Khảo sát va chạm đàn hồi và mềm với m1 & m2 khác nhau | Vật lý đại cương 1 | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

II. Kết quả thực nghiệm
1. Thực hiện thí nghiệm
1.1. Khảo sát và chạm đàn hồi với 2 xe có khối lượng bằng nhau
a. Khai báo khối lượng các xe trượt: Kích chuột phải vào cửa sổ Mass m1, Trên cửa sổ
Setting vừa hiển thị, ở phần Parameter, nhập 0,1kg vào ô Value. Kích chuột trái vào
Mass m2 trên cửa sổ Setting. Trong Parameter, nhập 0,1kg vào ô Value.
b. Đặt xe 1 ở bên ngoài (phía trái) cổng quang điện E, xe 2 nằm ngoài cổng F.
c. Trước khi đo cần Reset các giá trị của vận tốc bằng cách kích chuột phải vào cửa sổ
vận tốc v1 hoặc v2 , tiếp theo kích hoạt vào biểu tượng →0← trên cửa sổ Setting.
d. Nhấn F9 để bắt đầu phép đo.
e. Đẩy nhẹ để hai xe đến va chạm với nhau, sau va chạm xe hai xe chuyển động ngược
chiều so với chiều bạn đầu.
f. Khi xe 1 chuyển động ngược chiều qua cổng E và xe 2 chuyển động ngược chiều qua
cổng F thì nhấn F9 để kết thúc phép đo. (Phép đo sẽ tự kết thúc nếu đã ghi lại đủ 4 giá trị v1,v2,v'1,v'2).
g. Tắt máy bơm không khí.
h. Lần lượt kích chuột vào các thanh Velocity, Linear momemtum, Total momentum, Energy, Total
energy và Engergy loss trên màn hình máy tính để hiển thị bảng các giá
trị: Vận tốc, động lượng, động năng trước và sau va chạm và độ suy hao năng lượng trong va chạm.
Bảng 2. Va chạm đàn hồi với m1=m2= 0,1 kg n 1 2 3 4 5 v Vận tốc 1 0.222 0.31 0.34 0.267 0.329 v (m/s) 2 -0.288 -0.437 -0.467 -0.340 -0.449 v1’ -0.299 -0.461 -0.497 -0.366 -0.470 v2’ 0.2 0.277 0.298 0.231 0.293 p1 22.2 31 34 26.7 32.9 Động lượng p2 -28.8 -43.7 -46.7 -34 -44.9 (mNs) p1’ -29.9 -46.1 -49.7 -36.6 -47 p2’ 20 27.7 29.8 23.1 29.3 p -6.6 -12.7 -12.6 -7.3 -12 Tổng động lượng p’ -9.9 -18.4 -19.8 -13.5 -17.7 E1 2.46 4.8 5.8 3.58 5.41 Năng lượng E2 4.15 9.56 10.9 5.79 10.10 (mJ) E1’ 4.46 10.63 12.33 6.69 11.04 E2’ 2 3.84 4.45 2.68 4.28 Tổng năng lượng E 6.61 14.35 16.7 9.37 8.71 (mJ) E’ 6.46 14.47 16.78 9.37 8.39 Độ suy hao năng ∆ 2.3 -0.8 -0.5 0 1.2 lượng (%) E
i. Tiến hành lại thí nghiệm 5 lần và ghi lại các giá trị vào bảng 2
1.2. Khảo sát va chạm đàn hồi với hai xe có khối lượng khác nhau
a. Lắp thêm 1 quả nặng vào xe trượt 1 đề thay đổi khối lượng của xe trượt 1. Cài đặt lại
giá trị các khối lượng trên máy tính bằng cách kích chuột phải vào cột m1 bên phải phía
trên màn hình để hiển thị cửa sổ Setting, nhập giá trị m1=0,2kg, m2=0,1 kg vào ô Value.
