Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông - ĐH Phạm Văn Đồng

Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông này giúp cho sinh viên hiểu được vai trò của thí nghiệm vật lý trong việc hình thành các khái niệm và xây dựng các định luật vật lý, ngoài ra cũng giúp sinh viên rèn luyện kĩ năng kĩ xảo khi tiến hành thí nghiệm, giới thiệu các phương án thí nghiệm thường được sử dụng trong phổ thông, các dụng cụ thiết bị. Qua đó sinh viên có kĩ năng lựa chọn phương án, dụng cụ thí nghiệm, khắc phục những khó khăn, vận dụng linh hoạt thí nghiệm vào giảng dạy trường phổ thông.

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH QUẢNG NGÃI TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG - BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THƠNG TRẦN THỊ THU THỦY Quảng Ngãi, 07/2021 LỜI NÓI ĐẦU Để giúp sinh viên ngành Sư phạm Vật lý thuận tiện học học phần Thí nghiệm Vật lí phổ thơng, tơi tiến hành biên soạn giảng Thí nghiệm Vật lí phổ thơng Nội dung giảng gồm chủ đề Trong chủ đề giảng gồm nhiều thí nghiệm: thí nghiệm thực hành, thí nghiệm kiểm chứng, thí nghiệm biểu diễn Mỗi thí nghiệm bố cục theo thứ tự: mục đích thí nghiệm, sở lí thuyết, dụng cụ thí nghiệm, trình tự tiến hành thí nghiệm, hướng dẫn báo cáo làm thí nghiệm trả lời câu hỏi Học phần giúp cho sinh viên hiểu vai trị thí nghiệm vật lý việc hình thành khái niệm xây dựng định luật vật lý, giúp sinh viên rèn luyện kĩ kĩ xảo tiến hành thí nghiệm, giới thiệu phương án thí nghiệm thường sử dụng phổ thơng, dụng cụ thiết bị Qua sinh viên có kĩ lựa chọn phương án, dụng cụ thí nghiệm, khắc phục khó khăn, vận dụng linh hoạt thí nghiệm vào giảng dạy trường phổ thông Mặc dù người biên soạn cố gắng để giảng hoàn chỉnh, đáp ứng tốt cho việc dạy học, chắn không tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong nhận ý kiến đóng góp để giảng hoàn chỉnh Quảng Ngãi, tháng 07 – 2021 Người biên soạn MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU: SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ I MỤC ĐÍCH II – PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ HỆ ĐƠN VỊ SI Phép đo đại lượng vật lí Hệ đơn vị đo III – SAI SỐ PHÉP ĐO Sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên Giá trị trung bình Cách xác định sai số phép đo Cách viết kết đo Sai số tỉ đối Cách xác định sai số phép đo gián tiếp CHỦ ĐỀ 14 BÀI 1: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN MÁNG NGANG 14 CHỦ ĐỀ 17 BÀI 2: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG BIẾN ĐỔI ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN MÁNG NGHIÊNG 17 CHỦ ĐỀ 20 BÀI 3: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT TRÊN MẶT PHẲN NGHIÊNG XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT 20 V KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 23 VII NHỮNG PHƯƠNG ÁN PHÁT TRIỂN TÍNH NĂNG CỦA THIẾT BỊ 23 CHỦ ĐỀ 24 BÀI 4: KHẢO SÁT LỰC ĐÀN HỒI, NGHIỆM LẠI ĐỊNH LUẬT HÚC 24 CHỦ ĐỀ 26 BÀI 5: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG NÉM NGANG, NÉM XIÊN 26 CHỦ ĐỀ 30 BÀI 1: NGHIỆM QUY TẮC TỔNG HỢP HAI LỰC SONG SONG 30 CHỦ ĐỀ 34 BÀI 2: NGHIỆM QUY TẮC TỔNG HỢP HAI LỰC ĐỒNG QUY 34 CHỦ ĐỀ 38 BÀI 3: KHẢO SÁT CÂN BẰNG CỦA VẬT RẮN CĨ TRỤC QUAY QUY TẮC MƠ MEN LỰC 38 CHỦ ĐỀ 43 BÀI 4: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG RƠI TỰ DO XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO 43 CHỦ ĐỀ 52 BÀI 1: XÁC ĐỊNH MÔ-MEN QUÁN TÍNH CỦA VẬT RẮN THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG XOẮN NGHIỆM ĐỊNH LÝ STEINER 52 CHỦ ĐỀ 61 BÀI 2: KHẢO SÁT SÓNG DỪNG TRÊN SỢI DÂY XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN SÓNG TRÊN SỢI DÂY 61 CHỦ ĐỀ 71 BÀI 1: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG 71 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CĂNG BỀ MẶT 71 CHỦ ĐỀ 80 BÀI 2: NGHIỆM ĐỊNH LUẬT BOILO MARIOT - SACLƠ ĐỐI VỚI CHẤT KHÍ 80 CHỦ ĐỀ 83 BÀI 1: KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT XÁC ĐỊNH NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA VẬT RẮN 83 CHỦ ĐỀ 93 BÀI 2: ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN VÀ CHUYỂN HĨA NĂNG LƯỢNG 93 XÁC ĐỊNH ĐƯƠNG LƯỢNG CÔNG – NHIỆT 93 CHỦ ĐỀ 100 BÀI 1: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG DÃN NỞ NHIỆT ĐO HỆ SỐ NỞ DÀI CỦA CÁC VẬT RẮN 100 CHỦ ĐỀ 105 BÀI 2: XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY VÀ NHIỆT HĨA HƠI CỦA NƯỚC 105 KHẢO SÁT Q TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA NƯỚC 115 XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY VÀ NHIỆT NGƯNG TỤ 115 CHỦ ĐỀ 7: ĐO THÀNH PHẦN NGANG CỦA TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 117 CHỦ ĐỀ 8: KHẢO SÁT TƯƠNG TÁC TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN 128 NGHIỆM ĐỊNH LUẬT AMPE VỀ LỰC TỪ 128 CHỦ ĐỀ 9: XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KINH HỘI TỤ 137 VÀ THẤU KÍNH PHÂN KỲ 137 PHẦN MỞ ĐẦU: SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ I MỤC ĐÍCH Phát biểu định nghĩa phép đo đại lượng vật lí Phân biệt phép đo trực tiếp phép đo gián tiếp Nắm khái niệm sai số phép đo đại lượng vật lí cách xác định sai số phép đo: a) Phát biểu sai số phép đo đại lượng vật lí b) Phân biệt hai loại sai số: sai số ngẫu nhiên, sai số hệ thống c) Biết cách xác định sai số dụng cụ, sai số ngẫu nhiên d) Tính sai số phép đo trực tiếp e) Tính sai số phép đo gián tiếp f) Biết cách viết kết phép đo, với số chữ số có nghĩa cần thiết II – PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ HỆ ĐƠN VỊ SI Khi nghiên cứu tượng tự nhiên, Vật lí học người ta thường dùng phương pháp thực nghiệm: tiến hành phép đo đại lượng vật lí đặc trưng cho tượng, xác định mối liên hệ chúng, từ rút quy luật vật lí Để thực phép đo, ta phải có dụng cụ đo Tuy nhiên thực tế, không dụng cụ đo nào, khơng phép đo cho ta giá trị thực đại lượng cần đo Các kết thu gần Vì vậy? Điều có mâu thuẫn hay khơng với quan niệm cho Vật lí mơn khoa học xác? Để trả lời câu hỏi này, trước hết ta cần làm rõ khái niệm: phép đo đại lượng vật lí gì? có sai lệch giá trị thực đại lượng cần đo kết đo? Từ xác định kết đánh giá độ xác phép đo Phép đo đại lượng vật lí Ta dùng cân để đo khối lượng vật Cái cân dụng cụ đo, phép đo khối lượng vật thực chất phép so sánh khối lượng với khối lượng cân, mẫu vật quy ước có khối lượng đơn vị (1 gam, kilôgam ) bội số nguyên lần đơn vị khối lượng Vậy: Phép đo đại lượng vật lí phép so sánh với đại lượng loại quy ước làm đơn vị Công cụ để thực việc so sánh nói gọi dụng cụ đo, phép so sánh trực tiếp thông qua dụng cụ đo gọi phép đo trực tiếp Nhiều đại lượng vật lí đo trực tiếp chiều dài, khối lượng, thời gian, đại lượng vật lí khác gia tốc, khối lượng riêng, thể tích, khơng có sẵn dụng cụ đo để đo trực tiếp, xác định thơng qua cơng thức liên hệ với đại lượng đo trực tiếp Ví dụ, gia tốc rơi tự g xác định theo công thức g = 2s , thông qua hai phép đo trực tiếp phép đo độ dài quãng đường s thời gian rơi t t2 Phép đo gọi phép đo gián tiếp Hệ đơn vị đo Một hệ thống đơn vị đo đại lượng vật lí quy định thống áp dụng nhiều nước giới, có Việt Nam, gọi hệ SI Hệ SI quy định đơn vị bản, là:  Đơn vị độ dài: mét (m)  Đơn vị thời gian: giây (s)  Đơn vị khối lượng: kilôgam (kg)  Đơn vị nhiệt độ: kenvin (K)  Đơn vị cường độ dòng điện: ampe (A)  Đơn vị cường độ sáng: canđela (Cd)  Đơn vị lượng chất: mol (mol) Ngoài đơn vị bản, đơn vị khác đơn vị dẫn xuất, suy từ đơn vị theo công thức, ví dụ: đơn vị lực F niutơn (N), định nghĩa: N = kg.m/s2 III – SAI SỐ PHÉP ĐO Sai số hệ thống Giả sử vật có độ dài thực l = 32,7 mm Dùng thước có độ chia nhỏ mm để đo l, ta xác định l có giá trị nằm khoảng 32 33 mm, cịn phần lẻ khơng thể đọc thước đo Sự sai lệch này, đặc điểm cấu tạo dụng cụ đo gây ra, gọi sai số dụng cụ Sai số dụng cụ tránh khỏi, chí cịn tăng lên điểm ban đầu bị lệch đi, mà ta sơ suất trước đo không hiệu chỉnh lại Kết giá trị đại lượng đo thu lớn hơn, nhỏ giá trị thực Sai lệch nguyên nhân gây gọi sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên Lặp lại phép đo thời gian rơi tự vật hai điểm A, B, ta nhận giá trị khác Sự sai lệch khơng có nguyên nhân rõ ràng, hạn chế khả giác quan người dẫn đến thao tác đo khơng chuẩn, điều kiện làm thí nghiệm không ổn định, chịu tác động yếu tố ngẫu nhiên bên Sai số gây trường hợp gọi sai số ngẫu nhiên Giá trị trung bình Sai số ngẫu nhiên làm cho kết phép đo trở nên tin cậy Để khắc phục người ta lặp lại phép đo nhiều lần Khi đo n lần đại lượng A, ta nhận giá trị khác : A1, A2, …An Giá trị trung bình chúng: A= A + A + + A n n (1) giá trị gần với giá trị thực đại lượng A Cách xác định sai số phép đo a) Trị tuyệt đối hiệu số trị trung bình giá trị lần đo gọi sai số tuyệt đối ứng với lần đo đó: A = A  A ; A = A  A ; A = A  A ; … (2) Sai số tuyệt đối trung bình n lần đo tính theo cơng thức: A = A + A + + A n n ( 3) Giá trị A xác định theo (3) sai số ngẫu nhiên Như vậy, để xác định sai số ngẫu nhiên ta phải đo nhiều lần Trong trường hợp không cho phép thực phép đo nhiều lần (n < 5), người ta khơng tính sai số ngẫu nhiên cách lấy trung bình theo cơng thức (3), mà chọn giá trị cực đại A max , số giá trị sai số tuyệt đối thu từ (2) b) Sai số tuyệt đối phép đo tổng sai số ngẫu nhiên sai số dụng cụ: A = A + A , (4) Trong A’ sai số hệ thống gây dụng cụ, thơng thường lấy nửa độ chia nhỏ dụng cụ Trong số dụng cụ đo có cấu tạo phức tạp, ví dụ đồng hồ đo điện đa số, sai số dụng cụ tính theo công thức nhà sản xuất quy định Chú ý: – Sai số hệ thống lệch điểm ban đầu loại sai số cần phải loại trừ, cách ý hiệu chỉnh xác điểm ban đầu dụng cụ đo trước tiến hành đo – Sai sót: Trong đo, cịn mắc phải sai sót Do lỗi sai sót, kết nhận khác xa giá trị thực Trong trường hợp nghi ngờ có sai sót, cần phải đo lại loại bỏ giá trị sai sót Cách viết kết đo Kết đo đại lượng A không cho dạng số, mà cho dạng khoảng giá trị chắn có chứa giá ( A –  A) < A < ( A +  A ) , hay là: A  A  A (5) Chú ý: Sai số tuyệt đối phép đo A thu từ phép tính sai số thường viết đến tối đa hai chữ số có nghĩa, cịn giá trị trung bình A viết đến bậc thập phân tương ứng Các chữ số có nghĩa tất chữ số có số, tính từ trái sang phải, kể từ chữ số khác Ví dụ: Phép đo độ dài s cho giá trị trung bình s = 1,368 32 m, với sai số phép đo tính s = 0,003 m, kết đo viết, với s lấy chữ số có nghĩa, sau: s = (1,368  0,003) m Sai số tỉ đối Sai số tỉ đối A phép đo tỉ số sai số tuyệt đối giá trị trung bình đại lượng đo, tính phần trăm: A = A 100% A Sai số tỉ đối nhỏ phép đo xác Ví dụ: Phép đo khối lượng vật cho kết m  m  m  1000 (mg) sai số tương đối phép đo khối lượng  m 100%  100%  0,5% m 1000 Cách xác định sai số phép đo gián tiếp Để xác định sai số phép đo gián tiếp, ta vận dụng quy tắc sau đây: a) Sai số tuyệt đối tổng hay hiệu tổng sai số tuyệt đối số hạng b) Sai số tỉ đối tích hay thương tổng sai số tỉ đối thừa số Ví dụ: Giả sử F đại lượng đo gián tiếp, X, Y, Z đại lượng đo trực tiếp – Nếu: F = X + Y– Z ,  F =  X +  Y+  Z – Nếu: F = XY ,  F =  X +  Y+  Z Z c) Nếu cơng thức vật lí xác định đại lượng đo gián tiếp có chứa số (ví dụ:  , e,…) số phải lấy gần đến số lẻ thập phân cho sai số tỉ đối phép lấy gần gây bỏ qua, nghĩa phải nhỏ 1/10 tổng sai số tỉ đối có mặt cơng thức tính Ví dụ: Xác định diện tích vịng trịn thơng qua phép đo trực tiếp đường kính d Biết d = 50,6  0,1 mm d Ta có S = , sai số tỉ đối phép đo S: S 2d      0,4%    S d Trong trường hợp này, phải lấy  = 3,142  < 0,04%  Nếu công thức xác định đại lượng đo gián tiếp tương đối phức tạp, dụng cụ đo trực tiếp có độ xác tương đối cao, sai số phép đo chủ yếu gây yếu tố ngẫu nhiên, người ta thường bỏ qua sai số dụng cụ Đại lượng đo gián tiếp tính cho lần đo, sau đo lấy trung bình tính sai số ngẫu nhiên trung bình cơng thức (1), (2), (3) TĨM TẮT  Phép đo đại lượng vật lí phép so sánh với đại lượng loại quy ước làm đơn vị Phép so sánh trực tiếp thông qua dụng cụ đo gọi phép đo trực tiếp Phép xác định đại lượng vật lí qua cơng thức liên hệ với đại lượng đo trực tiếp, gọi phép đo gián tiếp  Giá trị trung bình đo nhiều lần đại lượng A: A= A + A + + A n , giá trị gần với giá trị thực đại lượng A n  Sai số tuyệt đối ứng với lần đo: A = A  A ; A = A  A ; A = A  A … Sai số ngẫu nhiên sai số tuyệt đối trung bình n lần đo: 10 1800 ( ý trước xoay đĩa số phải nâng khung lên khe từ ) Xác định chiều lực từ F trường hợp, biểu diễn sơ đồ véc tơ 2-3 Rút kết luận mối quan hệ phương chiều lực F với véc tơ I l  B Khảo sát lực từ F phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy khung Thực thí nghiệm với khung có b=42.5mm, xét trường hợp I l  B , thay đổi cường độ dòng điện cách thay đổi điện áp chiều nguồn cung cấp, phối hợp điều chỉnh biến trở chạy VR Có thể thực theo trình tự sau : 3.1- Kiểm tra điểu chỉnh lại vị trí cân cuả cân, vị trí khung từ  trường, chọn chiều dòng điện ( chiều vec tơ I l ) chiều véc tơ B cho lực F có chiều hướng xuống Điều chỉnh thăng cho đòn cân ghi lại giá trị Fo lực kế DM vào bảng 3.2- Bật công tắc nguồn chiều, quan sát dịch chuyển khung dây, điều chỉnh cường độ dòng điện 0.1A Xoay ròng rọc để đưa đòn cân vị trí cân Đọc giá trị lực F’ lực kế ghi vào bảng Sau tắt nguồn điện, xoay rịng rọc để đưa địn cân vị trí cân ban đầu 3.3- Thực bước ( 3.1, 3.2 ) với cường độ dòng điện I tăng dần, 0.2A ; 0.3A ; …0,5A, ghi tiếp số liệu thu vào bảng Bảng : b = 42.5mm, n = 100 vòng,  = 900 I Fo F’ F=F’-Fo (A) (mN) (mN) (mN) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Khảo sát lực từ F phụ thuộc vào độ dài đoạn dòng điện : Để thực bước ta cố định dịng điện khung ( ví dụ cho I=0.4A) đo lực từ F tác dụng lên khung có độ dài cạnh b khác 132 Thực bước tương tự ( 3.1) (3.2) với cường độ I chọn không thay đổi, sau lắp khung có kích thước khác vào đòn cân Ghi kết vào bảng Bảng : I = ………(A) n = 100 vòng b Fo F’ F=F’-Fo (mm) (mN) (mN) (mN)  = 900 22,5 42,5 62,5  Khảo sát lực từ F phụ thuộc vào góc  I l B : Để thực bước ta chọn khung có cạnh b đủ nhỏ (b=22.5mm) để xoay hướng khác khơng gian có từ trường Cố định dịng điện chạy khung ( ví dụ chọn I = 0.4A ) Đo lực từ F tác dụng lên khung đĩa tròn chia độ gắn nam châm định vị góc khác ( ví dụ  = 00, 300, 450, 600, 900) Thực bước tương tự ( 3.1) (3.2) với cường độ I chọn khơng thay đổi đĩa trịn chia độ định vị góc khác chọn Ghi kết vào bảng Bảng : I = ………(A), n = 100 vòng  Fo F’ F=F’-Fo (độ ) (mN) (mN) (mN) b = 22,5 mm 30 45 60 90 5- KẾT THÚC THÍ NGHIỆM - Ghi lại thang đo cấp xác đồng hồ đo điện, thông số khung dây, phạm vi đo ĐCNN lực kế DM - Ngắt cơng tắc nguồn , rút phích nguồn khỏi ổ điện 220V, ngắt nguồn điện cho đồng hồ đa số, tháo mạch điện xếp lại gọn gàng - Tháo lực kế xếp vào hộp đựng, rút khung dây khỏi đòn cân chỉnh lại thăng ( khơng tải) cho địn cân 133 - Xếp khung dây vào hộp đựng Kết thúc thí nghiệm HƯỚNG DẪN BÁO CÁO THỰC HÀNH KHẢO SÁT TƯƠNG TÁC TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN NGHIỆM ĐỊNH LUẬT AMPE VỀ LỰC TỪ Họ tên : …………………….……………… Xác nhận cán hướng dẫn Lớp : ……………………………… ……… Ngày làm thí nghiệm : ………………… … I - MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM : II - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : - Khảo sát phụ thuộc từ lực F vào đặc trưng dòng điện từ trường Bảng : Khảo sát phụ thuộc lực từ F vào cường độ dòng điện I chạy khung dây : Với b = 42.5mm, n = 100 vòng,  = 900 I Fo F’ (A) (mN) (mN) F=F’-Fo (mN) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ F~ f(I) Bảng : Khảo sát phụ thuộc lực từ F vào độ dài b đoạn dòng điện Với I = ………(A), n =  = 100 vòng , 900 b Fo F’ F=F’-Fo (mm) (mN) (mN) (mN) 134 22,5 42,5 62,5 Vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ F~ f(b) Bảng : Khảo sát phụ thuộc lực từ F vào góc chiều dịng điện chiều từ trường Với I = ………(A), n = 100 vòng b = 42,5 mm  Fo F’ (độ ) (mN) (mN) Sin  F=F’-Fo (mN) 30 45 60 90 Vẽ đồ thị mô tả mối quan hệ F~ f(sin) Nhận xét dạng đồ thị, từ rút kết luận mối quan hệ lực từ , cường độ dòng điện, độ dài đoạn dòng điện góc dịng điện từ trường, từ thiết lập công thức nghiệm lại định luật Am pe  2- Xác định giá trị độ lớn véc tơ B từ trường cho : Kết luận : F I l.sin  : F  k.I l.sin  Trong hệ số tỷ lệ k đại lượng đặc trưng cho từ trường, có giá trị độ  lớn véc tơ cảm ứng từ B Ta xác định giá trị B từ kết đo với  = 900 ( bảng bảng 2): Theo bảng 1: I(A) N L F Số vòng (m) (N) 0.1 100 0,0425 0.2 100 0,0425 0.3 100 0,0425 0.4 100 0,0425 135 k F =B n.I l 0.5 100 0,0425 Trung bình Theo bảng : I(A) n L(m) 0.4 100 0.0225 0.4 100 0.0425 0.4 100 0.0625 Trung bình Kết : B  B  B 136 F k F =B n.I l CHỦ ĐỀ 9: XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KINH HỘI TỤ VÀ THẤU KÍNH PHÂN KỲ I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát tạo ảnh vật qua thấu kính hội tụ Xác định tiêu cự thấu kính hội tụ Khảo sát tạo ảnh vật qua hệ hai thấu kính gồm thấu kính hội tụ ghép với thấu kính phân kỳ Từ đó, xác định tiêu cự thấu kính phân kỳ II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sự tạo ảnh vật qua thấu kính hội tụ Đặt thấu kính hội tụ L0 có tiêu cự f0 nằm khoảng vật sáng AB ảnh M giá đỡ có máng trượt - gọi băng quang học, cho trục thấu kính ln vng góc với vật AB ảnh M (Hình 1) L0 B M F0/ A/ A Hình B/ 137 Giả sử vật AB ảnh M giữ cố định cách khoảng D thoả điều kiện : D  f (1) Khi dịch chuyển thấu kính L0 từ vị trí sát vật AB xa dần vị trí sát ảnh M, ta quan sát thấy có vị trí tháu kính cho ảnh thật A/B/ rõ nét ảnh M Hơn nữa, ảnh thật A/B/ có độ lớn thay đổi (lớn hơn, bằng, nhỏ vật AB) tuỳ thuộc khoảng cách d d/ tính từ thấu kính L0 đến vật AB ảnh M Bằng cách đo khoảng cách d , d/ độ lớn AB, A/B/ vật ảnh thật cho thâu kính hội tụ L0 , ta nghiệm lại cơng thức : A/ B / d /  AB d (2) Đồng thời xác định tiêu cự f0 thấu kính hội tụ L0 suy từ cơng thức : 1   d d  f0 hay f0  (3) d d / d d/ (4) d , d/ f0 lấy giá trị dương Sự tạo ảnh vật qua hệ hai thấu kính đồng trục: thấu kính hội tụ ghép với thấu kính phân kỳ Vì thấu kính phân kì L ln tạo ảnh ảo A/B/ với khoảng cách d từ vật thật AB đến thấu kính đó, nên ta khơng thể thu trực tiếp ảnh ảo A/B/ ảnh M Do ta khơng thể đo khoảng cách d từ ảnh ảo đến thấu kính để xác định tiêu cự f thấu kính phân kì L theo cơng thức (1) Để khắc phục khó khăn này, ta phải ghép thấu kinh phân kỳ L với thấu kính hội tụ L0 thành hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0) để ảnh cuối hệ hai thấu kính ảnh thật Từ ta xác định tiêu cự f thấu kính phân kỳ theo hai phương án sau : a) Phương án thứ  Đặt vật AB vị trí (1) cách thấu kính hội tụ L0 khoảng nhỏ 2f0 (Hình 2a) để thu ảnh thật A/B/ lớn vật AB rõ nét ảnh M Sau đó, giữ cố định vị trí thấu kính hội tụ L0 ảnh M 138 d1 d1 / a ) L0 B M (1 ) F0 A/ A b ) L L0 B/ B M B1 (2 ) F/ A A1 F0 B2 d / d A2 Hình Đặt thêm thấu kính phân kì L nằm vật AB thấu kính hội tụ L0 , cách L0 khoảng lớn tiêu cự f0 , tạo thành hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0) Phối hợp dịch chuyển vật AB thấu kinh phân kỳ L cho ảnh ảo A1B1 vật AB cho thấu kính phân kì L đóng vai trị vật thật thấu kính hội tụ L0 nằm cách thấu kính L0 khoảng nhỏ 2f0 để thu ảnh thật A2B2 lớn A1B1 (Hình 2b) rõ nét M Khi theo nguyên lý đảo chiều tia sáng, vị trí ảnh ảo A1B1 nằm vị trí (1) vật AB Như vậy, đo khoảng cách d từ vị trí (2) vật AB khoảng cách d / từ vị trí (1) vật đến thấu kính phân kì L, ta xác định tiêu cự f thấu kính phân kì L theo cơng thức (3) (4), d lấy giá trị dương, d / f lấy giá trị âm b) Phương án thứ hai  Đặt vật AB cách thấu kính hội tụ L0 khoảng lớn 2f0 (Hình 3a) để thu ảnh thật A/B/ nhỏ vật AB rõ nét ảnh M nằm vị trí (1) Sau đó, giữ cố định vị trí thấu kính hội tụ L0 vật AB 139 M1 d1 d1 / (a ) B (1 ) F0 A A / F0 B / L0 M (b B ) (2 ) A1 A2 A F F0 L0 L Hình F B2 B1 d d /  Đặt thêm thấu kính phân kì L nằm thấu kính hội tụ L0 ảnh M, cách L0 khoảng lớn tiêu cự f0 , tạo thành hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0) Phối hợp dịch chuyển thấu kính phân kì L ảnh M cho ảnh thật A1B1 vật AB cho thấu kính hội tụ L0 đóng vai trị vật áo thấu kính phân kỳ L nằm cách thấu kinh L khoảng nhỏ tiêu cự f thấu kính để thu ảnh thật A2B2 lớn A1B1 (Hình 3b) rõ nét M nằm vị trí (2) Như vậy, đo khoảng cách d từ vị trí (1) ảnh M khoảng cách d / từ vị trí (2) ảnh nàyđến thấu kính phân kì L, ta xác định tiêu cự f thấu kính phân kì L theo cơng thức (3) (4), d f lấy giá trị âm, d / lấy giá trị dương III DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM A Thành phần thiết bị Băng quang học có thước thép 1000 mm Đèn chiếu sáng 12V - 21W Nguồn điện 220V/6V-3A Vật chiếu sáng hình số Màn ảnh 8x15 cm 140 Thấu kính hội tụ f = 40 mm Thấu kính phân kỳ f = - 30 mm Tấm chắn sáng 10x120x40 cm B Cấu tạo hoạt động Băng quang học (Hình 4) máng trượt G nằm ngang hợp kim nhôm, dài m lắp hàm trượt mang vật AB, đèn chiếu Đ, thấu kính hội tụ L0 , thấu kính phân kỳ L ảnh M Cạnh bên băng có gắn thước milimét T dùng xác định vị trí vật đặt Vật AB có dạng hình số nằm lỗ tròn khoét nhựa đen Đèn chiếu Đ (12V-21W) có kính tụ quang, dùng làm nguồn sáng cấp điện nguồn điện U (3-6-9-12V/3A) Muốn thay đổi vị trí vật AB, thấu kính L , L0 ảnh M giá quang học G, ta cần nới lỏng vít hãm dịch chuyển chúng băng IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Xác định tiêu cự thấu kinh hội tụ a) Cắm phích lấy điện đèn chiếu Đ vào hai lỗ cắm cấp điện xoay chiều (~ ) nguồn điện U Vặn núm xoay nguồn điện đến vị trí 12V bật cơng-tắc để đèn chiếu Đ phát sáng b) Đặt vật AB, thấu kính hội tụ L0 ảnh M lên băng quang học G theo phương vng góc với chiều dài băng :  Vật AB vị trí (1) cách đèn chiếu Đ khoảng 10 15 cm Ghi vị trí (1) vật AB vào Bảng  Thấu kính hội tụ L0 ảnh M vị trí gần sát phía sau vật AB Điều chỉnh độ cao đèn Đ để vòng trịn sáng phát chiếu vừa kín mặt lỗ trịn chứa vật AB truyền qua vùng mặt thấu kính L0 Dựa vào điều kiện tạo ảnh thật thấu kính hội tụ vật thật để phối hợp dịch chuyển thấu kính hội tụ L0 ảnh M xa dần vật AB thu ảnh thật A/B/, lớn vật, rõ nét ảnh M c) Thực lần động tác nêu ứng với vị trí (1) chọn vật AB Ghi vào Bảng khoảng cách d1 d1/ tính từ vị trí thấu kính hội tụ L0 đến vật AB ảnh M lần đo để tính giá trị trung bình sai số phép đo d1 d1/ Từ xác định tiêu cự f.0 thấu kính hội tụ L0 theo cộng thức (4) Xác định tiêu cự thấu kính phân kỳ a) Phương án thứ 141 a) Giữ cố định thấu kính hội tụ L0 ảnh M vị trí cho ảnh thật A/B/, lớn vật, rõ nét ảnh M Dịch chuyển vật AB rời xa thấu kính hội tụ L0 thêm đoạn  cm tới vị trí (2) b) Đặt thấu kính phân kì L vào khoảng vật AB thấu kính hội tụ L0 băng quang học G, tạo thành hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0) Dựa vào điều kiện tạo ảnh ảo thấu kính phân kì vật thật để phối hợp dịch chuyển thấu kính phân kì L vật AB thu ảnh thật A2/ B2/ , rõ nét ảnh M c) Thực lần động tác ứng với vị trí (1) chọn vật AB Ghi vào Bảng khoảng cách d d / tính từ vị trí thấu kính phân kì L đến vị trí (2) vị trí (1) vật AB để tính giá trị trung bình sai số phép đo d d / Từ xác định tiêu cự f thấu kính phân kỳ L theo cộng thức (4) với qui ước giá trị đại số d , d / f b) Phương án thứ hai  Đặt vật AB trước thấu kính hội tụ L0 để thu ảnh thật A/B/ nhỏ vật AB rõ nét ảnh M vị trí (1) Giữ cố định vật AB thấu kính hội tụ L0 vị trí Ghi vị trí (1) ảnh M  Đặt thêm thấu kính phân kỳ L khoảng thấu kính hội tụ L0 ảnh M vị trí (1) Phối hợp dịch chuyển thấu kính phân kỳ L ảnh M để thu ảnh thật A2/B2/ rõ nét ảnh M vị trí (2) Ghi khoảng cách d d / tính từ vị trí thấu kính phân kì L đến vị trí (1) vị trí (2) ảnh M để tính tiêu cự f thấu kính phân kỳ L theo công thức (4) với.qui ước giá trị đại số d , d / f V CÂU HỎI KIỂM TRA Viết cơng thức thấu kính nói rõ qui ước giá trị đại số đại lượng có cơng thức Trình bày phương pháp đo tiêu cự thấu kính phân kì L thực thí nghiệm Vẽ sơ dồ tạo ảnh thật vật thật AB đặt vng góc với trục hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0), L thấu kính phan kỳ L thấu kính hội tụ Hãy nói rõ cách xác định vị trí ảnh rõ nét vật ảnh đặt phía sau thấu kính hệ thấu kính Hãy cho biết nguyên nhân gây nên sai số ngẫu nhiên phép đo tiêu cự f thấu kính phân kì L thí nghiệm ? 142 Đ U AB L L0 M Nguồn 12V3A G T Hình 143 HƯỚNG DẪN BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KINH HỘI TỤ VÀ THẤU KÍNH PHÂN KỲ Trường Xác nhận thày giáo Lớp Tổ Họ tên I Mục đích thí nghiệm II Kết thí nghiệm Xác định tiêu cự thấu kính hội tụ L0 a) Bảng - Vị trí (1) vật AB : .… (mm) ; - Độ xác thước T : (mm) Lần đo d1 d1 (mm) d1/ (mm) d1/ f (mm) f (mm) (mm) Trung bình b) Dựa vào Bảng 1, tính giá trung bình f sai số tuyệt đối trung bình f tiêư cự thấu kính hội tụ L0 c) Viết kết phép đo : f  f  f = (mm) Xác định tiêu cự thấu kính phân kỳ L a) Bảng : Phương án thứ - Vị trí (1) vật AB : ……… (mm) ; - Vị trí (2) vật AB : .………… (mm) 144 Lần đo d (mm) d (mm) d / (mm) d / (mm) f (mm)  f (mm) Trung bình b) Dựa vào Bảng 2, tính giá trung bình f sai số tuyệt đối trung bình  f tiêư cự thấu kính phân kì L c) Viết kết phép đo : f  f  f = (mm) 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Thâm (2003), Phương pháp dạy học Vật lí trường phổ thơng, NXB ĐHGD [2] Sách giáo khoa Vật lý 10, 11, 12 (cơ nâng cao) [3] Sách giáo viên vật lý 10,11, 12 (cơ nâng cao) [4] Tài liệu hướng dẫn Bộ thí nghiệm Vật lý phổ thông viện Vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội [5] Phùng Viêt Hải (2009), Tài liệu Thí nghiệm Vật lý phổ thông, Đại học Tây Nguyên 146 ... phạm Vật lý thuận tiện học học phần Thí nghiệm Vật lí phổ thơng, tơi tiến hành biên soạn giảng Thí nghiệm Vật lí phổ thơng Nội dung giảng gồm chủ đề Trong chủ đề giảng gồm nhiều thí nghiệm: thí. .. nghiệm: thí nghiệm thực hành, thí nghiệm kiểm chứng, thí nghiệm biểu diễn Mỗi thí nghiệm bố cục theo thứ tự: mục đích thí nghiệm, sở lí thuyết, dụng cụ thí nghiệm, trình tự tiến hành thí nghiệm, ... CỤ THÍ NGHIỆM 1- Giá thí nghiệm cao 1m2 2- Súng lò xo dùng bắn viên bi 3- Thước đo góc 4- Các viên bi đường kính khác 5- Thước dài 5m 6- Đế ba chân có vít chỉnh thăng 27 IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM