Tài liệu bao cao thuc hanh khao sat thuc nghiem cac dinh luat dao dong cua con lac don

KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN I. MỤC ĐÍCH THỰC HÀNH: • Hiểu được phương án thí nghiệm để xác định chu kì của con lắc đơn • Thực hiện được thí nghiệm xác định chu kì dao động của con lắc đơn. • Tính được gia tốc trọng trường từ kết quả thí nghiệm. • Củng cố kiến thức về dao động cơ, kĩ năng sử dụng thước đo độ dài và đồng hồ đo thời gian. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT: 1. Cấu tạo con lắc đơn: - Một sợi dây có chiều dài l. - Một đầu cố định, một đầu treo một vật nhỏ khối lượng m. Cách đo chiều dài con lắc đơn: Dùng thước (có vạch chia nhỏ nhất đến mm) để đo từ điểm cố định đến trọng tâm của con lắc đơn. 2. Để phát hiện ra sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao đồng với biên độ nhỏ vào biên độ dao động ta cần làm thí nghiệm: - 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 đúng bằng 50.0cm. Kéo quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng một khoảng A=3cm, cho dây treo con lắc nghiêng đi một góc α 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 đo. 3. Để phát hiện ra sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao đồng với biên độ nhỏ vào chiều dài ta cần làm thí nghiệm: -Dùng con lắc đơn có m=50g, chiều dài l =50cm và đo thời gian 10 dao động toàn phần để xác định chu kì T . 1 1 -Thay con lắc đơn có chiều dài lần lượt là l rồi l để đo thời gian 10 dao động toàn phần và xác định chu kì T và T . 2 2 3 3 -Tính bình phương các chu kì T , T , T và các tỉ số 1 2 2 2 3 2 4.Cách để xác định chu kì T với sai số ΔT=0.02s khi dùng đồng hồ có kim giây là: Vì thế để xác định chu kì T với sai số ΔT=0.02s ta chỉ cần đo thời gian của n=10 dao động toàn phần. III. KẾT QUẢ: 1. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ dao động đối với chu kì T của con lắc đơn: Bảng 1: m=50g, l=50,0cm A(cm) Sinα=A/l Góc lệch α( ) Thời gian 10 dao động t (s) Chu kì T(s) A =3,0 6 30 t = 13,25 T = 1,325 A =6,0 A =9,0 A =18 4√3 9√2 23,5 60 t = 13,47 t = 14,12 t = 14,35 T = 1,347 T = 1,412 T = 1,435 1 2 3 4  o 1 2 45 3 50 4 1 2 3 4 Phát biểu định luật về chu kì của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ: Chu kì của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ phụ thuộc vào biên độ dao động (nhỏ) của con lắc. 2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng con lắc m đối với chu kì dao động T Bảng 2: l=50,0cm  m(g) Chu kì T(s) 50 T = 14,25 100 T = 14,29 200 T = 14,36 A B C Phát biểu định luật về khối lượng của con lắc đơn đối với chu kì dao động T: Chu kì của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ thì coi đó là dao động điều hòa và khối lượng của con lắc không phụ thuộc vào chu kì vật. 3. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài con lắc đơn l đối với chu kì dao động T Bảng 3: m=50g Chiều dài l (cm) Thời gian t=10T Chu kì T (s) l = 20 t1 = 9 T = 0.9 T = 0.81 T /l = 0.041 l =36 t2= 12 T = 1.2 T = 1.44 T /l = 0.04 l =50 t3= 15 T = 1.5 T = 2.25 T /l = 0.045 1 2 3 1 2 3 T (s ) 2 T /l (s /cm) 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 3 1 2 3 Đồ thị T2 = f(l) Đồ thị T = f(l) Nhận xét: a) Đường biểu diễn T=f(l) có dạng lệ thuận với độ dài con lắc đơn. đường thẳng cho thấy rằng: chu kì dao động T tỉ Đường biểu diễn T =F(l) có dạng hình parabol cho thấy rằng: bình phương chu kì dao động T tỉ lệ thuận với độ dài con lắc đơn. T =kl, suy ra T= a√l. 2 2 2 -Phát biểu định luật về chiều dài của con lắc đơn: “ Chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ, tại cùng một nơi, không phụ thuộc vào khối lượng mà tỉ lệ với căn bậc hai của độ dài con lắc theo công thức: T= a√l với a= √k, trong đó a là hệ số góc của đường biểu diễn T =F(l). 2 b) Công thức lí thuyết về chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ (góc lệch) nhỏ: T=2π√(l/g) đã được nghiệm đúng, với tỉ số 2π/√g = a = 1,98 Từ đó tính được gia tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm: g = 4π2/a2 = 9,8 (m/s ) 2 4. Xác định công thức về chu kì dao động của con lắc đơn Từ các kết quả thực nghiệm suy ra: Chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ không phụ thuộc vào khối lượng con lắc mà tỉ lệ với căn bậc hai của chiều dài l 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 T= a .T (s) 0 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Dự đoán xem chu kì dao động T của một con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng đặc trưng m,l, α của nó như thế nào? Làm cách nào để kiểm tra từng dự đoán đó bằng thí nghiệm ? Trả lời: - Dự đoán: Chu kỳ dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng: l, m, α - Dùng thí nghiệm thay đổi một đại lượng khi giữ nguyên các đại lượng kia kiểm tra từng dự đoán 2. Chu kì dao động của con lắc đơn có phụ thuộc vào nơi làm thí nghiệm hay không? Làm cách nào để phát hiện điều đó bằng thí nghiệm ? Trả lời: - Dự đoán: Chu kỳ dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào nơi làm thí nghiệm. - Làm thí nghiệm với con lắc có chiều dài không đổi tại những nơi khác nhau để kiểm chứng . 3.Có thể đo chu kì con lắc đơn có chiều dài l < 10cm hay không ? Vì sao? Trả lời: - Không đo chu kỳ của con lắc đơn có l < 10 cm - Vì khi đó kích thước quả cân là đáng kể so với chiều dài này, vì khó tạo ra dao động với biên độ nhỏ và chu kỳ T nhỏ khó đo. 3. Dùng con lắc dài hay ngắn sẽ cho kết quả chính xác hơn khi xác định gia tốc rơi tự do g tại nơi làm thí nghiệm ? Trả lời: - Dùng con lắc dài khi xác định gia tốc g cho kết quả chính xác hơn vì: