Khí thực hành Khảo sát chuyển động rơi tự do để Xác định gia tốc rơi tự do theo công thức

Đề bài

BÁO CÁO THỰC HÀNH:

Khảo sát chuyển động rơi tự do. Xác định gia tốc rơi tự do

Lời giải

1. Trả lời câu hỏi: Sự rơi tự do là gì ? Nếu đặc điểm của chuyển động rơi tự do và viết công thức tính gia tốc rơi tự do ?

- Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực.

- Đặc điểm:

   + Phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống.

   + Là chuyển động nhanh dần đều.

   + Tại một nơi nhất định trên Trái Đất và ở gần mặt đất, mọi vật đều rơi tự do với cùng gia tốc g.

- Công thức tính gia tốc rơi tự do: \(g=\dfrac{2s}{t}\)

Trong đó:

+ s : quãng đường đi được của vật rơi tự do (m).

+ t : thời gian vật rơi tự do (s).

2. Kết quả

Bảng 8.1 Khảo sát chuyển động rơi tự do : Đo thời gian rơi ứng với các khoảng cách s khác nhau.

Vị trí đầu của vật rơi: \(s_0 = 0 (mm)\).

Trong đó: \(\overline {{t_i}}  = \dfrac{{{t_1} + {t_2} + .. + {t_5}}}{5}\)

Vẽ đồ thị: Dựa vào kết quả trong Bảng 8.1, chọn tỉ lệ thích hợp trên các trục tung và trục hoành để vẽ đồ thị \(s = s(t^2)\).

a) Nhật xét:

Ta có: \(s = \dfrac{gt^2}{2} = s(t)\).

Như vậy s phụ thuộc vào thời gian là hàm bậc 2 ẩn t, do vậy nếu vẽ đồ thị biểu diễn s qua t thì nó có dạng một đường cong Parabol.

Nhưng bài toán hỏi dạng đồ thị của s theo ẩn \((t^2)\), do vậy chúng ta phải chú ý.

Từ \(s =\dfrac{gt^2}{2} \to s = \dfrac{g.X}{2}\) với \(X = t^2\), ở đây t là biến nên X cũng là biến.

Ta nhận thấy sự phụ thuộc của s theo ẩn X là một hàm số bậc nhất:

\(Y = A.X + B\) (với \(A = g/2, B = 0\)) nên đồ thị \(s = s(t^2) = s(X)\) có dạng là một đường thẳng.

Như vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.

b) Khi đã xác định được chuyển động rơi tự do là một chuyển động nhanh dần đều, ta có thể xác định các giá trị của g theo công thức \(g=\dfrac{2s}{t^2}\) và vận tốc của vật rơi tại cổng E theo công thức \(v=\dfrac{2s}{t}\) ứng với mỗi lần đo. Hãy tính các giá trị trên và ghi vào bảng 8.1

c) Đồ thị \(v = v(t)\) có dạng một đường thẳng, tức là vận tốc rơi tự do tăng dần theo thời gian. Vậy chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều

d)

Ta có:

\(\begin{array}{l}\overline g  = \dfrac{{{g_1} + {g_2} + {g_3} + {g_4}}}{4}\\ = \dfrac{{6,339 + 18,261 + 10,342 + 9,583}}{4} \\= 11,13m/{s^2}\end{array}\)

\(\begin{array}{l}\Delta {g_1} = \left| {\overline g  - {g_1}} \right| = 4,791\\\Delta {g_2} = \left| {\overline g  - {g_2}} \right| = 7,131\\\Delta {g_3} = \left| {\overline g  - {g_3}} \right| = 0,788\\\Delta {g_4} = \left| {\overline g  - {g_4}} \right| = 1,547\end{array}\)

e)

Kết quả: \(g = \overline g  \pm {\left( {\Delta g} \right)_{max}} = 11,13 \pm 4,791\left( {m/{s^2}} \right)\)

HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM VÀ THỰC HÀNH: Khảo sát chuyển động rơi tự do và đo gia tốc rơi tự doChương trình lớp 10 ban KHTN và ban CƠ BẢNGV thực hiện: Trần Viết ThắngTrường THPT Chu Văn An Kho sỏt chuyn ng ri t do. Xỏc nh gia tc ri t doBI THC HNH:I. Mục đích : Đo được thời gian rơi t của một vật trên những quãng đường s khác nhau, vẽ và khảo sát đồ thị s ~ t2 , để rút ra kết luận về tính chất của chuyển động rơi tự do và xác định được gia tốc rơi tự do. II. cơ sở lý thuyếtTh một vật ( trụ thép, viên bi ) từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phương thẳng đứng (phương song song với dây dọi ). Trong trường hợp này nh hưởng của không khí không đáng kể, vật chỉ chuyển động dưới tác dụng của trọng lực, nên có thể coi là vật rơi tự do.Khi một vật có vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc a, thỡ quãng đường đi được s sau kho ng thời gian t ( tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động ) được xác định bởi công thức : thị biểu diễn quan hệ gi a s và t 2 có dạng một đường thẳng đi qua gốc toạ độ và có hệ số góc tg = a/2.221ats= III. Dụng cụ cần thiết .1.Giá đỡ thẳng đứng có dây dọi và ba chân vít điều chỉnh thăng bằng.2.Trụ bằng sắt non (bi) làm vật rơi tự do.3.Nam châm điện có hộp công tắc đóng ngắt điện để giữ và thả rơi vật.4.Cổng quang điện E.5.Đồng hồ thời gian hiện số , độ chia nhỏ nhất 0.001s.6.Thước thẳng 800mm gắn chặt vào giá đỡ. 7.Ke ba chiều để xác định vị trí đầu của vật rơi.8. Khăn vải bông để đỡ vật rơi. IV. Lắp ráp thí nghiệm 1.Nam châm điện N lắp trên đỉnh giá đỡ, được nối qua công tắc vào ổ A của đồng hồ đo thời gian. ổ A vừa cấp điện cho nam châm, vừa nhận tín hiệu từ công tắc chuyển về. Cổng E lắp ở dưới, được nối với ổ B. Sử dụng MODE đo A B, chọn thang đo 9,999s.2.Quan sát quả dọi, phối hợp điều chỉnh các vít ở chân giá đỡ sao cho quả dọi nằm đúng tâm lỗ tròn T. Khi vật rơi qua lỗ tròn của cổng quang điện E, chúng cùng nằm trên một trục thẳng đứng. Khăn vải bông được đặt nằm dưới để đỡ vật rơi .3.Cho nam châm hút giữ vật rơi. Dùng miếng ke áp sát đáy vật rơi để xác định vị trí đầu s0 của vật. Ghi giá trị s0 vào bảng 1.

