Xu Hướng 3/2023 # № 114A – Kiểm Chứng Định Luật Iii Newton Trong Va Chạm Đàn Hồi – Vật Lý Mô Phỏng # Top 5 View

Bạn đang xem bài viết № 114A – Kiểm Chứng Định Luật Iii Newton Trong Va Chạm Đàn Hồi – Vật Lý Mô Phỏng được cập nhật mới nhất trên website 2atlantic.edu.vn. Hy vọng những thông tin mà chúng tôi đã chia sẻ là hữu ích với bạn. Nếu nội dung hay, ý nghĩa bạn hãy chia sẻ với bạn bè của mình và luôn theo dõi, ủng hộ chúng tôi để cập nhật những thông tin mới nhất.

Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm này kiểm chứng định luật III Newton trong tương tác đàn hồi, rằng lực và phản lực luôn sinh ra theo cặp trên hai vật tương tác, có độ lớn bằng nhau và có hướng ngược chiều nhau. Tổng quát hơn, thí nghiệm khẳng định sự đúng đắn của định luật bảo toàn động lượng, động lượng truyền cho vật này cũng bằng với động lượng của vật kia bị mất đi.

Lý thuyết

Xét một va chạm xảy ra hai vật khối lượng m_1 và m_2. Trước và sau va chạm, mỗi vật chuyển động thẳng đều không gia tốc. Khi xảy ra va chạm, lực tương tác xuất hiện và gây ra gia tốc cho mỗi vật. Gọi vec{a_1}(t), vec{a_2}(t) lần lượt là hàm số gia tốc của mỗi vật trong giai đoạn xảy ra tương tác. Trong suốt giai đoạn tương tác này mỗi vật thay đổi vận tốc một lượng bằng:

begin{aligned}Deltavec{v_1}&=intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{a_1}(t),dt},\Deltavec{v_2}&=intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{a_2}(t),dt}.end{aligned}

với t_1, t_2 – thời điểm bắt đầu và kết thúc va chạm. Như vậy mỗi vật có biến thiên động lượng:

begin{aligned}Delta vec{p_1}&=m_1Delta v_1=m_1intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{a_1}(t),dt}=intlimits_{t_1}^{t_2}{m_1vec{a_1}(t),dt},\Delta vec{p_2}&=m_2Delta v_2=m_2intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{a_2}(t),dt}=intlimits_{t_2}^{t_2}{m_2vec{a_2}(t),dt}.end{aligned}

Theo định luật II Newton:

Deltavec{p_1}=intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{F_1}(t),dt},tag{1}

Deltavec{p_2}=intlimits_{t_2}^{t_2}{vec{F_2}(t),dt},tag{2}

với vec{F_1}(t) và vec{F_2}(t) là lực tác dụng lên mỗi vật tại thời điểm t.

Theo định luật bảo toàn động lượng, tổng biến thiên động lượng trong va chạm phải bằng 0, có nghĩa một vật được truyền thêm động lượng thì vật kia phải mất đi đúng một động lượng chừng đó:

Deltavec{p_1}=-Deltavec{p_2},

hay:

intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{F_1}(t),dt}=-intlimits_{t_1}^{t_2}{vec{F_2}(t),dt}.tag{3}

Đẳng thức (3) diễn tả hệ quả quan trọng nhất của định luật bảo toàn động lượng trong va chạm. Biểu thức trên mỗi vế ta còn gọi là xung lực tác dụng lên mỗi vật. Như vậy để động lượng được bảo toàn, các xung lực phải bằng nhau về độ lớn và ngược nhau về hướng.

Đối với những hệ có kích thước nhỏ, có thể bỏ qua quá trình lan truyền xung lượng (sóng), người ta thường đặt luôn:

vec{F_1}(t)=-vec{F_2}(t).

Có nghĩa tại mọi thời điểm trong va chạm, lực và phản lực luôn bằng nhau về độ lớn, ngược nhau về hướng. Đó cũng là nội dung của định luật III Newton. Phép đặt này về mặt toán học giúp cho định luật bảo toàn động lượng luôn nghiệm đúng. Mặt khác nó cũng giúp cho việc giải các bài toán trở nên đơn giản hơn rất nhiều, đặc biệt trong tĩnh học. Tuy nhiên cần nhấn mạnh rằng, định luật III Newton là hệ quả của một định luật phổ quát bậc nhất trong tự nhiên: định luật bảo toàn động lượng. Do vậy cần lưu ý về giới hạn áp dụng của định luật này.

Nguyên lý phép đo

Để kiểm tra định luật III Newton, xem lực và phản lực có bằng nhau và ngược hướng hay không, ta chỉ cần biết lực hoặc gia tốc mỗi vật chịu tác dụng. Thực vậy, lực và gia tốc có mối liên hệ mật thiết thông qua khối lượng:

vec{F}=mvec{a}.

Có hai cách để biết được gia tốc.

– Cách thứ nhất là thu thập dữ liệu toạ độ theo thời gian, rồi đạo hàm toạ độ cho ra vận tốc, đạo hàm vận tốc sẽ cho ra gia tốc. Đó cũng là phương pháp sử dụng trong thí nghiệm № 112, khi vị trí mỗi vật được quan sát qua VideoCom. Trong bài № 113A – Chuyển động thẳng dưới tác dụng của lực không đổi, toạ độ được lấy thông qua cảm biến quang học lắp trên ròng rọc.

