Thực hành đo đại lượng cơ bản: chiều dài, khối lượng, thời gian môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Bài 1: Phép đo các đại lượng cơ bản: chiều dài, khối lượng, thời gian I.
Mục đích thí nghiệm 1.
Các khái niệm có liên quan: chiều dài, đường kính, đường kính trong, độ dày, độ cong,
du xích, độ chính xác của cân, đo thời gian 2. Nguyên lý:
Thước kẹp có du xích, vi kế và cầu kế được sử dụng để đo chính xác các chiều dài, độ
dày, đường kính và độ cong. Cân cơ học được sử dụng để xác định khối lượng, một bộ
đếm thập phân được sử dụng để đo chính xác thời gian. Thực hiện các thủ tục đo, độ
chính xác của phép đo và tính độ chính xác. 3. Nhiệm vụ: -
Xác định thể tích của các ống với thước kẹp có du xích -
Xác định độ dày của các dây điện, các ống và các tấm phẳng với vi kế -
Xác định độ dày của các tấm kính phẳng và bán kính cong của các kính đồng hồ với cầu kế -
Xác định khối lượng của các vật khác nhau với độ chính xác cao nhất với một cân chính xác. -
Xác định tần số dao động của con lắc -
Làm quen với việc sử dụng một bộ đếm số theo nhiều phương pháp sử dụng. II.
Dụng cụ thí nghiệm STT Model Tên dụng cụ SL 103010-00 Thước kẹp có du xích 1 203012-00 Vi kế 1 303017-00 Cầu kế 1 411207-20 Thanh chắn sáng 1 513601-99 Bộ đếm thập phân 1 644011-50
Cân chính xác, 2 đĩa cân, 500g 1 744070-20
Bộ gia trọng chính xác, 1 mg - 200g 1 803913-00 Cột sắt 1 906104-01
Dây sắt, d = 1.0 mm, l = 10 m 1 10 06270-00 Lá nhôm, 4 tờ/ bộ 1 11 08203-00
Tấm kính vuông, 100x85x1 mm 1 12 34572-00
Tấm kính tròn, đường kính 80 mm 1 13 34574-00
Tấm kính tròn, đường kính 100 mm 1 14 34575-00
Tấm kính tròn, đường kính 125 mm 1 15 36701-65
Ống thủy tinh, thẳng, l = 80 mm, 10 1 16 45158-00
Ống thủy tinh, d = 24/21 mm, l = 120 mm 1 17 02214-00 Khối lập phương (x8) 1 18 02090-00 Dây câu cá, l = 100 m 1 19 02466-01
Bóng thép có lỗ xâu dây, d = 32 mm 1 20 02051-00 Thanh thép có móc nối 1 21 02027-55
Thanh đỡ -PASS-, vuông, l = 630 mm 1 22 02002-55 Đế 3 chân -PASS- 1 23 02040-55 Kẹp góc vuông -PASS- 2 24 09936-00 Thước dây, l = 2 m 1 25 07361-01
Dây điện màu đỏ, 32A, l = 500 mm 1 26 07361-04
Dây điện màu xanh, 32A, l = 500 mm 1 27 07361-02
Dây điện màu vàng, 32A, l = 500 mm 1
III. Các bước thực hành
Hình 1. Bố trí thực hành: đo các đại lượng cơ bản: chiều dài, khối lượng, thời gian
1. Thước kẹp có du xích
Thước kẹp có du xích là công cụ đo được biết đến nhiều nhất dùng để thực hiện các phép đo
nhanh và tương đối chính xác. Nó có thể thực hiện các phép đo các kích thước bên trong, bên
ngoài và chiều sâu. Độ chính xác có thể đạt được tỷ lệ với vạch chia trên du xích. Các hàm đo
liên quan đến đọc số liệu có thể nhìn thấy trong hình 2.
Hình 2. Thước kẹp có du xích
Khi các hàm được đóng lại, vạch 0 trên du xích trùng với vạch 0 trên thước đo.
Cái tên “du xích” được đặt để chỉ sự bổ sung một thang đo để cho phép tính chính xác của kết
quả đo (đọc độ chính xác) tăng lên từ 10 đến 50 lần. Du xích tuyến tính là một thước nhỏ
trượt dọc theo một thước đo. Thước này có một thang đo nhỏ được chia cho m bằng độ chia
thang biểu. Chiều dài tổng cộng của m vạch chia bằng m-1 trên thước đo chính.
Phóng đại hình 2, cho thấy 39 độ chia kéo dài từ 28 mm đến 67 mm trên vạch chia độ, trong
khi du xích có 20 vạch chia (tất cả các vạch thứ 2 trên du xích đều được bỏ qua).
Mẫu đo được đặt vào giữa hai hàm đo và hàm di chuyển được đẩy về phía mẫu vật để tạo một
áp lực vừa phải. Khi đọc giá trị đo, phần nguyên mimlimet là số vạch milimet trên thước
chính nằm ở bên trái vạch 0 của du xích; phần thập phân milimet được xác định bằng cách tìm
trên du xích vạch nào trùng với một vạch trên thước chính và đọc số thập phân milimet ứng
với nó trên du xích. (hình 3).
Hình 3. Đọc 28 trên thước chính và 25 trên du xích, ta thu được 28.25 mm 2. Vi kế
Với một vi kế (hình 4) độ chính xác của phép đo có thể được tăng theo độ lớn. Mẫu vật được
đặt giữa hai má đo, sau đó vặn cho ngàm động tịnh tiến đến tiếp xúc với mẫu vật bằng núm
xoay ngàm động (gồm có đai ốc khóa và vít tai hồng). Khi núm vặn xoay mà ta nghe thấy
tiếng kêu tách tách thì khi đó áp lực cần thiết của phép đo đã đạt được và đọc giá trị đo được.
Số milimet và một nửa milimet được đọc trên thước đo; số phần trăm milimet được đọc trên
du xích. Nếu vành của du xích không phủ được một nửa milimet thì phải thêm số phần trăm milimet.
Hình 4: Vi kế, giá trị đọc: 4.35 mm 3. Cầu kế
Để thực hiện các phép đo các mặt phẳng song song (độ dầy) và độ cong của các mặt cầu cần
chính xác hơn, người ta sử dụng một cầu kế.
Cầu kế được sử dụng để đo bán kính của đường cong của các mặt cầu cũng như độ dầy của
bản phẳng và sự chênh lệch giữa các bề mặt.
Dụng cụ này có một đế 3 chân với 3 điểm đo tạo thành một tam giác đều. Trọng tâm của tam
giác này có một đầu đo nối với một mặt đồng hồ. Khoảng cách giữa đầu đo này và mặt phẳng
tạo bởi 3 điểm đo được hiển thị trên mặt đồng hồ. Độ chính xác của dụng cụ đo này là hơn 10- 2 mm Hình 5: Cầu kế
4. Cách sử dụng cầu kế
Có 4 lỗ ren có trên mỗi chân của đế 3 chân. Các điểm phải cách đều tâm của đầu đo. Để đạt
được phép đo có độ chính xác cao, các điểm này được bắt vít tại vị trí càng xa càng tốt. Nên
đặt các giới hạn theo kích thước của bề mặt cần xác định. Mặt đồng đồ được gắn trên đế 3
chân tại hai vị trí xác định chính xác.
Vị trí cao hơn được dùng để đo các mặt lồi; trong trường hợp này các con số màu đen trên
mặt đồng hồ được sử dụng. Nếu mặt đồng hồ gắn ngược thì các mặt lõm được đo sử dụng các số màu đỏ.
Chỉnh lại điểm 0 sau khi đặt cầu kế lên bề mặt cần đo. Để chỉnh điểm 0, cầu kế được đặt lên
mặt phẳng của tấm kính kèm theo và quay kim trên mặt đồng hồ bằng cách sử dụng vành tròn
có khía sao cho kim đồng hồ chỉ đúng vào điểm 0. Áp suất theo phương thẳng đứng của cầu
kế nên tránh khi đọc giá trị. Khi hoàn thành các bước chuẩn bị, thiết bị được đặt trên mặt cần
đo và độ cao chênh lệch h được đo.
Một vòng quay của kim đồng hồ lớn tương ứng với 1 mm (một khoảng chia nhỏ nhất tương ứng với 10-2 mm).
Số vòng quay được tính theo kim đồng hồ nhỏ. Khoảng cách lớn nhất có thể đo được là 10 mm.
Bán kính của đường cong R của mặt cầu thu được từ sự chênh lệch độ cao theo phương trình: R=a2+h2 2h
trong đó a là khoảng cách của các điểm đo từ tâm của hệ.
Các con số sau ứng với 4 vị trí có thể của các điểm đo, hướng từ trong ra ngoài, kí hiệu từ 1 đến 4: Vị trí a (mm) Vị trí a (mm) 1 15.0 3 32.5 2 25.0 4 40.0 5. Cân chính xác
Do dùng cho mục đích giáo dục, chúng ta không chọn một cân với độ chính xác cao – có hầu
hết trong các phòng thí nghiệm (Có thể sử dụng chúng để kiểm tra kết quả)
Làm theo hướng dẫn sử dụng để xác định khối lượng của các mẫu khác nhau với độ chính xác cao nhất.
Hình 7. Sơ đồ của cân chính xác Mô tả cấu tạo:
Đòn cân (1) được đỡ bởi một lưỡi dao làm bằng thép cứng (2) nằm trên một rãnh thép (3). Vị
trí cân bằng được chỉ ra bởi một mũi tên (4) gắn trên một thước đo. Hai lưỡi dao thép (5), mỗi
cái đỡ một móc treo kép (6) mà ở đó các đĩa cân (7) có thể được treo trên giá treo đĩa cân. Các
điểm chốt của ba lưỡi dao này (trục chính và trục của hai đĩa cân) được đặt trên cùng một
đường nằm ngang. Hai vít điều chỉnh tinh (8) có thể được sử dụng để chỉnh cân bằng cho cân khi chưa có tải.
Núm xoay (9) nằm trên đế (10) có thể được sử dụng để khóa cân để bảo vệ cân khi di chuyển
vị trí, cất giữ hoặc khi thêm các gia trọng.
Để xác định độ chính xác lớn nhất của cân, đế (10) phải tuyệt đối nằm ngang. Để đạt được
điều đó, các chân điều chỉnh được (11) có thể phải xoay đến khi bọt nước trong ống thủy (12) chỉ vị trí nằm ngang.
Để cân chính xác xin vui lòng sử dụng bộ các quả cân chuẩn (lên đến 500 g) Chú ý: -
Không chạm tay vào các gia trọng chính xác, luôn luôn sử dụng nhíp để tránh để lại chất
nhờn và bụi trên gia trọng. -
Không cất giữ cân gần các hóa chất hoặc nơi ẩm ướt -
Lau các trục đỡ bằng bàn chải sạch và mềm -
Tra dầu cho các trục đỡ thường xuyên bằng vaseline bằng một miếng vải nỉ 6. Bộ đếm số
Để dùng cho mục đích giáo dục, chúng ta chọn một bộ đếm thập phân 6 digit để học về các
nguyên lý đo thời gian. Hãy làm theo tài liệu hướng dẫn chi tiết để làm quen với các tính năng
của dụng cụ đo như đo thời gian, tần số và đo xung.
Trong phần chi tiết, chúng ta thực hành với một con lắc. Lắp đặt thí nghiệm như trong hình 6:
Hình 6. Bố trí thí nghiệm: đo tần số dao động của một con lắc Nguyên lý
Dao động của một con lắc được xác định bằng cách sử dụng một cổng hồng ngoại. Tần số
được đo bằng cách cách khác nhau bằng cách sử dụng bộ đếm số. Các bước thực hành
1. Xác định chu kỳ dao động bằng cách sử dụng bộ đếm như một đồng hồ bấm giây. -
Cổng hông ngoại không cần dùng trong trường hợp này. -
Nút bấm “Function” được nhấn đi nhấn lại đến khi chọn được chế độ “TIME”. -
Cho con lắc bắt đầu dao động và nhấn nút Start. Điện áp lối vào Uss nằm trong khoảng 0.1V – 10 V -
Sau 10 chu kỳ dao động của con lắc thì bấm nút Stop. -
Sau đó lấy thời gian đo được chia cho số dao động thì ta sẽ thu được chu kỳ dao động T.
2. Xác định tần số dao động của con lắc bằng bộ đếm thập phân 6 số. -
Nối cổng hồng ngoại với lối vào “Input” của bộ đếm thập phân -
Chuyển sang chế độ đo “FREQ” với nút “FUNKTION”. Nhấn vào nút “SET” để chọn
đơn vị “Unit”, sau đó bấm vào “+” hoặc “-” để chọn đơn vị đo “Hz”. -
Chọn loại tín hiệu bằng nút “MODE”. Thông số cài đặt tương tự được sử dụng trong
trường hợp này là các tín hiệu theo chu kỳ và thông số cài đặt của TTL là TTL-similar (sóng vuông) -
Cho con lắc dao động và nhấn vào nút “START” -
Bây giờ, màn hình hiển thị số liệu cập nhật liên tục. -
Tần số dao động tính dựa vào nửa chu kỳ, theo công thức: f=1 T/2
3. Xác định chu kỳ dao động -
Nối cổng hồng ngoại với lối vào Input của bộ đếm và chọn chế độ đo “PERIODE” -
Cho con lắc dao động và nhấn vào nút START. Trên màn hình số liệu được cập nhật liên
tục, cho biết thời gian của nửa chu kỳ, từ đó tính ra cả chu kỳ
4. Xác định cả chu kỳ T