Giáo trình Thực hành Vật lý đại cương 2 - Lưu Thế Vinh

130 trang huongle 2000

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thực hành Vật lý đại cương 2 - Lưu Thế Vinh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_thuc_hanh_vat_ly_dai_cuong_2_luu_the_vinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thực hành Vật lý đại cương 2 - Lưu Thế Vinh

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT * TS. LÖU THEÁ VINH THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG 2 ÑAØ LAÏT - 2004
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 2 LÔØI GIÔÙI THIEÄU Giaùo trình ”Thöïc haønh vaät lyù ñaïi cöông II “ laø hoïc phaàn thöïc haønh tieáp theo cuûa chöông trình thöïc haønh vaät lyù ñaïi cöông. Trong chöông trình thöïc haønh vaät lyù ñaïi cöông I sinh vieân ñaõ ñöôïc laøm quen vôùi caùc phöông phaùp thöïc nghieäm Vaät lyù cô baûn. Ñöôïc laøm caùc thí nghieäm döôùi daïng khaûo saùt hoaëc kieåm chöùng caùc hieän töôïng vaät lyù, caùc ñònh luaät vaät lyù lieân quan ñeán caùc phaàn cô, nhieät, ñieän vaø quang hoïc cuûa vaät lyù coå ñieån. Hoïc phaàn “Thöïc haønh Vaät lyù ñaïi cöông II” nhaèm trang bò cho sinh vieân nhöõng kyõ naêng söû duïng vaø khaûo saùt caùc heä ño löôøng phöùc taïp söû duïng caùc thieát bò vaø phöông tieän ño löôøng hieän ñaïi nhö caùc caùc maùy ño, ñeám taàn soá, dao ñoäng kyù ñieän töû, ñaëc bieät laø caùc heä thoáng ño löôøng gheùp noái vôùi maùy vi tính PC. Sinh vieân ngoaøi vieäc phaûi naém baét ñöôïc baûn chaát vaät lyù cuûa caùc hieän töôïng khaûo saùt coøn ñöôïc laøm quen vôùi vieäc xöû lyù caùc keát quaû ño löôøng treân maùy tính PC nhôø caùc chöông trình ñaõ ñöôc caøi ñaët saün. Giaùo trình : “Thöïc haønh Vaät lyù ñaïi cöông II” bao goàm 10 baøi thöïc taäp ñöôïc saép xeáp nhö sau: Baøi 1. Cô hoïc chaát ñieåm, hieän töôïng phaùch: Khaûo saùt vaø nghieäm laïi caùc ñònh luaät chuyeån ñoäng cuûa chaát ñieåm, va chaïm ñaøn hoài. Khaûo saùt hieän töôïng phaùch nhôø thieát bò ño gheùp vôùi maùy vi tính PC. Baøi 2. Cô hoïc vaät raén: Khaûo saùt vaø nghieäm laïi caùc ñònh luaät chuyeån ñoäng cuûa vaät raén. Ño gia toác troïng tröôøng baèng con laéc toaùn hoïc. Ño moâ men quaùn tính cuûa con laéc vaät lyù. Khaûo saùt chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån. Baøi 3. Maùy bieán theá: Khaûo saùt vaø ño ñaïc caùc tham soá cuûa maùy bieán theá 1 pha ôû caùc cheá ñoä khoâng taûi, cheá ñoä coù taûi vaø cheá ñoä ngaén maïch nhôø heä thoáng ño gheùp noái maùy vi tính PC. Baøi 4. Ño töø tröôøng: Khaûo saùt vaø ño töø tröôøng trong moät oáng daây baèng maùy ño töø tröôøng vaø baèng heä ño gheùp noái vôùi maùy vi tính PC. Baøi 5. Ño vaän toác cuûa aùnh saùng: Khaûo saùt vaø ño vaän toác cuûa aùnh saùng baèng thieát bò bieán ñoåi xung ñieän vaø oscilloscope. Baøi 6. Giao thoa aùnh saùng: Khaûo saùt hieän töôïng giao thoa aùnh saùng nhôø löôõng göông Fresnel, ño böôùc soùng cuûa nguoàn saùng.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 3 Baøi 7. Hieän töôïng taùn saéc aùnh saùng, caùch töû nhieãu xaï: Khaûo saùt hieän töôïng taùn saéc saùnh saùng qua laêng kính vaø caùch töû nhieãu xaï, ño chieát suaát cuûa chaát thuûy tinh laøm laêng kính, ño böôùc soùng cuûa nguoàn saùng. Baøi 8. Nhieãu xaï tia X: Khaûo saùt hieän töôïng nhieãu xaï tia X qua tinh theå, ño böôùc soùng cuûa tia X vaø haèng soá maïng tinh theå nhôø nhieãu xaï keá tia X gheùp noái vôùi maùy vi tính PC. Baøi 9. Tính chaát soùng cuûa vi haït: Khaûo saùt hieän töôïng nhieãu xaï cuûa chuøm electron qua thanh ña tinh theå graphit, ño böôùc soùng De Broglie cuûa electron, khoaûng caùch maïng tinh theå graphit. Baøi 10. Ño ñieän tích rieâng cuûa electron: Khaûo saùt vaø ño ñieän tích rieâng cuûa electron e/m. Moät ñaëc ñieåm quan troïng cuûa caùc baøi thöïc taäp laø tính heä thoáng vaø ñoàng boä cuûa caùc thieát bò thí nghieäm. Trong giaùo trình, moãi baøi thöïc taäp ñeàu coù phaàn toùm taét lyù thuyeát lieân quan. Yeâu caàu sinh vieân phaûi ñoïc kyõ ôû nhaø, naém vöõng ñöôïc baûn chaát vaät lyù cuûa caùc hieän töôïng khaûo saùt tröôùc khi tieán haønh thí nghieäm. Moãi baøi thí nghieäm, sinh vieân caàn ñoïc kyõ phaàn moâ taû duïng cuï, kieåm tra sô ñoà ñaáu noái caùc thieát bò, thöïc hieän moät caùch chính xaùc töøng böôùc thöïc nghieäm theo höôùng daãn ñeå traùnh hoûng hoùc coù theå xaûy ra cho thieát bò. Ñoái vôùi caùc baøi thöïc haønh gheùp noái vôùi maùy vi tính PC, ñeå khôûi ñoäng chöông trình ño sinh vieân phaûi nhaäp leänh töø daáu nhaéc cuûa heä ñieàu haønh MS-DOS. Sau khi ñaõ kích hoaït chöông trình, tieáp tuïc quaù trình ño theo höôùng daãn. Sau moãi baøi thöïc haønh, coù phaàn caâu hoûi thaûo luaän ñeå cho sinh vieân chuaån bò. Keát thuùc moãi buoåi thöïc haønh sinh vieân seõ phaûi traû lôøi caùc caâu hoûi lieân quan vaø chuaån bò caùc soá lieäu thöïc nghieäm ñeå veà nhaø laøm baùo caùo thí nghieäm theo maãu höôùng daãn. Sinh vieân caàn tuyeät ñoái tuaân thuû caùc quy ñònh veà an toaøn, ñaëc bieät ñoái vôùi caùc baøi thí nghieäm coù söû duïng tia lazer, chuøm electron naêng löôïng cao, traùnh nhìn tröïc tieáp vaøo nguoàn böùc xaï. Caùc heä ño ñeàu laø caùc thieát bò chuyeân duïng vaø hoaït ñoäng ñoàng boä, do vaäy sinh vieân caàn heát söùc caån thaän khi söû duïng ñeå traùnh hoûng hoùc vì khoâng theå tìm kieám thieát bò thay theá treân thò tröôøng. Ñaø laït 2004
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 4 Phaàn thöù nhaát NHÖÕNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN VEÀ THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ I. Pheùp ño caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Trong Vaät lyù hoïc, caùc ñònh luaät vaät lyù phaûn aùnh moái quan heä mang tính quy luaät giöõa caùc hieän töôïng cuûa töï nhieân, chuùng ñöôïc bieåu dieãn baèng caùc coâng thöùc toaùn hoïc thoâng qua caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Caùc ñaïi löôïng vaät lyù ñaëc tröng cho nhöõng tính chaát khaùc nhau cuûa caùc vaät theå, cuõng nhö caùc hieän töôïng xaûy ra theo thôøi gian. Vieäc ñaùnh giaù ñònh löôïng tính chaát cuûa caùc vaät theå (ñoái töôïng) nghieân cöùu ñöôïc thöïc hieän baèng caùch ño caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Quaù trình ño löôøng laø moät thöïc nghieäm vaät lyù, thöïc hieän pheùp so saùnh ñaïi löôïng vaät lyù ñoù vôùi moät ñaïi löôïng cuøng loaïi choïn laøm ñôn vò. Pheùp ño ñoâi khi chæ laø moät thöïc nghieäm ñôn giaûn, nhöng ñoâi khi heát söùc phöùc taïp. Keát quaû cuûa pheùp ño luoân coù theå bieåu dieãn döôùi daïng moät con soá vôùi ñôn vò keøm theo. Phöông trình cuûa pheùp ño coù theå vieát döôùi daïng (1) X A = (1) Y Trong ñoù: X - Ñaïi löôïng ño Y - Ñôn vò ño A - Giaù trò baèng soá. Hay : X = A.Y . Giaù trò ñaïi löôïng ño seõ baèng A laàn ñôn vò ño. Nhö vaäy ta coù theå ñònh nghóa: Ño moät ñaïi löôïng vaät lyù laø quaù trình ñaùnh giaù ñònh löôïng ñaïi löôïng ño ñeå coù keát quaû baèng soá so vôùi ñôn vò. II. Ñôn vò, heä ñôn vò ño. Ñeå bieåu dieãn caùc ñaïi löôïng vaät lyù döôùi daïng moät con soá, phaûi choïn “côõ” cho noù, nghóa laø löôïng hoùa noù, ta phaûi choïn ñôn vò ño. Veà maët nguyeân taéc, theo (1) ta coù theå choïn ñôn vò laø moät löôïng tuøy yù. Tuy nhieân giaù trò cuûa noù phaûi phuø hôïp vôùi thöïc teá vaø tieän lôïi khi söû duïng. Naêm 1832, nhaø toaùn hoïc Ñöùc K. Gauss ñaõ chæ ra raèng, neáu nhö choïn 3 ñôn vò ñoäc laäp ñeå ño chieàu daøi (L), khoái löôïng (M), thôøi gian (T) - thì treân cô sôû 3 ñaïi löôïng naøy nhôø caùc ñònh luaät vaät lyù, coù theå thieát laäp ñöôïc ñôn vò ño cuûa taát caû caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Taäp hôïp caùc ñôn vò ño theo nguyeân taéc Gauss ñaõ ñöa ra hôïp thaønh heä ñôn vò ño. Nhöõng ñôn vò ño ñöôïc choïn moät caùch ñoäc laäp vaø chuùng theå hieän nhöõng tính chaát cô baûn cuûa theá giôùi vaät chaát (khoái löôïng, thôøi gian, ñoä daøi, ) ñöôïc
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 5 goïi laø nhöõng ñôn vò cô baûn. Caùc ñôn vò ñöôïc thaønh laäp treân cô sôû caùc ñôn vò cô baûn nhôø caùc coâng thöùc bieåu dieãn caùc ñònh luaät vaät lyù ñöôïc goïi laø caùc ñôn vò daãn suaát. Phaàn lôùn caùc ñôn vò trong vaät lyù laø ñôn vò daãn suaát. Phöông trình bieåu dieãn moái lieân heä giöõa caùc ñôn vò daãn suaát vaø caùc ñôn vò cô baûn goïi laø coâng thöùc thöù nguyeân. Ñôn vò cuûa moät ñaïi löôïng cô baát kyø coù theå bieåu dieãn qua phöông trình thöù nguyeân (2) dim X = Lp Mq Tr (1) (dim – vieát taét cuûa töø tieáng Anh : dimention coù nghóa laø thöù nguyeân) Ví duï, thöù nguyeân cuûa vaän toác ñöôïc bieåu dieãn qua coâng thöùc v = l/t : [l] L []v = = = LT - 1 (3) []t T * Heä ñôn vò quoác teá SI (System International). Naêm 1960, UÛy ban quoác teá veà ño löôøng ñaõ chính thöùc thoâng qua heä ñôn vò quoác teá SI. Trong heä SI coù 7 ñôn vò cô baûn, 2 ñôn vò boå trôï, 27 ñôn vò daãn suaát * Caùc ñôn vò cô baûn laø : - Chieàu daøi : meùt (m) - Khoái löôïng : kiloâgram (kg) - Thôøi gian : giaây (s) - Nhieät ñoä : ñoä kelvin (K) - Cöôøng ñoä doøng ñieän : Ampe (A) - Cuôøng ñoä saùng : candela (neán) (Cd) - Khoái löôïng phaân töû gam : mol * Hai ñôn vò boå trôï laø: - Ñôn vò ño goùc phaúng : radian (rad) - Ñôn vò ño goùc khoái : steradian (sr) Ngoaøi heä SI (coøn goïi laø heä MKS hay heä meùt), caùc nöôùc Anh, Myõ vaø moät soá nöôùc noùi tieáng Anh duøng phoå bieán heä ñôn vò UK . III. Sai soá, phaân loaïi, caáp chính xaùc cuûa duïng cuï ño ñieän. Baát kyø pheùp ño naøo cuõng maéc phaûi sai soá. Caùc nguyeân nhaân gaây ra sai soá thì coù nhieàu, do caùc yeáu toá khaùch quan vaø chuû quan khaùc nhau. Caùc nguyeân nhaân khaùch quan chaúng haïn nhö: duïng cuï ño löôøng khoâng hoaøn haûo, ñaïi löôïng ño bò can nhieãu neân khoâng hoaøn toaøn oån ñònh Caùc nguyeân nhaân chuû quan nhö: phöông phaùp ño khoâng hôïp lyù, baûn thaân ngöôøi tieán haønh thöïc nghieäm khoâng thaønh thaïo, thieáu kinh nghieäm
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 6 Ñeå phaân loaïi sai soá coù theå döïa vaøo caùc tieâu chí khaùc nhau: theo nguoàn goác phaùt sinh sai soá, phaân loaïi theo quy luaät xuaát hieän sai soá hoaëc phaân loaïi theo bieåu thöù dieãn ñaït sai soá. Theo quy luaät xuaát hieän sai soá ñöôïc chia laøm 2 loaïi: sai soá heä thoáng vaø sai soá ngaãu nhieân. 1) Sai soá heä thoáng. Sai soá heä thoáng do nhöõng yeáu toá thöôøng xuyeân hay caùc yeáu toá coù quy luaät taùc ñoäng. Noù khieán keát quaû ño laàn naøo cuõng maéc phaûi moät sai soá nhö nhau. Tuøy theo nguyeân nhaân maø sai so á heä thoáng coù theå phaân ra caùc nhoùm sau: – Do duïng cuï, maùy moùc ño cheá taïo khoâng hoaøn haûo. Ví duï thang ñoä cuûa maùy khoâng ñöôïc chuaån, kim ñoàng ho à khoâng chæ ñuùng vò trí soá 0 ban ñaàu – Do phöông phaùp ño, hoaëc do caùch duøng phöông phaùp ño khoâng hôïp lyù. Hoaëc khi tính toaùn, xöû lyù keát quaû ño ñaõ boû qua caùc yeáu toá naøo ñaáy laøm aûnh höôûng ñeán ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño. – Do ñieàu kieän ño khaùc vôùi ñieàu kieän tieâu chuaån Sai soá heä thoáng coù theå ñöôïc loaïi tröø sau khi bieát nguyeân nhaân gaây ra baèng caùch chuaån laïi thang ñoä, ñaët laïi soá “0” ban ñaàu 2) Sai soá ngaãu nhieân Laø sai soá do caùc yeáu toá baát thöôøng khoâng coù quy luaät gaây ra, chaúng haïn söï thay ñoåi ñoät ngoät cuûa ñieän aùp nguoàn. Caùc nhieãu loaïn baát thöôøng cuûa khí haäu, thôøi tieát, moâi tröôøng trong quaù trình ño. Ñoái vôùi sai soá ngaãu nhieân chæ coù theå xöû lyù baèng lyù thyeát thoáng keâ vaø xaùc suaát. Theo bieåu thöùc dieãn ñaït sai soá ngöôøi ta thöôøng chia ra sai soá tuyeät ñoái vaø sai soá töông ñoái. 3) Sai soá tuyeät ñoái Laø ñoä cheânh leäch giöõa giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng ño vaø trò soá ño ñöôïc baèng pheùp ño: ∆a = |aT - am| (4) aT - Giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng ño am - Giaù trò ño ñöôïc baèng pheùp ño Tuy nhieân, do aT ta chöa bieát, neân trong thöïc teá ngöôøi ta thöôøng laáy giaù trò gaàn ñuùng cuûa aT baèng caùch ño nhieàu laàn vaø xem giaù trò trung bình soá hoïc cuûa n laàn ño gaàn ñuùng vôùi aT. 1 n aaT ≅= ∑ ami (5) n i = 1 Vaø giaù trò cuûa ∆a cuõng duøng giaù trò trung bình soá hoïc:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 7 1nn1 ∆=aa∆ = a−a (6) nn∑i∑i i == 11i 4) Sai soá töông ñoái Ñeå ñaùnh giaù ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño, ngöôøi ta duøng sai soá töông ñoái δa vaø bieåu dieãn ra phaàn traêm: ∆a δa(%) = ⋅100% (7) a Thöïc teá, cuõng thöôøng bieåu dieãn baèng giaù trò gaàn ñuùng trung bình cuûa noù: ∆a δa(%) = ⋅ 100% (8) a 5) Caáp chính xaùc cuûa ñoàng hoà ño ñieän. Ñeå ñaùnh giaù ñoä chính xaùc cuûa ñoàng hoà ño ñieän, ngöôøi ta duøng khaùi nieäm caáp chính xaùc cuûa duïng cuï. Caáp chính xaùc cuûa duïng cuï ño ñieän ñöôïc ñònh nghóa laø: ∆a γ % = max ⋅ 100% (9) Amax Trong ñoù: ∆a max – laø sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cuûa duïng cuï ño ôû thang ño töông öùng; Amax – laø giaù trò lôùn nhaát cuûa thang ño. Duïng cuï ño ñieän coù 8 caáp chính xaùc sau : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 vaø 5. Caáp chính xaùc ñöôïc ghi treân maët cuûa ñoàng hoà ño. Bieát caáp chính xaùc ta coù theå tính ñöôïc sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cho pheùp cuûa pheùp ño: ∆amax = γ% . Amax / 100 (10) Ví duï: Moät miliampekeá coù thang ñoä lôùn nhaát Amax = 100mA, caáp chính xaùc laø 2,5. Sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cho pheùp seõ laø: ∆amax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA Vöôït quaù giaù trò 2,5mA naøy ñoàng hoà seõ khoâng coøn ñaït caáp chính xaùc 2,5 nöõa. IV. Caùc caùch tính sai soá. 1) Sai soá cuûa pheùp ño vôùi caùc thang ño khaùc nhau Trong thöïc teá khi ño vôùi moät maùy ño coù caáp chính xaùc nhaát ñònh, nhöng khi thay ñoåi thang ño thì sai soá tuyeät ñoái cuûa pheùp ño seõ thay ñoåi, caùch tính theo coâng thöùc (9). Ví duï: Moät voân keá coù caáp chính xaùc 1,5 khi duøng thang ño 50V maéc sai soá cho pheùp lôùn nhaát laø : ∆ Umax = 1,5. 50 / 100 = 0,75V
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 8 Nhöng neáu duøng thang ño 100V thì sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cho pheùp laïi laø: ∆ U’max = 1,5 . 100 / 100 = 1,5V 2) Sai soá töông ñoái cuûa toång 2 ñaïi löôïng. Neáu hai ñaïi löôïng ño coù tính chaát ñoäc laäp vôùi nhau, moãi ñaïi löôïng coù sai soá töông ñoái rieâng bieät δa vaø δb thì sai soá töông ñoái cuûa toång 2 ñaïi löôïng (a+b) seõ laø : ∆a + ∆b aδa + bδb δ = = (11) (a + b) a + b a + b 3) Sai soá töông ñoái cuûa tích 2 ñaïi löôïng. Neáu hai ñaïi löôïng ñoäc laäp vôùi nhau maø moãi ñaïi coù moät trò soá sai soá töông ñoái rieâng bieät thì sai soá töông ñoái cuûa tích 2 ñaïi löôïng (a.b) ñöôïc xaùc ñònh: δ (a.b) = δa + δb (12) Toång quaùt, trong tröôøng hôïp tích cuûa nhieàu ñaïi löôïng ñoäc laäp vôùi nhau: n δ = δ a (13) ∏ ai ∑ i i i = 1 4) Sai soá töông ñoái cuûa moät thöông δ a / b = δa + δb (14) Toång quaùt cho tröôøng hôïp tyû soá cuûa tích nhieàu ñaïi löôïng : ∏ai i Neáu : x = thì: δ = ∑δ ai + ∑δ bj (15) ∏b j i j j 5) Sai soá thoáng keâ vaø lyù thuyeát xaùc suaát. Ñoái vôùi sai soá ngaãu nhieân, khi soá laàn ño ñuû lôùn chuùng seõ tuaân theo caùc quy luaät thoáng keâ theo phaân boá Gauss. Sai soá ngaãu nhieân coù caùc tính chaát sau: – Nhöõng sai soá ngaãu nhieân baèng nhau veà ñoä lôùn vaø traùi daáu coù cuøng xaùc suaát. – Nhöõng sai soá ngaãu nhieân coù trò soá tuyeät ñoái caøng lôùn thì xaùc suaát xaûy ra caøng nhoû. – Trò tuyeät ñoái cuûa sai soá ngaãu nhieân khoâng vöôït quaù moät giôùi haïn xaùc ñònh. Giaû söû ta thöïc hieän n laàn ño moät ñaïi löôïng x ñöôïc caùc giaù trò töông öùng laø a1, a2, , an. Giaù trò trung bình soá hoïc cuûa ñaïi löôïng x seõ laø: n a1 + a2 + + an 1 a = = ∑ai (16) n n i=1
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 9 Ñeå ñaùnh giaù sai soá cuûa pheùp ño ñaïi löôïng x ta duøng sai soá toaøn phöông trung bình (hay sai soá chuaån σ): nn 22 ∑∑()aaii−−(aa) σ =lim i=1≈lim i=1 (17) nn→∞ nn→∞ −1 Vôùi soá laàn ño khoâng quaù nhoû ta coù theå vieát gaàn ñuùng: n 2 ∑ ()aai − σ ≈ i=1 (18) n −1 Nhö vaäy keát quaû ño seõ ñaùng tin caäy hay khoâng tuøy thuoäc giaù trò cuûa σ , Vôùi σ caøng lôùn, treân ñöôøng cong phaân boá Gauss, maät ñoä phaân boá coù cöïc ñaïi caøng thaáp, chaân ñöôøng cao caøng roäng, chöùng toû keát quaû ño bò phaân taùn nhieàu. Ñeå ñaëc tröng cho söï phaân taùn cuûa caùc giaù trò trung bình soá hoïc quanh giaù trò thöïc a, ngöôøi ta duøng ñaïi löôïng sai soá toaøn phöông trung bình: n 2 ∑ ()aai − σ i=1 σ a =≈ (19) n nn(1− ) Nhö vaäy, keát quaû ño ñaïi löôïng x seõ ñöôïc vieát döôùi daïng: x = a ± σ a (20) 6) Chuù yù. – Sai soá toaøn phöông trung bình chæ duøng vôùi pheùp ño ñoøi hoûi ñoä chính xaùc cao vôùi soá laàn ño lôùn. Neáu soá laàn ño nhoû hôn 10 laàn ta chæ söû duïng sai soá tuyeät ñoái trung bình soá hoïc ∆a tính theo (6). Luùc ñoù keát quaû ño seõ ñöôïc vieát: x = a ± ∆a (21) – Moïi duïng cuï ño ñeàu coù ñoä chính xaùc nhaát ñònh, sai soá cuûa pheùp ño khoâng theå nhoû hôn sai soá cuûa duïng cuï. Do ñoù vôùi nhöõng thí nghieäm chæ ño ñöôïc 1 laàn, hoaëc keát quaû caùc laàn ño ñeàu truøng nhau thì ta laáy sai soá cuûa duïng cuï ño. – Sai soá cuûa caùc duïng cuï ño ñöôïc quy öôùc baèng moät nöûa khoaûng chia nhoû nhaát cuûa thang ño ñang söû duïng.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 10 Phaàn thöù 2. CAÙC BAØI THÍ NGHIEÄM THÖÏC HAØNH Baøi 1. CÔ HOÏC CHAÁT ÑIEÅM, HIEÄN TÖÔÏNG PHAÙCH. I. MUÏC ÑÍCH. Khaûo saùt vaø nghieäm laïi caùc ñònh luaät chuyeån ñoäng cuûa chaát ñieåm, va chaïm ñaøn hoài, toång hôïp 2 dao ñoäng ñieàu hoøa, hieän töôïng phaùch nhôø thieát bò ño gheùp vôùi maùy vi tính PC. II. TOÙM TAÉT LYÙ THUYEÁT. 2.1. Caùc ñònh luaät chuyeån ñoäng cuûa chaát ñieåm. Ñònh luaät Newton I. Trong moät heä quy chieáu quaùn tính moät chaát ñieåm coâ laäp seõ giöõ nguyeân maõi maõi traïng thaùi ñöùng yeân hoaëc chuyeån ñoäng thaúng ñeàu. Ñònh luaät Newton II. Trong heä quy chieáu quaùn tính gia toác chuyeån r ñoäng ar cuûa moät chaát ñieåm tyû leä vôùi löïc taùc duïng F vaø tyû leä nghòch vôùi khoái löôïng m cuûa noù. r F ar = (1-1) m r dvr d dpr Töø ñoù ta coù: F = mar = m = (mvr) = (1-2) dt dt dt Phöông trình (1-1) ñöôïc goïi laø phöông trình cô baûn cuûa ñoäng löïc hoïc. Neáu xeùt chaát ñieåm m chòu taùc duïng cuûa moät löïc khoâng ñoåi F, chaát ñieåm seõ chuyeån ñoäng vôùi gia toác khoâng ñoåi: dv a = = const; dt Laáy tích phaân vôùi ñieàu kieän vaän toác ban ñaàu baèng 0 ta ñöôïc: v = at (1-3) Töø ñoù, phöông trình chuyeån ñoäng cuûa chaát ñieåm seõ laø: ds v = ⇒ s = vdt = a tdt dt ∫ ∫ Laáy tích phaân vôùi ñieàu kieän ban ñaàu chaát ñieåm ôû goác toïa ñoä, ta ñöôïc: 1 s = at 2 (1-4) 2 2.1.3. Ñònh luaät Newton III. Trong moät heä quy chieáu quaùn tính neáu chaát r ñieåm A taùc duïng leân chaát ñieåm B moät löïc F thì ngöôïc laïi chaát ñieåm B cuõng
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 11 r taùc duïng leân chaát ñieåm A moät löïc F' cuøng phöông ngöôïc chieàu vaø cuøng ñoä r lôùn vôùi F : r r F + F'= 0 (1-5) 2.2.Va chaïm ñaøn hoài. 2.2.1. Ñònh luaät baûo toaøn ñoäng löôïng. Xeùt heä 2 chaát ñieåm coâ laäp m1 vaø m2. Töông taùc giöõa chuùng tuaân theo ñònh luaät Newton III: r r F + F'= 0 Theo ñònh luaät Newton II ta coù theå vieát: dpr dpr 1 + 2 = 0 , dt dt d Hay: (pr + pr ) = 0 , dt 1 2 r r Suy ra: p1 + p2 = const , (1-6) r r m1v1 + m2v2 = const , r r r r Hay: m1v1 + m2v2 = m1v1'+m2v2 '; (1-7) Vaäy: “Toång ñoäng löôïng cuûa moät heä coâ laäp ñöôïc baûo toaøn”. 2.2.2. Ñònh luaät baûo toaøn ñoäng naêng. Töông taùc giöõa 2 chaát ñieåm m1 vaø m2 tuaân theo ñònh luaät Newton III r r F1 + F2 = 0 r r r r F1 ⋅ ds + F2 ⋅ ds = 0 r r dv1 r dv2 r m1 ⋅ ds + m2 ⋅ ds = 0 dt1 dt2 r r r ds r ds m1dv1 + m2dv2 = 0 dt1 dt2 r r r r m1v1dv1 + m2v2dv2 = 0 1 1 d( m v2 + m v2 ) = 0 2 1 1 2 2 2 1 1 Suy ra: m v2 + m v2 = const 2 1 1 2 2 2 1 1 1 1 Hay: m v2 + m v2 = m v'2 + m v'2 (1-8) 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2 Vaäy: “Toång ñoäng naêng cuûa moät heä coâ laäp ñöôïc baûo toaøn”.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 12 2.2.3. Va chaïm hoaøn toaøn ñaøn hoài. Va chaïm hoaøn toaøn ñaøn hoài laø va chaïm giöõa 2 vaät maø toång ñoäng löôïng vaø ñoäng naêng cuûa heä ñöôïc baûo toaøn. Xeùt tröôøng hôïp va chaïm xuyeân taâm, töø (1-7) vaø (1-8) ta coù: ' 2m2v2 + (m1 − m2 )v1 v1 = (1-9) m1 + m2 ' 2m1v1 + (m2 − m1 )v2 v2 = (1-10) m1 + m2 ' ' Suy ra: v1 − v2 = −(v1 − v2 ) (1-11) Neáu khoái löôïng 2 vaät baèng nhau m1 = m2 thì: ' ' v2 = v1 vaø v1 = v2 (1-12) 2.2.4. Va chaïm giöõa caùc vaät thaät. Trong thöïc teá va chaïm giöõa caùc vaät thaät ñoäng naêng cuûa heä khoâng ñöôïc baûo toaøn. Noù bò maát maùt döôùi daïng nhieät do ma saùt hay do bieán daïng. Phöông trình (1-11) ñöôïc vieát laïi döôùi daïng: ' ' v1 − v2 = −e(v1 − v2 ) (1-13) Trong ñoù e laø heä soá ñaøn hoài ñöôïc xaùc ñònh: v '−v ' e = 1 2 (1-14) v1 −v2 Vôùi v1’, v2’, v1, v2 laø caùc giaù trò ñaïi soá, nhö vaäy vôùi va chaïm hoaøn toaøn ñaøn hoài thì e = 1. Töø (1-13) ta coù: m1(v1’– v2’) = –m1e(v1 – v2) (1-15) m2(v1’– v2’) = –m2e(v1 – v2) Töø ñònh luaät baûo toaøn ñoäng löôïng ta coù: m1v1 + m2 v2 = m1v1’ + m2 v2‘ (1-16) Töø (1-15) vaø (1-16) ta suy ra vaän toác cuûa hai vaät sau va chaïm laø: ' m2 (e +1)(v1 − v2 ) v1 = v1 − m1 + m2 ' m1 (e + 1)(v2 − v1 ) v2 = v2 − (1-17) m1 + m2 Phaàn ñoäng naêng tieâu hao trong va chaïm laø: 1 1 1 2 1 ∆E = E − E'= m v 2 + m v 2 − m v' − m v'2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 13 1 1 ∆E = m (v 2 − v'2 ) + m (v 2 − v'2 ) 2 1 1 1 2 2 2 2 1 1 ∆E = m (v − v' )(v + v' ) + m (v − v' )(v + v' ) 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 Theo (1-17) ta coù: ' ' m1m2 m1(v1 − v1) = −m2 (v2 − v2 ) = (e +1)(v1 − v2 ) m1 + m2 1 m1m2 ' ' Nhö vaäy: ∆E = (e +1)(v1 − v2 )[(v1 + v1 ) − (v2 + v2 )] 2 m1 + m2 Maët khaùc, theo (1-13) ta coù: ' ' (v1 + v1 ) − (v2 + v2 ) = (v1 − v2 )(1− e) Töø ñoù: m1m 2 2 2 ∆E = (1 − e )(v1 − v2 ) (1-18) 2(m1 + m2 ) Neáu m1 = m2 thì: m ∆E = 1 (1 − e2 )(v − v )2 (1-19) 4 1 2 Trong va chaïm hoaøn toaøn ñaøn hoài e = 1, neân ∆E = 0. 2-3. Toång hôïp 2 dao ñoäng ñieàu hoøa, hieän töôïng phaùch. 2.3.1. Toång hôïp hai dao ñoäng cuøng phöông vaø cuøng taàn soá. Xeùt hai dao ñoäng ñieàu hoøa cuøng phöông vaø cuøng taàn soá sau: x1 = a1cos(ωt-ϕ1) x2 = a2cos(ωt-ϕ2) Dao ñoäng toång hôïp seõ tuaân theo nguyeân lyù choàng chaát : x = x1 + x2 = a1cos(ωt-ϕ1) + a2cos(ωt-ϕ2) = a1cosωtcosϕ1 + a1sinωtsinϕ1 + a2cosωtcosϕ2 + a2sinωtsinϕ = (a1cosϕ1 + a2cosϕ2)cosωt + (a1sinϕ1 + a2sinϕ2)sinωt Hay: x = Acosωt + Bsinωt (1-20) Trong ñoù : A = a1cosϕ1 + a2cosϕ2 ; B = a1sinϕ1 + a2sinϕ2 Bieåu thöùc (1-20) chöùng toû raèng dao ñoäng toång hôïp cuõng laø moät dao ñoäng ñieàu hoaø vôùi taàn soá ω nhö caùc dao ñoäng thaønh phaàn, nghóa laø : x = acos(ωt-ϕ) Trong ñoù bieân ñoä cöïc ñaïi a vaø goùc leäch pha ban ñaàu ϕ ñöôïc xaùc ñònh ñöôïc theo caùc bieåu thöùc sau : 2 2 2 2 2 a = A + B = (a1cosϕ1 + a2cosϕ2) + (a1sinϕ1 + a2sinϕ2)
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 14 2 2 a = a1 + a2 + 2a1a2 cos(ϕ 2 − ϕ1 ) (1-21) B a sinϕ + a sinϕ vaø : tgϕ = = 1 1 2 2 (1-22) A a1 cosϕ1 + a2 cosϕ 2 Bieåu thöùc (1-21) cho thaáy, bieân ñoä cuûa dao ñoäng toång hôïp khoâng nhöõng phuï thuoäc vaøo bieân ñoä cöïc ñaïi cuûa caùc dao ñoäng thaønh phaàn maø coøn phuï thuoäc vaøo hieäu soá pha ban ñaàu cuûa chuùng. - Khi ϕ2 - ϕ1 =2kπ, hai dao ñoäng thaønh phaàn cuøng pha, bieân ñoä dao ñoäng toång hôïp ñaït giaù trò cöïc ñaïi vaø baèng : a = a1 + a2 - khi ϕ2 - ϕ1 =(2k+1)π, hai dao ñoäng thaønh phaàn ngöôïc pha, bieân ñoä dao ñoäng toång hôïp ñaït giaù trò cöïc tieåu vaø baèng : a = a1 − a2 - khi ϕ2 - ϕ1 =(2k+1)π/2, hai dao ñoäng thaønh phaàn coù pha vuoâng goùc vôùi nhau. Khi ñoù bieân ñoä dao ñoäng toång hôïp : 2 2 a = a1 + a2 Nhö vaäy, tuøy thuoäc vaøo hieäu soá pha ban ñaàu cuûa caùc dao ñoäng thaønh phaàn maø bieân ñoä cuûa dao ñoäng toång hôïp seõ nhaän caùc giaù trò naèm trong khoaûng töø a1 − a2 ñeán (a1 + a2). 2.3.1. Toång hôïp hai dao ñoäng coù chu kyø khaùc nhau – hieän töôïng phaùch. Ta xeùt tröôøng hôïp chaát ñieåm tham gia hai dao ñoäng cuøng phöông, nhöng coù caùc taàn soá ω1 , ω2 khaùc nhau chuùt ít : x1 = a1cos(ω1t - ϕ1) x2 = a2cos(ω2t - ϕ2) Trong ñoù ∆ω = ω1 - ω2 << ω1 vaøω2 Dao ñoäng toång hôïp : x = x1 + x2 = a1 cos(ω1t −ϕ1) + a2 cos(ω2t −ϕ2 ) = a1[cos(ω1t −ϕ1) + cos(ω2t −ϕ2 )]+ (a2 − a1)cos(ω2t −ϕ2 ) ⎛⎞ωω12−−ϕ1ϕ2 ⎛ω1+ω2ϕ1+ϕ2⎞ =−2cat1 os⎜⎟cos⎜t−⎟ ⎝⎠22⎝22⎠ +−(aa21) cos(ω2t−ϕ2) ∆∆ω ϕ xa=−2cos( t )cos(ωt−ϕ)+(a−a)cos(ωt−ϕ) (1-23) 1222 122
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 15 ϕ + ϕ ω1 + ω2 1 2 Trong ñoù: ∆ω = ω1-ω2 , ∆ϕ = ϕ − ϕ , ω = vaø ϕ = . 1 2 2 2 Bieåu thöùc (1-23) cho thaáy raèng dao ñoäng toång hôïp goàm hai dao ñoäng. Dao ñoäng thöù nhaát bieåu dieãn bôûi soá haïng ñaàu ôû veá phaûi cuûa (1-23) khoâng phaûi laø moät dao ñoäng ñieàu hoaø vì noù laø tích cuûa hai dao ñoäng ñieàu hoøa coù taàn soá laø ∆ω/2 vaø ω . Tuy nhieân do ω1 vaø ω2 khaùc nhau raát ít neân ω raát gaàn ω1 vaø ω2, vaø ñoàng thôøi ∆ω/2 raát nhoû so vôùi ω1 , ω2 cho neân dao ñoäng thöù nhaát naøy coù theå xem nhö moät dao ñoäng gaàn ñieàu hoaø vôùi taàn soá ω raát gaàn ⎛ ∆ω ∆ϕ ⎞ vôùi ω1 hoaëc ω2 vaø coù bieân ñoä dao ñoäng laø A = 2a1 cos⎜ t − ⎟ thay ñoåi ⎝ 2 2 ⎠ raát chaäm theo thôøi gian. Soá haïng thöù hai cuûa (1-23) bieåu dieãn moät dao ñoäng ñieàu hoøa taàn soá ω2. Hình 1-1 bieåu dieãn söï thay ñoåi theo thôøi gian cuûa soá haïng thöù nhaát cuûa (1-23). Noù laø dao ñoäng vôùi taàn soá ω nhöng coù bieân ñoä bieán thieân moät caùch tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi taàn soá ∆ω/2<<ω “Hieän töôïng bieân ñoä cuûa dao ñoäng bieán thieân moät caùch tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi chu kyø lôùn hôn nhieàu so vôùi chu kyø cuûa dao ñoäng goïi laø hieän töôïng phaùch”. H ình 1-1 Soá haïng thöù nhaát cuûa (1-23) bieåu dieãn hieän töôïng phaùch thuaàn tuùy coøn bieåu thöùc (1-23) bieåu dieãn phaùch noùi chung (thoâng thöôøng). Ñaëc bieät khi hai dao ñoäng x1 vaø x2 coù bieân ñoä baèng nhau (a1 = a2 ) thì soá haïng thöù hai cuûa (1-23) trieät tieâu vaø ta coù phaùch thuaàn tuùy. Dao ñoäng toång hôïp x cuõng coù theå vieát döôùi daïng khaùc : x = (a1 –a 2)cos(ω1t - ϕ1) + a2cos(ω2t - ϕ2) + a2cos(ω1t - ϕ1)
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 16 ⎛⎞ω12−−ωϕ1ϕ2 ⎛ω1+ωϕ2 1+ϕ2⎞ xa=−2c2 os⎜⎟t cos⎜t−⎟ ⎝⎠22⎝22⎠ +−()aa12cos(ω1t−ϕ1) (1-24) Coäng (1-23) vaø (1-24) vôùi nhau roài chia cho 2 ta ñöôïc: ⎛⎞ω12−−ωϕ1ϕ2 ⎛ω1+ωϕ2 1+ϕ2⎞ xa=+()12acos⎜⎟t− cos⎜t− ⎟ + ⎝⎠22⎝22⎠ 1 +−(aa)[cos(ω t−ϕω) −cos( t−ϕ)] 2 12 1 1 2 2 ⎛⎞∆∆ωϕ ⎛⎞∆∆ωϕ =+(aa12)cos⎜⎟t− cos()ωt−ϕω + (a2−a1)sin⎜⎟t− sin()t−ϕ ⎝⎠22 ⎝⎠22 Nhö ñaõ bieát, roõ raøng dao ñoäng toång hôïp khoâng phaûi laø moät dao ñoäng ñieàu hoøa. Tuy nhieân theo giaû thieát do ∆ω raát nhoû so vôùi ω , thì khi ñoù trong 2π moät khoaûng thôøi gian raát nhoû chöøng vaøi chu kyø T = ta coù theå coi ω ⎛ ∆ω ∆ϕ ⎞ ⎜ t − ⎟ laø khoâng thay ñoåi vaø do vaäy ta thaáy dao ñoäng toång hôïp x cuõng ⎝ 2 2 ⎠ coù daïng : x = Asin(ωt −ϕ) + Bcos(ωt −ϕ) (1-25) Trong ñoù : ⎛ ∆ω ∆ϕ ⎞ A = (a2 − a1 )sin⎜ t − ⎟ ⎝ 2 2 ⎠ ⎛ ∆ω ∆ϕ ⎞ B = (a1 + a2 ) cos⎜ t − ⎟ ⎝ 2 2 ⎠ Bieân ñoä cöïc ñaïi cuûa dao ñoäng toång hôïp : a = A2 + B 2 . Hay laø: 2 2 2 2 2 a = A + B =a1 + a2 + 2a1a2 cos(∆ωt −∆ϕ) (1-26) Hai bieåu thöùc (1-25) vaø (1-26) cho thaáy raèng dao ñoäng toång hôïp laø moät dao ñoäng gaàn ñieàu hoøa vôùi taàn soá goùc : ω + ω ω = 1 2 2 Vaø coù bieân ñoä cöïc ñaïi a bieán thieân tuaàn hoaøn theo thôøi gian vôùi taàn soá goùc ∆ω = ω1 - ω2 , giöõa hai trò soá cöïc ñaïi (a1 + a2) vaø cöïc tieåu (a1 - a2). Taàn soá vaø chu kyø cuûa dao ñoäng toång hôïp:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 17 f1 + f 2 1 2T1``T2 f n = ; Tn = = . (1-27) 2 f n T1 + T2 Chu kyø bieán thieân cuûa bieân ñoä a (chu kyø phaùch Ts) vaø taàn soá phaùch laø: 2π 2π 2π T T T = = = = 1 2 s ∆ω ω − ω 2π 2π T − T 1 2 − 2 1 (1-28) T1 T2 f s = f1 − f 2 Vì T1 vaø T2 khaùc nhau raát ít neân Ts lôùn hôn T1, T2 raát nhieàu : bieân ñoä cöïc ñaïi cuûa dao ñoäng toång hôïp bieán thieân raát chaäm theo thôøi gian. Ñöôøng bieåu dieãn dao ñoäng toång hôïp trong hieän töôïng phaùch thoâng thöôøng ñöôïc trình baøy treân hình 1-2. x t Hình 1-2 Hieän töôïng phaùch ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong kyõ thuaät voâ tuyeán ñieän. Noù laø cô sôû cuûa phöông phaùp ñieåu cheá bieân ñoä. III. THÖÏC HAØNH. 3.1. Moâ taû duïng cuï. (Xem caùc hình 1-3, 1-4, 1-5) 1/ Maùy vi tính PC (1): Ñeå xöû lyù soá lieäu ño 2/ Hoäp SASSY – E (2). Hoäp giao dieän giöõa PC vaø caùc ñaàu ño. 3/ Caùc ñaàu ño (3): – Ñaàu ño E hình chöõ U. – Ñaàu ño F hình chöõ U.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 18 Giöõa hai nhaùnh chöõ U coù tia böùc xaï truyeàn qua. Khi coù moät vaät dòch chuyeån giöõa 2 nhaùnh chöõ U tia böùc xaï seõ bò che. Bieát thôøi gian che vaø beà roäng cuûa vaät (côø) ta seõ suy ra vaän toác chuyeån ñoäng cuûa vaät. – Ñaàu ño T hình truï. Trong ñaàu ño coù moät roøng roïc. Khi roøng roïc quay ñaàu ño seõ xaùc ñònh quaõng ñöôøng , vaän toác vaø gia toác. Hình 1-3 4/ Nam chaâm ñieän (4) . Ñöôïc duøng ñeå giöõ vaät ño. 5/ Nguoàn ñieän cho nam chaâm (hình 1-4). Söû duïng ñieän löôùi 220V. Cung caáp ñieän theá ra töø 0-20V moät chieàu vaø xoay chieàu. Trong baøi thöïc haønh chuùng ta söû duïng nguoàn ñieän moät chieàu. – K laø coâng taéc nguoàn. – R laø nuùm ñieàu chænh ñieän theá. Trong baøi ñieàu chænh ñeå ñieän theá ra laø10V. Hình 1-4 6/ Maùy taïo khí. Söû duïng ñieän nguoàn 220V.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 19 – CK laø coâng taéc maùy. – ÑK laø vaønh ñieàu chænh löôïng khí. Muoán löôïng khí ra nhieàu hay ít ta xoay vaønh ñieàu khieån ÑK. Hình 1-5 7/ OÁng ñeäm khí. Treân oáng coù nhöõng loã nhoû ñeå khoâng khí phun ra taïo thaønh ñeäm khoâng khí nhaèm khöû löïc ma saùt khi caùc vaät tröôït treân oáng. 8/ Caùc phuï kieän. – QN: Quaû naëng baèng nhöïa, moãi quaû naëng 1g. – QK: Quaû naëng baèng kim loaïi moãi quaû 100g.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 20 – VÑ: Voøng ñaøn hoài. – C: Côø ñeå gaén vaät tröôït. Côø coù beà roäng 5 mm. 9/ Vaät tröôït. Treân maët vaät tröôït coù 3 loã: 2 loã lôùn vaø 1 loã nhoû ôû giöõa. Loã nhoû ñeå gaén quaû naëng kim loaïi QK. Loã lôùn ñeå gaén quaû naëng baèng nhöïa. 10/ AÂm thoa. Treân aâm thoa coù quaû naëng a. Khi dòch chuyeån quaû naëng laøm thay ñoåi taàn soá cuûa aâm thoa. 11/ Thanh goõ (TG). Duøng ñeå goõ aäm thoa. 12/ Ñaàu ño aâm (ÑA). Treân ñaàu ño coù nuùm coâng taéc I. Nuùm chöùc naêng X coù 2 vò trí: – Vò trí “ ” duøng ñeå ño taàn soá. – Vò trí “ ∼” duøng ñeå ño hieän töôïng phaùch. Coù 2 ñaàu ñaây noái moät vaøng vaø moät ñen ñeå noái vaøo CASSY – E. 3.2. Nghieäm laïi ñònh luaät II Newton vaø caùc phöông trình chuyeån ñoäng. 1/ Maéc maïch ñieän theo hình veõ. – Noái ñaàu ño T vaøo loã caém ña chaân kyù hieäu cuûa BMW – Box treân CASSY-E. Chuù yù xoay cho veát loõm treân phích caém ña chaân veà khôùp vôùi vò trí soá 7 treân loã caém (xem hình 1-6). Hình 1-6 – Noái cöïc döông (+) cuûa nguoàn ñieän nam chaâm vaøo loã R treân CASSY-E. – Noái cöïc aâm cuûa nguoàn ñieän nam chaâm vaøo moät cöïc cuûa nam chaâm. – Noái cöïc coøn laïi cuûa nam chaâm vaøo loã 0 cuûa CASSY-E. 2/ Ñaët vaät tröôït coù gaén côø, voøng ñaøn hoài, quaû naëng QK, quaû naëng QN leân oáng ñeäm khí sao cho voøng ñaøn hoài höôùng veà phía ñaàu ño T. Chuù yù. Vaät tröôït coù ñuoâi troøn. 3/ Ñöa vaät tröôït veà phía saùt nam chaâm. 4/ Duøng sôïi chæ coät vaøo moät quaû naëng baèng nhöïa QN, sau ñoù gaén quaû naëng ñoù vaøo vaät tröôït ôû loã gaén voøng ñaøn hoài. Luùc naøy khoái löôïng toång coäng cuûa vaät tröôït laø m=0,2kg.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 21 5/ Ñaàu coøn laïi cuûa sôïi chæ vaét qua roøng roïc cuûa ñaàu ño T vaø coät vaøo moät quaû naëng baèng nhöïa QN, sao cho quaû naëng QN treo caùch ñaàu ño T khoaûng 5cm. 6/ Gaén theâm quaû naëng QN vaøo quaû naëng ñaõ treo treân roøng roïc. 7/ Caém phích ñieän cuûa maùy taïo khí vaøo oå ñieän 220V. Thoâng thöôøng ñaõ caém saün, sinh vieân chæ kieåm tra laïi. 8/ Môû coâng taéc K cuûa nguoàn nam chaâm. Baét ñaàu quaù trình ño. Chuù yù. Khi tieán haønh ño maùy tính seõ ñieàu khieån ngaét nguoàn ñieän cuûa nam chaâm vaø nam chaâm seõ khoâng coøn huùt vaät tröôït. Khi ñoù, neáu khoâng coù löïc ma saùt thì vaät tröôït seõ chòu taùc duïng duy nhaát cuûa moät löïc keùo khoâng ñoåi F=ma do caùc quaû naëng QN vaét qua roøng roïc gaây neân. Döôùi taùc duïng cuûa löïc F vaät tröôït seõ chuyeån ñoäng vôùi gia toác khoâng ñoåi a vaø laøm cho roøng roïc quay. Töø ñoù qua ñaàu ño T ta seõ xaùc ñònh ñöôïc gia toác a, vaän toác v vaø quaõng ñöôøng cuûa vaät tröôït s theo thôøi gian t. 9/ Dòch chuyeån giaù mang oáng ñeäm khí sao cho khi caùc quaû naëng QN rôi khoâng va chaïm vaøo baøn thí nghieäm. Nhôø Giaùo vieân höôùng daãn. 10/ Môû maùy tính 11/ Vaøo thö muïc C:\ CD CASSY nhaán Enter ↵ 12/ Vaøo C:\ CASSY > BMW ↵. 13/ Maøn hình hieän CASSY. Nhaán Enter ↵. 14/ Veà F1 BMW. Nhaán Enter ↵. 15/ Veà F2 Calibrate meas. quantities. Nhaán Enter ↵. 16/ Veà Linear quantities. Nhaán Enter ↵. 17/ Veà F3 options for meas. quantities. Nhaán Enter ↵. 18/ Veà display v. Nhaán Enter ↵. 19/ Veà display a. Nhaán Enter ↵. 20/ Veà dt – interval for v. Nhaán Enter ↵. 21/ Nhaäp : 0,2 s. Nhaán Enter ↵. 22/ Veà dt – interval for a. Nhaán Enter ↵. 23/ Nhaäp 0,3 s. Nhaán Enter ↵. 24/ Veà Set measurement stop. Nhaán Enter ↵. 25/ Nhaäp : 0,8 m. Nhaán Enter ↵. 26/ Nhaán ESC veà Main menu. 27/ Veà F1 Record new measurement. Nhaán Enter ↵.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 22 28/ Veà Graph display. Nhaán Enter ↵. 29/ Maøn hình hieän truïc toïa ñoä: truïc hoaønh t, truïc tung s. 30/ Ño laàn 1. Daây treo goàm 2 quaû naëng QN. Vaäy löïc taùc duïng leân vaät tröôït: F2 = m2g = 0,002. 9,8 = 0,0196 N. 31/ Nhaán nuùm CK môû maùy taïo khí. Coù theå ñieàu chænh löôïng khí baèng caùch xoay vaønh DK. 32/ Nhaán caùc phím F2 vaø F1 lieàn nhanh sau ñoù. Ta thaáy vaät tröôït chuyeån ñoäng veà phía ñaàu ño T vaø ñöôïc giöõ laïi bôûi taám chaën tröôùc ñaàu ño T. 33/ Nhìn leân maøn hình ta thaáy ñöôøng cong bieåu dieãn haøm soá S(t). Chuù yù : khi ño phaûi kieåm tra sôïi daây ñaõ maéc qua roøng roïc chöa. 34/ Taét maùy taïo khí. 35/ Nhaán ESC veà Main menu. 36/ Veà Output measurement values. Nhaán Enter ↵. 37/ Veà Values in table form. Nhaán Enter ↵. 38/ Nhaán ESC veà Main menu. 39/ Veà F6 Evaluate in graph. Nhaán Enter ↵. 40/ Veà Overview. Nhaán Enter ↵. Xem ñoà thò a(t), v(t) vaø s(t). 41/ Nhaán ESC veà Main menu. 42/ Veå F7 Select representation. Nhaán Enter ↵. 43/ Veà Select X – axis. Nhaán Enter ↵. 44/ Veà t. Nhaán Enter ↵. Ñeå xaùc ñònh bieán cuûa truïc x laø t. 45/ Veà t. Nhaán Enter ↵. Ñeå xaùc ñònh truïc X chia ñôn vò theo t. 46/ Veà Select y1 – axis. Nhaán Enter ↵. 47/ Veà v. Nhaán Enter ↵. 48/ Veà laïi v. Nhaán Enter ↵. 49/ Nhaán ESC veà Main menu. 50/ Veà F6 Evaluate in graph. Nhaán Enter ↵. 51/ Veà Select representation. Nhaán Enter ↵. 52/ Maøn hình hieän ñoà thò v(t). 53/ Nhaán F1 ñeå ñöôïc ñöôøng thaúng qua goùc. 54/ Nhaán . 55/ Döôí maøn hình hieän: Slop = A1 m/s. Vôùi A1 laø con soá cho giaù trò cuûa ñoä doác ñoà thò v1 (t). Vaäy v1(t) = A1t.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 23 56/ So saùnh ñoä doác A1 vôùi gia toác a, suy ra ñoä doác A1 chính laø giaù trò trung bình cuûa gia toác a. Vaäy phöông trình v = at ñaõ nghieäm ñuùng. 57/ Nhaán ESC veà Main menu. 58/ Veà F7 Select representation. Nhaán Enter ↵. 59/ Veà t. Nhaán Enter ↵. 60/ Veà t2 . Nhaán Enter ↵. 61/ Veà Select y1- axis. Nhaán Enter ↵. 62/ Veà s. Nhaán Enter ↵. 63/ Nhaán ESC veà Main menu. 64/ Veà F6 Evaluate in graph. Nhaán Enter ↵. 65/ Veà Select representation. Nhaán Enter ↵. 66/ Maøn hình hieän ñoà thò s(t2). 67/ Nhaán F1. 68/ Nhaán Alt + F1. 2 69/ Döôùi maøn hình hieän: Slope = B1 m/s . Trong ñoù B1 laø con soá chæ ñoä 2 doác cuûa ñoà thò s = B1t . 70/ So saùnh B1 vôùi gia toác a1. Ta coù B1 = a2/2. Vaäy phöông trình chuyeån ñoäng s = 1/2 at2 ñaõ nghieäm ñuùng. 71/ Nhaán ESC veà Main menu 72/ Ño laàn 2. Gaén theâm moät quaû naëng QN vaøo daây treo. Nhö vaäy löïc taùc duïng leân vaät tröôït seõ laø: F3 = 0,003. 9,8 = 0,0294 N Ñöa vaät tröôït veà nam chaâm, maéc daây qua roøng roïc. Sau ñoù tieán haønh ño töông töï nhö laàn 1 töø böôùc 25 ñeán böôùc 54 ñeå xaùc ñònh gia toác a3 = A3. 73/ Nhaán ESC veà Main menu. 74/ Ño laàn 3. Gaén theâm moät quaû naëng QN vaøo daây treo. Baây giôø treân daây treo coù 4 quaû naëng QN. Löïc taùc duïng leân vaät tröôït seõ laø: F4 = 0,0392 N. Tieán haønh ño töông töï nhö laàn 1 vaø laàn 2 ñeå xaùc ñònh gia toác a4 = A4. 75/ Laäp baûng sau:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 24 F2 = 0,0196 N m = 0,2 kg a2 = F3 = 0,0294 N m = 0,2 kg a3 = F4 = 0,0392 N m = 0,2 kg a4 = 76/ Sinh vieân duøng bieåu thöùc F = ma ñeå giaûi thích baûng soá lieäu treân vaø keát luaän. 77/ Nhaán ESC veà Main menu. 78/ Veà End. Nhaán Enter ↵. 79/ Veà End. Nhaán Enter ↵. 80/ Veà Yes. Nhaán Enter ↵. 81/ Taét maùy tính. 82/ Taét nguoàn ñieän nam chaâm. 83/ Ruùt phích caém ña chaân töø ñaàu ño ra khoûi hoäp CASSY-E. 84/ Ruùt daây noái töø nam chaâm vaø nguoàn ñieän nam chaâm ra khoûi hoäp CASSY-E. Dòch chuyeån giaù mang oáng ñeäm khí vaøo trong. Sau khi ñöa caùc soá lieäu thöïc nghieäm sinh vieân seõ thu ñöôïc keát quaû treân maøn hình nhö sau (hình 1-7) Hình 1-7 Sinh vieân ghi laïi ñoà thò treân maùy tính vaø phaân tích keát quaû theo yeâu caàu baùo caùo. 3.2. Khaûo saùt va chaïm giöõa 2 vaät. 1/ Maéc maïch ñieän nhö hình veõ 1-8. – Noái caùc ñaàu ño E vaø F vaøo caùc loã caém E vaø F töông öùng treân CASSY-E baèng phích caém ña chaân. Chuù yù xoay chieàu caém cho khôùp vaøo loã caém.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 25 – Noái hai cöïc (+) vaø (-) cuûa nguoàn ñieän vaøo nam chaâm. 2/ Ñaët vaät tröôït leân ñeäm khí, vaät tröôït coù gaén côø, voøng ñaøn hoài, hai quaû naëng baèng nhöïa QN ñeå khoái löôïng moãi vaät m1 = m2 = 0,1Kg. Hai voøng ñaøn hoài treân 2 vaät tröôït höôùng vaøo nhau. Vaät tröôït coù ñuoâi troøn höôùng veà nam chaâm. 3/ Môû coâng taéc nguoàn nam chaâm. 4/ Dòch chuyeån 2 vaät tröôït ra taän cuøng beân phaûi vaø traùi oáng ñeäm khí. 5/ Baät maùy tính. 6/ Vaøo C:\> CD CASSY. Nhaán Enter ↵. 7/ Vaøo C:\ CASSY\ impact. Nhaán Enter ↵. 8/ Maøn hình hieän CASSY. Nhaán Enter ↵. - + E F F E Hình 1-8 9/ Veå F3 Select meas. quantities. Nhaán Enter ↵. 10/ Veà Velocity v. Nhaán Enter ↵. 11/ Nhaäp Flag width: 5 mm. Nhaán Enter ↵. 12/ Veå F4 Enter masses /m of I. Nhaán Enter ↵. 13/ Nhaäp mass1: 0,1Kg. Nhaán Enter ↵. 14/ Nhaäp mass2: 0,1 Kg. Nhaán Enter ↵. 15/ Töø Main manu veà F1 star new measement. Nhaán Enter ↵. 16/ Maøn hình hieän ra ( hình 1-9)
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 26 Hình 1-9 17/ Nhaán F1. 18/ Treân maøn hìn hieän: Start impact sequence and then stop measurement. 19/ Môû coâng taéc quaït khí. 20/ Duøng 2 tay caàm 2 vaät tröôït ôû ngoaøi 2 ñaàu E vaø F. Ñaåy nheï 2 vaät chuyeån ñoäng ngöôïc chieàu ñeå sao cho chuùng va chaïm vaøo nhau trong khoaûng giöõa 2 ñaàu ño. Sau va chaïm 2 vaät chuyeån ñoäng ngöôïc trôû laïi vò trí ban ñaàu. Hai ñaàu ño E vaø F seõ xaùc ñònh vaän toác cuûa vaät tröôùc vaø sau va chaïm. 21/ Khi ñoù treân maøn hình hieän doøng chöõ: Start impact sequence and then stop measurement laø toát. 22/ Neáu treân maøn hình hieän doøng chöõ: Measurement error: no values recorded! Phaûi tieán haønh ño laïi baèng caùch nhaán F1 hai laàn lieân tieáp. Sau ñoù ñaåy 2 vaät ñeå ño laïi. 23/ Khi ñaõ ño ñöôïc, taét coâng taéc quaït khí. 24/ Nhaán ESC veà Main menu. 25/ Veà F5 Experiment log. Nhaán Enter ↵. 26/ Maøn hieån thò keát quaû ño. Nhaán phím daøi Space bar ñeå xem heát baûng soá lieäu ño. 27/ Sinh vieân phaûi ghi heát taát caû caùc soá lieäu treân maøn hình. 28/ Nhaán ESC veà Main menu. 29/ Veà End. Nhaán Enter ↵. 30/ Veà End. Nhaán Enter ↵. 31/ Veà Yes. Nhaán Enter ↵. 32/ Taét nguoàn ñieän nam chaâm. 33/ Ruùt caùc phích ña chaân töø ñaàu ño E vaø F ra khoûi hoäp CASSY-E. 34/ Duøng caùc coâng thöùc sau ñeå tính toaùn vaø nghieäm laïi soá lieäu ño. So saùnh giaù trò tính toaùn vôùi giaù trò thöïc nghieäm vaø cho nhaän xeùt.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 27 ' v1 '−v2 ' v1 = v2 ,v2 ' = v1 ; e = v1 −v 2 (e + 1)(v − v ) v' = v − 1 2 1 1 2 (e + 1)(v − v ) v' = v − 2 1 2 2 2 1 ∆E = m (1 − e2 )(v − v )2 4 1 1 2 Chuù yù: v1, v1’, v2 vaø v2’ laø caùc giaù trò ñaïi soá. Neáu laáy chieàu döông laø r chieàu cuûa v1 thì v1 > 0,v1 ' 0. Tính löïc trung bình taùc duïng leân vaät 1 vaø vaät 2: p − p' F = 1 1 1 ' t1 − t1 p − p' F = 2 2 2 ' t2 − t2 So saùnh F1 vaø F2. Duøng ñònh luaät Newton III ñeå nghieäm laïi vaø ruùt ra nhaän xeùt. 3.3. Khaûo saùt hieän töôïng phaùch. 1/ Môû maùy tính. 2/ Vaøo C:\> CD Leybold\524302 . Nhaán Enter ↵. 3/ Vaøo C:\LEYBOLD\524302> beats Nhaán Enter ↵. 4/ Maøn hình hieän CASSY. Nhaán Enter ↵. 5/ Maøn hình hieän sô ñoà boá trí vaø caùch maéc maïch ñieän. 6/ Ñeå ño taàn soá aâm ta caém phích ñieän maøu vaøng cuûa ñaàu ño vaøo loã E treân hoäp CASSY-E vaø ñaàu ñen vaøo loã mass töông öùng. 7/ Dòch chuyeån caùc quaû naëng treân 2 aâm thoa ñeå chuùng cheânh leäch nhau töø 1 ñeán 2 cm.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 28 Hình 1-10 8/ Baät nuùm X treân ñaàu ño aâm veà vò trí: ” ”. 9/ Nhaán nuùm I treân ñaàu ño ñeå môû. 10/ Nhaán ESC ñeå veà Main manu. 11/ Veà Measure frequencies f1, f2. Nhaán Enter ↵. 12/ Goõ aâm thoa 1 chôø oån ñònh. Nhaán F1. 13/ Goõ aâm thoa 2 chôø oån ñònh. Nhaán F1. 14/ Ghi laïi giaù trò cuûa taàn soá f1 vaø f2 treân maøn hình. 15/ Tính böôùc soùng aâm theo coâng thöùc : v λ = , laáy v = 340m/s. f 16/ Ñeå khaûo saùt hieän töôïng phaùch, maéc laïi maïch ñieän nhö hình veõ 1-10. Ñaàu vaøng vaøo loã B treân CASSY-E vaø ñaàu ñen vaøo loã mass töông öùng. 17/ Baät nuùm treân ñaàu ño veà vò trí: “ ~ ”. 18/ Nhaán ESC veà Main menu. 19/ Veà Record beats. Nhaán Enter ↵. 20/ Nhaán F1 ñeå maøn hình hieän F1 – Stop. 21/ Goø aâm thoa 1 vaø aâm thoa 2. 22/ Nhaán F1 ñeå maøn hình hieän F1 – Automatic, F2 – Start. 23/ Nhaán F2 nhieàu laàn ñeå choïn hình phaùch vöøa yù. 24/ Nhaán ESC veà Main menu. 25/ Veà Evaluate beats. Nhaán Enter ↵. 26/ Nhaán F4. 27/ Nhaán F6.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 29 28/ Quan saùt vaø veõ laïi hình daïng phaùch treân maøn hình. 29/ Nhaán F1. ÔÛ döôùi maøn hình hieän ra chu kyø Ts cuûa hieän töôïng phaùch. Sinh vieân ghi laïi giaù trò chu kyø phaùch Ts. 30/ Nhaán . ÔÛ döôùi maøn hình hieän ra taàn soá phaùch fs . Sinh vieân ghi laïi giaù trò cuûa taàn soá phaùch fs. 31/ Nhaán F2. Ghi laïi giaù trò chu kyø Tn cuûa dao ñoäng toång hôïp. 32/ Nhaán . Ghi laïi giaù trò cuûa taàn soá dao ñoäng toång hôïp fn. 33/ Nhaán ESC. 34/ Veà End, Nhaán Enter ↵. 35/ Veà Yes. Nhaán Enter ↵. 36/ Taét maùy tính. 37/ Thaùo daây noái ra khoûi CASSY-E. IV. CAÂU HOÛI THAÛO LUAÄN. 1/ Phaùt bieåu 3 ñònh luaät Newton. 2/ Phaùt bieåu ñònh luaät baûo toaøn ñoäng löôïng vaø ñònh luaät baûo toaøn ñoäng naêng. 3/ Theá naøo laø va chaïm hoaøn toaøn ñaøn hoài? va chaïm gaàn ñaøn hoài? 4/ Hieän töôïng phaùch laø gì, öùng duïng? 5/ Muïc ñích cuûa oáng ñeäm khí trong thí nghieäm ñeå laøm gì? 6/ Nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa caùc ñaàu ño E, F vaø T? 7/ Taïi sao trong phaàn thöïc nghieäm 3.2 choïn chieàu daøi ño s=0,8m? Coù theå cho giaù trò khaùc ñöôïc khoâng. 8/ Giaûi thích vai troø cuûa nam chaâm trong thí nghieäm naøy.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 30 Baøi 2: CÔ HOÏC VAÄT RAÉN I. MUÏC ÑÍCH: - Ño gia toác troïng tröôøng taïi phoøng thí nghieäm baèng con laéc toaùn hoïc. - Ño moâmen quaùn tính cuûa vaät raén. - Khaûo saùt chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån. II. CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT: 2.1. Phöông trình chuyeån ñoäng cuûa vaät raén. Ta coù: phöông trình cô baûn cuûa ñoäng löïc hoïc vaät raén khi xeùt chuyeån ñoäng quay cuûa vaät raén quanh moät truïc coá ñònh ∆ (hình 2-1) laø: r r Iβ = M (2-1) Trong ñoù I laø moâ men quaùn tính cuûa vaät raén ñoái vôùi truïc ∆, ñaëc tröng cho quaùn tính cuûa vaät raén trong chuyeån ñoäng quay, coù ñôn vò ño laø Kg.m2. r β – laø gia toác goùc cuûa chuyeån ñoäng quay. r M – laø moâ men ngoaïi löïc ñoái vôùi truïc quay ∆. r r r M = R × F (2-2) Hình 2-1 Bieåu thöùc (2-1) töông ñöông vôùi phöông trình ñoäng löïc hoïc chaát ñieåm r F = mar , coù theå ñöôïc vieát laïi nhö sau: dωr r I = M dt d r ()Iωr = M dt
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 31 r r dL Hay: M = (2-3) dt r Vôùi L = Iωr laø moâ men ñoäng löôïng cuûa vaät raén ñoái vôùi truïc ∆ 2.2. Dao ñoäng cuûa con laéc toaùn hoïc: Con laéc toaùn hoïc laø moät heä thoáng goàm moät quaû naëng khoái löôïng m, ñöôïc treo treân moät sôïi daây maûnh coù khoái löôïng khoâng ñaùng keå vaø khoâng ñaøn hoài, chieàu daøi l. Ñaàu kia cuûa sôïi daây treo vaøo moät ñieåm coá ñònh C (hình 2-2). C θ l O m P Hình 2-2 Bình thöôøng quaû naëng naèm ôû vò trí caân baèng O. Neáu keùo quaû naëng r leäch moät goùc nhoû θ roài thaû ra, döôùi taùc duïng cuûa troïng löïc P = mgr quaû naëng seõ dao ñoäng xung quanh vò trí caân baèng O. Dao ñoäng cuûa con laéc vôùi bieân ñoä nhoû tuaân theo phöông trình (2-4): θ&& + ω 2θ = 0 (2-4) g Trong ñoù: ω = . Nghieäm cuûa (2-4) coù daïng: l θ = θ0 cos (ωt + ϕ ) (2-5) Vôùi bieân ñoä nhoû (θ < 10o) con laéc seõ dao ñoäng ñieàu hoøa vôùi chu kyø: l T = 2π (2-6) g
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 32 4π 2l Suy ra: g = (2-7) T 2 Coâng thöùc (2-7) laø cô sôû cho ta phöông phaùp ñeå ño gia toác troïng tröôøng g taïi moät ñieåm treân maët ñaát baèng caùch ño chu kyø dao ñoäng cuûa con laéc. 2.3. Dao ñoäng cuûa con laéc vaät lyù. Xeùt vaät raén laø moät con quay coù truïc ∆ naèm ngang (hình 2-3). Do tính chaát ñoái xöùng neân troïng taâm cuûa G cuûa con quay naèm taïi taâm C. Taùc duïng r cuûa troïng löïc P = Mgr ñaët vaøo taâm C bò caân baèng bôûi phaûn löïc cuûa truïc quay neân trong löïc khoâng coù taùc duïng laøm thay ñoåi traïng thaùi cuûa chuyeån ñoäng. C ∆ θ r R m O r P Hình 2-3 Ñaët theâm moät vaät naëng m leân vaønh con quay. Bình thöôøng quaû naëng seõ ôû vò trí caân baèng thaáp nhaát O. Neáu keùo quaû naëng ra khoûi vò trí caân baèng r moät goùc nhoû θ < 100 vaø buoâng ra thì döôùi taùc duïng cuûa troïng löïc P = mgr , quaû naëng seõ dao ñoäng chung quanh vò trí caân baèng gioáng nhö tröôøng hôïp dao ñoäng cuûa con laéc toaùn hoïc. Tuy nhieân trong tröôøng hôïp naøy quaû naëng m lieân keát vôùi con quay chöù khoâng phaûi sôïi daây, cho neân dao ñoäng cuûa quaû naëng cuõng chính laø dao ñoäng cuûa con quay. Moâ men cuûa troïng löïc P ñoái vôùi ñieåm C laø:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 33 r r r M = R × P M = R ⋅ mg ⋅ sinθ ≈ − R ⋅ mg ⋅θ (vôùi θ nhoû) d 2θ Maët khaùc M = Iβ = I = Iθ&& dt 2 Töø ñoù: Iθ&& = −Rmgθ Hay: θ&& + ω 2θ = 0 (2-8) mgR Trong ñoù: ω 2 = I I = J + mR2 – laø moâ men quaùn tính cuûa heä. J – laø moâ men quaùn tính cuûa con quay ñoái vôùi truïc ∆. mR2 – laø moâ men quaùn tính cuûa quaû naëng m ñoái vôùi ∆. Bieåu thöùc (2-8) laø phöông trình vi phaân cuûa moät dao ñoäng ñieàu hoøa coù chu kyø: 2π I T = = 2π (2-9) ω mgR 2 2 2 (J + mR ) Hay T = 4π mgR ⎛ gT 2 ⎞ Töø ñoù: J = mR⎜ − R⎟ (2-10) ⎜ 2 ⎟ ⎝ 4π ⎠ Con laéc vaät lyù trong baøi thí nghieäm naøy laø moät vaønh con quay baùn kính R, coù 18 nan hoa. Truïc ∆ cuûa con quay naèm ngang, m laø quaû naëng taïo dao ñoäng quanh truïc naèm ngang cuûa vaønh con quay. Khi bieát (m, R, g, T) ta tính ñöôïc moâ men quaùn tính J cuûa con quay ñoái vôùi truïc ∆. 2.4. Chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån: Con quay hoài chuyeån laø moät vaät raén quay quanh moät truïc ∆, maø phöông cuûa truïc quay ∆ coù theå thay ñoåi moät caùch töï do theo baát kyø phöông naøo cuûa khoâng gian. Chuyeån ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån ñöôïc öùng duïng trong caùc thieát bò ñònh höôùng nhö: la baøn con quay, boä phaän ñònh höôùng cuûa thuûy loâi, taøu thuyeàn,
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 34 Trong thöïc teá öùng duïng, thoâng thöôøng con quay hoài chuyeån coù daïng laø moät vaät ñoái xöùng troøn quay quanh moät truïc ∆ goïi laø truïc hình hoïc cuûa noù. Trong chuyeån ñoäng cuûa con quay ngöôøi ta giöõ cho moät ñieåm treân truïc hình hoïc cuûa noù coá ñònh. Ñieåm coá ñònh ñoù goïi laø ñieåm töïa O cuûa con quay. Trong baøi thí nghieäm naøy con quay coù daïng nhö hình veõ 2-4. Do tính chaát ñoái xöùng neân troïng taâm G cuûa con quay naèm treân truïc hình hoïc cuûa noù. Neáu truïc quay ∆ theo phöông thaúng ñöùng thì moâ men cuûa troïng löïc P taùc duïng leân con quay ñoái vôùi truïc ∆ seõ baèng 0. Theo (2-1) ta coù: r r r dωr d dL M = Iβ = I = ()Iωr = = 0 (2-11) dt dt dt r Trong ñoù L = Iωr =const laø moâ men ñoäng löôïng cuûa vaät raén ñoái vôí r truïc ∆. Phöông cuûa L naèm theo truïc ∆ vaø ñöôïc baûo toaøn. Töùc laø truïc quay luoân ñöôïc duy trì theo phöông thaúng ñöùng. Baây giôø xeùt tröôøng hôïp truïc ∆ cuûa con quay nghieâng moät goùc θ so vôùi phöông thaúng ñöùng. Neáu troïng taâm G cuûa con quay truøng vôùi ñieåm töïa O thì moâ men trong löïc taùc duïng leân con quay ñoái vôùi ñieåm töïa O baèng khoâng vaø moâ men r ñoäng löôïng L cuõng ñöôïc baûo toaøn. Nghóa laø truïc ∆ cuûa con quay luoân duy trì moät goùc nghieâng θ theo phöông thaúng ñöùng. O Hình 2-4
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 35 Neáu troïng taâm G cuûa con quay caùch ñieåm töïa O moät ñoaïn d vaø truïc ∆ r nghieâng moät goùc θ. Khi ñoù troïng löïc P = mgr taùc duïng leân con quay ñaët vaøo troïng taâm G. Neáu troïng taâm G ôû treân ñieåm töïa O vaø con quay ôû traïng thaùi khoâng r quay thì döôùi taùc duïng cuûa troïng löïc P seõ keùo con quay ngaõ xuoáng. Ñaây laø ñieàu bình thöôøng. Neáu troïng taâm G ôû döôùi ñieåm töïa O vaø con quay ôû traïng thaùi khoâng r quay thì döôùi taùc duïng cuûa troïng löïc P seõ keùo con quay veà phöông thaúng ñöùng. Ñaây laø ñieàu bình thöôøng. r Neáu con quay ñang quay vôùi moâ men ñoäng löôïng L = Iωr thì döôùi taùc r duïng cuûa troïng löïc P con quay seõ khoâng bò ngaõ xuoáng theo phöông troïng löïc hay truïc con quay bò traû veà phöông thaúng ñöùng maø luùc naøy truïc ∆ cuûa con quay seõ coù theâm moät chuyeån ñoäng ngang theo phöông vuoâng goùc vôùi troïng löïc. Goïi d laø khoaûng caùch töø troïng taâm G cuûa con quay ñeán ñieåm töïa O khi cho con quay quay quanh truïc ñoái xöùng cuûa noù thì truïc con quay seõ chuyeån ñoäng theo moät hình noùn ñænh laø ñieåm töïa O, ñaàu muùt cuûa con quay veõ neân voøng troøn coù taâm naèm treân ñöôøng thaúng ñöùng ñi qua ñieåm töïa O. Chuyeån ñoäng khaùc thöôøng noùi treân ñöôïc goïi laø chuyeån ñoäng tueá sai. Hieän töôïng naøy goïi laø hieäu öùng hoài chuyeån. Hieäu öùng hoài chuyeån coù theå giaûi thích nhö sau: r r r Ta coù moâ men cuûa troïng löïc: M = d × P M = dmg.sinθ (2-12) r Veùc tô M coù phöông vuoâng goùc vôùi maët phaúng hôïp bôûi truïc OZ thaúng ñöùng ñi qua ñieåm töïa O vaø truïc ∆, coù chieàu ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. Döôùi r r taùc duïng cuûa M veùc rô moâ men ñoäng löôïng L bieán thieân theo thôøi gian theo phöông trình: r dL r = M dt Hay: dL = Mdt (2-13) r r Ta thaáy dL cuøng phöông chieàu vôùi M . r r Nhö vaäy, döôùi taùc duïng cuûa M veùc tô moâ men ñoäng löôïng L seõ quay chung quanh truïc thaúng ñöùng OZ taïo thaønh moät hình noùn coù goùc ôû ñænh 2θ. r Ñaàu muùt cuûa veùc tô L vaïch neân moät voøng troøn baùn kính baèng L sinθ.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 36 Chuyeån ñoäng cuûa truïc ∆ cuûa con quay nhö vaäy goïi laø chuyeån ñoäng tieán ñoäng hay chuyeån ñoäng tueá sai. (hình 2-5) Do truïc con quay tham gia ñoàng thôøi 2 chuyeån ñoäng (chuyeån ñoäng r r tieán ñoäng do M , vaø chuyeån ñoäng veà phöông thaúng ñöùng do troïng löïc P ) neân baùn kính quyõ ñaïo ñaàu truïc con quay seõ giaûm daàn, töùc chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay seõ taét daàn. Töø hình 2-5 ta coù: dL = L ⋅sinθ ⋅ dθ Keát hôïp vôùi (2-12) vaø (2-13) ta coù: dϕ d ⋅ mg ⋅sinθ = L ⋅sinθ ⋅ dt d ⋅ mg = Iω ⋅ Ω dϕ Trong ñoù: Ω = laø vaän toác cuûa chuyeån ñoäng tieán ñoäng hay tueá sai. dt mg d Ta coù: Ω⋅ = ⋅ (2-14) I ω mg Hay: Ω ⋅ω = ⋅ d = const (2-15) I Goïi T laø chu kyø quay giaùp moät voøng ta coù: 2π T = ω 1 ω Töø ñoù: f = = , hay ω = 2π f . T 2π Caùc bieåu thöùc (2-14) vaø (2-15) coù theå vieát laïi: mg ⋅ d f = Ω 2 (2-16) 4π I ⋅ fω mg ⋅ d fΩ ⋅ fω = (2-17) 4π 2 I Ta thaáy neáu taàn soá quay fω cuûa con quay caøng lôùn thì taàn soá tueá sai caøng nhoû, öùng vôùi giaù trò d nhaát ñònh thì tích soá fΩ ⋅ fω khoâng ñoåi. Vì moâ men quaùn tính I cuûa con quay tyû leä vôùi khoái löôïng m cuûa con quay, neân töø (2-16) ta suy ra taàn soá tueá sai khoâng phuï thuoäc vaøo khoái löôïng con quay.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 37 Z O r d θ G r P r L 1 Lsinθ r dϕ dL r L2 Hình 2-5 III- THÖÏC NGHIEÄM: 3.1. Moâ taû duïng cuï. 1/ Con quay hoài chuyeån: Con quay hoài chuyeån coù ba phaàn chính (hình 2-6): a) Truïc OZ theo phöông thaúng ñöùng. b) Truïc ∆ cuûa con quay. Treân truïc coù khaéc moät voøng möùc M. c) Vaønh con quay: coù 18 nan hoa, vaønh coù theå tröôït treân truïc ∆. Goïi Ñ laø ñænh vaønh. Goïi LK laø oác lieân keát. Nôùi loûng LK vaønh con quay coù theå tröôït treân truïc ∆ cuûa con quay. Coøn vaën chaët vaønh seõ gaén chaët vaøo truïc ∆.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 38 Khi ñænh vaønh Ñ truøng vôùi voøng möùc M treân truïc ∆ thì troïng taâm G cuûa con quay truøng vôùi ñieåm töïa 0. Cho neân khoaûng caùch giöõa Ñ vaø M chính laø khoaûng caùch d giöõa ñieåm töïa vaø troïng taâm G. 2/ Ñaàu ño taàn soá: Coù hai ñaàu ño hình chöõ U kyù hieäu 1 vaø 2. Giöõa hai nhaùnh chöõ U coù tia böùc xaï truyeàn qua. Neáu tia böùc xaï bò che thì ñen ñoû treân ñaàu ño taéc. Nhö vaäy tia böùc xaï laø rôø le ñoùng môû cho maùy ñeám taàn soá. 3/ Counter P (hình 2-7): Trong baøi thí nghieäm naøy ñöôïc duøng ñeå ño taàn soá. Duøng ñieän löôùi 220V • K laø coâng taéc maùy. • R laø nuùm thay ñoåi chöùc naêng ño. S0 M S d LK Ñ Hình 2-6
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 39 2/ Ñaàu ño taàn soá: Coù hai ñaàu ño hình chöõ U kyù hieäu 1 vaø 2. Giöõa hai nhaùnh chöõ U coù tia böùc xaï truyeàn qua. Neáu tia böùc xaï bò che thì ñen ñoû treân ñaàu ño taéc. Nhö vaäy tia böùc xaï laø rôø le ñoùng môû cho maùy ñeám taàn soá. 3/ Counter P (hình 2-7): Trong baøi thí nghieäm naøy ñöôïc duøng ñeå ño taàn soá. Duøng ñieän löôùi 220V • K laø coâng taéc maùy. • R laø nuùm thay ñoåi chöùc naêng ño. Hình 2-7 4/ LH digital counter (hình 2-8): Duøng ñeå ño taàn soá. Hình 2-8 • Coâng taéc nguoàn ôû maët sau maùy. duøng ñieän löôùi 220V • Nuùm Funct ñeå thay ñoåi chöùc naêng ño. • Nuùm Mode ñeå thay ñoåi ñôn vò ño.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 40 • Nuùm Run ñeå khôûi ñoäng ño. • Nuùm stop ñeå ngöøng ño. 5/ Nguoàn cung caáp ñieän cho ñaàu ño 1 (NÑ): Hieäu theá vaøo 220V, hieäu theá ra 6V - AC. 6/ Moät con laéc toaùn hoïc. 7/ Moät thöôùc keïp. 3.2. Ño gia toác troïng tröôøng baèng con laéc toaùn hoïc. 1/ Maéc maïch ñieän nhö hình veõ 2-9. - Noái ñaàu phích ñieän ña chaân töø ñaàu ño 1 vaøo loã soá 1 treân maùy LH digital counter. Thöôøng ñaõ maéc saün sinh vieân chæ caàn kieåm tra laïi. - Caém phích ñieän cuûa maùy LH vaøo hieäu theá 220V. LH Hình 2-9 2/ Ñöa con laéc coù chieàu daøi l1 = 1m vaøo giöõa hai nhaùnh cuûa ñaàu ño soá 1. Sao cho quaû naëng döôùi ñaàu ño khoaûng 2cm. Sôïi daây ôû vò trí ngang loã tia böùc xaï treân ñaàu ño. 3/ Môû coâng taéc nguoàn maùy LH ôû maët sau maùy. 4/ Nhaán nuùm FUNCT ñeå treân cöûa soå hieän Hz hay KHz. 5/ Nhaán nuùm MODE ñeå choïn Hz. Khi ñoù treân maøn hình LH hieän FREQUENCY Hz REPETITION 6/ Keùo quaû naëng leäch moät goùc nhoû côõ 100 vaø buoâng ra sao cho maët phaúng dao ñoäng song song vôùi hai nhaùnh chöõ U.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 41 7/ Nhaán nuùm RUN ñeå ño taàn soá dao ñoäng. 8/ Sau moät khoaûng thôøi gan khoaûng 3 dao ñoäng treân cöûa soå hieän giaù trò N1 cuûa taàn soá. 9/ Nhaán nuùm STOP ñeå keát thuùc ño. Ghi laïi giaù trò N1. Nhaán nuùm FUNCT maøn hình hieän ra nhö ñaõ moâ taû ôû böôùc 5. Chuù yù trong quaù trình ño neáu maøn hình khoâng hieän nhö böôùc 5 thì nhaán laïi nuùm FUNCT. 10/ Thay ñoåi chieàu daøi con laéc vôùi caùc giaù trò: l2 =0,8m; l3=0,7m; l4= 0,6m vaø ño caùc taàn soá N2, N3, N4 töông öùng, ghi vaøo baûng 2-1. 11/ Vì trong moät chu kyø sôïi daây caét tia böùc xaï hai laàn neân taàn soá cuûa dao ñoäng seõ laø: N 1 f = , ta suy ra chu kyø dao ñoäng: T = 2 f 12/ Sinh vieân duøng coâng thöùc sau ñeå tính gia toác troïng tröôøng g: 4π 2l g = m/s2 T 2 Keát quaû tính toaùn ghi vaøo baûng 2-1. Baûng 2-1 l (m) N f (Hz) T (s) g (m/s2 0,9 0,8 0,7 0,6 Tính gia toác troïng tröôøng trung bình: g + g + g + g g = 1 2 3 4 4 Tính sai soá: ∆gi = g − gi , (vôùi i=1,2,3,4)
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 42 4 ∑ ∆gi ∆g = i=1 4 Trình baøy keát quaû döôùi daïng sau: g = g + ∆g (m/s2) 3.3. Ño moâmen quaùn tính J cuûa con quay. 1/ Duøng keïp ña naêng gaén truïc ∆ cuûa con quay vaøo truïc thaúng ñöùng ñaõ gaén chaët leân baøn thí nghieäm (hình 2-10). Phaûi tuyeät ñoái caån thaän vì con quay naëng coù theå rôi. Coù theå nhôø giaùo vieân laïi giuùp ñôõ. 2/ Gaén quaû naëng m leân phía trong vaønh con quay. Chuù yù ñaët choát döôùi ñaùy quaû naëng vaøo loã nhoû treân vaønh, khi ñoù quaû naëng coù gaén nam chaâm seõ huùt leân vaønh. 3/ Quaû naëng seõ ôû vò trí caân baèng 0. 4/ Boá trí ñaàu ño soá 1 sao cho vaønh con quay naèm giöõa hai nhaùnh chöõ U vaø coù moät nan hoa naèm ôû vò trí loã tia böùc xaï. 5/ Nhaán caùc nuùm FUNCT vaø MODE ñeå maùy LH veà chöùc naêng ño taàn soá ñôn vò Hz. 6/ Ñöa quaû naëng vaø con quay leäch moät goùc nhoû côõ 100 vaø buoâng ra cho dao ñoäng sao cho tia böùc xaï chæ bò caét bôûi moät nam hoa. Hình 2-10 7/ Nhaán nuùm RUN ñeå ño taàn soá. 8/ Khi cöûa soå maùy LH ñaõ hieän giaù trò ño N. nhaán nuùm STOP ñeå döøng quaù trình ño.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 43 1 9/ Taàn soá cuûa dao ñoäng laø: f = N/2. Suy ra chu kyø dao ñoäng: T = . f 10/ Tieán haønh vôùi 4 laàn ño, ghi caùc giaù trò vaøo baûng 2-2 vaø tính chu kyø trung bình T . Baûng 2-2 Laàn ño N Taàn soá f (Hz) Chu kyø T (s) 1 2 3 4 Trung bình 11/ Sinh vieân duøng coâng thöùc sau ñeå tính moâmen quaùn tính cuûa con quay. ⎛ gT 2 ⎞ ⎜ − R⎟ 2 J = mR ⎜ 2 ⎟ (kg.m ) ⎝ 4π ⎠ Cho: R = 0,236 m. g = 9,8 m/s2 hay laáy giaù trò ño ôû treân. m = 0,135Kg. 12/ Taét maùy LH. 3.3. Khaûo saùt chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån. 1/ Maéc maïch ñieän nhö hình veõ 2-11. - Töø ñaàu ño 2 coù ra 4 ñaàu caém. - Hai ñaàu ñen caém vaøo hieäu theá 6V - AC treân nguoàn ñieän NÑ. 2/ Boá trí duïng cuï nhö hình veõ 2-12. Chuù yù: Truïc ∆ cuûa con quay phaûi che loã tia böùc xaï cuûa ñaàu ño 1 töùc thaáy ñeøn ñoû taét. 3/ Ñaàu ño 1 ño taàn soá chuyeån ñoäng tieán ñoäng fΩ cuûa con quay. Goïi N laø soá hieån thò treân maùy LH . Vì trong moät voøng (chu kyø) truïc ∆ caét tia böùc xaï hai laàn neân taàn soá tieán ñoäng seõ laø: N f = Ω 2
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 44 Ñaàu ño 2 ño taàn soá quay cuûa con quay fω .Vì vaønh coù 18 nan hoa neân trong moät voøng (chu kyø) tia böùc xaï bò caét 18 laàn. Neáu n laø soá hieån thò treân maùy P thì taàn soá quay seõ laø: n f = ω 18 4/ Caån thaän laáy con quay ra khoûi giaù ñôõ vaø ñaët leân baøn. Nôùi loûng oác lieân keát LK vaø ñieàu chænh khoaûng caùch d giöõa voøng möùc M treân truïc ∆ vaø ñænh Ñ cuûa vaønh vôùi d=6cm. Duøng thöôùc keïp ñeå ño khoaûng caùch d giöõa voøng möùc M treân truïc ∆ vaø ñænh Ñ cuûa con quay. Ghi laïi giaù trò cuûa d=6cm. LH P 6 V Hình 2-11 Hình 2-12
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 45 Ñaàu ño 2 ño taàn soá quay cuûa con quay f ω . Vì vaønh coù 18 nan hoa neân trong moät voøng (chu kyø) tia böùc xaï bò caét 18 laàn. Neáu n laø soá hieån thò treân maùy P thì taàn soá quay seõ laø: n f = ω 18 5/ Caån thaän laáy con quay ra khoûi giaù ñôõ vaø ñaët leân baøn. Nôùi loûng oác lieân keát LK vaø ñieàu chænh khoaûng caùch d giöõa voøng möùc M treân truïc ∆ vaø ñænh Ñ cuûa vaønh vôùi d=6cm. Duøng thöôùc keïp ñeå ño khoaûng caùch d giöõa voøng möùc M treân truïc ∆ vaø ñænh Ñ cuûa con quay. Ghi laïi giaù trò cuûa d=6cm. 6/ Caém phích ñieän cuûa nguoàn 6V - AC vaøo hieäu theá 220V. 7/ Caém phích ñieän cuûa maùy P vaøo hieäu theá 220V. 8/ Xoay nuùm R cuûa maùy P veà vò trí ño taàn soá f vôùi ñôn vò Hz. 9/ Baät coâng taéc K cuûa maùy. 10/ Môû coâng taéc maùy LH, nhaán nuùm FUNCT vaø MODE ñöa maùy veà chöùc naêng ño taàn soá f ñôn vò Hz . 11/ Duøng tay traùi giöõ truïc ∆ cuûa con quay theo phöông thaúng ñöùng. Tay phaûi taùc ñoäng cho con quay quay nhanh sao cho con soá hieån thò treân maùy P khoaûng 45. 12/ Duøng tay caàm truïc ∆ ñöa truïc nghieâng moät goùc θ naøo ñoù vöøa phaûi, giöõ cho con quay quay theo phöông nghieâng moät laùt. Sau ñoù buoâng nheï töø töø sao cho truïc ∆ chuyeån ñoäng tieán ñoäng nhöng khoâng chao ñoäng. 13/ Nhaán nuùm RUN cuûa maùy LH ñeå ño taàn soá fΩ . Vaø nhaán nuùm STOP ñeå döøng ño. Ghi laïi giaù trò N1. 14/ Khi treân maùy LH hieån thò N1 ñoàng thôøi nhìn leân maùy P ñeå ghi soá n1 töông öùng. Giaù trò n1 thöôøng khaùc vôùi 45 ban ñaàu. Nhaán nuùm FUNCT treân maùy LH ñeå ñöa maøn hình veà traïng thaùi chuaån bò ño. 15/ Ñieàu chænh toác ñoä quay cuûa con quay sao cho treân maùy P hieån thò khoaûng 40. Sau ñoù nghieâng truïc ∆ cho tieán ñoäng vaø ño N2, n2 nhö caùc böôùc 12 vaø 13. Laëp laïi thí nghieäm vôùi caùc giaù trò cuûa n0 laø 35 vaø 30. Ño soá ñeám N3 vaø N4 töông öùng. Ghi caùc keát quaû ño vaøo baûng 2-3.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 46 Baûng 2-3 n0 n fω N fΩ fω⋅ fΩ 45 40 35 30 fω ⋅ fΩ = Trong ñoù: n0 – Soá hieån thò treân maùy P luùc ban ñaàu n, N – Caùc giaù trò hieån thò treân maùy P vaø maùy LH luùc ñoïc keát quaû. fω – Taàn soá quay cuûa con quay: fω = n/2 fΩ – Taàn soá tueá sai: fΩ = N/2. fω ⋅ fΩ – Giaù trò trung bình cuûa 4 laàn ño. mg.d Duøng coâng thöùc fω ⋅ fΩ = ñeå giaûi thích baûng soá lieäu treân. 4π 2 I 16/ Laáy con quay ra khoûi giaù ñôõ. Vaën oác LK treân vaønh con quay ñeå thay ñoåi d vôùi caùc giaù trò : 5cm, 4,5cm vaø 4cm. Moãi laàn laëp laïi caùc böôùc thí nghieäm 12, 13, 14 . Vaø ño caùc giaù trò fω , fΩ vaø fω ⋅ fΩ töông öùng. 17/ Veõ ñoà thò fω ⋅ fΩ theo d. Laáy truïc tung fω ⋅ fΩ , truïc hoaønh d. 18/ Taét maùy P vaø ruùt phích ra khoûi löôùi ñieän 220V. 19/ Taét maùy LH vaø ruùt phích ra khoûi löôùi ñieän 220V. 20/ Ruùt phích caém cuûa nguoàn ñieän 6V -AC ra khoûi löôùi ñieän 220V. V- CAÂU HOÛI THAÛO LUAÄN: 1/ Trong thí nghieäm con laéc toaùn hoïc ta phaûi keùo con laéc moät goùc leäch θ nhoû, taïi sao. 2/ Neâu coâng thöùc tính chu kyø dao ñoäng ñieàu hoøa cuûa con laéc toaùn hoïc 3/ Neâu coâng thöùc tính chu kyø dao ñoäng ñieàu hoøa cuûa con laéc vaät lyù. 4/ Neâu coâng thöùc tính vaän toác goùc chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån. 5/ Vaän toác goùc chuyeån ñoäng tieán ñoäng cuûa con quay hoài chuyeån coù phuï thuoäc vaøo khoái löôïng cuûa con quay khoâng ?
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 47 Baøi 3. THÍ NGHIEÄM MAÙY BIEÁN AÙP I. MUÏC ÑÍCH: Khaûo saùt vaø ño ñaïc caùc tham soá cuûa maùy bieán aùp 1 pha ôû caùc cheá ñoä khoâng taûi, cheá ñoä coù taûi vaø cheá ñoä ngaén maïch nhôø heä thoáng ño gheùp noái maùy vi tính PC. II. TOÙM TAÉT LYÙ THUYEÁT: 1. Nguyeân lyù caáu taïo. Maùy bieán aùp laø moät thieát bò ñieän töø tónh duøng ñeå bieán ñoåi doøng ñieän xoay chieàu töø ñieän aùp naøy sang ñieän aùp khaùc vôùi taàn soá khoâng ñoåi. Caáu taïo cuûa maùy bieán aùp bao goàm 2 phaàn: loõi theùp vaø caùc cuoän daây quaán (hình 3-1) I1 Φ I2 U ∼ U1 2 Hình 3-1 a) Loõi theùp : Loõi theùp laø phaàn maïch töø cuûa maùy bieán aùp duøng ñeå daãn töø thoâng chính trong maùy, noù ñöôïc gheùp töø caùc laù theùp kyõ thuaät ñieän. Loõi theùp ñöôïc chia laøm hai phaàn : + Truï : laø nôi ñeå ñaët daây quaán. + Goâng : laø phaàn kheùp kín maïch töø giöõa caùc truï. b) Daây quaán: Daây quaán maùy bieán aùp thöôøng ñöôïc cheá taïo töø daây ñoàng hoaëc nhoâm, coù tieát dieän troøn hoaëc chöõ nhaät, beân ngoaøi daây coù boïc lôùp caùch ñieän. Daây quaán ñöôïc quaán thaønh nhieàu voøng vaø loàng vaøo truï loõi theùp. Giöõa caùc voøng daây quaán coù caùch ñieän vôùi nhau vaø caùch ñieän vôùi loõi theùp. Maùy bieán aùp moät pha coù hai cuoän daây: moät cuoän daây noái vôùi nguoàn xoay chieàu goïi laø cuoän sô caáp , coøn cuoän daây noái vôùi taûi goïi laø cuoän thöù caáp.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 48 2-Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa maùy bieán aùp: Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa maùy bieán aùp döïa vaøo hieän töôïng caûm öùng ñieän töø. Neáu ñaët vaøo cuoän sô caáp cuûa maùy bieán aùp moät ñieän aùp xoay chieàu hình sin U1, doøng ñieän xoay chieàu qua cuoän daây seõ taïo ra trong maïch töø moät töø thoâng Φ. Do maïch töø kheùp kín, neân töø thoâng chaïy trong loõi theùp vaø moùc voøng qua caû hai cuoän daây cuûa maùy bieán aùp vaø sinh ra caùc suaát ñieän ñoäng töông öùng laø e1 vaø e2 : dΦ dΦ e = −n ; e = −n . (3-1) 1 1 dt 2 2 dt Trong ñoù n1, n2 laø soá voøng cuûa caùc cuoän daây sô caáp vaø thöù caáp. Khi maùy bieán aùp khoâng taûi, cuoän thöù caáp hôû maïch, doøng ñieän thöù caáp I2 = 0, töø thoâng Φ trong loõi theùp chæ do doøng ñieän sô caáp I0 sinh ra. Khi maùy bieán aùp coù taûi, daây quaán thöù caáp noái vôùi taûi coù toång trôû Z. Döôùi taùc duïng cuûa suaát ñieän ñoäng e2, coù doøng ñieän i2 cung caáp cho taûi. Luùc naøy töø thoâng Φ do ñoàng thôøi caû hai doøng sô caáp i1 vaø thöù caáp i2 gaây ra. Ñieän aùp u1 hình sin neân töø thoâng cuõng bieán thieân hình sin Φ=Φmsinωt. Sau khi laáy ñaïo haøm, bieán ñoåi vaø thay vaøo (3-1) ta coù: e = 4,44 f n Φ 2 sin(ωt − π ) = E 2 sin(ωt − π ) 1 1 m 2 1 2 π π e2 = 4,44 f n2Φm 2 sin(ωt − 2) = E2 2 sin(ωt − 2) (3-2) Trong ñoù E1 = 4,44 f n1Φ m ; E2 = 4,44 f n2Φ m . (3-3) Töø (3-3) neáu chia Et cho E2 ta ñöôïc heä soá bieán aùp k: E1 n1 k = = (3-4) E2 n2 Neáu boû qua ñieän trôû daây quaán vaø töø thoâng taûn ra ngoaøi khoâng khí, coù theå coi gaàn ñuùng U1 ~ E1 vaø U2 ~ E2 ta coù : U E n 1 = 1 = 1 = k (3-5) U2 E2 n2 Ñoái vôùi maùy taêng aùp thì: U2 >U1 ; n2 > n1 Ñoái vôùi maùy giaûm aùp thì: U2 <U1 ; n2 < n1. Neáu boû qua toån hao trong maùy bieán aùp, coù theå xem gaàn ñuùng quan heä giöõa caùc ñaïi löôïng sô caáp vaø thöù caáp nhö sau: U1I1 ≈ U2I2
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 49 U I Hoaëc: 1 ≈ 2 ≈ k (3-7) U 2 I 1 Phöông trình ñieän aùp cuûa maïch sô caáp : di u = R i + L 1 − e 1 1 1 dt 1 Phöông trình ñieän aùp cuûa maïch thöù caáp : di u = −e − R I − L 2 2 2 2 2 2 dt 3- Caùc cheá ñoä laøm vieäc cuûa maùy bieán aùp: a) Cheá ñoä khoâng taûi : Cheá ñoä khoâng taûi laø cheá ñoä maø phía thöù caáp hôû maïch, phía sô caáp ñaët vaøo hieäu ñieän theá xoay chieàu (hình 3-2). A ~ VV Hình 3-2 b) Cheá ñoä ngaén maïch: Cheá ñoä ngaén maïch laø cheá ñoä maø phía thöù caáp bò noái taét laïi, phía sô caáp vaãn ñaët vaøo ñieän aùp xoay chieàu (hình 3-3). AA ~ V Hình 3-3 c) Cheá ñoä coù taûi : Cheá ñoä coù taûi laø cheá ñoä maø cuoän sô caáp noái vaøo nguoàn ñieän aùp ñònh möùc, coøn cuoän thöù caáp noái vôùi taûi (hình 3-4) :
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 50 A ~ V Z Hình 3-4 III/ THÖÏC NGHIEÄM : 3.1. Moâ taû duïng cuï. 1) Maùy bieán aùp moät pha (hình 3-5) : Hình 3-5 c – Loõi theùp d – Hai cuoän daây sô caáp vaø thöù caáp cuûa maùy bieán aùp. Trong baøi thí nghieäm naøy söû duïng caùc cuoän daây sau : n1 = 250 voøng, R = 0,6Ω, L = 2,2mH, Imax = 5A. n2 = 500 voøng, R = 2,5Ω, L = 9mH, Imax = 2,5A. n3 = 1000 voøng, R = 9,5Ω, L = 36mH, Imax =1,25A. 2) Bieán trôû 110Ω: Duøng laøm taûi cho maùy bieán aùp (hình 3-6). Hình 3-6
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 51 Chuù thích : - Vaøo chaân ñen, ra chaân ñen : ñieän trôû khoâng ñoåi R = 110Ω. - Vaøo chaân ñoû, ra chaân ñen : khi dòch chuyeån con chaïy C, ñieän trôû R thay ñoåi töø 0 ñeán 110Ω. 3) Nguoàn ñieän xoay chieàu AC : Duøng ñeå cung caáp hieäu ñieän theá cho cuoän sô caáp cho maùy bieán aùp . 4) Hai ñieän trôû 1Ω : Caùc ñieän trôû ñöôïc noái giöõa hai chaân B vaø hai chaân C cuûa hoäp CASSY ñeå maùy xaùc ñònh doøng ñieän chaïy qua caùc cuoän daây sô caáp vaø thöù caáp cuûa maùy bieán aùp. 5) Hoäp CASSY : Duøng ñeå giao dieän giöõa maùy vi tính vaø maùy bieán aùp. 6) Maùy vi tính : Duøng ñeå ghi vaø xöû lyù soá lieäu nhaän ñöôïc töø maùy bieán aùp (hình 3-7). Hình 3-7 3.2. Khaûo saùt maùy bieán aùp giaûm theá : Maùy bieán aùp giaûm theá goàm : - Cuoän sô caáp coù n1 = 1000 voøng ; R =9,5Ω ; L= 36mH ; Imax =1,25A. - Cuoän thöù caáp coù n2 = 250 voøng ; R =0,6Ω ; L= 2,2mH ; Imax =5A. a) Cheá ñoä khoâng taûi : 1/ Quan saùt caùc thieát bò thí nghieäm ôû traïng thaùi khoâng baät ñieän. 2/ Laép raùp maïch ñieän nhö sô ñoà hình 3-8:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 52 Chuù yù : Hai ñaàu daây caém A vaø B ñeå hôû. Thoâng thöôøng, maïch ñieän ñaõ ñöôïc laép raùp saün. Sinh vieân chæ caàn kieåm tra laïi. 3/ Môû nguoàn ñieän xoay chieàu. 4/ Môû maùy vi tính. 5/ Töø daáu nhaéc heä ñieàu haønh, goõ C:\>CD CASSY roài nhaán Enter. 6/ Goõ C:\CASSY\TRANSFO roài nhaán Enter. Luùc ñoù, maøn hình CASSY cuûa chöông trình seõ xuaát hieän. 7/ Nhaán Enter ñeå ñi vaøo chöông trình. Hình 3-8 8/ Kieåm tra laïi sô ñoà maïch ñieän ñöôïc hieån thò treân maøn hình maùy vi tính. 9/ Nhaán Esc. Maøn hình seõ hieän leân hoäp thoâng tin “Transformer” vaø hoäp thoaïi Main menu. 10/ Duøng caùc phím muõi teân, ñöa thanh saùng ñeán “ Select meas.ranges“ roài nhaán Enter. Hoaëc duøng phím noùng laø F3. 11/ Ñöa thanh saùng ñeán “Select meas.resistance at B” nhaán Enter. Nhaäp vaøo giaù trò ñieän trôû ôû maïch Sô caáp laø : 1Ω. Nhaán Enter. 12/ Ñöa thanh saùng ñeán “Select meas.resistance at C” nhaán Enter. Nhaäp vaøo giaù trò ñieän trôû ôû maïch Thöù caáp laø : 1Ω. Nhaán Enter. 13/ Ñöa thanh saùng ñeán muïc “Reselect range B” nhaán Enter. Choïn thang ño doøng ñieän qua maïch Sô caáp laø –0,3 0,3A. Nhaán Enter.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 53 14/ Ñöa thanh saùng ñeán muïc “Reselect range C” nhaán Enter. Choïn thang ño doøng ñieän qua maïch Thöù caáp laø –0,3 0,3A. Nhaán Enter. 15/ Nhaán Esc ñeå trôû veà Main menu. 16/ Ñöa thanh saùng ñeán “Select meas.quantities” roài nhaán Enter, hoaëc duøng phím taét laø F2. 17/ Choïn caùc giaù trò caàn ño cuøng luùc laø “U1,I1 and U2,I2” roài nhaán Enteïr. 18/ Ñöa thanh saùng ñeán “Record new measurement” roài nhaán Enter, hoaëc duøng phím noùng laø F1. Khi ñoù, maøn hình seõ xuaát hieän hai heä truïc toïa ñoä bieåu dieãn U1,I1 vaø U2,I2 theo thôøi gian. 19/ Nhaán F1 ñeå baét ñaàu quan saùt ñoà thò cuûa U1,I1 vaø U2,I2 bieán thieân theo thôøi gian. 20/ Nhaán F2 ñeå hieån thò giaù trò U1 vaø U2 maø maùy ño ñöôïc. 21/ Nhaán F3 ñeå hieån thò giaù trò I1 vaø I2 maø maùy ño ñöôïc. 22/ Nhaán F4 ñeå hieån thò giaù trò P1 vaø P2 maø maùy ño ñöôïc. 23/ Nhaán F5 ñeå hieån thò giaù trò Q1 vaø Q2 maø maùy ño ñöôïc. 24/ Nhaán F6 ñeå hieån thò giaù trò Cosφ1 vaø Cosφ2 maø maùy ño ñöôïc. 25/ Nhaán F7 ñeå quan saùt cuøng luùc ñoà thò cuûa P1 vaø P2 bieán thieân theo thôøi gian. 26/ Nhaán F1 ñeå döøng quaù trình ño. Ghi laïi caùc giaù trò vaøo baûng sau : U (V) I (A) P (W) Q (W) Cosφ 1 (Sô caáp) 2 (Thöù caáp) 27/ Nhaán Esc ñeå trôû veà Main menu. 28/ Ñöa thanh saùng ñeán “Evalue in graph” roài nhaán Enter, hoaëc duøng phím noùng laø F6. 29/ Quan saùt laïi ñoà thò cuûa U1,I1,U2,I2 ñaõ ñöôïc ñaùnh daáu theo thöù töï 1, 2,3,4. 30/ Veõ laïi ñoà thò cuûa U1: Nhaán laàn löôït caùc phím “F9”, “1”, “+”. Khi ñoù, treân ñoà thò U1 seõ xuaát hieän con troû hình daáu + vaø döôùi maøn hình seõ xuaát hieän giaù trò U1 theo thôøi gian t taïi vò trí con troû ñang ñöùng. Nhaán phím “Home” ñeå ñöa con troû veà ñaàu ñoà thò. Nhaán vaø giöõ phím “Tab” ñeå con troû di chuyeån treân ñoà thò cuûa U1. Veõ laïi ñoà thò U1 theo caùc giaù trò cuûa con troû.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 54 31/ Veõ ñoà thò cuûa I1: Töông töï nhö veõ ñoà thò cuûa U1 nhöng duøng caùc phím “F9”, “2”, “+”. 32/ Veõ ñoà thò cuûa U2 : Duøng caùc phím “F9”, “3”, “+”. 33/ Veõ ñoà thò cuûa I2 : Duøng caùc phím “F9”, “4”, “+”. 34/ Nhaán Esc ñeå trôû veà Main menu. 35/ Ñöa thanh saùng ñeán “End” nhaán Enter. 36/ Trong hoäp thoaïi “EXIT PROGRAM” choïn “YES”, nhaán Enter. 37/ Taét nguoàn ñieän AC, taét maùy vi tính. Töø baûng giaù trò ño ñöôïc vaø caùc ñoà thò, haõy nhaän xeùt veà keát quaû thí nghieäm. b) Cheá ñoä ngaén maïch cuûa Maùy bieán aùp: Laép ñaët thí nghieäm nhö sô ñoà hình 3-8 nhöng baây giôø ta noái hai ñaàu A vaø B laïi vôùi nhau. Laøm laïi thí nghieäm töø böôùc 1 ñeán böôùc 37 nhö treân. c) Cheá ñoä coù taûi cuûa Maùy bieán aùp: Laép ñaët thí nghieäm nhö sô ñoà hình 3-8 nhöng ta noái hai ñaàu A vaø B vaøo hai chaân caém maøu ñen ôû hai ñaàu cuûa bieán trôû R = 110Ω. Laøm laïi thí nghieäm nhö treân töø böôùc 1 ñeán böôùc 33. 34/ Veõ ñoà thò cuûa P1(t) : . Nhaán laàn löôït caùc phím “F2”,“1”. Khi ñoù, treân maøn hình seõ xuaát hieän ñoà thò cuûa haøm P1(t). . Duøng caùc phím “F9”, “3”, “+”. Ñeå veõ laïi ñoà thò cuûa P1(t). . Nhaán Esc ñeå trôû veà Main menu. 35/ Veõ ñoà thò cuûa P2(t) : . Ñöa thanh saùng ñeán “Evalute in graph”. Nhaán Enter. . Nhaán laàn löôït caùc phím “F2”,“3”. Khi ñoù, treân maøn hình seõ xuaát hieän ñoà thò cuûa haøm P2(t). . Duøng caùc phím “F9”, “1”, “+”. Ñeå veõ laïi ñoà thò cuûa P2(t). 36/ Nhaán Esc, choïn End, nhaán Enter. 37/ Trong hoäp thoaïi “EXIT PROGRAM”, choïn “YES” ñeå thoaùt khoûi chöông trình. 38/ Taét nguoàn ñieän AC, taét maùy vi tính. 3.3. Khaûo saùt maùy bieán aùp taêng theá : Maùy bieán aùp taêng theá goàm:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 55 - Cuoän Sô caáp coù n1=500 voøng ; R=2,5Ω ; L= 9mH ; Imax =2,5A. - Cuoän Thöù caáp coù n2=1000 voøng; R=9,5Ω ; L=36mH ; Imax =1,25A. Tieán haønh thí nghieäm maùy bieán aùp taêng theá ôû caùc cheá ñoä khoâng taûi, cheá ñoä ngaén maïch, cheá ñoä coù taûi theo töøng böôùc töông töï nhö ñoái vôùi maùy bieán aùp giaûm theá. Nhaän xeùt thí nghieäm vaø ñaùnh giaù keát quaû. IV/ CAÂU HOÛI THAÛO LUAÄN: 1) Coâng duïng cuûa Maùy bieán aùp. 2) Caáu taïo chung cuûa Maùy bieán aùp. 3) Taïi sao khoâng neân ñeå Maùy bieán aùp laøm vieäc ôû caùc cheá ñoä khoâng taûi vaø ngaén maïch. 4) Tính hieäu suaát cuûa Maùy bieán aùp taêng theá trong tröôøng hôïp coù taûi. 5) Taïi sao trong kyõ thuaät haøn ñieän, ngöôøi ta duøng Maùy bieán aùp ôû caùc cheá ñoä ngaén maïch vaø khoâng taûi ?
