Thí nghiệm Vật lí
BàI TậP PHƯƠNG áN THí NGHIệM 4.Các bớc thiết lập phơng án thí nghiệm Cơ sở lý thuyết: Vận dụng quy luật, định luật vật lý từ xây dựng đợc biểu thức đại lợng cần đo thông qua đại lợng khác Phơng án tiến hành thí nghiệm: a)Trình bày cách lắp ráp, bố trí thí nghiệm dựa vào tất dụng cụ cho b)Vẽ hình minh họa sơ đồ thí nghiệm c)Trình bày tin trỡnh thớ nghim ( cách đo đại lợng cần thiết) Xử lý số liệu: Đa đại lợng đo đợc vào biểu thức xây dựng bớc 1, nêu cách vẽ đồ thị, cách hồi quy tuyến tính để tìm đợc đại lợng vật lý mà đề yêu cầu Đánh giá sai số cách làm giảm sai số (nếu cần): Dùng công thức sai số, ớc lợng sai số nêu cách khắc phục để giảm thiểu sai số trình đo Trong cách xử lý số hiệu thu đợc, phơng pháp ngời ta thờng đa toán tuyến tính (hồi quy tuyến tính) để đơn giản giảm sai số Điểm mấu chốt phơng pháp ngời ta biến đổi phơng trình vật lý dạng: y = ax + b.Trong x biến số độc lập biểu diễn trục hoành y biến số phụ thuộc vào biến số độc lập biểu diễn trục tung a b đại lợng chứa biến số mà thí nghiệm cần xác định đại lợng thờng đợc tính thông qua hệ số góc đờng thẳng y = ax + b mà ta vẽ đợc từ số liệu x y x1 y1 Tg a Từ đồ thị suy ra: � �y0 b x2 y2 x3 y3 xn yn y a= Th«ng qua viƯc lÊy Ln hai vế, phép đổi biến, tg phép lấy gần ta đa hàm số cho hµm bËc nhÊt theo biÕn míi VD1: Cho hµm số: y ae kx , đồ thị mét y0 ®êng cong ta tuyÕn tÝnh hãa nh sau: LÊy Ln hai vÕ biÓu thøc: Lny = lna �kx Khi đồ thị với trục tung chia theo Lny, trơc hoµnh chia O x theo x sÏ trë thành đờng thẳng y VD2: Cho hàm số: y gt v0t Đặt Y= , ta ®ỵc t Y = gt v0 , hàm bậc Có thể tuyến tính hóa gần đúng: Thí dụ cho hàm I V cđa mét ®i èt: I I S (eV 1) , eV tăng nhanh theo V, V ®đ lín th×: I �I S eV LÊy Ln hai vế ta đợc: Y = LnI = LnIS + V Để phép tính xác hơn, ngời ta đa phơng pháp toán học xác định hệ số a b đờng thẳng y = ax + b: n xi yi xi yi yi a. xi a= b= 2 n xi ( xi ) n Các công thức đợc suy sở toán xác suất phơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm nhng thông thờng ta sử dụng công thức nh kết đợc công nhận II.Bài tập phơng án thÝ nghiƯm Bài 1:(Chọn HSG NA năm 2008)Cho c¸c dụng cụ: Một ống hình trụ (kích thớc chiều cao đủ lớn), can lớn đựng đầy dầu nhớt, viên bi xe đạp nhỏ, thớc kẹp (Panme), thớc dài, đồng hồ bấm giây, vòng dây đàn hồi Biết khối lợng riêng thép dầu nhớt , gia tốc rơi tự g Lực cản lên bi đợc tính biểu thức fC = Rv đó: hệ số ma sát nhớt, R bán kính viên bi, v vận tốc viên bi Yêu cầu xây dựng phơng án thí nghiệm: -Trình bày sở lý thuyết -Cách bố trí thí nghiệm -Cách tiến hành thí nghiệm xử lý kết Gii Cơ sở lí thuyết +áp dụng định luật II Niutơn ta có phơng trình chuyển ®éng cđa viªn bi: ma = Vg( - o) - Rv.+Khi v đạt giá trị đủ lớn thì: Vg ( - o) - 6 Rv Bi chun ®éng ®Ịu Vg ( 0 ) R g ( 0 ) +Suy ra: = (*) 6 Rv v +NÕu dïng phÐp tÝnh chi tiÕt ta cã kÕt qu¶ rõ ràng hơn: m dv = Vg( - o) - 6 Rv dt d (Vg ( 0 ) 6 Rv) dt dv dt � Vg ( 0 ) 6 Rv m 6 R Vg ( ) 6 Rv m v= 6 R t Vg ( ) (1 e m ) 6 R t +Khi t ®đ lín th× e Vg ( 0 ) R g ( ) 0 v= 6 R Vg ( 0 ) R g ( ) = 6 Rv v Bố trí thí nghiệm cách tiến hành: + Dựng ống thẳng đứng +Đổ dầu nhớt vào gần đầy ống Vạch số +Dùng vòng dây lồng vào phần phần dới ống + Bớc 1: Dùng thớc kẹp đo đờng kính viên bi số lần, suy giỏ tr trung bỡnh bán kính viên bi Ghi lại kết đo Vạch số + Bớc 2: - Thả thử viên bi để xác định tơng đối vị trí bắt đầu chuyển động đều, vòng dây vị trí (vạch số 1) Vạch gần đáy (cách khoảng - 10cm), vạch số Đo khoảng cách D1D2= l, ghi lại kết + Bấm đồng hồ bi t vạch số ti vch s 2, ta o đợc khoảng thời gian chuyển động bi t, ghi lại kết +Thay đổi vị trí D1 xuống gần D2 hơn, thả bi, đo lại l t nh trê +Thay đổi D1 số lần tiến hành nh trớc +Sau lần đo ta ghi tất kết tơng ứng vào giấy Xử lý số liệu +Ta thay giá trị R, l, t tơng ứng lần đo vào công thức (*) Đánh giá sai số nhận xét +Sau lần thay đổi l, t ta lại tìm đợc mt giá trị +TÝnh vµ sai sè +KÕt luận hệ số ma sát nhớt : = + +Sai sè : §o kÝch thớc bi v xác định vị trí vạch số cha xác, bấm đồng hồ đo thời gian không kịp thời Bài 2:Trong quỏ trỡnh nghiờn cu ch tạo kính chống đọng nước cho ngành cơng nghiệp ơtơ người ta phủ lên bề mặt kính lớp mỏng màng vật liệu TiO chiết suất n chiều dày cỡ m Để xác định chiều dày lớp màng vật liệu TiO2 phủ thuỷ tinh mẫu người ta sử dụng thiết bị dụng cụ sau: - Giao thoa kế Young (giao thoa kế có khoảng cách hai khe sáng a, khoảng cách từ khe đến D cho phép xác định vị trí vân giao thoa khoảng vân xác); - Hai thuỷ tinh mỏng giống hệt nhau, có phủ thêm bề mặt màng TiO suốt Hãy trình bày: Cơ sở lý thuyết xác định bước sóng ánh sáng dùng thí nghiệm chiều dày lớp màng vật liệu TiO2 Cách tiến hành thí nghiệm, sai số mắc phải Gi¶i Cơ sở lý thuyết: Khoảng vân chưa đặt kính sau hai nguồn kết hợp S 1, S2 D � i (1) M a D A Biết giá trị khoảng vân ta xác định bước sóng dùng S thí nghiệm Trong trường hợp đặt hai kính giống hệt sau a1 O khe sáng S1 S2 hiệu quang lộ hai chùm tia đến giống trường hợp chưa đặt kính Hệ vân giao B S D thoa không bị dịch chuyển Khi đặt kính chưa phủ màng sau khe sáng, kính có phủ màng sau khe lại hiệu quang lộ tia sáng từ S S2 đến bị thay đổi so với chưa đặt kính khoảng (n-1)d Lúc hệ vân giao thoa dịch chuyển khoảng (n 1)dD ax x �d (2) a (n 1) D Bằng việc đo khoảng dịch chuyển xác định chiều dày lớp màng phủ thêm kính Cách tiến hành thí nghiệm, sai số mắc phải - Xác định thông số khoảng cách hai khe sáng a khoảng cách khe đến D - Bật nguồn sáng hệ giao thoa, xác định vị trí vân trung tâm khoảng vân i - Tính tốn bước sóng dùng thí nghiệm theo (1) - Đặt trước hai khe sáng hai kính (tấm có phủ màng chưa phủ màng) - Xác định vị trí vân trung tâm, so sánh với trường hợp chưa đặt thuỷ tinh để xác định khoảng dịch vân x - Lặp lại thí nghiệm vài lần để tìm giá trị trung bình R1 khoảngdịch hệ vân - Xác định chiều dày lớp màng theo công thức (2) * Sai số phép đo: - Sai số cách đặt kính sau khe sáng - Sai số dụng cụ, cách xác định khoảng vân khoảng dịch chuyển bµI 3:Xác định bán kính cong hai mặt thấu kính héi tơ vµ chiÕt st cđa vËt liƯu dïng lµm thấu kính Cho dụng cụ linh kiện: R2 f - Mét thÊu kÝnh héi tơ; - Mét hƯ giá đỡ dụng cụ quang học (có thể đặt c¸c t thÕ kh¸c nhau); - Mét nguån Laser; - Một ảnh; - Một cốc thuỷ tinh đáy phẳng, mỏng, suốt, đờng kính đủ rộng; Một thớc đo chiều dài chia tới milimet; - Các vật liệu khác: kẹp, nớc (chiết suất nn = 4/3), Yêu cầu xây dựng phơng án thí nghiệm a Trình bày phơng án thí nghiệm xác định bán kính cong hai mặt thấu kính hội tụ chiết suất vật làm thấu kính b Xây dựng công thức liên quan c Nêu nguyên nhân gây sai số biện pháp khắc phục giải Trớc hết phơng pháp quen thuộc đo tiêu cự thấu kính hội tụ ta đợc: 1 n 1 f R R (1) 2.Đặt mặt thứ thấu kính lên kính phẳng cho giọt nớc (n=1,333) vào chỗ tiếp xúc thấu kính mặt phẳng Đo lại 1 tiêu cự f1 hệ ta đợc: f f f fA tiêu cự cđa thÊu kÝnh ph©n A kú b»ng níc: 1 1,333 1 fA R1 (2) Lặp lại bớc với mặt thấu kính, ta đợc: 1 fB tiêu cự thấu kÝnh ph©n kú b»n níc f2 f fB 1 1,333 1 (3) fB R2 4.Từ công thức (1), (2), (3) ta suy n, R1, R2 5.Nguyên nhân sai số cách khắc phục 4: Đo độ ẩm tỷ ®èi cđa kh«ng khÝ a Cho hai nhiƯt kÕ gièng nhau, cã ®é chia ®Õn 0,1 0C H·y ®Ị xt phơng án thí nghiệm dùng hai nhiệt kế số vật liệu thông thờng khác để nhận biết đợc thay đổi độ ẩm tỷ đối không khí phòng Nhiệt độ không khí coi nh không đổi b Biết áp suất bão hoà nớc tuân theo gần công thøc Clapeyron-Clausius: dp bh L dT T(v h v L ) L 2240J / g nhiệt hoá nớc; v h v L lần lợt thể tích 1g nớc bão hoà 1g nớc nhiệt độ T Hãy lập biểu thức tính độ ẩm tỷ đối không khí theo thông số đo đợc dụng cụ nói (coi áp suất thể tích nớc bão hoà tuân theo phơng trình trạng thái khí lí tởng) Lập bảng cho phép suy độ ẩm tỷ đối không khí (trong khoảng từ 80% đến 100%) theo số đo mà dụng cụ đo đợc Cho nhiệt độ phòng 270C c Nêu nguyên nhân sai số phép đo hớng khắc phục GIảI 1.Dụng cụ cấu tạo hai nhiệt kế I, II + Nhiệt kế I: để bình thờng, đo nhiệt độ không khí ta đợc T1 (Nhiệt kế khô) + Nhiệt kế II: bầu nhiệt kế bọc lớp (hoặc vải ) đẫm nớc Nhiệt kế nhiệt độ T2 (Nhiệt kế ẩm) T2 nhiệt độ cân nớc thấm lớp áp suất bão hoà nớc nhiệt độ T2 áp suất riêng phần nớc không khí; T1 T2 lớn không khí khô (độ ẩm tỷ đối nhỏ) 1.Độ ẩm tỷ đối không khí tính bằng: dp � p (T ) p (T ) p bh (T2 ) bh bh �100% � 1 � p bh (T1 ) p bh (T1 ) � p � Trong c«ng thøc Clapeyron v h v L , nªn: dpbh L RT v� i vh dT Tvh 18 pbh dp bh 18L dT p bh RT dp 18L � 1 1 dT 0, 05391.dT p RT �100% 0, 05391(T1 T2 ) Suy ra: víi T1 �300o K 27 o C T1- T2 0,2 3,6 ( C) (%) 100 98,9 80,5 2.Những nguyên nhân gây sai số biện pháp khắc phục Bài 3: Thí nghiƯm vỊ thÊu kÝnh Cho mét thÊu kÝnh hai mỈt lồi đối xứng, gơng phẳng, cốc nớc; thớc đo, bút chì giá đỡ có kẹp Chỉ đợc dùng vật để làm thí nghiệm Xác định tiêu cự thấu kính với sai số tối đa l 1% Xác định chiÕt st cđa thủ tinh dïng lµm thÊu kÝnh ChiÕt suất nớc nw = 1,33 Ta có công thức sau tiêu cự f thấu kính mỏng: 1 n chiÕt st cđa thÊu kÝnh; r vµ r2 lµ = (n - 1) r r f bán kính hai mặt cong Đối với thấu kính hai mặt lồi đối xứng r = -r2 = r Đối với thấu kính mặt lõm đối xứng r1 = -r2 = -r Phơng án: Đặt thấu kính lên gơng, hai đặt chân giá đỡ Kẹp nhẹ bút chì vào giá di chuyển mắt nhìn từ xuống thấy ảnh đầu bút chì trùng với vật (xê dịch mắt chút để kiểm tra thị sai) Đo khoảng cách P từ bút chì đến thÊu kÝnh, P’ b»ng tiªu cù cđa thÊu kÝnh f Thật vậy, gơng làm ánh sáng qua thấu kính lần Độ tụ hiệu dụng 1 lần độ tụ fL f thấu kính 1 f f L P P' Vậy P = P = fL Phải xác định xác khoảng cách P: đo nhiều lần để lấy trung bình, phải trừ bớt nửa bề dày thấu kính đo từ mặt gơng Đổ nớc lên gơng đặt thấu kính lên nớc; ta tạo thấu kính phẳng - lâm b»ng níc; cã tiªu cùc fw; liªn hƯ với bán kính r1 - r mặt cong (r = ) b»ng c«ng thøc = 1 = (nw - 1) fw r Để xác định fw; ta dùng phơng pháp phần để tìm tiêu cự f cđa hƯ thèng hai thÊu kÝnh, thủ tinh lµ níc Ta cã: 1 = fL fw f Từ tính fw r = -(nw - 1) fw Dùng công thức thấu kính, ta đợc chiết suÊt: n = r 1 2f L Bài 6: Hãy tìm phương pháp cho phép xác định thể tích phòng nhờ sợi mảnh đủ dài, đồng hồ dọi Giải: Khi buộc rọi vào đầu sợi dây, ta lắc có chiều dài l chiều cao phòng Khối lượng sợi dây nhỏ khơng đáng kể nên ta xem lắc tốn học Khi ta dùng cơng thức tính chu kì sau : T= 2 l g Sau dùng đồng hồ xác định T ( cần đếm số dao động thời gian đủ dài, chia đại lượng thứ hai cho đại lượng thứ nhất), ta tính chiều dài l lắc theo cơng thức trên, chiều dài phòng Còn g tìm sổ tay tra cứu ứng với khu vực địa lí làm thí nghiệm, đơn giản lấy 9,8 m/s2 Bằng cách tương tự ta xác định chiều dài chiều rộng phòng Sau nhân ba số tìm ta tích phòng Nếu làm mà chiều dài lắc dài việc xác định chu kì lắc khơng thuận tiện, ta dùng nửa kích thước cách gập đơi sợi dây lại Bµi 19: Xác định khối lợng riêng dầu Cho ống nghiệm tiết diện khoảng tính từ miệng ống đến vạch đợc đánh dấu Một cốc to b»ng thđy tinh, cã mét c¸i thíc Mét can nớc có khối lợng riêng = 1g/cm2 Một chai dầu có khối lợng riêng Bằng dụng cụ thiết kế phơng án đo khối lợng riêng dầu Không đợc phép đổ nớc dầu lẫn vào Giải: + Cơ sở lý thuyết: - Để giải toán ta sử dụng định luật Archimede cho vật rắn chất lỏng - Với dụng cụ cho ta thực theo phơng pháp hồi quy tuyến tính - Ta thay ®ỉi mùc níc èng lÊy sè liƯu vÏ đồ thị xác định hệ số a, b tơng ứng + Phơng pháp tiến hành thí nghiệm: `x TN1: - Lúc đầu cho nớc vào ống phần để ống nghiệm cân cốc thuỷ tinh chứa nớc, ý không làm nớc tràn khỏi cốc - Dùng thớc đo chiều cao mặt thoáng nớc ống nghiệm cốc đến hết phần tiết diện ống nghiệm x y - Gäi tiÕt diƯn ngoµi miƯng èng nghiƯm lµ S n diƯn tÝch miƯng èng nghiƯm lµ St; thĨ tÝch phần không V n; thể tích phần không Vt; khối lợng ống nghiệm M - Từ điều kiện cân trọng lực lực đẩy Archimede ta có phơng trình: Mg + 0Vtg + 0xStg = 0Vng + 0ySng S y = t x Sn y = a1x + b M 0 (Vt Vn ) 0Sn St Víi a = Sn ; b= M 0 (Vt Vn ) 0Sn - TN2: TiÕn hành giống nh thay nớc ống nghiệm dầu ta đợc phơng trình thứ 2: M Vt 0 Vn St x+ Sn0 0Sn M Vt 0 Vn St y = a2x + b2 víi a2 = x ; b2 = Sn0 0Sn y= + Xư lý sè liƯu: Tõ c¸c thÝ nghiƯm thay đổi mực nớc ống lấy số liệu X Y (sử dụng khoảng số liệu) nh sau: TN1: Thay đổi lợng nớc, thay đổi x từ ta dùng đồ thị hồi quy tuyến tính đợc hệ số góc a1 = St Sn TN2: Dïng håi quy tun tÝnh hc vÏ đồ thị ta tính đợc hệ số góc a2 = a 0 BiÕt a1, a2 ta suy đợc + Sai số: Sử dụng phép tính vi phân công thức tính sai số để tính hay Bíc nµy chØ quan träng chóng ta thùc hiƯn thÝ nghiƯm thùc tÕ Nhận xét: - Ta đa toán dạng tuyến tính với hệ số đơn giản - Hầu hết toán ta gặp cần xử lý hệ số góc a, không quan tâm đến hệ số tự b Do đại lợng không thay đổi toán thí nghiệm đợc đa vào thành phần hệ số b - Hèi quy tuyÕn tÝnh cho phÐp ta xö lý toán tởng chừng phức tạp với tình đặc biệt nh toán nêu (Đề chọn ĐT châu Á năm 2003)Hãy đề xuất phương án thí nghiệm nghiên cứu phụ thuộc lực hút nam châm vĩnh cửu thẳng lên viên bi nhỏ sắt non buộc đầu sợi dây theo khoảng cách từ tâm viên bi đến bề mặt cực nam châm (dọc theo trục nam châm) Dụng cụ sử dụng gồm dụng cụ thơng thường để đo chiều dài, khối lượng, góc , thời gian giá đỡ vật liệu khơng có từ tính Nội dung làm cần có phần sau: Nguyên lý Cách bố trí thí nghiệm cụ thể Các cơng thức tính tốn cần thiết Cách tiến hành thí nghiệm Xử lý số liệu Biện luận sai số tính khả thi phương án Giải1.Nguyên tắc thí nghiệm: E Cho nam châm hút miếng sắt non, khối O K lượng m, trọng lượng mg, treo dây mềm điểm cố định O, theo phương nằm ngang (H.26.5) A 2.M viên bi sắt, khối lượng m, trọng Rh lượng P = mg, treo sợi dây mềm, vào điểm cố định O N nam châm điện đặt nằm ngang, hai cực cuộn F dây mắc vào ắc quy E, qua ngắt K M ampe kế A Nam châm phải dịch N chuyển dễ dàng, để lõi sắt nằm ngang, P luôn độ cao với M, gần M (h.26.5) 3.Cho cường độ dòng điện I giá trị H.26 tăng dần từ 0,1A 0,2A, dịch chuyển nam châm điện, cho viên bi sắt luôn bị hút sát vào lõi sắt, không chạm vào lõi, cho dây treo căng Đo góc tính F cơng thức F = mgtan 4.Lập bảng trị số I, F, vẽ đồ thị F(I) 5.Cần tránh ảnh hưởng từ dư Ban đầu phải khử từ cho lõi sắt (ví dụ cách nung tới điểm Curie, cho dòng điện xoay chiều cường độ giảm dần qua nam châm) Khi đo, cho I tăng (Chọn ĐTQGNA năm hc 2007 2008)Cho lới rộng vô hạn đợc hàn từ kim loại khác điện trở tạo nên cạnh hình vuông bé khác (hình 3) Chỉ dùng Ôm kế dây nối (điện trở dây không đáng kể) Hãy xác định điện trở rx IK hình vẽ mà không đợc cắt .Dùng dây nối điểm A, B, C gần K với Lúc mạch điện trở thành (r x nèi tiÕp bé ®iƯn trë RKB’ ) // R I (H3) Trong ®ã R tổng điện trở tơng đơng điện trở lại B' điểm chập A, B K Mạch điện đợc vẽ lại nh hình bên .Tiến hành ba lần đo nh sau: - Lần 1: Dùng dây nối K B' mắc K rx K I B ’ R Ômkế vào I K Đọc số Ôm kế R1 Ta cã: 1 R1 rx R (1) - Lần 2: Dùng dây nối I K mắc Ôm kế vào K B Đọc số Ôm kế R Ta có: 1 (2) R R KB ' R - Lần 3: Dùng dây nối I B', mắc Ôm kế vào I K Đọc số Ôm kế R3 Ta có: 1 R rx R KB ' (3) Tõ (1), (2), (3) ta đợc: rx 2R1R 2R R1R R R R1R (4) Thay giá trị R1, R2, R3 biết lần đo vào (4) ta tìm đợc điện trở rx IK 4: Cho dụng sau: Mét hép ®iƯn trë mÉu cho phÐp tuỳ chọn điện trở có trị số nguyên từ 10 đến vài M Một nguồn điện xoay chiều có tần số f biết có hiệu điện hiệu dụng hai cực không đổi y a x x x x Mét ngn ®iƯn mét chiỊu x Một máy đo điện cho phép đo đợc cờng độ dòng điện hiệu điện (một chiều, xoay chiều) Các dây nối, ngắt điện có điện trở không đáng kể Một đồng hồ đo thời gian Hãy lập ba phơng án xác định điện dung tụ điện Yêu cầu nêu: nguyên tắc lí thuyết phép đo, cách bố trí thí nghiệm, cách tiến hành thí nghiệm, công thức tính toán, điều cần ý để giảm sai số phép đo GIảI: Nêu phơng án sau:Phơng ¸n 1: M¾c tơ víi ngn mét chiỊu cho tÝch ®iƯn ®Çy råi cho phãng ®iƯn qua ®iƯn trë lín Đo hiệu điện U0 nguồn hiệu điện tụ vôn kế, đo t đồng hồ đọc trị số R hộp điện trở t Tõ u = U0 e RC ta tÝnh đợc C Nếu chọn u =U0/e C = t/R Cần chọn R lớn ( cỡ M) để thời gian phóng điện đủ lớn ( cỡ s) Phơng án 2:Lắp mạch gồm tụ nối tiếp với hộp điện trở nối với nguồn Lần lợt đo hiệu điện UR điện trở, UC tụ ( điều chỉnh cho hai hiệu điện gần nhau), sÏ suy cã: U UR RC2f R ; C UC R 2fU C C K A Phơng án 3: Dùng máy đo vạn (Để nấc đo cờng I độ ) mắc nối tiếp với tơ ®Ĩ ®o I qua tơ, tÝnh C = 2fU Phơng án 4: Mắc sơ đồ nh hình vÏ Dïng hép ®iƯn trë R nh mét biÕn trë điều chỉnh cho chuyển khoá K hai chèt kim ampe kÕ ®Ịu chØ nh Lóc ®ã dung kháng tụ điện trở R.(Bỏ qua ®iƯn trëcđa dơng ®o) VËy C = R 2f Bài Mục đích thí nghiệm: Định luật Stockes lực cản môi trờng vật hình cầu chuyển động môi trờng nhớt cho biết: cờng độ lực cản phụ thuộc vào vận tốc chuyển động vật Đối với vật có hình dạng khác, chẳng hạn hình trụ, phụ thuộc nào? Cần phải làm thí nghiệm để tìm hiểu điều Thiết bị thí nghiệm: a) Một bình thuỷ tinh hình trụ có đờng kính 15 cm, cao 1m, thành bên có chia độ Bình đợc lắp vào giá đỡ chắn để giữ vị trí thẳng đứng b) Một số ống thuỷ tinh nhỏ hình trụ, rỗng, thành mỏng, có nút đậy Các ống có đờng kÝnh 0,4 cm ; 0,5 cm vµ 0,6 cm vµ chiỊu cao cm, cm vµ cm c) Một hộp viên chì nhỏ, cho vào ống thuỷ tinh d) Một cân xác e) Một thớc có chia độ đến milimét f) Một thiết bị đo thời gian gồm hai cổng quang ®iƯn nèi víi ®ång hå ®iƯn tư hiƯn sè Khi cã mét vËt chun ®éng qua cỉng quang ®iƯn thứ đồng hồ bắt đầu đếm thời gian ngừng đếm vật qua cổng quang điện thứ hai Số đồng hồ thời gian vật chuyển động quãng đờng hai cổng quang điện Các cổng quang điện lắp vị trí cao thấp khác bên thành bình thuỷ tinh nhờ giá đỡ g) Một can dầu ăn, đủ để đổ đầy bình thuỷ tinh Yêu cầu xây dựng phơng án thí nghiệm: a) Trình bày sở lý thuyết thí nghiệm Viết công thức phơng trình cần thiết b) Vẽ sơ đồ thí nghiệm c) Trình bày phơng án thí nghiệm nêu quy trình đo d) Trình bày c¸ch xư lý sè liƯu thùc nghiƯm e) Dù kiÕn kết thí nghiệm giải a) Cơ sở lý thuyết cđa thÝ nghiƯm: NÕu cho mét vËt cã träng lỵng đủ lớn rơi theo phơng thẳng đứng chất lỏng nhớt tiên rơi nhanh dần trọng lực lớn lực cản Khi lực cản tăng lên gia tốc vật giảm dần Đến mức độ tổng hợp lực cản lực đẩy Archimède tác dụng lên vật cân với trọng lực vật chuyển động thẳng Lúc ta có: Fc + FA = P = mg Hay: Fc = mg - FA (1) Nếu ta thay đổi khối lợng vật mà không làm thay đổi hình dạng kích thớc lực đẩy Archimède mà chất lỏng tác dụng lên vật không thay đổi Hệ thức (1) cho ta lực cản hàm bậc khối lợng vật Mặt khác, ta lại biết lực cản môi trờng phụ thuộcrất mạnh vào hình dạng kích thớc vật chuyển động 10 Do đó, để nghiên cứu riêng phụ thuộc lực cản vào vận tốc vật cần phải giữ nguyên hình dạng kích thớc vật Nếu lực cản lại tỷ lệ thuận với vậntốc vật chuyển động thì, theo hệ thức (1), vận tốc cđa vËt sÏ lµ mét hµm bËc nhÊt cđa khèi lợng vật Vì vậy, ta nghiên cứu dạng đồ thịv = f(m) để rút kết luận cần thiết b) Sơ đồ thí nghiệm hình bên: c) Phơng án thí nghiệm nh sau: Cho ống thuỷ tinh, đựng viên chì rơi bình đựng dầu ăn ống chuyển động đo vận tốc ống (bằng cách đo quãng đờng thời gian chuyển động) Phải làm vài lần để khẳng định chuyển động Đo khối lợng ống viên chì Thay đổi số viên chì làm lại thí nghiệm Quy trình thí nghiệm nh sau: Bớc 1: Chọn vật rơi: Phải chọn ống thuỷ tinh chứa đợc nhiều viên chì mà đạt đến trạng thái chuyển động phạm vi bình đựng dầu Đồng thời vận tốc chuyển động lại đo đợc Bớc 2: Cân khối lợng vật rơi Bớc 3: Cho vật rơi đo vận tốc vật giai đoạn chuyển động thẳng Phải đo số quãng đờng khác để xác nhận chuyển động thẳng Bớc 4: Thay đổi số bi chì lặp lại thí nghiệm nh Phải lấy nhiều số liệu để vẽ đồ thị d) Lập bảng biến thiên xác định sai số: Vẽ đồ thị v = f(m) rút kết luận cần thiết Cần xem, phạm vi sai số, điểm biểu diễn có nằm đ ờng thẳng hay không? e) Dự đoán kết quả: Có lẽ Fc tỷ lệ thuận với v đồ thị thu đợc đoạn thẳng Bài 6: Cho dụng cụ: - Bộ dụng cụ điện phân (bình đựng dung dịch CuSO 4) hai điện cực đồng dòng điện không đổi - Cân nhạy có cân - Ampe kế (A) - Đồng hồ bấm giây - Biến trở Nêu phơng án thí nghiệm xác định qe Giải Cơ sở lý thuyết: Muối CuSO4 dung dịch phân ly thành Cu 2+ SO 24 có dòng điện chạy qua bình điện phân Ion Cu 2+ chạy điện cực katốt (-) bám vào đó; SO 24 chạy điện cực anốt 11 Khi bám vào anốt, SO 24 liên kết với nguyên tử Cu loại bỏ electron (2e) để tạo thành muối CuSO4 Từ dẫn đến nồng độ muối CuSO không đổi đồng âm tăng lên Mỗi ion Cu2+ bám vào katốt nhận lấy 2e- để trung hoà điện cực tìm đợc số nguyên tử đồng bám vào ta tìm đợc Katốt anốt K điện lợng q chuyển qua mạch Đo đợc cờng độ dòng điện thời gian t ta xác định đợc từ rút e TiÕn hµnh thÝ nghiƯm Bè trÝ nh hình vẽ Cu2+ - Tiến hành: A SO42Bớc 1: Cân khối lợng katốt (m1) Bớc 2: Cố định biến trở R Đóng k, đọc thời gian (bấm đồng hồ) I (t1), đọc số (A), (I) Bớc 3: Chờ đợi sau thêi gian t R hå (t ) (30 < t < 50 phút) ngắt k, đọc số đồng Đem katốt sấy khô cân lên đợc m2 Bớc 4: Nhúng katốt vào lắp lại nh khoảng lần với thời gian cách 10 phút Bớc 5: Thay đổi giá trị R; lặp lại bớc nh (khoảng đến lần) (Tất số liệu cân đô đếm phải ghi vào giấy) Xử lý số liệu - Điện lợng truyền qua tiết diện dây: q = It = I(t2 - t1) - Khối lợng đồng bám thêm vào: m = (m2 - m1) - Số nguyên tử đồng bám vào katốt: n = m N A (NA = 6,02.1023 hạt/ mol số M Avôgađrô) - Mỗi ion Cu2+ bám vào nhận 2e nguyên tử Cu n ion Cu2+ nhận 2ne để trung hoà thành nguyên tử Cu Mặt khác 2nqe điện lợng gửi qua dây q = 2nqe. It = 2nqe = m NA.qe M qe = MIt 2mN A Đánh giá sai số: Tìm qe sau lần thay đổi t, m, I để tính q e , tính sai số Kết cđa thÝ nghiƯm lµ qe q e qe Trọng trờng kế dụng cụ dùng để xác định độ cao nơi so với mặt biển dựa vào việc xác định độ biến thiên gia tốc träng trêng Mn cho sai sè vỊ ®é cao cần xác định m độ xác g gia tốc trọng trờng phải bao nhiêu? Lấy g0 = 9,8 m/s2 bán kính Trái Đất R = 6400 km C m Cã thÓ dïng lắc đơn làm trọng trờng kế đợc không? Tại sao? Hình bên sơ đồ trọng trờng kế dùng nặng, dùng để xác định độ cao với sai số 5m Ba OB, OC, OD có chiều dài l, trọng lợng không đáng kể, đợc gắn với thành khung cøng; ba ®iĨm B, O, D l D M l l B O k A12 thẳng hàng; OC vuông góc với BD Điểm B đợc gắn vào đầu đinh vít A giá máy nhờ lò xo có độ cứng k đầu C D có gắn nặng có khối lợng lần lợt m M Khung BCD đợc đặt nằm mặt phẳng thẳng đứng quay không ma sát quanh trục qua O vuông góc với mặt phẳng khung Góc quay BOD xác định xác đến 0,50 a Nêu nguyên tắc hoạt ®éng cđa träng trêng kÕ nµy b Cho l = 20 cm; m = 100 g Tìm hệ thức M k Giải: (Trọng trờng kế) mg0 G mM d ; R2 m g0 g G mM d R h 2 � � g0 g � R � � � g 2h � � ; 1 ; ; 1 � � h g0 g0 1 2h R �R h � � 1 � � R� R 2hg0 2.5.9,8 g ; 1,53.105 m/ s2 R 6400.10 g 1,53 5 ; 10 ; 1,56.106 g0 9,8 l � ln T ln 2 0,5ln l 0,5ln g g T l g g l T � 2 T 2l g g l T T 2 l nhá l¾m còng chØ vào 10-4; Vậy xa đạt yêu cầu câu l a mặt biển, điều chỉnh ®inh vÝt A cho BD n»m ngang Lªn cao trọng lợng Mg giảm, lực đàn hồi thế, BOD lƯch vỊ phÝa B Tuy träng lỵng Mg giảm chút ít, nhng có mômen phụ trọng lợng mg nên quay mạnh Đến vị trị cân mới, vào góc quay , ta tính đợc g Mgl cos mgl sin F� l sin b Mgcos mgsin F� sin F� k L � L k L l sin L k L L kl sin F k L L Mg0 F� Mg0 kl sin = 1, cos �1; sin � Mg ; mg F� mg Mg0 kl M g g0 mg kl Mg mg kl � m g0 g kl � � � Mg mg0 mg kl Thay sè vµo ta cã: M 1,14k 5,6 102 BàI 7: Hãy xây dựng phơng án đo cảm ứng từ lòng ống dây dài điện kế xung kích Điện kế xung kích điện kế khung quay mà khung điện kế có momen quán tính lớn Góc quay cực đại khung có dòng điện tức thời chạy qua khung tỉ lệ với điện lợng phóng qua khung 13 1) 2) 3) 4) Trình bày phơng án đo Lập công thức tính cảm ứng từ theo kết đo Nêu thiết bị bổ trợ cần dùng phép đo Cho biÕt sai sè tØ ®èi cđa phÐp ®o ®iƯn tÝch, phép đo điện trở, phép đo bán kính 1% Hãy ớc lợng sai số tỉ đối phép đo cảm ứng từ phơng pháp GIảI 1.Dùng cuộn dây bẹt có N vòng, có điện trở R, hai đầu đợc nối với điện kế xung kích G Lồng cuộn dây bẹt ống dây điện dài điểm Gọi B cảm ứng từ lòng ống dây điện dài mà ta cần xác định Từ thông qua ống dây bẹt: BS với S tiết diện ống dây Đột nhiên mở khoá K, suất điện động cảm ứng xuất èng d©y bĐt c N d dB NS dt dt Dòng điện cảm ứng tức thời chạy qua điện kế xung kích : ic dB R R i c dt dq NS NS dB B R NS q dq Suy ra: B c NS dB R R dt Rq NS Biết R, N, S đo đợc q ta tính đợc B Phải dùng thêm cuộn dây bẹt có số vòng N điện trở R biết ngắt điện K a) Phải đo tiết diện S ống dây cách dung thíc kĐp ®Ĩ ®o ®êng kÝnh cđa èng dây điện dài b) Phải đếm số vòng dây N ống dây bẹt c) Phải đo điện trở R ống dây bẹt mạch cầu điện trở B q R S S 2r Coi nh N kh«ng cã sai sè, ta cã: Tõ S r , ta cã B q R S S r BiÕt r»ng sai sè tØ ®èi cđa phÐp ®o ®êng kÝnh cđa èng, cđa phÐp ®o ®iƯn tÝch vµ cđa phÐp ®o ®iƯn trë ®Ịu lµ 1% B 4% B Bµi 10 Cho: - Hai điện trở R1, R2 (không rõ trị số) - Mét biÕn trë R - Mét tơ xoay C (®äc đợc trị số) - Một ampe kế xoay chiều A - Một cuộn dây - Các dây nối - Một nguồn điện xoay chiều pha (biết tần số) Ta có U0 Hãy trình bày phơng án thí nghiệm (trong có sử dụng ba pha) để xác định hệ số tự cảm L cuộn dây Vẽ sơ đồ thí nghiệm tìm biểu thức tính L giải: Phơng án xác định hệ số tự cảm L Dùng dòng điện pha mắc nh Hình Ampe kế mắc dây trung hoà Điều chỉnh đồng thời tụ xoay biến trở ampe kÕ chØ sè Khi ®ã: I02 I012 I03 I01 U01 3 I 01 I 02 I 03 0 U03 14 Ta cã tg Z L Z C1 (1), C1 điện dung tụ xoay R r Đổi chỗ hai pha (1) (2) điều chỉnh tụ xoay ampe kÕ l¹i chØ sè Z ZC2 Khi ®ã tg '3 L (2), C2 lµ ®iƯn dung cđa tơ xoay R r Do 3' = - 3 nªn (ZL-ZC2) = - (ZL-ZC1) ZL Z C1 Z C 2 L ZC1 ZC 4 f ( Đề thi chọn HSG QG lớp 12 THPT năm 2002) 1.Biết số Avôgađô N = 6,023.1023mol-1, em muốn tự xác định lại giá trị điện tích nguyên tố e phương pháp điện phân Trong tay em có: Một dây đồng dây điện trở mayso (dùng bếp điện) Một đồng hồ vạn thị kim (vôn- ampe – ôm kế) rõ thông số máy Một acquy xe máy đổ dư axit nạp điện đủ (có thể lấy axit để dùng) Một bơm tiêm (loại 5cm3, có chia độ đến 0,1cm3) dùng để đo thể tích khí Các điện trở than (thường dùng để lắp mạch điện tử, sai số 2,5%) có giá trị 10 , 100 ; 1000 ; 5000 ; 20000 loại vài Vài pin khô hỏng (mà em phá để lấy vật liệu) Một số dụng cụ thông thường khác như: Đồng hồ bấm giây, nhiệt kế, thước chia độ tới milimet, cốc đong ) Hãy trình bày phương án thí nghiệm em 2.Khi bắt tay làm thí nghiệm, em phát thang đo dòng điện khơng hoạt động Em phải chuyển thang đo hiệu điện (từ đến 1V) thành thang đo cường độ dòng điện (từ đến 1A) Hãy đề xuất phương án chuyển thang đo em 3.Để thực phương án mình, em phải làm điện trở dây mayso có giá trị tính trước, thang đo điện trở đồng hồ vạn không dùng để đo điện trở nhỏ Hãy đề xuất phương án để làm điện trở ý muốn Lưu ý:Phương án thí nghiệm cần trình bày theo trình tự sau: Nguyên lý thí nghiệm, đại lượng cần đo cơng thức để tính giá trị đại lượng phải xác định Sơ đồ thí nghiệm, cách bố trí thí nghệm cụ thể cách làm thí nghiệm Phương pháp xử lý số liệu (nếu cần thiết) Ước tính sai số tỉ đối kết thí nghiệm mà em định làm (nếu cần thiết) Giải a)Nguyên lý: Dùng tượng điện phân Ta đo thể tính V khí H2 bay âm cực, áp suất p nhiệt độ T khí, điện lượng q = It chạy qua bình điện phân m m Gọi n số ngun tử hiđơ, ta có: q = 2ne = It Từ pV = RT n = NA, suy N pV q ItRT n A �e RT 2n pVN A b)Dùng nguồn điện acquy Chất điện phân dung dịch axit lấy acquy (pha lỗng) Đo thể tích khí hiđro: Dùng bơm tiêm Áp suất p = 1atm - gh – ph; ph áp suất bão hòa (Làm thí nghiệm khéo đạt h nhỏ, bỏ qua Khi tính bỏ qua áp suất não hòa) c)Sai số chủ yếu việc đo thể tích 2.Mắc song song vơn kế với điện trở nhỏ RS (sơn) cho điện trở cụm RA = 1,00 Muốn vậy, cần phải xác định điện trở nội RV vôn kế Đo suất điện động E acquy Mắc nối tiếp acquy với vôn kế điện trở than Ri cho Đọc số Ui vôn kế lập bảng: 15 R U Xử lý số liệu R1 U1 Theo định luật Ôm: E = Ui + R2 U2 R3 U3 R4 U4 Ui 1 Ri R Vẽ đồ thị biểu diễn Ri � theo i Đồ thị RV U i E RV E Ui E (Có thể dùng cơng thức hồi quy tuyến tính) Biết RV suy RS RV 3.Lấy ba điện trở than 10 để lắp ba nhánh cầu Uytx tow, dùng cầu để tạo đoạn dây may so có điện trở 10 Đo chiều dài L đoạn dây Đoạn dây dùng làm RS có chiều dài LS R LS L s 10 Dùng acquy làm nguồn điện, vôn kế mắc đường chéo cầu Thay đổi chiều dài L cầu cân cắt lấy chiều dài L Từ tạo đoạn dây có chiều dài LS cần thiết đường thẳng có hệ số góc 16 ... Một thi t bị đo thời gian gồm hai cổng quang điện nối víi ®ång hå ®iƯn tư hiƯn sè Khi cã mét vật chuyển động qua cổng quang điện thứ đồng hồ bắt đầu đếm thời gian ngõng ®Õm vËt ®i qua cỉng quang... thø hai Số đồng hồ thời gian vật chuyển động quãng đờng hai cổng quang điện Các cổng quang điện lắp vị trí cao thấp khác bên thành bình thuỷ tinh nhờ giá đỡ g) Một can dầu ăn, đủ để đổ đầy bình... nghiệm, em phát thang đo dòng điện khơng hoạt động Em phải chuyển thang đo hiệu điện (từ đến 1V) thành thang đo cường độ dòng điện (từ đến 1A) Hãy đề xuất phương án chuyển thang đo em 3.Để thực