§6. THựC HÀNH: KHẢO SÁT THựC NGHIỆM CÁC DỊNH LUẬT DAO ĐỘNG CỎA CON lẮCOON A. Cơ SỞ Lí THUYẾT 1. Con lắc đơn gồm một quả cầu nhỏ treo vào một sợi dây không dãn có khôi lượng không đáng kể và chiều dài 1 rất lớn so với kích thước quả cầu. Chiều dài của con lắc được xác định bằng cách đo khoảng cách từ điểm treo cố định đến trọng tâm của quả nặng. Để phát hiện sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào biên độ dao động, ta xác định các chu kì dao động của cùng một con lắc với chiều dài 1 không đổi, nhưng có biên độ a thay đổi. đo thời gian dao động có biên độ a khác nhau. Để phát hiện sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào chiều dài 1 của con lắc đơn. Ta xác định các chu kì dao động của cùng một con lắc với khôi lượng m không đổi, có chiều dài chọn trước khác nhau. Sau đó dùng phép vẽ đồ thị để tìm mốì quan hệ hàm số giữa T và 1. Để xác định chu kì T với sai số AT = 0,02s khi dùng đồng hồ có kim giây. Ta cần đo thời gian t của n dao động toàn phần. Trong quá trình đo t của đồng hồ kim giây có sai sô' là 0,2s bao gồm sai sô' chủ quan khi bấm và sai sô' dụng cụ nên At = nAT = 0,2 + 0,02 = 0,22s, do đó cần đo sô' dao động toàn phần n > 11 dao động. B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Dự đoán xem chu kỉ dao động T của một con lắc dơn phụ thuộc vào những dại lượng đặc trưng l, m, a cùa nó như thế nào? Làm cách nào để kiểm tra từng dự đoán đó bằng thí nghiệm? Chu ki dao động của con lắc đơn có phụ thuộc vào nai làm thí nghiệm hay không ? Làm cách nào dể phát hiện điều dó bằng thí nghiệm? Có thể đo chu ki con lắc đơn có chiều dài l < lOcm hay không? Vì sao? Dùng con lắc dài hay ngắn sè cho kết quả chinh xác hơn khi xác định gia tóc rơi tự do g tại nơi làm thí nghiệm? Hướng dẫn trả lời Dự đoán chu kì T của con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng đặc trưng chiều dài 1, khôi lượng vật nặng m, biên độ góc cc0. Để kiểm tra từng dự đoán đó, ta cần tiến hành thí nghiệm thay đổi một đại lượng và giữ không đổi hai đại lượng còn lại. Dự đoán chu kì dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào nơi làm thí nghiệm, để kiểm chứng dự đoán đó, ta cần tiến hành thí nghiệm với con lắc có chiều dài không đổi tại những nơi khác nhau. Không thể đo chu kì con lắc đơn có chiều dài nhỏ hơn 10cm vì khi đó kích thước của quả nặng là đáng kể so với chiều dài dây, do đó khó tạo ra dao động với biên độ nhỏ dẫn đến khó đo chu kì T. Dùng con lắc dài để xác định gia tô'c trọng trường g cho kết quả chính xác hơn khi dùng con lắc ngắn vì sai sô' tỉ đối — = + y có giá trị nhỏ.
Khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn Quảng cáo I. MỤC ĐÍCH THỰC HÀNH + Phát hiện ảnh hưởng của biên độ, khối lượng, chiều dài con lắc đơn đối với chu kỳ dao động T. + Từ đó tìm ra công thức  II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Trả lời các câu hỏi SGK 1. Con lắc đơn có cấu tạo gồm 1 vật nhỏ có khối lượng m được treo ở đầu của một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, dài l. Chiều dài 1 rất lớn so với kích thước quả cầu. Chiều dài của con lắc được xác định bằng cách đo khoảng cách từ điểm treo cố định đến trọng tâm của quả nặng. Chiều dài l của con lắc đơn được đo bằng thước đo của giá thí nghiệm dùng treo con lắc đơn có cơ cấu điều chỉnh chiều dài con lắc đơn. Quảng cáo 2. Để phát hiện sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào biên độ dao động, ta xác định các chu kì dao động của cùng một con lắc với chiều dài 1 không đổi, nhưng có biên độ A thay đổi. Đo thời gian dao động có biên độ A khác nhau. 3. Để phát hiện sự phụ thuộc chu kỳ dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào chiều dài con lắc đơn ta khảo sát chu kỳ dao động T của con lắc đơn với chiều dài tăng dần, có 3 trường hợp có thể xảy ra: + l tăng thì T giảm + l tăng thì T không đổi hay l không phụ thuộcT + l tăng thì T tăng 4. Để xác định chu kì T với sai số ΔT = 0,02s khi dùng đồng hồ có kim giây. Ta cần đo thời gian t của N dao động toàn phần. Trong quá trình đo t của đồng hồ kim giây có sai số là 0,2s bao gồm sai số chủ quan khi bấm và sai số dụng cụ nên Δt = n.ΔT = 0,2 + 0,02 = 0,22s, do đó cần đo số dao động toàn phần N > 11 dao động. III. KẾT QUẢ 1. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ dao động đối với chu kỳ T của con lắc đơn. - Chu kỳ T1 = t1/10 = 1,432s; T2 = t2/10 = 1,412s; T3 = t3/10 = 1,454s. Quảng cáo - Phát biểu định luật về chu kỳ của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ: Con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ (α > 10o) thì coi là dao động điều hòa, chu kỳ của con lắc khi đó không phụ thuộc vào biên độ dao động. 2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng của con lắc m đối với chu kỳ dao động T. + Con lắc khối lượng mA có chu kỳ TA = 1,416 ± 0,026 + Con lắc khối lượng mB có chu kỳ TB = 1,422 ± 0,020 + Con lắc khối lượng mC có chu kỳ TC = 1,436 ± 0,028 Phát biểu định luật về khối lượng của con lắc đơn: Chu kỳ của con lắc đơn dao động nhỏ (α > 10o) không phụ thuộc vào khối lượng của con lắc. 3. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài con lắc đơn l đối với chu kỳ dao động T Căn cứ các kết quả đo và tính được theo bảng 6.3, vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của T vào l và đồ thị của T2 vào l: Nhận xét: a) Đường biểu diễn T = f(l) có dạng cong lên cho thấy rằng: Chu kỳ dao động T phụ thuộc đồng biến với độ dài con lắc đơn. Đường biểu diễn T2 = F(l) có dạng đường thẳng qua gốc tọa độ cho thấy rằng: Bình phương chu kỳ dao động T2 tỷ lệ với độ dài con lắc đơn. T2 = k.l, suy ra T = a√l - Phát biểu định luật về chiều dài của con lắc đơn: “Chu kỳ dao động của con lắc đơn với biên độ nhỏ, tại cùng một nơi, không phụ thuộc vào khối lượng và biên độ dao động của con lắc mà tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài của con lắc theo công thức: T = a√l với a = √k trong đó a là hệ số góc của đường biểu diễn T2 = F(l). b) Công thức lí thuyết về chu kỳ dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ: Đã được nghiệm đúng, với tỉ số Từ đó tính được gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm: 4. Xác định công thức về chu kỳ dao động của con lắc đơn: Từ các kết quả thực nghiệm suy ra: Chu kỳ dao động của con lắc đơn dao động điều hòa với biên độ nhỏ không phụ thuộc vào khối lượng và biên độ dao động của con lắc mà tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài l của con lắc đơn và tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của gia tốc rơi tự do tại nơi làm thí nghiệm, hệ số tỉ lệ bằng Vậy Các bài giải bài tập Vật lý 12 bài 6 khác :
bai-6-thuc-hanh-khao-sat-thuc-nghiem-cac-dinh-luat-dao-dong-cua-con-lac-don.jsp Trong bài báo cáo thực hành vật lý 12 về con lắc đơn này, chúng ta sẽ dự đoán chu kì dao động T của một con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng biên độ, khối lượng chiều dài của nó như nào? Chúng ta sẽ phải làm như nào để kiểm tra các dự đoán đó bằng thí nghiệm? Đáp án báo cáo thực hành: khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn sẽ có ngay sau đây. Khảo sát thực nghiệm để tìm ra ảnh hướng của biên độ khối lượng, chiều dài con lắc đơn đối với chu kì dao động. Từ đó tìm ra công thức tính chu kì dao động và ứng dụng tính gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm. Ba quả nặng có móc treo 50g; một sợi dây mảnh dài 1m; một giá thí nghiệm dùng treo con lắc đơn, có cơ cấu điều chỉnh chiều dài con lắc đơn; một đồng hồ bấm giây (sai số không quá 0,2s) hoặc đồng hồ đo thời gian hiện số có cổng quang điện; một thước 500mm; một tờ giấy kẻ ô milimet (hoặc giấy kẻ ô vuông). Chọn quả nặng có khối lượng m=50g, mắc vào đầu tự do của sợi dây mảnh không dãn treo trên giá thí nghiệm để tạo thành con lắc đơn. Điều chỉnh chiều dài con lắc đơn (tính từ điểm treo cố định đến trọng tâm của quả nặng) đúng bằng 50 cm. Kéo quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng một khoảng A=3cm cho dây treo con lắc nghiêng đi một góc a so với phương thẳng đứng rồi thả cho nó tự do dao động. Đo thời gian t con lắc thực hiện 10 dao động toàn phần và ghi kết quả đỏ vào bảng 6.1 Thực hiện phép đo trên với các giá trị khác nhau của biên độ A (A=3,6,9,18 cm) rồi ghi tiếp các kết quả đo vào bảng 6.1 => Định luật về chu kì của con lắc đơn với dao động với biên độ nhỏ: Con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ thì coi là dao động điều hòa, chu kì dao động của con lắc đơn khi đó không phụ thuộc vào biên độ dao động. Mắc thêm các quả nặng để thay đổi khối lượng của con lắc đơn (m=50,100,150g), đồng thời điều chỉnh độ dài dây treo để giữu độ dài l của con lắc đơn không thay đổi vẫn đúng bằng 50 cm (lưu ý rằng khi thay đổi hoặc thêm bớt quả nặng thì trọng tâm của m thay đổi). Đo thời gian t con lắc thực hiện 10 dao động toàn phần với biên độ đủ nhỏ (xác định theo kết quả đo trên bảng 6.1) ứng với mỗi trường hợp, rồi ghi kết quả vào bảng 6.2 Từ bảng số liệu ta suy ra định luật về khối lượng của con lắc đơn dao động nhỏ ( góc a<100): Chu kỳ của con lắc đơn dao động nhỏ không phụ thuộc vào khối lượng của con lắc Dùng con lắc đơn có m=50g, chiều dài l1=50 cm và đo thời gian 10 dao động toàn phần để xác định chu kì T1. Ghi vào bảng 6.3 Thay con lắc đơn có chiều dài lần lượt là l2 rồi l3(chiều dài của dây dao động từ 40cm đến 60cm) để đo thời gian 10 dao động toàn phần và xác định chu kì T2 và T3. Tính bình phương các chu kì và các tỉ số: Ghi các kết đo và tính được vào bảng 6.3 Phát biểu định luật về chiều dài của con lắc đơn: Chu kì dao động của con lắc đơn với biên độ nhỏ tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài của con lắc theo công thức a) Từ các kết quả ở trên ta suy ra: Chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỉ, tại cùng một nơi, không phụ thuộc vào khối lượng và biên độ dao động của con lắc mà tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài của con lắc theo công thức: Kết quả thí nghiệm cho ta thấy a=2,032 b) Theo công thức lí thuyết về chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ: So sánh kết quả đo a cho thấy công thức (*)đã được nghiệm đúng c) Tính gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm theo giá trị a thu được từ thực nghiệm 1. Con lắc đơn được cấu tạo như thế nào? Chiều dài l của con lắc đơn được đo như thế nào? Đáp án: Con lắc đơn có cấu tạo gồm 1 vật nhỏ có khối lượng m được treo ở đầu của một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, dài l. Chiều dài 1 rất lớn so với kích thước quả cầu. Chiều dài của con lắc được xác định bằng cách đo khoảng cách từ điểm treo cố định đến trọng tâm của quả nặng. Chiều dài l của con lắc đơn được đo bằng thước đo của giá thí nghiệm dùng treo con lắc đơn có cơ cấu điều chỉnh chiều dài con lắc đơn. 2. Cần làm thế nào để phát hiện ra sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ và biên độ dao động? Đáp án: Để phát hiện sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào biên độ dao động, ta xác định các chu kì dao động của cùng một con lắc với chiều dài 1 không đổi, nhưng có biên độ A thay đổi. Đo thời gian dao động có biên độ A khác nhau. 3. Cần làm thế nào để phát hiện ra sự phụ thuộc của của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào chiều dài l của con lắc đơn? Đáp án: Để phát hiện sự phụ thuộc chu kỳ dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào chiều dài con lắc đơn ta khảo sát chu kỳ dao động T của con lắc đơn với chiều dài tăng dần, có 3 trường hợp có thể xảy ra: + l tăng thì T giảm + l tăng thì T không đổi hay l không phụ thuộcT + l tăng thì T tăng 4. Làm cách nào để xác định chu kì T với sai số khi dùng đồng hồ có kim giây? Cho biết sai số khi dùng đồng hồ này là Đáp án: Để xác định chu kì T với sai số ΔT = 0,02s khi dùng đồng hồ có kim giây. Ta cần đo thời gian t của N dao động toàn phần. Trong quá trình đo t của đồng hồ kim giây có sai số là 0,2s bao gồm sai số chủ quan khi bấm và sai số dụng cụ nên Δt = n.ΔT = 0,2 + 0,02 = 0,22s, do đó cần đo số dao động toàn phần N > 11 dao động. 1. Để kiểm tra từng dự đoán đó, ta cần tiến hành thí nghiệm thay đổi một đại lượng và giữ không đổi hai đại lượng còn lại. 2. Dự đoán chu kì dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào nơi làm thí nghiệm, để kiểm chứng dự đoán đó, ta cần tiến hành thí nghiệm với con lắc có chiều dài không đổi tại những nơi khác nhau. 3. Không thể đo chu kì con lắc đơn có chiều dài nhỏ hơn 10cm vì khi đó kích thước của quả nặng là đáng kể so với chiều dài dây, do đó khó tạo ra dao động với biên độ nhỏ dẫn đến khó đo chu kì T. 4. Dùng con lắc dài để xác định gia tốc trọng trường g cho kết quả chính xác hơn khi dùng con lắc ngắn vì sai số tỉ đối Trên đây là tất cả về đáp án báo cáo thực hành: Khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn Xem thêm: Tổng hợp kiến thức và công thức dao động điều hòa 12 |
