Ebook Bài giảng Tài liệu thực hành môn Vật lý đại cương: Phần 2

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (703.26 KB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

73
Bài 6

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG 
THEO PHƯƠNG PHÁP STỐC

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 nhớt của chất lỏng theo
phương pháp Stốc.

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 nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc;

iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo
phương pháp Stốc;

iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu.
2. Cơ sở lý thuyết

Xét chuyển động của một chất lỏng trong một ống hình trụ theo phương
song song với trục Ox của ống. Nếu vận tốc chuyển động của chất lỏng khơng
q lớn, ta có thể xem như dịng chất lỏng được phân chia thành nhiều lớp mỏng
chuyển động với vận tốc v có độ lớn thay đổi như biểu diễn trên hình 3.21.

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do ở mặt tiếp xúc giữa các lớp chất lỏng
xuất hiện các lực nội ma sát có tác dụng cản trở chuyển động tương đối của chúng.

Nguyên nhân của lực nội ma sát trong chất lỏng là do đâu? Cấu tạo phân
tử của các chất lỏng vừa có những nét giống với chất rắn, vừa có những nét giống
với chất khí: mật độ phân tử trong chất lỏng rất lớn, gần giống như trong chất rắn,
nhưng trong chất lỏng mỗi phân tử lại không có một vị trí cố định như trong chất
rắn mà nó có thể di chuyển tương đối dễ dàng, gần giống như trong chất khí. Do
đó, trạng thái lỏng có những tính chất rất phức tạp. Cho đến nay người ta vẫn chưa
xây dựng được một lý thuyết hoàn chỉnh về các chất lỏng. Trong số các lý thuyết
về chất lỏng, lý thuyết do nhà vật lý Nga Ia. I. Frenkel đề xướng cho phép giải thích
được nhiều tính chất của chất lỏng. Theo lý thuyết này, phân tử chất lỏng "lang
thang" trong tồn thể tích của chất lỏng giống như một người du mục. Thỉnh
thoảng nó dừng lại và dao động xung quanh một một vị trí cân bằng nào đó (tại vị
trí cân bằng này thế năng của phân tử đạt cực tiểu địa phương). Sau một thời gian,
do va chạm với các phân tử khác, phân tử có thể nhận được một động năng đủ lớn
giúp nó rời bỏ vị trí cân bằng này, bỏ đi để rồi tìm đến một vị trí cân bằng mới. Nó
dao động xung quanh vị trí ấy một thời gian rồi lại tiếp tục bỏ đi nơi khác… Mỗi
phân tử chất lỏng tương tác khá mạnh với các phân tử láng giềng và lực tương tác
là lực hút, nhưng lực tương tác này giảm khá nhanh theo khoảng cách. Dựa trên lý
thuyết này, có thể nêu ra hai ngun nhân chính dẫn đến lực nội ma sát của chất lỏng.

Nguyên nhân thứ nhất là do sự trao đổi động lượng của các phân tử giữa các
lớp chất lỏng có vận tốc định hướng khác nhau. Trong một dòng chất lỏng, các 
phân tử chất lỏng tham gia đồng thời hai chuyển động: chuyển động có hướng và
chuyển động nhiệt hỗn loạn. Kết quả là ln có sự trao đổi các phân tử giữa các lớp
chất lỏng. Các phân tử của lớp nhanh khi chuyển sang lớp chậm sẽ tương tác với
các phân tử của lớp chậm và truyền bớt động lượng cho các phân tử đó, làm tăng

vận tốc định hướng của lớp chậm. Tương tự, các phân tử của lớp chậm khi chuyển
sang lớp nhanh sẽ làm giảm vận tốc định hướng của lớp nhanh.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

các phân tử có bên trong mặt cầu tương tác phân tử nhưng thuộc lớp kia, làm cản
trở chuyển động tương đối giữa hai lớp, tức là dẫn đến ma sát giữa hai lớp.

Thực nghiệm chứng tỏ trị số của lực nội ma sát Fms giữa hai lớp chất lỏng
có vận tốc định hướng là v và v + dv, nằm cách nhau một khoảng dz dọc theo 
phương Oz, tỷ lệ với gradien vận tốc

dz
dv

(tức độ biến thiên của trị số vận tốc trên
mỗi đơn vị dài) theo phương Oz và tỷ lệ với độ lớn của diện tích mặt tiếp xúc
S giữa hai lớp chất lỏng chuyển động tương đối với nhau:

S
dz
dv

Fms   (3.40)

Hệ số tỷ lệ  gọi là hệ số nhớt của chất lỏng. Trị số của  phụ thuộc bản
chất của chất lỏng và giảm khi nhiệt độ tăng. Đơn vị đo của  là kg/ms.

