Tham quan thí nghiệm Olympic Vật lý

Kvant 1983, số 11 tr. 52-55 Thẻ HC64

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

Ứng viên khoa học sư phạm
V.A.ORLOV

Việc thực hiện các nhiệm vụ thí nghiệm vòng chung kết Olympic Vật lý toàn năng lần thứ XVII dành cho học sinh diễn ra ở 3 trường đại học ở Vilnius: 8 tác phẩm kinh điển giảng dạy tại Viện sư phạm, 9 tác phẩm kinh điển công tác tại Đại học Vilnius. V. Kapsuk, học sinh lớp 10 - Học viện Xây dựng. Các giáo viên từ khoa vật lý của các viện này đã tham gia chuẩn bị bài toán. Đặc biệt lưu ý là các tác giả của nhiệm vụ đề xuất: A. Kiveris, A. Medeišis, A. Brilingas và J. A. Semenov.

Chúng tôi trình bày các điều kiện của tất cả các nhiệm vụ thử nghiệm và các biến thể lời giải của chúng, do các sinh viên Olympidas đề xuất.

lớp 8
Nhiệm vụ 1

Khảo sát sự phụ thuộc của tốc độ chuyển động của một vật trong một ống có nước vào góc nghiêng của ống và vẽ đồ thị sự phụ thuộc này.
Tính hệ số ma sát giữa vật và thành ống với nước.
Giả sử lực cản khi vật chuyển động trong chất lỏng tỉ lệ thuận với

Hình 1.

Hình 2.

tốc độ: $F_c = \alpha v$ , xác định hệ số tỉ lệ $\alpha$ .

Thiết bị: ống thủy tinh đựng nước và một vật thể (cho biết thể tích và mật độ của vật), thước kẻ, giá ba chân, đồng hồ bấm giờ, giấy vẽ đồ thị, bảng toán.

Các thí nghiệm cho thấy vật chỉ bắt đầu chuyển động sau khi ống đạt đến độ nghiêng tối thiểu nhất định $\beta_0$ . Chúng ta hãy áp dụng cho trường hợp giới hạn này định luật thứ hai của Newton, được viết dưới dạng hình chiếu lên các trục tọa độ (Hình 1):

$F_A \sin \beta_0 - F_{\tau p} - mg \sin \beta_0 = 0,$
$F_A \cos \beta_0 - mg \cos \beta_0 - N = 0.$

Có tính đến $F_{\tau p} = \mu N$ , chúng tôi nhận được

$(F_A - mg) \sin \beta_0 = \mu (F_A - mg) \cos \beta_0,$

từ đó ta tìm được hệ số ma sát giữa vật và thành ống với nước:

$\mu = tg \beta_0.$

Khi góc nghiêng của ống $\beta$ lớn hơn $\beta_0$ thì vật bắt đầu chuyển động với tốc độ đều. Nhưng vì một lực cản xuất hiện tỷ lệ thuận với tốc độ nên cơ thể nhanh chóng, theo kinh nghiệm, đạt đến tốc độ không đổi. Có thể dễ dàng xác định bằng công thức $v = l/t$ , trong đó $l$ là độ dài quãng đường mà vật đi được với tốc độ không đổi, $t$ là thời gian chuyển động. Bằng cách đo tốc độ của vật theo cách này ở các góc nghiêng khác nhau $\beta$ , người ta có thể xây dựng được đồ thị thực nghiệm của sự phụ thuộc $v = v(\beta)$ . Trong Hình 2, biểu đồ này được hiển thị bằng màu xanh lam.

Những học sinh so sánh đường cong thực nghiệm với đường cong lý thuyết sẽ nhận được điểm cộng. Chúng ta viết định luật II Newton cho trường hợp vật chuyển động theo một góc tùy ý $\beta$ và với một góc $\beta = \pi/2$ :

$(F_A - mg) \sin \beta - \mu (F_A - mg) \cos \beta - \alpha v = 0,$
$F_A - mg - \alpha v_{\pi/2} = 0.$

Từ đây

$v = v_{\pi/2} (\sin \beta - \mu \cos \beta) = v_{\pi/2} \frac{\sin(\beta - \beta_0)}{\cos \beta_0}.$

Về mặt đồ họa, sự phụ thuộc này được thể hiện trong Hình 2 bằng một đường màu đen.

Hệ số $\alpha$ dễ dàng xác định trong trường hợp vật theo phương thẳng đứng:

$\alpha = \frac{V(\rho_0 - \rho) g}{v_{\pi/2}}.$

trong đó $V$ là thể tích của vật thể, $\rho$ và $\alpha$ là mật độ của nước và vật thể tương ứng.

Do sự bất đối xứng của vật thể và do đó các điều kiện dòng chảy xung quanh nó khác nhau, khi ống bị lật, hệ số $\alpha$ có thể trở nên khác nhau. Những người nghiên cứu điều này và tìm ra hai ý nghĩa của $\alpha$ sẽ nhận được thêm điểm. Đúng, như kinh nghiệm đã chỉ ra, sự khác biệt về giá trị nằm trong sai số đo.

Nhiệm vụ 2

Xác định độ cứng của lò xo và hệ số ma sát của tấm kính với tấm kính.
Dùng thiết bị “giảm chấn myakkoo” thẳng đứng, xác định tổn thất năng lượng của quả bóng trong lần va chạm đầu tiên giữa quả bóng và lò xo.

Đối với trường hợp một quả bóng rơi từ điểm trên cùng của ống xuống một lò xo, hãy vẽ đồ thị hình chiếu gia tốc của quả bóng lên trục thẳng đứng như một hàm số của khoảng cách từ điểm trên cùng.

Thiết bị: lò xo ổn định, ống thủy tinh, bi ổn định có khối lượng đã biết, thước kẻ, giấy vẽ đồ thị.

Việc xác định độ cứng của lò xo không khó: $k = mg/\Delta l$ , trong đó $\Delta l$ là độ biến dạng của lò xo khi đặt quả bóng lên nó (để ổn định, lò xo được đặt trong một ống thủy tinh thẳng đứng). Để xác định hệ số ma sát trượt của một quả bóng ổn định trên kính bằng công thức $\mu = tg \beta_0$ (trong đó $\beta_0$ là góc nghiêng tối thiểu tại đó bắt đầu trượt), cần phải buộc quả bóng trượt dọc theo kính. Với mục đích này, chẳng hạn, có thể kẹp một quả bóng vào giữa các cuộn dây của lò xo. Một số người lợi dụng việc lò xo ổn định và xác định (theo cách tương tự) hệ số ma sát trượt của lò xo trên kính.

Hầu hết các chú chó con xác định sự mất năng lượng của quả bóng từ biểu thức $\Delta E = mg(h_2 - h_1)$ , trong đó $h_2$ và $h_1$ là độ cao cuối cùng và ban đầu của quả bóng phía trên bàn (tức là sau và trước lần va chạm đầu tiên của quả bóng với lò xo). Một số năng lượng được xác định bằng độ dốc tối đa của lò xo.

Khi vẽ đồ thị sự phụ thuộc của hình chiếu $a_x$ của gia tốc của quả bóng lên trục thẳng đứng từ khoảng cách $x$ của quả bóng đến điểm trên cùng của ống (Hình 3), nhược điểm chính là lời giải bài toán thuần túy về mặt lý thuyết:

$a_x = g - \frac{k}{m} (x - x_0) = g - \frac{k}{m} \Delta x = g \left(1 - \frac{\Delta x}{\Delta l}\right).$

Trên thực tế, tất cả các điểm lẽ ra phải được vẽ trên biểu đồ sau khi thay đổi các giá trị tương ứng, có tính đến tỷ lệ đã điều chỉnh.

Thật không may, hầu hết những chú chó con bị giới hạn trong một chu kỳ quả bóng rơi vào lò xo, trong khi quả bóng sau khi tương tác với lò xo, bật ra khỏi lò xo và bay lên một tầm cao mới, lại rơi xuống, thả lò xo xuống, lại nổi lên, v.v. cho đến khi nó dừng lại hoàn toàn. Nó là cần thiết để hiển thị tất cả các điểm này trên biểu đồ.

Đánh giá tổng thể các bài tập lớp 8, cần lưu ý rằng chúng khá thú vị nhưng khối lượng bài tập lớn. Không ai hoàn thành tất cả các nhiệm vụ một cách trọn vẹn. Kết quả tốt nhất (2,1 điểm trên 3) thuộc về D. Kalavinskaya và G. Mechetsos (Vilnius). Những thiếu sót điển hình là: chỉ thực hiện một phép đo, báo cáo thưa thớt, thiếu bảng dữ liệu thực nghiệm và xác định không chính xác (và đôi khi đơn giản là không có) các lỗi đo.

lớp 9

Nhiệm vụ 1

Xác định nhiệt dung riêng của chất lỏng chưa biết.

Thiết bị: bình dẫn nhiệt (bộ điều nhiệt), mao quản có bong bóng ở cuối, điện trở, bình chứa nước và chất lỏng không sao, xi lanh thay đổi, tấm có đầu cuối, giấy vẽ đồ thị, pin của tế bào điện, tụ điện, dây dẫn, tấm.

Khi làm bài này học sinh gặp một số vấn đề sau:

a) Làm thế nào để thay đổi nhiệt độ mà không cần nhiệt kế?

b) Làm thế nào để tính năng lượng của dòng điện mà không cần đồng hồ bấm giờ?

b) Làm thế nào để loại bỏ nhiệt dung chưa biết của bộ điều nhiệt?

d) Làm thế nào để đánh giá sự truyền nhiệt của bình chứa chất lỏng vào không gian xung quanh?

Chỉ bằng cách trả lời chính xác những câu hỏi này, người ta mới có thể chọn được phương pháp tối ưu để thực hiện công việc.

a) Để đo nhiệt độ, bạn cần chế tạo một nhiệt kế khí. Với mục đích này, một mao quản có bong bóng ở cuối được làm nóng bằng tay và phần cuối của mao quản được hạ xuống nước để nước mao quản đi vào. Thể tích không khí trong bong bóng dưới cột nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của môi trường chứa mao quản:

$\frac{V}{V_0} = \frac{T}{T_0} \Rightarrow \Delta T = \frac{\Delta V}{V_0} T_0.$

Không thể sử dụng công thức nhiệt độ hiện tại xung quanh $W = U^2 t/R$ vì không biết giá trị điện trở.

Hình 4.

điện trở $R$ và không có đồng hồ bấm giờ. Với mục đích này, cần phải sạc tụ điện từ điện dung bên ngoài $C$ đến điện áp bên ngoài $U$ và phóng điện vào một điện trở (Hình 4) hạ xuống bộ điều chỉnh nhiệt bằng chất lỏng và quá trình này phải được lặp lại $n$ lần. Khi đó năng lượng của dòng điện

$W = n \frac{CU^2}{2}.$

c) Hạ điện trở vào bình điều nhiệt bằng nước, sau đó dùng chất lỏng có nhiệt dung riêng, phóng điện cho tụ điện một số lần nhất định và viết định luật bảo toàn năng lượng cho từng trường hợp:

$n_1 CU^2/2 = C_T \Delta T_1 + c_B Q_B V_B \Delta T_1,$
$n_2 CU^2/2 = C_T \Delta T_2 + c_x Q_x V_x \Delta T_2,$

trong đó $c_B$ , $Q_B$ , $V_B$ là nhiệt dung riêng, mật độ và thể tích của nước trong bộ điều nhiệt, $c_x$ , $Q_x$ , $V_x$ là các thông số tương ứng của chất lỏng lỏng, $C_T$ là nhiệt lượng của bộ điều nhiệt.

Để đơn giản hóa, chúng ta có thể chọn các giá trị $n_1$ và $n_2$ sao cho nhiệt độ thay đổi $\Delta T_1$ và $\Delta T_2$ giống nhau trong các thí nghiệm thông thường ( $\Delta T_1 = \Delta T_2 = \Delta T$ ). Bạn cũng có thể đổ lượng chất lỏng bằng nhau vào bộ điều chỉnh nhiệt ( $V_B = V_x = V_\text{ж}$ ). Sau đó, loại trừ nhiệt lượng của bộ điều nhiệt, đối với nhiệt dung riêng của chất lỏng, chúng ta thu được

$c_x = c_B \frac{Q_B}{Q_x} - \frac{CU^2/2(n_1 - n_2)}{V_\text{ж} \Delta T_\text{ж}}.$

Tuy nhiên (do thực tế là không dễ dàng đạt được mức tăng nhiệt độ như nhau), nên đặt cùng một mức năng lượng của dòng điện, tức là cùng số lần chuyển mạch $n$ . Trong trường hợp này

$c_x = c_B \frac{Q_B}{Q_x} + \frac{nCU^2/2}{Q_x V_\text{ж} \Delta T_2} - \frac{nCU^2/2}{Q_B V_\text{ж} \Delta T_1}.$

Cả hai phương pháp đều được coi là đúng nếu chúng đưa ra ước tính chính xác về nhiệt dung riêng của chất lỏng (rượu).

d) Để ước tính số lần chuyển mạch tối ưu ( $n=1$ - rõ ràng là ít, $n>100$ - rõ ràng là nhiều), sẽ rất hữu ích khi ước tính thời gian làm mát đáng chú ý của chất lỏng trong bộ điều nhiệt, tức là cảm biến nhiệt trong không gian xung quanh. Ngoài ra, điều quan trọng là phải ước tính thời gian phóng điện của tụ điện (nghĩa là điện dung của nó và điện trở của điện trở) để xác định tần số chuyển mạch cần thiết của tụ điện.

Khi thực hiện nhiệm vụ này, G. Baranauskaya (Shlya), A. Korol (Novokuznetsk) và S. Orlov (Moscow) cho kết quả tốt hơn.

Đặc điểm của những thiếu sót: bỏ qua công suất nhiệt của bộ điều nhiệt, phóng điện một lần của tụ điện, cũng như chuyển động không đủ của chất lỏng vào bình.

Nhiệm vụ 2

Xác định emf của nguồn hiện tại.

Thiết bị: nguồn hiện tại với EMF bên ngoài, nguồn hiện tại với EMF bên ngoài, đường dây điện áp xoắn ốc, thiết bị nhạy cảm không bức xạ để tạo ra dòng điện, đầu nối dây.

Khó khăn của công việc này nằm ở chỗ không thể có các giá trị tuyệt đối tùy ý.

tiếp xúc, ông đảm bảo rằng dòng điện qua điện kế bằng 0 (nghĩa là ông sử dụng điện kế như một “thiết bị rỗng”). Từ đây
$\mathcal{E} - I(R_1 + r) = 0, \quad \mathcal{E}_x - I(R_2 + r_x) = 0, \Rightarrow \mathcal{E}_x = \frac{R_2 + r_x}{R_1 + r} = \frac{R_2/R_1 + r_x/R_2}{1 + r/R_1}.$
Đếm $r \ll R_1$ và $r_x \ll R_1$ , ta thu được biểu thức tính $\mathcal{E}_x$ :
$\mathcal{E}_x = \mathcal{E} \frac{R_2}{R_1} = \mathcal{E} \frac{l_2}{l_1} = \mathcal{E} \frac{n_2}{n_1},$
trong đó $n_1$ và $n_2$ là số vòng xoắn ốc trên các đoạn có chiều dài $l_1$ và $l_2$ . Tuy nhiên, trong trường hợp này, phương pháp này cho kết quả không chính xác vì điện trở trong của nguồn dòng điện tương đương với điện trở bên ngoài $R_1$ .

lớp 10
Nhiệm vụ 1
Xác định suất điện động và điện trở trong của nguồn dòng.
Thiết bị: nguồn dòng điện đang được nghiên cứu, nguồn dòng điện có suất điện động đã biết và điện trở trong đã biết, một dây xoắn ốc bằng nichrome, một thiết bị không bức xạ nhạy hơn để đo dòng điện, dây nối.
Phần đầu của bài tập này không khác gì bài tập thứ hai của lớp 9.
Để đo điện trở trong chưa xác định của nguồn dòng điện $r_x$ , điện kế có shunt ( $R_1$ ) và điện trở bổ sung ( $R_2$ ) trước tiên phải được kết nối với nguồn đang nghiên cứu, sau đó với nguồn đã biết:
$I_3 = \frac{\mathcal{E}_x}{r_x + \frac{R_r R_1}{R_r + R_1} + R_2}, \quad I_4 = \frac{\mathcal{E}_x}{r + \frac{R_r R_1}{R_r + R_1} + R_2}.$
Từ đây, bỏ qua một cách hợp lý điện trở $R_r R_1/(R_r + R_1)$ (vì nó nhỏ hơn nhiều so với $R_2$ ), giá trị mong muốn $r_x$ sẽ được tìm thấy.
Một phương pháp xác định đồng thời $r_x$ và $\mathcal{E}_x$ đã được đề xuất bởi A. Gnilovskaya (Leningrad). Kết nối điện kế với một nguồn đã biết bằng một shunt, đầu tiên là điện trở bổ sung, sau đó với điện trở bổ sung $R$ , sao cho số chỉ của điện kế trong trường hợp thứ hai nhỏ hơn 2 lần so với trường hợp đầu tiên: $I_2 = I_1/2$ , chúng ta thu được $R = r$ (kể từ $R_r \ll R$ ). Bây giờ, khi biết giá trị của điện trở $R$ , hãy kết nối với một shunt và với điện trở bổ sung $R$ , cũng như không có nó với một nguồn không xác định:
$I'_2 = \frac{\mathcal{E}_x}{r_x + R}, \quad I'_1 = \frac{\mathcal{E}_x}{r_x},$
Ở đâu
$r_x = \frac{I_2}{I_1 - I_2} R, \quad \mathcal{E}_x = I_1 r_x.$

Để xác định $\mathcal{E}_x$ cần phải biết giá trị abscilliton của dòng điện $I_1$ . Với mục đích này, bạn cần chiếu xạ điện kế, biết rằng khi thiết bị bị lệch hoàn toàn mà không có điện trở bổ sung kết nối với một nguồn đã biết, cường độ dòng điện sẽ bằng $I = \mathcal{E}_x/r$ .

Nhiệm vụ 2

Xác định mặt phẳng của tấm theo nhiều cách khác nhau.
Đánh giá phương pháp giữa các mặt phẳng của tấm (hình nêm của nó) và chỉ ra các quy tắc hoạt động của nêm.
Thiết bị: phẳng thử, bóng đèn kèm pin, giấy vẽ đồ thị