Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông - Trần Thị Thu Thủy

.......... .............. 2. Bảng 2 Vật liệu: Thép Inox Lần đo L (mm) L (mm) X0 (mm) X (mm) tp (0C) ts (0C) t (0C) 1 ................ .............. . .............. . .............. .. .......... 2 3 TB .............. .............. 3- Tính hệ số nở dài của vật liệu - Tính toán kết quả: 1. Tính các đại lượng L, L = X-X0 , t = tS – tP và ghi kết quả vào bảng. 2. Từ phương trình L =  . L. t , hãy tính hệ số nở dài  của đồng, thép : đồng =.................................... thép = ...................................... 4. Nhận xét 104 ......................................................................................................................................... ..... ......................................................................................................................................... .... III. TRẢ LỜI CÂU HỎI 1. Từ giá trị hệ số giãn nở nhiệt của đồng, thép thu được bằng thực nghiệm, hãy so sánh với các giá trị cho trong bảng tra cứu, sai lệch bao nhiêu phần trăm? 2. Sai số này là lớn hay nhỏ? Trên cơ sở câu trả lời của câu 1, hãy phân tích các nguyên nhân gây nên sai số thực nghiệm. Làm thế nào để tăng độ chính xác của phép đo? 3. Giải thích vì sao ban đầu khi mới cho hơi nước sôi đi vào ống thì kim đồng hồ Micromét quay liên tục và có nước ngưng tụ chảy ra ở lỗ thoát ở đầu bên phải ống, nhưng đến khi không còn nước ngưng tụ chảy ra nữa thì kim đồng hồ ngừng quay và chỉ ổn định tại vị trí X ? 3. Từ kết quả nhận được hãy tính độ dãn nở thể tích của đồng, thép. Cho biết  V = k . V. t 105 CHỦ ĐỀ 6 BÀI 2: XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY VÀ NHIỆT HÓA HƠI CỦA NƯỚC I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Khảo sát quá trình chuyển pha của nước, bao gồm quá trình bay hơi-ngưng tụ (chuyển pha lỏng-khí) và quá trình nóng chảy-đông đặc (chuyển pha rắn-lỏng). 2. Xác định nhiệt ngưng tụ riêng và nhiệt nóng chảy riêng của nước theo phương pháp dùng bình nhiệt lượng kế. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Các quá trình chuyển pha của nước Các “phần” có cùng tính chất hoá học và vật lí tồn tại trong một hệ vật gọi là pha. Trong những điều kiện xác định, các pha trong hệ vật có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng, hoặc chuyển từ pha này sang pha khác - gọi tắt là quá trình chuyển pha. Ví dụ: Dưới áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, nước có thể tồn tại ở pha lỏng L, pha rắn R (nước đá) hoặc pha khí K (hơi nước). Nhưng khi bị làm lạnh đến 00C, thì nước chuyển dần thành nước đá theo chuyển pha lỏng-rắn (L-R); còn khi bị đun nóng đến 1000C thì nước chuyển dần thành hơi nước theo chuyển pha lỏng-khí (L- K). Các quá trình chuyển pha của nước luôn xảy ra ở một nhiệt độ không đổi T ứng với áp suất p cho trước - gọi là nhiệt độ và áp suất chuyển pha. Mối quan hệ giữa nhiệt độ T và áp suất p trong các quá trình chuyển pha của nước được mô tả trên giản đồ pha (Hình 6.4), trong đó: 106 Đoạn cong MB là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha rắn (R) và lỏng (L). Đoạn cong MC là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha lỏng (L) và khí (K), có điểm tận cùng tại C, gọi là điểm tới hạn. Đoạn cong OM là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha rắn (R) và khí (K). Điểm M là trạng thái cân bằng giữa ba pha R-L-K và được gọi là điểm ba. 2. Ẩn nhiệt chuyển pha: nhiệt nóng chảy và nhiệt ngưng tụ Nếu ta liên tục cung cấp nhiệt cho một lượng chất ban đầu tồn tại ở pha rắn (nước đá chẳng hạn) thì nhiệt độ T của lượng chất này sẽ thay đổi theo thời gian t như đồ thị trên Hình 6.5, trong đó: các đoạn thẳng nghiêng OA, BD, EF tương ứng với các quá trình nung nóng của pha rắn, pha lỏng và pha khí, các đoạn thẳng ngang AB, DE ứng với các quá trình chuyển pha rắn-lỏng (R- L) xảy ra ở nhiệt độ không đổi T1 và quá trình chuyển pha lỏng-khí (L-K) xảy ra ở nhiệt độ không đổi T2 . Như vậy nhiệt cung cấp cho một lượng chất trong quá trình chuyển pha không làm tăng nhiệt độ của lượng chất đó. Nguyên nhân là do: trong quá trình nóng chảy, nhiệt cung cấp được chuyển thành năng lượng giải phóng các phân tử khỏi mạng T t D F Hình 6.5 O B T2 T1 A E QK QL TC p T C M TM (R) (K) (L) Hình 6.4 O B pC PM 107 tinh thể của pha rắn; còn trong quá trình bay hơi, nhiệt cung cấp được chuyển thành năng lượng cần thiết để thắng lực tương tác giữa các phân tử của pha lỏng. Ngược lại, trong quá trình đông đặc hoặc ngưng tụ thì lượng chất này lại toả ra cùng một lượng nhiệt giống như trong quá trình nóng chảy hoặc bay hơi mà nhiệt độ của lượng chất vẫn giữ nguyên không đổi. Lượng nhiệt cần thiết do lượng chất hấp thụ hoặc toả ra trong quá trình chuyển pha rắn-lỏng (R-L) hoặc lỏng-khí (L-K) gọi là ẩn nhiệt chuyển pha. Nếu Qnc là nhiệt nóng chảy và Qnt là nhiệt ngưng tụ của một chất có khối lượng m, thì đại lượng: m Q q ncnc  (1) gọi là nhiệt nóng chảy riêng và đại lượng : m Q q ntnt  (2) gọi là nhiệt ngưng tụ riêng của chất đó. Các đại lượng này có giá trị bằng lượng nhiệt hấp thụ hoặc toả ra trong quá trình chuyển pha của 1 kilôgam khối chất và được đo theo đơn vị jun trên kilogam (J/g). Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá và nhiệt ngưng tụ riêng của hơi nước theo phương pháp dùng bình nhiệt lượng kế. III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM A. Thành phần thiết bị 1. Bình nhiệt lượng kế 2. Bình sinh hơi nước 3. Bình ngưng-tách hơi nước 4. Bộ giá đỡ, gồm: đế ba chân, trụ thép D10/495 mm, trụ thép D10/300 mm, tay đỡ có hàm kẹp, khớp nối đa năng. 5. Nhiệt kế hiện số -50  1500C/ 0,10C 6. Nhiệt kế rượu 0  1000C/10C 7. Cân kỹ thuật OHAUS 0  2610 g/0,1g 8. Bộ 3 quả cân: 1x500g, 2x1000g 9. Cốc thuỷ tinh chịu nhiệt 250 ml 10. Ống silicon chịu nhiệt, dẫn hơi nước 108 11. Bình cách nhiệt Dewar, đựng nước đá B. Cấu tạo và hoạt động 1. Bình nhiệt lượng kế (Hình 6.6) là dụng cụ dùng xác định lượng nhiệt trao đổi giữa các chất chứa bên trong nó. Cấu tạo của bình nhiệt lượng kế gồm một bình có lớp vỏ cách nhiệt 1 và nắp đậy 2, bên trong có một chiếc cốc 3 (bằng thép inôc) và một que khuấy 4. Hỗn hợp nước thực hiện chuyển pha (nóng chảy hoặc ngưng tụ) được chứa trong cốc 3. Do có vỏ cách nhiệt tốt, nên thực tế có thể coi bình nhiệt lượng kế như một hệ cô lập (không trao đổi nhiệt với bên ngoài). Các quá trình trao đổi nhiệt chỉ xảy ra ở bên trong bình. 2. Nhiệt kế hiện số là dụng cụ đo nhiệt độ của hỗn hợp nước chứa trong chiếc cốc 3. Cấu tạo của nó gồm một cặp nhiệt điện có đầu đo 6 bọc kín trong ống thép nhỏ và một micrôvon kế hiện số có thang đo chia theo nhiệt độ Celcius từ -50 0C đén +150 0C, với độ chia nhỏ nhất 0,1 0C và hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng 5. Trước khi đo, cần kiểm tra “số 0” trên thang đo của nhiệt kế hiện số bằng cách gạt hai núm ở mặt sau của nó xuống các vị trí tương ứng ON và TEST : nếu nhiệt kế hoạt động tốt thì trên màn hình 5 phải hiển thị giá trị 0.0 0C hoặc 0.10C. Sau đó giữ một núm ở vị trí ON và gạt núm còn lại lên vị trí RUN : khi đó trên màn hình 5 sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ của không khí hoặc của chất tiếp xúc với đầu đo 6 của cặp nhiệt điện. 2 4 28.6 3 1 4 6 Hình 6.6 5 109 3. Cân OHAUS (Hình 6.7) là dụng cụ dùng đo khối lượng của các vật có khối lượng nằm trong giới hạn 0  2160 g, với độ chính xác 0,1 g. Cấu tạo của nó gồm một đòn cân thẳng ngang O1O2 có thể dao động quanh cạnh của một con dao O bằng thép đặt tựa trên hai gối đỡ của đế cân Đ. Khi đòn cân O1O2 cân bằng thẳng ngang thì vạch dấu ở đầu O2 (bên phải) của nó phải trùng với vạch chuẩn ngang V khắc trên mặt hộp trụ đứng T của đế cân Đ. Đòn cân bên trái OO2 gồm ba thanh thẳng song song ứng với ba thang đo (tính từ ngoài vào) có giới hạn: 0  10 g; 0  500 g; 0  100 g. Trên mỗi thang đo có một quả cân nhỏ dịch chuyển được - gọi là con mã. Ngoài ra, còn có ba quả cân, gồm một quả Q1 = 500 g và hai quả Q2 = 1000 g, có thể treo thêm vào đầu O2 của đòn cân khi cân các vật có khối lượng lớn hơn 500 g. Trước khi cân, cần kiểm tra vị trí cân bằng thẳng ngang của đòn cân O1O2 ứng với “số 0” của các thang đo bằng cách dịch chuyển con mã trên cả ba thang đo về vị trí số 0, rồi vặn xoay dần đối trọng Q0 gắn ở phía đầu O1 của đòn cân sao cho vạch dấu ở đầu O2 của đòn cân trùng với vạch chuẩn ngang V trên trụ đứng T. Sau đó đặt vật có khối lượng cần đo lên giữa đĩa cân C và dịch chuyển lần lượt từng con mã trên mỗi thang đo tới các vị trí thích hợp sao cho đòn cân O1O2 lại cân bằng thẳng ngang. Khi đó khối lượng m của vật đặt trên đĩa cân C được xấc định theo các số đo tính theo đơn vị gam (g) ghi tại vị trí của từng con mã trên mỗi thang đo, cộng với khối lượng của các quả cân Q1 , Q2 treo ở đầu O2 của đòn cân (nếu có). C OO2 V Q0 O Đ T Q1 Q2 Hình 6.7 110 IV. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1. Xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá a) Xác định khối lượng m1 và nhiệt độ t1 của nước chứa trong bình nhiệt lượng kế Đặt bình nhiệt lượng kế (gồm cả nắp đậy, cốc inôc, que khuấy, nhiệt kế) lên đĩa cân OHAUS để cân khối lượng ban đầu M0 của nó. Đổ một lượng nước cất (khoảng 150ml) vào 3 và đặt lên bàn cân để xác định khối lượng M  của hệ . Từ đó suy ra khối lượng nước chứa trong bình nhiệt lượng kế bằng: m1 = M  - M0 (3) Ghi giá trị của m1 và vào Bảng 1. Đậy nắp kín bình nhiệt lượng kế và đặt bình xuống mặt bàn. Đo nhiệt độ t1 của nước trong cốc bằng nhiệt kế hiện số. Ghi giá trị của t1 vào Bảng 1. b) Chuẩn bị cục nước đá có khối lượng m2 và nhiệt độ t2 = 0 0C: Đặt một cục nước đá (khoảng 150 g) vào cốc thuỷ tinh chịu nhiệt (250 ml), rồi đổ thêm vào cốc này khoảng 100 ml nước. Khuấy nhẹ cho cục nước đá bắt đầu tan trong nước. Đặt đầu đo của nhiệt kế hiện số trong hỗn hợp nước-nước đá để theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp này cho tới khi nhiệt kế chỉ giá trị không đổi t2 = 0 0C. c) Đo nhiệt độ cân bằng tc của hỗn hợp nước trong bình nhiệt lượng kế: Thả cục nước đá có khối lượng m2 ở nhiệt độ t2 = 0 0C vào cốc inôc đang chứa khối lượng nước m1 ở nhiệt độ t1 đặt trong bình nhiệt lượng kế (tránh để nước bắn ra ngoài). Đậy nắp kín bình nhiệt lượng kế. Dùng que khuấy đảo nhẹ để nước đá tan dần thành nước. Theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp nước-nước đá trong cốc inôc giảm tới nhiệt độ cân bằng tc (ứng với giá trị nhiệt độ thấp nhất trước khi bắt đầu tăng). Ghi giá trị của tc vào Bảng 1. d) Cân khối lượng nước đá m2 đã tan thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc: Đặt bình nhiệt lượng kế (gồm cả nắp đậy, cốc inôc, hỗn hợp nước, que khuấy, nhiệt kế) lên đĩa cân OHAUS để đo khối lượng cuối cùng M của bình này. Từ đó suy ra khối lượng nước đá đã tan thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc bằng: m2 = M - M  (4) 111 e) Thực hiện 3 lần các phép đo nêu trên. Ghi các giá trị của m1, t1, m2, t2 và tc trong mỗi lần đo vào Bảng 1 f) Tìm công thức xác định nhiệt nóng chảy riêng qnc của nước đá Khối lượng nước m1 chứa trong bình nhiệt lượng kế ở nhịêt độ t1, trong quá trình chuyển thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc (với tc < t1), đã toả ra một lượng nhiệt: )().( 1 * 11 cn ttcmmQ  (5) trong đó cn = 4180 J/kg. K là nhiệt dung riêng của nước, còn m* là đương lượng nước của bình nhiệt lượng kế (tức là khối lượng nước có nhiệt dung tương đương với nhiệt dung Cnlk của nhiệt lượng kế : Cnlk = m*cn). Khối lượng nước đá m2 ở nhiệt độ t2 = 0 0C, trong quá trình chuyển pha tan thành nước ở 0 0C và sau đó chuyển thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc (với tc > t2), đã thu vào một lượng nhiệt: )( 2222 ttcmqmQ cnnc  (6) với qnc là nhiệt nóng chảy riêng của nước đá. Do có vỏ cách nhiệt tốt, nên có thể coi bình nhiệt lượng kế như hệ vật cô lâp, không trao đổi nhiệt với bên ngoài: Q = 0. Trong trường hợp này, áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho bình nhiệt lượng kế, ta có thể viết: 12 QQ  (7) Thay (5) (6) vào (7), ta tìm được :             21 2 * 1 tttt m mm cq ccnnc (8) Trong thí nghiệm này, đương lượng nước của bình nhiệt lượng kế bằng m* = 12 g. 2. Xác định nhiệt ngưng tụ của hơi nước a) Xác định khối lượng m1 và nhiệt độ t1 của nước chứa trong bình nhiệt lượng kế: Đặt bình nhiệt lượng kế (gồm cả nắp đậy, cốc inôc, que khuấy, nhiệt kế) lên đĩa cân OHAUS để cân khối lượng ban đầu M0 của nó. Đổ một lượng nước cất (khoảng 160ml) vào cốc inox 3 và đặt lên bàn cân để xác định khối lượng M của hệ . Từ đó suy ra khối lượng nước chứa trong bình nhiệt lượng kế bằng : 112 m1 = M  - M0 (9) Đậy nắp bình nhiệt lượng kế. Đo nhiệt độ t1 của nước trong cốc inox. Ghi giá trị của m1 và t1 vào Bảng 2. b) Tạo hơi nước ở nhiệt độ t2 và cho ngưng tụ vào khối nước m1 chứa trong bình nhiệt lượng kế : Cho khoảng 200 ml nước vào trong bình sinh hơi. Đậy nắp kín bình này và vặn nhẹ hai vít tai hồng ở cạnh nắp để ép sát vòng đệm cao su của nắp đậy với miệng bình. Nối một đầu ống silicon chịu nhiệt với nắp bình sinh hơi và nối đầu ống còn lại với nút cao su của bình ngưng-tách hơi nước. Cắm phích lấy điện của bình sinh hơi với ổ điện xoay chiều ~ 220V. Bật công- tắc của bình này để đun cho nước chứa trong nó sôi, tạo thành hơi nước truyền qua bình ngưng-tách hơi nước. Sau khoảng 5  10 phút, khi quan sát thấy không còn nước ngưng tụ chảy ra ở đầu ống phía dưới của bình ngưng-tách hơi nước, thì cắm đầu ống này ngập vào nước chứa trong cốc inox của bình nhiệt lượng kế, để hơi nước (ở nhiệt độ sôi t2 = 99,7 0C ) sục vào nước, và ngưng tụ thành nước.Trong quá trình đó, một lượng nhiệt tỏa ra làm cho nhiệt độ bên trong bình nhiệt lượng kế tăng dần. Điều chỉnh đầu đo của nhiệt kế hiện số ngập sâu vào hỗn hợp nước-hơi nước trong cốc theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp này. Khi nhiệt độ trên nhiệt kế tăng tới 700C, thì rút đầu ống phía dưới của bình ngưng-tách hơi nước ra khỏi nắp bình nhiệt lượng kế. Tắt công-tắc điện của bình sinh hơi. Tiếp tục theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp nước-hơi nước trong cốc inôc tăng tới nhiệt độ cân bằng tc (ứng với giá trị nhiệt độ cao nhất trước khi bắt đầu giảm). Ghi giá trị của tc vào Bảng 2. d) Cân khối lượng hơi nước m2 đã ngưng tụ thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc : Cân khối lượng cuối cùng M của bình bình nhiệt lượng kế (gồm cả nắp đậy, cốc inôc, nhiệt kế và hỗn hợp nươc) trên cân OHAUS. Từ đó suy ra khối lượng hơi nước m2 đã ngưng tụ thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc : m2 = M - M  (10) 113 e) Thực hiện 3 lần các phép đo nêu trên. Ghi các giá trị của m1 , t1 , m2 , t2 và tc trong mỗi lần đo vào Bảng 2. f) Xác định nhiệt ngưng tụ riêng qnt của hơi nước : Khối lượng nước m1 (chứa trong bình nhiệt lượng kế) ở nhịêt độ t1 , trong quá trình chuyển thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc (với tc > t1), đã thu một lượng nhiệt : )().( 1 * 11 ttcmmQ cn  (11) trong đó cn = 4180 J/kg.K là nhiệt dung riêng của nước, còn m* là đương lượng nước của bình nhiệt lượng kế (tức là khối lượng nước có nhiệt dung tương đương với nhiệt dung Cnlk của nhiệt lượng kế : Cnlk = m*cn). Khối lượng hơi nước m2 ở nhiệt độ t2 = 99,7 0C, trong quá trình ngưng tụ thành nước ở nhiệt độ t2 = 99,7 0C và sau đó chuyển thành nước ở nhiệt độ cân bằng tc (với tc < t2), đã toả ra một lượng nhiệt : )( 2222 cnnt ttcmqmQ  (12) với qnt là nhiệt ngưng tụ riêng của hơi nước. Do