Bài giảng Tài liệu thực hành môn vật lý đại cương

quay của vật rắn. Mômen quán tính I đặc trưng cho quán tính của vật rắn trong chuyển động quay và đo bằng đơn vị kgm2. Có thể xác định mô men quán tính của bánh xe và lực ma sát của ổ trục quay của nó nhờ bộ thiết bị vật lý MC - 965 (hình 3.12). Một bánh xe khối lượng M có trục quay gối trong hai ổ trục C1C2 gắn cố định vào giá đỡ G dựng thẳng đứng trên hộp chân đế H. Một sợi dây mảnh và không dãn được cuốn xít nhau thành một lớp trên trục quay: một đầu buộc vào trục, đầu kia treo quả nặng khối lượng m. Vị trí của quả nặng m được xác định trên thước thẳng milimét T. Nhờ bộ điều khiển Đ (có 4 núm bấm 1 - 2 -3 - F) nối với máy đo thời gian hiện 52 số MC - 963 và đầu cảm biến quang điện QĐ, ta có thể dễ dàng khởi động máy và tự động đo khoảng thời gian chuyển động của hệ vật gồm quả nặng m và bánh xe M. Lúc đầu, bánh xe M đứng yên và quả nặng m ở vị trí A có độ cao h1 so với vị trí thấp nhất của nó tại B và thế năng dự trữ của hệ vật là mgh1. Nếu thả vật nặng m, nó sẽ chuyển động tịnh tiến xuống dưới, kéo bánh xe M quay quanh trục nằm ngang của nó. Khi vật nặng đạt đến điểm B, thế năng của hệ vật bằng 0, còn tổng động năng của hệ bằng 2 I 2 mv 22   . Sau khi đạt đến điểm thấp nhất B, bánh xe M tiếp tục quay theo quán tính, làm cho dây treo vật nặng bị cuốn vào trục quay, kéo theo vật nặng m lên trên. Nếu không có lực ma sát, cơ năng của hệ bảo toàn trong suốt quá trình chuyển động, vật nặng m sẽ đạt tới điểm A. Nhưng do một phần cơ năng của hệ biến thành nhiệt để thắng lực ma sát, lượng nhiệt đó lại truyền cho các vật xung quanh (mất đi), không chuyển đổi ngược lại thành cơ năng được, nên vật m chỉ đạt tới một điểm C nào đó có độ cao h2 < h1. Xét quá trình vật nặng chuyển động từ điểm A đến điểm B. Khi vật nặng có khối lượng m lên độ cao h1, năng lượng của vật chính là thế năng: 11 .. hgmWt  Hình 3.12. Bộ thí nghiệm MC -965 F 3 2 1 C1 C2 M T Đ G A C m P  Q Đ B H V V 53 Khi treo vật nặng bằng sợi dây cuốn vào trục B bánh xe, nếu ta mở hãm C, vật rơi làm bánh xe quay quanh trục của nó. Nếu vật rơi với vận tốc v thì động năng của vật sẽ là: 2 . 2 1 vm Wđ  Bánh xe quay quanh trục của nó với vận tốc góc  sẽ có động năng quay là: 2 . 2 2 I Wđ  Khi bánh xe quay, ổ trục M sẽ xuất hiện lực ma sát, công để thắng lực ma sát cần là: 1.hFA ms Thế năng dự trữ Wt1 khi vật rơi đã tiêu tốn một phần làm tăng động năng của hệ (Wđ1 + Wđ2) và một phần để thắng lực ma sát ổ trục. Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, ta có: 1 22 1 22 .. hF Imv hgm ms  (3.15) Phương trình (3.15) ứng với giá trị thấp nhất của vật K. Khi vật K đến vị trí thấp nhất, bánh xe tiếp tục quay theo quán tính nên cuộn dây tự động cuốn vào trục bánh xe và nâng vật lên độ cao h2, khi đó vật có thế năng: 22 .. hgmWt  Bỏ qua sức cản của không khí đối với hệ, có thể coi độ giảm thế năng (Wt1 – Wt2) bằng công của lực ma sát trên quãng đường (h1 + h2). Ta có: ).(.. 2121 hhFmghhgm ms  Hay: 21 21.. hh hh gmFms    (3.16) Từ công thức (3.16) ta tính được lực ma sát của ổ trục bánh xe. Khi vật rơi từ độ cao h1 xuống, hệ chuyển động nhanh dần với vận tốc v và gia tốc a: atv  và: 21 2 1 ath  nên: t h v 1 2  ; v cũng chính là vận tốc dài của trục bánh xe bán kính r, liên hệ với vận tốc góc : r v  . Suy ra: tr h . 2 1 . Kết hợp với (3.15), ta được:          1 ).( ... 211 222 hhh h tgrmI (3.17) 54 Trong thí nghiệm này, cho biết khối lượng của vật nặng m và bán kính r của trục quay, ta có thể xác định được độ lớn của lực ma sát Fms của ổ trục quay và mô men quán tính I của bánh xe (kể cả trục quay của nó) theo các công thức (3.16) và (3.17) bằng cách đo thời gian chuyển động t của hệ vật, các độ cao h1 và h2 của quả nặng. 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ Bộ thí nghiệm xác định mômen quán tính của bánh xe và lực ma sát trong ổ trục quay (hình 3.13) 1. Thiết bị vật lý MC - 965 (bánh xe có trục quay, giá đỡ có ổ trục, quả nặng, dây treo, hộp chân đế); 2. Thước kẹp 0 – 150 mm, chính xác 0,05 mm; 3. Máy đo thời gian đa năng hiện số MC – 963; 4. Cảm biến thu phát quang điện hồng ngoại; 5. Hộp điều khiển khởi động máy. 3.2. Trình tự thí nghiệm Bước 1. Cắm phích lấy điện của máy đo thời gian MC - 963 vào nguồn điện 220 V. Nối cảm biến QĐ với ổ A trên mặt máy MC - 963 (hình 3.14). Vặn Hình 3.13. Bộ thí nghiệm xác định mômen quán tính của bánh xe và lực ma sát trong ổ trục quay 55 núm “MODE” sang vị trí A  B và gạt núm “TIME RANGE” sang vị trí 9,999. Bấm khoá K: các chữ số hiển thị trên cửa sổ “n = N - 1” và cửa sổ “THỜI GIAN”. Bấm núm 3 của bộ điều khiển Đ (đặt trên xà ngang của giá đỡ G) để nhả má phanh hãm bánh xe M: bánh xe M quay và sợi dây cuốn trên trục của nó nhả dần ra. Giữ quả nặng m đứng yên ở vị trí thấp nhất B của nó. Vặn các vít V ở đáy hộp chân đế H để điều chỉnh giá đỡ G thẳng đứng sao cho sợi dây treo quả nặng m (coi như dây rọi) song song với mặt thước milimét T và đáy của quả nặng m nằm ở vị trí thấp nhất B. Dịch chuyển cảm biến quang điện QĐ xuống phía dưới vị trí thấp nhất B của quả nặng m. Bước 2. Sau đó lại dịch chuyển cảm biến QĐ để tăng dần độ cao của nó tới vị trí tại đó các chữ số hiển thị trên mặt máy MC - 963 bắt đầu “nhảy” (thay đổi giá trị) thì dừng lại. Vị trí này của cảm biến quang điện trên thước milimét T trùng đúng với vị trí thấp nhất B của đáy quả nặng m ứng với độ cao h0. Đọc và ghi toạ độ ZB của vị trí B trên thước milimét T vào bảng 3.7. Bước 3. Quay nhẹ nhàng bánh xe M để sợi dây treo quả nặng m cuốn vào trục quay của bánh xe thành một lớp xít nhau cho tới khi đáy của quả nặng m nằm ở vị trí cao nhất A tuỳ ý chọn trước (có thể chọn trùng với vị trí nằm trong khoảng từ số 5 đến số 10 trên thước milimét T). Bấm núm F của bộ điều khiển Đ để hãm bánh xe đứng yên tại vị trí A. Đặt một cạnh của thước êke áp sát vào mặt thước thẳng milimét T và cạnh kia của thước êke chạm sát đáy của quả nặng m để xác định toạ độ ZA của vị trí cao nhất A tại đáy của quả nặng m trên thước milimét T. Khi đó độ cao của đáy quả nặng m tại vị trí A so với vị trí B bằng: h1 = ZA - ZB 9,999 99,99 Hình 3.14. Máy đo thời gian MC -963 MÁY ĐO THỜI GIAN MC-963 00 0000 n = N-1 THỜI GIAN BA n=50 n=1 BA B A MODE A B RESET TIME RANGE K 56 Tính và ghi giá trị của độ cao h1 vào bảng 3.7. Bấm núm “RESET” trên mặt máy đo thời gian MC - 963 để các chỉ thị hiện số chuyển về số 0. Bước 4. Bấm núm 1 của bộ điều khiển Đ để đồng thời nhả núm phanh F của bánh xe M và