Giáo trình thực hành cơ nhiệt đại cương

đường kính ngòai D và đường kính trong d của ống hình trụ rỗng.bảng 1 sau đó dùng công thức để tính thể tích các vật trên và ghi vào Bảng 1 Bảng 1 Hình hộp Hình trụ Ống trụ m d1mm và hì

BÔÔ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ



GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH CƠ NHIỆT ĐẠI CƯƠNG LỚP: ………

GV hướng dẫn: Sinh viên thực hiê Ôn: Đỗ Đăng Trình ………

Ngày sinh:………

Mssv:………

SĐT:………

Nhóm………

Tổ ………

THÁNG 10 NĂM 2017 BÀI 1 ĐO LƯỜNG CƠ BẢN

Ảnh

Phần 1 – Thước kẹp và Panme

1- Mục đích

Đo chiều dài bằng thước kẹp và Panme

2-Dụng cụ

1- Thước kẹp có sai số đo 0,02mm

2- Panme có sai số đo 0,01mm

3- Mẫu vật đo: Hình hộp, hình trụ, hình trụ rỗng

3- Lý thuyết

Nguyên tắc cấu tạo thước kẹp

Thước kẹp là hệ thước kép có hai hàm A,B (Hình 1) Hàm A đứng yên gắn liền với thước dài L1, hàm B (di động) gắn với que E

và thước nhỏ L2 gọi là du xích Trên thước dài L1 chia từng milimét

và đánh số từng centimét (hoặc 10mm), trên du xích có 50

khoảng chia và được đánh số từ 0 đến 10.

Khi hai hàm A,B cách nhau một khoảng là d, thì d bằng phần

ló ra của que E và chính là khoảng cách từ vạch 0 của thước dài L1đến vạch 0 của du xích L2.

Cách đọc kết quả của thước kẹp

Muốn đo kích thước của vật ta đặt vật giữa hai hàm AB rồi khẻ đẩy hàm B cho hai hàm áp sát vào vật; hoặc muốn đo độ sâu một

lổ trong vật ta cho que E vào lổ đó đến khi que E chạm vào đáy, lúc này ốc D thả lỏng Khoảng cách giữa hai hàm A, B là kích thước của vật bằng khoảng cách d giữa vạch 0 của thước dài L1 và vạch 0 của du xích L2.

* Phần milimét đọc trên thước dài L1: Vạch cần đọc là vạch ở

d

d d

B

phía trái và gần vạch không của du xích nhất

* Phần thập phân (phần lẻ sau dấu phẩy) đọc trên du xích L2: Vạch cần đọc là vạch trùng với một vạch khác trên thước thường.

Ví dụ: Hình 2 trên ta có phần nguyên là 9mm Phần thập

phân đọc tại vạch 3,4 nên có giá trị là 0,34 mm Vậy kết quả cuối cùng d = 9,34mm.

Nguyên tắc cấu tạo Panme

Panme gồm một thanh A hình trụ tròn gắn chặt với một đầu của đai sắt hình chử U Phần bên phải là một hệ các phần tử di động được gồm thanh B gắn liền với hệ thước vòng L2, ống D và núm giảm lực E Khi ta xoay ống D hoặc núm E làm cho hệ di động này có thể chuyển động sang trái hoặc phải Khi ống D quay hết một vòng thì hệ di động sẽ di chuyển được một khoảng 0,5mm Khi đó mép ống D (nơi có thước vòng L2) sẽ trượt qua hoặc ngược lại trên thước thẳng L1 Khoảng cách giữa hai mặt thanh A và B bằng với khoảng cách từ vạch không của thước L1 đến mép của thước tròn L2.

Thước thẳng L1 có chiều dài 25 mm chia theo 0,5 mm và được đánh số từng 5mm Các vạch 0mm; 1mm; … nằm ở phía trên đường kẻ dọc của L1 Các vạch 0,5mm; 1,5mm; … nằm ở phía dưới đường kẻ dọc của L1.

Cách đọc kết quả trên Panme

Muốn đo kích thước của một vật ta đặt vật ấy vào giữa hai thanh A, B Lúc đầu ta vặn ống D đi vào cho nhanh Khi thanh B đã gần chạm vào vật, để bảo đảm cho hai dầu thanh A, B kẹp chặt vật mà không làm biến dạng vật lúc đó ta không vặn hình trống D nửa mà chuyển sang vặn núm E Khi vật đã bị kẹp chặt thì dù núm

E vẫn được quay nhưng thanh B vẫn không tiếp tục tiến vào nữa Đến lúc núm E phát ra tiếng kêu lách tách thì dừng lại.

d1 (phần nguyên) đọc trên thuớc thẳng L1 (tính theo mm): vạch cần đọc là vạch ở phía trái và ở gần mép của hình trống C nhất (có thể là vạch phía trên hoặc vạch phía dưới của đường kẻ dọc).

d2 (phần lẻ) đọc trên thước vòng L2 (tính theo 0,01mm): vạch cần đọc là vạch trùng với đường kẻ dọc của thước thẳng L1.

Kết quả của phép đo là d = d1 + d2

Ví dụ: Như hình bên d = d1 + d2 = 8,5mm + (21 x 0,01 mm) =

8,71 mm

Hiệu chỉnh số không:

Nếu hai đầu A, B khít nhau nhưng vạch số không trên thước vòng

L2 chưa tới đường kẻ dọc của thước thẳng L1 thì kết quả đọc được phải trừ đi số phần trăm mm tính từ vạch số không của thước vòng L2 đến dường kẻ dọc.

Nếu hai đầu A, B khít nhau nhưng vạch số không trên thước vòng L2 đi qua đường kẻ dọc của thước thẳng L1 thì kết quả đọc được phải cộng thêm số phần trăm mm tính từ vạch số không của thước L2 đến đường kẻ dọc.

Hình 4

đường kính ngòai D và đường kính trong d của ống hình trụ rỗng.

bảng 1 sau đó dùng công thức để tính thể tích các vật trên và ghi vào Bảng 1

Bảng 1 Hình hộp Hình trụ Ống trụ

m)

d1(mm)

và hình trụ (biết rằng Δd = Δh = Δ i = δ là độ chính xác của các dụng cụ đo)

3) Ghi các kết quả dưới dạng V = ± ΔV (mm3).

4) Tại sao ta phải hiệu chỉnh số không của thước kẹp trước khi

Hình 5

h2

h2

d2

3- Các ống thủy tinh đựng chất lỏng cần đo tỉ trọng.

4- Các mẫu vật đo khối lượng riêng gồm hình hộp, hình trụ, hình trụ rỗng (giống phần 1)

3- Lý thuyết

Khối lượng riêng của một vật rắn là khối lượng một đơn vị thể tích của vật rắn đó Đơn vị Khối lượng riêng là kg/m3

ở đó M là khối lượng và V là thể tích của vật rắn.

Tỷ trọng của chất lỏng là tỷ số giữa khôi lượng riêng chất lỏng đó với khối lượng riêng của nước (thông thường lấy bằng 1000 kg/m3) ở cùng một điều kiện Lưu ý tỉ trọng không có đơn vị.

Dựa trên nguyên lý lực đẩy Archimede, người ta chế tạo ra tỷ trọng kế có dạng một cái phao thả nổi trong chất lỏng cần đo tỷ trọng thường gọi là tỷ phao kế ( Hình 4).

Đặc điểm của loại này là gọn, nhẹ, đơn giản trong

việc chế tạo cũng như sử dụng Tuy nhiên nó thường có độ

chính xác không cao Thực tế, các tỉ phao kế được phân làm

hai loại là loại đo chất lỏng có tỷ trọng nhỏ hơn 1 và loại có

tỷ trọng lớn hơn 1(loại đang dùng).

Để đo tỉ trọng một chất lỏng, ta thả tỷ trọng kế vào

ống trụ chứa chất lỏng, rót thêm chất lỏng vào cho tới khi

đầy ống trụ Hình 6.

Đọc giá trị tỷ trọng trên bảng chia độ tại mực chất

lỏng cắt ngang thang chia độ của tỷ trọng kế.

4- Thực nghiệm

Dùng cân phân tích hoặc có thể dùng cân điện tử để xác định khối lượng hình hộp, hình trụ và hình trụ rỗng từ đó dùng công thức (1) xác định khối lượng riêng của các vật trên, ghi kết qủa vào Bảng 3

Hình 6

Đo tỉ trọng: Thả tỷ trọng kế vào ống trụ chứa chất lỏng cần đo tỉ trọng, rót thêm chất lỏng vào cho tới khi đầy ống trụ Đọc giá trị tỷ trọng trên bảng chia độ tại mực chất lỏng cắt tỉ trọng kế Thực hiện thí nghiệm với ba lần khác nhau ghi lại kết qủa vào Bảng 4

1- Trình bày cách tính sai số khi đo khối lượng riêng.

2- Xác định khối lượng riêng của chất lỏng trong bảng 4?

3- Tỉ trọng kế đang dùng có thể đo được tỉ trọng của rượu không ? Tại sao?

4- Tỉ trọng của nước muối hòa tan như thế nào? Giải thích ?

BÀI 2 ĐO VẬN TỐC TRUYỀN ÂM TRONG KHÔNG KHÍ

I Cơ sở lý thuyết

Sóng âm từ nguồn (loa) truyền trong cột không khí bề dày d trong ống sẽ bị phản

xạ ngược lại Sự giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ sẽ tạo ra sóng dừng với các nút

và bụng dao động có vị trí xác định Vì tại miệng ống coi như một bụng và tại vị trí phản

xạ (mặt pitton) coi như một nút nên sóng dừng xảy ra khi L thỏa:

d=(2 k +1) λ

2với k = 0, 1, 2,…

Có thể xác định vị trí của các nút bằng một micro gắn vào mặt pitton và nối vớidao động nghiệm, khi đó từ dạng tín hiệu quan sát trên dao động nghiệm có thể biếtkhoảng cách d từ miệng ống tới micro thỏa tình huống nào trong các trường hợp sau và dễdàng suy ra khoảng cách L giữa hai nút liên tiếp (L = 2λ ) và do đó suy ra bước sóng vàvận tốc truyền âm trong không khí

Hình 1: Cách xác định bước sóng của sóng âm truyền trong không khí

Dạng tín hiệu quan sát

trên dao động nghiệm

Micro

- Dao động nghiệm

- Ống Kundt bằng thủy tinh đặt trên một giá đỡ

- Loa phát âm thanh và micro gắn liền vô mặt của pitton

- Thước thằng dán trực tiếp lên ống thủy tinh

Hình 2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

- Bố trí thí nghiệm như sơ đồ hình 2

- Cắm điện cho máy phát âm tần và dao động nghiệm Bật công tắt để khởi động haithiết bị này

- Chỉnh tần số của máy phát khoảng 1400Hz bằng cách đọc giá trị tần số trên đồng

hồ đo Hz Chỉnh biên độ âm phát ra từ loa vừa đủ nghe

- Di chuyển micro cho tớii khi trên màn hình của dao động nghiệm hiện tín hiệu có

dạng đoạn thẳng xiên (/), ghi lại vị trí x1 của micro trên thước Tiếp tục di chuyển

micro cho tới khi tín hiệu có dạng (\), ghi vị trí x2 Khi đó khoảng cách

L = |x1−x2| =/2

- Lặp lại thí nghiệm với các tần số 1600Hz, 1800Hz Tính giá trị vận tốc âm tươngứng

III Câu hỏi kiểm tra

1 Nêu định nghĩa của sóng dừng Điều kiện để xuất hiện sóng dừng

Máy phát âm tần

Dao động nghiệm Kênh 1 Kênh 2

Loa Pitton Ống Kundt

2 Nêu các nguyên nhân gây nên sai số chính trong bài thí nghiệm này

BÀI 3 XÁC ĐỊNH MÔMEN QUÁN TÍNH CỦA TRỤ ĐẶC

Hình 1: Mô tả hệ thí nghiệm xác định momen quán tính

0 1 2 3 Hộp điều

Bạc đạn

T M

Thước thẳng Quả

nặng Bánh trớn

Có thể xác định momen quán tính của bánh xe và lực ma sát của

ổ trục quay của nó nhờ bộ thiết bị vật lý có tại phòng thí nghiệm (hình

1) Một bánh xe khối lượng M có trục quay gối lên hai bạc đạn gắn cốđịnh vào khung đỡ dựng thẳng đứng trên hộp chân đế nặng Một sợidây mảnh và không dãn được cuốn xít nhau thành một lớp trên trục

quay: một đầu buộc vào trục, đầu kia treo quả nặng khối lượng m Vị trí của quả nặng m được xác định trên thước thẳng Nhờ bộ điều khiển có

bốn nút bấm 0 -1- 2- 3 nối với máy đếm thời gian hiện số và đầu cảmbiến hồng ngoại, ta có thể dễ dàng khởi động máy và tự động đo

khoảng thời gian chuyển động của hệ vật gồm quả nặng m và bánh xe

M

Lúc đầu, bánh xe M đứng yên và quả nặng m ở vị trí A có độ cao

h 1 so với vị trí thấp nhất của nó tại B và thế năng dự trữ của hệ vật là

mgh 1 Sau đó thả cho hệ vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực

của quả nặng Khi đó quả nặng m tịnh tiến từ A đến B và bánh

xe M quay quanh trục nằm ngang của nó

Thế năng dự trữ mgh 1 của hệ vật chuyển một phần thành động

năng tịnh tiến của quả nặng và động năng quay của bánh xe(kể cả trục quay của nó), phần còn lại dùng để thắng công cản của lực

ma sát trong hai ổ trục quay C1C2

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng đối với hệ vật nói trên chuyểnđộng từ A đến B, ta có:

(2)

trong đó v là vận tốc dài của quả nặng m ở vị trí B, là vận tốc góc và

I là mômen quán tính của bánh xe (kể cả trục quay của nó), còn f ms làlực ma sát trong hai ổ trục quay C1C2 .

Khi tới vị trí thấp nhất B, bánh xe M tiếp tục quay theo quán tínhlàm cho sợi dây lại tự cuốn vào trục quay, nâng quả nặng m lên đến vịtrí C có độ cao h 2 < h 1 Tại vị trí C, thế năng của hệ vật là mgh 2 Độgiảm thế năng của hệ vật trong quá trình chuyển động từ A đến B và từ

B đến C có độ dài tổng cộng là h 1 + h 2 đúng bằng công cản của lực masát trong hai ổ trục C1C2 :

Vì quả nặng m chuyển động thẳng nhanh dần đều trên đoạn

đường AB = h 1 trong khoảng thời gian t, nên vận tốc của nó tại vị trí

thấp nhất B có giá trị bằng:

(4)

Vận tốc v này cũng là vận tốc dài của một điểm trên trục quay

của bánh xe M tại thời điểm t (kể từ khi bánh xe bắt đầu quay) Nó liên

hệ với vận tốc góc và bán kính r của trục quay bởi hệ thức Từ

Vì số hạng nên có thể coi gần đúng:

(7)

Trong thí nghiệm này, cho biết trước khối lượng m của quả nặng

nên ta có thể xác định lực ma sát f ms của ổ trục quay và mômen quán

tính I của bánh xe (kể cả trục quay của nó) theo các công thức ( 3 ) và ( 6 ) bằng cách đo đường kính d của trục quay, thời gian chuyển động t của hệ vật, các độ cao h 1 và h 2 của quả nặng

II Trình tự thí nghiệm

- Cắm điện máy đếm thời gian Nút "Mode" ở vị trí A B và "TimeRange" ở vị trí 9,999 Bật khóa K để mở điện cho máy

- Bấm nút 0 của bộ điều khiển để nhả thắng: bánh xe

M quay và sợi dây cuộn trên trục của nó mở dần ra Giữ

quả nặng m đứng yên ở vị trí thấp nhất B của nó Nhìn thẳng góc vàođáy quả nặng và ghi giá trị Z B của nó trên thước milimét

- Quay nhẹ bánh xe M để sợi dây treo quả nặng m cuốn vào trụcquay của bánh xe thành một lớp xít nhau cho tới khi đáy của quả nặng

m nằm ở vị trí cao nhất A tùy ý chọn trước (nên chọn sao cho quả nặngkhông đụng vào bánh xe M) Bấm nút 1 của bộ điều khiển để “thắng”bánh xe đứng yên tại vị trí A Đọc giá trị trên thước milimét giá trị ứngvới đáy quả nặng m là Z A Khi đó độ cao của đáy quả nặng m tại vị trí A

bằng:

0 1 2 3

(7)

- Bấm “Reset” trên mặt máy đếm thời gian để các chỉ thị hiện số

chuyển về 0

- Nhấn nút 3 của bộ điều khiển, có hai việc xảy ra đồng thời là

“thắng” của bánh xe M được nhả ra, bánh xe + quả nặng bắt đầuchuyển động và kích đồng hồ thời gian bắt đầu tính giờ Ngay sau đó,bấm tiếp nút 2 của bộ điều khiển để đóng mạch của cảm biến hồngngoại, đặt cảm biến ở trạng thái chờ đón quả nặng Khi quả nặng m rơi

xuống đến vị trí thấp nhất B (trùng với vị trí cảm biến) thì máy đo thời

gian ngừng đếm Khoảng thời gian chuyển động t của hệ vật ta xét trên đoạn đường từ A đến B có độ dài h 1 = Z B – Z A sẽ hiện thị trên cửa sổ

“Thời gian”

- Tiếp tục theo dõi chuyển động đi lên của quả nặng m đến khi nó

đạt tới vị trí C có độ cao cực đại thì bấm nút 1 của bộ điều khiển để

“thắng” bánh xe M lại Nhìn thẳng góc vào đáy quả nặng và ghi giá trị

Z C của nó trên thước milimét, tương tự như đối với vị trí A đã nói ở trên.Khi đó độ cao của đáy quả nặng m tại vị trí C có giá trị bằng:

- Ghi giá trị của khoảng thời gian chuyển động t của hệ vật và giá trị của độ cao h 2 vào bảng số liệu Bấm “Reset” trên mặt máy đo thời

gian để các chỉ thị hiện số chuyển về số 0

- Thực hiện lặp lại 5 lần các thao tác trên và ghi vào bảng số liệu

2 Đo đường kính d của trục bánh xe M bằng thước kẹp

Dùng thước kẹp để đo đường kính d của

trục bánh xe (là thanh inox cuốn sợi dây) Đặt

trục bánh xe vào khoảng giữa hai hàm kẹp như

hình 2 Cách đọc thước kẹp được chỉ dẫn chi tiết ở bài mở đầu Thực

hiện động tác này 5 lần Đọc và ghi giá trị d của mỗi lần đo vào bảng số

liệu

Hình 2

III Câu hỏi kiểm tra

1 Phát biểu và viết phương trình cơ bản của chuyển động quay của vậtrắn quanh một trục cố định Nêu ý nghĩa của mômen quán tính và đơn

4 Nói rõ nguyên tắc cấu tạo của thước kẹp và của du xích thẳng Trìnhbày cách sử dụng thước kẹp để đo độ dài hoặc đường kính của các vật

5 Trong bài thí nghiệm này, sai số nào là chủ yếu Giải thích rõ tại sao?

BÀI 4 ĐO NHIỆT NÓNG CHẢY L CỦA NƯỚC ĐÁ

xuống t2 trong khi nước đá tan và tăng nhiệt độ từ 0 0 tới t

Nhiệt lượng do bình nhiệt lượng kế và nước toả ra:

Q 1 = (mc + Mc’)(t 1 – t 2 )

với c’ : nhiệt dung riêng của bình nhiệt lượng kế

Nhiệt lượng do nước đá hấp thụ để tan và tăng nhiệt độ lên t0

Nhiệt kế điện tử có sai số 0,1C

Cân hai đĩa và bộ quả cân

Đồng hồ bấm giờ

Hình 1: Bố trí các dụng cụ trong bài thí nghiệm.

II Trình tự thí nghiệm

1 Xác định khối lượng của nhiệt lượng kế và đũa khuấy: cân đã được chỉnh thăngbằng Đặt nhiệt lượng kế và đũa khuấy lên đĩa cân bên trái, tiến hành cân như trong hình 2

ta sẽ có được khối lượng m của chúng

Hình 2: Lần cân thứ nhất xác định khối lượng nhiệt lượng kế và đũa khuấy

2 Cho vào nhiệt lượng kế một lượng nước khoảng hơn một nửa bình Đo nhiệt độcủa nước bằng cách thả đầu dò vào nhiệt lượng kế Ghi lại nhiệt độ t1 này Ghi nhiệt độphòng tptại nhiệt kế gần bàn giáo viên Dùng nước ấm trong bình đun pha thêm vào sao

cho nhiệt độ của nước trong nhiệt lượng kế cao hơn nhiệt độ phòng 3C.

Hình 3: Lần cân thứ hai xác định khối lượng nước

Bình cách nhiệt NLK+ đũa khuấy

Nhiệt kế

NLK + đũa khuấy

m