Thí nghiệm vật lý BKM040A
khảo sát chuyển động của xe trợt trên đệm khí
kiểm chứng ba định luật niu tơn .
I. Mục đích :
Một xe có dạng chữ V ngợc chuyển
động trợt dọc theo một băng kim loại có mặt
trợt đồng dạng với xe. Nhờ khí nén thoát ra
từ các lỗ nhỏ trên mặt trợt của băng, nâng xe
lên khỏi mặt băng, đồng thời tạo ra một lớp
đệm khí có tác dụng giảm thiểu gần nh triệt
tiêu lực ma sát giữa xe và mặt băng. Từ điều
kiện đó cho phép ta kiểm chứng lại ba định
định luật Niutơn
1. Sự bảo toàn trạng thái chuyển động của
xe ( đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều )
khi xe chịu các lực cân bằng.
2. Mối quan hệ giữa lực tác dụng và gia tốc
chuyển động của xe.
3. Mối quan hệ giữa lực và phản lực xuất
hiện khi hai xe tác dụng tơng hỗ với nhau
bằng lực đàn hồi.
III. Dụng cụ thí nghiệm
1. Băng đệm khí có 3 chân vít điều chỉnh
thăng bằng.
2. Hai chiếc xe trợt .
3. Bơm nén khí và ống dẫn khí nén.
4. Máy đo thời gian hiện số (MC-963 hoặc
tơng đơng )
5. Hai cổng quang điện E, F
6. Các phụ kiện khác : 2 Gia trọng chữ
nhật , các quả cân nhỏ (1g, 2g , 5g ), dòng

Một dòng dọc nhỏ , rất nhẹ và rất tinh xảo đợc
gắn ở một đầu băng. Lực kéo xe đợc tạo ra
bằng cách nối xe với cốc nhỏ đựng quả cân
1
bằng một sợi dây ni lon mảnh vắt qua dòng
dọc này.
Ba chân vít cùng các đĩa đệm dùng để
điều chỉnh thăng bằng hoặc tạo độ nghiêng
cho băng đệm khí. Bơm nén khí chạy điện
xoay chiều 220V, có độ ồn nhỏ, lu lợng
khoảng 30 m
3
/h, tạo ra áp suất khí
650mmH
2
O, cung cấp khí nén cho băng đệm
khí hoạt động.
IV. Lắp ráp thí nghiệm
1. Băng đệm khí cần đợc lắp đặt trên mặt
bàn phẳng, vững chắc. Hai cung đàn hồi đợc
lắp ở hai đầu băng để tránh cho xe chạy đập
vào hai tấm chắn T
1
, T
2
làm hỏng xe hoặc
gãy tấm nhựa T
1
, T
2

Lặp lại phép đo trên tại các vị trí khác
nhau của hai cổng quang điện E, F, ghi kết
quả vào bảng 1.
b. Phân tich kết quả :
Thời gian chắn tia khi xe đi qua cổng thứ
2 ( cổng E ) là t
2
= t t
1 .
Nếu t
1
= t
2
thì
chuyển động của xe là thẳng đều.
2. Khảo sát mối quan hệ giữa lực tác
dụng và gia tốc.
a. Thí nghiệm
Trong thí nghiệm này ta có thể dùng 4
quả cân ( 1 quả 1g , 2 quả 2g , và 1 quả 5g)
để tạo ra các trọng lực kéo xe P = ( m
0
+
( 1,2,3,4 10)).g.10
-3
( N ). Các quả cân
tạo lực kéo đợc bỏ vào cốc, các quả còn lại
đặt lên xe. Khối lợng của cả hệ :
M = ( M
0

(1)
Trong đó v
1
= h/ t
1
và v
2
= h/ t
2
là vận tốc của
xe tại hai cổng E, F.
- Nếu cổng F đợc đặt tại vị trí khi xe bắt đầu
chuyển động sao cho mép trớc của cờ chắn
sáng chỉ cách tia hồng ngoại khoảng < 1mm,
máy đo thời gian đặt ở MODE ( A B ), thì
ta đo đợc khoảng thời gian t xe chạy đến
cổng E. Gia tốc a đợc xác định bởi :
a =
2
t
s2
(2)
2
( s : khoảng cách giữa hai cổng E,F )
Thực hiện các phép đogia tốc ứng với tr-
ờng hợp bỏ vào cốc các quả cân có khối
lợng lần lợt bằng
m

Các quả còn lại

- Đồ thị biểu diễn quan hệ P (a) là một
đoạn thẳng
Gia tốc do lực P truyền cho hệ tỷ lệ với
lực tác dụng.
Trong trờng hợp lực kéo không đổi, khối
lợng M của hệ thay đổi :
- Tỷ số : a
1
/ a
2
= M
2
/ M
1

Gia tốc do lực P truyền cho hệ tỷ lệ
nghịch với khối lợng của hệ.
3. Khảo sát lực t ơng tác giữa hai vật :
a. Thí nghiệm :
Trong thí nghiệm này ta sử dụng hai xe
trợt có khối lợng m1 và m2. Lắp vào đầu mỗi
xe một lò xo lá . Dùng một vòng chỉ buộc
nén chúng lại sao cho lò xo căng . Chọn hai
cờ chắn sáng dạng chữ U có kích thớc bằng
nhau , máy đo thời gian đặt ở mode A B.
Bật điện máy bơm, đặt hai xe nằm ở khoảng
giữa hai cổng E, F, điều chỉnh cẩn thận thăng
bằng cho băng đệm khí .
Đốt sợi chỉ, lực đàn hồi của lò xo làm
cho cả hai xe chuyển động bật ra. Khi lò xo

1
: F
2
= m
1 .
. a
1
.
Gia tốc a
1
có thể tính : a
1
= v
1
/ t. ( t : thời
gian tơng tác giữa hai xe ).
Lực F
1
do xe m
1
tác dụng lên xe m
2
truyền
cho m
2
một gia tốc a
2
: F
1
= m

) = m
1
. t
2
/ m
2
. t
1
.
Kết quả thực nghiệm cho thấy m
1
. t
2
= m
2
.
t
1
, thì F
1
, F
2
là hai lực trực đối.
Câu hỏi
1. Với các dụng cụ nh trên, có những cách
nào để xác định vận tốc tức thời và những
cách nào để xác định gia tốc của chuyển
động ?
2. Để dễ nhận biết đợc tính chất của chuyển
động, hoặc mối tơng quan giữa các đaị lợng,

Xe m
1
Xe m
2
Xe m
1
Xe m
2
Xe m
1
Xe m
2
IV Nhận xét kết quả

Phụ lục : Đồng hồ đo thời gian hiện số và cổng quang điện
Khi nghiên cứu các hiện tợng cơ học, ta gặp các hiện tợng xảy ra rất nhanh, chẳng hạn sự
rơi tự do, hiện tợng va chạm Thí dụ một vật bắt đầu rơi tự do, đi qua 0,050 m đầu tiên chỉ hết
0,100 s ; đi qua 0,150 m tiếp theo hết 0,100 s, ; đi qua 0,600 m tiếp theo chỉ mất 0,200 s
4
Rõ ràng, không thể dùng đồng hồ bấm giây thông thờng để đo các khoảng thời gian nh thế,
cho dù các đồng hồ bấm giây điện tử ngày nay có ĐCNN còn gọi là độ phân giải bằng
0,01s hay nhỏ hơn nữa. Nguyên nhân là do khi dùng tay bấm đồng hồ, chúng ta không thể vợt
qua giới hạn tốc độ phản xạ thần kinh và cơ bắp của con ngời, giới hạn này chỉ vào khoảng 0,1
s.
Đồng hồ đo thời gian hiện số điều khiển bằng các cổng quang điện khắc phục đợc khó
khăn nói trên. Hình 1 giới thiệu đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 và sơ đồ nguyên lý một
cổng quang điện.
Đồng hồ đo thời gian MC-964 (H.1a) có hai thang đo thời gian : 9,999s và 99.99s , với độ
chia nhỏ nhất (ĐCNN) - còn gọi là độ phân giải, tơng ứng là 0,001s và 0,01s. Chỉ cần gạt núm
chuyển mạch Thang đo trên mặt đồng hồ, ta dễ dàng chọn đợc thang đo thích hợp.

1
sang D
2
, thì D
2
sẽ phát ra
tín hiệu điện truyền theo dây dẫn đi tới đồng hồ đo thời gian và điều khiển đồng hồ hoạt động.
Quá trình này xảy ra rất nhanh, hầu nh không có quán tính, nên cho phép đo chính xác các
khoảng thời gian rất nhỏ, không phụ thuộc vào phản xạ của các giác quan con ngời. Để đo
5
D1
D2
Thanh trụ
kim loại
(a)
(b)
Hình 1. Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 và sơ đồ nguyên lý cổng
quang điện
dùng nghiên cứu chuyển động rơi tự do.

khoảng thời gian chuyển động của một vật giữa hai điểm nào đó, ta dùng hai cổng quang điện
E, F đặt tại hai điểm đó và nối chúng với hai ổ cắm A, B của đồng hồ đo thời gian MC -
964.
Các kiểu làm việc của đồng hồ đo thời gian MC-964
Đồng hồ đo thời gian hiện số MC964 có năm kiểu làm việc khác nhau, ghi trên mặt máy tại
các vị trí : A , B , A+B , AB , T. Có thể chọn một trong các kiểu làm việc này bằng cách
vặn chuyển mạch MODE của đồng hồ đến đúng vị trí tơng ứng với kiểu làm việc cần chọn.
1. MODE A (chuyển mạch đặt ở vị trí A) :
MODE này chỉ cho phép cổng quang điện E nối với ổ A của đồng hồ đo thời gian MC
964 hoạt động. Giả sử một thanh trụ chuyển động tới cổng E. Khi thanh trụ bắt đầu tới chắn

và t
2
. Nh vậy, khoảng thời gian
thanh trụ đi qua cổng F tính bằng :
t
2
= t - t
1
Nếu thanh trụ chuyển động thẳng đều, thì t
2
= t
1
.
Nếu thanh trụ chuyển động thẳng biến đổi đều, thì t
2
t
1
.
Trong trờng hợp này, ta có thể tính các vận tốc tức thời v
1
, v
2
tại hai cổng quang điện E ,
F và đo khoảng cách s giữa hai cổng này, để xác định gia tốc a của chuyển động theo công
thức :
v
2

2
- v

(4)
và gia tốc của chuyển động trong khoảng giữa E, F bằng :

2
t
s2
a
=
(5)
Trong trờng hợp này, nếu
x

là độ dài của thanh trụ và
t

là khoảng thời gian chắn tia
hồng ngoại của thanh trụ hiện thị trên đồng hồ khi nó đi qua cổng F, đồng thời cổng F đợc đặt tại
vị trí cách cổng E một khoảng chỉ bằng s
/
= s -
2
x

, thì vận tốc tức thời tại cổng F đợc xác
định khá chính xác theo công thức :
v
F
= v =
t
x

gian MC-964 thay cho cổng quang điện .
3. Làm tơng tự với ổ B khi vặn chuyển mạch MODE đến vị trí B.
4. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí A+B. Cắm phích 5 chân của cổng E vào ổ A và cắm
cổng F vào ổ B. Kiểm tra hoạt động của đồng hồ bằng cách lần lợt chắn tia hồng ngoại tại E,
7
rồi tiếp đến F. Khi đó khoảng thời gian chắn sáng tổng cộng

t hiện thị trên đồng hồ bằng
tổng các khoảng thời gian chắn sáng

t
1
tại E và

t
2
tại F.
5. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí A B. Kiểm tra hoạt động của đồng hồ bằng cách
lần lợt chắn tia hồng ngoại tại cổng E, rồi tiếp đến cổng F. Trong trờng hợp này, khoảng thời
gian chắn sáng t hiện thị trên đồng hồ đúng bằng khoảng thời gian kể từ thời điểm tia hông
ngoại tại cổng E bắt đầu bị chắn đến thời điểm tia hông ngoại tại cổng F bắt đầu bị chắn.
6. Vặn chuyển mạch MODE đến vị trí T và rút phích 5 chân của cổng quang điện F ra khỏi
ổ cắm B. Kiểm tra hoạt động của đồng hồ bằng cách dùng một thanh chắn cho nó chuyển
động qua lại cổng E. Cứ sau mỗi chu kì, đồng hồ lại dừng đếm. Khoảng thời gian T của mỗi
chu kì giữa hai lần dao động kế tiếp nhau sẽ hiện thị trên đồng hồ.
8