Bối rối với Lực và Chuyển động? Hãy Thử Nghiệm Vật lý Này

Bạn đang ngồi trong lớp vật lý, làm việc trên một vấn đề truyền thống liên quan đến lực và gia tốc, khi bạn bắt đầu tự hỏi những thuật ngữ này đến từ đâu. Chúng chỉ là những ý tưởng được tạo ra để mang đau khổ đến sinh viên, hay chúng có mối liên kết sâu sắc với hiện thực? Học về vật lý, tất nhiên, là một dạng của khoa học—và tất cả các ngành khoa học đều thu thập dữ liệu thực nghiệm để xây dựng các mô hình. Lực và gia tốc cũng không ngoại lệ.

Tất nhiên, chúng ta đã biết mối quan hệ giữa lực và gia tốc. Bạn thấy nó trong tất cả các sách vật lý của bạn. Trong một chiều, chúng ta có mô hình toán học sau đây.

Điều này nói rằng tổng lực trên đối tượng sẽ bằng tích của khối lượng của đối tượng và gia tốc của nó. Dường như rõ ràng rằng chúng ta có thể áp dụng một lực và đo lường gia tốc để chứng minh rằng mô hình này là đúng (và chúng tôi sẽ làm điều đó).

Nhiều người thường gọi mô hình này là "Định luật thứ Hai về Chuyển động của Newton," nhưng tôi nghĩ rằng điều đó mang đến ý kiến sai lầm. Không chỉ có Newton nghĩ về vai trò của lực. Còn những người khác đang làm việc trên vấn đề này trong thế kỷ 17 (Galileo, Hooke, Leibniz) và họ đều có đóng góp quan trọng.

Nhưng làm thế nào bạn có thể xây dựng mô hình này bằng cách sử dụng lực và gia tốc? Việc đo lường gia tốc của một đối tượng di chuyển bằng cách đo khoảng cách và thời gian không quá khó khăn. Còn về lực thì sao? Làm thế nào bạn có thể áp dụng một lực không đổi lên một đối tượng VÀ duy trì nó không đổi?

Một cách để tạo ra một lực không đổi là bằng lực hấp dẫn—để mọi thứ rơi xuống. Tất nhiên, điều đó làm loạn luân thí nghiệm của bạn vì bạn cũng đang thay đổi khối lượng của đối tượng. Vì vậy, với những vấn đề này, Newton và những người khác đã phải xây dựng mô hình chuyển động này thông qua các phương tiện khác. Họ đã tiếp cận lý thuyết bằng cách sử dụng dữ liệu từ chuyển động của các hành tinh quay quanh Mặt Trời. Nếu mặt trăng quay quanh Trái Đất với cùng loại tương tác mà Trái Đất quay quanh Mặt Trời, thì gia tốc của một đối tượng phải phụ thuộc vào khối lượng của nó.

Đó chủ yếu là cách họ xây dựng mô hình chuyển động lực trong thế kỷ 17. Nhưng bạn không cần phải làm như vậy ngay bây giờ. Bạn có thể xác minh mô hình này bằng cách sử dụng các công cụ hiện đại hơn. Đây là cách nó hoạt động.

Lực không đổi với Khối lượng Biến Đổi

Hãy lấy một chiếc xe đẩy có ma sát thấp và áp dụng một lực không đổi. Làm thế nào bạn có thể làm điều đó? Không quá khó, nhưng việc có một cái quạt chạy bằng pin có thể gắn vào xe đẩy sẽ giúp ích rất nhiều. Đây, nó trông như thế này.

Tôi có thể đo độ lớn của lực từ quạt bằng cách bật nó lên và để nó đẩy lên một cảm biến lực. Với điều này, có vẻ như nó đẩy với một lực khoảng 0.2 Niu (quạt của bạn có thể thay đổi). Tôi thực sự thích sử dụng những chiếc quạt này. Chúng không luôn cung cấp dữ liệu tốt nhất, nhưng rất rõ ràng là có một lực không đổi đẩy vào xe đẩy.

Tôi cũng có thể tìm khối lượng của xe đẩy và quạt—nó xấp xỉ 0.898 kilogram. Điều duy nhất còn lại là gia tốc. Làm thế nào bạn xác định gia tốc của một quạt đang di chuyển?

Nói trung thực, có nhiều cách để làm điều này. Trong phiên bản công nghệ thấp, chỉ cần để xe đẩy di chuyển khoảng 10 centimet và sử dụng đồng hồ bấm giờ để ghi lại thời gian. Sau đó bắt đầu lại và để xe đẩy di chuyển 20 cm và ghi lại thời gian. Tiếp tục làm điều này cho những khoảng cách lớn hơn cho đến khi bạn chán hoặc hết đường đua. Sau đó, bạn có thể tìm ra gia tốc bằng cách vẽ đồ thị vị trí so với bình phương thời gian—nhưng tôi không muốn làm điều này. Nó mất quá lâu cho một lần đo lường.

Một lựa chọn phổ biến khác là sử dụng máy đo chuyển động được cung cấp bằng sóng âm. Điều này cơ bản là một thiết bị gửi ra một xung âm thanh. Âm thanh truyền về xe đẩy và phản xạ lại máy đo. Dựa vào thời gian mà xung mất để đi và quay trở lại cùng với tốc độ âm thanh, nó có thể tìm ra khoảng cách đến xe đẩy. Vì đó là một hệ thống dựa trên máy tính, nó có thể lặp lại đo lường này khoảng 50 lần trong một giây để có dữ liệu vị trí-thời gian. Với dữ liệu đó, không quá khó để tìm ra gia tốc.

Vậy đây là điều tôi sẽ làm. Tôi sẽ để quạt đẩy xe đẩy sao cho nó gia tốc. Sau đó, tôi sẽ đo lường gia tốc (bạn có thể sử dụng bất kỳ phương pháp nào bạn thích). Khi tôi có gia tốc, tôi sẽ bắt đầu lại và làm lại. Nhưng lần này, tôi sẽ thêm khối lượng vào xe đẩy. Tôi có thể lặp lại điều này bao nhiêu lần tôi muốn. Tôi nên có dữ liệu cho gia tốc và khối lượng.

Bây giờ là phần thú vị. Tôi muốn chứng minh rằng mô hình lực-chuyển động (F = ma) hoạt động. Thay vì chỉ tính lực cần thiết, tôi muốn tạo một đồ thị. Đồ thị gì mà tôi có thể vẽ để tạo ra một hàm tuyến tính? Không—đó không phải là lực so với khối lượng. Điều đó sẽ không hoạt động. Để tạo ra một đồ thị tuyến tính, bạn cần một hàm có dạng như này:

Đúng, bạn có thể đã thấy điều này trước đây. Nếu bạn vẽ đồ thị "y" so với "x" (nơi những biến này có thể đại diện cho hầu hết mọi thứ) thì đây sẽ là một đường thẳng với m là độ dốc và b là giao điểm y. Chúng ta không có biến khối lượng và gia tốc ở dạng này—vì vậy chúng ta cần biến nó trở nên như vậy. Để làm điều này, tôi thử một chút đại số và viết lại phương trình lực như sau:

Boom. Đó là nó. Ở dạng này, dễ nhìn thấy rằng bằng cách vẽ gia tốc so với nghịch đảo khối lượng, mối quan hệ sẽ là tuyến tính. Nhưng đợi chút! Còn nhiều hơn thế. Không chỉ là chúng ta có một đồ thị tuyến tính, mà độ dốc cũng nên có ý nghĩa. Trong trường hợp này, độ dốc của hàm này nên là lực tác động net (mà tôi đã đo).

Bây giờ đến đồ thị thực tế.

Đúng, nó trông khá tuyến tính. Ngoài ra, độ dốc có giá trị là 0,191 kg*m/s² hoặc 0,191 Newtons. Đó là khá gần giá trị đo được của tôi cho lực từ quạt. Tôi rất hài lòng. À, nếu bạn vẫn muốn vẽ biểu đồ khối lượng so với gia tốc, tôi khuyến khích bạn thực hiện điều đó. Đó là cách tốt nhất để hiểu rằng đó không phải là đồ thị tuyến tính.

Khối lượng không đổi với Lực biến đổi

Bây giờ đến thí nghiệm tiếp theo. Giả sử tôi giữ khối lượng của xe đẩy không đổi và chỉ thay đổi độ mạnh của lực? Tôi phải thừa nhận rằng điều này không dễ thực hiện như tôi muốn—nhưng nó có thể thực hiện được. Quạt tôi đang sử dụng chạy bằng bốn viên pin AA nếu bạn chạy nó chỉ với 3 viên pin, nó sẽ có một lực giảm. Tuy nhiên, bạn chỉ có thể có một số điểm dữ liệu nhỏ như vậy. Thay vào đó, tôi sẽ thêm một cuộn dây trở vào mạch và vẫn sử dụng 4 viên pin. Sau đó, bằng cách tăng cường trở kháng, tôi sẽ có một lực giảm. Oh, tôi cũng sẽ sử dụng 5 viên pin—chỉ để vui thôi.

Nhưng tôi nên vẽ cái gì? Bây giờ nếu tôi thay đổi lực và đo lường gia tốc, tôi chỉ cần vẽ đồ thị lực so với gia tốc. Nhưng độ dốc nên là bao nhiêu? Hãy cứ nghĩ về điều đó trong khi tôi vẽ đồ thị này. Đây là nó.

Nếu bạn đo độ dốc của đường này, bạn sẽ có một giá trị là 0.99—nhưng điều này có ý nghĩa gì? Đây là một gợi ý, nhìn vào các đơn vị. Vâng, độ dốc thực sự có các đơn vị. Trong trường hợp này, đó là sự thay đổi của biến thức đứng (lực) chia cho sự thay đổi của đơn vị ngang (gia tốc). Lực được đo bằng đơn vị Newton, trong đó 1 N = 1 kg*m/s². Vì vậy, nếu bạn chia cho gia tốc trong đơn vị m/s², bạn sẽ có kilogram. Đúng, đó là khối lượng. Độ dốc của đường này nên là khối lượng của xe đẩy cộng với quạt. Trong trường hợp này, tôi có một khối lượng đo được là 0.89 kg—đó là một chút chệch. Tuy nhiên, tôi nghĩ vấn đề đến từ các giá trị lực rất nhỏ tôi sử dụng trong thí nghiệm này. Tuy nhiên, nó vẫn hoạt động khá tốt.

Những Điều Tuyệt Vời Khác Từ Mytour

• Công cụ Trí tuệ Nhân tạo của Google xác định đột biến của một khối u từ hình ảnh
• Đối thoại về loại kháng sinh đắt đỏ
• Bên trong cuộc hành trình tới Cực Bắc chỉ có phụ nữ
• Chuẩn bị trước và sau khi bạn đánh mất điện thoại
• Cách một chuyên gia xếp domino xây dựng những tác phẩm 15,000 mảnh
• Đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi