Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông - ĐH Phạm Văn Đồng

Chia sẻ: Cuahapbia | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông này giúp cho sinh viên hiểu được vai trò của thí nghiệm vật lý trong việc hình thành các khái niệm và xây dựng các định luật vật lý, ngoài ra cũng giúp sinh viên rèn luyện kĩ năng kĩ xảo khi tiến hành thí nghiệm, giới thiệu các phương án thí nghiệm thường được sử dụng trong phổ thông, các dụng cụ thiết bị. Qua đó sinh viên có kĩ năng lựa chọn phương án, dụng cụ thí nghiệm, khắc phục những khó khăn, vận dụng linh hoạt thí nghiệm vào giảng dạy trường phổ thông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông - ĐH Phạm Văn Đồng

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH QUẢNG NGÃI TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG --------- BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG TRẦN THỊ THU THỦY 1. Quảng Ngãi, 07/2021 1
LỜI NÓI ĐẦU Để giúp sinh viên ngành Sư phạm Vật lý thuận tiện trong khi học học phần Thí nghiệm Vật lí phổ thông, tôi tiến hành biên soạn bài giảng Thí nghiệm Vật lí phổ thông. Nội dung bài giảng gồm 9 chủ đề. Trong mỗi chủ đề của bài giảng gồm nhiều bài thí nghiệm: bài thí nghiệm thực hành, thí nghiệm kiểm chứng, thí nghiệm biểu diễn. Mỗi bài thí nghiệm được bố cục theo thứ tự: mục đích thí nghiệm, cơ sở lí thuyết, các dụng cụ thí nghiệm, trình tự tiến hành thí nghiệm, hướng dẫn báo cáo làm thí nghiệm và trả lời câu hỏi. Học phần này giúp cho sinh viên hiểu được vai trò của thí nghiệm vật lý trong việc hình thành các khái niệm và xây dựng các định luật vật lý, ngoài ra cũng giúp sinh viên rèn luyện kĩ năng kĩ xảo khi tiến hành thí nghiệm, giới thiệu các phương án thí nghiệm thường được sử dụng trong phổ thông, các dụng cụ thiết bị. Qua đó sinh viên có kĩ năng lựa chọn phương án, dụng cụ thí nghiệm, khắc phục những khó khăn, vận dụng linh hoạt thí nghiệm vào giảng dạy trường phổ thông. Mặc dù người biên soạn đã rất cố gắng để bài giảng được hoàn chỉnh, đáp ứng tốt cho việc dạy và học, nhưng chắc chắn không tránh khỏi các khiếm khuyết. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để bài giảng được hoàn chỉnh hơn. Quảng Ngãi, tháng 07 – 2021 Người biên soạn 2
MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU: SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ .............. 6 I. MỤC ĐÍCH ................................................... 6 II – PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ . HỆ ĐƠN VỊ SI .................. 6 1. Phép đo các đại lượng vật lí ....................................... 6 2. Hệ đơn vị đo ................................................. 7 III – SAI SỐ PHÉP ĐO ............................................. 7 1. Sai số hệ thống ............................................... 7 2. Sai số ngẫu nhiên ............................................. 7 3. Giá trị trung bình .............................................. 8 4. Cách xác định sai số của phép đo ..................................... 8 5. Cách viết kết quả đo ............................................ 9 6. Sai số tỉ đối ................................................. 9 7. Cách xác định sai số phép đo gián tiếp ................................ 9 CHỦ ĐỀ 1 ...................................................... 14 BÀI 1: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN MÁNG NGANG ............................................................. 14 CHỦ ĐỀ 1 ...................................................... 17 BÀI 2: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG BIẾN ĐỔI ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN MÁNG NGHIÊNG ...................................................... 17 CHỦ ĐỀ 1 ...................................................... 20 BÀI 3: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT TRÊN MẶT PHẲN NGHIÊNG XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT .................................................. 20 V. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ........................................ 23 VII. NHỮNG PHƯƠNG ÁN PHÁT TRIỂN TÍNH NĂNG CỦA THIẾT BỊ. ...... 23 CHỦ ĐỀ 1 ...................................................... 24 BÀI 4: KHẢO SÁT LỰC ĐÀN HỒI, NGHIỆM LẠI ĐỊNH LUẬT HÚC ............. 24 CHỦ ĐỀ 1 ...................................................... 26 BÀI 5: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG NÉM NGANG, NÉM XIÊN ................ 26 CHỦ ĐỀ 2 ...................................................... 30 BÀI 1: NGHIỆM QUY TẮC TỔNG HỢP HAI LỰC SONG SONG .............. 30 CHỦ ĐỀ 2 ...................................................... 34 BÀI 2: NGHIỆM QUY TẮC TỔNG HỢP HAI LỰC ĐỒNG QUY .............. 34 3
CHỦ ĐỀ 2 ...................................................... 38 BÀI 3: KHẢO SÁT CÂN BẰNG CỦA VẬT RẮN CÓ TRỤC QUAY QUY TẮC MÔ MEN LỰC .......................................................... 38 CHỦ ĐỀ 2 ...................................................... 43 BÀI 4: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG RƠI TỰ DO. XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO .. 43 CHỦ ĐỀ 3 ...................................................... 52 BÀI 1: XÁC ĐỊNH MÔ-MEN QUÁN TÍNH CỦA VẬT RẮN THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG XOẮN. NGHIỆM ĐỊNH LÝ STEINER ............................. 52 CHỦ ĐỀ 3 ...................................................... 61 BÀI 2: KHẢO SÁT SÓNG DỪNG TRÊN SỢI DÂY. XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN SÓNG TRÊN SỢI DÂY .................................................. 61 CHỦ ĐỀ 4 ...................................................... 71 BÀI 1: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG ........... 71 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CĂNG BỀ MẶT .................................... 71 CHỦ ĐỀ 4 ...................................................... 80 BÀI 2: NGHIỆM ĐỊNH LUẬT BOILO MARIOT - SACLƠ ĐỐI VỚI CHẤT KHÍ ..... 80 CHỦ ĐỀ 5 ...................................................... 83 BÀI 1: KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT. XÁC ĐỊNH NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA VẬT RẮN .................................................. 83 CHỦ ĐỀ 5 ...................................................... 93 BÀI 2: ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG............. 93 XÁC ĐỊNH ĐƯƠNG LƯỢNG CÔNG – NHIỆT............................. 93 CHỦ ĐỀ 6 ..................................................... 100 BÀI 1: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG DÃN NỞ NHIỆT. ĐO HỆ SỐ NỞ DÀI CỦA CÁC VẬT RẮN ......................................................... 100 CHỦ ĐỀ 6 ..................................................... 105 BÀI 2: XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY VÀ NHIỆT HÓA HƠI CỦA NƯỚC ....... 105 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA NƯỚC. ...................... 115 XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY VÀ NHIỆT NGƯNG TỤ ................... 115 CHỦ ĐỀ 7: ĐO THÀNH PHẦN NGANG CỦA TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT .......... 117 CHỦ ĐỀ 8: KHẢO SÁT TƯƠNG TÁC TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN ................. 128 NGHIỆM ĐỊNH LUẬT AMPE VỀ LỰC TỪ.............................. 128 CHỦ ĐỀ 9: XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KINH HỘI TỤ ................. 137 VÀ THẤU KÍNH PHÂN KỲ ........................................ 137 4
5
PHẦN MỞ ĐẦU: SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ I. MỤC ĐÍCH 1. Phát biểu được định nghĩa về phép đo các đại lượng vật lí. Phân biệt phép đo trực tiếp và phép đo gián tiếp. 2. Nắm được những khái niệm cơ bản về sai số của phép đo các đại lượng vật lí và cách xác định sai số của phép đo: a) Phát biểu được thế nào là sai số của phép đo các đại lượng vật lí. b) Phân biệt được hai loại sai số: sai số ngẫu nhiên, sai số hệ thống. c) Biết cách xác định sai số dụng cụ, sai số ngẫu nhiên. d) Tính được sai số của phép đo trực tiếp. e) Tính được sai số phép đo gián tiếp. f) Biết cách viết đúng kết quả phép đo, với số các chữ số có nghĩa cần thiết. II – PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ. HỆ ĐƠN VỊ SI Khi nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên, trong Vật lí học người ta thường dùng phương pháp thực nghiệm: tiến hành các phép đo các đại lượng vật lí đặc trưng cho hiện tượng, xác định mối liên hệ giữa chúng, từ đó rút ra quy luật vật lí. Để thực hiện các phép đo, ta phải có các dụng cụ đo. Tuy nhiên trong thực tế, hầu như không một dụng cụ đo nào, không một phép đo nào có thể cho ta giá trị thực của đại lượng cần đo. Các kết quả thu được chỉ là gần đúng. Vì sao vậy? Điều này có mâu thuẫn hay không với quan niệm cho rằng Vật lí là một môn khoa học chính xác? Để trả lời câu hỏi này, trước hết ta cần làm rõ khái niệm: phép đo các đại lượng vật lí là gì? vì sao có sự sai lệch giữa giá trị thực của đại lượng cần đo và kết quả đo? Từ đó xác định kết quả và đánh giá được độ chính xác của phép đo. 1. Phép đo các đại lượng vật lí Ta dùng một cái cân để đo khối lượng một vật. Cái cân là một dụng cụ đo, và phép đo khối lượng của vật thực chất là phép so sánh khối lượng của nó với khối lượng của các quả cân, là những mẫu vật được quy ước có khối lượng bằng một đơn vị (1 gam, 1 kilôgam...) hoặc bằng bội số nguyên lần đơn vị khối lượng. Vậy: Phép đo một đại lượng vật lí là phép so sánh nó với đại lượng cùng loại được quy ước làm đơn vị. Công cụ để thực hiện việc so sánh nói trên gọi là dụng cụ đo, phép so sánh trực tiếp thông qua dụng cụ đo gọi là phép đo trực tiếp. 6
Nhiều đại lượng vật lí có thể đo trực tiếp như chiều dài, khối lượng, thời gian,... trong khi những đại lượng vật lí khác như gia tốc, khối lượng riêng, thể tích,... không có sẵn dụng cụ đo để đo trực tiếp, nhưng có thể xác định thông qua một công thức liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp. Ví dụ, gia tốc rơi tự do g có thể xác định theo công thức g 2s = , thông qua hai phép đo trực tiếp là phép đo độ dài quãng đường s và thời gian rơi t. t2 Phép đo như thế gọi là phép đo gián tiếp. 2. Hệ đơn vị đo Một hệ thống các đơn vị đo các đại lượng vật lí đã được quy định thống nhất áp dụng tại nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam, gọi là hệ SI. Hệ SI quy định 7 đơn vị cơ bản, đó là:  Đơn vị độ dài: mét (m)  Đơn vị thời gian: giây (s)  Đơn vị khối lượng: kilôgam (kg)  Đơn vị nhiệt độ: kenvin (K)  Đơn vị cường độ dòng điện: ampe (A)  Đơn vị cường độ sáng: canđela (Cd)  Đơn vị lượng chất: mol (mol). Ngoài 7 đơn vị cơ bản, các đơn vị khác là những đơn vị dẫn xuất, được suy ra từ các đơn vị cơ bản theo một công thức, ví dụ: đơn vị lực F là niutơn (N), được định nghĩa: 1 N = 1 kg.m/s2. III – SAI SỐ PHÉP ĐO 1. Sai số hệ thống Giả sử một vật có độ dài thực là l = 32,7 mm. Dùng một thước có độ chia nhỏ nhất 1 mm để đo l, ta chỉ có thể xác định được l có giá trị nằm trong khoảng giữa 32 và 33 mm, còn phần lẻ không thể đọc trên thước đo. Sự sai lệch này, do chính đặc điểm cấu tạo của dụng cụ đo gây ra, gọi là sai số dụng cụ. Sai số dụng cụ là không thể tránh khỏi, thậm chí nó còn tăng lên khi điểm 0 ban đầu bị lệch đi, mà ta sơ suất trước khi đo không hiệu chỉnh lại. Kết quả là giá trị đại lượng đo thu được luôn lớn hơn, hoặc nhỏ hơn giá trị thực. Sai lệch do những nguyên nhân trên gây ra gọi là sai số hệ thống. 2. Sai số ngẫu nhiên Lặp lại phép đo thời gian rơi tự do của cùng một vật giữa hai điểm A, B, ta nhận 7
được các giá trị khác nhau. Sự sai lệch này không có nguyên nhân rõ ràng, có thể do hạn chế về khả năng giác quan của con người dẫn đến thao tác đo không chuẩn, hoặc do điều kiện làm thí nghiệm không ổn định, chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên bên ngoài ... Sai số gây ra trong trường hợp này gọi là sai số ngẫu nhiên. 3. Giá trị trung bình Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả phép đo trở nên kém tin cậy. Để khắc phục người ta lặp lại phép đo nhiều lần. Khi đo n lần cùng một đại lượng A, ta nhận được các giá trị khác nhau : A1, A2, …An. Giá trị trung bình của chúng: A 1 + A 2 + ...+ A n A= (1) n sẽ là giá trị gần đúng nhất với giá trị thực của đại lượng A. 4. Cách xác định sai số của phép đo a) Trị tuyệt đối của hiệu số giữa trị trung bình và giá trị của mỗi lần đo gọi là sai số tuyệt đối ứng với lần đo đó: A 1 = A  A 1 ; A 2 = A  A 2 ; A 3 = A  A 3 ; … (2) Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo được tính theo công thức: A 1 + A 2 +...+ A n A = ( 3) n Giá trị A xác định theo (3) là sai số ngẫu nhiên. Như vậy, để xác định sai số ngẫu nhiên ta phải đo nhiều lần. Trong trường hợp không cho phép thực hiện phép đo nhiều lần (n < 5), người ta không tính sai số ngẫu nhiên bằng cách lấy trung bình theo công thức (3), mà chọn giá trị cực đại A max , trong số các giá trị sai số tuyệt đối thu được từ (2). b) Sai số tuyệt đối của phép đo là tổng sai số ngẫu nhiên và sai số dụng cụ: , A = A + A (4) Trong đó A’ là sai số hệ thống gây bởi dụng cụ, thông thường có thể lấy bằng nửa hoặc một độ chia nhỏ nhất trên dụng cụ. Trong một số dụng cụ đo có cấu tạo phức tạp, ví dụ đồng hồ đo điện đa năng hiện số, sai số dụng cụ được tính theo một công thức do nhà sản xuất quy định. Chú ý: – Sai số hệ thống do lệch điểm 0 ban đầu là loại sai số cần phải loại trừ, bằng cách chú ý hiệu chỉnh chính xác điểm 0 ban đầu của dụng cụ đo trước khi tiến hành đo. 8
– Sai sót: Trong khi đo, còn có thể mắc phải sai sót. Do lỗi sai sót, kết quả nhận được khác xa giá trị thực. Trong trường hợp nghi ngờ có sai sót, cần phải đo lại và loại bỏ giá trị sai sót. 5. Cách viết kết quả đo Kết quả đo đại lượng A không cho dưới dạng một con số, mà cho dưới dạng một khoảng giá trị trong đó chắc chắn có chứa giá ( A –  A) < A < ( A +  A ) , hay là: A  A  A (5) Chú ý: Sai số tuyệt đối của phép đo A thu được từ phép tính sai số thường chỉ được viết đến một hoặc tối đa là hai chữ số có nghĩa, còn giá trị trung bình A được viết đến bậc thập phân tương ứng. Các chữ số có nghĩa là tất cả các chữ số có trong con số, tính từ trái sang phải, kể từ chữ số khác 0 đầu tiên. Ví dụ: Phép đo độ dài s cho giá trị trung bình s = 1,368 32 m, với sai số phép đo tính được là s = 0,003 1 m, thì kết quả đo được viết, với s lấy một chữ số có nghĩa, như sau: s = (1,368  0,003) m 6. Sai số tỉ đối Sai số tỉ đối A của phép đo là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị trung bình của đại lượng đo, tính bằng phần trăm: A A = .100% A Sai số tỉ đối càng nhỏ thì phép đo càng chính xác. Ví dụ: Phép đo khối lượng một vật cho kết quả m  m  m  1000 5 (mg) thì sai số tương đối của phép đo khối lượng này sẽ là m 5  .100%  .100%  0,5% m 1000 7. Cách xác định sai số phép đo gián tiếp Để xác định sai số của phép đo gián tiếp, ta có thể vận dụng quy tắc sau đây: a) Sai số tuyệt đối của một tổng hay hiệu thì bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số hạng. b) Sai số tỉ đối của một tích hay thương thì bằng tổng các sai số tỉ đối của các thừa số. Ví dụ: Giả sử F là đại lượng đo gián tiếp, còn X, Y, Z là những đại lượng đo trực 9
tiếp. – Nếu: F = X + Y– Z , thì  F =  X +  Y+  Z XY – Nếu: F = , thì  F =  X +  Y+  Z Z c) Nếu trong công thức vật lí xác định đại lượng đo gián tiếp có chứa các hằng số (ví dụ:  , e,…) thì hằng số phải được lấy gần đúng đến số lẻ thập phân sao cho sai số tỉ đối do phép lấy gần đúng gây ra có thể bỏ qua, nghĩa là nó phải nhỏ hơn 1/10 tổng các sai số tỉ đối có mặt trong cùng công thức tính. Ví dụ: Xác định diện tích vòng tròn thông qua phép đo trực tiếp đường kính d của nó. Biết d = 50,6  0,1 mm. d 2 Ta có S = , do đó sai số tỉ đối của phép đo S: 4 S 2d      0,4%  S d    Trong trường hợp này, phải lấy  = 3,142 để cho < 0,04%.  Nếu công thức xác định đại lượng đo gián tiếp tương đối phức tạp, các dụng cụ đo trực tiếp có độ chính xác tương đối cao, sai số phép đo chủ yếu gây bởi các yếu tố ngẫu nhiên, thì người ta thường bỏ qua sai số dụng cụ. Đại lượng đo gián tiếp được tính cho mỗi lần đo, sau đo lấy trung bình và tính sai số ngẫu nhiên trung bình như trong các công thức (1), (2), (3). TÓM TẮT  Phép đo một đại lượng vật lí là phép so sánh nó với đại lượng cùng loại được quy ước làm đơn vị. Phép so sánh trực tiếp thông qua dụng cụ đo gọi là phép đo trực tiếp. Phép xác định một đại lượng vật lí qua một công thức liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp, gọi là phép đo gián tiếp.  Giá trị trung bình khi đo nhiều lần một đại lượng A: A 1 + A 2 + ...+ A n A= , là giá trị gần nhất với giá trị thực của đại lượng A. n  Sai số tuyệt đối ứng với mỗi lần đo: A 1 = A  A 1 ; A 2 = A  A 2 ; A 3 = A  A 3 … Sai số ngẫu nhiên là sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo: 10
A 1 + A 2 +...+ A n A = n Sai số dụng cụ A' có thể lấy bằng nửa hoặc một độ chia nhỏ nhất trên dụng cụ.  Kết quả đo đại lượng A được cho dưới dạng: A  A  A , trong đó A là tổng sai số , ngẫu nhiên và sai số dụng cụ: A  A  A , được lấy tối đa đến hai chữ số có nghĩa, còn A được viết đến bậc thập phân tương ứng.  Sai số tỉ đối A của phép đo là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị trung bình của A đại lượng đo, tính bằng phần trăm: A = . 100%. A  Sai số của phép đo gián tiếp, được xác định theo các quy tắc: Sai số tuyệt đối của một tổng hay hiệu, thì bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số hạng. Sai số tỉ đối của một tích hay thương, thì bằng tổng các sai số tỉ đối của các thừa số. BÀI TẬP 1. Bài tập mẫu Dùng thước kẹp có ĐCNN 0,1 mm để đo 5 lần đường kính d và chiều cao h của một trụ thép, cho kết quả như trong bảng sau: Lần D H đo (mm) (mm) 1 30 19,9 2 30,1 19,8 3 30 20,0 4 30,1 19,7 5 30.1 19,9 Hãy cho biết kết quả phép đo d, h và tính thể tích của trụ thép. Giải Phép đo d, h là phép đo trực tiếp, giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên tính trong bảng sau: Lần d d h h đo (mm) (mm) 11
1 30,0 0,06 19,9 0,04 2 30,1 0,04 19,8 0,06 3 30,0 0,06 20,0 0,14 4 30,1 0,04 19,7 0,16 5 30,1 0,06 19,9 0,04 TB 30,06 0,05 19,86 0,09 Sai số dụng cụ bằng 0,1 mm. Vậy: Sai số phép đo đường kính trụ là: d = 0,05 + 0,1 = 0,15 mm Sai số phép đo chiều cao trụ là: h = 0,09 + 0,1 = 0,19 mm. Kết quả: d = 30,06  0,15 (mm). h = 19,86  0,19 (mm). Thể tích trung bình của trụ: d h 3,142.30,062.19,86 V   14 100 (mm3). 4 4 Sai số tỉ đối: V d h  0,15 0,19  2.   2   0,02  2% Sai số tuyệt đối: V d h  30,06 19,86 V  VV  14 100.0,02  282 (mm3 ) V = (1 410  28 ).10 (mm3) 2. Bài tập vận dụng Dùng một đồng hồ đo thời gian có ĐCNN 0,001 s để đo n lần thời gian rơi tự do không vận tốc đầu của một vật, bắt đầu từ điểm A (vA = 0) đến điểm B, kết quả cho trong bảng dưới đây: n t  ti  t’ 1 0,399 2 0,408 3 0,406 4 0,405 5 0,402 TB 12
a) Hãy tính thời gian rơi trung bình, sai số ngẫu nhiên, sai số dụng cụ, và sai số phép đo thời gian. Phép đo này là trực tiếp hay gián tiếp? Nếu chỉ đo 3 lần (n=1, 2, 3) thì kết quả đo bằng bao nhiêu? b) Dùng một thước mm đo 5 lần khoảng cách s giữa hai điểm A, B đều cho một giá trị như nhau bằng 798 mm. Tính sai số phép đo này và viết kết quả đo. 2s 2s c) Cho công thức tính vận tốc tại B: v = và gia tốc rơi tự do g = 2 . Dựa vào các t t kết quả đo ở trên và các quy tắc tính sai số đại lượng đo gián tiếp đã học, hãy tính v, g,  v,  g và viết các kết quả cuối cùng? 13
CHỦ ĐỀ 1_BÀI 1: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN MÁNG NGANG I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Quan sát chuyển động thẳng đều của viên bi trên mặt phẳng ngang. 2. Xác định vận tốc viên bi. II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Mặt phẳng ngang P có máng lăn, gắn thước 1000mm. 2. Thước đo góc G có quả dọi 3. Giá đỡ ba chân hình sao có 3 chân vít điều chỉnh thăng bằng. 4. Một trụ thép 10, một trụ thép 8 và một khớp chữ thập đa năng. 5. Bi thép. 6. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964. 7. Hai cổng quang điện E, F. 8. Chân chống C có vít điều chỉnh. 9. Nam châm điện N 10. Hộp công tắc nút nhấn kép để giữ và thả viên bi. III. LẮP RÁP THÍ NGHIỆM 1. Đặt máng ngang lên giá đỡ, phối hợp điều chỉnh các chân vít và dịch chuyển khớp nối đa năng đến vị trí thích hợp để mặt phẳng P nằm ngang. Khi đó, dây rọi song song với mặt phẳng thước đo góc và chỉ số 0. 2. Nam châm điện N giữ và thả bi được đặt cố định tại đỉnh của phần máng nghiêng (Hình 1), nối với ổ C của đồng hồ đo thời gian qua hộp công tắc kép kiểu nút nhấn. 3. Đặt hai cổng quang điện E, F cách nhau một đoạn s (ban đầu chọn s khoảng 30cm) và nối chúng với hai cổng A, B của đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964. 14
IV - TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM A- Phương án 1 : Đo vận tốc tức thời ở các vị trí khác nhau trên quỹ đạo : Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đặt làm việc ở MODE A+B , thang đo 9,999s. 1. Nhấn nút RESET để số chỉ trên đồng hồ trở về 0.000. 2. Nhấn công-tắc ngắt điện vào nam châm điện để thả cho viên bi lăn xuống từ đỉnh H, chuyển động qua hai cổng quang điện E. F. Khi viên bi đi qua cổng E, đồng hồ chỉ t1 là khoảng thời gian cổng E bị viên bi chắn tia hồng ngoại. Tiếp tục chuyển động, viên bi đi qua cổng F trong khoảng thời gian t 2 , đồng hồ chỉ thời gian t  t1  t 2 . Nếu t1  t 2 thì chuyển động của viên bi trên máng ngang là thẳng đều. Quan sát và ghi các khoảng thời gian t1 và t tương ứng hiển thị trên đồng hồ vào bảng 1. Gọi d là đường kính viên bi, vận tốc tức thời của viên bi tại vị trí đặt hai cổng quang điện E, F được tính bằng: d d vE  , vF  t 1 t 2 Lần t1 t t 2 v1 v2 đo 1 2 3 Nhận xét: Trên mặt phẳng ngang, vận tốc tức thời của viên bi tại các cổng quang điện E, F đặt ở những vị trí khác nhau trên quĩ đạo có giá trị ..................................... Vậy chuyển động của viên bi trên máng ngang là chuyển động ...................... B- Phương án 2: Đo vận tốc trung bình của viên bi trên các quãng đường khác nhau: Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đặt làm việc ở MODE AB , thang đo 9,999s. 1. Hai cổng quang điện đặt cách nhau một khoảng s = 30cm. 2. Nhấn nút RESET để số chỉ trên đồng hồ trở về 0.000. 3. Nhấn công-tắc ngắt điện cho nam châm điện để thả viên bi lăn xuống, chuyển động qua hai cổng quang điện E. F. Khi viên bi đi vào cổng E, đồng hồ đo thời gian bắt đầu đếm. Khi viên bi đi đến cổng F, đồng hồ dừng đếm. Khoảng thời gian t viên bi đi qua quãng đường giữa hai cổng quang điện được hiển thị trên đồng hồ. 15
4. Quan sát và ghi thời gian t vào bảng 1. 5. Giữ nguyên vị trí cổng E. Dịch cổng F xa dần cổng E, mỗi lần thêm 5 cm. Với mỗi giá trị của s, lặp lại các động tác 1, 2, 3 để đo thời gian t tương ứng và ghi kết quả vào bảng 1. V. Phân tích kết quả thí nghiệm 1. Lập thương số s/t ứng mỗi trường hợp để xem trung bình mỗi giây viên bi đi được bao nhiêu centimét. Ghi kết quả vào bảng 1. TT s (cm) t (s) v = s/t 1 30 2 35 3 40 4 45 5 50 2. Đại lượng v = s/t gọi là vận tốc trung bình của viên bi trên quãng đường s. 3. Biểu diễn trên đồ thị "quãng đường-thời gian” s =s (t) và “vận tốc trung bình–thời gian “ v = v(t). 4. Cho nhận xét và kết luận rút ra từ kết quả tính v trong bảng 1 và dạng đồ thị s, v thu được. 16
CHỦ ĐỀ 1 BÀI 2: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG BIẾN ĐỔI ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN MÁNG NGHIÊNG I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Quan sát chuyển động của viên bi trên máng nghiêng để thấy tính chất chuyển động thẳng biến đổi đều (nhanh dần đều hoặc chậm dần đều) của nó. 2. Nghiên cứu sự thay đổi vận tốc v theo thời gian t, mối quan hệ đường đi-thời gian. Vẽ đồ thị s phụ thuộc t2, để từ đó nêu nhận xét và kết luận về tính chất chuyển động. Xác định vận tốc tức thời và gia tốc của viên bi. II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Máng nghiêng P có gắn thước 1000mm. 2. Thước đo góc G có quả dọi. 3. Gía đỡ ba chân hình sao có 3 chân vít điều chỉnh thăng bằng. 4. Một trụ thép 10, một trụ thép 8 và một khớp chữ thập đa năng. 5. Bi thép. 6. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964. 7. Hai cổng quang điện E, F. 8. Chân chống C có vít điều chỉnh. 9. Khớp nối đa năng để thay đổi độ cao điểm kê. 10. Nam châm điện N, hộp công-tắc nút nhấn kép để giữ và thả bi. III LẮP RÁP THÍ NGHIỆM Đặt máng nghiêng lên giá đỡ, phối hợp điều chỉnh các chân vít và dịch chuyển khớp nối đa năng đến vị trí thích hợp để mặt phẳng P nằm nghiêng, sao cho dây rọi song song với mặt phẳng thước đo góc và chỉ số khoảng 5-100. 1. Nam châm điện N để giữ và thả bi được đặt cố định tại một vị trí trên mặt phẳng 17
nghiêng, nối qua hộp công-tắc đến ổ C của đồng hồ đo thời gian… 2. Đặt cổng quang điện F cách E một đoạn s (ban đầu chọn s = 10 cm) và nối chúng với hai ổ A, B của đồng hồ đo thời gian . 3. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đặt làm việc ở MODE A  B , thang đo 9,999s. Khi viên bi lăn tới cổng E , đồng hồ bắt đầu đếm, đến cổng F đồng hồ dừng đếm. Khoảng thời gian chuyển động t của viên bi giữa hai cổng E, F hiện thị trên đổng hồ. 4. Để đo vận tốc tức thời của viên bi khi nó đi qua cổng F, ta chỉ việc vặn chuyển mạch MODE của đồng hồ đo thời gian MC-963 về vị trí B (cổng F nối với ổ B). Khi đó đồng hồ sẽ chỉ khoảng thời gian t, là khoảng thời gian viên bi chắn tia hồng ngoại khi nó đi qua cổng F. Biết đường kính viên bi (d = 2.1cm ), ta tính được vận tốc tức thời: v = d / t = 2,1 / t (cm/s). IV - TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Khảo sát chuyển động nhanh dần đều: Chuyển mạch MODE ở vị trí A  B 1. Nhấn nút RESET để số chỉ trên đồng hồ trở về 0.000. 2. Đặt khoảng cách ban đầu giữa viên bi và cổng E bằng s0 = 5cm, cổng E cách cổng F bằng s1 = 15 cm. 3. Nhấn công-tắc ngắt điện cho nam châm để thả cho viên bi lăn qua hai cổng E, F. Ghi các giá trị s, t vào bảng 1. 4. Dịch chuyển cổng E đến vị trí đặt cổng F và dịch cổng F đến vị trí cách E một khoảng 25 cm. Lặp lại bước 3. Ghi tiếp các giá trị của s, t vào bảng 1. 5. Dịch chuyển cổng E đến vị trí đặt cổng F và đặt cổng F đến vị trí cách E một khoảng 35 cm. Lặp lại bước 3. Ghi tiếp các giá trị của s, t vào bảng 1. V. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Bảng 1 S(cm) t Sj - Si S0=5cm 10 20 30 18
NHẬN XÉT ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...................... KẾT LUẬN : …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ……………… Ghi chú: Có nhiều phương án khảo sát chuyển động nhanh dấn đều của viên bi trên mặt phẳng nghiêng. Ví dụ: - Khảo sát sự phụ thuộc s = s (t2 ), sử dụng MODE A B của đồng hồ đo thời gian, cổng quang điện E nối với ổ B, nam châm điện nối qua công-tắc kép đến ổ A, với các giá trị s = 5cm, 20cm, 45 cm, 80cm. - Khảo sát sự phụ thuộc s = s (t2 ), sử dụng MODE A B của đồng hồ đo thời gian, cổng quang điện E nối với ổ B, nam châm điện nối qua công-tắc kép đến ổ A, với các giá trị của s như trong bảng 2. Vẽ đồ thị s = s (t2), v= v(t). Rút ra nhận xét, kết luận. Bảng 2 s (cm) t (s) t2 a = 2s/t2 v = 2s/t Đồ thị s = s (t2), v = v(t) 19
CHỦ ĐỀ 1 BÀI 3: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT TRÊN MẶT PHẲN NGHIÊNG XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Vận dụng phương pháp động lực học để khảo sát tác dụng của lực ma sát đối với vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng. Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại, hệ số ma sát trượt, so sánh các giá trị thu được từ thực nghiệm. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Phương pháp động lực học a. Cho một vật nằm trên mặt phẳng nghiêng P, với góc nghiêng  so với mặt nằm ngang. Khi  nhỏ , vật vẫn nằm yên trên P, không chuyển động. Tăng dần độ nghiêng, khi  đạt giá trị 0 nào đó vật bắt đầu chuyển động trượt xuống với gia tốc a nào đó . Đại lượng: 0 = tan 0 (1) có giá trị bằng hệ số ma sát nghỉ cực đại. b. Khi   0 , vật trượt nhanh dần đều với gia tốc a, độ lớn của a chỉ phụ thuộc góc nghiêng  và hệ số  - gọi là hệ số ma sát trượt: a = g.(sin  -  .cos  ) (2) Thực nghiệm cho thấy, trong hầu hết các trường hợp m  0. Bằng cách đo  và a, ta xác định được hệ số ma sát trượt  : 20