Tài liệu thực hành môn vật lý 1

Để nâng cao năng lực thực hành, thực tập của sinh viên và đáp ứng yêu cầu đào tạo tín chỉ của Nhà trường đề ra, Bài giảng Thực hành Vật lý 1 được biên soạn nâng cao, sử dụng làm tài liệu

1

ThS NGUYỄN VŨ CẨM BÌNH

Bài Giảng

TÀI LIỆU THỰC HÀNH MÔN VẬT LÝ 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015

2

3

LỜI MỞ ĐẦU

Thí nghiệm thực hành vật lý có ý nghĩa và vai trò quan trọng trong việc

hỗ trợ sinh viên học tập môn Vật lý ở trường đại học Thực hành vật lý không chỉ giúp sinh viên có cái nhìn trực quan nghiệm lại các hiện tượng vật lý cơ bản

mà còn giúp sinh viên rèn luyện phương pháp tư duy, tác phong nghiên cứu khoa học cần thiết phục vụ cho các môn học tiếp sau

Để nâng cao năng lực thực hành, thực tập của sinh viên và đáp ứng yêu cầu đào tạo tín chỉ của Nhà trường đề ra, Bài giảng Thực hành Vật lý 1 được biên soạn nâng cao, sử dụng làm tài liệu học tập và tham khảo trong nội dung môn học Vật lý 1 của Trường Đại học Lâm nghiệp đã được phê duyệt, dành cho sinh viên các khối ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng, Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật công nghệ cơ điện tử, Hệ thống thông tin và Công nghệ vật liệu

Bài giảng gồm có 10 bài thí nghiệm thuộc lĩnh vực Cơ học, Nhiệt học và Điện học Các bài thí nghiệm được chọn lọc đảm bảo mục đích, yêu cầu của môn học Vật lý 1 đồng thời phù hợp với điều kiện trang thiết bị của phòng thí nghiệm Cùng với các bài thí nghiệm, bài giảng đưa vào nội dung lý thuyết sai

số để hỗ trợ sinh viên trong quá trình thí nghiệm và hoàn thiện báo cáo thực hành Cuối bài giảng có phần phụ lục để sinh viên tiện tham khảo, tra cứu

Trong quá trình biên soạn bài giảng Thực hành Vật lý 1 không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự nhận xét đóng góp ý kiến của người đọc để hoàn thiện hơn bài giảng

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các ý kiến đóng góp quý báu và sự hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình biên soạn bài giảng này của GVC.ThS Nguyễn Văn Hòa, GV.ThS Lưu Bích Linh, GV.ThS Bùi Thị Toàn Thư và các đồng chí giáo viên trong bộ môn Vật lý, Khoa Cơ điện và Công trình

Người biên soạn

GV.ThS Nguyễn Vũ Cẩm Bình

4

5

Chương 1

LÝ THUYẾT SAI SỐ 1.1 Giá trị trung bình của các đại lượng đo

1.1.1 Phép đo các đại lượng vật lý

Mỗi tính chất vật lý của các đối tượng vật chất được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý (độ dài, khối lượng, thời gian, nhiệt độ, điện tích…) Để xác định định tính và định lượng các tính chất vật lý, người ta tiến hành phép đo các đại lượng vật lý

Phép đo một đại lượng vật lý là phép so sánh nó với một đại lượng cùng loại được quy ước chọn làm đơn vị đo

Kết quả của phép đo một đại lượng vật lý được biểu diễn bởi một giá trị bằng số kèm theo đơn vị đo tương ứng

Thí dụ: Độ dài của cạnh bàn L = 1,002 m; khối lượng của một vật m = 522 g

Muốn thực hiện các phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết của các phương pháp đo và sử dụng các dụng cụ đo (thước, panme, cân, đồng hồ bấm giây, ampe kế, vôn kế,…) Hiện nay chúng ta đang dùng các đơn vị đo được quy định trong bảng đơn vị đo lường quốc tế SI gồm 7 đơn vị vật lý cơ bản và các đơn vị dẫn xuất khác nhau (xem phụ lục 2)

1.1.2 Giá trị trung bình của các đại lượng đo trực tiếp (hay các đại lượng trung gian)

Các đại lượng trung gian là các đại lượng đo trực tiếp trên dụng cụ, thiết

bị thí nghiệm Với mỗi thí nghiệm, có thể có một hoặc nhiều đại lượng đo trực tiếp khác nhau Mỗi đại lượng đo trực tiếp lại dùng một phương pháp đo cụ thể, quá trình làm thí nghiệm không thể tránh khỏi các sai số nên người tiến hành thí nghiệm thường phải lặp đi lặp lại phép đo để đảm bảo độ chính xác nhất định nào đó Như vậy, kết quả đo đại lượng trung gian thường là một tập hợp các giá trị gần giống nhau, có độ sai lệch nhỏ, trong đó mỗi giá trị tương ứng với một lần thực hiện phép đo Để lấy kết quả gần với kết quả thực, thông thường người

ta chọn giá trị trung bình của các giá trị thu được ở các lần đo làm kết quả của đại lượng đo trực tiếp

Nếu với đại lượng a đo được các giá trị a 1 , a 2 ,…, a n, thì giá trị trung bình

a của đại lượng a đó được tính theo công thức toán học:

6

n

a a

1.1.3 Giá trị trung bình của các đại lượng đo gián tiếp

Nhiều đại lượng không đo được trực tiếp mà phải thông qua việc đo các đại lượng khác rồi dùng công thức tính toán mới ra được kết quả, gọi là các đại lượng đo gián tiếp

Như đã nói ở trên, các đại lượng đo trực tiếp thường lấy giá trị của nó là giá trị trung bình của các lần đo thực nghiệm, nên khi thay vào biểu thức để xác định đại lượng đo gián tiếp, kết quả thu được là giá trị trung bình của đại lượng

đo gián tiếp

Thí dụ: Nhiệt lượng Q tỏa ra trên dây dẫn có dòng điện I chạy qua được

xác định bằng biểu thức của định luật Jun - Lenxơ: Q = R.I2.t thì giá trị trung

bình của nhiệt lượng Q là: Q R.I2.t

1.2 Sai số trong các phép đo

1.2.1 Định nghĩa sai số của phép đo các đại lượng vật lý

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm vật lý, khi đo đếm một đại lượng vật

lý trung gian nào đó, kết quả thu được trong mỗi lần đo có thể khác nhau do nhiều nguyên nhân như độ nhạy và độ chính xác của dụng cụ đo bị giới hạn, khả năng thao tác thí nghiệm của người đo, điều kiện môi trường làm thí nghiệm không hoàn toàn ổn định, lý thuyết của phương pháp đo chỉ là gần đúng,… Điều này cho thấy không thể đo chính xác tuyệt đối giá trị thực của các đại lượng vật

lý cần đo, tức là trong kết quả của phép đo bao giờ cũng có sai số Như vậy khi

đo một đại lượng vật lý, ngoài việc phải xác định giá trị của đại lượng cần đo, còn phải xác định sai số của phép đo Có nhiều loại sai số gây ra bởi các nguyên nhân khác nhau, trong đó ta chú ý đến các loại sai số sau:

 Sai số hệ thống

Sai số hệ thống là sai số làm cho các kết quả đo thay đổi theo một chiều nhất định hoặc tăng hoặc giảm so với giá trị thực

7

Nguyên nhân của sai số này, phần lớn do dụng cụ không chính xác, hoặc

do điều chỉnh không đúng (xác định vạch số 0 của dụng cụ hoặc ngồi chưa đúng vị trí…)

Loại sai số này có thể loại trừ được nhờ khi làm thí nghiệm, người đo có hiểu biết về dụng cụ, tiến hành đo một cách thận trọng, chính xác

 Sai số ngẫu nhiên (hay Sai số bất định)

Sai số ngẫu nhiên là sai số không do một nguyên nhân nhất định nào gây nên Sai số này làm kết quả phép đo thăng giáng ngẫu nhiên có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực

Nguyên nhân của sai số này có thể do giác quan của người làm thí nghiệm, do bản thân đại lượng đo hoặc do ảnh hưởng của môi trường

Sai số này rất khó loại bỏ được, nó đóng vai trò chủ yếu trong sai số của các phép đo Muốn giảm sai số ngẫu nhiên, người làm thí nghiệm phải kiên nhẫn, khéo léo, khách quan và phải tìm hiểu kỹ các dụng cụ đo lường và các đối tượng đo trước khi tiến hành thí nghiệm

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sai số

Ta có thể chia nguyên nhân sai số thành hai loại sau:

a Nguyên nhân khách quan

Nguyên nhân khách quan của sai số biểu hiện ở những mặt sau:

- Do dụng cụ thí nghiệm: Mỗi dụng cụ thí nghiệm dù chế tạo tinh vi đến đâu, cũng có một độ chính xác nhất định Thí dụ: Cân kỹ thuật trong phòng thí nghiệm có độ chính xác là 10-2 gam Nghĩa là với cân này ta không thể phát hiện được khối lượng nhỏ hơn 10-2 gam

- Do bản thân đại lượng đo chứa sẵn một đại lượng không chính xác nhất định

- Do sự thay đổi bất thường của dụng cụ và môi trường xung quanh như ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất,…

b Nguyên nhân chủ quan

Dùng các giác quan của mỗi người để thu nhận những kết quả sẽ không thể tránh khỏi những sai số Nhờ thói quen nghề nghiệp, việc tìm hiểu kỹ các dụng cụ, tiến hành các phép đo cẩn thận có thể loại trừ sai số về mặt này

8

1.3 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp (Đại lượng trung gian)

1.3.1 Sai số của những đại lượng trong phép đo trực tiếp

Sai số của những đại lượng trong phép đo trực tiếp là độ chênh lệch cực đại giữa giá trị trung bình a và các giá trị đo khác nhau a i (i = 1, 2, …, n) và

được biểu diễn dưới dạng:

max

a a

a: sai số trung bình cực đại của phép đo đại lượng a

1.3.2 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp

a Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp

Ta có thể tính sai số và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp theo 4 bước sau:

 Bước 1: Lặp lại nhiều lần phép đo với mỗi đại lượng trung gian a và

ghi các kết quả đo được vào bảng số liệu

 Bước 2: Tính giá trị trung bình a của đại lượng a đã đo

 Bước 3: Tính sai số trung bình cực đại a của phép đo đại lượng a

 Bước 4: Biểu diễn kết quả phép đo

Sau khi tính toán được giá trị trung bình và sai số trung bình cực đại của đại lượng đo trực tiếp, kết quả phép đo được biểu diễn như sau:

a a

a   (đơn vị) (1.3)

b Thí dụ

Đo đường kính của một đoạn dây dẫn

- Kết quả thu được trong bảng số liệu sau:

9

- Tính giá trị trung bình:

) ( 23 , 5 ) ( 22833 , 5 6

24 , 5 21 , 5 25 , 5 20 , 5 23 , 5 24 , 5

mm mm

d        

- Tính sai số trung bình cực đại:

)(03,023,520,

- Chỉ đọc và ghi các kết quả gần nhau, loại trừ các kết quả sai khác quá nhiều

- Mỗi lần đo phải thay đổi điều kiện thí nghiệm đi một chút

Thí dụ: Trong phép đo đường kính dây dẫn, ta có thể chuyển vị trí đo dọc

theo trục của dây dẫn

- Nếu đại lượng a không cho phép đo nhiều lần thì a có thể lấy bằng sai

số đọc Sai số đọc có giá trị bằng nửa độ chia của thiết bị

Thí dụ: a là nhiệt độ được xác định trên nhiệt biểu có độ chia 1/10o thì sai

1.4 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp

1.4.1 Sai số của những đại lượng trong phép đo gián tiếp

a Khái niệm sai số tuyệt đối

Sai số tuyệt đối là sai số của phép đo đại lượng a trong lần đo thứ i là hiệu trị số đúng a và giá trị số đo được a i trong lần đo ấy

i

a  

Sai số tuyệt đối cho ta biết đại lượng đo bị lệch so với giá trị thực bao nhiêu

b Khái niệm sai số tỷ đối

Sai số tỷ đối là tỷ số giữa sai số tuyệt đối a và trị số đúng của đại lượng a:

Sai số tỷ đối cho ta biết mức độ chính xác của phép đo, tức là phép đo sai

số bao nhiêu phần trăm

Thí dụ: Đo nhiệt lượng tỏa ra trên hai dây dẫn ta được kết quả nhiệt lượng

trung bình tương ứng là Q 1 1024 , 5 (J) và Q 2 2075 , 5 (J); sai số tuyệt đối của phép đo lần lượt là Q 1 20 , 5 (J) và Q2  20 , 5J Hai phép đo này có sai số tuyệt đối bằng nhau nhưng sai số tỷ đối của các phép đo khác nhau, tương ứng là:

%10099,05,2075

5,20

%2020,05,1024

5,20

2

2 2

1

1 1

Q

Q Q

đo gián tiếp, chúng ta áp dụng các định lý hoặc áp dụng phép tính vi phân

Chú ý: Điều kiện để áp dụng định lý này là a, b, c phải là những đại

lượng độc lập với nhau

X  . với: aa a; bb b; cc c

Thì:

c

c b

b a

a c b a

Chú ý: Các định lý trên chỉ đúng khi a, b, c là những đại lượng độc lập với

nhau Nếu chúng là đại lượng phụ thuộc nhau ta phải dùng phép tính vi phân

c r b

b m a

a n x

x d

c

b a

x r s

m n

1.4.3 Phương pháp biểu diễn kết quả phép đo bằng đồ thị

Phương pháp biểu diễn kết quả phép đo bằng đồ thị được ứng dụng nhiều trong thí nghiệm vật lý Nhờ có phương pháp này, ta dễ dàng hiểu được toàn bộ diễn biến quá trình biến đổi của hiện tượng ta đang xét, biết được sai số của phép đo

Giả sử đại lượng y và đại lượng x phụ thuộc nhau theo một mối tương quan y = f(x) nào đó mà có thể suy ra từ đồ thị Làm thí nghiệm nhiều lần, cứ mỗi giá trị của x ta có một giá trị y tương ứng

Vì thế trong tọa độ xOy ta có được các cặp điểm (x i , y i ) với i = 1, 2, 3…

tương ứng với các điểm Ai Tuy nhiên do mỗi lần đo x i , y i lại có sai số tương ứng

là x i , y i nào đó nên trên đồ thị hình thành các ô sai số là các hình chữ nhật có

các cạnh là 2x i , 2y i tương ứng, có tâm là các điểm Ai (xem hình 1.1)

Khi vẽ đường cong biểu diễn hàm y = f(x) trên đồ thị này ta phải chú ý

Hình 1.1 Đồ thị minh họa sự phụ thuộc giữa đại lượng

y vào đại lượng x theo mối quan hệ y = f(x)

O

1 Đường cong biểu diễn hàm số y = f(x) phải nhỏ nét, đều và không gãy

khúc đột ngột, vì các hiện tượng vật lý biến thiên liên tục

2 Đường cong y = f(x) không nhất thiết phải đi qua tâm (x i ,y i) của các hình chữ nhật (tất nhiên, nếu đi qua tâm được thì càng tốt) mà chỉ cần đi qua miền của hình chữ nhật sai số và các tâm phân bố đều hai bên đường cong

3 Trường hợp có các hình chữ nhật: thí dụ ô A4 trên hình 1.1 nằm rời ra ngoài tập hợp hình chữ nhật A1, A2,,… An, thì phải coi kết quả đó là sai, ta có thể

bỏ qua ô sai số đó, đường biểu diễn sẽ không đi qua hình đó

4 Điểm gốc đồ thị không nhất thiết phải chọn (0,0) mà có thể chọn bất

kỳ, thang chia tỷ lệ trên mỗi trục tọa độ x, y là tùy ý và thích hợp, có kèm theo

đơn vị đo

1.4.4 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp

a Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp

Ta có thể tính sai số và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp X

theo 4 bước sau:

 Bước 1: Tính giá trị trung bình X của đại lượng đo gián tiếp theo công thức liên hệ với đại lượng đo trực tiếp

 Bước 2: Tính sai số tỷ đối X (Áp dụng các định lý về sai số để đưa

ra công thức tính)

 Bước 3: Tính sai số tuyệt đối X theo công thứcX  X X

 Bước 4: Biểu diễn kết quả phép đo dưới dạng sau:

(%)

X X X

X X X

b Chú ý khi biểu diễn kết quả đại lượng đo gián tiếp

1 Định nghĩa con số có nghĩa: Tất cả các con số tính từ trái sang phải, kể

từ con số khác không đầu tiên đều là các con số có nghĩa

Thí dụ: Số 0,014030 có 5 con số có nghĩa là 1, 4, 0, 3, 0

2 Quy tắc lấy sai số tuyệt đối: Sai số tuyệt đối phải được làm tròn để có

đủ số thập phân cần thiết: Sai số tuyệt đối được làm tròn đến con số có nghĩa đầu tiên nếu con số này  3, và được làm tròn đến 2 con số có nghĩa đầu tiên nếu con số có nghĩa đầu tiên  2 Con số có nghĩa đầu tiên là con số khác 0 đầu tiên

kể từ trái sang phải

(không được viết: X = 0,02 N)

3 Quy tắc lấy sai số tỷ đối: Khi tính sai số tỷ đối, chỉ nên lấy tối đa hai

con số có nghĩa Sai số tỷ đối phải đổi ra phần trăm (%)

Thí dụ:

X = 0,0134 thì khi biểu diễn ta được: X = 1,3%

(không được viết: X = 1,34%)

4 Quy tắc tính sai số của một tích hay thương: Muốn tính sai số của một

tích hay một thương, ta phải tính sai số tỷ đối trước rồi dựa vào định nghĩa sai số

tỷ đối tính ra sai số tuyệt đối

5 Quy tắc làm tròn giá trị trung bình khi biểu diễn kết quả: Giá trị trung

bình phải được viết đến bậc thập phân tương ứng với sai số tuyệt đối

Thí dụ: Đại lượng X tính được X 32,4026(N) và X 0,022(N);

) ( 022 , 0 403 , 32

X X

N X

X X

c Thí dụ về cách tính và biểu diễn sai số với đại lượng gián tiếp

Ta áp dụng với trường hợp tính nhiệt lượng Q tỏa ra trên dây dẫn khi các đại lượng trung gian đo được kết quả:

I = (1,500  0,012) (A);

R = (12,50  0,15) ();

t = (150,0  0,4) (s);

4 , 0 50 , 12

15 , 0 500 , 1

012 , 0 2

R I

I Q

Q Q

thì: Q = 3,1%

 Tính sai số tuyệt đối:

)(10.13,0130)(5,12975,4218.0307,0

) ( 10 ).

13 , 0 22 , 4 (

Q Q

J Q

Q Q



Chương 2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ DỤNG CỤ ĐO 2.1 Cân kỹ thuật

2.1.1 Cấu tạo cân kỹ thuật

Cân kỹ thuật là dụng cụ dùng đo khối lượng các vật trong giới hạn 0 đến

200 g, chính xác tới 0,02 g (hình 2.1)

Cấu tạo của cân gồm đòn cân O1O2 bằng hợp kim cứng và nhẹ, trên đó có khắc các khoảng chia độ bằng nhau từ 0 đến 50 Ở chính giữa thân của đòn cân

có gắn một con dao O hình lăng trụ tam

giác bằng thép cứng, cạnh của dao O

quay xuống dưới và tựa trên một gối đỡ

phẳng, ngang, bằng đá mã não đặt ở đỉnh

của trụ cân Ở hai đầu đòn cân có hai con

dao O1 và O2 giống như dao O, có các

cạnh của dao quay lên phía trên, đặt song

song và cách đều cạnh của dao O nên các

cánh tay của đòn cân OO1 = L1 và

OO2 = L2 có độ dài bằng nhau Hai chiếc móc mang hai đĩa cân giống nhau được đặt tựa trên cạnh của hai dao O1 và O2 Mặt dưới của đế cân có hai vít xoay V dùng điều chỉnh cho trụ cân thẳng đứng

Cân kỹ thuật được đặt trong một tủ kính có thể đóng kín bằng hai cánh ở hai bên thành tủ để tránh ảnh hưởng của gió và bụi Phía dưới mặt đế cân có một núm xoay N dùng để nâng hoặc hạ đòn cân lên xuống theo phương thẳng đứng Khi hạ đòn cân xuống, cạnh của con dao O không tựa vào mặt gối đỡ trên trụ cân: cân ở trạng thái “nghỉ” Khi nâng đòn cân lên, cạnh của dao O tựa trên mặt gối đỡ, đòn cân có thể dao động nhẹ quanh cạnh của con dao O: cân ở trạng thái

“hoạt động” Nhờ một kim chỉ thị K gắn thẳng đứng ở chính giữa đòn cân (phía dưới con dao O) và một thước nhỏ T gắn ở chân trụ cân, ta có thể xác định được trạng thái thăng bằng của cân khi nó ở trạng thái “hoạt động” Trong trường hợp này, đầu dưới của kim K đứng yên hoặc dao động đều về hai phía số 0 của thước T

Kèm theo cân kỹ thuật có một hộp đựng một bộ quả cân (100 g, 50 g, 20

g, 10 g, 5 g, 2 g, 1 g, 500 mg, 200 mg, 100 mg, 50 mg, 20 mg, 10 mg) và một chiếc kẹp dùng để gắp các quả cân Ngoài các quả cân nói trên, còn có một quả

Hình 2.1 Cấu trúc cân kỹ thuật

cân nhỏ gọi là con mã C, có thể dịch chuyển được trên đòn cân dùng để thêm hoặc bớt những khối lượng nhỏ từ 20 mg đến 1000 mg trên đĩa cân bên phải

Thí dụ: Muốn cho thêm vào đĩa cân bên phải 40 mg (tương ứng với giảm

ở đĩa cân bên trái đi 40 mg), ta đùng kẹp gạt dịch chuyển con mã đến vạch số 2 nằm bên phải vạch số 0 trên đòn cân O1O2

2.1.2 Lưu ý khi thao tác trên cân kỹ thuật

- Hiệu chỉnh vị trí nằm ngang của mặt gối đỡ cạnh dao O bằng cách vặn nhẹ vít V phía dưới các đế cân sao cho sợi dây chỉ thị phía sau thước T nằm chính giữa vòng tròn Tránh làm dịch chuyển cân sau khi đã hiệu chỉnh

- Hiệu chỉnh vị trí cân bằng của cân không tải bằng cách vặn nhẹ đối trọng

V1 hoặc V2 ở đầu đòn cân sao cho khi quay núm N (thuận chiều kim đồng hồ) để cân hoạt động thì kim K dao động đều về hai phía hoặc dừng lại ở vạch chính giữa thước T

- Không cầm trực tiếp các quả cân bằng tay, phải dùng chiếc kẹp để gắp các quả cân

- Mỗi khi cho thêm vào hoặc bỏ bớt vật hay các quả cân ra khỏi đĩa cân phải đặt đòn cân ở vị trí “hãm” bằng cách vặn núm quay N ngược chiều kim đồng hồ về tận cùng bên trái

- Chọn các quả cân thích hợp theo đúng thứ tự từ lớn đến nhỏ dần khi cho thêm chúng vào đĩa cân Nếu rút bớt các quả cân ra khỏi đĩa thì làm ngược lại

- Khi cân xong, phải đặt đòn cân ở vị trí “hãm” và đặt các quả cân vào đúng vị trí trong hộp quả cân Lấy vật ra khỏi đĩa cân, đóng kín các cánh tủ

2.1.3 Phương pháp cân

Muốn cân một vật có khối lượng m ứng với trọng lượng P = mg, ta đặt vật

lên đĩa cân bên trái Sau đó, chọn các quả cân theo thứ tự từ lớn đến nhỏ và đặt chúng lên đĩa cân bên phải (kể cả con mã) cho tới khi vặn nhẹ núm xoay N để cân ở trạng thái hoạt động có tải và đòn cân vẫn ở trạng thái cân bằng Khi đó

tổng khối lượng m 0 của các quả cân đặt trên đĩa cân bên phải (kể cả con mã) ứng

với trọng lượng P 0 = m 0 g Áp dụng quy tắc mô men lực đối với cạnh dao O khi

cân hoạt động có tải trọng và đòn cân ở vị trí cân bằng, ta có:

Vì L 1 = L 2 , nên P = P 0 và suy ra:

Như vậy khi cân hoạt động có tải và đòn cân ở vị trí cân bằng thì khối lượng của vật đặt trên đĩa cân bên trái đúng bằng tổng khối lượng của các quả cân đặt trên đĩa cân bên phải (gồm cả con mã trên đòn cân)

2.2 Sơ lược về các loại máy đo điện

Dựa trên nguyên tắc cấu tạo và hoạt động máy đo điện được chia thành các nhóm dưới đây

2.2.1 Máy đo kiểu từ điện

Máy đo kiểu này có cấu tạo và hoạt động dựa trên hiện tượng quay của khung dây dẫn kín có dòng điện khi đặt nó vào trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu

Kim của máy đo được gắn liền với khung (dưới dạng lò xo) Dưới tác dụng của mômen lực từ lò xo xoắn dưới một góc nào đó làm kim quay Khi mômen phản kháng của lò xo cân bằng với mô men lực từ thì kim sẽ đứng yên

Máy đo loại này có những ưu điểm chính sau:

- Độ nhạy và độ chính xác cao, thang chia độ đều, chỉ số ổn định nhanh, không bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài

- Năng lượng tiêu hao nhỏ

- Độ bền cao

Tuy nhiên máy đo loại này có nhược điểm là chỉ đo được dòng điện một chiều Máy đo kiểu từ điện thường dùng: điện kế, ampe kế hay vôn kế đo dòng một chiều

Bảng 2.1 Quy ước một số dụng cụ đo thông thường

Bảng 2.2 Một số ký hiệu trên các dụng cụ đo điện

 Dòng điện xoay chiều

 Dòng điện xoay chiều và một chiều

Dụng cụ đặt đứng

Dụng cụ đặt nghiên góc 

Dụng cụ đặt nằm ngang Điện thế thí nghiệm đối với vật cách điện của dụng cụ 2 KV (2000 V)

Máy đo kiểu từ điện Máy đo kiểu điện từ Máy đo kiểu điện động Máy đo kiểu nhiệt điện

2.2.2 Máy đo kiểu từ điện

Máy đo loại này được chế tạo dựa trên hiện tượng sắt từ bị hút vào miền

từ trường mạnh

Kim của máy đo được gắn vào một trục của cuộn dây, trên trục đó có đính lệch tâm một phiến sắt non Dưới tác dụng của từ trường phiến sắt non sẽ bị hút vào lòng ống dây và làm trục quay, lò xo bị xoắn lại và kim quay

Máy đo loại này có ưu điểm là đo được cả dòng một chiều lẫn xoay chiều, chịu tải tốt Tuy nhiên nó có một số nhược điểm sau:

- Dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài

- Tiêu hao công suất lớn

Một số máy đo thuộc loại này thường dùng là: ampe kế, vôn kế xoay chiều và một chiều

2.2.3 Máy đo kiểu điện động

Hoạt động của máy này dựa trên hiện tượng tác dụng tương hỗ giữa hai dây dẫn có dòng điện chạy qua

Máy gồm hai cuộn dây: cuộn cố định và cuộn động, kim đo gắn với cuộn

động Khi đo dòng điện chạy qua hai cuộn thì cuộn động sẽ quay, làm cho kim

đo quay theo

Máy đo kiểu điện động có ưu điểm là có thể dùng cho dòng điện xoay chiều Tuy nhiên nó có hai nhược điểm lớn: Dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài và tiêu hao nhiều năng lượng (trên các cuộn dây)

Loại máy đo này thường dùng là: ampe kế, vôn kế xoay chiều, pha kế, tần

số kế

2.2.4 Một số loại máy đo điện thường dùng

2.2.4.1 Ampe kế (hoặc miliampe kế)

Để đo dòng điện bằng ampe kế, người ta mắc nối tiếp nó vào mạch theo

Trong đó: R g - điện trở của sơn;

R a - điện trở của ampe kế

Từ (2.3) ta thấy thang đo của ampe kế tăng thêm (n + 1) lần

Cách tính kết quả đo trên ampe kế như sau:

Nếu dùng thang đo có N vạch chia thì giá trị cường độ dòng điện ứng với

vạch cuối cùng là giá trị lớn nhất mà ampe kế đo được, ký hiệu: I max Nếu kim ampe kế chỉ n vạch thì dòng điện có cường độ:

max

I N

n

Thí dụ: Dùng thang đo với I max = 5A, thang đo có 100 vạch Nếu kim

ampe kế chỉ 30 vạch thì cường độ của dòng điện là:

)(5,15.100

Để phép đo được chính xác vôn kế phải có điện trở rất lớn để cường độ dòng qua nó nhỏ không đáng kể Người ta mở rộng thang đo bằng cách mắc thêm một điện trở phụ nối tiếp qua vôn kế

Giống như ampe kế, giá trị Um ứng với vạch cuối cùng của thang đo có N vạch là giá trị hiệu điện thế lớn nhất mà vôn kế có thể đo được Nếu kim của vôn

kế chỉ n vạch thì hiệu điện thế đo có độ lớn là:

n N

U

2.2.4.3 Điện kế gương quay (điện kế xung kích)

Đây là loại dụng cụ kiểu từ điện dùng để đo điện lượng chuyển dời qua một khung dây trong thời gian rất ngắn (xung điện)

Cấu tạo của điện kế xung kích được trình bày như trên hình vẽ 2.5

Khi có một điện lượng Q chuyển dời qua khung, dưới tác dụng của lực

điện từ, khung (và gắn liền với nó là gương) quay đi một góc  Vệt sáng chiếu

từ đèn sau khi phản xạ trên gương sẽ lệch theo một góc đúng bằng , tỷ lệ

thuận với Q:

Trong đó K là hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào cấu tạo của điện kế

Thông thường người ta xác định điện lượng Q trực tiếp qua độ lệch của

2.3 Dụng cụ đo điện (Đồng hồ vạn năng)

2.3.1 Mục đích

Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trước đây Đồng hồ vạn năng hiện số được dùng để đo hiệu điện thế, cường độ dòng điện một chiều, xoay chiều, điện trở, điện dung của tụ điện… Nhờ một núm chuyển mạch để chọn thang đo sao cho phù hợp với đại lượng cần đo

- Tuỳ theo đại lượng đo mà chọn thang đo và các lỗ cắm thích hợp

- Các đồng hồ vạn năng khác nhau thì cách sử dụng có đôi chỗ khác nhau

về chức năng nhưng về cơ bản cách sử dụng là giống nhau Dưới đây là nguyên tắc chung để đo một số đại lượng thông thường:

b Đo cường độ dòng điện

* Đo cường độ dòng điện một chiều DCA

Xoay núm chuyển mạch của

đồng hồ về thang đo dòng điện một

chiều DCA (việc chọn thang đo tuỳ

thuộc vào dòng điện cần đo) Cắm hai

đầu que đo vào “COM” và “10A” hoặc

“20A” hoặc “A”, mắc nối tiếp đồng hồ

với thiết bị cần đo Đọc số chỉ trên màn

hình Nếu trước số chỉ trên màn hình của đồng hồ có dấu (-) ta phải đảo lại vị trí hai que đo

* Đo cường độ dòng điện xoay chiều ACA

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo dòng điện xoay chiều ACA Cắm hai đầu que đo vào “COM” và “10A” hoặc “20A” hoặc “A”, mắc nối tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo Đọc số chỉ trên màn hình

Hình 2.7 Sơ đồ đo cường độ dòng điện bằng đồng hồ vạn năng hiện số

c Đo hiệu điện thế

* Đo hiệu điện thế một chiều DCV

Xoay núm chuyển mạch của

đồng hồ về thang đo hiệu điện thế một

chiều DCV Cắm hai que đo vào hai lỗ

cắm “COM” và VΩ, đưa hai que đo:

que dương vào cực dương; que âm vào

cực âm (mắc song song đồng hồ với

thiết bị cần đo) Đọc chỉ số trên màn

hình Nếu trước số chỉ trên màn hình

của đồng hồ có dấu (-) ta phải đảo lại

vị trí hai que đo

* Đo hiệu điện thế xoay chiều ACV

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo hiệu điện thế xoay chiều ACV Cắm hai que đo vào hai lỗ cắm “COM” và VΩ, đưa hai đầu que đo vào hai điểm cần đo (mắc song song đồng hồ với thiết bị cần đo) Đọc chỉ số hiển thị trên màn hình

2.3.4 Một số lưu ý khi sử dụng đồng hồ đo điện

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất thường là 200 mV và

200 A hoặc 2 mA, được dùng để đo các hiệu điện thế và cường độ dòng điện

một chiều rất nhỏ Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang này Nếu vô ý để

hiệu điện thế hoặc dòng điện lớn gấp 5 - 10 lần giá trị thang đo này, có thể gây

ra hư hỏng cho đồng hồ Vì vậy, các quy tắc nhất thiết phải tuân thủ khi sử

dụng đồng hồ vạn năng hiện số là:

a Không bao giờ được phép chuyển đổi thang đo khi đang có điện ở đầu đo

b Không áp đặt điện áp, dòng điện vượt quá giá trị thang đo Trường hợp đại lượng đo chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện

ra để chọn thang thích hợp

c Để đo cường độ dòng điện nhỏ chạy trong đoạn mạch, ta dùng hai dây đo

cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và “A” hoặc “mA” trên đồng hồ Hai đầu còn

lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Núm chọn thang đo được vặn

về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo dòng điện một chiều, ACA để đo dòng điện xoay chiều Sau lỗ “A” bên trong đồng hồ có cầu chì bảo vệ, nếu dòng điện

Hình 2.8 Sơ đồ đo hiệu điện thế bằng đồng hồ vạn năng hiện số

đo vượt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngừng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới được thay thế Điều tai hại tương tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế Do vậy hãy thận trọng khi sử dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì!

d Để đo cường độ dòng điện lớn 0 ÷ 10A, ta dùng hai dây đo cắm vào hai

lỗ “COM” (lỗ chung) và “10A” (hoặc 20A) trên đồng hồ Hai đầu cốt còn lại

của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo được

vặn về các vị trí DCA-10A để đo dòng điện một chiều, ACA-10A để đo dòng

điện xoay chiều Sau lỗ 10A (hoặc 20A), bên trong đồng hồ không có cầu chì

bảo vệ, nếu bị đoản mạch thường gây cháy, nổ ở mạch điện hoặc ở nguồn điện

e Để đo điện áp một chiều, xoay chiều hoặc đo điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và “V” trên mặt đồng hồ Hai đầu còn lại

của dây đo được mắc song song với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo

được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCV để đo điện áp một chiều, ACV để đo điện áp xoay chiều, hoặc  để đo điện trở

f Khi đo các đại lượng một chiều thì đầu dây nối với cực âm luôn được nối với lỗ “COM”

Tóm lại: Chọn thang đo đúng, không nhầm

lẫn khi thao tác đo hiệu điện thế và cường độ

dòng điện là hai yếu tố quyết định bảo vệ an

toàn cho đồng hồ

2.3.5 Đồng hồ vạn năng hiện số kiểu DT-9202

a Cách tính sai số của đồng hồ vạn năng hiện

số DT-9202

Thông thường một đồng hồ vạn năng hiện

số loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo (từ 0 đến

1999) Giả sử ta chọn thang đo hiệu điện thế một

chiều DCV 20V, thì đại lượng:

) ( 01 , 0 2000

Nếu hiệu điện thế ta đo được là U thì sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng U này là

U=(%).U+n. (2.9) Trong đó:

U : giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ;

 (%) : cấp chính xác của thang đo;

 : độ phân giải của thang đo;

n = 1,2,… (quy định theo từng thang đo bởi nhà sản xuất)

Cách tính tương tự đối với các thang đo hiệu điện thế khác, thang đo cường độ dòng và thang đo điện trở…

b Bảng thông số kĩ thuật của đồng hồ vạn năng DT-9202 (bảng 2.3)

Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật của đồng hồ vạn năng DT-9202

Chương 3 CÁC BÀI THÍ NGHIỆM BÀI 1 ĐO ĐỘ DÀI BẰNG THƯỚC KẸP VÀ PANME

I MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU

1.1 Mục tiêu của bài thực hành/thí nghiệm

Bài thực hành trang bị cho sinh viên những thông tin cơ bản về một số loại dụng cụ đo độ dài được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, nắm được nguyên

lý cấu tạo, cách đo và đánh giá độ chính xác của các loại dụng cụ đó

1.2 Yêu cầu đạt được sau khi thực hành/thí nghiệm

có một thước chia gọi là du xích

Hàm kẹp AB dùng để đo kích thước bên ngoài của một vật Hàm kẹp EF

để đo kích thước bên trong như đường kính bên trong của một hình trụ rỗng Đuôi T di chuyển cùng du xích dùng để đo chiều sâu của lỗ hoặc rãnh trên vật

2.1.2 Cách đọc kết quả trên thước kẹp

2.1.2.1 Du xích

Du xích là phần phụ thêm cho thước đo chính, cho phép tăng độ chính xác của phép đo lên 10 - 20 lần Số vạch chia trên du xích cho phép ta xác định cấp chính xác của thước Thông thường người ta tạo trên du xích khoảng 20 - 50 vạch chia, khi đó cấp chính xác của thước được xác định bằng tỷ số giá trị một vạch chia của thước chính (trên hàm AE) trên tổng số vạch của du xích (trên hàm BF)

Thí dụ: Đối với loại du xích có 50 vạch chia thì người ta lấy 49 khoảng

chia của thước trên hàm AE (tức là 49 mm) đem chia thành 50 phần bằng nhau Như vậy, một khoảng chia của du xích có giá trị là 49/50 mm Nên mỗi khoảng chia của thước lớn hơn khoảng chia của du xích là:

) ( 02 , 0 50

1 50

49 50

 Phần nguyên milimet đọc trên

hàm AE: Chiếu vạch số 0 của du xích

lên thước trên hàm AE Vạch số 0 nằm

trong khoảng hai vạch nào thì chọn

vạch bé hơn để đọc kết quả Hình 3.2 Thí dụ cách đọc kết quả

đo trên thước kẹp

Vạch trùng

 Kết quả: Kích thước của vật là 11 + 0,46 = 11,46 mm

Chú ý: Trên du xích đã nhân sẵn 5 vạch thành 0,1 mm Do đó, khi đo cần tìm hiểu rõ cách đọc trên du xích

D rồi vặn ống C để hàm B di chuyển ra xa Đặt vật vào giữa hai hàm AB, vặn ốc

E đến khi nghe tiếng lạch tạch là lúc hàm B đã kẹp chặt vật

2.2.2 Cách đọc kết quả trên thước panme

2.2.2.1 Du xích

Du xích được chia trên thân trụ rỗng (ống C) gồm 50 khoảng đều nhau Giá trị một khoảng là 0,01 mm Khi ta xoay ốc E thì ống C di chuyển tịnh tiến theo ống K Bước của ống C là 0,5 mm, nghĩa là khi ống C quay được một vòng thì nó tịnh tiến được 0,50 mm Thước đo được khắc trên thân trụ rỗng cố định K, mỗi khoảng chia bằng 0,50 mm (về hai phía của vạch ngang)

 Phần lẻ: Đọc trên du xích (ống C) Ta đọc vạch nào trên du xích trùng

hoặc gần nhất với vạch ngang trên ống K

Thí dụ: Trên các hình 3.4a, 3.4b đều là vạch 24

Phần lẻ sẽ là: 24x0,01 = 0,24 mm

 Kết quả: Hình 3.4a: 4 + 0,24 = 4,24 mm;

Hình 3.4b: 3,5 + 0,24 = 3,74 mm

2.2.3 Hiệu chỉnh số 0

Một panme đúng khi hai hàm AB khít vào nhau (với panme 0 - 25 mm) thì

vạch số 0 trên du xích sẽ trùng với vạch gốc (vạch ngang trên thước, như hình

3.5a) Khi vạch số 0 của du xích và vạch gốc lệch nhau, ta nói panme có sai số

 Trường hợp vạch số 0 chưa đến vạch gốc (như hình 3.5b) ta có sai số trừ

Thí dụ: Trên hình 3.5b, vạch gốc và vạch 0 trên du xích lệch 3 vạch

(tương ứng 0,02 mm), nghĩa là thước có sai số (-0,03) mm, các kết quả đọc bằng

thước này phải trừ đi 0,03mm ta mới có kết quả đúng

Hình 3.4 Thí dụ minh họa cách đọc kết quả trên panme

(a) (b) (c)

Hình 3.5 Hiệu chỉnh số không trên thước panme

(a) thước chuẩn (b) thước sai số (-0,02) mm (c) thước sai số (+0,03) mm

 Trường hợp vạch số 0 quá vạch gốc (như hình 3.5c) ta có sai số cộng

Thí dụ: Trên hình 3.5c, vạch 0 trên du xích quá vạch gốc là 2 vạch (tương

ứng 0,02 mm), nghĩa là thước có sai số (+0,02) mm, các kết quả đọc bằng thước này phải cộng thêm 0,02 mm ta mới có kết quả đúng

c Đo kích thước hình trụ đặc: đường kính D và chiều cao h bằng hàm kẹp

AB Kết quả ghi vào bảng 3.2

d Đo kích thước khối hộp chữ nhật: ba cạnh tương ứng là a, b, c đều bằng

hàm kẹp AB Kết quả ghi vào bảng 3.3

3.2 Panme

a Tìm hiểu kỹ dụng cụ nhất là cách đọc du xích và hiệu chỉnh số 0

b Đo đường kính d của viên bi hình cầu, kết quả ghi vào bảng 3.4

IV CÂU HỎI KIỂM TRA

Câu 1 Từ cơ sở lý thuyết, so sánh sự giống và khác nhau của thước kẹp và panme về cấu tạo và cách sử dụng để thao tác thí nghiệm

Câu 2 Trình bày cách đo và đọc kết quả đường kính trong của một vật hình trụ rỗng bằng thước kẹp

Câu 3 Trình bày cách hiệu chỉnh số 0 của panme và áp dụng vào trường hợp panme của bộ thí nghiệm

Câu 4 Trình bày cách đo và đọc kết quả đường kính của hình cầu bằng panme

V BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

d d

d

D D

D

d d D D

V V V

a Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp

h

D D

V V V

c

b b

b

a a

b a

a V

V V V



5.4 Hình cầu (Viên bi)

Bảng 3.4 Kết quả đo đường kính viên bi

V V V



5.5 Nhận xét và đánh giá kết quả

(Sinh viên trình bày theo các gợi ý sau:

- Mục đích, ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm

- Nhận xét và đánh giá kết quả đo được, so sánh kết quả với lý thuyết

- Nhận xét các nguyên nhân sai số từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục sai

số, nâng cao độ chính xác của phép đo

- Kết luận về vai trò của bài thí nghiệm đối với việc học tập của sinh viên hoặc đề xuất, kiến nghị thêm về bài thí nghiệm)

BÀI 2 ĐO HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG

BẰNG PHƯƠNG PHÁP STỐC

I MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU

1.1 Mục tiêu của bài thực hành/thí nghiệm

Bài thực hành trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản liên quan

đến lĩnh vực cơ học chất lưu nói chung, giúp sinh viên quan sát hiện tượng nhớt

của chất lỏng và kiểm chứng thực tế đơn giản, dễ hiểu qua việc đo hệ số nhớt

của chất lỏng theo phương pháp Stốc

1.2 Yêu cầu đạt được sau khi thực hành/thí nghiệm

- Thao tác thí nghiệm thành thạo đo các đại lượng theo yêu cầu của bài

- Trình bày báo cáo thực hành, tính toán sai số và biểu diễn kết quả theo

yêu cầu của bài

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lực ma sát nhớt

Xét chuyển động của một chất lỏng

trong một ống hình trụ theo phương song

song với trục Ox của ống Nếu vận tốc

chuyển động của chất lỏng không quá lớn, ta

có thể xem như dòng chất lỏng được phân

chia thành nhiều lớp mỏng chuyển động với

vận tốc v có độ lớn thay đổi như biểu diễn

trên hình 3.6 Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do ở mặt tiếp xúc giữa các

lớp chất lỏng xuất hiện các lực nội ma sát có tác dụng cản trở chuyển động

tương đối của chúng

Để giải thích nguyên nhân của lực nội ma sát của chất lỏng, ta có thể dùng

lý thuyết về chất lỏng do nhà vật lý người Nga Phrănken đề xướng Theo lý

tử của lớp chậm và truyền bớt động lượng cho các phân tử đó, làm tăng vận tốc định hướng của lớp chậm Tương tự, các phân tử của lớp chậm khi chuyển sang lớp nhanh sẽ làm giảm vận tốc định hướng của lớp nhanh

Hai là, sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng ở lân cận biên phân cách giữa hai lớp chất lỏng Theo lý thuyết Phrănken, mỗi một phân tử chất lỏng chịu sức hút của các phân tử lân cận có bên trong phạm vi một mặt cầu bán kính r gọi

là mặt cầu bảo vệ (mặt cầu tương tác phân tử) Do tương tác đó, mỗi phân tử ở gần biên phân cách của lớp này sẽ bị hút bởi các phân tử có bên trong mặt cầu tương tác phân tử lớp kia, làm cản trở chuyển động tương đối giữa hai lớp, tức là dẫn đến ma sát giữa hai lớp

Thực nghiệm chứng tỏ, lực nội ma sát F ms giữa hai lớp chất lỏng có vận

tốc định hướng là v và (v+dv), nằm cách nhau một khoảng dz dọc theo phương

Oz, tỷ lệ với độ lớn diện tích tiếp xúc S giữa hai lớp chất lỏng và građien vận tốc dv/dz của chúng

S dz

dv

Với  - là hệ số nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng, nó giảm khi nhiệt độ tăng Đơn vị của  là kg/m.s

Xét một viên bi nhỏ bán kính r rơi thẳng đứng với vận tốc v trong khối

chất lỏng, thì lớp chất lỏng bám dính mặt ngoài của viên bi cũng chuyển động

với cùng vận tốc v Do tác dụng của lực nội ma sát, lớp chất lỏng này sẽ kéo các

lớp khác nằm gần nó chuyển động theo Thực nghiệm chứng tỏ trên khoảng

cách 2r/3 tính từ mặt ngoài viên bi ra xa nó, vận tốc của các lớp chất lỏng có trị

số giảm dần từ v đến 0 (hình 3.7)

Khi đó, građien vận tốc theo phương Oz bằng:

r

v r

v dz

dv

2

3 3 / 2

0





Theo công thức (3.1), lực nội ma sát giữa lớp chất lỏng bám dính vào mặt

ngoài của viên bi (S = 4r 2) và lớp chất lỏng tiếp xúc với nó có trị số bằng:

2

4 2

3

r

v S

2.2 Xác định hệ số ma sát nhớt

Hệ số nhớt có thể được xác định bằng nhiều phương pháp Trong bài thí nghiệm này ta dùng phương pháp cho viên bi rơi trong chất lỏng do Stốc tìm ra, gọi là phương pháp Stốc

Bình thủy tinh hình trụ đựng glixêrin và một thước chia đến milimét Thả viên bi vào trong chất lỏng để nó rơi thẳng đứng, khi đó viên bi sẽ chịu tác dụng của các lực:

- Trọng lực P thẳng đứng, hướng xuống dưới và có độ lớn bằng:

g V mg

- Lực đẩy Acsimet F A hướng thẳng đứng lên trên và có độ lớn bằng trọng lượng của khối chất lỏng mà viên bi chiếm chỗ:

g V mg

F A    (3.5) Với  là khối lượng riêng của chất lỏng

- Lực cản nhớt F C hướng thẳng đứng lên

trên và có độ lớn gần đúng tính theo công thức

Stốc:

v d

F C  3  

Với v, d lần lượt là vận tốc, đường kính

của viên bi và  là hệ số nhớt của chất lỏng trong

đó viên bi chuyển động

Vật sẽ chuyển động dừng khi trọng lực của

vật cân bằng với lực đẩy Acsimet và lực cản nhớt

Trong thí nghiệm này, 0,  và L là những đại lượng cho trước

Muốn xác định  ta phải đo d bằng panme và thời gian t bằng đồng hồ

3.2 Trình tự thí nghiệm

a Đo đường kính d của viên bi hình cầu bằng panme (Cấu trúc và cách sử

dụng panme xem thêm bài thí nghiệm 1)

b Đo thời gian t viên bi rơi bằng đồng hồ bấm giây

Đặt hai vạch dấu a và b trên thành bình cách nhau một khoảng L (vạch a

phải cách mặt chất lỏng khoảng 10 cm)

Thả viên bi rơi nhẹ nhàng theo trục thẳng đứng và gần tâm của hình trụ A

Quan sát chuyển động của viên bi và đo thời gian t mà viên bi rơi từ vạch a đến

vạch b bằng đồng hồ bấm giây

Đo 10 giá trị và ghi vào bảng số liệu 3.5

Chú ý: - Đặt mắt ngang các vạch dấu a và b để bấm đồng hồ đúng lúc viên

bi chuyển động qua các vạch dấu đó

- Dùng một nam châm để lấy viên bi ra khỏi bình chất lỏng

IV CÂU HỎI KIỂM TRA

Câu 1 Nêu sự xuất hiện của lực nội ma sát Viết biểu thức của lực nội ma sát, giải thích đại lượng trong biểu thức Hệ số nhớt phụ thuộc vào yếu tố nào và

có đơn vị đo là gì trong hệ SI

Câu 2 Trình bày cách xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc Giải thích nguyên nhân gây ra lực cản đối với chuyển động của viên bi rơi trong chất lỏng

Câu 3 Vận tốc của viên bi rơi trong chất lỏng thay đổi phụ thuộc thời gian như thế nào? Tại sao khi đo thời gian rơi của bi phải chọn vạch dấu A (điểm bắt đầu bấm đồng hồ) cách mặt chất lỏng một khoảng đủ lớn (chẳng hạn lớn hơn 10 cm)

Câu 4 Điều kiện nào của môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả thí nghiệm Giải thích tại sao

V BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

5.1 Bảng số liệu

m L

s m g

m kg

m kg

3 2

3 3

3 3

0

10)

5,00,600(

/)012,0787,9(

/10)

011,0260,1(

/10)

03,070,7(

5.2 Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp

t

d d

d g

g L

L

2 0

(Sinh viên trình bày theo các gợi ý sau:

- Mục đích, ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm

- Nhận xét và đánh giá kết quả đo được, so sánh kết quả với lý thuyết

- Nhận xét các nguyên nhân sai số từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục sai

số, nâng cao độ chính xác của phép đo

- Kết luận về vai trò của bài thí nghiệm đối với việc học tập của sinh viên hoặc đề xuất, kiến nghị thêm về bài thí nghiệm)

BÀI 3 XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG

BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH

I MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU

1.1 Mục tiêu của bài thực hành/thí nghiệm

Bài thực hành trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản liên quan đến lĩnh vực dao động cơ học nói chung, giúp sinh viên có cái nhìn thực tiễn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của con lắc vật lý và kiểm chứng thực tế đo gia tốc trọng trường thông qua việc khảo sát dao động của con lắc này

1.2 Yêu cầu đạt được sau khi thực hành/thí nghiệm

- Thao tác thí nghiệm thành thạo đo các đại lượng vật lý theo yêu cầu của bài

- Trình bày báo cáo thực hành, tính toán sai số và biểu diễn kết quả theo yêu cầu của bài

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Con lắc thuận nghịch hay con lắc vật lý là một vật rắn khối lượng m có thể dao động xung quanh một trong hai trục cố định nằm ngang đặt tại các điểm

O1 và O2 trên cùng một đường thẳng đi qua tâm G của con lắc, sao cho chu kỳ của con lắc đối với hai trục O1 và O2 có giá trị bằng nhau (hình 3.9)

Ở vị trí cân bằng, đường thẳng O1GO2 trùng với phương thẳng đứng Khi kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc lệch  nhỏ rồi buông nó ra thì thành phần P1 của trọng lực tác dụng lên con lắc mô men 1:



1P1l1m.g.l1.sin