Ebook bài giảng tài liệu thực hành môn vật lý đại cương phần 1

LƯU BÍCH LINH Bài giảng TÀI LIỆU THỰC HÀNH MƠN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học mơn khoa học thực nghiệm Vì vậy, thí nghiệm thực hành có ý nghĩa quan trọng việc học tập mơn Vật lý Thí nghiệm vật lý mặt giúp sinh viên nghiệm lại định luật trình bày giảng lý thuyết, mặt khác giúp rèn luyện kỹ thực nghiệm tính tốn để phục vụ cho mơn học tiếp sau Mục đích thực hành vật lý dạy cho sinh viên tiếp cận cách sáng tạo công việc nghiên cứu thực nghiệm, cách lựa chọn phương pháp thực nghiệm phù hợp dụng cụ đo thích hợp để đạt mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Do điều kiện sở vật chất phịng thí nghiệm khó khăn, hầu hết trường trung học phổ thông, học sinh nhiều điều kiện thực hành học vật lý Đối với phần lớn sinh viên, lần đầu tiếp xúc với phịng thí nghiệm lần đầu tự tay tiến hành thực nghiệm vật lý Vì vậy, q trình chuẩn bị thí nghiệm, thời gian tiến hành thí nghiệm xử lý kết sau thí nghiệm gặp nhiều lúng túng Để nâng cao lực thực hành sinh viên, năm qua, Bộ môn Vật lý, Trường Đại học Lâm nghiệp liên tục nâng cấp, cải tiến trang bị thí nghiệm phục vụ cho cơng tác đào tạo theo học chế tín Chính vậy, việc biên soạn giảng thực hành phục vụ môn học Vật lý đại cương cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu tài liệu hướng dẫn thực hành sinh viên Cuốn giảng vừa cung cấp cho sinh viên sở lý thuyết liên quan đến nội dung thí nghiệm, kỹ thực hành thí nghiệm kiến thức để xử lý trình bày kết sau thí nghiệm Cuối giảng cịn có phần phụ lục để sinh viên tiện tham khảo, tra cứu Bài giảng biên soạn phù hợp với chương trình môn học Vật lý đại cương Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt năm 2014 Bài giảng gồm 12 thí nghiệm thuộc lĩnh vực cơ, nhiệt, điện từ quang Trong trình biên soạn tác giả nhận góp ý đồng nghiệp Bộ môn Vật lý Tác giả xin chân thành cảm ơn góp ý quý báu thầy để giúp hồn thiện giảng Mặc dù cố gắng trình biên soạn chỉnh sửa nội dung, song lần biên soạn nên chắn tránh sai sót, mong nhận góp ý đồng nghiệp sinh viên để hoàn thiện giảng lần tái sau Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ mơn Vật lý, Khoa Cơ điện & Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Tác giả Chương LÝ THUYẾT SAI SỐ 1.1 Vai trị mục đích u cầu thí nghiệm vật lý 1.1.1 Vai trị thí nghiệm vật lý Một phương pháp nghiên cứu để thiết lập định luật vật lý tổng kết quan sát thực tế Kết quan sát có cách lặp lại nhiều lần diễn biến tượng thiết bị người điều khiển, nghĩa thí nghiệm vật lý Mặt khác, định luật vật lý có giá trị kết đo đại lượng mà định luật diễn tả trùng với kết đo đại lượng thu thực tế thí nghiệm Thí nghiệm vật lý đóng vai trị quan trọng việc nghiên cứu quy luật tự nhiên, việc vận dụng quy luật vật lý vào kỹ thuật ngành khoa học khác Thí nghiệm vật lý sở chân lý để xác định đắn quy luật vật lý Thí nghiệm vật lý sở để xây dựng số vật lý Thí nghiệm vật lý cịn dùng để xác định yêu cầu kỹ thuật, ảnh hưởng môi trường đến việc áp dụng quy luật vật lý vào thực tiễn 1.1.2 Mục đích thí nghiệm vật lý Rèn luyện cho sinh viên kỹ thí nghiệm vật lý Rèn luyện cho sinh viên đức tính: kiên trì, xác, trung thực, khách quan, phẩm chất cần thiết cho người làm công tác khoa học kỹ thuật Giúp cho sinh viên quan sát số tượng, nghiệm lại số định luật vật lý, bổ sung minh họa thêm phần giảng lý thuyết, xây dựng phương pháp suy luận, nghiên cứu khoa học 1.1.3 Yêu cầu thí nghiệm vật lý Nắm phép đo vật lý bản, sử dụng số máy móc, dụng cụ vật lý Biết cách tính tốn, biểu diễn kết đánh giá độ xác số liệu thu Việc làm thí nghiệm vật lý tập dượt tiến hành cơng trình nghiên cứu thực nghiệm, nên u cầu sinh viên phải biết trình bày kết thí nghiệm thơng qua báo cáo cơng trình thực nghiệm 1.2 Lý thuyết sai số 1.2.1 Giá trị trung bình đại lượng đo Chúng ta biết, đo đại lượng vật lý, đo lần giá trị đo khơng đáng tin cậy mắc phải sai sót, ta cần thực đo nhiều lần lấy giá trị trung bình lần đo Các đại lượng vật lý cần xác định chia làm hai loại đại lượng đo trực tiếp đại lượng đo gián tiếp 1.2.1.1 Giá trị trung bình đại lượng đo trực tiếp Định nghĩa: Các đại lượng đo trực tiếp đại lượng đo thông qua dụng cụ đo Thí dụ: Đo thời gian đồng hồ, đo chiều dài thước, đo cường độ dịng điện ampe kế… Cách tính giá trị trung bình: Khi tiến hành đo đại lượng a cách trực tiếp, phải tiến hành đo đại lượng a nhiều lần lần đo có giá trị (i = 1,2,…,n) Giá trị trung bình đại lượng a là: a a1  a2  a3   an n   n n i 1 (1.1) Chú ý: Số lần đo nhiều (n lớn) giá trị trung bình đáng tin cậy 1.2.1.2 Giá trị trung bình đại lượng đo gián tiếp Định nghĩa: Các đại lượng đo gián tiếp đại lượng đo thông qua dụng cụ đo mà phải biểu diễn dạng hàm đại lượng đo trực tiếp Thí dụ: Thể tích khối trụ, thể tích khối cầu, suất điện động nguồn điện… Cách tính giá trị trung bình: Xét đại lượng đo gián tiếp A = f(x, y, z…), x, y, z…là đại lượng đo trực tiếp Để xác định giá trị trung bình A, tiến hành xác định giá trị x , z , y tính giá trị trung bình A ( A ) theo công thức: A  f ( x , y , z ) (1.2) Thí dụ: Thể tích khối trụ đặc tính cơng thức: V  d h , d đường kính hình trụ, h chiều cao hình trụ Để xác định thể tích khối trụ trên, ta cần đo trực tiếp d h nhiều lần tính giá trị trung bình d h Giá trị trung bình thể tích là: V  d h 1.2.2 Sai số phép đo Phép đo đại lượng vật lý phép so sánh với đại lượng loại qui ước chọn làm đơn vị đo Kết phép đo đại lượng vật lý biểu diễn giá trị số, kèm theo đơn vị đo tương ứng Thí dụ: Đường kính viên bi hình cầu d = 3,89 mm; khối lượng vật m = 150,5 kg Muốn thực phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết phương pháp đo sử dụng dụng cụ đo (thước milimét, cân, đồng hồ bấm giây, ampe kế, vôn kế ) Hiện dùng đơn vị đo quy định bảng đơn vị đo lường hợp pháp nước Việt Nam dựa sở hệ đơn vị quốc tế SI (xem thêm phụ lục 3) bao gồm: - Các đơn vị bản: độ dài: mét (m); khối lượng: kilôgam (kg); thời gian: giây (s); nhiệt độ: Kenvin (K); cường độ dòng điện: ampe (A); cường độ ánh sáng: candela (Cd); lượng chất: mol (mol) - Các đơn vị dẫn xuất: đơn vị vận tốc: mét giây (m/s); đơn vị lực: Niutơn (N = kg.m.s-2) Do nguyên nhân độ nhạy độ xác dụng cụ đo bị giới hạn, khả có hạn giác quan người đo, điều kiện lần đo không thật ổn định, lý thuyết phương pháp đo gần nên ta đo xác tuyệt đối giá trị thực đại lượng vật lý cần đo, tức kết phép đo có sai số Như đo đại lượng vật lý việc phải xác định giá trị đại lượng cần đo, phải xác định sai số phép đo 1.2.2.1 Định nghĩa sai số phép đo đại lượng vật lý a Sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối phép đo đại lượng a lần đo thứ i trị tuyệt đối hiệu giá trị (trong thực tế a chưa biết, nên gần ta thay a giá trị trung bình a ) giá trị đo lần đo ai  a  (1.3) Thí dụ: Độ dài đoạn thẳng AB a = 2,2 (cm) Trong lần đo thứ 1, 2, 3… ta thu kết a1 = 2,1 (cm); a = 2,3 (cm); a = 2,4 (cm), sai số tuyệt đối phép đo độ dài đoạn thẳng AB lần đo là: a1  a  a1 = 0,1 (cm) a2  a  a2 = 0,1 (cm) a3  a  a3 = 0,2 (cm) Như vậy, sai số tuyệt đối cho biết giá trị đại lượng đo được, lệch so với giá trị thực b Sai số tương đối Sai số tương đối phép đo đại lượng a tỷ số sai số tuyệt đối phép đo đại lượng a trị số (trong thực tế a chưa biết, nên gần ta thay a giá trị trung bình a ) đại lượng cần đo a  a a hay a  a.a (1.4) Như vậy, sai số tương đối cho ta biết mức độ xác phép đo, tức phép đo sai số phần trăm Thí dụ: Khi đo hai đại lượng a, b ta kết quả: a = 1,00 (m) a = 0,01 (m) b = 10,00 (m) b = 0,01 (m) Chúng ta nhận thấy, sai số tuyệt đối hai phép đo sai số tương đối chúng khác nhau: a  a  0,01  1% a b  b  0,001  0,1% b Đánh giá hai phép đo này, thấy phép đo đại lượng b xác gấp 10 lần so với phép đo đại lượng a (đại lượng a dài 1m mà sai lệch 1cm, đại lượng b dài 10m sai lệch 1cm) 1.2.2.2 Những nguyên nhân dẫn đến sai số phép đo Khi đo đại lượng vật lý, ta ln mắc phải sai số Chúng ta cần tìm nguyên nhân gây sai số tìm cách hạn chế sai số Một số nguyên nhân chủ yếu kể đến sau: - Do dụng cụ đo khơng hồn hảo: Những dụng cụ đo dù có tinh vi đến có độ xác định Thí dụ: Thước kẹp, có loại xác đến 0,05 (mm), có loại xác đến 0,02 (mm) Mỗi dụng cụ đo có độ xác định, để đo đại lượng, khơng tìm kết có độ xác cao độ xác dụng cụ đo Thí dụ: Cân kỹ thuật phịng thí nghiệm có độ xác 10 -2 gam Nghĩa với cân ta phát khối lượng nhỏ 10 -2 gam Như vậy, dụng cụ đo số nguyên nhân gây nên sai số phép đo Loại nguyên nhân loại trừ nhờ làm thí nghiệm, người đo có hiểu biết dụng cụ, tiến hành đo cách thận trọng, xác - Do giác quan người làm thí nghiệm: Kết thí nghiệm phụ thuộc nhiều vào giác quan người đo, đặc biệt kết bị ảnh hưởng giác quan có tật, bệnh Nhờ thói quen nghề nghiệp, việc tìm hiểu kỹ dụng cụ, tiến hành phép đo cẩn thận loại trừ, hạn chế sai số mặt - Do đại lượng đo khơng có giá trị xác định Khi tiến hành đo đại lượng vật lý, chẳng hạn đo đường kính viên bi, viên bi sản xuất khơng hồn tồn hình cầu nên kết đo theo phương khác có giá trị khác nhau… Trong trường hợp ấy, khơng thể tìm trị số vật cần đo Đó nguyên nhân gây nên sai số phép đo - Ngoài thay đổi bất thường dụng cụ đo, mơi trường tiến hành thí nghiệm, nhầm lẫn người đo gây nên sai số phép đo 1.2.2.3 Phân loại sai số phép đo Có nhiều loại sai số gây nguyên nhân khác nhau, ta cần ý đến ba loại sai số sau: - Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên loại sai số khiến cho kết đo lớn hơn, nhỏ giá trị thực đại lượng cần đo Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên giác quan người làm thí nghiệm thiếu nhạy cảm, có tật, bệnh; điều kiện thí nghiệm thay đổi ngẫu nhiên ngồi khả khống chế người đo Sai số ngẫu nhiên khơng thể loại trừ hồn tồn được, ta giảm thiểu giá trị cách thực phép đo cẩn thận nhiều lần điều kiện, sau xác định giá trị trung bình dựa sở phép tính xác suất thống kê - Sai số dụng cụ: Sai số dụng cụ sai số thân dụng cụ, thiết bị gây - Sai số hệ thống: sai số lặp lại cách hệ thống, kết lệch phía (lớn nhỏ hơn) so với giá trị thực cần đo Nguyên nhân gây sai số hệ thống dụng cụ chưa chỉnh đúng, lý thuyết đo chưa hoàn thiện Sai số loại trừ cách hiệu chỉnh dụng cụ trước đo… Như vậy, phép đo mắc phải sai số Muốn giảm sai số, người làm thí nghiệm phải kiên nhẫn, khéo léo, khách quan phải tìm hiểu kỹ dụng cụ đo lường đối tượng đo trước tiến hành thí nghiệm 1.2.3 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp 1.2.3.1 Sai số tuyệt đối đại lượng đo trực tiếp Khi tiến hành đo đại lượng a cách trực tiếp, giá trị đại lượng đo lần đo thứ i (i = 1,2,…,n), giá trị trung bình đại lượng đo a Sai số tuyệt đối tương ứng lần đo phép đo đại lượng a ai  a  (i = 1,2,…,n) Khi sai số tuyệt đối phép đo nhận giá trị theo công thức: a  a i  a max (1.5) Thí dụ: Độ dài trung bình đoạn thẳng AB a = 2,2 (cm) Trong lần đo thứ 1, 2, ta thu kết a1 = 2,1 (cm); a2 = 2,3 (cm); a3 = 2,4 (cm), sai số tuyệt đối phép đo độ dài đoạn thẳng AB là: a  a  max = 0,2 (cm) 1.2.3.2 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp a Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp Các đại lượng đo trực tiếp tính tốn biểu diễn kết theo bước sau: + Bước Lặp lại nhiều lần phép đo đại lượng đo trực tiếp Thí dụ: Với đại lượng a đo giá trị a1, a2, a3, a4, a5 + Bước Tính giá trị trung bình a đại lượng a a a1  a  a3  a  a5 + Bước Tính sai số tuyệt đối (sai số trung bình cực đại) đại lượng đo trực tiếp: khoảng cách xa a giá trị đo khác (đo bước 1) a  a  max a gọi sai số trung bình cực đại phép đo đại lượng a + Bước Biểu diễn kết Giá trị đại lượng a chấp nhận khoảng: a  a  a  a  a Như kết cuối phép đo biểu diễn dạng: a  a  a (đơn vị đo hệ SI) b Áp dụng Dùng thước kẹp có độ xác 0,02mm, đo đường kính khối trụ, kết thu sau: Lần đo Đường kính d (mm) 10,24 10,22 10,20 10,26 10,22 10,24 - Tính giá trị trung bình: d 10,24  10,22  10,20  10,26  10,22  10,24  10,23(mm) - Tính sai số trung bình cực đại: d  10,20  10,23  0,03(mm) - Biểu diễn kết quả: d  d  d  (10,23  0,03) mm c Chú ý - Chỉ đọc ghi kết gần nhau, loại trừ kết sai khác nhiều - Mỗi lần đo phải thay đổi điều kiện thí nghiệm chút - Nếu đại lượng a không cho phép đo nhiều lần a lấy sai số đọc Sai số đọc có giá trị nửa độ chia thiết bị Thí dụ: Đo chiều dài l AB nhiều lần kết l = 235 (mm) thước đo có độ chia 1(mm) tức độ xác tới 0,5(mm) kết đo là: l = 235,0 ± 0,5(mm) - Đối với dụng cụ đo điện, sai số tuyệt đối đại lượng x tính theo cơng thức: x  x 100 xm , x cấp xác thang đo, xm giá trị giới hạn thang đo Thí dụ: Một ampe kế có cấp xác I = 1,5, thang đo sử dụng có giá trị cực đại Im = 100 mA, sai số giá trị đo thang có giá trị bằng: I  I 100 I m = 1,5mA 1.2.4 Cách tính sai số đại lượng đo gián tiếp Như ta biết phép đo gián tiếp phép đo mà kết xác định gián tiếp thông qua công thức biểu diễn quan hệ hàm số đại lượng cần đo với đại lượng đo trực tiếp khác Để tính sai số đại lượng phép đo gián tiếp, áp dụng định lý áp dụng phép tính vi phân 1.2.4.1 Các định lý sai số a Định lý Sai số tuyệt đối tổng hay hiệu tổng sai số tuyệt đối số hạng có tổng hay hiệu Nếu: X = a + b – c với: a  a  a ; b  b  b ; c  c  c 10 5.3 Tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp t  h2  t  t  t  h2  h2  h2  5.4 Tính biểu diễn kết lực ma sát ổ trục Fm s  m.g Fms  h1  h2  (h1  h2 ) m g h1  h2 h1  h2     m g h1  h2 h1  h2 Fms  Fms Fms  Fms  Fms  Fms  Fms  Fms  Fms  5.5 Tính biểu diễn kết mơ men qn tính bánh xe   h2 I  m.r  g.t  1  h1 (h1  h2 )   Vì : g.t I  h2   nên: h1.(h1  h2 ) m r g t h h h  h2 2  2     m r g t h1 h2 h1  h2 I  I I  I  I  I  I  I  I  5.6 Nhận xét đánh giá kết (Trình bày ý nghĩa vật lý thí nghiệm, nhận xét đánh giá kết đo được, kiến nghị) 58 Bài XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG VÀ VẬN TỐC ÂM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SĨNG DỪNG Mục đích yêu cầu 1.1 Mục đích Mục đích thí nghiệm tạo điều kiện cho sinh viên quan sát thực nghiệm tạo thành sóng dừng sóng âm tạo kỹ thực nghiệm sử dụng tượng sóng dừng để xác định bước sóng vận tốc truyền âm khơng khí 1.2 u cầu i Nắm sở lý thuyết thí nghiệm; ii Nắm nguyên lý hoạt động thiết bị thí nghiệm tạo sóng dừng sóng âm.; iii Biết cách sử dụng máy phát âm tần biết cách dùng đồng hồ vạn số để đo tần số tín hiệu; iv Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định bước sóng sóng âm dựa tượng sóng dừng biết cách tính vận tốc truyền âm dựa kết thí nghiệm; v Viết báo cáo thí nghiệm, tính sai số theo yêu cầu Cơ sở lý thuyết Sóng dừng tượng giao thoa hai sóng kết hợp có biên độ, truyền ngược chiều phương, tạo nên bụng sóng (điểm có biên độ dao động cực đại) phân bố xen nút sóng (điểm khơng dao động) Có thể xác định bước sóng vận tốc âm nhờ thiết bị tạo sóng dừng âm (hình 3.15) gồm: ống trụ thuỷ tinh OD có khắc thước milimét T dọc thân ống trụ, bình B đựng nước nối thông với ống trụ OD ống nhựa mềm cao su ống trụ OD bình B lắp giá đỡ G hộp chân đế H Một loa điện động Đ đặt gần sát phía miệng ống trụ OD nối với phát tần số chuẩn P (khơng vẽ hình 3.15) Bộ phát tần số chuẩn P phát âm có tần số 500 Hz, 600 Hz, 700 Hz với sai số 1 Hz Núm VR1 cung cấp nguồn cho thị cộng hưởng bố trí mặt hộp chân đế H Sóng âm có tần số f phát từ loa điện động Đ, truyền dọc theo cột khơng khí ống trụ OD với vận tốc v tới phản xạ mặt thoáng 59 cột nước N giao thoa với sóng tới, tạo thành sóng dừng ống OD Khi tạo thành sóng dừng mà miệng ống Đ P ứng với vị trí bụng sóng, ta nghe G O A thấy âm to Ta xét điều kiện để BỘ CHỈ THỊ A tượng xảy Giả sử chọn thời CƯỜNG ĐỘ ÂM M điểm ban đầu thích hợp để sóng tới có VR2 tần số f phát từ nguồn âm Đ gây T điểm N dao động có dạng: N V x1N  a0 sin 2ft B (3.19) V Nhưng điểm N nằm yên (xN = 0), nên ta thừa nhận sóng phản xạ gây điểm N dao động ngược pha: x N  a0 sin 2ft D (3.20) cho tổng đại số hai dao động điểm N có giá trị ln không: H VR1 xN = x1N + x2N = Xét điểm M nằm cách điểm Hình 3.15 Thiết bị tạo sóng dừng N khoảng y = MN Vì sóng âm truyền khơng khí với vận tốc v , nên dao động sóng tới (từ nguồn âm Đ) gây điểm M sớm pha lượng t  y / v thời gian so với dao động N Khi dao động sóng tới gây điểm M thời điểm t giống hệt dao động điểm N thời điểm t  y / v , nghĩa là: x1M  a0 sin 2f (t  y ) v (3.21) Ngược lại, dao động sóng phản xạ (từ mặt nước) gây điểm M chậm pha lượng t  y / v so với dao động điểm N, nên dao động điểm M thời điểm t giống hệt dao động điểm N thời điểm t  y / v : x2 M  a0 sin 2f (t  y ) v (3.22) Như vâỵ sóng tổng hợp điểm M bằng: x M  x1M  x2 M  2a0 sin 2 60 y  cos 2ft (3.23) Trong bước sóng  âm liên hệ với tần số f âm công thức:  v f (3.24) biên độ sóng âm tổng hợp điểm M : y a  2a sin 2  (3.25) Từ công thức (3.25) ta suy ra: - Vị trí nút sóng biên độ cực tiểu có giá trị a = 0, suy 2y/ = k hay: yk  với k = 0, 1, 2, (3.26) - Vị trí bụng sóng biên độ cực đại có giá trị a = 2a 0, suy 2y/ = (2k+1)/2 hay: y  (2k  1)  với k = 0, 1, 2, (3.27) Các công thức (3.26) (3.27) cho thấy N có nút sóng (vì k = y = 0); đồng thời nút sóng bụng sóng phân bố xen kẽ, cách Khoảng cách hai nút hai bụng sóng nửa bước sóng: d  y k 1  y k   (3.28) Nếu thay đổi mức nước ống OD cho cột không khí ON có chiều dài L thích hợp bằng: Lk    với k = 0, 1, 2, (3.29) N có nút sóng O (để hở) có bụng sóng Khi độ to âm đầu O đạt cực đại Cơng thức (3.29) điều kiện hình thành sóng dừng cột khơng khí chứa ống trụ có đầu kín đầu hở mà âm nghe to Để xác định vị trí mặt nước ứng với âm to nhất, ta dùng thu âm điện tử thị cường độ âm kim quay mặt thang đo micrơAmpe kế A (hình 3.15) Đầu cảm biến thu âm điện tử micrô A nhỏ (kích thước cỡ cm3) đặt gần miệng O ống trụ OD Khi cường độ âm đạt cực đại, kim thị micrôAmpe kế A đạt độ lệch cực 61 đại mặt thang đo Có thể điều chỉnh độ nhạy thị cách vặn núm xoay VR2 gắn mặt Trong thí nghiệm này, ta xác định bước sóng  vận tốc v âm truyền cột khơng khí ON theo phương pháp sóng dừng Dụng cụ thí nghiệm 3.1 Dụng cụ Bộ thí nghiệm xác định vận tốc âm theo phương pháp sóng dừng (hình 3.16) Ống cộng hưởng âm dùng cột nước (cao 1000 mm, đường kính 32 mm) ; Bình đựng nước (dung tích 1000 ml); Ống nối bình thơng cao su; Giá đỡ hộp chân đế kim loại ; Bộ phát tần số chuẩn 500 - 600 – 700 Hz, âm lượng điều chỉnh liên tục; Bộ thu âm điện tử có đồng hồ thị cường độ âm Hình 3.16 Bộ thí nghiệm xác định vận tốc âm theo phương pháp sóng dừng 3.2 Trình tự thí nghiệm Bước Điều chỉnh hộp chân đế H giá đỡ G để ống trụ OD thẳng đứng Vặn núm tần số đến vị trí 500 núm biên độ đến vị trí Cắm phích lấy điện máy phát âm tần P vào nguồn điện ~220 V Bấm khoá K 62 mặt máy, đèn LED phát sáng máy phát âm tần P hoạt động phát sóng âm có tần số f1 = 500 Hz Bước Dịch chuyển bình nước B cho mức nước N ống trụ OD dâng lên tới vị trí thấp micrơAmpe kế A khoảng - cm Sau đó, lấy tay bóp lấy ống cao su, hạ bình nước B tới vị trí thấp nhất, tiếp nới ngón tay để mực nước N ống trụ OD hạ xuống từ từ, đồng thời quan sát kim thị mặt thang đo micrôAmpe kế A cường độ âm đạt cực đại: độ lệch kim thị đạt cực đại Điều chỉnh núm độ nhạy VR2 thị cho có cộng hưởng độ lệch cực đại kim micrôAmpe kế A nằm khoảng 70 - 80 độ chia Bóp ống cao su, giữ cố định mức nước N, đọc ghi vị trí L1 mức nước N ống trụ OD thước millimét T vào bảng 3.8 Chú ý : Để xác định xác vị trí ứng với cường độ âm đạt cực đại, ta dịch chuyển chậm mức nước N ống trụ OD lên xuống lân cận vị trí cách bóp ống cao su để dồn mực nước N lên xuống theo dõi độ lệch kim micrôAmpe kế A Bước Tiếp tục nới ngón tay để hạ dần mức nước N ống trụ OD cường độ âm lại đạt cực đại, thực tương tự để đọc ghi vị trí L2 mức nước N ống trụ OD thước milimét T vào bảng 3.8 Khoảng cách hai nút sóng kế tiếp: d1 = L2 - L1 Thực lần phép đo Áp dụng cơng thức (3.28), ta tìm bước sóng âm ứng với tần số f = 500 Hz : 1 = 2d1 = 2(L2 - L1) (3.30) suy vận tốc truyền âm khơng khí nhiệt độ t0C phịng thí nghiệm: v1  1 f1 (3.31) Bước Làm lại động tác (bước 2) (bước 3) sóng âm có tần số f2 = 600 Hz f3 = 700 Hz Đọc ghi vị trí L1 L2 mức nước N ống trụ OD thước milimét T ứng với phép đo vào bảng 3.8 63 Xác định bước sóng 2, 3 vận tốc truyền âm v1, v2 khơng khí nhiệt độ phịng thí nghiệm tương tự cơng thức (3.30) (3.31) Sau thực xong thí nghiệm, rút phích lấy điện máy phát âm tần khỏi nguồn điện Câu hỏi kiểm tra 4.1 Định nghĩa sóng dừng Mơ tả thiết bị phương pháp tạo sóng dừng âm khơng khí 4.2 Viết phương trình truyền sóng mơi trường đàn hồi Nêu rõ ý nghĩa vật lý phương trình 4.3 Tìm biểu thức xác định biên độ sóng dừng, từ suy vị trí nút bụng sóng dừng Chứng minh khoảng cách hai nút hai bụng sóng nửa bước sóng Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày ……… tháng ……… năm ……… Chữ ký giáo viên hướng dẫn: 5.1 Mục đích thí nghiệm 5.2 Kết thí nghiệm Nhiệt độ phịng: t0C = …… ( 0C) Bảng 3.8.Vị trí mức nước ứng với ba tần số khác f1 = (500  1) Hz f2 = (600  1) Hz f3 = (700  1) Hz Lần đo L2(mm) L1(mm) d1(mm) L2(mm) L1(mm) d2(mm) L2(mm) L1(mm) d3(mm) Giá trị d3  d  d2  trung bình 64 5.3 Tính biểu diễn kết đo bước sóng f1 = (500  1)Hz f2 = (600  1)Hz f3 = (700  1)Hz 1  2d1  2  2d  3  2d  1  2d1  2  2d  3  2d  1  1  1  2  2  2  3  3  3  5.4 Tính biểu diễn kết đo vận tốc âm f1 = (500  1)Hz 1 1  f1  f1 v2  2 2  f3 = (700  1)Hz v3  3 f  v2  2 f  v1  1 f1  v1  f2 = (600  1)Hz f  f2 v3  3 3  f  f3 v1  v1.v1  v2  v2 v2  v3  v3 v3  v1  v1  v1  v2  v2  v2  v3  v3  v3  v1  v1  v1  v2  v2  v2  v3  v3  v3  5.5 Nhận xét đánh giá kết (Trình bày ý nghĩa vật lý thí nghiệm, nhận xét đánh giá kết đo được, kiến nghị) 65 Bài XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC CĂNG MẶT NGỒI CỦA CHẤT LỎNG Mục đích u cầu 1.1 Mục đích Mục đích thí nghiệm trang bị cho sinh viên kiến thức kỹ thực nghiệm cần thiết để xác định hệ số sức căng mặt chất lỏng 1.2 Yêu cầu i Nắm sở lý thuyết thí nghiệm; ii Nắm cấu tạo hoạt động thiết bị thí nghiệm dùng để xác định hệ số sức căng mặt chất lỏng Biết sử dụng cân kỹ thuật; iii Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định hệ số sức căng mặt chất lỏng; iv Viết báo cáo thí nghiệm, tính sai số theo yêu cầu Cơ sở lý thuyết Do lượng bề mặt, chất lỏng ln có xu hướng thu nhỏ diện tích bề mặt Tức chất lỏng thể giống bị giam màng đàn hồi bị căng ln có xu hướng co lại (mặc dù thực tế không tồn màng thực thế, phân tử gần bề mặt giống hệt phân tử sâu bên chất lỏng) Giữa phân tử chất lỏng tồn lực phân tử, chất lỏng có xu hướng giảm diện tích mặt đến nhỏ Kết tạo trạng thái căng bề mặt chất lỏng Đại lượng đặc trưng cho trạng thái căng bề mặt chất lỏng lực căng hay sức căng mặt ngồi F Ta có: F   l (3.32) Với l chu vi bề mặt chất lỏng,  hệ số sức căng mặt chất lỏng Từ (3.32), suy ra:  F l (3.33) Như vậy, hệ số sức căng mặt có trị số lực tác dụng lên đơn vị dài đường giới hạn mặt chất lỏng Hệ số  phụ thuộc vào chất, nhiệt độ tính chất bề mặt chất lỏng Trong khoảng nhiệt độ khơng lớn, hệ số  giảm tuyến tính theo tăng nhiệt độ t Đơn vị  N/m 66 Hình 3.17 Hiện tượng căng mặt ngồi Theo cơng thức (3.33), ta xác định hệ số lực căng mặt  chất lỏng cách đo lực kéo F tác dụng vng góc với mặt thoáng chất lỏng để kéo vật rắn bứt khỏi mặt thoáng chất lỏng Vật rắn bị chất lỏng làm dính ướt, nên kéo để bứt chúng khỏi mặt thoáng chất lỏng đồng thời có lượng chất lỏng bị kéo lên theo, nghĩa diện tích mặt thống chất lỏng tăng lên Nhưng mặt thống chất lỏng ln có xu hướng co lại tác dụng lực căng mặt chất lỏng Nếu vật rắn tiếp xúc với mặt thoáng chất lỏng chịu tác dụng lực kéo F có trị số lực căng mặt ngồi chất lỏng, vật rắn bị bứt khỏi mặt thoáng chất lỏng Xét vịng kim loại có đường kính ngồi D đường kính d nằm tiếp xúc với mặt nước Khi tác dụng lên vòng kim loại lực kéo F để nâng lên cao (hình 3.17) tạo màng nước vòng kim loại mặt nước Mặt phía ngồi màng nước kéo vịng kim loại xuống lực căng F1 = D, mặt phía màng nước kéo vịng kim loại xuống lực căng F2 = d Khi vòng kim loại vừa bị bứt khỏi mặt nước, lực kéo F nâng vịng kim loại lên có trị số lực căng tổng hợp kéo vòng kim loại xuống dưới, nghĩa là: F = F1 + F2 = D + d hay F = (D + d) Từ suy hệ số lực căng mặt  nước :  F  (D  d ) (3.34) 67 Trong thí nghiệm này, ta xác định hệ số lực căng mặt  nước cách dùng thước kẹp để đo đường kính ngồi D đường kính d vịng kim loại dùng cân kỹ thuật để đo lực kéo F bứt vòng kim loại khỏi mặt nước Trình tự thí nghiệm 3.1 Dụng cụ Bộ thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt chất lỏng (hình 3.18) gồm: Vịng kim loại có dây treo; Cân kỹ thuật – 200 g, độ xác 0,02 g; Đĩa thủy tinh giá đỡ; Cốc nhựa nhỏ; Cốc thủy tinh đựng cát khơ; Cát khơ 3.2 Trình tự thí nghiệm 3.2.1 Đo đường kính ngồi D đường kính d vòng kim loại thước kẹp (xem 1) Hình 3.18 Bộ thí nghiệm xác định hệ số sức căng mặt chất lỏng Thực lần phép đo đường kính ngồi D đường kính d, ghi kết vào bảng 3.9 3.2.2 Đo lực kéo F bứt vòng kim loại khỏi mặt nước cân kỹ thuật a Cân kỹ thuật (hình 3.19) O1 C O O2 K T N V Hình 3.19 Cân kỹ thuật 68 Là dụng cụ dùng để cân khối lượng vật giới hạn - 200 g, xác tới 0,02 g Cấu tạo gồm phần địn cân làm hợp kim nhẹ, địn cân có độ chia từ đến 50, thân địn cân có gắn dao O hình lăng trụ tam giác thép cứng, cạnh dao O quay xuống phía tựa gối đỡ phẳng ngang (bằng đá mã não) đặt đỉnh trụ cân Ở hai đầu địn cân có hai dao O1 O2 giống dao O, cạnh hai dao quay lên phía trên, đặt song song cách cạnh dao O, nên cánh tay đòn cân OO1 = L1 OO2 = L2 có độ dài Hai móc mang hai đĩa cân giống đặt tựa cạnh hai dao O1 O2 Đòn cân nâng lên hạ xuống nhờ núm xoay N phía chân trụ cân Nhờ kim thị K gắn thẳng đứng địn cân (phía dao O) thước nhỏ T gắn chân trụ cân, ta xác định vị trí cân địn cân trạng thái “hoạt động” Trong trường hợp này, đầu kim K đứng yên dao động hai phía số thước T Các cân từ 10 mg đến 100 g kẹp dùng để lấy cân đựng hộp gỗ nhỏ Ngồi ra, cịn có cân nhỏ C - gọi mã, dịch chuyển địn cân dùng để thêm (hoặc bớt) khối lượng nhỏ từ 20 mg đến 1000 mg đĩa cân bên phải (xem thêm chương mục 2.2) Muốn cân vật có khối lượng m ứng với trọng lượng P = mg, ta đặt vật lên đĩa cân bên trái Sau đó, chọn cân theo thứ tự từ lớn đến nhỏ đặt chúng lên đĩa cân bên phải (kể mã) vặn nhẹ núm xoay N để cân trạng thái “hoạt động” có tải địn cân vị trí cân Khi tổng khối lượng m0 cân đặt đĩa cân bên phải (kể mã) ứng với trọng lượng P0 = m0g Áp dụng quy tắc mômen lực cạnh dao O cân “hoạt động” có tải trọng địn cân vị trí cân bằng, ta có: PL1 = P0L2 L1 = L2, nên P = P0 suy ra: m = m0 (3.35) (3.36) Như vậy, cân “hoạt động” có tải địn cân vị trí cân khối lượng vật đặt đĩa cân bên trái tổng khối lượng cân đặt đĩa cân bên phải (gồm mã đòn cân) 69 Chú ý: Khi thêm bớt cân ta cần khóa cân lại (xoay núm N ngược chiều kim đồng hồ) b Sử dụng cân kỹ thuật để đo lực kéo F Treo vịng kim loại vào móc đĩa cân bên trái, đặt cốc nhựa nhỏ cân theo thứ tự từ lớn đến nhỏ vào đĩa cân bên phải vặn núm N cân đạt trạng thái thăng Bước Đặt đĩa thủy tinh đựng nước lên giá đỡ G, điều chỉnh giá đỡ G để vòng kim loại tiếp xúc với mặt nước đĩa thủy tinh Vặn núm N để cân làm việc Kim loại bị màng nước kéo xuống phía làm cho địn cân bị lệch Đổ từ từ cát khô vào cốc nhựa đĩa cân bên phải vừa đủ đến vòng kim loại bị bứt khỏi mặt nước (Hình 3.20) O1 C O O2 K G T N Hình 3.20 Xác định lực kéo cân kỹ thuật Bước Cân khối lượng m lượng cát khô cốc nhựa cách: Dịch giá đỡ G ngồi, lau khơ vịng kim loại, đặt thêm cân theo thứ tự từ lớn đến nhỏ lên đĩa cân bên trái cân thăng Khi đó, trọng lượng cát khô cốc nhựa P = m.g lực kéo F bứt vòng kim loại khỏi mặt nước Theo công thức (3.34), hệ số sức căng mặt nước:  mg  ( D  d ) (3.37) Bước Lặp lại thí nghiệm lấy kết đo khối lượng cát khô ghi vào bảng 3.9 70 Câu hỏi kiểm tra 4.1 Giải thích ngun nhân gây nên lực căng mặt ngồi chất lỏng Nói rõ phương chiều lực căng 4.2 Nêu rõ biểu thức tính, ý nghĩa đơn vị đo hệ số lực căng mặt ngồi chất lỏng 4.3 Trình bày phương pháp xác định hệ số lực căng mặt nước 4.4 Mô tả cấu tạo cân kỹ thuật cách xác định khối lượng vật Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày ……… tháng ……… năm ……… Chữ ký giáo viên hướng dẫn: 5.1 Mục đích thí nghiệm ………………………… 5.2 Kết thí nghiệm - Gia tốc trọng trường: g  (9,787  0,012 )m / s Bảng 3.9 Kích thước vịng kim loại khối lượng cát khô Lần đo D (mm) d (mm) Giá trị trung bình 71 m(g) 5.3 Tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp D  d  m  D  D  D  d  d  d  m  m  m  5.4 Tính biểu diễn kết hệ số sức căng mặt  m.g   (D  d )   m g D  d    m g Dd   .              5.5 Nhận xét đánh giá kết (Trình bày ý nghĩa vật lý thí nghiệm, nhận xét đánh giá kết đo được, kiến nghị) 72 ... kính d (mm) 10 ,24 10 ,22 10 ,20 10 ,26 10 ,22 10 ,24 - Tính giá trị trung bình: d 10 ,24  10 ,22  10 ,20  10 ,26  10 ,22  10 ,24  10 ,23(mm) - Tính sai số trung bình cực đại: d  10 ,20  10 ,23  0,03(mm)... gửi về: Bộ mơn Vật lý, Khoa Cơ điện & Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Tác giả Chương LÝ THUYẾT SAI SỐ 1. 1 Vai trị mục đích u cầu thí nghiệm vật lý 1. 1 .1 Vai trị thí nghiệm vật lý Một phương...  0, 01  1% a b  b  0,0 01  0 ,1% b Đánh giá hai phép đo này, thấy phép đo đại lượng b xác gấp 10 lần so với phép đo đại lượng a (đại lượng a dài 1m mà sai lệch 1cm, đại lượng b dài 10 m sai