Tài liệu Xây dựng một số bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Chủ nhiệm đề tài: Ths. TRẦN VĂN TẤN Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 Đt: 0903369252 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ Tên đề tài: XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài Ths. TRẦN VĂN TẤN Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Họ và tên Trần Văn Tấn Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn Tổ Vật lý đại cương, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp. HCM Nội dung nghiên cứu được phân công - Thiết kế lý thuyết, nguyên tắc tiến hành thí nghiệm cho từng bài. - Viết tài liệu hướng dẫn thực hành các bài thí nghiệm. Nguyễn Hoàng Long Phòng thí nghiệm đại cương, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM 1 - Thiết kế, lắp đặt và tiến hành thực nghiệm, lấy số liệu mẫu. MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH ............................................................................................... 1 MỤC LỤC .................................................................................................................... 2 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...................................................................... 3 MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 7 1 Tính cấp thiết của đề tài: ...........................................................................................7 2 Mục tiêu của đề tài: ....................................................................................................7 3 Phương pháp nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: ....................................................8 4 Đối tượng phục vụ: .....................................................................................................8 KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................ 9 BÀI 1: ..............................................................................................................................9 BÀI 2: ............................................................................................................................20 BÀI 3: ............................................................................................................................26 BÀI 4: ............................................................................................................................36 BÀI 5: ............................................................................................................................40 BÀI 6: ............................................................................................................................44 BÀI 7: ............................................................................................................................49 BÀI 8: ............................................................................................................................55 BÀI 9: ............................................................................................................................59 BÀI 10: ..........................................................................................................................62 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 65 CÁC KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 67 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 69 2 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Tên đề tài XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG NÂNG CAO Mã số: CS 2010.19.108 Chủ nhiệm đề tài: Ths. TRẦN VĂN TẤN Cơ quan chủ trì đề tài: Trường đại học sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh. Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: Thời gian thực hiện: Đt: 0903369252 CN. Nguyễn Hoàng Long Từ tháng 4 / 2010 đến tháng 4 / 2011 3 1) Mục tiêu:  Lắp ráp và viết tài liệu hướng dẫn 10 bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao với yêu cầu từng bài thí nghiệm: Chạy hoàn chỉnh, lấy được số liệu với độ chính xác cao. Lấy số liệu mẫu và xử lý số liệu cho các bài thí nghiệm.  Viết tài liệu hướng dẫn để giúp cho sinh viên thực hành bài thí nghiệm. 2) Nội dung chính:  Xây dựng mới 6 bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao mới: Khắc phục sự thiếu đồng bộ của các dụng cụ trong từng bài thí nghiệm, làm mới một số chi tiết còn thiếu.  Lắp ráp các bài thí nghiệm theo cathaloque của hang cung cấp thiết bị. Lấy số liệu nhiều lần và xử lý số liệu để có bài báo cáo mẫu.  Viết tài liệu hướng dẫn từng bài thí nghiệm theo trình tự: chủ đề (mục đích thí nghiệm); nguyên tắc (cơ sở lý thuyết của thí nghiệm ); các bước tiến hành thí nghiệm; xử lý và kết quả thí nghiệm.  Nâng cấp và hoàn chỉnh 4 bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao cũ: sắp xếp lại các bước tiến hành trong bài thí nghiệm cho hợp lý; hoàn chỉnh tài liệu hướng dẫn; xử lý số liệu và kết quả thực hành thí nghiệm. 3) Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế xã hội) Đưa học phần thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao từ một đơn vị học trình (hệ niên chế) lên hai đơn vị học trình (hệ tín chỉ) cho sinh viên ngành sư phạm vật lý. 4 SUMARY Project title: BUILDING SOME EXPERIMENTS FOR ADVANCED PHYSICAL EXPERIMENT SECTION Code: CS 2010.19.108 Project’ subject: MS. TRẦN VĂN TẤN Office: University of Pedagogy Companion: BS. Nguyễn Hoàng Long Time: From April 2010 to April 2011 (12 months) 5 Phone : 0903369252 1. Objectives  To assemble and compose completely the guide for 10 advanced physical experiments in order that these experiments run smoothly and give data of high accuracy.  To conduct each experiment, then to get and solve the sample data of each.  To complete the document “Guide Material In Advanced Physical Experiment” for students. 2. Main contents  Building six new advanced physical experiments to repair the lack of synchronization of the experiments and innovate some lacked parts of each.  Assembling experiments according to the catalogue of the company supplying devices.  Conducting experiments many times to get more data and then solving these data to make sample reports.  Completing the guide for each experiment in the order: the purpose of experiment, the principle (the fundamental theory), steps in doing the experiment, and the result of experiment.  Improving and completing four old physical experiments by rearranging steps in doing the experiment in a reasonable way, completing the guide for each experiment and dealing with the experiment’s data and result. 3. Results obtained (science, application, education, social industry) Increasing the credit of the Advanced Physical Experiment course from one credit (in yearly – based curriculum) to two credits (in credit – based curriculum) for students in pedagogic system of Physics Department. 6 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài:  Các bài thí nghiệm Vật lý đại cương (VLĐC) giảng dạy cho sinh viên ở các phòng thí nghiệm Cơ - Nhiệt, Điện - Quang thuộc Khoa vật lý trường Đại học sư phạm TP. HCM. Tuy nhiên, trong đó có một số bài thiết bị đã dùng quá lâu, hạn chế độ chính xác khi xác định các thông số vật lý. Có một số dụng cụ đã lạc hậu không đáp ứng được yêu cầu cập nhật kiến thức về VLĐC .  Hiện nay các phòng thí nghiệm Cơ - nhiệt, Điện - Quang có khoảng 20 bài thí nghiệm, nội dung của các bài này chỉ gồm các kiến thức cơ bản, đề cập đến các hiện tượng, định luật vật lý cốt lõi, chủ yếu do đó chưa đáp ứng được các yêu cầu của chương trình đào tạo.  Phòng thí nghiệm VLĐC nâng cao có chức năng cung cấp cho sinh viên khoa vật lý các bài thí nghiệm VLĐC có nội dung chuyên sâu, và bổ sung những kiến thức thực hành mà hai phòng thí nghiệm trên còn thiếu. Hiện nay theo chương trình đào tạo theo niên chế phòng thí nghiệm VLĐC nâng cao có 4 bài thí nghiệm với một đơn vị học trình, để đáp ứng yêu cầu đào tạo theo học tín chỉ, học phần thực hành VLĐC nâng cao có hai tín chỉ và cập nhật nội dung các bài thí nghiệm, đề tài này nâng cấp 4 bài thí nghiệm cũ và xây dựng 6 bài thí nghiệm mới. 2 Mục tiêu của đề tài:  Nâng cấp bốn bài thí nghiệm hiện có và lắp ráp mới sáu bài thí nghiệm vật lý đại cương nâng cao với yêu cầu cho từng bài thí nghiệm chạy hoàn chỉnh, lấy được số liệu với độ chính xác cao đáp ứng yêu cầu của nội dung về hiện tượng hay định luật vật lý của bài thí nghiệm. Lấy số liệu mẫu và xử lý số liệu này cho từng bài thí nghiệm.  Sửa chữa hoàn chỉnh tài liệu hướng dẫn các bài thí nghiệm cũ và viết mới cho các bài mới, hoàn thành tập “Tài liệu thực hành vật lý đại cương nâng cao” 7 3 Phương pháp nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: * Phương pháp nghiên cứu:  Dựa vào cathaloque các bài thí nghiệm lắp ráp, khắc phục sự thiếu đồng bộ của các thiết bị thí nghiệm. Dùng phương pháp thống kê để xử lý số liệu thực nghiệm, đánh giá kết quả thí nghiệm.  Nghiên cứu giáo trình các môn học Cơ, Nhiệt, Điện , Quang kết hợp với tài liệu do các hãng cung cấp thiết bị thí nghiệm để viết tài liệu hướng dẫn thực hành vật lý đại cương nâng cao * Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ thí nghiệm vật lý đại cương 4 Đối tượng phục vụ:  Phần tài liệu hướng dẫn thực hành vật lý đại cương nâng cao phục vụ cho sinh viên hệ sư phạm vật lý, làm tài liệu tra cứu cho sinh viên muốn làm nghiên cứu khoa học về mảng thực nghiệm vật lý. Phục vụ cho sinh viên khoa vật lý làm tài liệu tham khảo để viết luận văn tốt nghiệp đại học.  Phần các bài thực hành vật lý đại cương nâng cao phục vụ cho sinh viên năm bốn hệ sư phạm vật lý và các đội tuyển dự thi Olympic vật lý hàng năm về mảng thì nghiệm. 8 KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI BÀI 1: NGUYÊN LÝ HUYGHENS HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ VÀ KHÚC XẠ CỦA SÓNG NƯỚC  I. Sự tạo ra sóng nước cầu và sóng nước phẳng: 1) Chủ đề: Tạo sóng nước cầu bằng bộ kích thích sóng dạng điểm. Tạo sóng nước phẳng bằng bộ kích thích sóng phẳng. Quan sát sự chuyển động của nước trong sóng và so sánh với sự lan truyền của sóng. Đo bước sóng ở của sóng nước ở các tần số kích thích f khác nhau và tốc độ sóng v Đo tốc độ lan truyền vgr của sóng. 2) Nguyên tắc: Mối quan hệ của mọi loại sóng đều có thể được thể hiện qua sóng nước. Trong thí nghiệm này, hiện tượng trên có thể quan sát bằng mắt thường và được xem như xảy ra theo hai chiều. Do vậy, rất dễ giải thích và minh họa các khái niệm cơ bản của lan truyền sóng như mặt đầu sóng, bề mặt sóng, hướng lan truyền sóng, bó sóng, truyền năng lượng, tốc độ sóng, tốc độ lan truyền, sóng phẳng, hoặc sóng cầu. Sóng nước được tạo ra trong bể tạo sóng, đáy bể tạo sóng có một tấm kính. Để tạo sóng, bộ kích thích sóng thực hiện truyền dao động của màng xuất hiện do sự thay đổi trong áp suất không khí đến mặt nước. Nếu tia sáng từ đèn dạng điểm được chiếu xuyên qua bể tạo sóng, ngọn sóng sẽ trở thành