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

c Thực hiện thí nghiệm: * Tạo sóng cầu: Nối bộ kích thích dạng điểm tạo sóng cầu như hình 2 Đặt tần số máy thích hợp bằng nút e và từ từ tăng biên độ kích thích bằng nút d cho đến khi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Trần Văn Tấn Tổ Vật lý đại cương, Khoa

Vật lý, Trường Đại học Sư

phạm Tp HCM

- Thiết kế lý thuyết, nguyên tắc tiến hành thí nghiệm cho từng bài

- Viết tài liệu hướng dẫn thực hành các bài thí

MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN

VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3

MỞ ĐẦU 7

1 Tính cấp thiết của đề tài: 7

2 Mục tiêu của đề tài: 7

3 Phương pháp nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: 8

4 Đối tượng phục vụ: 8

KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 9

BÀI 1: 9

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

Cơ quan chủ trì đề tài: Trường đại học sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh

1) Mục tiêu:

 Lắp ráp và viết tài liệu hướng dẫn 10 bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao với yêu cầu từng bài thí nghiệm: Chạy hoàn chỉnh, lấy được số liệu với độ chính xác cao Lấy số liệu mẫu và xử lý số liệu cho các bài thí nghiệm

 Viết tài liệu hướng dẫn để giúp cho sinh viên thực hành bài thí nghiệm

2) Nội dung chính:

 Xây dựng mới 6 bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao mới: Khắc phục sự thiếu đồng bộ của các dụng cụ trong từng bài thí nghiệm, làm mới một số chi tiết còn thiếu

 Lắp ráp các bài thí nghiệm theo cathaloque của hang cung cấp thiết bị Lấy số liệu nhiều lần và xử lý số liệu để có bài báo cáo mẫu

 Viết tài liệu hướng dẫn từng bài thí nghiệm theo trình tự: chủ đề (mục đích thí nghiệm); nguyên tắc (cơ sở lý thuyết của thí nghiệm ); các bước tiến hành thí nghiệm;

xử lý và kết quả thí nghiệm

 Nâng cấp và hoàn chỉnh 4 bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao cũ: sắp xếp lại các bước tiến hành trong bài thí nghiệm cho hợp lý; hoàn chỉnh tài liệu hướng dẫn;

xử lý số liệu và kết quả thực hành thí nghiệm

3) Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế xã hội)

Đưa học phần thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao từ một 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

Project’ subject: MS TRẦN VĂN TẤN Phone : 0903369252

1 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

2 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

3 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

1 Tính cấp thiết của đề tài:

 Các bài thí nghiệm Vật lý đại cương (VLĐC) giảng dạy cho sinh viên ở các phòng thí nghiệm Cơ - Nhiệt, Điện - Quang thuộc Khoa vật lý trường Đại học sư phạm TP HCM Tuy nhiên, trong đó có một số bài thiết bị đã dùng quá lâu, hạn chế

độ chính xác khi xác định các thông số vật lý Có một số dụng cụ đã lạc hậu không đáp ứng được yêu cầu cập nhật kiến thức về VLĐC

 Hiện nay các phòng thí nghiệm Cơ - nhiệt, Điện - Quang có khoảng 20 bài thí nghiệm, nội dung của các bài này chỉ gồm các kiến thức cơ bản, đề cập đến các hiện tượng, định luật vật lý cốt lõi, chủ yếu do đó chưa đáp ứng được các yêu cầu của chương trình đào tạo

 Phòng thí nghiệm VLĐC nâng cao có chức năng cung cấp cho sinh viên khoa vật lý các bài thí nghiệm VLĐC có nội dung chuyên sâu, và bổ sung những kiến thức thực hành mà hai phòng thí nghiệm trên còn thiếu Hiện nay theo chương trình đào tạo theo niên chế phòng thí nghiệm VLĐC nâng cao có 4 bài thí nghiệm với một 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 chỉ và cập nhật nội dung các bài thí nghiệm, đề tài này nâng cấp 4 bài thí nghiệm cũ và xây dựng 6 bài thí nghiệm mới

2 Mục tiêu của đề tài:

 Nâng cấp bốn bài thí nghiệm hiện có và lắp ráp mới sáu bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao với yêu cầu cho từng bài thí nghiệm chạy hoàn chỉnh, lấy được số liệu với độ chính xác cao đáp ứng yêu cầu của nội dung về hiện tượng

3 Phương pháp nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu:

* Phương pháp nghiên cứu:

 Dựa vào cathaloque các bài thí nghiệm lắp ráp, khắc phục sự thiếu đồng bộ của các thiết bị thí nghiệm Dùng phương pháp thống kê để xử lý số liệu thực nghiệm, đánh giá kết quả thí nghiệm

 Nghiên cứu giáo trình các môn học Cơ, Nhiệt, Điện , Quang kết hợp với tài liệu do các hãng cung cấp thiết bị thí nghiệm để viết tài liệu hướng dẫn thực hành vật lý đại cương nâng cao

 Phần các bài thực hành vật lý đại cương nâng cao phục vụ cho sinh viên năm bốn hệ sư phạm vật lý và các đội tuyển dự thi Olympic vật lý hàng năm về mảng thì nghiệm

KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI

BÀI 1:

NGUYÊN LÝ HUYGHENS HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ VÀ KHÚC XẠ CỦA SÓNG NƯỚC

Quan sát sự chuyển động của nước trong sóng và so sánh với sự lan truyền của sóng

Đo bước sóng ở của sóng nước ở các tần số kích thích f khác nhau và tốc độ sóng v

Đo tốc độ lan truyền vgr của sóng

2) Nguyên tắc:

Mối quan hệ của mọi loại sóng đều có thể được thể hiện qua sóng nước Trong thí

nghiệm này, hiện tượng trên có thể quan sát bằng mắt thường và được xem như xảy ra theo hai chiều Do vậy, rất dễ giải thích và minh họa các khái niệm cơ bản của lan truyền sóng như mặt đầu sóng, bề mặt sóng, hướng lan truyền sóng, bó sóng, truyền năng lượng, tốc độ sóng, tốc độ lan truyền, sóng phẳng, hoặc sóng cầu Sóng nước được tạo ra trong bể tạo sóng, đáy bể tạo sóng có một tấm kính Để tạo sóng, bộ kích thích sóng thực hiện truyền dao động của màng xuất hiện do sự thay đổi trong áp suất không khí đến mặt nước

Nếu tia sáng từ đèn dạng điểm được chiếu xuyên qua bể tạo sóng, ngọn sóng sẽ trở thành thấu kính hội tụ và tạo ra các tia sáng trên màn quan sát, còn bể tạo sóng sẽ trở thành thấu kính phân kỳ tạo ra các đường tối Để hiển thị sóng dừng, đèn hoạt nghiệm được đồng bộ hóa với máy phát tần số để làm rung màng

Hình 1 Lắp thiết bị như hình 1

Lắp bể tạo sóng sao cho không bị rung giật, quan sát các thông tin trong bảng hướng dẫn

c) Thực hiện thí nghiệm:

* Tạo sóng cầu:

Nối bộ kích thích dạng điểm tạo sóng cầu như hình 2

Đặt tần số máy thích hợp bằng nút (e) và từ từ tăng biên độ kích thích bằng nút (d) cho đến khi quan sát thấy mặt đầu sóng (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng)

Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn

Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1)

Để quan sát hình ảnh của sóng dừng, bật máy hoạt nghiệm bằng công tắc (a) chờ một lúc cho máy nóng , ta dùng nút (b) để tinh chỉnh kích thích và tần số hoạt nghiệm đến khi hình ảnh sóng dừng xuất hiện.(Hình 2a)

Đặt các kích thích khác nhau trong khoảng từ 10 Hz đến 80 Hz và quan sát hình ảnh

sóng Điều chỉnh biên độ và đồng bộ hóa sau mỗi lần

• Bộ tạo sóng phẳng:

Nối bộ kích thích dạng điểm tạo sóng phẳng như hình 3

Chỉnh tần số 20 Hz bằng nút (e) và từ từ tăng biên độ kích thích bằng nút (d) cho đến khi quan sát thấy mặt đầu sóng (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng)

Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn

Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h2)

Để quan sát hình ảnh của sóng dừng, bật máy hoạt nghiệm bằng công tắc (a) chờ một lúc cho máy nóng , ta dùng nút (b) để tinh chỉnh kích thích và tần số hoạt nghiệm đến khi hình ảnh sóng dừng xuất hiện.(Hình 3a)

Đặt các kích thích khác nhau trong khoảng từ 10 Hz đến 80 Hz và quan sát hình ảnh

sóng Điều chỉnh biên độ và đồng bộ hóa sau mỗi lần

Quan sát chuyển động của nước trong sóng và so sánh với sự lan truyền của sóng;

Tắt máy hoạt nghiệm và quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi tia sáng

Cho một ít bóng styrofoam hoặc mảnh giấy ở các biên độ kích thích khác nhau, quan sát

vị trí các vật cho vào và so sánh với sự lan truyền của sóng

Đo bước sóng λ của sóng nước ở các tần số kích thích f khác nhau, và tính vận tốc sóng

Bật máy hoạt nghiệm và đồng bộ hóa hệ thống để tạo ra hình ảnh sóng dừng

Đo khoảng cách giữa hai mặt đầu sóng trên màn quan sát (g) Chú ý đến kích thước hình ảnh để từ đó xác định bước sóng thực tế (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng)

Đặt các kích thích khác nhau trong khoảng từ 10 Hz đến 80 Hz và quan sát hình ảnh

sóng như đã trình bày ở trên

Dựa trên giá trị đo được dùng để xác định bước sóng λ và các giá trị tần số đó đặt và

tính vận tốc sóng v = λ f cho từng cặp gía trị

Đo vận tốc lan truyền vgr của bó sóng

Để đo vận tốc lan truyền vgr = s t đặt một miếng trượt trên tấm kính cách bộ kích thích

20 Cm

Nếu cần quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng và vặn nút chỉnh biên độ (b) sang trái Để toàn bộ chiều dài bộ kích thích sóng chạm mặt nước và mặt đầu sóng tạo ra có

Sóng được bộ kích thích dạng điểm tạo ra lan truyền rất nhanh trên mặt sóng cầu Sóng được bộ kích thích sóng phẳng tạo ra lan truyền theo đường thẳng mặt đầu sóng vuông góc với hướng lan truyền

Biên độ giảm liên tục do sự suy giảm Hình ảnh sóng mờ dần do khoảng cách với bộ kích thích tăng lên

Khi sóng lan truyền, nước không bị dịch chuyển mà chỉ dao động Năng lượng dao động được chuyển đổi

Trong khoảng tần số từ 10 Hz đến 80 Hz bước sóng giảm dần do tần số tăng Dựa trên các giá trị đo đó cho, ta thấy tốc độ lan truyền vgr của bó sóng phù hợp với tốc độ lan truyền của sóng tính được từ tần số và bước sóng

Với sóng nước việc xác định lực giật lùi trên các hạt nước dao động được thực hiện dựa trên trọng lượng và sức căng bề mặt Tốc độ sóng v là hàm của bước sóng λ

v =

λ

πρ

σπ

2

Do độ tán sắc tốc độ sóng v và tốc độ lan truyền vgr khác nhau Tuy nhiên trong

khoảng ở ≥ 1,7 Cm tới ở ≤ 1,7 Cm độ tán sắc rất nhỏ nên ta có thể giả thiết rằng tốc độ sóng v và tốc độ lan truyền vgr xấp xỉ bằng nhau

Công thức (1) chỉ đúng với trường hợp nước có độ sâu tiêu chuẩn, với trường hợp nước nông có độ sâu h, tốc độ sóng hấp dẫn được tính theo công thức sau:

v =

π

λλ

π2

2tan h  g

Quan sát sự lan truyền của sóng nước phía sau cạnh (thay đổi hướng lan truyền)

Quan sát sự lan truyền của sóng nước qua khe hẹp (tạo sóng cầu)

Quan sát sự lan truyền của sóng nước qua cách tử (các sóng cầu chồng lên nhau để tạo ra một sóng phẳng)

2) Cơ sở lý thuyết:

Christiaan Huyghens đó tìm ra các khái niệm lan truyền sóng âm sau:

Mỗi điểm trên mặt đầu sóng được coi là điểm bắt đầu của “sóng gợn” hoặc sóng thứ cấp lan truyền theo cùng vận tốc và bước sóng của sóng khởi đầu

Phần bao phủ của toàn bộ sóng gợn đều là mặt đầu sóng mới

Để kiểm nghiệm lại nguyên lý Huyghens ta tạo ra một mặt đầu sóng phẳng trong bể tạo sóng đầy tạo cản trở tới một cạnh, khe hẹp, và một cách tử Ta có thể quan sát sự thay đổi hướng lan truyền phía sau cạnh, sự hình thành sóng cầu phía sau khe hẹp và các sóng cầu chồng lên nhau để tạo ra một sóng phẳng phía sau cách tử

Sự kết hợp giữa nguyên lý Huyghens và nguyên lý giao thoa nhằm lý giải sự nhiễu xạ của sóng nước qua khe hẹp hoặc qua cách tử do A.Fresnel khởi xướng được trình bày trong phần “Giao thoa súng nước”

3) Tiến hành thí nghiệm:

a) Thiết bị:

Bể tạo sóng với máy hoạt nghiệm , xà phòng

bộ kích thích sóng song song với chướng ngại vật khoảng 10 Cm

Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn

Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1)

Để quan sát hình ảnh của sóng dừng, bật máy hoạt nghiệm bằng công tắc (a) chờ một lúc cho máy nóng , ta dùng nút (b) để tinh chỉnh kích thích và tần số hoạt nghiệm đến khi hình ảnh sóng dừng xuất hiện

• Sự lan truyền của sóng sau khe hẹp:

Hình 4 b Đặt chướng ngại vật với khe rộng vào giữa bể tạo sóng phía dưới đèn Dùng hai miếng trượt để giảm độ rộng khe xuống nhỏ hơn bước sóng (xem hình 4 b) Để bộ kích thích sóng song song với chướng ngại vật khoảng 10 Cm

Thay đổi tần số , điều chỉnh biên độ và quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật

Dùng máy hoạt nghiệm quan sát hình ảnh sóng dừng

• Sự lan truyền của sóng phía sau chướng ngại vật:

Hình 4c Đặt chướng ngại vật với 15 cách tử khe hẹp vào giữa bể tạo sóng phía dưới đèn (xem hình

4 c) Để bộ kích thích sóng song song với chướng ngại vật khoảng 10 Cm

Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn

Chỉnh tần số 20 Hz và tăng biên độ kích thích đến khi quan sát được mặt đầu sóng

Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1)

Để quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật

Thay đổi tần số , điều chỉnh biên độ và quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật

Dùng máy hoạt nghiệm quan sát hình ảnh sóng dừng

* Sự lan truyền của bó sóng phía sau chướng ngại vật:

Sắp xếp chướng ngại vật như đã trình bày ở trên

Nếu cần quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng và vặn nút chỉnh biên độ sang trái để toàn bộ chiều dài bộ kích thích chạm mặt nước

b) Sự lan truyền của sóng phía sau khe hẹp:

Sóng sau khe không chỉ lan truyền theo hướng ban đầu mà theo mọi hướng ở dạng sóng cầu (nhiễu xạ sóng ở khe)

Khe liên quan với bước sóng khe hẹp, hiện tượng nhiễu xạ càng dễ quan sát

Do ta có thể lắp đặt khe ở bất cứ điểm nào của sóng di chuyển ngược với chướng ngại vật, nên theo nguyên lý thứ nhất của Huyghens mỗi điểm của mặt đầu sóng có thể được coi như phần khởi đầu của sóng mới (bó sóng)

c) Sự lan truyền của sóng phía sau cách tử:

Mỗi khe của cách tử tạo ra một sóng cầu Ta có thể coi đây như các bó sóng, các sóng cầu giao nhau và chồng lên nhau, các mặt đầu sóng mới được tạo ra Dựa trờn nguyên lý 2 của Huyghens ta có thể xem mặt đầu sóng mới như phần bao phủ của các bó sóng

III Sự phản xạ của sóng nước tại một vật cản phẳng;

1) Mục đích thí nghiệm:

Khảo sát sự phản xạ của sóng nước tại một vật cản phẳng

So sánh hướng truyền của sóng tới và hướng truyền của sóng phản xạ lại kiểm định lại định luật phản xạ (góc tới = góc phản xạ)

Khảo sát sự phản xạ của sóng cầu tại một vật cản phẳng

Hình 5

2) Cơ sở lý thuyết:

trong qúa trình lan truyền của sóng nước gặp vật cản sẽ bị phản xạ trở lại theo định luật Huyghens ta có thể quan sát các sóng phản xạ như là một vỏ bọc dành cho các sóng nhỏ được tạo ra bởi vật cản Sự phản xạ của sóng nước tại vật cản này có thể xem như hiện tượng phản xạ ánh sáng tại một gương phẳng trong quang học

Để có thể quan sát sự phản xạ này các sóng phẳng được tạo ra có thể lấp đầy các hừm sóng một tấm rào chắn phản xạ được đặt trong hừm, mặt đầu sóng và tấm rào chắn phản xạ này không song song với nhau Các tia sóng tuân theo định luật phản xạ: góc tới bằng góc phản xạ

Khi rào chắn khúc xạ và mặt đầu sóng thẳng được đặt song song với nhau thì khi đó tạo

ra hiện tượng sóng dừng Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về hiện tượng này trong thí nghiệm

“Hiện tượng sóng dừng ở trước rào chắn nhiễu xạ” như một phần của nhóm chủ đề “Sự giao thoa sóng nước”

Khi sóng cầu bị phản xạ các sóng bị phản xạ cũng trở nên đồng tâm Mỗi tia sóng bị phản

xạ lại tấm rào chắn khúc xạ tương ứng với định luật phản xạ, tâm điểm của sóng cầu bị phản

xạ trong điểm đối xứng qua gương của bộ kích thích

3) Lắp đặt thí nghiệm:

Hình 5 Lắp đặt thí nghiệm như trình bày ở hình 5

Tạo hõm sóng để tránh hiện tượng sốc hoặc rung, Quan sát tất cả các thông tin ghi trong bảng chỉ dẫn Sử dụng ống thăng bằng và đặt dĩa thũy tinh theo hướng thẳng đứng

Nối bộ kích thích sóng thẳng như đã mô tả ở hình 3, và đặt tấm phản chiếu nghiêng một góc 450 đối với bộ kích thích ở giữa của hõm sóng

Gắn tấm bảng trong vào màn hình quan sát (g) bằng cách sử dụng băng dính

 Thay đổi độ chìm sâu của bộ kích thích (nếu cần) bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (h1)

 Đo và so sánh hướng của sự lan truyền và bước sóng của các mặt đầu sóng tới và mặt đầu sóng phản xạ

 Tiến hành với các tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 30 Hz

 Để so sánh định lượng các hướng cả sự lan truyền sóng và các bước sóng thỡ bật mỏy hoạt nghiệm lên, sau một thời gian khởi động máy ấm lên có thể tiến hành điều chỉnh

sự kích thích và tần số của máy hoạt nghiệm bằng cách sử dụng nút điều chỉnh (b) cho đến khi xuất hiện hình ảnh sóng dừng

 Vẽ phác thảo tấm rào chắn khúc xạ hướng của sự lan truyền sóng và khoảng cách của các mặt đầu sóng lên tấm bảng trong

 Vẽ trục của tia tới và đo góc của tia tới và góc của sự phản xạ

 Đo và so sánh bước sóng của cả hai vùng

 Thay đổi hướng sóng tới bằng cách quay rào chắn khúc xạ, đo và so sánh góc của tia tới và góc phản xạ ở mỗi vị trí

 Lặp lại các bước tiến hành thí nghiệm với các tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 60 Hz nếu cần có thể tiến hành điều chỉnh hệ thống

 Lặp lại thí nghiệm với một bó sóng Nếu cần có thể điều chỉnh chùm tia phát ra từ dĩa hoạt nghiệm, quay nút biên độ (d) sang bên trái và ấn nút kéo (c) để tạo ra sự kích thích sóng đơn

b) Sự phản xạ sóng cầu:

 Nối bộ kích thích dạng điểm như hình 2 để chỉnh bộ kích thích ở phía trước của rào chắn khúc xạ khoảng 4Cm

 Điều chỉnh biên độ để mặt đầu sóng phản xạ có thể nhìn thấy một cách rõ ràng Biến đổi độ ngập (nếu cần) bằng vít điều chỉnh (h2)

 Đo và so sánh hướng của sự lan truyền và bước sóng của các mặt đầu sóng tới và mặt đầu sóng phản xạ

 Tiến hành với các tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 30 Hz

 Sử dụng máy hoạt nghiệm để tạo ra các hình ảnh sóng dừng Tạo ra tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 60 Hz

 Lặp lại thí nghiệm với một bó sóng

Trong quang học ta có thể coi vật cản cong như một thiết bị khúc xạ lồi hay lõm Trong qúa trình khúc xạ tại những “gương” này ta có thể quan sát thấy sự hội tụ tại tiêu điểm cũng như sự phân tán từ tiêu điểm Tiêu cự bằng một nữa bán kinh cong của “gương’

Để có thể quan sát hiện tượng khúc xạ, ta tạo sóng phẳng tại bể tạo sóng chứa đầy nước

b) Lắp đặt:

Hình 7a Lắp thiết bị như hình 7 a

Lắp đặt phần bể tạo sóng sao cho không bị rung, giật Chú ý các thông tin trong bảng

hướng dẫn phần bể tạo sóng

Đặt thấu kính nhựa hai mặt lồi vào giữa bể tạo sóng và đổ nước vào bể tạo sóng để thấu kính ngập trong nước khoảng 5mm

Nối bộ kích thích sóng phẳng với mặt lồi của thấu kính và cách thấu kính 15 Cm

Dùng băng dính gắn tấm bảng trong lên màn quan sát (g)

c) Thực hành thí nghiệm:

* Khúc xạ sóng phẳng qua “gương lồi”

 Nếu cần thiết quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (f) sao cho tấm thủy tinh ở đáy bể tạo sóng được chiếu sáng hoàn toàn

 Sử dụng nút (e) để tạo ra tần số 20 đến 30 Hz và cẩn thận tăng biên độ kích thích

bằng cách sử dụng nút (d) cho đến khi các mặt đầu sóng được nhìn thấy một cách rõ ràng (xem bảng hướng dẫn dành cho phần bể tạo sóng)

 Thay đổi độ chìm sâu của bộ kích thích (nếu cần) bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (h1)

 Quan sát hình dạng mặt đầu sóng được khúc xạ

 Bật máy hoạt nghiệm lênn bằng công tắc (a), sau một thời gian khởi động máy ấm lên

có thể tiến hành điều chỉnh sự kích thích và tần số của máy hoạt nghiệm bằng cách sử dụng nút điều chỉnh (b) cho đến khi xuất hiện hình ảnh sóng dừng

 Vẽ lại hình ảnh của sóng tới và sóng khúc xạ lên tấm bảng trong

 Lặp lại thí nghiệm với một bó sóng Nếu cần thiết quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi

đường đi của tia sáng, vặn nút chỉnh biên độ (d) sang bên trái và ấn nút kéo (c) để tạo ra sự kích thích sóng đơn

* Khúc xạ sóng phẳng qua “gương lõm”

 Thay thấu kính hai mặt lồi bằng thấu kính hai mặt lõm Để một mặt lõm của thấu

kính song song với bộ kích thích như hình 7 b

 Nếu cần thiết quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (f) sao cho tấm thủy tinh ở đáy bể tạo sóng được chiếu sáng hoàn toàn

 Sử dụng nút (e) để tạo ra tần số 20 đến 30 Hz và cẩn thận tăng biên độ kích thích

bằng cách sử dụng nút (d) cho đến khi các mặt đầu sóng được nhìn thấy một cách rõ ràng (xem bảng hướng dẫn dành cho phần bể tạo sóng), sau đó dùng bộ kích thích tạo sóng

phẳng

 Thay đổi độ chìm sâu của bộ kích thích (nếu cần) bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (h1)

 Quan sát hình dạng mặt đầu sóng được khúc xạ

 Bật máy hoạt nghiệm lên bằng công tắc (a), sau một thời gian khởi động máy ấm lên

có thể tiến hành điều chỉnh sự kích thích và tần số của máy hoạt nghiệm bằng cách sử dụng nút điều chỉnh (b) cho đến khi xuất hiện hình ảnh sóng dừng

 Vẽ lại hình ảnh của sóng tới và sóng khúc xạ lên tấm bảng trong Đánh dấu các điểm sóng khúc xạ hội tụ tròn

Hình 7 b

4 ) Kết quả:

a) Khúc xạ sóng phẳng qua “gương lồi”

Thiết bị kích thích tạo sóng khúc xạ sóng tới như sóng tròn Sóng tròn khúc xạ xuất phát

từ bộ kích thích dạng điểm (tiêu điểm) phía sau bộ kích thích lồi (xem hình 1)

b) Khúc xạ sóng phẳng qua “gương lõm”

Thiết bị kích thích lõm tạo sóng khúc xạ sóng tới như sóng tròn hội tụ tại một điểm (tiêu điểm)

Trong các trường hợp độ cong của mặt đầu sóng khúc xạ tại thiết bị kích thích lớn hơn

độ cong của thiết bị khúc xạ

Phát hiện sự giao thoa của sóng nước đằng sau một khe kép

So sánh các giản đồ giao thoa

Các điểm khác nhau của sự khác biệt đường dẫn nằm trên đường Hyperbol (xem hình 1)

ở đó, các tiêu điểm là tâm điểm của bộ kích thích

Vị trí của chúng có thể mô tả bằng góc α (xem hình 2), góc này tạo ra trục tâm ở giữa

tâm điểm của bộ kích thích

Đối với điểm cực đại thì:

sin α =

d

nλ (ở đó n = 0, ± 1, ± 2 …)

λ: là bước sóng

Đối với bể tạo sóng thì sự chồng chất lên nhau của các sóng cầu là tự phát, ví dụ như sử dụng bộ kích thích dạng điểm, bộ kích thích này được nối kết với màng của thiết bị cung cấp để phát ra sóng cầu với cùng tần số và biên độ Sự dội lại của các sóng cầu tại một vật cản phẳng sẽ gây ra cùng kết quả Sự phản chiếu gương của tâm điểm bộ kích thích sẻ tạo ra một tâm điểm kich thích thứ hai Khi mặt cầu sóng thẳng ở trên vật cản có hai khe hẹp thì sự chồng chập lên nhau của các sóng cầu cũng được hình thành ở phía sau của các khe hẹp này Sự kích thích kép và khe kép tạo ra hiện tượng giao thoa tương tự

Tạo bể tạo sóng để không gây ra hiện tượng sốc hay rung, quan sát tất cả các thông tin đưa ra trong bảng chỉ dẫn

Nối hai bộ kich thích dạng điểm để tạo ra sự kích thích kép với khoảng cách 8 Cm nhu trình bày ở hình 4

4) Các bước tiến hành:

a) Sự giao thoa của hai tia thông qua sự kích thích kép:

Nếu cần, có thể điều chỉnh chùm tia phát ra từ dĩa hoạt nghiệm bằng cách sử dụng các vít có khóa sao cho tấm thủy tinh ở đáy bể tạo sóng được chiếu sáng hoàn toàn Biến đổi độ ngập khi cân bằng , bằng việc điều chỉnh vít

Quan sát vị trí và số lượng của cực đại và cực tiểu giao thoa

Vẽ phát thảo các tâm điểm kích thích và đường Hyperbol của sự giao thoa trên tấm bảng trong

Đo bước sóng λ , khoảng cách của bộ kích thích và các hướng α mà ở đó xuất hiện

sự giao thoa cực tiểu Phải chắc chắn rằng đặt thước đo vào để xác định bước sóng (xem bảng chỉ dẫn dành cho bể tạo sóng)

Giảm khoảng cách giữa các bộ kích thích xuống còn 4,2 Cm và lặp lại các bước tiến hành thí nghiệm

So sánh hai bảng giao thoa

Tạo ra tần số khoảng 10 – 40 Hz ở bước tiến hành thí nghiệm tạo ra tần số 5Hz Đối với mỗi loại tần số phải ghi nhớ bước sóng, vị trí và số lượng của đường giao thoa

Hyperbol Vẽ thêm một vài đường giao thoa trên các tấm bảng trong khác để cho phép đánh giá định lượng so sánh các bảng giao thoa

Ghi nhớ: Sự thay đổi vị trí của đường giao thoa Hyperbol có thể quan sát cụ thể rõ

ràng bằng cách giảm liên tục hay tăng liên tục tần số

b) Sự giao thoa hai tia tại khe kép:

Di chuyển hai bộ kích thích dạng điểm và đặt một vật cản có 4 khe vào giữa hõm của

sóng ngay dưới đèn

Nối bộ kích thích với các sóng thẳng như đã vẽ ở hình 5 và tạo ra một đường song song với khoảng cách 5 Cm

Hình 5 Phủ lên hai khe bên trong bằng cách sử dụng các tấm phủ hẹp (khoảng cách giữa các điểm giữa của khe là 4,2 Cm)

Tạo ra một tần số khoảng 25 Hz và cẩn thận tăng biên độ kích thích cho đến khi các mặt đầu sóng có thể nhìn thấy một cách rõ ràng (xem bảng hướng dẫn bể tạo sóng) Biến đổi độ chìm khi cần bằng việc điều chỉnh vít

Quan sát vị trí và số lượng giao thoa cực đại và cực tiểu

Vẽ phát thảo các tâm điểm của bộ kích thích và đường giao thoa Hyperbol trên tấm bảng trong

Đo bước sóng λ , khoảng cách của bộ phận kích thích và các hướng α mà ở đó xuất hiện sự giao thoa cực tiểu

So sanh bảng giao thoa với bảng giao thoa của sự kích thích kép (khoảng 4,2 Cm và tần số 25 Hz)

Thay đổi khoảng cách d giữa các điểm giữa khe bằng cách trước tiên phủ lên khe thứ hai và khe thứ tư, sau đó hai khe ở bên ngoài như hình 7, và sau đó lặp lại các bước tiến hành thí nghiệm cho mỗi sự nối kết

So sánh các bảng giao thoa của hai bảng vẽ giao thoa

Hình 6

5) Kết quả:

a) Sự giao thoa của hai tia thông qua sự kích thích kép:

Sóng cầu tạo ra bởi bộ kích thích kép được chồng lên nhau tại điểm chúng gặp nhau Các

vị trí không có sự dịch chuyển sóng là điểm dừng (cực tiểu)

Điểm cực đại và điểm cực tiểu được ghi trên dọc đường Hyperbol với các tâm điểm của

bộ kích thích như là điểm trọng tâm Các mối liên hệ này đó được đưa ra ở phần nguyên tắc chi vị trí của các đường Hyperbol được xác định bởi thí nghiệm

Các bảng giao thoa xác định bởi khoảng cách của các bộ kích thích và bởi bước sóng Số lượng đường Hyperbol tăng lên cùng với khoảng cách giữa các bộ kích thích và bước sóng,

và vì thế đường Hyperbol được mở rộng hơn

b) Sự giao thoa của hai tia thông qua khe kép:

Các giao thoa xuất hiện sau khe kép gần với bộ kích thích kép Theo định luật Huyghens hai loại sóng cầu với cùng tần số và biên độ (sự chồng chập lên nhau của các sóng cầu) được tạo ra tại cả hai khe cùng một lúc Cấu trúc của sự giao thoa tương tự với cấu trúc của

sự giao thoa hai tia thông qua bộ kích thích kép

Các vân giao thoa được xác định bằng khoảng cách giữa điểm giữa của các khe và bằng bước sóng Số lượng đường Hyperbol tăng lên cùng với khoảng cách giữa các khe và bước sóng do vậy đường Hyperbol mở rộng ra

II Nhiễu xạ sóng nước qua nhiều khe:

Đặt vật cản 4 khe vào giữa bể tạo sóng dưới đèn

Nối bộ kích thích sóng phẳng như trong hình 3 và lắp song song với vật cản ở cách 5

Cm

c) Thực hiện thí nghiệm:

Dùng màn chắn hai khe ngoài như trong hình 4 (trên cùng)

Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng được chiếu hoàn toàn

Dùng nút (e) chỉnh tần số 25 Hz và tăng biên độ kích thích bằng nút (d) đến khi quan sát đươc mặt đầu sóng (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng)

Thay đổi mức ngập của bộ kích thích bằng vít (h)

Quan sát vị trí và số lượng điểm giao thoa cực đại và cực tiểu

Thay màn chắn khe còn lại để tăng số lương khe lên 4

Quan sát vị trí và số lượng điểm giao thoa cực đại và cực tiểu

Lặp lại thí nghiệm với các tẩn số khác

ban đầu, các đường giao thoa yếu hơn (điểm cực đại thứ cấp) xuất hiện giữa các cực đại chính Số lương và hướng các điểm cực đại chính giữ nguyên nhưng kích thước bị thu hẹp Qua 3 khe xuất hiện tại một điểm cực đại thứ cấp, qua 4 khe xuất hiện 2 điểm cực đại thứ cấp

BÀI 3:

XÁC ĐỊNH MÔMEN QUÁN TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG



I MỤC ĐÍCH:

Biết cách xác định mômen quán tính (I) của vật rắn bằng phương pháp dao động

Xác định mômem quán tính của vật rắn quay quanh một trục cố định ở khoảng cách r,

nghiên cứu mối quan hệ I = f(r)

So sánh mô men quán tính của vật rắn quay quanh trục cố định (∆) xác định bằng thực nghiệm với mômen quán tính xác định bằng lý thuyết

Nghiệm lại định lý Huyghen - Steiner về mômen quán tính của vật quay xung quanh các trục quay khác nhau song song với nhau

II NGUYÊN TẮC:

Xét một vật rắn có khối lượng m, các yếu tố khối lượng ∆mi của nó quay quanh một trục cố định (∆) ở khoảng cách ri, khi đó mômen quán tính của vật rắn đối với trục (∆) là: I =

∑ ∆mi ri2 = ∫ r2 dm (1)

Trong đó: ∆mi khối lượng của chất điểm thứ i

ri là khoảng cách từ chất điểm mi đến trục quay cố định (∆)

Công thức (1) là công thức xác định mômen quán tính của vật rắn có khối lượng m quay quanh trục quay cố định (∆) bằng lý thuyết

Bộ dụng cụ “trục xoắn và phụ tùng” cho phép ta xác định bằng thực nghiệm mômen quán tính (I) của các vật khác nhau Để đạt mục đích đó, ta hãy đặt các vật lên trục có ổ bi của dụng cụ, trục này chịu tác dụng của mômen hồi phục

I = ∗

(3) Trong đó I mômen quán tính (kg m2)

T chu kỳ dao động của con lắc xoắn (s)

K hệ số xoắn, phụ thuộc vào độ dài , đường kính và chất liệu của dây treo

Trục xoắn gắn trên chân đế

Thanh ngang có bộ phận nối kết để gắn vào trục xoắn Trên thanh về hai phía của vết khía chính giữa có 05 vết khắc về hai bên, các vết khía cách nhau 05cm

Hình 1

 Hai quả nặng hình trụ (dùng với tư cách là hai chất điểm quay quanh trục), có thể trược dọc theo thanh và ăn khớp với các vết khía trên thanh được cố định tại những khoảng cách xác định từ giữa thanh bằng các con ốc

 Dĩa bằng gỗ đường kính (225.0 ± 0.1)mm có lỗ gắn vào trục xoắn

 Hình trụ đặc bằng gỗ đường kính (90.0 ± 0.1) mm

 Dĩa tròn với bộ phận nối kết gắn dĩa vào trục xoắn trên dĩa có khoảng 9 lỗ, tại tâm và các khoảng cách 0,02m; 0,04m; … 0,16m tính từ tâm dĩa

 Hình cầu bằng gỗ có đường kính (145.0 ± 0.1)mm có lỗ để gắn vào trục xoắn Mômen quán tính của hình cầu và hình trụ xấp xỉ bằng nhau

 Đồng hồ bấm giây, cân kiểm tra, lực kế chính xác 1N

Hình 2

2) Thực hành:

Bước 1: Xác định hệ số xoắn K:

Lắp đặt dụng cụ như (hình 2) Dùng lực kế 1N tác dụng vuông góc vào thanh ngang tại các khoảng cách r là 0,1 m; 0,15m; 0,2m tính từ giữa thanh để xác định lực F1; F2; F3 cần thiết để làm dịch chuyển thanh đi 1800 khỏi vị trí can bằng

Tính mômen lực bằng công thức M = F r (Nm)

Rồi rút ra công thức hệ số xoắn bằng công thức

A

A A

1, E AFA

A

A 2, E AFA

A A

3 Sau đó suy ra EKA

A

A A

1, E AKA

A A

2, EKA A

A A

3 và ∆K1, ∆K2, ∆K3 Sai số ∆K được tính như sau:

E AKA

A A = E

A AFA

A A A E ArA

A A

A AθA

A A

E A ⇒ E

∆K

AKA A

A A

E A = E

∆F

A AFA

A A

E A + E

∆r

A ArA

A A

E A + E

∆θ

A AθA

A A E

 Ghi kết quả tính được vào bảng 01:

Bảng 01 θ = π = 3,14 ± 0,01 (rad); ∆Fdc = 5 10-3 (N)

Khoảng

cách r (m)

F (N) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5

E AFA

A

A ∆E AF

A

A A

r = 0,1

r = 0,15

r = 0,2

K = EKA A

A A ± ∆EKA A

A A = (A

N mradE A)

∆Fdc = ∆Fdụng cụ = 5 10-3 (N)

∆F = ∆Fdc + E ∆FA

A

A A

 Kết quả phép đo hệ số xoắn:

K = E AKA

A A ± ∆EKA A

A

N mradE A) Với E AK

A

A A = A

K1 + K2 + K3

3 E A và ∆EKA

A

A A = A

Ngoài ra ta có thể biểu diễn hệ số xoắn trên trục số có tỉ lệ xích đã chọn

Nhìn vào trục số ta thấy các giá trị K1; K2; K3 trùng nhau trong khoảng AB Nói cách khác các K này bằng nhau trong khoảng sai số

Chú ý: ∆Fi = ∆Fdc + ∆E AF

A

A A

i

Bước 2: Xác định mômen quán tính bằng cách đo chu kỳ dao động:

Mômen quán tính của vật rắn quay quanh trục cố định không những phụ thuộc vào khối lượng m của vật rắn mà còn phụ thuộc vào khoảng cách r từ nó đến trục quay Do đó, đối với một vật rắn ta có thể xem I là một hàm của khoảng cách r

Thực nghiệm đã xác định: I ∼ r

Xác định mômen quán tính của thanh khi không có các quả nặng:

Trước hết gắn thanh ngang không có quả nặng lên trục xoắn

Dùng lực kế kéo thanh ngang ra khỏi vị trí cân bằng một góc 1800, sau đó thả ra và dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian t của 05 chu kỳ sau đó tính ra chu kỳ của một dao động (E AT

A

A A) Tính mômen quán tính I của thanh đối với trục quay bằng công thức

E AIA

A A = E

AKA A

A A

A E ATA

A A

2

4π2 E Sai số tương đối ε = E

∆I

A AIA

A A

A

A A (A

Ta lắp các quả nặng lên thanh một cách đối xứng qua tâm ở các khoảng cách r = 0,1m; 0,15m; 0,2m; 0,25m (∆r = 0.1 mm)

Lặp lại thí nghiệm tương tự như trên để xác định mômen quán tính của thanh và các quả nặng đối với trục quay

Tính mômen quán tính của quả nặng bằng cách lấy mômen quán tính của thanh và quả nặng trừ mômen quán tính của thanh

I(quả nặng) = I (thanh + quả nặng) – I (thanh)

 Kết quả thí nghiệm ghi vào bảng 3

t = 5E AT

A

A A (s)

E ATA

A A (s)

(thanh + quả nặng)(kg m2 10-2)

∆I (thanh + quả nặng) (kg m2 10-2)

(∆I (quả nặng) : r2) (kg)

 Căn cứ vào bảng 3 vẽ đường biểu diễn Trên cùng một đồ thị

I (quả nặng) = I(r2)

I (thanh + quả nặng) = I(r2)

 So sánh kết quả E AI

A

A A (quả nặng) / r2 bảng 3 với khối lượng của quả nặng đo bằng cân

 Trình bày vào bảng 4: EmA

A

A A

-3(kg) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4

EmA A

A

A ∆EmA

A

A A

m (quả nặng) đo bằng cân

m (quả nặng) = E AI

A

A A / r2 (kg)

m = EmA A

A A ± ∆m Nhận xét:

Chú ý: ∆m = ∆mdc + ∆EmA

A

A A

Bước 3: So sánh mômen quán tính xác định bằng thực nghiệmn và mômen quán tính xác định bằng lý thuyết

 Xác định mômen quán tính bằng thực nghiệm:

Đặt dĩa bằng gỗ đường kính 225 mm (có dạng như một dĩa gỗ) lên trục xoắn

Dịch chuyển dĩa gỗ ra khỏi vị trí cân bằng một góc θ = 1800 Sau đó thả ra và dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian t để dĩa gỗ thực hiện được 05 chu kỳ dao động Suy ra chu ky T của một dao động Tính mômen quán tính của dĩa gỗ đối với trục quay bằng công thức:

E AIA

A A = E

AKA A

A A

A E ATA

A A

2

4π2 E Xác định sai số tuyệt đối ∆I bằng công thức

∆I = E AIA

A A (A

 Kết quả thí nghiệm ghi vào bảng 5

r (m) Dĩa gỗ Quả cầu Giá đỡ Giá đỡ+Trụ đặc Giá đỡ+Trụ rỗng

Ta xác định mômen quán tính của trụ đặc và trụ rỗng bằng công thức

I(trụ đặc) = I (trụ đặc + giá đỡ) – I (giá đỡ)

I(trụ rỗng) = I (trụ rỗng + giá đỡ) – I (giá đỡ)

 Xác định mômen quán tính bằng lý thuyết:

Dùng thước và cân để đo bán kính R và khối lượng m lần lượt của dĩa gỗ, quả cầu, trụ đặc, trụ rỗng Sau đó sử dụng các công thức sau để tính:

R0 Bán kính ngoài; R Bán kính trong (đối với trụ rỗng)

R Bán kính (dĩa, trụ đặc, quả cầu) Kết quả đo được ghi vào bảng 6:

Sai số tuyệt đối ∆I được xác định bởi công thức:

∆I (dĩa – trụ đặc – cầu) = (E

∆m

AmA A

A A

E A + E2∆R

A ARA

A A

E A)E AIA

A A

∆I (trụ rỗng) = (E

∆m

AmA A

A A

E A + E

2A ARA

A A

∆R

E (A ARA

A A

2 + A ARA

A A

02)E A +E

2ARA 0

A

A A

∆R0

E (A ARA

A A

2 + A ARA

A A

02)E A)E AI

A

A A

So sánh kết quả mômen quán tính xác định bằng thực nghiệm với mômen quán tính xác định bằng lý thuyết trong bảng 5 và bảng 6 Rút ra nhận xét

So sánh I(dĩa) và I(quả cầu) xác nhận

I(dĩa) ∼ I(quả cầu) = A

Bước 4: Kiểm nghiệm định lý Huyghens – Steiner:

Phát biểu định lý Huyghens – Steiner: Mômen quán tính của một cơ hệ (vật rắn) đối với một

trục nào đó bằng mômen quán tính Io của nó đối với một trục song song đi qua khối tâm cộng với tích số khối lượng m của vật với bình phương khoảng cách h giữa hai trục

Hình 6

Công thức: I = Io + Mh2

Ý nghĩa: Định lý Huyghens – Steiner cho ta cách tính mômen quán tính của vật đối với trục

quay tuỳ ý qui về cách tính mômen quán tính đối với trục đi qua khối tâm

Công thức tính: I = Io + Mh2 (kg m2)

Trong đó:

Io: Mômen quán tính của vật có trục quay đi qua khối tâm (C)

M Khối lượng của vật

H Khoảng cách từ trục quay bất kỳ song song với trục đi qua khối tâm

Lắp dụng cụ như hình 6 gồm dĩa có khoan nhiều lỗ lắp lên trục xoắn, dùng con ốc ở chân đế điều chỉnh cho dĩa thật nằn ngang

