Báo cáo thí nghiệm vật lý Ứng dụng bài 1 khảo sát Điện trường biến thiên theo thời gian

BÀI 1:KHẢO SÁT ĐIỆN TRƯỜNG BIẾN THIÊN THEO THỜI GIAN -Khảo sát sự biến thiên điện trường theo thời gian thông qua biến thiên hiệu điện thế giữa 2 cực tụ điện theo thời gian trong quá trì

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1

-BÁO CÁO THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ỨNG DỤNG

Giảng viên: Nguyễn Thị Thuý Liễu

Nhóm

Tổ

Tên

Mã sinh viên

03 03 Hoàng Thanh Tùng B23DCVT447

Hà Nội, Tháng 5 năm 2024

BÀI 1:

KHẢO SÁT ĐIỆN TRƯỜNG BIẾN THIÊN THEO THỜI GIAN

-Khảo sát sự biến thiên điện trường theo thời gian thông qua biến thiên hiệu điện thế giữa 2 cực tụ điện theo thời gian trong quá trình tụ nạp và phóng điện, từ đó vẽ đồ thị hiệu điện thế biến thiên theo thời gian (U(t)) trong hai quá trình

-Xác đinh hằng số thời gian t từ đồ thị trong hai quá trình

II Cơ sở lý thuyết

 Khảo sát điện trường tăng/giảm dần theo thời gian

 Mạch điện gồm một nguồn điện, một điện trở và một tụ điện được mắc nối tiếp với nhau

 Nguồn điện có điện áp Uo

 Điện trở có giá trị R

 Tụ điện có điện dung C

 Khóa K được sử dụng để đóng hoặc ngắt mạch điện

 Khi đóng khóa K, dòng điện sẽ bắt đầu chảy qua mạch điện

 Lúc đầu, dòng điện có giá trị lớn nhất, bằng với giá trị dòng điện ban đầu: Io = Uo/R.

 Dòng điện sẽ giảm dần theo thời gian do điện trở R cản trở dòng điện

 Đồng thời, điện áp trên tụ điện sẽ tăng dần theo thời gian do tụ điện tích điện

 Điện áp trên tụ điện sẽ tăng đến giá trị điện áp nguồn Uo khi tụ điện được nạp đầy

 Dòng điện trong mạch điện: i = Io * e^(-t/RC)

 Hiệu điện thế trên điện trở: uR = Io * R * e^(-t/RC)

 Hiệu điện thế trên tụ điện: uC = Uo - Io * R * e^(-t/RC)



 Khi đóng khóa K, dòng điện sẽ bắt đầu chảy qua mạch điện Lúc đầu, dòng điện có giá trị lớn nhất, bằng với giá trị dòng điện ban đầu: Io = Uo/R

 Dòng điện sẽ giảm dần theo thời gian do điện trở R cản trở dòng điện

 Đồng thời, điện áp trên tụ điện sẽ tăng dần theo thời gian do tụ điện tích điện

 Điện áp trên tụ điện sẽ tăng đến giá trị điện áp nguồn Uo khi tụ điện được nạp đầy

 Mạch điện nạp tụ điện qua điện trở được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử, chẳng hạn như:

 Mạch lọc nguồn điện

 Mạch tạo xung

 Mạch hẹn giờ

U(V) τ(s) Δ τ (s)

5 0.185 0.0007

6 0.189 0.0047

7 0.185 0.0007

8 0.184 0.0017

Trung bình 0.1857 0.00195

5 0.184 0.0015

6 0.183 0.0005

7 0.183 0.0005

8 0.184 0.0015 Trung bình 0.1835 0.001

 Mạch điện nạp tụ điện qua điện trở là một mạch điện đơn giản nhưng có nhiều ứng dụng quan trọng trong điện tử

III Kết quả thí nghiệm

1 Đồ thị hiệu điện thế biến thiên theo thời gian trong quá trình tụ nạp và phóng điện

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03

Mạch nạp

Δτ(s)s)) τ(s)s))

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 2.17

2.17 2.18 2.18 2.19 2.19 2.2

0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1

Mạch phóng

Δτ(s)s)) τ(s)s))

Giá trị của R= 393 Ω ;C=C= 470 µF Hằng số thời gian theo lý thuyết: τ= 0.18471 s

3 Kết luận

Sai số tương đối δ

=

|τ𝑙𝑡−τ𝑡𝑡|

= 0,0272%

τ𝑙𝑡

I Mục

đích

BÀI 2:

KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

-Khảo sát sự nhiễu xạ ánh sáng qua cách tử nhiễu xạ, vẽ đồ thị phân bố cường độ sáng theo toạ

độ x, từ đó xác định số cực đại chính nằm trong hai cực tiểu chính bậc nhất và bước sóng nguồn sáng laser

II Cơ sở lý thuyết

thẳng khi đi gần các chướng ngại vật có kích thước nhỏ (vật nhỏ, lỗ tròn nhỏ, khe hẹp hoặc mép

biên )

o Hiệu ứng này là một đặc tính chung của các hiện tượng sóng, được xuất hiện khi một phần mặt sóng bị che khuất Nếu gặp một vật cản trong suốt hoặc đục, một vùng của mặt sóng bị biến đổi về biên độ hoặc pha, thì khi đó nhiễu xạ sẽ xảy ra Những phần khác nhau của mặt sóng

truyền vượt khỏi vật cản sẽ giao thoa với nhau gây nên sự phân bố về mật độ năng lượng đặc thù được gọi là bức tranh nhiễu xạ

 Cực đại giữa: sin φ = 0

 Cực tiểu nhiễu xạ (bậc k): sin φ = kλ/b với k = ±1, ±2, ±3

 Cực đại nhiễu xạ: sin φ = (k + 1/2)λ/b với k = 1, ±2, ±3

 Các cực đại nhiễu xạ bậc k = 1, 2, 3 nằm xen giữa các cực tiểu nhiễu xạ và phân bố đối xứng ở hai bên cực đại giữa

 Cực đại giữa có bề rộng gấp đôi các cực đại khác

 Tỷ lệ giữa cường độ sáng I1, I2, của các cực đại nhiễu xạ thứ k = 1, 2, so với cường độ sáng I0 của cực đại giữa tuân theo hệ thức:

 : 1 : 0,045 : 0,016 : 0,008 :

o 3 Vị trí điểm sáng và tối

 Vị trí điểm sáng và tối không phụ thuộc vào vị trí của khe

 Nếu dịch chuyển khe song song với chính nó (giữ cố định thấu kính L và màn quan sát) thì hình nhiễu xạ không thay đổi

o Nhiễu xạ qua khe hẹp là hiện tượng xảy ra khi sóng truyền qua một khe hẹp Khi sóng truyền qua khe hẹp, nó sẽ bị nhiễu xạ, tức là bị bẻ cong và đổi hướng

o Có hai loại nhiễu xạ: nhiễu xạ cực đại và nhiễu xạ cực tiểu

 Nhiễu xạ cực đại xảy ra khi sin φ = 0, kλ/b hoặc (k + 1/2)λ/b với k = 1, ±2, ±3 Khi

đó, cường độ sáng tại điểm quan sát đạt giá trị lớn nhất

 Nhiễu xạ cực tiểu xảy ra khi sin φ = kλ/b với k = ±1, ±2, ±3 Khi đó, cường độ sáng

tại điểm quan sát đạt giá trị nhỏ nhất

 Vị trí điểm sáng và tối trong nhiễu xạ qua khe hẹp không phụ thuộc vào vị trí của khe Nếu dịch chuyển khe song song với chính nó (giữ cố định thấu kính L và màn quan sát) thì hình nhiễu xạ không thay đổi

o Nhiễu xạ qua khe hẹp là một hiện tượng quan trọng trong vật lý Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quang học, viễn thông, y học,

Xác định bước sóng của chùm tia laser

Chu kỳ của cách tử phẳng : d= 0.125 (mm-1) f=78.5 (cm)

Độ chính xác của panme: 0.01(mm)

Sai số tương đối của phép đo: δ = Δλ = Δd + Δf + Δa = 0,79 %

Giá trị trung bình phép đo: λ = d 𝑎̅

= 6,45 (µm)

Sai số tuyệt đối của phép đo: Δλ = δ λ̅= 0,005(µm)

Giá trị trung bình của phép đo: λ = λ̅ ± Δ = 6,45 ± 0,005 (µm)

BÀI 3:

KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG ĐIỆN-TỪ

TRƯỜNG, XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG e/m CỦA ELECTRON

I Mục đích

-Khảo sát chuyển động của electron trong điện trường và từ trường

-Xác định điện tích riêng của electron theo phương pháp manhetron

II Cơ sở lý thuyết

Theo thuyết lượng tử, nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân Một electron

có khối lượng m chuyển động quanh hạt nhân, sẽ có mômen động lượng →L Mặt

khác, electron mang

điện tích âm (-e) nên khi chuyển động quanh hạt nhân tạo thành dòng điện có mômen từ µ→ ngược

chiều với L : u = -eL/2m

Đại lượng e/2m = γ: gọi là tỷ số từ- cơ của electron,

Tỷ số e/m : gọi là điện tích riêng của electron, đơn vị đo là C/kg, có thể được xác

định theo

phương pháp manhêtrôn như sau:

Sơ đồ thí nghiệm như hình1, gồm có: một đèn manhêtrôn M đặt ở bên trong ống dây

dẫn D , và các nguồn điện cung cấp cho đèn và cuộn dây

Đèn manhêtrôn M là một bóng thuỷ tinh bên trong có độ chân không cao (10-7 ÷

10-8

mmHg) và có ba điện cực : catôt K , lưới G và anôt A Cả ba điện cực này đều có dạng ống trụ,

có đường kính khác nhau, đặt đồng trục với nhau

- Catốt ở trong cùng có bán kính chừng 1mm Bên trong Catốt có sợi đốt

- Lưới G gồm các vòng dây dẫn nối với nhau thành một ống trụ thưa bao quanh catốt

- Ngoài cùng là anốt A , là một trụ kim loại kín , có khoảng cách đến lưới bằng d

Trong thí nghiệm này: - Ống dây có mật độ vòng dây n= 6000 v/m, hệ số α = 0.5

- Đèn Manhêtron có d = 2,75mm

Bằng cách xác định cường độ dòng điện từ hoá cuộn dây I 1 = I khi dòng anôt I 2

triệt

tiêu, ta tính được điện tích riêng e/m của electron theo công thức (6).

