Xây dựng một số bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp cơ sở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Chủ nhiệm đề tài: Ths TRẦN VĂN TẤN Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 Đt: 0903369252 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Xác nhận quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài Ths TRẦN VĂN TẤN Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Họ tên Trần Văn Tấn Đơn vị công tác lĩnh vực chuyên môn Tổ Vật lý đại cương, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp HCM Nội dung nghiên cứu phân công - Thiết kế lý thuyết, nguyên tắc tiến hành thí nghiệm cho - Viết tài liệu hướng dẫn thực hành thí nghiệm Nguyễn Hồng Long Phịng thí nghiệm đại cương, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM - Thiết kế, lắp đặt tiến hành thực nghiệm, lấy số liệu mẫu MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH MỤC LỤC TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Mục tiêu đề tài: Phương pháp nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: Đối tượng phục vụ: .8 KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI BÀI 1: BÀI 2: 20 BÀI 3: 26 BÀI 4: 36 BÀI 5: 40 BÀI 6: 44 BÀI 7: 49 BÀI 8: 55 BÀI 9: 59 BÀI 10: 62 KẾT LUẬN 65 CÁC KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 69 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Tên đề tài XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Chủ nhiệm đề tài: Ths TRẦN VĂN TẤN Cơ quan chủ trì đề tài: Trường đại học sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Cơ quan cá nhân phối hợp thực hiện: Thời gian thực hiện: Đt: 0903369252 CN Nguyễn Hoàng Long Từ tháng / 2010 đến tháng / 2011 1) Mục tiêu:  Lắp ráp viết tài liệu hướng dẫn 10 thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao với yêu cầu thí nghiệm: Chạy hoàn chỉnh, lấy số liệu với độ xác cao Lấy số liệu mẫu xử lý số liệu cho thí nghiệm  Viết tài liệu hướng dẫn để giúp cho sinh viên thực hành thí nghiệm 2) Nội dung chính:  Xây dựng thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao mới: Khắc phục thiếu đồng dụng cụ thí nghiệm, làm số chi tiết thiếu  Lắp ráp thí nghiệm theo cathaloque hang cung cấp thiết bị Lấy số liệu nhiều lần xử lý số liệu để có báo cáo mẫu  Viết tài liệu hướng dẫn thí nghiệm theo trình tự: chủ đề (mục đích thí nghiệm); nguyên tắc (cơ sở lý thuyết thí nghiệm ); bước tiến hành thí nghiệm; xử lý kết thí nghiệm  Nâng cấp hồn chỉnh thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao cũ: xếp lại bước tiến hành thí nghiệm cho hợp lý; hồn chỉnh tài liệu hướng dẫn; xử lý số liệu kết thực hành thí nghiệm 3) Kết đạt (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế xã hội) Đưa học phần thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao từ đơn vị học trình (hệ niên chế) lên hai đơn vị học trình (hệ tín chỉ) cho sinh viên ngành sư phạm vật lý SUMARY Project title: BUILDING SOME EXPERIMENTS FOR ADVANCED PHYSICAL EXPERIMENT SECTION Code: CS 2010.19.108 Project’ subject: MS TRẦN VĂN TẤN Office: University