Thoạt đầu cho dĩa quay xung quanh trục hấp dẫn của nó (a = 0) Sau khi lệch khỏi vị trí cân bằng θ = 1800 Đo thời gian của 05 dao động rồi tính ra mômen quán tính từ công thức I

 Kết quả thu được ghi vào bảng 7:

Bảng 7 (Theo thực nghiệm)

A A (E

∆K

AKA A

A A

E A + E2∆T

A ATA

A A

IV Câu hỏi:

1) Nêu định nghĩa và ý nghĩa vật lý của mômen quán tính của vật rắn

2) Nội dung định lý Huyghen – Steiner và phương pháp nghiệm lại định lý này nhờ dĩa có khoen nhiều lỗ

3) Đề xuất phương pháp khác để xác định mômen quán tính của vật quay quanh một trục Hai quả nặng khối lượng là: M = (480.00 ± 0.01) gram

Thanh trượt có khối lượng là: M = (108.00 ± 0.01) gram

Dĩa gỗ: đường kính d = (225.0 ± 0.1) mm;

khối lượng M = (350.00 ± 0.01) gram

Hình trụ đặc: đường kính d = (90.0 ± 0.1) mm ;

khối lượng M = (350.00 ± 0.01) gram

Hình trụ rỗng: đường kính d = (90.0 ± 0.1) mm;

d0 = (86.0 ± 0.1) mm;

khối lượng M = (350.00 ± 0.01) gram

Quả cầu: đường kính d = (145.0 ± 0.1) mm

khối lượng M = (960.00 ± 0.01) gram Giá đỡ hình trụ: khối lượng M = (130.00 ± 0.01) gram

Dĩa sắt: khối lượng M = (750.00 ± 0.01) gram

Trong một ống chia độ chính

xác theo thể tích tiết diện ngang

A, có một cột không khí mà thể

tích V và áp suất p của nó có thể

thay đổi được Người ta làm dao

động cột khí này bằng cách dùng

một piston từ, khối lượng m,

chuyển động trong điện từ trường

của một dòng xoay chiều, piston

làm nén và dãn tuần hoàn chất

khí trong ống (biến đổi đoạn

nhiệt)

Nếu tần số của từ trường dòng

xoay chiều bằng tần số riêng của

“lò xo khí” f 0 (trường hợp cộng

hưởng) thì “lò xo khí” sẽ dao

động điều hòa với biên độ cực

đại

Chu kỳ dao động T đối với

một ống chất khí kín cả hai đầu,

có piston ở giữa (xem H.2) được

C p

C vA gọi là hệ số Poisson ,

còn V = L A ; với L là chiều dài của cột khí

Khi có cộng hưởng, nếu thay T = 1/f0 thì từ (1) ta rút ra được biểu thức đối với γ

Ta có thể chứng minh công thức (2) như sau:

Nhớ lại rằng một dao động điều hòa chu kỳ T =2π E A

m

kA là kết quả của lực hồi phục

F = - k dx tác dụng trong hệ

H

L

L

2 cm

Đối với “lò xo khí” hở một đầu thì rõ ràng là F = A dp và dx = E

Vì quá trình biến đổi trong hệ là đoạn nhiệt nên ta có thể áp dụng định luật Poisson:

pVγ = const (hằng số ) (4)

II Dụng cụ :

- Bộ dụng cụ cộng hưởng đàn hồi chất khí

- Ampe kế A

- Áp kế thủy ngân (hoặc áp kế kim loại) M

- Máy phát âm tần G

- Biến thế 220V / 12V nuôi máy phát âm tần G

- Máy đo tần số hiển thị số P

- Cylindre thủy tinh và khóa ba thông để nạp khí

vào bộ dụng cụ cộng hưởng đàn hồi chất khí S

52262

0 1

5 6

X10 x100 x1 x1k x0,1 x10k

Hình 3 Máy phát âm tần

- Một số dây nối, ống nối chũ T, ống plastic, kẹp, giá đỡ,

- Bộ dụng cụ cộng hưởng đàn hồi chất khí gồm có (H.2) ống thủy tinh (1) chia độ chính xác, dài 54cm, đường kính trong (1.40 ± 0.01 cm), piston từ (2) dài 20 mm, khối lượng (8.80 ± 0.26 g), cuộn dây tạo điện từ trường (3), hai khóa đóng mở (5), ống được gắn vào giá nhờ hai kẹp (4)

Ghi chú : Trong (H.3)các khóa (5) ký hiệu là H1 và H2

III Lắp đặt dụng cụ :

H1 H2

Hình 4

1- Cylindre nạp khí S và áp kế thủy ngân M được nối vào bộ dụng cụ cộng

hưởng đàn hồi chất khí nhờ các ống nối bằng plastic như sơ đồ (H.3) H1 và H2: khóa đóng mở hai đầu ống H3: khóa ba thông T 1 và T 2 ống nối chữ T

2- Máy phát âm tần G, máy đo tần số P, ampe kế A được nối thành mạch nuôi cuộn dây C tạo điện từ trường theo sơ đồ (H.4)

IV Tiến hành thí nghiệm :

Bằng cách sử dụng Cylindre S và đóng mở thích hợp các khóa H để thực hiện các

bước 1 và 2 :

1- Đưa piston từ vào giữa ống

2- Chọn áp suất khí trong ống bằng áp suất khí quyển (mức thủy ngân ở hai nhánh

chữ U trên áp kế M ngang bằng nhau )

Lấy áp suất khí quyển là 760 (mmHg) hay 1.013 * 105 (N/m2) Khóa kín hai đầu ống lại

3- Đưa cuộn dây C lại gần piston từ sao cho cuộn dây che đi một phần nhỏ piston 4- Nối máy phát G vào máy biến thế và bật công tắc máy đo tần số P Tăng rất

từ từ tần số máy phát từ 10 Hz cho tới khi biên độ dao động cực đại của piston vừa vượt qua, sau đó giảm chút ít tần số cho tới khi biên độ dao động cực đại như vừa thấy

ở trên đạt được lần nữa Đọc tần số f 0

5- Dùng công thức (2) để tính γ

6- Lặp lại các bước thí nghiệm nói trên nhưng với giá trị áp suất khí trong ống khác

với áp suất khí quyển (hai giá trị nhỏ hơn và hai giá trị lớn hơn) Ghi lại các giá trị f 0 tương ứng và tính γ của nó cho mỗi trường hợp

7- Tính γ và ∆γ So sánh với giá trị lý thuyết γ không khí = 1.40

Sơ đồ thí nghiệm: