Thí nghiệm vật lý đại cương II

DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG MỤC ĐÍCH Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trước đây, được dù

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA NĂNG LƯỢNG - BỘ MÔN VẬT LÝ

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ

HÀ NỘI - 2009

LỜI MỞ ĐẦU

Thí nghiệm vật lý đại cương là một tín chỉ thuộc chương trình đào tạo của Trường Đại học Thuỷ lợi Trong khi học tập và nghiên cứu vật lý ở trường đại học, sinh viên được tiến hành làm các bài thí nghiệm về các phần như cơ học, nhiệt học, điện - từ học và quang học

Mục đích của các bài thí nghiệm là giúp sinh viên hiểu sâu hơn phần lý thuyết, củng cố lý thuyết và kết hợp lý thuyết với thực hành Thí nghiệm vật lý còn rèn luyện cho sinh viên tác phong khoa học thực nghiệm, góp phần xây dựng phương pháp độc lập nghiên cứu, suy luận thực

tế cần thiết để sau này làm tốt công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật của người kỹ sư tương lai Đây là một trong những môn học bước đầu hình thành và rèn luyện kỹ năng đánh giá kết quả phép đo cũng như khả năng viết báo cáo và báo cáo kết quả mà mình tự đo đạc được Từ đó tạo cho sinh viên hứng thú khám phá và ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn

Trên cơ sở đó, Bộ môn Vật lý - Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thuỷ lợi biên soạn cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lý đại cương II” gồm các bài thí nghiệm về điện - từ học và quang học, có nội dung phù hợp với yêu cầu môn học; với chương trình đào tạo và với cơ sở vật chất của trường nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên

Cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lí đại cương II” gồm ba phần chính sau đây:

Phần I: Lý thuyết sai số

Phần II: Làm quen với các dụng cụ đo

Phần III: Các bài thí nghiệm

Trong quá trình biên soạn, chúng tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình và nhiều ý kiến đóng góp tâm huyết của ThS Trần Anh Kỳ, GV Lê Đức Thành và GV Hàn Hoà Bình cùng các đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý Chúng tôi xin chân thành cảm ơn về sự giúp đỡ này

Cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lí đại cương II” đã hoàn thành, mặc dù rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi một số thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các đồng nghiệp cũng như các bạn sinh viên để cho cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau

Hà Nội, ngày 07 tháng 07 năm 2009

Các tác giả

NGUYỄN VĂN NGHĨA, PHẠM THỊ THANH NGA, ĐẶNG THỊ MINH HUỆ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

Phần I LÝ THUYẾT SAI SỐ Error! Bookmark not defined I Những nguyên nhân gây nên sai số trong các phép đo 7

II Phân loại sai số 7

III Định nghĩa sai số 8

IV Sai số của những đại lượng trong phép đo trực tiếp 9

V Sai số của những đại lượng trong phép đo gián tiếp 10

VI Các chú ý quan trọng khi tính và viết sai số 11

VII Biểu diễn kết quả bằng đồ thị 12

VIII Bài tập và câu hỏi kiểm tra 13

Phần II LÀM QUEN VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO 14

A PANME VÀ THƯỚC KẸP 14

I Thước kẹp 14 II Panme 15 B DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN (ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG) 16

I Mô tả 16 II Cách sử dụng đồng hồ vạn năng 17 III Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số kiểu DT-9202 19 Phần III CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 20

Bài 1: Xác định chiết suất của bản thủy tinh bằng kính hiển vi 20

Bài 2: Đo điện trở bằng mạch cầu một chiều (cầu Wheastone) 24

Bài 3: Xác định nhiệt độ Curie của sắt từ 28

Bài 4: Khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều 33

Bài 5: Hiện tượng phân cực ánh sáng Nghiệm lại định luật Malus 41

Bài 6: Khảo sát đặc tính của Diode và Transistor 45

Bài 7: Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn Newton 54

Bài 8: Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn 60

Bài 9: Khảo sát mạch cộng hưởng RLC 64

Bài 10: Khảo sát sự nhiễu xạ của chùm laser qua cách tử phẳng - Xác định bước sóng của laser 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Phần I

LÝ THUYẾT SAI SỐ

I NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY NÊN SAI SỐ TRONG CÁC PHÉP ĐO

Khi đo các đại lượng vật lý, ta không thể tìm được giá trị đúng của nó vì những nguyên nhân sau:

1 Dụng cụ đo không hoàn hảo

Những dụng cụ đo dù có tinh vi đến mấy cũng có một độ chính xác nhất định

Ví dụ: đồng hồ đo điện, có loại chính xác đến 0,1 (A), có loại chính xác đến 0,01 (A), có loại chính xác đến 0,001 (A)…

Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định, để đo một đại lượng, chúng ta không tìm được kết quả cao hơn độ chính xác của dụng cụ Ví dụ dùng Ampe kế có độ chính xác đến 0,1 A để đo cường độ dòng điện, ta không thu được kết quả chính xác tới 0,09 A

Nếu dụng cụ đã cũ, mòn, kém chất lượng thì kết quả thu được còn kém chính xác hơn nhiều Như vậy, dụng cụ đo cũng là một nguyên nhân gây nên sai số trong phép đo

2 Giác quan

Mắt một người dù rất tinh, khi đo độ dài của chiếc bàn cũng không thể nào đặt cho đầu thước hoàn toàn trùng với đầu của bàn Khi chuyển thước để đo tiếp, cũng không thể đặt cho đầu thước ở lần đo sau nằm đúng cuối thước ở lần trước được Đặc biệt khi người ta phải kết hợp nhiều giác quan như mắt, tai, tay, chân… đồng thời thì càng khó thống nhất Đó cũng là nguyên nhân gây sai số trong các phép đo

3 Đại lượng đo không có giá trị xác định

Khi tiến hành đo một đại lượng vật lý, chẳng hạn đo đường kính viên bi, do viên bi không hoàn toàn là hình cầu nên kết quả đo theo các phương khác nhau sẽ có giá trị khác nhau… Trong các trường hợp ấy, ta không thể tìm được trị số đúng của vật

Ngoài ra sự thay đổi bất thường của dụng cụ đo, của môi trường tiến hành thí nghiệm, sự nhầm lẫn của người đo cũng gây nên sai số Như vậy, mọi phép đo đều mắc phải sai số nào đó

II PHÂN LOẠI SAI SỐ

1 Sai số nhất định

Sai số nhất định là sai số do một nguyên nhân nhất định nào đó gây nên làm cho kết quả của phép đo thay đổi theo một chiều nhất định (hoặc tăng lên hoặc giảm đi) Nguyên nhân của sai số này thường do dụng cụ đo gây ra, chẳng hạn: kim chỉ của Ampe kế không chỉ đúng vạch “0” khi không có dòng điện chạy qua Độ “0” của du xích không trùng với độ “0” của thước kẹp khi hai hàm của thước khít nhau

Do đó, người làm thí nghiệm phải có nhiệm vụ tìm ra tất cả các nguyên nhân đó và xác định

Ví dụ: Khi chưa có dòng điện chạy qua, kim của Ampe kế đã chỉ 0,1A thì phải coi giá trị

0,1 A này là giá trị “0” của Ampe kế Khi đọc cường độ mà Ampe kế chỉ là 0,8A thì thực tế dòng điện trong phép đo đó là 0,7A (0,8A - 0,1A = 0,7A)

Vì vậy, khi dùng một dụng cụ nào phải thử dụng cụ đó theo đúng lời chỉ dẫn kèm theo dụng

cụ Khi đã biết được số hiệu chỉnh và hiệu chỉnh kết quả đó rồi, thì sai số nhất định không được kể

là sai số nữa

2 Sai sót

Sai sót là loại sai số sinh ra khi đo hay quan sát vội vàng, không cẩn thận, hoặc do hiện tượng xảy ra quá nhanh không kịp quan sát

Ví dụ: Đọc nhầm 17,5 thành 1,75; nghe nhầm 32 thành 22; cộng khối lượng các quả cân

không để ý tới đơn vị

Để tránh những sai sót này, khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức chú ý, thận trọng, đọc đi đọc lại nhiều lần

3 Sai số bất định

Sai số bất định là sai số không do một nguyên nhân cụ thể nào gây nên và làm cho kết quả

đo khi thì lớn hơn, khi thì nhỏ hơn giá trị đúng của đại lượng đo Sai số bất định phần lớn do giác quan của người làm thí nghiệm gây ra

Ví dụ: Mắt không phân biệt được chỗ giao nhau của hai vạch chia trên thước, bấm đồng hồ

giây không đúng lúc hiện tượng xảy ra…

Sai số bất định một phần cũng do đại lượng phải đo thay đổi bất thường, do những nguyên nhân không rõ ràng gây ra

Ví dụ: Dòng điện thay đổi thất thường, quả cầu không tròn đều…

Như vậy, sai số bất định là ngẫu nhiên nên ta không thể hiệu chỉnh được kết quả đo Nó làm cho phép đo trở nên kém tin cậy Do vậy, ta phải đánh giá kết quả đo bằng cách tính các sai số đó Dưới đây ta chỉ nói đến cách tính sai số bất định, còn sai số nhất định và sai sót không nói tới, vì người làm thí ngiệm phải có nhiệm vụ loại bỏ chúng

III ĐỊNH NGHĨA SAI SỐ

1 Sai số tuyệt đối

Sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a trong lần đo thứ i là hiệu giữa trị số đúng a và giá trị số đo được aitrong lần đo ấy

i

Ví dụ: Độ dài đúng của đoạn thẳng AB là a = 52,2 (cm) Trong các lần đo thứ 1, 2, 3… ta

lần lượt được các kết quả là a1 = 52,1 (cm); a2=52,3 (cm); a3 = 52,4 (cm)…, khi đó sai số tuyệt đối của phép đo độ dài trong các lần đo lần lượt là:

Như vậy, sai số tuyệt đối cho ta biết giá trị của đại lượng đo được lệch so với giá trị thực là bao nhiêu

2 Sai số tương đối

Sai số tương đối của phép đo đại lượng a là tỷ số giữa sai số tuyệt đối của phép đo và trị số

đúng của đại lượng phải đo

δ

%1,0001,

a a

a = 1+ 2 + 3 + + n

(3)

Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng nếu số lần đo càng lớn thì giá trị trung bình

a càng gần giá trị thực a của đại lượng cần đo

Sai số tuyệt đối tương ứng trong từng lần đo của phép đo sẽ là ∆a i = a −a i , sai số tuyệt đối của phép đo là sai số tuyệt đối trung bình:

a a

và kết quả cuối cùng của phép đo được viết:

a a

3 Trường hợp riêng

Trong trường hợp chỉ đo đại lượng a được một lần và đảm bảo không sai sót hoặc đo nhiều lần nhưng kết quả đều giống nhau, thì người ta lấy sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a bằng

một nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất khắc trên dụng cụ đo

Ví dụ: Đo chiều dài l của thanh AB nhiều lần đều được kết quả là 235 (mm) bằng thước đo

chia đến 1 (mm) tức là độ chính xác tới 0,5 (mm) thì kết quả đó là:

l = (235,00 ± 0,50) mm

V SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG TRONG PHÉP ĐO GIÁN TIẾP

Định nghĩa: Đại lượng cần đo trong phép đo gián tiếp là hàm số của các đại lượng trong

phép đo trực tiếp

Ví dụ: Muốn xác định thể tích hình trụ ta phải đo đường kính d và chiều cao h của hình trụ

một cách trực tiếp bằng dụng cụ đo độ dài, rồi dùng công thức:

h

d V

4

2

π

Khi đo d và h ta mắc phải các sai số d ∆ và h ∆ nên V cũng có sai số V∆ nào đó Muốn

tính sai số V∆ ta dựa vào các định lý mà không chứng minh trong phần tiếp theo

Để tính sai số của các đại lượng trong phép đo gián tiếp ta áp dụng các định lý sau đây:

x= . thì

c

c b

b a

a x

+

∆+

x a

c r b

b m a

a n x

x d

c

b a

∆ =

Trong đó f'(x) là đạo hàm của hàm số y = f( )x theo x

+ Nếu đại lượng y được đo gián tiếp thông qua các đại lượng x, z, u,… được đo trực tiếp và

y là hàm số phụ thuộc vào các đại lượng x, z, u, … đó, theo dạng y= f(x,z,u, ) thì:

∆

∂

∂+

f x x

f y

Như vậy, muốn tính sai số tuyệt đối của đại lượng đo gián tiếp, hoặc ta áp dụng định lý 1

và tính sai số theo phép tính vi phân hoặc tính sai số tương đối theo định lý 2 rồi suy ra sai số tuyệt đối

VI CÁC CHÚ Ý QUAN TRỌNG KHI TÍNH VÀ VIẾT SAI SỐ

1 Trong trường hợp đại lượng đo gián tiếp y = f(x, z, u,…) ta có thể tính y như sau:

, ) u , z , x ( f

y =

2 Khi tính sai số, nếu gặp một tổng của nhiều sai số tương đối, trong đó có những số hạng nhỏ hơn 1/10 số hạng lớn nhất thì ta có thể bỏ qua số hạng nhỏ đó Khi không cần tính chính xác lắm, chúng ta được phép làm tròn các con số để tính cho nhanh, miễn sao đừng làm giảm sai số (tăng tử số và bớt mẫu số đi một chút)

Ví dụ:

71,3

08,023,2

02,0223,38

03,

8200

571,3

08,023,2

02,0

Cách làm:

+ Đo trực tiếp bán kính ngoài R, bán kính trong r, chiều cao h của hình trụ rỗng

R R

r r

h h

h= ±∆+ Tính thể tính của hình trụ rỗng

h r R

V =π( 2 − 2)+ Tính sai số áp dụng phép tính vi phân

+ Viết kết quả: V =V ±∆V

Áp dụng: Giả sử khi đo bán kính ngoài R, bán kính trong r, độ cao h của hình trụ rỗng ta

được các giá trị lần lượt là R = 50,23 ± 0,03 mm, r = 40,71 ± 0,02 mm, h = 15,03 ± 0,03 mm Thay vào biểu thức của V, ta được:

VII BIỂU DIỄN KẾT QUẢ BẰNG ĐỒ THỊ

Giả sử đại lượng y và đại lượng x

phụ thuộc nhau theo một mối tương quan

y=f(x) nào đó mà chỉ có thể suy ra từ đồ

thị Làm thí nghiệm nhiều lần, cứ mỗi giá

trị của x ta có một giá trị y tương ứng

Trên đồ thị Oxy, ứng với mỗi cặp điểm

(xi,yi) ta được một điểm Ai Tuy nhiên,

do mỗi lần đo xi, yi ta mắc một sai số

∆xi, ∆yi nào đó; thành thử trên đồ thị

bây giờ ứng với một cặp giá trị (xi ±∆xi,

yi±∆yi) không phải là một điểm Ai nữa

Tập hợp các cặp (xi ±∆ xi, yi±∆ yi) cho phép ta vẽ được đường cong biểu diễn hàm y = f(x)

Khi vẽ đồ thị ta phải chú ý sao cho:

a) Đường cong phải rõ nét không gẫy khúc (vì các đại lượng vật lý biến thiên liên tục)

b) Đường cong đi qua các tâm Ai thì càng tốt nếu không thì phải cắt tất cả các hình chữ nhật sao cho tâm của các hình chữ nhật phân bố đều hai bên đường cong

c) Trường hợp có một vài hình chữ nhật sai số nằm tách hẳn ra ngoài quy luật của tập hợp

các hình chữ nhật sai số còn lại (chẳng hạn A5) thì phải loại bỏ hình chữ nhật (A5) đó đi và coi kết quả thí nghiệm ứng với hình chữ nhật đó là do sai sót

d) Đồ thị phải vẽ trên giấy kẻ ô vuông, dùng tỷ lệ thích hợp để sao cho đường biểu diễn nằm gọn trong giấy, gốc toạ độ không nhất thiết phải là số “0”

VIII BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Hãy tính sai số và kết quả của y Biết:

a)

c

b a

y

2

= với: a = (1,35 ± 0,02), b = (5,210 ± 0,015), c = (1,93 ± 0,03 )

b) y=e−xcosu với: x = (1,12 ± 0,03), u = (4,190 ± 0,024) rad

2 Hãy nêu cách vẽ đường cong thực nghiệm Khi sử dụng đường cong đó để tìm cặp giá trị chưa đo sai số phải tính như thế nào?

