Thí nghiệm vật lý Bài KHẢO SÁT ĐIỆN TRƯỜNG BIẾN THIÊN THEO THỜI GIAN I MỤC ĐÍCH - Khảo sát điện trường biến thiên theo thời gian tụ điện Vẽ đồ thị hiệu điện U biến thiên theo thời gian trình tụ nạp phóng điện - Từ đồ thị tính số thời gian II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khảo sát điện trường tăng dần theo thời gian: Mắc nối tiếp tụ điện C với điện trở R, nối với nguồn U qua khóa K hình vẽ Tại thời điểm t = 0, đóng khố K Tụ nạp điện qua điện trở R Dòng điện ban đầu mạch U I (Uo điện áp nguồn) giảm dần, đồng thời điện áp tụ tăng R dần đến giá trị U q Ta có: U u R u C iR (1) C dq Dòng điện mạch: i dt di i 0 (2) Đạo hàm vế (1) theo thời gian ta có: dt RC U Nghiệm phương trình vi phân (2) với điều kiện ban đầu i I R t U t = là: i e RC R Khi đó, hiệu điện điện trở là: Hiệu điện tụ điện là: u R iR U e t RC u C U u R U (1 e t RC ) U U 00 00 t Hình 1: Hiệu điện tụ tăng dần theo hàm mũ mạch nạp Vì cường độ điện trường E tụ điện tỉ lệ thuận với điện áp U tụ nên biến thiên cường độ điện trường theo thời gian có quy luật giống biến thiên hiệu điện theo thời gian dáng đồ thị có dạng tương tự 26 Thí nghiệm vật lý Khảo sát điện trường giảm dần theo thời gian: Xét mạch điện gồm điện trở R mắc song song với tụ điện C vào nguồn U qua khóa K hình vẽ q Do tụ mắc song song với điện trở nên u R u C hay iR C dq Dòng điện mạch: i dt Dấu trừ điện tích hai tụ giảm dần theo thời gian dq q 0 Suy ra: (3) dt RC Nghiệm phương trình (3) với điều kiện ban đầu q Q0 t = là: t t dq Q0 RC U RC e e q Q0 e dt RC R Khi hiệu điện tụ điện điện trở là: t RC i u C u R iR U e t RC U U0 t Hình 2: Hiệu điện tụ giảm dần theo hàm mũ mạch phóng Định nghĩa: Hằng số thời gian thời gian mà hiệu điện tụ giảm e = 2,7 lần so với thời điểm vừa đóng mạch: = RC Kết luận: Trong mạch nạp, hiệu điện cường độ điện trường tụ tăng dần theo thời gian dạng hàm e mũ Khi t U UO Điều có nghĩa tồn lượng điện trở chuyển thành lượng điện trường tụ Trong mạch phóng, hiệu điện cường độ điện trường tụ giảm dần theo thời gian dạng hàm e mũ Khi t U Điều có nghĩa tồn lượng điện trường tích luỹ tụ.chuyển thành lượng nhiệt toả điện trở 27 Thí nghiệm vật lý III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Sensor Cassy Máy tính có cài chương trình Cassy Lab Nguồn điện chiều Bảng lắp ráp mạch điện dây dẫn Các tụ điện, điện trở Một khoá K hai trạng thái III.2 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Khảo sát điện trường tăng dần theo thời gian: a Lắp mạch điện hình vẽ: A C 47uF CASSY 0V R B K 5V b Khởi động chương trình Cassy Lab: - Trong hình Desktop Windows, chọn Start\ Program\ CASSY Lab\ CASSY Lab Hoặc nháy đúp chuột vào biểu tượng Cassy Lab hình - Trong cửa sổ CASSY Lab, chọn Activate (khởi động cho Sensor Cassy Power Cassy) - Nhấn F5 để lựa chọn thiết bị: cửa sổ Settings ra, chọn Genaral, phần Serial Interface Assignment, khung COM1, chọn CASSY 28 Thí nghiệm vật lý Tiếp tục, Setting chọn CASSY, kích hoạt đầu đo A B1 cách nháy đúp chuột, hộp hội thoại Sensor Input Settings ta, đặt chế độ sau cho hai đầu đo A B: Quantity: Voltage UA1( Voltage UB1) Meas Range: -10V 10V Qúa trình phải thực hai lần để đặt chế độ đo điện áp hai đầu điện trở hai đầu tụ điện - Đặt thời gian cho phép đo: Trong cửa sổ Settings, nháy chuột vào Display Measuring Parameters, cửa sổ Measuring Parameters ra, đặt Meas Time: 10s c Tiến hành đo: - Đặt điện áp nguồn 5V Ban đầu mở khoá K Nhấn nút F9 nhanh tay đóng khố K để bắt đầu vẽ đường biến thiên cường độ điện trường tụ mạch nạp, hình Cassy Lab đồng thời đường biến thiên điện áp điện trở Vẽ lại đồ thị giấy - Cách xác định số thời gian: Trong vùng đồ thị CASSY Lab, nhấn chuột phải, thực đơn dọc ra, chọn Fit Function\ Exponential Function e^x Di chuyển chuột từ đầu đến cuối đồ thị hiển thị điện áp điện trở Hằng số thời gian giá trị B lên góc hình, ghi kết vào bảng 1.1 - Tăng điện áp nguồn lên 6V, 7V, 8V: lặp lại thí nghiêm Ghi kết vào bảng 1.1 d So sánh với giá trị lí thuyết: = RC cho nhận xét 29 Thí nghiệm vật lý 0V 47uF C K 5V 100k R GND CASSY Khảo sát điện trường giảm dần theo thời gian: a Lắp mạch điện hình vẽ: B b Khởi động chương trình CASSY Lab chọn chế độ đo: - Khởi động chương thình CASSY Lab phần mạch nạp - Nhấn F5 để lựa chọn thiết bị: cửa sổ Settings ra, chọn Genaral, phần Serial Interface Assignment, khung COM1, chọn CASSY Tiếp tục, CASSY cửa sổ này, kích hoạt đầu đo cách nháy đúp chuột vào phần tương ứng đồ thị Khi hộp hội thoại Sensor Input Settings ra, đặt chế độ sau: Quantity: Voltage UA1 Meas Range: -10V 10V - Đặt thời gian cho phép đo: Trong cửa sổ Settings, nháy chuột vào Display Measuring Parameters, cửa sổ Measuring Parameters ra, đặt Meas Time: 10s c Tiến hành đo: - Đặt điện áp nguồn 5V Ban đầu để khố K vị trí để nạp điện cho tụ Nhấn núp F9 để bắt đầu đo vẽ đường nạp tụ điện, nhanh chóng gạt khố K sang vị trí 2: hình CASSY Lab đường biến thiên cường độ điện trường tụ mạch phóng Vẽ lại đồ thị giấy - Cách xác định số thời gian: Trong vùng đồ thị CASSY Lab, nhấn chuột phải, thực đơn dọc ra, chọn Fit Function\ Exponential Function e^x Di chuyển chuột từ đầu đến cuối đồ thị đường phóng Hằng số thời gian giá trị B lên góc hình - Tăng điện áp nguồn lên 6V, 7V, 8V: lặp lại thí nghiệm Ghi kết vào bảng 1.2 d So sánh với giá trị lí thuyết: = RC cho nhận xét IV CÂU HỎI KIỂM TRA Hiệu điện cường độ điện trường tụ biến đổi q trình nạp phóng điện? Chứng minh công thức vẽ đồ thị? Hằng số thời gian thay đổi ta tăng giảm giá trị điện trở điện áp nguồn? 30 Thí nghiệm vật lý Nêu ý nghĩa vật lý số thời gian? Lý gây sai số lý thuyết thực nghiệm? 31 Thí nghiệm vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trường……………………… Lớp: …………… Tổ Họ tên:…………………… Xác nhận giáo viên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Vẽ đường biến thiên hiệu điện tụ mạch nạp phóng: - Mạch nạp: - Mạch phóng: U(V) U(V) t Xác định số thời gian 2.1 Mạch nạp: Bảng 1.1 U(V) TB - Đọc giá trị R C: R = ………… - Tính số thời gian theo lý thuyết: 2.2 Mạch phóng: Bảng 1.2 U(V) TB t τ(s) ∆τ(s) ; C =……………… τ(s) ∆τ(s) Nhận xét kết đo, tính sai số thực nghiệm lý thuyết: 32 ... trị điện trở điện áp nguồn? 30 Thí nghiệm vật lý Nêu ý nghĩa vật lý số thời gian? Lý gây sai số lý thuyết thực nghiệm? 31 Thí nghiệm vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trường……………………… Lớp: ……………... ghi kết vào bảng 1. 1 - Tăng điện áp nguồn lên 6V, 7V, 8V: lặp lại thí nghiêm Ghi kết vào bảng 1. 1 d So sánh với giá trị lí thuyết: = RC cho nhận xét 29 Thí nghiệm vật lý 0V 47uF C K 5V 10 0k R... trường tích luỹ tụ.chuyển thành lượng nhiệt toả điện trở 27 Thí nghiệm vật lý III THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III .1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Sensor Cassy Máy tính có cài chương trình Cassy Lab