Thí nghiệm vật lý
nghiệm định luật bảo toàn Động lợng
trên đệm không khí
Dụng cụ : 1. Đệm không khí và giá đỡ có thớc thẳng milimét và các vít điều chỉnh cân bằng ; 2.
Bơm nén khí và ống dẫn khí ; 3. Hai xe trợt có bản chắn sáng (hình chữ U); 4. Bốn đầu va
chạm đàn hồi có vòng lò xo lá; 5. Hai đầu va chạm mềm có vải gai móc dính ; 6. Bộ quả gia
trọng 2x50g và 2x100g ; 7. Hai máy đo thời gian hiện số kiểu MC-963 ; 8. Hai đầu cảm biến
thu-phát quang điện hồng ngoại .
I. Cơ sở lý thuyết
1. Định luật bảo toàn động lợng
Một vật, chịu tác dụng của lực, sẽ chuyển động có gia tốc (Hình 1). Theo định luật Newton
thứ hai : Gia tốc
a
của vật cùng hớng và tỷ lệ thuận với lực tổng hợp F tác dụng lên vật và tỷ lệ
nghịch với khối lợng m của vật đó :
m
F
a
=
(1)
Đơn vị đo của lực F là newton (N), của khối lợng m là kilôgam (kg) và của gia tốc
a
là mét
trên giây bình phơng (m/s
2
).
Công thức (1) có thể viết dới dạng :

Fa.m =
(2)
Phơng trình (2) gọi là phơng trình cơ bản của động lực học chất điểm, nó cũng đúng đối với vật

=
dv
dt
vào phơng trình (2) và chú ý rằng
m const=
, ta đợc : Hình 2

d mv
dt
dK
dt
F
( )
= =
(4)
Vectơ
K mv=
gọi là động lợng của vật và đặc trng cho trạng thái động lực học của vật .
áp dụng phơng trình (4) đối với hệ cô lập gồm hai vật có khối lợng là
m
1
và
m
2
tơng tác với
nhau bằng các lực
F
1
và
F

Hình 1

dK
dt
dK
dt
d m v
dt
d m v
dt
F F
1 2 1 1 2 2
1 2
+ = + = +
( ) ( )

hay
d K K
dt
d m v m v
dt
F F
( ) ( )
1 2 1 1 2 2
1 2
+
=
+
= +
Theo định luật Newton thứ ba :

1
và
m
2
chuyển động không ma sát theo phơng
ngang với vận tốc tới va chạm xuyên tâm vào nhau . Khi đó tổng hợp các ngoại lực (gồm trọng
lực và phản lực của mặt giá đỡ) tác dụng lên hệ vật triệt tiêu, nên theo (5), tổng động lợng của
hệ vật bảo toàn . Gọi
v
1
,
v
2
,

v
1
,

v
2
là vận tốc của hai vật
m
1
và
m
2
trớc và sau khi va chạm.
Xét hai trờng hợp :
a. Va chạm đàn hồi : Sau va chạm, hai vật


m v m v m v m v
1 1 2 2 1 1 2 2
/ /
+ = +
(7)
Nếu trớc va chạm, vật
m
1
đứng yên
( )v
1
0=
, thì phơng trình (7) viết thành :

m v m v m v
1 1 2 2 2 2
/ /
+ =
(8)
b. Va chạm mềm (không đàn hồi) : Sau va chạm, hai vật
m
1
và
m
2
gắn chặt vào nhau và
chuyển động với cùng vận tốc

v

Trong thí nghiệm này, ta nghiệm lại định luật bảo toàn động lợng đối với quá trình va chạm
đàn hồi và va chạm mềm giữa hai xe trợt trên đệm không khí (Hình 3) .
Thiết bị đệm không khí gồm một hộp H bằng kim loại (dài khoảng 1200 cm), một đầu bịt kín
và đầu còn lại nối thông với một bơm nén không khí P. Hộp H có dạng hình mái nhà và trên mặt
của nó có hai dãy lỗ nhỏ phân bố đều nhau để khí nén phụt ra ngoài. Hai xe trợt X
1
và X
2
có thể
chuyển động trên mặt hộp H .
T

C
1
C
2
m
/
Đ
1
Đ
2
P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2
X
1
V
1
X

2
trên
đệm không khí, ngời ta dùng hai máy đo thời gian
hiện số MC-963 (Hình 4) để đo khoảng thời gian
chắn sáng
t
của bản C
1
hoặc C
2
khi chúng đi qua
cảm biến thu-phát quang điện Đ
1
hoặc Đ
2
.
Nếu các xe X
1
và X
2
chuyển động thẳng đều, vận tốc của chúng sẽ tính theo công thức (3)
với s là khoảng cách giữa hai mép bên trái của hai cạnh chữ U trên mỗi bản C
1
hoặc C
2
.
II. Trình tự thí nghiệm
1. Điều chỉnh đệm không khí nằm cân bằng thẳng ngang
a. Lắp thêm vào mỗi đầu của hộp H một đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá. Đặt hai cảm
biến Đ

, đồng thời vặn từ từ vít V
1
hoặc V
2
để điều chỉnh độ cao của một trong hai đầu của hộp H
sao cho khi buông nhẹ tay thì xe trợt X
1
tự nó đứng yên. Khi đó đệm không khí đã đợc điều
chỉnh cân bằng thẳng ngang .
Kiểm tra lại vị trí cân bằng này theo thứ tự sau : - Đặt xe trợt X
1
ở gần một đầu của hộp H
phía ngoài hai cảm biến Đ
1
Đ
2
; - Bấm nút "RESET" của máy đo thời gian MC-963 để các số
hiện thị trên cửa sổ "tIME" trở về trạng thái "0" ; - Đẩy xe trợt X
1
đi qua hai cảm biến Đ
1
Đ
2
với vận
tốc đủ lớn (thí dụ, nên chọn vận tốc ứng với khoảng cách
mm30s =
sao cho thời gian chắn
sáng của bản C
1
đi qua các cảm biến Đ

Đ
2
.
Đồng thời, đặt thêm xe trợt X
2
(mang hai gia trọng 2m
/
) nằm trên mặt hộp H phía trong hai cảm
biến Đ
1
Đ
2
, nhng gần Đ
2
hơn. Trong trờng hợp này, cần lắp thêm vào mỗi đầu đối diện của hai
xe trợt X
1
và X
2
một đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá.
Bấm nút "RESET" của hai máy đo thời gian MC-963 để các số chỉ thị trên cửa sổ "TIME"
chuyển về trạng thái "0 .
b. Đẩy xe trợt X
1
chuyển động đi qua cảm biến Đ
1
với vận tốc đủ lớn tới va chạm vào xe trợt X
2
đang đứng yên. Sau va chạm, xe trợt X
1

t
là khoảng thời gian chắn sáng tổng cộng khi tấm chắn C
1
đi qua cảm biến Đ
1
trong cả
hai lần (trớc và sau va chạm) thì
11
ttt =

. Đọc và ghi vào bảng 1 các giá trị
1
t
,
t
1
/
và
t
2
/
.
Vận tốc chuyển động của hai xe trợt X
1
và X
2
trớc và sau va chạm tính theo công thức :

1
1

.
c. Thực hiện động tác trên 5 lần. Đọc và ghi vào bảng 1 giá trị của
t t t
2 1 2
, ,
/ /
trong mỗi lần đo
để tính các vận tốc
1
v
,
1
v

,
2
v

. Chú ý xác định chiều (+ hoặc -) của các vận tốc
1
v
,
1
v

,
2
v

.

1
và
11
m
là khối lợng của đầu va chạm đàn hồi có
vòng lò xo lá gắn vào xe trợt X
1
; còn
m2mmmM
210222

+++=
là khối lợng tổng cộng của
xe trợt X
2
với
m
2
là khối lợng của xe trợt X
2
,
m
02
là khối lợng của bản chắn sáng C
2
,
m
21
là khối l-
ợng của đầu va chạm đàn hồi có vòng lò xo lá và

1
v
tới va chạm vào xe trợt X
2
đang đứng yên
)0v(
2
=
. Sau va chạm, hai đầu va chạm mềm có
vải gai móc dính vào nhau nên cả hai xe trợt X
1
và X
2
tiếp tục chuyển động với cùng vận tốc
v
/
đi qua cảm biến Đ
2
thuận chiều ban đầu. Đọc và ghi vào bảng 2 khoảng thời gian chắn sáng
t
/
khi bản C
1
đi qua cảm biến Đ
2
.
Vận tốc của hai xe trợt X
1
và X
2

và
v

.
Định luật bảo toàn động lợng sẽ đợc nghiệm đúng, nếu tổng động lợng sau va chạm của hai
xe X
1
và X
2
bằng tổng đại số các động lợng trớc va chạm của chúng : 1121
vMv).MM(

=

+

(14)
ở đây
110111
mmmM

++=

là khối lợng tổng cộng của xe trợt X
1
với
m

22
m

là khối lợng của đầu va chạm mềm có dán vải gai móc dính và
m
/
là khối lợng của mỗi gia
trọng gắn vào xe trợt X
2
.
4. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 và bảng 2 :
- Khối lợng
m
1
của xe trợt X
1
và khối lợng
m
2
của xe trợt X
2
.
- Khối lợng
m
01
của tấm chắn C
1
và khối lợng
m
02

III. Câu hỏi kiểm tra
1. Phát biểu định luật bảo toàn động lợng .
2. Phân biệt các quá trình va chạm đàn hồi và va chạm mềm (không đàn hồi) giữa hai vật.
3. Mô tả nguyên tắc hoạt động của thiết bị đệm không khí và phơng pháp đo khoảng thời
gian chuyển động của các xe trợt trên đệm không khí bằng máy đo thời gian hiện số MC-963
với các cảm biến thu-phát quang điện hồng ngoại.
4. Trình bày phơng pháp nghiệm định luật bảo toàn động lợng trong các quá trình va chạm
đàn hồi giữa hai xe trợt trên đệm không khí .
5. Trình bày phơng pháp nghiệm định luật bảo toàn động lợng trong các quá trình va chạm
mềm (không đàn hồi) giữa hai xe trợt trên đệm không khí .
6. Trớc khi tiến hành thí nghiệm này, tại sao cần phải điều chỉnh đệm không khí nằm cân
bằng thẳng ngang ?
7. Trong thí nghiệm này, tại sao phải đẩy xe trợt X
1
đi qua cảm biến Đ
1
với vận tốc đủ lớn
chuyển động tới va cham vào xe trợt X
2
?
8. Hiện tợng nội ma sát (hay ma sát nhớt) trong lớp đệm không khí có ảnh hởng đối với kết
quả thí nghiệm không ? Tại sao ?
5
Báo cáo thí nghiệm
nghiệm định luật bảo toàn động lợng
trên đệm không khí
Xác nhận của thày giáo
Trờng Đại học Bách khoa Hànội
Lớp Tổ
Họ tên


02
m
= (kg)

m
11

= (kg)

m
21

= (kg)
Lần đo
v
1
= 0
(m/s)
t
2
(s)
v
2
(m/s)
t
1
/
(s)
v

1
/
+ M
2
.v
2
/
(kg.m/s)

=

K
K
=

K K
K
6
1
2
3
b. Kết luận Trong va chạm đàn hồi, định luật bảo toàn động lợng đợc nghiệm
với độ sai lệch tỷ đối

=
%
2. Nghiệm định luật bảo toàn động lợng đối với va chạm mềm

Bảng 2



11
m

= (10
-3
kg)

22
m

= (10
-3
kg)
Lần đo
v
1
= 0
(m/s)
t
2
(s)
v
2
(m/s)
t
/
(s)
v
1

).v
/
(kg.m/s)

=

K
K
=

K K
K
1
2
3
b. Kết luận : Trong va chạm mềm, định luật bảo toàn động lợng đợc nghiệm
với độ sai lệch tỷ đối

=
%7
Thí nghiệm vật lý
nghiệm định luật newton thứ hai
trên đệm không khí
Dụng cụ : 1. Đệm không khí và giá đỡ có thớc thẳng milimét và các vít điều chỉnh cân bằng ; 2.
Bơm nén khí và ống dẫn khí ; 3. Xe trợt có bản chắn sáng hình chữ I ; 4. Hai đầu va chạm đàn
hồi có vòng lò xo lá; 5. Ròng rọc nhỏ và giá đỡ ; 6. Cốc nhựa nhỏ có dây treo ; 7. Hộp quả
cân 0ữ200g ; 8. Bộ gia trọng 2x50g và 2x100g ; 9. Hai máy đo thời gian hiện số MC-963 ; 10.


= const , nghĩa là vật chuyển động thẳng đều. Vận tốc của vật chuyển động
thẳng đều có trị số bằng :

v
=
s
t

=
const (2)
với s là đoạn đờng vật đi đợc trong khoảng thời gian t .
Xét một hệ vật gồm một xe trợt X khối lợng
M
chuyển động trên một mặt phẳng ngang nhẵn
do tác dụng kéo của một vật khối lợng
m
treo ở đầu một sợi dây mảnh không dãn vắt qua ròng rọc
nhỏ R và nối với xe trợt X (Hình 2).

M

Rm
B d A

a


, thì ta có thể xác định gia tốc
a
của hệ vật này theo công thức :

d.2
vv
a
2
A
2
B

=
(4)
Trong thí nghiệm này, ta có thể nghiệm lại định luật Newton thứ hai bằng cách khảo sát
chuyển động thẳng nhanh dần đều của xe trợt X trên đệm không khí (Hình 3) .
Thiết bị đệm không khí gồm một hộp H bằng kim loại (dài khoảng 1200 cm), một đầu bịt kín
và đầu còn lại nối thông với một bơm nén không khí P. Hộp H có dạng hình mái nhà và trên mặt
của nó có hai dãy lỗ nhỏ phân bố đều nhau để khí nén phụt ra ngoài. Một xe trợt X
1
mang hai
gia trọng 2m
/
có thể chuyển động trên mặt hộp H (Hình 3) .
T

C
1
m
/

1
hình
chữ I với độ rộng bằng
s
.
Muốn xác định vận tốc của xe trợt X
1
trên đệm không khí, ngời ta dùng hai máy đo thời gian
hiện số MC-963 (Hình 4) để đo khoảng thời gian chắn sáng
t
của bản C
1
khi nó đi qua cảm
biến thu-phát quang điện Đ
1
hoặc Đ
2
.
máy đo thời gian MC - 963

0 0 0 0 0 0 A+B A

B
n=N-1 Time B n=50
A n= N/2
mode
9,999 99,99
A B RESET time range K
biến Đ
1
Đ
2
. Cắm phích lấy điện của bơm nén khí P vào nguồn điện ~220V để nén không khí vào
hộp H. Nếu xe trợt X
1
bị trôi về một phía, ta phải dùng tay giữ nhẹ xe trợt X
1
, đồng thời vặn từ
từ vít V
1
hoặc V
2
để điều chỉnh độ cao của một trong hai đầu của hộp H sao cho khi buông nhẹ
tay thì xe trợt X
1
tự nó đứng yên. Khi đó đệm không khí đã đợc điều chỉnh cân bằng thẳng
ngang .
Kiểm tra lại vị trí cân bằng này theo thứ tự sau : - Đặt xe trợt X
1
ở gần một đầu của hộp H
phía ngoài hai cảm biến Đ
1
Đ
2
; - Bấm nút "RESET" của máy đo thời gian MC-963 để các số
hiện thị trên cửa sổ "tIME" trở về trạng thái "0" ; - Đẩy xe trợt X
1
đi qua hai cảm biến Đ

các vật hoặc các quả cân có khối lợng lớn hơn 20 gam vào ròng rọc R để tránh làm gãy hỏng
kim nhọn ở hai đầu trục quay của nó.
Bấm nút "RESET" của hai máy đo thời gian MC-963 để các số chỉ thị trên cửa sổ "TIME"
chuyển về trạng thái "0 .
b. Bỏ thêm một quả cân nhỏ có khối lợng bằng 2 gam vào cốc nhựa m
0
. Sau đó buông tay để
xe trợt X
1
chuyển động thẳng nhanh dần đều do tác dụng kéo của trọng lực
g).2m(P
0
+=
h-
ớng thẳng đứng xuống dới, với g là gia tốc trọng trờng tại phòng thí nghiệm. Đọc và ghi vào
bảng 1 số đo các khoảng thời gian chắn sáng
A
t
và
B
t
khi bản C
1
có độ rộng bằng s lần lợt đi
qua các cảm biến Đ
1
và Đ
2
đặt tại các vị trí A và B .
Vận tốc của xe trợt X

đựng trong cốc ứng với lần thứ
5,4,3,2,1n =
tính theo công thức :
n.2mm
0
+=

3. Nghiệm lại định luật Newton thứ hai
a. Dùng cân kỹ thuật (có giới hạn đo 0 ữ 500gam và độ chính xác 0,5 ữ1,0 gam) để xác định
lần lợt khối lợng của các phần trong hệ vật. Đọc và ghi vào bảng 1 các giá trị sau đây : -
khối lợng

m
của xe trợt X
1
(kèm theo bản chắn sáng C
1
, đầu móc dùng buộc dây và các ốc vít
của nó), - khối lợng m
/
của mỗi gia trọng, - khối lợng m
0
của cốc nhựa.
Ghi chú : Cũng có thể cho biết sẵn giá trị các khối lợng

m
, m
/
và m
0

%5
a
aa
a
a




=


, ta có thể kết luận : định luật Newton thứ
hai đã đợc nghiệm đúng.

III. Câu hỏi kiểm tra
1. Phát biểu và viết công thức của định luật Newton thứ hai. Nêu rõ đơn vị đo của các đại lợng
vật lý có trong công thức của định luật này.
2. Trình bày phơng pháp nghiệm lại định luật Newton thứ hai trên đệm không khí. Phân tích
các lực tác dụng lên hệ vật ta xét, đồng thời dựa vào định luật Newton thứ hai để chứng minh
gia tốc
a

của hệ vật có dạng nh công thức (6).
3. Trớc khi tiến hành thí nghiệm này, tại sao cần phải điều chỉnh đệm không khí nằm cân bằng
thẳng ngang ?
4. Hiện tợng nội ma sát (hay ma sát nhớt) trong lớp đệm không khí có ảnh hởng đối với kết
quả thí nghiệm không ? Tại sao ?
5. Dựa vào kết quả thí nghiệm, hãy nêu lên nhận xét về sự phụ thuộc của gia tốc
a
II. kết quả thí nghiệm
1. Bảng 1

- Khối lợng của xe trợt :

m

= (kg)
- Khối lợng của gia trọng :
m
/
= (kg)- Khối lợng của cốc nhựa :
0
m
= (kg)
- Độ rộng của bản chắn sáng C
1
:
s
= (mm)
- Khoảng cách giữa A và B :
d

= (mm)
12



1
2
3
4
5
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.