Giả sử nếu một viên bi nhỏ bán kính r rơi thẳng đứng với vận tốc v trong 
khối chất lỏng, thì lớp chất lỏng bám dính vào mặt ngồi viên bi cũng chuyển

động với cùng vận tốc v. Do tác dụng của lực nội ma sát, lớp chất lỏng này sẽ 
kéo các lớp khác nằm gần nó chuyển động theo. Thực nghiệm chứng tỏ trên
khoảng cách

3
2r

tính từ mặt ngồi viên bi ra xa nó, vận tốc của các lớp chất lỏng
có trị số giảm dần từ v đến 0 (hình 3.22).

Khi đó gradien vận tốc theo phương Oz bằng:

r
v
r

v
dz
dv

2
3
3
2 0 



 (3.41)

Theo công thức (3.40), lực nội ma sát giữa lớp chất lỏng bám dính vào

mặt ngồi của viên bi (S = 4r2) và lớp chất lỏng tiếp xúc với nó có trị số bằng:

r
3
2

x v



</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

ms 4 r2

r
2

v
3
S
dz
dv

F    

hay Fm s  6rv (3.42)

Công thức này gọi là cơng thức Stốc, nó cho biết lực ma sát nhớt tăng tỷ

lệ với vận tốc v và chỉ đúng đối với những vận tốc v không lớn (cỡ vài m/s) của 
viên bi chuyển động trong chất lỏng rộng vơ hạn.

Có thể xác định hệ số nhớt  của chất lỏng theo phương pháp Stốc
(Stokes) nhờ bộ thiết bị vật lý kiểu MN - 971A (hình 3.23) gồm: một ống thuỷ
tinh 2 đựng chất lỏng 3 được giữ thẳng đứng trên giá đỡ 9, hai đầu cảm biến từ 4
và 5 được nối với một bộ đo thời gian hiện số bố trí trên mặt phía trước của hộp
chân đế 8. Khi thả rơi viên bi có khối lượng m qua phễu định tâm 1 vào trong 
chất lỏng có hệ số nhớt  cần đo, viên bi sẽ chịu tác dụng của ba lực:

- Trọng lựcPhướng thẳng đứng từ trên xuống và có trị số bằng:

g
r
mg

P 3 0

3
4 


 (3.43)

với r là bán kính và 0 khối lượng riêng của viên bi, g là gia tốc trọng trường. 
- Lực đẩy Acsimet FA



hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng trọng

lượng của khối chất lỏng bị viên bi chiếm chỗ:

Hình 3.23. Sơ đồ bộ thiết bị MN – 971A 
1

2
3

8
4

6
7
10

11
9

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

77
FA r3g

3
4

 (3.44)

với  là khối lượng riêng của chất lỏng.

- Lực nội ma sát FC hướng thẳng đứng từ dưới lên và có trị số bằng:

Fc = 6 rv (3.45)

với v là vận tốc của viên bi và  là hệ số nhớt của chất lỏng.

Dưới tác dụng của các lực trên, viên bi chuyển động với gia tốc

dt
v
d
a

 
tuân theo phương trình cơ bản của động lực học:

C
A F
F
P
dt
v
d

m   






 (3.46)

Chiếu phương trình (3.46) xuống hướng chuyển động của viên bi, ta tìm được:
rv
g
r
g
r
dt
dv

m     6

3
4
3

4 3

3  



Nghiệm của phương trình này có dạng:

( ) (1 )

2 0 2 32m

rt
e
g
r
v



 



 (3.47)

trong đó e là cơ số của lôganêpe, t là thời gian chuyển động của viên bi. 
Dễ dàng nhận thấy sau khoảng thời gian t không lớn, đại lượng 2m

rt
3
e


giảm
nhanh tới 0 và vận tốc v của viên bi sẽ đạt trị số không đổi bằng:





 r g

v
2
0
0
)
(
9
2 

 (3.48)

