Bài 13: Thực hành: Xác định chu kì dao động của con lắc đơn hoặc con lắc lò xo và gia tốc trọng trường - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao

Bài 13: Thực hành: Xác định chu kì dao động của con lắc đơn hoặc con lắc lò xo và gia tốc trọng trường

Báo cáo thực hành: Xác định chu kì dao động của con lắc đơn hoặc con lắc lò xo và gia tốc trọng trường

I. Mục đích thí nghiệm

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

+ Thực hiện được một trong hai phương án để xác định chu kì dao động của con lắc đơn.

+ Tính được gia tốc trọng trường từ kết quả thí nghiệm trên.

+ Củng cố kiến thức về dao động cơ, kĩ năng sử dụng thước đo độ dài và đồng hồ đo thời gian. Bước đầu làm quen với hiện tượng thí nghiệm ảo.

II. Cơ sở lý thuyết của phương án thí nghiệm.

+ Khái niệm về con lắc đơn, con lắc lò xo, điều kiện dao động nhỏ.

+ Các công thức về dao động của con lắc đơn và con lắc lò xo.

- Đối với con lắc đơn: s = s₀cosω t;

- Đối với con lò xo: x = x₀cosω t;

Cần lưu ý đến tác dụng của gia tốc trọng trường đối với dao động của con lắc đơn và con lắc lò xo thẳng đứng.

III. Tiến trình thí nghiệm

* Dụng cụ thí nghiệm.

+ Một giá đỡ cao 1m để treo con lắc, có tấm chỉ thị nằm ngang với các vạch chia đối xứng.

+ Một cuộn chỉ.

+ Một đồng hồ bấm dây (hoặc đồng hồ đeo tay có kim giây).

+ Một thước đo độ dài có độ chia tới milimét.

+ Quả nặng cỡ 20 – 50 g có móc treo.

* Tiến trình thí nghiệm.

+ Bước 1: Tạo một con lắc đơn với độ dài dây treo cỡ 75cm và quả nặng cỡ 50 g, treo lên giá đỡ sao cho dây treo gần sát với tấm chỉ thị.

+ Bước 2: Cho con lắc dao động với góc lệch ban đầu α₀ < 5º và điều chỉnh sao cho mặt phẳng dao động của con lắc song song với tấm chỉ thị. Sau đó đo thời gian t để con lắc thực hiện lần lượt 20 dao động. Lặp lại hai lần để có các giá trị t₁, t₂. Ghi số liệu vào bảng.

+ Bước 3: Thay thế quả nặng của con lắc bằng quả nặng 20g và lặp lại thí nghiệm như bước 2 để có các giá trị t₃, t₄; so sánh với t₁, t₂.

+ Bước 4: Đổi góc lệch ban đầu α₀ cỡ 10º và làm lại thí nghiệm với con lắc ở bước 3 để có các giá trị t₅, t₆ rồi ghi số liệu vào bảng 13.1

+ Bước 5: Từ các giá trị ti, hãy nhận xét và tìm cách tính chu kỳ T của con lắc, từ đó tính g tại nơi làm thí nghiệm. Ghi số liệu vào bảng.

IV. Kết quả thí nghiệm.

Bảng 13.1

Lần đo	Độ dài	Khối lượng	Góc α0	t = 20T	T
1	80cm	50g	5º	36,7s	1,835s
2	80cm	50g	5º	37,5s	1,875s
3	80cm	20g	5º	36,2s	1,810s
4	80cm	20g	5º	36,9s	1,845s
6	80cm	20g	9º	38,8s	1,940s

+ Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng của con lắc m đối với chu kỳ dao động T:

- Ta thấy T₁ = 1,835s, T₂ = 1,875s rất gần với giá trị T₃ = 1,810s, T₄ = 1,845s nên chu kỳ dao động T của con lắc đơn ko thay đổi nhiều khi thay đổi khối lượng con lắc.

=> Chu kỳ của con lắc đơn dao động nhỏ (α < 10º) không phụ thuộc vào khối lượng của con lắc.

+ Khảo sát ảnh hưởng của biên độ dao động đối với chu kỳ T của con lắc đơn.

- Ta nhận thấy chu kỳ của con lắc đơn với biên độ góc nhỏ hơn 10º không thay đổi nhiều theo biên độ góc. Tuy nhiên, biên độ góc càng lớn thì sự chênh lệch chu kỳ càng rõ hơn.

- Bỏ qua ma sát, sai số trong quá trình đo đạc và ghi nhận ta có thể khẳng định: Con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ (α < 10º) thì coi là dao động điều hòa, chu kỳ của con lắc khi đó không phụ thuộc vào biên độ dao động.

+ Kết quả tính toán chu kỳ:

Chu kỳ: T = 1,87 ± 0,04 s

+ Kết quả tính toán gia tốc trọng trường g:

Vậy g = 9,03 ± 0,50 m/s²

Câu 1 (trang 65 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Có thể thí nghiệm về con lắc đơn với góc lệch tương tự như hình 7.1 (sgk) được không? Vì sao?

Bài giải:

Không thể làm thí nghiệm về con lắc đơn với góc lệch tương tự như hình 7.1(sgk) được vì: Với góc lệch lớn dao động này không còn là dao động điều hòa. Muốn dao động của của lắc đơn còn là dao động diều hòa thì góc lệch không quá 5⁰.

Câu 2 (trang 65): Người ta đã làm thí nghiệm xác định chu kì của một con lắc lò xo thẳng đứng ở chân núi, rồi làm lại ở đỉnh núi đó. Hỏi giá trị đo được ở nơi nào lớn hơn? Giải thích tại sao?

Bài giải:

Chu kì dao động của con lắc lò xo T = 2π √ (m/k). Chu kì dao động của con lắc lò xo không phụ thuộc vào gia tốc g, vì thế cũng không phụ thuộc vào độ cao. Vậy hai kết quả đo ở chân núi và đỉnh núi là hoàn toàn như nhau.

Bài 1 (trang 65 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Trong thí nghiệm với con lắc đơn đã làm, khi thay nặng 50g bằng một quả nặng 20g thì

A. Chu kì của con lắc tăng lên rõ rệt

B. chu kì của con lắc giảm đi rõ riệt.

C. tần số của con lắc giảm đi nhiều

D. tần số của con lắc hầu như không đổi.

Bài giải:

Đáp án đúng là: D.

Bài 2 (trang 65): Trong thí nghiệm con lắc đơn và con lắc lò xo thì gia tốc trọng trường

A. Chỉ ảnh hưởng tới chu kì dao động của con lắc lò xo đứng.

B. Không ảnh hưởng tới chu kì dao động của con lắc lò xo thẳng đứng và con lắc lò xo nằm ngang.

C. Chỉ ảnh hưởng tới chu kì dao động của con lắc lò xo nằm ngang.

D. Không ảnh hưởng tới chu kì con lắc.

Bài giải:

Đáp án đúng là: B.

Bài 3 (trang 65): Tại một điểm, người ta thấy được con lắc trong thời gian con lắc đơn A dao động được 10 chu kì thì con lắc đơn B thực hiện được 6 chu kì. Biết hiệu số độ dài của chúng là 16 cm, tìm độ dài của mỗi con lắc.

Bài giải:

Chu kì:

Giải ra ta được l₁ = 9cm; l₂ = 25 cm

Bài trước: Bài 12: Tổng hợp dao động - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao Bài tiếp: Bài 14: Sóng cơ. Phương trình sóng - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao