Giáo trình thực hành vật lý đại cương 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT * TS LƯU THẾ VINH THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG ĐÀ LẠT - 2004 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình ”Thực hành vật lý đại cương II “ học phần thực hành chương trình thực hành vật lý đại cương Trong chương trình thực hành vật lý đại cương I sinh viên làm quen với phương pháp thực nghiệm Vật lý Được làm thí nghiệm dạng khảo sát kiểm chứng tượng vật lý, định luật vật lý liên quan đến phần cơ, nhiệt, điện quang học vật lý cổ điển Học phần “Thực hành Vật lý đại cương II” nhằm trang bị cho sinh viên kỹ sử dụng khảo sát hệ đo lường phức tạp sử dụng thiết bị phương tiện đo lường đại các máy đo, đếm tần số, dao động ký điện tử, đặc biệt hệ thống đo lường ghép nối với máy vi tính PC Sinh viên việc phải nắm bắt chất vật lý tượng khảo sát làm quen với việc xử lý kết đo lường máy tính PC nhờ chương trình đươc cài đặt sẵn Giáo trình : “Thực hành Vật lý đại cương II” bao gồm 10 thực tập xếp sau: Bài Cơ học chất điểm, tượng phách: Khảo sát nghiệm lại định luật chuyển động chất điểm, va chạm đàn hồi Khảo sát tượng phách nhờ thiết bị đo ghép với máy vi tính PC Bài Cơ học vật rắn: Khảo sát nghiệm lại định luật chuyển động vật rắn Đo gia tốc trọng trường lắc toán học Đo mô men quán tính lắc vật lý Khảo sát chuyển động tiến động quay hồi chuyển Bài Máy biến thế: Khảo sát đo đạc tham số máy biến pha chế độ không tải, chế độ có tải chế độ ngắn mạch nhờ hệ thống đo ghép nối máy vi tính PC Bài Đo từ trường: Khảo sát đo từ trường ống dây máy đo từ trường hệ đo ghép nối với máy vi tính PC Bài Đo vận tốc ánh sáng: Khảo sát đo vận tốc ánh sáng thiết bị biến đổi xung điện oscilloscope Bài Giao thoa ánh sáng: Khảo sát tượng giao thoa ánh sáng nhờ lưỡng gương Fresnel, đo bước sóng nguồn sáng THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Bài Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ: Khảo sát tượng tán sắc sánh sáng qua lăng kính cách tử nhiễu xạ, đo chiết suất chất thủy tinh làm lăng kính, đo bước sóng nguồn sáng Bài Nhiễu xạ tia X: Khảo sát tượng nhiễu xạ tia X qua tinh thể, đo bước sóng tia X số mạng tinh thể nhờ nhiễu xạ kế tia X ghép nối với máy vi tính PC Bài Tính chất sóng vi hạt: Khảo sát tượng nhiễu xạ chùm electron qua đa tinh thể graphit, đo bước sóng De Broglie electron, khoảng cách mạng tinh thể graphit Bài 10 Đo điện tích riêng electron: Khảo sát đo điện tích riêng electron e/m Một đặc điểm quan trọng thực tập tính hệ thống đồng thiết bị thí nghiệm Trong giáo trình, thực tập có phần tóm tắt lý thuyết liên quan Yêu cầu sinh viên phải đọc kỹ nhà, nắm vững chất vật lý tượng khảo sát trước tiến hành thí nghiệm Mỗi thí nghiệm, sinh viên cần đọc kỹ phần mô tả dụng cụ, kiểm tra sơ đồ đấu nối thiết bị, thực cách xác bước thực nghiệm theo hướng dẫn để tránh hỏng hóc xảy cho thiết bị Đối với thực hành ghép nối với máy vi tính PC, để khởi động chương trình đo sinh viên phải nhập lệnh từ dấu nhắc hệ điều hành MS-DOS Sau kích hoạt chương trình, tiếp tục trình đo theo hướng dẫn Sau thực hành, có phần câu hỏi thảo luận sinh viên chuẩn bị Kết thúc buổi thực hành sinh viên phải trả lời câu hỏi liên quan chuẩn bị số liệu thực nghiệm để nhà làm báo cáo thí nghiệm theo mẫu hướng dẫn Sinh viên cần tuyệt đối tuân thủ quy định an toàn, đặc biệt thí nghiệm có sử dụng tia lazer, chùm electron lượng cao, tránh nhìn trực tiếp vào nguồn xạ Các hệ đo thiết bị chuyên dụng hoạt động đồng bộ, sinh viên cần cẩn thận sử dụng để tránh hỏng hóc tìm kiếm thiết bị thay thị trường Đà lạt 2004 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Phần thứ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THỰC HÀNH VẬT LÝ I Phép đo đại lượng vật lý Trong Vật lý học, định luật vật lý phản ánh mối quan hệ mang tính quy luật tượng tự nhiên, chúng biểu diễn công thức toán học thông qua đại lượng vật lý Các đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất khác vật thể, tượng xảy theo thời gian Việc đánh giá định lượng tính chất vật thể (đối tượng) nghiên cứu thực cách đo đại lượng vật lý Quá trình đo lường thực nghiệm vật lý, thực phép so sánh đại lượng vật lý với đại lượng loại chọn làm đơn vị Phép đo thực nghiệm đơn giản, phức tạp Kết phép đo biểu diễn dạng số với đơn vị kèm theo Phương trình phép đo viết dạng (1) X A = (1) Y Trong đó: X - Đại lượng đo Y - Đơn vị đo A - Giá trị số Hay : X = A.Y Giá trị đại lượng đo A lần đơn vị đo Như ta định nghóa: Đo đại lượng vật lý trình đánh giá định lượng đại lượng đo để có kết số so với đơn vị II Đơn vị, hệ đơn vị đo Để biểu diễn đại lượng vật lý dạng số, phải chọn “cỡ” cho nó, nghóa lượng hóa nó, ta phải chọn đơn vị đo Về mặt nguyên tắc, theo (1) ta chọn đơn vị lượng tùy ý Tuy nhiên giá trị phải phù hợp với thực tế tiện lợi sử dụng Năm 1832, nhà toán học Đức K Gauss rằng, chọn đơn vị độc lập để đo chiều dài (L), khối lượng (M), thời gian (T) - sở đại lượng nhờ định luật vật lý, thiết lập đơn vị đo tất đại lượng vật lý Tập hợp đơn vị đo theo nguyên tắc Gauss đưa hợp thành hệ đơn vị đo Những đơn vị đo chọn cách độc lập chúng thể tính chất giới vật chất (khối lượng, thời gian, độ dài, ) THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II gọi đơn vị Các đơn vị thành lập sở đơn vị nhờ công thức biểu diễn định luật vật lý gọi đơn vị dẫn suất Phần lớn đơn vị vật lý đơn vị dẫn suất Phương trình biểu diễn mối liên hệ đơn vị dẫn suất đơn vị gọi công thức thứ nguyên Đơn vị đại lượng biểu diễn qua phương trình thứ nguyên (2) dim X = Lp Mq Tr (1) (dim – viết tắt từ tiếng Anh : dimention có nghóa thứ nguyên) Ví dụ, thứ nguyên vận tốc biểu diễn qua công thức v = l/t : (3) [v] = [l] = L = LT - [t ] T * Hệ đơn vị quốc tế SI (System International) Năm 1960, Ủy ban quốc tế đo lường thức thông qua hệ đơn vị quốc tế SI Trong hệ SI có đơn vị bản, đơn vị bổ trợ, 27 đơn vị dẫn suất * Các đơn vị : - Chiều dài : mét (m) - Khối lượng : kilôgram (kg) - Thời gian : giây (s) - Nhiệt độ : độ kelvin (K) - Cường độ dòng điện : Ampe (A) - Cøng độ sáng : candela (nến) (Cd) - Khối lượng phân tử gam : mol * Hai đơn vị bổ trợ là: - Đơn vị đo góc phẳng : radian (rad) - Đơn vị đo góc khối : steradian (sr) Ngoài hệ SI (còn gọi hệ MKS hay hệ mét), nước Anh, Mỹ số nước nói tiếng Anh dùng phổ biến hệ đơn vị UK III Sai số, phân loại, cấp xác dụng cụ đo điện Bất kỳ phép đo mắc phải sai số Các nguyên nhân gây sai số có nhiều, yếu tố khách quan chủ quan khác Các nguyên nhân khách quan chẳng hạn như: dụng cụ đo lường không hoàn hảo, đại lượng đo bị can nhiễu nên không hoàn toàn ổn định Các nguyên nhân chủ quan như: phương pháp đo không hợp lý, thân người tiến hành thực nghiệm không thành thạo, thiếu kinh nghiệm THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Để phân loại sai số dựa vào tiêu chí khác nhau: theo nguồn gốc phát sinh sai số, phân loại theo quy luật xuất sai số phân loại theo biểu thứ diễn đạt sai số Theo quy luật xuất sai số chia làm loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên 1) Sai số hệ thống Sai số hệ thống yếu tố thường xuyên hay yếu tố có quy luật tác động Nó khiến kết đo lần mắc phải sai số Tùy theo nguyên nhân mà sai số hệ thống phân nhóm