đóng mạch điện của máy đo thời gian MC - 963; hệ vật (bánh xe M + quả nặng m) bắt đầu chuyển động và máy đo thời gian MC - 963 bắt đầu đếm. Ngay sau đó, bấm tiếp núm 2 của bộ điều khiển Đ để đóng mạch của cảm biến quan điện QĐ. Khi quả nặng m rơi xuống đến vị trí thấp nhất B (trùng với vị trí cảm biến QĐ) thì máy đo thời gian MC - 963 ngừng đếm. Khoảng thời gian chuyển động t của hệ vật ta xét trên đoạn đường từ A đến B có độ dài h1 = ZA - ZB sẽ hiển thị trên cửa sổ “THỜI GIAN”. Tiếp tục theo dõi chuyển động đi lên của quả nặng m đến khi nó đạt tới vị trí C có độ cao cực đại thì bấm núm F của bộ điều khiển Đ để hãm bánh xe M, dùng thước êke để xác định toạ độ Zc của vị trí C trên thước thẳng milimét T tương tự như đối với vị trí A đã nói ở trên khi đó độ cao của đáy quả nặng m tại vị trí C so với vị trí B có giá trị bằng: h2 = Zc - ZB (3.18) Ghi giá trị của khoảng thời gian chuyển động t của hệ vật và giá trị của độ cao h2 vào bảng số liệu 3.7. Bấm núm “RESET” trên mặt máy đo thời gian MC - 963 để các chỉ thị hiện số chuyển về số 0. Bước 5. Bấm núm 3 của bộ điều khiển Đ để hạ quả nặng m xuống vị trí B thấp nhất. Thực hiện lặp lại 10 lần các động tác (bước 3) và (bước 4). Đọc và ghi vào bảng số liệu 3.7 giá trị của khoảng thời gian chuyển động t của hệ vật và giá trị các độ cao tương ứng h2 trong mỗi lần đo. Chú ý: Vị trí A được giữ cố định trong các lần đo. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Phát biểu và viết phương trình cơ bản của chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định. Nêu ý nghĩa của mô men quán tính và đơn vị đo của nó. 4.2. Mô tả thiết bị thí nghiệm và phương pháp xác định mô men quán tính của bánh xe và mômen của lực ma sát trong ổ trục. 4.3. Khi tiến hành phép đo, tại sao phải cuộn sợi dây treo quả nặng m trên trục quay của bánh xe thành một lớp xít nhau? Nếu cuộn sợi dây này thành nhiều vòng chồng lên nhau có được không? 57 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 vật: kgm 310).03,003,229(  - Bán kính trục: mr 310).04,005,5(  - Gia tốc trọng trường: 2/)012,0787,9( smg  - Độ cao ban đầu: mhhh 311 10).(  Bảng 3.7. Thời gian chuyển động t và giá trị độ cao h2 Lần đo t (s) h2 (mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Giá trị trung bình 58 5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp     222 2 hhh ttt h t 5.4. Tính và biểu diễn kết quả lực ma sát ổ trục     )( . 21 21 hh hh gmFms            21 21 21 21 hh hh hh hh g g m m Fms  msmsms FFF .   msmsms msmsms FFF FFF  5.5. Tính và biểu diễn kết quả mô men quán tính của bánh xe            1 )( ... 211 2 22 hhh h tgrmI Vì : 11 ).( .. 211 22   hhh h tg nên:                 21 21 2 2 1 122 hh hh h h h h t t g g r r m m I  III .   III III  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). 59 Bài 4 XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG VÀ VẬN TỐC ÂM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SÓNG DỪNG 1. Mục đích yêu cầu 1.1. Mục đích Mục đích của bài thí nghiệm này là tạo điều kiện cho sinh viên quan sát trên thực nghiệm sự tạo thành sóng dừng đối với sóng âm và tạo kỹ năng thực nghiệm sử dụng hiện tượng sóng dừng để xác định bước sóng và vận tốc truyền âm trong không khí. 1.2. Yêu cầu i. Nắm được cơ sở lý thuyết của thí nghiệm; ii. Nắm được nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm tạo sóng dừng đối với sóng âm.; iii. Biết cách sử dụng máy phát âm tần và biết cách dùng đồng hồ vạn năng hiện số để đo tần số của tín hiệu; iv. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định bước sóng của sóng âm dựa trên hiện tượng sóng dừng và biết cách tính vận tốc truyền âm dựa trên các kết quả thí nghiệm; v. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Sóng dừng là hiện tượng giao thoa của hai sóng kết hợp có cùng biên độ, truyền ngược chiều nhau trên cùng một phương, tạo nên các bụng sóng (điểm có biên độ dao động cực đại) phân bố xen giữa các nút sóng (điểm không dao động). Có thể xác định bước sóng và vận tốc của âm nhờ thiết bị tạo sóng dừng của âm (hình 3.15) gồm: một ống trụ thuỷ tinh OD có khắc thước milimét T dọc thân ống trụ, một bình B đựng nước nối thông với ống trụ OD bằng ống nhựa mềm hoặc cao su. ống trụ OD và bình B lắp trên giá đỡ G và hộp chân đế H. Một loa điện động Đ đặt gần sát phía trên miệng của ống trụ OD và được nối với bộ phát tần số chuẩn P (không vẽ trên hình 3.15). Bộ phát tần số chuẩn P có thể phát ra âm có tần số 500 Hz, 600 Hz, 700 Hz với sai số 1 Hz. Núm VR1 cung cấp nguồn cho bộ chỉ thị cộng hưởng được bố trí trên mặt của hộp chân đế H. Sóng âm có tần số f phát ra từ loa điện động Đ, truyền dọc theo cột không khí trong ống trụ OD với vận tốc v tới phản xạ trên mặt thoáng 60 của cột nước tại N và giao thoa với sóng tới, tạo thành sóng dừng trong ống OD. Khi tạo thành sóng dừng mà miệng ống ứng với vị trí một bụng sóng, ta nghe thấy âm to nhất. Ta hãy xét điều kiện để hiện tượng trên xảy ra. Giả sử chọn thời điểm ban đầu thích hợp để sóng tới có tần số f phát ra từ nguồn âm Đ gây ra tại điểm N một dao động có dạng: ftax N 2sin01  (3.19) Nhưng vì điểm N nằm yên (xN = 0), nên ta thừa nhận sóng phản xạ cũng gây ra tại điểm N một dao động ngược pha: ftax N 2sin02  (3.20) sao cho tổng đại số của hai dao động tại điểm N có giá trị luôn bằng không: xN = x1N + x2N = 0 Xét một điểm M nằm cách điểm N một khoảng y = MN. Vì sóng âm truyền đi trong không khí với vận tốc là v , nên dao động do sóng tới (từ nguồn âm Đ) gây ra tại điểm M sẽ sớm pha một lượng v/yt  về thời gian so với dao động tại N. Khi đó dao động do sóng tới gây ra tại điểm M ở thời điểm t sẽ giống hệt dao động tại điểm N ở thời điểm v/yt  , nghĩa là: )(2sin01 v y tfax M   (3.21) Ngược lại, dao động do sóng phản xạ (từ mặt nước) gây ra tại điểm M sẽ chậm pha một lượng v/yt  so với dao động tại điểm N, nên dao động tại điểm M ở thời điểm t sẽ giống hệt dao động tại điểm N ở thời điểm v/yt  : )(2sin02 v y tfax M   (3.22) Như vâỵ sóng tổng hợp tại điểm M sẽ bằng: ft y axxx MMM    2cos2sin2 021  (3.23) A BỘ CHỈ THỊ CƯỜNG ĐỘ ÂM VR2 Đ P O D N H VR1 T M A G V V B Hình 3.15. Thiết bị tạo sóng dừng 61 Trong đó bước sóng  của âm liên hệ với tần số f của âm bởi công thức: f v  (3.24) và biên độ của sóng âm tổng hợp tại điểm M bằng :   y aa 2sin2 0 (3.25) Từ công thức (3.25) ta suy ra: - Vị trí các nút sóng tại đó biên độ cực tiểu có giá trị a = 0, suy ra 2y/ = k hay: 2  ky  với k = 0, 1, 2, 3... (3.26) - Vị trí các bụng sóng tại đó biên độ cực đại có giá trị a = 2a0, suy ra 2y/ = (2k+1)/2 hay: 4 )12(   ky với k = 0, 1, 2, 3... (3.27) Các công thức (3.26) và (3.27) cho thấy tại N có một nút sóng (vì khi k = 0 thì y = 0); đồng thời các nút sóng và bụng sóng phân bố xen kẽ, cách đều nhau. Khoảng cách giữa hai nút hoặc hai bụng sóng kế tiếp đều bằng nửa bước sóng: 2 1    kk yyd (3.28) Nếu thay đổi mức nước trong ống OD sao cho cột không khí ON có chiều dài L thích hợp bằng: 42   kL với k = 0, 1, 2, 3... (3.29) thì tại N có một nút sóng và tại O (để hở) sẽ có một bụng sóng. Khi đó độ to của âm tại đầu O đạt cực đại. Công thức (3.29) chính là điều kiện hình thành sóng dừng của cột không khí chứa trong ống trụ có một đầu kín và một đầu hở mà âm nghe được là to nhất. Để xác định vị trí của mặt nước ứng với âm to nhất, ta dùng một bộ thu âm điện tử chỉ thị cường độ âm bằng kim quay trên mặt thang đo của micrôAmpe kế A (hình 3.15). Đầu cảm biến của bộ thu âm điện tử là một micrô A nhỏ (kích thước cỡ 1 cm3) đặt ở gần miệng O của ống trụ OD. Khi cường độ âm đạt cực đại, kim chỉ thị của micrôAmpe kế A sẽ đạt độ lệch cực 62 đại trên mặt thang đo của nó. Có thể điều chỉnh độ nhạy của bộ chỉ thị này bằng cách vặn núm xoay VR2 gắn ngay trên mặt của nó. Trong thí nghiệm này, ta xác định bước sóng  và vận tốc v của âm truyền trong cột không khí ON theo phương pháp sóng dừng. 3. Dụng cụ thí nghiệm 3.1. Dụng cụ Bộ thí nghiệm xác định vận tốc âm theo phương pháp sóng dừng (hình 3.16). 1. Ống cộng hưởng âm dùng cột nước (cao 1000 mm, đường kính 32 mm) ; 2. Bình đựng nước (dung tích 1000 ml); 3. Ống nối bình thông nhau bằng cao su; 4. Giá đỡ và hộp chân đế bằng kim loại ; 5. Bộ phát tần số chuẩn 500 - 600 – 700 Hz, âm lượng điều chỉnh liên tục; 6. Bộ thu âm điện tử có đồng hồ chỉ thị cường độ âm. 3.2. Trình tự thí nghiệm Bước 1. Điều chỉnh hộp chân đế H của giá đỡ G để ống trụ OD thẳng đứng. Vặn núm tần số đến vị trí 500 và núm biên độ đến vị trí 4 hoặc 5. Cắm phích lấy điện của máy phát âm tần P vào nguồn điện ~220 V. Bấm khoá K trên Hình 3.16. Bộ thí nghiệm xác định vận tốc âm theo phương pháp sóng dừng 63 mặt máy, đèn LED phát sáng và máy phát âm tần P hoạt động phát ra các sóng âm có tần số f1 = 500 Hz. Bước 2. Dịch chuyển bình nước B sao cho mức nước N trong ống trụ OD dâng lên tới vị trí thấp hơn micrôAmpe kế A khoảng 3 - 4 cm. Sau đó, lấy tay bóp lấy ống cao su, hạ bình nước B tới vị trí thấp nhất, tiếp đó nới ngón tay để mực nước N trong ống trụ OD hạ xuống từ từ, đồng thời quan sát kim chỉ thị trên mặt thang đo của micrôAmpe kế A cho tới khi cường độ âm đạt cực đại: độ lệch của kim chỉ thị đạt cực đại. Điều chỉnh núm độ nhạy VR2 trên bộ chỉ thị sao cho khi có cộng hưởng thì độ lệch cực đại của kim micrôAmpe kế A nằm trong khoảng 70 - 80 độ chia. Bóp ống cao su, giữ cố định mức nước N, đọc và ghi vị trí L1 của mức nước N trong ống trụ OD trên thước millimét T vào bảng 3.8. Chú ý : Để xác định chính xác vị trí ứng với cường độ âm đạt cực đại, ta dịch chuyển chậm mức nước N trong ống trụ OD lên xuống lân cận vị trí này bằng cách hơi bóp ống cao su để dồn mực nước N đi lên hoặc đi xuống và theo dõi độ lệch của kim micrôAmpe kế A. Bước 3. Tiếp tục nới ngón tay để hạ dần mức