›
›

Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A1 - Đặng Diệp Minh Tân

pdf 50 trang Gia Huy 25/05/2022 1610
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A1 - Đặng Diệp Minh Tân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftai_lieu_giang_day_thuc_hanh_vat_ly_dai_cuong_a1_dang_diep_m.pdf

Nội dung text: Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A1 - Đặng Diệp Minh Tân

  1. Phụ lục 5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG A1 GV biên soạn: Đặng Diệp Minh Tân Trà Vinh, /201 Lƣu hành nội bộ
  2. Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A1.
  3. MỤC LỤC Nội dung Trang BÀI MỞ ĐẦU: 6 - Hiểu và sử dụng an toàn phòng thí nghiệm - Hiểu và tính toán được các thông số đo lường, các sai số. BÀI 1: Thực hành sử dụng thước Kẹp và Panme 13 BÀI 2: Xác định gia tốc trọng trường bằng con lắc toán học và con lắc thuận nghịch 20 BÀI 3: Đo gia tốc và hệ số ma sát của vật trên mặt phẳng nghiêng 29 BÀI 4: Xác định tỉ trọng của chất lỏng 34 BÀI 5: Xác định nhiệt dung riêng của vật rắn 41 BÀI 6: Nhiệt nóng chảy của nước đá 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A1.
  4. PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH A. AN TOÀN PHÒNG THÍ NGHIỆM Nội quy phòng thí nghiệm được đề ra để đảm bảo an toàn cho tất cả mọi người khi làm việc. Sinh viên cần được giáo dục để nhận thức được tầm quan trọng của nội qui này. Mỗi sinh viên cần phải nắm vững những nội qui này trước khi bắt đầu các bài thực hành của mình trong phòng thí nghiệm và có lịch làm việc cụ thể. Sinh viên cần phải chuẩn bị trước bài thực tập thông qua việc đọc tài liệu trước ở nhà. Nhờ vậy, có thể biết trước những việc phải làm, những dụng cụ, những thiết bị sẽ cần dùng. Đồng thời, phải nắm vững nguyên lý làm việc của từng thiết bị, dụng cụ để sử dụng đúng cách. (Sự chuẩn bị này sẽ đƣợc kiểm tra thông qua sổ tay thực hành của sinh viên). */* Khi làm việc trong phòng thí nghiệm, sinh viên: 1. Không đƣợc ăn uống, hút thuốc trong phòng thí nghiệm. 2. Không đƣợc chạy nhảy, đùa nghịch hoặc sử dụng dụng cụ thí nghiệm sai mục đích. 3. Nếu làm đổ, vỡ bất kỳ vật gì trong phòng thí nghiệm thì phải thông báo ngay cho giáo viên phụ trách và có trách nhiệm thu dọn hiện trường. 4. Giáo trình thực tập, sách vở cần phải gọn gàng, đúng chỗ tránh xa hóa chất, bếp lửa. 5. Sau khi kết thúc thí nghiệm, sinh viên phải có trách nhiệm dọn vệ sinh nơi mình làm việc và phân công lẫn nhau để dọn vệ sinh những nơi dùng chung và toàn phòng thí nghiệm. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 1
  5. B. GHI CHÉP THỰC TẬP Mục đích của ghi chép là để chuyển những kết quả của thí nghiệm tới người khác, nhờ vậy mà những người này có cơ hội thể lặp lại thí nghiệm hoặc sử dụng những kinh nghiệm đã đạt được. Có rất nhiều loại ghi chép khác nhau, mỗi loại phục vụ cho mục tiêu riêng. 1. Sổ ghi chép thực tập - Ghi những thông tin ngắn gọn, tối thiểu về bài thực hành. Kết quả của từng thí nghiệm phải luôn được lưu lại trong khi thao tác, thực hành. 2. Báo cáo thực tập (chi tiết) - Miêu tả chi tiết thí nghiệm và cả cơ sở khoa học của thí nghiệm 3. Báo cáo thực tập (ngắn gọn) - Chỉ viết những vấn đề quan trọng và kết quả thí nghiệm. 4. Báo cáo bằng lời - Sinh viên thảo luận với nhau về nội dung bài thực hành và đề nghị giáo viên giải đáp những thắc mắc nảy sinh trong khi làm thí nghiệm. Những tóm tắt, tổng kết rút ra từ thí nghiệm được trình bày trên giấy khổ lớn (bé nhất là khổ A3) và được treo trên tường. Sinh viên thường sử dụng cách này để tiến hành thảo luận trên lớp. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 2
  6. C. SỔ THEO DÕI THỰC TẬP */* Mục đích chính của sổ theo dõi là: 1. Ghi vào trong sổ theo dõi thực tập quá trình chuẩn bị thí nghiệm cũng như các thao tác, các bước tiến hành thí nghiệm. Sự thông thạo các bước tiến hành hoặc sự tuân thủ lịch trình sẽ giúp ta kiểm soát được các thí nghiệm hoặc thực nghiệm. 2. Sự đăng kí hay sắp xếp tốt các bước tiến hành và quan trắc cẩn thận sẽ giúp ích trong việc làm báo cáo. Chúng ta không thể nhớ hết các việc đã làm để viết báo cáo nếu chúng ta không ghi vào sổ theo dõi. Cần phải chú ý nhiều hơn đến các thao tác và các sự quan trắc không được đề cập trong sách hướng dẫn. 3. Sổ theo dõi là phương tiện giao tiếp tốt nhất. Những điều ghi trong sổ theo dõi cần phải rõ ràng để mọi người đều có thể đọc được. Cần phải để ý đến sổ theo dõi. Sau mỗi buổi thực tập nên kiểm tra lại sổ để xem mọi điều ghi được đã rõ ràng chưa. 4. Các hƣớng dẫn - Cần phải có nội dung tốt. - Cần phải đánh số tất cả các trang. - Cần phải dùng bút bi để viết, không dùng bút chì. - Số liệu ghi được là số liệu thô, nghĩa là các số liệu chưa được tính toán. - Các số liệu phải rõ ràng để có thể đọc được. - Luôn ghi số liệu ở trang bên phải. - Trang bên trái còn lại dùng để mô tả số liệu. - Cần phải trình bày báo cáo theo đúng qui định. - Luôn ghi thời gian, ngày thực hiện thí nghiệm. - Luôn ghi số thứ tự, tên bài thí nghiệm. - Ghi chú tất cả những ngoại lệ. - Ghi lại tất cả những thiết bị đã sử dụng (tên, số hiệu, loại, công suất .). - Ghi lại ngày kiểm tra thiết bị gần nhất. - Ghi lại mã số của tất cả hóa chất đã sử dụng. - Ghi lại các biện pháp an toàn đã áp dụng. Tất cả những nội dung trên đều cần phải ghi vào sổ theo dõi nếu như có thể. Mỗi sinh viên đều phải có sổ theo dõi thí nghiệm riêng của mình ngay cả khi họ cùng làm trong một nhóm. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 3
  7. D. VIẾT TƢỜNG TRÌNH THỰC TẬP Viết là một trong những hình thức trao đổi thông tin quan trọng đối với mọi ngành khoa học. Để viết một cách khoa học trước tiên chúng ta phải lập ra một dàn ý chung cho toàn bài, để đảm bảo không quên một nội dung nào và toàn bộ công việc. Trong thí nghiệm, toàn bộ số liệu phải được ghi trong sổ theo dõi thực tập. Tường trình thực tập phải chứa đủ tất cả các thông tin liên quan đến bài thực hành. Nó phải được viết sao cho: 1. Người đọc thu nhận được thông tin nhanh và rõ ràng. 2. Những người quan tâm có thể lặp lại thí nghiệm từ những thông tin thu dược kể trên. Ngày nay, tường trình thực tập thường được viết trên máy tính. Ưu điểm của báo cáo khi viết trên máy tính là: + Rõ ràng, sạch sẽ. + Có thể thay đổi dễ dàng + Đồ thị, bảng biểu rõ ràng, đẹp. Không phải tất cả các chi tiết của từng thí nghiệm điều phải đưa vào tường trình thực tập mà tùy thuộc vào từng bài cụ thể, có thể chọn lọc thông tin để thu được bản tường trình tốt. Thông thường, các thông tin chi tiết được viết trong tường trình thực tập như sau: 1. Tên bài làm thí nghiệm. 2. Các thông tin về bản thân người viết tường trình: họ và tên, khóa, lớp, ngày, tháng, năm, 3. Tóm tắt, miêu tả thí nghiệm và kết quả (nếu là báo cáo tóm tắt). 4. Mở đầu: Giới thiệu môn học, mục đích của thí nghiệm, vấn đề mà thí nghiệm sẽ giải quyết, cách tiến hành. 5. Lý thuyết: miêu tả ngắn gọn cơ sở lí thuyết của thí nghiệm. 6. Phương pháp tiến hành và vật liệu nghiên cứu: miêu tả những nguyên vật liệu thí nghiệm sử dụng, phương pháp tiến hành. Chủ yếu tên và số thứ tự bài cũng được nhắc tới. Ngoài ra, mọi sự thay đổi trong khi thực hiện cũng được ghi chép. 7. Kết quả: đây là phần quan trọng nhất của báo cáo. Tất cả các số liệu cần được viết ngắn gọn, rõ ràng và khoa học (bảng số liệu, vẽ đồ thị, ). 8. Thảo luận và kết luận: Giải thích kết quả đạt được, kết luận và đề nghị cũng nêu ở phần này. 9. Tài liệu tham khảo: danh mục sách và các thông tin thu được từ các nguồn khác như tạp chí, băng đĩa, mạng điện tử 10. Sinh viên có thể viết tường trình theo mẫu sau: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 4