THỰC HÀNH : Khảo sát CHÙYỂN ĐỘNG RƠI Tự DO Xàc định gia Tóc roi tự do ■ ■ - MỤC ĐÍCH Đo được thời gian rơi t của một vật trên những quãng đường đi được 5 khác nhau, vẽ và khảo sát đồ thị s ~ r2, để rút ra kết luận về tính chất của chuyển động rơi tự do và xác định được gia tốc rơi tự do. - CO SỞ Lí THUYẾT Thả một vật (trụ bằng sắt, hòn bi...) từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phương thẳng đứng (phương của dây dọi). Trong trường hợp này, ảnh hưởng của không khí không đáng kể, vật chỉ chuyển động dưới tác dụng của trọng lực, nên có thể coi là vật rơi tự do. Khi một vật có vận tốc ban đầu bằng không, chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc a, thì quãng đường đi được s sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) được xác định bởi công thức : Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa 5 và i1 có dạng một đường thẳng đi qua gốc toạ độ và có hệ số góc : ứ tana = — Hình 8.1. Bộ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do. • ♦ • "*7 • - Hình 8.2. Đồng hồ đo thời gian hiện số. D-í D2 3 • - Ế Hình 8.3. Cổng quang điện. Ill - DỤNG CỤ CẦN THIẾT Giá đỡ thẳng đứng có dây dọi và ba chân có vít điều chỉnh thăng bằng. Trụ bằng sắt làm vật rơi tự do. Nam châm điện N có hộp công tắc đóng ngắt điện để giữ và thả rơi vật (Hình 8.1). Cổng quang điện E (Hình 8.1). Đồng hồ đo thời gian hiện số, độ chia nhỏ nhất 0,001 s (Hình 8.2). Thước thẳng 800 mm gắn chặt vào giá đỡ. Một chiểc ke vuông ba chiều dùng xác định vị trí đầu của vật rơi. 8 Hộp đựng cát khô (có phủ miếng vải trên mặt) để đỡ vật rơi. - GIÓI THIỆU DỤNG cụ ĐO Đồng hồ đo thời gian hiện số (Hình 8.2) là loại dụng cụ đo thời gian chính xác cao (độ chia nhỏ nhất 0,00.1 0,01 s). Nó có thể hoạt động như một đồng hồ bấm giây, được điều khiển bằng công tắc hoặc cổng quang điện. Cổng quang điện (Hình 8.3) gồm một điôt D, phát ra tia hồng ngoại, và một điôt D2 nhận tia hồng ngoại từDj chiếu sang. Dòng điện cung cấp cho D| được lấy từ đồng hồ đo thời gian. Khi có vật chắn chùm tia hồng ngoại chiếu từ Dx sang D2, thì D2 sẽ phát ra tín hiệu truyền theo dây dẫn đi vào đồng hồ đo thời gian, điều khiển nó hoạt động. Trên mặt đồng hồ đo thời gian có hai ổ cắm 5 chân A và B, một công tắc nhấn RESET, một núm gạt dùng chọn thang đo 9,999 5 và 99,99 5, một núm chuyển mạch chọn kiểu làm việc MODE. Ô A có 5 chân, được nối với hộp công tắc (nhờ một phích cắm 5 chân), để cấp điện cho nam châm điện hoạt động. Khi không nhấn công tắc, nam châm được cấp điện, nó hút và giữ trụ sắt. Dùng miếng ke áp sát vào trụ sắt đê đọc vị trí đầu của'nó trên thước. Khi nhấn công tắc, nam châm bị ngắt điện, vật được thả rơi, đồng thời bộ đếm thời gian bắt đầu đếm. Ta cần nhả nhanh công tắc trước khi vật rơi đến cổng quang điện E. 0 B được nối với cổng quang điện E, vừa cấp điện cho cổng E, vừa nhận tín hiệu từ E gửi về, làm đồng hồ đo thời gian ngừng đếm. Công tắc nhấn RESET để đưa số chỉ của đồng hồ về giá trị 0.000. Đặt núm gạt chọn thang đo ở vị trí 9,999 5. Chuyển mạch MODE dùng để chọn kiểu làm việc cho đồng hồ đo thời gian. Trong bài này ta đặt đồng hồ ở vị trí AB. Các MODE khác không dùng đến. MODE A B hoạt động như sau : Khi nhấn công tắc nối với ổ A thì đồng hồ đo bắt đầu hoạt động ; Khi có tín hiệu từ cổng E chuyển vào ổ B thì máy đo ngừng hoạt động. Khoảng thời gian ngăn cách từ lúc có tín hiệu thứ nhất đến lúc có tín hiệu thứ hai được hiện trên mặt hiện số của đồng hồ. - LẮP RÁP THÍ NGHIỆM Nam châm điện N lắp trên đỉnh giá đỡ, được nối qua công tắc vào ổ A của đồng hồ đo thời gian. Ô A vừa cấp điện cho nam châm, vừa nhận tín hiệu từ công tắc chuyển về. cổng E lắp ở dưới, được nối với ổ B. Điều chỉnh vị trí thẳng đứng cho giá đỡ bằng cách quan sát quả dọi phối hợp vặn các vít ở đế ba chân, sao cho quả dọi nằm đối tâm với lỗ tròn T. Hộp đỡ vật rơi được đặt nằm ở phía chân giá đỡ. Bật công tắc cấp điện cho đồng hồ đo thời gian. Cho nam châm hút giữ vật rod. Dùng chiếc ke vuông ba chiều áp sát đáy vật rơi để xác định vị trí đầu 50 của vật. Ghi giá trị v0 vào Bảng 8.1. Có thể điều chỉnh dịch chuyển nam châm điện sao cho vị trí trùng với vạch 0 trên thước đo. - TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Đo thời gian rơi úng với các khoảng cách s khác nhau •.. Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới cách Ấ() một khoảng s = 0,050 m. Ân nút RESET trên mặt đồng hồ để đưa chỉ thị số về giá trị 0. 000. Ấn nút trên hộp công tắc để thả vật roi, rồi nhả nhanh nút trước khi vật rơi đến cổng quang điện E. Ghi thời gian rơi của vật vào Bảng 8.1. Lặp lại phép đo trên thêm 4 lần, ghi vào Bảng 8.1. Thời gian một vật rơi tự do không vận tốc đầu trên quãng đường 0,050 m vào khoảng 0,1 s. Như vậy, để cổng quang điện E có thể tác động khi vật rơi đến E, thời gian nhấn và nhả công tắc kép phải nhỏ hơn 0,1 s. Để thực hiện được động tác này, học sinh có thể bấm thử cồng tắc kép như sau : Xoay chuyển mạnh MODE của đồng hồ đo thời gian về vị trí A. Nhấn và nhả nhanh công tắc kép, quan sát thời gian chỉ thị trên đồng hồ. Nới lỏng vít và dịch cổng quang điện E về phía dưới, cách vị trí ẤQ một khoảng s = 0,200 ; 0,450 ; 0,800 m. úng với mỗi khoảng cách s, thả vật rơi và ghi thời gian tương ứng vào Bảng 8.1. Lặp lại phép đo này thêm 4 lần. Kết thúc thí nghiệm : Nhấn khoá K, tắt điện đồng hồ đo thời gian hiện số. Báo cáo thực hành Họ và tên: ; Lớp: ; Ngày: Tên bài thực hành : Trà lời câu hỏi: Sự rơi tự do là gì ? Nêu đặc điểm của chuyển động rơi tự do và viết công thức tính gia tốc rơi tự do ? , Kết quả Bảng 8.1. Khảo sát chuyển động rơi tự do: Đo thời gian rơi ứng với cấc khoảng cách s khác nhau. VỊ trí đầu của vật rơi: s0 = (mm) Lần đo s(m) Thời gian rơi t (s) • í ■ í? 2° II II 1 2 3 4 5 0,050 ■ 0,200 0,450 0,800 4 Theo Bảng 8.1: Khảo sát chuyển động rơi tự do Tính ĩ, t2 ứng với mỗi cặp giá trị (s, f) và ghi vào Bảng 8.1. Vẽ đồ thị: Dựa vào kết quả trong Bảng 8.1, chọn tỉ lệ thích hợp trên các trục tung và trục hoành để vẽ đồ thị s = s(f2). Nhận xét: Đồ thị s = s(f2) có dạng một đường Như vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động Khi đã xác định được chuyển động rơi tự do là một chuyển động nhanh dần 25 đều, ta có thể xác định các giá trị của g theo công thức = “- và vận tốc của vật rơi tại cổng E theo công thức: u = —- ứng với mỗi lần đo. Hãy tính các giá trị trên và ghi vào Bảng 8.1. t \/ẽ đồ thị V = v(f) dựa trên các sô' liệu của Bảng 8.1, để một lần nữa nghiệm lại tính chất của chuyển động rơi tự do. Đồ thị V = v(f) có dạng một đường tức là vận tốc rơi tự do theo thời gian. Vậy chuyển động của vật rơi tự do là chuyển động — #1 + #2 + £3 +