Bài giảng tài liệu thực hành môn Vật lý đại cương (Phần 2)

76 trang hapham 60

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng tài liệu thực hành môn Vật lý đại cương (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_tai_lieu_thuc_hanh_mon_vat_ly_dai_cuong_phan_2.pdf

Nội dung text: Bài giảng tài liệu thực hành môn Vật lý đại cương (Phần 2)

Bài 6 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG THEO PHƯƠNG PHÁP STỐC 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng thực nghiệm cần thiết để xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của thí nghiệm; ii. Nắm được cấu tạo và hoạt động của thiết bị thí nghiệm dùng để xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết 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 3.21. Hình 3.21. Chuyển động của chất lỏng 73
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. Nguyên nhân của lực nội ma sát trong chất lỏng là do đâu? Cấu tạo phân tử của các chất lỏng vừa có những nét giống với chất rắn, vừa có những nét giống với chất khí: mật độ phân tử trong chất lỏng rất lớn, gần giống như trong chất rắn, nhưng trong chất lỏng mỗi phân tử lại không có một vị trí cố định như trong chất rắn mà nó có thể di chuyển tương đối dễ dàng, gần giống như trong chất khí. Do đó, trạng thái lỏng có những tính chất rất phức tạp. Cho đến nay người ta vẫn chưa xây dựng được một lý thuyết hoàn chỉnh về các chất lỏng. Trong số các lý thuyết về chất lỏng, lý thuyết do nhà vật lý Nga Ia. I. Frenkel đề xướng cho phép giải thích được nhiều tính chất của chất lỏng. Theo lý thuyết này, phân tử chất lỏng "lang thang" trong toàn thể tích của chất lỏng giống như một người du mục. Thỉnh thoảng nó dừng lại và dao động xung quanh một một vị trí cân bằng nào đó (tại vị trí cân bằng này thế năng của phân tử đạt cực tiểu địa phương). Sau một thời gian, do va chạm với các phân tử khác, phân tử có thể nhận được một động năng đủ lớn giúp nó rời bỏ vị trí cân bằng này, bỏ đi để rồi tìm đến một vị trí cân bằng mới. Nó dao động xung quanh vị trí ấy một thời gian rồi lại tiếp tục bỏ đi nơi khác Mỗi phân tử chất lỏng tương tác khá mạnh với các phân tử láng giềng và lực tương tác là lực hút, nhưng lực tương tác này giảm khá nhanh theo khoảng cách. Dựa trên lý thuyết này, có thể nêu ra hai nguyên nhân chính dẫn đến lực nội ma sát của chất lỏng. Nguyên nhân thứ nhất là do sự trao đổi động lượng của các phân tử giữa các lớp chất lỏng có vận tốc định hướng khác nhau. Trong một dòng chất lỏng, các phân tử chất lỏng tham gia đồng thời hai chuyển động: chuyển động có hướng và chuyển động nhiệt hỗn loạn. Kết quả là luôn có sự trao đổi các phân tử giữa các lớp chất lỏng. Các phân tử của lớp nhanh khi chuyển sang lớp chậm sẽ tương tác với các phân 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. Nguyên nhân thứ hai là do sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng ở lân cận biên phân cách giữa hai lớp chất lỏng. Theo lý thuyết Frenkel, 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 tương tác phân tử (còn r gọi là bán kính tương tác phân tử). Do tương tác đó, mỗi phân tử ở gần biên phân cách của lớp này sẽ bị hút bởi 74
các phân tử có bên trong mặt cầu tương tác phân tử nhưng thuộc 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 trị số của lực nội ma sát Fms 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 gradien vận tốc dv (tức độ biến thiên của trị số vận tốc trên dz mỗi đơn vị dài) theo phương Oz và tỷ lệ với độ lớn của diện tích mặt tiếp xúc S giữa hai lớp chất lỏng chuyển động tương đối với nhau: dv F  S (3.40) ms dz Hệ số tỷ lệ  gọi là hệ số nhớt của chất lỏng. Trị số của  phụ thuộc bản chất của chất lỏng và giảm khi nhiệt độ tăng. Đơn vị đo của  là kg/ms. Giả sử nếu một viên bi nhỏ bán kính r rơi thẳng đứng với vận tốc v trong khối chất lỏng, thì lớp chất lỏng bám dính vào mặt ngoài 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 tính từ mặt ngoài viên bi ra xa nó, vận tốc của các lớp chất lỏng 3 có trị số giảm dần từ v đến 0 (hình 3.22). 2 r 3 z v x Hình 3.22. Vận tốc chất lỏng Khi đó gradien vận tốc theo phương Oz bằng: dv v 0 3v (3.41) dz 2r 2r 3 Theo công thức (3.40), lực nội ma sát giữa lớp chất lỏng bám dính vào mặt ngoài của viên bi ( S = 4 r2) và lớp chất lỏng tiếp xúc với nó có trị số bằng: 75
dv 3v F  S  4 r 2 ms dz 2r hay Fms 6 rv (3.42) Công thức này gọi là công thức Stốc, nó cho biết lực ma sát nhớt tăng tỷ lệ với vận tốc v và chỉ đúng đối với những vận tốc v không lớn (cỡ vài m/s) của viên bi chuyển động trong chất lỏng rộng vô hạn. Có thể xác định hệ số nhớt  của chất lỏng theo phương pháp Stốc (Stokes) nhờ bộ thiết bị vật lý kiểu MN - 971A (hình 3.23) gồm: một ống thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng 3 được giữ thẳng đứng trên giá đỡ 9, hai đầu cảm biến từ 4 và 5 được nối với một bộ đo thời gian hiện số bố trí trên mặt phía trước của hộp chân đế 8. Khi thả rơi viên bi có khối lượng m qua phễu định tâm 1 vào trong chất lỏng có hệ số nhớt  cần đo, viên bi sẽ chịu tác dụng của ba lực: 11 9 1 2 3 4 L 5 10 8 6 7 Hình 3.23. Sơ đồ bộ thiết bị MN – 971A - Trọng lực P hướng thẳng đứng từ trên xuống và có trị số bằng: 4 P mg r 3 g (3.43) 3 0 với r là bán kính và 0 khối lượng riêng của viên bi, g là gia tốc trọng trường. - Lực đẩy Acsimet FA hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng trọng lượng của khối chất lỏng bị viên bi chiếm chỗ: 76
4 F r 3 g (3.44) A 3 với là khối lượng riêng của chất lỏng. - Lực nội ma sát FC hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng: Fc = 6  rv (3.45) với v là vận tốc của viên bi và  là hệ số nhớt của chất lỏng. dv Dưới tác dụng của các lực trên, viên bi chuyển động với gia tốc a dt tuân theo phương trình cơ bản của động lực học: dv m P F F (3.46) dt A C Chiếu phương trình (3.46) xuống hướng chuyển động của viên bi, ta tìm được: dv 4 4 m r 3 g r 3 g 6 rv dt 3 0 3 Nghiệm của phương trình này có dạng: 2 ( )r 2 g 3 rt v 0 (1 e 2m ) (3.47) 9  trong đó e là cơ số của lôganêpe, t là thời gian chuyển động của viên bi. 3 rt Dễ dàng nhận thấy sau khoảng thời gian t không lớn, đại lượng e 2m giảm nhanh tới 0 và vận tốc v của viên bi sẽ đạt trị số không đổi bằng: 2 2 ( 0 )r g v (3.48) 0 9  Trong giai đoạn đầu của chuyển động, gia tốc a làm cho vận tốc viên bi tăng dần, mặt khác khi vận tốc tăng thì lực nội ma sát cũng tăng theo. Khi vận tốc đạt đến giá trị v0 nào đó thì lực đẩy Acsimet và lực nội ma sát sẽ triệt tiêu hoàn toàn trọng lực, viên bi sẽ chuyển động thẳng đều. Có thể xác định trị số của v0 bằng cách đo khoảng thời gian chuyển động t của viên bi rơi thẳng đều giữa L hai vạch chuẩn 4 và 5 cách nhau một khoảng L: v 0 t Thay v0 vào (3.48) với d là đường kính của viên bi, ta tìm được: 77
1 ( )d 2 gt  0 (3.49) 18 L 3. Dụng cụ thí nghiệm 3.1. Dụng cụ 1. Thiết bị thí nghiệm vật lý MN - 971A (hình 3.24) gồm: - Ống thuỷ tinh cao 95 cm, chia độ 2 mm/vạch; - Chất lỏng (glixerin) cần đo hệ số nhớt; - Các viên bi (bằng sắt hoặc vật liệu từ mềm); - Phễu định hướng dùng để thả các viên bi; - Nam châm nhỏ dùng để lấy các viên bi ra khỏi chất lỏng; - Hộp chân đế và giá đỡ; - Thiết bị hiện số đo thời gian rơi của viên bi; - Cảm biến. 2. Thước panme 0 – 25 mm, độ chính xác 0,01 mm. Hình 3.24. Bộ thí nghiệm MN – 971A 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Đo đường kính d của viên bi bằng panme (xem bài 1) Dùng panme, thực hiện 10 lần phép đo đường kính d của viên bi tại các vị trí khác nhau của viên bi. Đọc và ghi giá trị của d trong mỗi lần đo vào bảng 3.10. 3.2.2. Đo khoảng thời gian chuyển động t của viên bi rơi trong chất lỏng a. Vặn các vít ở mặt dưới của hộp chân đế 8 (hình 3.23) để điều chỉnh sao cho giá đỡ 9 và ống trụ thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng 3 hướng thẳng đứng. Giữ cố định vị trí của cảm biến 4 (đã được điều chỉnh nằm cách miệng của ống trụ thuỷ tinh một khoảng lớn hơn 20 cm và cách cảm biến 5 một khoảng không đổi L = 60 cm) Cắm phích lấy điện của bộ thiết bị vật lý MN - 971A vào nguồn điện ~220 V. Bấm khoá K trên mặt trước của hộp chân đế 8: đèn LED phát sáng và các chữ số hiển thị trong các cửa sổ “TIME” và “N” trên mặt máy. 78
b. Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến từ 4 và 5 của bộ đo thời gian hiện số theo trình tự sau: - Vặn cả hai núm xoay 6 và 7 ngược chiều kim đồng hồ về vị trí tận cùng bên trái. Ấn nút “RESET” để các chữ số hiện thị đều trở về 0. - Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến 5 (nằm ở phần dưới của thân ống trụ thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng) bằng cách vặn từ từ núm xoay 7 theo chiều quay của kim đồng hồ cho tới khi các chữ số hiện thị trên cửa sổ “TIME” bắt đầu nhảy số thì dừng và vặn ngược lại một chút (khoảng 1/4 đến 1/2 độ chia của nó). Sau đó, ấn nút “RESET” để các chữ số hiện thị đều trở về 0. Kiểm tra lại vị trí này bằng cách chạm nhẹ ngón tay vào đầu cọc nối dây của cảm biến 5: nếu các chữ số hiện thị trên cửa sổ “TIME” lại nhảy số, thì cảm biến 5 đã được điều chỉnh đủ nhạy để hoạt động. - Thực hiện động tác tương tự đối với núm xoay 6 để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến 4. Bấm nút “RESET” để các chữ số hiện thị đều trở về 0. Chú ý: Khi một trong hai cảm biến điều chỉnh không đúng (ở vị trí vượt quá ngưỡng độ nhạy) thì không thể điều chỉnh tiếp cảm biến thứ hai. Trong trường hợp này, ta phải thực hiện lại động tác (2 - b) một cách cẩn thận hơn. c. Thả nhẹ viên bi sắt qua chiếc phễu định tâm 1 để nó rơi thẳng đứng dọc theo trục của ống trụ thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng có hệ số nhớt  cần đo. Khi viên bi chuyển động đi qua tiết diện ngang của cảm biến 4 hoặc 5 (có dạng là một vòng dây dẫn nối với mạch cộng hưởng điện), nó sẽ làm xuất hiện một xung điện có tác dụng đóng hoặc ngắt bộ đo thời gian hiện số. Vì vậy, bộ đo thời gian hiện số sẽ tự động đo khoảng thời gian rơi t của viên bi trên khoảng cách L giữa hai cảm biến 4 và 5. Thực hiện 10 lần động tác này với cùng một viên bi đã chọn. Đọc và ghi giá trị của t hiện thị trong cửa sổ “TIME” ứng với mỗi lần đo được vào bảng 3.10. Bên trái của cửa sổ “TIME” còn có cửa sổ hiện thị “N” để theo dõi số lần hoạt động của các cảm biến 4 và 5: mỗi lần viên bi đi qua một cảm biến, chữ số hiện thị trong cửa sổ “N” lại tăng thêm một đơn vị. Chú ý: Sau mỗi lần đo, ta có thể lấy viên bi sắt ra khỏi ống nối 11 bằng cách dùng một nam châm nhỏ (đặt trên mặt hộp chân đế 8 hoặc trong hộp 10). áp sát nam châm vào ống nối 11 tại vị trí có viên bi và dịch chuyển nam châm 79
nhẹ nhàng để làm cho viên bi trượt dọc theo thân ống nối 11 lên tới miệng ống này. Chờ cho glixerin bám dính trên viên bi nhỏ giọt hết, ta lấy nó ra và đặt lên một tờ giấy thấm. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Sự xuất hiện của lực nội ma sát. Giải thích bản chất và viết biểu thức của lực này. Đơn vị đo hệ số nhớt của chất lỏng là gì? 4.2. 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. 4.3. 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 viên bi lại bắt đầu từ một vị trí nào đó cách miệng ống trụ thuỷ tinh một khoảng đủ lớn (chẳng hạn lớn hơn 20 cm)? 4.4. Trong điều kiện nào, ta có thể tính hệ số nhớt  của chất lỏng theo công thức (3.49)? 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu - Khối lượng riêng của chất lỏng (glixerin): (1,260 0,011).10 3 kg / m3 3 3 - Khối lượng riêng 0 của viên bi sắt: 0 (7,70 0,03).10 kg / m . - Khoảng cách L giữa hai đầu cảm biến 4 và 5: L (600,0 0,5).10 3 m - Gia tốc trọng trường: g (9,787 0,012)m / s 2 - Nhiệt độ trong phòng thí nghiệm: t0C = (0C) 80
