SciSimulator
Quay lại thí nghiệm

Bảo toàn Cơ năng: Rơi Tự do Hướng dẫn

Vật lýTrung cấpThời gian đọc: 3 phút

Tổng quan

Xác minh định luật bảo toàn cơ năng bằng cách quan sát chuyển động rơi tự do của một vật nặng. Xác nhận rằng sự giảm thế năng hấp dẫn bằng sự tăng động năng khi chỉ có trọng lực sinh công.

Bối cảnh

Ý tưởng về bảo toàn cơ năng bắt nguồn từ nghiên cứu của Galileo về chuyển động của con lắc, nơi ông phát hiện ra rằng quả lắc luôn dâng lên cùng độ cao với điểm thả của nó. Sau đó, Leibniz đề xuất khái niệm bảo toàn 'vis viva' (lực sống, tức là mv2mv^2). Cuối cùng, Joule và những người khác đã thiết lập định luật bảo toàn năng lượng hoàn chỉnh. Thí nghiệm này sử dụng đồng hồ gõ nhịp để ghi lại chuyển động rơi tự do và xác minh định lượng sự bảo toàn cơ năng.

Khái niệm chính

Thế năng Hấp dẫn (EpE_p)

Ep=mghE_p = mgh

Năng lượng mà một vật sở hữu do vị trí thẳng đứng của nó, tỷ lệ thuận với độ cao.

Động năng (EkE_k)

Ek=12mv2E_k = \frac{1}{2}mv^2

Năng lượng mà một vật sở hữu do chuyển động của nó, tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc.

Cơ năng (EE)

E=Ep+EkE = E_p + E_k

Tổng động năng và thế năng trong một hệ thống.

Công thức và diễn giải

Định luật Bảo toàn Cơ năng

ΔEp=ΔEk⇒mgh=12mv2\Delta E_p = \Delta E_k \Rightarrow mgh = \frac{1}{2}mv^2
Nếu vận tốc ban đầu là 0, thế năng mất đi sau khi rơi độ cao hh bằng động năng thu được.

Tính Vận tốc Tức thời

vn=hn+1−hn−12Tv_n = \frac{h_{n+1} - h_{n-1}}{2T}
Đối với một vật chuyển động nhanh dần đều, vận tốc trung bình trong một khoảng thời gian bằng vận tốc tức thời tại điểm giữa của khoảng thời gian đó.

Các bước thí nghiệm

  1. 1

    Điều chỉnh Thiết bị

    Đảm bảo đồng hồ gõ nhịp được cố định thẳng đứng và các lỗ giới hạn được căn chỉnh thẳng đứng để giảm thiểu ma sát băng giấy. Kết nối nguồn điện (được kết nối theo mặc định trong mô phỏng).
  2. 2

    Vận hành Băng giấy

    Bật nguồn đồng hồ trước (tiếng tích tắc ổn định), sau đó thả vật nặng. Quan sát xem vật có rơi êm không.
  3. 3

    Chọn Vết

    Tìm một điểm đầu tiên rõ ràng (t=0t=0). Nếu khoảng cách giữa điểm thứ 1 và thứ 2 gần bằng 2mm2mm (ở tần số 50Hz50Hz), vận tốc ban đầu có thể được coi là 0.
  4. 4

    Đo lường và Tính toán

    Chọn các điểm đếm cách xa nhau (ví dụ: lấy 1 điểm đếm sau mỗi 5 điểm, vì vậy T=0.1sT=0.1s). Đo chiều cao rơi hh cho mỗi điểm và tính vận tốc tức thời tương ứng vv.

Mục tiêu học tập

  • Đã xác minh rằng cơ năng được bảo toàn trong quá trình rơi tự do trong phạm vi sai số thực nghiệm.
  • Đã nắm vững phương pháp sử dụng 'vận tốc tức thời giữa thời gian' để xử lý dữ liệu băng giấy.
  • Đã phân tích nguyên nhân gây ra sai số hệ thống (giảm EpE_p lớn hơn một chút so với tăng EkE_k) do lực cản không khí và ma sát băng giấy.

Ứng dụng thực tế

  • Thủy điện: Thế năng hấp dẫn của nước được chuyển đổi thành động năng bởi một con đập, sau đó làm quay các tuabin để tạo ra điện.
  • Máy đóng cọc: Một chiếc búa nặng được nâng lên để lấy thế năng, chuyển đổi thành động năng lớn khi rơi xuống để đóng cọc xuống đất.
  • Tàu lượn siêu tốc: Các đoàn tàu liên tục chuyển đổi giữa động năng và thế năng khi chúng di chuyển lên xuống đường ray.

Sự hiểu lầm phổ biến

Sai
Tốc độ rơi của một vật phụ thuộc vào khối lượng của nó; vật nặng hơn rơi nhanh hơn.
Đúng
Gia tốc rơi tự do gg không phụ thuộc vào khối lượng. Tốc độ rơi chỉ bị ảnh hưởng bởi lực cản không khí (được bỏ qua trong thí nghiệm này).
Sai
Thả băng giấy trước, sau đó bật nguồn.
Đúng
Phải bật nguồn trước để ổn định tiếng tích tắc trước khi thả băng giấy. Nếu không, phần đầu của băng giấy có thể bị trống hoặc các điểm có thể không ổn định.
Sai
Vận tốc có thể được tính bằng cách sử dụng v=gtv = gt hoặc v=2ghv = \sqrt{2gh}.
Đúng
Trong một thí nghiệm xác minh, bạn không thể sử dụng công thức của định luật đang được xác minh để tính toán dữ liệu. Bạn phải sử dụng vận tốc trung bình của băng giấy v=stv = \frac{s}{t} để đo vận tốc tức thời.

Đọc thêm

Sẵn sàng bắt đầu?

Bây giờ bạn đã nắm được kiến thức cơ bản, hãy bắt đầu thí nghiệm tương tác!

Bắt đầu thí nghiệmBắt đầu trắc nghiệm