Phần 2 của giáo trình Thực hành vật lý đại cương 2 tiếp tục cung cấp cho học viên những nội dung về: đo vận tốc của ánh sáng; giao thoa ánh sáng; hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ; nhiễu xạ tia X; tính chất sóng của vi hạt; đo điện tích riêng của electron;... Mời các bạn cùng tham khảo!
THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 68 Bài : ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG I MỤC ĐÍCH: Khảo sát nghiệm lại phép đo vận tốc ánh sáng thiết bị biến đổi xung điện oscilloscope II TÓM TẮT LÝ THUYẾT: Các đặc tính quan trọng ánh sáng Vật lý học đại khẳng định chất lượng tử ánh sáng: ÁÙnh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Tính chất sóng ánh sáng thể qua tượng giao thoa, nhiễu xạ, khúc xạ, tán sắc, phân cực… Tính chất hạt ánh sáng thể qua tượng hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton… Điều đặc biệt quan trọng lan truyền sóng ánh sáng không phụ thuộc vào hệ quy chiếu không cần môi trường trung gian Năm 1905 Einstein nêu tiên đề lý thuyết tương đối: “Tốc độ ánh sáng chân giá trị hướng hệ quy chiếu quán tính” Lý thuyết tương đối Einstein kiểm nghiệm nhiều lần cho kết luôn phù hợp với tiên đoán lý thuyết Các thí nghiệm tiếng lịch sử Vật lý học tiến hành đo vận tốc ánh sáng cho thấy độ xác phép đo vận tốc ánh sáng hoàn thiện theo thời gian (bảng 5-1) Sự đa dạng phương pháp cố gắng nhà Vật lý đạt đến độ mà độ xác bị giới hạn khả thực tế việc thực chuẩn đơn vị độ dài dùng thời điểm Điều dẫn đến việc nhà Vật lý định gán giá trị cho vận tốc ánh sáng xác định nghóa Theo định nghóa giá trị vận tốc ánh sáng ấn định giá trị xác là: c = 299792458 m/s (chính xác) Điều mặt cho thấy vận tốc ánh sáng xem số vật lý Đây vận tốc giới hạn mà vi hạt chuyển động đạt Là vận tốc truyền giới hạn tương tác Từ chuẩn vận tốc ánh sáng, đơn vị độ dài định nghóa lại vào năm 1983 sau : THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 69 “Mét độ dài quãng đường mà ánh sáng chân không thời gian 1/299792458 s” Bảng 5-1 Năm 1600 1676 1729 1849 1879 1950 1958 1972 1974 1976 1983 Người thực nghiệm Galileo Roemer Bradley Fizeau Michelson Michelson Essen Froome Eveson đồng nghiệp Blaney vàø đồng nghiệp Woods đồng nghiệp Nước Phương pháp thực nghiệm Ý Đèn xách chắn Pháp Vệ tinh Thổ Anh Quang sai Pháp Bánh Hoakỳ Gương quay Hoakỳ Gương quay Anh Hốc vi sóng Anh Giao thoa kế Hoakỳ Phương pháp lase “nhanh” 2,14 3,08 3,14 2,88810 2,99798 2,997925 2,997925 2,997924574 Độ xác (m/s) ? ? ? ? 75000 22000 1000 100 1,1 Vận tốc ánh sáng đo (x 108m/s) Anh Phương pháp lase 2,997924590 0,6 Anh Phương pháp lase 2,997924588 0,2 2,99792458 Chính xác Giá trị định nghóa quốc tế công nhận Như vậy, lịch sử dài vấn đề đo vận tốc ánh sáng chấm dứt Hiện cho chùm sáng truyền từ điểm đến điểm khác đo khoảng thời gian được, có ý muốn đo tốc độ ánh sáng mà đo khoảng cách hai điểm 2.2 Nguyên tắc đo vận tốc ánh sáng : Đo quãng đường S khoảng thời gian t mà ánh sáng truyền qua quãng đường ta xác định vận tốc ánh sáng theo biểu thức: S (5-1) v = t THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 70 III THỰC NGHIỆM 3.1 Mô tả dụng cụ 1- Giá quang học (Hình 5-1) Dùng để đặt thiết bị quang học thiết bị đo vận tốc ánh sáng Trên giá quang học có chia thang độ để định khoảng cách thiết bị đo vận tốc ánh sáng thấu kính 2- Thấu kính hội tụ Dùng để định hướng chùm tia tới thành chùm tia song song Thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 200 mm 3- Gương quang học Trong thí nghiệm dùng gương quang học: Gương lớn đặt vị trí B cách nguồn khoảng cách s/2; Gương nhỏ đặt cửa sổ phía hộp thiết bị đo vận tốc 4- Thiết bị đo vận tốc ánh sáng Dùng để phát nhận lại chùm tia sáng cần đo vận tốc Biến đổi chùm tia sáng thành xung điện đưa thiết bị ghi nhận ( Oscilloscope ) Hình 5-1 5- OSCILLOSCOPE HM 303-6 : (hình 5-2) Dùng để hiển thị xung nhận từ thiết bị đo vận tốc ánh sáng Đặt đếm thời gian xung THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 71 Hình 5-2 Sơ đồ núm chức mặt trước OSCILLOSCOPE HM 3036 hình 5-3 Chú thích núm chức cần sử dụng thí nghiệm : (1) POWER – Công tắc nguồn có đèn báo (2) INTENS, (3)FOCUS – Các núm điều chỉnh cường độ sáng độ sắc nét hình (5) Y-POS-I, (8) Y-POS-II – Điều chỉnh vị trí hiển thị dọc xung kênh I kênh II (6),(7)Y-MAG x5 – Các nút nhấn để khuếch đại tín hiệu điện kênh I kênh II lên lần (10) LEVEL – Núm điều chỉnh mức đồng (11) X-POS.– Điều chỉnh vị trí hiển thị ngang xung (12) X-MAG x10 – Nhân 10 lần thời gian quét tín hiệu (13),(14) VOLT/DIV - Đặt thang độ volt cho ô tọa độ y kênh I (18),(19) VOLT/DIV- Đặt thang độ volt cho ô tọa độ y kênh II Chú ý : Khi đo phải xoay núm núm 14 19 (CAL) sang hết bên phải theo chiều kim đồng hồ (15) CH I/II – Hiển thị tín hiệu kênh I kênh II (20) TRIG MODE – Đặt chế độ đồng (24), (25) TIME/DIV - Đặt thang độ thời gian cho ô tọa độ trục x Khi đo thời gian xoay núm 25 (CAL)sang hết bên phải (27),(36) TRIG EXT.– Dùng để đồng tín hiệu đưa vào chân (36) THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 72 Hình 5-3 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 73 (28) INPUT CH I – Nối đầu đo kênh I (32) INPUT CH II – Nối đầu đo kênh II 6- Nguồn điện DC 12V : Dùng để cung cấp nguồn cho thiết bị đo vận tốc ánh sáng hoạt động 3.2 THỰC HÀNH : I Đo quãng đường thời gian truyền chùm tia sáng Nguyên tắc Sơ đồ thí nghiệm mô tả hình 5-4 Khi mở nguồn, Diode phát quang (a) phát chùm ánh sáng đỏ Chùm tia sáng đến gương bán phản xạ (b) chia thành hai chùm tia : + Chùm tia thứ phản xạ (b) cửa sổ (c0) Ở cửa sổ (c0) bố trí gương phản xạ nên chùm tia phản xạ Diode nhận (e) biến thành xung điện U0 Xung hiển thị Oscilloscope + Chùm tia thứ hai chùm tia sáng cần đo vận tốc truyền qua gương bán phản xạ (b) đến cửa sổ (c1) xuyên qua kính lúp L Kính lúp L đặt cách nguồn sáng (a) khoảng tiêu cự nên chùm tia sáng qua biến thành chùm tia song song Chùm tia đến gương phản xạ (d1) bố trí cách cửa sổ (c1) đoạn S/2 Gương phản xạ lại tia tới hoàn toàn theo đường cũ cửa sổ (c1) sau phản xạ gương (b) đến Diode nhận (e), biến thành xung điện U1 hiển thị Oscilloscope Hình 5-4 Vì khoảng cách mà chùm tia sáng từ nguồn (a) đến hai cửa sổ (c0, c1) Diode nhận (e) nên quãng đường chùm tia sáng thứ hai dài quãng đường chùm tia sáng thứ khoảng S Do THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 74 đó, tín hiệu xung điện U1 chậm xung điện U0 khoảng thời gian t Khoảng thời gian t xác định Oscilloscope khoảng cách hai xung U1 U0 (hình 5-5) Hình 5-5 Từ đó, ta xác định vận tốc ánh sáng công thức : S v= t Các bước thực nghiệm 1/ Quan sát thiết bị thí nghiệm trạng thái không bật điện 2/ Đặt gương quang học lớn vào vị trí chuẩn Chú ý : + Dùng dây treo gương lên đinh móc phía Đặt cho đế gương tựa vào hai đinh móc phía dưới, mặt gương hướng vuông góc phía thiết bị đo vận tốc vận tốc ánh sáng + Cẩn thận sử dụng gương quang học dễ vỡ 3/ Đặt thiết bị đo vận tốc ánh sáng vị trí cách gương quang học 12m (mặt trước thiết bị đo vận tốc ánh sáng song song với vạch móc 12m) 4/ Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ hình 5-6 : η Chú ý : nối dây cắm cho khớp với chân cắm : + Chân cắm PULSES thiết bị đo vận tốc ánh sáng nối với INPUT CH I Oscilloscope + Chân cắm TRIGGER thiết bị đo vận tốc ánh sáng nối với chân cắm TRIG EXT Oscilloscope THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 75 Hình 5-6 5/ Điều chỉnh vị trí kính lúp cách nguồn sáng thiết bị đo vận tốc ánh sáng 200 mm 6/ Đặt tất nút nhấn Oscilloscope trạng thái mở 7/ Cắm nguồn điện cho thiết bị đo vận tốc ánh sáng Oscilloscope Chú ý : lắp đặt xong thí nghiệm cắm nguồn điện 8/ Mở công tắc nguồn Oscilloscope 9/ Chỉnh núm Y-POS.I X-POS cho đường tín hiệu xuất ngang hình Oscilloscope 10/ Đặt gương quang học nhỏ lên cửa sổ (c0) thiết bị đo vận tốc ánh sáng 11/ Đặt núm VOLT/DIV kênh I sang vị trí 10mV Xoay núm núm sang hết bên phải theo chiều kim đồng hồ 12/ Đặt núm TIME/DIV Oscilloscope sang vị trí 0,5µs Xoay núm núm sang hết bên phải theo chiều kim đồng hồ 13/ Nhấn nút X-MAG Oscilloscope để nhân 10 lần thời gian quét xung cho dễ quan sát 14/ Điều chỉnh núm X-POS Oscilloscope sang hết bên phải theo chiều kim đồng hồ 15/ Điều chỉnh giá quang học cho gương quang học lớn nằm thẳng góc với đường chùm tia sáng phát từ thiết bị đo vận tốc ánh sáng Khi xuất xung điện hình Oscilloscope 16/ Tiếp tục điều chỉnh giá quang học cho xung xuất có biên độ tối đa THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 76 17/ Điều chỉnh núm VOLT/DIV cho xung xuất có biên độ thích hợp để dễ quan sát 18/ Điều chỉnh vị trí gương quang học nhỏ cửa sổ (c0) thiết bị đo vận tốc ánh sáng cho xung phản xạ từ có biên độ biên độ xung phản xạ từ gương quang học lớn 19/ Chỉnh núm Y-POS.I cho đường lưới ngang Oscilloscope nằm biên độ xung điện nhận (xem hình 5-5) 20/ Xác định khoảng cách hai xung hình Oscilloscope, thời gian mà chùm tia sáng quãng đường S Ghi lại giá trị đo 21/ Tắt công tắc nguồn điện thiết bị thí nghiệm 22/ Lặp lại thí nghiệm từ bước với khoảng cách S/2 13m ; 14m ; 15m Ghi lại giá trị đo vào bảng 5-1 Baûng 5-1 S/2 ( m ) S (m ) t(s) v ( m/s ) 12 13 14 15 Với : + S quãng đường mà chùm tia sáng + t thời gian mà chùm tia sáng hết quãng đường S S + v vận tốc chùm tia sáng : v = t 23/ Tính giá trị : a Vận tốc ánh sáng trung bình v b Sai số phép đo ∆v c Kết thí nghiệm v = v ± ∆ v II- Thay đổi quãng đường đo biến thiên thời gian truyền (∆s, ∆t): Tương tự nguyên tắc ta xét chùm tia truyền thẳng qua gương bán phản xạ (b) đến phản xạ gương quang học (d1) trở Diode nhận (e) Vậy chùm tia sáng quãng đường S biến thành xung điện Xung hiển thị Oscilloscope THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 77 Khi ta di chuyển gương d1 quãng đường ∆ S quãng đường tia sáng thay đổi ∆S Xung điện Oscilloscope dịch chuyển đoạn ∆t (Hình 5-7) Từ đó, ta xác định vận tốc ánh sáng theo công thức: ∆S v= ∆t Hình 5-7 Các bước thực nghiệm 24/ Bỏ gương