Đề thi thực hành vật lý quốc tế 2015 bài 2

Với các sóng đó, lực hồi phục tác dụng lên phần tử chất lỏng dao động một phần là do trọng lực, một phần là do sức căng bề mặt.. Với các sóng có bước sóng ngắn hơn nhiều so với bước sóng

Giới thiệu

Sự hình thành và lan truyền sóng trên bề mặt chất lỏng là một hiện tượng quan trọng và đã được nghiên

cứu kĩ Với các sóng đó, lực hồi phục tác dụng lên phần tử chất lỏng dao động một phần là do trọng lực,

một phần là do sức căng bề mặt Với các sóng có bước sóng ngắn hơn nhiều so với bước sóng tới hạn

c , ảnh hưởng của trọng lực là có thể bỏ qua và ta chỉ cần xem xét đến hiệu ứng căng bề mặt

( = 2 , với σ là suất căng bề mặt, ρ là khối lượng riêng của chất lỏng và g là gia tốc trọng trường)

Trong phần này, ta sẽ nghiên cứu sóng căng bề mặt có bước sóng nhỏ hơn c trên bề mặt chất lỏng Sự

căng bề mặt là một tính chất của chất lỏng khiến cho bề mặt chất lỏng thể hiện như một màng bị kéo

căng Khi mặt chất lỏng bị kích thích, thì kích thích đó truyền đi giống như một sóng trên một màng

Một bộ rung được dùng để tạo sóng trên mặt nước Khi một chùm laze chiếu là tới những sóng bề mặt

này, sóng có tác dụng như một cách tử phản xạ, tạo ra một hình ảnh nhiễu xạ xác định

Các sóng căng bề mặt này bị tắt dần (biên độ của sóng giảm dần) khi lan truyền ra xa nguồn Sự tắt dần

này được gây nên bởi sự nhớt của chất lỏng, dẫn đến hiện tượng các lớp chất lỏng sát nhau chống lại

chuyển động tương đối giữa chúng

Mục tiêu

Dùng hiện tượng nhiễu xạ từ các sóng căng bề mặt trên mặt nước để xác định suất căng bề mặt và độ

nhớt của mẫu nước được cấp

Dụng cụ

[1] Máy đo ánh sáng (được kết nối với bộ sensor ánh sáng)

[2] Bộ sensor ánh sáng lắp với thước kẹp đặt trên

đế của màn hứng ảnh

[3] Máy tính bảng (dùng làm máy phát sóng hình sin)

[4] Đồng hồ đa năng hiện số [5] Hộp điều khiển máy rung [6] Bệ gỗ

[7] Ray để dịch chuyển bộ sensor ánh sáng [8] Nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được [9] Vặn vít lục giác, thước dây và thước nhựa Hình 1: Bệ gỗ và các dụng cụ

[10] Thước, nẹp và vạch đánh dấu vị trí bộ rung [11] Bộ rung

[12] Khay nước [13] Tấm phủ bằng nhựa [14] Bộ phận điều chỉnh độ cao của bộ rung [15] Laze số 2

(Bước sóng L = 635 nm, 1nm = 10-9 m) [16] Mẫu nước dùng trong thí nghiệm [17] Ống đong hình trụ 500 ml Hình 2: Bộ rung /laze

Mô tả dụng cụ

a) Máy tính bảng dùng làm nguồn phát sóng hình sin

[18]: Núm bật tắt [19]: Núm tăng [20]: Núm giảm [21]: Ổ nạp điện [22]: Ổ cắm dây nối Audio từ hộp điều khiển bộ rung [5]

Hình 3: Các núm và ổ nối trên máy tính bảng Chú ý  Luôn luôn nạp điện cho máy tính bảng

 Bấm nhẹ núm bật tắt nguồn một lần để hiển thị màn hình khởi động

 Giữ mức tín hiệu phát ra cực đại bằng cách sử dụng núm tăng [19]

Chạm và kéo biểu tượng [23]

để mở khóa

Chạm vào biểu tượng [24]

để khởi động máy phát dao động hình sin

Hình 4: Màn hình khởi động của tablet

[25]: Núm chọn dạng sóng (luôn luôn giữ ở “SIN”) [26]: Thanh trượt điều chỉnh biên độ

[27]: Thanh trượt điều chỉnh tần số [28]: Vùng hiển thị giá trị của tần số [Hz]

[29]: Thanh chỉ thị và chuyển trạng thái của ứng dụng

“OFF” – máy phát sóng hình sin bị tắt

“ON” máy phát sóng hình sin đang bật Hình 5: Máy phát sóng hình sin

Để thay đổi tần số

 Chạm vào vùng chỉ giá trị tần số [28] (Hình 5) để làm hiện bảng nhập số

 Dùng phím backspace [30] để xóa giá trị tần số

 Nhập tần số cần dùng, rồi chạm vào phím “Finished” [31]

Hình 6: Màn hình có bảng số để nhập giá trị tần số

Để thay đổi biên độ

 Dùng thanh trượt điều chỉnh biên độ [26] trên màn hình máy tính bảng hoặc núm điều chỉnh [33] trên hộp điều khiển bộ rung [5] để thay đổi biên độ sóng phát ra

[32]: Ổ cắm để nối dây vào đồng

hồ đa năng

[37]: Thanh rung Hình 10: Laze số 2 [15] (gắn trên đế kim

loại) và dây nối [42]

[33]: Núm điều chỉnh biên độ của

sóng hình sin

[38]: Chân cắm của dây nối từ

bộ rung [34]: Ổ cắm cho dây nối với bộ

[35]: Chân USB để nối với nguồn

điện một chiều có thể điều chỉnh

được

[39]: Núm chọn AC(xoay chiều)/DC(một chiều)

[43]: Núm chọn cường độ (giữ ở vị trí

“High”)

[36]: Chân cắm Audio để nối với

máy tính bảng

[40]: Núm chọn thang đo

[44]: Ổ USB để cắm với chân USB từ hộp điều khiển bộ rung

[41]: Các ổ cắm đầu vào

[45]: Ổ cắm để nối với laze số 2

Hình 7: Hộp điều khiển bộ rung

[5]

Hình 9: Đồng hồ đa năng hiện

số [4]

Hình 11: Nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được [8]

[36][22] [38][34] [41][32] [35][44] and [42][45]

Hình 12: Kết nối giữa máy tính bảng, hộp điều khiển bộ rung và nguồn điện một chiều

c) Bộ sensor ánh sáng và máy đo ánh sáng

[46]: Lỗ tròn trên sensor ánh sáng

[47]: Núm bật tắt của máy đo ánh sáng

[48]: A, B, C – Núm chọn thang đo

Gắn một hàm của thước kẹp vào khe ở phía sau sensor ánh sáng

Xiết chặt vít bằng cái vặn vít lục giác

Hình 13: Bộ sensor ánh sáng và máy đo ánh sáng Hình 14: Lắp bộ sensor ánh sáng

Điều chỉnh ban đầu

Hình 15: Tháo tấm

phản xạ bên phải

Hình 16: Các vít

đế chạm vào thanh gỗ

Hình 17: Vị trí đúng của thanh rung và núm đen điều

chỉnh độ cao

1 Tháo dây nối laze số 1 ra và cắm dây nối laze số 2 vào ổ ở nguồn điện một chiều Chú ý: laze số 2 đã

được điều chỉnh với góc tới xác định Không được chạm vào laze!

2 Tháo tấm phản xạ bên phải dùng trong E-I bằng cách vặn núm dưới bệ gỗ (Hình 15)

3 Tháo màn hứng ảnh dùng trong E-I và lắp bộ sensor ánh sáng vào đế giữ màn hứng ảnh Đặt đế vào

giữa hai thanh ray dẫn đường

4 Đặt bệ gỗ [6] sao cho các vít đế của nó chạm vào thanh gỗ gắn trên mặt bàn thí nghiệm (Hình 16)

5 Mở mặt bên của tấm nhựa của bộ phận laze/bộ rung Rót đúng 500 ml nước vào khay [12] bằng cách

dùng ống đong hình trụ [17]

6 Bật laze Xác định vị trí của vệt sáng laze phản xạ trên mặt nước tới sensor ánh sáng Khi em dịch

chuyển bộ sensor ánh sáng dọc theo ray, vị trí vệt sáng laze phải dịch chuyển theo phương thẳng đứng

mà không bị lệch theo phương nghiêng so với phương thẳng đứng Bằng cách chỉnh nhẹ bệ gỗ theo

phương ngang và dịch chuyển bộ sensor ánh sáng theo phương thẳng đứng, em có thể đưa vệt sáng laze

đúng vào lỗ tròn trên sensor ánh sáng Cường độ chỉ trên máy đo ánh sáng là cực đại nếu như tâm của

vệt sáng laze trùng với tâm của lỗ tròn

7 Thanh rung đã được bố trí đúng ở vị trí thẳng đứng KHÔNG ĐƯỢC điều chỉnh núm đen [14] (Hình

17)

8 Bộ rung có thể dịch chuyển theo phương nằm ngang Vạch đánh dấu cho ta vị trí của bộ rung trên

thước [10]

9 Khi lấy số liệu, cần đóng mặt bên của tấm nhựa để bảo vệ mặt nước khỏi các dòng không khí

Thí nghiệm

Phần C: Đo góc  giữa tia laze và mặt nước

Hình 18: Đo góc 

C1

Dịch chuyển bộ sensor ánh sáng với các bước thích hợp dọc theo đường ray Ghi lại độ dịch chuyển

theo phương X của bộ sensor ánh sáng và độ dịch chuyển Y tương ứng của vệt sáng laze Ghi các

số liệu vào Bảng C1 (Chọn thang đo thích hợp trên máy đo ánh sáng)

1.0 C2 Vẽ đồ thị thích hợp (gọi là Đồ thị C1) và xác định góc  tính ra độ, từ độ dốc của đường biểu diễn 0.6

Phần D: Xác định suất căng bề mặt  của mẫu nước cho trước

Từ lí thuyết nhiễu xạ, có thể chứng minh rằng

trong đó, = 2 là số sóng của sóng căng bề mặt,

w và L tương ứng là các bước sóng của sóng căng bề mặt và của laze

 là khoảng cách góc giữa cực đại trung tâm và cực đại bậc 1 (Hình 19)

Tần số dao động (f) của sóng liên hệ với số sóng k theo công thức

trong đó, = 2 ,  là khối lượng riêng của nước và q là một số nguyên

Hình 19: Sơ đồ nguyên lí của thí nghiệm

1 Cố định bộ sensor ánh sáng (dùng núm vặn ở đế màn hứng ảnh) tại vị trí như thấy trên Hình 1

Chọn thang đo thích hợp trên máy đo ánh sáng

Nhiệm

vụ

Mô tả

Điểm D1

Đo khoảng cách l1 giữa lỗ tròn trên sensor ánh sáng và mép ngoài của khay nước Em sẽ nhìn thấy một

đoạn thẳng tại vị trí tia laser chạm vào mặt nước Điểm chính giữa của đoạn này là điểm tới của tia

laser Đo l2 là khoảng cách giữa điểm này và mép của khay Tìm L Ghi kết quả vào phiếu trả lời

0.3

2 Chỉnh vị trí của bộ rung sao cho vạch đánh dấu nằm tại điểm 7.0 cm trên thước [10]

3 Đặt tần số của sóng hình sin ở 60 Hz và điều chỉnh biên độ của nó sao cho cực đại bậc 1 và bậc 2

hình ảnh nhiễu xạ được quan sát rõ (hình nhỏ trong Hình 19)

Nhiệm

vụ

Mô tả

Điểm D2 Đo khoảng cách giữa các cực đại bậc 2 ở trên và ở dưới cực đại trung tâm Từ đó tính x1 Ghi các số

liệu vào Bảng D1 Lặp lại bằng cách tăng tần số lên từng khoảng thích hợp 2.8 D3

Xác định những biến thích hợp để vẽ một đồ thị mà độ dốc của đường biểu diễn cho ta giá trị của q

Ghi giá trị của các biến này vào Bảng D2 Vẽ đồ thị để tìm q (gọi là Đồ thị D1) Viết phương trình 2

với giá trị nguyên thích hợp của q

0.9

D4

Từ phương trình 2, hãy xác định các biến thích hợp để vẽ một đồ thị mà độ dốc của đường biểu diễn

cho ta giá trị của  Ghi giá trị của các biến này vào Bảng D3 Vẽ đồ thị để tìm  (gọi là Đồ thị D2)

( =1000 kg.m-3)

1.2

Phần E: Xác định hệ số tắt dần  và độ nhớt  của chất lỏng

Sóng căng bề mặt bị tắt dần do sự nhớt của nước Biên độ sóng, h, giảm theo hàm mũ của khoảng cách,

s, đo từ bộ rung,

trong đó, h0 là biên độ tại vị trí dao động và  là hệ số tắt dần

Bằng thí nghiệm, người ta đã liên hệ biên độ h0 với điện áp (Vrms) đặt vào bộ rung như sau,

ℎ ∝ ( ) . (4)

Hệ số tắt dần liên hệ với độ nhớt của chất lỏng theo công thức

= (5) trong đó là  độ nhớt của chất lỏng

1 Chỉnh vị trí của bộ rung sao cho vạch đánh dấu nằm tại 8.0 cm

2 Đặt tần số ở 100 Hz

3 Điều chỉnh sensor ánh sáng bằng cách dùng thước kẹp sao cho cực đại bậc 1 của hình ảnh nhiễu

xạ rơi vào lỗ tròn của sensor

4 Điều chỉnh biên độ của sóng hình sin (Vrms) sao cho giá trị đọc được trên máy đo ánh sáng là

100 ở thang A Ghi lại giá trị Vrms đó

5 Dịch bộ rung ra khỏi điểm tới của laze theo từng bước 0.5 cm và chỉnh Vrms để máy đo ánh sáng

chỉ 100 Ghi lại các giá trị Vrms tương ứng

Nhiệm

vụ

Mô tả

Điểm

E2 Vẽ một đồ thị thích hợp (gọi là Đồ thị E1) và xác định hệ số tắt dần  từ độ dốc của đường biểu diễn 1.0