CHUYÊN ĐỀ THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

Du xích được chia làm 100 vạch, vạch số 0 vượt quá vạch 6 trên thước chính, vạch số 75 trùng với 1 vạch nào đó trên thước chính thì độ dày của mẫu: tiến theo thước chính một đoạn a.. Mặt

CHUYÊN ĐỀ THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

Chuyên đề 1: PHÉP ĐO ĐỘ DÀI THƯỚC KẸP, PANME

chính được chia đều tới mm và một

thước phụ có thể trượt dọc trên thước

chính gọi là du xích

Khi n vạch trên du xích có độ

dài bằng n− 1 vạch trên thước chính

Khi đó ta có: (n−1 )a=n b

a: Giá trị một đơn vị độ dài trên thước chính

b: Giá trị một đơn vị độ dài trên du xích

Độ chính xác của thước kẹp: a b a

n

δ = − =

Cách đọc thước kẹp: Khi hai hàm A và hàm B khít nhau thì vạch 0 của

thước chính trùng với vạch 0 của du xích

Nếu ta kẹp mẫu đo vào giữa hai

hàm A và hàm B thì chiều dày của mẫu

chính bằng khoảng cách giữa hai vạch 0

của thước chính và du xích

Giả sử vạch số 0 trên thước chạy

trùng vượt quá vạch thứ m trên thước

chính, và vạch thứ k của thước chạy

trùng với một vạch nào đó trên thước chính thì chiều dày của mẫu sẽ là:

Ví dụ: Đơn vị độ dài trên thước chính là a = 1mm Du xích được chia làm

100 vạch, vạch số 0 vượt quá vạch 6 trên thước chính, vạch số 75 trùng với 1 vạch nào đó trên thước chính thì độ dày của mẫu:

tiến theo thước chính một đoạn a

Nếu trên thước vòng có khắc n

khoảng thì khi quay trụ một khoảng

thì nó tịnh tiến một đoạn:

a

mm n

δ = đây chính là độ

chính xác của panme

Cách đo: Muốn đo độ dài một vật, ta đặt nó

giữa hai má của thước rồi xoay trống cho đến khi hai

má áp chặt vật Giả sử vạch thứ k trên thước vòng

trùng với đường kẻ thẳng trục của thước, cạnh của

thước vòng vượt quá vạch thứ m trên thước chính

Độ dày của vật được đọc như sau:

Cầu kế có độ chính xác cao tới 0,005 ÷

0,001mm chủ yếu được sử dụng để đo độ dày của

bản mỏng và bán kính cong của các mặt cầu

Cầu kế gồm có 3 chân cố định và một đĩa

tròn gắn chặt với ốc động nằm thẳng đứng giữa 3

chân cố định Thước thẳng được gắn thẳng đứng

trên giá của ba chân có chia tới nửa mm Vị trí số

Hình 3 Cấu tạo của một panme A: Đầu cố định, B: Ốc vi cấp (đầu dịch chuyển)

M: Trống, N: Mũ quay

M

Hình 4 Cách đọc panme

Hình 5 Cầu kế

0 của thước được để ở giữa để tiện đo cả bán kính mắt cầu lồi và lõm Trên đĩa tròn có khắc các vạch thước vòng (n vạch) Mũ quay để điều chỉnh tiếp xúc làm nâng cao độ chính xác khi đo

Độ chính xác của cầu kế: a(mm)

n

Cách đo:

- Đo bề dày bản mỏng: Đặt bản mỏng dưới ốc động, không để 3 chân tĩnh

tì lên bản mỏng Đọc trị số giống như cách đọc của panme

- Đo bán kính cong của mặt cầu: Đặt cầu kế lên trên mặt cầu cần đo sao

cho 3 chân tĩnh và chân động đều tiếp xúc với mặt cầu Mặt phẳng đi qua 3 điểm mũi nhọn của chân cầu kế cắt mặt cầu theo một

- Để xác định r, ta lấy vết 4 chân cầu kế trên

một tờ giấy trắng, đo khoảng cách từ chân động tới

3 chân kia rồi lấy giá trị trung bình: 1(1 2 3)

- Đo độ dày bản nhựa

- Đo đường kính trong, ngoài, chiều cao hình trụ bị khoét rỗng rồi tính thể tích hình trụ đó

Kết quả:

- Độ chính xác của thước kẹp: δ =

- Vị trí 0 của thước kẹp: ……

Hình 6 Đo bán kính cong của mặt cầu

Vật hình trụ rỗng Lần TN Độ dày bản nhựa

- Ghi kết quả: Độ dày bản nhựa

- Ghi kết quả: Thể tích hình trụ rỗng, kết quả và sai số

2 Panme

- Đo đường kính viên bi xe đạp

- Đo đường kính sợi dây đồng

- Đo đường kính đũa thủy tinh

- Đo độ dày bản mỏng: lưỡi dao cạo

- Đo bán kính trong và ngoài của mặt cầu thủy tinh

Kết quả:

- Độ chính xác của cầu kế: δ =

- Vị trí 0 của cầu kế

Mặt cầu thủy tinh Lần TN Bản mỏng

- Ghi kết quả: độ dày bản mỏng

- Tính bán kính R, ghi kết quả và sai số 0 của cầu kế

Hình 7 Phương pháp cân Menđêlêep

Chuyên đề 2: PHÉP ĐO KHỐI LƯỢNG CÂN CHÍNH XÁC

Cân phân tích thường được dùng để xác định khối lượng của một vật với

độ chính xác cao Độ chính xác của cân phân tích thường là 1mg đến 0,1 mg

1 Nguyên tắc của phương pháp cân thường

Nếu cánh tay đòn bên trái của cân là l1, cánh tay đòn bên phải của cân là 2

l ; Khối lượng của đĩa cân và quang cân bên trái là m1, khối lượng của đĩa cân

và quang cân bên phải là m2 Khi đặt vật có khối lượng X lên đĩa cân bên trái và các quả cân có khối lượng M lên đĩa cân bên phải sao cho đòn cân thăng bằng thì tổng mô men ngoại lực tác dụng lên đòn cân

2 Nguyên tắc của phương pháp cân Menđêlêep

Trong trường hợp biểu thức:

 không thỏa mãn Ta sẽ sử dụng phương pháp cân Menđêlêep để

xác định khối lượng của vật cần tìm

Trên đĩa cân bên trái đặt một vật có khối lượng lớn hơn vật cần cân, gọi là

bì Bì có khối lượng là B Trên đĩa cân bên phải đặt vật cần cân và một vài quả nặng có khối lượng bằng M1, sao cho đòn cân thăng bằng Khi đó ta có:

3 Tìm điểm O thực của cân: Tính độ nhạy của cân

Điểm O thực của cân tức là vị trí của kim khi cân không tải ở vị trí cân

bằng Nhẹ nhàng vặn hãm để kim cân dao động tự do trong giới hạn từ 5 – 10 vạch trên thang chia độ Nếu gọi a a a1, ,3 5 là các độ lệch phải liên tiếp của kim;

Xác định giá trị một độ chia bằng cách đặt một quả cân nhỏ khối lượng

m(mg) lên một đĩa cân và xác định giá trị cân bằng mới của kim ( )a Giá trị a cũng được tìm với công thức tương tự như trên

Giá trị một vạch chia:

0

m

a a− (mg/độ

chia) Nghịch đảo giá trị một độ chia gọi là

độ nhạy của cân

III Thực hành

1 Tính độ nhạy của cân không tải

- Kiểm tra tình trạng của cân và các

quả cân

- Xác định vị trí 0 thực của cân

- Tính độ nhạy của cân không tải

2 Các chú ý khi cân

- Trước khi cân phải hiệu chỉnh lại cân

sao cho cân thăng bằng Hiệu chỉnh bằng các vít ở chân để cho quả rọi nằm đúng vị trí giữa

- Hiệu chỉnh lại các gia trọng ở hai đầu đòn cân để sao cho kim của cân dao động trong khoảng giữa khi cân không tải cân bằng

Hình 8 Cân Menđêlêep

- Hiệu chỉnh lại các điểm tựa nằm đúng vị trí, tránh bị xô lệch

- Khi cân, lúc đặt mẫu hay quả cân thì cần vặn hãm lại để cho đĩa cân không đung đưa Sau khi đặt xong mẫu rồi thì đóng cửa kính lại để tránh gió rồi

mới từ từ vặn hãm ra (chú ý vặn hãm ra phải thật từ từ)

- Đặt quả nặng có khối lượng lớn vào trước Nếu cân nghiêng về phía đĩa

có quả nặng thì bỏ quả đó ra rồi cho quả nặng có khối lượng nhỏ kế tiếp vào Nếu cân nghiêng ngược lại thì ta lại tiếp tục bỏ thêm quả nặng có khối lượng nhỏ kế tiếp Làm lần lượt từ quả nặng có khối lượng lớn nhất đến quả có khối lượng nhỏ nhất

- Tránh tì tay lên bàn trong quá trình cân để tránh làm rung cân

- Không được di chuyển vị trí của cân sau khi đã hiệu chỉnh

3 Xác định khối lượng của vật bằng 2 phương pháp: Cân thường và cân

Menđêlêep – Áp dụng cân một miếng nhựa và một khối trụ

Chuyên đề 3: NGHIÊN CỨU CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON

- Trong trường hợp vật chịu một lực tác dụng không đổi thì vận tốc của

vật là một hàm số của thời gian Trường hợp này gọi là chuy ển động thẳng biến đổi đều

Hình 9 Nghiên cứu định luật II Newton

Nếu bỏ qua ma sát, gia tốc a của hệ vật này theo định luật II Newton sẽ bằng:

(m1 +m2).a=m g1 Suy ra: 1

1 2

m

m m

= +

2 Chuyển động trên đệm không khí

Đệm không khí là một hộp kim loại dài, một đầu được bịt kín và một đầu được nén với bơm nén khí Trên mặt hộp có những lỗ nhỏ được phân bố đều nhau để khí nén phụt ra ngoài

Một xe thí nghiệm được đặt trên mặt hộp để khảo sát chuyển động Khi bơm khí nén vào hộp, các luồng khí nén thoát ra từ các lỗ nhỏ, nâng xe trượt khỏi mặt hộp, tạo ra

Hình 10 Sơ đồ thí nghiệm xe chuyển động trên đệm không khí P: Máy nén khí; Đ 1 ,Đ 2 : Các cảm biến 1 và 2; C: Cái chắn sáng;

X: Xe chuyển động; G: Giá đỡ; T: Thước

với vật nặng Khối lượng này có thể thay đổi trong quá trình làm thí nghiệm Vật nặng để tạo gia tốc của xe trong quá trình làm thí nghiệm

Khi xe chuyển động qua cảm biến, thanh sắt nhỏ gắn trên xe có độ rộng 3

s mm

∆ = sẽ chắn sáng giữa đèn hồng ngoại trên cảm biến trong khoảng thời gian ∆t Khoảng thời gian này sẽ được máy đo thời gian tự động ghi lại

III.Thực hành

1 Nghiệm lại định luật II Newton

Điều chỉnh vị trí của đệm không khí sao cho xe thăng bằng, ma sát coi như bằng 0

- Điều chỉnh lại đúng chế độ của máy đo thời gian RESET lại thời gian trước khi đo

- Đặt cảm biến D1 cách đầu hộp kim loại 40cm, cảm biến D2 cách cảm biến D1 30cm

- Nối xe với một quả cân có khối lượng m, phía dưới đặt giá đỡ cách khoảng 15 – 20 cm (khi xe nằm ở vị trí đầu hộp kim loại)

- Cho bơm hoạt động

- Thả cho xe chuyển động dưới tác dụng của quả nặng m Khi quả nặng chạm vào giá đỡ thì xe không còn lực tác dụng, vì vậy xe lúc này chỉ chuyển động theo quán tính và giữ nguyên vận tốc

- Đọc thời gian trên máy đo thời gian Tính được vận tốc tương ứng của

xe tại các điểm đặt D1 và D2: 1

1

s v t

2 Nghiệm lại định luật chuyển động thẳng biến đổi đều

- Bỏ giá đỡ, để cho xe chuyển động nhanh dần đều dưới tác dụng của trọng lực

- Tính được vận tốc tương ứng của xe tại các điểm đặt D1 và D2

- Tính gia tốc của xe

- Thay đổi vị trí cảm biến D2, thực hiện tương tự

- So sánh các giá trị a đo được với 1

1 2

m

m m

= + và rút ra kết luận

Chuyên đề 4: XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY CỦA NƯỚC ĐÁ

1 Khái niệm chung

Khi nhận nhiệt từ môi trường, nhiệt

độ của vật sẽ tăng lên Nhiệt độ cần cung

cấp cho một đơn vị khối lượng của một chất

để nó tăng lên 1K gọi là nhiệt dung riêng

của chất đó

Đối với chất rắn, khi nhiệt độ được

truyền cho vật thì nhiệt độ của vật sẽ tăng

lên cho đến khi vật rắn bắt đầu nóng chảy

Nếu tiếp tục truyền nhiệt lượng thì nhiệt độ

của vật không tăng nữa mà nhiệt lượng được

truyền đó có tác dụng phá vỡ mạng tinh thể

của vật rắn, làm cho vật rắn bắt đầu chuyển sang thể lỏng

Nhiệt nóng chảy của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp cho một đơn vị

khối lượng chất ấy nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy Đơn vị: J/kg

2 Xác định nhiệt nóng chảy của nước đá

Để xác định nhiệt nóng chảy của nước đá, ta lấy một khối nước đá có khối lượng m1, có nhiệt độ 0

1 0

T = C cho vào khối nước lã có khối lượng m2, nhiệt độ

là T2 Nước lã sẽ truyền

nhiệt cho khối nước đá, làm

cho khối nước đá tan Kết

m: khối lượng của nhiệt lượng kế và que khuấy C: Nhiệt dung riêng của nước C= 4,186kJ kg K/

λ: Nhiệt nóng chảy của nước đá

*

C : Nhiệt dung riêng của nhiệt lượng kế và que khuấy Với nhiệt lượng kế của phòng thí nghiệm, ta có thể coi nhiệt lượng kế và que khuấy là tương đương với 20g nước ở nhiệt độ của nước ban đầu Khi đó:

với m* 20 = g

Nếu trong trường hợp không tính đến sự đóng

góp của nhiệt lượng kế và que khuấy thì phương

III Thực hành

1 Các chú ý khi dùng nhiệt lượng kế

- Nhiệt lượng kế có thành cách nhiệt, cấu tạo như một phích nước

- Không được làm rơi hoặc va chạm mạnh Không được để các vật nặng lên nhiệt lượng kế

- Trên nắp nhiệt lượng kế có một lỗ nhỏ để cắm nhiệt kế, một vợt được sử dụng để khuấy hỗn hợp nước đá cho hỗn hợp đồng đều

2 Các chú ý khi dùng cân

- Chú ý khối lượng lớn nhất mà cân có thể cân được

- Không được để rây nước vào cân

- Khi tắt cân, nhấn vào nút ON/OFF cho đến khi xuất hiện chữ OFF

3 Xác định nhiệt nóng chảy của nước đá

- Cân nhiệt lượng kế (không có nắp).Ghi giá trị khối lượng m của nhiệt lượng kế Phép đo lặp lại 3 lần

Hình 13 Thiết bị xác định nhiệt nóng chảy

Nhiệt lượng kế

Bình nhiệt lượng kế

Que khuấy

Đá

- Đổ khoảng 150 – 200 ml nước vào bình nhiệt lượng kế (1/2 bình) Cân khối lượng m2+m Lặp lại 3 lần

- Đậy nắp nhiệt lượng kế lại, cắm nhiệt kế vào Dùng que khuấy để khuấy đều trong khoảng 2 đến 3 phút Ghi lại nhiệt độ ban đầu của nước: T2 Lặp lại 3 lần, mỗi lần cách nhau 30s

- Mở nắp nhiệt lượng kế, cho khoảng 50g đá ở nhiệt độ T vào

- Đóng nắp nhiệt lượng kế, cắm nhiệt kế vào Khuấy đều hỗn hợp trong nhiệt lượng kế cho đến khi đá tan hết Đo nhiệt độ của hệ từ lúc bắt đầu khuấy cho đến khi hệ đạt nhiệt độ ổn định thì ngừng đo Nhiệt độ T cuối cùng được xác định 3 lần Mỗi lần đo nhiệt độ cách nhau 30s

- Rút nhiệt kế ra, bỏ nắp nhiệt lượng kế

- Đo khối lượng m+m1+m2 Lặp lại 3 lần

- Tính nhiệt nóng chảy của nước đá theo công thức:

- Hiệu ứng từ tổng trở là một dạng của hiện tượng cảm ứng điện từ Bản chất

của hiệu ứng này là sự thay đổi của tổng trở xoay chiều Z dưới tác dụng của từ

trường ngoài

- Tuy nhiên, trong thời kì đầu mới phát hiện, người ta thấy sự thay đổi của

tổng trở Z là không nhiều, nên hiệu ứng này vẫn chưa thu hút được sự quan tâm của

các nhà khoa học Đến năm 1994 khi L.V Panina phát hiện ra sự thay đổi rất lớn của tổng trở duới tác dụng của từ trường trong dây dẫn vô định hình nền Co, được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

- Ở Việt Nam, hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - GMI được bắt đầu nghiên cứu

từ năm 2001 đến nay tại Phòng thí nghiệm Vật liệu từ vô định hình và Nano tinh thể, Viện Vật lý kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà Nội Các kết quả nghiên cứu tập trung trên hệ vật liệu từ siêu mềm hiện đại: Vô định hình nền Co và nano tinh thể nền Fe (finemet) được chế tạo bằng công nghệ nguội nhanh

- Khi cho dòng điện xoay chiều có tần số ω chạy qua dây dẫn có từ tính, dòng điện này sẽ sinh một từ trường biến thiên Htvuông góc với dây dẫn Từ thông

sinh ra do sự biến thiên của Ht làm xuất hiện trong dây dẫn dòng điện cảm ứng i’ có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ trường

Ht Mặt khác Ht từ hóa dây theo phương

ngang làm xuất hiện độ từ thẩm theo phương

ngang µt Khi ta đưa từ trường ngoài Hext một

chiều song song với trục của dây dẫn thì từ

trường này sẽ làm thay đổi quá trình từ hoá

theo phương ngang

Xuyến

Cảm biến

Hình 15 Cấu tạo cảm biến đo dòng GMI

2 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng tổng trở khổng lồ

a) Ảnh hưởng của độ từ thẩm lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Như đã biết độ từ thẩm hiệu dụng µt theo phương ngang là hàm của tần số ω

và từ trường ngoài Hext Đối với các vật dẫn phi từ µ ∼ 1, từ trường tác động lên độ thẩm từ gần như không đáng kể, có thể bỏ qua Do đó tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số Nhưng đối với các vật liệu từ mềm có độ từ thẩm rất lớn ( µ ∼ 104),

độ từ thẩm thay đổi mạnh theo từ trường và tần số, kéo theo sự thay đổi mạnh tổng

trở Z khi từ trường và tần số thay đổi

b) Ảnh hưởng của độ dày thấm sâu bề mặt lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Mặt khác hiệu ứng GMI còn liên hệ đến hiệu ứng bề mặt (đại lượng đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt là độ thấm sâu - δ ) Ở tần số cao, độ thấm sâu δ nhỏ, dòng điện chỉ phân bố trên một lớp rất mỏng ở bề mặt dây dẫn có nghĩa là dòng điện bị cản trở mạnh (tổng trở lớn) và ngược lại

III Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến đo dòng GMI

Cảm biến đo dòng GMI

gồm hai phần: cảm biến GMI

được chế tạo từ vật liệu vô

định hình nền Co và xuyến hở

với mục đích tập trung từ

trường tại khe, cảm biến được

ghép vào khe này

Nguyên lý hoạt động

của cảm biến đo dòng GMI là

khi cho dòng điện chạy qua

xuyến sẽ sinh ra từ trường

chạy trong xuyến và được tập

trung tại hai đầu khe từ

Theo hiệu ứng GMI, tổng trở của cảm biến GMI bị thay đổi, xác định sự thay đổi tổng trở của cảm biến GMI sẽ xác định được cường độ dòng điện ban đầu Với