Con lắc vật lý là gì? Cấu tạo và một số bài tập liên quan đến con lắc

Với mục đích xác định gia tốc rơi tự do với tính chính xác cao thì con lắc vật lý thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm của nhà trường. Trong bài viết dưới đây, Trung tâm sửa chữa điện lạnh – điện tử Limosa sẽ tổng hợp những kiến thức nhằm giúp bạn giải đáp câu hỏi con lắc vật lý là gì và có cấu tạo như thế nào nhé!

1. Tìm hiểu chung về con lắc vật lý.

Chắc hẳn không ít người chưa thực sự hiểu được ý nghĩa và cấu tạo của con lắc vật lý. Hãy nắm rõ các kiến thức cơ bản để dễ dàng thực hành nhiều bài tập về con lắc nhé.

1.1 Con lắc vật lý là gì?

Con lắc vật lý (hay còn được gọi là con lắc thuận nghịch) là một vật rắn có khối lượng m, có thể dao động quanh trục quay cố định nằm ngang đi qua điểm O. Điểm này được đặt nằm cao hơn so với khối tâm G, được gọi là điểm treo của con lắc.

Khi điều chỉnh vị trí của một khối sao cho các chu kỳ dao động của con lắc quanh hai trục bằng nhau thì khoảng cách giữa hai trục bằng nhau bằng độ dài của con lắc đơn, nghĩa là có cùng chu kỳ dao động với con lắc vật lý, từ đó có thể đo lường chính xác gia tốc trọng trường.

1.2 Cấu tạo con lắc vật lý.

Sau quá trình nghiên cứu, người ta có thể xác định con lắc vật lý có cấu tạo như sau:

• Một thanh kim loại đồng chất dài .
• Hai lưỡi dao được gắn cố định có trọng lượng nhỏ hơn thanh kim loại đồng chất bằng khoảng 1/10.
• Hai vật nặng với khối lượng mỗi quả khoảng 2/10 so với khối lượng thanh đồng chất. Một quả gắn cố định vào vị trí nằm giữa hai lưỡi dao, một quả nặng gắn phía ngoài và có thể tùy ý vặn chỉnh được.

1.3 Nguyên lý hoạt động của con lắc thuận nghịch.

Con lắc thuận nghịch có đến hai điểm treo O1 và O2 được vít cố định. Khi treo con lắc dao động quanh một trong hai điểm thì con lắc sẽ dao động thông thường theo chu kỳ.

Khi treo ngược con lắc và để nó dao động quanh vị trí O2 mà chu kỳ dao động vẫn không đổi, thì khoảng cách O1 và O2 giữa hai điểm treo chính sẽ bằng với chiều dài rút gọn L.

Vì vậy để tìm ra độ dài rút gọn L, ta cần điều chỉnh sao cho cấu trúc của con lắc dù treo ở O1 hay O2 thì chu kỳ dao động của nó là không đổi. Con lắc thuận nghịch trong bài thí nghiệm được cấu tạo có trọng tâm thay đổi được nhờ di dời quả nặng B (nằm ngoài đoạn thẳng O1, O2).

2. Những công thức có liên quan đến con lắc vật lý.

Tham khảo ngay một số công thức về con lắc vật lý, con lắc thuận nghịch để áp dụng vào các bài tập cũng như góp phần hiểu chính xác hơn con lắc vật lý là gì nhé.

2.1 Phương trình dao động của con lắc vật lý.

Với mọi con lắc vật lý, khi dao động quanh một trục với góc lệch nhỏ φ, ta có phương trình dao động J.φ’’ + m.l.g.φ = 0. Trong đó:

• J: Là mô men quán tính của con lắc vật lý đối với trục dao động.
• l: Là khoảng cách từ tâm vật đến trục dao động.
• g: Là gia tốc trọng trường.
• m: Là khối lượng con lắc vật lý.

2.2 Một số công thức liên quan khác.

Chiều dài rút gọn của con lắc có thể được định nghĩa qua phương trình L = J/m.s.

Chu kỳ của con lắc: T = 2π√L/g.

Dựa trên lý thuyết trục song song, mô men quán tính của con lắc: J = Js +m.l^2.

3. Bài tập thực hành đo chu kỳ dao động.

Để biết được bạn đã nắm chắc kiến thức về con lắc vật lý là gì hay chưa, hãy thực hành thử bài tập sau. Trước khi tiến hành cần chuẩn bị vài dụng cụ như con lắc vật lý, máy đo thời gian, cổng quang điện hồng ngoại, giá treo, thước, giấy vẽ đồ thị.

Gắn con lắc vào tường để hạn chế rung lắc, đồng thời gắn cổng quang vào tường sao cho thanh dao động cắt ngang mắt quang học. Sau đó cố định m1 = 1360g cách 10cm so với trục dao động, m2 = 940g cách dao 1 là 9,7cm và thực hiện theo các bước:

• Bước 1: Kéo con lắc khỏi vị trí cân bằng một góc nhỏ che mắt cổng quang và thả ra để con lắc chuyển động.
• Bước 2: Đợi một lúc cho chu kỳ ổn định rồi nhấn Start/Stop trên đồng hồ để khởi động. Khi đếm đến 51 thì ấn lại nút Start/Stop thêm lần nữa để dừng, khi này đồng hồ sẽ biểu thị thời gian sau 50 chu kỳ, ta chỉ cần ghi lại số liệu.
• Bước 3: Dịch chuyển m2 xuống vạch kế tiếp và tiến hành như trên cho đến vạch cuối cùng là vạch 25.
• Bước 4: Xoay trục dao động của con lắc để thực hiện đo chu kỳ thuận.
• Bước 5: Giữ nguyên vị trí của m1 và lần lượt tiến hành đo đạc như chu kỳ nghịch phía trên, sau đó ta sẽ được bảng số liệu hoàn chỉnh.

Con lắc vật lý trong cơ học là một kiến thức không kém phần quan trọng giúp con người nghiên cứu và lý giải thành công nhiều hiện tượng ngày nay. Chắc hẳn bạn đã phần nào hiểu được con lắc vật lý là gì sau bài viết trên. Theo dõi ngay website của Trung tâm sửa chữa điện lạnh – điện tử Limosa để tham khảo thêm nhiều nội dung hấp dẫn khác.