có vỏ cách nhiệt tốt, nên có thể coi bình nhiệt lượng kế như hệ cô lâp, không trao đổi nhiệt với bên ngoài : Q = 0. Trong trường hợp này. áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho bình nhiệt lượng kế, ta có thể viết : 12 QQ  (13) Thay (11) và (12) vào (13), ta tìm được :             ccnnt tttt m mm cq 21 2 * 1 (14) Trong thí nghiệm này, đương lượng nước của bình nhiệt lượng kế bằng m* = 12 g . VI. TRẢ LỜI CÂU HỎI 1. Định nghĩa về pha và chuyển pha. Nêu ví dụ về pha và chuyển pha của nước. Chuyển pha của một chất có đặc điểm gì ? 2. Ẩn nhiệt chuyển pha là gì ? Viết biểu thức và nói rõ đơn vị đo nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt ngưng tụ riêng của một chất. 3. Mô tả cấu tạo của bình nhiệt lượng kế. Tìm công thức xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá và nhiệt ngưng tụ riêng của hơi nước theo phương pháp 114 dùng bình nhiệt lượng kế. 4. Nêu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của cân kỹ thuật OHAUS. Trình bày phương pháp cân khối lượng của vật trên cân này. 5. Khi xác định nhiệt nóng chảy của nước đá, tại sao lấy nhiệt độ cân bằng tc của hỗn hợp nước trong bình nhiệt lượng kế ứng với nhiệt độ giảm tới giá trị thấp nhất của hỗn hợp này trước khi bắt đầu tăng ? 6. Khi xác định nhiệt ngưng tụ của hơi : a) Tại sao phải chờ tới khi đầu ống phía dưới của bình ngưng-tách hơi nước không còn nước nhỏ giọt nữa thì mới cắm đầu ống này vào nước trong bình nhiệt lượng kế ? b) Tại sao phải rút ống nhựa phía dưới của bình ngưng-tách hơi nước ra khỏi nắp của bình nhiệt lượng kế trước khi tắt công-tắc điện của bình sinh hơi ? c) Tại sao lấy nhiệt độ cân bằng tc của hỗn hợp nước trong bình nhiệt lượng kế ứng với nhiệt độ tăng tới giá trị cao nhất của hỗn hợp này trước khi bắt đầu giảm? 8. Hãy dự đoán những nguyên nhân chủ yếu gây nên sai số lớn trong thí nghiệm xác định nhiệt nóng chảy của nước đá và nhiệt ngưng tụ của hơi nước. 115 Hướng dẫn báo cáo thí nghiệm KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA NƯỚC. XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY VÀ NHIỆT NGƯNG TỤ Xác nhận của thày giáo Trường ................................................... Lớp ............................Nhóm.................. Họ tên .................................................... Ngày thí nghiệm I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... .............................. ............................................................................................................................................... .......... II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá a) Bảng 1 - Nhiệt dung riêng của nước : cn = 4180 J/kg. K - Đương lượng nước của bình nhiệt lượng kế : m* = 0,012 kg - Độ chính xác của nhiệt kế hiện số : t = . (0C) - Độ chính xác của cân OHAUS : m = . (kg) Lần đo m1 (kg) t1 (0C) m2 (kg) t2 (0C) tc (0C) ncq (J/kg) ncq (J/kg) 1 2 3 Trung bình b) Kết quả của phép đo : 116 max)( ncncnc qqq  = . (J/kg) 2. Xác định nhiệt ngưng tụ riêng của hơi nước a) Bảng 2 - Nhiệt dung riêng của nước : cn = 4180 J/kg. K - Đương