sau: – Do dụng cụ, máy móc đo chế tạo không hoàn hảo Ví dụ thang độ máy không chuẩn, kim đồng hồ không vị trí số ban đầu – Do phương pháp đo, cách dùng phương pháp đo không hợp lý Hoặc tính toán, xử lý kết đo bỏ qua yếu tố làm ảnh hưởng đến độ xác phép đo – Do điều kiện đo khác với điều kiện tiêu chuẩn Sai số hệ thống loại trừ sau biết nguyên nhân gây cách chuẩn lại thang độ, đặt lại số “0” ban đầu 2) Sai số ngẫu nhiên Là sai số yếu tố bất thường quy luật gây ra, chẳng hạn thay đổi đột ngột điện áp nguồn Các nhiễu loạn bất thường khí hậu, thời tiết, môi trường trình đo Đối với sai số ngẫu nhiên xử lý lý thyết thống kê xác suất Theo biểu thức diễn đạt sai số người ta thường chia sai số tuyệt đối sai số tương đối 3) Sai số tuyệt đối Là độ chênh lệch giá trị thực đại lượng đo trị số đo phép đo: ∆a = |aT - am| (4) aT - Giá trị thực đại lượng đo am - Giá trị đo phép đo Tuy nhiên, aT ta chưa biết, nên thực tế người ta thường lấy giá trị gần aT cách đo nhiều lần xem giá trị trung bình số học n lần đo gần với aT n aT ≅ a = am i (5) n i =1 ∑ Và giá trị ∆a dùng giá trị trung bình số học: THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II ∆a = n n ∑ i =1 ∆ai = n n ∑ a −a i (6) i =1 4) Sai soá tương đối Để đánh giá độ xác phép đo, người ta dùng sai số tương đối δa biểu diễn phần trăm: ∆a δa(%) = ⋅ 100% (7) a Thực tế, thường biểu diễn giá trị gần trung bình nó: ∆a (8) δa(%) = ⋅ 100% a 5) Cấp xác đồng hồ đo điện Để đánh giá độ xác đồng hồ đo điện, người ta dùng khái niệm cấp xác dụng cụ Cấp xác dụng cụ đo điện định nghóa là: ∆a γ % = max ⋅ 100% (9) Amax Trong đó: ∆a max – sai số tuyệt đối lớn dụng cụ đo thang đo tương ứng; Amax – giá trị lớn thang đo Dụng cụ đo điện có cấp xác sau : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 Cấp xác ghi mặt đồng hồ đo Biết cấp xác ta tính sai số tuyệt đối lớn cho phép phép đo: ∆amax = γ% Amax / 100 (10) Ví dụ: Một miliampekế có thang độ lớn Amax = 100mA, cấp xác 2,5 Sai số tuyệt đối lớn cho phép là: ∆amax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA Vượt giá trị 2,5mA đồng hồ không đạt cấp xác 2,5 IV Các cách tính sai số 1) Sai số phép đo với thang đo khác Trong thực tế đo với máy đo có cấp xác định, thay đổi thang đo sai số tuyệt đối phép đo thay đổi, cách tính theo công thức (9) Ví dụ: Một vôn kế có cấp xác 1,5 dùng thang đo 50V mắc sai số cho phép lớn : ∆ Umax = 1,5 50 / 100 = 0,75V THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Nhưng dùng thang đo 100V sai số tuyệt đối lớn cho phép lại là: ∆ U’max = 1,5 100 / 100 = 1,5V 2) Sai số tương đối tổng đại lượng Nếu hai đại lượng đo có tính chất độc lập với nhau, đại lượng có sai số tương đối riêng biệt δa δb sai số tương đối tổng đại lượng (a+b) : aδa + bδb ∆a + ∆b δ (a + b) = = (11) a+b a+b 3) Sai số tương đối tích đại lượng Nếu hai đại lượng độc lập với mà đại có trị số sai số tương đối riêng biệt sai số tương đối tích đại lượng (a.b) xác định: δ (a.b) = δa + δb (12) Tổng quát, trường hợp tích nhiều đại lượng độc lập với nhau: δ ∏ = i n ∑δ (13) i =1 4) Sai số tương đối thương δ a / b = δa + δb Tổng quát cho trường hợp tỷ số tích nhiều đại lượng : ∏ Nếu : x = i thì: δ = ∑ δ + ∑ δ bj i j ∏ bj (14) (15) j 5) Sai số thống kê lý thuyết xác suất Đối với sai số ngẫu nhiên, số lần đo đủ lớn chúng tuân theo quy luật thống kê theo phân bố Gauss Sai số ngẫu nhiên có tính chất sau: – Những sai số ngẫu nhiên độ lớn trái dấu có xác suất – Những sai số ngẫu nhiên có trị số tuyệt đối lớn xác suất xảy nhỏ – Trị tuyệt đối sai số ngẫu nhiên không vượt giới hạn xác định Giả sử ta thực n lần đo đại lượng x giá trị