A. Giới thiệu

Thời gian có thể được đo bằng các quá trình vật lý tuần hoàn hoặc liên tục. Trước khi đồng hồ nguyên tử hiện đại được phát triển, nhiều phương pháp đo thời gian khác nhau đã được sử dụng, chẳng hạn như đồng hồ mặt trời, đồng hồ quả lắc và đồng hồ nước.

Đồng hồ nước đo thời gian thông qua dòng chảy có kiểm soát của nước. Trong thí nghiệm này, em sẽ khảo sát các nguyên lý vật lý chi phối dòng chảy của nước và áp dụng chúng để chế tạo một đồng hồ nước.

B. Dụng cụ thí nghiệm

Các dụng cụ sau đây được cung cấp:

1. Bình A: bình dưới, có gắn van và hai lỗ có nút bịt.

2. Bình B: bình trên, dùng để cấp nước có một lỗ có nút bịt.

3. Giá đỡ bình.

4. Thùng nhựa hứng nước.

5. Hai chai nước, mỗi chai 2 L, không được thể hiện trong hình.

6. Bơm xi-phông.

7. Đồng hồ bấm giây.

8. Cốc đong.

9. Thước.

10. Thước đo cân bằng (nivo bọt khí).

11. Đế đỡ điều chỉnh được.

12. Khăn (không được thể hiện trong hình).

Khăn là quà lưu niệm. Em có thể mang khăn theo sau khi bài thi kết thúc.

None

Điều chỉnh đế đỡ nằm ngang

Bên dưới tấm đế của đế đỡ điều chỉnh được có bốn vít chỉnh chân đế. Thí sinh có thể thay đổi độ cao của từng chân đế bằng cách xoay vít tương ứng.

None

Bơm xi-phông

Nếu thùng hứng nước chứa nhiều nước, thí sinh có thể dùng bơm xi-phông để lấy nước ra. Đưa phần ống thẳng cứng vào trong nước và đặt phần ống mềm vào trong chai nước. Sau đó, bằng cách tác dụng lực lên quả bóp màu đỏ, thí sinh có thể bơm nước vào chai.

LƯU Ý:

Để có thể đo các độ cao một cách chính xác em cần luôn kiểm tra thước cân bằng và khi cần thiết điều chỉnh các vít của đế đỡ để luôn đảm bảo rằng các mặt bình nằm ngang trước khi bắt đầu bất kỳ phép đo nào.

Thường xuyên bơm nước trong thùng hứng nước lên để tránh làm thiết bị bị nổi lên.

Hãy lau khô tay trước khi viết vào phiếu trả lời hoặc thao tác với các dụng cụ thí nghiệm khác.

Báo ngay cho giám thị nếu có hiện tượng rò rỉ nước, thiết bị hoạt động không bình thường, hoặc bị mất nút bịt lỗ.

C. Thí nghiệm

Dòng nước thoát qua van

1. Đặt đế đỡ có bốn chân điều chỉnh được vào trong thùng nhựa hứng nước.

2. Điều chỉnh sao cho đế đỡ nằm ngang bằng cách vặn bốn vít chỉnh chân đế và theo dõi thước đo cân bằng.

3. Đặt giá đỡ bình lên trên đế đỡ điều chỉnh được.

4. Đặt bình A lên trên giá đỡ bình.

Bình A có ba cửa thoát nước: một lỗ có đường kính 5 mm, một lỗ có đường kính 4 mm, và một van có đường kính lỗ mở 4 mm.

Trong phần A, em hãy chỉ sử dụng van.

A1  ^0.50 Đo các kích thước bên trong của bình A: chiều rộng, chiều dài và khoảng cách giữa các vạch chia độ cao trên bình.

Em cần lưu ý là mốc không của độ cao được xác định tại mức ngang qua tâm của van và các lỗ thoát nước (độ cao được tính từ mức ngang qua tâm của van và các lỗ thoát nước).

A2  ^1.00 Đổ nước vào bình A đến độ cao 5.0 cm. Mở van hết cỡ. Đo thời gian cần thiết để mực nước giảm từ 5.0 cm xuống 4.0 cm và kết quả cần ghi kèm độ lệch chuẩn của phép đo thời gian. Sử dụng các vạch chia trên bình để xác định độ cao.

A3  ^1.50 Lặp lại phép đo ở A.2 đối với ít nhất bốn độ cao mực nước ban đầu khác nhau lớn hơn 3 cm. Vì nếu ở các độ cao ban đầu thấp hơn 3 cm, phép đo sẽ mất quá nhiều thời gian.

Đối với mỗi độ cao ban đầu, hãy ghi lại số liệu thực nghiệm và xác định thời gian trung bình cần thiết để mực nước giảm đi 1.0 cm.

A4  ^1.00 Tìm tốc độ trung bình $v_v$ mà nước chảy ra khỏi van khi mực nước giảm 1 cm từ mỗi độ cao ban đầu.

Lưu ý: Thí sinh có thể sử dụng máy tính được cung cấp.

A5  ^1.00 Giả sử tốc độ trung bình thỏa mãn hệ thức:

$$v_v = C_1 h^x$$
Hãy vẽ một đồ thị thích hợp để xác định số mũ $x$. Giá trị của số mũ $x$ thu được từ đồ thị của em là bao nhiêu?

Lưu ý rằng nên sử dụng giá trị trung bình giữa độ cao ban đầu và độ cao cuối mỗi khi mực nước giảm đi một cm để xác định số mũ $x$.

Dòng nước thoát qua lỗ

Trong phần này, em cần sử dụng lỗ nhỏ hơn trên bình A tức là lỗ có đường kính 4 mm.

Van đã sử dụng trong phần A phải được đóng lại.

B1  ^1.50 Đối với ít nhất năm độ cao mực nước ban đầu h khác nhau, em hãy đo thời gian cần thiết để mực nước giảm đi 1,0 cm.

B2  ^0.50 Sử dụng cùng phương pháp như trong câu A.4, em hãy tìm tốc độ trung bình $v_h$ của nước chảy ra khỏi lỗ đối với mỗi độ cao mực nước ban đầu.

B3  ^1.00 Hãy so sánh tốc độ dòng chảy trung bình qua van $v_v$ với tốc độ dòng chảy trung bình qua lỗ $v_h$.

Coi rằng, $v_v = C_2 v_h$

Hãy tìm hằng số $C_2$.

Chế tạo đồng hồ nước

Hãy chế tạo một đồng hồ nước bằng cách sử dụng bình A và bình B.

Bố trí các bình như sau:

Bình A, có gắn van, được đặt ở phía dưới.

Bình B, sử dụng lỗ đường kính 5 mm, được đặt ở phía trên.

Bình B cấp nước cho bình A.

Bình A xả nước qua van được mở hết cỡ.

Để hệ hoạt động ổn định, bình A phải luôn được giữ đầy ắp nước hoặc nước phải tràn ra do lượng nước được cấp từ bình B.

C1  ^1.00 Gọi $h_c$ là độ cao mực nước tối thiểu tính từ tâm của lỗ trên bình B cần thiết để giữ cho bình A đầy nước hoặc nước tràn ra. Hãy tự thiết kế và thực hiện một thí nghiệm để xác định giá trị này. Ghi lại số liệu thực nghiệm của thí sinh và ước tính $h_c$ từ kết quả thực nghiệm thu được.

C2  ^1.00 Bình B phải được châm thêm nước định kỳ để đồng hồ nước có thể hoạt động. Hãy tự thiết kế một thí nghiệm để xác định khoảng thời gian lớn nhất giữa hai lần châm nước vào bình B. Trong bài làm, em cần vẽ sơ đồ bố trí thí nghiệm, nêu rõ các đại lượng đã đo, và từ kết quả thực nghiệm xác định khoảng thời gian lớn nhất đó.