Chuyển động tròn đều và lực hướng tâm
1 · Dự đoán
Một quả cầu trên một thanh quay quanh một trục quay cố định ở trung tâm với tốc độ không đổi. Nếu bạn tăng tốc độ quỹ đạo của quả bóng trong khi vẫn giữ nguyên bán kính thì thời gian cho một vòng quay đầy đủ (chu kỳ) sẽ dài hơn, ngắn hơn hay giữ nguyên?
- Khoảng thời gian sẽ dài hơn (mất nhiều thời gian hơn cho mỗi vòng).
- Khoảng thời gian vẫn giữ nguyên (tốc độ không ảnh hưởng đến khoảng thời gian).
- Khoảng thời gian ngày càng ngắn hơn (mất ít thời gian hơn cho mỗi vòng).
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước Chuyển động tròn. Lưu ý chiều dài của thanh (bán kính quỹ đạo) và khối lượng của quả bóng, đồng thời xác nhận lực hấp dẫn ở ngoài - chỉ riêng thanh cung cấp lực làm cong đường đi.
- Xác nhận đầu dò tốc độ được gắn vào quả bóng và thả Bộ hẹn giờ lên quả bóng để bạn có thể tính thời gian cho một vòng quay đầy đủ.
- Đối với mỗi lần thử bên dưới, hãy đặt khối lượng của quả bóng, chiều dài thanh (bán kính) và tốc độ tiếp tuyến ban đầu của quả bóng, sau đó nhấn Phát và tính thời gian cho một vòng hoàn chỉnh.
3 · Thu thập dữ liệu
| Khối lượng m (kg) | Bán kính r (m) | Tốc độ quỹ đạo v (m/s) | Lực hướng tâm F = mv²/r (N) | Kỳ T (vòng 1) (s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 2.00 | 3.00 | ||
| 1.00 | 3.00 | 4.00 | ||
| 2.00 | 2.50 | 5.00 |
Vẽ đồ thị khoảng thời gian T (trục y) theo r/v (trục x) cho ba lần thử của bạn. Mô tả hình dạng của đường thẳng.
4 · Phân tích
- Trong một lần thử, hãy trình bày công việc tính toán khoảng thời gian từ bán kính và tốc độ bạn đặt (T = 2πr/v) và so sánh nó với số liệu của Đồng hồ bấm giờ trong mô phỏng.
- Qua ba lần thử của bạn, việc tăng tốc độ ở một bán kính cố định sẽ thay đổi thời gian như thế nào? Việc tăng bán kính ở một tốc độ cố định sẽ thay đổi chu kỳ như thế nào? Giải thích cả hai bằng cách sử dụng T = 2πr/v.
5 · Gia hạn
- Cài đặt trước này sẽ tắt trọng lực để chuyển động thực sự đồng đều. Nếu trọng lực được bật trở lại và thanh vẫn đi theo một đường tròn nằm ngang, liệu tốc độ của quả bóng có giữ nguyên trong suốt vòng đua không? Tại sao hoặc tại sao không?
- Một vật thể quay quanh thực sự (như một quả bóng trên dây được vung bằng tay) mất một ít năng lượng do lực cản không khí và trục quay mỗi vòng. Bạn có mong đợi khoảng thời gian đo được của nó sẽ hoàn toàn không đổi trong nhiều vòng hay trôi đi - và theo hướng nào?
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Lực hướng tâm
Lực hướng vào mà thanh phải cung cấp để giữ cho quả bóng chuyển động theo đường tròn thay vì đường thẳng. Nó phụ thuộc vào khối lượng của quả bóng, tốc độ quỹ đạo (không đổi) của nó và bán kính của vòng tròn - đây là lực căng mà bạn cảm thấy trong thanh ở mỗi cài đặt của lần thử.