Đề thi thực hành vật lý quốc tế 2015 bài 2

Page 1 of 6
E-II
Q
Nhiễu xạ do sóng căng bề mặt trên mặt nước
Giới thiệu
Sự hình thành và lan truyền sóng trên bề mặt chất lỏng là một hiện tượng quan trọng và đã được nghiên
cứu kĩ. Với các sóng đó, lực hồi phục tác dụng lên phần tử chất lỏng dao động một phần là do trọng lực,
một phần là do sức căng bề mặt. Với các sóng có bước sóng ngắn hơn nhiều so với bước sóng tới hạn

c
, ảnh hưởng của trọng lực là có thể bỏ qua và ta chỉ cần xem xét đến hiệu ứng căng bề mặt
(

=2



, với σ là suất căng bề mặt, ρ là khối lượng riêng của chất lỏng và g là gia tốc trọng trường).
Trong phần này, ta sẽ nghiên cứu sóng căng bề mặt có bước sóng nhỏ hơn

c
trên bề mặt chất lỏng. Sự
căng bề mặt là một tính chất của chất lỏng khiến cho bề mặt chất lỏng thể hiện như một màng bị kéo
căng. Khi mặt chất lỏng bị kích thích, thì kích thích đó truyền đi giống như một sóng trên một màng.
Một bộ rung được dùng để tạo sóng trên mặt nước. Khi một chùm laze chiếu là tới những sóng bề mặt
này, sóng có tác dụng như một cách tử phản xạ, tạo ra một hình ảnh nhiễu xạ xác định.
Các sóng căng bề mặt này bị tắt dần (biên độ của sóng giảm dần) khi lan truyền ra xa nguồn. Sự tắt dần
này được gây nên bởi sự nhớt của chất lỏng, dẫn đến hiện tượng các lớp chất lỏng sát nhau chống lại
chuyển động tương đối giữa chúng.

Mục tiêu
Dùng hiện tượng nhiễu xạ từ các sóng căng bề mặt trên mặt nước để xác định suất căng bề mặt và độ
nhớt của mẫu nước được cấp.
Dụng cụ

[1] Máy đo ánh sáng (được kết nối với bộ sensor
ánh sáng)
[2] Bộ sensor ánh sáng lắp với thước kẹp đặt trên
đế của màn hứng ảnh.
[3] Máy tính bảng (dùng làm máy phát sóng hình
sin)
[4] Đồng hồ đa năng hiện số
[5] Hộp điều khiển máy rung
[6] Bệ gỗ
[7] Ray để dịch chuyển bộ sensor ánh sáng
[8] Nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh được
[9] Vặn vít lục giác, thước dây và thước nhựa
Hình 1: Bệ gỗ và các dụng cụ

[10] Thước, nẹp và vạch đánh dấu vị trí bộ rung
[11] Bộ rung
[12] Khay nước
[13]
Tấm phủ bằng nhựa
[14] Bộ phận điều chỉnh độ cao của bộ rung
[15] Laze số 2
(Bước sóng

L
= 635 nm, 1nm = 10

-9
m)
[16] Mẫu nước dùng trong thí nghiệm
[17]
Ống đong hình trụ 500 ml
Hình 2: Bộ rung /laze


Page 2 of 6
E-II
Q

Mô tả dụng cụ
a) Máy tính bảng dùng làm nguồn phát sóng hình sin

[18]: Núm bật tắt
[19]: Núm tăng
[20]: Núm giảm
[21]: Ổ nạp điện
[22]: Ổ cắm dây nối Audio từ hộp điều khiển bộ rung [5]
Hình 3: Các núm và ổ nối trên máy tính bảng
Chú ý

Luôn luôn nạp điện cho máy tính bảng.
 Bấm nhẹ núm bật tắt nguồn một lần để hiển thị màn hình khởi động.


Giữ mức tín hiệu phát ra cực đại bằng cách sử dụng núm tăng [19].

Chạm và kéo
biểu tượng [23]
để mở khóa
Chạm vào biểu tượng [24]
để khởi động máy phát dao
động hình sin
Hình 4: Màn hình khởi động của tablet

[25]: Núm chọn dạng sóng (luôn luôn giữ ở “SIN”)
[26]: Thanh trượt điều chỉnh biên độ
[27]: Thanh trượt điều chỉnh tần số
[28]: Vùng hiển thị giá trị của tần số [Hz]
[29]: Thanh chỉ thị và chuyển trạng thái của ứng dụng
“OFF” – máy phát sóng hình sin bị tắt
“ON” máy phát sóng hình sin đang bật
Hình 5: Máy phát sóng hình sin

Để thay đổi tần số
 Chạm vào vùng chỉ giá trị tần số [28] (Hình 5) để làm hiện bảng
nhập số
 Dùng phím backspace [30] để xóa giá trị tần số
 Nhập tần số cần dùng, rồi chạm vào phím “Finished” [31]
Hình 6: Màn hình có bảng số để nhập giá trị tần số

Để thay đổi biên độ
 Dùng thanh trượt điều chỉnh biên độ [26] trên màn hình máy tính bảng hoặc núm điều chỉnh [33] trên
hộp điều khiển bộ rung [5] để thay đổi biên độ sóng phát ra.

Page 3 of 6
E-II
Q
b) Hộp điều khiển bộ rung, đồng hồ đa năng hiện số, nguồn điện một chiều và các kết nối



[32]: Ổ cắm để nối dây vào đồng
hồ đa năng
[37]: Thanh rung Hình 10: Laze số 2 [15] (gắn trên đế kim
loại) và dây nối [42]
[33]: Núm điều chỉnh biên độ của
sóng hình sin
[38]: Chân cắm của dây nối từ
bộ rung

[34]: Ổ cắm cho dây nối với bộ
rung
Hình 8: Bộ rung [11]
[35]: Chân USB để nối với nguồn
điện một chiều có thể điều chỉnh
được

[39]: Núm chọn
AC(xoay
chiều)/DC(một
chiều)

[43]: Núm chọn cường độ (giữ ở vị trí
“High”)
[36]: Chân cắm Audio để nối với
máy tính bảng
[40]: Núm chọn
thang đo
[44]: Ổ USB để cắm với chân USB từ hộp
điều khiển bộ rung
[41]: Các ổ cắm
đầu vào
[45]: Ổ cắm để nối với laze số 2
Hình 7: Hộp điều khiển bộ rung
[5]
Hình 9: Đồng hồ đa năng hiện
số [4]
Hình 11: Nguồn điện một chiều có thể
điều chỉnh được [8]


[36]

[22] [38]

[34] [41]

[32] [35]

[44] and [42]

[45]

Hình 12: Kết nối giữa máy tính bảng, hộp điều khiển bộ rung và nguồn điện một chiều

c) Bộ sensor ánh sáng và máy đo ánh sáng




[46]: Lỗ tròn trên sensor ánh sáng
[47]: Núm bật tắt của máy đo ánh sáng
[48]: A, B, C – Núm chọn thang đo
Gắn một hàm của thước kẹp vào
khe ở phía sau sensor ánh sáng
Xiết chặt vít bằng cái vặn
vít lục giác
Hình 13: Bộ sensor ánh sáng và máy đo ánh sáng

Hình 14: Lắp bộ sensor ánh sáng


Page 4 of 6
E-II
Q

Điều chỉnh ban đầu





Hình 15: Tháo tấm

phản xạ bên phải
Hình 16: Các vít
đế chạm vào
thanh gỗ
Hình 17: Vị trí đúng của thanh rung và núm đen điều
chỉnh độ cao
1. Tháo dây nối laze số 1 ra và cắm dây nối laze số 2 vào ổ ở nguồn điện một chiều. Chú ý: laze số 2 đã
được điều chỉnh với góc tới xác định. Không được chạm vào laze!
2. Tháo tấm phản xạ bên phải dùng trong E-I bằng cách vặn núm dưới bệ gỗ (Hình 15).
3. Tháo màn hứng ảnh dùng trong E-I và lắp bộ sensor ánh sáng vào đế giữ màn hứng ảnh. Đặt đế vào
giữa hai thanh ray dẫn đường.
4. Đặt bệ gỗ [6] sao cho các vít đế của nó chạm vào thanh gỗ gắn trên mặt bàn thí nghiệm (Hình 16).
5. Mở mặt bên của tấm nhựa của bộ phận laze/bộ rung. Rót đúng 500 ml nước vào khay [12] bằng cách
dùng ống đong hình trụ [17].
6. Bật laze. Xác định vị trí của vệt sáng laze phản xạ trên mặt nước tới sensor ánh sáng. Khi em dịch
chuyển bộ sensor ánh sáng dọc theo ray, vị trí vệt sáng laze phải dịch chuyển theo phương thẳng đứng
mà không bị lệch theo phương nghiêng so với phương thẳng đứng. Bằng cách chỉnh nhẹ bệ gỗ theo
phương ngang và dịch chuyển bộ sensor ánh sáng theo phương thẳng đứng, em có thể đưa vệt sáng laze
đúng vào lỗ tròn trên sensor ánh sáng. Cường độ chỉ trên máy đo ánh sáng là cực đại nếu như tâm của
vệt sáng laze trùng với tâm của lỗ tròn.
7. Thanh rung đã được bố trí đúng ở vị trí thẳng đứng. KHÔNG ĐƯỢC điều chỉnh núm đen [14] (Hình
17).
8. Bộ rung có thể dịch chuyển theo phương nằm ngang. Vạch đánh dấu cho ta vị trí của bộ rung trên
thước [10].
9. Khi lấy số liệu, cần đóng mặt bên của tấm nhựa để bảo vệ mặt nước khỏi các dòng không khí.
Thí nghiệm
Phần C: Đo góc

giữa tia laze và mặt nước

Hình 18: Đo góc




Page 5 of 6
E-II
Q
Nhiệm
vụ
Mô tả
Điểm
C1
Dịch chuyển bộ sensor ánh sáng với các bước thích hợp dọc theo đường ray. Ghi lại độ dịch chuyển
theo phương X của bộ sensor ánh sáng và độ dịch chuyển Y tương ứng của vệt sáng laze. Ghi các
số liệu vào Bảng C1 (Chọn thang đo thích hợp trên máy đo ánh sáng).
1.0
C2
Vẽ đồ thị thích hợp (gọi là Đồ thị C1) và xác định góc

tính ra độ, từ độ dốc của đường biểu diễn.

