Luận văn Nghiên cứu lựa chọn chương trình, hoàn thiện nội dung và phương pháp tổ chức thực hành một số bài thí nghiệm vật lí đại cương nhằm nâng cao chất lượng thực hành cho sinh viên trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

để thêm hoặc bớt những khối lƣợng nhỏ từ 20mg đến 1000mg trên đĩa cân bên phải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 111 IV. Dụng cụ thí nghiệm - Một cân kỹ thuật - Một hộp quả cân - Một mẫu vật cần cân khối lƣợng V. Trình tự thí nghiệm Lưu ý: những quy tắc cân - Cần nhẹ nhàng, tuyệt đối tránh va chạm mạnh khi sử dụng cân. Trong khi cân, nếu thấy các dao lăng kính lệch khỏi vị trí của nó, cần sửa lại ngay. - Mỗi lần điều chỉnh cân hoặc thêm bớt khối lượng trên các đĩa cân, nhất thiết phải vặn núm xoay N để đặt cân ở trạng thái nghỉ. -Các quả cân đặt lên đĩa theo thứ tự từ lớn đến nhỏ - Sau khi đặt vật và quả cân lên đĩa, mở núm N một phần. Quan sát đòn cân, nếu thấy đòn cân có xu hướng lệch nhiều về một bên nghĩa là kim K có xu hướng lệch khỏi bảng G, phải hãm núm N. Thêm, bớt quả cân, mở lại núm N một phần. Khi thấy kim dao động nhỏ trong bảng G mới vặn núm N hết cỡ để cân ở trạng thái hoàn toàn linh động. 1. Phƣơng pháp cân thƣờng Bƣớc 1: Chỉnh thăng bằng cân - Chƣa đặt vật hoặc quả cân lên các đĩa cân. Gạt con mã về vị trí số 0 của nó trên đòn cân. - Điều chỉnh cho trụ cân thẳng đứng nhờ hai vít V - Vặn núm xoay N (thuận chiều kim đồng hồ) để cân hoạt động trong điều kiện không tải. Nếu kim chỉ thị K không chỉ đúng số 0 hoặc dao động không đều về hai phía số 0 trên thƣớc G thì ta phải điều chỉnh hai núm V1, V2 để đạt đƣợc vị trí số 0. Bƣớc 2: Xác định độ nhạy S và chính xác  của cân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 112 - Đặt quả cân dƣới 50mg lên đĩa cân bên trái, sau đó vặn núm xoay N để cân hoạt động. - Đọc số độ chia n trên thƣớc G ứng với độ dời của kim K so với vị trí số 0 trên thƣớc G và ghi vào bảng 1. - Khi đó độ nhạy S của cân đƣợc xác định bởi công thức: m n S  (độ chia/mg) Với m là khối lƣợng quả cân đặt lên đĩa cân bên trái. - Đại lƣợng nghịch đảo của độ nhạy S gọi là độ chính xác  của cân: S 1  (mg/độ chia) Bƣớc 3: Cân khối lƣợng của một vật - Đặt vật cần cân lên đĩa cân bên trái. - Chọn các quả cân và lần lƣợt đặt chúng lên đĩa cân bên phải cho tới khi vặn núm xoay N để cân ở trạng thái hoạt động có tải thì đòn cân vẫn ở vị trí cân bằng - Đọc và ghi giá trị tổng khối lƣợng m0 của các quả cân đặt trên đĩa cân bên phải vào bảng 1. Bƣớc 4: Thực hiện 5 lần bƣớc 2, 3 và ghi kết quả vào bảng 1. Lưu ý: Khi cân khối lượng của một vật, trường hợp cân ở trạng thái hoạt động đòn cân vẫn ở vị trí cân bằng khó xảy ra hoặc phải mất nhiều thời gian để thêm bớt các quả cân, thường thì vị trí kim K lệch vài vạch so với vị trí số 0 trên thang G về phía trái hoặc phía phải. Dùng kết quả của giá trị một vạch chia đã tính ở trên có thể tính chính xác khối lượng của vật cần đo 2. Phƣơng pháp cân Menđêleep Bƣớc1: Xác định vị trí cân bằng am Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 113 Đặt lên đĩa trái một qủa cân khối lƣợng M gọi là bì, lên đĩa phải các quả cân có khối lƣợng tổng cộng m1 sao cho kim cân bằng tại vị trí am nào đó trong bảng G. Song làm nhƣ vậy mất khá nhiều thời gian chờ đợi. Vì vậy ta xác định am nhƣ sau: Vặn núm xoay N, kim K sẽ dao động trên bảng G, ghi độ lệch của kim về hai phía trong sáu lần dao động liên tiếp: các độ lệch phải a1, a3, a5; các độ lệch trái a2, a4, a6 . Ta có: ) 33 ( 2 1 642531 aaaaaaam     Bƣớc 2: Cân lần thứ nhất Khi đó: M = m1 Đọc và ghi giá trị m1 vào bảng Bƣớc 3: Cân lần thứ 2 Giữ nguyên bì, đặt vật cần cân và các quả cân có tổng khối lƣợng m2 lên đĩa phải sao cho kim lại cân bằng ở vị trí am. Khi đó: M = m + m2 hay m = m1 - m2 Bƣớc 4: Đọc và ghi giá trị m2, m vào bảng Bƣớc 5: Thực hiện 5 lần các bƣớc 2, 3 và ghi vào bảng. VI. Kết quả thí nghiệm cần báo cáo 1. Phƣơng pháp cân thƣờng Bảng 1: Phƣơng pháp cân thƣờng Lần đo Độ dời kim K Cân có tải n m0 (10 -3 kg) 1 2 ….. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 114 + Kết quả: - Độ nhạy và chính xác của cân - Sai số và kết quả đo khối lƣợng của vật 2. Phƣơng pháp cân Mendeleep Bảng 2: Phƣơng pháp cân Menđêleep Lần đo m1 (10 -3 kg) m2 (10 -3 kg) m = m1-m2 (10 -3 kg) 1 2 ….. Sai số và kết quả đo khối lƣợng của vật. VII. Câu hỏi kiểm tra 1. Giá trị một vạch chia trên cân là gì? 2. Khi nói “ Phƣơng pháp cân Menđêleep chính xác và dễ dàng thực hiện hơn phép cân thƣờng” thì có đúng không? Vì sao? 3. Nhận xét kết quả phép đo? BÀI 7: XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƢỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH I. Mục đích thí nghiệm -Biết thế nào là con lắc vật lí, con lắc thuận nghịch -Biết ứng dụng lí thuyết dao động để xác định gia tốc trọng trƣờng bằng con lắc thuận nghịch - Biết sử dụng đồng hồ đo thời gian hiện số II. Câu hỏi định hƣớng 1. Cấu tạo con lắc vật lí. Khi nào con lắc vật lí trở thành con lắc thuận nghịch? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 115 2. Mômen quán tính của một vật rắn có trục quay cố định 3. Phƣơng trình dao động điều hoà của con lắc vật lí? Chu kỳ? III. Cơ sở lý thuyết 1. Con lắc vật lí Con lắc vật lí là một vật rắn có khối lƣợng m có thể dao động quanh một trục cố định nằm ngang đi qua điểm O1 không trùng với trọng tâm G của con lắc (hình 2.12). Khi kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng thẳng đứng một góc α nhỏ rồi buông nó ra thì thành phần Pt của trọng lực P=mg tác dụng lên con lắc một mômen lực M1 có trị số bằng: M1 = -Pt.L1  -mg.L1.α (1) Trong đó g là gia tốc trọng trƣờng, L1 = O1G là khoảng cách từ trục quay đi qua điểm O1 đến trọng tâm G Dấu (-) cho biết mômen M1 luôn kéo con lắc quay ngƣợc chiều với α. Phƣơng trình cơ bản đối với chuyển động quay của con lắc quanh trục đi qua điểm O1 có dạng: 1 1 1    (2) ở đây 2 2 1 dt d    là gia tốc góc, I1 là mômen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua điểm O1. Kết hợp (1) với (2) và thay 1 12 1   mgL  ta nhận đƣợc phƣơng trình vi phân của dao động điều hoà của con lắc : 0.212 2    dt d (3) Pt P G   01 02 Pn Hình 2.12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 116 Nghiệm của phƣơng trình (3) có dạng: .0  cos ).( 1  t (4) Trong đó α0 là biên độ, ω1 là tần số góc, φ là pha ban đầu tại thời điểm t = 0 Từ (4) suy ra chu kì T1 của con lắc vật lí dao động quanh trục đi qua điểm O1: 1 1 1 1 . .2 2 Lmg      (5) Nếu đảo ngƣợc con lắc rồi cho nó dao động quanh trục cố định nằm ngang đi qua điểm O2 và tính toán tƣơng tự ta cũng tìm đƣợc chu kỳ T2 của con lắc vật lý dao động quanh trục đi qua điểm O2: 2 2 2 2 . .2 2 Lmg      (6) với L2 = O2G là khoảng cách từ trục quay đi qua điểm O2 đến trọng tâm G, còn I2 là mômen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua điểm O2. Gọi IG là mômen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua trọng tâm G và song song với hai trục đi qua hai điểm O1 , O2. Theo định lý Huyghen – Stêiner: I1=IG+m 2 1L (7) I2=IG+m 2 2L (8) Kết hợp (5), (6), (7) và (8) ta tìm đƣợc:    2 2 21 2 1 2121 2 .. .4 LTLT LLLL g     (9) Nếu lựa chọn đƣợc giá trị thích hợp của L1và L2 sao cho chu kỳ dao động của con lắc vật lý đối với hai trục cố định nằm ngang tại O1 và O2 bằng nhau, tức là T1=T2 = T thì con lắc sẽ trở thành con lắc thuận nghịch. Khi đó gia tốc trọng trƣờng tại nơi đặt con lắc, theo (9) đƣợc giản ƣớc: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 117 2 2 .4 T L g   (10) Với L = L1 + L2 là khoảng cách giữa hai trục O1 và O2 2. Xác định gia tốc trọng trƣờng bằng con lắc thuận nghịch Về mặt nguyên tắc ta có thể xác định gia tốc trọng trƣờng tại nơi làm thí nghiệm bằng con lắc vật lí tuỳ ý nếu ta biết mômen quán tínhcủa con lắc đối với trục quay và khoảng cách từ trục quay tới khối tâm. Nhƣng việc này khó có thể thực hiện đƣợc một cách chính xác do đó ta có thể dễ dàng xác định đƣợc gia tốc tại nơi làm thí nghiệm một cách chính xác bằng con lắc thuận nghịch (Hình 2.13) Thân con lắc là một thanh kim loại 6 có gắn hai con dao cố định 1 và 2 (khoảng cách bằng L). Cạnh của dao 1 hoặc 2 lần lƣợt đƣợc đặt tựa trên mặt kính phẳng nằm ngang của gối đỡ 5. Hai quả nặng 3 và 4 gắn cố định trên thanh kim loại 6. Gia trọng C có dạng một đai ốc lắp trên thân ren 4, dùng để thay đổi vị trí khối tâm và do đó thay đổi cả mômen quán tính với các trục 1 và 2. Bằng cách dịch chuyển gia trọng 4 ta có thể tìm đƣợc vị trí của nó mà con lắc trở thành con lắc thuận nghịch và từ đó tìm đƣợc chu kỳ T = T1 = T2 từ đó suy ra gia tốc trọng trƣờng theo công thức (10) . Toàn bộ con lắc đƣợc đặt trên giá đỡ 9 và hộp chân đế 10 có vít điều chỉnh thăng bằng ở đáy hộp. Số dao động và chu kỳ của con lắc đƣợc xác định bằng máy đo thời gian hiện số nối với cảm biến 8 gắn trên thƣớc 7. Cảm biến 8 đặt gần vị trí cân bằng thẳng đứng để con lắc dao động với biên độ nhỏ (α <100). Trong cảm biến 8 có một đèn phát tia hồng ngoại đặt đối diện với một tế bào quang điện thu tia hồng ngoại. Khi con lắc dao động, thanh kim loại 6 đi qua khe của cảm biến 8, nó sẽ chắn chùm tia hồng ngoại dọi vào 1 5 6 3 9 2 4 7 10 V2 V1 8 Hình 2.13 C Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 118 tế bào quang điện và gây ra một xung điện điều khiển bộ đếm trong máy đo thời gian: số chu kỳ dao động của con lắc và khoảng thời gian tƣơng ứng sẽ hiển thị trên các cửa sổ “chu kỳ” và “ thời gian”. IV. Dụng cụ thí nghiệm - Con lắc vật lý - Máy đo thời gian hiện số MC-963A - Cổng quang điện hồng ngoại - Giá treo con lắc - Thƣớc 1000 mm - Thƣớc kẹp 0-150 m, chính xác 0,1 hoặc 0,02 mm - Giấy vẽ đồ thị kẻ li 120x80mm. V. Trình tự thí nghiệm Cách thứ nhất Bƣớc 1: Vặn gia trọng 4 cho tiếp xúc với gia trọng cố định 4’. Dùng thƣớc kẹp đo khoảng cách giữa chúng. Ghi giá trị x0 vào bảng 1. Đặt con lắc lên giá đỡ. Bƣớc 2: Cắm phích lấy điện của máy đo thời gian vào nguồn điện xoay chiều 220V và cắm đầu nối của cảm biến 8 vào ổ A trên mặt máy. Hình 2.14 . Đồng hồ đo thời gian hiện số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 119 +Vặn núm chọn kiểu đo MODE sang vị trí n = N/2 đo thời gian của từng chu kỳ dao động. (Chú ý: không để con lắc dao động với biên độ lớn vƣợt qua giới hạn cổng quang điện, sao cho sau mỗi chu kỳ trên của sổ ”số chu kỳ n = N-1” chỉ nhảy số một lần) + Gạt núm thang thời gian TIME RANGE , chọn 9,99s. + Bấm khoá K, các số chỉ thị phát sáng hiện trên khung cửa sổ CHU KỲ và THỜI GIAN + Ấn nút RESET để đa chỉ thị số về trạng thái 00.00 Chú ý: Có thể kiểm tra hoạt động của máy đo thời gian MC 963 bằng cách: cho con lắc dao động nhẹ sao cho đầu dưới của thanh kim loại 6 đi qua khe cảm biến. Nếu các chỉ thị số trên mặt máy MC 963 thay đổi (nhảy số) mỗi khi con lắc đi qua là máy đã hoạt động. Bƣớc 3: Kéo đầu dƣới của con lắc lệch khỏi vị trí thẳng đứng một góc nhỏ α (α<100) sao cho thanh kim loại 6 vừa đủ che ngang cửa sổ của tế bào quang điện trong đầu cảm biến. Thả cho con lắc dao động nhẹ nhàng. Chờ sau vài chu kỳ dao động, ấn RESET để đo thời gian của một chu kỳ dao động T1 của con lắc trên trục 1. Ghi giá trị T1 vào bảng 1. Bƣớc 4: Đảo ngƣợc con lắc cho dao động quanh trục O2 và lặp lại thínghiệm ta đo đƣợc chu kỳ dao động T2. Ghi giá trị T2 vào bảng 1 Bƣớc 5: Xoay gia trọng 4 trên thân vít để tăng dần khoảng cách x giữa nó và đầu cố định của thanh vít từ 0 đến 40 mm mỗi lần tăng 2 mm ứng với 2 vòng quay của gia trọng 4 hoặc dùng thƣớc kẹp để đo khoảng cách này. Xác định T1, T2 bằng cách lặp lại các bƣớc 3, 4. Ghi các giá trị T1, T2 vào bảng 1. Bƣớc 6: Tìm vị trí x’ tại đó T1  T2 Bằng phƣơng pháp đồ thị: dựa vào số liệu bảng 1 vẽ hai đƣờng T1(x), T2(x) biểu diễn sự phụ thuộc của T1, T2 vào cách x trên cùng một mặt phẳng toạ độ. Khi đó giao điểm của hai đƣờng này xác định giá trị khoảng cách x’. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 120 Bƣớc 7: Xác định giá trị x tại đó T1 = T2 - Chiều thuận: + Dùng thƣớc kẹp, đặt lại gia trọng 4 tại vị trí ứng với khoảng cách x’ vừa tìm đƣợc. + Vặn núm MODE sang vị trí n = 50 để đo 50 chu kỳ dao động của con lắc. + Gạt núm TIME RANGE sang vị trí 99,99s. + Cho con lắc dao động nhẹ nhàng quanh O1. + Sau vài dao động ấn nút RESET để đo thời gian t1 của 50 chu kỳ dao động. Máy đo thời gian sẽ dừng lại khi trên cửa sổ “chu kỳ” xuất hiện số 51. + Đọc và ghi giá trị t1 vào bảng 2 - Chiều nghịch Đảo ngƣợc con lắc và cho nó dao động quanh O2. Đo khoảng thời gian t2 của 50 chu kỳ dao động. Ghi giá trị t2 vào bảng 2. Chú ý: nếu t1, t2 chỉ sai khác cỡ sai số máy đếm (0,01s) thì xác định được vị trí mà con lắc là thuận nghịch. Lặp lại hai lần bước 6 và ghi các giá trị t1, t2 vào bảng 2. Trong trường hợp t1, t2 sai lệch ít thì ta lặp lại bước 6 tại các vị trí mới của gia trọng cách x’ khoảng ,1 2 mm về hai phía lân cận để xác định chính xác hơn x. Nếu t1, t2 sai khác nhiều cần phải làm lại từ đầu. Bƣớc 8: Tắt máy đo thời gian, rút phích cắm điện sau khi thực hiện xong thí nghiệm. Bƣớc 9: Dùng thƣớc 1000 mm đo khoảng cách L giữa hai lƣỡi dao O1, O2. Ghi vào bảng 1 (chỉ đo 1 lần, lấy sai số dụng cụ bằng 1mm). Cách thứ hai Bƣớc 1:Đặt máy đo thời gian nhƣ bƣớc 6 của cách thứ nhất Bƣớc 2: Lần lƣợt đo chu kỳ 50T1, 50T2 ứng với các vị trí của gia trọng 4 cách đầu cố định của thanh vít lần x = 5, 10, …40mm (dùng thƣớc kẹp để kiểm tra khoảng cách x) và ghi số liệu vào bảng 1’ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 121 Bƣớc 3: Vẽ đồ thị phụ thuộc chu kỳ vào vị trí x: x = f(50T1) ; x = f(50T2) trên cùng một mặt phẳng toạ độ để tìm vị trí mà tại đó T1  T2 Bƣớc 4: Tiếp tục dịch chuyển gia trọng 4 từng 1mm sao cho 50T1=50T2 với cả 4 chữ số mới thôi. Bƣớc 5: Lặp lại bƣớc (4) thêm 2 lần nữa và ghi số liệu vào bảng 2 (giống cách thứ nhất) Bƣớc 6: Thực hiện các bƣớc 7, 8 giống cách thứ nhất. VI. Các kết quả thí nghiệm cần báo cáo Bảng 1 L = ……..  1 (mm) x(mm) T1(s) x(mm) T1(s) x(mm) T2(s) x(mm) T2(s) 0 0 2 2 4 4 … … … … Bảng 2 Vị trí 50T1 = 50T2 : x =………(mm) Lần đo 50T1(s) Lần đo 50T2(s) 1 1 2 2 3 3 Bảng 1’ x(mm) 50T1(s) x(mm) 50T2(s) 0 0 5 5 ……. ……. 40 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 122 Vẽ đồ thị: - Xác định chu kỳ dao động của con lắc thuận nghịch. + Sai số phép đo + Chu kỳ dao động trung bình. - Gia tốc trọng trƣờng của con lắc thuận nghịch: + Gia tốc trung bình + Sai số tƣơng đối + Sai số tuyệt đối + Kết quả phép đo gia tốc trọng trƣờng VII. Câu hỏi kiểm tra 1. Có thể tính đƣợc mômen quán tính của con lắc đối với một trục quay cố định O1 hay không? Viết công thức? 2. Vì sao góc lệch của con lắc phải nhỏ và phải đo nhiều chu kỳ dao động? Khi đo chu kỳ nhƣ vậy khắc phục đƣợc những sai số nào? Sai số của phép đo đƣợc tính nhƣ thế nào? 3. Nhận xét kết quả phép đo BÀI 8: XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ VÀ ĐIỆN DUNG BẰNG MẠCH DAO ĐỘNG TÍCH PHÓNG DÙNG ĐÈN NEON I. Mục đích thí nghiệm - Khảo sát mạch dao động tích phóng dùng đèn neon, xác định điện trở và điện dung - Biết mắc mạch điện theo sơ đồ cho sẵn - Có kĩ năng thu thập và xử lí số liệu II. Câu hỏi định hƣớng 1. Mô tả mạch dao động tích phóng dùng đèn neon. 2. Vẽ sơ đồ mạch điện và viết công thức xác định chu kỳ tích phóng. f(t) x(mm) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 123 III. Cơ sở lý thuyết 1. Mạch dao động tích phóng - Mạch dao động tích phóng dùng đèn neon là một mạch dao động điện RC, gồm: một đèn neon Ne (là một bóng thuỷ tinh nhỏ, bên trong ợc hút chân không đến cỡ 10 mmHg và có hai điện cực kim loại A và K đặt cách nhau 2-3 mm). mắc nối tiếp với một điện trở bảo vệ R, song song với một tụ điện có điện dung C. Mạch điện này đƣợc nối với một nguồn điện không đổi Un. - Đầu tiên, do cấu tạo nên đèn neon là vật cách điện, tụ điện C tích điện từ nguồn điện Un . Hiệu điện thế U giữa hai cực của tụ điện tăng dần từ 0 đến giá trị Us. Khi U=Us khí Ne bị ion hoá trỏ thành vật dẫn điện: đèn Ne bừng sáng . Giá trị US gọi là hiệu điện thế sáng. Vì đèn Ne mắc nối tiếp với điện trở R khá lớn nên dòng điện chạy trong mạch có cƣờng độ nhỏ (~ μA). Sau khi phóng điện qua đèn Neon, hiệu điện thế U giữa hai cực của tụ điện C giảm rất nhanh đến giá trị UT thì đèn neon vụt tắt và lại trở thành vật cách điện. Giá trị UT gọi là hiệu điện thế tắt. Khi đó,tụ điện lại tích điện từ nguồn Un và hiệu điện thế U giữa hai cực của nó lại tăng dần từ UT đến US thì đèn neon lại bừng sáng. Nhƣ vậy, quá trình tích điện và phóng điện của tụ điện trong mạch RC dùng đèn neon đƣợc lặp lại tuần hoàn theo thời gian và gọi là dao động tích phóng. Chu kỳ  của dao động tích phóng RC đo bằng khoảng thời gian giữa hai lần bừng sáng liên tiếp của đèn neon Ne:  = t2-t1 (1) Hình 2.15. Mạch tích phóng neon Hình 2.16: Dao động điện trong mạch tích phóng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 124 2. Xác định điện trở hoặc điện dung bằng mạch dao động tích phóng Biểu thức chu kỳ  của dao động tích phóng có thể tìm đƣợc bằng cách áp dụng định luật Ôm đối với mạch điện hình 1: R UU i n   (2) Với : i là cƣờng độ dòng điện chạy trong mạcg khi tụ điệ đang tích điện từ nguồn điên Un. Sau khoảng thời gian rất nhỏ dt, điện tích của tụ điện tăng thêm một lƣợng : dq= i.dt (3) Vì điện tích q=C.U nên: dq=C.dU (4) với C là điện dung của tụ điện Thay (2), (4) vào (3) ta có dt UU dUC n . R .    dt=R.C. UU dU n  (5) Thực tế, vì tụ điện C phóng điện rất nhanh (gần nhƣ tức thời), nên có thể coi nhƣ gần đúng: ' 1212 tttt  (6) với ' 1t là thời điểm tụ điện C lại bắt đầu tích điện từ nguồn điện Un sau khi đèn neon vụt tắt. Thực hiện phép tích phan đối với phƣơng trình (5) từ thời điểm ' 1t đến thời điểm t2 ứng với các giá trị hiệu điện thế UT và US giữa hai cực của tụ điện C:    S2 ' 1 .. U U n t t T UU dU CRdt Ta tìm đƣợc chu kỳ  của mạch dao động tích phóng dùng đèn neon S ln.. UU UU CR n Tn    (7) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 125 Nhƣ vậy, chu kỳ  của dao động tích phóng tỷ lệ với điện trở R và điện dung C trong mạch. Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát mạch dao động tích phóng RC dùng đèn neon bằng cách nghiệm lại công thức (7). Mặt khác, sử dụng mạch dao động tích phóng để xác định giá trị của điện trở R hoặc điện dung C mắc trong mạch này. IV. Dụng cụ thí nghiệm - Bộ thí nghiệm vật lý MC-958 - Điện trở mẫu R0 - Điện trở cần đo Rx - Điện trở bảo vệ mạch R=100kΩ - Tụ điện mẫu C0 - Tụ điện cần đo Cx - Máy đo thời gian đa năng hiện số MC-963 - Cảm biến thu phát quang điện hồng ngoại V. Trình tự thí nghiệm 1. Đo hiệu điện thế sáng US và hiệu điện thế tắt UT của đèn neon Bƣớc 1: Chƣa cắm phích lấy điện của bộ thiết bị thí nghiệm vào nguồn ~ 220V. Quan sát mặt máy trên giản đồ hình 3 Bƣớc 2: Dùng dây dẫn nối thành mạch điện trên mặt máy của bộ MC-958 theo sơ đồ hình 4 - Điện trở bảo vệ R=100kΩ mắc nối tiếp với đèn neon giữa hai chốt P, Q. - Vôn kế V mắc song song với đèn neon giữa hai chốt L và E. - Núm xoay của nguồn điện Un đặt ở V + +100V Un 0 K P R Q  L S Ne E1 E C E2 dao ®éng tÝch phãng dïng ®Ìn neon §o ®iÖn trë vµ ®iÖn dung Hình 2.17: Dao động điện trong mạch tích phóng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 126 vị trí 0. - Khoá K đặt ở trạng thái ngắt điện. Chú ý: mời giáo viên kiểm tra trước khi cắm phích lấy điện. Bƣớc 3: Bấm khoá K: đèn LED sáng. Vặn từ từ núm xoay của nguồn điện Un để tăng dần hiệu điện thế U giữa hai cực của đèn neon cho tới khi đèn bừng sáng. Đọc và ghi giá trị của US chỉ trên vônkế vào bảng 1. Bƣớc 4: Vặn từ từ núm xoay của nguồn Un để giảm dần hiệu điện thế U giữa hai cực của đèn neon cho tới khi đèn vụt tắt. Đọc và ghi giá trị của UT chỉ trên vôn kế vào bảng 1. Bƣớc 5: Lặp lại các bƣớc 3, 4 thêm 4 lần nữa và ghi các giá trị của US, UT tƣơng ứng vào bảng 1. Bƣớc 6: Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0. Bấm khoá K trên mặt máy MC-958 để ngắt điện. Tháo bỏ điện trở bảo vệ R ra khỏi mạch điện. 2. Đo chu kỳ  của mạch dao động tích phóng RC Bƣớc 1: Dùng dây dẫn nối lại mạch điện trên mặt máy của bộ thí nghiệm MC 958 theo sơ đồ hình 5 trong đó: - Vôn kế V mắc giữa hai chốt P, E1. - Tụ điện mẫu C0 mắc song song với đèn neon Ne giữa hai chốt L, E - Điện trở mẫu R0 mắc nối tiếp với đèn nêon Ne giữa hai chốt P, Q. Bƣớc 2: Đặt đầu cảm biến thu – phát quang điện hồng ngoại lên mặt máy sao cho đèn neon nằm giữa hai lỗ cửa sổ của đầu cảm biến. Cắm đầu cảm biến vào ổ A của máy đo đa năng hiện số MC-963A. Đặt núm MODE ở vị trí n = 50 và núm TIME RANGE sang vị trí 99,99s. Chú ý: mời giáo viên tới kiểm tra mạch điện trƣớc khi cấp điện. Hình 2.18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 127 Bƣớc 3: Bấm khoá K trên mặt máy MC-958 để cấp điện cho dụng cụ: đèn LED phát sáng. Vặn từ từ núm xoay của nguồn điện Un để tăng dần hiệu điện thế (quan sát trên vônkế) cho tới khi đèn neon bừng sáng (khoảng 90V) và giữ giá trị này không đổi trong thời gian mạch R0C0 thực hiện dao động. Dao động của mạch tích phóng có chu kỳ bằng: S 000 ln.. UU UU CR n Tn    (8) Bƣớc 4: Cắm phích lấy điện của máy đo thời gian MC 963A vào nguồn điện ~ 220V. Bấm khoá đóng điện K: các chữ số phát sáng hiển thị trên cửa sổ: CHU KỲ và THỜI GIAN. Bấm nút RESET để đƣa các chữ số về trạng thái 00.00. Sau đó máy đo thời gian MC- 963A tự động đo thời gian t0 của n = 50 chu kỳ dao động tích phóng 0 của mạch R0C0 ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp của đèn neon Ne. Ghi giá trị của t0 vào bảng 1. Bƣớc 5: Lặp lại bƣớc 3 thêm 4 lần và ghi giá trị tƣơng ứng của t0 vào bảng 1. Trên cơ sở kết quả đo này, có thể suy ra: 50 00 0 t n t  (9) Có thể nghiệm lại công thức (7) bằng cách so sánh kết quả xác định chu kỳ dao động tích phóng theo các công thức (8), (9). Bƣớc 6: Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0. Bấm khoá K trên mặt máy MC 958 để ngắt điện. 1. Xác định điện trở Rx Bƣớc 1: Thay điện trở cần đo Rx vào vị trí của R0 mắc giữa hai chốt P, Q trong sơ đồ hình 5. Bấm khoá K trên mặt máy 958: đèn LED phát sáng. Bƣớc 2: Vặn núm xoay của nguồn Un để Un=90V và giữ giá trị này trong suốt thời gian mạch điện RxC0 thực hiện dao động tích phóng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 128 Chu kỳ của dao động tích phóng x của mạch điện RxCo tính bằng: S 0 ln.. UU UU CR n Tn xx    (10) Bƣớc 3: Bấm nút RESET của máy đo thời gian MC 963A để đƣa các chữ số về trạng thái 00.00. Máy đo thời gian tự động đo thời gian tx của n=50 chu kỳ dao động tích phóng x của mạch RxC0 ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp của đèn neon Ne. Ghi giá trị của tx vào bảng 1. Bƣớc 4: Lặp lại bƣớc 3 thêm 4 lần và ghi giá trị tƣơng ứng của tx vào bảng 1. Trên cơ sở kết quả đo này, có thể suy ra: 50 xx x t n t  (11) Chia công thức 10 cho 8, đồng thời chú ý đến 9 và 11 ta tìm đƣợc: 0 0 0 0 .. t t RRR xxx    (12) Bƣớc 5: Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0. Bấm khoá K trên mặt máy MC- 958 để ngắt điện. 2. Xác định điện dung Cx Bƣớc 1: Thay tụ điện có điện dung Cx cần đo vào vị trí của tụ điện mẫu C0 mắc giữa hai chốt L, E trong sơ đồ mạch điện hình 5. Bấm khoá K trên mặt máy MC- 958: đèn LED phát sáng. Bƣớc 2: Vặn núm xoay của nguồn Un để Un=90V và giữ giá trị này trong suốt thời gian mạch điện R0Cx thực hiện dao động tích phóng. Chu kỳ của dao động tích phóng x của mạch điện RxCo tính bằng: S 0 ' ln.. UU UU CR n Tn xx    (13) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 129 Bƣớc 3: Bấm nút RESET của máy đo thời gian MC 963A để đƣa các chữ số về trạng thái 00.00. Máy đo thời gian tự động đo thời gian ' xt của n=50 chu kỳ dao động tích phóng ' x của mạch R0Cx ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp của đèn neon Ne. Ghi giá trị của ' xt vào bảng 1. Bƣớc 4: Lặp lại bƣớc 3 thêm 4 lần và ghi giá trị tƣơng ứng của ' xt vào bảng 1. Trên cơ sở kết quả đo này, có thể suy ra: 50 '' ' xx x t n t  (14) Chia công thức (13) cho (8), đồng thời chú ý đến (9) và (14) ta tìm đƣợc: 0 ' 0 0 ' 0 .. t t CCC xxx    (15) Bƣớc 5: Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0. Bấm khoá K trên mặt máy MC- 958 và MC-963A để ngắt điện rồi rút phích lấy điện của các máy ra khỏi nguồn ~ 220V. Thu xếp gọn gàng các dụng cụ trên bàn thí nghiệm. Bƣớc 6: Đọc và ghi các số liệu sau vào bảng: 1. Giá trị cực đại Um và cấp chính xác của vônkế. 2. Độ chính xác của máy đo thời gian MC-963A 3. Giá trị điện trở mẫu R0 4. Giá trị điện dung mẫu C0. VI. Kết quả thí nghiệm cần báo cáo Bảng 1 Vôn kế V Um =…….(V) δv =…….. Điện trở mẫu R0=…… (Ω) 0R  =……. Điện dung mẫu C0 =…….(F) 0C  =……. Độ chính xác của máy đo thời gian MC-963A ∆t=…..(s) Lần đo US UT t0 tx ' xt 1 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 130 1. Viết kết quả: + Hiệu điện thế sáng + Hiệu điện thế tắt 2. Nghiệm công thức xác định chu kỳ  của mạch dao động tích phóng: + Giá trị đo gián tiếp chu kỳ 0 + Giá trị đo trực tiếp chu kỳ 0 + Độ sai lệch giữa ( 0 )tt và ( 0 )gt 3. Viết kết quả phép đo điện trở Rx 4. Viết kết quả phép đo tụ điện Cx. VII. Câu hỏi kiểm tra 1. Nói rõ phƣơng pháp nghiệm lại công thức xác định chu kỳ dao động tích phóng của mạch. 2. Trình bày phƣơng pháp xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng dùng đèn neon. Tại sao không dùng phƣơng pháp này để đo các điện trở và điện dung có giá trị nhỏ? 3. Nhận xét kết quả phép đo? BÀI 9: XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON m e BẰNG PHƢƠNG PHÁP MANHÊTÔN I. Mục đích thí nghiệm - Hiểu đƣợc hiện tƣợng hạt tích điện chuyển động trong từ trƣờng đều. - Biết sự tồn tại của lực Lorent - Biết xác định điện tích riêng của electron m e bằng phƣơng pháp manhêtôn II. Câu hỏi định hƣớng 1. Lực Lorent là gì? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 131 2. Khái niệm từ trƣờng? 3. Chuyển động của hạt mang điện trong từ trƣờng. III. Cơ sở lý thuyết - Theo thuyết lƣợng tử, nguyên tử gồm các electron chuyển động quanh hạt nhân. Một electron có khối lƣợng m chuyển động quay quanh hạt nhân se có mômen động lƣợng L . Mặt khác electron mang điện tích âm chuyển động quanh hạt nhân tạo thành dòng điện có mômen từ   ngƣợc chiều và tỷ lệ với L :   L m e 2  Đại lƣợng  m e 2 gọi là tỷ số từ cơ của electron, đây là một hằng số quan trọng trong vật lý nguyên tử. Còn tỷ số m e đƣợc gọi là điện tích riêng của electron (đơn vị đo là C/kg) Một hạt mang điện tích e, khối lƣợng m có vận tốc ban đầu là  v bay vào trong từ trƣờng đều có cảm ứng từ B thì phƣơng trình chuyển động của hạt sẽ là:        Bve dt vd m (1) Nếu vận tốc  v vuông góc cảm ứng từ B thì lực Lorent tác dụng lên hạt có giá trị không đổi và đóng vai trò lực hƣớng tâm: evB R mv  2 (2) Từ đó suy ra bán kính quỹ đạo của hạt là: B m e v R  (3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 132 U1 G - - + U3 U2 D A1 A A2 V Hình 2.19 Có thể xác định điện tích riêng của electron m e nhờ bộ thiết bị thí nghiệm bố trí theo sơ đồ hình 2.19: Gồm : một đèn manhêtôn M đặt ở bên trong ống dây dẫn D và các nguồn điện cung cấp cho đèn và cuộn dây hoạt động. Đèn manhêtôn là đèn điện tử chân không cao (10-7-10-8 mmHg) có ba cực: catốt K, anốt A và lƣới G. Cả ba điện cực này đều là các ống trụ kim loại đồng trục có đƣờng kính khác nhau. Khi catốt đƣợc đốt nóng bằng sợi nung cung cấp từ nguồn U2, các electron nhiệt phát xạ ra khỏi catoót đƣợc tăng tốc bởi hiệu điện thế U3. Các electron này chuyển động qua lƣới G tới anot tạo thành dòng điện anốt, đƣợc đo bằng miliampe kế A2. Dòng điện chạy qua ống sôlênôit đƣợc đo bằng ampe kế A1 Động năng của electron khi bay tới lƣới G bằng công của lực điện trƣờng giữa catốt K và lƣới G: eU mv  2 2 (4) Suy ra: m eU v 2  (5) Trong đó: v: vận tốc của electron khi bay tới lƣới G Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 133 m: khối lƣợng của electron e: điện tích của electron U: hiệu điện thế giữa catốt K và lƣới G đo bằng vônkế V. Khi có dòng điện chạy qua ống dây sôlênôit thì từ trƣờng trong không gian trong lòng ống dây là từ trƣờng đều, nghĩa là các electron nhiệt chuyển động trong đèn manhêtôn sẽ chịu tác dụng của lực Lorent. Theo công thức (3) nếu cảm ứng từ trong lòng ống dây càng lớn thì bán kính R của quỹ đạo electron càng nhỏ. Tới một giá trị lớn hơn B0 nào đóthì electron không thể tới anôt (hình 2.20) Hình 2.20: Quỹ đạo của electron ứng với các giá trị của cảm ứng từ B khác nhau trong đèn manhêtôn Mặt khác cảm ứng từ B trong lòng ống sôlênôit tỷ lệ với cƣờng độ dòng điện I chạy qua ống và đƣợc tính bằng công thức: InB ... 0 (6) Trong đó: μ0 = 4π.10 -7 H/m là hằng số từ n: số vòng dây trên một đơn vị độ dài của ống dây α: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo của ống dây dẫn D I: cƣờng độ dòng điện chạy qua ống dây - Tăng dần cƣờng độ dòng điện I để tăng dần cảm ứng từ B sao chi bán kính R của quỹ đạo tròn cảu electron giảm dần đến giá trị R=d/2 (d là khoảng cách giữa anốt A và B=B1 BB1 BB1 B=0 A G Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 134 lƣới G). Khi đó các electron không tới đƣợc anốt A nên cƣờng độ dòng điện anốt I2 chạy qua miliampe kế A2 sẽ giảm đến giá trị I2=0. Thay (5), (6) vào (2) ta tìm đƣợc: 22 1 22 0 2 ... 8 dIn U m e   (7) Trong thí nghiệm này: - Ống dây có hệ số α= 0,1 - Mật độ vòng dây n = 6000v/m - Đèn manhêtôn có d = 14 - Điện áp gia tốc giữa lƣới và catốt đƣợc thiết lập U=6V, đo bởi vônkế V Nhƣ vậy, xác định đƣợc cƣờng độ dòng điện I1 chạy qua ống dây D khi dòng điện anốt I2 bị triệt tiêu ta sẽ tính đƣợc điện tích riêng e/m của electron. Trong thực nghiệm, để xác định I1 ta chỉ cần theo dõi quá trình giảm dần của dòng điện I2 trên miliampe kế A2 khi tăng dần dòng điện I trên ampekế A1 cho tới khi I2 = 0 thì dòng điện qua ống dây đúng bằng I1. Trong quá trình phát xạ electron nhiệt, một số ít electron có vận tốc lớn vẫn có thể tới anốt ngay cả khi I=I1, nghĩa là dòng anốt I2 không hoàn toàn triệt tiêu. Do đó cần tìm giá trị thực của I1 bằng đồ thị: vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dòng anốt I2 vào dòng I Đoạn ab dốc nhất của đƣờng cong ứng với trƣờng hợp đa số electron phát xạ không tới đƣợc anôt. Khi đó tiếp tuyến của đƣờng cong này tại đoạn ab sẽ cắt trục hoành tại điểm có cƣờng độ I1. a b I I1 I2 Hình 2.21: Đồ thị để xác định giá trị I = 0 để dòng anốt triệt tiêu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 135 IV. Dụng cụ thí nghiệm -Một bộ thí nghiệm vật lí MC-95.11 - Một đèn manhêtôn - Một ống dây dẫn dùng tạo ra từ trƣờng - Một bộ dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây) V. Trình tự thí nghiệm 1. Chuẩn bị bộ thí nghiệm MC-95.11 Bƣớc 1: Chƣa cắm phích lấy điện của bộ MC-95.11 vào nguồn ~220V. Quan sát mặt máy trên hình 2.22 Bƣớc 2: Dùng các dây dẫn nối mạch điện trên mặt máy MC-95.11 - Nối sợi nung FF vào nguồn một chiều U2 (0-6V/ 0,5A) - Nối A2 giữa cực lƣới G và anốt A của đèn M - Nối vônkế V giữa lƣới G và catốt K của đèn M với nguông một chiều U3 (0-12V/100mA) - Mắc nối tiếp ống dây dẫn D và ampe kế A1 với nguồn U1 (0-6V/5A) - Gạt các núm chuyển mạch để đặt đúng vôn kế V ở thàn đo 10V, ampe kế A1 ở thang đo 2,5A, miliampe kế A2 ở thang đo 1mA. - Vặn núm xoay của các nguồn điện một chiều U1 , U2 , U3 về vị trí 0 - Đặt các công tắc K1 , K2 , K3 ở trạng thái ngắt mạch. Chú ý: mời giáo viên kiểm tra mạch mắc trên mặt máy trước khi cắm điện. 2.22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 136 2. Khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện anôt I2 vào dòng điện I chạy qua ống dây sôlênôit. Xác định điện tích riêng e/m. Bƣớc 1: Bấm các công tắc K1 , K2 , K3 : các đèn LED phát sáng báo hiệu các nguồn U1 , U2 , U3 đã sẵn sàng hoạt động. Bƣớc 2: Vặn núm xoay của nguồn U3 để thiết lập hiệu điện thế gia tốc giữa G và K đạt giá trị 6V. Giữ không đổi giá trị này trong suốt quá trình đo. Bƣớc 3: Vặn núm xoay của nguồn U2 đến vị trí giữa 2-3 trên vạch số, để cung cấp điện áp đốt tóc nung nóng catôt đèn M. Sau 3-5 phút dòng anôt I2 xuất hiện chỉ trên A2. Khi U2 có giá trị không đổi bằng 6V dòng anôt chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ catôt. Điều chỉnh U2 sao cho I2 đạt giá trị trong khoảng 0,8-1mA, khi đèn M ở trạng thái cân bằng nhiệt. Đọc và ghi giá trị của I2 vào bảng 1 Bƣớc 4: Vặn từ từ U1để tăng dần cƣờng độ dòng điện I (đo bằng A1) chạy qua ống dây D. Ghi các giá trị tƣơng ứng của I và I2 vào bảng 1 cho tới khi I=2,5A thì kết thúc phép đo . Bƣớc 5: Vặn ngay các núm xoay của nguồn U1 , U2 , U3 theo đúng thứ tự này về vị trí số 0. Sau đó bấm các khoá K1 , K2 , K3 để tắt máy. Bƣớc 6: Ghi các số liệu sau vào bảng 1: - Cấp chính xác và giá trị cực đại của vôn kế V, ampe kế A1, miliampe kế A2 - Hệ số α, số vòng dây n, khoảng cách d . VI. Kết quả thí nghiệm cần báo cáo Bảng 1 Vôn kế V: Um=….(V); δv=……… Ampekế A1: I1m=….(A); δ1A=……… Ampekế A2: I2m=….(A); δ2A=……… Số vòng dây: n = ………(v/m) Hệ số của ống dây D: α = ….. Khoảng cách anôt-lƣới: d = ……10-3(m) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 137 Hiệu điện thế giữa lƣới G và catôt K: U = 6V I(A) 0 0,1 0.2 ….. I2(mA) I(A) 1,0 … I2(mA I(A) … 2,5 I2(mA * Xác định điện tích riêng của electron - Vẽ đồ thị I2=f(I): xác định giá trị cƣờng độ dòng điện I1 - Tính sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối của e/m - Tính giá trị điện tích riêng (theo công thức 7) * So sánh giá trị đo đƣợc bằng thực nghiệm với lý thuyết Biết Xlt = 10 31 19 10.6,17 10.1,9 10.6,1    C/kg Tính độ lệch tỷ đối theo công thức: lt lt X XX   VII. Câu hỏi kiểm tra 1. Trong sơ đồ mạch điện thí nghiệm trên hình 1 tại sao phải mắc cực âm của A2 vào anôt và cực dƣơng của nó vào lƣới G của đèn manhêtôn? 2. Tại sao phải giữ giá trị của hiệu điện thế của nguồn điện U2 và U3 không thay đổi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm? 3. Nhận xét kết quả phép đo? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 138 BÀI 10: SỬ DỤNG DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN. KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU I. Mục đích thí nghiệm - Làm quen và sử dụng đồng hồ đa năng hiện số để đo hiệu điện thế và cƣờng độ dong điện trong các mạch điện một chiều và xoay chiều hoặc đo điện trở các vật dẫn. - Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim loại bằng cách vẽ đƣờng đặc trƣng vôn- ampe của bóng đèn dây tóc. - Khảo sát mạch điện RC và RL có dòng xoay chiều để kiểm chứng phƣơng pháp giản đồ vectơ Fresnel, đồng thời dựa vào định luật Ôm đối với dòng xoay chiều để xác định tổng trở, cảm kháng, dung kháng của các mạch điện. Từ đó xác định điện dung của tụ điện và hệ số tự cảm của cuộn dây dẫn. II. Câu hỏi định hƣớng 1. Phát biểu và viết biểu thức của định luật Ôm đối với dòng điện không đổi. 2. Nêu rõ mối quan hệ về tần số, pha và biên độ giữa cƣờng 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 Fresnel, thiết lập mối quan hệ vê ftần số, pha, biên độ giữa cƣờng 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 cƣờng độ dòng điện trong mạch RLC đạt cực đại? III. Cơ sở lý thuyết 1. Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ đa năng hiện số (hình 2.23) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 139 Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng việt hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị trƣớc đây, đƣợc dùng để đo hiệu điện thế và cƣờng độ dòng điện một chiều, xoay chiều, điện trở, điện dung của tụ điện…Nhờ một núm chuyển mạch thang đo, ta có thể chọn thang đo thích hợp với đại lƣợng cần đo. Các quy tắc nhất thiết phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số: - Không bao giờ đƣợc phép chuyển đổi thang đo khi đang có điện ở đầu đo - Không áp đặt điện áp, dòng điện vƣợt qua giá trị thang đo. Trƣờng hợp đại lƣợng đo chƣa biết thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện ra để chọn thang đo thích hợp. - Để đo cƣờng độ dòng điện nhỏ chạy trong đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM (lỗ chung) và lỗ A trên đồng hồ. Hai đầu chốt còn lại của dây đo đƣợc mắc nối tiếp với đoạn mạch. Chuyển mạch thang đo đƣợc vặn về các vị trí thuộc dải 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 bảovệ, nếu dòng điện đo vƣợt quá thang đo lập tức cầu chì bị tiêu cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngƣng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới đƣợc thay. Cầu chì cũng sẽ bị cháy nếu ta mắc ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế. - Để đo cƣờng độ dòng điện lớn 0-10A ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM và lỗ 10A hoặc 20A trên đồng hồ. Hai đầu chốtcòn lại của dây đo đƣợc mắc nối tiếp với đoạn mạch. Chuyển mạch chọn thang đo đƣợc vặn về vị trí DCA-10A để đo dòng 1 chiều, ACA-10A để đo dòng xoay chiều. Sau lỗ 10A hoặc 20A bên trong đồng hồ không có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản mạch thƣờng gây cháy nổ ở mạch điện ngoài hoặc ở nguồn điện. Tóm lại: chọn thang đo đúng và không nhầm lẫn khi thao tác đo thế và dòng là hai yếu tố quyết định bảo vệ an toàn cho đồng hồ. Hình 2.23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 140 - Để đo hiệu điện thế một chiều, xoay chiều hoặc đo điện trở , ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM và lỗ VΩ trên mặt đồng hồ. Hai đầu còn lại của dây đo đƣợc mắc song song với đoạn mạch.Chuyển mạch thang đo ợc vặn về các vị trí thuộc dải đo DCV để đo hiệu điện thế một chiều , ACV để đo hiệu điện thế xoay chiều và Ω để đo điện trở. 2. Khảo sát mạch điện một chiều Xét mạch điện gồm : nguồn điện một chiều Un cung cấp điện cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở R. Điện áp ra của nguồn điện Un có thể thay đổi đƣợc nhờ biến troẻ núm xoay P. Hiệu điện thế U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng vôn kế V và cƣờng độ dòng điện I chạy qua bóng đèn đo bằng ampe kế một chiều A. Theo định luật Ôm đối với dòng điện một chiều: R U I  (1) 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 đƣờng thẳng đi qua gốc toạ độ với hệ số góc : G R tg  1  (2) Trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch. Do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lƣợng nhiệt Q toả ra trên điện trở R trong thời gian  bằng: Q = R.I 2 .  (3) Lƣợng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm thay đổi điện trở của đoạn mạch. Vì dây tóc bóng đèn làm bằng Vonfram, nên điện trở R của nó thay đổi theo nhiệt độ t theo công thức : Rt = R0(1+α.t+β.t2) (4) Với Rt là điện trở ở t 0 C và R0 là điện trở ở 0 0C; α = 4,82.10-3K-1 và β = 6,76.10-7K-2 là các hệ số nhiệt của điện trở của Vonfram. Kết quả là đặc tuyến vôn- ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc có dạng đƣờng cong. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 141 Gọi Rp là điện trở của dây tóc bóng đènở nhiệt độ phòng tp. Khi đó từ (4) ta suy ra: 20 ..1 pp p tt R R    (5) Giả phƣơng trình 4 đối với t, cộng thêm 273K ta xác định đƣợc nhiệt độ tuyệt đối của dây tóc đèn:                 142 1 273 0 2 R R T t (6) Trong đó: Rp và Rt tính theo công thức (1) I là dòng điện một chiều chạy qua dây tóc đèn. Đ và U là hiệu điện thế tƣơng ứng giữa hai đầu dây tóc đèn. 3. Khảo sát mạch điện xoay chiều R-C (Hình 2.24) 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 RGiả sử dòng điện chạy trong mach ở thời điểm t có dạng : i =I0.sin2πf.t (7) Khi đó u=uR +uC (8) Vì uR cùn g pha với i, còn uC chậm pha π/2 so với i nên ta có thể viết U =U0R.sin2πf.t + U0Csin (2πf.t - 2  ) (9) Áp dụng giản đồ véctơ Fresnel hình 4 ta tìm đƣợc dạng của hiệu đện thế xoay chiều u: u = U0.sin(2πf.t + φ) (10) U R0 I 0  U C0 U 0 H×nh 2.25 R B V A A E C ~U C Hình 2.24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 142 với U0 = 2 0 2 0 CR UU  (11) CRfU U tg R C .2 1 0 0    (12) Thay U0R = I0R và U0C = I0ZC = Cf I .2 0  vào (11) ta có biểu thức : ZIZRIU C 0 22 00  (13) Với Cf ZC .2 1   là dung kháng của tụ điện Chia (13) cho 2 ta nhận đƣợc định luật Om đối với mạch điện xoay chiều R-C Z U I  Trong đó U, I là giá trị hiệu dụng và cƣờng độ dòng xoay chiều trong mạch R-C có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số. 4. 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 R Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong mạch ở thời điểm t có dạng: I=I0 sin 2πf.t (14) Khi đó u = uR+ur+uL (15) Vì uR và ur cùng pha với i còn uL nhanh pha π/2 so với i nên ta có thể viết: u= U0Rsin2πf.t + U0rsin 2πf.t +U0Lsin(2πf.t + 2  ) (16) Tƣơng tự áp dụng giảm đồ véctơ ta tìm đƣợc: Ur UR I U0L U0 UL Hình 2.27  A B L , r ~U A V C R E Hình 2.26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 143 u= U0sin(2πf.t + φ) (17) Với   20 2 000 LrR UUUU  (18) rR Lf UU U tg rR L     .2 00 0  (19) Thay U0R=I0R; U0r=I0.r và U0L=I0.2πf.L vào biểu thức (18) ta có:   ZIZrRIU L 0 22 00  (20) Với ZL=2πf.L là cảm kháng của cuộn dây Chia 2 vế của (20) cho 2 ta nhận đƣợc định luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều R-L: Z U I  Trong đó U, I là giá trị hiệu dụng và cƣờng độ dòng xoay chiều trong mạch R-Lcó thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số. IV. Dụng cụ thí nghiệm - 02 đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT9202 - 01 bóng đèn dây tóc 12V-3W - 01 mẫu điện trở Rx - 01 mẫu điện trở Cx - 01 mẫu cuộn cảm Lx - 01 bảng lắp ráp mạch điện - 06 dây dẫn nối mạch dài 60cm - 01 nguồn cung cấp điện 12V-3A/AC-DC V. Trình tự thí nghiệm 1. Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn điện 12V-3A (AC-DC POWER SUPPLY) Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC có thể cung cấp: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 144  Điện áp một chiều 0-12V đƣợc lấy ra từ hai cọc đầu 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 đầu dây phía phải.  Kiểm tra hoạt độn 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 đông thời quan sát vônkế V trên mặt bộ nguồn. Nếu kim chỉ thị của nó dịch chuyển đều đẳntên 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 dây tóc bóng đèn. Bƣớc 1: Mắc mạch điện trên bảng lắp ráp theo sơ đồ hình 2. Bộ nguồn điện 12V- 3A/AC-DC cung cấp điện áp một chiều biến đổi 0-12V cho bóng đèn dây tóc Đ(12V- 3W). Dùng đồng hồ đa năng hiện số làm vônkế một chiều V và amoe kế một chiều A. Bƣớc 2: Chọn thang đo cho đồng hồ - Vônkế V đặt ở thang đo một chiều DCV 20V. Lỗ V/Ω là cực dƣơng (+), lỗ COM là cực âm (-) của vônkế. Hai đầu còn lại nối vônkế song song với mạch điện. - Ampekế A đặt ở thang đo một chiều DCA 10A. Lỗ 20A là cực dƣơng (+) lỗ COM là cực âm (-) . Hai đầu dây còn lại để mắc ampe kế nối tiếp với mạch điện. Chú ý : mời giáo viên kiểm tra mạch trƣớc khi đóng điện. Bƣớc 3: Tiến hành đo Hình 2.28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 145 - Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn: đèn LED phát sáng - Bấm nút ON/OFF trên vônkế và ampekế cho chúng hoạt động. - Vặn từ từ núm xoay P của bộ nguồn để điều chỉnh hiệu điện thế U tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 10V . - Đọc và ghi giá trị I tƣơng ứng vào bảng 1 Bƣớc 4: Kết thúc phép đo: Vặn nhẹ núm xoay P về tận cùng bên trái. Bấm khoá K để tắt bộ nguồn. Bấm các nut ON/OFF trên hai đồng hồ để ngắt điện. 3. Xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc bóng đèn Bƣớc 1: Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện, vặn chuyển mạch thang đo về vị trí 200Ω dùng nó làm Ômkế để đo điện trở. Các cực V/Ω và COM của Ômkế đƣợc nối với hai đầu của bóng đèn Đ. Bƣớc 2: Bấm núm ON trên mặt Ômkế . Đọc và ghi giá trị điện trở dây tóc đèn vào bảng 1. Đọc và ghi giá trị nhiệt độ tp trên nhiệt kế 0-100 0C vào bảng 1. Bấm núm OFF để tắt điện cho Ômkế Bƣớc 3: Ghi các giá trị sau vào bảng: - Giá trị giới hạn - Độ nhạy - Cấp chính xác - n qui định đối với thang đo đã chọ trên vônkế V và ampekế A 4. Xác định điện dung của tụ điện trong mạch R-C Bƣớc 1: Mắc mạch điện - Mắc tụ điện C và điện trở R vào vào bảng điện nhƣ trên sơ đồ hình 3. - Điện áp xoay chiều ~ 12V đƣợc lấy ra từ hai lỗ ra xoay chiều ~ 12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 146 - Dùng hai đồng hồ đa năng làm vônkế và ampekế . Bƣớc 2: Chọn thang đo cho hai đồng hồ: - Vônkế V đặt ở thang đo xoay chiều ACV 20V mắc song song với các đoạn mạch cần đo. - Ampekế A đặt ở thang đo xoay chiều ACA 200mA. Hai dây đo cắm vào hai lỗ COM và A rồi mắc nối tiếp xen vào mạch giữa R và C bằng hai đầu chốt. Chú ý: Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trƣớc khi cấp điện cho mạch. Bƣớc 3: Tiến hành đo: - Bấm nút ON/OFF trên mặt vônkế và ampekế A - Bấm khoá K của bộ nguồn. - Đọc và ghi giá trị cƣờng độ dòng điện chỉ trên ampe kế A vào bảng 2 - Dùng vônkế V lần lƣợt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, UR giữa hai đầu điện trở thuần R và UC giữa hai đầu tụ điện C. - Đọc và ghi vào bảng 2. Bƣớc 4: Kết thúc phép đo - Bấm khoá K để tắt bộ nguồn - Bấm các nút ON/OFF trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng. Bƣớc 5: Ghi các giá trị sau vào bảng: - Giá trị giới hạn - Độ nhạy - Cấp chính xác - n qui định đối với thang đo đã chọ trên vônkế V và ampekế A 5. Xác định hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn trong mạch RL Bƣớc 1: Mắc mạch điện: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 147 - 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 5. - Điện áp xoay chiều ~ 12V đƣợc lấy ra từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện. - Dùng hai đồng hồ đa năng hiên số làm vônkế và ampekế xoay chiều. Bƣớc 2: Giữ nguyên vị trí thang đo của vôn kế xoay chiều của vônkế xoay chiều V và ampekế xoay chiều A nhƣ trong thí nghiệm khảo sát mạch RC nêu trên. Chú ý: mời giáo viên kiểm tra mạch điện trƣớc khi đóng mạch điện. Bƣớc 3: Tiến hành đo: - Bấm nút ON/OFF trên mặt vônkế và ampekế A - Bấm khoá K của bộ nguồn. - Đọc và ghi giá trị cƣờng độ dòng điện chỉ trên ampe kế A vào bảng 3 - Dùng vônkế V lần lƣợt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, UR giữa hai đầu điện trở thuần R và UL giữa hai đầu cuộn dây dẫn L - Đọc và ghi vào bảng 2. Bƣớc 4: Kết thúc phép đo - Bấm khoá K để tắt bộ nguồn - Bấm các nút ON/OFF trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng Bƣớc 5: Tháo vôn kế ra khỏi mạch điện - Chuyển mạch thang đo của nó về vị trí 200Ω hoặc 2K dùng nó làm ômkế để đo điện trở thuần r của cuộn dây. - Các cực V/Ω và COM của ômkế đƣợc nối với hai đầu của cuộn dây L. - Bấm nút ON trên mặt ômkế . Đọc giá trị điện trở r của cuộn dây và ghi vào bảng 3 - Bấm nút ON/OFF tắt điện cho ômkế Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 148 Bƣớc 6: Ghi các giá trị sau vào bảng: Giá trị giới hạn; Độ nhạy; Cấp chính xác; n qui định đối với thang đo đã chọn trên vônkế V, ampekế A và ômkế Ω VI. Kết quả thí nghiệm cần báo cáo Bảng 1: Đo đặc trƣng vôn-ampe của dây tóc bóng đèn Vôn kế V Um=……. α=……… δU=……… n=……… Ampekế A: Im=……….α=……… δI=……… n=……… tp=……( 0 C) Ômkế Rm=……α=……… δR=…… n=……… Rp=……..(Ω) U I U I U I U I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Bảng 2: Khảo sát mạch RC Vônkế V Um=……. α=……… δU=……… n=……… Ampekế A: Im=……….α=……… δI=……… n=……… I U UR UC Z R ZC C Bảng 3: Khảo sát mạch RL Ômkế Rm=…… α=……… δR=…… n=……… Rp=……..(Ω) I U UR UL Z R ZL L Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 149 Vẽ đƣờng đặc trƣng vonampe của dây tóc bóng đèn Tính toán kết quả VII. Câu hỏi kiểm tra 1. Trìng bày cách xác định điện dung C của tụ điện và hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn theo phƣơng pháp vôn-ampe đối với dòng xoay chiều. 2. Nói rõ cách xác định sai số tuyệt đối của cƣờng độ dòng điện và của hiệu điện thế đo trực tiếp trên các đồng hồ đa năng hiện số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên 150 PHỤ LỤC 3 MỘT SỐ HÌNH ẢNH SV THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ ĐẠI CƢƠNG SV đang tiến hành bài 4: Xác định tỷ số nhiệt dung phân tử Cp/Cv của chất khí Sv đang tiến hành bài 6: Khảo sát giao thoa qua khe Young bằng tia laser. Xác định bƣớc sóng ánh sáng Y