Bài 6: Thực hành Khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn

• Khảo sát thực nghiệm nhằm tìm mối quan hệ giữa biên độ, khối lượng, chiều dài và chu kỳ của con lắc đơn.

• Từ đó suy ra công thức tính chu kỳ của con lắc đơn

\(T = 2\pi \sqrt {\frac{l}{g}} \) ⇒  gia tốc trọng trường : \(g = 4{\pi ^2}\frac{l}{{{T^2}}}\)

• Nhận biết có 2 phương pháp dùng để phát hiện ra một định luật vật lí.

  • Phương pháp suy diễn toán học: Dựa vào một thuyết hay một định luật đã biết để suy ra định luật mới rồi dùng thí nghiệm để kiểm tra sự đúng đắn của nó.

  • Phương pháp thực nghiệm: Dùng một hệ thống thí nghiệm để làm bộc lộ mối quan hệ hàm số giữa các đại lượng có liên quan nhằm tìm ra định luật mới.

• Các quả nặng : 50g, 100g, 150g.

• Một sợi dây mảnh dài 1m.

• Một giá thí nghiệm dùng để treo con lắc đơn và có cơ cấu để điều chỉnh chiều dài của con lắc ( bằng ròng trọc).

• Một đồng hồ đo thời gian hiện số.

• Một cổng quang điện.

• Một thước 500mm.

• Giấy kẻ ô milimét

• Đế ba chân.

• Một thước đo góc

Lắp ráp thí nghiệm như hình vẽ

Lưu ý :

• Cổng quang nối với ổ cắm A, Máy đo thời gian : chọn Mode T, độ chính xác 1/1000s.

• Sau mỗi thao tác thu thập số liệu cần phải đưa đồng hồ về trạng thái chỉ số 0 ( nhấn nút Reset).

• Thao tác thả con lắc cần dứt khoát.

• Cần kéo con lắc ra với một góc nhỏ và ghi giá trị của góc này

• Cứ mỗi lần đếm là 1/2T.

2.3.1. Chu kỳ con lắc có phụ thuộc vào biên độ dao động  :

• Sau khi lắp ráp thí nghiệm :

  • Chọn quả nặng 50g treo vào giá

  • Điều chỉnh chiều dài con lắc khoảng 50 cm.

  • Kéo ra khỏi phương thẳng đứng một biên độ khoảng 3 cm

  • Quan sát đồng hồ và đếm khoảng 10 dao động toàn phần. Sau đó, ghi T vào bảng.

• Lặp lại thí nghiệm 2 – 3 lần với các biên độ khác nhau ( giữ nguyên m, l)

2.3.2. Chu kỳ con lắc có phụ thuộc vào khối lượng m của quả nặng :

• Tương tự như trên, nhưng trong thí nghiệm này ta giữ nguyên A, l thay đổi khối lượng m ( 50g; 100g; 150g).

2.3.3. Chu kỳ con lắc có phụ thuộc vào chiều dài con lắc :

• Giống thí nghiệm 2, lần này ta thay đổi chiều dài của con lắc và giữ nguyên m, biên độ dao động A.

1. Mối quan hệ giữa T và A  :     

• Bảng 9.1:

• Nhận xét :………………………………………………………………………………

2. Mối quan hệ giữa T và m :   

• Bảng 9.2 :

•  Nhận xét :………………………………………………………………………………

3. Mối quan hệ giữa T và l :          

• Bảng 9.3:

• Nhận xét :………………………………………………………………………………

4. Kết luận :                                                                                          

• Từ kết quả thí nghiệm rút ra kết luận gì về \(T = a\sqrt l \) với giá trị của a trong bảng 9.3.

• Vẽ đồ thị \(T = {\rm{ }}f\left( l \right)\) và nhận xét.

• Vẽ đồ thị \({T^2} = f(l)\) và nhận xét.

• Tính gia tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm với các số liệu nhận từ thí nghiệm.

Bài 1 

Dự đoán xem chu kì dao động T của một con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng đặc trưng  \(l,m,\alpha \) của nó như thế nào? Làm cách nào để kiểm tra từng dự đoán đó bằng thí nghiệm?

Hướng dẫn giải:

• Dự đoán chu kì T của con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng đặc trưng chiều dài \(l\), khối lượng vật nặng \(m\), biên độ góc \({\alpha _0}\) .

• 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.

Bài 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?

Hướng dẫn giải:

• 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.

Bài 3 

Có thể đo chu kì con lắc đơn có chiều dài l < 10cm hay không? Vì sao?

Hướng dẫn giải:

• 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 được chu kì T.

Bài 4 

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?

Hướng dẫn giải:

• 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

\(\frac{{\Delta g}}{g} = \frac{{2\Delta T}}{T} + \frac{{\Delta l}}{l}\)

có giá trị nhỏ.

Qua bài giảng Thực hành Khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

• Củng cố kiến thức về dao động cơ học.

• Hiểu phương án thí nghiệm xác định chu kì của con lắc đơn và con lắc lò xo thẳng đứng.

• Tìm được gia tốc trong trường từ kết quả thí nghiệm với con lắc đơn

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý Chúng tôi sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!