0.6

Phần D: Xác định suất căng bề mặt

của mẫu nước cho trước
Từ lí thuyết nhiễu xạ, có thể chứng minh rằng
 =




  (1)
trong đó,  =
2



là số sóng của sóng căng bề mặt,

w
và

L
tương ứng là các bước sóng của sóng căng bề mặt và của laze.

là khoảng cách góc giữa cực đại trung tâm và cực đại bậc 1 (Hình 19).
Tần số dao động (f) của sóng liên hệ với số sóng k theo công thức
 =





(2)
trong đó,  = 2,

là khối lượng riêng của nước và q là một số nguyên.

Hình 19: Sơ đồ nguyên lí của thí nghiệm

1. Cố định bộ sensor ánh sáng (dùng núm vặn ở đế màn hứng ảnh) tại vị trí như thấy trên Hình 1.
Chọn thang đo thích hợp trên máy đo ánh sáng.

Nhiệm
vụ
Mô tả
Điểm

D1
Đo khoảng cách l
1
giữa lỗ tròn trên sensor ánh sáng và mép ngoài của khay nước. Em sẽ nhìn thấy một
đoạn thẳng tại vị trí tia laser chạm vào mặt nước. Điểm chính giữa của đoạn này là điểm tới của tia
laser. Đo l
2
là khoảng cách giữa điểm này và mép của khay. Tìm L. Ghi kết quả vào phiếu trả lời.
0.3

2. Chỉnh vị trí của bộ rung sao cho vạch đánh dấu nằm tại điểm 7.0 cm trên thước [10].
3. Đặt tần số của sóng hình sin ở 60 Hz và điều chỉnh biên độ của nó sao cho cực đại bậc 1 và bậc 2
hình ảnh nhiễu xạ được quan sát rõ (hình nhỏ trong Hình. 19).



Page 6 of 6
E-II
Q

Nhiệm
vụ

Mô tả
Điểm

D2
Đo khoảng cách giữa các cực đại bậc 2 ở trên và ở dưới cực đại trung tâm. Từ đó tính x
1
. Ghi các số
liệu vào Bảng D1. Lặp lại bằng cách tăng tần số lên từng khoảng thích hợp.
2.8
D3
Xác định những biến thích hợp để vẽ một đồ thị mà độ dốc của đường biểu diễn cho ta giá trị của q.
Ghi giá trị của các biến này vào Bảng D2. Vẽ đồ thị để tìm q (gọi là Đồ thị D1). Viết phương trình 2
với giá trị nguyên thích hợp của q.
0.9
D4
Từ phương trình 2, hãy xác định các biến thích hợp để vẽ một đồ thị mà độ dốc của đường biểu diễn
cho ta giá trị của

. Ghi giá trị của các biến này vào Bảng D3. Vẽ đồ thị để tìm

(gọi là Đồ thị D2).
(

=1000 kg.m
-3
).
1.2

Phần E: Xác định hệ số tắt dần


và độ nhớt

của chất lỏng
Sóng căng bề mặt bị tắt dần do sự nhớt của nước. Biên độ sóng, h, giảm theo hàm mũ của khoảng cách,
s, đo từ bộ rung,
ℎ =ℎ



(3)
trong đó, h
0
là biên độ tại vị trí dao động và

là hệ số tắt dần.
Bằng thí nghiệm, người ta đã liên hệ biên độ h
0
với điện áp (V
rms
) đặt vào bộ rung như sau,
ℎ

∝
(


)
.
(4)
Hệ số tắt dần liên hệ với độ nhớt của chất lỏng theo công thức

 =




(5)
trong đó là

độ nhớt của chất lỏng.
1. Chỉnh vị trí của bộ rung sao cho vạch đánh dấu nằm tại 8.0 cm.
2. Đặt tần số ở 100 Hz.
3. Điều chỉnh sensor ánh sáng bằng cách dùng thước kẹp sao cho cực đại bậc 1 của hình ảnh nhiễu
xạ rơi vào lỗ tròn của sensor.
4. Điều chỉnh biên độ của sóng hình sin (V
rms
) sao cho giá trị đọc được trên máy đo ánh sáng là
100 ở thang A. Ghi lại giá trị V
rms
đó.
5. Dịch bộ rung ra khỏi điểm tới của laze theo từng bước 0.5 cm và chỉnh V
rms
để máy đo ánh sáng
chỉ 100. Ghi lại các giá trị V
rms
tương ứng.
Nhiệm
vụ
Mô tả
Điểm
E1 Ghi các số liệu ở từng bước vào Bảng E1.

1.9
E2
Vẽ một đồ thị thích hợp (gọi là Đồ thị E1) và xác định hệ số tắt dần

từ độ dốc của đường biểu diễn.

1.0
E3
Tính độ nhớt

của mẫu nước được cấp.
0.3