quang học nhỏ khỏi cửa sổ (c0) đóng cửa sổ (c0) thiết bị đo vận tốc ánh sáng lại 25/ Chỉnh núm X-POS Oscilloscope cho xung điện phản xạ từ gương quang học lớn có đỉnh nằm đường lưới dọc hình 26/ Dịch chuyển thiết bị đo vận tốc ánh sáng khoảng ∆S 1m 27/ Điều chỉnh giá quang học cho xung xuất có biên độ với biên độ xung lúc đầu đường lưới dọc 28/ Ghi lại giá trị ∆t mà chùm tia sáng được, khoảng cách đường lưới dọc với đỉnh xung xuất sau chùm tia sáng quãng đường ∆S (xem hình 5-7) 29/ Tắt công tắc nguồn điện thiết bị 30/ Lặp lại thí nghiệm từ bước 25 với giá trị ∆S lần dịch chuyển 2m ; 3m Ghi lại giá trị đo vào bảng 5-2 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 116 3.2 Thực hành Sinh viên phải tuân thủ nghiêm ngặt bước thực hành sau: 1/ Mắc mạch điện theo sơ đồ hình 9-9 Thông thường mắc sẵn Sinh viên kiểm tra lại Chú ý không va chạm mạnh vào thiết bị Hình 9.9 Chú thích: (1) : Ống nhiễu xạ (2) : Nguồn AC - V (3) : Biến trở 11 Ω mắc vào đỏ đen (4) : Ampere - Volt keá max 300 V/ 10A (5) : Nguồn cao DC (6) : Công tắc đôi (7) : Ampere - Volt kế METRA 2/ Đặt thỏi nam châm vào bình nhiễu xạ thông thường đặt sẵn sinh viên kiểm tra lại THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 117 3/ Xoay núm X2 Ampere - Volt kế max 300V/10A vị trí A, X1 vị trí X3 vị trí "~" 4/ Dịch chuyển chạy C biến trở 11 Ω tận phải để có điện trở lớn 5/ Xoay núm R3 nguồn cao DC ngược chiều kim đồng hồ vị trí Thông thường xoay vị trí sinh viên kiểm tra lại 6/ Bật núm R2 nguồn cao DC vị trí nhìn thấy ký hiệu núm Thông thường bật sẵn kiểm tra lại Bật núm R1 bên phải 7/ Xoay núm công tắc đôi vị trí ngắt 8/ Cắm phích điện nguồn AC - 6V vào lưới điện 220V Nhìn kim Ampere - Volt kế max 300V/10A cường độ dòng điện I< 0,3A tốt Chú ý quan trọng: Trong trình làm thí nghiệm không để cường độ dòng điện qua Ampere - Volt max 300V/10A vượt giá trị 0,3 A Phải luôn nhỏ 0,3 A bình thường 9/ Kiểm tra vị trí zero học, vị trí zero dòng kiểm tra pin Ampere - Volt kế METRA Bật vị trí núm trượt K vị trí " " bên phải xoay núm R chế độ chiều A – vị trí 100µA Chú ý quan trọng: Trong trình làm thí nghiệm dòng qua Ampere Volt kế METRA luôn phải nhỏ 200 µA 10/ Cắm phích điện nguồn cao vào lưới điện 220V Chú ý cẩn thận cao 11/ Bật núm R2 nguồn cao DC vị trí mở, không nhìn thấy ký hiệu Trên cửa sổ MH thấy hiển thị 0,0 KV Mời giáo viên lại kiểm tra thao tác tiếp 12/ Xoay công tắc đôi vị trí mở 13/ Xoay núm R3 nguồn cao DC từ từ chậm theo chiều kim đồng hồ Đến nhìn lên cửa sổ MH thấy hiển thị 1,0 KV 14/ Trên huỳnh quang thấy chấm sáng màu xanh lục 15/ Nếu chấm sáng không nằm tâm huỳnh quang đáy bình Cẩn thận dùng bút nhựa dịch chuyển thỏi nam châm xung quang cổ bình để điều chỉnh cho chấm sáng tâm Dùng băng keo cố định thỏi nam châm vào cổ bình Thông thường điều chỉnh sẵn sinh viên kiểm tra lại 118 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 16/ Tiếp tục xoay núm R3 nguồn cao cẩn thận từ từ chậm để hiệu đạt giá trị: 3,5KV, 4KV 4,5 KV Quan sát thấy có hai vân tròn nhiễu xạ đồng tâm 17/ Gọi vòng tròn nhiễu xạ nhỏ vòng tròn nhiễu xạ lớn Dùng thước kẹp nhựa đo đường kính hình nhiễu xạ tương ứng với hiệu 3,5KV, 4KV 4,5 KV (Trong thực nghiệm gắn sẵn thước milimét huỳnh quang Sinh viên dùng thước để đo kích thước vòng nhiễu xa) 18/ Trình bày giá trị đo