren, vận tốc
của vật đều không thay đổi, tức là trạng thái
chuyển động của vật được bảo toàn. Tính
chất bảo toàn trạng thái chuyển động gọi là
quán tính của vật.
Độ lớn của vận tốc trong chuyển động thẳng
đều tính bằng :
(1)
với Δs là đoạn đường đi được của vật trong
khoảng thời gian Δt. Đơn vị đo vận tốc v là
mét trên giây (m/s).
2. Định luật Newton II
Khi một vật chịu tác dụng của các lực có
hợp lực khác không ( ≠ 0), thì nó sẽ
chuyển động có gia tốc. Gia tốc của vật
tỉ lệ với hợp lực tác dụng lên vật và tỉ lệ
nghịch với khối lượng m của vật đó :
(2)
Đơn vị đo của lực F là newton (N), của khối
lượng m là kilôgam (kg) và của gia tốc là
mét trên giây bình phương (m/s2 ).
Độ lớn của gia tốc trong chuyển thẳng biến
đổi đều tính bằng :
H
P
X1X2
EF
Hình 1
2
Thí nghiệm Vật lí BKM-040 Institute of Engineering Physics- HUT
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
(3)
trong đó v1 , v2 là vạn tốc của vật chuyển
động tại các thời điểm tương ứng t1 , t2 .
3. Định luật Newton III
Khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì
vật B cũng tác dụng lên vật A một lực
cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn
(cường độ) với lực :
(4)
Trường hợp này, là lực tác dụng - gọi tắt
là lực hoặc động lực, là lực phản tác
dụng - gọi tắt là phản lực. Hai lực này luôn
trực đối, nhưng có điểm đặt khác nhau nên
không triệt tiêu nhau mà tồn tại song song.
III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
A. Thành phần thiết bị ( Hình 1)
1. Băng đệm khí (H) có 3 chân vít điều
chỉnh thăng bằng.
2. Hai chiếc xe trượt X1 , X2 .
3. Hộp phụ tùng, gồm :
Hai tấm chắn sáng chữ I ,
Hai tấm chắn sáng chữ U ,
Bộ tạo va chạm đàn hồi,
Bộ tạo va chạm mềm,
Hai lò xo tạo dao động điều hoà,
Bộ gia trong chữ nhật ,
Bộ vòng đệm kê chân vít,
Cốc nhựa nhỏ đựng gia trong,
Ròng rọc nhỏ có chân kim,
Bộ 4 gia trong nhỏ (1g; 2gx2; 5g),
4. Bơm nén khí và ống dẫn khí nén.
5. Máy đo thời gian hiện số MC - 964
6. Hai cổng quang điện E, F
7. Giá đặt đồng hồ đo thời gian hiện số.
8. Time box (dùng nối với giao diện).
B. Cấu tạo và hoạt động
1. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-
964 và cổng quang điện
Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964
(Hình 2) có hai thang đo 9,999s và 99.99s ,
với độ chia nhỏ nhất (còn gọi là độ phân
giải) tương ứng là 0,001s và 0,01s.
Mặt trước có các chi tiết sau :
▪một núm Thang đo dùng chọn thang
đo thời gian : 9,999s hoặc 99,99s,
▪một núm MODE dùng chọn 1 trong 5
kiểu đo thời gian : : A, B, A+B, A↔B và T,
▪một ô cửa “Thời gian” dùng hiển thị
số đo thời gian gồm bốn số chỉ thị bằng
LED và một dấu chấm thập phân tự động
dịch chuyển khi chọn thang đo,
▪một nút nhấn RESET dùng đưa các số
hiển thi trên ô cửa Thời gian về 0.000.
Mặt sau có công-tắc ON-OFF dùng
đóng ngắt điện cấp cho đồng hồ và ba ổ cắm
năm chân A, B, C :
●ổ A được nối với cổng quang điện E,
vừa cấp điện cho cổng E vừa nhận tín hiệu
từ E gửi về.