– Cách thứ hai giúp đo gia tốc là sử dụng trực tiếp gia tốc kế, một loại cảm biến lực hoạt động trên cơ sở lực quán tính gây ra biến dạng cơ học.

Sự va chạm trong thí nghiệm này lại diễn ra khá nhanh. Hơn nữa, độ biến dạng khi va chạm lại khá nhỏ. Việc ghi lại toạ độ và suy ra gia tốc theo đạo hàm hai lần không khả thi. Cho nên cách đo bằng gia tốc kế được lựa chọn. Quả thực, cảm biến gia tốc là một công cụ cực nhạy, cho phép theo dõi gia tốc ngay cả trong những diễn biến nhanh nhất.

Thiết bị thí nghiệm khá đơn giản, gồm hai xe trượt khối lượng m_1, m_2 đặt trên thanh ray như hình 1 miêu tả. Sau mỗi xe có gắn thêm một gia tốc kế. Mỗi gia tốc kế này khi kết nối máy tính sẽ cho ra giá trị của gia tốc mỗi xe liên tục theo thời gian. Như vậy, ta luôn có hàm số gia tốc a_1(t) và a_2(t).

Ta sẽ để xe 2 đứng yên ở trạng thái ban đầu, còn xe 1 đẩy tới va chạm. Giá trị gia tốc a_1 và a_2 luôn truyền về máy tính và tự động vẽ thành đồ thị như hình 2. Đồ thị chỉ ra những giai đoạn sau đây:

– Xe 1 chuyển động thẳng đều, a_1=0. Xe 2 tạm thời đứng yên.

– Sau va chạm hai xe tiếp tục chuyển động thẳng đều, khi a_1=0, a_2=0.

Điều ta quan tâm nhất chính là giai đoạn xảy ra tương tác. Theo định luật III Newton, lực và phản lực khi tương tác phải bằng nhau. Thực tế ta cũng luôn có hàm số của lực tác dụng lên mỗi xe:

begin{aligned}F_1(t)&=m_1a_1(t).\F_2(t)&=m_2a_2(t).end{aligned}

Do vậy, so sánh F_1 và F_2 trong giai đoạn tương tác, ta có thể kiểm tra định luật III Newton.

Quy trình thí nghiệm

Thiết lập thí nghiệm

Bố trí thiết bị thí nghiệm như hình 1, để ý sắp xếp các dây dẫn tín hiệu sao cho các xe không bị vướng víu khi chuyển động. Khởi động phần mềm CASSY Lab 2, dùng chuột để khai báo cổng đầu vào cho cảm biến như ô tròn màu đỏ trên hình 3.

Tại khung Settings (hình 4), khai báo biến số cần đo là Acceleration a_{A1} (a=F/m) và Acceleration a_{B1} (a=F/m). Điều này sẽ giúp ta thu được giá trị gia tốc a_1 và a_2 liên tục theo thời gian thông qua gia tốc kế.

Nhấp chuột vào Acceleration a_{A1} trên khung Setting để xuất hiện khung tuỳ chọn như hình 5. Ta thiết lập các tham số sau đây:

– Meas. time: giới hạn thời gian đo khoảng 1.5 s, có nghĩa việc thu thập dữ liệu sẽ tự động dừng lại sau khi khởi động phép đo 1.5 s. – Interval: chọn khoảng thời gian giữa hai lần đọc dữ liệu liên tiếp là 1 ms. – Trigger: kích hoạt Trigger với a_{A1}=0.3,mathrm{m/s^2}, Rising. Điều này sẽ giúp phần mềm có khả năng tự khởi động quá trình ghi dữ liệu khi xe 1 bị đẩy về phía trước.

Gia tốc kế 2 cắm vào xe 2 từ phía bên phải, do đó giá trị xuất ra của gia tốc a_2 sẽ bị trái dấu. Hơn nữa cảm biến này kém nhạy hơn gia tốc kế 1 khoảng 1.2 lần. Để khắc phục lỗi này, cần nhấp chuột vào Acceleration a_{B1} trên khung Setting, kích vào Correct (hình 5) để hiện ra khung Correct Measured Values như hình dưới. Nhập giá trị -1.2 vào ô Factor rồi nhấp Correct Factor, Close.

Khảo sát va chạm đàn hồi

Ta sẽ khảo sát 3 trường hợp va chạm tương ứng với 3 cặp khối lượng m_1 và m_2 khác nhau.

– Trường hợp 2: m_1approx m_2 – Trường hợp 3: m_1<m_2

Khối lượng được đo bằng cân.