thấu kính hội tụ và tạo ra các tia sáng trên màn quan sát, còn bể tạo sóng sẽ trở thành thấu kính phân kỳ tạo ra các đường tối. Để hiển thị sóng dừng, đèn hoạt nghiệm được đồng bộ hóa với máy phát tần số để làm rung màng. 3) Tiến hành thí nghiệm: a) Thiết bị: Bộ va ly sóng nước. Đồng hồ bấm giây. Thước kẻ. Dĩa xà phòng Bóng styrofoam kích thước mm hoặc mảnh giấy. b) Lắp đặt: 9 Hình 1 Lắp thiết bị như hình 1. Lắp bể tạo sóng sao cho không bị rung giật, quan sát các thông tin trong bảng hướng dẫn. c) Thực hiện thí nghiệm: * Tạo sóng cầu: Hình 2 Hình 2a Nối bộ kích thích dạng điểm tạo sóng cầu như hình 2 Đặt tần số máy thích hợp bằng nút (e) và từ từ tăng biên độ kích thích bằng nút (d) cho đến khi quan sát thấy mặt đầu sóng (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng) Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn. Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1) Để quan sát hình ảnh của sóng dừng, bật máy hoạt nghiệm bằng công tắc (a) chờ một lúc cho máy nóng , ta dùng nút (b) để tinh chỉnh kích thích và tần số hoạt nghiệm đến khi hình ảnh sóng dừng xuất hiện.(Hình 2a). Đặt các kích thích khác nhau trong khoảng từ 10 Hz đến 80 Hz và quan sát hình ảnh sóng. Điều chỉnh biên độ và đồng bộ hóa sau mỗi lần. 10 • Bộ tạo sóng phẳng: Hình 3 Hình 3a Nối bộ kích thích dạng điểm tạo sóng phẳng như hình 3. Chỉnh tần số 20 Hz bằng nút (e) và từ từ tăng biên độ kích thích bằng nút (d) cho đến khi quan sát thấy mặt đầu sóng (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng) Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn. Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h2) Để quan sát hình ảnh của sóng dừng, bật máy hoạt nghiệm bằng công tắc (a) chờ một lúc cho máy nóng , ta dùng nút (b) để tinh chỉnh kích thích và tần số hoạt nghiệm đến khi hình ảnh sóng dừng xuất hiện.(Hình 3a) Đặt các kích thích khác nhau trong khoảng từ 10 Hz đến 80 Hz và quan sát hình ảnh sóng. Điều chỉnh biên độ và đồng bộ hóa sau mỗi lần. Quan sát chuyển động của nước trong sóng và so sánh với sự lan truyền của sóng; Tắt máy hoạt nghiệm và quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi tia sáng. Cho một ít bóng styrofoam hoặc mảnh giấy ở các biên độ kích thích khác nhau, quan sát vị trí các vật cho vào và so sánh với sự lan truyền của sóng. Đo bước sóng λ của sóng nước ở các tần số kích thích f khác nhau, và tính vận tốc sóng Bật máy hoạt nghiệm và đồng bộ hóa hệ thống để tạo ra hình ảnh sóng dừng Đo khoảng cách giữa hai mặt đầu sóng trên màn quan sát (g). Chú ý đến kích thước hình ảnh để từ đó xác định bước sóng thực tế (xem hướng dẫn phần bể tạo sóng) Đặt các kích thích khác nhau trong khoảng từ 10 Hz đến 80 Hz và quan sát hình ảnh sóng như đã trình bày ở trên. Dựa trên giá trị đo được dùng để xác định bước sóng λ và các giá trị tần số đó đặt và tính vận tốc sóng v = λ f cho từng cặp gía trị Đo vận tốc lan truyền vgr của bó sóng Để đo vận tốc lan truyền vgr = s t đặt một miếng trượt trên tấm kính cách bộ kích thích 20 Cm Nếu cần quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng và vặn nút chỉnh biên độ (b) sang trái. Để toàn bộ chiều dài bộ kích thích sóng chạm mặt nước và mặt đầu sóng tạo ra có thể quan sát được trên điểm đánh dấu. Cho đồng bộ đồng hồ bấm giây hoạt động và ấn nút bấm đồng thời để tạo ra sóng đơn Tính thời gian bó sóng đi hết khoảng cách s đánh dấu và tính tốc độ lan truyền. 4) Kết quả: 11 Sóng được bộ kích thích dạng điểm tạo ra lan truyền rất nhanh trên mặt sóng cầu. Sóng được bộ kích thích sóng phẳng tạo ra lan truyền theo đường thẳng. mặt đầu sóng vuông góc với hướng lan truyền. Biên độ giảm liên tục do sự suy giảm. Hình ảnh sóng mờ dần do khoảng cách với bộ kích thích tăng lên. Khi sóng lan truyền, nước không bị dịch chuyển mà chỉ dao động. Năng lượng dao động được chuyển đổi. Trong khoảng tần số từ 10 Hz đến 80 Hz bước sóng giảm dần do tần số tăng. Dựa trên các giá trị đo đó cho, ta thấy tốc độ lan truyền vgr của bó sóng phù hợp với tốc độ lan truyền của sóng tính được từ tần số và bước sóng. Với sóng nước việc xác định lực giật lùi trên các hạt nước dao động được thực hiện dựa trên trọng lượng và sức căng bề mặt. Tốc độ sóng v là hàm của bước sóng λ. λ σ 2π v = g. + . 2π ρ λ g: gia tốc trọng trường σ: sức căng bề mặt ρ: tỉ trọng Khi ở ≥ 1,7 Cm tỷ lệ với trọng lượng tăng và ta nói rằng đó là “sóng hấp dẫn” Tốc độ sóng tăng lên theo bước sóng, Với ở ≤ 1,7 Cm sức căng bề mặt tăng và ta gọi đó là “sóng gợn” Trong thí nghiệm này tốc độ sóng giảm theo bước sóng. Do độ tán sắc tốc độ sóng v và tốc độ lan truyền vgr khác nhau. Tuy nhiên trong khoảng ở ≥ 1,7 Cm tới ở ≤ 1,7 Cm độ tán sắc rất nhỏ nên ta có thể giả thiết rằng tốc độ sóng v và tốc độ lan truyền vgr xấp xỉ bằng nhau. Công thức (1) chỉ đúng với trường hợp nước có độ sâu tiêu chuẩn, với trường hợp nước nông có độ sâu h, tốc độ sóng hấp dẫn được tính theo công thức sau: 2πh  λ v = tan .g .  λ  2π II. Áp dụng nguyên lý Huyghens cho sóng nước: 1) Mục đích thí nghiệm: Quan sát sự lan truyền của sóng nước phía sau cạnh (thay đổi hướng lan truyền). Quan sát sự lan truyền của sóng nước qua khe hẹp (tạo sóng cầu) Quan sát sự lan truyền của sóng nước qua cách tử (các sóng cầu chồng lên nhau để tạo ra một sóng phẳng) 2) Cơ sở lý thuyết: Christiaan Huyghens đó tìm ra các khái niệm lan truyền sóng âm sau: Mỗi điểm trên mặt đầu sóng được coi là điểm bắt đầu của “sóng gợn” hoặc sóng thứ cấp lan truyền theo cùng vận tốc và bước sóng của sóng khởi đầu. Phần bao phủ của toàn bộ sóng gợn đều là mặt đầu sóng mới. Để kiểm nghiệm lại nguyên lý Huyghens ta tạo ra một mặt đầu sóng phẳng trong bể tạo sóng đầy tạo cản trở tới một cạnh, khe hẹp, và một cách tử. Ta có thể quan sát sự thay đổi hướng lan truyền phía sau cạnh, sự hình thành sóng cầu phía sau khe hẹp và các sóng cầu chồng lên nhau để tạo ra một sóng phẳng phía sau cách tử. Sự kết hợp giữa nguyên lý Huyghens và nguyên lý giao thoa nhằm lý giải sự nhiễu xạ của sóng nước qua khe hẹp hoặc qua cách tử do A.Fresnel khởi xướng được trình bày trong phần “Giao thoa súng nước” 3) Tiến hành thí nghiệm: a) Thiết bị: 12 Bể tạo sóng với máy hoạt nghiệm , xà phòng b) Lắp đặt thí nghiệm; Lắp thiết bị như hình 1. Lắp phần bể tạo sóng sao cho không bị rung, giật, quan sát các thông tin trong bản hướng dẫn Nối bộ kích thích sóng phẳng như trong hình 3. c) Tiến hành thí nghiệm: * Sự lan truyền của sóng nước phía sau cạnh Hình 4 a Đặt chướng ngại vật với khe rộng (xem hình 4 ) vào giữa bể tạo sóng phía dưới đèn. Để bộ kích thích sóng song song với chướng ngại vật khoảng 10 Cm. Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn. Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1) Để quan sát hình ảnh của sóng dừng, bật máy hoạt nghiệm bằng công tắc (a) chờ một lúc cho máy nóng , ta dùng nút (b) để tinh chỉnh kích thích và tần số hoạt nghiệm đến khi hình ảnh sóng dừng xuất hiện. • Sự lan truyền của sóng sau khe hẹp: Hình 4 b Đặt chướng ngại vật với khe rộng vào giữa bể tạo sóng phía dưới đèn. Dùng hai miếng trượt để giảm độ rộng khe xuống nhỏ hơn bước sóng (xem hình 4 b) Để bộ kích thích sóng song song với chướng ngại vật khoảng 10 Cm. Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn. Chỉnh tần số 20 Hz và tăng biên độ kích thích đến khi quan sát được mặt đầu sóng. Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1) Để quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật. 13 Thay đổi tần số , điều chỉnh biên độ và quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật. Dùng máy hoạt nghiệm quan sát hình ảnh sóng dừng. • Sự lan truyền của sóng phía sau chướng ngại vật: Hình 4c Đặt chướng ngại vật với 15 cách tử khe hẹp vào giữa bể tạo sóng phía dưới đèn (xem hình 4 c) Để bộ kích thích sóng song song với chướng ngại vật khoảng 10 Cm. Nếu cần thiết, quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng vít (f) sao cho tấm thủy tinh ở dưới đáy bể tạo sóng nước được chiếu hoàn toàn. Chỉnh tần số 20 Hz và tăng biên độ kích thích đến khi quan sát được mặt đầu sóng. Có thể thay đổi độ ngập trong nước bằng vít chỉnh (h1) Để quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật. Thay đổi tần số , điều chỉnh biên độ và quan sát hình ảnh của sóng phía sau chướng ngại vật. Dùng máy hoạt nghiệm quan sát hình ảnh sóng dừng. * Sự lan truyền của bó sóng phía sau chướng ngại vật: Sắp xếp chướng ngại vật như đã trình bày ở trên. Nếu cần quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng và vặn nút chỉnh biên độ sang trái để toàn bộ chiều dài bộ kích thích chạm mặt nước. Bấm nút (c) để tạo sóng đơn. Quan sát hình ảnh bó sóng phía sau chướng ngại vật. 4) Kết quả: a) Sự lan truyền sóng ở cạnh: Sóng sau chướng ngại vật không chỉ lan truyền theo hướng ban đầu mà còn bao quanh vùng bóng của chướng ngại vật và đi vào khu vực này ở dạng sóng cầu (nhiễu xạ sóng cạnh) Súng trong vùng bóng yếu hơn sóng trong vùng lan truyền thẳng, Sóng dài thể hiện phần nhiễu xạ rõ ràng hơn sóng ngắn. b) Sự lan truyền của sóng phía sau khe hẹp: Sóng sau khe không chỉ lan truyền theo hướng ban đầu mà theo mọi hướng ở dạng sóng cầu (nhiễu xạ sóng ở khe) Khe liên quan với bước sóng khe hẹp, hiện tượng nhiễu xạ càng dễ quan sát Do ta có thể lắp đặt khe ở bất cứ điểm nào của sóng di chuyển ngược với chướng ngại vật, nên theo nguyên lý thứ nhất của Huyghens mỗi điểm của mặt đầu sóng có thể được coi như phần khởi đầu của sóng mới (bó sóng) c) Sự lan truyền của sóng phía sau cách tử: 14 Mỗi khe của cách tử tạo ra một sóng cầu. Ta có thể coi đây như các bó sóng, các sóng cầu giao nhau và chồng lên nhau, các mặt đầu sóng mới được tạo ra. Dựa trờn nguyên lý 2 của Huyghens ta có thể xem mặt đầu sóng mới như phần bao phủ của các bó sóng. III. Sự phản xạ của sóng nước tại một vật cản phẳng; 1) Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự phản xạ của sóng nước tại một vật cản phẳng. So sánh hướng truyền của sóng tới và hướng truyền của sóng phản xạ lại . kiểm định lại định luật phản xạ (góc tới = góc phản xạ) Khảo sát sự phản xạ của sóng cầu tại một vật cản phẳng. Hình 5 2) Cơ sở lý thuyết: trong qúa trình lan truyền của sóng nước gặp vật cản sẽ bị phản xạ trở lại theo định luật Huyghens ta có thể quan sát các sóng phản xạ như là một vỏ bọc dành cho các sóng nhỏ được tạo ra bởi vật cản. Sự phản xạ của sóng nước tại vật cản này có thể xem như hiện tượng phản xạ ánh sáng tại một gương phẳng trong quang học. Để có thể quan sát sự phản xạ này các sóng phẳng được tạo ra có thể lấp đầy các hừm sóng một tấm rào chắn phản xạ được đặt trong hừm, mặt đầu sóng và tấm rào chắn phản xạ này không song song với nhau. Các tia sóng tuân theo định luật phản xạ: góc tới bằng góc phản xạ. Khi rào chắn khúc xạ và mặt đầu sóng thẳng được đặt song song với nhau thì khi đó tạo ra hiện tượng sóng dừng. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về hiện tượng này trong thí nghiệm “Hiện tượng sóng dừng ở trước rào chắn nhiễu xạ” như một phần của nhóm chủ đề “Sự giao thoa sóng nước” Khi sóng cầu bị phản xạ các sóng bị phản xạ cũng trở nên đồng tâm Mỗi tia sóng bị phản xạ lại tấm rào chắn khúc xạ tương ứng với định luật phản xạ, tâm điểm của sóng cầu bị phản xạ trong điểm đối xứng qua gương của bộ kích thích. 3) Lắp đặt thí nghiệm: 15 Hình 5 Lắp đặt thí nghiệm như trình bày ở hình 5 Tạo hõm sóng để tránh hiện tượng sốc hoặc rung, Quan sát tất cả các thông tin ghi trong bảng chỉ dẫn. Sử dụng ống thăng bằng và đặt dĩa thũy tinh theo hướng thẳng đứng. Nối bộ kích thích sóng thẳng như đã mô tả ở hình 3, và đặt tấm phản chiếu nghiêng một góc 450 đối với bộ kích thích ở giữa của hõm sóng. Gắn tấm bảng trong vào màn hình quan sát (g) bằng cách sử dụng băng dính 4) Dụng cụ: Bể tạo sóng với nguồn phát sóng Nước xà phòng Các tấm bảng trong. Bút dùng cho tấm bảng trong Băng dính. Thước đo Thước đo độ. 5) Các bước tiến hành thí nghiệm: a) sự phản xạ của sóng phẳng:  Nếu cần có thể điều chỉnh chùm tia phát ra từ dĩa hoạt nghiệm bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (f) để dĩa thủy tinh ở đáy hõm sóng được chiếu sáng hoàn toàn.  Sử dụng nút (e) để tạo ra tần số xấp xỉ 25 Hz và cẩn thận tăng biên độ kích thích bằng cách sử dụng nút (d) cho đến khi các mặt đầu sóng được nhìn thấy một cách rõ ràng (xem bảng hướng dẫn dành cho hõm sóng)  Thay đổi độ chìm sâu của bộ kích thích (nếu cần) bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (h1).  Đo và so sánh hướng của sự lan truyền và bước sóng của các mặt đầu sóng tới và mặt đầu sóng phản xạ.  Tiến hành với các tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 30 Hz.  Để so sánh định lượng các hướng cả sự lan truyền sóng và các bước sóng thỡ bật mỏy hoạt nghiệm lên, sau một thời gian khởi động máy ấm lên có thể tiến hành điều chỉnh sự kích thích và tần số của máy hoạt nghiệm bằng cách sử dụng nút điều chỉnh (b) cho đến khi xuất hiện hình ảnh sóng dừng.  Vẽ phác thảo tấm rào chắn khúc xạ hướng của sự lan truyền sóng và khoảng cách của các mặt đầu sóng lên tấm bảng trong.  Vẽ trục của tia tới và đo góc của tia tới và góc của sự phản xạ.  Đo và so sánh bước sóng của cả hai vùng.  Thay đổi hướng sóng tới bằng cách quay rào chắn khúc xạ, đo và so sánh góc của tia tới và góc phản xạ ở mỗi vị trí.  Lặp lại các bước tiến hành thí nghiệm với các tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 60 Hz. nếu cần có thể tiến hành điều chỉnh hệ thống.  Lặp lại thí nghiệm với một bó sóng Nếu cần có thể điều chỉnh chùm tia phát ra từ dĩa hoạt nghiệm, quay nút biên độ (d) sang bên trái và ấn nút kéo (c) để tạo ra sự kích thích sóng đơn . b) Sự phản xạ sóng cầu:  Nối bộ kích thích dạng điểm như hình 2 để chỉnh bộ kích thích ở phía trước của rào chắn khúc xạ khoảng 4Cm 16  Điều chỉnh biên độ để mặt đầu sóng phản xạ có thể nhìn thấy một cách rõ ràng. Biến đổi độ ngập (nếu cần) bằng vít điều chỉnh (h2)  Đo và so sánh hướng của sự lan truyền và bước sóng của các mặt đầu sóng tới và mặt đầu sóng phản xạ.  Tiến hành với các tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 30 Hz.  Sử dụng máy hoạt nghiệm để tạo ra các hình ảnh sóng dừng. Tạo ra tần số kích thích khác nhau từ 10 Hz đến 60 Hz.  Lặp lại thí nghiệm với một bó sóng. Hinh 6 6) Kết quả: a) Sự phản xạ của sóng nước thẳng: Sóng nước thẳng phản xạ tại rào chắn khúc xạ. Bản thân các sóng là thẳng bước sóng là không đổi. Góc ở giữa hướng của sóng tới và pháp tuyến bằng với góc của sóng phản xạ và trục tia tới. Góc của tia tới bằng với góc phản xạ (α = β). b) Sự phản xạ của sóng cầu: Sóng cầu bị phản xạ tại tấm phản xạ. Bản thân các sóng bị phản xạ đã có hình cầu. Tâm điểm của sóng cầu phản xạ ở điểm phản chiếu qua gương của bộ kích thích. IV. Khúc xạ sóng nước tại vật cản cầu: 1) Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sóng phắng với vật cản lồi. Khảo sát sóng phắng với vật cản lõm. 2) Cơ sở lý thuyết: Sóng nước được khúc xạ khi gặp vật cản. Khi sóng phẳng bị khúc xạ bởi vật cản cong, sóng song song ban đầu sẽ di chuyển hội tụ hay phân tán tùy thuộc độ cong vật cản. Khi đó mỗi sóng sẽ được khúc xạ tại phần phẳng ảo của vật cản theo định luật phản xạ (góc tới bằng góc phản xạ) Trong quang học ta có thể coi vật cản cong như một thiết bị khúc xạ lồi hay lõm. Trong qúa trình khúc xạ tại những “gương” này ta có thể quan sát thấy sự hội tụ tại tiêu điểm cũng như sự phân tán từ tiêu điểm. Tiêu cự bằng một nữa bán kinh cong của “gương’ Để có thể quan sát hiện tượng khúc xạ, ta tạo sóng phẳng tại bể tạo sóng chứa đầy nước. Bằng các thiết bị khúc xạ, ta có thể cho vật lõm vào và dựng mặt cắt ngang của thấu kinh hai mặt lồi như thiết bị khúc xạ lồi và thấu kính hai mặt lõm như thiết bị khúc xạ lõm. 3) Tiến hành thí nghiệm: a) Thiết bị: Bộ va ly sóng nước. Xà phòng, tấm bảng trong, bút, băng dính. 17 b) Lắp đặt: Hình 7a Lắp thiết bị như hình 7 a Lắp đặt phần bể tạo sóng sao cho không bị rung, giật. Chú ý các thông tin trong bảng hướng dẫn phần bể tạo sóng. Đặt thấu kính nhựa hai mặt lồi vào giữa bể tạo sóng và đổ nước vào bể tạo sóng để thấu kính ngập trong nước khoảng 5mm. Nối bộ kích thích sóng phẳng với mặt lồi của thấu kính và cách thấu kính 15 Cm Dùng băng dính gắn tấm bảng trong lên màn quan sát (g) c) Thực hành thí nghiệm: * Khúc xạ sóng phẳng qua “gương lồi”  Nếu cần thiết quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (f) sao cho tấm thủy tinh ở đáy bể tạo sóng được chiếu sáng hoàn toàn.  Sử dụng nút (e) để tạo ra tần số 20 đến 30 Hz và cẩn thận tăng biên độ kích thích bằng cách sử dụng nút (d) cho đến khi các mặt đầu sóng được nhìn thấy một cách rõ ràng (xem bảng hướng dẫn dành cho phần bể tạo sóng)  Thay đổi độ chìm sâu của bộ kích thích (nếu cần) bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (h1).  Quan sát hình dạng mặt đầu sóng được khúc xạ.  Bật máy hoạt nghiệm lênn bằng công tắc (a), sau một thời gian khởi động máy ấm lên có thể tiến hành điều chỉnh sự kích thích và tần số của máy hoạt nghiệm bằng cách sử dụng nút điều chỉnh (b) cho đến khi xuất hiện hình ảnh sóng dừng.  Vẽ lại hình ảnh của sóng tới và sóng khúc xạ lên tấm bảng trong.  Lặp lại thí nghiệm với một bó sóng Nếu cần thiết quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng, vặn nút chỉnh biên độ (d) sang bên trái và ấn nút kéo (c) để tạo ra sự kích thích sóng đơn . * Khúc xạ sóng phẳng qua “gương lõm”  Thay thấu kính hai mặt lồi bằng thấu kính hai mặt lõm. Để một mặt lõm của thấu kính song song với bộ kích thích như hình 7 b.  Nếu cần thiết quay dĩa hoạt nghiệm ra khỏi đường đi của tia sáng bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (f) sao cho tấm thủy tinh ở đáy bể tạo sóng được chiếu sáng hoàn toàn.  Sử dụng nút (e) để tạo ra tần số 20 đến 30 Hz và cẩn thận tăng biên độ kích thích bằng cách sử dụng nút (d) cho đến khi các mặt đầu sóng được nhìn thấy một cách rõ ràng (xem bảng hướng dẫn dành cho phần bể tạo sóng), sau đó dùng bộ kích thích tạo sóng phẳng.  Thay đổi độ chìm sâu của bộ kích thích (nếu cần) bằng cách sử dụng vít điều chỉnh (h1).  Quan sát hình dạng mặt đầu sóng được khúc xạ.  Bật máy hoạt nghiệm lên bằng công tắc (a), sau một thời gian khởi động máy ấm lên có thể tiến hành điều chỉnh sự kích thích và tần số của máy hoạt nghiệm bằng cách sử dụng nút điều chỉnh (b) cho đến khi xuất hiện hình ảnh sóng dừng. 18