TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BÀI 1 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU CÂN BẰNG https //phet colorado edu/sims/html/circuit construction kit dc virtual lab/latest/circuit construction kit dc virtual[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BÀI ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU CÂN BẰNG https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dcvirtual-lab/latest/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab_en.html HÀ NỘI 2022 BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Bài thí nghiệm số ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU WHEATSTONE Họ Tên sinh viên NUYỄN BÁ HOÀNG VIỆT Mã số SV:21010883 Lớp: TĐH Bài (P2410200E): ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU WHEATSTONE https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc-virtuallab/latest/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab_en.html I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Biết cách mắc mạch cầu WHEATSTONE - Ứng dụng cầu WHEATSTONE để đo điện trở II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cầu WHEATSTONE gồm điện trở biết Ro, R1, R2, điện trở chưa biết Rx, nguồn nuôi chiều ampe kế A nối sơ đồ hình Hình 1: Sơ đồ mạch cầu Wheatstone Khi cấp nguồn, dòng điện từ nguồn phân nhánh vào điện trở R0 & R1 Ta điều chỉnh điện trở R0, R1 R2 cho khơng có dịng qua điện kế V, lúc đó: Cường độ I1 dòng điện nhánh AC cường độ I2 dòng điện nhánh CB Tương tự, cường độ I3 nhanh AD cường độ I4 nhánh DB Các điểm C D điện (IG = 0), ta có: VA - VC = VA - VD VC - VB = VD - VB (1) Hay: (2) RoI1 = R1I3 RxI2 = R2I4 (3) Chia phương trình (3) cho phương trình (2), ta có: R x R = R R Rx = Ro o R2 (4) R Từ phương trình (4), biết Ro tỷ số R2/R1 ta xác định Rx Nếu phần R1, R2 làm kim loại đồng chất R= l (5) S Sử dụng (4) (5) ta được: R R1 = l (6) l1 Tức tính tỉ số chiều dài thay cho tỉ số điện trở tìm điện trở chưa biết III DỤNG CỤ CHO THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG - Nguồn điện pin: -120 V Dây nối có điện trở thay đổi Điện trở có giá trị thay đổi từ - 120 Công tắc K Và số thiết bị sẵn có phần mềm (địa đầu bài) IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Thiết lập thiết bị Sử dụng phần mềm mơ phỏng, lắp sơ đồ thí nghiệm mạch cầu Hình Chú ý cách điều chỉnh giá trị thiết bị điện trở, hiệu điện Hình 3: sơ đồ mạch cầu Wheatstone Tiến hành thí nghiệm xác định kết thí nghiệm ✓ Điều chỉnh hiệu điện thể pin: 60V ✓ Điều chỉnh điện trở Ampe kế dây nối ✓ Điều chỉnh điện trở R1 = 30 ; R2 = 40 ; R3 = 50 ✓ Điều chỉnh giá trị R4 với giá trị từ – 120 theo bảng Sử dụng Vôn kế xác định hiệu điện UAB, UMN ghi chiều dòng điện ✓ Xác định R4 để mạch cầu cân (Ampe kế số 0) ✓ Anh chị so sánh kết thu thực nghiệm với kết tính tốn lý thuyết Chiều dòng điện R4 Ampe (A) UAB (V) UMN (V) hai điểm MN -60 N đến M 10 0.95 -60 N đến M 20 0.55 -60 N đến M 30 0.33 -60 N đến M 40 0.19 -60 N đến M 50 0.10 -60 N đến M 60 0.04 -60 N đến M 70 0.015 -60 N đến M 80 0.06 -60 M đến N 90 0.09 -60 M đến N 100 0.11 -60 M đến N 110 0.14 -60 M đến N 120 0.15 -60 M đến N Để mạch cầu cân bằng: R1/R2=R3/R430/40=50/R4=>R4=66,7 Thí nghiệm 2: U Chiều dòng điện R4 Ampe (A) UAB (V) 1.58 -60 N đến M 10 0.80 -60 N đến M 20 0.47 -60 N đến M 30 0.29 -60 N đến M 40 0.17 -60 N đến M hai điểm MN 50 0.09 -60 -0.45 N đến M 60 0.03 -60 -0.16 N đến M 70 0.014 -60 0.07 N đến M 80 0.05 -60 0.25 M đến N 90 0.08 -60 0.39 M đến N 100 0.10 -60 0.51 M đến N 110 0.12 -60 0.61 M đến N 120 0.14 -60 0.70 M đến N R4 Ampe (A) UAB (V) UMN (V) 1.58 -60 -7.89 N đến M 10 0.8 -60 -4.02 N đến M 20 0.47 -60 -2.36 N đến M 30 0.29 -60 -1.44 N đến M 40 0.17 -60 -0.86 N đến M 50 0.09 -60 -0.45 N đến M 60 0.03 -60 -0.16 N đến M 70 0.014 -60 0.07 M đến N 80 0.05 -60 0.25 M đến N 90 0.08 -60 0.39 M đến N 100 0.10 -60 0.51 M đến N 110 0.12 -60 0.61 M đến N 120 0.14 -60 0.70 M đến N Thí nghiệm 3: - Chiều dòng điện hai điểm MN Lặp lại thí nghiệm trường hợp Ampe kế có điện trở V CÂU HỎI Mạch cầu cân nào? Tính tốn lý thuyết để so sánh với kết thực nghiệm Giải thích sai khác (nếu có)? Giải thích chiều dịng điện qua Ampe kế? Trình bày cách xác định giá trị Ampe kế trường hợp mạch cầu không cân bằng tính tốn lý thuyết? Trả lời câu hỏi Mạch cân = R4 = = (Ω) Số lần đo - 66.6 66.7 0.05 66.65 0.05 Kết đo được: =( - -0.05 ± ) Sai số tỷ đối: = 66,65 0.05 ⋅ 100 =0.075% = 66.28 ± 0.075% +) Khi R4 = 200 mạch cầu cân nên dịng điện khơng qua ampe kế +) Khi R4 > 200 dịng điện chạy từ M → N R12 > R34 < I34 → I3 > I1 → IA = I3 – I1 nên dòng điện chạy từ M → N +) Khi R4 < 200 dịng điện chạy từ N → M R12 < R34 > => I12 => I12 I34 → I4 > I2 → IA = I4 – I2 nên dòng điện chạy từ N → M Khi mạch cầu không cân B1: Tính tổng trở mạch : Rm= R12+R34 B2: Tính dịng điện qua mạch : I = Rm Mà:I12=I34=I U1 = U2 = U12 = I12.R12 U3 = U4 = U34 = I34.R34 B3: So sánh R4 với 200 để xác định dòng điện chạy qua ampe kế B4: Nếu dòng điện chạy từ N → M tính I4 = I2 = => IA= I4 - I2 Nếu dòng điện chạy từ M → N tính I3 = I1 = => IA= I3 – I1 Ngày …… tháng …… năm 2022 Xác nhận giáo viên hướng dẫn BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Bài thí nghiệm số MƠ PHỎNG SĨNG TRÊN MỘT SỢI DÂY NỘI DUNG BÁO CÁO I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Mơ sóng ngang sợi dây - Kiểm nghiệm lại cơng thức liên quan đến q trình truyền sóng - Mơ sóng dừng - Khảo sát phụ thuộc tốc độ truyền sóng theo lực căng dây II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sóng Sóng hay sóng đàn hồi lan truyền dao động (chuyển động qua lại quanh vị trí cân bằng) khơng gian theo thời gian Sóng chia thành hai loại sóng dọc sóng ngang Với sóng ngang, phương dao động phần tử mơi trường truyền sóng vng góc với phương truyền sóng (hình 1) Ngược lại, với sóng dọc, phương dao động phương truyền sóng Hình 1: Sóng điều hoà Một số đại lượng đặc trưng: - Vận tốc v sóng quãng đường mà sóng truyền sau đơn vị thời gian Vận tốc sóng phụ thuộc vào mơi trường truyền Với sóng ngang truyền sợi dây, v = s / r , đó, s r suất căng bề mặt mật độ khối lượng dây Biên độ A, chu kì T, tần số f sóng tương ứng biên độ, chu kì, tần số dao động phần tử mơi trường sóng truyền qua - Bước sóng sóng quãng đường mà sóng truyền sau khoảng thời gian chu kỳ: = = Sóng điều hịa Bỏ qua ma sát Giả sử phần tử môi trường O (gốc tọa độ) dao động điều hòa với phương trình (0, ) = ban đầu (phụ thuộc gốc thời gian) ( + ), = tần số góc, pha Để sóng truyền từ O tới M (có tọa độ x) theo chiều dương trục tọa độ, cần khoảng thời gian , tức (0, ) = ( , + ), hay (0, − ) = ( , ) Vậy, ( , )= [ ( − )+ ]= os [2 ( − ) + ] (1) Phương trình u(x,t) xác định ly độ sóng vị trí x thời điểm t bất kỳ, gọi phương trình sóng Dễ thấy, ( , ) = ( , + ) , chứng tỏ sóng tuần hồn theo thời gian với chu kì T Tương tự, ( , ) = ( + , ), ngụ ý sóng tuần hồn theo khơng gian với chu kì Một sóng gọi sóng điều hịa Sóng dừng Sóng dừng tượng giao thoa hai sóng kết hợp (có tần số hiệu pha không đổi) truyền ngược chiều nhau, tạo nên sóng tổng hợp có biên độ điểm khơng phụ thuộc thời gian, xuất bụng sóng (điểm dao động với biên độ lớn nhất) nằm xen nút sóng (điểm khơng dao động) Xét sợi dây mảnh, đàn hồi, căng hai điểm O, B với lực căng F (Hình 2) Độ dài dây OB = L Đầu B giữ cố định đầu O kích thích dao động điều hịa tần số f, theo phương vng góc với sợi dây: x0 = Acos(2 ft) Sóng tới từ đầu O truyền tới điểm M nằm sợi dây, cách B đoạn y = MB , gây M dao động H = ( − − ) (2) Tương tự, sóng tới từ đầu O gây đầu B dao động = ( − ) (3) Khi tới đầu B, sóng bị phản xạ ngược lại Vì đầu B cố định, nên ta thừa nhận sóng phản xạ B ( x2B ) ngược pha với sóng tới B, để x1B + x 2B = xB = , suy ra: =− ( − ) (4) Sóng phản xạ từ B gây M dao động =− [ ( − )− ] (5) Sóng tổng hợp M có giá trị xM = x1M + x2M , tức =2 2 ( − + 4) (6) Rõ ràng, biên độ dao động tổng hợp M phụ thuộc toạ độ y mà không phụ thuộc thời gian, nên gọi sóng dừng Nếu = , với k = 0, 1, 2, biên độ M có giá trị nhỏ nhất, = điểm M đứng yên, gọi nút sóng Tại đây, sóng tới sóng phản xạ gây hai dao động ngược pha, nên chúng triệt tiêu Nếu = (2 +1) biên độ có giá trị lớn nhất, = , điểm M dao động mạnh nhất, gọi bụng sóng Trong trường hợp này, sóng tới sóng phản xạ gây điểm M dao động pha nên chúng tăng cường Thực tế, ta khơng quan sát thấy sóng dừng chiều dài dây sóng phản xạ khơng lần Khi sóng phản xạ truyền tới điểm O, lại bị phản xạ, tạo “sóng tới” thứ cấp lệch pha với “sóng tới” khác, kết “sóng dừng” khử lẫn nhau, dây ta thấy dao động lộn xộn không ổn định, với biên độ nhỏ Chỉ chiều dài dây thỏa mãn điều kiện = , “sóng tới” từ O, dù sóng tạo nguồn kích thích hay sóng tạo phản xạ, đồng pha Kết cho ta sóng dừng tổng hợp, có biên độ “bụng sóng” lớn nhiều giá trị 2A III TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Sóng điều hòa Lực căng Mức thấp Mức TB Mức cao Tần số (Hz) Bước sóng(cm) Tốc độ (cm/s) Tốc độ TB Sai số tuyệt đối 1,0 1.25 1.25 1,5 0.8 1.2 2,0 0.6 1.2 2,5 0.5 1.25 0.025 1,0 3.75 3.75 0.0125 1,5 2.5 3.75 2,0 1.85 3.7 2,5 1.5 3.75 1,0 6.3 6.3 Sai số tuyệt đối TB Sai số tỷ đối Kết 0.025 0.025 1.225 0.025 3.7375 0.0125 0.0375 0.025 2.04% 1.225±2.04% 0.01875 0.5% 3.7375±0.5% 0.0376 0.6% 6.3±0.6% 0.0125 6.3 0.0376 Sóng dừng Bước Lực Tần số Tốc độ sóng căng (Hz) (cm/s) Sai số Sai số tuyệt tuyệt Tốc độ Sai số TB (cm) Kết tỷ đối đối 3,75 0.34 1.275 5,0 0.25 1.25 3,0 0.4 1.26 0.002 3,75 3.75 0.003 5,0 0.74 3.7 3,0 1.27 3.81 3,75 6.3 6.3 đối TB 0.013 Mức 1.262 0.012 0.009 0.713% 1.262±0.713% 0.0377 1% 3.753±1% 0.0223 0.355% 6.3±0.355% thấp Mức TB Mức cao IV Nhận xét 3.753 0.053 0.057 6.3 0.017 - Với tần số theo thay đổi lực căng dây bước sáng vận tốc thay đổi Ngược lại với bước sóng lực căng dây thay đổi, tốc độ tần số thay đổi V Trả lời câu hỏi Xác định nguyên nhân sai số Giải thích cách tạo sóng dừng Thực tế, có ma sát, lượng sóng khơng bảo tồn mà phần chuyển hóa thành nhiệt năng, dẫn tới biên độ sóng giảm dần theo phương truyền sóng Sóng gọi sóng tắt dần Hãy tìm phương trình mơ tả giảm biên độ sóng trường hợp TRẢ LỜI Do trình tính tốn nhiều lần, dùng giá trị làm trịn số thập phân giá trị thực nghiệm khơng phải tuyệt đối xác dẫn đến sai số Cách tạo sóng dừng dựa vào guao thoa sóng tới sóng phản xạ tạo thành sóng tổng hợp biên độ khơng phụ thuộc vào thời gian Gọi A biên độ sóng thời điểm ban đầu biên độ sóng thời điểm t Áp dụng định luật bảo tồn ta có phương trình Delta W sau khoảng thời gian t W sau – W trước = A+ Q 1 2 22 +− 22 − = ( 2 − 2 + )− = Ams + Q + 2 2 +− − 12 =0 122 +=0 Vậy giảm biên độ sóng phương trình bậc ẩn A BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Bài thí nghiệm số CÁC ĐỊNH LUẬT PHÁT XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI NỘI DUNG BÁO CÁO I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Mơ tả đường đặc trưng phổ phát xạ vật đen Xác định mối quan hệ cơng suất phát xạ tồn phần nhiệt độ vật đen tuyệt đối - Xác định mối quan hệ bước sóng cực đại nhiệt độ vật đen II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối vật có khả hấp thụ hồn tồn tất ánh sáng Năng suất hấp thụ đơn sắc vật đen tuyệt đối đơn vị ánh sáng có bước sóng khác nhiệt độ Mọi vật đen tuyệt đối có suất phát xạ đơn sắc Năng suất phát xạ đơn sắc chúng hàm số bước sóng nhiệt độ - Đường đặc trưng phổ phát xạ vật đen: Ta biết xạ phát vật gồm nhiều đơn sắc, lượng phát ứng với đơn sắc không đặc trưng hệ số chói lượng đơn sắc E (hoặc R hay U ) Đường cong biểu diễn biến thiên E theo bước sóng gọi đường đặc trưng phổ phát xạ vật Ta xác định đặc trưng phổ phát xạ vật đen thí nghiệm sau Bằng cách thay đổi nhiệt độ T vật đen, ta vẽ nhiều đường đặc trưng ứng với nhiều nhiệt độ khác Diện tích gạch chéo đồ thị tỉ lệ với E d tỉ lệ với lượng xạ (gồm độ dài sóng khoảng + d phát đơn vị diện tích vật đen A, đơn vị thời gian Diện tích giới hạn đường đặc trưng trục hoành tỉ lệ với lượng toàn phần, gồm tất độ dài sóng từ tới , phát đơn vị diện tích bề mặt vật đen đơn vị thời gian, nghĩa tỉ lệ với suất phát xạ toàn phần R Nhận xét đường đặc trưng trên, ta thấy E Hình (hoặc R hay U ) cực đại ứng với độ dài sóng (m) Các đường đặc trưng thay đổi theo nhiệt độ vật đen hình vẽ Nhận xét đường ta thấy: - Năng suất phát xạ toàn phần R tăng nhanh theo nhiệt độ T vật đen - Nhiệt độ vật đen cao trị số m tiến phía độ dài sóng ngắn Định luật Stephan-Boltzmann Stephan (bằng thực nghiệm) Boltzmann (bằng lý thuyết) tìm phụ thuộc thiết lập định luật Stephan-Boltzmann Định luật Stephan-Boltzmann: Năng suất phát xạ toàn phần vật đen tuyệt đối tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt Rt = T Hình đối vật đó: gọi số Stephan-Boltzmann, =5,6703.10−8 W / m 2K Định luật Wien Nhìn hình 6-3 ta thấy đường đặc trưng phổ phát xạ vật đen tuyệt đối nhiệt độ T định có cực đại ứng với giá trị xác định bước sóng ký hiệu nhiệt độ tăng bước sóng max giảm Đối với vật đen tuyệt đối xạ có bước sóng lân cận giá trị max xạ mang nhiều max lượng Nghiên cứu mối quan hệ định lượng bước sóng max nhiệt độ T vật đen tuyệt đối, năm 1817 Wien tìm định luật mang tên ông Định luật Wien: Đối với vật đen tuyệt đối, bước sóng max chùm xạ đơn sắc mang nhiều lượng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối vật = b max T -3 b = 2,898.10 m.K gọi số Wien III Kết thực nghiệm - Bảng số liệu thực nghiệm Nhiệt độ Đơn vị K Năng suất phát xạ tồn phần W/m Bước sóng xạ cực đại μm Tần số xạ cực đại Hz 4500 2,33*10^7 0,644 465838509.3 4800 3,01*10^ 0,604 496688741.7 5100 3,84*10^ 0,568 528169014.1 5400 4,82*10^7 0,537 558659217.9 5700 5,99*10^ 0,508 590551181.1 6000 7,35*10^ 0,483 621118012.4 IV.Nhận xét: Mô tả đường đặc trưng phổ phát: Đường đặc trưng phổ phát xạ đường thẳng mà đường cong có đỉnh(điểm cực đại) nằm vùng ánh sáng nhìn thấy - Cơng suất phát xạ tồn phần 2,33*10^7; bước sóng cực đại 0,644µm; nhiệt độ mức 4500K, xạ phân bố nhiều vùng ánh sáng đỏ - Cơng suất phát xạ tồn phần 3,01*10^7 ; bước sóng cực đại 0,604µm; nhiệt độ mức 4800K, xạ phân bố vùng ánh sáng xanh ánh sang đỏ - Cơng suất phát xạ tồn phần 3,84*10^7 ; bước sóng cực đại 0,568µm; nhiệt độ mức 5100K, xạ phân bố nhiều vùng xanh - Cơng suất phát xạ tồn phần 4,82*10^7 ; bước sóng cực đại 0,537µm; nhiệt độ mức 5400K, xạ phân bố nhiều vùng xanh - Công suất phát xạ tồn phần 5,99*10^7; bước sóng cực đại 0,508µm; nhiệt độ mức 5700K, xạ phân bố nhiều vùng xanh vùng xanh dương Từ ta thấy: Nhiệt độ tăng bước sóng cực đại mà vật đen hấp thụ giảm Nhiệt độ giảm bước sóng cực đại mà vật đen hấp thụ tăng Nhiệt độ giảm cơng suất phát xạ toàn phần giảm Nhiệt độ tăng cơng suất phát xạ tồn phần tang V Câu hỏi Mô tả phân bố xạ điện từ phát từ mặt trời (phát bước sóng nào? có phải ánh sáng nhìn thấy khơng? có nhiều ánh sáng lam ánh sáng đỏ hơn? Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo lượng, động lượng thông tin Sóng điện từ với bước sóng nằm khoảng 400 nm 700 nm quan sát mắt người gọi ánh sáng + Người ta gọi xạ nhiệt với bước sóng từ 0,002 – 0,4μ xạ cực tím Bức xạ không thấy được, nghĩa mắt thường không nhận biết Bức xạ với bước sóng từ 0,4 – 0,75μ ánh sáng mắt ta nhìn thấy (gọi tắt ánh sáng nhìn thấy) Tia sáng với bước sóng khoảng 0,4mμ tia tím Tia sáng có bước sóng khoảng 0,75μ tia đỏ, tia khác quang phổ có bước sóng trung gian Bức xạ có bước sóng từ 0,75μ đến vài phần trăm m xạ hồng ngoại, xạ cực tím, xạ hồng ngoại khơng nhìn thấy + Bức xạ điện từ phát từ mặt trời ánh sáng nhìn thấy + Thành phần phổ xạ mặt trời phân bố lượng: -Có nhiều hay ánh sáng xanh đỏ phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ cao ánh sáng xanh nhiều ngược lại Vẽ lại đường đặc trưng phổ phát xạ vật đen tuyệt đối theo tần số xạ Vì tần số nhiệt độ đồng biến