nước N trong ống trụ OD cho tới khi cường độ âm lại đạt cực đại, thực hiện tương tự để đọc và ghi vị trí L2 của mức nước N trong ống trụ OD trên thước milimét T vào bảng 3.8. Khoảng cách giữa hai nút sóng kế tiếp: d1 = L2 - L1. Thực hiện 5 lần phép đo này. Áp dụng công thức (3.28), ta tìm được bước sóng của âm ứng với tần số f1 = 500 Hz : 1 = 2d1 = 2(L2 - L1) (3.30) và suy ra vận tốc truyền âm trong không khí ở nhiệt độ t0C trong phòng thí nghiệm: 111 fv  (3.31) Bước 4. Làm lại các động tác (bước 2) và (bước 3) đối với các sóng âm có tần số f2 = 600 Hz và f3 = 700 Hz. Đọc và ghi các vị trí L1 và L2 của mức nước N trong ống trụ OD trên thước milimét T ứng với mỗi phép đo vào bảng 3.8. 64 Xác định bước sóng 2, 3 và vận tốc truyền âm v1, v2 trong không khí ở nhiệt độ phòng thí nghiệm tương tự các công thức (3.30) và (3.31). Sau khi thực hiện xong thí nghiệm, rút phích lấy điện của máy phát âm tần ra khỏi nguồn điện. 4. Câu hỏi kiểm tra 4.1. Định nghĩa sóng dừng. Mô tả thiết bị và phương pháp tạo ra sóng dừng của âm trong không khí. 4.2. Viết phương trình truyền sóng trong môi trường đàn hồi. Nêu rõ ý nghĩa vật lý của phương trình này. 4.3. Tìm biểu thức xác định biên độ của sóng dừng, từ đó suy ra vị trí của các nút và các bụng của sóng dừng. Chứng minh rằng khoảng cách giữa hai nút hoặc hai bụng sóng kế tiếp bằng nửa bước sóng. 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 Nhiệt độ phòng: t0C = ( 0C) Bảng 3.8.Vị trí của mức nước ứng với ba tần số khác nhau Lần đo f1 = (500  1) Hz f2 = (600  1) Hz f3 = (700  1) Hz L2(mm) L1(mm) d1(mm) L2(mm) L1(mm) d2(mm) L2(mm) L1(mm) d3(mm) 1 2 3 4 5 Giá trị trung bình 1d 2d 3d 65 5.3. Tính và biểu diễn kết quả đo bước sóng f1 = (500  1)Hz f2 = (600  1)Hz f3 = (700  1)Hz  11 2d  22 2d  33 2d  11 2 d  22 2 d  33 2 d  111   222   333  5.4. Tính và biểu diễn kết quả đo vận tốc âm f1 = (500  1)Hz f2 = (600  1)Hz f3 = (700  1)Hz  111 . fv   222 . fv   333 . fv       1 1 1 1 1 f f v         2 2 2 2 2 f f v         3 3 3 3 3 f f v     111 .vvv   222 .vvv   333 .vvv    111 111 vvv vvv    222 222 vvv vvv    333 333 vvv vvv  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) 66 Bài 5 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 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 sức căng mặt ngoài của chất lỏng. 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 sức căng mặt ngoài của chất lỏng. Biết sử dụng cân kỹ thuật; iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định hệ số sức căng mặt ngoài của chất lỏng; iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu. 2. Cơ sở lý thuyết Do năng lượng bề mặt, các chất lỏng luôn có xu hướng thu nhỏ diện tích bề mặt. Tức là chất lỏng thể hiện giống như bị giam trong một màng đàn hồi bị căng và luôn có xu hướng co lại (mặc dù trên thực tế không hề tồn tại một màng thực như thế, vì các phân tử ở gần bề mặt cũng giống hệt như các phân tử ở sâu bên trong chất lỏng). Giữa các phân tử chất lỏng tồn tại lực phân tử, vì thế chất lỏng có xu hướng giảm diện tích mặt ngoài đến rất nhỏ. Kết quả tạo ra trạng thái căng bề mặt chất lỏng. Đại lượng đặc trưng cho trạng thái căng bề mặt chất lỏng là lực căng hay sức căng mặt ngoài F. Ta có: lF . (3.32) Với l là chu vi bề mặt chất lỏng,  là hệ số sức căng mặt ngoài của chất lỏng. Từ (3.32), suy ra: l F  (3.33) Như vậy, hệ số sức căng mặt ngoài có trị số bằng lực tác dụng lên một đơn vị dài của đường giới hạn mặt ngoài chất lỏng. Hệ số  phụ thuộc vào bản chất, nhiệt độ và tính chất bề mặt của chất lỏng. Trong khoảng nhiệt độ không lớn, hệ số  giảm tuyến tính theo sự tăng của nhiệt độ t. Đơn vị của  là N/m. 67 Theo công thức (3.33), ta có thể xác định hệ số lực căng mặt ngoài  của chất lỏng bằng cách đo lực kéo F tác dụng vuông góc với mặt thoáng của chất lỏng để kéo các vật rắn bứt ra khỏi mặt thoáng của chất lỏng. Vật rắn bị chất lỏng làm dính ướt, nên khi kéo để bứt chúng ra khỏi mặt thoáng của chất lỏng đồng thời cũng có một lượng chất lỏng bị kéo lên theo, nghĩa là diện tích mặt thoáng của chất lỏng tăng lên. Nhưng mặt thoáng của chất lỏng luôn có xu hướng co lại do tác dụng của lực căng mặt ngoài của chất lỏng. Nếu vật rắn tiếp xúc với mặt thoáng của chất lỏng chịu tác dụng một lực kéo F có trị số đúng bằng lực căng mặt ngoài của chất lỏng, thì vật rắn sẽ bị bứt ra khỏi mặt thoáng của chất lỏng. Xét một vòng kim loại có đường kính ngoài D và đường kính trong d nằm tiếp xúc với mặt nước. Khi tác dụng lên vòng kim loại một lực kéo F để nâng nó lên cao (hình 3.17) sẽ tạo ra một màng nước giữa vòng kim loại và mặt nước. Mặt phía ngoài của màng nước này kéo vòng kim loại xuống dưới bằng một lực căng F1 = D, mặt phía trong của màng nước kéo vòng kim loại xuống dưới bằng lực căng F2 = d. Khi vòng kim loại vừa bị bứt ra khỏi mặt nước, thì lực kéo F nâng vòng kim loại lên có trị số đúng bằng lực căng tổng hợp kéo vòng kim loại xuống dưới, nghĩa là: F = F1 + F2 = D + d hay F = (D + d) Từ đó suy ra hệ số lực căng mặt ngoài  của nước bằng : )( dD F     (3.34) Hình 3.17. Hiện tượng căng mặt ngoài 68 Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định hệ số lực căng mặt ngoài  của nước bằng cách dùng thước kẹp để đo đường kính ngoài D và đường kính trong d của vòng kim loại và dùng cân kỹ thuật để đo lực kéo F bứt vòng kim loại ra khỏi mặt nước. 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Dụng cụ Bộ thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (hình 3.18) gồm: 1. Vòng kim loại có dây treo; 2. Cân kỹ thuật 0 – 200 g, độ chính xác 0,02 g; 3. Đĩa thủy tinh và giá đỡ; 4. Cốc nhựa nhỏ; 5. Cốc thủy tinh đựng cát khô; 6. Cát khô. 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Đo đường kính ngoài D và đường kính trong d của vòng kim loại bằng thước kẹp (xem bài 1). Thực hiện 5 lần phép đo đường kính ngoài D và đường kính trong d, ghi kết quả vào bảng 3.9. 3.2.2. Đo lực kéo F bứt vòng kim loại khỏi mặt nước bằng cân kỹ thuật. a. Cân kỹ thuật (hình 3.19). Hình 3.18. Bộ thí nghiệm xác định hệ số sức căng mặt ngoài của chất lỏng V N O K O2 O1 C T Hình 3.19. Cân kỹ thuật 69 Là dụng cụ dùng để cân khối lượng của các vật trong giới hạn 0 - 200 g, chính xác tới 0,02 g. Cấu tạo của nó gồm phần chính là một đòn cân làm bằng hợp kim nhẹ, trên đòn cân có các độ chia 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 phía 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 con dao O, các cạnh của hai con dao này quay lên phía t