tương ứng a1, a2, , an Giá trị trung bình số học đại lượng x là: a1 + a2 + + an n = ∑ a= (16) n n i =1 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Để đánh giá sai số phép đo đại lượng x ta dùng sai số toàn phương trung bình (hay sai số chuaån σ): n σ = lim ∑ (ai − a) n i =1 n n→∞ ≈ lim ∑ (ai − a )2 i =1 n→∞ n −1 (17) Với số lần đo không nhỏ ta viết gần đúng: n ∑ (ai − a )2 i =1 σ ≈ (18) n −1 Như kết đo đáng tin cậy hay không tùy thuộc giá trị σ , Với σ lớn, đường cong phân bố Gauss, mật độ phân bố có cực đại thấp, chân đường cao rộng, chứng tỏ kết đo bị phân tán nhiều Để đặc trưng cho phân tán giá trị trung bình số học quanh giá trị thực a, người ta dùng đại lượng sai số toàn phương trung bình: n σ ∑ (ai − a )2 i =1 (19) n(n − 1) n Như vậy, kết đo đại lượng x viết dạng: x = a ±σa (20) 6) Chú ý – Sai số toàn phương trung bình dùng với phép đo đòi hỏi độ xác cao với số lần đo lớn Nếu số lần đo nhỏ 10 lần ta sử dụng sai số tuyệt đối trung bình số học ∆a tính theo (6) Lúc kết đo viết: x = a ± ∆a (21) – Mọi dụng cụ đo có độ xác định, sai số phép đo nhỏ sai số dụng cụ Do với thí nghiệm đo lần, kết lần đo trùng ta lấy sai số dụng cụ đo – Sai số dụng cụ đo quy ước nửa khoảng chia nhỏ thang đo sử dụng σa = ≈ THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Phần thứ 10 CÁC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH Bài CƠ HỌC CHẤT ĐIỂM, HIỆN TƯNG PHÁCH I MỤC ĐÍCH Khảo sát nghiệm lại định luật chuyển động chất điểm, va chạm đàn hồi, tổng hợp dao động điều hòa, tượng phách nhờ thiết bị đo ghép với máy vi tính PC II TÓM TẮT LÝ THUYẾT 2.1 Các định luật chuyển động chất điểm Định luật Newton I Trong hệ quy chiếu quán tính chất điểm cô lập giữ nguyên mãi trạng thái đứng yên chuyển động thẳng Định luật Newton II Trong hệ quy chiếu rquán tính gia tốc chuyển r động a chất điểm tỷ lệ với lực tác dụng F tỷ lệ nghịch với khối lượng m r r F (1-1) a= m r r r dv d r r dp = (mv ) = (1-2) Từ ta có: F = ma = m dt dt dt Phương trình (1-1) gọi phương trình động lực học Nếu xét chất điểm m chịu tác dụng lực không đổi F, chất điểm chuyển động với gia tốc không đổi: dv a= = const ; dt Lấy tích phân với điều kiện vận tốc ban đầu ta được: v = at (1-3) Từ đó, phương trình chuyển động chất điểm là: ds v = ⇒ s = ∫ vdt = a ∫ tdt dt Laáy tích phân với điều kiện ban đầu chất điểm gốc tọa độ, ta được: s = at (1-4) 2.1.3 Định luật Newton III Trong hệ quy chiếu quán tính chất r điểm A tác dụng lên chất điểm B lực F ngược lại chất điểm B 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 kế 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 D1 D2 3,5 kV kV 4,5 kV 19/ Xoay núm 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 bảng 9-2 Bảng 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 có: r Suy : e m Thay v= e 2U m v r B = vào ta : e 2U = 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⎠ 2U e = 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 ...THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình ? ?Thực hành vật lý đại cương II “ học phần thực hành chương trình thực hành vật lý đại cương Trong chương trình thực hành vật lý đại cương. .. thay thị trường Đà lạt 2004 THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Phần thứ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THỰC HÀNH VẬT LÝ I Phép đo đại lượng vật lý Trong Vật lý học, định luật vật lý phản ánh mối quan hệ mang... pháp thực nghiệm Vật lý Được làm thí nghiệm dạng khảo sát kiểm chứng tượng vật lý, định luật vật lý liên quan đến phần cơ, nhiệt, điện quang học vật lý cổ điển Học phần ? ?Thực hành Vật lý đại cương