Kết quả đo Bảng 3.10. Kích thước của viên bi và thời gian rơi của viên bi Lần đo d (mm) t (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Giá trị trung bình 5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp d t d d d t t t 5.4. Tính và biểu diễn kết quả hệ số nhớt 2  0 .g.d t 18.L 0 L g d t  2 0 L g d t  .       5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 81
Bài 7 XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT KHÍ 1. Mục đích thí nghiệm 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng thực nghiệm cần thiết để xác định tỷ số nhiệt dung riêng phân tử (Cp/CV) của một chất khí (cụ thể là không khí). 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của thí nghiệm; ii. Nắm được cấu tạo và hoạt động của thiết bị thí nghiệm; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định tỷ số nhiệt dung phân tử (Cp/CV) của chất khí; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Nhiệt dung riêng c của một chất khí là một đại lượng vật lý có trị số bằng lượng nhiệt cần truyền cho một đơn vị khối lượng của chất khí đó để làm tăng nhiệt độ của nó lên 1K (Kelvin). Gọi Q là lượng nhiệt cần truyền cho một khối lượng m của chất khí để nhiệt độ của nó tăng thêm một lượng dT, ta có: Q c (3.50) mdT Đối với chất khí, người ta thường dùng nhiệt dung phân tử C, tức là nhiệt dung của 1 mol chất khí: C = c (3.51) với  là khối lượng của 1 mol chất khí. Đơn vị đo của c là J/kgK, của C là J/molK và của  là kg/mol. Nhiệt dung của chất khí phụ thuộc vào điều kiện nung nóng. Thực vậy, theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học: Lượng nhiệt Q truyền cho hệ vật trong quá trình biến đổi trạng thái vô cùng nhỏ có giá trị bằng tổng số của độ biến thiên nội năng dU của hệ vật và của công A' do hệ vật sinh ra trong quá trình đó: Q dU A' (3.52) 82
ở đây A' = pdV, với p là áp suất và dV là độ biến thiên thể tích của khối khí trong quá trình biến đổi trạng thái của nó. Thay (3.52) vào (3.50) và áp dụng cho 1 mol chất khí, ta được: dU pdV C (3.53) dT dT - Trong quá trình đẳng tích (thể tích không đổi): V = const thì dV = 0, nên A' = pdV = 0. Theo (3.53), ta suy ra nhiệt dung phân tử đẳng tích: dU C (3.54) V dT - Trong quá trình đẳng áp (áp suất không đổi): p = const thì dp = 0. Khi đó, từ phương trình trạng thái của 1 mol chất khí: pV = RT (3.55) với R =8,31J/molK là hằng số chất khí. Lấy vi phân của (3.55): pdV + Vdp = RdT (3.56) Thay (3.54), (3.56) vào (3.53) với dp = 0, ta nhận được nhiệt dung phân tử đẳng áp: dU C R C R (3.57) p dT v - Trong quá trình đoạn nhiệt (hệ không trao đổi nhiệt với bên ngoài): Q = 0, nên từ (3.52) (3.53) và (3.54) ta có: pdV = -CV.dT (3.58) Chia (3.56) cho (3.58) và chú ý đến (3.57): Vdp C C C 1 p V 1 P pdV CV CV dp dV C hay:  với  P 1 p V CV Thực hiện phép tích phân, ta tìm được phương trình Poatxông. pV = const (3.59) trong đó  >1 là tỷ số nhiệt dung phân tử của chất khí hay gọi là hệ số Poátxông. Phương trình (3.59) cho biết trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt, khi thể tích V tăng thì áp suất p giảm nhanh hơn nhiều so với quá trình đẳng nhiệt pV= const. 83
Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định tỷ số nhiệt dung phân tử của không khí theo phương pháp dãn nở đoạn nhiệt nhờ các dụng cụ bố trí như hình 3.25. K2 K1 H M B A G Hình 3.25. Dụng cụ thí nghiệm đo hệ số Poát xông Bình thuỷ tinh A chứa không khí được nối thông với áp kế cột nước M, đồng thời được nối thông hoặc với bơm nén khí B hoặc với khí quyển bên ngoài nhờ một khoá ba chạc K. Toàn bộ các dụng cụ này được lắp đặt trên một hộp chân đế G bằng kim loại. Lúc đầu, vặn khoá K sang vị trí 1-1 để nối thông bình A với áp kế M và bơm B. Dùng bơm B, bơm không khí vào bình A làm tăng dần áp suất trong bình đến giá trị ổn định p1: p1 = H0 + H (3.60) H0 là áp suất khí quyển bên ngoài, H là độ chênh lệch áp suất của không khí trong bình A so với áp suất khí quyển bên ngoài. Các đại lượng H0 và H được tính theo độ cao cột nước (mmH2O). Tiếp đó, vặn khoá K sang vị trí 2 để không khí phụt nhanh ra ngoài cho tới khi áp suất khí trong bình A giảm tới giá trị p2 = Ho, rồi lại vặn khoá K về vị trí 1. Sau khi đóng K2 ta sẽ thấy áp suất chất khí trong bình tăng lên từ từ và đạt đến giá trị ổn định p3 = H0 + h. Bằng việc ghi lại các giá trị H và h ta sẽ tính được hệ số Poátxông . Giả sử sau khi bơm không khí vào bình A (chờ khoảng 5 phút cho hệ đạt tới trạng thái cân bằng): không khí trong bình có khối lượng là m0, chiếm thể tích V0 của bình, có áp suất p1 và nhiệt độ T1 (nhiệt độ trong phòng). Khi mở 84
khoá K: khối lượng không khí phụt ra ngoài bình A là m. Do đó khối lượng không khí còn lại trong bình chỉ còn bằng: m = m0 - m. Khối lượng khí m bây giờ chiếm thể tích V2 = V0, nhưng có áp suất p2 < p1. Như vậy, suy ra trước khi mở khoá K: khối lượng khí m trong bình A ở áp suất p1 và nhiệt độ T1 chỉ chiếm thể tích V1 < V0. Vì quá trình dãn nở của khối lượng khí m trong bình A từ trạng thái (p1 ,V1) sang trạng thái (p2,V2 = V0) xảy ra rất nhanh, không kịp trao đổi nhiệt với bên ngoài (Q = 0) nên có thể coi gần đúng là quá trình giãn nở đoạn nhiệt. Trong quá trình này, khối lượng khí m bị lạnh đi và nhiệt độ của nó giảm từ nhiệt độ phòng T1 xuống đến nhiệt độ T2 < T1. Áp dụng phương trình Poátxông (3.59) đối với khối lượng khí m dãn nở đoạn nhiệt từ trạng thái 1 (p1, V1, T1 ) sang trạng thái 2 (p2, V2 = V0, T2) biểu diễn bởi đường cong đoạn nhiệt 1- 2 trên đồ thị hình 2.26, ta có:    p1 V2 p1V1 = p2V2 hay (3.61) p2 V1 Tiếp đó, khối khí m vẫn chiếm thể tích Vo của bình A và thu nhiệt từ ngoài qua thành bình: trong quá trình biến đổi đẳng tích này, nhiệt độ tăng dần từ T2 đến T1, còn áp suất tăng từ p2 đến p3: p3 = H0 + h (3.62) Với h là độ chênh lệch áp suất giữa khối khí m trong bình A so với khí quyển bên ngoài theo độ cao cột nước trên áp kế M. Từ đồ thị hình 2.26, ta nhận thấy trạng thái 1 và 3 thuộc cùng một quá trình đẳng nhiệt T1 biểu diễn bởi đường cong 1-3. p (1) p1 = H0 + H p1 (3) p3 = H0 + h p2 p3 (2) p2 = H0 V1 V V 0 Hình 2.26. Đồ thị 0pV 85
Áp dụng định luật Bôilơ – Mariôt (pV = const) cho khối khí m trong quá trình biến đổi đẳng nhiệt từ trạng thái 1 (p1, V1, T1) đến trạng thái 3 (p3, V2 = V, T1), ta có: p1 V2 p1V1 = p3V2 hay (3.63) p3 V1 So sánh (3.61) với (3.63) và thay thế các giá trị của áp suất p1, p2, p3 theo độ chênh lệch cột nước H0, H, h trên áp kế M, đồng thời chú ý đến điều kiện H, h << H0 và hệ thức gần đúng ln(1 + x) x khi x << 1, ta tìm được kết quả: H  (3.64) H h C Công thức (3.64) cho phép xác định được tỷ số nhiệt dung phân tử  = P CV của không khí sau khi đo được độ chênh lệch cột nước H và h trên áp kế M ứng với quá trình dãn nở đoạn nhiệt 1 - 2 và quá trình nung nóng đẳng tích 2 - 3 của khối lượng không khí m chứa trong bình A. 3. Trình tự thí nghiệm 3. 1. Dụng cụ Bộ thí nghiệm xác định tỉ số nhiệt dung phân tử của chất khí (hình 3.27) gồm: 1. Bình thuỷ tinh hình trụ (loại 10 lít); 2. Áp kế cột nước hình chữ U có thước milimét; 3. Bơm nén khí dùng quả bóp cao su; 4. Khoá ba chạc kim loại hoặc thuỷ tinh; 5. Hộp chân đế có giá đỡ áp kế chữ U. Hình 3.27. Bộ thí nghiệm xác định tỉ số nhiệt dung phân tử của chất khí 86
3.2. Trình tự thí nghiệm Bước 1. Đóng khoá K2 và vặn nhẹ khoá K1 sang vị trí 1 (vị trí mở) để nối thông bình A với bơm nén khí B. Bơm từ từ không khí vào bình A tới khi độ chênh lệch cột nước trên hai nhánh áp kế M đạt khoảng 300 mmH2O thì ngừng lại. Vặn khoá K1 để đóng kín bình A. Chú ý: Không bơm quá mạnh, tránh làm nước trong áp kế M phụt ra ngoài. Chờ khoảng 4 - 5 phút để nhiệt độ của khối lượng không khí vừa bơm vào bình A cân bằng với nhiệt độ trong phòng. Để đo nhiều lần với áp suất p1 ban đầu như nhau, ta mở từ từ van của bơm B để giảm bớt lượng không khí trong bình A sao cho chênh lệch độ cao cột nước H đạt giá trị cho trước (chọn trong khoảng 200 – 250 mm). Đọc và ghi các giá trị của L1 và L2 vào bảng 3.11. Độ chênh lệch áp suất của khối lượng không khí vừa bơm vào bình A so với áp suất khí quyển bên ngoài có giá trị bằng: H = L1 + L2 (mmH2O) Bước 2. Vặn nhanh khoá K sang vị trí 2 (thuận chiều kim đồng hồ) để không khí trong bình A phụt ra ngoài, khi áp suất không khí trong bình A cân bằng với áp suất khí quyển bên ngoài ta vặn nhanh khoá K để đóng kín bình A. Muốn kết quả đo được chính xác, cần quan sát và đóng kín khoá K ngay khi cột nước trong hai nhánh áp kế M vừa đạt mức ngang nhau (hoặc nghe vừa dứt tiếng xì của khí thoát ra khỏi bình A). Chờ khoảng 4 - 5 phút cho nhiệt độ của khối lượng không khí còn lại trong bình A cân bằng với nhiệt độ trong phòng. Khi đó độ cao l1 và l2 của các cột nước trên hai nhánh áp kế M đạt giá trị ổn định. Đọc và ghi các giá trị của l1 và l2 vào bảng 3.11. Độ chênh lệch áp suất tính theo milimét cột nước (mmH2O) của khối không khí còn lại trong bình A so với áp suất khí quyển bên ngoài có giá trị bằng: h = l1 + l2 (mmH2O) Bước 3. Thực hiện phép đo bằng cách lặp lại 5 lần các động tác trên ứng với cùng giá trị đã chọn của H. Ghi các kết quả đo tương ứng của h trong mỗi lần đo vào bảng 3.11. 87
4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Định nghĩa và viết biểu thức của nhiệt dung riêng và nhiệt dung phân tử. Nhiệt dung của chất khí có phụ thuộc điều kiện của quá trình nung nóng không? 4.2. Phân biệt nhiệt dung phân tử đẳng tích CV và đẳng áp Cp. Tìm biểu thức liên hệ giữa chúng để chứng tỏ Cp > CV. 4.3. Trong thực tế, khi nào có thể coi gần đúng các quá trình nén hoặc dãn khí là đẳng nhiệt hoặc đoạn nhiệt? Sau khi nén hoặc giãn khí chứa trong bình A, tại sao phải chờ một khoảng thời gian nào đó (khoảng 4 - 5 phút) thì độ chênh lệch cột nước trên hai nhánh áp kế M mới đạt giá trị ổn định? 4.4. Muốn đảm bảo kết quả đo được chính xác, tại sao phải đóng kín khoá K ngay khi cột nước trong hai nhánh áp kế M vừa đạt mức ngang nhau? 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu - Độ chênh áp suất: H = L1 + L2 = (mmH20) - Độ chính xác của áp kế M: (mmH20) Bảng 3.11. Độ chênh lệch áp suất của cột không khí Lần đo l1(mmH20) l2 (mmH20) h = l1 + l2 (mmH20) 1 2 3 4 5 Giá trị trung bình 88
5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp d t d d d t t t 5.4. Tính và biểu diễn kết quả hệ số nhớt + Sai số tương đối:  H h h H   H (H h) trong đó: H L1 L2 h l1 l2 + Giá trị trung bình: H  H h + Sai số tuyệt đối:  . + Biểu diễn kết quả đo:       5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 89