Trong mỗi trường hợp ta tiến hành quy trình thu thập dữ liệu va chạm sau đây:

– Đặt xe 2 khoảng gần giữa thanh ray, có thể hơi chếch về bên phải một chút. – Kéo xe 1 về gần rìa bên trái của thanh ray. – Vào Acceleration a_{A1} trên khung Setting, nhấp chuột vào nút rightarrow 0leftarrow để thiết lập cho a_1=0. Tương tự vào Acceleration a_{B1} , nhấp chuột vào nút rightarrow 0leftarrow để thiết lập cho a_2=0. – Vào Menu Measurement, chọn Start/Stop Measurement để khởi động quá trình đo cho phần mềm CASSY Lab 2. Chương trình máy tính tạm thời sẽ ở chế độ chờ. – Đẩy xe 1 chạy về phía bên phải. Cú đẩy cần nhanh gọn, nhẹ nhàng, buông tay sớm. Cảm biến gia tốc sẽ thu được giá trị vượt ngưỡng trigger (0.3,mathrm{m/s^2}) làm phép đo được kích hoạt. *Lưu ý đẩy vào xe nhưng không đẩy nhầm vào gia tốc kế gắn ở đuôi xe.

Đồ thị gia tốc theo thời gian a_1(t) và a_2(t) được vẽ ra trực tiếp như hình 2. Chụp ảnh màn hình giao diện lúc này của phần mềm, lưu lại.

Nhìn vào các đồ thị a_1(t) và a_2(t) trên phần mềm, ta đánh dấu thời điểm bắt đầu tương tác và kết thúc tương tác để sao chép 3 cột dữ liệu t, a_1 và a_2 vào file Excel, sao cho dữ liệu chỉ thuộc giai đoạn tương tác. Nhớ ghi chú rõ khối lượng m_1 và m_2. Dữ liệu trình bày như hình 7 bên dưới.

Xử lý dữ liệu

Có được dữ liệu thực nghiệm a_1(t) và a_2(t) tại mỗi thời điểm, ta có thể tính được lực tác dụng lên mỗi xe trượt tại thời điểm ấy nhờ định luật II Newton:

begin{aligned}F_1(t)&=m_1a_1(t).\F_2(t)&=m_2a_2(t).end{aligned}

Cách tính trên Excel miêu tả như hình 7.

Động lượng mỗi vật thu được tính theo tích phân (1) và (2):

begin{aligned}Delta p_1&=intlimits_{t_1}^{t_2}{F_1(t),dt}approxsumlimits_{t_1}^{t_2}{F_1(t)Delta t}.\Delta p_2&=intlimits_{t_1}^{t_2}{F_2(t),dt}approxsumlimits_{t_1}^{t_2}{F_2(t)Delta t}.end{aligned}

Trên Excel tính từng giá trị F_1(t)Delta t và F_2(t)Delta t theo từng ô như minh hoạ trên hình 8, rồi tính tổng bằng hàm Sum.

Vẽ đồ thị a_1(t) và a_2(t) trên cùng một hệ trục. Tương tự vẽ đồ thị F_1(t) và F_2(t) trên cùng một hệ trục. Nêu nhận định và giải thích kết quả thu được. So sánh động lượng mỗi xe nhận được trong tương tác.

Hình 9, 10 thể hiện dạng đồ thị tham khảo của gia tốc và lực tương tác. Phần diện tích bên trên và bên dưới của đồ thị hình 10 thể hiện phần động lượng mà mỗi xe nhận được.

Khi Định Luật Iii Newton Bị Vi Phạm

Khi định luật III Newton bị vi phạm

Cho dù bạn biết tên gọi của nó hay không, nhưng mọi người chúng ta đều quen thuộc với định luật III Newton – định luật phát biểu rằng với mỗi tác dụng luôn có một phản tác dụng bằng về độ lớn và ngược chiều. Bạn có thể nhìn thấy quan điểm này trong nhiều tình huống hằng ngày, ví dụ khi đi bộ, bàn chân của người đạp xuống mặt đất, và mặt đất đẩy lại một lực bằng về độ lớn và ngược chiều. Định luật III Newton còn thiết yếu cho việc tìm hiểu và phát triển xe hơi, máy bay, tên lửa, tàu thuyền, và nhiều công nghệ khác.

Mặc dù là một trong những định luật cơ bản của vật lí học, nhưng định luật III Newton có thể bị vi phạm trong những tình huống phi cân bằng nhất định. Khi hai vật hay hai hạt vi phạm định luật III, người ta nói chúng có tương tác phi tương hỗ. Các vi phạm có thể xảy ra khi môi trường tham gia vào tương tác giữa hai hạt theo một cách nào đó, ví dụ khi môi trường chuyển động so với hai hạt. (Tất nhiên, định luật III Newton vẫn đúng cho hệ “hạt-cộng-với-môi-trường” hoàn chỉnh.)

Trong các thí nghiệm mới, hai lớp vi hạt lơ lửng ở độ cao khác nhau phía trên một điện cực đã cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát cơ học thống kê của các tương tác phi tương hỗ vi phạm định luật III Newton. Ảnh: A. V. Ivlev, et al. CC-BY-3.0

Mặc dù đã có vô số thí nghiệm trên các hạt với tương tác phi tương hỗ, nhưng người ta chẳng biết gì nhiều về cái đang xảy ra ở mức vi mô – cơ học thống kê – của những hệ này.

Trong một bài báo mới công bố trên tạp chí Physical Review X, Alexei Ivlev, cùng các cộng sự, đã khảo sát cơ học thống kê của những loại tương tác phi tương hỗ khác nhau và phát hiện một số kết quả bất ngờ – chẳng hạn các gradient nhiệt độ cực độ có thể phát sinh ở cấp độ hạt.

