Giải Vật lý 12 nâng cao: Bài 13. Thực hành: Xác định chu kì dao động của con lắc lò xo và gia tốc trọng trường

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 Giải bài tập Vật lý 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 - Toploigiai

- 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 = s₀cosωt; 

+ Đối với con lò xo: x = x₀cosωt; 

Chú 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 hành thí nghiệm.

1) Tự 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.

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.

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.

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

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.

+Vậy: 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:

+ Với các dao động có biên độ góc ban đầu nhỏ hơn 10º, chu kì T bị ảnh hưởng rất ít, nhưng với các dao động có biên độ dao động ban đầu càng lớn thì chu kì dao động T bị ảnh hưởng càng nhiều.

+ Khi bỏ qua các hao tổn và sai số tạo ra bởi ma sát và môi trường, ta ghi nhận được: 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