BÀI 8 ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỒN ĐIỆN BẰNG MẠCH XUNG ĐỐI 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng thực nghiệm cần thiết để xác định suất điện động của nguồn điện (cụ thể là nguồn pin). 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của thí nghiệm; ii. Nắm được cấu tạo và hoạt động của thiết bị thí nghiệm; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác suất điện động của pin; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Suất điện động E của nguồn điện thường được đo trực tiếp bằng một Vôn kế V nối với hai cực của nguồn điện tạo thành một mạch kín có dòng điện I chạy qua (hình 3.28). E, r I V Hình 3.28. Đo suất điện động bằng vôn kế Nếu điện trở trong của nguồn là r thì chỉ số của Vôn kế V cho biết hiệu điện thế U giữa hai cực của nguồn điện: U E I.r (3.65) Vì I 0 và r 0, nên U < E. Như vậy, phép đo trực tiếp suất điện động của nguồn bằng Vôn kế sẽ mắc sai số càng lớn nếu Vôn kế có điện trở RV càng nhỏ (dẫn tới dòng điện I càng lớn) hoặc nguồn điện có điện trở trong r càng lớn. Muốn đo chính xác suất điện động của nguồn điện, ta dùng phương pháp so sánh suất điện động EX của nguồn điện cần đo với suất điện động E0 của nguồn điện chuẩn bằng mạch xung đối (hình 3.29) gồm: nguồn điện U có điện 90
áp lớn hơn EX và E0 dùng cung cấp dòng điện I cho mạch điện hoạt động, một dây điện trở XY đồng chất tiết diện đều và con trượt Z có thể dịch chuyển dọc theo dây điện trở XZY, một điện kế nhạy G có số 0 ở giữa thang đo dùng phát hiện cường độ dòng điện nhỏ chạy qua nó. K A U I Ex G I Z X Y Hình 3.29. Sơ đồ mạch điện mắc xung đối Nguồn điện EX hoặc E0 được mắc xung đối với nguồn điện U, tức là cực dương (+) của nguồn EX hoặc E0 sẽ nối với cực dương của nguồn U tại điểm X. Dòng điện do nguồn EX hoặc E0 phát ra chạy tới điểm X có chiều ngược với dòng điện I do nguồn điện U cung cấp nên chúng có thể bù trừ nhau. Nếu đóng khóa K thì sẽ có dòng điện chạy qua nguồn điện EX và kim điện thế G bị lệch khỏi số 0. Dịch chuyển dần con trượt Z dọc theo dây điện trở XZY, ta sẽ tìm được vị trí thích hợp của con trượt Z sao cho kim của điện kế G quay trở về đúng số 0. Khi đó cường độ dòng điện chạy qua nguồn điện EX và điện kế G có giá trị bằng không: IX = IG = 0, còn dòng điện chạy qua dây điện trở XZY có cùng cường độ với dòng điện I do nguồn U cung cấp cho mạch chính. Theo (3.65), hiệu điện thế UX giữa hai cực của nguồn điện EX bằng: U V V E (3.66) X X Z X Mặt khác, hiệu điện thế UX có thể tính bằng: U V V I.R (3.67) X X Z XZ Từ (3.66) và (3.67), ta suy ra: E I.R (3.68) X XZ Thay nguồn điện EX bằng nguồn điện áp chuẩn có suất điện động E0 xác định và cực dương (+) nối với điểm X. Nếu dịch chuyển con trượt tới vị trí Z’ để kim điện kế G lại chỉ đúng số 0, tức là I0 = IG = 0, và dòng điện chạy qua dây 91
điện trở XZY vẫn giữ nguyên bằng cường độ dòng điện I do nguồn U cung cấp cho mạch chính. Trường hợp này hiệu điện thế U0 giữa hai cực của nguồn điện áp chuẩn E0 bằng: U0 VX VZ ' E0 (3.69) Và: U0 VX VZ ' I.RXZ' (3.70) Suy ra: E0 I.RXZ' (3.71) So sánh (3.68) và (3.71), ta tìm được: E R XZ L X XZ 1 E0 RXZ' XZ' L1' Hay: L1 EX E0 (3.72) L1' Như vậy, nếu biết suất điện động E0 của nguồn điện áp chuẩn, đồng thời đo được độ dài L1 và L1’ ứng với các vị trí của con trượt tại Z và Z’ trên dây điện trở XZY khi dòng điện chạy qua điện kế G bằng không, thì ta sẽ xác định được suất điện động EX của nguồn điện cần đo. 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ (hình 3.30) Hình 3.30. Bộ thí nghiệm xác định suất điện động của nguồn điện 1. Cầu dây XY gồm một dây điện trở căng trên giá đỡ nằm ngang có thước thẳng dài 1000 mm; 2. Nguồn điện áp chuẩn E0 = (1,0000 0,0010) V; 92
3. Pin điện cần đo Ex kèm theo giá đỡ; 4. Nguồn điện U một chiều 0  6V/150 mA ; 5. Đồng hồ đo điện đa năng hiện số kiểu 830B; 6. Bộ dây dẫn nối mạch điện. 3.2. Trình tự thí nghiệm. 3.2.1. Mắc mạch xung đối Vặn núm xoay của nguồn điện U về vị trí 0. Dùng các dây dẫn nối nguồn điện U với miliAmpe kế A, pin điện cần đo EX, điện kế G và dây điện trở XZY theo hình 3.29, trong đó: - Điện kế G vẫn đặt ở vị trí thang đo G0 ; - Con trượt Z đặt ở giữa dây điện trở XZY tại vị trí 500 mm trên thước milimét. Chú ý: Mắc đúng các cực dương (+) và âm (-) của nguồn điện U, của miliAmpe kế A và của pin điện EX. Sau khi mắc xong mạch điện, phải mời giáo viên tới kiểm tra và hướng dẫn cách tiến hành phép đo để tránh làm hỏng các dụng cụ thí nghiệm. 3.2.2. Đo suất điện động EX của pin điện a. Vặn từ từ núm xoay của nguồn điện U để dòng điện chạy qua miliAmpe kế A có cường độ không đổi I = 100  120 mA và giữ nguyên giá trị này trong suốt quá trình đo tiếp sau. b. Bấm con trượt Z tiếp xúc với dây điện trở XZY. Nếu kim điện kế G lệch khỏi số 0, ta phải di chuyển từ từ con trượt Z dọc theo dây điện trở XZY để tìm vị trí thích hợp của con trượt Z sao cho kim điện kế G quay trở về đúng số 0. Đọc và ghi lại kết quả của độ dài L1 = XZ vào bảng 3.12. Thực hiện phép đo 10 lần. c. Vặn núm xoay của nguồn điện U về vị trí 0. Thay pin điện EX bằng nguồn điện áp chuẩn E0 (cực dương (+) nối với điểm X). Làm lại các bước tương tự trên để tìm vị trí thích hợp Z’ của con trượt sao cho kim điện kế G lại quay về đúng số 0. Ghi các giá trị tương ứng của độ dài L1’ = XZ’ trong mỗi lần đo vào bảng 3.12. Thực hiện phép đo 10 lần. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Nêu định nghĩa suất điện động của nguồn điện. Viết công thức tính suất điện động của nguồn theo phương pháp mạch xung đối. 93
4.2. Nêu cấu tạo và cách mắc mạch điện theo phương pháp xung đối. 4.3. Trình bày cách đo độ dài trên dây điện trở XY khi mắc nguồn điện áp chuẩn vào mạch xung đối. 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu - Suất điện động nguồn điện áp chuẩn: E (1,0000 0,0010)V 0 Bảng 3.12. Độ dài dây điện trở ứng với con trượt tại vị trí Z và Z’ Lần đo L1 (mm) L1’ (mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Giá trị trung bình 94
5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp L1 L1' L1 L1 L1 L1' L1' L1' 5.4. Tính và biểu diễn kết quả suất điện động cần đo EX L1 EX E0 L1' E0 L1 L1' EX E0 L1 L1' EX EX .EX E E E X X X EX EX EX 5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 95
Bài 9 XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG PHƯƠNG PHÁP MANHETRON 1. Mục đích thí nghiệm 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là trang bị cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng thực nghiệm để xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp Manhetron. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của phép đo; ii. Nắm được cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị thí nghiệm dùng để xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp Manhetron; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp Manhetron; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Điện tích riêng của electron là đại lượng đo bằng tỷ số giữa độ lớn của điện tích e và khối lượng m của electron. Ta có thể xác định đại lượng này nhờ thiết bị thí nghiệm bố trí theo sơ đồ mạch điện (hình 3.31). A A2 M G A 1 U1 U V 3 K Ống dây D U 2 Hình 3.31. Sơ đồ mạch điện xác định điện tích riêng Bộ thiết bị này gồm một đèn Manhetron M đặt trong một ống dây sôlênôit D. Đèn Manhetron M là một bóng thuỷ tinh, bên trong có độ chân không cao 96
(10-7 - 10-8 mmHg) và có ba điện cực: catốt K và anốt A là hai ống trụ kim loại, còn lưới G là một lưới kim loại hình trụ ngăn giữa anốt và catốt. Các điện cực này được đặt cùng trục với đèn Manhêtrôn M, nhưng catôt K nằm gần lưới G hơn và có đường kính khá nhỏ so với anốt A. Catốt K được nung nóng bằng một sợi dây kim loại nối với nguồn điện U2. Nguồn điện U3 gây ra một điện trường có tác dụng làm tăng tốc các electrôn nhiệt phát ra từ catốt K. Các electrôn này chuyển động qua lưới G đến anốt A tạo thành dòng điện anốt I2 được đo bởi miliAmpe kế A2. Động năng của electrôn khi bay tới lưới G có giá trị đúng bằng công của lực điện trường giữa catốt K và lưới G: mv2 eU (3.73) 2 3 Trong đó U3 là hiệu điện thế giữa catốt K và lưới G đo bằng vôn kế V, còn e và m là điện tích và khối lượng của electrôn, v là vận tốc của electrôn khi bay tới lưới G. Vì anôt A được nối với lưới G bằng một sợi dây dẫn có điện trở rất nhỏ, nên hiệu điện thế giữa chúng coi như bằng 0. Do đó electrôn sẽ chuyển động thẳng đều từ lưới G về anốt A với vận tốc v không đổi để tạo ra dòng điện cường độ I2 chạy qua micrôAmpe kế A2. Từ công thức (1), ta suy ra trị số của vận tốc v: 2eU v 3 (3.74) m Nếu nối ống dây sôlênôit D với nguồn điện U1, dòng điện chạy qua cuộn dây này có cường độ I sẽ tạo ra trong lòng ống dây sôlênôit D một từ trường có cảm ứng từ B hướng dọc theo trục của đèn Manhêtrôn M và vuông góc với vận  tốc v của electrôn. Từ trường B tác dụng lên electrôn một lực Loren FL tính theo  công thức: FL ev  B  Vì B hướng vuông góc với v , nên lực FL có trị số bằng: FL evB (3.75)  Lực Loren FL luôn luôn hướng vuông góc với vận tốc v , đóng vai trò lực hướng tâm làm cho electron bay qua lưới G phải chuyển động theo một quỹ đạo 97
tròn bán kính R. Khi đó bán kính quĩ đạo chuyển động của electrôn được xác định theo điều kiện: mv2 F evB (3.76) L R Cảm ứng từ B trong lòng ống dây sôlênôit D có dòng điện có cường độ I chạy qua tính bằng công thức: B = 0 . .n.I (3.77) -7 Với 0 = 4 .10 H/m là hằng số từ, n là số vòng dây trên một đơn vị dài của ống dây, là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo của ống dây sôlênôit D. A I2 (mA) B = B1 B B1 b I G O 1 I(A) Hình 3.32. Cảm ứng từ Hình 3.33. Đồ thị I2 = f(I) trong ống dây sôlênôit Theo (3.76) và (3.77), cảm ứng từ B trong lòng ống dây sôlênôit D tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua ống dây đó, còn bán kính R của quỹ đạo tròn của electron tỷ lệ nghịch với cảm ứng từ B. Vì vậy, ta có thể tăng dần cường độ dòng điện I đến một giá trị I I0 để tăng dần cảm ứng từ B đến giá trị d B B1 sao cho bán kính R của quỹ đạo tròn của eletrron giảm dần đến R 2 với d là khoảng cách giữa A và lưới G (hình 3.32). Trong trường hợp này các electron không đến được anôt nên cường độ dòng điện anôt I2 chạy qua miliAmpe kế A2 sẽ giảm đến giá trị I2 = 0. Khi đó thay (3.74) và (3.77) vào (3.76), ta tìm được biểu thức: e 2U 2U 2 2 2 2 2 2 2 (3.78) m B1 R0 0 n I1 R0 Trong thí nghiệm này, ta xác định điện tích riêng e/m của electron theo công thức (3.78) bằng cách dùng vôn kế V để đo hiệu điện thế U giữa catôt K và 98
lưới G, dùng Ampe kế A1 để xác định cường độ dòng điện I1 chạy qua ống dây d D khi dòng điện anôt I2 triệt tiêu, còn các giá trị , n, R0 được cho trước. 2 Cách xác định cường độ dòng điện I1: theo lý luận nêu trên, khi cảm ứng từ B = B1 ứng với cường độ dòng điện I = I1 thì các electron không tới được anôt và dòng điện anôt I2 = 0. Như vậy, ta chỉ cần theo dõi quá trình giảm dần của cường độ dòng I2 trên miliAmpe kế A2 khi cường độ dòng điện trên Ampe kế A1 tăng dần cho tới khi I2 = 0 thì I = I1. Nhưng vì các electron nhiệt phát ra từ catôt K có vận tốc khác nhau, nên một số ít electron có vận tốc lớn vẫn có thể bay tới anôt ngay cả khi I = I1: dòng điện I2 không hoàn toàn triệt tiêu (I2 0). Đồ thị I2 = f(I) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng I2 vào dòng điện I có dạng một đường cong như hình 3.33, đoạn dốc nhất (ab) của nó ứng với trường hợp đa số các electron không tới được anôt A. Khi đó tiếp tuyến của đường cong này tại đoạn (ab) sẽ cắt trục hoành tại điểm có cường độ dòng điện bằng I1. 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ (hình 3.34) 1. Bộ thí nghiệm vật lý MC - 95.11; 2. Đèn Manhêtrôn (Magneton); 3. Ống dây sôlênôit (solenoid) dùng tạo ra từ trường; 4. Các dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây). Hình 3.34. Bộ thí nghiệm xác định điện tích riêng của electron 99
3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Bộ thí nghiệm MC - 95.11 a. Chưa cắm phích lấy điện MC - 95.11 vào nguồn điện ~ 220 V. b. Quan sát cách bố trí dụng cụ trên mặt máy của bộ MC - 95.11 (hình 3.35). XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG PHƯƠNG PHÁP MAGNETON A2 Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà nội A 1A 3A A1 G V D K 3V 10 3V 5 V V E F U1 U2 U3 K1 0 K2 0 K 0 Hình 3.35. Bộ thí nghiệm MC – 95.11 3.2.2. Kiểm tra mạch điện trên mặt máy MC-95.11 a. Nối sợi nung FF vào nguồn điện một chiều U2 (0 – 6 V – 5 A). b. Nối vôn kế V giữa lưới G và catôt K của đèn manhêtrôn M với nguồn một chiều U3 = U (0 – 12 V - 100 mA). c. Mắc nối tiếp ống dây sôlênôit D và Ampe kế A1 với nguồn một chiều U1 (0 – 6 V – 5 A). d. Gạt các núm chuyển mạch để đặt đúng: Vôn kế V ở thang 10 V, Ampe kế A1 ở thang 5 A, miliAmpe kế A2 ở thang đo 1 mA. e. Vặn núm xoay của các nguồn điện một chiều U1, U2, U3 về vị trí 0 (vặn ngược chiều kim đồng hồ về vị trí cuối cùng). f. Đặt các công tắc K1, K2, K3 đều đặt ở trạng thái ngắt mạch. Chú ý: Trước khi cắm phích lấy điện của bộ MC - 95.11 vào nguồn điện  220 V mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện vừa mắc trên mặt máy và hướng dẫn cách sử dụng để tránh làm hỏng máy. 100
3.2.3. Khảo sát sự phụ thuộc của dòng điện anôt I2 vào dòng điện I chạy trong ống dây sôlênôit D Bước 1. Bấm các công tắc K1, K2: các đèn LED phát sáng báo hiệu các nguồn U1, U2, U3 sẵn sàng hoạt động. Vặn núm xoay của nguồn U2 đến vị trí khoảng 4  5 V để đốt nóng sợi dây tóc FF của đèn Manhetron. Bước 2. Sau 4  5 phút, vặn núm xoay của nguồn U3 để tăng hiệu điện thế giữa lưới G và katốt K (đo bằng Vôn kế V) đạt giá trị không đổi U = 6 V. Khi đó, miliAmpe kế A chỉ thị cường độ dòng anốt I2. Đọc và ghi giá trị I2 vào bảng 3.13. Bước 3. Vặn từ từ núm xoay của nguồn U1 để tăng dần cường độ dòng điện I (đo bằng Ampe kế A1) chạy qua ống dây sôlênôit D. Đọc và ghi giá trị tương ứng của các cường độ dòng điện I và I2 vào bảng 3.13 cho tới khi cường độ dòng điện anôt I2 = 0. Vặn các núm xoay của nguồn U1, U2, U3 theo đúng thứ tự về vị trí 0. Sau đó, bấm các khoá K, K2, K3 để tắt máy. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Nêu định nghĩa và đơn vị đo điện tích riêng của electron. 4.2. Trình bày phương pháp xác định điện tích riêng của electron bằng dùng đèn Manhetron. Giải thích rõ chuyển động của electron trong điện trường và từ trường. 4.3. Tại sao phải giữ giá trị hiệu điện thế của nguồn điện U2 không thay đổi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm? 4.4. Giải thích rõ cách xác định giá trị I1 khi cường độ dòng anôt triệt tiêu (I2 = 0) bằng phương pháp đồ thị như trên hình 3.33. 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 101
5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng 3.13. Cường độ dòng điện I và I2 Vôn kế V: Um = 10 (V); v = 1,5% Số vòng dây: n = (6000 5) vòng/m Ampe kế A1: Hệ số của ống dây: I1m = 2,5 (A), 1A = 1,5% = 0,2000 0,0010 Ampe kế A2: Khoảng cách anôt - lưới: -3 I2m = (A), 2A = 1,5% d = (7,000 0,010).10 m Hiệu điện thế giữa lưới G và catôt K: U = (6,00 0,10) V -7 0 = 4 .10 H/m I(A) I2(mA) I(A) I2(mA) 5.3. Vẽ đồ thị I2 = f(I) và xác định giá trị dòng điện I1. e 5.4. Tính và biểu diễn kết quả điện tích riêng của electron X m Căn cứ vào đồ thị I2 = f(I) vẽ được ở trên, xác định giá trị dòng điện I1: 102
I  .I 1 1A 1m I1 I1 I1 2U X đo 2 2 2 2 2 . .n .I .R 0 1 0 U  n I R 0 1 0 X đo 2 U 0 n I1 R0 X đo X đo.X đo X đo X đo X đo X đo X đo X đo 5.5. So sánh giá trị đo Xđo với giá trị lý thuyết Xlt = e/m 1,60.10 19 Cho biết X 1,7.10 11 (C / kg) . lt 9,1010 31 Tính độ lệch tỷ đối: X lt X đo * X lt 5.6. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 103
BÀI 10 XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO HỆ VÂN TRÒN NIUTƠN 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là tạo điều kiện để sinh viên được quan sát các vân tròn Niutơn trên thực tế và trang bị cho sinh viên kỹ năng thực nghiệm để đo bước sóng của ánh sáng bằng phương pháp vân tròn Niutơn. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của phép đo, cách tính bán kính các vân tròn Niutơn; ii. Nắm được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm. Biết cách sử dụng kính hiển vi, trắc vi thị kính và trắc vi vật kính để đo các kích thước rất nhỏ; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm đo bước sóng của ánh sáng đơn sắc dựa trên việc khảo sát các vân tròn Niutơn; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Hiện tượng giao thoa Giao thoa ánh sáng là hiện tượng giao nhau của hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp, kết quả là trong vùng giao thoa sẽ xuất hiện những miền sáng tối khác nhau - gọi là các vân sáng, tối. Các vân này nằm xen kẽ nhau tạo thành hệ vân giao thoa. Lý thuyết đã cho thấy rằng vị trí của các vân sáng hoặc tối hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu quang lộ của hai tia sáng gây ra giao thoa. Nếu vị trí nào đó trong vùng giao thoa, hiệu quang lộ bằng số nguyên lần bước sóng: L L2 L1 k thì vị trí đó có vân sáng. Ngược lại, nếu hiệu quang lộ bằng số lẻ lần nửa bước sóng:  L L L (2k 1) 2 1 2 thì tại đó có vân tối. Trong công thức trên k = 0; 1; 2; 104
2.2. Giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn Giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn là hiện tượng giao thoa của các sóng sáng truyền qua bản nêm không khí nằm giới hạn giữa mặt lồi của một thấu kính phẳng lồi L đặt tiếp xúc với một bản thủy tinh phẳng P . Vân tròn Niutơn được tạo ra nhờ hiện tượng giao thoa gây bởi e 0 bản mỏng có bề dày thay đổi. Dụng cụ để tạo nên vân tròn Niutơn gồm một thấu kính phẳng lồi (hoặc hai mặt cùng lồi), đặt tiếp xúc với mặt A kính thuỷ tinh phẳng A (hình 3.36). Hình 3.36. Nêm không khí Giữa thấu kính và bản thuỷ tinh mờ A là một lớp không khí có dạng hình nêm. Gọi 0 là đỉnh của nêm, e là bề dày của nêm tại vị trí đang xét. Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có bước sóng  vuông góc với mặt phẳng của bản thuỷ tinh A thì các tia sáng phản xạ từ các mặt trên và mặt dưới của bản nêm không khí sẽ giao thoa với nhau, tạo thành một hệ các vân sáng và vân tối hình tròn đồng tâm xen kẽ nhau - gọi là hệ vân tròn Niutơn (hình 3.37). R2 R1 I e 0 K Hình 3.37. Giao thoa gây bởi nêm không khí Trong trường hợp này, hiệu đường đi của các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí tại vị trí ứng với độ dày dk (hình 3.38) của bản bằng:  2.dk (3.79) 2 105
Đại lượng  xuất hiện là do ánh sáng truyền qua bản nêm không khí tới 2 mặt dưới của bản rồi bị phản xạ tại mặt phẳng của bản thủy tinh P, chiết quang hơn không khí.  Khi (2k 1). với k = 0, 1, 2, 3 ta có cực tiểu giao thoa, ứng với độ dày: 2  dk k. (3.80) 2 Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L. Vì dk << R, nên áp dụng hệ thức lượng trong tam R giác vuông trên hình 3.38, ta tính được bán kính rk L dk của vân tối thứ k: P ri 2 rk (2R dk ).dk 2R.dk (3.81) rk Thay (3.80) vào (3.81), ta suy ra: r2  k (3.82) k.R Hình 3.38. Giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn Thực tế không thể đạt được sự tiếp xúc điểm giữa mặt thấu kính phẳng lồi L và mặt bản phẳng thủy tinh P, nên vân tối chính giữa của hệ vân tròn Niutơn không phải là một điểm mà là một hình tròn. Vì thế, để xác định chính xác bước sóng  của ánh sáng đơn sắc, ta phải áp dụng công thức (3.82) đối với hai vân tối thứ k và thứ i: r2 k..R; r2 i..R k i 2 2 Từ đó suy ra: ri rk (i k)..R Hay: B.b  (3.83) (i k).R Trong đó đại lượng B = rk + ri ; b = ri – rk có thể đo được bằng thước trắc vi của kính hiển vi. 106
2.3. Quan sát vân Niutơn qua kính hiển vi Thấu kính phẳng lồi L được đặt trên bản thủy tinh P và giữ cố định trong hộp nhỏ H có ba vít điều chỉnh. Để có ánh sáng chiếu thẳng góc lên hệ thấu kính phẳng lồi tạo vân tròn Niutơn đồng thời quan sát và đo được bán kính của các vân, ta dùng một gương bán T mạ phản xạ truyền qua đặt trước vật kính của kính hiển vi. V Q Thước trắc vi gồm một vạch dấu chữ Đ G (a) (b) thập đặt trước thị kính và cơ cấu dịch L chuyển ngang cho toàn bộ ống kính trong P khoảng 0 – 50 mm, điều chỉnh bằng cách Hình 3.39. Sơ đồ quang học xoay trống quay (4) và đọc giá trị mm trên quan sát hệ vân tròn Niutơn thước T (0 – 50 mm) với phần lẻ đọc trên trống (4) với độ chính xác tới 0,01mm (cơ cấu tương tự như panme, bài số 1). Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Niutơn bố trí (hình 3.39). Một hệ thống chiếu sáng phản xạ truyền qua gồm một đèn Đ phát ra ánh sáng đơn sắc truyền qua một kính tụ quang Q, rồi chiếu vào mặt gương bán mạ G đặt nghiêng một góc 450. Sau khi phản xạ trên gương G, các tia sáng đi theo phương thẳng đứng vào nêm không khí của bản vân tròn Niutơn. Khi đó các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí giao thoa với nhau tạo thành một hệ vân gồm các vòng tròn sáng và tối nằm xen kẽ nhau ở mặt trên của nêm không khí. Hệ vân giao thoa này được gọi là hệ vân tròn Niutơn. Có thể nhìn thấy rõ hệ vân tròn Niutơn khi đặt mắt quan sát chúng qua hệ thống thị kính T và vật kính V trong ống ngắm của kính hiển vi. 3. Dụng cụ thí nghiệm 3.1. Dụng cụ 1. Kính hiển vi đo lường đọc số có cơ cấu dịch chuyển ngang đo bằng thước trắc vi 0 – 50 mm chính xác 0,01 mm; 2. Vật kính x3.; Thị kính x10; 3. Giá cặp vật và bàn đặt mẫu; 107
4. Gương bán mạ phản xạ - truyền qua, nghiêng 450; 5. Hệ thấu kính phẳng – lồi cho vân tròn Niutơn, có đường kính 35 mm và có bán kính cong mặt lồi R = 855 mm; 6. Nguồn ánh sáng đơn sắc có ba màu (đỏ, lục, lam); 7. Bộ nguồn điện 3 V hoặc adapter AC220/DC3-4,5 V. 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Quan sát ảnh của hệ vân tròn Niutơn qua kính hiển vi a. Xoay trống quay (4) để đặt ống kính vào vị trí giữa thước T (vị trí 25mm). Đặt hộp H chứa thấu kính phẳng – lồi L và bản thủy tinh P lên mâm cặp vật 1. Quan sát, kiểm tra gương bán mạ G nghiêng 450 so với phương ngang (hình 3.40). L 2 T 4 Đ Hình 3.40. Bộ thí nghiệm xác định bước sóng ánh sáng Cắm phích lấy điện của bộ nguồn cấp điện 3V cho đèn chiếu vào lưới điện 220 V. Bật công tắc để đèn Đ phát sáng màu đỏ. Đặt đèn chiếu trước gương bán mạ sao cho chùm tia phản xạ từ gương chiếu thẳng góc vào hệ kính phẳng lồi tạo vân tròn Niutơn (có thể quan sát bằng mắt thường một chấm đen nhỏ có các vòng tròn đồng tâm, nằm ở vùng tâm của hệ thấu kính phẳng lồi, chính là hệ vân cần tìm). b. Nhìn từ phía ngoài kính hiển vi và vặn vít 2 để hạ thấp dần vật kính V xuống gần mặt hộp H. Đặt mắt sát thị kính T quan sát thị trường trong ống ngắm N của kính hiển vi. Vặn từ từ vít 2 để nâng dần ống ngắm N lên cao, cho tới khi nhìn thấy hệ vân tròn Niutơn. Vặn tiếp vít 2 (lên hoặc xuống) cho tới khi nhìn thấy hệ 108