lượng nước của bình nhiệt lượng kế : m* = 0,012 kg - Độ chính xác của nhiệt kế hiện số : t = . (0C) - Độ chính xác của cân OHAUS : m = . (kg) Lần đo m1 (kg) t1 (0C) m2 (kg) t2 (0C) tc (0C) ntq (J/kg) ntq (J/kg) 1 2 3 Trung bình b) Kết quả của phép đo : max)( ntntnt qqq  = Nhận xét và kết luận. 117 CHỦ ĐỀ 7: ĐO THÀNH PHẦN NGANG CỦA TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 118 I- môc ®Ých thÝ nghiÖm 1. T×m hiÓu cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña la bµn tang (hay ®iÖn kÕ tang). 2. Sö dông la bµn tang vµ ®ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè ®Ó ®o thµnh phÇn ngang cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt. II. dông cô thÝ nghiÖm 1 la bµn-tang 1 ®ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè DT 9205 1 nguån ®iÖn mét chiÒu 0 6V/ 150mA 1 bé 3 d©y dÉn dµi 50 cm cã hai ®Çu phÝch c¾m. III. c¬ së lý thuyÕt Tr¸i §Êt lµ mét nam ch©m khæng lå. C¸c cùc tõ cña nã ®-îc gäi lµ ®Þa cùc tõ. §Þa cùc tõ B¾c n»m ë phÝa Nam cùc, cßn ®Þa cùc tõ Nam l¹i n»m ë phÝa B¾c cùc. T¸c dông cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt t¹i mçi ®iÓm ®-îc ®Æc tr-ng bëi vect¬ tõ tr-êng B  T h-íng tiÕp tuyÕn víi ®-êng søc tõ t¹i ®iÓm ®ã. C¸c ®-êng søc cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt ®-îc m« t¶ trªn h×nh 42.2. 119 Cã thÓ ph©n tÝch vect¬ tõ tr-êng TB  ra hai thµnh phÇn (H. 42.3) : - thµnh phÇn ngang oB  song song víi mÆt ®Êt . - thµnh phÇn ®øng ZB  vu«ng gãc víi mÆt ®Êt. NÕu ®Æt mét kim nam ch©m SN sao cho träng t©m cña nã tùa trªn ®Çu nhän cña mét chiÕc kim th¼ng ®øng th× kim nam ch©m SN sÏ quay h-íng tíi trïng víi thµnh phÇn ngang oB  cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt. Trong thÝ nghiÖm nµy ta dïng la bµn-tang vµ ®ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè DT 830B ®Ó ®o thµnh phÇn ngang oB  cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt. IV. Gi¬Ý thiÖu dông cô ®o 1. La bµn-tang La bµn-tang gåm mét cuén d©y dÉn 1 h×nh trßn cã N vßng d©y dÉn quÊn xÝt nhau n»m trong mÆt ph¼ng ®øng. Mét kim nam ch©m 2 ®Æt t¹i t©m cña cuén d©y dÉn 1 vµ cã thÓ quay tù do trªn ®Çu nhän cña mét trôc th¼ng ®øng h-íng vu«ng gãc víi mÆt th-íc ®o gãc 3. Gãc quay  cña kim nam ch©m 2 trªn mÆt th-íc ®o gãc 3 ®-îc x¸c ®Þnh nhê mét kim chØ thÞ 4 dµi b»ng nh«m nhÑ g¾n vu«ng gãc víi nã trong mÆt ph¼ng ngang. H×nh 42.2 B¾c cùc Nam cùc §Þa cùc tõ B¾c §Þa cùc tõ Nam 120  H×nh 42. 3 NÕu ®Æt mÆt ph¼ng ®øng cña cuén d©y dÉn 1 trïng víi mÆt kinh tuyÕn tõ (mÆt ph¼ng ®øng chøa kim nam ch©m 2) th× kim chØ thÞ 4 sÏ n»m ë vÞ trÝ 00 trªn mÆt th-íc ®o gãc 3. Khi cho dßng ®iÖn kh«ng ®æi c-êng ®é I ch¹y qua cuén d©y dÉn 1 cña la bµn-tang G th× tõ tr-êng dB  do cuén d©y dÉn 1 g©y ra t¹i t©m cña nã cã h-íng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng cña cuén d©y dÉn nµy vµ cã c-êng ®é b»ng : Bd = 7_10.