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 56 Baøi 4. ÑO TÖØ TRÖÔØNG I. MUÏC ÑÍCH: Ño töø tröôøng vaø naêng luôïng töø tröôøng ôû beân trong moät oáng daây coù doøng ñieän chaïy qua baèng maùy ño töø tröôøng vaø baèng heä ño gheùp noái maùy vi tính PC. II. TOÙM TAÉT LYÙ THUYEÁT: Xeùt moät oáng daây ñieän thaúng chieàu daøi l, ñöôïc quaán töø N voøng daây daãn. Ta haõy maéc oáng daây vaøo maïch ñieän moät chieàu nhö hình veõ 4-1. Khi ñoùng khoùa K, qua oáng daây seõ coù doøng ñieän I chaïy qua. I L R K + Hình 4-1 Beân trong loøng oáng daây seõ xuaát hieän moät töø tröôøng coù chieàu xaùc ñònh theo quy taét vaën nuùt chai. Neáu chieàu daøi l cuûa oáng daây lôùn hôn nhieàu laàn ñöôøng kính cuûa noù thì töø tröôøng trong loøng oáng daây coù theå xem nhö ñeàu. r Ñoä lôùn cuûa veùc tô caûm öùng töø B trong oáng daây ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc: B = µµ0 n I (4-1) Trong ñoù: - B laø caûm öùng töø (T). - n laø soá voøng daây treân moät ñôn vò daøi: n = N/l (vg/m). -7 - µ0 laø haèng soá töø coù giaù trò: µ0 = 4π.10 H/m. - µ laø ñoä töø thaåm cuûa moâi tröôøng trong oáng daây. - I laø cöôøng ñoä doøng ñieän (A). Baây giôø neáu ta ngaét khoùa K, töø tröôøng vaø do do ñoù töø thoâng trong oáng daây giaûm ñoät ngoät laøm xuaát hieän trong maïch moät suaát ñieän ñoäng caûm öùng. Theo ñònh luaät Lenxô, chieàu cuûa suaát ñieän ñoäng caûm öùng vaø doøng do noù sinh coù taùc duïng choáng laïi söï giaûm cuûa doøng ñieän trong maïch. nghóa laø
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 57 doøng caûm öùng phaûi cuøng chieàu vôùi doøng trong maïch , ñieàu ñoù laøm cho doøng trong maïch khoâng maát ngay maø giaûm daàn veà 0. Suaát ñieän ñoäng caûm öùng sinh ra khi ngaét maïch goïi laø suaát ñieän ñoäng töï caûm. dΦ d(LI) dI ε = − = − − L (4-2) dt dt dt Vôùi: Φ = LI , trong ñoù L laø heä soá töï caûm cuûa maïch, coù giaù trò phuï thuoäc vaøo hình daïng, kích thöôùc vaø ñoä töø thaåm cuûa moâi tröôøng xung quanh. N 2 L = µµ S = µµ n 2 S.l = µµ n 2V (4-3) 0 l 0 0 Coâng thöïc hieän bôûi doøng ñieän töï caûm trong thôøi gian dt laø: dΦ dA = εIdt = − Idt = −IdΦ = −LIdI (4-4) dt Laáy tích phaân (4-4) trong khoaûng töø I ñeán 0 ta seõ ñöôïc coâng thöïc hieän bôûi doøng caûm öùng trong thôøi gian ngaét maïch. 0 0 1 A = ∫ dA = − ∫ LIdI = L I 2 (4-5) I I 2 1 Hay: A = µ µ n2 I 2 V (4-6) 2 0 Keát quaû treân cuõng thu ñöôïc khi ta tính coâng cuûa nguoàn ñieän phaûi thöïc hieän choáng laïi suaát ñieän töï caûm khi ñoùng khoùa K, ñeå taêng doøng ñieän trong maïch töø 0 ñeán giaù trò I. Theo ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng, coâng naøy seõ chuyeån h oùa thaønh naêng löôïng töø tröôøng cuûa oáng daây. Töùc laø ta coù: 1 1 W = A = L I 2 = µ µ n2 I 2V (4-7) 2 2 0 1 B2 Hay: W = V (4-8) 2 µµ 0 Bieåu thöùc (4-8) laø coâng thöùc tính naêng löôïng töø tröôøng ñeàu chöùa trong theå tích V cuûa oáng daây. Nhö vaäy, naêng löôïng töø tröôøng trong moät theå tích V baát kyø ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc: 1 W = ∫ B 2 dV (4-9) 2µµ 0 V Ñoái vôùi moät oáng daây ngaén töø tröôøng B trong oáng daây laø khoâng ñeàu. Nhöng moät caùch gaàn ñuùng coù theå xem töø tröôøng B laø moät haøm cuûa toïa ñoä chieàu daøi l cuûa oáng daây B = f(l). Thay dV = Sdl ta coù
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 58 l2 S 2 W = B dl (4-10) ()2µµ ∫ 0 l1 III. THỰC HAØNH 3.1. Moâ taû duïng cuï: 1/ Maùy tính ñeå hieån thò keát quaû ño vaø xöû lyù soá lieäu. 2/ Moät hoäp Cassy-E ñeå giao dieän giöõa ñaàu ño töø tröôøng vôùi maùy tính. 3/ Moät oáng daây thaúng chieàu daøi coù theå thay ñoåi ñöôïc. 4/ Moät ñaàu ño töø tröôøng maø nguyeân taét hoaït ñoäng döïa vaøo hieäu öùng Hall. 5/ Nguoàn ñieän DC (hình 4-2) MH1 MH2 K R1 R2 Hình 4-2 Ñeå caáp doøng cho oáng daây, hieäu theá cung caáp cho nguoàn laø 220V. Muoán môû nguoàn DC, baät coâng taét K cuûa nguoàn ôû goùc traùi treân tröôùc maùy. Ñeå thay ñoåi hieäu theá vaø doøng ra ta xoay ñoàng thôøi nuùm R1 vaø R2 cuøng chieàu kim ñoàng hoà giaù trò cuûa hieäu theá vaø doøng ñöôïc hieån thò treân cöûa soå MH1 vaø MH2. 6/ Maùy ño töø tröôøng (hình 4-3): Ñöôïc duøng ñeå hieån thò giaù trò cuûa töø tröôøng khi ño. Nguoàn ñieän cung caáp cho maùy 220V. Maùy coù theå ño caû töø tröôøng xoay chieàu laãn töø tröôøng moät chieàu. * Coâng taét nguoàn ñieän K ôû sau maùy.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 59 * ÑD laø loã caém phích ñieän töø ñaàu ño töø vaøo. Khi caém phích ñieän töø ñaàu ño töø vaøo ÑD caàn chuù yù xoay veát loõm treân ñaàu phích ñieän khôùp vôùi vò trí A treân loã caém, töông töï cho tröôøng hôïp khaùc khi duøng phích caém nhieàu chaân. * Khi ño töø tröôøng oån ñònh baät nuùm OÑ veà vò trí "−". Vò trí " ∼ " öùng cho xoay chieàu. * Nuùm N ñöôïc duøng ñeå thay ñoåi ñoä nhaïy coù ba vò trí 20, 200, 2000 töông öùng vôùi ñoä nhaïy 0,01mT; 0,1mT vaø 1mT. * Cöûa soå MH ñeå hieån thò giaù trò ño ñôn vò mT. * Loã CT laø khoâng gian che töø. * Nuùm Z ñöôïc duøng ñeå buø offset töùc ñieàu chænh ñieåm zero cho ñaàu ño töø. Hình 4-3 7/ Ampere - Volt keá max 300V/10A: (hình 4-4) Hình 4-4
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 60 Ampere - Volt keá max 300V/10A coù theå ño hieäu ñieän theá vaø cöôøng ñoä doøng ñieän xoay chieàu (AC) cuõng nhö moät chieàu (DC) qua oáng daây. Trong baøi thí nghieäm naøy chæ duøng ñeå ño cuôøng ñoä doøng ñieän moät chieàu qua oáng daây. Khi xoay X1 ñeán vò trí: 1, 3, 10, 30, 100, 300 laø caùc thang ño töông öùng cuûa Ampe keá. Khi xoay X2 ñeán caùc vò trí: A, Am, µA thì treân cöûa soå MH2 hieån thò: A, Am, µA. Chæ ñôn vò ño cuûa doøng ñieän. Khi xoay X3 ñeán vò trí off töông öùng vôùi traïng thaùi taét, vò trí (−) töông öùng vôùi moät chieàu (DC) vaø (∼) töông öùng vôùi xoay chieàu (AC). Trong baøi thí nghieäm naøy X2 xoay veàû vò trí A töùc ñôn vò ño cöôøng ñoä doøng ñieän laø Ampere; X1 ôû vò trí 10 töùc giaù trò ño lôùn nhaát cuûa ñoàng hoà laø 10A; X3 xoay ôû vò trí (−) töùc doøng ñieän moät chieàu. 3.2. Ño töø tröôøng baèng maùy vi tính: 1/ Quan saùt thieát bò 5 phuùt. 2/ Phaûi tuyeät ñoái caån thaän traùnh va chaïm vaøo ñaàu ño töø raát deã gaõy. 3/ Maéc maïch ñieän theo sô ñoà (hình 4-6). Hình 4-6 Chuù yù: + Xoay cho khôùp giaéc caém ña chaân ;
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 61 + Maéc ñuùng caùc cöïc döông (+) vaø cöïc (-); + Chæ ñöôïc maéc maïch ñieän khi maùy vi tính ñaõ taét. - Noái ñaàu ño töø vaøo loã input cuûa B - Box Compensation treân hoäp Cassy - E. - Noái cöïc döông (+) cuûa nguoàn ñieän DC vaøo cöïc döông (+) cuûa Ampere - Box treân hoäp Cassy - E. - Noái cöïc aâm (-) nguoàn ñieän DC vaøo 1 ñaàu oáng daây. - Noái ñaàu oáng daây coøn laïi vaøo cöïc aâm (-) cuûa Ampere - Box treân cassy - E. 4/ Môøi giaùo vieân laïi kieåm tra môùi ñöôïc thao taùc tieáp. Ñieàu chænh oáng daây daøi khoaûng 20cm. 5/ Xoay hai nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn ñieän DC veà taän cuøng traùi. Thoâng thöôøng ñaõ xoay saün, sinh vieân chæ caàn kieåm tra laïi. 6/ Caém phích ñieän cuûa nguoàn DC vaøo hieäu theá 220V. Thoâng thöôøng ñaõ caém saün, sinh vieân chæ caàn kieåm tra laïi. 7/ Baät coâng taét K cuûa nguoàn DC, luùc naøy thaáy treân hai cöûa soå MH1 vaø MH2 hieån thò 0.0 laø toát. 8/ Baät maùy vi tính. 9/ Vaøo C: \> CD\ Leybold> roài Enter. 10/ Vaøo C:\ LEYBOLD> ld roài Enter. 11/ Maøn hình hieän CASSY. Nhaán Enter. 12/ Maøn hình hieän khung Program Selection. 13/ Veà F1 Multimeter. Nhaán Enter. 14/ Maøn hình hieän khung Multimeter vaø khung Main menu. 15/ Veà F3 Select meas.quantities. Nhaán Enter. 16/ Maøn hình hieän khung Meas. quantities. 17/ Veà Reselect channel A. Nhaán Enter. 18/ Veà Curent. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh ño doøng. 19/ Veà -10 10A. Nhaán Enter. 20/ Maøn hình trôû veà khung Meas quantities. 21/ Veà Reselect channel D. Nhaán Enter. 22/ Maøn hình hieän khung Quantity D. 23/ Veà Magnetic flux. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh ño töø tröôøng. 24/ Veà -10 10mT. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh giaù trò lôùn nhaát 10mT. 25/ Veà Reselect Channel D. Nhaán Enter. 26/ Maøn hình hieän khung Quantity D. 27/ Veà Compensation on/off. Nhaán Enter. (Ñeå taét hay môû Compensation).
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 62 Neáu ñeøn ñoû cuûa Compensation treân Cassy-E saùng töùc laø Compensation ôû traïng thaùi môû. Coøn neáu ñeøn khoâng saùng laø ôû traïng thaùi taét. Coù theå ño Compensation ôû traïng thaùi môû hay taét (trong baøi naøy ta ño Compensation ôû traïng thaùi taét). 28/ Nhaán phím ESC veà Main menu. 29/ Veà F1 Start new measurement. Nhaán Enter. Ñeå thöïc hieän ño. 30/ Maøn hình hieän: I : 0,0 A. B : 0,0 mT. laø toát. Neáu khaùc chaúng haïn, ví duï: I : - 4,2 A. B : 0,8 mT. Chuùng ta phaûi chuaån laïi ñeå I vaø B veà giaù trò töông ñöông 0,0. Caùch chuaån nhö sau: 31/ Nhaán phím ESC veà main Menu. 32/ Veà F3 Select meas. quantities. Nhaán Enter. 33/ Veà Reselect Channel A. Nhaán Enter. 34/ Veà Calibrate. Nhaán Enter. 35/ Nhaäp : dong. Nhaán Enter. 36/ Nhaäp : I. Nhaán Enter. 37/ Nhaäp : A. Nhaán Enter. 38/ Nhaäp : Factor : 1 A/A. Nhaán Enter. 39/ Nhaäp : offset : 4,2. Nhaán Enter. Ñeå khöû - 4,2 A ñöa I veà töông ñöông 0,0. Theo ví duï ñöa ra. 40/ Maøn hình hieän khung Range A. Trong ví duï naøy veà : - 4,2 14,2 A vaø nhaán Enter. Bôûi vì doøng nhaäp luùc ñaàu -10 10A. Khi offset : 4,2 thì giaûi ño doøng ñaõ dòch chuyeån moät löôïng 4,2 41/ Veà Reselect Channel D. Nhaán Enter. 42/ Veà Calibrate. Nhaán Enter. 43/ Nhaäp : TU TRUONG. Nhaán Enter. 44/ Nhaäp : B. Nhaán Enter. 45/ Nhaäp : mT. Nhaán Enter. 46/ Nhaäp Factor : 1mT/mV. Nhaán Enter. 47/ Nhaäp offset : -0,8 mT. Nhaán Enter. Ñeå buø khöû 0,8 mT ñöa B veà töông ñöông 0,0. Theo ví duï treân.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 63 48/ Veà -10,8 9,2 mT. Nhaán Enter. 49/ Nhaán ESC veà Main menu. 50/ Veà F1 Start new measurement. Nhaán Enter. 51/ Xem I vaø B ñaõ töông ñöông 0,0 chöa. Neáu chöa thì offset tieáp nhö treân. Nhaán phím D. 52/ Xoay ñoàng thôøi nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn DC cuøng chieàu kim ñoàng hoà sao cho doøng ñieän I treân maøn hình taêng khoaûng: I ~ 6 A.(ví duï I = 6A) 53/ Nhaán ESC veà Main menu. 54/ Veà F4 Automatic / param /formula. Nhaán Enter. 55/ Veà Enter parameter. Nhaán Enter. 56/ Nhaäp : lenght. Nhaán Enter. 57/ Nhaäp : l. Nhaán Enter. 58/ Nhaäp : cm. Nhaán Enter. 59/ Nhaäp : 0. Nhaán Enter. 60/ Nhaán ESC veà Main menu. 61/ Veà F1 Start new measurement. Nhaán Enter. Baét ñaàu ño. 62/ Nhaán F1. 63/ Cuoái maøn hình hieän l = 64/ Choïn goác toïa ñoä 0 taïi ñaàu oáng mica. Ñaët ñaàu ño töø taïi 0. Nhaäp l = 0. Nhaán Enter. 65/ Dòch chuyeån ñaàu ño töø vaøo saâu trong oáng moät ñoaïn 2 cm. Nhaán F1. Nhaäp l = 2cm. Nhaán Enter. 66/ Dòch chuyeån ñaàu ño töø vaøo saâu trong oáng moät ñoaïn 4 cm. Nhaán F1. Nhaäp l = 4cm. Nhaán Enter. 67/ Cöù theá tieáp tuïc moãi laàn dòch chuyeån ñaàu ño töø theâm 2cm. Nhaán F1. Nhaäp giaù trò l. Nhaán Enter. Cho ñeán khi ñaàu ño töø ñeán cuoái oáng mica. Keát thuùc quaù trình ghi soá lieäu ño. Trong quaù trình ño luoân ñieàu chænh ñeå doøng treân maøn hình I ~ 6A. Chuù yù: Dòch chuyeån ñaàu ño töø baét ñaàu töø oáng daây noái vôùi cöïc döông (+). 68/ Nhaán ESC veà Main menu. 69/ Veà F5 output measured valuaes. Nhaán Enter. 70/ Veà Valuaes in table form. Nhaán Enter. 71/ Maøn hình hieän baûng soá lieäu ño. Nhaán phím daøi space ñeå xem heát baûng.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 64 72/ Nhaán ESC veà Main menu. 73/ Veà F6 Evaluate in graph. Nhaán Enter. 74/ Maøn hình hieän ñöôøng cong soá lieäu. 75/ Nhaán ESC veà Main menu. 76/ Veà F7 Select Representation. Nhaán Enter. 77/ Veà Select X - axis. Nhaán Enter. 78/ Veà l. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh truïc X bieåu dieãn vò trí ñaàu ño töø. 79/ Veà l. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh truïc X chia theo ñôn vò l. 80/ Veà Select y1 - axis. Nhaán Enter. 81/ Veà B. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh truïc y1 bieåu dieãn B. 82/ Veà B. Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh truïc y1 chia theo ñôn vò B. 83/ Nhaán ESC veà Main menu. 84/ Veà F6 Evaluate in graph. Nhaán Enter. 85/ Nhaán phím F4 ñeå coù ñoà thò noái lieàn caùc ñieåm soá lieäu. 86/ Nhaán F6 ñeå coù khung toïa ñoä. 87/ Sinh vieân veõ laïi ñöôøng cong bieåu dieãn töø tröôøng B trong oáng daây theo l vò trí ñaàu ño töø trong oáng. 88/ Nhaán ESC veà Main menu. 89/ Veà F7 Select repreaentation. Nhaán Enter. 90/ Veà Select X - axis. Nhaán Enter. 91/ Veà l. Nhaán Enter. 92/ Veà l. Nhaán Enter. 93/ Veà Select y1 - axis. Nhaán Enter. 94/ Veà B. Nhaán Enter. 95/ Veà B2 . Nhaán Enter. Ñeå xaùc ñònh treân truïc y1 chia theo ñôn vò B2. 96/ Nhaán ESC veà Main menu. 97/ Veà F6 Evaluate in graph. Nhaán Enter. 98/ Nhaán F4. 99/ Nhaán F9 treân maùn hình xuaát hieän con troû "+". Ñeå dòch chuyeån con "+" ta duøng caùc phím muõi teân. 100/ Ñöa con troû "+" veà beân traùi cuûa cöïc ñaïi ñöôøng cong ñoà thò. Ñöa con troû veà moät ñieåm soá lieäu maø öùng vôùi noù treân truïc X coù giaù trò l1 xaùc ñònh ñöôïc ví duï: l1 = 10cm. Duøng ñeå ñaùnh daáu. 101/ Sau ñoù ñöa con troû "+" veà beân phaûi öùng vôùi ñieåm soá lieäu coù l2 xaùc ñònh ñöôïc ví duï: l2 = 30cm. Duøng ñeå ñaùnh daáu.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 65 102/ Nhaán F5. 103/ Nhaán . 104/ Döôùi maøn hình hieän: 2 Area = b mT cm. Vôùi b laø con soá coù giaù trò baèng dieän tích döôùi ñöôøng cong B2 = f(l) ñöôïc ñaùnh daáu. Roõ raøng: l2 b =∫ B 2 dl l1 105/ Sinh vieân duøng coâng thöùc sau ñeå tính naêng löôïng töø tröôøng: S l2 Sb W = . B2dl = 2µ ∫ 2µ 0 l1 0 Vôùi: S = π d2/4; d = 0,1 m. Ñoåi b ra ñôn vò T2 .m. 106/ Taét maùy tính. 107/ Xoay hai nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn DC veà 0. 108/ Taét nguoàn DC. 109/ Thaùo caùc daây noái ra khoûi CASSY - E. Keát thuùc phaàn ño töø tröôøng baèng maùy vi tính. Chuù yù: Chæ ñöôïc thaùo caùc daây noái ra khoûi CASSY - E khi maùy vi tính ñaõ taét 3.3. Ño töø tröôøng baèng maùy ño töø tröôøng: 1/ Maéc maïch ñieän theo hình veõ 4-7. Hình 4-7
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 66 • Caém phích ñieän ña chaân töø ñaàu ño töø vaøo loã ÑD cuûa maùy ño töø tröôøng. • Noái cöïc döông (+) cuûa nguoàn DC vaøo cöïc döông (+) cuûa Ampere - Volt keá max 300/10A. • Noái cöïc aâm (-) cuûa Ampere - Volt keá max 300/10A vaøo moät ñaàu cuûa oáng daây. • Noái ñaàu coøn laïi cuûa oáng daây vaøo cöïc aâm (-) cuûa nguoàn DC 2/ Caém phích ñieän cuûa maùy ño töø tröôøng vaøo hieäu ñieän theá 220V. Thoâng thöôøng ñaõ caém saün sinh vieân chæ kieåm tra laïi. 3/ Ñieàu chænh oáng daây daøi khoaûng 20cm. 4/ Xoay nuùm X1 cuûa Ampere - Volt keá max 300V/10A veà vò trí 10. Khi ñoù treân cöûa MH1 hieån thò giai ño lôùn nhaát 10. Xoay X2 veà A ñeå ñoàng hoà ño doøng. Xoay X3 veà "−" ñeå ño doøng moät chieàu. Môøi giaùo vieân laïi kieåm tra môùi ñöôïc thao taùc tieáp. 5/ Nhaán nuùm K cuûa nguoàn DC ñeå môû. Neáu thaáy treân cöûa soå MH1 vaø MH2 hieän giaù trò 0,0 laø toát. Neáu khoâng phaûi xoay R1 vaø R2 veà taän cuøng traùi ñeå ñöa veà 0,0. 6/ Môû coâng taét cuûa maùy ño töø tröôøng ôû phía sau maùy. 7/ Xoay nuùm N veà vò trí 20. Thoâng thöôøng ñaõ xoay saün sinh vieân chæ kieåm tra laïi. 8/ Baät nuùm OÑ veà vò trí "−". Thoâng thöôøng ñaõ baät saün sinh vieân chæ kieåm tra laïi. 9/ Thaät nheï nhaøng caån thaän ñöa ñaàu ño töø vaøo loã CT khoâng gian che töø. Ñaåy nuùm Z xuoáng döôùi thaáy ñeøn ñoû saùng. Sau ñoù tieáp tuïc ñaåy Z leân xuoáng vaøi laàn ñeå ñieàu chænh ñieåm Zero cho ñaàu ño töø. Ruùt ñaàu ño töø ra ñeøn ñoû cuûa Z vaãn saùng laø ñöôïc. Chuù yù: Thao taùc naøy phaûi tuyeät ñoái caån thaän vì coù theå laøm gaõy ñaàu ño ño töø tröôøng. 10/ Xoay nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn DC theo chieàu kim ñoàng hoà ñeå treân Ampere - Volt keá max 300V/10A kim chæ 5A. 11/ Thöïc hieän quaù trình ño, dòch chuyeån ñaàu ño töø vaøo trong oáng daây theo truïc cuûa oáng. Xaùc ñònh l vaø B ñoïc treân maùy ño töø lieät keâ theo baûng sau:
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 67 Baûng 4-1 l (cm) 0 2 4 6 . . . . . . . B (mT) 12/ Xoay nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn DC ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà ñeå treân hai cöûa soå MH1 vaø MH2 hieån thò 0,0. Taét nguoàn DC. 13/ Thay ñoåi chieàu daøi oáng daây baèng 40 cm. 14/ Môû nguoàn DC. 15/ Xoay nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn DC sao cho treân Ampere - Volt keá max 300V/10A kim chæ 5A. 16/ Tieáp tuïc ño töø tröôøng theo baûng 4-2 Baûng 4-2 l (cm) 0 2 4 6 . . . . . . . B (mT) 17/ Xoay nuùm R1 vaø R2 cuûa nguoàn DC veà taän cuøng traùi. 18/ Taét nguoàn DC. 19/ Taét maùy ño töø tröôøng. 20/ Ruùt phích caém ña chaân ra khoûi maùy ño töø. 21/ Veõ ñoà thò töø tröôøng B theo l. Laáy truïc hoaønh laø l truïc tung laø B theo caùc baûng soá lieäu 1 vaø 2. Nhaän xeùt vaø so saùnh hai ñoà thò ñöôïc veõ. IV- CAÂU HOÛI THAÛO LUAÄN: 1. Khaùi nieäm töø tröôøng. Söï phaân boá vaø caùch tính töø tröôøng trong moät oáng daây thaúng? 2. Naêng löôïng töø tröôøng vaø bieåu thöùc tính naêng löôïng töø tröôøng ñeàu trong moät oáng daây thaúng. 3. Hieäu öùng Hall? Nguyeân taét hoaït ñoäng cuûa ñaàu ño töø? Caàn chuù yù gì khi söû duïng ñaàu ño vaø caùch ñaët ñaàu ño trong töø tröôøng. 4. Taïi sao tröôùc khi ño ta phaûi buø offset ñaàu ño töø. 5. Neáu trong quaù trình ño ta khoâng dòch chuyeån ñaàu ño töø baét ñaàu töø ñaàu oáng daây noái vôùi cöïc döông (+) maø baét ñaàu töø ñaàu oáng daây noái vôùi cöïc aâm (-) thì keát quaû ño seõ nhö theá naøo ?