b. Kích chuột vào cột v1 bên phải phía trên màn hình, thay đổi vị trí của hai xe bằng cách
chọn “1 E 2F” (trolley 2 at rest) (nghĩa là xe 1 ở ngoài cổng E, xe 2 đứng yên và ở
giữa cổng E và cổng F. Khi đó phần mềm sẽ mặc định nhận giá trị v2=0)
c. Đặt xe 1 bên ngoài cổng E, xe 2 nằm giữa E và F. Kích chuột vào nút Reset trên cửa sổ
Setting của v1. Đẩy xe 1 đến va chạm với xe 2, sau khi va chạm đợi cho cả hai xe đều đi
qua cổng F thì nhấn F9 để bắt đầu và kết thúc phép đo, kết quả ghi lại vào bảng 3. Tiến
hành lại thí nghiệm 5 lần và ghi lại các giá trị trên vào bảng 3.
Lưu ý: - Trước khi thực hiện mỗi phép đo, mở lại cửa sổ Setting bằng cách kích hoạt
vào biểu tượng hình bánh răng (Show Setting) trên thanh công cụ và thực hiện lại
thao tác hiệu chỉnh.
Bảng 3. Va chạm đàn hồi với m1=0,2 kg ; m2=0,1 kg n 1 2 3 4 5 v1 0.344 0.448 0.264 0.341 0.358 Vận tốc v (m/s) 2 0 0 0 0 0 v1’ 0.12 0.159 0.094 0.124 0.132 v2’ 0.419 0.54 0.323 0.408 0.432 p1 68.9 89.6 52.8 68.1 71.5 Động lượng p2 0 0 0 0 0 (mNs) p1’ 24 31.8 18.8 24.8 26.3 p2’ 41.9 54 32.3 40.8 43.2 p 68.9 89.6 52.8 68.1 71.5 Tổng động lượng p’ 65.9 85.9 51.1 65.7 69.5 E1 11.85 20.09 6.97 11.6 12.79 Năng lượng E2 0 0 0 0 0 (mJ) E1’ 1.44 2.54 0.88 1.54 1.73 E2’ 8.78 1.46 5.22 8.33 9.31 Tổng năng lượng E 11.85 20.09 6.97 11.6 12.79 (mJ) E’ 10.22 17.13 6.10 9.87 11.05 Độ suy hao năng ∆ 13.8 14.7 12.5 14.9 13.6 lượng (%) E
d. Tiếp tục thay đổi khối lượng của xe trượt m2=0,2 kg bằng cách thêm 1quả gia trọng
vào xe trượt 2 rồi cài đặt lại trên máy tính như phần 2.3.2, nhập các giá trị m1=0,1kg,
m2=0,2kg vào ô Value. Trong trường hợp này vị trí của xe 1 vẫn ở ngoài cổng E còn xe
2 ở giữa E và F. Đẩy xe 1 đến va chạm với xe 2, sau va chạm đợi cho xe 1 đã đi qua
cổng E và xe 2 đi qua cổng F thì nhấn F9 để kết thúc phép đo. Ghi lại các kết quả đỏ vào bảng 4.
Bảng 4. Va chạm đàn hồi với m1=0,1 kg ; m2=0,2 kg n 1 2 3 4 5 v1 0.626 0.676 0.767 0.712 0.659 Vận tốc v (m/s) 2 0 0 0 0 0 v1’ -0.208 -0.23 -0.289 -0.249 -0.232 v2’ 0.356 0.38 0.422 0.398 0.368 p1 62.6 67.6 76.7 71.2 65.9 Động lượng p2 0 0 0 0 0 (mNs) p1’ -20.8 -23 -28.4 -24.9 -23.2 p2’ 71.1 76 84.5 79.5 73.7 p 62.6 67.6 76.7 71.2 65.9 Tổng động lượng p’ 50.3 52.9 55.5 54.6 50.5 E1 19.57 22.87 29.38 25.36 21.71 Năng lượng E2 0 0 0 0 0 (mJ) E1’ 2.17 2.66 4.18 3.09 2.69 E2’ 12.65 14.43 17.84 15.81 13.56 Tổng năng lượng E 19.57 22.87 28.38 25.36 21.71 (mJ) E’ 14.82 17.09 22.02 18.9 16.25 Độ suy hao năng ∆ 24.3 25.3 25 25.5 25.1 lượng (%) E
2. Khảo sát va chạm mềm.
a. Tháo các lò xo ra khỏi xe. Gắn ống đầu có gắn kim vào xe 1, ống có gắn chất dẻo vào xe 2.
b. Tiến hành lại các bước thí nghiệm ở mục
đối với các trường hợp như trong phần 2.2.3 va chạm dàn hồi.
Lưu ý: Trong tất cả các trường hợp thí nghiệm khảo sát va chạm mềm đều chọn vị
trí ban đầu của các xe trượt là “1 E 2F”(trolley 2 at rest) (nghĩa là xe 1 ở ngoài
cổng E, xe 2 đứng yên và ở giữa cổng E và cổng F. Khi đó phần mềm sẽ mặc định nhận giá trị v2=0)
c. Ghi lại kết quả đo được vào các bảng 5,6,7
Bảng 5. Va chạm mềm với m1=m2=0,1 kg n 1 2 3 4 5 v1 0.438 0.452 0.441 0.426 0.311 Vận tốc v (m/s) 2 0 0 0 0 0 v1’ 0.201 0.208 0.202 0.199 0.146 v2’ 0.201 0.208 0.202 0.199 0.146 p1 43.8 45.2 44.1 42.6 31.1 Động lượng p2 0 0 0 0 0 (mNs) p1’ 20.1 20.8 20.2 19.9 14.6 p2’ 20.1 20.8 20.2 19.9 14.6 p 43.8 45.2 44.1 42.6 31.1 Tổng động lượng p’ 40.2 41.5 40.4 39.8 29.2 E1 9.60 10.2 9.73 9.07 4.83 Năng lượng E2 0 0 0 0 0 (mJ) E1’ 2.02 2.15 2.03 1.98 1.07 E2’ 2.03 2.16 2.04 1.99 1.06 Tổng năng lượng E 9.6 10.2 9.73 9.07 4.83 (mJ) E’ 4.05 4.31 4.08 3.97 2.14 Độ suy hao năng ∆ 57.9 57.7 58.1 56.3 55.8 lượng (%) E
Bảng 6. Va chạm mềm với m1= 0,2 kg ; m2= 0,1 kg n 1 2 3 4 5 v1 0.358 0.358 0.481 0.33 0.412 Vận tốc v (m/s) 2 0 0 0 0 0 v1’ 0.226 0.227 0.3 0.215 0.26 v2’ 0.226 0.227 0.3 0.215 0.26 p1 71.6 21.6 96.2 66 82.4 Động lượng p2 0 0 0 0 0 (mNs) p1’ 45.2 45.4 59.8 48 52 p2’ 22.6 22.7 30 21.5 26 P 71.6 71.6 96.2 66 82.4 Tổng động lượng p’ 67.8 68.1 89.8 64.5 78 E1 12.81 12.83 23.14 10.89 16.96 Năng lượng E2 0 0 0 0 0 (mJ) E1’ 5.11 5.16 8.95 4.63 6.76 E2’ 2.55 2.57 4.49 2.31 3.37 Tổng năng lượng E 12.81 12.83 23.14 10.89 16.96 (mJ) E’ 7.66 7.73 13.44 6.94 10.13 Độ suy hao năng ∆ 40.2 39.7 41.9 36.3 40.3 lượng (%) E
Bảng 7. Va chạm mềm với m1= 0,1 kg ; m2= 0,2 kg n 1 2 3 4 5 v1 0.383 0.436 0.385 0.328 0.448 Vận tốc v (m/s) 2 0 0 0 0 0 v1’ 0.119 0.135 0.123 0.110 0.138 v2’ 0.118 0.134 0.122 0.108 0.137 p1 38.3 43.6 38.5 32.8 44.8 Động lượng p2 0 0 0 0 0 (mNs) p1’ 11.9 13.5 12.3 11 13.8 p2’ 23.5 26.8 24.4 21.6 27.3 p 38.3 43.6 38.5 32.8 44.8 Tổng động lượng p’ 35.9 40.4 36.8 32.6 41.1 E1 73.5 9.51 7.41 5.37 10.05 Năng lượng E2 0 0 0 0 0 (mJ) E1’ 0.73 0.91 0.76 0.6 0.95 E2’ 1.68 1.8 1.45 1.17 1.87 Tổng năng lượng E 7.35 9.51 7.41 5.37 10.08 (mJ) E’ 2.09 2.71 2.25 1.77 2.82 Độ suy hao năng ∆ 71.6 71.5 69.6 67 72 lượng (%) E III. Xử lý số liệu
1. Phân biệt va chạm đàn hồi và va chạm mềm
Va chạm đàn hồi và va chạm mềm về mặt hình ảnh có sự khác biệt rõ rệt và dễ dàng
nhận biết, nhưng bên cạnh đó, với các số liệu suy ra, năng lượng suy hao của va chạm
mềm cao hơn so với va chạm đàn hồi trong khi sự khác biệt về vận tốc 2 vật ban đầu không quá lớn.
2. Định luật bảo toàn động lượng có được nghiệm đúng trong các thí nghiệm không? Giải thích?
Vì một số lý do về mặt môi trường, định luật bảo toàn động lượng ở đây có thể đưa ra
nghiệm gần đúng, điều này có thể do mất mát về động năng chuyển thành nhiệt và một
lượng nhỏ khác mất đi do ma sát với các chất liệu môi trường. Khối lượng xe có ảnh
hưởng đến sự tiêu hao năng lượng với việc khối lượng càng lớn, dẫn đến tiêu hao năng
lượng càng lớn, điều này cũng đúng cho công thức suy hao năng lượng.
3. Định luật bảo toàn năng lượng có được nghiệm đúng trong các va chạm đàn hồi
không? Giải thích? Khối lượng của xe gây ảnh hưởng như thế nào đến sự tiêu hao
năng lượng trong quá trình va chạm đàn hồi?
Định luật bảo toàn năng lượng trong các va chạm đàn hồi được nghiệm gần đúng vì
trong quá trình thực nghiệm, sai số hệ thống là đáng kể.
Trong một va chạm giữa hai vật có khối lượng khác nhau, năng lượng sẽ được
chuyển đổi một cách khác biệt tùy thuộc vào tỉ lệ khối lượng giữa chúng. Trong trường
hợp xe có khối lượng lớn hơn, nó có thể thường xuyên giữ lại một phần lớn của năng
lượng sau va chạm, trong khi vật có khối lượng nhỏ hơn sẽ mất năng lượng một cách
nhanh chóng hơn. Điều này có thể dẫn đến hậu quả như tổn thất năng lượng lớn hơn và
biến dạng nặng hơn cho vật lép sau va chạm. Tuy nhiên, trong các va chạm thực tế, các
yếu tố khác như đàn hồi của vật liệu, độ trơn trượt, và các lực khác cũng ảnh hưởng đến
quá trình va chạm và tiêu hao năng lượng.
4. Từ công thức (10) tính độ suy hao năng lượng trong va chạm mềm cho các
trường hợp khối lượng m1=m2, m1=2m2 và 2m1=m2. Các kết quả thu được trong thí
nghiệm và các kết quả tính toán tương ứng có phù hợp với nhau không? Vì sao?
Ta có công thức độ suy hao năng lượng trong va chạm mềm là: ∆ E m m (v −v )2 H= = 1 2 1 2 E
(m +m ) (m m2+m v2) 1 2 1 1 2 2 m Trong thí nghiệm v ∆ E 2 2=0, suy ra: H= = E m + m 1 2 +) Với m1=m2 m Ta có: H=∆ E = 2 = 50% E m + m 1 2 +) Với m1=2m2 m Ta có: H=∆ E = 2 = 33.33% E m + m 1 2 +) Với 2m1=m2 m Ta có: H=∆ E = 2 = 66.67% E m + m 1 2
Từ kết quả lý thuyết vừa tính trên và kết quả trong quá trình thực nghiệm ta có thể
thấy các số khá sát nhau. Do trong quá trình thực nghiệm năng lượng bị tiêu hao
chuyển thành nhiệt và các dạng năng lượng khác, một phần cũng do điều kiện thực hành chưa tốt.