Cách xác định I như sau : Theo trên, khi cảm ứng từ B ứng với cường độ dòng

điện I 1 =I

thì các electron không tới được anôt A và dòng anôt I 2 = 0 Như vậy, ta chỉ cần theo dõi quá

trình giảm dần của dòng điện I 2 trên miliampekế A2 khi tăng dần dòng điện I1

trên ampekế A1,

cho tới khi I2 = 0 Nhưng vì các electron nhiệt phát ra từ catôt K có vận tốc khác nhau, nên một

số ít electron có vận tốc lớn vẫn có thể bay tới anôt A ngay cả khi I 1 = I : dòng

điện I 2 không

hoàn toàn triệt tiêu

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện I 2 vào dòng điện I 1 có dạng một đường

cong như hình 3, đoạn dốc nhất của nó ứng với trường hợp đa số electron không tới được anôt A:

Tiếp tuyến của đường cong này trên đoạn dốc nhất sẽ cắt trục hoành tại điểm có cường độ dòng

điện I 1 = I

1) Đồ thị I 2 =f(I 1 )

U3=4V

0.07 0.81

0.24 0.81

0.36 0.74

0.48 0.69

0.5 0.63

0.61 0.51

0.66 0.51

0.77 0.49

0.78 0.48

0.84 0.43

0.88 0.34

0.96 0.29

0.97 0.29

1.03 0.22

1.14 0.12

1.15 0.11

1.18 0.11

1.27 0

1.28 0

1.28 0

1.29 0

Hệ số A=0.75 B=0.9945

𝑒

2) Xác định điện tích riêng của electron X =

𝒎

-Dựa vào đồ thị trên ta xác định được giá trị của cường độ dòng điện I= 1.326(A)

-Giá trị điện tích riêng: (C/kg)

1,6 𝑥 10−19 11

Biết Xlt= −31 ≈ 1,76 𝑥 10

9,1 𝑥 10

Ta có sai số tỉ đối: δ = |X𝑙𝑡−𝑿| =

X𝑙𝑡

I Mục

đích

BÀI 4:

KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN

-Khảo sát hiện tượng quang điện và bản chất hạt của ánh sáng

-Vẽ đặc tuyến von-ampe của tế bào quang điện

-Nghiệm lại các định luật quang điện và xác định hằng số Plack

II Cơ sở lý thuyết

 Electron trong kim loại:

o Muốn thoát ra ngoài kim loại, electron phải có năng lượng ít nhất bằng công thoát (A_th) của electron đối với kim loại đó

o Bình thường, động năng chuyển động nhiệt của các electron đều nhỏ hơn A_th

 Khi bức xạ điện từ thích hợp dọi tới:

o Các electron tự do trong kim loại sẽ hấp thụ photon

o Mỗi photon có năng lượng ε = hv

o Năng lượng này một phần chuyển thành công thoát A_th và phần còn lại chuyển thành động năng ban đầu của electron quang điện

o Động năng ban đầu này càng lớn khi electron càng gần bề mặt kim loại

 Theo định luật bảo toàn năng lượng:

o ε = hv = A_th + mv_0^2/2 = A_th + W_d^max

 Khi chiếu vào catốt ảnh sáng có bước sóng thích hợp:

o Trong mạch xuất hiện dòng quang điện

o Muốn cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn thì phải đặt vào giữa anốt và catốt một hiệu điện thế cản

o Sự tồn tại của hiệu điện thế cản chứng tỏ rằng khi bật ra khỏi mặt kim loại, các electron quang có một vận tốc ban đầu v_0

o Điện trường cản mạnh đến một mức nào đó thì ngay cả những electron có vận tốc ban đầu lớn nhất v_0^max cũng không bay được đến anốt

o Lúc đó dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn và công của điện trường cản có giá trị đúng bằng động năng ban đầu cực đại của electron quang: W_d^max = eU_h

 U_h là hiệu điện thế làm cho dòng quang điện triệt tiêu hoàn toàn, được gọi là hiệu điện thế hãm.

 Kết hợp phương trình (1) và (2) ta có:

 hv = A_th + eU_h

Bảng 1: Đặc tuyến von-ampe của tế bào quang điện

Bảng 2: Nghiên cứu định luật dòng quang điện bão hoà:

Bảng 3: Xác định hằng số planck: