Vật Lý 11 – Thực Hành Cá Nhân Tại Nhà

CON LẮC ĐƠN 03

Dây dài bất kỳ — So sánh chu kỳ ở góc lệch 5° và góc lệch 30°, đo góc bằng thước đo góc nhựa

Tài liệu này hướng dẫn từng học sinh tự làm thí nghiệm con lắc đơn tại nhà, một mình, không cần dụng cụ phòng thí nghiệm. Bạn sẽ đo chu kỳ dao động T hai lần với CÙNG một chiều dài dây nhưng hai góc lệch ban đầu CHÍNH XÁC là 5° và 30°, nhờ một chiếc thước đo góc nhựa rẻ tiền gắn ngay tại điểm treo, rồi so sánh xem chu kỳ có thay đổi hay không.

Câu hỏi thí nghiệm đặt ra

• Công thức T = 2π√(l/g) được xây dựng với giả thiết góc lệch nhỏ (dưới 10°). Vậy nếu kéo lệch 30° — lớn hơn nhiều so với 10° — chu kỳ T có còn giữ nguyên không?

• Bạn sẽ tự đo để trả lời câu hỏi này, thay vì chỉ học thuộc lý thuyết.

• Giữ nguyên chiều dài dây trong suốt cả hai lần đo — chỉ thay đổi góc lệch ban đầu.

 

1. Mục tiêu

●    Tự chế được một con lắc đơn đơn giản từ vật liệu có sẵn trong nhà, có gắn thước đo góc để xác định chính xác góc lệch ban đầu.

●    Biết dùng điện thoại (đồng hồ bấm giờ hoặc quay video chậm) để đo thời gian dao động.

●    Đo và so sánh chu kỳ dao động T ứng với góc lệch 5° và góc lệch 30°, cùng một chiều dài dây.

●    Nhận xét được ảnh hưởng của góc lệch ban đầu đến chu kỳ dao động của con lắc đơn.

2. Tự chế dụng cụ (5–10 phút)

2.1. Vật liệu cần tìm trong nhà

Bộ phận

Gợi ý vật liệu có sẵn

Yêu cầu quan trọng

Dây treo

Chỉ khâu, dây dù nhỏ, dây câu cá, chỉ nha khoa

Không dùng dây thun / dây thừng dễ giãn

Vật nặng

Ổ khoá nhỏ, cục tẩy, viên bi, đai ốc, chìa khoá chùm

Nhỏ gọn, đặc, nặng vừa phải, đối xứng

Điểm treo

Mép bàn, tay nắm tủ, khung cửa, thành ghế

Đứng yên tuyệt đối, không bị rung lắc

Thước đo góc

Thước đo góc nhựa bán nguyệt (loại rẻ tiền, bán ở tiệm sách)

Có lỗ tâm và vạch chia từ 0° đến 180°

Thước đo

Thước kẻ học sinh, thước dây may đồ

Đo được chiều dài dây đã chọn

Điện thoại

Điện thoại cá nhân

Có đồng hồ bấm giờ (stopwatch) hoặc quay video

 

2.2. Các bước lắp ráp

1.    Buộc chặt một đầu dây vào vật nặng — quấn 2–3 vòng và thắt nút chắc để vật không tuột ra giữa chừng.

2.    Buộc đầu dây còn lại vào điểm treo đã chọn (ví dụ: buộc vào tay nắm tủ, kẹp vào mép bàn bằng một cuốn sách nặng đè lên).

3.    Kiểm tra: kéo nhẹ vật nặng, thả tay — nếu điểm treo không bị xê dịch, dây không tuột là đạt yêu cầu.

4.    Đo chiều dài dây l từ điểm treo đến tâm vật nặng, ghi lại (đơn vị mét). Chiều dài này sẽ được GIỮ NGUYÊN cho cả hai lần đo.

5.    Gắn thước đo góc nhựa vào điểm treo theo hướng dẫn ở mục 2.3 dưới đây để đọc chính xác góc lệch 5° và 30°.

2.3. Gắn thước đo góc nhựa — mẹo "dán lộn ngược"

Thước đo góc nhựa bán nguyệt loại rẻ tiền thường dùng ở tư thế vòng cung hướng LÊN trên (đo góc mở từ dưới lên, giống lúc học hình học). Để dùng cho con lắc, ta phải gắn NGƯỢC lại — vòng cung hướng XUỐNG dưới, cạnh thẳng quay lên trên — như mô tả dưới đây:

1.    Lật thước đo góc 180° so với cách dùng thông thường (dán lộn ngược): cạnh thẳng (đường nối 0°–180°) nằm NGANG PHÍA TRÊN, phần vòng cung xoè XUỐNG dưới như một cái quạt.

2.    Dán hoặc ghim cố định thước đo góc ngay tại điểm treo, sao cho LỖ TÂM nhỏ ở giữa cạnh thẳng trùng đúng với điểm treo dây (điểm mà dây được buộc vào).

3.    Kiểm tra: khi để dây buông tự do (vị trí cân bằng, không kéo lệch), dây phải nằm đúng theo vạch số 90° ở giữa — đây là đường thẳng đứng.

4.    Nếu dây chưa trùng vạch 90°, chỉnh lại vị trí dán của thước cho khớp.

Cách đọc góc lệch trên thước đo góc

• Vạch 90° ứng với phương thẳng đứng (góc lệch = 0°).

• Muốn kéo lệch đúng 5°: kéo dây đến khi trùng vạch 85° (hoặc 95°, phía bên kia).

• Muốn kéo lệch đúng 30°: kéo dây đến khi trùng vạch 60° (hoặc 120°, phía bên kia).

• Công thức chung: góc lệch = |90° − số đọc trên thước|.

• Luôn kéo lệch về CÙNG một phía trong suốt thí nghiệm để dễ quan sát và quay video.

3. Dùng điện thoại để đo chu kỳ dao động

Có hai cách, chọn cách nào phù hợp với điện thoại bạn đang có. Cách 2 cho kết quả chính xác hơn nếu điện thoại quay được video chậm (slow-motion). Bạn sẽ thực hiện quy trình đo dưới đây HAI LẦN: lần 1 kéo lệch đúng 5° (canh theo vạch 85°/95° trên thước đo góc), lần 2 kéo lệch đúng 30° (canh theo vạch 60°/120°) — chiều dài dây giữ nguyên.

Cách 1 — Dùng đồng hồ bấm giờ (Stopwatch) có sẵn trên điện thoại

1.    Mở ứng dụng Đồng hồ (Clock) → chọn mục Bấm giờ (Stopwatch).

2.    Kéo vật nặng lệch khỏi vị trí cân bằng rồi thả nhẹ, không đẩy thêm lực.

3.    Khi vật đi qua đúng vị trí cân bằng (điểm thấp nhất) theo một chiều nhất định (ví dụ từ trái sang phải), bấm Start và đếm "0".

4.    Mỗi lần vật đi qua vị trí cân bằng theo đúng chiều đó, đếm tiếp 1, 2, 3... cho đến khi đủ 10 lần (tức 10 dao động toàn phần) thì bấm Stop.

5.    Đọc thời gian t hiện trên màn hình, ghi vào bảng số liệu. Tính chu kỳ: T = t / 10.

Cách 2 — Quay video chậm (chính xác hơn, khuyến khích)

1.    Đặt điện thoại cố định trên một chồng sách hoặc giá đỡ, không cầm tay, hướng camera vuông góc với mặt phẳng dao động của con lắc.

2.    Mở ứng dụng Camera → chọn chế độ Slow-motion (Quay chậm).

3.    Kéo vật nặng lệch một góc, thả nhẹ, quay video liên tục khoảng 15–20 giây (đủ cho hơn 10 dao động).

4.    Dừng quay, mở lại video, dùng tay kéo thanh tiến trình (thanh timeline) để tua chậm/từng khung hình.

5.    Xác định thời điểm vật đi qua vị trí cân bằng lần đầu (đọc giờ:phút:giây hiển thị trên thanh tua của video) — ghi lại là t0.

6.    Tua tiếp đến đúng lần thứ 10 vật đi qua vị trí cân bằng theo cùng chiều — ghi lại là t10.

7.    Thời gian 10 dao động: t = t10 − t0. Tính chu kỳ: T = t / 10.

Mẹo nhỏ khi đếm dao động

• Luôn đếm vật đi qua vị trí cân bằng theo CÙNG MỘT CHIỀU (ví dụ chỉ đếm khi đi từ trái sang phải) để không bị nhầm lẫn, thiếu hoặc thừa một nửa dao động.

• "1 dao động toàn phần" là khi vật đi từ vị trí thả ban đầu, qua vị trí cân bằng, sang phía đối diện, rồi quay trở lại đúng vị trí ban đầu.

• Nếu lỡ đếm sai giữa chừng, hãy làm lại từ đầu — đừng cố sửa vì sẽ gây sai số lớn.

4. Ghi số liệu

Chiều dài dây đã chọn (giữ nguyên cho cả 2 lần đo): l = …………… m

4.1. Lần 1 — Góc lệch 5°

Góc lệch: 5° (kéo dây trùng vạch 85° hoặc 95° trên thước đo góc)

Lần đo

Số dao động n

Thời gian t (s)

Chu kỳ T = t/n (s)

1

10

 

 

2

10

 

 

3

10

 

 

 

Chu kỳ trung bình góc 5°:   T̄5° = (T1 + T2 + T3) / 3 = ……………… s

4.2. Lần 2 — Góc lệch 30°

Góc lệch: 30° (kéo dây trùng vạch 60° hoặc 120° trên thước đo góc)

Lần đo

Số dao động n

Thời gian t (s)

Chu kỳ T = t/n (s)

1

10

 

 

2

10

 

 

3

10

 

 

 

Chu kỳ trung bình góc 30°:   T̄30° = (T1 + T2 + T3) / 3 = ……………… s

4.3. Bảng so sánh

Lần đo

Góc lệch (độ)

Chiều dài l (m)

Chu kỳ trung bình T̄ (s)

Lần 1

5°

 

 

Lần 2

30°

 

 

 

Độ lệch giữa hai chu kỳ:   ΔT = |T̄30° − T̄5°| = ……………… s      Tỉ lệ phần trăm chênh lệch: (ΔT / T̄5°) × 100% = ……………… %

5. Nhận xét — Trả lời câu hỏi thí nghiệm

●    Chu kỳ T ở góc 30° có bằng, lớn hơn hay nhỏ hơn chu kỳ T ở góc 5°?

●    Sự chênh lệch (nếu có) là nhiều hay ít? Có thể quan sát bằng mắt thường khi xem video không, hay chỉ phát hiện được nhờ đo đạc?

●    Theo lý thuyết, công thức T = 2π√(l/g) chỉ đúng chính xác khi góc lệch nhỏ (dưới 10°). Góc 5° và góc 30° em vừa đo, góc nào nằm trong phạm vi "nhỏ" này?

●    Nếu ba lần đo trong cùng một góc lệch đã chênh lệch nhau (do sai số ngẫu nhiên), làm sao em biết chắc sự khác nhau giữa hai góc là do góc lệch, chứ không phải do sai số đo?

●    Việc gắn thước đo góc cố định tại điểm treo có giúp kéo lệch chính xác và lặp lại dễ dàng hơn so với cách ước lượng bằng mắt không? Vì sao?

●    Điều gì gây khó khăn nhất khi tự làm thí nghiệm một mình (giữ điện thoại, đếm dao động, hay bấm giờ đúng lúc)?

6. Mở rộng (không bắt buộc): Tính gia tốc trọng trường g

Chỉ nên dùng số liệu của LẦN 1 (góc 5°) để tính g, vì công thức dưới đây chỉ đúng gần đúng khi góc lệch nhỏ:

g = 4π² · l / T²

Trong đó l là chiều dài dây (m), T là chu kỳ trung bình ở góc 5° (s). So sánh giá trị g tính được với giá trị chuẩn 9,8 m/s² và nhận xét sai số phần trăm. Thử tính thêm g từ số liệu góc 30° — giá trị này có còn gần 9,8 m/s² như trước không? Vì sao?

7. Lưu ý an toàn khi làm một mình

●    Không treo vật nặng ở nơi có thể va vào người, vật dễ vỡ, hoặc thú nuôi trong nhà khi dao động — với góc 30°, biên độ dao động rộng hơn nên cần chừa khoảng trống rộng hơn bình thường.

●    Không đứng lên ghế/bàn cao để buộc dây và dán thước đo góc một mình — nhờ người lớn hỗ trợ nếu điểm treo ở trên cao.

●    Dán thước đo góc chắc chắn, tránh để thước rơi hoặc lệch vị trí trong lúc đo, gây đọc sai góc.

●    Làm thí nghiệm ở nơi kín gió (trong phòng, đóng cửa sổ) để con lắc dao động ổn định, dễ quan sát và quay video hơn.

Chúc bạn thực hành vui và tìm ra câu trả lời thú vị cho câu hỏi thí nghiệm! phannguyenquoctu cùng Claude