vân tròn Niutơn rõ nét nhất. Dịch chuyển hộp thấu kính phẳng lồi, sao cho giao điểm của dây chữ thập trong trắc vi thị kính nằm trùng với tâm của hệ vân tròn Niutơn. 3.2.2. Đo các đại lượng B và b a. Xoay trống (4) để cho giao điểm của dây chữ thập dịch chuyển ngang theo đường kính của hệ vân tròn Niutơn tới vị trí các vân tối I, K, K’, I’ (hình 3.41). I K 0 K’ I’ b B Hình 3.41. Hệ vân tròn Niutơn b. Chọn vân thứ k là vân tối có đường kính nhỏ nhất ứng với k = 1 và vân thứ i là vân tối thứ 5 hoặc thứ 6 Từ (hình 3.41), ta nhận thấy: B = rk + ri = IO + OK’ = IK’ b = ri – rk = IO - OK = IK Trong đó các điểm I, K, K’, I’ đọc được trên thước trắc vi. Đọc và ghi giá trị của I, K, K’, I’ vào bảng 3.14. c. Cách đọc như sau: - Phần nguyên (mm): đọc trên cơ cấu dịch chuyển ngang. Nếu vạch chỉ nằm trong khoảng hai số 25 và 26 thì đọc phần nguyên là 25 mm. - Phần lẻ (mm): đọc trên du xích tròn của trống xoay 4. Nếu vạch chỉ đặt vào số 56 thì đọc 56 x 0,01 = 0,56 mm. c. Thực hiện lại các động tác trên 5 lần để tìm giá trị trung bình của B và b. Ghi kết quả vào bảng số liệu 3.14. d. Lặp lại các bước a, b, c đối với hai ánh sáng đơn sắc còn lại là mầu lục và lam. Ghi kết quả tương ứng vào bảng 3.15 và bảng 3.16. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Trình bày hiện tượng giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn. Nêu đặc điểm hệ vân tròn Niutơn. 109
4.2. Mô tả thiết bị thí nghiệm để xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc bằng phương pháp giao thoa cho hệ vân tròn Niutơn. 4.3. Khi tiến hành tính toán xác đinh bước sóng ánh sáng tại sao lạị không sử dụng công thức (3.82)? 4.4. Trong bài thí nghiệm này, sai số nào là chủ yếu. Giải thích rõ tại sao? 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu - Bán kính mặt lồi của thấu kính: R (855,0 0,5)mm Bảng 3.14. Ánh sáng màu đỏ (I K') (K I') (I K) (K' I') Lần đo Tọa độ (mm) B b 2 2 I K K’ I’ 1 2 3 4 5 GTTB 110
Bảng 3.15. Ánh sáng màu lục (I K') (K I') (I K) (K' I') Lần đo Tọa độ (mm) B b 2 2 I K K’ I’ 1 2 3 4 5 GTTB Bảng 3.16. Ánh sáng màu lam (I K') (K I') Lần đo Tọa độ (mm) B 2 I K K’ I’ 1 2 3 4 5 GTTB 5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo B và b Ánh sáng màu đỏ (mm) Ánh sáng màu lục (mm) Ánh sáng màu lam (mm) B B b b B B B B B B b b b b b b 111
5.4. Tính và biểu diễn kết quả bước sóng ánh sáng  Ánh sáng màu đỏ B.b  (i k)R B b R  B b R  .       Ánh sáng màu lục       Ánh sáng màu lam 5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị 112
BÀI 11 KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI VÀ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLĂNG 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là tạo điều kiện để sinh viên được quan sát hiện tượng quang điện ngoài và trang bị cho sinh viên kỹ năng thực nghiệm để khảo sát về hiện tượng quang điện ngoài, dựa trên kết quả khảo sát, xác định một trong những hằng số cơ bản của vật lý lượng tử là hằng số Plăng. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang điện ngoài; ii. Nắm được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện chân không. Biết cách lắp mạch thí nghiệm theo sơ đồ và sử dụng thiết bị thí nghiệm; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm để xây dựng đường đặc trưng Vôn – Ampe của tế bào quang điện chân không. Biết cách xác định hiệu điện thế hãm Uc bằng phương pháp thực nghiệm; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Khi chiếu vào mặt bản kim loại một chùm ánh sáng thích hợp, có bước sóng  nhỏ hơn giá trị 0 xác định, người ta thấy có các êlectrôn thoát ra khỏi bản đó. Hiện tượng trên được gọi là hiệu ứng quang điện ngoài. Giá trị 0 gọi là giới hạn quang điện, phụ thuộc vào bản chất của mỗi kim loại. Các êlectrôn thoát khỏi bản kim loại gọi là các quang êlectrôn. Để nghiên cứu hiện tượng này, ta dùng một tế bào quang điện chân không. Cấu tạo của nó gồm một bóng thủy tinh đã hút chân không (10-6  10-8 mmHg), bên trong có hai điện cực: anôt A là một vòng dây kim loại đặt ở giữa, catôt K là một lớp chất nhạy quang (thí dụ như hợp chất ăngtimônit xêzi SbCs, ) phủ lên nửa mặt phía trong của bóng thủy tinh. Tất cả được đặt trong một hộp kín có cửa sổ nhỏ cho ánh sáng chiếu vào. Anôt A nối với cực dương (+) và catôt K nối với cực âm (-) của nguồn điện một chiều U. Hiệu điện thế 113
UAK giữa anôt và catôt được đo bằng Vôn kế V và có thể thay đổi dễ dàng nhờ một biến trở R (hình 3.42). Khi chiếu chùm ánh sáng thích hợp ( < 0) vào catôt K, trong mạch điện của tế bào quang điện xuất hiện dòng quang điện có cường độ I đo bằng micrôAmpe kế µA. Cường độ I tăng theo hiệu điện thế UAK, tới khi UAK ≥ Ubh thì cường độ I không tăng nữa và đạt giá trị không đổi Ibh gọi là cường độ dòng quang điện bão hòa. Cường độ dòng quang điện bão hòa tăng tỷ lệ với cường độ của chùm sáng chiếu vào catôt. Đồ thị I = f(UAK) biểu diễn sự phụ thuộc của I vào UAK gọi là đường đặc trưng Vôn - Ampe của tế bào quang điện chân không (hình 3.43). h I U P E A K Ibh V I0 U A Uc Ubh Q F Hình 3.42. Đo đặc trưng Vôn - Ampe Hình 3.43. Đường đặc trưng của tế bào quang điện Vôn - Ampe Có thể giải thích hiện tượng quang điện ngoài bằng thuyết lượng tử ánh sáng của Anhxtanh. Theo thuyết này, ánh sáng cấu tạo bởi vô số các phôtôn (lượng tử ánh sáng). Mỗi phôtôn mang một năng lượng xác định bằng: c  h h (3.84)  Với h là hằng số Plăng, c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không,  là tần số của ánh sáng đơn sắc có bước sóng . Như đã biết, êlectrôn tự do trong kim loại muốn thoát ra khỏi mặt bản kim loại thì cần phải nhận được một năng lượng tối thiểu bằng công thoát A0 của nó đối với kim loại đó. Nếu chiếu ánh sáng thích hợp vào mặt bản kim loại, êlectrôn nằm ở gần sát mặt bản này sẽ hấp thụ hoàn toàn năng lượng  = h. của 114
phôtôn để chuyển một phần thành công thoát A0 của nó và phần còn lại chuyển mv2 thành động năng ban đầu cực đại max khi vừa thoát khỏi mặt bản kim loại. 2 Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng đối với các quang êlectrôn, ta nhận được phương trình Anhxtanh: mv2  h A max (3.85) 0 2 2 mvmax c Vì 0 , nên h. ≥ A0. Thay  , ta suy ra điều kiện xảy ra hiện 2  tượng quang điện: h  0 (3.86) A0 Với chùm ánh sáng thích hợp ( 0) chiếu vào catôt, ta nhận thấy: Khi UAK > 0 và càng tăng thì số quang electron chuyển động từ catôt K về anôt A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ I của dòng quang điện càng tăng; Khi UAK ≥ Ubh thì toàn bộ số quang electron thoát khỏi catôt K trong mỗi đơn vị thời gian đều bị hút hết về anôt A, do đó cường độ I của dòng quang điện không tăng nữa và đạt giá trị bão hòa Ibh. Nếu cường độ chùm ánh sáng thích hợp chiếu vào catôt K càng mạnh thì số phôtôn đến đập vào catôt K trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều. Do đó, số quang êlectrôn thoát khỏi catôt K và chuyển động về anôt A trong mỗi đơn vị thời gian càng nhiều và cường độ dòng quang điện bão hòa Ibh càng lớn; Rõ ràng là ngay cả khi UAK = 0, một số quang êlectrôn có động năng cực mv2 đại max đủ lớn vẫn có thể bay từ catôt K sang anôt A để tạo thành dòng quang 2 điện có cường độ nhỏ I0 ≠ 0 như trên hình 3.43. Muốn triệt tiêu dòng quang điện (I0 = 0), ta phải đặt vào hai cực của tế bào quang điện một hiệu điện thế cản Uc có giá trị âm (Uc = - UAK < 0) sao cho công cản của điện trường giữa anôt A và catôt K có trị số bằng động năng cực đại của quang êlectrôn: 2 mvmax eU c (3.87) 2 115
ở đây e = - 1,6.10-19C là điện tích của quang êlectrôn. So sánh (3.85) với (3.87), ta tìm được: eU c h A0 (3.88) Với các ánh sáng đơn sắc có tần số lần lượt là 1 và 2, hiệu điện thế cản có giá trị tương ứng là Uc1 và Uc2. Khi đó, theo (3.88) ta có: eU c1 h1 A0 eU c2 h 2 A0 Từ đó suy ra giá trị của hằng số Plăng: U U h e c1 c2 (3.89) 1  2 Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát hiện tượng quang điện bằng cách vẽ đường đặc trưng Vôn – Ampe I = f(UAK) của tế bào quang điện chân không và xác định hằng số Planck h theo công thức (3.89). 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ 1. Bộ thí nghiệm vật lý MC – 959; 2. Tế bào quang điện chân không; 3. Đèn chiếu sáng; 4. Các kính lọc sắc (lục và xanh tím); 5. Nguồn điện một chiều ổn áp 0 – 100 V. 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Bộ thí nghiệm MC - 959 (hình 3.44) Đ F Q A E P K UAK U K 1 A A V o V K1 Bộ nguồn “0” 8V2A Hình 3.44. Sơ đồ bố trí mặt máy bộ thí nghiệm MC - 959 116
1. Tế bào quang điện chân không đặt trong hộp kín, có hai điện cực anôt A và catôt K. 2. Đèn Đ có Diaphram dùng để thay đổi cường độ sáng chiếu vào tế bào quang điện. 3. Nguồn điện U1 cung cấp cho đèn chiếu. 4. Nguồn điện một chiều UAK đó được nối vào hai chốt P, Q có thể điều chỉnh liên tục từ 0 - 100 V khi đo đặc trưng Von - Ampe và từ 0 - 2,5 V khi đo hiệu điện thế cản, bằng cách vặn núm xoay UAK ngay bên cạnh nó. 5. Vôn kế V đo hiệu điện thế một chiều, có hai thang đo 100 V và 2,5 V. Một vài kiểu thiết bị có thêm thang 1V để tăng độ phân giải. Khi vặn chuyển mạch đổi thang đo thì nguồn cung cấp một chiều cũng tự động thay đổi theo. 6. MicroAmpe kế µA có hai thang đo 100 µA (để đo đặc trưng Von-Ampe) và 1µA (để đo hiệu điện thế cản). Thang đo 1 µA có qua bộ khuếch đại 100 lần, cần chuẩn quy “0” cẩn thận trước khi đo. 7. Các chốt P, Q, E, F để nối mạch điện. 3.2.2. Đo đặc trưng Von-Ampe của tế bào quang điện Mắc mạch điện như trên sơ đồ hình 3.42. + Vôn kế V chọn thang 100 V; + MicroAmpe kế A chọn thang 100 µA; + Nguồn một chiều UAK đặt ở vị trí 0. (Núm xoay UAK vặn về vị trí tận cùng trái); + Gạt chuyển mạch (nếu có) của nguồn điện một chiều sang vị trí 100 V. Đặt đèn chiếu Đ cách tế bào quang điện từ 6 ÷ 8 cm và nối nó với nguồn điện U1; các công tắc K và K1 ở vị trí ngắt điện. Sau khi thiết lập xong, mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện để được phép cắm phích điện của thiết bị MC - 959 vào ổ điện xoay chiều ~ 220 V. Tiến hành đo: a. Bấm các công tắc K và K1 trên mặt máy: các đèn LED và đèn chiếu Đ phát sáng báo hiệu máy đã sẵn sàng hoạt động. b. Thiết lập dòng quang điện bão hòa Ibh = 20 A: Vặn từ từ núm xoay UAK sao cho Vôn kế V chỉ 60 V. Quan sát đồng hồ microAmpe kế µA, điều chỉnh tay gạt 117
thay đổi độ mở Diaphram cho tới khi Ibh = 20 A. Thay đổi các giá trị UAK như trong bảng 3.17 và ghi lại các giá trị tương ứng của dòng quang điện. Lặp lại phép đo 3 lần. 3.2.3. Đo hiệu điện thế cản Uc ứng với các ánh sáng đơn sắc màu lục và màu tím Mắc lại mạch điện theo sơ đồ bằng cách đổi nối chéo hai dây giữa các cọc nối dây P - F, Q – E (hình 3.45). h U P E A K V  F Q A Hình 3.45. Đo hiệu điện thế cản Uc + Vôn kế V chọn thang 1V (hoặc 2,5 V); + MicrôAmpe kế chọn thang 1 A; + Nguồn 1 chiều UAK đặt ở vị trí 0 (núm xoay UAK vặn về vị trí tận cùng trái); + Gạt chuyển mạch (nếu có) của nguồn điện một chiều sang vị trí + 2,5 V; + Các công tắc K và K1 ở vị trí ngắt điện. Sau khi thiết lập xong, mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra mạch điện để được phép cắm phích điện của thiết bị MC - 959 vào ổ điện xoay chiều ~ 220 V. Tiến hành đo: a. Bấm các công tắc K trên mặt máy: Các đèn LED phát sáng báo hiệu máy đó sẵn sàng hoạt động. Đèn chiếu Đ vẫn chưa được đóng điện. b. Nguồn 1 chiều UAK = 0. Dùng tấm nhựa đen che kín cửa sổ tế bào quang điện. Vặn núm quy “0” điều chỉnh chính xác kim đồng hồ microAmpe kế chỉ về đúng số 0. c. Thay miếng nhựa đen bằng tấm kính lục, cho qua ánh sáng có bước sóng 118
 = 0,5 m. Bật công tắc đèn chiếu K1. Điều chỉnh Diaphram để cho dòng I0 = 0,4  0,8 A. d. Vặn núm xoay UAK để tăng dần hiệu điện thế ngược đặt vào catốt và anốt. Ta thấy dòng I0 giảm dần đến triệt tiêu. Để đo được chính xác hiệu điện thế cản Uc, ta tăng dần từng 0,02 hoặc 0,04 V. Đọc và ghi các giá trị dòng điện I tương ứng vào bảng 3.18 cho đến khi I = 0. e. Lặp lại các bước 2.3. b, c, d với kính lọc sắc màu xanh tím có bước sóng  = 0,45 m, ghi kết quả vào bảng 3.18. Kết thúc phép đo giảm hiệu điện thế nguồn UAK về 0. Tắt các công tắc K1 (tắt đèn chiếu), công tắc K, cất kính lọc sắc vào hộp kín, đặt tấm nhựa đen che cửa sổ tế bào quang điện, tháo mạch điện sắp xếp dụng cụ gọn gàng. 4. câu hỏi kiểm tra 4.1. Trình bày hiện tượng quang điện ngoài. Nêu đặc điểm đường đặc trưng Von-Ampe. 4.2. Trình bày phương pháp xác định hằng số Plăng trong thí nghiệm này. 4.3. Mô tả thiết bị thí nghiệm và vẽ sơ đồ mạch điện để xác định hằng số Plăng 4.4. Từ đồ thị đường đặc trưng Von-Ampe, có nhận xét gì về sự thay đổi của cường độ dòng quang điện khi thay đổi hiệu điện thế UAK? 5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 5.2. Kết quả thí nghiệm 119
Bảng số liệu Bảng 3.17. Giá trị hiệu điện thế UAK và cường độ dòng quang điện Iqđ của tế bào quang điện chân không - Vôn kế: Um = 100 (V); V = 2,5% - MicrôAmpe kế: Im = 100 (A); A = 2,5% UAK(V) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 30 40 50 60 70 80 I1(A) I2(A) I3(A) Bảng 3.18. Giá trị hiệu điện thế UAK và cường độ dòng quang điện Iqđ ứng với ánh sáng màu lục và màu xanh tím. - Vôn kế: Um = 1 (V); V = 2,5% - MicrôAmpe kế: Im = 1 (A); A = 2,5% Kính lọc sắc màu lục: 1 = 0,5m UAK (x10-2 V) I(x10-2 A) Kính lọc sắc màu xanh tím: 2 = 0,45m UAK (x10-2 V) I(x10-2 A) 120
5.3. Tính và biểu diễn kết quả 5.3.1. Vẽ đồ thị đặc trưng Vôn – Ampe của tế bào quang điện I = f(UAK) Vẽ đồ thị đường đặc trưng Vôn – Ampe ứng với ba cường độ chiếu sáng khác nhau trên cùng một đồ thị. 5.3.2. Vẽ đồ thị I = f(UAK) đối với kính màu lục có bước sóng 1 và kính màu xanh tím có bước sóng 2 Để xác định Uc trong mỗi trường hợp, ta kẻ đường thẳng đi qua các điểm đồ thị ở cuối mỗi đường, giao điểm của chúng với trục hoành cho ta giá trị hiệu điện thế cản Uc, ghi giá trị xác định được vào bảng 3.19 (xem hình 3.43). Hằng số Plăng tính theo công thức (3.89). 121
Bảng 3.19. Giá trị thu được Kính lục (1 = 0,5m) Kính xanh tím (2 = 0,45m) Tần số  = c/ (Hz) Hiệu điện thế cản Uc (V) 5.4. Tính và biểu diễn kết quả đo hằng số Plăng U U h e. c1 c2   1 2 So sánh với giá trị lý thuyết: h = 6,625.10-34 Js, ta có: h h h h h h h h h h h h 5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 122
BÀI 12 KHẢO SÁT SỰ NHIỄU XẠ CỦA CHÙM LASER QUA CÁCH TỬ PHẲNG - XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG CỦA LASER 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là tạo điều kiện để sinh viên được quan sát hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng trên một khe hẹp và trang bị cho sinh viên kỹ năng thực nghiệm để nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua một khe hẹp và qua cách tử phẳng. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết về hiện tượng nhiễu xạ; ii. Nắm được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của dụng cụ. Biết cách lắp mạch thí nghiệm theo sơ đồ và sử dụng thiết bị thí nghiệm; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm để xác định bước sóng ánh sáng bằng hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua cách tử phẳng truyền qua; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Nhiễu xạ ánh sáng qua một khe hẹp Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng trong một môi trường đồng tính khi đi qua các lỗ tròn nhỏ, khe hẹp có kích thước cỡ µm. Dưới đây ta khảo sát hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia sáng song song ứng với các sóng phẳng. Chiếu một chùm tia sáng song song, đơn sắc, kết hợp có bước sóng  vuông góc với mặt phẳng của khe hẹp AB có bề rộng b (hình 3.46). Sau khi truyền qua khe, các tia sáng bị nhiễu xạ theo mọi phương khác nhau. Những tia sáng nhiễu xạ có cùng góc lệch sẽ truyền song song và sẽ giao thoa với nhau ở vô cực. Để quan sát ảnh giao thoa của các tia nhiễu xạ song song, ta đặt một thấu kính hội tụ L ở phía sau khe hẹp AB để hội tụ các tia nhiễu xạ này tại điểm M trên mặt phẳng tiêu của thấu kính. Khi đó điểm M có thể sáng hoặc tối tuỳ thuộc vào giá trị của góc . 123
Thực vậy, ta hãy vẽ các mặt phẳng song song 0 , 1 , 2 , cách nhau /2 và vuông góc với chùm tia nhiễu xạ. Các mặt phẳng này chia mặt phẳng của khe AB thành các dải sáng hẹp có độ rộng:  AB1 B1B2 2sin Số dải sáng có trên mặt khe hẹp bằng: b 2.b.sin n (3.90)  / 2.sin  Hình 3.46. Nhiễu xạ qua khe hẹp Vì các tia nhiễu xạ tương ứng từ hai dải sáng kế tiếp truyền tới điểm M có hiệu quang lộ bằng /2, nên dao động sáng của chúng ngược pha và khử lẫn nhau. Từ đó suy ra các kết quả sau: + Nếu khe hẹp chứa một số chẵn dải: n = 2k (k là số nguyên), thì dao động sáng do mỗi cặp dải sáng kế tiếp truyền tới M sẽ khử lẫn nhau và điểm M sẽ là một điểm tối-gọi là cực tiểu nhiễu xạ. Vị trí các cực tiểu nhiễu xạ trên mặt phẳng tiêu của thấu kính L được xác định bởi hệ thức: 2.b.sin 2k với k = 1, 2, 3  hay sin k / b . (3.91) Theo (3.91), khi k = 0 thì = 0: các tia sáng truyền thẳng qua khe hẹp AB và hội tụ tại tiêu điểm F của thấu kính L. Các tia sáng này có cùng quang lộ nên tại tiêu điểm F, chúng dao động cùng pha và tăng cường lẫn nhau. Do đó điểm F rất sáng và gọi là cực đại nhiễu xạ giữa. + Nếu khe hẹp chứa một số lẻ dải: n = (2k+1), thì dao động sáng do mỗi cặp dải sáng kế tiếp truyền đến điểm M sẽ khử lẫn nhau, chỉ còn lại dao động sáng của một dải sáng dư ra không bị khử. Khi đó M là một điểm sáng và được gọi là cực đại nhiễu xạ bậc k (k 0). Cường độ sáng của các cực đại nhiễu xạ bậc k nhỏ hơn nhiều so với cực đại giữa. Vị trí các đỉnh cực đại nhiễu xạ bậc k trên mặt tiêu của thấu kính L được xác định bởi hệ thức: 124
2.b.sin ( 2k 1) với k =1, 2, 3  hay sin ( 2k 1) / 2b (3.92) Vị trí các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ trên màn ảnh E (đặt tại mặt phẳng tiêu của thấu kính L) và sự phân bố cường độ sáng I của các cực đại nhiễu xạ phụ thuộc vào giá trị của sin như hình 3.47. Hình 3.47. Vân nhiễu xạ qua khe hẹp Nhận thấy cực đại giữa có độ rộng lớn gấp đôi và có cường độ sáng lớn hơn nhiều so với các cực đại nhiễu xạ khác. Công thức (3.91) và (3.92) chứng tỏ vị trí các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ trên màn ảnh E không phụ thuộc vị trí của khe hẹp AB. Vì thế, nếu giữ cố định thấu kính L và dịch chuyển khe hẹp AB song song với chính nó, thì ảnh trên màn E không thay đổi. 2.2. Nhiễu xạ qua cách tử phẳng Tập hợp một số lớn các khe hẹp giống nhau nằm song song và cách đều nhau trên cùng một mặt phẳng gọi là cách tử phẳng. Khoảng cách d giữa hai khe hẹp kế tiếp nhau gọi là chu kỳ cách tử. Chiếu chùm sáng song song đơn sắc, có bước sóng  vuông góc với mặt cách tử phẳng gồm N khe hẹp (hình 3.48). Mỗi khe hẹp có độ rộng bằng b và chu kì của cách tử bằng d. Khi đó sẽ đồng thời xảy ra hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng gây ra bởi mỗi khe hẹp và hiện tượng giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ N khe hẹp truyền tới mặt phẳng tiêu của thấu kính L. Vì vậy, ảnh nhiễu xạ trên màn ảnh E trong trường hợp này trở lên phức tạp hơn so với một khe. 125
Trước tiên ta nhận thấy, tại những điểm ứng với các góc nhiễu xạ thoả mãn điều kiện (3.91): sin k / b với k=1, 2, 3 (3.93) thì mọi khe hẹp của cách tử phẳng đều cho cực tiểu nhiễu xạ: cực tiểu nhiễu xạ này được gọi là cực tiểu chính. a) Sự phân bố cường độ sáng theo sin Bây giờ ta xét sự giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ N khe hẹp truyền tới những vị trí nằm trong khoảng giữa các cực tiểu chính. Nhận xét thấy hiệu quang lộ giữa các cặp tia nhiễu xạ tương ứng từ hai khe kế tiếp truyền tới điểm M trên mặt phẳng tiêu F của thấu Hình 3.48. Nhiễu xạ qua kính hội tụ L bằng: cách tử phẳng L2 L1 d sin (3.94) Từ đó suy ra những tia nhiễu xạ có góc lệch thoả mãn điều kiện: d sin k với k = 0,1,2,3 hay sin k / d (3.95) sẽ gây ra tại điểm M các dao động sáng cùng pha và chúng tăng cường lẫn nhau. Khi đó, M sẽ là điểm sáng và gọi là cực đại chính bậc k. + Dễ dàng nhận thấy cực đại chính trung tâm ứng với k = 0 và sin =0 nằm tại tiêu điểm F của thấu kính L. Hơn nữa, do d > b nên giữa hai cực tiểu chính sẽ có một số cực đại chính (Hình 3.49a). Hình 3.49a. Vân nhiễu xạ qua cách tử phẳng 126
+ Người ta cũng chứng minh được rằng giữa hai cực đại chính kế tiếp, còn có một số cực đại phụ ngăn cách bởi các cực tiểu phụ. Vị trí các cực tiểu phụ xác định bởi góc lệch thoả mãn điều kiện: k  sin (3.96) Nd với k’=1,2,3, trừ các giá trị N, 2N, 3N, Vì các cực đại phụ có cường độ sáng rất nhỏ nên không vẽ trên hình 3.49a. Kết quả là ảnh nhiễu xạ qua cách tử phẳng có số khe N khá lớn sẽ gồm những vạch sáng song song nằm tại các vị trí xác định theo điều kiện (3.95). Các vạch sáng này ngăn cách nhau bởi những khoảng tối và có cường độ sáng giảm từ cực đại trung tâm ra xa nó về cả hai phía (xét trong phạm vi giữa hai cực tiểu chính bậc 1 ứng với sin +/b và -/b). Trong thí nghiệm này, ta sẽ nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của chùm laser chiếu qua một cách tử phẳng, khảo sát sự phân bố cường độ sáng trên ảnh nhiễu xạ của nó, từ đó xác định bước sóng  của Laser. b. Xác định bước sóng của chùm Laser nhiễu xạ qua cách tử phẳng. Từ ảnh nhiễu xạ, ta suy ra công thức xác định bước sóng  của chùm tia Laser bằng cách áp dụng công thức (3.96) đối với cực đại chính bậc 1:  d.sin (3.97) Đối với cực đại chính bậc 1 (hình 3.49b), góc Hình 3.49b. Nhiễu xạ của khá nhỏ nên có thể coi gần đúng: chùm laser a sin tg (3.98) 2 f Thay (3.98) vào (3.97) ta tìm được hệ thức: ad  (3.99) 2 f Theo công thức (3.99), ta có thể xác định được bước sóng  của chùm tia Laser nếu cho biết trước chu kỳ d của cách tử phẳng. 2.3. Sơ lược về nguồn sáng Laser (xem phụ lục 1) 127
Laser là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh – Light Amplification by stimulated Emision of Radiation – (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng) để chỉ các bức xạ điện từ kết hợp, có độ đơn sắc cao, có cường độ lớn, và tính định hướng cao, được tạo ra trong các điều kiện đặc biệt. Khi chiếu bức xạ điện từ đơn sắc có tần số  vào một chất, electron của các nguyên tử ở mức năng lượng cơ bản E1 hấp thụ bức xạ và chuyển lên mức năng lượng kích thích E2 cao hơn ( E2 E1 ). Nhưng electron chỉ tồn tại ở mức năng -3 -8 lượng kích thích E2 trong khoảng thời gian ngắn (10 s10 s) và được gọi là thời gian sống , sau đó chúng lại chuyển về mức năng lượng cơ bản E1 và phát bức xạ. Quá trình chuyển mức năng lượng khi hấp thụ hoặc phát xạ đều tuân theo hệ thức Anhstanh:  h E2 E1 (3.100) với h = 6,625.10-34 Js là hằng số Planck và  h là năng lượng photon của bức xạ điện từ có tần số . Trong thí nghiệm này, ta dùng laser bán dẫn - gọi là diode laser. Khi cho dòng điện một chiều có cường độ thích hợp chạy qua lớp tiếp xúc p-n tạo ra từ chất bán dẫn cơ bản GaAs, tia Laser sẽ được phát ra do quá trình tái hợp p-n để tạo ra các photon. Nguyên tắc tạo ra trạng thái đảo mật độ trong diode Laser như sau: Các electron trong vùng hoá trị chuyển lên vùng dẫn nhờ một quá trình “bơm” (kiểu điện hoặc kiểu quang). Kết quả là giữa các mức năng lượng thấp của vùng dẫn và các mức năng lượng cao ở vùng hoá trị có sự đảo mật độ của electron. Trạng thái đảo mật độ electron là trạng thái không cân bằng, nó chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn 10-13 s và đủ để gây ra hiệu ứng Laser. 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ (hình 3.50) 1. Nguồn phát tia laser bán dẫn (Diode Laser); 2. Cách tử nhiễu xạ phẳng; 3. Thấu kính hội tụ (2 điốp) và hộp bảo vệ; 4. Bộ cảm biến và khuếch đại; 5. Đồng hồ chỉ thị cường độ vạch nhiễu xạ; 6. Thước Panme chính xác 0,01 mm; 128
7. Hệ thống giá đỡ thí nghiệm. 1 2 3 5 4 6 7 Hình 3.50. Bộ thí nghiệm xác định bước sóng chùm Laser 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Cơ chế hoạt động của bộ thiết bị khảo sát nhiễu xạ (hình 3.51) Hình 6. Sơ đồ thí nghiệm + Diode laser DL: phát ra chùm tia laser màu đỏ chiếu vuông góc vào mặt Hình 3.51. Cơ chế hoạt động của bộ thiết bị khảo sát nhiễu xạ 129
+ Khi đi qua cách tử, chùm tia Laser bị nhiễu xạ và truyền qua thấu kính hội tụ TK (có tiêu cự f = 500 mm), cho ảnh nhiễu xạ trên mặt phẳng tiêu diện của TK . + Để xác định vị trí các cực đại nhiễu xạ và khảo sát sự phân bố cường độ sáng của chúng, ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt trong một hộp kín, phía trước có màn chắn sáng, có khe hở rộng khoảng 0,2–0,3 mm. Hộp cảm biến được gắn trên đầu trục của panme P, nên có thể di chuyển được theo phương ngang. Cường độ tia Laser rọi vào cảm biến quang điện QĐ, chuyển đổi thành cường độ dòng điện, chạy qua một điện trở sun 220 . Hiệu điện thế rơi trên điện trở sun này được đo và chỉ thị bởi Milivon kế điện tử MV, có lối vào là một ổ cắm 5 chân C. 3.2.2. Kiểm tra và điều chỉnh chuẩn trực cho hệ thống Để kết quả được chính xác, trước hết ta kiểm tra và điều chỉnh chuẩn trực cho hệ thống, tức là điều chỉnh sao cho chùm tia Laser tới đập thẳng góc vào bảng màn ảnh, đúng vào vị trí trung tâm của cảm biến QĐ. Muốn vậy ta hãy thực hiện các theo bước sau: + Vặn panme P đưa cảm biến quang điện QĐ về vị trí trung tâm (khoảng 12,5mm trên thân thước kẹp của panme). + Nhấc bàn trượt có gắn cách tử ra khỏi giá quang học và đặt xuống mặt bàn. Cắm phích điện của nguồn Laser DL vào ổ điện ~220 V và bật công tắc K1 của nó, ta nhận được chùm tia Laser màu đỏ. Quan sát cảm biến quang điện QĐ xem chùm tia Laser có chiếu đúng vào tâm lỗ tròn trên mặt cảm biến hay không. Nếu lệch, nới nhẹ các con ốc trên khớp đa năng để xoay nguồn laser DL sao cho tia sáng rọi đúng vào tâm lỗ và vuông góc với bề mặt lỗ. Với hai phép xoay quanh hai trục và hai phép tịnh tiến dọc theo hai trục của khớp vạn năng, ta hoàn toàn có thể điều chỉnh chuẩn trực chính xác cho hệ thống. + Đặt bàn trượt có gắn cách tử trở lại giá quang học. Điều chỉnh vị trí cách tử nhờ khớp nối đa năng của nó, sao cho tia laser rọi đúng vào tâm (hình vuông) cách tử. Tiếp tục điều chỉnh xoay cách tử sao cho tia phản xạ từ mặt cách tử ngược trở lại đúng vào lỗ ra của tia Laser. Dịch chuyển bàn trượt dọc theo giá quang học đến vị trí sao cho thấu kính TK cách mặt cảm biến quang điện QĐ đúng 500 mm thì chốt lại và giữ cố định khoảng cách này trong suốt quá trình đo. 130
Nếu hệ thống đã được điều chỉnh đúng thì: + Trên mặt cảm biến quang điện QĐ xuất hiện một dãy chấm sáng sắc nét, nằm trên đường thẳng nằm ngang đi qua tâm lỗ. + Nếu ta đẩy bàn trượt dọc theo giá quang học, vệt sáng của chùm Laser trên cách tử không thay đổi vị trí. 3.2.3. Tiến hành thí nghiệm a. Quy “0” và điều chỉnh độ nhạy của miliVôn kế điện tử MV + Cắm phích lấy điện của Milivôn kế điện tử MV vào ổ điện ~220 V. + Đặt núm chọn thang đo của bộ MV ở vị trí 1,5mV và vặn nhẹ núm biến trở Rf của nó về vị trí tận cùng bên trái. Bấm khoá K trên mặt bộ MV, chờ khoảng 3 phút để bộ khuếch đại ổn định. + Tiến hành điều chỉnh số “0” cho milivôn kế điện tử MV bằng cách: che sáng hoàn toàn khe hở của cảm biến quang điện QĐ (hoặc tắt nguồn laser bằng cách ngắt công tắc K1 trên nguồn Laser DL), vặn từ từ núm biến trở “quy 0” (lắp ngay dưới đồng hồ chỉ thị) để kim đồng hồ MV chỉ đúng số 0. + Để điều chỉnh độ nhạy thích hợp cho MiliVôn kế điện tử MV, ta vặn từ từ cán của panme P sao cho cực đại giữa (có cường độ sáng lớn nhất) của ảnh nhiễu xạ lọt đúng vào giữa khe hở của cảm biến quang điện QĐ. Khi đó kim của miliVôn kế điện tử MV lệch mạnh nhất. Vặn núm xoay của biến trở Rf sao cho kim của miliVôn kế điện tử lệch tới vạch cuối thang đo (80 hoặc 90). (Nếu không đạt được độ lệch này, thì phải vặn mạch chuyển thang đo của bộ MV sang vị trí “15 mV” ứng với độ nhạy lớn nhất của nó, và tiến hành điều chỉnh theo cách trên). b. Khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ Laser Vì cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ Laser tỷ lệ với cường độ I của dòng quang điện, tức tỷ lệ với hiệu điện thế U rơi trên điện trở R, nên ta có thể khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ laser bằng cách khảo sát sự biến thiên của hiệu điện thế U theo vị trí x của các cực đại chính nằm giữa hai cực tiểu chính (ứng với sin  / b ) tuân theo các bước sau đây: 1. Vặn từ từ cán của panme P để dịch chuyển khe hở của cảm biến quang điện QĐ trong khoảng giữa hai cực tiểu chính bậc một trên ảnh nhiễu xạ. Để thuận tiện ta vặn panme P về phía giá trị 0 của nó, sao cho khe của tế bào quang điện 131
QĐ trùng mép ngoài của bậc 1. Đọc và ghi giá trị của x và U tương ứng vào bảng 3.20. 2. Sau đó vặn panme P dịch chuyển một khoảng nhỏ bằng 0,10 mm (ứng với dịch chuyển 10 vạch trên du xích của panme P) để khe của tế bào quang điện QĐ tiến về phía vân trung tâm. Đọc và ghi giá trị x và hiệu điện thế U tương ứng vào bảng 3.20. Tiếp tục tiến hành điều chỉnh panme P mỗi lần 0,10mm như trên sau đó đọc và ghi giá trị hiệu điện thế U tương ứng với mỗi vị trí x trên panme P vào bảng 3.20. c. Xác định bước sóng của chùm tia Laser. Sau khi xác định được cực đại sáng giữa ứng với k = 0, vặn từ từ panme P để đo khoảng cách a giữa hai cực đại nhiễu xạ bậc nhất ứng với k = 1 nằm đối xứng ở hai bên cực đại sáng giữa. Trong thí nghiệm này, để xác định chính xác vị trí đỉnh của các cực đại nhiễu xạ, ta tiến hành đo như sau: + Dịch chuyển panme P theo một chiều từng 0,01mm tại những điểm lân cận ở hai phía của các đỉnh này để tìm giá trị cực đại của hiệu điện thế U. + Thực hiện phép đo này 5 lần, đọc và ghi giá trị của a trên thước panme vào bảng 3.21. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Định nghĩa hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Mô tả ảnh nhiễu xạ của chùm tia sáng song song chiếu qua một khe hở hẹp. 4.2. So sánh ảnh nhiễu xạ của chùm tia sáng song song chiếu qua một cách tử phẳng với ảnh nhiễu xạ của chùm tia sáng song song chiếu qua một khe hở hẹp. Nêu rõ các công thức xác định vị trí các cực tiểu chính và của các cực đại chính trong ảnh nhiễu xạ. 4.3. Khi xác định bước sóng  của chùm tia laser nhiễu xạ qua cách tử, tại sao không đo trực tiếp khoảng cách giữa cực đại chính bậc 1 và cực đại giữa (ứng với k=0), mà lại đo khoảng cách a giữa hai cực đại chính 1 (ứng với k = 1)? 4.4. Khi khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ Laser, tại sao ta chỉ xét trong khoảng giữa hai cực tiểu chính bậc 1 (ứng với k= 1) và phải kiểm tra lại vị trí đỉnh của các cực đại chính bằng cách chỉ dịch chuyển panme P từng 0,01mm (mà không dịch chuyển từng 0,10mm như lúc đầu) theo một chiều? 132
5. Báo cáo thí nghiệm Điểm Thời gian lấy số liệu: Ngày tháng năm Chữ ký của giáo viên hướng dẫn: 5.1. Mục đích thí nghiệm 5.2. Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu Bảng 3.20. Khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ laser + Độ chính xác của thước panme: (mm) + Độ chính xác của MiliVon kế điện tử MV (mV) x (mm) I (mA) x (mm) I (mA) Bảng 3.21. Xác định bước sóng của chùm tia Laser + Chu kì của cách tử phẳng: d = (mm-1) + Tiêu cự của thấu kính hội tụ: f = (mm) + Độ chính xác của panme: (mm) + Độ chính xác của thước milimét: (mm) Lần x1 (mm) x2 (mm) a = |x2 – x1| (mm) 1 2 3 133
4 5 Giá trị trung bình a = 5.3. Khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ Laser Căn cứ vào số liệu x và I ở bảng 3.20, vẽ đồ thị : I f (x) . 5.4. Tính và biểu diễn kết quả bước sóng của chùm Laser Căn cứ vào số liệu đo ở bảng 3.21 và công thức (3.99) để tính bước sóng của chùm Laser và viết kết quả. a.d  2 f d f a  d f a 134
 .       5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả (Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị) 135
Phụ lục 1 GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN SÁNG LASER Tia Laser là một bức xạ điện từ có độ đơn sắc cao, có cường độ lớn, có tính kết hợp và định hướng cao. Dụng cụ phát ra tia Laser gọi là nguồn sáng Laser, hay đơn giản là Laser. Laser là viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by Stimulaled Emisson of Radiation” có nghĩa là “Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng”. Ta hãy tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của Laser: E2 hấp thụ phát xạ E1 Hình 1. Nguyên lý hoạt động của Laser Khi chiếu bức xạ điện từ đơn sắc có tần số f vào một chất, electron hoá trị của các nguyên tử ở mức năng lượng cơ bản E1 hấp thụ bức xạ và chuyển lên mức năng lượng kích thích E2 cao hơn (E2 > E1). Nhưng các electron chỉ tồn tại -3 -8 ở mức năng lượng kích thích E2 trong khoảng thời gian ngắn (cỡ 10 -10 s) - gọi là thời gian sống  , sau đó chúng lại chuyển về mức năng lượng cơ bản E1và phát bức xạ (hình 1). Quá trình chuyển mức năng lượng khi hấp thụ hoặc phát xạ đều tuân theo hệ thức Anhstanh:  hf E2 E1 với h = 6,625.10-34Js là hằng số Planck,  hf là năng lượng photon của bức xạ điện từ. Như vậy, nếu số electron ở mức năng lượng cơ bản E1 càng nhiều thì khả năng để nguyên tử hấp thụ bức xạ càng lớn; còn nếu số electron ở mức năng lượng kích thích E2 càng nhiều thì khả năng nguyên tử phát xạ càng lớn. Nói cách khác là: xác suất xảy ra hấp thụ tỷ lệ với mật độ N1 của electron ở mức năng lượng E1 và xác suất xảy ra phát xạ tỷ lệ với mật độ N2 của electron ở mức năng lượng kích thích E2. Thông thường thì N2 < N1, nên xác suất xảy ra phát xạ nhỏ hơn xác suất xảy ra hấp thụ. Trong điều kiện này, quá trình phát xạ không có tính kết hợp và 136
được gọi là phát xạ tự phát, trong đó các bức xạ tự phát hoàn toàn độc lập với nhau, không có sự liên hệ về pha và hướng. Nhưng, nếu bằng cách nào đó tạo ra được N2 > N1 thì xác suất xảy ra phát xạ lớn hơn xác suất xảy ra hấp thụ. Khi đó quá trình phát xạ có tính kết hợp và được gọi là phát xạ cảm ứng, trong đó các bức xạ cảm ứng có cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng độ phân cực với bức xạ kích thích. Như vậy, điều kiện cần để có thể xảy ra phát xạ cảm ứng là có sự đảo mật độ hạt, nghĩa là mật độ nguyên tử ở trạng thái năng lượng kích thích phải lớn hơn mật độ nguyên tử ở trạng thái năng lượng cơ bản. Môi trường chất ở trạng thái có sự đảo mật độ hạt được gọi là môi trường kích hoạt. Có thể tạo ra sự đảo mật độ hạt trong môi trường kích hoạt nhờ phương pháp kích thích kiểu “bơm điện” (phóng điện qua môi trường kích hoạt), hoặc “bơm quang” (dùng nguồn sáng thích hợp có cường độ mạnh chiếu vào môi trường kích hoạt) theo nguyên tắc sau: Giả sử một chất có hai mức năng lượng E1, E2 (với E2 > E1) có mật độ nguyên tử tương ứng là N1, N2 và lúc đầu N1 > N2. Chiếu vào môi trường chất ấy bức xạ kích thích có tần số f, một số nguyên tử được “bơm” từ mức E1 lên mức E2, nên N1 giảm và N2 tăng. Nhưng khi N2 tăng, xác suất xảy ra phát xạ (nghĩa là quá trình nguyên tử chuyển từ mức E2 về mức E1) cũng tăng lên. Do đó, N2 lại giảm và N1 lại tăng. Kết quả là không thể đạt tới trạng thái đảo mật độ hạt trong môi trường kích hoạt. Để tạo ra trạng thái đảo mật độ hạt, người ta sử dụng môi trường kích hoạt trong đó nguyên tử có ba (hoặc bốn) mức năng lượng E1, E2, E3 sao cho thời gian sống  3 của nguyên tử ở mức E3 rất nhỏ so với thời gian sống  2 ở mức E2. Bằng phương pháp “bơm” sao cho các nguyên tử bị kích thích sẽ chuyển từ mức E1 lên mức E3. Nhưng vì 32 , nên các nguyên tử ở mức E3 nhanh chóng chuyển về mức E2 để tạo thành trạng thái đảo mật độ hạt N2 > N1 và dẫn tới hiện tượng phát xạ cảm ứng. Hiện nay đã có nhiều loại nguồn Laser, trong đó môi trường kích hoạt có thể là chất khí, lỏng, rắn. Laser khí He-Ne sử dụng chất kích hoạt là hỗn hợp khí Heli (90%) và khí Neon (10%) ở áp suất thấp. Laser hồng ngọc sử dụng chất kích +3 hoạt là thanh hồng ngọc Rubi (tinh thể Al203) có pha ion Cr với tỷ lệ 0,05%. 137
Trong thí nghiệm này, ta dùng diode Laser (Laser bán dẫn). Cho một dòng điện một chiều có cường độ thích hợp chạy qua lớp tiếp xúc p-n tạo ra từ các chất bán dẫn cơ bản như GaAs, Ga(AsP), (GaAl)As, tia Laser sẽ được phát ra do quá trình tái hợp. Đây là một quá trình biến đổi trực tiếp khá hiệu quả từ điện năng thành quang năng Laser, hiệu suất của diode Laser bán dẫn p n phat 2% , của diode phát quang (LED) xấp xỉ 0,1 đến 1%. Nguyên tắc tạo ra IV trạng thái đảo mật độ hạt trong diode laser như sau: Hai phía chuyển tiếp p-n của diode Laser là các bán dẫn được pha tạp rất mạnh (suy biến), khi chuyển tiếp p-n này được phân cực thuận các điện tử được phun vào vùng p còn các lỗ trống phun vào vùng n. Như vậy ở vùng gần chuyển tiếp, giữa các mức năng lượng thấp của vùng dẫn và các mức năng lượng cao của vùng hoá trị nồng độ hạt tải được tạo ra đủ để hiệu ứng Laser xuất hiện, tức là có hiện tượng đảo mật độ electron. 138
Phụ lục 2 BẢNG MỘT SỐ HẰNG SỐ VẬT LÝ CƠ BẢN Gi¸ trÞ thùc nghiÖm tèt nhÊt (1986) Gi¸ trÞ lµm Stt H»ng sè KÝ Sai sè trßn Gi¸ trÞ (a) hiÖu t•¬ng ®èi (b) 6,67.10- 1 H»ng sè hÊp dÉn G 6,67260 100 11m3/s2.kg Tèc ®é ¸nh s¸ng 2 C 3,00.108m/s 2,99792458 trong ch©n kh«ng 3 H»ng sè khÝ lý tuëng R 8,31J/molK 8,314510 8,4 23 -1 4 H»ng sè Avogadro NA 6,02.10 mol 6,0221367 0,59 5 H»ng sè Boltzmann K 1,38.10-23J/K 1,380657 11 ThÓ tÝch mol cña khÝ -2 3 6 Vm 2,24.10 m /mol 2,24109 8,4 lý t•ëng ë §KTC H»ng sè Stefan- 5,67.10-8 7  5,67050 34 Boltzmann W/m2.K4 8 §iÖn tÝch nguyªn tè E 1,60.10-19C 1,6217738 0,30 -31 9 Khèi l•îng electron me 9,11.10 kg 9,1093897 0,59 c) -4 10 Khèi l•îng electron me 5,49.10 u 5,48579902 0,023 §iÖn tÝch riªng 11 11 e/me 1,76.10 C/kg 1,75881961 0,30 electron -12 12 H»ng sè ®iÖn o 8,85.10 F/m 8,85418781762 -6 13 H»ng sè tõ thÈm 0 1,26.10 H/m 1,2563706143 14 H»ng sè Rydberg R 1,10.107m-1 1,0973731534 0,0012 -11 15 B¸n kÝnh Bohr rB 5,29.10 m 5,29177149 0,045 Momen tõ cña -24 16 e 9,28.10 J/T 9,2847700 0,34 electron 139
Momen tõ cña -26 17 p 1,41.10 J/T 1.41060761 0,34 proton -24 18 Manheton Bohr B 9,27.10 J/T 9,2740154 0,34 -27 19 Manheton h¹t nh©n N 5,50.10 J/T 5,0507865 0,34 20 H»ng sè Faraday F 9,65.104C/mol 9,6485309 0,30 21 H»ng sè Planck H 6,63.10-34Js 6,6260754 0,60 B•íc sãng Compton -12 22 c 2,43.10 m 2,42531058 0,089 cña electron -27 23 Khèi l•îng proton mp 1,67.10 kg 1,676230 0,59 Tû sè khèi l•îng mp/ 24 proton trªn khèi 1840 1836,152701 0.020 me l•îng electron -27 25 Khèi l•îng n¬tron mn 1,68.10 kg 1,6749286 0,59 c) 26 Khèi l•îng proton mp 1,0073u 1,007266470 0,012 c) 27 Khèi l•îng n¬ton mn 1,0087u 1,008664704 0,14 28 Khèi l•îng nguyªn M1H 1,0078u 1,007825036 0,011 tö hydroc) 29 Khèi l•îng nguyªn M2H 2,0141u 2,0141019 0,053 tö ®¬t¬ri c) 30 Khèi l•îng nguyªn M4H 4,0026u 4,0026032 0,067 c) tö heli e Chó thÝch : a) C¸c gi¸ trÞ ghi trong cét nµy ph¶i cïng ®¬n vÞ vµ cã cïng bËc luü thõa cña 10 nh• gi¸ trÞ lµm trßn. b) TÝnh ra phÇn triÖu. c) Khèi l•îng ®•îc ghi theo ®¬n vÞ khèi nguyªn tö (u) trong ®ã 1u = 1,6605402.10-27 kg . 140
Phụ lục 3 BẢNG CÁC ĐƠN VỊ CƠ BẢN VÀ DẪN XUẤT Các đơn vị cơ bản Các đơn vị đo lường cơ bản (hệ SI) dưới đây là nền tảng cơ sở để từ đó các đơn vị khác được suy ra (dẫn xuất), chúng là hoàn toàn độc lập với nhau. Các định nghĩa dưới đây được chấp nhận rộng rãi. Bảng 1. Các đơn vị đo lường cơ bản Tên Ký hiệu Đại lượng Định nghĩa Mét m Chiều dài Đơn vị đo chiều dài tương đương với chiều dài quãng đường đi được của một tia sáng trong chân không trong khoảng thời gian 1/299792458 giây (CGPM lần thứ 17 (1983) Nghị quyết số 1, CR 97). Con số này là chính xác và mét được định nghĩa theo cách này. Kilôgam kg Khối Đơn vị đo khối lượng bằng khối lượng của lượng kilôgam tiêu chuẩn quốc tế (quả cân hình trụ bằng hợp kim platiniriđi) được giữ tại Viện đo lường quốc tế (viết tắt tiếng Pháp: BIPM), Sèvres, Paris (CGPM lần thứ 1 (1889), CR 3438). Cũng lưu ý rằng kilôgam là đơn vị đo cơ bản có tiền tố duy nhất; gam được định nghĩa như là đơn vị suy ra, bằng 1/1000 của kilôgam; các tiền tố như mêga được áp dụng đối với gam, không phải kg; ví dụ Gg, không phải Mkg. Nó cũng là đơn vị đo lường cơ bản duy nhất còn được định nghĩa bằng nguyên mẫu vật cụ thể thay vì được đo lường bằng các hiện tượng tự nhiên Giây s Thời gian Đơn vị đo thời gian bằng chính xác 9192631770 chu kỳ của bức xạ ứng với sự chuyển tiếp giữa hai mức trạng thái cơ bản 141
siêu tinh tế của nguyên tử xêzi - 133 tại nhiệt độ 0 K (CGPM lần thứ 13 (1967-1968) Nghị quyết 1, CR 103). Ampe A Cường độ Đơn vị đo cường độ dòng điện là dòng điện cố dòng điện định, nếu nó chạy trong hai dây dẫn song song dài vô hạn có tiết diện không đáng kể, đặt cách nhau 1 mét trong chân không, thì sinh ra một lực giữa hai dây này bằng 2.10-7 niutơn trên một mét chiều dài (CGPM lần thứ 9 (1948), Nghị quyết 7, CR 70). SI (Hệ đo lường quốc tế) 5/9. Kelvin K Nhiệt độ Đơn vị đo nhiệt độ nhiệt động học (hay nhiệt độ tuyệt đối) là 1/273,16 (chính xác) của nhiệt độ nhiệt động học tại điểm cân bằng ba trạng thái của nước (CGPM lần thứ 13 (1967) Nghị quyết 4, CR 104). Mol mol Số hạt Đơn vị đo số hạt cấu thành thực thể bằng với số nguyên tử trong 0,012 kilôgam Cacbon12 nguyên chất (CGPM lần thứ 14 (1971) Nghị quyết 3, CR 78). Các hạt có thể là các nguyên tử, phân tử, ion, điện tử Nó xấp xỉ 6,02214199.1023 hạt. Candela cd Cường độ Đơn vị đo cường độ chiếu sáng là cường độ chiếu sáng chiếu sáng theo một hướng cho trước của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc với tần số 540.1012 héc và cường độ bức xạ theo hướng đó là 1/683 oát trên một sterađian (CGPM lần thứ 16 (1979) Nghị quyết 3, CR 100). 142
Các tiền tố trong hệ đơn vị cơ bản Bảng 2. Tiền tố trong hệ SI Chữ viết liền thêm 10x Viết tắt trước 1024 Yôta Y 1021 Zêta Z 1018 Êxa E 1015 Pêta P 1012 Têra T 109 Giga G 106 Mêga M 103 Kilô k 102 Héctô h 101 Đêca da 10−1 Đêxi d 10−2 Xenti c 143
10−3 Mili m 10−6 Micrô µ 10−9 Nanô n 10−12 Picô p 10−15 Phemtô f 10−18 Atô a 10−21 Giéptô z 10−24 Yóctô y Một số đơn vị dẫn xuất thường gặp Các đơn vị đo cơ bản có thể ghép với nhau để suy ra những đơn vị đo khác cho các đại lượng khác gọi là các đơn vị dẫn xuất. Bảng 3. Các đơn vị dẫn xuất Tên đơn Viết khác Đại lượng Ký hiệu Thứ nguyên vị theo SI Góc phẳng radian rad -2 Lực, trọng lượng newton N kg.m.s 144
Tần số hertz Hz s-1 2 -2 Công, năng lượng joule J N.m kg.m .s 2 -3 Công suất watt W J/s kg.m .s 2 -1 -2 Áp suất, ứng suất pascal Pa N/m kg.m .s Điện tích coulomb C s.A 2 -3 -1 Điện áp, điện thế volt V W/A kg.m .s .A -1 -2 4 2 Điện dung farad F C/V kg .m .s .A 2 -2 Điện trở, trở kháng ohm Ω V/A kg.m .s-3.A 2 -2 -2 Độ tự cảm henry H Wb/A kg.m .s .A -1 Vận tốc, tốc độ m/s m.s 2 -2 Gia tốc m/s m.s 145
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Lương Duyên Bình (chủ biên) (2007). Vật lý đại cương, NXB Giáo Dục. 2. Đỗ Trần Cát (1997). Cách xác định sai số của phép đo các đại lượng vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội. 3. Nguyễn Văn Hòa (2008). Vật lý đại cương, Trường Đại học Lâm nghiệp. 4. Đỗ Quốc Hùng (Chủ biên)(2006). Thực hành vật lý đại cương I, II, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 5. Tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị thí nghiệm vật lý do Viện Vật lý Kỹ thuật (2003-2003). Đại học Bách Khoa HN sản xuất, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội. 6. Lương Duy Thành, Phan Văn Độ (2009). Thí nghiệm vật lý đại cương I, II, NXB Giao thông vận tải Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 1. David, Haliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Fundanrental of Physics, Publishing as Wiley, 1994. 146
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 Chương 1. LÝ THUYẾT SAI SỐ 3 1.1. Vai trò mục đích và yêu cầu của thí nghiệm vật lý 3 1.1.1. Vai trò của thí nghiệm vật lý 3 1.1.2. Mục đích của thí nghiệm vật lý 3 1.1.3. Yêu cầu của thí nghiệm vật lý 3 1.2. Lý thuyết sai số 4 1.2.1. Giá trị trung bình của các đại lượng đo 4 1.2.2. Sai số trong các phép đo 5 1.2.3. Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp 8 1.2.4. Cách tính sai số của đại lượng đo gián tiếp 10 1.2.5. Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp 13 1.2.6. Bài tập và câu hỏi kiểm tra 17 Chương 2. CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG TRONG VẬT LÝ 18 2.1. Dụng cụ đo điện 18 2.1.1. Giới thiệu chung về dụng cụ đo điện 18 2.1.2. Các loại máy đo điện 19 2.1.3. Cách sử dụng các máy đo điện thông dụng 21 2.2. Cân kỹ thuật 27 2.2.1. Cấu tạo cân kỹ thuật (cân phân tích) 27 2.2.2. Hướng dẫn sử dụng cân kỹ thuật 28 2.2.2.1. Vị trí cân bằng và độ nhạy của cân 28 2.2.3. Các phương pháp cân 29 2.2.3.3. Hiệu chỉnh sức đẩy Acsimet 30 Chương 3. CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 32 BÀI 1. ĐO ĐỘ DÀI BẰNG THƯỚC KẸP VÀ PANME 32 Bài 2. XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH 41 Bài 3. XÁC ĐỊNH LỰC MA SÁT TRONG Ổ TRỤC QUAY VÀ MÔ MEN QUÁN TÍNH CỦA BÁNH XE 51 147
Bài 4. XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG VÀ VẬN TỐC ÂM THEO PHƯƠNG PHÁP SÓNG DỪNG 59 Bài 5. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 66 Bài 6. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG THEO PHƯƠNG PHÁP STỐC 73 Bài 7. XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT KHÍ 82 BÀI 8. ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỒN ĐIỆN BẰNG MẠCH XUNG ĐỐI 90 BÀI 10. XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO HỆ VÂN TRÒN NIUTƠN 104 BÀI 11. KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI VÀ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ PLĂNG 113 BÀI 12. KHẢO SÁT SỰ NHIỄU XẠ CỦA CHÙM LASER QUA CÁCH TỬ PHẲNG - XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG CỦA LASER 123 Phụ lục 1. GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN SÁNG LASER 136 Phụ lục 2. BẢNG MỘT SỐ HẰNG SỐ VẬT LÝ CƠ BẢN 139 Phụ lục 3. BẢNG CÁC ĐƠN VỊ CƠ BẢN VÀ DẪN XUẤT 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 146 148