π4 D N I (42.1) víi D lµ ®-êng kÝnh vµ N lµ sè vßng d©y cña cuén d©y dÉn 1. §¬n vÞ ®o cña c-êng ®é tõ tr-êng lµ tesla (T). Nh- vËy kim nam ch©m 2 chÞu t¸c dông ®ång thêi cña hai tõ tr-êng : tõ tr-êng dB  cña cuén d©y dÉn 1 vµ thµnh phÇn ngang oB  cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt. KÕt qu¶ lµ kim nam ch©m 2 sÏ quay h-íng tíi trïng víi tõ tr-êng tæng hîp B  x¸c ®Þnh bëi nguyªn lÝ chång chÊt tõ tr-êng : od BBB  += (42.2) V× dB  h-íng vu«ng gãc víi oB  , nªn ta cã : Bd = Bo. tg (42.3) Thay (42.1) vµo (42.3), ta t×m ®-îc : Bo = 7_10.π4 . D N  βtg I (42.4) 121 NÕu biÕt ®-êng kÝnh D vµ sè vßng d©y N cña cuén d©y dÉn 1 trong la bµn-tang G, ta cã thÓ ®o thµnh phÇn ngang B0 cña tõ tr-êng Tr¸i §Êt b»ng c¸ch dïng ®ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè ®Ó ®o c-êng ®é dßng ®iÖn I ch¹y qua la bµn-tang G khi tõ tr-êng cña cuén d©y dÉn 1 lµm kim nam ch©m cña la bµn-tang G quay lÖch khái mÆt kinh tuyÕn tõ mét gãc  = 450 trªn th-íc ®o gãc 3. 2. §ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè §ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè DT 830B lµ dông cô ®o ®iÖn hiÖn ®¹i, cã nhiÒu thang ®o víi c¸c chøc n¨ng kh¸c nhau nh- v«nkÕ mét chiÓu (DCV) hoÆc xoay chiÒu (ACV), ampekÕ mét chiÓu (DCA) hoÆc xoay chiÒu (ACA),...... (xem môc IV Bµi 27) . 3. Chó ý a) Khi sö dông ®ång hå nµy, ta vÆn nóm xoay X cña nã ®Õn vÞ trÝ t-¬ng øng víi thang ®o vµ chøc n¨ng thÝch hîp. Sau ®ã nèi c¸c cùc cña ®ång hå vµo m¹ch ®iÖn cÇn ®o vµ bÊm nóm “ON” ®Ó c¸c ch÷ sè hiÖn thÞ trªn mµn h×nh. b) Kh«ng chuyÓn ®æi thang ®o khi ®ang cã ®iÖn ë hai ®Çu vµo cña ®ång hå ! c) Kh«ng ®o c-êng ®é dßng ®iÖn vµ hiÖu ®iÖn thÕ v-ît qu¸ giíi h¹n cña thang ®o ®· chän ! d) Kh«ng dïng nhÇm thang ®o c-êng ®é dßng ®iÖn ®Ó ®o hiÖu ®iÖn thÕ trong m¹ch ®iÖn ! e) Khi thùc hiÖn xong phÐp ®o, ph¶i bÊm nóm “OFF” ®Ó t¾t ®iÖn trong ®ång hå ! f) Ph¶i thay pin 9V l¾p ë bªn trong ®ång hå khi trªn mµn h×nh cña nã hiÖn thÞ tÝn hiÖu   th«ng b¸o pin nµy ®· bÞ sôt ¸p, kh«ng ho¹t ®éng b×nh th-êng. V. TiÕn hµnh thÝ nghiÖm 1. M¾c m¹ch ®iÖn 122 a) M¾c nèi tiÕp cuén d©y dÉn N1 = 200vßng cña la bµn-tang G víi ampekÕ A vµo hai cùc cña nguån ®iÖn U mét chiÒu 06V/150mA theo s¬ ®å m¹ch ®iÖn trªn h×nh 42.4. b) VÆn nóm xoay cña nguån ®iÖn U vÒ vÞ trÝ 0 (tËn cïng bªn tr¸i). c) VÆn nóm xoay X cña ®ång hå ®o ®iÖn ®a n¨ng hiÖn sè DT 830B dïng lµm ampekÕ A ®Õn vÞ trÝ DCA 200m (tøc lµ thang ®o dßng ®iÖn mét chiÒu cã giíi h¹n Im= 200mA). Chèt c¾m "A" lµ cùc  vµ chèt c¾m "COM” lµ cùc  . Chó ý : M¾c ®óng c¸c cùc  vµ  cña nguån ®iÖn U vµ cña ampekÕ A. 2. §iÒu chØnh vÞ trÝ "0" cña la bµn-tang G VÆn c¸c vÝt 6 (H.42.4) phÝa d-íi mÆt ch©n ®Õ 5 cña la bµn-tang G ®Ó ®iÒu chØnh cho mÆt th-íc ®o gãc 3 n»m ngang vµ mÆt cuén d©y dÉn 1 n»m th¼ng ®øng. §Æt m¾t nh×n th¼ng tõ trªn xuèng vµ quay cuén d©y dÉn 1 sao cho kim nam ch©m 2 n»m trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng cña cuén d©y dÉn 1. Khi ®ã hai ®Çu cña kim chØ thÞ 4 n»m t¹i vÞ trÝ 00 trªn mÆt th-íc ®o gãc 3. VÞ trÝ nµy gäi lµ vÞ trÝ "0" cña la bµn-tang G. KiÓm tra l¹i vÞ trÝ "0" nµy b»ng c¸ch dïng ngãn tay gâ nhÑ vµo mÆt ch©n ®Õ 5 cña la bµn-tang G. NÕu khi ®ã kim chØ thÞ 4 rung ®éng nh-ng kh«ng dÞch chuyÓn khái vÞ trÝ 00 th× vÞ trÝ nµy ®óng lµ vÞ trÝ "0"cña la bµn-tang G. Gi÷ nguyªn vÞ trÝ "0" nµy trong suèt qu