theo bảng 9-1 Bảng 9-1 Giá trị điện áp cao D2 D1 3,5 kV kV 4,5 kV 19/ Xoay nuùm R3 nguồn cao từ từ chậm ngược chiều kim đồng hồ để giảm đến 0,0 kV 20/ Xoay núm công tắc đôi vị trí ngắt 21/ Bật núm R2 nguồn cao vị trí ngắt 22/ Rút phích nguồn cao khỏi mạng 220V 23/ Đẩy núm trượt K Ampere - Volt kế METRA vị trí "0" bên trái 24/ Rút phích điện nguồn AC - 6V khỏi mạng điện 220V 25/ Xoay núm X3 Ampere - Volt kế max 300V/10A vị trí off Kết thúc thực hành Chú ý thời gian thực hành nên kéo dài từ đến 10 phút 26/ Tính bước sóng De Broglie electron theo công thức: 12,25 λh = (Å) U Chú ý: Nhớ đổi đơn vị hiệu điện Volt (V) 27/ Tính khoảng cách mạng d theo công thức sau: 2λ h l 2λ h l d 1D = d 2D = , D1 D2 119 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 28/ Tính bước sóng λs electron qua tượng nhiễu xạ theo công thức Bragg: λ s1 = D1 d1 , 2l λs = D2 d 2l Với d1 = 2,13.10-10 m, d2 = 1,23.10-10m, l = 13cm 29/ Trình bày kết thí nghiệm theo baûng 9-2 Baûng 9-2 U (kV) 3,5 4,0 4,5 D1 (m) D2 (m) λh (m) λs1 (m) λs2 (m) D1D (m) D2D (m) 30/ Từ kết thí nghiệm so sánh λh λs , so sánh d1, d2 d1D , d2D Nhận xét lý giải nguyên nhân dẫn đến sai khác có IV CÂU HỎI THẢO LUẬN 1/ Mối quan hệ động lượng vi hạt bước sóng De Broglie λh 2/ Bước sóng De Broglie λh hạt electron xác định theo hiệu điện gia tốc theo biểu thức ? 3/ Giải thích công thức 2dsinθ = kλ xây dựng từ lý thuyết tia X để giải thích nhiễu xạ tia X qua tinh thể Nhưng lại dùng để giải thích nhiễu xạ chùm electron qua tinh thể ? 4/ Hãy nêu biểu thức bước sóng λs chùm electron nhiễu xạ theo công thức Bragg phụ thuộc vào đường kính vân nhiễu xạ ? 5/ Trong thí nghiệm cường độ dòng điện qua tim đèn phát chùm electron đo Ampere - Volt kế max 300/10A phải luôn nhỏ giá trị giới hạn Imax ? 6/ Trong thí nghiệm cường độ dòng điện rò ngắn mạch cao đo Ampere - Volt kế METRA phải luôn nhỏ giá trị giới hạn Imax ? 7/ Tại hiệu gia tốc U nhỏ KV ta không quan sát thấy tượng nhiễu xạ ? 8/ Tại hiệu điện gia tốc U tăng đường kính vân nhiễu xạ giảm ? 120 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Bài 10 ĐO ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON I MỤC ĐÍCH - Xác định tỷ số điện tích khối lượng e/ m electron - Tỷ số e/m gọi điện tích riêng electron Việc xác định tỷ số có ý nghóa quan trọng việc nghiên cứu tượng điện, việc xác định chất hạt mang điện, Vật lý nguyên tử nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác II TÓM TẮT LÝ THUYẾT 2.1 Chuyển động electron từ trường Một hạt mang điện tích e chuyển động với vận tốc v từ trường B chịu tác dụng lực Lorentz: r r r F =ev×B (10-1) r Xét chuyển động electron có vận tốc ban đầu rlà v , bay vào từ trường theorphương vuông góc với véc tơ cảm ứng từ B Theo (10-1) ta có lực Lorentz F tác dụng lên electron có giá trị: r F = evB sin 90 = e v B Vì phương lực F luôn vuôrng góc với phương véc tơ vận tốc v phương từ trường B, đórF đóng vai trò tác dụng lực hướng tâm Dưới tác dụng lực F , electron chuyển động theo q đạo tròn có bán kính r (hình10 -1) r v + + + [ ] + + r + r r F B r + + + + + + + + Hình 10-1 Theo định luật Newton ta có: + 121 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II m dv = evB dt Hay : v2 m = evB r Từ đó: r = v e B m Suy : e m = v rB (10-2) Công thức (10-2) cho ta sở để đo điện tích riêng electron e/m thực nghiệm: 2.3 Nguyên tắc xác định e/m thực nghiệm: Trong thực nghiệm, chùm electron tạo từ ống phóng electron Các electron sau xạ từ Katốt gia tốc điện trường Anốt Katốt nhờ chúng có một hiệu điện gia tốc U Động electron thu điện trường là: mv = eU Từ vận tốc mà electron thu là: 2eU v = m Sau có vận tốc v electron hướng bay thẳng góc vào từ trường B Dưới tác dụng lực Lozentz, electron chuyển động theo q đạo tròn với bán kính q đạo r mv evB = Ta coù: r Suy : e m Thay v= e 2U m v r B = vaøo ta : 2U e = m B 2r (10-3) THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 122 Nhờ thiết bị chuyên dụng ta đo U, B Bán kính quỹ đạo r quan sát đo ống phóng electron Thay giá trị vào (10-3) ta tính e/m III THỰC HÀNH 3.1 MÔ TẢ DỤNG CỤ 1) Ống phóng electron Là thiết bị dùng để tạo chùm electron quan sát quỹ đạo chúng bay vào theo hướng vuông góc với từ trường Hình 10-2 Thiết bị bao gồm phận sau: (hình 10-2) c Ống chân không: bình thủy tinh suốt chứa chân không Bên bình chứa Katốt điện cực dùng để tăng tốc định hướng chùm electron d Giá đỡ e Hai cuộn dây nối tiếp đặt song song hai bên ống chân không để tạo từ trường f Hai nhựa nằm bắt ngang đường kính hai cuộn dây Trên có hai trượt để xác định đường kính q đạo chùm electron Một hai có lắp kính phẳng để dể quan sát chỉnh trượt THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 123 Ngoài ra, toàn thiết bị Ống phóng electron đặt buồng tối để dể dàng quan sát chùm electron Chú ý : _ Cẩn thận tiến hành thí nghiệm ống chân không dễ vỡ _ Khi lắp đặt xong thí nghiệm mở nguồn điện 2) Nguồn điện DC ±15V: (hình 10-3) Dùng để cung cấp điện cho hai cuộn dây tạo từ trường Ngoài cung cấp điện cho lưới lọc Hình 10-3 Chú thích : c Công tắc đóng, mở nguồn có đèn báo d Màn hình hiển thị giá trị hiệu điện e Đèn Led dùng để cảnh báo dòng điện cung cấp vượt dòng điện giới hạn f Núm điều chỉnh giá trị hiệu điện chân g g Các lỗ cắm, nơi lấy hiệu điện Giá trị hiệu điện hiển thị hình d Giá trị hiệu điện chân cắm : (5.1) - (5.2) : từ -15V đến 0V (5.2) - (5.3) : từ 0V đến 15V (5.1) - (5.3) : từ 0V đến 30V h Cặp lỗ cắm cung cấp hiệu điện 5V Chú ý: Không che đậy khe thông gió vỏ bảo vệ THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 124 3) Nguồn điện cao DC … 500V (Hình 10-4) Nguồn cao DC dùng để cung cấp hiệu điện U từ 150V đến 300V cho hai điện cực Anot Katot để gia tốc chùm electron Ngoài ra, nguồn cung cấp hiệu điện AC 6,3V cho tim đèn để phát xạ chùm electron Hình 10-4 Chú thích: c Công tắc đóng, mở nguồn có đèn báo d Nút ấn lấy hiệu điện xoay chiều 6,3V chân e f Lỗ cắm nơi cung cấp hiệu điện DC lối từ 4,5V đến 7,5V điều chỉnh núm (4.1) g Lỗ cắm nơi cung cấp hiệu điện DC lối từ 0V đến 50V điều chỉnh núm (5.1) h Lỗ cắm nơi cung cấp hiệu điện DC lối từ 0V đến 500V điều chỉnh núm (6.1) Chú ý: - Cẩn thận với nguồn điện cao sử dụng hiệu điện lỗ cắm h - Khi lắp đặt xong thí nghiệm mở công tắc nguồn điện - Chỉ chạm tay vào phận mạch điện công tắc nguồn thiết bị trạng thái OFF - Không che đậy khe thông gió vỏ bảo vệ 4) Amper-Volt kế Max 300V/10A (hình 10-5) Dùng để xác định xác giá trị hiệu điện cung cấp cho hai điện cực Anot Katot Ống phóng electron 125 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Chú thích: W : Công tắc dùng để chuyển đổi đại lượng đo chiều vị trí “– ”, xoay chiều vị trí “ ~ ” , tắt thiết bị vị trí “OFF” T C W O Hình 10-5 Trong thí nghiệm thang đo đặt vị trí “– ” dùng để đo hiệu điện chiều C : Công tắc chuyển đổi đơn vị đo Trong thí nghiệm ta dùng đơn vị đo V T : Núm điều chỉnh thang đo, gồm có thang đo 10V, 30V, 300V Trong thí nghiệm sử dụng thang đo 300V O : Chân cắm dùng để đo hiệu điện Chú ý : - Cắm cực âm cực dương cho đo đại lượng điện chiều DC - Đặt thang đo đơn vị đo cho phù hợp đo hiệu điện hay dòng điện 5) Máy đo từ trường đầu dò cảm ứng từ : (Hình 10-6) Hình 10-6 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 126 Dùng để đo từ trường áp ngang qua ống hai cuộn dây Máy đo từ trường xoay chiều lẫn từ trường ổn định với thang đo sau: - Từ ÷ 20 mT với bước tăng 0,01mT - Từ ÷ 200 mT với bước tăng 0,1mT - Từ ÷ 2000 mT với bước tăng 1mT Cách sử dụng : Khi đo cảm ứng từ vùng ta đưa đầu dò cảm ứng từ vào vùng đó, giá trị đo hiển thị hình máy đo Các núm chức máy sau: (1) Lỗ cắm đa chân dùng để nối với đầu dò cảm ứng từ (2) Công tắc chuyển đổi: Khi đo từ trường ổn định bật công tắc vị trí “– “ Khi đo từ trường xoay chiều bật công tắc vị trí “ ~ “ (3) Núm thay đổi độ nhạy với ba vị trí 20, 200, 2000 tương ứng với độ nhạy 0,01mT; 0,1mT 1mT (4) Cặp lỗ cắm cho giá trị đo hiệu điện (5) Lỗ không gian che từ, dùng để Offset giá trị Zero ban đầu cho máy đo (6) Màn hình hiển thị giá trị cảm ứng từ đo được, đơn vị đo mT (7) Núm Offset dùng để chỉnh giá trị Zero ban đầu cho đầu dò từ trường (8) Công tắc nguồn có đèn báo, bố trí phía sau máy Chú ý : - Cẩn thận sử dụng đầu dò cảm ứng từ dễ gãy - Cắm phích cắm đa chân cho khớp với ổ cắm đa chân theo dẫn sau: Xoay vết lồi B phích cắm đa chân cho khớp với vị trí vết lõm A ổ cắm đa chân Sau đẩy phích cắm vào (hình 10-7) Hình 10-7 3.2 THỰC HÀNH: A Chuẩn bị dụng cụ mắc mạch theo sơ đồ 1- Quan sát thiết bị thí nghiệm trạng thái không bật điện, núm điều chỉnh đặt vị trí Zero THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 127 2- Mắc mạch điện theo sơ đồ hình 10-8 (Thường mắc sẵn) 3- Nhờ giáo viên đến kiểm tra mạch điện lắp ráp 4- Mở công tắc nguồn điện DC ±15V Chỉnh núm f nguồn điện cho giá trị hiệu điện cung cấp cho hai cuộn dây lưới điện 4V Chú ý : Nếu đèn đỏ e sáng giảm núm f vị trí Zero đợi đèn đỏ tắt tiếp tục thí nghiệm Hình 10-8 A Tiến hành bước thực hành theo hướng dẫn 5- Nối đầu dò cảm ứng từ với máy đo từ trường 6- Mở công tắc nguồn j máy đo từ trường (phía sau máy) 7- Đưa núm e máy đo từ trường vị trí 20 8- Bật công tắc d máy đo từ trường vị trí “–” 9- Cẩn thận đưa đầu dò cảm ứng từ cách nhẹ nhàng vào lỗ không gian che từ g máy đo từ trường thực Offset Zero sau: Đẩy núm Offset i xuống vị trí “ SET “, lúc đèn đỏ sáng Tiếp tục đẩy nút i lên xuống vài lần để hiệu chỉnh điểm Zero cho đầu dò cảm THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 128 ứng từ Khi thấy hình máy đo từ trường chuyển đổi hai giá trị rút đầu dò cảm ứng từ để đo Chú ý : Thao tác phải cẩn thận đầu dò cảm ứng từ dễ gãy 10- Mở cửa buồng tối chứa Ống phóng electron lên phía 11- Đưa nhẹ nhàng đầu dò cảm ứng từ vào hai cuộn dây phía ống chân không Ghi lại giá trị cảm ứng từ ổn định đo hình Máy đo từ trường Chú ý : Không để đầu dò cảm ứng từ chạm vào ống chân không 12- Nhẹ nhàng rút đầu dò cảm ứng từ khỏi buồng tối đặt vị trí an toàn Đậy nắp buồng tối lại 13- Mở công tắc nguồn cao DC 500V 14- Chỉnh từ từ núm (6.1) nguồn cao theo chiều kim đồng hồ giá trị 300V 15- Quan sát chùm electron phát ống phóng electron 16- Điều chỉnh hai trượt ngang (b) thiết bị Ống phóng electron để xác định đường kính q đạo chùm electron 17- Dùng thước để đo đường kính q đạo (d) theo hình 10-9 sau: Hình 10-9 18- Thay đổi từ từ núm (6.1) nguồn cao xuống giá trị 250V ; 200V ; 150V ; 100V Sau lần thay đổi lặp lại bước 16 17 để xác định đường kính q đạo chùm electron phát 19- Ghi lại giá trị đo vào bảng 10-1: ⎛d ⎞ Trong đó: r = ⎜ ⎟ ⎝2⎠ e 2U = 2 m B r 129 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Bảng 10-1 Cao U (V) Đường kính d (m) Bình phương bán kính r2 (m2) Điện tích riêng e/m (c/kg) 300 250 200 150 100 20- Xác định sai số - kết quả: + Giá trị điện tích riêng trung bình : ⎛e⎞ n ⎛e⎞ ⎜ ⎟ = ∑ ⎜ ⎟ = ……… (c/kg) ⎝ m ⎠ n i =1 ⎝ m ⎠ i + Sai soá : ⎛e⎞ ⎛e⎞ ⎛e⎞ ∆⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎝ m ⎠ ⎝ m ⎠ ⎝ m ⎠i max ⎛e⎞ ∆⎜ ⎟ = …………………… (c/kg) ⎝m⎠ e ⎛ e ⎞ ⎛ e ⎞ = ⎜ ⎟ ± ∆⎜ ⎟ m ⎝ m ⎠ ⎝ m ⎠ e =……………… (c/kg) m 21- Lặp lại thí nghiệm từ bước Tăng giá trị hiệu điện DC cung cấp cho hai cuộn dây lưới lọc đến giá trị 4,5V; 5,0V; 5,5V 22- Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ U r 23- Chỉnh núm điều khiển thiết bị vị trí Zero 24- Tắt nguồn điện thiết bị Nhận xét thí nghiệm đánh giá kết Kết : IV CÂU HỎI THẢO LUẬN 1) Hãy cho biết giá trị điện tích riêng electron e/m theo lý thuyết 2) Ý nghóa việc xác định điện tích riêng electron THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 130 3) Phân tích chuyển động electron bay vào từ trường Q đạo electron hướng bay vuông góc với từ trường? 4) Nguyên tắc xác định điện tích riêng electron thực nghiệm 5) Tại đo cảm ứng từ B phải đặt đầu dò phía Ống phóng electron hai cuộn dây mà không đặt vị trí khác? 6) Trong thí nghiệm này, cần lưu ý để giữ an toàn cho thiết bị thí nghiệm MỤC LỤC Lời giới thiệu Phần thứ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THỰC HÀNH VẬT LÝ I Phép đo đại lượng vật lý II Đơn vị, hệ đơn vị đo III Sai số, phân loại, cấp xác dụng cụ đo điện IV Các cách tính sai số Phần thứ CÁC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH Bài Cơ học chất điểm, tượng phách Bài Cơ học vật rắn Bài Thí nghiệm máy biến áp Bài Đo từ trường Bài Đo vận tốc ánh sáng Bài Giao thoa ánh sáng Bài Khảo sát tượng tán sắc ánh sáng qua lăng kính, cách tử nhiễu xạ Bài Nhiễu xạ tia X Bài Tính chất sóng vi hạt Bài 10 Đo điện tích riêng electron 4 10 30 47 56 68 79 86 96 109 120 ... Cắm nguồn nuôi 12 V-AC môtơ vào hiệu 22 0 V mạng THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Hình 8-9 104 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 105 B Phần chuẩn môtơ xác định tinh theå: 8/ 9/ 10/ 11/ 12/ 13/ 14/ 15/... vào chân (36) THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 72 Hình 5-3 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II 73 (28 ) INPUT CH I – Nối đầu đo kênh I ( 32) INPUT CH II – Nối đầu đo kênh II 6- Nguồn điện DC 12V : Dùng để... dạng: 2dθ = nλ Thế ( 9-8 ) vào ( 9-9 ) ta được: ( 9-8 ) ( 9-9 ) dr = nλ l Thay bán kính r hình nhiễu xạ đường kính D Ta có: Dd = nλ 2l Nếu lấy n = ta coù: λs = Dd 2l ( 9-1 0) 1 12 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG