Vật Lý 11 – Thực Hành Cá Nhân Tại Nhà
CON
LẮC ĐƠN 04
Dây
dài bất kỳ — So sánh chu kỳ ở góc lệch 5° và góc lệch 60°, đo góc bằng thước đo
góc nhựa
|
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 60° — 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. |
●
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 60°, 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 |
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 60°.
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 60°: kéo dây đến khi trùng vạch 30° (hoặc 150°, 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 60° (canh theo vạch 30°/150°) — 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 60°
Góc lệch: 60° (kéo dây trùng vạch 30° hoặc
150° 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 60°: T̄60° = (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 |
60° |
|
|
5. Nhận xét
— Trả lời câu hỏi thí nghiệm
●
Chu kỳ T ở
góc 60° 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 60° 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 60° — 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 60°, 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
0 Comments
Đăng nhận xét