“Tôi nghĩ ý nghĩa to lớn nhất của công trình của chúng tôi là chúng tôi đã chứng minh chặt chẽ rằng những họ nhất định của những hệ về căn bản không cân bằng có thể được mô tả chính xác theo cơ học thống kê cân bằng (tức là người ta có thể suy ra một giả-Hamiltonian mô tả những hệ như thế),” phát biểu của Ivlev tại Viện Max Planck Vật lí Ngoài địa cầu ở Garching, Đức. “Một trong những hàm ý hấp dẫn nhất là, chẳng hạn, người ta có thể quan sát một hỗn hợp gồm hai chất lỏng cân bằng, nhưng mỗi chất lỏng có nhiệt độ riêng của nó.”

Một ví dụ của một hệ tương tác phi tương hỗ mà các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng thí nghiệm trong nghiên cứu của họ là các vi hạt tích điện lơ lửng phía trên một điện cực trong một buồng plasma. Sự vi phạm định luật III Newton phát sinh từ thực tế hệ gồm hai loại vi hạt lơ lửng ở độ cao khác nhau do kích cỡ và tỉ trọng khác nhau của chúng. Điện trường trong buồng lái một dòng plasma thẳng đứng, giống như một dòng chảy trên sông, và mỗi vi hạt tích điện tập trung các ion plasma đang chảy xuôi dòng, tạo ra một lằn plasma thẳng đứng phía sau nó.

Mặc dù lực đẩy xảy ra do các tương tác trực tiếp giữa hai lớp hạt là tương hỗ, nhưng các lực hút lằn-hạt giữa hai lớp thì không. Đây là do các lực lằn giảm theo khoảng cách đến điện cực, và các lớp đang lơ lửng ở độ cao khác nhau. Kết quả là lớp hạt ở dưới tác dụng một lực toàn phần lên lớp trên lớn hơn lực mà lớp trên tác dụng lên lớp hạt ở dưới. Vì thế, lớp trên có động năng trung bình lớn hơn (và do đó có nhiệt độ cao hơn) lớp ở dưới. Bằng cách điều chỉnh điện trường, các nhà nghiên cứu còn có thể làm tăng hiệu độ cao giữa hai lớp, từ đó làm tăng thêm hiệu nhiệt độ.

“Bình thường, tôi hơi bảo thủ một chút khi nghĩ về loại tiềm năng ‘trước mắt’ mà một khám phá nhất định (chí ít trong vật lí học) có thể có,” Ivlev nói. “Tuy nhiên, cái tôi khá chắc chắn là các kết quả của chúng tôi mang lại một bước quan trọng hướng đến hiểu rõ hơn những loại hệ phi cân bằng nhất định. Có vô số ví dụ của những hệ phi cân bằng rất khác nhau trong đó đối xứng tác dụng-phản tác dụng bị phá vỡ trong các tương tác liên hạt, nhưng chúng tôi chứng minh rằng, tuy vậy, người ta có thể tìm thấy một đối xứng căn bản cho phép chúng ta mô tả những hệ như vậy theo cơ học thống kê (cân bằng) trong sách vở.”

Trong khi thí nghiệm plasma trên là một ví dụ của sự đối xứng tác dụng-phản tác dụng bị phá vỡ trong một hệ 2D, thì đối xứng này cũng có thể xảy ra trong những hệ 3D. Các nhà khoa học trông đợi cả hai loại hệ biểu hiện hành trạng khác lạ và nổi bật, và họ hi vọng nghiên cứu kĩ hơn những hệ này trong tương lai.

Nguồn: chúng tôi align=”right”>Vui lòng ghi rõ “Nguồn chúng tôi khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Vật Lý 6 Bài 9: Lực Đàn Hồi

VnDoc xin giới thiệu bài Lý thuyết Vật lý lớp 6 bài 9: Lực đàn hồi tổng hợp các kiến thức về lực đàn hồi cho các em học sinh tham khảo, củng cố kỹ năng giải bài tập Vật lý lớp 6 chương 1 bài 9, chuẩn bị cho các bài thi trong năm học. Mời các em học sinh tham khảo chi tiết nội dung bài Vật lý 6 bài 9.

Lưu ý: Nếu bạn muốn Tải bài viết này về máy tính hoặc điện thoại, vui lòng kéo xuống cuối bài viết

A. Lý thuyết Vật lý 6 bài 9

1. Biến dạng đàn hồi – Độ biến dạng

– Biến dạng đàn hồi: Khi chịu tác dụng của lực, hình dạng ban đầu của vật bị thay đổi thì vật đó bị biến dạng. Nếu khi không còn tác dụng của lực nữa, vật đó có thể trở về hình dạng ban đầu, ta nói biến dạng của vật là biến dạng đàn hồi. Vật có tính chất như vậy gọi là vật có tính đàn hồi.

– Độ biến dạng: Một lò xo một đầu được móc vào một cái giá.

+ Chiều dài ban đầu của nó là

+ Sau khi treo vào đầu kia một quả nặng, chiều dài của nó là

Thì độ biến dạng của lò xo khi đó:

2. Lực đàn hồi

Lực của vật có tính đàn hồi xuất hiện khi bị biến dạng tác dụng lên vật khác (vật mà nó tiếp xúc) được gọi là lực đàn hồi.

Ví dụ: Lực của lò xo tác dụng lên quả nặng ở trường hợp vừa nêu trên là lực đàn hồi.

3. Những đặc điểm của lực đàn hồi

– Độ lớn của lực đàn hồi phụ thuộc vào độ biến dạng của vật đàn hồi: Độ biến dạng càng lớn (trong giới hạn cho phép) thì độ lớn của lực đàn hồi càng lớn. Ngược lại, độ biến dạng càng nhỏ thì độ lớn của lực đàn hồi càng nhỏ.

Treo lần lượt các quả nặng vào đầu dưới của lò xo. Khi trọng lượng của quả nặng tăng ⇒ độ biến dạng của lò xo tăng. Mà cường độ lực đàn hồi của lò xo bằng cường độ của trọng lực ⇒ Khi độ biến dạng của lò xo tăng, lực đàn hồi của lò xo cũng tăng.

– Độ lớn của lực đàn hồi còn phụ thuộc vào bản chất của vật đàn hồi. Vật đàn hồi thường được làm bằng thép hoặc đồng thau, vì thép và đồng thau có tính đàn hồi rất tốt.

Lưu ý: Lò xo là vật có tính đàn hồi, khi ta kéo nó một lực lớn (quá giới hạn cho phép) thì lò xo giãn ra quá mức, khi đó nó không thể trở về hình dạng và kích thước ban đầu được, nó đã bị mất tính đàn hồi.

4. Ứng dụng thực tế

Bộ phận quan trọng của thiết bị này là chiếc lò xo. Khi đẩy cánh cửa mở ra, lò xo bị biến dạng. Khi đi ra xa khỏi cửa, lực đàn hồi của lò xo kéo cánh cửa tự động khép lại

5. Phương pháp giải

Cách xác định độ lớn của lực đàn hồi

– Dựa vào hiện tượng ta xác định lực cân bằng với lực đàn hồi.

– Xác định độ lớn của lực cân bằng đó.

– Dựa vào yếu tố của hai lực cân bằng ta xác định được độ lớn của lực đàn hồi đúng bằng độ lớn của lực cân bằng với nó.

B. Trắc nghiệm Vật lý 6 bài 9

Trọng lực của một quả nặng

Lực hút của một nam châm tác dụng lên một miếng sắt

Lực đẩy của lò xo dưới yên xe đạp

Lực kết dính giữa một tờ giấy dán trên bảng với mặt bảng.

Câu 2. Chọn “Đúng” nếu vật có tính chất đàn hồi?

Một cục đất sét

Một hòn đá

Một quả bóng cao su

Một chiếc lưỡi cưa

Một quả bóng bàn

Một đoạn dây đồng nhỏ

Câu 3. Hãy dùng những từ thích hợp trong khung để điền vào chỗ trống trong các câu sau:

Quan sát một cái cung bằng tre treo trên tường, ta thấy dây cung làm cho cách cung bị cong đi (H9.1a)

a) Cánh cung đã bị biến dạng. Cánh cung là một vật có tính chất đàn hồi khi nó bị biến dạng, nó sẽ tác dụng vào hai đầu dây cung hai lực đàn hồi. Hai lực này cùng tác dụng vào dây cung, chúng nó cùng phương, ngược chiều và là hai lực cân bằng.

b) Một người đứng yên trên một tấm ván mỏng. Tấm ván bị cong đi (H9.1b). Nó đã bị biến dạng đó là do kết quả tác dụng của trọng lượng của người. Tấm ván là vật có tính chất đàn hồi. Khi bị cong, nó sẽ tác dụng vào người một lực đàn hồi. Lực này và trọng lượng của người là hai lực cân bằng.

c) Một người ngồi trên một chiếc xe đạp. Dưới tác dụng của trọng lượng của người, lò xo ở yên xe bị nén xuống. Nó đã bị biến dạng. Lò xo ở yên xe là vật có tính chất đàn hồi. Khi biến dạng, nó sẽ tác dụng vào người một lực đàn hồi đẩy lên. Lực này và trọng lượng của hai người là hai lực cân bằng.

Câu 4. Biến dạng của vật nào dưới dây là biến dạng đàn hồi?

Câu 5. Treo thẳng đứng một lò xo, đầu dưới gắn với một quả cân? 100g thì lò xo có độ dài là 11cm; nếu thay bằng quả cân 200g thì lò xo có độ dài là 11,5cm. Hỏi nếu treo quả cân 500g thì lò xo có độ dài bao nhiêu?

12cm

12,5cm

13cm

13,5cm.

Câu 6. Nếu treo quả cân 1kg vào một cái “cân lò xo” của cân có độ dài 10cm. Nếu treo quả cân 0,5kg thì lò xo có độ dài 6cm. Hỏi nếu treo quả cân 200g thì lò xo sẽ có độ dài bao nhiêu?

7,6cm

5cm

3,6cm

2,4cm.

a) Treo một quả bóng nặng vào một lò xo. Lò xo sẽ bị dãn ra; nén.

b) Lực mà lò xo tác dụng vào quả nặng là lực đàn hồi; lực kéo.

c) Quả nặng đứng yên. Nó chịu tác dụng đồng thời của hai lực là lực đàn hồi và trọng lực

d) Hai lực này cân bằng lẫn nhau; không cân bằng.

Câu 8. Nếu treo một quả cân 100g vào một sợi dây cao su thì khi đã đứng yên quả cân chịu tác dụng

Chỉ của trọng lực có độ lớn 1N

Chỉ của lực đàn hồi có độ lớn là 10N

Của trọng lực có độ lớn 1N và lực đàn hồi có độ lớn 1N

Của trọng lực có độ lớn 1N và lực đàn hồi có độ lớn 10N.

Câu 9. Lần lượt treo vào một lò xo các vật có khối lượng m 1, m 2, m 3 thì lò xo dãn ra như hình vẽ ở hình 9.2. Hãy so sánh các khối lượng m 1, m 2, m 3

Với nội dung bài Vật lý 6 bài 9: Lực đàn hồi các bạn học sinh cùng quý thầy cô cần nắm vững kiến thức về khái niệm, đặc điểm và vai trò của lực đàn hồi…

№ 116 – Bảo Toàn Moment Động Lượng Trong Chuyển Động Quay – Vật Lý Mô Phỏng

Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm này giúp nghiệm lại định luật cơ bản nhất trong chuyển động quay của hệ vật cô lập: Định luật bảo toàn moment động lượng. Bên cạnh đó, ta cũng có thể kiểm tra lại phép bảo toàn cơ năng trong va chạm đàn hồi của sự quay.

Định luật cơ bản của sự quay

Để nói về định luật cơ bản của sự quay, ta thiết lập thí nghiệm bố trí như hình 1, với đối tượng khảo sát là hai đĩa quay có cùng trục quay. Mỗi đĩa vốn có thể quay độc lập không ảnh hưởng lên đĩa còn lại. Gọi đĩa trên là đĩa 1, đĩa dưới là đĩa 2.

Ma sát trên ổ bi trục quay được hạn chế còn rất nhỏ. Nếu đẩy nhẹ một đĩa, chẳng hạn đĩa trên, nó có thể duy trì sự quay trong thời gian dài với mất mát đủ nhỏ có thể bỏ qua. Ta nói rằng moment động lượng L_1 của đĩa được bảo toàn:

L_1=I_1omega_1=mathrm{const},

trong đó I_1 là moment quán tính của đĩa 1, omega_1 là vận tốc góc của nó. Quả thực, bản thân đĩa 1 là vật cô lập về phương diện tác dụng lực: cả trọng lực lẫn phản lực tác dụng lên đĩa đều có điểm đặt trên trục quay và không sinh ra moment lực. Sự bảo toàn moment động lượng trên chỉ một đĩa như thế rất dễ kiểm tra.

Tình huống phức tạp hơn xảy ra khi hệ quay xảy ra tương tác bên trong. Chúng ta xét hệ cô lập cấu thành từ cả hai đĩa. Lúc này hệ không còn là một vật cứng nữa mà cấu thành từ nhiều thành phần chuyển động tương đối với nhau. Nhưng dù phức tạp đến mấy, định luật bảo toàn moment động lượng đã khẳng định rằng tổng moment động lượng của hệ đĩa luôn được bảo toàn:

L_1+L_2=I_1omega_1+I_2omega_2=mathrm{const}.

Tương tác diễn ra bên trong hệ nói trên được thực hiện thông qua va chạm giữa hai đĩa. Mỗi đĩa gắn thêm một “mấu va chạm” ở rìa (hình 1), sao cho khi quay các đĩa không còn tự do mà ảnh hưởng lẫn nhau. Có hai trường hợp đặc biệt:

– Va chạm tuyệt đối đàn hồi. Khi va chạm, động năng dần chuyển sang thế năng của biến dạng trên hai mấu va chạm, rồi chuyển ngược lại thành động năng khi hai mấu xô đẩy nhau ra. – Va chạm tuyệt đối không đàn hồi, còn gọi vắn tắt là va chạm mềm. Sau va chạm, toàn bộ mọi chuyển động tương đối giữa các thành phần của hệ hoàn toàn bị triệt tiêu, có nghĩa hai đĩa cùng quay như một khối thống nhất. Cơ năng trong va chạm này không được bảo toàn. Phần động năng của chuyển động tương đối hoàn toàn bị chuyển hoá thành nhiệt.

Dù trường hợp nào đi nữa, mặc cho cơ năng có bảo toàn hay không, tổng moment động lượng trước và sau va chạm vẫn không thay đổi:

I_1omega_1+I_2omega_2=I_1omega_1^{prime}+I_2omega_2^{prime}.

Ta có thể tính toán trạng thái của hệ sau va chạm nhờ vận dụng những tính chất ấy.

