Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI 1: KHẢO SÁT HỆ VẬT CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾNQUAY XÁC ĐỊNH MOMEN QUÁN TÍNH CỦA BÁNH XE VÀ LỰC MA SÁT Ổ TRỤC BÀI 2: XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH Bài 3: KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT ĐỘNG. XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CPCV CỦA CHẤT KHÍ BÀI 4: NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT ỐNG DÂY THẲNG DÀI ĐO CẢM ỨNG TỪ B VÀ KHẢO SÁT PHÂN BỐ CỦA B DỌC THEO CHIỀU DÀI ỐNG DÂY BÀI 5: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO VÂN TRÒN NEWTON BÀI 6: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG BỨC XẠ NHIỆT
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THỰC HÀNH VẬT LÝ Giảng viên môn : Ts Trần Thị Ngọc Dung Giảng viên hướng dẫn : Ths Trần Văn Tiến Lớp : VP2014/2 Nhóm : Thành viên: Nguyễn Ngọc Trọng Nghĩa MSSV:1412458 Nguyễn Thành Danh MSSV: 1410496 Vũ Đăng Trí MSSV: 1414239 TPHCM 18-06-2015 MỤC LỤC BÀI 1: KHẢO SÁT HỆ VẬT CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN-QUAY XÁC ĐỊNH MOMEN QUÁN TÍNH CỦA BÁNH XE VÀ LỰC MA SÁT Ổ TRỤC I Cơ sở lý thuyết: II Trả lời câu hỏi III Kết thí nghiệm BÀI 2: XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH 11 I Cơ sở lý thuyết : 11 II Trả lời câu hỏi 12 III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 16 Bảng 1: 16 Vẽ đồ thị (H5): 17 Xác định chu kỳ dao động lắc thuận nghịch: 18 Tính gia tốc trọng trường 18 Viết kết phép đo gia tốc trọng trường: 18 Bài 3: KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT ĐỘNG XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CP/CV CỦA CHẤT KHÍ 19 Ý nghĩa vật lý nguyên lý đo 19 Trả lời câu hỏi 21 Báo cáo thí nghiệm 26 BÀI 4: NGHIÊN CỨU TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT ỐNG DÂY THẲNG DÀI ĐO CẢM ỨNG TỪ B VÀ KHẢO SÁT PHÂN BỐ CỦA B DỌC THEO CHIỀU DÀI ỐNG DÂY 28 I Cơ sở lý thuyết 28 II TRẢ LỜI CÂU HỎI 30 III Kết thí nghiệm 33 BÀI 5: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO VÂN TRÒN NEWTON 40 I Nguyên lý: 40 Giao thoa cho hệ vân tròn Newton: 40 Các công thức: 40 II Trả lời câu hỏi: 41 III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 43 BÀI 6: KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG BỨC XẠ NHIỆT 45 I Cơ sở lý thuyết : 45 Định luật Stefan- Boltzmann xạ nhiệt cân : 45 Phương pháp thực nghiệm : 45 II Trả lời câu hỏi 47 III Kết thí nghiệm 49 BÀI 1: KHẢO SÁT HỆ VẬT CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN-QUAY XÁC ĐỊNH MOMEN QUÁN TÍNH CỦA BÁNH XE VÀ LỰC MA SÁT Ổ TRỤC I Cơ sở lý thuyết: Xét hệ vật (Hình bên) Ban đầu, bánh xe M không quay nặng m đứng yên vị trí A có độ cao h1 so với vị trí thấp B nó, nên dự O1 trữ hệ vật mgh1 Khi ta thả cho hệ vật chuyển động tác dụng trọng lực P mg , nặng m chuyển động tịnh tiến từ A đến B với gia tốc a , đồng thời bánh xe M tác dụng mômen lực P tạo ra, quay quanh trục với gia tốc góc Trong trình chuyển động này, mgh1 hệ O2 M A C h1 h2 m vật chuyển dần thành động tịnh tiến mv / nặng m, động quay I / bánh xe (với I mô men quán tính bánh xe trục quay) phần bị tiêu hao để thắng B a P công lực ma sát Ams f ms h hai ổ trục O1O2 Áp dụng định luật biến đổi bảo toàn hệ vật chuyển động quay-tịnh tiến đoạn đường AB = h1 , ta có : mg.h1 = mv I + + fms.h1 2 (1) v vận tốc dài nặng m vị trí B vận tốc góc tương ứng bánh xe M vị trí đó, fms lực ma sát hai ổ trục O1O2 Khi tới vị trí thấp B, bánh xe M tiếp tục quay theo quán tính, nặng m sau trình tương tác với dây treo xảy khoảng thời gian t ngắn làm véc tơ vận tốc đổi chiều ( tương tự trình va chạm đàn hồi), chuyển động lên cao Kết làm cho sợi dây lại tự vào trục quay nâng nặng m lên đến vị trí C có độ cao h2, với ( h2 < h1) Tại vị trí C, hệ vật mgh2 < mgh1 Như vậy, độ giảm hệ vật đoạn đường ABC có độ dài tổng cộng (h1+ h2) có giá trị công cản lực ma sát hai ổ trục O1O2 , tức : mgh1 - mgh2 = fms ( h1 + h2 ) fms = mg suy : h1 h2 h1 h2 (2) Vì nặng m chuyển động thẳng nhanh dần đoạn đường AB = h1 khoảng thời gian t , nên vận tốc v vị trí thấp B có giá trị : v= 2.h1 t (3) Vận tốc v vận tốc dài điểm trục quay bánh xe M thời điểm t , liên hệ với vận tốc góc bán kính r trục quay hệ thức v .r , nên ta có : 2.h1 4.h1 t.r t.d (4) với d 2.r đường kính trục O1O2 Thay (3) (4) (5) vào (2), ta tìm mômem quán tính I bánh xe trục quay : I m.d h2 g t h ( h h ) 1 1 (5) Trong thí nghiệm này, biết khối lượng m (kg) nặng ta xác định lực ma sát fms (N) ổ trục quay mômen quán tính I (kg.m2) bánh xe theo công thức (2) (5) cách đo đường kính d (mm) trục quay, thời gian chuyển động t(s) hệ vật đoạn đường AB độ dài đoạn đường h1 (mm), h2 (mm) hệ vật II Trả lời câu hỏi Mô tả thiết bị thí nghiệm phương pháp xác định mômen quán tính bánh xe lực ma sát ổ trục Nêu ý nghĩa mômen quán tính đơn vị đo Thiết bị thí nghiệm gồm: Bộ thiết bị vật lý BKM – 050 Cấu tạo (Hình 2.1), gồm : - Giá đỡ G thép ống inôc, cao 1,20 m gắn thẳng đứng đế thép Đ có vít chỉnh thăng bằng; H - Bánh xe khối lượng M có trục quay đặt tựa hai ổ trục F O1O2 - Sợi dây dài l không dãn, có đầu buộc vào trục quay G M bánh xe, đầu buộc nặng, quấn thành lớp xít trục quay này; m T - Thước thẳng milimét T QĐ - Cổng quang QĐ dịch chuyển dọc theo thước T ; Đ - Hộp điều khiển khởi động Đ (có nút bấm F-3- 2- 1) cổng quang điện QĐ nối với máy đo thời gian số MC-964, dùng tự động đo khoảng thời gian chuyển động nặng m; Hình 2.1 Thước kẹp 0150mm, xác 0,02mm; Máy đo thời gian số MC - 964 Cổng quang điện hồng ngoại; Dây tín hiệu có hai đầu phích chân * Phương pháp: Đo khối lượng m (kg) nặng ta xác định lực ma sát fms (N) ổ trục quay mômen quán tính I (kg.m2) bánh xe theo công thức (2) (5) cách đo đường kính d (mm) trục quay, thời gian chuyển động t (s) hệ vật đoạn đường AB độ dài đoạn đường h1 (mm), h2 (mm) hệ vật * Ý nghĩa: Mô men quán tính đại lượng vật lý (với đơn vị đo SI kilôgam mét vuông kg.m2) đặc trưng cho mức quán tính vật thể chuyển động quay , tương tự khối lượng chuyển động thẳng Khi tiến hành phép đo, phải quấn sợi dây treo nặng m trục quay bánh xe thành lớp xít ? Nếu quấn sợi dây thành nhiều vòng chồng chéo lên có không ? Khi tiến hành phép đo phải quấn sợi dây treo nặng m trục quay bánh xe thành lớp xít để đảm bảo cánh tay đòn lực căng ⃗ bán kính r trục Còn quấn sợi dây mà có nhiều vòng chồng chéo lên làm cho cánh tay đoàn không ổn định dẫn đến công thức (4) không chấp nhận, tính ổn định quay giảm 3.Vì xem trình tương tác nặng dây treo làm đổi chiều vận tốc nặng vị trí thấp B trình va chạm đàn hồi? Vận dụng kiến thức vật lý biết để mô tả giải thích diễn biến trình Ta xem trình tương tác nặng dây treo làm đổi chiều vận tốc nặng vị trí thấp B trình va chạm đàn hồi thả nặng xuống rới vị trí thấp B, sợi dây nhả với chiều dài cực đại, dây không dãn nên nặng bị dây giữ lại, trình tương tự vật va chạm với tường (xem có M>>m), vật tốc nặng sau va chạm là: ( ) ≈− ′ = Do vật m tiếp tục chuyển động lên với vận tốc v Trong thí nghiệm này, sai số chủ yếu Giải thích ? Trong thí nghiệm này, sai số ngẫu nhiên sai số chủ yếu Ở sai số phép đo độ dài Do hạn chế khả giác quan người dẫn đến thao tác nhấn nút F để hãm phanh không chuẩn, điều kiện làm thí nghiệm không ổn định Kết thí nghiệm III Bảng 3.1 m = 241.5 0,1 (10-3 kg ) - Khối lượng nặng : - Độ xác thước kẹp : 0,02 ( mm) - Độ xác máy đo thời gian MC-964 : 0,001 ( s) - Độ xác thước milimét T : ( mm) h1 = 732 ( mm) - Độ cao vị trí A : d d t t h2 h2 ( mm) ( mm) ( s) ( s) ( mm) ( mm) 8,22 0,004 7,163 0,103 615 2 8,2 0,024 7,167 0,099 612 8,24 0,016 7,357 0,091 614 8,24 0,016 7,413 0,147 611 8,22 0,024 7,232 0,034 613 TB 8,224 0,128 7,266 0,095 613 1,2 Lần đo Chú ý : Sai số tuyệt đối đại lượng đo trực tiếp d , t, h2 xác định tổng sai số dụng cụ sai số trung bình lần đo : d ( d ) dc d = t ( t ) dc t = h2 ( h2 ) dc h2 = 0,02 + 0,001 0.128 + + = 0,095 = 1,2 = 0,14 (mm) 0,096 2,2 (s) (mm) (Sai số dụng của h2 mm h2 = ZC- ZB mà Z ta sai lệch mm nên tổng sai số dụng cụ 1mm) 3.1 Tính lực ma sát ổ trục - Sai số tỉ đối trung bình : fms m g 2.(h1.h2 h2.h1) 0,1 g 2.(732.1,2 613.1) g 0,01 0,019 0,019 2% 2 2 m g 241,5 g 732 613 g 9,81 fms h1 h2 - Giá trị trung bình : f ms mg h1 h2 732 613 0, 2415.9,81 0, 2096( N ) 732 613 h1 h2 - Sai số tuyệt đối : f ms f ms 0, 02.0, 2096 0, 0042( N ) - Kết phép đo lực ma sát fms : f ms f ms f ms 0, 2096 0, 0042( N ) 3.2 Tính mômen quán tính I bánh xe : Trong công thức ( ) , số hạng gt I mg h2 >> nên coi gần : h1.(h1 h2 ) h2 t.d h1 ( h1 h2 ) (6) suy : - Sai số trung bình mômen quán tính I : δ ΔI Δm Δg 2.h1 h2 h Δd Δt Δh1 Δh2 m g h1 h2 h1 I h2 t d 0,1 0,01 732 0,14 0, 096 2.732 613 1, 6,5% 241,5 9,81 732 613 732 613 8, 224 7, 266 - Giá trị trung bình mômen quán tính I : t d 7, 266.8, 224.103 h2 0, 613 0, 2415.9,81 I mg 0,732.(0, 732 0, 613) h1 (h1 h2 ) 0,0013 (kg.m2) - Sai số tương đối trung bình mômen quán tính I : ΔI δ.I 0, 065.0, 0013 0, 000086(kg.m2 ) - Kết đo mômen quán tính I : I I ΔI 0, 0013 0, 000086(kg.m2 ) 10 100 0,007 1/50 0,566 10 0,72 0,7 2,86 0.15 100 0,007 1/50 0,566 20 1,45 1,4 3,57 0.30 100 0,007 1/50 0,566 12 0,832 0,8 Nhận xét : Các giá trị B tính theo công thức (1-14) kết đo thực nghiệm gần Kết xác tính theo (1-3) Như thực nghiệm kiểm nghiệm công thức lý thuyết (1-14) mức xác cao Giả thử ta có khung dây gồm N vòng có diện tích S , đặt từ trường B cho mặt phẳng khung vuông góc với vec tơ cảm ứng từ B Từ thông gửi qua khung, B vuông góc với mặt phẳng khung dây : d NBS (1- 6) (1-7) dt Nếu khung dây nối với điện trở tải R, điện trở khung dây r, theo định luật Ohm, dòng điện i chạy khung xác định : d i Rr R r dt (1-8) q idt d R r Rr (1-9) 38 Lấy đạo hàm theo t ta có: E N S B0 cos t = - E0 cost (1-13) Trong E0 biên độ SĐĐ cảm ứng E Đo E0 , ta xác định biên độ cảm ứng từ B0 B0 E0 N S ( 1-14) Giá trị B0 tương ứng với dòng điện I0 chạy qua ống dây , với : I 2.I I : cường độ hiệu dụng dòng điện xoay chiều 39 BÀI 5: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO VÂN TRÒN NEWTON I Nguyên lý: Giao thoa cho hệ vân tròn Newton: Giao thoa cho hệ vân tròn Newton tượng giao thoa sóng ánh sáng truyền qua nêm không khí Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc bước sóng λ vuông góc với mặt phẳng phẳng thuỷ tinh P, tia sáng phản xạ từ mặt R mặt nêm không khí giới hạn thấu kính phẳng-lồi L phẳng thủy tinh P giao thoa với nhau, tạo thành hệ L P dk vân sáng vân tối hình tròn đồng tâm nằm xen kẽ - gọi “hệ rk ri vân tròn Newton” (Hình 7.1) Các công thức: Hiệu quang trình tia phản xạ: ∆ = + (1) Hình 7.1 (dk: độ dày nêm không khí) Khi ∆ = (2 + 1) , với k = 0, 1, 2, ta có cực tiểu giao thoa, ứng với độ dày : = (2) Gọi R bán kính mặt lồi thấu kính L Vì =( ) (5) Với B = r + r , b = r − r 40 II Trả lời câu hỏi: 2.1 Định nghĩa nêu rõ điều kiện để có giao thoa ánh sáng Định nghĩa: Hiện tượng giao thoa ánh sáng tượng gặp hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp, kết trường giao thoa xuất vân sáng vân tối xen kẽ Điều kiện: tượng giao thoa ánh sáng xảy sóng ánh sáng kết hợp (những sóng ánh sáng có hiệu pha không đổi theo thời gian) 2.2 Giải thích tượng giao thoa cho nêm không khí, tạo thành hệ vân tròn Newton Tại thí nghiệm này, ảnh giao thoa lại hệ vân tròn đồng tâm? Giải thích: Nếu chiếu chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng vuông góc với mặt phẳng thủy tinh P tia sáng phản xạ từ mặt mặt nêm không khí giao thoa với Hiệu quang trình tia phản xạ hai mặt nêm không khí vị trí ứng với độ dày dk bản: ∆ = + Đại lượng xuất ánh sáng truyền qua nêm không khí tới mặt bị phản xạ mặt phẳng thủy tinh P có chiết quang không khí Khi ∆ = (2 + 1) , với k = 0, 1, 2, ta có cực tiểu giao thoa, ứng với độ dày: = Gọi R bán kính mặt lồi thấu kính L Vì dk > TP bỏ qua T pn so với T n áp dụng hệ thức (8) Khi đồ thị biểu diễn quan hệ E tg= n lnT T hệ trục toạ độ lôgarit kép (Hình 1.2) đường thẳng có độ dốc n: ln E = n ln T + const (10) 46 Giá trị n xác định từ thực nghiệm cho phép ta rút kết luận định luật Stefan- Boltzmann có nghiệm vật xám hay không II Trả lời câu hỏi Nêu định nghĩa xạ nhiệt Thế xạ nhiệt cân ? -Khi vật bị kích thích tác dụng nhiệt, vật phát xạ lượng dạng sóng điện từ : tượng xạ nhiệt -Sự phát xạ sóng điện từ làm cho lượng vật giảm, dẫn tới nhiệt độ vật giảm : để trì, cần liên tục cung cấp lượng cho vật Nói cách khác: Hấp thụ lượng nhiệt phát xạ lượng dạng sóng điện từ hai trình xảy đồng thời tương xạ nhiệt trì Bức xạ nhiệt xảy điều kiện nhiệt độ vật không thay đổi gọi xạ nhiệt cân Phân biệt hệ số phát xạ đơn sắc suất phát xạ toàn phần Nói rõ ý nghĩa vật lý đơn vị đo đại lượng -Năng suất phát xạ toàn phần vật nhiệt độ T: đại lượng trị số lượng lượng xạ toàn phần đơn vị diện tích vật phát đơn vị thời gian nhiệt độ T: = ∅ (W/m2) -Trong RT suất phát xạ toàn phần nhiệt độ T, lượng xạ toàn phần nhiệt độ T -Hệ số phát xạ đơn sắc vật nhiệt độ T: đại lượng đặc trưng cho mức độ mang lượng nhiều hay xạ đơn sắc ,T = (W/m3) -Mối quan hệ RT r , T : RT r , T .d Phân biệt vật đen tuyệt đối vật xám Phát biểu viết biểu thức định luật Stefan-Boltzmann xạ nhiệt cân vật đen tuyệt đối 47 -Nếu đơn vị thời gian, xạ nhiệt đơn sắc có bước sóng từ đến d gửi tới diện tích dS vật nhiệt độ T dE(, T ) , dS hấp thụ phần lượng dE’(l, T),khi đó, tỷ số : ( , T ) dE '( , T ) dE ( , T ) gọi hệ số hấp thụ đơn sắc vật nhiệt độ T xạ nhiệt bước sóng -Theo định nghĩa, vật hấp thụ hoàn toàn lượng xạ nhiệt truyền tới gọi vật đen tuyệt đối (hay vật đen lý tưởng) Vật đen tuyệt đối có hệ số hấp thụ a( ,T) = ứng với Trong thực tế có vật xám, vật hấp thụ phần lượng xạ nhiệt truyền tới chúng Đối với vật xám, hệ số hấp thụ a( ,T)