Vật lý 1 và thí nghiệm

Phụ lục: Các số vật lý thường dùng HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ========== BÀI GIẢNG MƠN HỌC VẬT LÝ VÀ THÍ NGHIỆM Biên soạn: HÀ NỘI – 2010 TS LÊ THỊ MINH THANH ThS HOÀNG THỊ LAN HƯƠNG ThS VŨ THỊ HỒNG NGA Phụ lục: Các số vật lý thường dùng LỜI NĨI ĐẦU Vật lý học mơn khoa học tự nhiên nghiên cứu dạng vận động tổng quát giới vật chất để nắm qui luật, định luật chất vận động vật chất giới tự nhiên Con người hiểu biết điều để tìm cách chinh phục giới tự nhiên bắt phục vụ người Vật lý học nghiên cứu dạng vận động sau:  Vận động cơ: chuyển động tương tác vật vĩ mô không gian thời gian  Vận động nhiệt: chuyển động tương tác phân tử, nguyên tử  Vận động điện từ: chuyển động tương tác hạt mang điện photon  Vận động nguyên tử: tương tác xảy nguyên tử, hạt nhân với electron electron với  Vận động hạt nhân: tương tác hạt bên hạt nhân, nuclêon với Trong phần Vật lý chương trình xét dạng vận động cơ, nhiệt điện từ Do mục đích nghiên cứu tính chất tổng quát giới vật chất, quy luật tổng quát cấu tạo vận động vật chất, đứng khía cạnh coi Vật lý sở nhiều môn khoa học tự nhiên khác hoá học, sinh học, học lý thuyết, sức bền vật liệu, điện kỹ thuật, kỹ thuật điện tử - viễn thơng, kỹ thuật nhiệt… Vật lý học có quan hệ mật thiết với triết học Thực tế chứng tỏ phát minh mới, khái niệm, giả thuyết định luật vật lý làm phong phú xác thêm quan điểm triết học đồng thời làm phong phú xác tri thức người giới tự nhiên vô vô tận Vật lý học có tác dụng to lớn cách mạng khoa học kỹ thuật Nhờ thành tựu Vật lý học, khoa học kỹ thuật tiến bước dài trong nhiều lĩnh vực như:  Khai thác sử dụng nguồn lượng mới: lượng hạt nhân, lượng mặt trời, lượng gió, lượng nước…  Nghiên cứu chế tạo loại vật liệu mới: vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, vật liệu vơ định hình, vật liệu nanô, chất bán dẫn mạch tổ hợp siêu nhỏ siêu tốc độ  Tạo sở cho cách mạng công nghệ thông tin, điện tử viễn thơng thâm nhập vào ngành khoa học kỹ thuật đời sống Mục đích mơn học là:  Cung cấp cho sinh viên kiến thức Vật lý trình độ đại học,  Tạo sở để học tốt nghiên cứu ngành kỹ thuật sở chuyên ngành, Phụ lục: Các số vật lý thường dùng  Góp phần rèn luyện phương pháp suy luận khoa học, tư logic, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm,  Góp phần xây dựng giới quan khoa học tác phong khoa học cần thiết cho người kỹ sư tương lai Phương pháp nghiên cứu môn học: Để học tốt môn Vật lý, sinh viên cần lưu ý vấn đề sau : 1- Thu thập đầy đủ tài liệu: Nếu có điều kiện, sinh viên nên tham khảo thêm:  Đĩa CD- ROM giảng điện tử Vật lý Đại cương Học viện Công nghệ BCVT ấn hành  Vật lý đại cương; Bài tập Vật lý đại cương (tập I, II) Lương Dun Bình, Dư Trí Cơng, Bùi Ngọc Hồ Nhà Xuất Giáo dục, 2003  Cơ sở Vật lý (tập I - V) Halliday, Resnick, Walker, Nhà Xuất Giáo dục, 1998 2- Nghiên cứu nắm kiến thức cốt lõi: Sinh viên nên đọc qua sách giảng môn học tài liệu tham khảo khác Đặc biệt ý đọc phần mục đích yêu cầu tóm tắt nội dung sau chương Nên nhớ việc học thông qua đọc tài liệu việc đơn giản so với việc truy cập mạng Internet hay sử dụng hình thức học tập khác Hãy sử dụng thói quen sử dụng bút đánh dấu dòng (highline maker) để đánh dấu đề mục nội dung, công thức quan trọng tài liệu 3- Tham gia đầy đủ buổi học lớp: Thông qua buổi học này, giảng viên giúp sinh viên nắm nội dung tổng thể môn học giải đáp thắc mắc; đồng thời sinh viên trao đổi, thảo luận sinh viên khác lớp Thời gian bố trí cho buổi học khơng nhiều, đừng bỏ qua buổi học theo thời khóa biểu 4- Chủ động liên hệ với bạn học giảng viên: Cách đơn giản tham dự diễn đàn học tập mạng Internet Hệ thống quản lý học tập (LMS) cung cấp môi trường học tập suốt 24 giờ/ngày ngày/tuần Nếu khơng có điều kiện truy nhập Internet, sinh viên cần chủ động sử dụng sử dụng dịch vụ bưu phương thức truyền thông khác (điện thoại, fax, ) để trao đổi thông tin học tập - Tự ghi chép lại ý chính: Nếu đọc khơng khó cho việc ghi nhớ Việc ghi chép lại hoạt động tái kiến thức, kinh nghiệm cho thấy giúp ích nhiều cho việc hình thành thói quen tự học tư nghiên cứu - Trả lời câu hỏi ôn tập làm tập sau chương: Sau buổi học lớp, sinh viên cần tự trả lời tất câu hỏi làm tập liên quan đến nội dung buổi học Hãy cố gắng vạch ý trả lời chính, bước phát triển thành câu trả lời hoàn thiện Đối với tập, sinh viên nên tự giải trước tham khảo hướng dẫn, đáp án Đừng ngại ngần việc liên hệ với bạn học giảng viên để nhận trợ giúp Nên nhớ thói quen đọc ghi chép chìa khố cho thành cơng việc tự học! Phụ lục: Các số vật lý thường dùng CƠ HỌC Cơ học nghiên cứu dạng chuyển động đơn giản vật – chuyển động Cơ học gồm hai phần chính: Động học động lực hoc CHƯƠNG I ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM Nội dung chương I nghiên cứu đặc trưng chuyển động học (phương trình chuyển động, phương trình quỹ đạo, quãng đường dịch chuyển, vận tốc, gia tốc) nguyên nhân gây thay đổi trạng thái chuyển động §1 ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM I Những khái niệm mở đầu Chuyển động Theo định nghĩa, chuyển động vật chuyển dời vị trí vật vật khác khơng gian theo thời gian Để xác định vị trí vật chuyển động, ta phải xác định khoảng cách từ vật đến vật (hoặc hệ vật) khác qui ước đứng yên Như vậy, vị trí vật chuyển động vị trí tương đối vật so với vật hệ vật qui ước đứng yên Từ người ta đưa định nghĩa hệ qui chiếu Vật qui ước đứng yên dùng làm mốc để xác định vị trí vật không gian đựơc gọi hệ qui chiếu Để xác định thời gian chuyển động vật, người ta gắn hệ qui chiếu với đồng hồ Khi vật chuyển động vị trí so với hệ qui chiếu thay đổi theo thời gian Vậy chuyển động vật có tính chất tương đối tùy theo hệ qui chiếu chọn, hệ qui chiếu chuyển động, hệ qui chiếu khác đứng yên 2.Chất điểm, hệ chất điểm, vật rắn Bất kỳ vật tự nhiên có kích thước xác định Tuy nhiên, nhiều tốn bỏ qua kích thước vật khảo sát Khi ta có khái niệm chất điểm: Chất điểm vật mà kích thước có thể bỏ qua tốn xét Kích thước vật bỏ qua kích thước nhỏ so với kích thước vật khác hay nhỏ so với khoảng cách từ tới vật khác Vậy, định nghĩa: Một vật có kích thước nhỏ khơng đáng kể so với những khoảng cách, những kích thước mà ta khảo sát gọi chất điểm Như vậy, tùy thuộc vào điều kiện tốn ta nghiên cứu mà xem vật chất điểm hay không Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Thí dụ: Khi xét chuyển động viên đạn khơng khí, chuyển động đất quay quanh mặt trời, ta coi viên đạn, đất chất điểm bỏ qua chuyển động quay chúng Tập hợp chất điểm gọi hệ chất điểm Nếu khoảng cách tương đối chất điểm hệ khơng thay đổi, hệ chất điểm gọi vật rắn 3.Phương trình chuyển động chất điểm Để xác định chuyển động chất điểm, người ta thường gắn vào hệ qui chiếu hệ tọa độ, chẳng hạn hệ tọa độ Descartes có ba trục ox, oy, oz vng góc đơi hợp thành tam diện thuận Oxyz có gốc tọa độ O Hệ qui chiếu gắn với gốc O Như việc xét chất điểm chuyển động không gian xác định việc xét chuyển động chất điểm hệ tọa độ chọn Vị trí M chất điểm xác định tọa độ Với hệ tọa độ Descartes Oxyz, tọa độ x,y,z   Bán kính vectơ OM  r có tọa độ x,y,z ba trục ox,oy,oz (hình 1-1), có mối liên hệ:     r  x( t )i  y( t ) j  z( t )k Khi chất điểm chuyển động, vị trí M thay đổi theo thời gian, tọa độ x, y, z M hàm thời gian t: x = x(t) y = y(t) (1-1) z = z(t)  Do bán kính vectơ r chất điểm chuyển động hàm thời gian t:   (1-2) r  r (t ) Các phương trình (1-1) hay (1-2) xác định vị trí chất điểm thời điểm t gọi phương trình chuyển động chất điểm Vì thời điểm t, chất điểm có vị trí xác định, thời gian t thay đổi, vị trí M chất điểm thay đổi liên tục nên hàm  x(t), y(t), z(t) hay r (t ) hàm xác định, đơn trị liên tục thời gian t Qũy đạo Quỹ đạo chất điểm chuyển động đường cong tạo tập hợp tất vị trí chất điểm không gian suốt trình chuyển động Tìm phương trình Quỹ đạo có nghĩa tìm mối liên hệ tọa độ x,y,z chất điểm M quỹ đạo Muốn ta khử thời gian t phương trình tham số (1-1) (1-2) Hoành độ cong Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Giả sử ký hiệu quỹ đạo chất điểm (C) (Hình 1-1) Trên đường cong (C) ta chọn điểm A làm gốc (A đứng yên so với O) chọn chiều dương hướng theo chiều chuyển động chất điểm Khi thời điểm t vị trí M chất điểm đường cong (C) xác định trị đại số cung AM, ký hiệu là: AM = s Người ta gọi s hoành độ cong chất điểm chuyển động Khi chất điểm chuyển động, s hàm thời gian t, tức là: s = s(t) (1-3) Khi dùng hồnh độ cong, qng đường chất điểm khoảng thời gian t=t-to s=s-s0, s0 khoảng cách từ chất điểm đến gốc A thời điểm ban đầu (to = 0), s khoảng cách từ chất điểm đến gốc A thời điểm t Nếu thời điểm ban đầu chất điểm gốc A s0 = s = s, đúng quãng đường mà chất điểm đựơc khoảng thời gian chuyển động t II Vận tốc Để đặc trưng cho chuyển động phương, chiều độ nhanh chậm, người ta đưa đại lượng gọi vận tốc Nói cách khác: vận tốc đại lượng đặc trưng cho trạng thái chuyển động chất điểm Vận tốc trung bình vận tốc tức thời Giả sử ta xét chuyển động chất điểm đường cong (C) (hình 1-2) Tại thời điểm t, chất điểm vị trí M, thời điểm t’=t+t chất điểm quãng đường s vị trí M’ Quãng đường chất điểm khoảng thời gian t = t’–t là: MM’ = s’ – s = s Tỉ số s/t biểu thị quãng đường trung bình mà chất điểm đơn vị thời gian từ M đến M’, gọi vận tốc trung bình chất điểm khoảng thời gian t (hoặc quãng đường từ M đến M’) s (1-4) vtb  t Vận tốc trung bình đặc trưng cho độ nhanh chậm trung bình chuyển động quãng đường MM’ Trên quãng đường này, nói chung độ nhanh chậm chất điểm thay đổi từ điểm đến điểm khác Vì để đặc trưng cho độ nhanh chậm chuyển động thời điểm, ta phải tính tỉ số s/t khoảng thời gian t vô nhỏ, tức cho t  Theo định nghĩa, t  0, M’M, tỉ số s/t tiến dần tới giới hạn gọi vận tốc tức thời (gọi tắt vận tốc ) chất điểm thời điểm t: s ds v  lim  (1-5) t 0 t dt Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Vậy: Vận tốc chất điểm chuyển động đạo hàm hồnh độ cong chất điểm theo thời gian Số gia s quãng đường mà chất điểm khoảng thời gian t = t-to Do nói chung phát biểu (1-5) sau: Vận tốc chất điểm chuyển động đạo hàm quãng đường chất điểm theo thời gian Biểu thức (1-5) biểu diễn vận tốc lượng đại số mét Đơn vị đo vận tốc hệ đơn vị SI là: (m/s) giây Vectơ vận tốc Để đặc trưng đầy đủ phương chiều độ nhanh chậm chuyển động người ta đưa vectơ gọi vectơ vận tốc  M v  Định nghĩa:Vectơ vận tốc vị trí M ds vectơ có phương nằm tiếp tuyến với quĩ đạo M, có chiều theo chiều chuyển động có độ lớn Hình.1-3 xác định công thức (1-5) Để định nghĩa vectơ vận tốc Để viết biểu thức vectơ vận  tốc, người ta định nghĩa vectơ vi phân cung ds vectơ nằm tiếp tuyến với quỹ đạo M, hướng theo chiều chuyển động có độ lớn trị số tuyệt đối vi phân hoành độ cong ds Do ta viết lại (1-5) sau:   ds (1-6) v dt 3.Vectơ vận tốc hệ toạ độ Descartes Giả sử thời điểm t, vị trí chất điểm chuyển động xác định bán kính  vectơ OM  r (hình1-4) Ở thời điểm sau t’=t+t, vị trí xác định bán kính vectơ:   OM  r  r Khi   Δt  , M '  M , Δr  dr ,   MM’  MM ' , dr  ds   Hai vectơ dr , ds nhau, ta viết lại biểu thức (1-6) vận tốc sau:   dr v (1-7) dt Tức là: Vectơ vận tốc đạo hàm bán kính vectơ vị trí chuyển động chất điểm theo thời gian Gọi ba thành phần v x , v y , v z  véc tơ vận tốc v theo ba trục tọa độ có Phụ lục: Các số vật lý thường dùng độ dài đại số đạo hàm ba thành phần tương ứng bán kính véc tơ theo ba trục tọa độ: dx dy dz (1-8) vx  , v y  , vz  dt dt dt Độ lớn vận tốc tính theo cơng thức: 2  dx   dy   dz  v  v v v         dt   dt   dt  x y 2 z III Gia tốc Để đặc trưng cho biến thiên vectơ vận tốc, người ta đưa đại lượng gọi vectơ gia tốc Nói cách khác, gia tốc đại luợng đặc trưng cho biến đổi trạng thái chuyển động chất điểm Định nghĩa biểu thức vectơ  v M • (1-9)  v M’ Hình 1-5 Vận tốc điểm khác gia tốc Khi chất điểm chuyển động, vectơ vận tốc thay đổi phương chiều độ  lớn Giả sử thời điểm t chất điểm điểm M, có vận tốc v , thời điểm sau t’ = t+t    chất điểm vị trí M’ có vận tốc v   v  v (hình -5) Trong khoảng thời gian t=t’- t,    vectơ vận tốc chất điểm biến thiên lượng: v  v   v  v Tỷ số xác định độ biến thiên trung bình vectơ vận tốc đơn vị thời t gian gọi vectơ gia tốc trung bình chất điểm chuyển động khoảng thời gian t:   v (1-10) atb  t Nhưng nói chung thời điểm khác khoảng thời gian t xét, độ biến thiên vectơ vận tốc đơn vị thời gian có khác Do đó, để đặc trưng cho độ  v biến thiên vectơ vận tốc thời điểm, ta phải xác định tỷ số khoảng thời t  v gian vô nhỏ, nghĩa cho t  0, tỷ số tiến dần tới giới hạn gọi vectơ t  gia tốc tức thời (gọi tắt gia tốc) chất điểm thời điểm t ký hiệu a    v dv a  lim  (1-11) t 0 t dt Vậy: “Vectơ gia tốc chất điểm chuyển động đạo hàm vectơ vận tốc theo thời gian” Nếu phân tích chuyển động chất điểm thành ba thành phần chuyển động theo ba trục ox, oy, oz hệ tọa độ Descartes, ta có: dv y d y dv dv d 2x d 2z ax  x  , a y   , az  z  (1-12) dt dt dt dt dt dt độ lớn gia tốc tính sau: Phụ lục: Các số vật lý thường dùng  d 2x   d y   d 2z  a  a  a  a           dt   dt   dt  x y 2 z Gia tốc tiếp tuyến gia tốc pháp tuyến Trường hợp tổng quát, chất điểm chuyển động quỹ đạo cong, vectơ vận tốc thay đổi phương chiều độ lớn Để đặc trưng riêng cho biến đổi độ lớn phương  chiều vectơ vận tốc người ta phân tích a thành hai thành phần: gia tốc tiếp tuyến gia tốc pháp tuyến Xét chuyển động chất điểm quỹ đạo trịn (hình 1-6) Tại thời điểm t, chất   điểm vị trí M có vận tốc v ; Tại thời điểm t’ chất điểm vị trí M’, có vận tốc v  Ta vẽ vectơ MB  M A   v ' có gốc M  Ta đặt phương MA đoạn MC cho MC  v ' Khi đó, hình vẽ (1- 6), độ biến thiên vectơ vận tốc khoảng thời gian t là:  v = AB  AC  CB Theo định nghĩa (1-11) gia tốc, ta có:   Δv AC CB a  lim  lim  lim Δt →0 Δt Δt →0 Δt Δt →0 Δt (1-13) Theo (1-13), vectơ gia tốc gồm hai thành phần Sau ta xét thành phần a Gia tốc tiếp tuyến Ta ký hiệu thành phần thứ (1-13) là:  AC at  lim t 0 t Thành phần phương với tiếp tuyến quỹ đạo thời điểm t, gọi gia tốc tiếp tuyến  Chiều a t trùng chiều với AC Vì   v'  v a t chiều với v ,   v'  v , a t ngược chiều với v Độ lớn tính sau: AC AC  lim Δt Δt Δt 0 MC- MA v'-v v  lim  lim  t   t  t t t Theo định nghĩa đạo hàm: at  lim Δt 0  lim Δt 0 at  dv dt (1-14) Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Vậy: Vectơ gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho biến đổi độ lớn vectơ vận tốc, có:  Phương trùng với tiếp tuyến qũy đạo,  Chiều trùng với chiều chuyển động vận tốc tăng ngược chiều chuyển động vận tốc giảm  Độ lớn đạo hàm trị số vận tốc theo thời gian b Gia tốc pháp tuyến  Thành phần thứ hai gia tốc, ký hiệu a n theo (1-13), ta có:    CB an  lim t 0 t Khi t  0, v'  v , CB dần tới vng góc với AC , tức vng góc với tiếp tuyến  quĩ đạo M Vì a n gọi gia tốc pháp tuyến CB t Ta đặt MOM’= CMB =  Trong tam giác cân Δ MCB có:   CMB   MCB =   2  Khi t  0, M’ M,   0, MCB  Vậy đến giới hạn, CB  AC  phương a n  AC tức vng góc với tiếp tuyến quỹ đạo M  Chiều a n hướng tâm quĩ đạo, gọi gia tốc hướng Độ lớn gia tốc pháp tuyến là: a n  lim t 0 tâm  CB Độ lớn a n cho bởi: an  lim Δt 0 Δt   Chú ý góc: BMC = MOM’= θ Khi t 0, M’ M, v '  v , góc θ nhỏ, coi gần đúng: s =MM’Rθ, s CB  v'.  v' R v' s s CB = lim  lim v' lim Δ t  Δ t Δ t  R Δt Δt R Δt s ds lim v'  v lim  v Δt 0 Δt 0 Δt dt Thay kết qủa vừa tính vào (1-15), cuối ta được: an  lim Δt 0 (1-15) v2 (1-16) R Công thức (1-16) chứng tỏ an lớn chất điểm chuyển động nhanh quĩ đạo cong (R nhỏ) Với điều kiện này, phương vectơ vận tốc thay đổi nhiều Vì thế, gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho thay đởi phương vectơ vận tốc Tóm lại vectơ gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho thay đởi phương vectơ vận tốc, có:  Phương: trùng với phương pháp tuyến quỹ đạo M; an  10 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Trong thực tập ta cần đo cảm ứng từ B0 dọc theo trục cuộn dây khảo sát phụ thuộc B0 vào cường độ dòng điện I0 chạy qua cuộn dây 1- Lắp ráp mạch điện : Ống dây mắc nối tiếp với am pe kế xoay chiều A ( thang đo AC20A đồng hồ DT9205), nối vào hai lỗ cắm xoay chiều nguồn đa năng, ban đầu đặt 3V ( Hình 3) - Phích chân đầu đo B cắm tới lối vào Tesla Meter VC-8606, cuộn dây đo ban đầu đặt vị trí mm - Mời cán hướng dẫn đến kiểm tra mạch điện trước tiến hành đo Tesla Meter VC-8606 A AC 20A range K ~U ( 50 Hz) ( 0, 3, 6, 9, 12VAC ) Hình : Sơ đồ thí nghiệm Đo cảm ứng từ B dọc theo trục cuộn dây  Bật công tắc điện cho Teslameter VC-8086 nguồn xoay chiều đa năng, chọn thang đo thích họp cho VC-8086  Đọc giá trị I giá trị B0 tương ứng , ghi vào bảng  Cố định giá trị dòng điện I, dịch chuyển khung dây đo từ vị trí đến vị trí 30cm, đo vị trí cách 1cm  Ghi số liệu vào bảng Lưu ý : Điện áp xoay chiều 50Hz cung cấp dòng điện I cho cuộn dây lấy từ nguồn đa AC-DC 0,3,6,9,12V, điều chỉnh điện áp chuyển mạch Xác định phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua cuộn dây  Đặt cuộn dây đo nằm vị trí ống dây ( vị trí x = 15 cm thước đo)  Thực phép đo phần cố định vị trí cuộn dây đo thay đổi dịng điện I chạy qua ống dây cách vặn chuyển mạch điện áp xoay chiều nấc 3, 6, 9, 12V, đọc giá trị dòng điện hiệu dụng đồng hồ DT9205 giá trị B0, E0 tương ứng đồng hồ MC- 8606, ghi kết vào bảng  Kết thúc thí nghiệm, ghi giá trị thơng số cuộn dây N1, khung dây đo N2, thang đo đồng hồ A, Teslameter VC-8086 ( với sai số dụng cụ tương ứng ) 310 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng V CÂU HỎI 1- Áp dụng định luật Biot Savard – Laplace , chứng minh công thức (1-1) 2- Áp dụng cơng thức (1-3) để tính phân bố cảm ứng từ B dọc theo trục ống dây dài 30cm có mật độ 2500v/m, điểm cách 1cm, cho dòng điện chiều 0.4A chạy qua Vẽ đồ thị phân bố nói ( Sử dụng bảng tính cơng cụ vẽ đồ thị Excel ) 3- Trình bày nguyên lý đo B từ thông kế xoay chiều 4- Áp dụng định luật Biot Savard – Laplace , chứng minh công thức (1-1) 5- Áp dụng công thức (1-3) để tính phân bố cảm ứng từ B dọc theo trục ống dây dài 30cm có mật độ 2500v/m, điểm cách 1cm, cho dòng điện chiều 0.4A chạy qua Vẽ đồ thị phân bố nói ( Sử dụng bảng tính cơng cụ vẽ đồ thị Excel ) 6- Trình bày nguyên lý đo B từ thông kế xoay chiều 311 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng BÁO CÁO THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG CỦA ỐNG DÂY THẲNG Trường Lớp Tổ Họ tên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng - Đo cảm ứng từ B dọc theo trục ống dây: Thang đo I : ……………… sai số dụng cụ : ………………… Thang đo B0 : ……………… …sai số dụng cụ : ………………… Cường độ dòng điện I =……………(A) x (cm) …… 29 30 B0( mT) Vẽ đồ thị biểu diễn đường phụ thuộc thực nghiệm B = B(x), dựa kết đo đường phụ thuộc lý thuyết B vào x dựa công thức (I.3) với  r  So sánh đường giải thích sai lệch có Bảng Sự phụ thuộc cảm ứng từ B vào cường độ dòng điện I chạy qua ống dây Kết đo : - Vị trí cuộn dây đo: 15cm I (A) I0 =1,41.I (A) B0 (mT) Vẽ đồ thị B = f( I0) Nhận xét dạng đồ thị B = f(I0) 312 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Sự phụ thuộc có phù hợp với cơng thức (I.3) (I.4) khơng ? Nếu khơng ? Biết tần số   100 rad/s Tính B theo cơng thức (1-3) So sánh với giá trị B tính theo cơng thức (1-14) kết đo thực nghiệm Nhận xét kết thu Kết thí nghiệm 1- Đồ thị B = B(x) 2- Đồ thị B = B (I0) 3- Bảng so sánh số liệu nhận tính tốn lý thuyết theo (1-3) kết đo nhận từ thực nghiệm, với I = 0.4A Vị trí x (m) a b c Cos1 Cos2 n I0 LT: B0 (mT) TN: B0 (mT) 0.15 0.30 Nhận xét :………………………………………………………………………………… 313 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng 4- Bảng so sánh số liệu nhận theo tính tốn lý thuyết phương pháp đo từ thông kế xoay chiều (1-14), kết đo thực nghiệm với I=0.4A Vị trí x (m) N2 (vịng) S (m2)  (1/s) I0 (A) E0 (mV) LT B0(mT) TN B0(mT) Sai lệch (%) 0.15 0.30 Nhận xét :……………………………………………………………………… 314 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng §8 HIỆN TƯỢNG TỪ TRỄ CỦA SẮT TỪ 1.MỤC ĐÍCH – YÊU CẦU: Mục đích: Ghi đường cong từ hố từ trễ sắt từ Trong thí nghiệm với giúp đỡ giao diện CCSSY ta ghi cường độ dịng điện để từ hố lõi sắt hiệu điện cảm ứng cuộn thứ cấp Từ tìm mối quan hệ cảm ứng từ B cường độ từ trường H lõi sắt, vẽ đường cong từ hoá đường cong từ trễ Yêu cầu Hiểu sở lý thuyết phương pháp đo Xác định Bdư Hkhử, vẽ đường cong từ trễ II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi đặt từ trường B0, vật liệu từ bị từ hố làm cho vật liệu có từ trường phụ B/ Do từ trường tổng hợp bên vật liệu từ đặt từ trường    ngồi B0 có dạng: B  B0  B Sự từ hoá giải thích sở mơmen từ electron chuyển động nguyên tử (tương đương dòng điện trịn) tương tác với từ trường ngồi kết từ trường tổng hợp vật liệu từ có dạng:       B  B0  B  B0   m B0  1   m B0 ,  m gọi độ từ hoá    Đặt   m    B  B0  0 H ,  gọi độ từ thẩm tỷ đối vật liệu từ Người ta phân biệt theo tính chất mức độ từ hố từ hố thành vật liệu sau: a.Nghịch từ: Những chất bị từ hoá sinh từ trường phụ ngược chiều với từ trường ngồi, từ trường tổng hợp chất nghịch từ bé từ trường B0 b.Thuận từ: Những chất bị từ hoá sinh từ trường phụ chiều với từ trường ngồi, từ trường tổng hợp chất nghịch từ lớn từ trường B0 c.Sắt từ: Từ trường phụ sắt từ sinh chiều với từ trường lớn từ trường ngồi hàng chục nghìn lần Trong thí nghiệm khảo sát vật liệu sắt từ Từ trường từ hoá lõi sắt từ xác định cơng thức: NI H0  L Trong đó: N1 số vòng cuộn sơ cấp L chiều dài cuộn sơ cấp I cường độ dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp   Cảm ứng từ lõi sắt từ xác định công thức: B   H Do độ từ thẩm sắt từ phụ thuộc vào tính chất vật liệu từ cường độ từ trường H0 nên thực chất B không tỷ lệ với H0 mà tiến đến giá trị bão hoà Bbh H0 tăng Đường cong từ trễ có tính chất sau: 315 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng - Nếu vật liệu hố (H0 tăng dần từ khơng) cảm ứng từ B tăng theo đường cong OA Đường cong OA gọi đường cong từ hoá - Khi giảm cường độ từ trường H0 từ trường B giảm theo đường cong ABd nằm phía đường cong OA Vì H0 giảm khơng B cịn từ trường dư Bdư - Để khử hết từ trường lõi phải tiếp tục giảm H0 đến – Hk( đổi chiều từ trường H0), giá trị Hk gọi từ trường khử - Nếu tiếp tục tăng từ trường H từ -Hk đến –H1 lõi sắt lại bị từ hóa theo chiều ngược lại (đường cong –HkA’) Tiếp cho H biến thiên từ -H1 không, từ không tăng đến +H1 ta thu đoạn A’C’A đồ thị Đường cong khép kín ACA’C’A ứng với tồn q trình từ hóa gọi chu trình từ trễ Trong thí nghiệm đưa dịng điện biến đổi vào cuộn sơ cấp máy biến thế, cuộn thứ cấp có suất điện động cảm ứng  Từ thông gửi qua cuộn thứ cấp:   N S.B , n2 số vòng dây cuộn thứ cấp, S tiết diện lõi Suất điện động cảm ứng cuộn thứ cấp:   d dB  dt  N2S B dt dt N2S Do   N S.B    dt Trong thí nghiệm H0 dòng điện cuộn sơ cấp gây ra, cảm ứng từ B từ trường cuộn thứ cấp, khảo sát phụ thuộc cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp từ trường cuộn thứ cấp III DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM - Power – Cassy - Sensor - Cassy - Lõi thép chữ U 316 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng - Các cuộn dây dây nối - Máy tính IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Trong “Start” chọn “Program” chọn “Cassy Lab” Trong hình làm việc cassy lab chọn F5 để cài đặt thếi bị Chọn “Load examble” chọn Physics chọn P 7.3.2.1 Hysteresis of a transformer core” ta tài liệu hướng dẫn thục hành Trong hình Setting chon “General”, để khai báo sensor – cassy: sesor cassy nối vào cổng COM ( COM 2, COM 3… cử số nhấp chute vào COM ( COM 2, COM 3…)tương ứng chọn cassy (thông thường máy tính tự nhận thiết bị cắm) Trong cửa số Setting chọn”Cassy” đặt lại hệ rhống lối cho phù hợp cách nhấp chute vào vị trí sensor cassy Lối UB2 : Quantity Voltage UB2 Meas range: -1V… 1V Power cassy đóng vai trị máy phát chức ta thay đổi thơng số tín hiệu cách nhấp chuột vào vị trí hình   B  0 H Tiến hành thí nghiệm Chú ý: Để đo đường cong từ trễ đối xứng qua trục toạ độ trước làm thí nghiệm ta phảI khử từ dư lõi thép cách sau: 1.Gõ nhẹ đầu cuối lõi chữ I ngược với đầu cuối lõi chữ U vài lần 2.Ta khử từ dư lõi thép cách đặt thời gian cung cấp dòng điện cho cường độ dòng điện khơng dừng lại Muốn làm mở cửa sổ “setting” chọn “display measuring parameter”, ô “Meas time’ ghi vào khoảng thời gian phù hợp Ví dụ : đặt thông số: Voltage source -1… 1V Current source -1……1A Signal Form Triangle (sym) Parameter 0.1Hz 0.5 Vp 0V 50% Thì thời gian cho phép đo sau: Ghi đường cong từ trễ khoảng: 12.5s Ghi đường cong từ hoá khoảng: 3s Khử từ dư lõi thép khoảng: 6.43s Bấm F9 để hệ bắt đầu đo Chú ý: khử từ dư lõi thép trước tiến hành phép đo Chuyển trục toạ độ B – H * Khai báo B - Trong cửa số “setting” chọn “parameter Formula FFT” 317 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng - - Chọn “new quantity” Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng “cảm ứng từ” Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lượng với đại lượng cũ:  , nhấp chuột vào “help’ chọn “grerk letter” để biết ký hiệu Ví B N2S dụ để đánh cơng thức ta khai báo sau: &F/(250*16*10^- 4) Trong “symbol” B: Unit: Vs/m^2 From: -2 To: *Khai báo H - - Chọn “new quantity” Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng “cường độ từ trường” Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lượng với đại lượng cũ: I N , khai báo công thức ta khai báo sau: I_1*250/7*10^- 2) H L Trong “symbol” H: Unit: A/m From: -5000 To: 5000 *Chọn hiển thị đồ thị B – H -Trong “setting” chọn ‘display” - Chọn “new display” - Trong hộp “select display” ghi tên đồ thị B – H Trong X – Axis chọn H Y – Axis chọn B Ta dễ dàng xác đinh giá trị I,  , B, H0 cách hiển thị toạ độ vị trí chuột dịch chuột đến vị trí cần xác định Đọc giá trị toạ độ chuột góc phải hình Hoặc đặt chuột vào vị trí cần xác định nhấp phải chuột chọn “set Marker” , “text” Hoặc vẽ đường thẳng nằm ngang hay thẳng đứng qua vị trí cần xác định cách nhấp phải chuột chọn “set Markẻ”, “vertical line”, “horizontal line” Sau chọn “set marker” , “text” để hiển thị giá trị lên hình Để tính diện tích đường cong từ trễ, khai báo cơng cụ có sẵn phần mềm Trên cửa số đồ thị đường cong từ trễ ta kích phải chuột, hình menu động cho ta cơng cụ có sẵn Từ menu chọn Calculate integral Pear area sau di chuột từ điểm đầu đến điểm cuối đường cong từ trễ Để đưa kết diện tích vừa tính hình ta nhấp phải chuột chọn Set marker, text V CÂU HỎI KIÊM TRA Phân biệt đường cong từ trễ đường cong từ hoá Hãy nêu rõ đặc điểm sắt từ 318 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HIỆN TƯỢNG TỪ TRỄ CỦA SẮT TỪ Học viện công nhệ BC – VT Lớp……………………… Họ tên………………… Kết thí nghiệm Lần Bd Hk Diện tích TB 319 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng CÁC HẰNG SỐ VẬT LÝ THƯỜNG DÙNG Thứ tự Tên số Ký hiệu Trị số Gia tốc rơi tự g 9,8 m/s2 Hằng số hấp dẫn G 6,67.10 -11 Nm2 /kg2 Số Avôgadrô (số phân tử kilômol) No 6,025.1026 kmol Thể tích kilơmol điều kiện tiêu ch̉n VO 22,4 m3/kmol Hằng số khí R 8,31.103 J/kmol.K Hằng số Bolzman k 1,38.10 -23 J/K Điện tích electron e 1,602.10 -19 C Khối lượng nghỉ electron me 9,11.10-31 kg Hằng số điện o 8,86.10-12 F/m 10 Hằng số từ o 4.10-7H/m 11 Vận tốc ánh sáng chân không c 3.108 m/s 12 Khối lượng nghỉ proton mp 1,67.10-27 kg 320 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng TÀI LIỆU THAM KHẢO Vật lý đại cương Tập I, II – Lương Dun Bình, Dư Trí Cơng, Bùi Ngọc Hồ Nhà xuất Giáo Dục – 2003 Cơ sở Vật lý Tập I, II, III, IV, V – Halliday, Resnick, Walker Nhà xuất Giáo Dục – 1998 Vật lý đại cương Tập I, II – Nguyễn Xuân Chi, Đặng Quang Khang Đại học Bách khoa Hà nội 2000 Vật lý đại cương Tập II - Nguyễn Hữu Thọ Nhà xuất Trẻ - 2004 Tuyển tập tập vật lý đại cương – L.G Guriep, X.E Mincova (bản tiếng Nga) Matxcơva – 1998 Bài tập Vật lý đại cương tập I, II - Lương Duyên Bình Nhà xuất Giáo Dục – 1999 321 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng MỤC LỤC Thứ tự Nội dung Lời nói đầu Chương I Động lực học chất điểm §1 Động học chất điểm §2 Động lực học chất điểm Hướng dẫn học chương I Chương II Động lực học hệ chất điểm – vật rắn §1 Khối tâm §2 Định luật bảo tồn động lượng §3 Phương trình chuyển động quay vật rắn §4 Định luật bảo tồn mơmen động lượng Hướng dẫn học chương II Chương III Năng lượng §1 Cơng cơng suất §2 Năng lượng định luật bảo tồn lượng §3 Động §4 Thế §5 Va chạm Hướng dẫn học chương III Chương IV Trường hấp dẫn §1 Định luật Newton hấp dẫn vũ trụ §2 Trường hấp dẫn Hướng dẫn học chương IV Chương V Nguyên lý I nhiệt động học §1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng §2 Nội hệ nhiệt động – Cơng nhiệt §3 Ngun lý I nhiệt động học Hướng dẫn học chương V Chương VI Nguyên lý II nhiệt động học §1 Phát biểu nguyên lý II nhiệt động học 4 16 28 36 36 38 41 46 50 58 58 60 61 63 66 68 75 75 77 81 84 84 86 87 95 §3 Entropy nguyên lý tăng entropy Hướng dẫn học chương VI 103 103 104 106 109 Chương VII Trường tĩnh điện §1 Những khái niệm mở đầu 113 113 §2 Chu trình Carnot biểu thức nguyên lý II Trang 322 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Thứ tự Nội dung §2 Định luật Coulomb §3 Điện trường vectơ cường độ điện trường §4 Điện thơng định lý Ostrogratski-Gauss điện trường §5 Điện §6 Liên hệ vectơ cường độ điện trường điện Hướng dẫn học chương VII Chương VIII Vật dẫn §1 Điều kiện tính chất vật dẫn cân tĩnh điện §2 Hiện tượng điện hưởng §3 Điện dung vật dẫn lập - Tụ điện §4 Năng lượng điện trường §5 Dịng điện khơng đổi Hướng dẫn học chương VIII Chương IX Điện mơi §1 Sự phân cực điện mơi §2 Điện trường tổng hợp chất điện mơi §3 Điện mơi đặc biệt Hướng dẫn học chương IX 10 Chương X Từ trường dịng điện khơng đởi §1 Tương tác từ dịng điện - Định luật Ampère §2 Từ trường vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường §3 Từ thơng định lý Ostrogratski-Gauss từ trường §4 Định lý Ampère dịng điện tồn phần §5 Tác dụng từ trường lên dịng điện §6 Tác dụng từ trường lên hạt điện chuyển động Hướng dẫn học chương X 11 Chương XI Hiện tượng cảm ứng điện từ §1 Các định luật tượng cảm ứng điện từ §2 Hiện tượng tự cảm §3 Hiện tượng hỗ cảm §4 Năng lượng từ trường Hướng dẫn học chương XI 12 Chương XII Vật liệu từ §1 Nguyên tử từ trường ngồi §2 Chất nghịch từ chất thuận từ §3 Sắt từ Hướng dẫn học chương XII Trang 114 116 121 128 131 137 149 149 151 153 156 158 167 176 176 179 180 183 192 192 195 200 203 206 209 211 222 222 225 228 229 230 237 237 240 244 248 323 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng Thứ tự 13 Nội dung Chương XIII Trường điện từ §1 Luận điểm thứ Maxwell §2 Luận điểm thứ hai Maxwell §3 Trường điện từ hệ phương trình Maxwell Hướng dẫn học chương XIII 14 Các thí nghiệm Vật lý §1 Lý thuyết sai số Trang 253 253 255 258 260 §8 Hiện tượng từ trễ sắt từ 263 263 267 277 284 292 300 307 315 15 Phụ lục: Các số vật lý thường dùng 320 16 Tài liệu tham khảo 321 17 Mục lục 322 §2 Khảo sát định luật động lực học máy Atwood §3 Nghiệm định luật bảo tồn động lượng đệm khơng khí §4 Khảo sát phóng nạp tụ điện §5 Khảo sát electron điện từ trường Đo tỉ số e/m §6 Khảo sát tương tác từ §7 Khảo sát từ trường ống dây thẳng 324 ... với vận tốc v Thực nghiệm chứng tỏ v phụ thuộc vào v1 mà   phụ thuộc vào m1, nghĩa phụ thuộc vào K1  m1v1 (động lựơng qủa cầu thứ nhất)    Vận tốc v lớn m1v1 lớn, riêng v1 lớn Vậy khả truyền... ( n  n  1)   s  1. 7- Thả vật rơi tự từ độ cao h = 20m Tính: Quãng đường mà vật rơi 0,1s đầu 0,1s cuối Thời gian cần thiết để vật 1m đầu 1m cuối độ cao h Cho g = 10 m/s2 Đáp số: h1 = 0,05... lim v'  v lim  v Δt 0 Δt 0 Δt dt Thay kết qủa vừa tính vào (1- 15), cuối ta được: an  lim Δt 0 (1- 15) v2 (1- 16) R Công thức (1- 16) chứng tỏ an lớn chất điểm chuyển động nhanh quĩ đạo cong