Trong bài báo cáo thực hành vật lý 12 về con lắc đơn này, chúng ta sẽ dự đoán chu kì dao động T của một con lắc đơn phụ thuộc vào những đại lượng biên độ, khối lượng chiều dài của nó như nào? Chúng ta sẽ phải làm như nào để kiểm tra các dự đoán đó bằng thí nghiệm? Đáp án báo cáo thực hành: khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn sẽ có ngay sau đây.
I. Mục đích của bài thực hành
Khảo sát thực nghiệm để tìm ra ảnh hướng của biên độ khối lượng, chiều dài con lắc đơn đối với chu kì dao động. Từ đó tìm ra công thức tính chu kì dao động và ứng dụng tính gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm.
II. Dụng cụ thí nghiệm
Ba quả nặng có móc treo 50g; một sợi dây mảnh dài 1m; một giá thí nghiệm dùng treo con lắc đơn, có cơ cấu điều chỉnh chiều dài con lắc đơn; một đồng hồ bấm giây (sai số không quá 0,2s) hoặc đồng hồ đo thời gian hiện số có cổng quang điện; một thước 500mm; một tờ giấy kẻ ô milimet (hoặc giấy kẻ ô vuông).
III. Tiến thành thí nghiệm
1. Chu kì dao động T của con lắc đơn phụ thuộc vào biên độ dao động như thế nào?
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 (tính từ điểm treo cố định đến trọng tâm của quả nặng) đúng bằng 50 cm.
Kéo quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng một khoảng A=3cm cho dây treo con lắc nghiêng đi một góc a 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 đỏ vào bảng 6.1
Thực hiện phép đo trên với các giá trị khác nhau của biên độ A (A=3,6,9,18 cm) rồi ghi tiếp các kết quả đo vào bảng 6.1
=> Định luật về chu kì của con lắc đơn với dao động với biên độ nhỏ: Con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ thì coi là dao động điều hòa, chu kì dao động của con lắc đơn khi đó không phụ thuộc vào biên độ dao động.
2. Chu kì dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào khối lượng m của con lắc như thế nào?
Mắc thêm các quả nặng để thay đổi khối lượng của con lắc đơn (m=50,100,150g), đồng thời điều chỉnh độ dài dây treo để giữu độ dài l của con lắc đơn không thay đổi vẫn đúng bằng 50 cm (lưu ý rằng khi thay đổi hoặc thêm bớt quả nặng thì trọng tâm của m thay đổi). Đo thời gian t con lắc thực hiện 10 dao động toàn phần với biên độ đủ nhỏ (xác định theo kết quả đo trên bảng 6.1) ứng với mỗi trường hợp, rồi ghi kết quả vào bảng 6.2
Từ bảng số liệu ta suy ra định luật về khối lượng của con lắc đơn dao động nhỏ ( góc a<100): Chu kỳ của con lắc đơn dao động nhỏ không phụ thuộc vào khối lượng của con lắc
3. Chu kì dao động T của con lắc đơn phụ thuộc vào chiều dài của con lắc đơn như thế nào?
Dùng con lắc đơn có m=50g, chiều dài l1=50 cm và đo thời gian 10 dao động toàn phần để xác định chu kì T1. Ghi vào bảng 6.3
Thay con lắc đơn có chiều dài lần lượt là l2 rồi l3(chiều dài của dây dao động từ 40cm đến 60cm) để đo thời gian 10 dao động toàn phần và xác định chu kì T2 và T3.
Tính bình phương các chu kì và các tỉ số:
Ghi các kết đo và tính được vào bảng 6.3
Phát biểu định luật về chiều dài của con lắc đơn: Chu kì dao động của con lắc đơn với biên độ nhỏ tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài của con lắc theo công thức
4. Kết luận
a) Từ các kết quả ở trên ta suy ra: Chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỉ, tại cùng một nơi, không phụ thuộc vào khối lượng và biên độ dao động của con lắc mà tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài của con lắc theo công thức:
Kết quả thí nghiệm cho ta thấy a=2,032
b) Theo công thức lí thuyết về chu kì dao động của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ:
So sánh kết quả đo a cho thấy công thức (*)đã được nghiệm đúng
c) Tính gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm theo giá trị a thu được từ thực nghiệm
V. Câu hỏi và bài tập sách giáo khoa
a) Câu hỏi về cơ sở lý thuyết
1. Con lắc đơn được cấu tạo như thế nào? Chiều dài l của con lắc đơn được đo như thế nào?
Đáp án: Con lắc đơn có cấu tạo gồm 1 vật nhỏ có khối lượng m được treo ở đầu của một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, dài l. Chiều dài 1 rất lớn so với kích thước quả cầu. Chiều dài của con lắc được xác định bằng cách đo khoảng cách từ điểm treo cố định đến trọng tâm của quả nặng.
Chiều dài l của con lắc đơn được đo bằng thước đo của giá thí nghiệm dùng treo con lắc đơn có cơ cấu điều chỉnh chiều dài con lắc đơn.
2. Cần làm thế nào để phát hiện ra sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ và biên độ dao động?
Đáp án: Để phát hiện sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào biên độ dao động, ta xác định các chu kì dao động của cùng một con lắc với chiều dài 1 không đổi, nhưng có biên độ A thay đổi. Đo thời gian dao động có biên độ A khác nhau.
3. Cần làm thế nào để phát hiện ra sự phụ thuộc của của chu kì dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào chiều dài l của con lắc đơn?
Đáp án: Để phát hiện sự phụ thuộc chu kỳ dao động T của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ vào chiều dài con lắc đơn ta khảo sát chu kỳ dao động T của con lắc đơn với chiều dài tăng dần, có 3 trường hợp có thể xảy ra:
+ l tăng thì T giảm
+ l tăng thì T không đổi hay l không phụ thuộcT
+ l tăng thì T tăng
4. Làm cách nào để xác định chu kì T với sai số khi dùng đồng hồ có kim giây? Cho biết sai số khi dùng đồng hồ này là
Đáp án: Để xác định chu kì T với sai số ΔT = 0,02s khi dùng đồng hồ có kim giây. Ta cần đo thời gian t của N dao động toàn phần.
Trong quá trình đo t của đồng hồ kim giây có sai số là 0,2s bao gồm sai số chủ quan khi bấm và sai số dụng cụ nên Δt = n.ΔT = 0,2 + 0,02 = 0,22s, do đó cần đo số dao động toàn phần N > 11 dao động.
b) Câu hỏi và bài tập cuối sách
1. 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.
2. 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.
3. 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 chu kì T.
4. 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
Trên đây là tất cả về đáp án báo cáo thực hành: Khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn
Xem thêm:
Tổng hợp kiến thức và công thức dao động điều hòa 12
