›
›

Tài liệu giảng dạy Vật lý đại cương A2 (Phần thực hành) - Nguyễn Văn Sáu

pdf 45 trang Gia Huy 25/05/2022 2450
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu giảng dạy Vật lý đại cương A2 (Phần thực hành) - Nguyễn Văn Sáu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftai_lieu_giang_day_vat_ly_dai_cuong_a2_phan_thuc_hanh_nguyen.pdf

Nội dung text: Tài liệu giảng dạy Vật lý đại cương A2 (Phần thực hành) - Nguyễn Văn Sáu

  1. Phụ lục 5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 (PHẦN THỰC HÀNH ) GV biên soạn: Nguyễn Văn Sáu Trà Vinh, /20 Lưu hành nội bộ
  2. Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A2.
  3. MỤC LỤC Nội dung Trang Bài mở đầu 6 BÀI 1: Thực hành đối với mạch điện xoay chiều R, L, C mắc nối tiếp 13 BÀI 2: Thực hành đo điện trở cầu dây 19 BÀI 3: Thực hành về cân dòng, tính lực từ 22 BÀI 4: Thực hành quang lí: khảo sát hiện tượng giao thoa của ánh sáng đơn sắc 25 BÀI 5: Thực hành quang hình: xác định tiêu cự của thấu kính 28 BÀI 6: Khảo sát hiện tượng khúc xạ ánh sáng, phản xạ toàn phần, ánh sáng đi qua lăng kính 35 Tài liệu tham khảo 42 Tài liệu giảng dạy thực hành Vật lý đại cương A2.
  4. PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG TRƯỜNG 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 được kiểm tra thông qua sổ tay thực hành của sinh viên). */* Khi làm việc trong phòng thí nghiệm, sinh viên: 1. Không được ăn uống, hút thuốc trong phòng thí nghiệm. 2. Không được 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 A2 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 A2 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 hướng 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 A2 3
  7. D. VIẾT TƯỜNG 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: (QT6.3/KHCB2-BM5QT) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 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 A2 5
  9. BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Thực hiện một cách tổng quát về các tiến trình khi học thực hành. - Phân biệt các đại lượng đo trực tiếp, gián tiếp và đo lường được các đại lượng trong quá trình thực hành. - Tính được giá trị trung bình, các sai số, vẽ đồ thị và trình bày kết quả thực hành trong quá trình thí nghiệm. * Mục đích của học môn thực hành Vật lý đại cương: - 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 LƯỜNG Đo lường là một thao tác quan trọng trong thực hành Vật lý. Ta phân thành 2 loại như sau: 1. Đại lượng đo lường 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 lượng đo lường 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 lượng. a’: là giá trị đo được. Thì sai số tuyệt đối được định nghĩa là: da = |a’- a| Sai số tuyệt đối không phản ảnh được độ chính xác của phép đo Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 6
  10. 1.2. Sai số tương 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: a b a b x x c c Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 7
  11. 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 Thí dụ 2: cho: V = R2h Tính độ ngờ V: a. Lấy vi phân: dV = 2 R dR h + R2 dh Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 8
  12. 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. l T Thí dụ: từ kết quả trên ta suy ra được: g g 2 l T Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 9
  13. 5. Trình bày giá trị đo được 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 biên). */*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. PHƯƠNG 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. Phương pháp vẽ đồ thị Vật Lý Thực hiện theo các bước sau: - Bước 1: Lập bảng biến thiên các đại lượng phải khảo sát Giả sử là y biến thiên theo x: và: - Độ ngờ của mỗi giá trị xi là x: xi = xi x do đó xi sẽ dao động trong khoảng 2 x. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 10
  14. - Độ ngờ của mỗi giá trị yi là y: yi = yi y do đó yi sẽ dao động trong khoảng 2 y. - Bước 2: Vẽ hệ trục tọa độ. Chia tỷ lệ xích thích hợp. - Bước 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 + 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 A2 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) */* Lưu 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 A2 12
  16. BÀI 1: MẠCH ĐIỆN R, L, C NỐI TIẾP VỚI DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Khảo sát mạch điện xoay chiều R, L, C mắc nối tiếp; làm quen với một số dụng cụ đo vật lý (VOM, Ampe kế); Rèn luyện kỹ năng thực hành. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Lý thuyết về mạch xoay chiều chứa RLC Xét mạch điện như hình 1.1: Hình 1.1 Giả sử dòng điện chạy trong mạch có dạng: I = I0 sinωt UR = U0R sinωt; U0R=I0R Ta có: UL = U0Lsin (ωt+π/2); U0L= I0XL= I0ωL I UC = U0Csin (ωt- π/2); U0C= I0XC= I0 L Bằng phương pháp ký hiệu (số phức) hoặc phương pháp giản đồ vectơ quay ta xác định được hiệu điện thế U có dạng như sau: U = U0 sin (ωt+φ) với: φ là góc lệch pha giữa I và U 1.1. Giản đồ véctơ (với giả sử UOL > UOC) U O U OL Hình 1.2 U OR Trục dòng điện o IO U OC Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 13
  17. 1.2. Góc lệch pha φ I L U U X X tg φ = OL OC = L C = C U OR R R + Nếu XL > XC thì φ > 0 , U nhanh pha hơn I + Nếu XL I = Imax đạt cưc đại, ta nói mạch điện cộng hưởng (gọi là cộng hưởng điện thế). 2. Cách vẽ giản đồ vectơ khi thực hành 2.1. Giản đồ vectơ của mạch chỉ chứa RL Mắc mạch điện như hình 1.3 (cuộn dây có điện trở là R’) Sau khi đo được I, U, UK, UT, (UT: là hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn dây có R’). Ta thực hiện vẽ giản đồ véctơ như sau (độ dài của các véctơ vẽ theo tỉ lệ xích): - Vẽ trục dòng điện nằm ngang có gốc là O - Vẽ vectơ U R OA Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 14
  18. Hình 1.3 - Từ O vẽ một cung có bán kính là U. - Từ A vẽ một cung có bán kính là UT. - Hai cung này sẽ cắt nhau tại điểm B, ta được giản đồ vectơ cần vẽ (hình 1.4) B U U L Hình 1.4 U T o I Trục dòng điện U U R A R' 2.2. Giản đồ vectơ của mạch RLC Mắc mạch điện RLC nối tiếp như hình 1.5: UR UT UC R L R’ A C Hình 1.5 U Sau khi đo được I, U, UR, UC, UT, (UT: là hiệu điện thế gữa hai cuộn dây có R’). Ta thực hiện vẽ giản đồ vectơ như sau: (độ dài của các vectơ vẽ theo 1 tỉ lệ xích) - Vẽ trục dòng điện nằm ngang có góc là O - Vẽ vectơ U R OA - Từ A vẽ AB UC vuông góc với trục dòng điện hưởng xuống dưới - Từ O vẽ một cung có bán kính là U - Từ B vẽ một cung có bán kính UT - Hai cung này sẽ cắt nhau tại điểm G ta được giản đồ véc tơ cần xác định (Hình 1.6) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 15
  19. G U U U L T o Trục dòng điện I U R A U C Hình 1.6 U R' B 2.3. Xác định các đại lượng không đo được trực tiếp Sau khi vẽ giản đồ véctơ, ta đo độ dài các véctơ biểu diển các đại lượng cần xác định, từ đó căn cứ vào tỷ lệ xích, vẽ giản đồ để tính các đại lượng này. II. THỰC HÀNH Hình 1.7 1. Các dụng cụ - 1 Ampe kế để đo giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện qua mạch. - 1 Vôn kế đo giá trị hiệu dụng của các hiệu điện thế. - 1 bóng đèn sử dụng như là điện trở R. - 1 tụ điện C. - 1 cuộn dây điện cảm có nòng sắt từ có thể di chuyển lên xuống, có thước chia khoảng để tính khoảng di chuyển của nòng sắt từ. Khi nòng sắt từ di chuyển, tạo khoảng hở không khí làm cho thông lượng từ xuyên qua cuộn dây thay đổi và do đó hệ điện cảm thay đổi. - 1 khóa K mắc song song với tụ điện C dùng để nối tắt mạch tụ điện (hình 1.7) 2. Mạch nối tiếp RL Tạo mạch điện RL nối tiếp như sau: - Đóng khóa K nối tắc tụ điện C: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 16
  20. - Cắm dây điện vào nguồn. - Điều chỉnh nòng sắt từ sao cho ampe kế chỉ (I = 150 mA) - Dùng vôn kế đo các hiệu điện thế: U, UR, UT - Vẽ giản đồ véctơ và tính các đại lượng theo yêu cầu (bảng 1) - Ghi các trị số đo và tính được vào bảng 1 Bảng 1 Mạch I U UR UT UR’ UL R R’ L P =UI cos RL 3. Mạch nối tiếp RLC Tạo mạch điện RLC nối tiếp như sau: - Mở khóa k cho dòng điện qua tụ điện C - Giữ nòng sắt ở vị trí như trên - Xem số chỉ trên ampe kế chỉ (I) - Dùng vôn kế đo các hiệu điện thế: U, UR, UT , Uc - Vẽ giản đồ vectơ và tính các đại lượng theo yêu cầu (bảng 2) - Ghi các trị số do và tính được vào bảng sau: Bảng 2 Mạch I U UR UT UC UR’ UL R’ C PR PT PC P RLC 4. Cộng hưởng - Mắc mạch điện RLC nối tiếp. - Di chuyển nòng sắt từ (từng khoảng d = 0.5 cm). Xem giá trị cường độ dòng điện tương ứng. Lập bảng trị số (Bảng 3) */* Chú ý: di chuyển nhẹ nhàng, cẩn thận, tránh nòng sắt vượt quá 3,5cm Bảng 3 d (cm) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 I (mA) - Vẽ đường biểu diễn I = f (d) - Từ đồ thị giá trị Ich (giá trị cực đại trên đồ thị) Ich = ± mA - Khi mạch cộng hưởng. Đo và lập bảng 4 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 17
  21. Bảng 4 Ich UC UT U - Nhận xét về: U, UC, UT  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Viết công thức tính tổng trở và hệ số công suất của mạch R, L, C trong 2 trường hợp: + Biết cuộn dây không thuần cảm có điện trở trong là r. + Biết cuộn dây thuần cảm. 2. Tại sao ta phải điều chỉnh Vôn kế của bài thực hành ở giai 250V mà không điều chỉnh ở giai đo khác? 3. Khi đo, các giá trị hiển thị trên Ampe kế, Vôn kế là giá trị gì ? 4. Khi đóng khóa K lại thì mạch hiện giờ là có tụ hay không có tụ? Tại sao? 5. Tại sao hiệu điện thế của cuộn dây không ký hiệu là UL mà ký hiệu là UT? 6. Với các dụng cụ và thiết bị sẵn có của bài hãy chứng minh rằng cuộn dây có điện trở trong. 7. Khi thực hành với mạch R, L, C với các thiết bị của thí nghiệm hãy cho biết trong quá trình điều chỉnh nòng sắt từ dấu hiệu nào để biết mạch cộng hưởng, giải thích tại sao? 8. Từ các số liệu đã đo hãy trình bày và vẽ giản đồ véctơ đối với mạch R – L và mạch R – L – C. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 18
  22. BÀI 2: ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG CẦU DÂY  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Lắp ráp được mạch điện và các cách ghép điện trở (ghép nối tiếp và ghép song song) và kiểm tra các định luật về dòng điện. - Đo và tính trị số các điện trở bằng cầu dây. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH - Cầu dây là dạng biến đổi của cầu wheatston. Cầu wheatston là một hệ thống mạch điện như hình 2.1 Hình 2.1 - Đóng kín mạch điện, điều chỉnh R1, R2, R3 sao cho kim điện kế G chỉ số 0 (không có dòng điện qua CD). Lúc đó cầu bằng (VC = VD). Ta có điện trở X được tính: R2 X R1 R3 - Nếu ta thay thế đoạn mạch ACB bằng một dây kim loại đồng chất, tiết diện đều, cầu Wheatston sẽ trở thành cầu dây như hình 2.2. Hình 2.2 - Trong cầu dây, con chạy C di chuyển trên đoạn AB, khi cầu cân bằng, ta có: L L' L R ; R ; X R AC S BC S 0 L' Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 19
  23. II. THỰC HÀNH Hình 2.3 1. Dụng cụ thí nghiệm - 1 điện kế G - 1 sợi dây căng thẳng trên một thước 1m, chia đến mm - 1 hộp điện trở chuẩn (sai số tương đối : R / R 1%) - 1 hộp gắn các điện trở cần đo - 1 ngắt điện K (Hình 2.3) 2. Các bước tiến hành 2.1. Kiểm tra kĩ các dây nối - Các cầu dây phải thật chặt - Dây không rỉ sét - Các dây càng ngắn càng tốt 2.2. Mắc mạch điện như hình 2 - Với các điện trở lần lượt cần đo: X1, X2, X3 và X4. - Đặt con chạy C ở trung điểm dây AB (vạch chia 50 cm trên thước), lần lượt thực hiện theo thứ tự các bước sau: - Bước 1: Đặt hộp điện trở ở giá trị điện trở chuẩn 0 , ấn con chạy C tiếp xúc dây AB, bấm khoá K, xem chiều lệch của kim điện kế G (ghi nhớ chiều lệch này). - Bước 2: Đặt hộp điện trở chuẩn ở giá trị lớn nhất (99,9Ω), ấn con chạy C tiếp xúc dây AB, bấm khóa K, xem chiều lệch của kim điện kế (ghi nhớ chiều lệch này). - Bước 3: Từ bước 1 và bước 2 so sánh giá trị của kim điện kế với giá trị của hộp điện trở chuẩn. Rút ra nhận xét để điều chỉnh giá trị của hộp điện trở chuẩn sao cho giảm dần độ lệch của kim điện kế G, cho đến khi kim điện kế G không còn lệch. */* Chú ý: Trong trường hợp thay đổi giá trị nhỏ nhất trên hộp điện trở (0,1Ω) mà kim điện kế lệch theo hai hướng ngược nhau thì ngưng điều chỉnh hộp điện trở chuẩn và di chuyển con chạy khỏi vạch 50cm. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 20
  24. - Bước 4: Thực hiện đo lần lược các điện trở: X1 ; X2 ; X3(X3=X1 nt X2); X4 (X4=X1//X2) - Bước 5 : Lập bảng ghi kết quả vào bảng 1 Bảng 1 L=AC L’=BC L X Điện trở đo R0(  ) X R0 X X X X (cm) (cm) L' X1 X2 X3 =X1 nt X2 X4 =X1//X2 (Để tính trung bình của mỗi đại lượng X1; X2; X3 và X4 ta thực hành đo mỗi đại lượng 3 lần) */*Chú ý: bảng này ghi lại + L L =? + Công thức tính ΔX  Câu hỏi (bài tập) củng cố: R2 1. Chứng minh khi cầu wheatston cân bằng, ta có: X R1 R3 2. Viết công thức tính theo lý thuyết 2 điện trở mắc nối tiếp và 2 điện trở mắc song song? 3. Áp dụng các công thức ở câu 2 (theo công thức lý thuyết) tính X’3 và X’4 rồi so sánh X3 và X4 đã tính ở bảng 1: + X’3 = (X1 nt X2); X’4 = (X1//X2) + So sánh: X3 (với) X’3; X4 (với) X’4 + Kết luận? 4. Hãy cho biết sai số tương đối của hộp điện trở chuẩn là bao nhiêu? 5. Hãy cho biết khi điều chỉnh con chạy C trên thước dây ta có thể vừa di chuyển vừa cho con chạy tiếp xúc với dây được hay không? Giải thích tại sao? 6. Hãy cho biết tại sao khi điều chỉnh cho mạch cầu cân bằng ta lại phải thực hiện bước 1 và 2? (khi con chạy ở trung điểm dây AB, điều chỉnh hộp điện trở 0 Ω rồi ấn con chạy tiếp xúc và quan sát điện kế G, tương tự khi hộp điện trở 99,9 Ω) 7. Hãy cho biết đặc tính của dây kim loại trong bài câu dây? 8. Tại sao các dây dùng để ráp mạch phải càng ngắn càng tốt? Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 21
  25. BÀI 3: CÂN DÒNG  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Lắp ráp được mạch điện và đo được lực từ tác dụng lên vật dẫn mang điện thông qua quy tắc cân bằng lực. - Củng cố lại kiến thức lý thuyết về mối quan hệ giữa dòng điện với lực và giữa từ trường với lực từ. - Kiểm nghiệm lại định luật Ampere; Rèn luyện được các kỹ năng thực hành. I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH - Như chúng ta biết, khi một phần tử dòng điện hay một đoạn dây dẫn đặt trong một từ trường thì sẽ chịu tác dụng bởi một lực F , lực này gọi là lực từ. - Xét phần tử dòng điện đặt trong từ trường có cảm ứng từ B như hình 3.1. Lực từ dF tác dụng lên phần tử dòng điện Id được xác định bởi dF có: - Phương vuông góc ( Id , ) - Chiều xác định theo qui tắc bàn tay trái. - Độ lớn: dF I.dl.B.sin dF I.d.B.sin ; - Với (I.d, B) II. THỰC HÀNH Hình 3.1 Hình 3.2 1. Các dụng cụ thí nghiệm - 2 Ampe kế để đo cường độ dòng điện I của nguồn và dòng điện IB của cảm ứng từ. - 1 Bộ nguồn cung cấp điện 15V - 5A - 2 cuộn dây 900 vòng (R= 6,2 Ω, L= 25,9 mH) để tạo ra từ trường - Bộ chỉnh lưu cầu 30V AC/1A DC - Đai truyền kim loại với chốt - Một khóa đóng, mở mạch Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 22
  26. - Một cân LGN để đo lực - Các wire- loop (vòng dây kim loại) có sẵn các giá trị như sau: + Wire loop, l = 12.5 mm, n = 1 + Wire loop, l = 25 mm, n = 1 + Wire loop, l = 50 mm, n = 2 + Wire loop, l = 50 mm, n = 1 - Các phụ kiện mắc mạch như thanh đỡ, đế 3 chân, ống đứng, dây điện màu xanh, đỏ .( Hình 3.2) 2. Ráp mạch điện Sinh viên ráp mạch theo sơ đồ hình 3.3 Khung dây Hình 3.3 3. Nội dung thí nghiệm - Phương của lực được xác định theo sự thay đổi của dòng điện và phương của từ trường. Lực từ F được xác định theo 2 cách: 3.1. Cách đo 1 - Được xác định theo chiều dòng điện I trong mạch vòng kín, với cảm ứng từ đối với các mạch vòng có kích thước khác nhau. - Sau khi kiểm tra mạch điện một cách cẩn thận, sinh viên viên tiến hành cân đo lực. - Bước 1: Xác định giá trị mo của vòng dây dựa vào sự điều chỉnh cân trở lại vị trí cân bằng của số 0. - Bước 2: Giữ nguyên hiệu điện thế nguồn ở mức cố định nào đó (khoảng 4V hoặc 6V), chỉnh nút điều chỉnh cường độ dòng điện trên nguồn, tăng dần, từ 0, 0,5A, .4A. Với mỗi giá trị của ampe kế A1 ứng với các giá trị lực từ khác nhau. Quan sát và điều chỉnh cân đo để tính lực từ. Lập bảng kết quả vào bảng 1. Lực từ F được tính gián tiếp theo công thức F P mg (lấy g=10m/s2) Với m m m0 ứng với từng giá trị lực trong phép đo Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 23
  27. Bảng 1 I (A) 0A 0,5 A 1A 1,5A 2A 2,5A 3A mo (g) m - m0 (g) F (N) - Bước 3: Vẽ đồ thị y= f(F,I) theo bảng số liệu trên. 3.2. Cách đo 2 - Lực F được xác định theo dòng điện IB trong cuộn dây đối với dây dẫn vòng, trong dải đo cho phép, cảm ứng từ B tỉ lệ với dòng điện chạy trong cuộn dây với độ chính xác nhất định. - Sau khi kiểm tra mạch điện một cách cẩn thận, sinh viên tiến hành cân đo lực. - Các bước cũng tương tự như cách đo 1. Tuy nhiên, ta giữ số chỉ Ampe kế A1 cố định, chỉ thay đổi số chỉ của Ampe kế A2, bằng cách thay đổi hiệu điện thế cung cấp ở nguồn. - Lần lượt chỉnh chốt vặn ở các vị trí 0V, 2V,4V 10V. - Quan sát sự thay đổi của lực từ và lập bảng kết quả - Tiến hành đo đạc và lập kết quả vào bảng 2 Bảng 2 -Nguồn (V) 0V 2V 4V 6V 8V . IB(A) . mo (g) m-m0 (g) F (N) Vẽ đồ thị y = f (F, IB) theo bảng 1 và bảng 2  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Tại sao lực từ F lại hướng xuống? 2. Bằng cách nào ta có thể làm cho lực từ F hướng lên? 3. Trình bày các đặc tính của dây đai truyền kim loại. 4. Thay đổi vị trí của cuộn dây (thay đổi chiều mũi tên) thì từ thông như thế nào? Quan sát, nhận xét về lực từ. 5. Có thể thay đổi lực từ bằng cách thay đổi cách mắc lại chiều dòng điện được không? Tại sao? Giải thích. 6. Với các thiết bị và dụng cụ của bài thực hành, hãy cho biết tại sao phải sử dụng Bộ chỉnh lưu cầu? 7. Hãy cho biết trong bài thực hành ta nên chỉnh giai đo ở Ampe kế 1 và Ampe kế 2 ở giai đo nào? Giải thích? 8. Trình bày nội dung của quy tắc xác định chiều của cảm ứng từ B và quy tắc xác định chiều của lực từ F? Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 24
  28. Bài 4: ĐO BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA ÁNH SÁNG QUA KHE YOUNG  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Hiểu sâu hơn về bản chất của sóng ánh sáng. - Tính toán được bước sóng của của ánh sáng làm thí nghiệm dựa vào việc đo vị trí của các khoảng vân. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH - Khi có hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau tại một miền nào đó trong không gian mà hiệu số pha của nó không phụ thuộc vào thời gian, thì tại miền đó, sẽ có các dải sáng tối xen kẽ lẫn nhau. Hiện tượng đó gọi là giao thoa ánh sáng (Hình 4.1). - Lí thuyết đã chứng minh rằng hai dao động sáng cùng tần số, cùng phương gặp nhau tại một điểm có các pha ban đầu là α1 và α2 thì dao động tổng hợp là dao động cùng tần số, cùng phương: E E0 cos ( t + ) 2 2 2 - Với: E0 E 01 E 02 2 E 01 E 02 c os( 1 + 2 ) - Và tg ( E01 sin 1 E 02 sin 2 ) /( E 01 c os 1 E 02 c os 1 ) - Cường độ sáng tổng hợp tại điểm gặp nhau của hai sóng là: I I1 I 2 2 I 2 I 2 c os( 1 2 ) + Với hai nguồn, tại những điểm mà có hiệu quang trình của hai sóng bằng số nguyên lần bước sóng: K (k = 0, 1, 2, ) thì cường độ sáng tổng hợp là: 2 IIII max () 1 2 + Với hai nguồn, tại những điểm mà có hiệu quang trình của hai sóng bằng  số lẻ lần nửa bước sóng: (2K 1) (K= 0, 1, 2, ) thì cường độ sáng tổng hợp là: 2 2 IIII min () 1 2 - Để tạo ra hai sóng giao thoa bằng thực nghiệm người ta có nhiều phương pháp. Trong bài này ta sử dụng khe Young. - Theo lý thuyết ta chứng minh được: + Vị trí các vân sáng: Xs K D/ d (1) + Vị trí vân tối: Xt (2 K 1) D / d (2) + Khoảng cách giữa 2 vân (khoảng vân), giữa 2 vân sáng liên tiếp hoặc giữa hai vân tối liên tiếp: X i  D/ d (3) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 25
  29. Hình 4.1 II. THỰC HÀNH Hình 4.2 1. Dụng cụ thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như hình 4.2: Màn E Khe Young Nguồn Laser Giá quang học Nguồn điện Hình 4.3 - Nguồn sáng S, ta sử dụng là tia laser - Điều chỉnh Adaptor _9v - Đặt tia laser và màn E lên giá thí nghiệm - Nối laser với Adaptor và bật công tắt laser (hình 4.2 và hình 4.3) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 26
  30. - Điều chỉnh khe Young sao cho ánh sánh hiện rõ trên màn hình - Đo khoảng cách từ 2 khe đến màn - GV hướng dẫn sẽ cho biết khoảng cách giữa 2 khe. - 1 tế bào quang điện, 1 máy thu và khuếch đại dòng quang điện - Áp dụng công thức 3 để tính bước sóng của ánh sáng laser làm thí nghiệm 2. Thực hiện đo 2.1. Đo bước sóng của ánh sáng laser - Dựa vào chỉ số của cường độ dòng quan điện hiện thị trên Ampe kế, ta xác định được vị trí cực đại giao thoa cường độ nguồn sáng lớn nhất, ứng với khoảng cách giữa hai vân cực đại liên tiếp nhau, đó là khoảng vân i cần tìm. - Đo và xác nhận các giá trị, lập vào bảng 1 Bảng 1 Đại Lần 1 Lần 2 Lần 3    lượng đo   D (m) i (mm)  (μm) 2.2. Đo độ rộng giữa 2 khe - Sử dụng nguồn ánh sáng laser có cùng bước sóng đã xác định ở (mục 2.1). Nhưng lúc này khoảng cách giữa 2 khe là khác so với trước. - Ta xác định D, khoảng vân i, thay vào công thức (3) để tìm d. - Đo và xác nhận các giá trị vào bảng 2 - Thực hiện với việc xác định 2 khe khác nhau Bảng 2 Đại Lần 1 Lần 2 Lần 3 lượng đo d d d d d D (m) i (mm) (μm) d (mm)  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Viết công thức tính bước sóng ánh sáng? 2. Điều kiện để có giao thoa ánh sáng là gì? 3. Chứng minh công thức vị trí: vân sáng (CT1), vân tối (CT2)? 4. Với khoảng cách D nào và khe nào thì ta thấy các vân giao thoa rõ nhất, cường độ dòng quang điện thu được là lớn nhất? 5. Hãy cho biết ánh sáng khả kiến có bước sóng nằm trong khoảng nào? 6. Hãy cho biết khoảng vân là gì? Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 27
  31. BÀI 5: TIÊU TRẮC  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: Xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ bằng các phương pháp khác nhau. Rèn luyện được các kỹ năng thực hành. I. NHỮNG CƠ SỞ ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH SV xem lại tài liệu đã học ở phổ thông về: + Thấu kính và hệ thấu kính. + Công thức tính tiêu cự, vị trí ảnh ảo, ảnh thật, tính chất, độ phóng đại của thấu kính hội tụ, thấu kính phân kình, gương phẳng + Sự tạo ảnh của một vật qua thấu kính, qua hệ thấu kính ghép với thấu kính, qua hệ thấu kính ghép với gương phẳng. II. THỰC HÀNH Hình 5.1 1. Dụng cụ đo - Giá quang học - Một vật sáng hình chữ L đặt trước một bóng đèn. - Một thấu kính hội tụ - Một thấu kính phân kỳ - Một gương phẳng M - Một màn ảnh (dùng mặt sau của gương phẳng làm màn - Hình 5.1) 2. Tiến hành thí nghiệm 2.1. Xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng 3 phương pháp 2.1 . 1. Phương pháp tự chuẩn - Bước 1: Bố trí các dụng cụ như hình 5.2 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 28
  32. Thấu kính hội tụ O Gương phẳng G V ật h ình L A O Giá quang học Hình 5.2 */* Chú ý: Để gương xác thấu kính cho tập trung ánh sáng. Thấu kính hội Gương phẳng tụ G Vật hình L A F O F' ảnh của vật hình L - Bước 2: Di chuyển đồng thời thấu kính và gương sao cho ảnh cuối cùng của vật hiện rõ nét trên mặt phẳng chứa vật. Lúc đó khoảng cách AO từ mặt phẳng vật đến thấu kính hội tụ chính là tiêu cự f của thấu kính. Ghi giá trị của f vào bảng 1 Bảng 1 Lần đo f f f f f f max Lần 1 Lần 2 Lần 3 2.1.2. Phương pháp Siberman - Bước 1: Bố trí thí nghiệm như hình 5.3 Vật hình L Thấu kính hội tụ O Màn M A O M Giá quang học Hình 5.3 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 29
  33. - Bước 2: Di chuyển thấu kính hội tụ O và màn M sao cho ảnh của vật hiện rõ nét trên màn và có chiều cao bằng vật. Khi đó khoảng cách từ vật đến màn M là AM, tiêu cự AM của thấu kính là f . Ghi các giá trị vào bảng 2 4 Thấu kính hội tụ Vật hình L M A F O F' ảnh của vật hình L */* Chú ý: Trong quá trình di chuyển, thấu kính luôn luôn ở ngay trung điểm của AM. Bảng 2 Lần đo AM f f f f f max Lần 1 Lần 2 Lần 3 2.1.3. Phương pháp Bessel - Bước 1: Bố trí các dụng như hình 5.4. V ật hình L Thấu kính hội tụ O Màn M A O M Giá quang học Hình 5.4 */* Chú ý: Đặt màn M ở một vị trí khá xa vật. Khoảng cách từ vật đến màn là AM = D. Ghi giá trị D vào bảng 3. - Bước 2: Di chuyển thấu kính trong khoảng AM ta thu được hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn (vị trí 1 cho ảnh lớn, vị trí 2 cho ảnh nhỏ). Gọi a là khoảng cách giữa hai vị trí đó. Ghi giá trị a vào bảng 3. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 30
  34. D 2 a 2 - Lúc đó tiêu tự của thấu kính là: f 4D vị trí 1 củaTk hội tụ vị trí 2 củaTk hội tụ Vật hình L M A F O F O ảnh nhỏ F ' F' a ảnh lớn Bảng 3 D 2 a 2 Lần đo D a f f f f f f max 4D Lần 1 Lần 2 Lần 3 2.2. Xác định tiêu cự của thấu kính phân kỳ bằng 2 phương pháp 2.2.1. Phương pháp tự chuẩn - Bước 1: Bố trí thí nghiệm như hình 5.5. Gương phẳng G Vật hình L A O O’ M Giá quang học Thấu kính phân kỳ Hình 5.5 */* Chú ý: Để gương sát thấu kính cho tập trung ánh sáng. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 31
  35. Thấu kính phân kỳ Thấu kính hội tụ Gương phẳng G Vật hình L F F F' O O' ' F ảnh trên mặt phẳng chứa vật - Bước 2: Di chuyển đồng thời cả 3 quang cụ (tay trái cầm thấu kính hội tụ O, tay phải cầm thấu kính phân kỳ O và gương phẳng G) sau cho ảnh của vật qua hệ rõ nét trên mặt phẳng vật. Ghi khoảng cách OO giữa hai thấu kính vào bảng 4. Thấu kính hội tụ Vật hình L F F M ' O - Bước 3: Giữ nguyên vị trí thấu kính hội tụ O. Lấy thấu kính phân kỳ ra khỏi giá quang học. Quay gương G để làm màn ảnh M rồi di chuyển màn ra xa sao cho ảnh của vật qua thấu kính hội tụ rõ nét trên màn. Ghi khoảng cách OM vào bảng 4. - Lúc đó tiêu tự của thấu kính phân kỳ là: f OO OM Bảng 4 Lần đo OM f OO OM f f f f f max Lần 1 Lần 2 Lần 3 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 32
  36. 2.2.2. Phương pháp các điểm liên kết - Bước 1: Bố trí các dụng cụ như hình 5.6. Màn M Vật h ình L Thấu kính hội tụ A O M Giá quang học Hình 5.6 - Bước 2: Di chuyển thấu kính hội tụ O sao cho trên màn M có ảnh nhỏ, rõ nét. - Bước 3: Đặt thấu kính phân kỳ O’ gần màn M (như hình 5.7). Khi đó ảnh thật qua thấu kính hội tụ ở trên đóng vai trò vật ảo của thấu kính phân kỳ. Ghi giá trị d O M vào bảng 5. Màn M Vật hình L Thấu kính hội tụ A O O’ M Giá quang học Thấu kính phân kỳ Hình 5.7 Thấu kính hội tụ Thấu kính phân kỳ Vật hình L d' d F O F O' F' ' F ảnh cho bởi vật ảo qua TKPK - Bước 4: Giữ nguyên thấu kính hội tụ và thấu kính phân kỳ. Xê dịch màn ra xa sao cho có ảnh rõ nét trên màn, ghi khoảng cách d từ thấu kính phân kỳ đến màn M vào bảng 5. dd Lúc đó tiêu cự của thấu kính phân kỳ là: f d d Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 33
  37. Bảng 5 dd Lần đo d O M d f f f f f f d d max Lần 1 Lần 2 Lần 3  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Viết sơ đồ tạo ảnh và vẽ hình cho từng phương pháp 2. Chứng minh các công thức tính f trong các phương pháp Siberman, Bessel và tự chuẩn của thấu kính phân kỳ. AM D 2 a 2 f f f OO OM 4 4D 3. Hãy kể tên các phương pháp xác định tiêu cự của thấu kính hồi tụ và tiêu cự của thấu kính phân kỳ? 4. Trình bày cách phân biệt thấu kính hồi tụ và thấu kính phân kỳ? 5. Vẽ hình đường truyền của ánh sáng tạo ảnh theo từng phương pháp. Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 34
  38. BÀI 6: CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG HÌNH HỌC.  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể: - Khảo sát định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng. - Minh họa tính chất thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng. - Sử dụng đĩa quang học và kiểm chứng lại định luật khúc xạ thông qua đo chiết suất của hai bản mặt song song. I. NHỮNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ LÀM BÀI THỰC HÀNH 1. Định luật phản xạ ánh sáng - Hiện tượng phản xạ ánh sáng: Hiện tượng tia sáng bị đổi hướng, trở lại môi trường cũ khi gặp một bề mặt nhẵn gọi là hiện tượng phản xạ ánh sáng (Hình 6.1) SI: là tia tới. IN: là pháp tuyến, I là điểm tới. IR: là tia phản xạ. i: là góc tới i’: là góc phản xạ. i = i’( góc phản xạ bằng góc tới). Hình 6.1 2. Định luật khúc xạ ánh sáng - Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Hiện tượng khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, tia sáng bị gẫy khúc (đổi hướng đột ngột) ở mặt phân cách gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng (Hình 6.2) N S’ S NN’: là pháp tuyến tại I. i: là góc tới. r: là góc khúc xạ. i i’ SI : tia tới. 1 IR : tia khúc xạ. I 2 r Hình 6.2 N’ R - Định luật khúc xạ ánh sáng: + Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới. + Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 35
  39. góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi. - Khi chùm tia sáng khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, ta có: n12sin i n sinr Với: n1: là chiết suất của môi trường tới n2: là chiết suất của môi trường khúc xạ Sini Hay: n (1) Sinr 21 - n21 gọi là chiết suất tỉ đối - Chiết suất tuyệt đối của môi trường là chiết suất của nó đối với chân không. n2 Ta có: n21 n1 3. Hiện tượng phản xạ toàn phần - Khi một tia sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém thì sẽ có hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra. - Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là: + Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i igh + Ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang hơn kém ( n1 > n2) n2 - Góc giới hạn được tính: sin igh (2) n1 - Nếu môi trường chiết quang kém là không khí, thì n2 = 1 1 => sin igh (3) n1 4. Cấu tạo của Lăng kính - Lăng kính là một khối chất trong suốt, đồng chất (thủy tinh, nhựa ), thuờng có dạng lăng trụ tam giác. - Khi sử dụng lăng kính, chùm tia sáng hẹp được chiếu truyền qua lăng kính trong một mặt phẳng vuông góc với cạnh của khối lăng trụ. Do đó, lăng kính được biểu diễn bằng tam giác tiết diện thẳng (hình 6.3) - Các phần tử của lăng kính gồm: cạnh, đáy, hai mặt bên. Các công thức lăng kính: sin i1 nsin r1 ; A r1 r2 sin i2 nsin r2 ; D i1 i2 A(4) Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 36
  40. A K I D i1 i2 r1 r2 A:là góc chiết quang. J D: Là góc lệch (tạo bởi S R H tia tới và tia ló). Hình 6.3 II. THỰC HÀNH Hình 6.4 Đĩa Đèn tròn. chiếu 0 90 i’’ i S Hình 6.5 R 90 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 37
  41. 1. Các dụng cụ thí nghiệm - Đĩa quang học: đĩa tròn có chia độ, quay quanh một trục nằm ngang. - Một đèn chiếu dùng để tạo chùm tia sáng tới hẹp. - Bản thủy tinh mỏng hình bán nguyệt. - Một lăng kính (Hình 6.3 và 6.4) 2. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ toàn phần 2.1. Đo chiết suất của bản mỏng thủy tinh hình bán nguyệt - Trường hợp này, ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn (ánh sáng đi từ không khí vào bản mỏng) - Bước 1: Gắn bản mỏng thủy tinh hình bán nguyệt vào đĩa như hình 6.5. Lưu ý tâm bán trụ trùng tâm đĩa quang học, điều chỉnh nguồn cho tia sáng tập trung tại 1 điểm. - Bước 2: Chiếu chùm tia sáng hẹp vào mặt phẳng hình bán nguyệt ở tâm. - Bước 3: Thay đổi góc tới, quan sát góc khúc xạ tương ứng. Tia khúc xạ quan sát từ lúc vừa rời bản mỏng thủy tinh. Ghi nhận các giá trị lập bảng 1 Bảng 1 Sini Góc đo i r Sin i Sin r n Sinr Trường hợp 1 15o Trường hợp 2 30o Trường hợp 3 45o Trường hợp 4 60o Trường hợp 5 80o n n n n n */* Lưu ý: chiết suất của không khí là 1. (Để tính trong bảng 1 ta lấy một trong các trường hợp nào đó bất kỳ trong bảng) 2.2. Tìm góc giới hạn khi xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần - Trong trường hợp này, ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (ánh sáng đi từ bản mỏng ra không khí). - Vẫn chiếu tia sáng theo đường bán kính vào mặt cong của bản thủy tinh. Lúc này môi trường tới là thủy tinh, môi trường chứa tia khúc xạ là không khí. - Thay đổi góc tới, quan sát sự thay đổi góc khúc xạ. Tiếp tục thay đổi góc tới, đến một lúc nào đó, quan sát thì thấy tia khúc xạ không đi ra ngoài không khí mà chỉ còn trong bản mỏng thủy tinh. - Khi góc tới tăng đến giá trị i nào đó tia khúc xạ là là trên mặt phân cách (thủy tinh Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 38
  42. – không khí). Đo góc tới và góc khúc xạ lúc này. - Tiếp tục tăng góc tới, tới khi thấy tia khúc xạ biến mất. Lúc đó có hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra. Lúc này góc tới imix = igh. Nhận xét tia phản xạ về độ sáng so với ban đầu. Đo nhiều lần và xác định góc giới hạn lúc này. Lập giá trị bảng 2 - So sánh góc đo với công thức lý thuyết 3. Tìm sai số của phép đo góc giới hạn (chiết suất n của thủy tinh đã tính được từ bảng 1) Bảng 2 i Phép đo igh Sinigh i gh sinigh gh i i gh igh Lần 1 Lần 2 Lần 3 3. Đo góc chiết quang A của lăng kính và góc lệch cực tiểu 3.1. Xác định góc chiết quang A Tia sáng X 90 90 0 0 Vị trí phải Vị trí trái của của tia phản tia phản xạ xạ X’ Hình 6.6 - Bước 1: Đặt lăng kính lên đĩa ngang sao cho đĩa của lăng kính trùng với tâm đĩa, cố định đĩa quay. - Bước 2: Quan sát tia phản xạ trên mặt bên trái của lăng kính. Đọc giá trị X của tia phản xạ ở mặt bên trái trên đĩa tròn. Ghi giá trị X vào bảng 3. - Bước 3: Giữ nguyên vị trí lăng kính. Làm tương tự như bước 2 để xác định giá trị X’của tia phản xạ ở bên phải của lăng kính (hình 6.6). - Khi đó góc chiết quang A được xác định bởi công thức: Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 39
  43. X X ' A 2 - Bước 4: Ghi giá trị A vào bảng 3. */* Chú ý: Sau mỗi lần đo góc chiết quang A thì đo góc lệch cực tiểu Dmin luôn. 3.2. Xác định góc lệch cực tiểu Dmin - Bước 1: Đặt lăng kính lên đĩa ngang sao cho tia sáng khúc xạ sang bên trái (hình 6.7). Tia sáng tới Y Hình 6.7 Vị trí trái của tia sáng - Bước 2: Sau đó, vừa quay đĩa đặt lăng kính theo chiều kim đồng hồ, mắt vừa theo dõi sự di chuyển của tia khúc xạ cho đến lúc thấy tia khúc xạ này dừng lại rồi di chuyển ngược chiều. - Ứng vói vị trí dừng lại của tia khúc xạ chính là vị trí của lăng kính cho góc lệch cực tiểu. Xác định giá trị Y trên đĩa tròn tại vị trí dừng lại của tia khúc xạ. Ghi giá trị Y vào bảng 3. */*Chú ý: Khi quay đĩa đặt lăng kính, nếu thấy tia khúc xạ khi di chuyển mà không có vị trí nào dừng lại thì quay theo chiều ngược lại. - Bước 3: Quay đĩa đặt lăng kính sao cho tia sáng khúc xạ sang bên phải (hình 6.8). Làm tương tự như bước 2 để xác định giá trị Y’ vào bảng 3. Tia sáng tới Hình 6.8 Vị trí phải của tia Y’ sáng - Góc lệch cực tiểu được xác định bằng biểu thức: Y Y' D min 2 Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 40
  44. - Bước 4: Ghi nhận giá trị Dmin vào bảng 3. 3.3. Kết quả thí nghiệm A D sin min Tính chiết suất của lăng kính: n 2 A sin 2 Ghi nhận giá trị chiết suất n vào bảng 3 Bảng 3 Lần X X’ A Y Y’ Dmin n n n n n n 1 2 3  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Nêu công thức tính chiết suất tỉ đối của thủy tinh. 2. Điều kiện phản xạ toàn phần. Công thức tính góc giới hạn. 3. Tại sao ở mặt cong của bán trụ, chùm tia tới truyền theo phương bán kính lại truyền thẳng? 4. Trình bày khái niệm pháp tuyến của mặt phân cách. 5. Trình bày khái niệm hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. 6. Môi trường thủy tinh và không khí thì môi trường nào là chiết quang hơn, chiết quang kém? 7. Hãy cho biết hiện tượng phản xạ toàn phần là gì? 8. Tại sao khi tia tới chiếu vào mặt cong của bản thủy tinh và truyền theo phương bán kính thì lại truyền thẳng? 0 9. Từ công thức tính chiết suất của lăng kính, cho n = 1,5; Dmin = 40 , tính A? 0 10. Từ công thức tính chiết suất của lăng kính, cho n = 1,5; A = 60 , tính Dmin? Tài liệu giảng dạy Thực hành Vật lý đại cương A2 41
  45. TÀI LIỆU THAM KHẢO  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC: - Giáo trình Vật lý đại cương A2, Nguyễn Văn Sáu. 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 thí nghiệm Điện học – Bộ môn Vật lý – Khoa Sư Phạm – trường Đại học Cần Thơ. - Tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm Quang học – Bộ môn Vật lý – Khoa Sư Phạm – trường Đại học Cần Thơ.  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN: - Giáo trình Vật lý đại cương A2, Nguyễn Văn Sáu. 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 A2 42