Phần II LÀM QUEN VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO

trượt dọc theo thân thước chính T

Hai hàm 1 và 1’ gắn liền với thân thước,

hai hàm 2 và 2’ di động cùng theo du xích T’

Khi 1 và 2 trùng khít nhau thì điểm “0” của du

xích trùng với điểm “0” của thước Hình 1 Thước kẹp

Khi khoảng cách giữa hai hàm 1 và 2 hoặc (1’) và (2’) là D thì khoảng cách giữa hai điểm

“0” của du xích và thước cũng cách nhau là D Muốn đo chiều dài của vật, ta kẹp vật bởi hai hàm

1 và 2, vặn chốt 3 rồi đọc kết quả Nếu muốn đo đường kính trong của vật, ta dùng hai hàm 1’

và

2’ vặn chốt 3 rồi đọc kết quả

2 Nguyên tắc hoạt động của du xích và cách đọc

Những thước thường sử dụng chỉ chia đến 10-3

m hay 10-4m nên ta chỉ đo được kích thước chính xác tới 5.10-4m Nhờ du xích ta có thể xác định được chính xác tới 1.10-5

m

Du xích T’ là bộ phận quan trọng của thước kẹp Số vạch chia trên du xích sẽ cho phép ta xác định được cấp chính xác của thước Thông thường người ta tạo ra trên du xích khoảng 20 - 50 vạch chia, khi đó cấp chính xác của thước được xác định bằng giá trị một vạch chia của thước chính T trên tổng số vạch của du xích T’

Ví dụ như đối với loại du xích có

20 vạch chia thì người ta lấy 19 khoảng

trên thước chính T (tức 19 mm) đem chia

thành 20 phần bằng nhau Vậy mỗi phần

chia có độ dài là 19/20 mm và so với

thước chính T mỗi khoảng chia của du

Hình 2 Đọc kết quả trên thước

Và do đó đây là thước có cấp chính xác ∆ = 1/20 mm = 5.10-5m Tương tự nếu trên du xích

có 50 vạch chia thì thước có cấp chính xác ∆ = 1/50 mm = 2.10-5

m

Với cấu tạo như vậy, thì phần giá trị nguyên của kích thước vật đo sẽ được đọc trên thước chính

T và phần giá trị chính xác (phần thập phân) của kích thước vật đo sẽ được đọc trên du xích T’

Giả sử sau khi các hàm 1 và 2 kẹp một vật nào đó để đo kích thước của vật Trên thước có bảng chia, ta thấy điểm “0” của du xích giữa vạch 8 và 9 của thước chính (hình 2)

Độ dài của vật sẽ là D với 8mm < D < 9mm Khi đó phần nguyên của D là 8mm = 8.10-3

m Muốn đọc phần thập phân phải dùng du xích T’, ta tìm xem vạch nào của du xích T’ trùng nhất với vạch trên thước chính T Chẳng hạn trên hình 2, ta thấy vạch số 5 của du xích trùng với vạch

13 của thước chính thì phần lẻ của D sẽ là:

MN = 5×5.10-5 = 25.10-5 m (MN = MP – PN = 5 mm – 5× 19/20 mm = 5×1/20 mm = 5×5.10-5

m) Vậy độ dài của vật là:

trên thước chính T giữa hai vạch 0 của thước chính

và vạch 0 của du xích T’ cho giá trị nguyên của kích

thước (không tính vạch 0), m là số vạch trên du xích

T’ nằm giữa vạch 0 của du xích và vạch thứ m tại đó

có sự trùng khít với một vạch nào đó trên thước

chính T (Hình 3)

Chú ý: Trước khi tiến hành đo bằng thước

kẹp thì phải xác định vị trí 0 của du xích T’ Đúng

ra khi vị trí 1 và 2 hoặc (1’) và (2’) trùng khít nhau,

thì vị trí 0 của du xích T’ trùng với vị trí 0 của

thước chính T nhưng có thể thước dùng lâu ngày

nên sự trùng khít như trên không còn nữa Do đó ta phải xác định vị trí 0 mới của nó, tức là tìm xem vạch 0 của du xích đã dịch đi một khoảng là bao nhiêu so với thước chính và phải coi đó là

độ 0 của thước chính, rồi tuỳ theo nó dịch chuyển về trái hay phải mà hiệu chỉnh kết quả đo

II PANME

1 Mô tả

Panme là dụng cụ đo có độ chính

xác cao, dùng để đo kích thước các vật

nhỏ như kích thước các sợi dây, độ dầy

quay du xích đi một vòng, thì đầu B dịch chuyển đi một khoảng 0,5 mm Du xích được chia thành

50 khoảng đánh số từ 0 đến 50 Như vậy, khi vặn V sao cho 1 vạch trên du xích đi qua gốc, thì B dịch chuyển đi một khoảng:

Đáng lẽ khi hai mép A và B khít nhau

thì vạch 0 của du xích phải trùng với vạch gốc

trên thước R Nhưng do dụng cụ cũ nên thông

thường lúc mép của A trùng với mép B thì

vạch gốc 0 trên du xích lại không trùng với

vạch gốc 0 trên thước R ở thân panme, khi đó phải chú ý xem vạch gốc của thước trùng với vạch nào của du xích và xem đó là vạch 0 mới và hiệu chỉnh kết quả bằng cách cộng hoặc trừ số vạch lệch ứng với mỗi lần đọc kết quả đo

b Cách đo và đọc kết quả

Giả sử khi mép của A và B đã kẹp vào vật cần đo, các vị trí số của thước và du xích nằm ở

vị trí như hình 5 Qua hình vẽ ta thấy chiều dài của vật là:

Trong đó:

+ ab được đọc ngay trên thước là 2,5 mm

+ bc được xác định thông qua du xích như trên hình 4b Ta thấy vạch gốc trùng với vạch 44 trên du xích Tuy nhiên, giả thiết lúc hiệu chỉnh số 0, vạch gốc lệch hai vạch như hình 5a Do vậy:

bc = (44 + 2).10-5 m

Do đó độ dài của vật: d = 2,5.10-3

+ 46.10-5 = 296.10-5 m

Câu hỏi kiểm tra:

1) Nguyên tắc hoạt động của du xích trong hai dụng cụ trên?

2) Cách đọc kết quả trên thước panme?

B DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN (ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG)

MỤC ĐÍCH

Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trước đây, được dùng để đo hiệu điện thế, cường độ dòng điện một chiều, xoay chiều, điện trở, điện dung của tụ điện… Nhờ một núm chuyển mạch để chọn thang đo sao cho phù hợp với đại lượng cần đo

I MÔ TẢ

Đồng hồ vạn năng hiện số gồm 3 phần chính

Hình 5 Cách đọc số chỉ của Panme

- Màn hình hiện số

- Thang đo và núm chuyển mạch thang đo

- Các lỗ cắm (COM, A, VΩ…)

II CÁCH SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG

- Tuỳ theo đại lượng đo mà chọn thang đo và các lỗ cắm thích hợp

- Các đồng hồ vạn năng khác nhau thì cách sử dụng có đôi chỗ khác nhau về chức năng nhưng về cơ bản là giống nhau Sau đây là nguyên tắc chung để đo một số đại lượng thông thường:

1 Đo điện trở

(a) (b)

Xoay núm chuyển mạch về thang đo điện trở (Ω) và cắm hai đầu que đo vào hai lỗ cắm COM và VΩ như hình 1a Sau đó đưa đầu 2 que đo vào điện trở cần đo như hình 1b, chú ý không được chạm tay vào chân linh kiện vì đồng hồ sẽ không chính xác khi đo cả điện trở của tay người Cũng không nên đo điện trở của linh kiện khi nó đang mắc trong mạch bởi điện trở có thể là của linh kiện khác trong mạch