of Pedagogy Companion: BS Nguyễn Hoàng Long Time: From April 2010 to April 2011 (12 months) Phone : 0903369252 Objectives  To assemble and compose completely the guide for 10 advanced physical experiments in order that these experiments run smoothly and give data of high accuracy  To conduct each experiment, then to get and solve the sample data of each  To complete the document “Guide Material In Advanced Physical Experiment” for students Main contents  Building six new advanced physical experiments to repair the lack of synchronization of the experiments and innovate some lacked parts of each  Assembling experiments according to the catalogue of the company supplying devices  Conducting experiments many times to get more data and then solving these data to make sample reports  Completing the guide for each experiment in the order: the purpose of experiment, the principle (the fundamental theory), steps in doing the experiment, and the result of experiment  Improving and completing four old physical experiments by rearranging steps in doing the experiment in a reasonable way, completing the guide for each experiment and dealing with the experiment’s data and result Results obtained (science, application, education, social industry) Increasing the credit of the Advanced Physical Experiment course from one credit (in yearly – based curriculum) to two credits (in credit – based curriculum) for students in pedagogic system of Physics Department MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài:  Các thí nghiệm Vật lý đại cương (VLĐC) giảng dạy cho sinh viên phịng thí nghiệm Cơ - Nhiệt, Điện - Quang thuộc Khoa vật lý trường Đại học sư phạm TP HCM Tuy nhiên, có số thiết bị dùng lâu, hạn chế độ xác xác định thơng số vật lý Có số dụng cụ lạc hậu khơng đáp ứng yêu cầu cập nhật kiến thức VLĐC  Hiện phịng thí nghiệm Cơ - nhiệt, Điện - Quang có khoảng 20 thí nghiệm, nội dung gồm kiến thức bản, đề cập đến tượng, định luật vật lý cốt lõi, chủ yếu chưa đáp ứng yêu cầu chương trình đào tạo  Phịng thí nghiệm VLĐC nâng cao có chức cung cấp cho sinh viên khoa vật lý thí nghiệm VLĐC có nội dung chun sâu, bổ sung kiến thức thực hành mà hai phịng thí nghiệm cịn thiếu Hiện theo chương trình đào tạo theo niên chế phịng thí nghiệm VLĐC nâng cao có thí nghiệm với đơn vị học trình, để đáp ứng yêu cầu đào tạo theo học tín chỉ, học phần thực hành VLĐC nâng cao có hai tín cập nhật nội dung thí nghiệm, đề tài nâng cấp thí nghiệm cũ xây dựng thí nghiệm Mục tiêu đề tài:  Nâng cấp bốn thí nghiệm có lắp ráp sáu thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao với yêu cầu cho thí nghiệm chạy hồn chỉnh, lấy số liệu với độ xác cao đáp ứng yêu cầu nội dung tượng hay định luật vật lý thí nghiệm Lấy số liệu mẫu xử lý số liệu cho thí nghiệm  Sửa chữa hồn chỉnh tài liệu hướng dẫn thí nghiệm cũ viết cho mới, hoàn thành tập “Tài liệu thực hành vật lý đại cương nâng cao” Phương pháp nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: * Phương pháp nghiên cứu:  Dựa vào cathaloque thí nghiệm lắp ráp, khắc phục thiếu đồng thiết bị thí nghiệm Dùng phương pháp thống kê để xử lý số liệu thực nghiệm, đánh giá kết thí nghiệm  Nghiên cứu giáo trình môn học Cơ, Nhiệt, Điện , Quang kết hợp với tài liệu hãng cung cấp thiết bị thí nghiệm để viết tài liệu hướng dẫn thực hành vật lý đại cương nâng cao * Phạm vi nghiên cứu: Tồn thí nghiệm vật lý đại cương Đối tượng phục vụ:  Phần tài liệu hướng dẫn thực hành vật lý đại cương nâng cao phục vụ cho sinh viên hệ sư phạm vật lý, làm tài liệu tra cứu cho sinh viên muốn làm nghiên cứu khoa học mảng thực nghiệm vật lý Phục vụ cho sinh viên khoa vật lý làm tài liệu tham khảo để viết luận văn tốt nghiệp đại học  Phần thực hành vật lý đại cương nâng cao phục vụ cho sinh viên năm bốn hệ sư phạm vật lý đội tuyển dự thi Olympic vật lý hàng năm mảng nghiệm - Dụng cụ tạo vòng Newton - Diaphragm (màn chập ) - Đèn Na - Đèn Hg - Lọc sáng màu vàng - Lọc sáng màu lục - Lọc sáng màu lam - Bàn quang - Thấu kính f = 50 mm - Thấu kính f = 100 mm - Nguồn nuôi cho đèn - Thước kẹp , băng keo , giấy trắng - Màn ảnh bán suốt, di chuyển - Các kẹp gắn dụng cụ lên bàn quang III Lắp ráp dụng cụ: • Trường hợp với ánh sáng truyền qua: Hình a 121 IV Tiến hành thí nghiệm: Hình b 1- Xác định tỉ lệ xích ảnh: - Bỏ kính lọc khỏi giá đỡ - Di chuyển chút dụng cụ tạo vân tròn Newton (3) vật kính (4) ta thu ảnh rõ nét thước milimet (7) - Dùng bút chì đánh dấu khoảng cách chẳng hạn độ chia ảnh thước lên tờ giấy đính ảnh Sau dùng thước kẹp ta đo khoảng cách hai vạch đánh dấu xác định độ lớn ảnh B độ lớn vật trường hơp G = mm - Nếu thực phép đo với vài giá trị độ lớn vật ảnh khác lấy giá trị trung G bình tỉ số B 2- Xác định bán kính cong R thấu kính phẳng lồi: A E A A E A 122 - Dùng băng keo gắn miếng giấy có vẽ hệ tọa độ vuông góc với vòng tròn tâm có φ = 40mm (xem H.3) lên ảnh, cho gốc tọa độ trùng với tâm hệ vân Dùng bút chì vót nhọn đánh dấu giao điểm vân sáng với trục tọa độ Sau dùng thước kẹp ta dễ dàng đo bán kính ảnh vân sáng Rk - Sau xác định tỉ lệ xích ảnh, tức tỉ số kích thước vật G với kích thước ảnh B nói mục đây, ta tìm bán kính vân sáng ρk theo công thức sau : ρk = G * Rk B (2) Biết ρk dùng công thức (1) ta tính bán kính cong thấu kính phẳng lồi R 3- Xác định bước sóng λ vạch vàng, lục, lam đèn Hg Thay đèn Na đèn Hg Lần lượt đặt kính lọc đơn sắc màu vàng, lục, lam vào giá đỡ Mỗi lần thay kính lọc lại tiến hành phép đo giống mục để tìm ρk Vì biết R nên dùng công thức (1) ta tìm λ Hình Hình 123 V Kết quả: 1- Xác lập bán kính cong thấu kính phẳng lồi : * Lập bảng số liệu : (k số nguyên 0,1,2,3, ) số vạch 5 5 5 độ dài (mm) 18.22 17.92 17.90 18.00 17.84 17.88 KC vạch 3.644 3.584 3.580 3.600 3.568 3.576 KC trung binh 3.592 0.2784 G/B λ (10−6) Vàng (mm) Bậc k 2r 20.00 27.66 32.22 38.48 46.48 53.12 2r ngoai 23.34 30.78 36.16 41.62 47.20 55.74 2r 21.67 29.22 34.19 40.05 46.84 54.43 10.835 14.610 17.095 20.025 23.420 27.215 Đường kính (mm) Bán kính ảnh (mm) R ρκ Bán kinh cong G/B *Rk (mm) Bán kính mặt cầu 0.0006 3.0164 R (mm) 4.0674 4.7592 5.5749 6.5200 7.5766 1263.95 1295.91 1192.63 1213.03 1264.28 ∆ R 34.50 số vạch 5 5 5 độ dài (mm) 20.18 20.04 20.22 20.34 20.02 20.20 KC vạch 4.036 4.008 4.044 4.068 4.004 4.040 KC trung binh 4.033 124 0.2479 G/B λ (10−6) 0.0006 Vàng Bậc k R 22.06 30.62 43.94 45.98 47.68 R ngoai 27.32 34.88 45.18 46.38 48.64 R 24.69 32.75 44.56 46.18 48.16 Bán kính ảnh (mm) R ρκ 12.345 16.375 22.28 23.09 24.08 Bán kinh cong G/B *Rk (mm) 3.060 4.059 5.524 5.724 5.970 1207.94 1191.11 1278.46 1218.42 Đường kính (mm) Bán kính mặt cầu R (mm) ∆ R R= R ± ∆ R = 2- Xác định bước sóng 27.24 λ vàng , λ lục , λ lam phổ vạch đèn Hg Đối với trường hợp dùng kính lọc vàng, lục, lam ta thực đủ bước rk2 = .= Rλ Vì biết R nên suy λ cho trường k phần để hợp (chỉ đo λ) Đo λ luïc số vạch KC vạch 5 5 5 19.24 19.52 19.28 19.30 19.58 19.50 3.848 3.904 3.856 3.860 3.916 3.900 KC trung bình 3.881 G/B Lục R 12 Bậc k Đường kính (mm) 0.2577 2r 23.34 30.36 40.08 53.36 65.96 2r ngoai 25.18 32.06 43.37 54.48 67.42 2r 24.26 31.21 41.73 53.92 66.69 12.13 15.61 20.86 26.96 33.35 Bán kính ảnh (mm) R ρκ Bán kinh cong G/B *Rk (mm) Bước sóng ánh sáng lục 3.13 4.02 5.38 6.95 8.59 0.5333 0.5305 0.5379 0.5327 0.00215 125 số vạch KC vạch 5 5 20.14 20.02 20.18 20.18 20.22 4.028 4.004 4.036 4.036 4.044 KC trung bình 4.0296 G/B 0.2482 Lục 12 Bậc k 0.0005 R 23.68 30.62 42.32 55.24 68.76 R ngoai 25.78 34.08 44.64 56.78 69.84 R 24.73 32.35 43.48 56.01 69.30 12.365 16.175 21.740 28.005 34.650 4.0140 5.3951 6.9498 8.5989 0.5581 0.5414 0.5331 0.5342 Đường kính (mm) Bán kính ảnh (mm) R ρκ Bán kinh cong G/B *Rk (mm) 3.0685 Bước sóng ánh sáng lục 0.0082 số vạch KC vạch 5 5 19.24 19.52 19.28 19.30 19.50 3.848 3.904 3.856 3.860 3.900 KC trung bình 3.8736 G/B 0.2582 Lục 12 Bậc k Đường kính (mm) 0.0005 R 23.16 29.62 39.92 52.96 65.74 R ngoai 24.38 32.12 43.18 54.38 67.46 R 23.770 30.870 41.550 53.670 66.600 11.885 15.435 20.775 26.835 33.300 Bán kính ảnh (mm) R ρκ Bán kinh cong G/B *Rk (mm) Bước sóng ánh sáng lục 3.0682 3.9847 5.3632 6.9277 8.5967 0.5386 0.5369 0.5341 0.5398 0.00185 126 BÀI 9: ĐO VẬN TỐC ÁNH SÁNG (BẰNG XUNG ÁNH SÁNG) I Lý thuyết: - Dùng đèn phát xung ánh sáng cực ngắn cho ánh sáng phát qua kính bán mạ G: - Một phần ánh sáng xung phản xạ mặt gương G đập vào gương phản chiếu M2 tia phản xạ truyền ngược trở lại khúc xạ qua kính bán mạ G vào diod tiếp nhận ánh sáng, ánh sáng gây xung điện ghi hình dao động ký âm cực - Một phần ánh sáng xung truyền khúc xạ qua kính bán mạ G qua thấu kính hội tụ L truyền thẳng đến gương phản xạ M1 đặt cách xa 10m, xung đập vào bị phản xạ ngược trở lại truyền qua thấu kính L xuyên vào kính bán mạ G phản xạ vào kính diod tiếp nhận, biến thành xung điện thứ hai ghi hình dao động ký âm cực + Đo khoảng thời gian chênh lệch hai xung ánh sáng + Đo khoảng đường chênh lệch truyền xung ánh sáng ta tìm vận tốc ánh sáng II Dụng cụ: - Bộ máy phát xung ánh sáng - Thấu kính hội tụ tiêu cự f = 20 cm - Hai gương phản xạ M1 M2 - Dao động ký âm cực để đo thời gian chênh lệch hai xung ánh sáng - Thước đo khoảng cách 127 III Lắp ráp dụng cụ: Lắp ráp dụng cụ theo hình IV Tiến hành thí nghiệm: Hình 128 Hình Hình a Hình b 129 Hình c V Kết quả: ∆ t = t0 * n (s) * 10-7 Xung 10 MHz d (m) n (vạch) C= 0.531915 0.595745 0.638298 0.723404 9.60 30 30.08 10.81 34 29.88647 47 7.95 25 29.892 8.74 28 29.34143 2d * 10 ∆t ; C = 297.79 * 10 (m / s) C = C ± ∆ C = (m / s) Nhận xét: Kết thực hành gần với lý thuyết 130 ∆C = 1.86 * 10 (m / s) Bài 10: GIAO THOA KẾ MICHELSON (THÍ NGHIỆM VỀ GIAO THOA ÁNH SÁNG) I Lý thuyết: Hình - II Dụng cụ: - Nguồn sáng Laser khí Heli - Neon đơn sắc bước sóng λ = 6328 A0, (xem nguồn sáng điểm) - Hai gương phẳng M1 M2 mạ bạc - Kính bán mạ G để ánh sáng vừa truyền qua vừa phản xạ - Một thấu kính bé ảnh giao thoa lên - Một Panme kết nối thước vi cấp để đo độ dịch chuyển gương M2 (thay đổi vị trí gương M2 đến M2’) 131 III Lắp ráp dụng cụ: IV Tiến hành thí nghiệm: Trong quay caàn Panme (quay theo chiều kim đồng hồ) mắt theo dõi đếm số vân dịch chuyển Mỗi có vân dịch chuyển ta có hiệu quang lộ thay đổi bước sóng λ (của ánh sáng Laser) Ta có ∆δ1 = 2x1 = λ Hai vân dịch chuyển ta có Với n vân dịch chuyển ta có ∆δ2 = 2x2 = 2λ ∆δn = 2xn = nλ n : soá vân dịch chuyển x : độ địch chuyển M2 ta quay Panme λ : bước sóng ánh sáng Laser ( nguồn sáng điểm) Lưu ý: thí nghiệm ta không cần dùng kính bổ không cần quan sát vân trung tâm 2xn = n λ → λ = 2x n 132 V Kết quả: Tính sai số ∆λ đến A0 133 n (số vân) x1 60 60 60 60 60 22.50 23.75 15.66 20.33 17.90 x2 ∆x = x1 − x (mm) 22.479 23.73 15.64 20.311 17.882 λ 0.021 0.020 0.020 0.019 0.018 = 2x n 7000 6666 6666 6333 6000 λ = λ ± ∆ λ = 6533 ± 293 (A0) A E A E A E A E A n (số vân) x1 80 80 80 80 80 23.88 22.77 20.30 18.00 15.94 x2 ∆x = x1 − x (mm) 23.854 22.752 20.276 17.975 15.916 0.026 0.025 0.024 0.025 0.024 λ = 2x n 6500 6250 6000 6250 6000 λ = λ ± ∆ λ = 6150 ± 160 (A0) A E A E A E A E A n (số vân) x1 100 100 100 100 100 23.45 22.65 20.26 17.95 15.91 x2 ∆x = x1 − x (mm) 23.419 22.617 20.228 17.917 15.870 0.031 0.033 0.032 0.033 0.031 λ = 2x n 6200 6600 6400 6600 6200 λ = λ ± ∆ λ = 6400 ± 160 (A0) A E A E A E A E A n (số vân) x1 120 120 120 120 120 23.41 22.60 20.21 17.90 15.87 x2 ∆x = x1 − x (mm) 23.373 22.563 20.173 17.863 15.833 0.038 0.037 0.038 0.037 0.037 λ = 2x n 6333 6167 6333 6167 6167 λ = λ ± ∆ λ = 6233 ± 80 (A0) A E A E A n (số vân) E A E A x1 x2 ∆x = x1 − x 134 λ = 2x 150 150 150 150 150 23.37 22.56 20.17 17.85 15.82 (mm) 23.323 22.512 20.133 17.802 15.775 0.047 0.048 0.047 0.048 0.047 6267 6400 6267 6400 6267 λ = λ ± ∆ λ = 6320 ± 64 (A0) A E A E A E A E A Nhận xét: Số vân nhiếu sai số nhỏ, kết thu gần thực tế 135 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108... TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Tên đề tài XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Chủ nhiệm đề tài: Ths TRẦN VĂN TẤN Cơ quan... VLĐC nâng cao có hai tín cập nhật nội dung thí nghiệm, đề tài nâng cấp thí nghiệm cũ xây dựng thí nghiệm Mục tiêu đề tài:  Nâng cấp bốn thí nghiệm có lắp ráp sáu thí nghiệm vật lý đại cương nâng