Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Bài thực hành số 1: Xác định chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trường

Bài thực hành số 1:
 XÁC ĐỊNH CHU KÌ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN 
VÀ ĐO GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG
I. MỤC ĐÍCH
- Khảo sát ảnh hưởng của biên độ, khối lượng của quả nặng và độ dài của dây treo đối với chu kì dao động của con lắc đơn.
- Xác định gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm bằng con lắc
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
- Con lắc đơn gồm một vật nặng có kích thước nhỏ, khối lượng m, được treo ở đầu một sợi dây mềm không dãn có độ dài l và có khối lượng không đáng kể.
Với các dao động nhỏ thì con lắc đơn dao động với chu kỳ
(7.1)
- Tại các vị trí khác nhau trên Trái Đất, gia tốc trọng trường có giá trị khác nhau. Việc xác định gia tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm có ý nghĩa quan trọng. Trong khoa học và đời sống có nhiều phương pháp khác nhau để xác định gia tốc trọng trường.
Trong bài thực hành này ta xác định gia tốc trọng trường g bằng con lắc đơn theo công thức
(7.2)
III. DỤNG CỤ VÀ LẮP ĐẶT
1. Dụng cụ thí nghiệm
Đế ba chân bằng sắt, có hệ vít chỉnh cân bằng.
Giá đỡ bằng nhôm, cao 75cm, có thanh ngang treo con lắc.
Thước thẳng dài 700 mm gắn trên giá đỡ.
Ròng rọc bằng nhựa, đường kính D 5 cm, có khung đỡ trục quay.
Dây làm bằng sợi tổng hợp, mảnh, không dãn, dài 70 cm.
Viên bi thép có móc treo.
Cổng quang điện hồng ngoại, dây nối và giắc cắm 5 chân.
Đồng hồ đo thời gian hiện số, có hai thang đo 9,999 s và 99,99 s.
Thanh ke
Hình 7.1. Bộ thiết bị thí nghiệm khảo sát dao động của con lắc đơn
2
1
3
6
5
4
7
8
9
2. Lắp đặt thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 7.1
IV. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
1. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ lên chu kỳ dao động của con lắc đơn
Nối cổng quang điện với cổng A của đồng hồ đếm thời gian hiện số, sử dụng thang đo ở vị trí 9,999 s. Cắm phích lấy điện của đồng hồ đo thời gian vào nguồn điện 220V, bật công-tắc K trên mặt đồng hồ để các chữ số hiển thị trên cửa sổ Thời gian.
Treo viên bi (6) có khối lượng m1 = 50 g vào đầu dưới của sợi dây (5). Vặn các vít của đế ba chân, điều chỉnh cho giá đỡ cân bằng thẳng đứng. Đặt thanh ke (9) áp sát cạnh của giá đỡ tại vị trí (thấp hơn đáy viên bi) ứng với độ dài L trên thước (3). Quay ròng rọc để thả dần sợi dây cho tới khi đáy của viên bi vừa tiếp xúc với cạnh ngang của thanh ke. Gọi r là bán kính viên bi, độ dài l của con lắc đơn là
l = L - r
Điều chỉnh để con lắc đơn này có độ dài l1 =50 cm. Dịch chuyển cổng quang điện đến vị trí sao cho cửa sổ của nó nằm trên mặt phẳng ngang với vị trí của tâm viên bi và cách tâm viên bi một khoảng A1 = 3 cm. Kéo viên bi đến vị trí đối diện cửa sổ của cổng quang điện, rồi buông tay thả cho con lắc đơn dao động không vận tốc đầu. Khi đó con lắc đơn dao động với biên độ góc bằng α1
Sau vài dao động, bấm nút RESET trên mặt đồng hồ đo thời gian hiện số để tiến hành đo n (có thể chọn n = 10) dao động toàn phần của con lắc đơn. Ghi giá trị đo được trong mỗi lần đo vào bảng 7.1.
Giữ nguyên khối lượng m1 và độ dài l1 = 50 cm của con lắc đơn. Thực hiện phép đo trên đây với các giá trị A khác nhau rồi ghi tiếp vào bảng 7.1.
Từ các kết quả thu được trong bảng 7.1, rút ra kết luận về chu kỳ của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ.
2. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng lên chu kì của con lắc đơn
Giữ nguyên độ dài l1 = 50 cm. Thêm quả nặng để thay đổi khối lượng con lắc. Điều chỉnh dây treo để chiều dài con lắc không đổi. Đo thời gian con lắc thực hiện n dao động toàn phần với biên độ đủ nhỏ (theo kết quả phần trên). Ghi các kết quả trong mỗi lần đo vào bảng 7.2.
Từ các kết quả thu được trong bảng 7.2, rút ra kết luận về khối lượng của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ.
3. Khảo sát ảnh hưởng của độ dài lên chu kì dao động của con lắc đơn
Giữ nguyên khối lượng 50 g. Điều chỉnh dây treo để con lắc dao động với các độ dài dây khác nhau, xác định thời gian n dao động toàn phần để xác định chu kì T. Ghi kết quả vào bảng 7.3. Dùng các kết quả trong bảng 7.3:
- vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của T và chiều dài con lắc. Rút ra nhận xét.
- vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của T2 và chiều dài con lắc. Rút ra nhận xét.
Từ các đồ thị, kết luận về chiều dài của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ.
V. CÁC ĐIỂM CẦN CHÚ Ý
Cần tìm hiểu kĩ về nguyên lí làm việc của cổng quang điện và đồng hồ đếm thời gian hiện số để khắc phục những sự cố do chúng gây ra. Thông thường cần kiểm tra xem con lắc dao động có cắt tia quang học trong cổng quang điện hay không, đặt đồng hồ đúng MODE và cắm đúng cổng.
Một số kiến thức đọc thêm 
Con lắc vật lí được định nghĩa là một vật rắn bất kì chịu tác dụng của trọng lực và thực hiện các dao động quanh một trục nằm ngang không đi qua khối tâm.
M1
M2
C
a1
a2
O1
O2
Hình 7.2. Con lắc
thuận nghịch
Ở chương trình trung học phổ thông, người ta xem con lắc vật lí là một vật rắn dao động được xung quanh một trục nằm ngang cố định không đi qua trọng tâm của vật.
Chu kỳ T của con lắc vật lí được cho bởi
(7.3)
Trong đó: m là khối lượng vật rắn; d là khoảng cách từ trục nằm ngang tới khối tâm và I là momen quán tính của vật rắn đối với trục đang xét.
Để xác định gia tốc trọng trường một cách chính xác phải dùng con lắc thuận nghịch Kater. Đó là con lắc gồm một thanh có hai mũi dao O1 và O2 đối diện nhau qua khối tâm C, nhưng không cách đều khối tâm. Hai mũi dao này dùng như những trục mà con lắc dao động do tác dụng của trọng lực. Trên thanh có hai vật M1 và M2 có hình dạng và kích thước giống nhau nhưng có khối lượng rất khác nhau, hình 7.2.
Gọi I là momen quán tính đối với trục đi qua khối tâm C, áp dụng công thức (7.3), dao động của con lắc quanh trục O1, O2 có chu kì lần lượt là:
(7.4)
(7.5)
Thay đổi khoảng cách a1 và a2 từ các dao đến khối tâm C bằng cách giữ nguyên vị trí các dao, thay đổi vị trí khối tâm nhờ di chuyển các quả nặng M1 và M2. Theo công thức (7.4) và (7.5) các chu kỳ T1 và T2 cũng thay đổi. Tới một lúc nào đó, ta có:
Hay
Suy ra
(7.6)
Với l là khoảng cách giữa hai dao O1 và O2, l = a1+a2. Công thức này chỉ đúng khi con lắc dao động nhỏ (biên độ góc nhỏ hơn 6o).
VI. BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HÀNH
THỰC HÀNH XÁC ĐỊNH CHU KÌ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN
VÀ GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG
	Họ và tên:................................................Lớp:..............Nhóm:....................
	Ngày làm thực hành:....................................................................................
	Viết báo cáo theo các nội dung sau:
1. MỤC ĐÍCH
…………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................	
2. TÓM TẮT LÍ THUYẾT
Thế nào là con lắc đơn
…………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………........................
Con lắc đơn dao động với chu kỳ
…………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………........................
Công thức xác định gia tốc trọng trường nhờ con lắc đơn
…………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………........................
3. KẾT QUẢ
a. Khảo sát ảnh hưởng của biên độ đối với chu kỳ của con lắc đơn
Bảng 1
m = 50 g, l = 50 cm
A
cm
Góc lệch 
αo
Thời gian n dao động
(s)
T
(s)
A1 = 3
A2 =
A3 =
A4 =
Kết luận về chu kỳ của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
b. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đối với chu kỳ của con lắc đơn
Bảng 2
l = 50 cm, A = .........cm
m (g)
Thời gian n dao động (s)
Chu kì T (s)
A1 =
A2 =
A3 =
A4 =
Kết luận về khối lượng của con lắc đơn dao động với biên độ nhỏ
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
c. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài đối với chu kỳ của con lắc đơn
Bảng 3
Chiều dài l
cm
Thời gian n dao động
s
Chu kì T
s
s2
A1 =
A2 =
A3 =
A4 =
T
l
- Vẽ đồ thị T phụ thuộc l 
Từ đồ thị, nhận xét về ảnh hưởng của chiều dài lên chu kỳ của con lắc đơn
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
T2
l
- Vẽ đồ thị T2 phụ thuộc l
Từ đồ thị, nhận xét thấy
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Gia tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm: (sử dụng bảng 3 để tính)
	- Giá trị trung bình: 
	- Sai số tuyệt đối: 
	- Kết quả phép đo: 
4. TRẢ LỜI CÁC CÂU HỎI
Câu 1. Chu kỳ dao động của con lắc đơn có phụ thuộc vào nơi làm thí nghiệm không? Làm cách nào để phát hiện điều đó bằng thí nghiệm?
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Câu 2. Dùng con lắc dài hay ngắn sẽ cho kết quả chính xác hơn khi xác định gia tốc rơi tự do g tại nơi làm thí nghiệm?
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………