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
).

1

với s là đoạn đờng vật đã đi đợc trong khoảng thời gian t . m
1
m
2Thay
a

=
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


Cộng vế với vế của hai phơng trình trên , ta đợc :

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
+
=
+
= +

Nếu hệ cô lập gồm n vật, phơng trình (5) sẽ viết thành :

K m v const
i i
i
n
= =
=

1
(6)
Chú ý : Đối với hệ vật không cô lập, nhng tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên hệ vật triệt tiêu thì
tổng động lợng của hệ vật cũng bảo toàn .

2. Quá trình va chạm giữa hai vật
Giả sử một hệ gồm hai vật có khối lợng
m
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
2
có
trị số khác nhau :

v
1


v
2
. Trong trờng hợp này, phơng trình đại số biểu diễn định luật bảo
toàn động lợng áp dụng đối với hệ hai vật
m
1
và
m
2
có dạng :

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

m
2
có dạng :

221121
vmvmv)mm( +=

+(9)
Nếu trớc va chạm, vật
m
1
đứng yên
)v( 0
2
=
, thì phơng trình ( 9 ) viết thành :

1121
vmv)mm( =

+
(10)
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

P
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X
1
V
1
X
2
V
2
H

máy đo thời gian

máy đo thời gianmc - 963 mc - 963
Hình 3 3

Khi cho bơm nén P thổi không khí vào trong hộp H, các luồng không khí nén thoát ra từ các
lỗ nhỏ, nâng hai xe trợt X

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
1
Đ
2
nằm trong khoảng giữa của mặt hộp H tại hai vị trí cáh nhau 40ữ50cm trên thớc
thẳng T. Cắm đầu dây của cảm biến Đ

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
1
hoặc Đ
2
bằng
ms120100t ữ=

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.

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
Hình 4

4

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

đi qua cảm biến Đ
2
sau va chạm.
Nếu
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

trong đó s là khoảng cách giữa hai mép bên trái của hai cạnh chữ U trên mỗi bản C
1
hoặc C
2
.
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

,

,
m
01
là khối lợng của bản chắn sáng C
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
,

b. Đẩy xe trợt X
1
(không mang gia trọng) chuyển động đi qua cảm biến Đ
1
với vận tốc đủ lớn
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
/


t t
2
,
/
trong mỗi lần đo để
tính các vận tốc
1
v
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)

5


+

+=

với
m
2
là khối lợng của
xe trợt X
2
,
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


và
22
m

của các đầu va chạm mềm có dán vải gai móc dính .
- Khoảng cách
s
giữa hai mép bên trái của hai cạnh chữ U trên mỗi bản chắn sáng C
1
hoặc C
2
.

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