Va chạm đàn hồi

Ngoài sự bảo toàn moment động lượng, cơ năng cũng được bảo toàn. Từ đó hình thành hệ phương trình:

begin{aligned}I_1omega_1+I_2omega_2&=I_1omega_1^{prime}+I_2omega_2^{prime},\frac{1}{2}I_1omega_1^2+frac{1}{2}I_2omega_2^2&=frac{1}{2}I_1omega_1^{prime 2}+frac{1}{2}I_2omega_2^{prime 2}.end{aligned}

Giải hệ phương trình thu được:

omega_1^{prime}=frac{2I_2omega_2+(I_1-I_2)omega_1}{I_1+I_2},tag{1}

omega_2^{prime}=frac{2I_1omega_1+(I_2-I_1)omega_2}{I_1+I_2}.tag{2}

Một trường hợp rất đặc biệt của tương tác đàn hồi là khi ta ép hai đĩa vào nhau, tạo thế năng tương tác giữa hai “mấu va chạm”, từ trạng thái đứng yên omega_1=omega_2=0 hai đĩa đẩy nhau ra và quay với vận tốc omega_1′ và omega_2′. Định luật bảo toàn moment động lượng vẫn tuân thủ nghiêm ngặt:

0=I_1omega_1^{prime}+I_2omega_2^{prime},

hay

frac{omega_1^{prime}}{omega_2^{prime}}=-frac{I_2}{I_1}.tag{3}

Va chạm mềm

Trường hợp này chỉ có định luật bảo toàn moment động lượng được vận dụng, kết hợp dữ kiện toàn bộ hệ hai đĩa kết thành một khối thống nhất sau va chạm và có cùng vận tốc góc omega^{prime}:

I_1omega_1+I_2omega_2=(I_1+I_2)cdotomega^{prime}.

Suy ra:

omega^{prime}=frac{I_1omega_1+I_2omega_2}{I_1+I_2}.tag{4}

Những loại va chạm trung gian giữa tuyệt đối đàn hồi và tuyệt đối không đàn hồi chúng ta tạm thời không xét đến.

Nguyên lý phép đo

Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát va chạm giữa hai đĩa trong hình 1. Hai cảm biến quang học đặt sát rìa các đĩa quay ở hai bên có vai trò trong việc đo các vận tốc quay omega_1, omega_2 trước va chạm và đo omega_1^{prime}, omega_2^{prime} sau va chạm. Mỗi khi lá cờ hiệu quét qua cảm biến, vận tốc góc sẽ được đo đạc và truyền về máy tính. Có được giá trị thực nghiệm, ta có thể so sánh với kết quả tính bằng công thức lý thuyết (1), (2), (3) và (4).

Thí nghiệm va chạm đàn hồi và va chạm mềm tiến hành gần như tương tự nhau, chỉ khác nhau ở cách bố trí “mấu va chạm”. Trên mỗi mấu va chạm đính một viên nam châm. Muốn tạo nên va chạm đàn hồi, ta sắp đặt sao cho hai mấu đẩy nhau như hình 2. Còn muốn tạo va chạm mềm, ta làm cho chúng hút nhau như hình 3.

Có 4 trạng thái ban đầu dẫn đến va chạm của hai đĩa:

– Trường hợp 1: cả hai đĩa cùng lao đến về phía nhau – Trường hợp 2: đĩa 1 đứng yên còn đĩa 2 lao đến va chạm – Trường hợp 3: đĩa 2 đứng yên còn đĩa 1 lao đến va chạm – Trường hợp 4: cả hai đĩa bị ép vào nhau bằng tay rồi buông ra

Quán tính của mỗi đĩa có thể thay đổi được bằng cách thêm bớt các đĩa kim loại. Bản thân mỗi đĩa trần bằng nhựa đã có moment quán tính bằng 10^{-3},mathrm{kgcdot m^2}, khi gắn thêm mỗi đĩa kim loại moment quán tính tăng thêm 10^{-3},mathrm{kgcdot m^2}. Cách tháo lắp đĩa kim loại miêu tả trong hình 4.

Quy trình thí nghiệm

Đầu tiên cần lấy thông tin về cấu trúc của mỗi đĩa quay từ giảng viên. Thêm bớt đĩa kim loại theo đúng yêu cầu đã cho. Đặt cảm biến E và F theo đúng miêu tả trên hình 1. Cảm biến E đặt bên phải, cắm vào CASSY ở cổng bên trái. Cảm biến F đặt bên trái, cắm vào CASSY ở cổng bên phải.

Chiều dương quy ước chọn theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.

Thiết lập thí nghiệm

Khởi động phần mềm CASSY Lab 2, khai báo cổng đầu vào cho cảm biến như ô tròn màu đỏ hình 5.

Tại khung Settings (hình 6), khai báo 4 biến số cần đo là omega_1, omega_2, omega_1^{prime}, omega_2^{prime}, tương ứng với vận tốc góc của mỗi đĩa trước và sau va chạm.

Nhấp chuột vào biến số omega_1 để xuất hiện khung tuỳ chọn như hình 7. Cần thiết lập các tham số sau đây:

– Range: phạm vi cần đo chọn 5,mathrm{rad/s}. – Radius: chọn bán kính đĩa quay bằng 0.1,mathrm{m}. – Flag: chiều rộng của cờ hiệu, cũng là quãng đường mà đĩa sẽ quét qua tia hồng ngoại của cảm biến, thiết lập 17.5,mathrm{mm}.

Khảo sát va chạm đàn hồi

Sắp đặt sao cho hai mấu va chạm đẩy nhau như hình 2.