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 68 Baøi 5 : ÑO VAÄN TOÁC AÙNH SAÙNG I. MUÏC ÑÍCH: Khaûo saùt vaø nghieäm laïi pheùp ño vaän toác aùnh saùng baèng thieát bò bieán ñoåi xung ñieän vaø oscilloscope. II. TOÙM TAÉT LYÙ THUYEÁT: 2. 1. Caùc ñaëc tính quan troïng cuûa aùnh saùng. Vaät lyù hoïc hieän ñaïi ñaõ khaúng ñònh baûn chaát löôïng töû cuûa aùnh saùng: AÙÙnh saùng vöøa coù tính chaát soùng vöøa coù tính chaát haït. Tính chaát soùng cuûa aùnh saùng theå hieän qua caùc hieän töôïng giao thoa, nhieãu xaï, khuùc xaï, taùn saéc, phaân cöïc Tính chaát haït cuûa aùnh saùng theå hieän qua caùc hieän töôïng nhö hieäu öùng quang ñieän, hieäu öùng compton Ñieàu ñaëc bieät quan troïng laø söï lan truyeàn cuûa soùng aùnh saùng khoâng phuï thuoäc vaøo heä quy chieáu vaø khoâng caàn moät moâi tröôøng trung gian naøo caû. Naêm 1905 Einstein ñaõ neâu ra tieân ñeà cô baûn cuûa lyù thuyeát töông ñoái: “Toác ñoä cuûa aùnh saùng trong chaân khoâng coù cuøng moät giaù trò nhö nhau ñoái vôùi moïi höôùng vaø ñoái vôùi moïi heä quy chieáu quaùn tính”. Lyù thuyeát töông ñoái cuûa Einstein ñaõ ñöôïc kieåm nghieäm nhieàu laàn vaø cho keát quaû luoân luoân phuø hôïp vôùi nhöõng tieân ñoaùn lyù thuyeát. Caùc thí nghieäm noåi tieáng trong lòch söû trong Vaät lyù hoïc tieán haønh ño vaän toác aùnh saùng cho thaáy ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño vaän toác aùnh saùng ñöôïc hoaøn thieän theo thôøi gian nhö theá naøo (baûng 5-1). Söï ña daïng cuûa phöông phaùp vaø söï coá gaéng cuûa caùc nhaø Vaät lyù ñaõ ñaït ñeán ñoä maø ñoä chính xaùc bò giôùi haïn bôûi khaû naêng thöïc teá trong vieäc thöïc hieän caùc baûn sao chuaån ñôn vò ñoä daøi ñöôïc duøng ôû thôøi ñieåm baáy giôø. Ñieàu naøy daãn ñeán vieäc caùc nhaø Vaät lyù ñaõ quyeát ñònh gaùn moät giaù trò cho vaän toác aùnh saùng chính xaùc baèng ñònh nghóa. Theo ñònh nghóa giaù trò cuûa vaän toác aùnh saùng hieän nay ñöôïc aán ñònh moät giaù trò chính xaùc laø: c = 299792458 m/s (chính xaùc) Ñieàu naøy moät maët cho thaáy raèng vaän toác aùnh saùng ñöôïc xem nhö moät haèng soá vaät lyù. Ñaây laø vaän toác giôùi haïn maø moïi vi haït chuyeån ñoäng coù theå ñaït ñöôïc. Laø vaän toác truyeàn giôùi haïn cuûa moïi töông taùc. Töø chuaån vaän toác aùnh saùng, ñôn vò ñoä daøi ñöôïc ñònh nghóa laïi vaøo naêm 1983 nhö sau :
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 69 “Meùt laø ñoä daøi cuûa quaõng ñöôøng maø aùnh saùng ñi ñöôïc trong chaân khoâng trong thôøi gian 1/299792458 s”. Baûng 5-1 Ñoä Ngöôøi Vaän toác aùnh Phöông phaùp chính Naêm thöïc Nöôùc saùng ño ñöôïc thöïc nghieäm xaùc nghieäm (x 108m/s) (m/s) 1600 Galileo YÙ Ñeøn xaùch vaø laù chaén “nhanh” ? 1676 Roemer Phaùp Veä tinh cuûa sao Thoå 2,14 ? 1729 Bradley Anh Quang sai 3,08 ? 1849 Fizeau Phaùp Baùnh raêng 3,14 ? 1879 Michelson Hoakyø Göông quay 2,88810 75000 Michelson Hoakyø Göông quay 2,99798 22000 1950 Essen Anh Hoác vi soùng 2,997925 1000 1958 Froome Anh Giao thoa keá 2,997925 100 1972 Eveson vaø Hoakyø Phöông phaùp lase 2,997924574 1,1 ñoàng nghieäp 1974 Blaney vaøø Anh Phöông phaùp lase 2,997924590 0,6 ñoàng nghieäp 1976 Woods vaø Anh Phöông phaùp lase 2,997924588 0,2 ñoàng nghieäp Chính 1983 Giaù trò ñònh nghóa ñöôïc quoác teá coâng nhaän 2,99792458 xaùc Nhö vaäy, lòch söû khaù daøi cuûa vaán ñeà ño vaän toác cuûa aùnh saùng ñaõ chaám döùt. Hieän nay neáu chuùng ta cho moät chuøm saùng truyeàn töø ñieåm naøy ñeán ñieåm khaùc vaø ño khoaûng thôøi gian ñi ñöôïc, thì khoâng phaûi laø chuùng ta coù yù muoán ño toác ñoä aùnh saùng maø laø ño khoaûng caùch giöõa hai ñieåm. 2.2. Nguyeân taéc ño vaän toác aùnh saùng : Ño quaõng ñöôøng S vaø khoaûng thôøi gian t maø aùnh saùng truyeàn qua treân quaõng ñöôøng ñoù ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc vaän toác cuûa aùnh saùng theo bieåu thöùc: S v = (5-1) t
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 70 III. THÖÏC NGHIEÄM. 3.1. Moâ taû duïng cuï. 1- Giaù quang hoïc . (Hình 5-1) Duøng ñeå ñaët caùc thieát bò quang hoïc vaø thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. Treân giaù quang hoïc coù chia thang ñoä ñeå ñònh khoaûng caùch giöõa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng vaø thaáu kính. 2- Thaáu kính hoäi tuï. Duøng ñeå ñònh höôùng chuøm tia tôùi thaønh chuøm tia song song. Thaáu kính hoäi tuï naøy coù tieâu cöï f = 200 mm. 3- Göông quang hoïc. Trong baøi thí nghieäm duøng 2 göông quang hoïc: Göông lôùn ñaët taïi vò trí B caùch nguoàn moät khoaûng caùch s/2; Göông nhoû ñaët taïi cöûa soå phía treân cuûa hoäp thieát bò ño vaän toác. 4- Thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. Duøng ñeå phaùt ra vaø nhaän laïi caùc chuøm tia saùng caàn ño vaän toác. Bieán ñoåi chuøm tia saùng thaønh caùc xung ñieän theá vaø ñöa ra caùc thieát bò ghi nhaän ( Oscilloscope ). Hình 5-1 5- OSCILLOSCOPE HM 303-6 : (hình 5-2) Duøng ñeå hieån thò caùc xung nhaän ñöôïc töø thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. Ñaët vaø ñeám thôøi gian giöõa caùc xung.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 71 Hình 5-2 Sô ñoà caùc nuùm chöùc naêng maët tröôùc cuûa OSCILLOSCOPE HM 303- 6 ñöôïc chæ ra treân hình 5-3. Chuù thích caùc nuùm chöùc naêng chính caàn söû duïng trong thí nghieäm : (1) POWER – Coâng taéc nguoàn coù ñeøn baùo. (2) INTENS, (3)FOCUS – Caùc nuùm ñieàu chænh cöôøng ñoä saùng vaø ñoä saéc neùt cuûa hình. (5) Y-POS-I, (8) Y-POS-II – Ñieàu chænh vò trí hieån thò doïc cuûa xung ôû keânh I vaø keânh II. (6),(7)Y-MAG x5 – Caùc nuùt nhaán ñeå khueách ñaïi tín hieäu ñieän theá ôû keânh I vaø keânh II leân 5 laàn. (10) LEVEL – Nuùm ñieàu chænh möùc ñoàng boä. (11) X-POS.– Ñieàu chænh vò trí hieån thò ngang cuûa xung. (12) X-MAG. x10 – Nhaân 10 laàn thôøi gian queùt tín hieäu. (13),(14) VOLT/DIV - Ñaët thang ñoä volt cho moãi oâ toïa ñoä y ôû keânh I. (18),(19) VOLT/DIV- Ñaët thang ñoä volt cho moãi oâ toïa ñoä y ôû keânh II. Chuù yù : Khi ño phaûi xoay nuùm caùc nuùm 14 vaø 19 (CAL) sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. (15) CH. I/II – Hieån thò tín hieäu ôû keânh I hoaëc keânh II. (20) TRIG. MODE – Ñaët caùc cheá ñoä ñoàng boä. (24), (25) TIME/DIV - Ñaët thang ñoä thôøi gian cho moãi oâ toïa ñoä truïc x. Khi ño thôøi gian thì xoay nuùm 25 (CAL)sang heát beân phaûi. (27),(36) TRIG. EXT.– Duøng ñeå ñoàng boä baèng tín hieäu ngoaøi ñöa vaøo chaân (36).
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 72 Hình 5-3
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 73 (28) INPUT CH. I – Noái ñaàu ño keânh I (32) INPUT CH. II – Noái ñaàu ño keânh II. 6- Nguoàn ñieän theá DC 12V : Duøng ñeå cung caáp nguoàn cho thieát bò ño vaän toác aùnh saùng hoaït ñoäng. 3.2. THÖÏC HAØNH : I. Ño quaõng ñöôøng vaø thôøi gian truyeàn cuûa chuøm tia saùng Nguyeân taéc. Sô ñoà thí nghieäm moâ taû treân hình 5-4 Khi môû nguoàn, Diode phaùt quang (a) phaùt ra chuøm aùnh saùng ñoû. Chuøm tia saùng naøy ñeán göông baùn phaûn xaï (b) vaø ñöôïc chia thaønh hai chuøm tia : + Chuøm tia thöù nhaát phaûn xaï ôû (b) veà cöûa soå (c0). ÔÛ cöûa soå (c0) boá trí moät göông phaûn xaï neân chuøm tia naøy seõ phaûn xaï veà Diode nhaän (e) vaø ñöôïc bieán thaønh moät xung ñieän theá U0. Xung naøy ñöôïc hieån thò treân Oscilloscope. + Chuøm tia thöù hai laø chuøm tia saùng caàn ño vaän toác seõ truyeàn qua göông baùn phaûn xaï (b) ñeán cöûa soå (c1) vaø xuyeân qua kính luùp L. Kính luùp L ñöôïc ñaët caùch nguoàn saùng (a) moät khoaûng baèng tieâu cöï cuûa noù neân chuøm tia saùng qua noù seõ bieán thaønh chuøm tia song song. Chuøm tia naøy ñeán göông phaûn xaï (d1) ñöôïc boá trí caùch cöûa soå (c1) moät ñoaïn S/2. Göông naøy phaûn xaï laïi tia tôùi hoaøn toaøn theo ñöôøng cuõ veà cöûa soå (c1) sau ñoù phaûn xaï ôû göông (b) ñeán Diode nhaän (e), vaø ñöôïc bieán thaønh moät xung ñieän theá U1 hieån thò treân Oscilloscope. Hình 5-4 Vì khoaûng caùch maø chuøm tia saùng ñi töø nguoàn (a) ñeán hai cöûa soå (c0, c1) vaø veà Diode nhaän (e) laø baèng nhau neân quaõng ñöôøng chuøm tia saùng thöù hai ñaõ ñi daøi hôn quaõng ñöôøng chuøm tia saùng thöù nhaát moät khoaûng laø S. Do
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 74 ñoù, tín hieäu xung ñieän theá U1 seõ chaäm hôn xung ñieän theá U0 moät khoaûng thôøi gian laø t. Khoaûng thôøi gian t naøy ñöôïc xaùc ñònh treân Oscilloscope laø khoaûng caùch giöõa hai xung U1 vaø U0. (hình 5-5). Hình 5-5 Töø ñoù, ta xaùc ñònh ñöôïc vaän toác aùnh saùng baèng coâng thöùc : S v = t Caùc böôùc thöïc nghieäm. 1/ Quan saùt caùc thieát bò thí nghieäm ôû traïng thaùi khoâng baät ñieän. 2/ Ñaët göông quang hoïc lôùn vaøo vò trí chuaån. Chuù yù : + Duøng daây treo göông leân ñinh moùc phía treân. Ñaët cho ñeá göông töïa vaøo hai ñinh moùc phía döôùi, maët göông höôùng vuoâng goùc veà phía thieát bò ño vaän toác vaän toác aùnh saùng. + Caån thaän khi söû duïng caùc göông quang hoïc vì noù raát deã vôõ. 3/ Ñaët thieát bò ño vaän toác aùnh saùng ôû vò trí caùch göông quang hoïc laø 12m (maët tröôùc cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng song song vôùi vaïch moùc 12m). 4/ Laép ñaët thí nghieäm theo sô ñoà hình 5-6 : η Chuù yù : noái daây caém cho khôùp vôùi caùc chaân caém : + Chaân caém PULSES cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng ñöôïc noái vôùi INPUT CH I cuûa Oscilloscope. + Chaân caém TRIGGER cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng ñöôïc noái vôùi chaân caém TRIG. EXT cuûa Oscilloscope.
THÖÏC HAØNH VAÄT LYÙ ÑAÏI CÖÔNG II 75 Hình 5-6 5/ Ñieàu chænh vò trí kính luùp caùch nguoàn saùng cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng 200 mm. 6/ Ñaët taát caû caùc nuùt nhaán cuûa Oscilloscope ôû traïng thaùi môû. 7/ Caém nguoàn ñieän cho thieát bò ño vaän toác aùnh saùng vaø Oscilloscope. Chuù yù : laép ñaët xong thí nghieäm môùi ñöôïc caém caùc nguoàn ñieän. 8/ Môû coâng taéc nguoàn cuûa Oscilloscope. 9/ Chænh nuùm Y-POS.I vaø X-POS cho ñöôøng tín hieäu xuaát hieän ngang treân maøn hình cuûa Oscilloscope. 10/ Ñaët göông quang hoïc nhoû leân cöûa soå (c0) cuûa thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. 11/ Ñaët nuùm VOLT/DIV cuûa keânh I sang vò trí 10mV. Xoay nuùm giöõa cuûa nuùm naøy sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. 12/ Ñaët nuùm TIME/DIV cuûa Oscilloscope sang vò trí 0,5µs. Xoay nuùm giöõa cuûa nuùm naøy sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. 13/ Nhaán nuùt X-MAG cuûa Oscilloscope ñeå nhaân 10 laàn thôøi gian queùt xung cho deã quan saùt. 14/ Ñieàu chænh nuùm X-POS cuûa Oscilloscope sang heát beân phaûi theo chieàu kim ñoàng hoà. 15/ Ñieàu chænh giaù quang hoïc sao cho göông quang hoïc lôùn naèm thaúng goùc vôùi ñöôøng ñi cuûa chuøm tia saùng phaùt ra töø thieát bò ño vaän toác aùnh saùng. Khi ñoù seõ xuaát hieän moät xung ñieän theá nöõa treân maøn hình cuûa Oscilloscope. 16/ Tieáp tuïc ñieàu chænh giaù quang hoïc sao cho xung môùi xuaát hieän coù bieân ñoä toái ña.