Phòng thí nghiệm vật lý

Chuyên mục phục vụ cho việc học tập của sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh về các môn thí nghiệm vật lý. Mỗi thí nghiệm được trình bày theo bản chất vật lý của vấn đề cần khảo sát, đi kèm với phần mềm thí nghiệm ảo tương tứng nhằm giải thích rõ hơn nguyên lý hoạt động của dụng cụ. Sinh viên có thể thực hành trước trên máy tính để làm quen, giảm bớt bỡ ngỡ khi tiếp cận thiết bị thực.

Quy tắc kí hiệu số bài: \mathrm{\overline{abc}}:

\bullet Chữ số đầu tiên kí hiệu cho lĩnh vực:

\mathrm{a}=1 - Cơ học
\mathrm{a}=2 - Nhiệt học và vật lý phân tử
\mathrm{a}=3 - Điện từ
\mathrm{a}=4 - Quang học và vật lý lượng tử.

\bullet Chữ số thứ hai kí hiệu cho phòng đặt thiết bị thí nghiệm:

\mathrm{b}=0 - Physics Lab 1,2,3
\mathrm{b}=1 - Physics Lab 5,6
\mathrm{b}=2 - Physics Lab 4

\bullet Chữ số thứ ba từ \mathrm{c}=1\rightarrow 9 là số thứ tự phân biệt.


Xử lý dữ liệu

Khớp dữ liệu bằng đường thẳng và đường cong

Trong nhiều trường hợp sau khi đo đạc dữ liệu thực nghiệm, chúng ta muốn tìm hiểu xem các đại lượng vật lý vừa thu được biến đổi theo quy luật nào. Lúc này ta có thể sử dụng phương pháp bán thực nghiệm, tìm cách so sánh dữ liệu của chúng ta với một hàm số được cho dưới dạng biểu thức, thường có dạng quen thuộc như đường thẳng, parabol, đa thức bậc cao, hàm mũ...

Khớp dữ liệu bằng đường thẳng và đường cong

Cơ học

№ 101

Xác định moment quán tính của bánh xe
và lực ma sát trong ổ trục quay

Hệ cần khảo sát là một đĩa quay, trục quay được quấn dây nối với quả nặng khối lượng m (hình 1.1). Khi dùng tay quấn nhiều vòng để đưa quả nặng lên cao, vật sẽ bị thả xuống khi buông tay và làm đĩa quay theo. Chúng ta phải xác định được moment quán tính của đĩa đối với trục quay và lực ma sát trên trục.

№ 101

 

№ 102

Con lắc thuận nghịch

Con lắc thuận nghịch là con lắc có đến hai điểm treo: O_1O_2, vít cố định như hình 2.1. Ta có thể treo con lắc dao động quanh một trong hai điểm đó, khi ấy con lắc dao động như một con lắc vật lý thông thường với chu kỳ

№ 102

 

№ 111A

Khảo sát quỹ đạo chuyển động ném xiên

Trong thí nghiệm này chúng ta đi vẽ lại quỹ đạo của vật chuyển động dưới tác dụng của trường trọng lực, xác nhận rằng quỹ đạo của vật có dạng parabol, phù hợp với lý thuyết mô tả.

№ 111A

 

№ 111B

Tham số quỹ đạo chuyển động ném xiên

Trong thí nghiệm này chúng ta khảo sát các tham số quỹ đạo của vật chuyển động dưới tác dụng của trường trọng lực, xây dựng hàm phụ thuộc của tầm xa và độ cao cực đại vào góc bắn, từ đó suy ra vận tốc ban đầu của vật.

№ 111B

 

№ 111C

Sự chồng chất của chuyển động thẳng đều
và rơi tự do trong chuyển động ném xiên

Trong thí nghiệm này chúng ta chứng minh bằng thực nghiệm rằng, chuyển động của một vật ném xiên tương đương với sự chồng chập của hai chuyển động riêng biệt: chuyển động thẳng đều theo hướng ném ban đầu và chuyển động rơi tự do theo chiều thẳng đứng.

№ 111C

 

№ 113A

Chuyển động thẳng
dưới tác dụng của lực không đổi

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ tiến hành thu thập hàm số quãng đường theo thời gian, tính vận tốc tức thời và đánh giá gia tốc của một vật chuyển động thẳng dưới tác dụng của lực không đổi. Từ đó có thể đưa ra kết luận về tính chất của loại chuyển động này đồng thời nghiệm lại định luật II Newton.

№ 113A

 

№ 113B

Cơ năng trong chuyển động thẳng biến đổi đều

Trong thí nghiệm này chúng ta khảo sát sự biến thiên của hai loại hình cơ năng, gồm thế năng và động năng trong chuyển động thẳng với gia tốc không đổi. Từ đó chứng tỏ rằng, khi ma sát được giảm thiểu, cơ năng hầu như được bảo toàn.

№ 113B

 

№ 114A

Kiểm chứng định luật III Newton
trong va chạm đàn hồi

Thí nghiệm này kiểm chứng định luật III Newton trong tương tác đàn hồi, rằng lực và phản lực luôn sinh ra theo cặp trên hai vật tương tác, có độ lớn bằng nhau và có hướng ngược chiều nhau. Tổng quát hơn, thí nghiệm khẳng định sự đúng đắn của định luật bảo toàn động lượng, động lượng truyền cho vật này cũng bằng với động lượng của vật kia bị mất đi.

№ 114A

 

№ 114B

Khảo sát chuyển động của hệ vật
bằng cảm biến gia tốc

Thí nghiệm này cho phép ghi lại thông tin chi tiết về chuyển động của hệ hai vật, cụ thể trong va chạm đàn hồi, nhờ cảm biến gia tốc. Từ đây ta có thể nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng và nguyên lý về chuyển động của khối tâm.

Thí nghiệm cũng giúp sinh viên rèn kỹ năng tính tích phân bằng phương pháp số, hiểu được ý nghĩa của phép tính tích phân. Ngoài ra, sinh viên có thể hiểu được hoạt động của những thiết bị hoạt động theo nguyên lý tích phân dữ liệu.

№ 114B

 

№ 115A

Khảo sát động học chuyển động quay vật rắn

Trong thí nghiệm này chúng ta khảo sát sự phụ thuộc của góc quay, vận tốc góc vào thời gian của vật rắn quay quanh trục cố định dưới tác dụng của moment lực không đổi.

№ 115A

 

№ 115B

Động lực học chuyển động quay vật rắn

Trong thí nghiệm này chúng ta kiểm chứng phương trình cơ bản động lực học chuyển động quay vật rắn bằng cách kiểm tra sự thay đổi của gia tốc góc \alpha khi thay đổi moment lực M và khi thay đổi moment quán tính I. Đối tượng khảo sát là một đĩa quay, bị tác dụng moment lực từ phía quả nặng qua ròng rọc, và được đo gia tốc bằng cảm biến quang học.

№ 115B

 

№ 115C

Xác định moment quán tính vật rắn
qua khảo sát động lực học

Thí nghiệm này đưa ra phương pháp xác định moment quán tính của vật bất kì đối với một trục quay nhất định thông qua việc khảo sát chuyển động quay của hệ vật rắn.

№ 115C

 

№ 116

Bảo toàn moment động lượng
trong chuyển động quay

Thí nghiệm này giúp nghiệm lại định luật cơ bản nhất trong chuyển động quay của hệ vật cô lập: Định luật bảo toàn moment động lượng. Bên cạnh đó, ta cũng có thể kiểm tra lại phép bảo toàn cơ năng trong va chạm đàn hồi của sự quay.

№ 116

 

№ 117

Con lắc Maxwell

Bài thí nghiệm này có mục đích minh hoạ sự bảo toàn cơ năng, khảo sát sự biến đổi của thế năng thành năng lượng của chuyển động tịnh tiến và năng lượng của chuyển động quay.

№ 117

Nhiệt học
&
Vật lý phân tử

№ 203

Xác định tỉ số nhiệt dung phân tử chất khí
bằng phương pháp Clement-Desormord

Đối tượng khảo sát xoay quanh một cái bình khí, chính xác nó chứa không khí, diễn tả trên hình 3.1. Bình luôn kết nối với áp kế chữ U, đọc mức áp suất thông qua độ chênh lệch mực nước. Ngoài ra có hai van khác kết nối trao đổi khí với bình. Một van thông với bầu khí quyển. Một van thông với quả lựu bơm khí.

№ 203

 

№ 218

Sự chuyển hoá cơ năng thành nội năng

Thí nghiệm này có mục đich minh hoạ sự chuyển đổi từ cơ năng thành nội năng, từ đó đưa ra khái niệm về sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Qua thí nghiệm này người học cần nắm rõ sự tương đương giữa các loại năng lượng, hiểu được nguyên nhân vì sao nội năng lại có thể dùng đơn vị của công cơ học.

№ 218

 

№ 219A

Kiểm nghiệm định luật Boyle-Mariotte

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta tìm hiểu sự phụ thuộc của áp suất theo thể tích trong điều kiện nhiệt độ không đổi, đồng thời kiểm nghiệm định luật Boyle-Mariotte.

№ 219A

 

№ 219B

Kiểm nghiệm định luật Gay-Lussac

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta tìm hiểu sự phụ thuộc của thể tích theo nhiệt độ trong điều kiện áp suất không đổi, đồng thời kiểm nghiệm định luật Gay-Lussac. Dựa trên quy luật biến đổi của thể tích theo nhiệt độ, ta có thể ngoại suy giá trị của độ không tuyệt đối.

№ 219B

 

№ 219C

Kiểm nghiệm định luật Charles

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta tìm hiểu sự phụ thuộc của áp suất theo nhiệt độ trong điều kiện thể tích không đổi, đồng thời kiểm nghiệm định luật Charles. Dựa trên quy luật biến đổi của áp suất theo nhiệt độ, ta có thể ngoại suy giá trị của độ không tuyệt đối.

№ 219C

Điện từ học

№ 304

Xác định giá trị điện trở, điện dung, độ tự cảm
bằng phương pháp dao động điện cưỡng bức

Tụ điện có điện dung C cần đo mắc nối tiếp với biến trở R_0 luôn có giá trị biết trước. Mạch nối vào nguồn phát dao động điều hoà ở một tần số f nhất định như hình 4.2.

№ 304

 

№ 305

Khảo sát đặc tuyến Volt-Ampere
của diode và transistor

Mạch thí nghiệm khảo sát transistor miêu tả chi tiết trên hình 5.5. Biến trở bên trái giúp điều chỉnh dòng I_B qua cổng B (base) với giá trị khá nhỏ, quan sát được qua micro-Ampere kế. Giá trị này được giữ nguyên cố định để tìm đặc tuyến Volt-Ampere của transistor. Biến trở bên phải dùng để điều chỉnh điện áp U_{CE} với giá trị quan sát được bằng volt kế. Dòng I_{C} quan sát được qua mili-ampere kế.

№ 305
№ 305

 

№ 306

Xác định điện tích riêng của electron
bằng phương pháp magnetron

Trung tâm của bộ thí nghiệm là đèn chân không ba cực với cathode K, anode A và lưới G đặt đồng trục với nhau. Ba nguồn điện U_1, U_2U_3 lần lượt nuôi ba dòng điện sau:

- Nguồn U_1 duy trì dòng đi I đi qua ống dây D (màu đậm) giúp tạo ra từ trường trong lõi ống dây. Toàn bộ đèn chân không đặt lồng trong ống dây này, xem như được đặt trong một từ trường đều vuông góc với mặt cắt hình vẽ.

- Nguồn U_2 nuôi dòng điện chạy qua sợi đốt giúp đốt nóng cathode K, làm phát xạ các electron từ cathode.

- Nguồn U_3 tạo ra hiệu điện thế gia tốc giữa lưới G và cathode K, tạo ra vận tốc ban đầu đáng kể cho các electron trước khi ra khỏi lưới để bay vào vùng nằm giữa lưới G và anode A.

№ 306

Quang - Lượng tử

№ 407

Nhiễu xạ ánh sáng

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta muốn đo độ dài của bước sóng ánh sáng ứng với một màu đơn sắc (hình 7.1). Theo nguyên tắc chung của mọi phép đo, ta phải tìm cách sao cho đại lượng cần đo, đại lượng mà ta chưa biết, đi so sánh với một "vật" cùng bậc về kích cỡ mà ta đã biết. Vật đó có thể xem như thước đo. Vật cần đo phải cho tương tác, bắn phá... vào vật làm thang đo. Muốn đo một đối tượng lớn, ta cần một cây thước lớn. Muốn đo một đối tượng nhỏ, ta cần một cây thước nhỏ.

№ 407

 

№ 408

Khảo sát hiện tượng bức xạ nhiệt
và kiểm chứng định luật Stefan-Boltzmann

Theo định luật Stefan-Boltzmann, công suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối:
\begin{equation}
\Phi=\sigma T^4.
\label{stefan_boltzmann}
\end{equation}
trong đó \sigma gọi là hằng số Stefan-Boltzmann. Các vật có sự tập trung đậm đặc của phân tử có tính chất phát xạ cũng gần như vật đen tuyệt đối. Do đó định luật Stefan-Boltzmann thực ra rất gần gũi với đời sống và kĩ thuật, gắn liền với sự nung nóng và phát sáng của các vật rắn, hay các thiên thể khí đậm đặc như Mặt trời và những ngôi sao.

№ 408

 

№ 409

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng các electron bị bứt ra khỏi bề mặt kim loại dưới tác dụng của chùm sáng rọi vào.

Việc nghiên cứu các đặc tính của hiệu ứng quang điện được tiến hành nhờ một ống chân không hai cực như hình 9.1. Khi chiếu lên cathode K một chùm ánh sáng đơn sắc, từ cathode phát xạ các electron và tạo thành dòng điện. Ta gọi đó là dòng quang điện, ghi lại bởi điện kế. Khi thay đổi điện áp U giữa anode và cathode, dòng quang điện thay đổi theo quy luật như đồ thị hình 9.2, còn gọi là đặc tuyến Volt-Ampere của dòng quang điện.

№ 409