Lưu ý: mỗi đĩa sau va chạm chỉ được quét cờ hiệu của nó qua đúng 01 cảm biến E hoặc F. Nếu một đĩa nào đó chuẩn bị quét sang cảm biến thứ hai, cần ngăn nó lại bằng tay!

Ta tiến hành bốn trường hợp va chạm.

Trường hợp 1: cả hai đĩa cùng lao đến về phía nhau

– Trong mục Trolley Position before Impact của phần mềm CASSY Lab 2 chọn thứ tự bố trí 1-E-F-2 (approaching each other). – Đưa hai đĩa về vị trí ban đầu như hình dưới, theo đúng thứ tự 1-E-F-2 ngược chiều kim đồng hồ. – Bấm chuột vào nút rightarrow 0leftarrow để quy 0, cho phép thực hiện phép đo mới. – Dùng hai tay đồng thời đẩy hai đĩa về phía ngược nhau: đĩa 1 theo chiều dương, đĩa 2 theo chiều âm. – Ghi giá trị của omega_1 omega_2, omega_1^{prime}, omega_2^{prime} vào bảng 1.

Trường hợp 2: đĩa 1 đứng yên còn đĩa 2 lao đến va chạm

– Trong mục Trolley Position before Impact của phần mềm CASSY Lab 2 chọn thứ tự bố trí E-1-F-2 (trolley 1 at rest). – Đưa hai đĩa về vị trí ban đầu như hình dưới, theo đúng thứ tự E-1-F-2 ngược chiều kim đồng hồ. – Bấm chuột vào nút rightarrow 0leftarrow để quy 0, cho phép thực hiện phép đo mới. – Đẩy nhẹ đĩa 2 về phía chiều âm cho va chạm với đĩa 1 đang đứng yên. – Ghi giá trị của omega_1, omega_2, omega_1^{prime}, omega_2^{prime} vào bảng 1.

Trường hợp 3: đĩa 2 đứng yên còn đĩa 1 lao đến va chạm

– Trong mục Trolley Position before Impact của phần mềm CASSY Lab 2 chọn thứ tự bố trí 1-E-2-F (trolley 2 at rest). – Đưa hai đĩa về vị trí ban đầu như hình dưới, theo đúng thứ tự 1-E-2-F ngược chiều kim đồng hồ. – Bấm chuột vào nút rightarrow 0leftarrow để quy 0, cho phép thực hiện phép đo mới. – Đẩy nhẹ đĩa 1 về phía chiều dương cho va chạm với đĩa 2 đang đứng yên. – Ghi giá trị của omega_1, omega_2, omega_1^{prime}, omega_2^{prime} vào bảng 1.

Trường hợp 4: cả hai đĩa bị ép vào nhau bằng tay rồi buông ra

– Trong mục Trolley Position before Impact của phần mềm CASSY Lab 2 chọn thứ tự bố trí E-1-2-F (explosion). – Đưa hai đĩa về vị trí ban đầu như hình dưới, theo đúng thứ tự E-1-2-F ngược chiều kim đồng hồ. – Bấm chuột vào nút rightarrow 0leftarrow để quy 0, cho phép thực hiện phép đo mới. – Dùng hai tay ép nhẹ hai đĩa vào với nhau, sau đó đột ngột thả hai tay ra cho hai đĩa xô đẩy nhau. – Ghi giá trị của omega_1, omega_2, omega_1^{prime}, omega_2^{prime} vào bảng 1.

Khảo sát va chạm mềm

Sắp đặt sao cho hai mấu va chạm hút nhau như hình 3. Ta tiến hành hai trường hợp va chạm.

Trường hợp 1: đĩa 1 đứng yên còn đĩa 2 lao đến va chạm

Trường hợp 2: đĩa 2 đứng yên còn đĩa 1 lao đến va chạm

Xử lý dữ liệu

Từ bảng 1 tính giá trị lý thuyết của vận tốc các đĩa sau va chạm trong 3 trường hợp đầu theo công thức (1), (2):

begin{aligned}omega_1^{prime}&=frac{2I_2omega_2+(I_1-I_2)omega_1}{I_1+I_2},\omega_2^{prime}&=frac{2I_1omega_1+(I_2-I_1)omega_2}{I_1+I_2}.end{aligned}

Còn trường hợp thứ tư cần kiểm tra sự đúng đắn của hệ thức (3):

frac{omega_1^{prime}}{omega_2^{prime}}=-frac{I_2}{I_1}.

Từ bảng 2 tính giá trị lý thuyết của vận tốc các đĩa sau va chạm theo công thức (4):

omega_1^{prime}=omega_2^{prime}=frac{I_1omega_1+I_2omega_2}{I_1+I_2}.

So sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm.

Cập nhật thông tin chi tiết về № 114A – Kiểm Chứng Định Luật Iii Newton Trong Va Chạm Đàn Hồi – Vật Lý Mô Phỏng trên website 2atlantic.edu.vn. Hy vọng nội dung bài viết sẽ đáp ứng được nhu cầu của bạn, chúng tôi sẽ thường xuyên cập nhật mới nội dung để bạn nhận được thông tin nhanh chóng và chính xác nhất. Chúc bạn một ngày tốt lành!