●ổ B được nối với cổng quang điện F,
và có chức năng như trên.
●ổ C có nguồn một chiều 14 V, dùng
cấp dòng một chiều cho nam châm điện N.
Nam châm điện N cũng có thể được cấp
điện từ các ổ A hoặc B. Việc điều khiển
đóng ngắt điện cho nam châm điện N và
khởi động đồng hồ đo thời gian MC – 964
được thực hiện nhờ hộp công-tắc kép Đ.
Khi cắm phích điện của đồng hồ đo thời
gian này vào ổ điện ~ 220V và bấm công-
tắc ON-OFF của nó thì các LED chỉ thị số
Hình 2: Đồng hồ đo thời gian
hiện
số MC- 964
3
Thí nghiệm Vật lí BKM-040 Institute of Engineering Physics- HUT
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
trên ô cửa thời gian sẽ phát sáng và đồng hồ
sẵn sàng hoạt động.
Cổng quang điện (Hình 3) gồm một điôt
phát quang (LED) D1 phát ra tia hồng ngoại,
và một Photodiode D2 nhận tia hồng ngoại
từ D1 chiếu sang. Dòng điện cung cấp cho
D1 được lấy từ đồng hồ đo thời gian hiện số
MC-964. Khi vật chắn m đi vào cổng quang
điện và chắn chùm tia hồng ngoại chiếu từ
D1 sang D2 thì D2 sẽ phát ra tín hiệu truyền
theo dây dẫn tới đồng hồ đo thời gian MC-
964 và điều khiển đồng hồ hoạt động. Cơ
chế này cho phép đóng ngắt bộ đếm của
đồng hồ đo thời gian MC-964 hầu như
không có quán tính.
Để khảo sát chuyển động của một vật giữa
hai vị trí bất kỳ trên băng đệm khí, ta đặt hai
cổng quang điện E, F tại hai vị trí đó và nối
chúng với hai ổ cắm A, B của máy đo thời
gian MC-964. Tấm che sáng ( dạng chữ I
hoặc chữ U) được lắp trên đỉnh xe trượt.Tuỳ
thuộc vị trí đặt núm xoay chuyển mạch
MODE, máy đo này sẽ làm việc theo các
kiểu khác nhau :
● tại vị trí A : chỉ có cổng quang điện E
nối với ổ A được phép hoạt động. Khi tấm
chắn chữ I có độ rộng Δx đi tới cổng E bắt
đầu chắn tia hồng ngoại, thì máy đo thời
gian bắt đầu đếm. Khi tấm chắn này vừa đi
qua cổng E (không chắn tia hồng ngoại
nữa), máy đo dừng đếm. Khoảng thời gian
chắn tia hồng ngoại
Δ
t sẽ hiển thị trên cửa
sổ thời gian. Trong trường hợp này, vận tốc
tức thời v của thanh chắn tia hồng ngoại tại
cổng quang E được xác định theo công thức
v = (5)
● tại vị trí B : chỉ có cổng quang điện
F nối với ổ B được phép hoạt động tương tự
như cổng quang điện E nối với ổ A.
● tại vị trí A+B : Bắt buộc phải có hai
cổng quang điện E, F nối với hai ổ A, B của
cùng một máy đo thời gian. Khi tấm chắn
chữ I đi qua cổng E, máy đo sẽ hiển thị thời
gian Δt1 . Khi nó đi tiếp qua cổng F trong
khoảng thời gian Δt2 , máy đo hiển thị tiếp
thời gian Δt = Δt1 + Δt2 . Như vậy, khoảng
thời gian tấm chắn tia đi qua cổng quang F
tính bằng :
Δt2 = Δt - Δt1 (6)
−Nếu tấm chắn tia chuyển động thẳng
đều thì Δt2 = Δt1 .
−Nếu tấm chắn tia chuyển động thẳng
biến đổi đều thì Δt2 ≠ Δt1. Trong trường hợp
này, ta có thể đo khoảng cách s giữa hai
cổng quang E, F trên thước milimét và tính
các vận tốc v1 , v2 của tấm chắn tia tại vị trí
của hai cổng E, F để xác định gia tốc a của
thanh chắn tia theo công thức :
v2 2 - v12 = 2.a.s (7)
trong đó các vận tốc v1 , v2 được tính theo
công thức (5).
● tại vị trí A ↔ B : Bắt buộc phải có
hai cổng quang điện E, F nối với hai ổ A, B
như trên. Khi mép trước của tấm chắn chạm
vào tia hồng ngoại của cổng E, MC-964 bắt
đầu đếm và tiếp tục đếm cho đến khi mép
trước của tấm chắn chạm vào tia hồng ngoại
của cổng F, máy đo mới dừng đếm. Khoảng
thời gian t để tấm chắn đi từ cổng E đến
cổng F sẽ hiển thị trên cửa sổ “Thời gian”.
Nếu tại cổng E tấm chắn chữ I bắt đầu
chuyển động (ứng với vận tốc đầu v1 = 0) và
gọi s là khoảng cách giữa hai cổng E, F thì
ta có thể xác định được vận tốc, gia tốc của
tấm chắn tia hồng ngoại trong hai trường
hợp :
1- Xe chuyển động thẳng đều :
D1D2
Vật chắn tia
hồng ngoại
Hình 3
m
4
Thí nghiệm Vật lí BKM-040 Institute of Engineering Physics- HUT
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Vận tốc v =
2. Xe chuyển động biến đổi đều :
Vận tốc : v = .
Gia tốc :
▪tại vị trí T: dùng với vật chắn sáng dạng
chữ U (tương đương với hai tấm I1 và I2 đặt
cách nhau một khoảng x - hình 4), cổng
quang điện nối với ổ A. Ổ B bị loại trừ.
Hình 4 : Hai loại thanh chắn sáng (chữ I và
chữ U)
Để khảo sát hiện tượng va chạm hoặc
định luật 3 Niu tơn trên băng đệm khí,
thường sử dụng mode T với hai đồng hồ đo
thời gian. Hai cổng quang E, F đều nối với ổ
A của mỗi đồng hồ. Khi mép trước của
thanh I1 chạm tia hồng ngoại, đồng hồ bắt
đầu đếm liên tục cho tới khi mép trước của
thanh I2 chạm tia hồng ngoại thì đồng hồ
dừng đếm. Khoảng thời gian t ứng với độ
dịch chuyển x được hiển thị trên đồng hồ.
Vận tốc xe tại cổng quang cũng được xác
định theo công thức (5)
Ngoài chức năng trên, mode T còn được
dùng để đo chu kỳ dao động của con lắc.
Mode A ↔ B khi làm việc với thanh
chắn sáng dạng chữ U cũng hoạt động
tương tự như mode T, nhưng phải có hai
cổng quang nối với hai ổ A, B của cùng một
đồng hồ ( ít dùng).
Chú ý : Để kiểm tra hoạt động bình
thường của máy đo thời gian hiện số MC-
964, ta làm như sau :
●Ban đầu cả 2 ổ A, B đều để trống. Cắm
phích lấy điện từ nguồn ~ 220 V. Bật công-
tắc K, các đèn LED phát sáng.
●Đặt chuyển mạch MODE ở vị trí A.
Khi không nối cổng quang điện vào ổ A,
máy đo đếm thời gian liên tục, số kề bên trái
dấu chấm nhảy mỗi giây một số.
● Nối cổng quang điện E với ổ A. Nếu
thấy các số hiển thị trên cửa sổ thời gian lập
tức dừng đếm, thì máy đo hoạt động bình
thường. Nếu máy tiếp tục đếm không dừng,
thì phải kiểm tra cổng quang điện xem tia
hồng ngoại có bị chắn không, hoặc tia hồng
ngoại từ D1 có chiếu thẳng vào D2 không, để
chỉnh sửa lại hoặc thay thế cổng quang điện.