Trong giai đoạn đầu của chuyển động, gia tốc a làm cho vận tốc viên bi
tăng dần, mặt khác khi vận tốc tăng thì lực nội ma sát cũng tăng theo. Khi vận
tốc đạt đến giá trị v0 nào đó thì lực đẩy Acsimet và lực nội ma sát sẽ triệt tiêu 
hoàn toàn trọng lực, viên bi sẽ chuyển động thẳng đều. Có thể xác định trị số của
 v0 bằng cách đo khoảng thời gian chuyển động t của viên bi rơi thẳng đều giữa 
hai vạch chuẩn 4 và 5 cách nhau một khoảng L:

t
L
v 0

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

L
gt

d2

0 )

(
18

1  

  (3.49)

3. Dụng cụ thí nghiệm 
3.1. Dụng cụ

1. Thiết bị thí nghiệm vật lý MN - 971A
(hình 3.24) gồm:

- Ống thuỷ tinh cao 95 cm, chia độ 2 mm/vạch;
- Chất lỏng (glixerin) cần đo hệ số nhớt;

- Các viên bi (bằng sắt hoặc vật liệu từ mềm);
- Phễu định hướng dùng để thả các viên bi;
- Nam châm nhỏ dùng để lấy các viên bi ra khỏi
chất lỏng;

- Hộp chân đế và giá đỡ;

- Thiết bị hiện số đo thời gian rơi của viên bi;
- Cảm biến.

2. Thước panme 0 – 25 mm, độ chính xác
0,01 mm.

3.2. Trình tự thí nghiệm

3.2.1. Đo đường kính d của viên bi bằng panme (xem bài 1)

Dùng panme, thực hiện 10 lần phép đo đường kính d của viên bi tại các vị 
trí khác nhau của viên bi. Đọc và ghi giá trị của d trong mỗi lần đo vào bảng 3.10. 
3.2.2. Đo khoảng thời gian chuyển động t của viên bi rơi trong chất lỏng

a. Vặn các vít ở mặt dưới của hộp chân đế 8 (hình 3.23) để điều chỉnh sao cho
giá đỡ 9 và ống trụ thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng 3 hướng thẳng đứng. Giữ cố định
vị trí của cảm biến 4 (đã được điều chỉnh nằm cách miệng của ống trụ thuỷ tinh
một khoảng lớn hơn 20 cm và cách cảm biến 5 một khoảng không đổi L = 60 
cm)

Cắm phích lấy điện của bộ thiết bị vật lý MN - 971A vào nguồn điện
~220 V. Bấm khoá K trên mặt trước của hộp chân đế 8: đèn LED phát sáng và
các chữ số hiển thị trong các cửa sổ “TIME” và “N” trên mặt máy.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

b. Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến từ 4 và 5 của bộ đo thời gian hiện số theo
trình tự sau:

- Vặn cả hai núm xoay 6 và 7 ngược chiều kim đồng hồ về vị trí tận cùng
bên trái. Ấn nút “RESET” để các chữ số hiện thị đều trở về 0.

- Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến 5 (nằm ở phần dưới của thân ống trụ

thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng) bằng cách vặn từ từ núm xoay 7 theo chiều quay của
kim đồng hồ cho tới khi các chữ số hiện thị trên cửa sổ “TIME” bắt đầu nhảy số
thì dừng và vặn ngược lại một chút (khoảng 1/4 đến 1/2 độ chia của nó). Sau đó,
ấn nút “RESET” để các chữ số hiện thị đều trở về 0. Kiểm tra lại vị trí này bằng
cách chạm nhẹ ngón tay vào đầu cọc nối dây của cảm biến 5: nếu các chữ số
hiện thị trên cửa sổ “TIME” lại nhảy số, thì cảm biến 5 đã được điều chỉnh đủ
nhạy để hoạt động.

- Thực hiện động tác tương tự đối với núm xoay 6 để điều chỉnh độ nhạy
của cảm biến 4. Bấm nút “RESET” để các chữ số hiện thị đều trở về 0.

Chú ý: Khi một trong hai cảm biến điều chỉnh khơng đúng (ở vị trí vượt 
quá ngưỡng độ nhạy) thì không thể điều chỉnh tiếp cảm biến thứ hai. Trong
trường hợp này, ta phải thực hiện lại động tác (2 - b) một cách cẩn thận hơn.
c. Thả nhẹ viên bi sắt qua chiếc phễu định tâm 1 để nó rơi thẳng đứng dọc theo
trục của ống trụ thuỷ tinh 2 đựng chất lỏng có hệ số nhớt  cần đo.