2 Đo cường độ dòng điện

a Đo cường độ dòng điện một chiều

A - DC

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về

thang đo dòng điện một chiều ADC (Việc chọn

thang đo tuỳ thuộc vào dòng cần đo) Mắc nối

tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo Đọc số chỉ trên

màn hình Nếu trước số chỉ trên màn hình của

Hình 1 Sơ đồ đo điện trở bằng đồng hồ vạn năng hiện số

Hình 2 Sơ đồ đo cường độ dòng điện bằng

b Đo cường độ dòng điện xoay chiều A– AC

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo dòng điện xoay chiều (AC - A) Mắc nối tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo Đọc số chỉ trên màn hình

3 Đo hiệu điện thế

a Đo hiệu điện thế một chiều VDC

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ

về thang đo hiệu điện thế một chiều VDC,

đưa hai que đo: que dương (đỏ) vào cực

dương; que âm (đen) vào cực âm Đọc chỉ số

trên màn hình Nếu trước số chỉ trên màn

hình của đồng hồ có dấu (-) ta phải đảo lại

đầu que đo

b Đo hiệu điện thế xoay chiều VAC

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ

về thang đo hiệu điện thế xoay chiều VAC

Đưa 2 đầu que đo vào 2 điểm cần đo, đọc chỉ

số hiển thị trên màn hình

4 Một số lưu ý khi sử dụng đồng hồ đo

điện

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy

cao nhất thường là 200mV và 200µA hoặc 2mA, được dùng để đo các hiệu điện thế và dòng điện

một chiều rất nhỏ Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang này Nếu vô ý để hiệu điện thế hoặc

dòng điện lớn gấp 5 ÷ 10 lần giá trị thang đo này, có thể gây ra hư hỏng trầm trọng cho đồng hồ

Vì vậy, các quy tắc nhất thiết phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số là:

a) Không bao giờ được phép chuyển đổi thang đo khi đang có điện ở đầu đo

b) Không áp đặt điện áp, dòng điện vượt quá giá trị thang đo Trường hợp đại lượng đo chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện ra để chọn thang thích hợp c) Để đo cường độ dòng điện nhỏ chạy trong đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ

“COM” (lỗ chung) và lỗ “A” hoặc “mA” trên đồng hồ Hai đầu còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Núm chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo dòng

điện một chiều, ACA để đo dòng điện xoay chiều Sau lỗ “A” bên trong đồng hồ có cầu chì bảo

vệ, nếu dòng điện đo vượt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngừng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới được thay Điều tai hại tương tự cũng xảy

ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế

Hãy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì!

d) Để đo cường độ dòng điện lớn 0 ÷ 10A, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ

chung) và lỗ “10A” (hoặc 20A) trên đồng hồ Hai đầu cốt còn lại của dây đo được mắc nối tiếp

với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí DCA-10A để đo dòng điện một chiều, ACA-10A để đo dòng điện xoay chiều Sau lỗ 10A (hoặc 20A), bên trong đồng hồ

không có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản mạch thường gây cháy, nổ ở mạch điện hoặc ở nguồn điện e) Để đo hiệu điện thế một chiều, xoay chiều hoặc đo điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào

hai lỗ “COM” (lỗ chung) và lỗ “VΩ” trên mặt đồng hồ Hai đầu còn lại của dây đo được mắc

Hình 3 Sơ đồ đo hiệu điện thế

bằng đồng hồ vạn năng

song song với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA

để đo hiệu điện thế một chiều, ACV để đo hiệu điện thế xoay chiều, và Ω để đo điện trở

f) Khi đo các đại lượng một chiều thì đầu dây nối với cực âm luôn được nối với lỗ “COM”

Tóm lại: Chọn thang đo đúng, không nhầm lẫn khi thao tác đo hiệu điện thế và dòng điện là

hai yếu tố quyết định bảo vệ an toàn cho đồng hồ

III GIỚI THIỆU CÁCH SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG HIỆN SỐ KIỂU DT-9202

1 Cách tính sai số của đồng hồ vạn năng hiện số DT-9202

Thông thường một đồng hồ vạn năng hiện số loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo (từ 0 đến 1999) Giả sử ta chọn thang đo hiệu điện thế một chiều DCV 20V, thì đại lượng:

V

V

01,02000

20

=

=

được gọi là độ phân giải của thang đo

Nếu hiệu điện thế ta đo được là U thì sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng U này là

Trong đó: U : Giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ

δ(%) : Cấp chính xác của thang đo

α : Độ phân giải của thang đo

n=1÷3 (quy định theo từng thang đo bởi nhà sản xuất)

Cách tính tương tự đối với các thang đo thế và dòng khác

2 Bảng thông số kĩ thuật của đồng hồ vạn năng DT-9202

Phần III CÁC BÀI THÍ NGHIỆM

BÀI 1: XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT CỦA BẢN THỦY TINH

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt sẽ xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường đó (hình 1)

Sự khúc xạ của các tia sáng tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng:

21

sinsin

2 21

v

v n

i

sinsin

(3)

Đối với không khí v = c nên nkk = 1, do đó chiết suất tuyệt đối của môi trường nào đó có thể coi gần đúng là chiết suất tỷ đối của môi trường đó đối

với không khí Chiết suất phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng và bản chất của môi trường mà ánh sáng truyền qua

Có nhiều cách đo chiết suất của một môi trường, trong bài thí nghiệm này ta nghiên cứu đo chiết suất của bản thủy tinh bằng kính hiển vi

Kính hiển vi dùng để quan sát ảnh phóng

đại của những vật có kích thước nhỏ cỡ milimét

Cấu tạo của kính (hình 2) gồm có:

Một đế cố định 1, giá đỡ 2 gắn liền với

chuyển nhỏ gọi là vít vi động, trên vành vít vi

động 8 có kích thước tròn khắc 50 độ chia đều

nhau Giá trị mỗi độ chia là 0,002mm Như vậy

khi quay vít 8 một vòng thì ống kính 3 di chuyển

lên hoặc xuống một đoạn là h = 0,002mm x 50 =

0,1mm Căn cứ vào số vòng quay và số độ chia

trên thước của vít 8 ta có thể biết độ dịch chuyển

của ống kính 3 mang vật kính L1

Giả sử xét hai tia sáng xuất phát từ điểm I trên mặt giới hạn NN của bản thủy tinh là IB và IC Sau khi khúc xạ, các tia sáng ra khỏi bản ở mặt trên

MM của bản tại các điểm B và C theo hướng BE và

CD tách xa phương pháp tuyến một góc r Mọi tia

khác vẽ từ I khi ra khỏi bản cũng bị thay đổi phương truyền, chỉ có tia IA không bị khúc xạ sẽ truyền thẳng góc với mặt MM Khi quan sát từ phía

trên của bản, ta thấy ảnh của I ở giao điểm của các tia CD và BE kéo dài, trên hình vẽ là điểm I’ Do

đó điểm I như được nâng lên một đoạn II’ Gọi d là

bề dày thực của bản thì d’ = d - II’ được gọi là bề

dày biểu kiến của bản

Chúng ta tìm biểu thức liên hệ giữa chiết suất

n , bề dày thực d và bề dày biểu kiến d’ của bản thủy

tinh trong trường hợp các tia sáng chiếu gần vuông

góc với mặt bản, khi đó các góc tới i và góc khúc xạ r rất nhỏ

Nếu xét hiện tượng khúc xạ của tia sáng truyền qua bản theo chiều ngược lại từ DC tới I thì

sin i tgi n

N là số vòng của thước tròn so với đầu mốc khi thấy rõ I’

l 0 làsố chỉ của vạch mốc lên thước tròn trên vít vi động khi thấy rõ ảnh ở mặt trên của kính

l là vạch của thước tròn khi thấy rõ ảnh ở mặt dưới của kính

β là hằng số có giá trị tuỳ theo loại máy (được cho ở phòng thí nghiệm)

IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

Bước 1 Đo độ dày thực d của tấm thủy

tinh bằng thước Panme, đo 5 lần ở các vị trí

khác nhau, rồi ghi kết quả vào bảng

Bước 2 Đo độ dày biểu kiến d’ bằng kính

hiển vi:

a Dùng bút xanh mảnh kẻ một chữ thập:

một nét ở mặt trên (I) và một nét ở mặt dưới (A)

của tấm kính cần đo chiết suất

+ Đặt bản thủy tinh lên mâm kính rồi điều

chỉnh kính hiển vi: dùng vít 8 vặn ngược chiều

kim đồng hồ cứng tay rồi thả ra một chút Sau

đó điều chỉnh vít 7 để nhìn ảnh rõ nét của nét

+ Đặt mắt quan sát trên thị kính L2 đồng

thời điều chỉnh gương phản xạ ánh sáng 5 và

kính tụ quang 6 để thị trường trong ống kính 3

sáng rõ và đều Đọc giá trị l0 trên vít 8 và ghi

giá trị l0 vào bảng số liệu

b Dùng vít vi động 8 nâng vật kính đến khi thấy ảnh rõ nét của nét mực ở mặt dưới Đọc

và ghi giá trị N và l vào bảng số liệu Chú ý: N là số vòng (số nguyên) mà ta phải xoay vít vi

động 8 từ lúc nhìn thấy ảnh rõ nét của nét mực ở mặt trên đến khi nhìn thấy ảnh rõ nét của nét mực ở mặt dưới

c Dùng công thức (7) để tính d’

Lưu ý:

+ Khi l < l 0 thì tính d ’ theo công thức (7) nhưng thay (l – l0 ) bằng (l + 50 – l 0)

+ Đối với máy màu trắng thì giá trị thực của l; l0 gấp 5 lần giá trị đo được:

lthực = 5lđođược ; l0(thực) = 5l0 ( đođược)

d Đo l 0 , N, l nhiều lần (5 lần) để tính sai số

Bước 3 Xử lý số liệu:

a Bảng tính số liệu:

Độ chính xác của thước tròn trên vít vi động của kính hiển vi: 0,002 (mm)

Độ chính xác của thước Panme: 0,01 (mm)

b Tính giá trị trung bình của chiết suất

c Tính sai số tuyệt đối và tương đối trung bình của chiết suất

d Viết kết quả của phép đo chiết suất

V CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Khi sử dụng kính hiển vi và thước Panme cần chú ý những điều kiện gì?

2 Trong phép đo d và d’ sai số chủ yếu do những nguyên nhân nào?

3 Nói rõ phương pháp đo chiết suất của thủy tinh trong bài thí nghiệm này

4 Giải thích tại sao khi l < l 0 thì công thức xác định độ dày biểu kiến d ’của bản thuỷ tinh lại là:

d’ =β [0,1N + 0,002(l +50 – l 0)] mm

BÀI 2: ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG MẠCH CẦU MỘT CHIỀU

(CẦU WHEASTONE)

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Xác định điện trở bằng mạch cầu một chiều (Cầu Wheastone)

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

1 Bộ thiết bị thí nghiệm vật lý VS 02-TL; 3 Điện trở cần đo Rxvà pin điện cần đo Ex;

2 Hộp điện trở mẫu 0 ÷ 99999,9Ω ; 4 Bộ dây dẫn nối mạch điện (6 dây)

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Xét một mạch cầu điện trở như hình 1 Mạch được cung cấp bởi dòng điện một chiều I, khi

đó dòng qua các điện trở lần lượt là I1, I2,

I3, I4 và I5 Áp dụng định luật Ohm cho

từng đoạn mạch và định luật Kirchoff cho

các nút mạng trong mạch kín, đối với vòng

kín ACDA tại nút A, ta sẽ xác định được:

5 5 4 3

R R

I R I R I

1 5 4

3 4 2

1

R R

R R

R

R I

R R

R R

Nếu lựa chọn được giá trị các điện trở này sao cho dòng qua điện trở R5 là I5 = 0 (nghĩa là khi đó mạch cầu được coi là cân bằng) thì ta sẽ có kết quả sau:

4

3 2

4

2 3 1

R

R R

Hình 1 Mạch cầu điện trở

Trong bài thí nghiệm này mô hình mạch cầu

được bố trí như trên hình 2, với: U là nguồn điện

không đổi, XY (có độ dài L = 1m) là một dây điện

trở đồng chất tiết diện đều, trên đó nhánh cầu BAZ

nối với 2 điện trở R2 và R4 – tương ứng là đoạn XZ

(có độ dài L1) và đoạn ZY (có độ dài L2), R0 là điện

trở mẫu, Rx là điện trở cần đo, A là một

micrôampekế, con chạy C (tiếp xúc với dây XY và

đưa ra điểm Z) là bộ phận có thể dịch chuyển (trượt)

dọc trên dây XY

Hình 2 Sơ đồ mạch đo điện trở

Theo (2) ta có thể suy ra giá trị của điện trở cần đo Rx là:

1

1 0 2

1 0

L L

L R L

L R

Rx

−

=

Trong thí nghiệm, để phép đo điện trở Rx bằng mạch cầu có sai số cực tiểu, ta đặt con chạy

C ở chính giữa dây điện trở sao cho L 1 = L 2 và thay đổi giá trị của điện trở mẫu R0để cho mạch cầu cân bằng (dòng qua micrôampekế A bằng 0 hay kim của micrôampekế A sẽ chỉ vào số 0) -

khi đó thì R 0 = R x

Thực vậy, tính lnRx trong công thức (3) và áp dụng phép tính vi phân, ta tìm được sai số

tương đối của điện trở R x :

lnRx = lnR0 + lnL1 – lnL2

Lấy vi phân 2 vế:

2

2 1

1 0

0

L

dL L

dL R

dR R

dRx

Do đó:

2 1

2 2 1 0

0 2

1

1 2 2

1 0

L L

L L L R

R L

L

L L L

L R

L L

L = =

Giới thiệu về hộp điện trở mẫu: Hộp điện trở mẫu là một bộ biến đổi điện trở có dải giá trị

từ 0 đến 10.000Ω cho phép ta có thể điều chỉnh giá trị điện trở tùy theo yêu cầu của phép đo Trên

hộp điện trở mẫu có các núm xoay giúp ta điều chỉnh từng thang giá trị bao gồm các thang giá trị

 Dùng các dây dẫn để mắc mạch điện trên mặt thiết bị đo theo sơ đồ hình 2

 Đặt micrôampekế A ở thang đo 200 µA

 Vặn núm xoay trên hộp điện trở mẫu R0 để có giá trị 0Ω

 Đặt tiếp điểm của con chạy C ở vị trí chính giữa dây điện trở XY trên thước thẳng milimét

2 Đo điện trở Rx bằng mạch cầu một chiều

Với phép đo điện trở Rx(có giá trị khoảng 300 ÷ 1000Ω), thực hiện các thao tác sau:

Đặt kim chỉ thị của nguồn điện một chiều (ở bộ đổi nguồn) ở vị trí 3V hoặc 4,5V

Chú ý: Trước khi cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm vào nguồn điện ~220V, phải mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra!

 Cắm phích lấy điện vào nguồn điện xoay chiều 220V

 Vặn núm xoay trên hộp điện trở mẫu sao cho kim của micrôampekế A chỉ số 0 Khi đó

cầu cân bằng và do đó giá trị của điện trở Rx bằng giá trị của điện trở R0đọc được trên hộp điện

trở mẫu Đọc và ghi giá trị của R0vào bảng 1

Thực hiện phép đo này 5 lần Đọc và ghi các giá trị tương ứng của R0trong mỗi lần đo vào bảng số liệu sau đây:

Bảng số liệu

- Độ dài của cầu dây XY : L = ……… (mm)

- Độ dài của dây L1 = ……… (mm)

- Độ chính xác của thước đo trên cầu dây: ∆L = ……… (mm)

- Cấp chính xác của hộp điện trở mẫu: δ0 = ………

 Vặn núm xoay trên hộp điện trở mẫu về 0 và ngắt nguồn

Lưu ý:

1 Ghi thêm các số liệu sau đây vào bảng số liệu:

+ Độ dài L của dây điện trở XY trên thước milimét và độ chính xác ∆L của thước này + Cấp chính xác δ0 của hộp điện trở thập phân

2 Trong quá trình đo nếu thấy kim điện kế không ổn định, ta phải kiểm tra điểm tiếp xúc Z giữa con chạy C và dây điện trở XY để đảm bảo ổn định dòng điện trong toàn bộ mạch đo

V CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Trình bày phương pháp đo điện trở bằng mạch cầu một chiều Vẽ sơ đồ mạch điện và nói rõ tác dụng của micrôampekế A dùng trong mạch cầu

2 Chứng minh rằng phép đo điện trở Rx bằng mạch cầu một chiều sẽ có sai số cực tiểu khi chọn

vị trí của con chạy C nằm chính giữa dây điện trở XY

3 Tại sao phải điều chỉnh dòng điện trong mạch chính có cường độ nhỏ (I cỡ µA)?

BÀI 3: XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA SẮT TỪ

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Xác định nhiệt độ Curie nhờ phương pháp cảm ứng điện từ bằng cách theo dõi sự thay đổi

của dòng điện cảm ứng I c (chỉ trên micrôampekế µA) theo nhiệt độ t của thanh ferit F được chỉ thị qua suất điện động εnđ của cặp nhiệt điện C ( chỉ trên milivôn kế mV) Vẽ đồ thị sự phụ

thuộc: I c = f (E nđ ) và E nđ = α(t – t p ) Từ đó xác định nhiệt độ Curie của sắt từ

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

1 Bộ thí nghiệm gồm: lò điện, các cuộn dây cảm ứng, lõi sắt từ ferit, cặp nhiệt điện, các đồng hồ micrôampekế xoay chiều và milivôn kế một chiều, các nguồn điện ~3V và ~5V

2 Các dây dẫn dùng để nối mạch điện

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, Ferit…), nếu được đặt trong từ trường ngoài Br0

Có thể giải thích đặc tính của sắt từ bằng thuyết miền từ hoá tự nhiên Theo thuyết này,

cấu trúc của khối sắt từ gồm các miền rất nhỏ cỡ 10-5 ÷ 10-6m gọi là miền từ hoá tự nhiên Trong

mỗi miền, do có “lực tương tác trao đổi”, mômen từ spin của các electron định hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hoá đến mức bão hoà Nếu chưa có từ trường ngoài, mômen

từ của các miền khác nhau sắp xếp hỗn loạn nên mômen từ tổng hợp của khối sắt từ bằng không và sắt từ không có từ tính Nếu đặt vào từ trường khá mạnh, trong khối sắt từ sẽ xảy ra quá trình “dịch chuyển vách” của các miền từ hoá tự nhiên và quá trình “quay mômen từ” của các miền này theo hướng song song với từ trường ngoài Br0

từ Khi đó độ từ thẩm của sắt từ giảm rất nhanh tới giá trị µ≈1và B≈B 0 Nhiệt độ T c được gọi

là nhiệt độ Curie, giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của sắt từ Thí dụ: nhiệt độ Curie của sắt

là 780oC, của Ni là 350oC, của hợp kim 30%Ni + 70%Fe là 80oC ÷ 85o

C, …

Nhiệt độ Curie T c của vật liệu sắt từ có ý nghĩa thực tế Nếu biết T c, ta có thể chọn khoảng nhiệt độ làm việc thích hợp đối với các linh kiện điện và điện tử có sử dụng lõi sắt từ Mặt khác,

sự biến đổi đột biến của độ từ thẩm µ của sắt từ ở nhiệt độ Curie cũng được ứng dụng để chế tạo các bộ cảm biến, các Rơle nhiệt - điện từ dùng điều khiển tự động nhiệt độ trong các lò hơi, nồi cơm điện,…

Trong bài thí nghiệm này, ta sẽ xác định nhiệt độ Curie T c của ferit (sắt từ bán dẫn) bằng phương pháp cảm ứng điện từ Thiết bị thí nghiệm bố trí như hình 1a Thanh ferit F được đặt ở bên trong lò điện Đ Lò điện Đ được nối với nguồn điện xoay chiều ~50V, nó gồm hai cuộn dây

có điện trở giống nhau mắc nối tiếp và được quấn ngược chiều nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì thanh ferit bị nung nóng, nhưng từ trường của hai cuộn dây trong lò triệt tiêu lẫn nhau Nhiệt độ T của thanh ferit F đo bằng cặp nhiệt C mắc nối tiếp với milivôn kế mV Hai cuộn dây cảm ứng: cuộn sơ cấp S và cuộn thứ cấp T, được quấn chồng lên nhau bao quanh lò điện

Đ Cuộn sơ cấp S nối với nguồn điện xoay chiều ~3V và cuộn thứ cấp T nối với micrôampekế

A

µ Sơ đồ nguyên lý của mạch điện trong thí nghiệm này biểu diễn trên hình 1-b, trong đó R1 và

R2 là điện trở thuần của cuộn sơ cấp S và thứ cấp T, còn L là hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp S Trị

số của L phụ thuộc vào kích thước, số vòng dây của cuộn sơ cấp S và tỷ lệ đối với độ từ thẩm tỷ đối µ của thanh ferit F đặt bên trong cuộn dây dẫn

Nếu đặt hiệu điện thế xoay chiều u1 vào hai đầu cuộn sơ cấp S, trong cuộn dây sẽ có dòng

điện xoay chiều i1chạy qua và làm xuất hiện suất điện động tự cảm ε1 C có giá trị bằng:

dt

d N C

0 1 1

d N C

0 2 2

ε và u 1 ≈i 1 R 1 Từ công thức (5), suy ra: ε2 C ≈0 và dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn

thứ cấp T cũng giảm xuống đến giá trị i c ≈0

Như vậy, muốn xác định nhiệt độ Curie Tc của thanh ferit F, ta chỉ cần theo dõi sự thay đổi

của giá trị dòng cảm ứng i c chạy qua cuộn dây thứ cấp T phụ thuộc vào nhiệt độ của thanh ferit

F Sau đó vẽ đường cong I C = f(E nd ) và E nd =α(t−t p) với t plà nhiệt độ phòng thí nghiệm

IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1 Quan sát mặt bộ thiết bị đo (hình 2)

Chưa cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm vào nguồn điện ~220V

+ Lò điện Đ nối với nguồn điện ~50V, cuộn sơ cấp S nối với nguồn điện ~3V

+ Cuộn dây thứ cấp T nối với micrôampekế µA

+ Cặp nhiệt C nối với

milivôn kế mV

+ Các công tắc K,K1, K2

ở vị trí ngắt mạch điện

2 Các bước tiến hành

Mời thầy giáo tới kiểm

tra mạch điện trước khi cắm

phích lấy điện vào nguồn

điện ~220V Các đèn tín hiệu

LED đều chưa sáng

+ Bước 1: Bấm công tắc

nguồn (K): đèn LED của nó

phát sáng báo hiệu đã có điện

vào máy Nếu thấy kim của

milivôn kế mV lệch khỏi vị trí

số 0 của nó thì vặn từ từ núm

xoay “quy 0” để đưa kim chỉ thị về đúng số 0 Lúc này micrôampekế µA chỉ một giá trị cực đại

+ Bước 2: Bấm công tắc lò (K1): đèn LED của nó phát sáng báo hiệu lò điện Đ đã được nối

với nguồn điện ~50V-1A và nhiệt độ t của thanh ferit F bắt đầu tăng dần Khi đó giá trị của suất điện động Enđ của cặp nhiệt điện C trên milivôn kế mV cũng tăng dần

Hình 2

 Đọc và ghi các giá trị của dòng điện cảm ứng i c trên micrôampekế tương ứng với giá trị

của suất nhiệt điện động E nđ của cặp nhiệt điện C trên milivôn kế vào bảng số liệu (ghi từ trên xuống)

 Khi micrôampekế µA chỉ giá trị 0 hoặc đứng yên thì tắt công tắc K1 và bật công tắc K2

(sau đó thực hiện bước 3)

+ Bước 3: Bấm công tắc K2: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu quạt đã hoạt động, cuộn

sơ cấp S đã nối với nguồn điện ~3V-1A và micrôampekế µA chỉ giá trị dòng cảm ứng i c chạy qua cuộn dây thứ cấp T

 Đọc và ghi các giá trị của dòng điện cảm ứng i c trên micrôampekế tương ứng với giá

trị của suất nhiệt điện động E nđ của cặp nhiệt điện C trên milivôn kế vào bảng số liệu (ghi từ dưới lên)

10,4 10,8 11,2 11,6 12,0 12,4 12,8 13,2 13,6 14,0 14,4 14,8 15,2 15,6 16,0 16,4 16,8 17,2 17,6 18,0 18,4 18,8 19,2 19,6 20,0

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8 7,2 7,6 8,0 8,4 8,8 9,2 9,6

10,4 10,8 11,2 11,6 12,0 12,4 12,8 13,2 13,6 14,0 14,4 14,8 15,2 15,6 16,0 16,4 16,8 17,2 17,6 18,0 18,4 18,8 19,2 19,6 20,0

Chú ý:

1 Tiến hành thí nghiệm đối với cả hai

trường hợp: nhiệt độ t của thanh ferit tăng dần đến

giá trị t > T c và sau đó lại giảm dần đến giá trị t <

T c , với T c là nhiệt độ Curie của thanh ferit F

2 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào

bảng số liệu:

+ Nhiệt độ phòng thí nghiệm ( 0

p

t ) trên nhiệt kế 0 - 1000C và độ chính xác của nhiệt kế

+ Hằng số α của cặp nhiệt điện C

+ Giá trị cực đại U m của thang đo và cấp

chính xác δV của milivôn kế mV

+ Giá trị cực đại I m của thang đo và cấp

chính xác δA của micrôampekế µA

t− )=( với α =20 Vµ /độ

(Đường OC trên đồ thị hình 3 là đường cong biểu diễn (t – tp) theo End tuân theo công thức

- Trục tung có chiều dương biểu diễn dòng cảm ứng Ic theo đơn vị µA, và chiều âm biểu

diễn hiệu nhiệt độ (t – t p) theo đơn vị 0

C

- Trục hoành biểu diễn suất nhiệt điện động Enđ theo đơn vị mV

b Vẽ đồ thị: Dựa vào bảng số liệu , vẽ đồ thị I c = f(E nđ ) và E nđ = α(t – t p ) Đường cong sẽ

có dạng như hình 3

Bước 2:Dựa vào đồ thị, xác đinh nhiệt độ Curie:

a Chọn giá trị của t C :

+ Khi nhiệt độ tăng, vẽ tiếp tuyến ab tại phần dốc nhất của đường cong I C = f(E nd ) Kéo dài

tiếp tuyến ab cắt trục hoành tại điểm A Sau đó kẻ đường thẳng song song với trục tung đi qua A,

cắt đường thẳng E nd =α(t−t p)tại điểm B Tung độ của B biểu thị hiệu nhiệt độ t1C −t p =δt1 + Lặp lại quá trình trên khi nhiệt độ giảm, ta tìm được hiệu nhiệt độ: t2C −t p =δt2

b Tính nhiệt độ Curie dựa vào công thức:

V CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Nêu rõ đặc tính của sắt từ Định nghĩa nhiệt độ Curie Nêu ý nghĩa và ứng dụng của nhiệt độ Curie

2 Trình bày phương pháp xác định nhiệt độ Curie của sắt từ trong thí nghiệm này

3 Tại sao đồ thị I c = f(E nđ ) có dạng như trên đồ thị hình 3?

Giải thích rõ cách tính giá trị trung bình của nhiệt độ Curie và sai số của nó

Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của IC vào

BÀI 4: KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU

7 Dây dẫn nối mạch dài 60cm

8 Nguồn cung cấp điện 12V - 3A/AC-DC

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Khảo sát mạch điện một chiều

Xét mạch điện gồm nguồn điện một chiều U n cung cấp điện

cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở R (Hình 1) Điện áp ra của nguồn

điện U n có thể thay đổi được nhờ biến trở núm xoay P Hiệu điện thế

U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng vôn kế một chiều V và cường độ

dòng điện I chạy qua bóng đèn đo bằng ampekế một chiều A

Theo định luật Ohm đối với mạch điện một chiều, cường độ

dòng điện I chạy qua đoạn mạch tỷ lệ với hiệu điện thế U giữa hai

đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở R của đoạn mạch:

R

U

Nếu R không đổi thì I tỷ lệ bậc nhất với U Đồ thị I = f(U) gọi là đặc tuyến vôn-ampe, có

dạng đường thẳng đi qua gốc toạ độ với hệ số góc:

G R

trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch

Nhưng do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lượng nhiệt Q toả ra trên điện trở R trong thời gian t bằng:

τ

2

=

Hình 1

Lượng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm thay đổi điện trở của đoạn mạch Vì dây

tóc bóng đèn Đ làm từ Vonfram nên điện trở R của nó thay đổi theo nhiệt độ t theo công thức:

) 1

Kết quả là cường độ dòng điện I chạy qua dây tóc bóng đèn Đ không tăng tỷ lệ tuyến tính theo hiệu điện thế U giữa hai đầu dây tóc đèn nữa Đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc có dạng đường cong Gọi R P là điện trở của dây tóc bóng đèn ở nhiệt độ phòng tP Khi đó từ (4) ta suy ra:

2 0

P t t

R R

2 Khảo sát mạch điện xoay chiều R - C

Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào hai đầu

mạch điện gồm tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với điện

trở thuần R (Hình 2)

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong mạch ở thời

điểm t có dạng:

t f I

i= 0.sin2π (7) Khi đó:

Vì u R cùng pha với i, còn u C chậm pha π/2 so với i

nên ta có thể viết:

)2.2sin(

.2

0

ππ

CR f U

U tg

R

C

.2

I Z

I

.2

0 0

0 = = π vào (11), ta có biểu thức:

Hình 2

Hình 4

Hình 5

Z I Z R I

với Z C là dung kháng của tụ điện:

C f

Z C

.2

1π

và Z là tổng trở của mạch R-C đối với dòng điện

xoay chiều tần số f:

2 2

C Z R

trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện thế và cường độ dòng xoay chiều trong mạch

R-C có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số

3 Khảo sát mạch điện xoay chiều R-L

Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f

vào hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện

trở thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện

trở thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với

điện trở R (Hình 4)

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong

đoạn mạch ở thời điểm t có dạng:

).2sin(

.2sin

2

0

πππ

r R

L f U

U

U tg

r R

L

+

=+

0 0

Hình 3

Hình 6

và Z là tổng trở của mạch R-L đối với dòng điện xoay chiều tần số f:

2 2

)(R r Z L

1 Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn điện 12V - 3A (AC - DC POWER SUPPLY)

Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC (Hình

6) có thể cung cấp:

• Điện áp một chiều 0 ÷ 12V được

lấy ra từ hai cọc đấu dây ±12V phía phải,

cung cấp dòng tối đa 3A, có thể điều chỉnh

liên tục nhờ núm xoay P Hai đồng hồ A và

V lắp trên mặt bộ nguồn dùng chỉ thị gần

đúng điện áp và dòng điện ra (> 1,5%)

• Điện áp xoay chiều cố định ~12V

lấy ra từ hai lỗ đấu dây phía trái

• Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn bằng cách:

- Cắm phích lấy điện của bộ nguồn này vào ổ điện xoay chiều ~220V trên bàn thí nghiệm

- Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu sẵn sàng hoạt động

- Vặn từ từ núm xoay P theo chiều kim đồng hồ đồng thời quan sát vôn kế V trên mặt bộ nguồn Nếu kim chỉ thị của nó dịch chuyển đều đặn trên toàn thang đo (0 - 12V) là đạt yêu cầu

- Vặn trả lại núm xoay P về vị trí tận cùng bên trái Bấm khoá K để tắt bộ nguồn

2 Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của bóng đèn dây tóc

a Mắc mạch điện trên bảng lắp ráp theo sơ đồ hình 1 Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC

cung cấp điện áp một chiều biến đổi 0 ÷ 12V (lấy trên hai cực ±12V của bộ nguồn) cho bóng đèn dây tóc Đ (12V - 3W) Dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vôn kế một chiều V và ampekế một chiều A

b Chọn thang đo cho đồng hồ

• Vôn kế V đặt ở thang đo một chiều DCV20V Lỗ “V/Ω” là cực dương (+), lỗ “COM” là

cực âm (-) của vôn kế Sử dụng hai dây đo có hai đầu phích (hoặc có mỏ kẹp cá sấu) để nối vôn

kế song song với mạch điện

• Amekế A đặt ở thang đo một chiều DCA 10A Lỗ “20A” là cực dương (+), lỗ “COM” là

cực âm (-) Sử dụng hai dây đo có hai đầu chốt để mắc Ampe kế nối tiếp với mạch điện

Sau khi thiết lập xong Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trước khi cấp điện cho mạch

c Tiến hành đo

+ Bấm nút “ON/OFF” trên vôn kế V và ampekế A cho chúng hoạt động

+ Vặn từ từ núm xoay P của bộ nguồn để điều chỉnh hiệu điện thế U (chỉ trên vôn kế hiện số V) tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 12V Đọc và ghi các giá trị cường độ dòng điện I tương ứng (chỉ trên vôn kế hiện số A) vào bảng 1

Bảng 1: Đo đặc trưng Vôn – Ampe của dây tóc bóng đèn

d Kết thúc phép đo: Vặn nhẹ núm xoay P về tận cùng bên trái Bấm khoá K để tắt bộ

nguồn Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng

Trong đó: U : Giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ

δ(%) : Cấp chính xác của thang đo

3 Xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn

+ Để xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn, ta phải đo điện trở của dây tóc đèn ở

nhiệt độ phòng bằng cách tháo vôn kế V ra khỏi mạch điện, vặn chuyển mạch chọn thang đo của

nó về vị trí “200Ω” để dùng nó làm ôm kế đo điện trở Các cực “V/Ω” và “COM” của ôm kế

được nối với hai đầu của bóng đèn Đ

+ Bấm núm “ON” trên mặt ôm kế, đọc giá trị điện trở dây tóc và ghi vào bảng 1 Đọc và ghi

giá trị nhiệt độ phòng t P trên nhiệt kế 0 đến 1000C vào bảng 1 Bấm núm “OFF” để tắt điện cho ôm

kế

+ Ghi vào bảng 1 giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n qui định đối với thang đo

đã chọn trên vôn kế V và ampekế A (xem bảng các thông số kĩ thuật của đồng hồ hiện số DT9202 phần giới thiệu dụng cụ đo)

4 Xác định điện dung của tụ điện trong mạch RC

a Mắc mạch điện: Mắc tụ điện C và điện trở R vào bảng điện như trên sơ đồ hình 2 Điện

áp xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện Tiếp tục dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vôn kế và ampekế xoay chiều

b Chọn thang đo cho đồng hồ

• Vôn kế V đặt ở thang đo xoay chiều ACV 20V, mắc song song với các đoạn mạch cần đo

hiệu điện thế

• A mpekế A đặt ở thang đo xoay chiều ACA 200mA Hai dây đo cắm vào lỗ “COM” và

“A”, rồi mắc nối tiếp xen vào mạch điện giữa R và C bằng hai đầu cốt (Hình 2)

Sau khi thiết lập xong, Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trước khi cấp điện cho mạch

Bước 3: Dùng vôn kế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn

mạch, U R giữa hai đầu điện trở thuần R và UC giữa hai đầu tụ điện C, đọc và ghi vào bảng 2

d Kết thúc phép đo: Bấm khoá K để tắt bộ nguồn Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng

hồ để tắt điện cho chúng

Ghi vào bảng 2: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính và số n qui định đối với thang đo đã chọn trên vôn kế và ampekế

5 Xác định hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn trong mạch RL

a Mắc mạch điện: Mắc cuộn dây dẫn có điện trở thuần r, hệ số tự cảm L nối tiếp với điện

trở R vào bảng lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình 4 Điện áp xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ

ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện Vẫn dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vôn kế và ampekế xoay chiều

b Chú ý: Giữ nguyên vị trí thang đo của vôn kế xoay chiều V và ampekế xoay chiều A

như trong thí nghiệm khảo sát mạch điện RC nêu trên

Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trước khi nối mạch cần đo với bộ nguồn 12V- 3A/AC-DC

c Tiến hành đo:

Bước 1: Bấm núm “ON/OFF” trên mặt vôn kế V và ampekế A cho chúng hoạt động Bước 2: Bấm khoá K của bộ nguồn Quan sát, đọc và ghi giá trị cường độ dòng điện chỉ

trên Ampe kế A vào bảng 3

Bước 3: Dùng vôn kế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn

mạch, U R giữa hai đầu điện trở thuần R, và U L giữa hai đầu cuộn dây dẫn L, đọc và ghi vào bảng 3

Kết thúc phép đo: Bấm khoá K để tắt bộ nguồn Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng hồ

để tắt điện cho chúng

Bước 4: Đo điện trở thuần của cuộn dây

+ Tháo vôn kế V ra khỏi mạch điện, vặn chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí

“200Ω” hoặc “2k” dùng nó làm ôm kế để đo điện trở thuần r của cuộn dây Các cực “V/Ω” và

“COM” của ôm kế được nối với hai đầu của cuộn dây L

+ Bấm núm “ON” trên mặt ôm kế, đọc giá trị điện trở thuần r của cuộn dây và ghi vào bảng 3

Sau đó, bấm núm “ON/OFF” tắt điện cho ôm kế

Bảng 3: Khảo sát mạch R - L

Ôm kế:

Rm = ………… α = ……… …… ∆R = ……… … n = ……… RP = … ………

I (mA) U (V) UR (V) UL (V) Z (Ω) R (Ω) ZL(Ω) L (H)

Ghi vào bảng 3: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n qui định đối với thang đo

đã chọn trên vôn kế V, ampekế A và ôm kế Ω

B TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1 Dựa vào các cặp giá trị của I, U tương ứng, các giá trị R P và t P thu được trong bảng 1:

 Vẽ đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc

 Xác định nhiệt độ T của dây tóc đèn Đ nóng sáng khi giữa hai cực của đèn có hiệu điện thế U = 10V dựa theo các công thức (1), (5) và (6)

2 Dựa vào các giá trị I, U, U R , U C đo được bảng 2 để xác định:

• Tổng trở:

I

U Z R

f

C

.2

với f = 50Hz ± 1% là tần số lưới điện quốc gia

3 Dựa vào các giá trị đo được của U, I và R đo được bảng 3 để xác định:

=

với f = 50Hz ± 1% là tần số lưới điện quốc gia

V CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Tại sao đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc không phải là đường thẳng?

2 Nêu rõ quan hệ về tần số, pha và biên độ giữa cường độ dòng điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong đoạn mạch:

- Chỉ chứa điện trở thuần R;

- Chỉ chứa tụ điện có điện dung C ;

- Chỉ chứa cuộn dây dẫn có hệ số tự cảm L

3 Dùng giản đồ vectơ Fresnel, thiết lập quan hệ về tần số, pha và biên độ giữa cường độ dòng

điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong mạch RLC không phân nhánh

Từ đó suy ra biểu thức xác định tổng trở của mạch RLC Điều kiện để cường độ dòng điện trong mạch RLC đạt cực đại?

4 Trình bày cách xác định điện dung C của tụ điện và hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn theo

phương pháp vôn-ampe đối với dòng điện xoay chiều

5 Nói rõ cách xác định sai số tuyệt đối của cường độ dòng điện và của hiệu điện thế đo trực tiếp trên các đồng hồ đa năng hiện số