Bài giảng Vật lí Lớp 12 - Bài 13: Thí nghiệm thực hành (Bản hay)

Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
XÁC ĐỊNH CHU Kè DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN HOẶC CON LẮC Lề XO VÀ GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
II. Mục đích thí nghiệm 
1. Kh ả o sát ả nh hưởng của biên độ a , khối lượng m của qu ả nặng và độ dài l của dây treo đối với chu k ỡ dao động T của con lắc đơn. 
2. Xác định gia tốc trọng trường g bằng con lắc đơn theo công thức : 
3. Kh ả o sát ả nh hưởng của khối lượng m của qu ả nặng và độ cứng k của lò xo đối với chu k ỡ dao động T của con lắc lò xo. 
4. Kiểm chứng bằng thực nghiệm đối với công thức tính chu k ỡ T của con lắc lò xo : 
( 1 ) 
( 2 ) 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
Hình 1 . Bộ thiết bị thí nghiệm 
Khảo sát dao động của con lắc đơn và con lắc lò xo. 
1 
2 
3 
4 
5 
11 
6 
7 
8 
9 
10 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
 Dụng cụ thí nghiệm: 
1. Giá đỡ bằng nhôm, cao 60cm, có thanh ngang treo con lắc. 
2. Đế ba chân bằng sắt, có hệ vít chỉnh cân bằng. 
3. Thước thẳng dài 600 mm gắn trên giá đỡ. 
4. Dây sợi tổng hợp, mảnh, không dãn, dài 50 cm. Bộ 2 viên bi thép khối lượng khác nhau, có móc treo. 
5. Ròng rọc bằng nh ự a, đường kính D 5 cm, có khung đỡ trục quay. 
6. Thanh ke nhôm, dài 10 cm. 
7. Bộ 2 lò xo xoắn có độ cứng khác nhau. 
8. Bộ 2 quả nặng loại 50 g, lồng trên thanh trụ có lỗ treo ở một đầu. 
9. B ộ c ộ ng h ưở ng cơ g ồ m 3 con l ắ c đơ n và m ột con l ắ c ch ủ , thanh treo c ú tr ụ c quay. 
10. Đ ồ ng hồ đo thời gian hiện số, có hai thang đo 9,999 s và 99,99 s. 
11. Cổng quang điện hồng ngoại, có trụ thép dài 10 cm, dây nối và giắc cắm 5 chân. 
Phần I . Khảo sát dao động của con lắc đơn 
Hình 2.. Bộ thiết bị thí nghiệm 
Khảo sát dao động của con lắc đơn. 
Xác định gia tốc trọng trư ờng. 
Hình 3. Đồng hồ đo thời gian hiện số 
a) mặt trước 
b) mặt sau 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
I. Tiến hành thí nghiệm 
1. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ a đối với chu kì dao động T của con lắc đơn. 
a) Nối cổng quang điện với ổ cắm A ở mặt sau đồng hồ đo thời gian hiện số (Hình 3). Gạt núm chọn thang đo sang vi trí 9,999s. Vặn núm chuyển mạch MODE sang vị trí T để đo từng chu kì dao động của con lắc. Cắm phích lấy điện của đồng hồ đo thời gian vào nguồn điện ~ 220V. Bấm công-tắc K ở mặt sau của nó để các chữ số hiển thị trên cửa sổ Thời gian. 
 b) Treo viên bi có khối lượng m 1 vào đầu dưới của một sợi dây mảnh, dài và không dãn. Vặn các vít của đế ba chân, điều chỉnh cho giá đỡ cân bằng thẳng đứng. Đặt thanh ke áp sát cạnh của giá đỡ tại vị trí (thấp hơn đáy viên bi) ứng với độ dài L trên thước milimét. Quay ròng rọc để thả dần sợi dây cho tới khi đáy của viên bi vừa tiếp xúc với cạnh ngang của thanh ke. Nếu gọi r là bán kính viên bi, thì độ dài l của con lắc đơn tính bằng: l = L - r . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
c) Đ iều chỉnh dây treo con lắc đơn khối lượng m 1 dài l 1 =500 mm . Dịch chuyển cổng quang điện sao cho cửa sổ nằm ngang vị trí tâm bi, cách tâm a 1 ằ 30 mm. Kéo viên bi đến vị trí đối diện cửa sổ của cổng quang điện, rồi th? cho con lắc đơn dao động không vận tốc đầu. Khi đó biên độ gúc bằng a 1 với 
Sau 2 á 3 dao động, bấm nút RESET trên mặt đồng hồ đo thời gian hiện số để tiến hành đo từng chu kì đao động T của con lắc đơn. Thực hiện 3 lần phép đo này. Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào bảng 1. 
d) Gi ữ nguyên khối lượng m 1 và độ dài l 1 = 500 mm của con lắc đơn. Dịch chuyển cổng quang điện đến vị trí sao cho cửa sổ của nó nằm ngang với vị trí của tâm viên bi, cách tâm này một kho?ng a 2 ằ 50 mm ứng với biên độ a 2 với 
Thực hiện 3 lần phép đo từng chu kì dao động T của con lắc đơn. Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào bảng 1 . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng m đối với chu kì dao động T của con lắc đơn. 
Giữ nguyên độ dài l 1 = 500 mm và biên độ a 2 . Thay viên bi khối lượng m 1 bằng viên bi khối lượng m 2 . Thực hiện 3 lần phép đo chu kì T . Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào bảng 1 . 
3. Khảo sát ảnh hưởng của độ dài l đối với chu kì dao động T của con lắc đơn. 
Giữ nguyên viên bi khối lượng m 2 và biên độ a 2 . Điều chỉnh dây treo để con lắc có độ dài l 2 = 400 mm. Thực hiện 3 lần phép đo chu kì T . Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào bảng 1 . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
l 2 = 400 
a 2 
m 2 
4 
l 1 = 500 
a 2 
m 2 
3 
l 1 = 500 
a 2 
m 1 
2 
l 1 = 500 
a 1 
m 1 
1 
( D T) max 
T 3 
T 2 
T 1 
Chu k ỡ dao động T 
Độ dài l (mm) 
B. độ 
a 
K.lượng 
m 
Con lắc 
đơn 
Bảng 1 
III. Kết quả thí nghiệm 
1. Tính giá trị trung b ỡ nh của chu k ỡ dao động : 
và xác định sai số tuyệt đối cực đại ( T) max của chu kì dao động đối với mỗi con lắc đơn trong bảng 1 . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
2. Căn cứ giá trị của T và ( D T) max tìm được trong Bảng 1, hãy cho biết : 
a) Biên độ a có ả nh hưởng đến chu kỳ dao động T của con lắc đơn không ? ............................. 
b) Khối lượng m có ả nh hưởng đến chu kỳ dao động T của con lắc đơn không ? ....................... 
c) Độ dài l có ả nh hưởng đến chu kỳ dao động T của con lắc đơn không ? ............................... 
d) Tính các tỉ số sau đây đối với con lắc đơn số 3 và số 4 trong B ả ng 1 
So sánh hai tỉ số trên, từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc của chu k ỡ dao động T của con lắc đơn vào độ dài l của nó . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
4. Xác định gia tốc trọng trường g bằng con lắc đơn số 3 theo công thức (1) : 
 - Giá trị trung b ỡ nh : 
 =  (m/s 2 ) 
 = (m/s 2 ) 
- Sai số tuyệt đối : 
- Kết quả phép đo : 
 = ............(m/s 2 ). 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
 Bộ thiết bị thí nghiệm 
Khảo sát dao động của con lắc lò xo . 
Phần II .Khảo sát dao động của con lắc lò xo 
1. Xác định độ cứng của lò xo (dùng tạo ra con lắc lò xo) 
a) Treo lò xo A vào thanh ngang của giá đỡ. Vặn các vít của đế ba chân để điều chỉnh cho giá đỡ cân bằng thẳng đứng. Móc thanh treo mang quả nặng m 0 = 50g vào đầu dưới của lò xo A. Đặt thanh ke áp sát cạnh của giá đỡ và dịch chuyển thanh ke cho tới khi cạnh ngang của nó tiếp xúc với đáy quả nặng m 0 . Thực hiện 3 lần phép đo này. Đọc và ghi vị trí l 0 của đáy quả nặng m 0 trên thước milimét trong mỗi lần đo vào Bảng 2. 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
 Bộ thiết bị thí nghiệm 
Khảo sát dao động của con lắc lò xo . 
Phần II .Khảo sát dao động của con lắc lò xo 
b) Lồng thêm 2 quả nặng m 0 vào cùng thanh treo, rồi móc nó với đầu dưới của lò xo A để tổng khối lượng của các quả nặng này là m = 150 g. Thực hiện 3 lần phép đo này. Ghi vị trí tương ứng l của đáy quả nặng m trong mỗi lần đo vào Bảng 2. 
c) Làm lại thí nghiệm này với lò xo B. Ghi vị trí l 0 của đáy quả nặng m 0 và vị trí l của đáy quả nặng m trong mỗi lần đo vào Bảng 2. d) Độ cứng của hai lò xo A và B được tính theo công thức : 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
Bảng 2 
k B = (N/m) 
k A = (N/m) 
Độ cứng 
Trung b ỡ nh 
3 
2 
1 
l 
l 0 
l 
l 0 
Lò xo B 
Lò xo A 
Lần đo 
(với m = 150 g) 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
2. Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng k của lò xo đối với chu kì dao động T . 
a) Treo lò xo A mang quả nặng m = 150 g vào giá đỡ. Dịch chuyển cổng quang điện đến vị trí sao cho cửa sổ của nó nằm sát ngay chính giữa đáy quả nặng m dọc theo phương đứng. Kéo quả nặng m thẳng đứng xuống phía dưới để lò xo A dãn dài thêm khoảng 10 mm, rồi buông tay thả cho con lắc lò xo dao động không vận tốc đầu. Khi đó biên độ dao động của con lắc lò xo bằng a 1  10 mm. 
Sau 2  3 dao động, bấm nút RESET trên mặt đồng hồ đo thời gian hiện số để tiến hành đo từng chu kì đao động T của con lắc lò xo. Thực hiện 3 lần phép đo này. Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào Bảng 3. 
c) Làm lại thí nghiệm này với lò xo B mang quả nặng có cùng khối lượng m = 150 g. Thực hiện 3 lần phép đo từng chu kì T của con lắc. Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào Bảng 3 . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng m của quả nặng đối với chu kì dao động T . 
Treo lò xo A mang quả nặng có khối lượng m = 100 g vào giá đỡ. Thực hiện 3 lần phép đo từng chu kì đao động T của con lắc lò xo này. Ghi giá trị của T trong mỗi lần đo vào bảng 3 . 
m = 100 
k B = . 
3 
m = 150 
k B = .. 
2 
m = 150 
k A = .. 
1 
( T) max 
T 3 
T 2 
T 1 
Chu k ỡ dao động T 
Khối lượng 
m (g) 
Độ cứng 
k (N/m) 
Con lắc 
lò xo 
Bảng 3 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
1. Tính giá trị trung b ỡ nh của chu k ỡ dao động : 
 và xác định sai số tuyệt đối cực đại ( T) max của chu kì dao động đối với mỗi con lắc lò xo trong bảng 3. 
2. Tính các tỉ số sau đây đối với các con lắc lò xo số 1, 2, 3 trong bảng 3 : 
III. Kết quả thí nghiệm 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
III. Kết quả thí nghiệm 
3. So sánh các cặp tỉ số sau đây : 
 và 
; 
 và 
. 
Từ đó rút ra nhận xét về sự phụ thuộc của chu k ỡ dao động T của con lắc lò xo vào độ cứng k của lò xo và khối lượng m của quả nặng tạo thành con lắc đó. 
4. Kết luận : 
Chu k ỡ dao động T của con lắc lò xo tỉ lệ nghịch với .. của lò xo và tỉ lệ thuận với của quả nặng tạo thành con lắc đó. 
Kết quả này phù hợp với lí thuyết : 
 ~ 
 . 
Bài 13 - Thí nghiệm thực hành – Bài số 1 
5. Kiểm chứng bằng thực nghiệm đối với công thức tính chu k ỡ T của con lắc lò xo : 
 a) Căn cứ vào giá trị của độ cứng k và khối lượng m ghi trong bảng 3 đối với một con lắc lò xo nào đó tuỳ ý chọn, ví dụ chọn con lắc lò xo số 1 chẳng hạn, tính chu k ỡ dao động T theo công thức lí thuyết (2) 
 = ...= ... (s) 
 b) So sánh giá trị chu k ỡ dao động T con lắc lò xo tính theo công thức lí thuyết (2) với giá trị trung b ỡ nh của chu kì dao động đối với con lắc lò xo này đo được bằng thí nghiệm trong giới hạn sai số 
 ghi trong bảng 3 . 
Từ đó nhận xét xem công thức lí thuyết (2) tính chu kì dao động của con lắc lò xo có phù hợp với kết quả đo bằng thực nghiệm không?.