  8. Lớp: BẢNG PHÚC TRÌNH Nhóm: .; Tổ: Họ tên: Bài: 1. MSSV Ngày thực hành: 2. MSSV 3. MSSV 4 MSSV . I- MỤC ĐÍCH II- TRẢ LỜI CÂU HỎI LÝ THUYẾT 1. 2. 3. III- KẾT QUẢ THỰC HÀNH Bảng 1: Bảng 2: Bảng 3: (chú ý: nếu trong các bảng có yêu cầu tính độ ngờ ( ) của đại lượng nào thì phải trình bày cách tính đại diện của đại lượng đó). Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 5
  9. BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Giúp sinh viên hiểu một cách tổng quát về các tiến trình thực hiện khi học thực hành. - Cũng cố lại kiến thức và phân biệt các đại lượng đo trực tiếp, gián tiếp, cách đo lường các đại lượng trong quá trình thực hành. - Biết cách tính giá trị trung bình, vẽ đồ thị, tính toán các sai số và trình bày kết quả thực hành trong quá trình thí nghiệm. * Mục đích của học môn thực hành Vật lý đại cƣơng: - Giúp sinh viên củng cố, hiểu sâu hơn về phần lý thuyết Vật lý đã được học. - Biết cách đo lường, tính toán các sai số trong quá trình ghi nhận các kết quả thí nghiệm. - Rèn luyện cho sinh viên các kỹ năng về thực hành, thí nghiệm; các đức tính: chịu khó, kiên trì, nhẫn nại, trung thực, thẫm mỹ I. ĐO LƢỜNG Đo lường là một thao tác quan trọng trong thực hành Vật lý. Ta phân thành 2 loại như sau: 1. Đại lƣợng đo lƣờng trực tiếp Là so sánh trực tiếp đại lượng cần đo với đại lượng cùng loại được chọn làm đơn vị. Thí dụ: + Đo chiều dài + Cân khối lượng 2. Đại lƣợng đo lƣờng gián tiếp Là tính toán đại lượng không thể so sánh trực tiếp được theo các đại lượng đã biết thông qua các công thức của các định luật, định lý Vật lý. Thí dụ: + Tính khối lượng riêng: ρ = m /V + Tính tốc độ: v = S / t. II. VẤN ĐỀ SAI SỐ 1. Khái niệm về sai số Sai số là khoảng sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực của một đại lượng đo nào đó. 1.1. Sai số tuyệt đối Gọi: a: là giá trị thực của một đại lƣợng. a’: là giá trị đo đƣợc. Thì sai số tuyệt đối được định nghĩa là: da = |a’- a| Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 6
  10. Sai số tuyệt đối không phản ảnh được độ chính xác của phép đo 1.2. Sai số tƣơng đối Là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực của một đại lượng: da a' a = a a Sai số tương đối càng nhỏ thì phép đo càng chính xác. 2. Phân loại các sai số theo nguyên nhân làm sai số 2.1. Sai số hệ thống Là sai số gây ra do thiếu sót của dụng cụ đo. Giá trị đo được luôn xảy ra theo một chiều (hoặc a’ > a, hoặc a’ < a, khi lặp lại phép do nhiều lần) Để tránh sai số hệ thống, cần tiến hành kiểm tra cẩn thận dụng cụ đo. 2.2. Sai số ngẫu nhiên Là sai số xảy ra theo nhiều nguyên nhân một cách ngẫu nhiên: - Do chủ quan người đo như: đọc kết quả không đúng quy cách, ghi kết quả sai - Do sự thay đổi ngẫu nhiên của hiện tượng. Chẳn hạn, khi đo các đại lượng phụ thuộc vào thời tiết, sự ổn định của dòng điện ở nguồn - Do sự thay đổi ngẫu nhiên của dụng cụ. Chẳn hạn, dùng các thước khác nhau để đo một chiều dài, dùng các nhiệt kế khác nhau để đo một nhiệt độ Ta không thể khử được hoàn toàn sai số ngẫu nhiên mà chỉ có thể làm giảm bớt bằng cách đo nhiều lần. - Trong bài thực hành ta chỉ chú ý đến sai số ngẫu nhiên. 3. Giá trị trung bình 3.1. Đối với phép đo trực tiếp Để xác định giá trị trung bình, ta thực hiện phép đo nhiều, sau đó tính trung bình cộng của tất cả các giá trị đo được. Gọi: a1, a2, , an là giá trị của n lần đo đại lượng a. Ta có giá trị trung bình của a là: n a a a a  i a = 1 2 n i 1 n n - Trong bài thực hành, do thời gian có hạn, nên ta chỉ thực hiện một phép đo từ 3 đến 5 lần. 3.2. Đối với phép đo gián tiếp Dựa vào công thức và tính theo giá trị trung bình của các đại lượng khác. Thí dụ: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 7
  11. a b a b x x c c 4. Độ ngờ (ký hiệu: ) - Qua việc phân loại sai số, ta thấy khi đo một đại lượng (trực tiếp hay gián tiếp) thì luôn phạm phải một sai số. Ta gọi chung sai số có thể phạm phải là độ ngờ: 4.1. Độ ngờ của phép đo trực tiếp Giả sử ta đo đại lượng a, để tính độ ngờ, ta thực hiện như sau: - Tính gia trị trung bình ( a ) của các lần đo. - Xác định giá trị biên: Gọi: amin: là giá trị nhỏ nhất trong các giá trị đo được. amax: là giá trị lớn nhất trong các giá trị đo được. amax, amin: được gọi là giá trị biên. 4.1.1. Tính độ ngờ tuyệt đối ( a) Nếu | - amin | > | - amax | thì: a = | - | Nếu | - | < | - amax | thì: a = | - | 4.1.2. Tính độ ngờ tương đối a Là tỷ số: a 4.2. Độ ngờ của phép đo gián tiếp 4.2.1. Tính độ ngờ tuyệt đối của phép đo gián tiếp Ta thực hiện theo qui tắc sau đây: + Qui tắc 1 a. Lấy vi phân toàn phần cong thức tính đại lượng đó. b. Thay ký hiệu vi phân (d) bằng ký hiệu độ ngờ ( ). c. Đổi các dấu (-) đứng trứơc các độ ngờ ( ) thành dấu (+). d. Thay gia trị của các đại lượng thành giá trị trung bình. Thí dụ 1: cho x = a + b – c Tính độ ngờ x: a. Lấy vi phân: dx = da + db - dc b. Thay kí hiệu vào: x = a + b - c c. Đổi dấu: x = a + b + c Kết quả độ ngờ: x = a + b + c Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 8
  12. Thí dụ 2: cho: V = R2h Tính độ ngờ V: a. Lấy vi phân: dV = 2 R dR h + R2 dh b. Thay ký hiệu vào: V = 2 R R h + R2 h c. Thay giá trị trung bình: V = 2 R R h + R2 h Kết quả độ ngờ: V = 2 R + h 4.4.2. Tính độ ngờ tương đối của phép đo gián tiếp. Ta thực hiện theo qui tắc sau đây: + Qui tắc 2 a. Lấy logarit nêpe (Ln) công thức tính đại lượng đó. b. Lấy vi phân kết quả vừa thu được. c. Thay ký hiệu vi phân (d) bằng ký hiệu độ ngờ ( ). d. Đổi các dấu (-) đứng trước các độ ngờ ( ) thành dấu (+). e. Thay giá trị của các đại lượng thành giá trị trung bình. l + Thí dụ: Tính độ ngờ tương đối của đại lượng sau: g 4 2 T 2 l a. Lấy Ln: ln g ln 4 2 T 2 ln g ln 4 2 ln l ln T 2 b. Lấy vi phân: dg d 4 2 dl dT dg dl dT 2 2 g 4 2 l T g l T c. Thay ký hiệu vi phân (d) bằng ký hiệu độ ngờ ( ): g l T 2 g l T d. Đổi các dấu (-) đứng trước các độ ngờ ( ) thành dấu (+): g l T 2 g l T e. Thay giá trị của các đại lượng thành giá trị trung bình. g l T 2 g l T */* Chú ý: Trong trường hợp tính độ ngờ tuyệt đối của phép đo gián tiếp mà có công thức phức tạp (thường có dạng là một phân thức), ta dùng qui tắc 2 tính độ ngờ tương đối trước, sau đó suy ra độ ngờ tuyệt đối. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 9
  13. l T Thí dụ: từ kết quả trên ta suy ra được: g g 2 l T 5. Trình bày giá trị đo đƣợc Gọi a là giá trị thực của một đại lượng cần xác định: Ta có: a a a Điều này có nghĩa là: a a a a a (a là một dãy số không phải a chỉ có hai giá trị). */*Chú ý: Trong thực hành, ta lấy kết quả như sau: - Với a: ta chỉ trình bày với 1 chữ số có nghĩa. Thí dụ: tính toán được a = 0,0233 thì ta lấy: a = 0.02 - Với a : ta lấy số lẻ cùng với a. Thí dụ: tính toán được = 11,5873 (với a = 0,02) thì ta lấy = 11,59. Ghi kết quả là: a =11,59 0.02 III. PHƢƠNG PHÁP VẼ ĐỒ THỊ 1. Công dụng của đồ thị Vật Lý a. Khảo sát mối liên hệ giữa các đại lượng vật lý. b. Nghiệm lại các định luật đã biết. Thí dụ: về sự giãn đẳng nhiệt của khí: PV = const. c. Nội suy hoặc ngoại suy những giá trị chưa biết. Thí dụ: từ đồ thị y y1 = y2 y y 1 2 x Ta sẽ xác định giá trị của x khi: y1 = y2 2. Phƣơng pháp vẽ đồ thị Vật Lý Thực hiện theo các bước sau: - Bƣớc 1: Lập bảng biến thiên các đại lượng phải khảo sát Giả sử là y biến thiên theo x: và: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 10
  14. - Độ ngờ của mỗi giá trị xi là x: xi = xi x do đó xi sẽ dao động trong khoảng 2 x. - Độ ngờ của mỗi giá trị yi là y: yi = yi y do đó yi sẽ dao động trong khoảng 2 y. - Bƣớc 2: Vẽ hệ trục tọa độ. Chia tỷ lệ xích thích hợp. - Bƣớc 3: Biểu diễn các cặp giá trị trong bảng biến thiên lên đồ thị: + Mỗi cặp giá trị thành một chấm trên đồ thị + Mỗi chấm trên đồ thị sẽ nằm trong một hình chữ nhật có 2 cạnh là 2 x và 2 y (hình 1). Hình chữ nhật này được gọi là ô sai số + Nối các chấm lại, ta được đường biểu diễn y theo x. Ở đây, chú ý: đường biểu diễn chỉ cần đi qua phạm vi ô sai số là được, không bắt buột phải đi qua điểm chấm (Nếu có 1 chấm nào lệch quá các chấm khác làm đường biểu diễn gãy khúc thì phải xác định lại cặp giá trị này). Hình 1 + Nếu x, y quá nhỏ với tỷ lệ đã chia trên trục x, y thì ô sai số chỉ còn 1 chấm (hình 2). Hình 2 + Nếu x quá nhỏ với tỷ lệ đã chia trên trục x thì ô sai số chỉ còn 1 cạnh 2 y (hình 2) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 11
  15. MỘT SỐ VẤN ĐỀ BỔ SUNG 1. Sai số dụng cụ đo (độ chính xác của dụng cụ) Là khoảng chia nhỏ nhất trên dụng cụ. Thí dụ: - Thước dài chia đến mm thì có sai số dụng cụ là 1 mm - Nhiệt kế chia đến từng độ thì có sai số dụng cụ là vạch chia độ (tương ứng 1oC) */* Lƣu ý: Nếu ta có thể chia thêm khoảng chia nhỏ nhất trên dụng cụ, ra những khoảng nhỏ hơn nữa, thì sai số dụng cụ sẽ được tính theo khoảng chia nhỏ thêm này. 2. Bổ sung phần tính độ ngờ trong phép đo trực tiếp - Nếu đại lượng chỉ đo được 1 lần (thí dụ: nhiệt độ, ) thì độ ngờ của phép đo là sai số dụng cụ (nhiệt kế, ) - Nếu đại lượng đo nhiều lần được cùng một giá trị thì độ ngờ của phép đo là sai số dụng cụ. 3. Lấy số lẻ khi tính giá trị trung bình trong phép đo trực tiếp Lấy theo độ chính xác của dụng cụ: Thí dụ: - Nếu dùng cân có độ chính xác là 0,1g thì khi tính giá trị trung bình (theo đơn vị gam), ta lấy 1 số lẻ thập phân. - Nếu dùng thước có độ chính xác là 1mm thì khi tính giá trị trung bình (theo đơn vị mm), ta không lấy số lẻ thập phân. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 12
  16. BÀI 1: SỬ DỤNG THƢỚC KẸP, PANME  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Giúp sinh viên nắm vững các nguyên tắc cấu tạo du xích của thước kẹp, Panme. - Biết cách sử dụng thước kẹp, Panme để đo kích thước của một số vật nặng bằng những động tác nhẹ nhàng và chính xác. I. Những cơ sở để làm bài thực hành: 1. Sử dụng thƣớc kẹp Ốc khóa C Thước L1 Ốc D Thước L2 Hàm A Hàm B Hình 1.1.1 1.1. Mô tả dụng cụ và cách sử dụng - Thước kẹp có hai hàm A và B (Hình 1.1.1). Hàm A (đứng yên) gắn liền với thước thường L1. Hàm B chuyển động dọc theo chiều dài của thước L1. Gắn liền với B có một thước nhỏ L2 gọi là du xích. - Thước L1 chia đều mm và đánh số từng cm một (1, 2, 3, cm). Khi hai hàm khít nhau, vạch 0 của L1 trùng với vạch 0 của L2 (du xích). - Khi hàm A và hàm B cách nhau một khoảng là d thì khoảng ấy có chiều dài tính từ điểm 0 của L1 đến điểm 0 của L2 (Hình 1.1.2). - Muốn đo kích thước của một vật ta đặt vật đó giữa hàm A và B và khe đẩy của hàm B sát vào vật. Lúc ấy ốc D (Hình 1.1.2) được mở lỏng. Để đảm bảo hai hàm A và B kẹp chặt vật mà không làm biến dạng vật, ta cho hàm B tiến khít đến vật một cách nhẹ nhàng như trước tức là vật đã bị kẹp chặt giữa hai hàm A và B. Khi muốn lấy vật ra khỏi hàm A và B ta lại trượt ốc D ngược chiều với trước để kéo hàm B ra xa vật. - Để đọc kích thước đo bằng thước kẹp ta phải nắm được nguyên tắc cấu tạo du xích của thước kẹp. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 13
  17. A d B C Ốc DD 5 6 7 Hình 1.1.2 1. 2. Nguyên tắc cấu tạo du xích Trên thước L1 lấy một đoạn dài a mm chia làm b khoảng, mỗi khoảng dài a/b mm. Trên du xích L2 lấy một đoạn dài (a - 1) mm cũng chia làm b khoảng, mỗi khoảng dài (a - 1)/b mm. Vậy mỗi khoảng của du xích ngắn hơn mỗi khoảng của thước thường là: a a 1 1 mm mm mm b b b  = 1/b mm là đại lượng đặc trưng cho du xích. Dựa vào giá trị của mà ta phân loại các du xích: - Du xích 1/50 mm tức có  = 1/50 mm. - Du xích 1/20 mm tức có = 1/20 mm. - Du xích 1/10 mm tức có = 1/10 mm. Trong bài thực hành ta dùng du xích 1/50 mm. Cấu tạo của du xích này như sau: - Trên thước thường ta lấy một đoạn dài a = 50 mm chia làm b = 50 khoảng. Mỗi khoảng dài: a/b= 1mm - Trên du xích lấy một đoạn dài (a -1) = 49 mm cũng chia làm b = 50 khoảng. Vậy, một khoảng của du xích ngắn hơn một khoảng của thước thường là: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 14
  18. 50 49 1 mm mm mm 0.02mm ( 1/ 50 0.02mm) 50 50 50 Vậy: - Mỗi một khoảng chia trên du xích sẽ ngắn hơn 1 khoảng chia trên thước thường là: 0.02mm - Mỗi n khoảng chia trên du xích sẽ ngắn hơn n khoảng chia trên thước thường là:  n. n.0.02mm Chú ý: Tùy vào giá trị của  trên thƣớc mà khoảng chia trên du xích sẽ khác nhau. */* Thí dụ 1: Giả sử từ 0 đến 1 trên du xích là một khoảng chia, số 5 của du xích trùng với số 5 của thước thường (n = 5); nên 5 khoảng của du xích sẽ ngắn hơn:  n. 5 0,02mm 0,10mm ; với  0,02mm Ta có khoảng cách giữa vạch số 0 trên thước thường và vạch số 0 trên du xích là: d a  0 0,10 0,10mm ; với phần nguyên a = 0 */* Thí dụ 2: Theo hình 1.1.3 (giả sử từ 0 đến 1 là một khoảng chia), số 5 của du xích trùng với số 15 của thước thường (kể từ số 10, ta có n = 5) nên 5 khoảng cách của du xích sẽ ngắn hơn. 0 10 11 12 13 14 15 L1 Thước thường 0 1 2 3 4 5 L2 a Du xích  Vạch trùng d Hình 1.1.3  n. 5 0.05mm 0.25mm; với  0,05mm Ta có, khoảng cách giữa vạch số 0 trên thước thường và vạch số 0 trên du xích là: d = a +  = 10 + 0.25 = 10,25 mm 1. 3. Cách đọc kết quả Đối với thước kẹp dùng trong phòng thực hành người ta đã chia sẵn nên ta có cách đọc kết quả khi đo kích thước của vật là: - Phần mm (phần nguyên a) đọc trên thước thường: vạch ở phía trái và gần vạch số 0 của du xích nhất. - Phần thập phân (  ) đọc trên du xích: vạch trùng với một vạch trên thước thường. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 15
  19. 2. Sử dụng thƣớc Panme: Hình 1.2.1 2. 1. Mô tả dụng cụ và cách sử dụng Panme - Panme có hai thanh A và B (Hình 1.2.1 và Hình 1.2.2). Thanh A (cố định) là một thanh trụ tròn và ngắn, gắn liền với một đai sắt hình chữ U. Thanh B (di động) là một thanh trụ dài hơn nhiều so với thanh A, nhưng có tiết diện ngang cũng bằng thanh A. Thanh B gắn liền với một hệ thống hình trống C, D và E. - Khi ta xoay hệ thống hình trống nói trên, thì thanh B cũng xoay đồng thời cả hệ thống hình trống lẫn thanh B lại di chuyển dọc theo trục của chúng. - Trên trục G cố định có một thước dài L1 chia vạch thành từng 0.5 mm, (các vạch ở phía trên tương ứng với các giá trị số nguyên 1, 2, 3, 4 mm, các vạch ở phía dưới là 0.5; 1.5; 2.5 mm). C E A B D L1 5 0 L2 45 Hình 1.2.2 a 30 Hình 1.2.2 b - Trên cổ hình trống C, có một thước vòng L2 chia thành 50 khoảng. - Khi hai đầu thanh A và B khít nhau thì mép hình trống C trùng với vạch số 0 của thước dài L1, đồng thời đường dọc của thước dọc L1 cũng trùng với số 0 của Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 16
  20. thước vòng L2. - Khi hai đầu thanh A và B cách nhau một khoảng là d thì khoảng ấy bằng chiều dài từ vạch số 0 của thước dài L1 đến mép của hình trống C - Muốn đo kích thước của một vật, ta đặt vật đó vào giữa thanh A và B, lúc đầu ta vặn hình trống D để di chuyển thanh B cho nhanh. - Khi thanh B đã gần chạm vào vật để đảm bảo hai đầu thanh A và B kẹp chặt vật mà không làm vật bị biến dạng, ta không vặn hình trống D nữa mà chuyển sang vặn hình trống E. - Khi đã chặt, mặc dù hình trống E vẫn xoay nhưng thanh B không tiếp tục di chuyển nữa. Để sử dụng, ta phải nắm được nguyên tắc cấu tạo thước vòng Panme. 2.2. Nguyên tắc cấu tạo thƣớc vòng Panme - Khi quay hình trống C một vòng thì đầu thanh B di chuyển được một đoạn h (mm) gọi là bước di chuyển của thanh B. Trên cổ hình trống C người ta kẻ một thước vòng L2 bằng cách chia cổ hình trống thành q khoảng cách bằng nhau. - Như vậy khi hình trống C quay được q khoảng cách thì đầu thanh B di chuyển được một đoạn là h (mm). Do đó, khi hình trống C quay được một khoảng chia thì đầu thanh B di chuyển được một đoạn là:  h / q(mm)  h / q(mm) là đại lượng đặc trưng cho Panme, nó cho ta biết mức chính xác của phép đo kích thước bằng panme. - Trong bài thực hành, ta dùng Panme có bước di chuyển h = 0.5 mm và số khoảng chia q = 50, vậy:  h/q 0.5/50 0.01mm. - Nghĩa là Panme này có thể đo kích thước của vật tới mức chính xác là 0.01 mm (1% mm). - Trên cổ hình trống C ứng với 50 khoảng cách chia thì có 50 vạch đánh số từ 5 vạch một từ: 0, 5, 10, 15, đến 45 (vạch số 50 trùng với vạch số 0). Những vạch này tạo thành thước vòng như L2 đã nói trên. - Khi hình trống C quay được n khoảng chia (tức n vạch), thì đầu thanh B đã di chuyển được một đoạn là:  n. n.0.01mm 2.3. Cách đọc kết quả - Như đã nói trên, muốn đo vật, ta kẹp chặt giữa hai thành A và B. Khoảng cách giữa hai thành A và B (là kích thước của vật) bằng khoảng cách d giữa vạch số 0 của thước dài L1 và mép hình trống C. */* Thí dụ: theo hình 2.2b ta có: d = 3,5 mm +  Trong đó: + 3,5 mm: là phần nữa nguyên tính từ vạch số 0 trên L1 đến vạch gần mép hình trống C nhất về phía bên trái của C (ở đây là vạch 3,5) +  : là khoảng cách từ vạch 3,5 mm trên L1 đến mép hình trống C. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 17
  21. - Để tính  , ta tìm trên thước vòng L2 vạch nào trùng với đường kẻ dọc của thước L1, giả sử vạch số 30 của thước vòng L2 trùng với đường kẻ dọc trên L1, (điều đó có nghĩa là kể từ vạch 3,5 trên L1, hình trống C đã quay 30 khoảng cách chia): Ta có:  n. 30.0,01mm 0,3mm Vậy khoảng cách đo được là: d = 3.5 mm + 0.3 mm = 3.8 mm Từ thí dụ trên, ta suy ra cách đọc kết quả đo kích thước của vật như sau: - Kết quả đọc trên thƣớc dài L1 (tính theo mm): căn cứ vào vạch ở phía trái và gần mép trống C nhất (có thể là vạch bên trên hoặc bên dưới của đường kẻ dọc) - Kết quả đọc trên thƣớc vòng L2 (tính theo mm): căn cứ vào vạch của thước vòng trùng với đường kẻ dọc của thước dài L1. - Kết quả của phép đo là tổng của hai kết quả trên. II. THỰC HÀNH 1. Thực hành với thƣớc kẹp 1.1 Hiệu chỉnh số 0 - Nếu hai hàm A và B khít nhau, mà số 0 trên du xích nằm ở bên phải của số 0 trên thước thường, thì kích thước của vật bằng kết quả đo được, trừ đi khoảng cách S0 giữa hai số 0. - Nếu hai hàm A và B khít nhau, mà số 0 của du xích nằm bên trái số 0 của thước thường thì kết quả đo được phải cộng thêm khoảng cách S0 giữa hai số 0. Chú ý: Sinh viên ghi giá trị hiệu chỉnh ở ngoài và tự hiệu chỉnh khi đo. 1.2. Thực hành đo - Đo đường kính trong (d1), đường kính ngoài (d2) của một hình trụ rỗng. Mỗi đường kính đo 3 lần. Ghi giá trị vào bảng 1 Bảng 1 Kích thước cần đo Đo lần 1 Đo lần 2 Đo lần 3 d d d = d d Đ/K trong d1 (mm) Đ/K ngoài d2 (mm) 2. Thực hành với thƣớc Panme 2.1. Hiệu chính số 0 - Nếu hai đầu thanh A và B khít nhau nhưng vạch số 0 trên thước vòng L2 chƣa tới đường của thước dài L1 thì tính khoảng sai lệch (S0) này và kết quả đọc được trong sử dụng pame phải trừ đi khoảng sai lệch (S0) tính được. - Nếu hai đầu thanh A và B khít nhau nhưng vạch số 0 trên thước vòng L2 đi qua đường kẻ dọc của thước dài L1 thì tính khoảng sai lệch (S0) này và kết quả đọc được trong sử sụng pame phải cộng thêm khoảng sai lệch (S0) tính được. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 18
  22. */*Chú ý: Sinh viên ghi giá trị hiệu chỉnh ở ngoài và tự hiệu chỉnh khi đo. 2.2. Thực hành - Bƣớc 1: Đo đường kính (d) của một que kim loại. Đo 3 lần. Ghi kết quả và lập bảng 1 Bảng 1 Phép đo Đo lần 1 Đo lần 2 Đo lần 3 d d d d d Đ/K que kim loại (mm) - Bƣớc 2: Đo đường kính (d) của một viên bi. Đo 3 lần ghi kết quả và lập bảng 2. Bảng 2 Phép đo Đo lần 1 Đo lần 2 Đo lần 3 Đ/K viên bi (mm)  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Trình bày nguyên tắc cấu tạo du xích của thước Kẹp có du xích là  1/ 50 0.02mmvà  1/ 20 0.05mm. 2. Hãy trình bày nguyên tắc cấu tạo của du xích của thước Panme có sai số là 0,01mm. 3. Đối với thước Kẹp, để xác định kích thước của vật khi tính phần thập phân nếu như có hơn 2 vạch của du xích và thước thường trùng nhau thì ta lấy vạch nào. 4. Hai thước kẹp có sai số lần lượt là 0,02 và 0,05. Hãy cho biết thước nào có độ chính xác lớn hơn? 5. Hãy cho biết trên du xích khoảng cách từ 0 – 1 được chia làm mấy khoảng chia (các thước kẹp của phòng thí nghiệm). 6. Hãy cho biết tại sao khi hiệu chỉnh số 0 đối với thước kẹp, nếu số 0 trên du xích nằm ở bên phải số 0 trên thước thường thì ta phải trừ đi khoảng sai lệch còn nằm ở bên trái thì phải cộng thêm khoảng sai lệch đó? 7. Hãy cho biết tại sao khi hiệu chỉnh số 0 đối với thước Panme, nếu số 0 trên thước vòng L2 chưa tới đường kẻ dọc của thước dài L1 thì ta phải trừ đi khoảng sai lệch còn đi qua thì phải cộng thêm khoảng sai lệch đó? 8. Đối với thước Panme tại sao khi thanh B gần chạm vào vật để đảm bảo hai thanh A và B đã tiếp xúc với vật ta không vặn hình trống D tiếp mà chuyển sang vặn hình trống E. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 19
  23. BÀI 2: XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƢỜNG BẰNG CON LẮC TOÁN HỌC VÀ CON LẮC THUẬN NGHỊCH  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Đo gia tốc trọng trường bằng con lắc toán học, con lắc vật lý; rèn luyện kỹ năng thực hành thí nghiệm, rèn luyện đức tính của người làm công tác nghiên cứu khoa học. I. NHỮNG CƠ SỞ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Con lắc toán học (con lắc đơn) - Xét con lắc toán học có độ dài  , treo một quả cầu nhỏ có khối lượng m. Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng 1 góc nhỏ α (Hình 2.1). Con lắc dao động theo dạng dao động điều hòa, phương trình dao động của con lắc là: x Asin(t ) Với: x - li độ dao động A - biên độ dao động l ω - tần số góc φ - pha ban đầu dao động - Tần số góc của con lắc được tính bởi m biểu thức: P=m.g g  Hình 2.1 l  - Chu kỳ dao động là: T 2 g l - Từ đó, ta tính được gia tốc trọng trường g : g 4 2 T 2 2. Con lắc Vật lý (con lắc thuận nghịch) - Con lắc thuận nghịch là một vận rắn có khối lượng m, có thể dao động quanh một trong hai trục nằm ngang O1 và O2 trục nằm trên cùng một đường thẳng đi qua trọng tâm G của con lắc, sao cho chu kì dao động của con lắc đối với hai trục O1 và O2 là như nhau (Hình 2.2). 2.1. Phƣơng trình dao động của con lắc Vật lý - Vị trí cân bằng của con lắc trùng với phương thẳng đứng của đường thẳng Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 20
  24. O1GO2. Khi kéo con lắc khỏi vị trí cân bằng một góc nhỏ φ thì thành phần P của t trọng lực P mg tác dụng lên con lắc một mômen trọng lực có giá trị như sau: M1 = - Pt.d1.sin = - m.g.d1.sin (1) (dấu “ – ” biểu thị con lắc luôn có tác dụng làm quay về vị trí cân bằng ). - Với d là khoảng cách từ O1 đến trọng tâm G của con lắc, d1=O1G - Ta có: phương trình cơ bản của vật rắn quay quanh một trục cố định O1 là: M1 = I1.  2 2 hay M1 = I1.d /dt (2) Với: + I1: Momen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua O1 +  = d2 /dt2: gia tốc góc của chuyển động quay. Hình 2.2 Từ (1) và (2) suy ra: 2 2 I1.d /dt = - m.g.d1.sin 2 d mgd1 2 sin 0 dt I1 Nếu góc nhỏ ta có : sin 2 d mgd1 2 0 (3) dt I1 2 Đặt  1 mgd1 / I1 2 d  2 0 dt 2 Nghiệm của phương trình có dạng: Acos(1 t 0 ) (4) (Đây là phương trình dao động của con lắc Vật lí) Vậy: với góc nhỏ, chuyển động của con lắc là một dao động điều hòa có: */* Chu kì dao động và tần số góc theo chiều thuận của con lắc là: - Tần số góc  1: mgd1  1 I1 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 21
  25. 2 I1 - Chu kỳ T : T1 2 (5)  1 mgd1 Nếu đảo ngược con lắc, rồi cho nó dao động quanh điểm O2 và tính toán tương tự thì ta cũng tìm được: */* Chu kì dao động và tần số góc của con lắc theo chiều nghịch như sau: - Tần số góc  1: mgd2  2 I 2 - Chu kỳ T: 2 I 2 T2 2 (6)  2 mgd2 Với: d2 là khoảng cách từ trục quay O2 đến tâm G của con lắc. I2: Momen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua O2 2.2. Tính các đại lƣợng momen quán tính - Gọi IG là momen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua trọng tâm G. Áp dụng định lí Huyghens-Steiner ta có momen quán tính của con lắc đối với các trục quay O1( chiều thuận) và O2 (chiều nghịch) như sau: 2 - I1 IG md 1 (7) 2 - I1 IG md 1 (8) Từ các phương trình (5), (6), (7), (8) ta suy ra: 2 2 2 2 2 T1 .I1.g T2 .I2.g 4 (I1 I2 ) 2 4 (I1 I 2 )(I1 I 2 ) => g 2 2 (9) T1 .I1 T2 .I 2. Trong trường hợp, nếu ta chọn giá trị thích hợp I1 và I2 sao cho chu kì dao động: T T T , đồng thời đặt Lr = d1+ d2 là khoảng cách giữa hai điểm O1 và O2 1 2 thì gia tốc trọng trường g sẽ được tính là: 4 2 L g r (10): đây là công thức xác định gia tốc trọng trường g T 2 Lr còn được gọi là độ dài rút rọn của con lắc. Tính theo momen quán tính thì độ dài rút gọn của con lắc có công thức: IG Lr d1 (11) m.d1 Suy ra chu kì T1 ứng với trục quay O1 tính theo momen quán tính là: 2 2 IG md1 T1 2 (12)  1 mgd1 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 22
  26. - Rõ ràng là chu kì của con lắc Vật lí phụ thuộc vào khối lượng, khác với con lắc toán học, mặc khác độ dài rút gọn Lr của con lắc Vật lí luôn lớn hơn khoảng cách d giữa khối tâm và trục quay. - Nếu điểm treo của con lắc thay đổi từ O1 thành O2 thì chu kì dao động của con lắc sẽ không đổi vì theo công thức (12) ta suy ra được khoảng cách từ trọng tâm đến điểm treo mới O2 là d2 sẽ bằng: d2 Lr d1 thế vào công thức (12) ta sẽ tính được chu kì ở điểm O2 là: 2 I m (L d )2 T 2 G r 1 2  mg(L d ) 2 r 1 I (L d ) I (L d ) 2 G r 1 2 G r 1 mg(Lr d1) g mg(Lr d1) g Thế Lr theo công thức (11) vào ta có: I I d I T 2 G G 2 1 G 2 I mgd g mgd mg. G 1 1 md1 2 IG md1 2 T1 mgd1 Do đó, một con lắc Vật lí thuận- nghịch có điểm treo O1 chu kì T1 sẽ có chu kì như con lắc điểm treo O2 chu kì T2 ( T1 = T2 ) 3. So sánh con lắc Vật lý với con lắc Toán Học Xét con lắc toán học có độ dài  , ta có chu kỳ dao động là:  T 2 g Ta thấy, nếu = I/md thì con lắc Vật Lý giống như con lắc toán học. Đặt: Lr = I/md: gọi là chiều dài rút gọn của con lắc Vật Lý. Khi này, biểu thức chu kỳ của con lắc Vật Lý được viết lại là: L T 2 r (13) g */* Lưu ý: Lr được gọi là độ dài rút gọn ứng với trục quay qua điểm O. Nếu trục quay đi điểm khác trên con lắc, ta sẽ có độ dài rút gọn khác. Một cách tổng quát ứng với mỗi trục quay O, tương ứng một độ dài rút gọn Lrj với chu kỳ Tj 4. Xét tính thuận nghịch của con lắc - Con lắc thuận nghịch là con lắc Vật Lý có thể dao động quanh các trục ở hai bên khối tâm G, có vị trí khác nhau của trục dao động ở 2 bên khối tâm của con lắc để cho nó dao động với cùng chu kỳ theo công thức (11) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 23
  27. - Chu kì theo chiều thuận và chiều nghịch của con lắc khi thay đổi độ dài rút gọn sẽ có dạng như hình 2.3. T (s) 1, 38 1, 36 T1 1, 34 1, 32 T2 1, 30 40 42 46 48 L (cm) r Hình44 2.3 - Vị trí cắt nhau sẽ cho ta biết chính xác giá trị chu kì T, độ dài rút gọn và gia tốc trọng trường cần tìm (hình vẽ chỉ có tính chất minh họa, khi thực hành, sẽ có giá trị sai số, khác với giá trị trên đồ thị). II - THỰC HÀNH 1. Con lắc đơn 1. 1. Mô tả dụng cụ - (Hình 2.4) - Giá đỡ có chân đế. - Quả cầu nhỏ bằng kim loại. - Dây không dãn và thước. - Máy đo thời gian và nguồn DC với độ chính xác là: t 0.01s . 1. 2. Các bƣớc tiến hành - Dùng dây treo quả cầu vào giá đỡ tạo thành con lắc đơn. - Đo độ dài của con lắc. - Đặt bộ phận cảm quang của máy đo thời gian sao cho khi quả nặng đi qua vị trí cân bằng thì nó chắn tia sáng của cổng báo, đèn báo màu đỏ của cổng báo sáng. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 24
  28. Hình 2.4 - Bật máy đo thời gian, chọn giai đếm (count), cho con lắc dao động ổn định rồi bấm RESET nhiều lần, sau đo chuyển sang giai đo chu kì, mỗi lần như vậy, ta đo được chu kỳ dao động T của con lắc trên máy. l - Tính được gia tốc trọng trường g theo công thức: g = 4 2 T 2 - Kết quả đo điền vào bảng 1. Bảng 1 Đại lượng đo Lần 1 Lần 2 Lần 3 g g g = g g l (m) T (s) g Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 25
  29. 2. Con lắc thuận nghịch Hình 2.5 1. Dụng cụ - Con lắc thuận nghịch. - Máy đo thời gian và nguồn DC với độ chính xác là: t 0.01s . - Hai ốc vặn ứng với hai trục O1 và O2 - 1 thước dài chia đến mm. - 1 giá đỡ làm trục dao động (Hình 2.5) 2. Các bƣớc thực hành - Trong thí nghiệm này, hai điểm trục O1 và O2 đặt cách nhau một khoảng L. Lưu ý rằng, con lắc là thanh thép hình trụ đồng chất, nên trọng tâm G của con lắc chính là trung điểm của thanh và ta sẽ cho trục O1 cách đầu thanh từ 7cm -10cm, giữ cố định trục O1 khi làm thí nghiệm - Bƣớc 1: Xác định khoảng chiều dài của thanh và chiều dài giữa 2 điểm O1 và O2 theo số liệu của bảng 2 - Bƣớc 2: Kéo nhẹ con lắc ra khỏi vị trí cân bằng 1 góc φ (φ <10o), rồi thả cho con lắc dao động nhẹ nhàng - Bƣớc 3: Bật máy đo thời gian, chọn giai đếm (count), cho con lắc dao động Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 26
  30. ổn định rồi bấm RESET. Ta cho máy đo bắt đầu đếm từ 15lần, chu kì dao động của con lắc. Tới khi giai đếm chỉ số 16, ta dừng lại. Sau đó chuyển sang giai đo chu kì, mỗi lần như vậy, ta đo được chu kỳ dao động T1 của con lắc trên máy. - Bƣớc 4: Đảo ngược lại con lắc, với điểm trục của ốc vặn bến dưới lúc này thành trục O2, tiến hành thí nghiệm như bước 3. - Bƣớc 5: Đọc và ghi lại kết quả vào bảng sau: (Bảng 2) Bảng 2 Khoảng cách Điểm treo O1 Điểm treo O2 giữa 2 trục O1 chu kì T1 (s) chu kì T2 (s) và O2 Lr (cm) Lần Lần Lần T1 T1 Lần Lần Lần T2 T2 1 2 3 1 2 3 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 - Bƣớc 6: Vẽ đồ thị của T1 và T2 theo sự thay đổi của chiều dài rút rọn Lr. Nhận xét và tìm điểm cắt nhau của 2 đồ thị. - Bƣớc 7: Từ điểm cắt nhau, xác định xem ứng với chu kì nào và chiều dài rút rọn của con lắc. Tính gia tốc trọng trường g theo công thức (13) g =T2 Lr (m) g g g g Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 27
  31.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Phát biểu khái niệm chu kỳ dao động? 2. Trình bài cách xác định chu kì dao động của con lắc toán học. l 3. Tìm công thức tính độ ngờ g , từ công thức: g = 4 2 T 2 4. Tại sao không đo một chu kì dao động mà phải đo nhiều lần và giai đếm phải lớn (đếm trên 15 chẳng hạn)? 5. Tại sao phải đo chu kì dao động của con lắc với góc lệch nhỏ φ (φ <10o)? 6. Hãy cho biết độ chính xác của máy đo thời gian. 7. Tại sao ta không thấy tia sáng của cổng báo? 8. Trình bài cách xác định chu kì dao động của con lắc thuận nghịch, so sánh nó với con lắc toán học 9. Hãy cho biết đặc tính của dây dùng để treo quả lắc. 10. Hãy cho biết những chú ý khi treo con lắc để cho máy đếm thời gian có thể đếm được số lượt di chuyển của con lắc một cách chính xác? Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 28
  32. BÀI 3: ĐO GIA TỐC & HỆ SỐ MA SÁT CỦA VẬT TRÊN MẶT PHẲNG NGHIÊNG  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Giúp sinh viên củng cố và hiểu sâu hơn kiến thức về cơ học như về phương trình chuyển động, định luật II NewTon. - Biết cách sử dụng các dụng cụ, thiết bị và tính toán: đo độ dài, chiều cao, máy đếm thời gian, thay đổi độ nghiêng của mặt phẳng nghiêng - Xác định bằng thực nghiệm về gia tốc và hệ số ma sát trượt giữa các vật, với các vật liệu khác nhau chuyển động trên mặt phẳng nghiêng. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Cơ sở lý thuyết. Căn cứ vào sự chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng, khi nâng mặt phẳng nghiêng đến 1 góc nào đó, thì vật chuyển động trượt xuống nhanh dần a đều với gia tốc . 1.1. Xác định gia tốc Vì vật trượt không vận tốc đầu, nhanh dần đều Ta sẽ xác định được gia tốc theo phương trình: a.t 2 S (1) 2 Với: S: chiều dài của mp nghiêng (xác định bằng phép đo trực tiếp). t: thời gian vật trượt (xác định bằng phép đo trực tiếp trên đồng hồ hiện số, chính xác đến mili giây). Từ đó, suy ra tính gia tốc thông qua công thức: 2S a (2) t 2 1.2. Xác định hệ số ma sát trƣợt Y N Fms O X sin cos P Hình 3.1 Theo hình 1, các lực tác dụng vào vật gồm: P , N , Fms Theo định luật II NewTon: P N Fms ma (3) Chọn hệ trục tọa độ OXY như hình vẽ, chiều dương là chiều chuyển động của vật. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 29
  33. Ta có: OX: mgsin - Fms = ma (4) OY: N = mgcos (5) Và: Fms =  N ( hệ số ma sát trượt). (6) - Từ (4), (5), (6). Ta tính được gia tốc: a g sin  cos (7) - Suy ra, hệ số ma sát trượt: g sin a a  tan (8) g cos g cos - Xác định được góc (bằng thước đo) và gia tốc a (bằng CT (2)). Ta xác định được (Lấy g 9,8 m/ s2 ). 2. Mô hình thí nghiệm Công tắc hành trình 1 Khóa K Mp nghiêng có dán thước đo Giá đỡ 2 Bộ đếm thời gian Dây nối Đinh điện Ốc Vật trượt Giá đỡ 1 Công tắc Hình 3.2 hành trình 2 Hình 3.2 là mô hình thiết kế, bao gồm các dụng cụ như sau: - Mặt phẳng nghiêng có dán thướt đo chính xác đến mm. - Bộ đếm thời gian (chính xác đến mili giây) - 2 công tắc hành trình, để điều khiển máy đếm thời gian. - 1 khóa K, điều khiển cho vật trượt. - Đinh ốc vặn điều khiển thay đổi độ nghiêng của mp nghiêng - 2 giá đỡ, giữ cho sự ổn định của mặt phẳng nghiêng - 4 sợi dây nối điện. - Các vật trượt bằng nhôm, gỗ II. THỰC HÀNH 1. Chuẩn bị thí nghiệm. - Cung cấp điện cho bộ đếm thời gian. - Xem lại các dây nối dẫn điện - Hai vật trượt: gỗ và nhôm. 2. Tiến hành thí nghiệm. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 30
  34. 2.1. Tìm góc nghiêng 0 lúc vật bắt đầu trƣợt - Đặt vật trượt (bằng Nhôm) trên đỉnh của mặt phẳng nghiêng - Mở khóa K - Nâng từ từ mp nghiêng cho đến khi vật bắt đầu trượt thì dừng mp nghiêng lại - Đo chiều cao, chiều dài suy ra góc - Lập bảng giá trị 1 về hệ số ma sát nghỉ của Nhôm với Nhôm Bảng 1 Lần thí S (m) h (m) h tg nghiêm 01 S 01 01 01 01 01 1 2 3 Tương tự, thay đổi vật liệu bằng Gỗ- Lập bảng 2 Bảng 2 Lần thí S (m) S 02 h (m) h tg nghiêm 02 02 02 02 02 1 2 3 2.2. Tìm hệ số ma sát trƣợt k1 giữa nhôm và nhôm - Nâng từ từ mp nghiêng đến một vị trí thích hợp nào đó bằng cách điều chỉnh ốc và giá đỡ 1 để thay đổi góc nghiêng của mặt phẳng, khi đó ta có góc 0 . - Điều chỉnh máy đếm thời gian: (Hình 3.3) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 31
  35. Hình 3.3 Ấn nút Function: chọn đèn ở chế độ ms. Ấn nút Reset: Màn hình hiển thị giá trị 0.000. Ấn nút Start: Bắt đầu đếm thời gian. - Bật khóa K để cho vật trượt xuống cho đến cuối dốc của mặt phẳng nghiêng. - Khi vật bắt đầu trượt xuống, thì khóa K đập vào công tắc hành trình 1, một xung điện xuất hiện, kích hoạt vào máy đếm thời gian. Máy bắt đầu đếm. - Khi vật chuyển động đến cuối mặt phẳng nghiêng, vật chạm vào công tắt hành trình 2, một xung xuất hiện, kích hoạt vào máy đếm thời gian. Máy tự động ngừng lại. (Hình 3.4) Hình 3.4 - Lập lại thao tác 3 lần trở lên để tìm độ chính xác của thời gian đo. Xác định các đại lƣợng cần tính. h1 - Xác định được góc 1 bằng công thức: tg 1 . S1 - Xác định được thời gian t1 (từ máy đo thời gian), suy ra tính gia tốc từ CT2. - Có được gia tốc và góc 1 ta suy ra hệ số ma sát 1 từ CT8. Bảng 3 a Lần thí 2S1 2 1 a (m/s ) 1 tan 1 nghiệm S1 (m) T1 (s) 1 2 a1 a1 g cos t1 1 1 2 3 2.3. Tìm hệ số ma sát trƣợt k2 giữa gỗ và nhôm Tượng tự như mục 2.2 thay vật nhôm thành gỗ, ghi kết quả vào bảng 4 Bảng 4 a Lần thí 2S2 2 2 a (m/s ) 2 tan 2 nghiệm S2 (m) T2 (s) 2 2 a2 a2 g cos 2 t2 2 1 2 3 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 32
  36.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Lực ma sát trượt phụ thuộc vào những yếu tố nào và không phụ thuộc vào yếu tố nào? 2. Hãy nêu ra các nguyên nhân sai số có thể có của thí nghiệm và cách khắc phục. 2S 3. Tính a từ công thức a 2 . t 4. So sánh độ lớn của hệ số ma sát nghỉ, ma sát trượt và ma sát lăn. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 33
  37. BÀI 4: ĐO TỈ TRỌNG CỦA CHẤT LỎNG  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Làm nổi bậc sự liên hệ giữa lý thuyết và thực tiễn thông qua xây dựng phép đo, tiến hành đo; làm quen với một số dụng cụ đo vật lý; rèn luyện cho sinh viên kỹ năng thực hành. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Định nghĩa và công thức về tỉ trọng chất lỏng và tỉ trọng của vật rắn - Tỉ trọng của chất lỏng hay của vật rắn là tỉ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng hay vật rắn với khối lượng riêng của nước. - Nói cách khác, tỉ trọng của chất lỏng hay của vật rắn là tỉ số giữa khối lượng của vật rắn với khối lượng riêng của nước có cùng thể tích, ở cùng áp suất và nhiệt độ. Nếu ta gọi: r: là tỉ trọng chất lỏng (chất rắn) : là khối lượng riêng của chất lỏng (chất rắn) d: là khối lượng riêng của nước. Ta có: .V m r (1) d d.V m Với m .V là khối lượng chất lỏng có thể tích V. m .V là khối lượng của nước cũng có thể tích V (chất lỏng và nước có cùng thể tích như nhau). Từ công thức (1) ta thấy muốn tìm r, thì phải biết được m và m . 2. Cân Roberval - Muốn xác định khối lượng của chất lỏng, chất rắn và khối lượng của nước có cùng thể tích đúng ta phải dùng cân thủy tĩnh. Vì không có cân thủy tĩnh nên ta dùng cân Roberval thay thế. (Xem hình 4.1) Đĩa B Đĩa C Hình 4.1 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 34
  38. - Bộ phận chính của cân Roberval là đòn cân A. Ở giữa đòn cân có gắn dao hình lăng trụ tam giác. - Ở giữa đòn cân có gắn một que kim E và một bảng chia G để xác định sự cân bằng của cân. Hai đầu đòn cân có gắn hai đĩa cân (qui ước: đĩa cân trái người thực hành là đĩa B, đĩa kia là C) 3. Các phép cân đo Để xác định khối lượng của chất lỏng, chất rắn và nước, ta thực hiện các phép cân như sau: */* Chú ý : Trước khi cân vật, cần phải xác định vị trí cân bằng khi cân không tải. Tức xác định xem kim E dao động quanh điểm nào trên bảng G. Và đưa con chạy của cân về vị trí 0. 3.1. Đo tỉ trọng của chất lỏng bằng phƣơng pháp 1 (tính trực tiếp lực đẩy Archiméde) 3.1.1. Phép cân 1 - Đặt quả cân 500g làm bì trên đĩa cân B. Trên đĩa cân C đặt các quả cân m1. - Treo quả kim loại M vào đĩa cân C (nhờ Giáo viên chỉ mốc treo) - Gọi: Q: Khối lượng của quả cân dùng làm bì. M: Khối lượng của quả kim loại. m1 : Khối lượng của các quả cân đặt trên đĩa cân C g: Gia tốc trọng trường. - Khi cân cân bằng, ta có biểu thức sau: Q.g M.g m1.g (2) 3.1.2. Phép cân 2 - Treo quả kim loại cho ngập vào trong cốc đựng chất lỏng cần xác định tỉ trọng. Lúc này, quả kim loại chịu tác dụng của lực đẩy Archiméde của chất lỏng từ dưới lên. - Bên đĩa cân B ta giữ nguyên quả cân dùng làm bì, ta tiến hành cân tương tự phép cân 1 cho đến khi kim E dao động ở vị trí cân bằng - Gọi: F: là lực đẩy Archiméde của chất lỏng lên quả kim loại. m2 : khối lượng của quả cân ở trên đĩa cân C trong phép cân lần thứ 2. - Khi cân cân bằng, ta có biểu thức sau: Q.g M.g m2.g F (3) 3.1.3 Phép cân 3 - Treo quả kim loại cho ngập vào trong cốc đựng nước. Cũng như trường hợp, trên quả kim loại chịu tác dụng của lực đẩy Archiméde của nước từ dưới lên. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 35
  39. - Trên đĩa cân B ta giữ nguyên quả cân làm bì, ta tiến hành cân tương tự phép cân 1 cho đến khi kim E dao động ở vị trí cân bằng. Gọi: F : là lực đẩy Archiméde của nước lên quả kim loại. m3 : khối lượng của các quả cân ở trên đĩa cân C - Khi cân cân bằng, ta có biểu thức sau: Q.g. M.g m3.g F (4) - Từ 3 phép cân trên, ta lần lượt tính được các đại lượng sau: + So sánh (2) và (3) ta suy ra lực đẩy Archiméde của chất lỏng là: F m2 m1 .g (5) + So sánh (2) và (4) ta suy ra lực đẩy Archiméde của nước là: F m3 m1 .g (6) - Mặt khác, ta biết rằng: lực đẩy Archiméde của chất lưu đối với vật được nhúng chìm trong nó thì bằng trọng lượng của phần chất lưu của vật chiếm chổ. Nghĩa là: F m.g (7) F m .g (8) Với: m : khối lượng chất lỏng có thể tích bằng thể tích V của quả kim loại m : khối lượng nước có thể tích bằng thể tích V của quả kim loại + So sánh (7) với (5); (8) với (6), ta có: m m2 m1 m m3 m1 - Theo công thức (1), ta có công thức tỉ trọng chất lỏng là : m m m r 2 1 (9) m m3 m1 - Công thức (9) cho phép tính tỉ trọng biểu kiến của chất lỏng. Biểu kiến vì trong đó chưa hiệu chỉnh lực đẩy Archiméde của không khí. Nếu ta để ý đến yếu tố này sẽ tính được : m m e e r 2 1 . 1 m3 m1 d d - Trong điều kiện phòng thí nghiệm, ta không hiệu chỉnh lực đẩy Archiméde của không khí vì cân Roberval có độ nhạy 0,1g. Do đó sai số dụng cụ trong trường hợp này lớn hơn phần hiệu chỉnh Archiméde của không khí nằm trong sai số của phép đo. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 36
  40. 3.2. Đo tỉ trọng của chất lỏng bằng phƣơng pháp 2 Thực hiện phương pháp cân lặp như sau: 3.2.1. Phép cân 1 - Đặt bì trên đĩa trái, lọ không và các quả cân m1 bên đĩa phải sao cho có cân bằng. Ta có: Bì = lọ + m1 (10) (Chú ý: ta có thể lấy quả cân 500 g làm bì) 3.2.2. Phép cân 2 - Giữ nguyên bì, lấy lọ ra và đổ chất lỏng vào lọ sao cho chất lỏng dâng lên đến vạch 200 ml của lọ thủy tinh trong phòng thí nghiệm. - Sau đó, đặt lọ vào đĩa cân và thay các quả cân m1 bởi các quả cân m2 để có cân bằng. Ta có: Bì = lọ + chất lỏng (M) + m2 (11) 3.2.3. Phép cân 3 - Giữ nguyên bì, thay lọ chất lỏng bằng lọ nước, chú ý cho nước vào lọ bằng đúng 200 ml của lọ như phép cân 2. - Sau đó, đặt lọ nước vào đĩa cân và thay các quả cân m2 bởi các quả cân m3 để có cân bằng. Ta có: Bì = lọ + nước (M’) + m3 (12) - Từ (10), (11), (12). Ta rút ra các giá trị của M (của chất lỏng) và M’ của nước. M = m1 – m2 M’ = m1 – m3 - Từ đó, suy ra tỷ trọng x của chất lỏng: M m1 m2 r ' (13) M m1 m3 3.3. Đo tỷ trọng của chất rắn - Ta cũng thực hiện 3 lần cân bằng: 3.3.1. Phép cân 1 - Đặt bì trên đĩa trái, trên đĩa phải ta đặt lọ nước (nước ở vạch 200 ml) và các quả cân m3 để có cân bằng. Ta có Bì = lọ + nước (M’) + m3 (14) Ta có thể sử dụng kết quả của công thức (11). 3.3.2. Phép cân 2 - Giữ nguyên bì và lọ nước trên đĩa cân, ta thêm vật rắn vào đĩa cân chứa lọ nước và sử dụng các quả cân m4 để có cân bằng. Ta có: Bì = lọ + nước (M’) + vật rắn M + m4 (15) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 37
  41. (Chú ý: Sử dụng tối đa vật rắn do phòng cung cấp nếu có thể được). 3.3.3. Phép cân 3 - Giữ nguyên bì, lấy lọ nước và vật rắn ra khỏi đĩa cân. Sau đó, ta bỏ vật rắn vào trong lọ, nước sẽ dâng lên. - Khi đó, ta đổ nước trong lọ ra bên ngoài, sao cho mực nước vẫn ở vạch 200 ml, xong đặt trở lại đĩa cân và thay đổi quả cân để có cân bằng. Bì = lọ + Vật rắn M trong lọ + nước – Khối lượng M’’ của một thể tích nước đổ ra bằng thể tích vật + m5 (16) Từ (14), (15), (16), ta rút ra: M = m3 – m4 M’’= m5 – m4 - Suy ra, tỷ trọng y của vật rắn: M m3 m4 y '' (17) M m5 m4 III. THỰC HÀNH 1. Dụng cụ thí nghiệm - Gồm một cân Roberval. - Một hộp cân. - Một cốc đựng chất lỏng cần tính tỉ trọng. - Một cốc đựng nước. - Một quả kim loại có móc. 2. Thực hiện các phép cân 2.1. Đo tỉ trọng chất lỏng bằng phƣơng pháp 1 - Bƣớc 1: Sử dụng quả cân 500g làm bì trên đĩa cân B. Lần lượt thực hiện theo thứ tự 3 phép cân nêu trên, mỗi phép cân, ta cân 3 lần. Ghi các kết quả vào bảng 1. Bảng 1 Khối lượng Lần 1 Lần 2 Lần 3 m m m m m các quả cân m1 g m2 g m3 g - Bƣớc 2 : Dựa vào công thức (9) tính giá trị trung bình của tỉ trọng r và sai số r . Lập bảng 2 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 38
  42. Bảng 2 m m r r r r r 2 1 m3 m1 2.2. Đo tỉ trọng chất lỏng bằng phƣơng pháp 2 - Bƣớc 1 : Sử dụng quả cân 500g làm bì trên đĩa cân B. Lần lượt thực hiện theo thứ tự 3 phép cân trên, mỗi phép cân, ta cân 3 lần. Ghi các kết quả vào bảng 3. Bảng 3 Khối lượng Lần 1 Lần 2 Lần 3 m m m m m các quả cân m1 g m2 g m3 g - Bƣớc 2 : Dựa vào công thức (9) tính giá trị trung bình của tỉ trọng r và sai số r . Lập bảng 4 Bảng 4 2.3. Đo tỉ trọng của vật rắn M - Bƣớc 1 : Sử dụng quả cân 500g làm bì trên đĩa cân B. Lần lượt thực hiện theo thứ tự 3 phép cân trên, mỗi phép cân, ta cân 3 lần. Ghi các kết quả vào bảng 5. Bảng 5 Khối lượng Lần 1 Lần 2 Lần 3 các quả cân m3 g m4 g m5 g - Bƣớc 2 : Dựa vào công thức (9) tính giá trị trung bình của tỉ trọng và sai số . Lập bảng 6 Bảng 6 M m3 m4 y y y y y '' M m5 m4 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 39
  43.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Lập công thức định nghĩa tỉ trọng của chất lỏng. 2. Từ công thức (9) và (13) tính độ ngờ r . 3. Tại sao khi thực hiện thí nghiệm ta nên sử dụng quả cân 500g làm bì mà không dùng các quả cân nhỏ hơn. 4. Với dụng cụ của bài thực hành, hãy trình bày cách xác định thể tích của quả kim loại treo dưới đĩa cân C. 5. Hãy cho biết độ chính xác của cân Roberval sử dụng trong thí nghiệm là bao nhiêu? 6. Trình bày các bước chuẩn bị cân Roberval trước khi thực hành. 7. Với dụng cụ là lọ thủy tinh của bài thực hành trong phòng thí nghiệm. Ta có thể chọn mức nước lớn hơn hay nhỏ hơn 200ml được không? Tại sao? 8. Từ kết quả của thí nghiệm ta có nhận xét gì về khối lượng riêng của chất lỏng và nước? 9. Hãy cho biết khi nào mới sử dụng đến thước phụ của cân Roberval. 10. Khi thực hiện phép cân 2 và 3 người thực hiện thí nghiệm cần chú ý những gì để không xãy ra sai số? (tại sao thực hiện phép cân này quả kim loại phải ngập hoàn toàn vào trong nước) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 40
  44. BÀI 5: XÁC ĐỊNH NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA VẬT RẮN  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Giúp sinh viên hiểu được khái niệm về nhiệt dung riêng và vận dụng để xác định được phương pháp xác định nhiệt dung riêng của vật rắn. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Nguyên tắc Nhiệt dung riêng của một chất là một đại lượng vât lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng chất đó để làm tăng nhiệt độ lên 1 độ bách phân. Giả sử vật rắn có khối lượng M, nhiệt độ T, nhiệt dung riêng x Cho vật rắn vào nhiệt lượng kế (có que khuấy) chứa nước ở nhiệt độ T1 Gọi: m1: khối lượng của nhệt lượng kế và que khuấy. C1 = 0,22 cal/gđộ: nhiệt dung riêng của chất làm nhiệt lượng kế và que khuấy. m2: Khối lượng nước chứa trong nhiệt lượng kế. Nếu T > T1 thì vật rắn tỏa ra năng lượng Q và nhiệt độ vật giảm từ T xuống T2 (nhiệt độ cân bằng của hệ). Q1 = M (T– T2) Đồng thời nhiệt lượng kế que khuấy và nước nhận số nhiệt lượng ấy để tăng nhiệt độ từ T1 đến T2. Q2 = (m1C1 + m2C2).(T2 – T1) Khi hệ cô lập đạt trạng thái cân bằng nhiệt: Q1 = Q2 m C m C T T  x 1 1 2 2 2 1 (*) M T T2 2. Thiết bị thí nghiệm Nhiệt kế Đũa khuấy Nắp đậy Nƣớc đá Bình thủy Hình 5.1 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 41
  45. - Một nhiệt lượng kế dùng đựng nước và que khuấy (hình 5.1). - Một bình nhôm có 2 lớp vỏ A và B (hình 5.2). Đỗ nước vào giữa 2 lớp vỏ đến gần đầy. Mặt đáy vỏ trong A nghiêng và có ống G nghiêng, thông ra ngoài. Đầu ống G nghiêng có một nấp đậy có thể mở được bằng cách kéo lên cao. - Một nhiệt kế hiện số, chia tới 0,1độ để đo nhiệt độ của nước trong nhiệt lượng kế. Một nhiệt kế dài chia tới một độ để đo nhiệt độ của vật rắn. - Một bếp điện để đun. - Một cân Roberval và hộp quả cân. Nhiệt kế B A Nắp Hình 5.2 G Bếp đun và bình 2 vỏ II. Thực hành: - Đỗ nước vào giữa 2 lớp vỏ (hình 5.2) đến gần đầy rồi đun bằng bếp điện (bếp dầu, bếp than, ) trong khi chờ đội nước sôi ta tiến hành các phép cân. Dùng cân Roberval để cân khối lượng vật rắn, khối lượng nhiệt kế và que khuấy, khối lượng nước bằng phương pháp cân Mendeleev. Phép cân 1: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M1. Phép cân 2: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M2 + vật (khối lượng M). Phép cân 3: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M3 + nhiệt lượng kế và que khuấy (khối lượng m1). Phép cân 4: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M4 + nhiệt lượng kế và que khuấy chứa nước (khối lượng nước m2). (4) Kết hợp (Phép cân 1) và (Phép cân 2) suy ra: M = M1 - M2 Kết hợp (Phép cân 1) và (Phép cân 3) suy ra: m1 = M1 – M3 Kết hợp (Phép cân 3) và (Phép cân 4) suy ra: m2 = M3 - M4 Ghi kết quả vào bảng ở cuối bài: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 42
  46. - Sau khi cân xong, bỏ vật vào bình A, nắp của ống G đậy kín. Cắm nhiệt kế dài sao cho đầu nhiệt kế tiếp xúc với vật. - Dùng que khuấy khuấy đều nước trong nhiệt lượng kế. Cắm nhiệt kế hiện số vào nhiệt lượng kế và đọc nhiệt độ T1 của nước và nhiệt lượng kế. - Theo dõi nhiệt độ trong bình hai vỏ, khi nhiệt độ lên tới khoảng 96 – 980 và không thay đổi, đọc nhiệt độ T của vật. Đưa nhiệt lượng kế vào sát ống G, mở nắp thả vật thật nhanh vào nhiệt lượng kế, khuấy đều nước, theo dõi nhiệt độ của nước bằng nhiệt kế vẫn cắm trong nhiệt lượng kế. khi nhiệt độ thay đổi, đọc nhiệt độ T2. Sai số của phép đo là sai số trên dụng cụ. Ghi giá trị T, T1, T2 vào bảng. Chú ý: - Đổ nước vào nhiệt lượng kế với một lượng vừa phải (gấp 4, 5 lần thể tích tổng các viên bi). - Cho vật vào nhiệt lượng kế thật nhanh để vật khỏi bị hạ nhiệt độ. Song cần hết sức cẩn thận tránh gãy nhiệt kế dài. Các đại lượng cần đo Thí nghiệm lần 1 Thí nghiệm lần 2 Thí nghiệm lần 3 (g) (g) (g) 0 T T C 0C 0C (cal/g) Trong công thức: giá trị tình bằng công thức lí thuyết Trình bày kết quả (cal/g)  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Định nghĩa nhiệt dung riêng của vật rắn, lập công thức tính nhiệt dung riêng của vật rắn. 2. Trình bày phương pháp đo nhiệt dung riêng của vật rắn. 3. Tính từ công thức (*). Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 43
  47. BÀI 6: NHIỆT NÓNG CHẢY CỦA NƢỚC ĐÁ  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Giúp sinh viên hiểu được khái niệm về nhiệt nóng chảy của nước đá và vận dụng để xác định được nhiệt nóng chảy (L) của nước đá. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Nguyên tắc: Nhệt nóng chảy của nước đá là nhiệt lượng cần thiết phải cung cấp 1g nước đá ở 00C tan thành nước ở thể lỏng cũng ở 00C. Để xác định nhiệt nóng chảy của nước đá ta dựa vào cơ sở sau: - Nếu đặt tiếp xúc hai vật có nhiệt độ khác nhau thì ta sẽ có một quá trình truyền từ vật nóng sang vật lạnh. Quá trình này sẽ chấm dứt khi trạng thái cân bằng giữa hai vật được thực hiện. - Trong hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt, nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia hấp thu vào. Thực hiện thí nghiệm: Giả sử lượng nước đá có khối lượng M hòa tan cho một khối lượng nước chứa trong một nhiệt lượng kế ở nhiệt độ Ti. Nước đá nhận nhiệt của lượng kế và nước đá tan ra, cuối cùng cả hệ cân bằng ở nhiệt độ Tf. Gọi: m1: khối lượng của nhiệt lượng kế và que khuấy. C1= 0,22 cal/gđộ: nhiệt dung riêng của chất làm nhiệt lượng kế và que khuấy. m2: khối lượng nước chứa trong nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng do nhiệt lượng kế và nước tỏa ra là: Q1 = (m1C1 + m2C2)(Ti – Tj) Nhiệt lượng do M (g) nước đá thu vào để tan thành nước ở thể lỏng 00C và cuối cùng tăng nhiệt độ Tf là: Q2 = ML + MC2Tf. Khi hệ cô lập đạt trạng thái cân bằng nhiệt: Q1 = Q2 m C m C  L 1 1 2 2 T T C .T (*) M i f 2 f Thiết bị thí nghiệm - Một bình nhôm dung làm nhiệt lượng kế - Một đua khuấy bằng nhôm - Một nhiệt kế Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 44
  48. - Một cân Robreval và hộp quả cân Nhiệt kế Que khuấy ngắn Vỏ cách nhiệt Nhiệt lƣợng kế III. Thực hành: Ta dùng cân xác định m1, m2, M và dùng nhiệt lượng kế xác định Ti, Tf. - Xác định m1, m2. Lần lƣợt thực hiện các phép cân: Phép cân 1: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M1. Phép cân 2: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M2 + nhiệt lượng kế và que khuấy (khối lượng m1). Phép cân 3: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M3 + nhiệt lượng kế và que khuấy chứa nước (khối lượng nước m2). Kết hợp (Phép cân 1) và (Phép cân 2) suy ra: m1 = M1 - M2 Kết hợp (Phép cân 2) và (Phép cân 3) suy ra: m2 = M2 - M3 - Xác định Ti, Tf Đặt nhiệt kế vào nhiệt lượng kế (đặt tất cả trong bình thủy tinh), ta khuấy nhẹ. Khi nhiệt độ nhiệt kế đứng yên, ghi nhiệt độ Ti vào bảng ở cuối bài. Lấy 1 khối nước đá (đủ bỏ không tràn trong nhiệt lượng kế có đũa khuấy và nước), lau nhanh thả vào trong nhiệt lượng kế. Tay khuấy nhẹ đều khi nhiệt độ không giảm, ghi nhiệt độ Tf vào bảng ở cuối bài. - Xác định M Sau khi nhiệt độ Tf mang nhiệt lượng kế cân lại và giữ nguyên bì như lần trước. Phép cân 4: Bì (500g) cân bằng với các quả cân M4 + nhiệt lượng kế và que khuấy chứa nước (khối lượng nước và nước đá đã hòa tan M). Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 45
  49. Kết hợp (Phép cân 3) và (Phép cân 4) suy ra: M = M3 - M4 Chú ý: - Khối nước đá bỏ vào nhiệt lượng kế phải đủ nhỏ để có thế tan thành nước. - Lau khối nước bám quanh bên ngoài nhiệt lượng kế và que khuấy trước khi cân. Tiến hành mỗi phép cân nhiều lần. Mỗi lần tính giá trị trung bình từng đại lượng rồi tính độ ngờ và ghi vào bảng sau: Các đại lượng Thí nghiệm lần 1 Thí nghiệm lần 2 Thí nghiệm lần 3 cần đo (g) (g) (g) 0C 0C 0 Ti - Tf C (cal/g) Trong công thức: giá trị được tính bằng công thức lí thuyết. Trình bày kết quả: (cal/g).  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Tại sao phải khuấy nhẹ tay khi làm thí nghiệm? 2. Tại sao phải lau nước đá trước khi bỏ vào nhiệt lượng kế? 3. Trị số L xác định được lớn hơn hay nhỏ hơn trị số lí thuyết? Tại sao? 4. Nếu dung khối nước đá quá nhỏ chỉ đủ giảm 1 hay 20C thì có bất lợi gì? 5. Tại sao không cân khối nước đá trước. 6. Tính từ công thức (*) của bài. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 46
  50. TÀI LIỆU THAM KHẢO  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC: - Đặng Diệp Minh Tân – Bài giảng Vật lý đại cương A1 (Cơ, Nhiệt đại cương) - Trường đại học Trà Vinh. - Bài giảng môn học Thực hành Vật lý đại cương (lưu hành nội bộ) - Bộ môn Vật lý – khoa Khoa học Cơ bản - trường Đại học Trà Vinh. - Giáo trình thực hành thí nghiệm Vật lý phổ thông – Bộ môn Vật lý – Khoa Sư Phạm – trường Đại học Cần Thơ. - Giáo trình thực tập Cơ Nhiệt – Bộ môn Vật lý – Khoa Sư Phạm – trường Đại học Cần Thơ. - Giáo trình thực hành Cơ Nhiệt đại cương– Bộ môn Vật lý – Khoa Khoa học – trường Đại học Cần Thơ.  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN: - Đặng Diệp Minh Tân - Vật lý đại cương A1 (Cơ, Nhiệt) - Trường Đại học Trà Vinh. - Bài giảng môn học Thực hành Vật lý đại cương (lưu hành nội bộ) - Bộ môn Vật lý – khoa Khoa học Cơ bản - trường Đại học Trà Vinh. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A1 47