Khi viên bi chuyển động đi qua tiết diện ngang của cảm biến 4 hoặc 5 (có
dạng là một vòng dây dẫn nối với mạch cộng hưởng điện), nó sẽ làm xuất hiện
một xung điện có tác dụng đóng hoặc ngắt bộ đo thời gian hiện số. Vì vậy, bộ đo
thời gian hiện số sẽ tự động đo khoảng thời gian rơi t của viên bi trên khoảng
cách L giữa hai cảm biến 4 và 5. Thực hiện 10 lần động tác này với cùng một
viên bi đã chọn. Đọc và ghi giá trị của t hiện thị trong cửa sổ “TIME” ứng với
mỗi lần đo được vào bảng 3.10.

Bên trái của cửa sổ “TIME” cịn có cửa sổ hiện thị “N” để theo dõi số lần
hoạt động của các cảm biến 4 và 5: mỗi lần viên bi đi qua một cảm biến, chữ số
hiện thị trong cửa sổ “N” lại tăng thêm một đơn vị.

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

nhẹ nhàng để làm cho viên bi trượt dọc theo thân ống nối 11 lên tới miệng ống
này. Chờ cho glixerin bám dính trên viên bi nhỏ giọt hết, ta lấy nó ra và đặt lên
một tờ giấy thấm.

4. Câu hỏi kiểm tra

4.1. Sự xuất hiện của lực nội ma sát. Giải thích bản chất và viết biểu thức của
lực này. Đơn vị đo hệ số nhớt của chất lỏng là gì?

4.2. Trình bày cách xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc.
Giải thích nguyên nhân gây ra lực cản đối với chuyển động của viên bi rơi trong
chất lỏng.

4.3. Vận tốc của viên bi rơi trong chất lỏng thay đổi phụ thuộc thời gian như thế
nào? Tại sao khi đo thời gian rơi của viên bi lại bắt đầu từ một vị trí nào đó cách
miệng ống trụ thuỷ tinh một khoảng đủ lớn (chẳng hạn lớn hơn 20 cm)?

4.4. Trong điều kiện nào, ta có thể tính hệ số nhớt  của chất lỏng theo cơng
thức (3.49)?

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 riêng  của chất lỏng (glixerin): 3 3

/
10
).
011
,
0
260
,
1

(  kg m





- Khối lượng riêng 0 của viên bi sắt: 0 (7,700,03).103kg/m3.

- Khoảng cách L giữa hai đầu cảm biến 4 và 5: L(600,00,5).103m

- Gia tốc trọng trường: 2

/
)
012
,
0
787
,
9

( m s

g  

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

81
Kết quả đo

Bảng 3.10. Kích thước của viên bi và thời gian rơi của viên bi

Lần đo d (mm) t (s)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Giá trị trung bình

5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp













t
t
t
d
d
d
t
d

5.4. Tính và biểu diễn kết quả hệ số nhớt 




 gd t

L

0 . .

.
18

















t
t

d
d
g
g
L
L
2
0
0







 .














5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

82
Bài 7

XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT KHÍ 
1. Mục đích thí nghiệm

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 tỷ số nhiệt dung riêng phân
tử (Cp/CV) của một chất khí (cụ thể là khơng khí).

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;

iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định tỷ số nhiệt dung phân tử
(Cp/CV) của chất khí;

iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu.
2. Cơ sở lý thuyết

Nhiệt dung riêng c của một chất khí là một đại lượng vật lý có trị số bằng 
lượng nhiệt cần truyền cho một đơn vị khối lượng của chất khí đó để làm tăng
nhiệt độ của nó lên 1K (Kelvin). Gọi Q là lượng nhiệt cần truyền cho một khối

lượng m của chất khí để nhiệt độ của nó tăng thêm một lượng dT, ta có:

mdT
Q

c   (3.50)

Đối với chất khí, người ta thường dùng nhiệt dung phân tử C, tức là nhiệt 
dung của 1 mol chất khí:

C = c (3.51)

với  là khối lượng của 1 mol chất khí. Đơn vị đo của c là J/kgK, của C là 
J/molK và của  là kg/mol.

Nhiệt dung của chất khí phụ thuộc vào điều kiện nung nóng. Thực vậy,
theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học: Lượng nhiệt Q truyền cho hệ 
vật trong q trình biến đổi trạng thái vơ cùng nhỏ có giá trị bằng tổng số của độ
biến thiên nội năng dU của hệ vật và của công '

A

 do hệ vật sinh ra trong q
trình đó:

'
A
dU

Q 

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

83
ở đây '

 = pdV, với p là áp suất và dV là độ biến thiên thể tích của khối khí 
trong quá trình biến đổi trạng thái của nó. Thay (3.52) vào (3.50) và áp dụng cho
1 mol chất khí, ta được:

dT
pdV
dT

dU

C  (3.53)

- Trong quá trình đẳng tích (thể tích khơng đổi): V = const thì dV = 0, nên

 = pdV = 0. Theo (3.53), ta suy ra nhiệt dung phân tử đẳng tích:

dT
dU

CV  (3.54)

- Trong q trình đẳng áp (áp suất khơng đổi): p = const thì dp = 0. Khi 
đó, từ phương trình trạng thái của 1 mol chất khí:

pV = RT (3.55)

với R =8,31J/molK là hằng số chất khí. Lấy vi phân của (3.55):

pdV + Vdp = RdT (3.56)

Thay (3.54), (3.56) vào (3.53) với dp = 0, ta nhận được nhiệt dung phân tử đẳng áp:

R C R

dT
dU

Cp    v  (3.57)

- Trong quá trình đoạn nhiệt (hệ khơng trao đổi nhiệt với bên ngoài):

Q = 0, nên từ (3.52) (3.53) và (3.54) ta có:

pdV = -CV.dT (3.58)

Chia (3.56) cho (3.58) và chú ý đến (3.57):

V

P
V

V
p

C
C
C

C
C
pdV

Vdp    

 1

hay:

V
dV
p

dp

với  1
V

P

C
C



Thực hiện phép tích phân, ta tìm được phương trình Poatxơng.

pV = const (3.59)

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định tỷ số nhiệt dung phân tử của khơng
khí theo phương pháp dãn nở đoạn nhiệt nhờ các dụng cụ bố trí như hình 3.25.

Bình thuỷ tinh A chứa khơng khí được nối thơng với áp kế cột nước M,
đồng thời được nối thơng hoặc với bơm nén khí B hoặc với khí quyển bên ngồi
nhờ một khố ba chạc K. Toàn bộ các dụng cụ này được lắp đặt trên một hộp
chân đế G bằng kim loại.

Lúc đầu, vặn khoá K sang vị trí 1-1 để nối thơng bình A với áp kế M và
bơm B. Dùng bơm B, bơm khơng khí vào bình A làm tăng dần áp suất trong
bình đến giá trị ổn định p1:

p1 = H0 + H (3.60)

H0 là áp suất khí quyển bên ngoài, H là độ chênh lệch áp suất của khơng khí

trong bình A so với áp suất khí quyển bên ngồi. Các đại lượng H0 và H được 
tính theo độ cao cột nước (mmH2O).

Tiếp đó, vặn khố K sang vị trí 2 để khơng khí phụt nhanh ra ngồi cho tới
khi áp suất khí trong bình A giảm tới giá trị p2 = Ho, rồi lại vặn khoá K về vị trí
1. Sau khi đóng K2 ta sẽ thấy áp suất chất khí trong bình tăng lên từ từ và đạt

đến giá trị ổn định p3 = H0 + h. Bằng việc ghi lại các giá trị H và h ta sẽ tính 
được hệ số Pốtxơng .

Giả sử sau khi bơm khơng khí vào bình A (chờ khoảng 5 phút cho hệ đạt
tới trạng thái cân bằng): khơng khí trong bình có khối lượng là m0, chiếm thể
tích V0 của bình, có áp suất p1 và nhiệt độ T1 (nhiệt độ trong phòng). Khi mở

G
M

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

khố K: khối lượng khơng khí phụt ra ngồi bình A là m. Do đó khối lượng

khơng khí cịn lại trong bình chỉ cịn bằng: m = m0 - m.

Khối lượng khí m bây giờ chiếm thể tích V2 = V0, nhưng có áp suất

p2 < p1. Như vậy, suy ra trước khi mở khố K: khối lượng khí m trong bình A ở 
áp suất p1 và nhiệt độ T1 chỉ chiếm thể tích V1 < V0. Vì q trình dãn nở của khối
lượng khí m trong bình A từ trạng thái (p1 ,V1) sang trạng thái (p2,V2 = V0) xảy ra
rất nhanh, không kịp trao đổi nhiệt với bên ngồi (Q = 0) nên có thể coi gần 
đúng là quá trình giãn nở đoạn nhiệt. Trong q trình này, khối lượng khí m bị 
lạnh đi và nhiệt độ của nó giảm từ nhiệt độ phòng T1 xuống đến nhiệt độ T2 < T1.

Áp dụng phương trình Pốtxơng (3.59) đối với khối lượng khí m dãn nở 
đoạn nhiệt từ trạng thái 1 (p1, V1, T1 ) sang trạng thái 2 (p2, V2 = V0, T2) biểu diễn
bởi đường cong đoạn nhiệt 1- 2 trên đồ thị hình 2.26, ta có:

p1V1 = p2V2 hay










1
2

V
V
p
p

(3.61)
Tiếp đó, khối khí m vẫn chiếm thể tích Vo của bình A và thu nhiệt từ ngồi
qua thành bình: trong q trình biến đổi đẳng tích này, nhiệt độ tăng dần từ T2 
đến T1, còn áp suất tăng từ p2 đến p3:

p3 = H0 + h (3.62)

Với h là độ chênh lệch áp suất giữa khối khí m trong bình A so với khí 
quyển bên ngồi theo độ cao cột nước trên áp kế M. Từ đồ thị hình 2.26, ta nhận
thấy trạng thái 1 và 3 thuộc cùng một quá trình đẳng nhiệt T1 biểu diễn bởi 
đường cong 1-3. p

V1 V0

(1)

(2)
(3)
p1 = H0 + H

p3 = H0 + h

p2 = H0

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

Áp dụng định luật Bôilơ – Mariôt (pV = const) cho khối khí m trong q 
trình biến đổi đẳng nhiệt từ trạng thái 1 (p1, V1, T1) đến trạng thái 3 (p3, V2 = V, 
T1), ta có:

p1V1 = p3V2 hay

1
2

3
1

V
V
p

p  (3.63)
So sánh (3.61) với (3.63) và thay thế các giá trị của áp suất p1, p2, p3 theo
độ chênh lệch cột nước H0, H, h trên áp kế M, đồng thời chú ý đến điều kiện H,

h << H0 và hệ thức gần đúng ln(1 + x)  x khi x << 1, ta tìm được kết quả:

h
H

H




 (3.64)

Công thức (3.64) cho phép xác định được tỷ số nhiệt dung phân tử  =

V
P

C
C

của không khí sau khi đo được độ chênh lệch cột nước H và h trên áp kế M ứng 
với quá trình dãn nở đoạn nhiệt 1 - 2 và quá trình nung nóng đẳng tích 2 - 3 của
khối lượng khơng khí m chứa trong bình A.

3. Trình tự thí nghiệm 
3. 1. Dụng cụ

Bộ thí nghiệm xác định tỉ số nhiệt dung
phân tử của chất khí (hình 3.27) gồm:

1. Bình thuỷ tinh hình trụ (loại 10 lít);
2. Áp kế cột nước hình chữ U có thước
milimét;

3. Bơm nén khí dùng quả bóp cao su;
4. Khố ba chạc kim loại hoặc thuỷ tinh;
5. Hộp chân đế có giá đỡ áp kế chữ U.

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

87
3.2. Trình tự thí nghiệm

Bước 1. Đóng khố K2 và vặn nhẹ khố K1 sang vị trí 1 (vị trí mở) để nối

thơng bình A với bơm nén khí B. Bơm từ từ khơng khí vào bình A tới khi độ
chênh lệch cột nước trên hai nhánh áp kế M đạt khoảng 300 mmH2O thì ngừng

lại. Vặn khố K1 để đóng kín bình A.

Chú ý: Không bơm quá mạnh, tránh làm nước trong áp kế M phụt ra ngoài. 
Chờ khoảng 4 - 5 phút để nhiệt độ của khối lượng khơng khí vừa bơm vào
bình A cân bằng với nhiệt độ trong phịng. Để đo nhiều lần với áp suất p1 ban
đầu như nhau, ta mở từ từ van của bơm B để giảm bớt lượng khơng khí trong
bình A sao cho chênh lệch độ cao cột nước H đạt giá trị cho trước (chọn trong 
khoảng 200 – 250 mm). Đọc và ghi các giá trị của L1 và L2 vào bảng 3.11.

Độ chênh lệch áp suất của khối lượng khơng khí vừa bơm vào bình A so
với áp suất khí quyển bên ngồi có giá trị bằng:

H = L1 + L2 (mmH2O)

Bước 2. Vặn nhanh khoá K sang vị trí 2 (thuận chiều kim đồng hồ) để
không khí trong bình A phụt ra ngồi, khi áp suất khơng khí trong bình A cân
bằng với áp suất khí quyển bên ngồi ta vặn nhanh khố K để đóng kín bình A.

Muốn kết quả đo được chính xác, cần quan sát và đóng kín khố K ngay
khi cột nước trong hai nhánh áp kế M vừa đạt mức ngang nhau (hoặc nghe vừa
dứt tiếng xì của khí thốt ra khỏi bình A).

Chờ khoảng 4 - 5 phút cho nhiệt độ của khối lượng không khí cịn lại trong
bình A cân bằng với nhiệt độ trong phịng. Khi đó độ cao l1 và l2 của các cột
nước trên hai nhánh áp kế M đạt giá trị ổn định. Đọc và ghi các giá trị của l1 và l2 
vào bảng 3.11.

Độ chênh lệch áp suất tính theo milimét cột nước (mmH2O) của khối khơng

khí cịn lại trong bình A so với áp suất khí quyển bên ngồi có giá trị bằng:

h = l1 + l2 (mmH2O)

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

88
4. Câu hỏi kiểm tra

4.1. Định nghĩa và viết biểu thức của nhiệt dung riêng và nhiệt dung phân tử.
Nhiệt dung của chất khí có phụ thuộc điều kiện của q trình nung nóng khơng?
4.2. Phân biệt nhiệt dung phân tử đẳng tích CV và đẳng áp Cp. Tìm biểu thức liên
hệ giữa chúng để chứng tỏ Cp > CV.

4.3. Trong thực tế, khi nào có thể coi gần đúng các quá trình nén hoặc dãn khí là
đẳng nhiệt hoặc đoạn nhiệt? Sau khi nén hoặc giãn khí chứa trong bình A, tại
sao phải chờ một khoảng thời gian nào đó (khoảng 4 - 5 phút) thì độ chênh lệch

cột nước trên hai nhánh áp kế M mới đạt giá trị ổn định?

4.4. Muốn đảm bảo kết quả đo được chính xác, tại sao phải đóng kín khoá K
ngay khi cột nước trong hai nhánh áp kế M vừa đạt mức ngang nhau?

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

- Độ chênh áp suất: H = L1 + L2 = (mmH20)

- Độ chính xác của áp kế M: (mmH20)

Bảng 3.11. Độ chênh lệch áp suất của cột khơng khí

Lần đo l1(mmH20) l2 (mmH20) h = l1 + l2 (mmH20)

1
2

3
4
5

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

5.3. Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp













t
t
t
d
d
d
t
d

5.4. Tính và biểu diễn kết quả hệ số nhớt

+ Sai số tương đối:









)
(H h
H
H
h
h
H



trong đó:













2
1
2
1
l
l
h
L
L
H

+ Giá trị trung bình:




h
H
H


+ Sai số tuyệt đối:




 .

+ Biểu diễn kết quả đo:















5.5. Nhận xét và đánh giá kết quả

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

90
BÀI 8

ĐO SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUỒN ĐIỆN 
BẰNG MẠCH XUNG ĐỐI

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 suất điện động của nguồn
điện (cụ thể là nguồn pin).

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;

iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác suất điện động của pin;
iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu.
2. Cơ sở lý thuyết

Suất điện động E của nguồn điện thường được đo trực tiếp bằng một Vôn 
kế V nối với hai cực của nguồn điện tạo thành một mạch kín có dịng điện I chạy 
qua (hình 3.28).

Nếu điện trở trong của nguồn là r thì chỉ số của Vơn kế V cho biết hiệu 
điện thế U giữa hai cực của nguồn điện:

r
I
E
U   .

(3.65)
Vì I  0 và r  0, nên U < E. Như vậy, phép đo trực tiếp suất điện động

của nguồn bằng Vôn kế sẽ mắc sai số càng lớn nếu Vơn kế có điện trở RV càng
nhỏ (dẫn tới dòng điện I càng lớn) hoặc nguồn điện có điện trở trong r càng lớn.

Muốn đo chính xác suất điện động của nguồn điện, ta dùng phương pháp
so sánh suất điện động EX của nguồn điện cần đo với suất điện động E0 của

nguồn điện chuẩn bằng mạch xung đối (hình 3.29) gồm: nguồn điện U có điện

V
I

E, r

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

áp lớn hơn EX và E0 dùng cung cấp dòng điện I cho mạch điện hoạt động, một 
dây điện trở XY đồng chất tiết diện đều và con trượt Z có thể dịch chuyển dọc
theo dây điện trở XZY, một điện kế nhạy G có số 0 ở giữa thang đo dùng phát
hiện cường độ dòng điện nhỏ chạy qua nó.

Nguồn điện EX hoặc E0 được mắc xung đối với nguồn điện U, tức là cực
dương (+) của nguồn EX hoặc E0 sẽ nối với cực dương của nguồn U tại điểm X.
Dòng điện do nguồn EX hoặc E0 phát ra chạy tới điểm X có chiều ngược với
dòng điện I do nguồn điện U cung cấp nên chúng có thể bù trừ nhau.

Nếu đóng khóa K thì sẽ có dịng điện chạy qua nguồn điện EX và kim điện
thế G bị lệch khỏi số 0. Dịch chuyển dần con trượt Z dọc theo dây điện trở XZY,
ta sẽ tìm được vị trí thích hợp của con trượt Z sao cho kim của điện kế G quay
trở về đúng số 0. Khi đó cường độ dòng điện chạy qua nguồn điện EX và điện kế
G có giá trị bằng khơng: IX = IG = 0, còn dòng điện chạy qua dây điện trở XZY
có cùng cường độ với dịng điện I do nguồn U cung cấp cho mạch chính.

Theo (3.65), hiệu điện thế UX giữa hai cực của nguồn điện EX bằng:

X
Z
X

X V V E

U   

(3.66)

Mặt khác, hiệu điện thế UX có thể tính bằng:
XZ
Z

X

X V V I R

U    .

(3.67)

Từ (3.66) và (3.67), ta suy ra:

XZ
X I R

E  .

(3.68)

Thay nguồn điện EX bằng nguồn điện áp chuẩn có suất điện động E0 xác
định và cực dương (+) nối với điểm X. Nếu dịch chuyển con trượt tới vị trí Z’ để
kim điện kế G lại chỉ đúng số 0, tức là I0 = IG = 0, và dòng điện chạy qua dây

Hình 3.29. Sơ đồ mạch điện mắc xung đối 
G

Ex

I
K

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

điện trở XZY vẫn giữ nguyên bằng cường độ dòng điện I do nguồn U cung cấp 
cho mạch chính.

Trường hợp này hiệu điện thế U0 giữa hai cực của nguồn điện áp chuẩn E0 bằng:

0
'

0 V V E

U  X  Z  (3.69)

Và:

'
'

0 VX VZ I.RXZ

U   

(3.70)

Suy ra:

'
0 I.RXZ
E 

(3.71)

So sánh (3.68) và (3.71), ta tìm được:

' 1

1
'

0 L

L
XZ
XZ
R

R
E
E

XZ
XZ

X   

Hay:

1
1
0

L
L
E

EX 

(3.72)

Như vậy, nếu biết suất điện động E0 của nguồn điện áp chuẩn, đồng thời
đo được độ dài L1 và L1’ ứng với các vị trí của con trượt tại Z và Z’ trên dây điện 
trở XZY khi dòng điện chạy qua điện kế G bằng khơng, thì ta sẽ xác định được
suất điện động EX của nguồn điện cần đo.

3. Trình tự thí nghiệm 
3.1. Dụng cụ (hình 3.30)

Hình 3.30. Bộ thí nghiệm xác định suất điện động của nguồn điện 
1. Cầu dây XY gồm một dây điện trở căng trên giá đỡ nằm ngang có thước
thẳng dài 1000 mm;

</div>

Ebook Bài giảng Tài liệu thực hành môn Vật lý đại cương: Phần 2

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về