2. Bộ băng đệm khí (Hình 3), gồm :
● Băng đệm khí làm bằng hợp kim
nhôm, có dạng một hộp rỗng dài 1,20 m, hai
đầu bịt
bằng hai tấm nhựa cứng T1 , T2 , đầu T1 kín,
đầu T2 có ống nối thông với bơm nén khí.
Mặt trên của băng có dạng chữ V ngược,
phẳng và nhẵn, có hai dãy lỗ khoan nhỏ để
khí nén trong nó phun ra ngoài.
● Hai xe trượt X1 , X2 cũng được chế
tạo từ hợp kim nhôm, có dạng chữ V dài
khoảng 100-150 mm, khối lượng khoảng
100-200g. Có thể đeo thêm các gia trọng
chữ nhật vào hai bên thành xe để thay đổi
khối lượng của xe. Tấm chắn tia hồng ngoại
dạng chữ I hoặc chữ U được gắn trên đỉnh
xe.
● Hai cổng quang điện E, F được lắp
trên hai thanh đỡ thẳng đứng có thể dịch
chuyển dọc theo thân của băng đệm khí. Vị
trí của hai cổng quang E , F được xác định
xx
II1I2
5
Thí nghiệm Vật lí BKM-040 Institute of Engineering Physics- HUT
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
nhờ một thước milimét T gắn trên thân băng
đệm khí. Ban đầu có thể đặt hai cổng quang
E, F tại vị trí 40 cm và 80 cm trên băng này.
● Ròng rọc nhỏ, nhẹ, có chân kim,
được gắn ở đầu bên phảI của băng đêm khí.
Lực kéo xe được tạo ra bằng cách nối xe với
cốc nhỏ đựng các quả gia trọng nhỏ (1g; 2g;
5g) bằng một sợi dây mảnh vắt qua ròng rọc
này.
● Bộ ba chân vít có các vòng đệm
dùng để chỉnh thăng bằng hoặc tạo độ
nghiêng cho băng đệm khí.
● Bơm nén khí chạy điện ~220V, lưu
lượng 30 m3/h, tạo ra áp suất khoảng 650
mmH2O cung cấp khí nén cho băng đệm khí
hoạt động.
1. Lắp đặt bộ băng đệm khí
a) Lắp đặt băng đệm khí trên mặt bàn
phẳng, vững chắc. Gắn hai vòng lò xo vào
hai đầu băng để chống va đập mạnh của xe
chạy trên băng đệm khí, có thể gây hư hỏng
xe trượt hoặc các tấm chắn hai đầu băng .
b) Lắp ống dẫn khí nén nối thông băng
đệm khí với bơm nén khí. Bật điện cho máy
bơm nén khí hoạt động.
c) Đặt xe trượt có gắn tấm chắn chữ U
vào khu vực giữa băng đệm khí. Vặn hai
chân vít phía bên phải băng để chỉnh thăng
bằng, sao cho xe trượt đứng yên hoặc
không dịch chuyển ưu tiên theo một
hướng nào.
d) Sử dụng hai đồng hồ đo thời gian
đặt ở mode T để kiểm tra độ thăng bằng
ngang của băng bằng cách dùng tay đẩy nhẹ
xe cho đi qua hai cổng E,F. Nếu băng đạt
thăng bằng ngang thì trên hai đồng hồ chỉ
Δt1 = Δt2
Chú ý tránh ảnh hưởng của gió khi
thực hiện thí nghiệm trên băng đệm khí.
e) Sau khi đạt được thăng bằng ngang,
xiết chặt các êcu hoa khế để khóa hai chân
vít, kéo xe về vị trí tận cùng phải của băng
và tắt công tắc bơm nén khí.