THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 2 ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐỐI 1 Mục đích Xác định giá trị suất điện động của một nguồn điện một chiều chưa biết.
THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 2: ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐỐI Mục đích Xác định giá trị suất điện động nguồn điện chiều chưa bi ết phương pháp xung đối Giới thiệu chung Bài thí nghiệm thực dựa việc áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch kết hợp với hiệu ứng biến thiên liên tục điện theo vị trí khác sợi dây đồng chất có điện trở suất lớn Khi này, nguồn điện cần đo suất điện động nguồn điện chuẩn mắc vào mạch cho cực dấu nằm phía nhằm tạo hai dịng điện xung đối triệt tiêu mạch chứa nguồn chưa biết Trong thí nghiệm này, sinh viên sử dụng số dụng cụ sau: Dây dẫn Pin mẫu Dây dẫn A B có 10 chốt cắm Điện kế Nguồn có suất điện động chưa biết giá trị An tồn thực thí nghiệm Trong q trình làm thí nghiệm sinh viên cần ý khơng chạm tay vào mối nối điện dây điện trở để kết đo xác đảm bảo điều kiện an tồn điện Tóm tắt lý thuyết Xét mạch điện hình 2.1 Trong G điện kế, E Ex suất điện động nguồn chiều giữ khơng đổi suốt q trình làm thí nghiệm nguồn cần đo Hai nguồn nối vào mạch cho cực dấu (chẳng hạn cực dương) nối chung vào điểm A AB dây điện trở đồng chất tiết diện (dài 11 m) Hình 2.1 Sơ đồ mạch điện dùng để xác định suất điện động nguồn chưa biết Khi E > Ex , dây AB tồn đoạn dây MC cho dòng ện qua điện kế G bị triệt tiêu Khi đó, áp đụng định luật Ohm cho đoạn mạch MC, ta có: U MC = VM − VC = Ex − I G rx = Ex Ngoài ra, IG = (do IG = ) (2.1) thì: U MC = VM − VC = IRMC (2.2) Từ (2.1) (2.2) ta rút mối liên hệ: Ex = IRMC (2.3) E, r Giữ nguyên giá trị suất điện động nguồn ( chưa biết cho Ex ) Bây giờ, nguồn thay nguồn có giá trị suất điện động biết E > E0 E0 Khi này, độ dài đoạn MC dây AB cho dòng điện qua điện kế G bị triệt tiêu thay đổi thành đoạn M’C’ tương ứng Chứng minh tương tự, ta rút mối liên hệ: E0 = IRM ' C ' (2.4) So sánh (2.3) (2.4), ta có: Ex = E0 RMC RM 'C ' (2.5) Chuẩn bị Nhiệm vụ học tập 1: Hãy chứng minh điều kiện áp dụng phương pháp xung đối để đo suất điện động nguồn điện chiều Áp dụng định luật Kirchhoff, ta được: − E + I1 ( r + RAM ) + ( I1 + I ) RMC = − Ex + I rx + ( I1 + I ) RMC = I1 ( R + r ) + I RMC = E ⇒ I1 RMC + I ( RMC + rx ) = Ex ⇒ I2 = Mặt khác Ex ( R + r ) − ERMC ( RMC + rx ) ( R + r ) − R MC I = IG = Do đó: Ex ( R + r ) − ERMC = R E ⇒ MC = x ( 1) R+r E E > Ex Mà RMC < R ⇒ RMC < R + r ⇒ nên Từ (1) (2) suy RMC Ex Nhiệm vụ học tập 2: Sinh viên quan sát dụng cụ thí nghiệm thực yêu cầu sau đây: Trình bày cơng dụng dụng cụ bảng 2.1 Xác định giới hạn đo độ chia nhỏ điện kế Trình bày cấu tạo cách sử dụng dây dẫn AB với 10 chốt cắm Trình bày cơng dụng dụng cụ bảng 2.1 Tên dụng cụ Hình ảnh minh họa Công dụng Dây dẫn Pin mẫu E0 Nối điện Dùng để so sánh suất điện động Xác định vị trí M Điện kế để Nguồn cần đo suất điện động IG = Nguồn cần đo Ex Dây dẫn AB có 10 chốt cắm Dây điện trở Xác định giới hạn đo độ chia nhỏ điện kế - Giới hạn đo: thang hai phía vạch có giới hạn 50 - (đơn vị) Độ chia nhỏ nhất: đơn vị 3 Trình bày cấu tạo cách sử dụng dây dẫn AB với 10 chốt cắm Dây điện trở AB dài căng gỗ thành nhiều đoạn thẳng song song Mỗi chỗ tiếp giáp hai đoạn có lỗ để cắm chốt (có 10 chốt) Bằng cách di chuyển chốt cắm A’ đồng thời di chuyển chạy C ta dễ dàng thay đổi LA 'C độ dài đoạn dây Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên thao tác dụng cụ thí nghiệm thực yêu cầu sau đây: Trình bày mục đích hoạt động học tập Ex Để xác định , sinh viên cần đo đại lượng nào? Vẽ sơ đồ mạch điện Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm Chứng minh cơng thức sai số Ex Trình bày mục đích hoạt động học tập Trình bày cách bố trí nghiệm thực thao tác thí nghi ệm xác định giá trị suất điện động Ex Trình bày kết thí nghiệm xử lý số liệu Để xác định Để xác định Ex Ex , sinh viên cần đo đại lượng nào? , ta cần đo đại lượng sau: biết trước giá trị Vẽ sơ đồ mạch điện L1 , L2 nguồn E0 Hình 2.2 Gợi ý sơ đồ mạch điện thực tế Trình bày ngắn gọn bước tiến hành thí nghiệm - Bước 1: Mắc mạch điện hình 2.2 (chú ý cực dương nguồn E Ex nối phía điểm A suất điện động nguồn E không thay đổi suốt trình thí nghiệm) - Bước 2: Tìm lỗ cắm Thay đổi lỗ cắm từ đến 10 Mỗi lần thay đổi lỗ cắm ta chạm chạy C vào hai đầu A, B quan sát chi ều l ệch kim điện kế Nếu thấy kim lệch theo hai chiều ngược l ỗ cắm lỗ cần tìm - Bước 3: Giữ ngun lỗ cắm, di chuyển chạy C điện kế G số Đọc giá trị L1 Giả sử vị trí hình 2.2 - Bước 4: Thay pin L2 , đo L2 Ex pin mẫu E0 - Bước 5: Tìm Ex theo công thức , đo L1 lần lặp lại thí nghiệm để đo lần E x = E0 LA 'C = 2m ± 0, 75m L1 L2 Lưu ý: Đo chiều dài E0 L1 ứng với nguồn Ex chiều dài L2 ứng với nguồn xen kẽ để kết thu xác đảm bảo Chứng minh công thức sai số Ex = E0 Ta có: Lấy ln hai vế: Ex L1 L2 ln Ex = ln E0 + ln L1 − ln L2 Lấy vi phân hai vế: dEx dE0 dL1 dL1 = + − Ex E0 L1 L1 Lấy tổng giá trị tuyệt đối vi phân riêng phần, thay dấu “-” dấu “+”, ∆ thay dấu vi phân “d” dấu “ ” thay đại lượng đo trực tiếp giá trị trung bình chúng: ε= ∆Ex ∆E0 ∆L1 ∆L2 = + + E0 Ex L1 L2 ⇒ ∆Ex = ε Ex Nhiệm vụ học tập 4: Hãy nhận xét ảnh hưởng đến kết đo suất điện động E Nguồn động cần đo E cần nguồn chiều, có suất điện động lớn suất điện E > Ex lấy khoảng 3V → 7V Bởi lấy E < 3V , dịng điện yếu không đủ để kim điện kế bị lệch nên khó quan sát cho kết xác Cịn lấy E > 7V E , lớn dẫn đến I lớn, dây điện trở bị nóng lên Mặt khác, tay ta trực tiếp chạm để điều chỉnh chạy C, điều ảnh hưởng đến an toàn điện làm bỏng da Nhiệm vụ học tập 5: Hãy phân tích ưu điểm hạn chế phương pháp xung đối đo suất điện động so với phương pháp sử dụng Vôn kế Khi dùng Vôn kế mắc song song với nguồn điện cần đo, hi ệu ện th ế hai đầu Vôn kế xác định qua công thức U = E − Ir Vôn kế sai lệch với suất điện động nguồn lượng trở Vơn kế nhỏ I Ir Như số Hơn nữa, điện lớn dẫn đến sai số tăng Trong phương pháp xung đối, Ex mà phụ thuộc vào sai số nguồn mẫu xác định không phụ thuộc vào → Chính xác I , ... hưởng đến kết đo suất điện động E Nguồn động cần đo E cần nguồn chiều, có suất điện động lớn suất điện E > Ex lấy khoảng 3V → 7V Bởi lấy E < 3V , dịng điện yếu khơng đủ để kim điện kế bị lệch... sánh suất điện động Xác định vị trí M Điện kế để Nguồn cần đo suất điện động IG = Nguồn cần đo Ex Dây dẫn AB có 10 chốt cắm Dây điện trở Xác định giới hạn đo độ chia nhỏ điện kế - Giới hạn đo: ... Giữ nguyên giá trị suất điện động nguồn ( chưa biết cho Ex ) Bây giờ, nguồn thay nguồn có giá trị suất điện động biết E > E0 E0 Khi này, độ dài đo? ??n MC dây AB cho dòng điện qua điện kế G bị triệt