Thí nghiệm với hình dạng bột

31

trở nên nhiễm điện, tích điện dương chẳng hạn (có lẽ nó cũng tích điện âm, nhưng bản chất của vật chất không thay đổi, và chúng ta sẽ không tìm ra chính xác điện tích của bột là gì). Vì có sự chênh lệch điện thế thay đổi giữa tấm nhôm và ngón tay chuyển động, nên bột dính vào tấm khi điện thế của nó âm và nổi lên ngón tay vào những thời điểm nó có điện thế âm so với tấm. Đây là cách chúng tôi có được dấu vết không liên tục mà bạn thấy trong Hình 1.

Có thể nhìn thấy thiết lập thử nghiệm được mô tả. Hãy thay tấm nhôm bằng tấm giấy dẫn điện. Không khó để chuẩn bị. Một tờ giấy lớn (kích thước khoảng 20x30 cm) phải được phủ một mặt bằng mực đen loãng dày. Sau khi sơn khô sẽ hình thành một lớp dẫn điện mỏng, có điện trở khá cao. Một tờ giấy dẫn điện phải được gắn vào ván ép bằng hình thu nhỏ. Dây dẫn có thể được nối với giấy dẫn điện bằng kẹp giấy thông thường.

Thay vì bột nhựa Protacryl, tốt hơn nên sử dụng bột đánh răng khô trong các thí nghiệm - dấu ngắt quãng ổn định hơn. Nó có thể được áp dụng cho giấy dẫn điện một lớp mỏng, đều bằng cách sử dụng tăm bông. Nếu cần, có thể sấy khô bột đánh răng trên bếp điện bằng cách đổ bột vào lọ kim loại. Bạn cũng có thể sử dụng linkopodium hoặc “màu lưu huỳnh” (lưu huỳnh nghiền mịn). Loại bột đầu tiên được bán ở các hiệu thuốc, loại thứ hai có thể tìm thấy trong phòng thí nghiệm hóa học của trường.

Có thể hóa ra là các thí nghiệm yêu cầu hiệu điện thế nhỏ hơn hiệu điện thế thu được khi sử dụng trực tiếp điện áp nguồn. Để điều chỉnh sự chênh lệch điện thế giữa giấy dẫn điện và mặt đất, bạn nên sử dụng chiết áp (Hình 2; điện trở chiết áp $R=470$ kom). Để tuân thủ các quy định an toàn, mục tiêu phải được gắn trong vỏ làm bằng vật liệu cách điện (có thể sử dụng lọ nhựa phù hợp). Một cái nhìn tổng quát về thiết lập thử nghiệm được hiển thị trong Hình 3.

Hình dạng bột có thể được sử dụng để làm gì?

Để trả lời câu hỏi này, hãy xem xét hai thí nghiệm. Hãy mở dây dẫn đi từ tụ điện đến tờ giấy dẫn điện. Chúng ta sẽ chèn một chất điện môi vào khe hở dây dẫn: ví dụ: chúng ta sẽ quấn các đầu dây đã được làm sạch quanh một ống thủy tinh nhiều lần sao cho khoảng cách giữa các vòng là 1-2 cm. Chúng tôi sẽ chạy ngón tay dọc theo đổ

32

lên giấy điện tử và bột răng. Trong trường hợp này, một dấu vết gián đoạn rõ ràng sẽ vẫn còn trên giấy, mặc dù kém sắc nét hơn so với hình 3.

Thủy tinh là một chất điện môi rất tốt mà dòng điện tử thực tế không đi qua (hay đúng hơn là rất ít dòng điện đi qua). Nhưng trên giấy lại xuất hiện một vết đứt gãy! Do đó, dòng điện cực nhỏ có thể được ghi lại bằng cách sử dụng số liệu bột.

Hãy làm thêm một thí nghiệm nữa. Trong khe hở của dây dẫn từ tụ điện đến giấy dẫn điện tử, chúng ta bật một công tắc (công tắc bật tắt), cho phép chúng ta làm mờ và đóng mạch. Dùng ngón tay chạy dây qua bột, bật và tắt công tắc bật tắt nhanh chóng mà không dừng chuyển động của ngón tay. Trong trường hợp này, khi bật công tắc bật tắt, dấu vết sẽ không liên tục. Chúng ta sẽ gọi các vùng sáng hoặc tối thu được dọc theo quỹ đạo chuyển động của ngón tay là dấu tạm thời. Thời gian trôi qua từ thời điểm xuất hiện một dấu đến thời điểm xuất hiện dấu tiếp theo phải là 0,02 giây (hạt dòng điện xoay chiều $f=1/T=50$ sch). Do đó, bằng cách đếm số điểm trên quỹ đạo của ngón tay, bạn có thể xác định thời gian bật công tắc bật tắt.

Trong thí nghiệm, sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng bộ chia điện áp (xem Hình 2). Thực tế là những vật thể mà chúng ta quen coi là chất không dẫn điện không phải là chất điện môi theo đúng nghĩa của từ này. Do đó, ngay cả khi tắt công tắc làm đứt dây pha, một dòng điện nhỏ chạy qua mạch và hình bột xuất hiện trên giấy. Để thiết lập hiện tượng không mong muốn này, cần phải giảm sự chênh lệch điện thế giữa giấy dẫn điện tử và ngón tay. Bộ chia điện áp (chiết áp) cho phép bạn chọn mức chênh lệch điện thế tối ưu. Lưu ý rằng sẽ thuận tiện hơn khi thực hiện thí nghiệm này cùng nhau (bạn có thể mời bạn bè của mình kiểm tra phản ứng của họ khi bật và tắt công tắc bật tắt).

Vì vậy, các thí nghiệm được mô tả cho thấy rằng các hình dạng bột có thể được sử dụng để phát hiện các dòng điện nhỏ và những thay đổi trong khoảng thời gian nhỏ.

Telery - một vài ví dụ cụ thể.

Ion hóa không khí bằng ngọn lửa

Chúng tôi chèn hai dải đồng thau hoặc cứng có kích thước khoảng $10 \times 80$ mm vào khe hở trên dây dẫn pha của mạng, được làm sau tụ điện. Chúng tôi sẽ tăng cường các electron thu được trong hộp diêm, chúng sẽ hoạt động như những chiếc lều. Chúng ta hãy sắp xếp các electron song song với nhau sao cho khoảng cách giữa chúng là 2-5 mm (Hình 4). Hãy miết ngón tay dọc theo lớp bột đánh răng trên giấy dẫn điện - đường đi liên tục, không có dấu thời gian.

Hãy đưa ngọn lửa của một que diêm đang cháy hoặc một ngọn nến đang cháy vào khoảng trống giữa các electron và kiểm tra lại bằng ngón tay trên tờ giấy. Ngay lập tức, dấu thời gian xuất hiện trên quỹ đạo chuyển động của ngón tay (xem Hình 4).

Trong thí nghiệm này và các thí nghiệm tương tự, thật thuận tiện khi di chuyển ngón tay của bạn theo vòng tròn một cách hồn nhiên; thì sẽ không khó để nhận ra khoảnh khắc xuất hiện và biến mất của dấu thời gian. Kinh nghiệm lâu năm cho thấy trong điều kiện bình thường không khí là chất điện môi. Ngọn lửa được đưa vào sẽ ion hóa không khí, khiến nó trở thành chất dẫn điện. Mạch điện đóng lại và xuất hiện dòng điện trong mạch.

Đo gia tốc trọng trường

Có thể đo những khoảng thời gian ngắn bằng cách sử dụng các hình bột và sử dụng chúng trong các thí nghiệm để xác định gia tốc trọng trường.

33

Cơm. 3. Hình ảnh bên ngoài của quá trình lắp đặt cho các thí nghiệm với hình dạng bột. Việc lắp đặt bao gồm một ổ cắm điện, một bộ chia điện áp có tụ điện và một tờ giấy dẫn điện có bột.

Cơm. 4. Ion hóa không khí bằng ngọn lửa. Trước khi ngọn lửa được đưa vào khe hở giữa các điện cực chuyển động, ngón tay sẽ để lại dấu liên tục trên giấy dẫn điện; Ngay sau khi ngọn lửa được đưa vào, dấu vết sẽ trở nên ngắt quãng.

Cơm. 5. Sơ đồ lắp đặt xác định gia tốc rơi tự do. 1 - tiếp điểm mở bình thường, 2 - thân rơi, 3 - tiếp điểm mở bình thường, 4 - tờ giấy dẫn điện có bột.

Nếu một vật được nâng lên trên mặt đất bắt đầu rơi, thì, như cơ học đã biết, hãy để nó vượt qua $h$ trong thời gian $t = \sqrt{\frac{2h}{g}}$. Do đó, gia tốc rơi tự do có thể tìm được theo công thức

$$g = \frac{2h}{t^2},$$

(*)

nếu biết độ cao $h$ nơi vật rơi và thời điểm rơi $t$. Chiều cao có thể được đo bằng thước và thời gian rơi có thể được xác định bằng phương pháp hình bột.

Sơ đồ bố trí thí nghiệm được thể hiện trên Hình 5. Dây dẫn chạy từ tụ điện đến một tờ giấy dẫn điện bị đứt bởi hai cặp tiếp điểm. Các tiếp điểm 1 thường mở (thân 2 được treo vào tiếp điểm phía dưới bằng một sợi dây, kéo nó xuống). Danh bạ 3 - thường mở. Ở trạng thái ban đầu, mục tiêu được mở. Khi cơ thể bắt đầu rơi, các chân 1 được kết nối và mục tiêu sẽ bị đoản mạch trong khoảng thời gian cơ thể rơi xuống. Trong trường hợp này, các dấu tạm thời được hình thành trên quỹ đạo của ngón tay (trên giấy dẫn điện 4). Ngay khi cơ thể chạm vào điểm tiếp xúc phía dưới 3, mục tiêu sẽ mở ra lần nữa và sự xuất hiện của các vết sẽ dừng lại.

Giao diện của quá trình cài đặt được thể hiện trong Hình 6, a. Cặp tiếp điểm phía trên (Hình 6, 6) được làm bằng các dải đồng thau gắn băng cách điện vào bút chì điều khiển (bạn có thể sử dụng cặp tiếp điểm từ rơle phù hợp). Cặp tiếp điểm phía dưới thậm chí còn đơn giản hơn: một dải đồng thau được cố định vào bút chì, trên đó dải thứ hai nằm tự do, được hàn vào một dây dẫn mềm (Hình 6, 6). Khi vật rơi chạm vào dải thứ nhất thì dải thứ hai rơi xuống và toàn bộ mở ra.

Thí nghiệm được thực hiện theo trình tự sau. Cơ thể được buộc bằng một sợi dây

34

Cơm. 6. Bố trí thí nghiệm xác định gia tốc trọng trường. Một máy giặt lớn được sử dụng làm vật thể rơi xuống. a) - cái nhìn chung về quá trình cài đặt. b) - thiết bị của các tiếp điểm trên và dưới của mệnh giá.

tới điểm tiếp xúc phía dưới của cặp phía trên. Sử dụng thước kẻ để thay đổi khoảng cách giữa thân và cặp tiếp điểm phía dưới. Họ bắt đầu di chuyển ngón tay của mình trên bột đánh răng trên giấy dẫn điện, và sau đó, không ngừng chuyển động của ngón tay, họ đốt sợi chỉ bằng que diêm. Dọc theo quỹ đạo chuyển động của ngón tay, một khu vực có dấu thời gian rõ ràng được hình thành. Bằng cách đếm số điểm nhận được, thời gian rơi của vật được xác định và gia tốc rơi tự do được tính theo công thức (*).

Trong thí nghiệm của chúng tôi, quãng đường mà vật đi được khi rơi là 27 cm. Số điểm hóa ra là 12. Hậu quả là cơ thể rơi xuống trong 0,24 giây. Dựa trên những dữ liệu này, gia tốc trọng trường là $g \approx 9,4 \text{ m/sec}^2$. Xét đến tính đơn giản của thí nghiệm, kết quả này có thể được chấp nhận khá tốt. Độ chính xác của những thay đổi trong gia tốc trọng trường có thể được cải thiện đáng kể bằng cách tăng độ cao mà vật rơi xuống.

Để thực hiện thành công thí nghiệm, cần sử dụng bộ chia điện áp để chọn hiệu điện thế sao cho khi mạch hở không xuất hiện dấu vết (hãy nhớ rằng cách điện khu vực dẫn đến việc đóng mạch thực tế và dấu vết được hình thành ngay cả khi các tiếp điểm mở). Hoàn toàn không cần thiết phải sử dụng chân máy trong thiết lập thử nghiệm: ở nhà, bạn có thể gắn nó vào giá đỡ có các điểm tiếp xúc với thanh ray bằng gỗ hoặc vào lưng và chân ghế.

Bài tập

1. Khi bạn miết ngón tay lên bột đánh răng trên giấy dẫn điện, bạn sẽ nhận được một vệt không liên tục. Sau đó, dùng ngón tay chạm vào tờ giấy dẫn điện tử và lặp lại thí nghiệm. Tại sao trong trường hợp sau không còn dấu thời gian trên quỹ đạo của ngón tay?

2. Giải thích tại sao có thể dùng hình bột để ghi dòng điện nhỏ?

3. Hãy làm thí nghiệm chứng minh hiệu ứng quang điện.