Một con lắc gồm một quả nặng được treo vào một thanh hoặc một sợi dây lắc lư qua lại. Pendulums phổ biến trong các thiết bị đo thời gian như đồng hồ đo thời gian, đồng hồ quả lắc, máy đo địa chấn và lư hương xoay, và có thể được sử dụng để minh họa các vấn đề vật lý phức tạp.
Bươc chân
Phương pháp 1/3: Tìm hiểu Cơ bản về Con lắc
Bước 1. Biết rằng con lắc là quả nặng treo tự do vào đầu sợi dây
Trước khi bắt đầu sử dụng con lắc, bạn cần biết con lắc là gì và cách thức hoạt động của nó. May mắn thay, một con lắc không gì khác hơn là một quả nặng treo có thể lắc qua lắc lại. Sợi dây được buộc tại một điểm cố định sao cho chỉ có khối lượng và sợi dây chuyển động.
- Giữ phần cuối của vòng cổ mặt dây chuyền hoặc đồ chơi yo-yo giữa các ngón tay của bạn và di chuyển "trọng lượng" ở phía dưới. Bạn đã làm được con lắc đầu tiên của mình!
- Một ví dụ phổ biến về quả lắc là một quả lắc lớn dao động trên đồng hồ quả lắc.
Bước 2. Để sử dụng một con lắc, kéo quả nặng trở lại và sau đó thả nó
Đảm bảo rằng bạn giữ chặt dây và lấy tạ ra mà không cần đẩy. Trọng lượng sẽ lắc lư qua lại, trở lại độ cao gần như khi bạn thả rơi.
- Con lắc sẽ dao động mãi mãi nếu không có gì làm nó chậm lại hoặc thay đổi hướng của nó.
- Trên thực tế, các lực bên ngoài như ma sát và lực cản của không khí sẽ làm con lắc chậm lại.
Bước 3. Làm một con lắc đơn giản với một sợi dây, pin và thước dây để hiểu rõ hơn về nó
Nếu bạn đang học thông qua các hoạt động thực hành hoặc muốn dạy trẻ cách hoạt động của con lắc thì bạn có thể nhanh chóng chế tạo một con lắc để thử nghiệm:
- Buộc một đầu của sợi dây vào tâm của thước dây hoặc cột gỗ.
- Buộc đầu kia vào pin hoặc tải nhỏ khác.
- Cân bằng gỗ đo trên lưng của hai chiếc ghế bằng nhau để pin được treo tự do giữa chúng và có thể đung đưa mà không va vào bất cứ vật gì.
- Nhấc pin lên, giữ cho dây căng và thả nó ra để nó lắc lư qua lại.
Bước 4. Xác định các từ vựng khoa học về con lắc
Như với hầu hết các hoạt động khoa học, việc hiểu và sử dụng con lắc chỉ có thể thực hiện được nếu bạn biết các từ mô tả nó.
- Biên độ: Điểm cao nhất mà con lắc đạt tới.
- Bob: Tên gọi khác của tải trọng trên đầu con lắc.
- Trạng thái cân bằng: trung điểm của con lắc; tải ở đâu nếu nó không di chuyển.
- Tính thường xuyên: Số lần con lắc qua lại trong một thời gian nhất định.
- Khoảng thời gian: Khoảng thời gian để con lắc chuyển động quay trở lại vị trí cũ.
Phương pháp 2/3: Sử dụng con lắc để dạy vật lý cơ bản
Bước 1. Lưu ý rằng thí nghiệm con lắc là một cách tuyệt vời để dạy phương pháp khoa học
Phương pháp khoa học đã là xương sống của nghiên cứu khoa học từ thời Hy Lạp cổ đại, và con lắc là một vật dễ chế tạo và cho kết quả nhanh chóng. Khi tiến hành bất kỳ thử nghiệm nào sau đây, hãy dành thời gian để hình thành giả thuyết, thảo luận về biến số bạn đang thử nghiệm và so sánh kết quả.
- Luôn thử nghiệm đến 5-6 lần để đảm bảo tính nhất quán của kết quả.
- Hãy nhớ chỉ thử một thí nghiệm tại một thời điểm - nếu không bạn sẽ không biết điều gì làm thay đổi chuyển động của con lắc.
Bước 2. Thay đổi trọng lượng ở đầu sợi dây để dạy trọng lực
Một trong những cách đơn giản nhất để tìm hiểu về tác dụng của trọng lực là thông qua một con lắc, và bạn có thể ngạc nhiên về kết quả. Để xem tác động của trọng lực:
- Kéo con lắc 10 cm rồi thả.
- Dùng đồng hồ bấm giờ để tính chu kỳ con lắc. Lặp lại 5 - 10 lần.
- Thêm một bob nặng hơn vào con lắc và lặp lại thí nghiệm.
- Chu kỳ và tần suất sẽ giống hệt nhau! Điều này là do trọng lực ảnh hưởng đến tất cả các tải như nhau. Ví dụ, một đồng xu và một viên gạch sẽ rơi với tốc độ như nhau.
Bước 3. Thay đổi nơi bạn thả tải để nghiên cứu biên độ
Khi bạn kéo sợi dây lên cao hơn, bạn đã tăng biên độ hoặc chiều cao của con lắc. Tuy nhiên, điều đó có thay đổi nhanh chóng con lắc trở lại tay bạn không? Lặp lại thí nghiệm trên, nhưng lần này kéo con lắc ra xa 20 cm và không thay đổi tải trọng.
- Nếu bạn đã làm mọi thứ một cách chính xác, chu kỳ của con lắc sẽ không thay đổi.
- Thay đổi biên độ không làm thay đổi tần số, một thực tế sẽ có ích trong lượng giác, khoa học âm thanh và nhiều lĩnh vực khác.
Bước 4. Thay đổi độ dài của sợi dây
Lặp lại thí nghiệm ở trên, nhưng thay vì thay đổi khối lượng bạn thêm vào hoặc độ cao bạn thả nó xuống, hãy sử dụng một sợi dây ngắn hơn hoặc dài hơn.
Lần này chắc chắn bạn sẽ nhận thấy những thay đổi. Trên thực tế, việc thay đổi độ dài của sợi dây là điều duy nhất sẽ làm thay đổi chu kỳ và tần số của con lắc
Bước 5. Tìm hiểu thêm về vật lý con lắc để tìm hiểu về quán tính, truyền năng lượng và gia tốc
Đối với những học sinh cuối cấp hoặc những nhà vật lý đầy tham vọng, mặt dây chuyền là một cách tuyệt vời để tìm hiểu mối quan hệ giữa gia tốc, ma sát và lượng giác. Tìm kiếm "phương trình con lắc" hoặc thiết kế các thí nghiệm của riêng bạn để tìm chúng. Một số câu hỏi cần xem xét:
- Bob di chuyển nhanh như thế nào tại điểm thấp nhất của nó? Làm thế nào để bạn tìm thấy tốc độ của bob tại mỗi điểm?
- Động năng của con lắc tại một điểm bất kỳ trong con lắc là bao nhiêu? Để hỗ trợ, hãy sử dụng phương trình: Động năng = 0,5 x Khối lượng x Vận tốc của Bob. Vận tốc2
- Làm thế nào bạn có thể dự đoán chu kỳ của một con lắc dựa trên chiều dài của dây?
Phương pháp 3/3: Sử dụng con lắc để thực hiện phép đo
Bước 1. Điều chỉnh độ dài của sợi dây để đo thời gian
Trong khi kéo sợi dây ra xa hơn và thay đổi tải trọng không thể thay đổi chu kỳ, việc kéo dài hoặc rút ngắn dây có thể thay đổi chu kỳ. Đây là cách tạo ra một chiếc đồng hồ cũ - nếu bạn thay đổi hoàn toàn chiều dài của con lắc thì bạn có thể thực hiện một chu kỳ hoặc xoay hoàn toàn, mất hai giây. Đếm số khoảng thời gian và bạn biết bao nhiêu thời gian đã trôi qua.
- Đồng hồ quả lắc được gắn vào bánh răng để mỗi khi con lắc lắc, kim giây trên đồng hồ sẽ chuyển động.
- Trong đồng hồ quả lắc, một quả nặng xoay theo một hướng sẽ tạo ra tiếng "tích" và chuyển động ngược lại tạo ra "tiếng gõ".
Bước 2. Sử dụng con lắc của bạn để đo các rung động gần đó, bao gồm cả động đất
Máy đo địa chấn, một máy đo cường độ và hướng của các trận động đất, là một con lắc phức tạp chỉ chuyển động khi vỏ Trái đất chuyển động. Trong khi việc hiệu chỉnh một con lắc chỉ để đo kiến tạo mảng là cực kỳ phức tạp, bạn có thể biến hầu hết mọi con lắc thành một máy đo địa chấn cơ bản chỉ với bút và giấy.
- Keo bút hoặc bút chì vào quả nặng ở cuối con lắc.
- Đặt một tờ giấy dưới con lắc sao cho bút chạm vào tờ giấy và tạo ra các điểm đánh dấu.
- Đung nhẹ con lắc, nhưng không lắc dây. Bạn lắc con lắc càng mạnh, các vết trên mảnh giấy của bạn càng lớn. Điều này có liên quan đến một "trận động đất" lớn hơn.
- Máy đo địa chấn ban đầu có một mảnh giấy quay để bạn có thể thấy sức mạnh của một trận động đất theo thời gian.
- Con lắc đã được sử dụng để đo động đất từ năm 132 sau Công nguyên ở Trung Quốc.
Bước 3. Sử dụng một con lắc đặc biệt gọi là Foucault's Pendulum để chứng minh rằng trái đất quay
Mặc dù ngày nay người ta biết rằng trái đất quay theo trục của nó, nhưng Con lắc của Foucault là bằng chứng sớm nhất về khái niệm này. Để tái tạo nó, bạn sẽ cần một con lắc lớn, với chiều dài tối thiểu 4,9 mét và trọng lượng hơn 11,3 kg, để giảm thiểu các biến bên ngoài như gió hoặc ma sát.
- Chuyển động con lắc sao cho nó dao động được trong thời gian dài.
- Khi thời gian trôi qua, bạn sẽ nhận thấy rằng con lắc dao động theo một hướng khác với khi bạn bắt đầu dao động.
- Điều này xảy ra bởi vì con lắc chuyển động trên một đường thẳng trong khi trái đất bên dưới quay.
- Ở bán cầu bắc con lắc sẽ chuyển động theo chiều kim đồng hồ và ở bán cầu nam con lắc sẽ chuyển động ngược chiều kim đồng hồ.
- Mặc dù phức tạp nhưng bạn có thể sử dụng Con lắc của Foucault để tính vĩ độ bằng các phương trình lượng giác.
Lời khuyên
- Bạn có thể cần hai người để thực hiện chính xác thí nghiệm này - một người sử dụng con lắc và người kia theo dõi thời gian.
- Nếu bạn muốn thực hiện một con lắc chính xác hơn, hãy sử dụng một sợi dây khác để giữ quả nặng ở độ cao mong muốn. Đốt đầu dây để “thả” quả nặng. Điều này sẽ giúp bạn không vô tình đẩy tạ về phía trước hoặc sang một bên khi bạn thả nó ra.
- Một số người tin rằng con lắc còn có khả năng bói toán đặc biệt.
