THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II - · PDF fileMục đích của các bài thí nghiệm là giúp sinh ... thực hành. Thí nghiệm vật lý ... tập cho sinh viên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA NĂNG LƯỢNG - BỘ MÔN VẬT LÝ

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI - 2009

1

2

LỜI MỞ ĐẦU

Thí nghiệm vật lý đại cương là một tín chỉ thuộc chương trình đào tạo của Trường Đại học Thuỷ lợi. Trong khi học tập và nghiên cứu vật lý ở trường đại học, sinh viên được tiến hành làm các bài thí nghiệm về các phần như cơ học, nhiệt học, điện - từ học và quang học ....

Mục đích của các bài thí nghiệm là giúp sinh viên hiểu sâu hơn phần lý thuyết, củng cố lý thuyết và kết hợp lý thuyết với thực hành. Thí nghiệm vật lý còn rèn luyện cho sinh viên tác phong khoa học thực nghiệm, góp phần xây dựng phương pháp độc lập nghiên cứu, suy luận thực tế cần thiết để sau này làm tốt công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật của người kỹ sư tương lai. Đây là một trong những môn học bước đầu hình thành và rèn luyện kỹ năng đánh giá kết quả phép đo cũng như khả năng viết báo cáo và báo cáo kết quả mà mình tự đo đạc được. Từ đó tạo cho sinh viên hứng thú khám phá và ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn.

Trên cơ sở đó, Bộ môn Vật lý - Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thuỷ lợi biên soạn cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lý đại cương II” gồm các bài thí nghiệm về điện - từ học và quang học, có nội dung phù hợp với yêu cầu môn học; với chương trình đào tạo và với cơ sở vật chất của trường nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên.

Cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lí đại cương II” gồm ba phần chính sau đây: Phần I: Lý thuyết sai số. Phần II: Làm quen với các dụng cụ đo. Phần III: Các bài thí nghiệm. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình và nhiều ý kiến

đóng góp tâm huyết của ThS Trần Anh Kỳ, GV Lê Đức Thành và GV Hàn Hoà Bình cùng các đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn về sự giúp đỡ này.

Cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lí đại cương II” đã hoàn thành, mặc dù rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi một số thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các đồng nghiệp cũng như các bạn sinh viên để cho cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau.

Hà Nội, ngày 07 tháng 07 năm 2009

Các tác giả NGUYỄN VĂN NGHĨA,

PHẠM THỊ THANH NGA, ĐẶNG THỊ MINH HUỆ

3

4

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... 3

Phần I. LÝ THUYẾT SAI SỐ ................................................... Error! Bookmark not defined. I. Những nguyên nhân gây nên sai số trong các phép đo .............................................................. 7 II. Phân loại sai số .......................................................................................................................... 7 III. Định nghĩa sai số ........................................................................................................................ 8 IV. Sai số của những đại lượng trong phép đo trực tiếp .................................................................. 9 V. Sai số của những đại lượng trong phép đo gián tiếp ................................................................ 10 VI. Các chú ý quan trọng khi tính và viết sai số ............................................................................ 11 VII. Biểu diễn kết quả bằng đồ thị .................................................................................................. 12 VIII. Bài tập và câu hỏi kiểm tra ...................................................................................................... 13

Phần II. LÀM QUEN VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO ...................................................................... 14 A. PANME VÀ THƯỚC KẸP ......................................................................................................... 14

I. Thước kẹp 14 II. Panme 15

B. DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN (ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG) ...................................................................... 16 I. Mô tả 16 II. Cách sử dụng đồng hồ vạn năng 17 III. Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số kiểu DT-9202 19

Phần III. CÁC BÀI THÍ NGHIỆM .......................................................................................... 20 Bài 1: Xác định chiết suất của bản thủy tinh bằng kính hiển vi ........................................................ 20 Bài 2: Đo điện trở bằng mạch cầu một chiều (cầu Wheastone) ........................................................ 24 Bài 3: Xác định nhiệt độ Curie của sắt từ ......................................................................................... 28 Bài 4: Khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều .................................................................. 33 Bài 5: Hiện tượng phân cực ánh sáng. Nghiệm lại định luật Malus ................................................. 41 Bài 6: Khảo sát đặc tính của Diode và Transistor ............................................................................. 45 Bài 7: Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn Newton ...................................... 54 Bài 8: Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn ................................... 60 Bài 9: Khảo sát mạch cộng hưởng RLC ............................................................................................ 64 Bài 10: Khảo sát sự nhiễu xạ của chùm laser qua cách tử phẳng - Xác định bước sóng của

laser ......................................................................................................................................... 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................................... 83

5

6

Phần I. Lý thuyết sai số

Phần I LÝ THUYẾT SAI SỐ

I. NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY NÊN SAI SỐ TRONG CÁC PHÉP ĐO

Khi đo các đại lượng vật lý, ta không thể tìm được giá trị đúng của nó vì những nguyên nhân sau:

1. Dụng cụ đo không hoàn hảo Những dụng cụ đo dù có tinh vi đến mấy cũng có một độ chính xác nhất định. Ví dụ: đồng hồ đo điện, có loại chính xác đến 0,1 (A), có loại chính xác đến 0,01 (A), có

loại chính xác đến 0,001 (A)…. Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định, để đo một đại lượng, chúng ta không tìm được

kết quả cao hơn độ chính xác của dụng cụ. Ví dụ dùng Ampe kế có độ chính xác đến 0,1 A để đo cường độ dòng điện, ta không thu được kết quả chính xác tới 0,09 A.

Nếu dụng cụ đã cũ, mòn, kém chất lượng thì kết quả thu được còn kém chính xác hơn nhiều. Như vậy, dụng cụ đo cũng là một nguyên nhân gây nên sai số trong phép đo.

2. Giác quan Mắt một người dù rất tinh, khi đo độ dài của chiếc bàn cũng không thể nào đặt cho đầu

thước hoàn toàn trùng với đầu của bàn. Khi chuyển thước để đo tiếp, cũng không thể đặt cho đầu thước ở lần đo sau nằm đúng cuối thước ở lần trước được. Đặc biệt khi người ta phải kết hợp nhiều giác quan như mắt, tai, tay, chân… đồng thời thì càng khó thống nhất. Đó cũng là nguyên nhân gây sai số trong các phép đo.

3. Đại lượng đo không có giá trị xác định Khi tiến hành đo một đại lượng vật lý, chẳng hạn đo đường kính viên bi, do viên bi không

hoàn toàn là hình cầu nên kết quả đo theo các phương khác nhau sẽ có giá trị khác nhau…. Trong các trường hợp ấy, ta không thể tìm được trị số đúng của vật.

Ngoài ra sự thay đổi bất thường của dụng cụ đo, của môi trường tiến hành thí nghiệm, sự nhầm lẫn của người đo cũng gây nên sai số. Như vậy, mọi phép đo đều mắc phải sai số nào đó.

II. PHÂN LOẠI SAI SỐ

1. Sai số nhất định Sai số nhất định là sai số do một nguyên nhân nhất định nào đó gây nên làm cho kết quả của

phép đo thay đổi theo một chiều nhất định (hoặc tăng lên hoặc giảm đi). Nguyên nhân của sai số này thường do dụng cụ đo gây ra, chẳng hạn: kim chỉ của Ampe kế không chỉ đúng vạch “0” khi không có dòng điện chạy qua. Độ “0” của du xích không trùng với độ “0” của thước kẹp khi hai hàm của thước khít nhau.

Do đó, người làm thí nghiệm phải có nhiệm vụ tìm ra tất cả các nguyên nhân đó và xác định những số hiệu chỉnh của dụng cụ trước khi tiến hành đo để hiệu chỉnh được kết quả đó.

7


Ví dụ: Khi chưa có dòng điện chạy qua, kim của Ampe kế đã chỉ 0,1A thì phải coi giá trị 0,1 A này là giá trị “0” của Ampe kế. Khi đọc cường độ mà Ampe kế chỉ là 0,8A thì thực tế dòng điện trong phép đo đó là 0,7A (0,8A - 0,1A = 0,7A).

Vì vậy, khi dùng một dụng cụ nào phải thử dụng cụ đó theo đúng lời chỉ dẫn kèm theo dụng cụ. Khi đã biết được số hiệu chỉnh và hiệu chỉnh kết quả đó rồi, thì sai số nhất định không được kể là sai số nữa.

2. Sai sót Sai sót là loại sai số sinh ra khi đo hay quan sát vội vàng, không cẩn thận, hoặc do hiện

tượng xảy ra quá nhanh không kịp quan sát. Ví dụ: Đọc nhầm 17,5 thành 1,75; nghe nhầm 32 thành 22; cộng khối lượng các quả cân

không để ý tới đơn vị. Để tránh những sai sót này, khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức chú ý, thận trọng, đọc đi

đọc lại nhiều lần.

3. Sai số bất định Sai số bất định là sai số không do một nguyên nhân cụ thể nào gây nên và làm cho kết quả

đo khi thì lớn hơn, khi thì nhỏ hơn giá trị đúng của đại lượng đo. Sai số bất định phần lớn do giác quan của người làm thí nghiệm gây ra.

Ví dụ: Mắt không phân biệt được chỗ giao nhau của hai vạch chia trên thước, bấm đồng hồ giây không đúng lúc hiện tượng xảy ra…

Sai số bất định một phần cũng do đại lượng phải đo thay đổi bất thường, do những nguyên nhân không rõ ràng gây ra.

Ví dụ: Dòng điện thay đổi thất thường, quả cầu không tròn đều… Như vậy, sai số bất định là ngẫu nhiên nên ta không thể hiệu chỉnh được kết quả đo. Nó làm

cho phép đo trở nên kém tin cậy. Do vậy, ta phải đánh giá kết quả đo bằng cách tính các sai số đó. Dưới đây ta chỉ nói đến cách tính sai số bất định, còn sai số nhất định và sai sót không nói

tới, vì người làm thí ngiệm phải có nhiệm vụ loại bỏ chúng.

III. ĐỊNH NGHĨA SAI SỐ

1. Sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a trong lần đo thứ i là hiệu giữa trị số đúng a và giá

trị số đo được ai trong lần đo ấy.

ii aaa −=∆ (1)

Ví dụ: Độ dài đúng của đoạn thẳng AB là a = 52,2 (cm). Trong các lần đo thứ 1, 2, 3… ta lần lượt được các kết quả là a1 = 52,1 (cm); a2=52,3 (cm); a3 = 52,4 (cm)…, khi đó sai số tuyệt đối của phép đo độ dài trong các lần đo lần lượt là:

11 aaa −=∆ = 0,1 (cm)

22 aaa −=∆ = 0,1 (cm)

33 aaa −=∆ = 0,2 (cm)

8


Như vậy, sai số tuyệt đối cho ta biết giá trị của đại lượng đo được lệch so với giá trị thực là bao nhiêu.

2. Sai số tương đối Sai số tương đối của phép đo đại lượng a là tỷ số giữa sai số tuyệt đối của phép đo và trị số

đúng của đại lượng phải đo.

aaa ∆

=δ hay aaa .δ=∆ . (2)

Sai số tương đối cho ta biết mức độ chính xác của phép đo, tức là phép đo sai số bao nhiêu phần trăm.

Ví dụ: Khi đo hai đại lượng a, b ta được các kết quả:

a = 1 (m) và a∆ = 0,01 (m)

b = 10 (m) và b∆ =0,01 (m)

Ta nhận thấy, hai phép đo này có sai số tuyệt đối bằng nhau nhưng có sai số tương đối là khác nhau

%101,0 ==∆

=aaaδ

%1,0001,0 ==∆

=bbbδ .

Đánh giá hai phép đo, ta thấy phép đo đại lượng b chính xác hơn phép đo đại lượng a (đại lượng a dài 1m mà sai lệch 1cm, trong khi đó đại lượng b dài 10m cũng chỉ sai lệch có 1cm).

IV. SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG TRONG PHÉP ĐO TRỰC TIẾP

1. Định nghĩa

Phép đo trực tiếp một đại lượng vật lý là phép so sánh đại lượng đó thông qua dụng cụ đo (có sẵn dụng cụ đo).

2. Trường hợp chung

Khi tiến hành đo đại lượng a một cách trực tiếp, để xác định giá trị thực của đại lượng đó, ta phải tiến hành đo đại lượng a nhiều lần. Sau đó lấy giá trị trung bình trong các lần đo:

naaaaa n++++

=...321 (3)

Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng nếu số lần đo càng lớn thì giá trị trung bình a càng gần giá trị thực a của đại lượng cần đo.

Sai số tuyệt đối tương ứng trong từng lần đo của phép đo sẽ là ii aaa −=∆ , sai số tuyệt

đối của phép đo là sai số tuyệt đối trung bình:

naaaaa n∆++∆+∆+∆

=∆...321 (4)

9


và kết quả cuối cùng của phép đo được viết: aaa ∆±= (đơn vị đo) (5)

3. Trường hợp riêng Trong trường hợp chỉ đo đại lượng a được một lần và đảm bảo không sai sót hoặc đo nhiều

lần nhưng kết quả đều giống nhau, thì người ta lấy sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a bằng một nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất khắc trên dụng cụ đo.

Ví dụ: Đo chiều dài l của thanh AB nhiều lần đều được kết quả là 235 (mm) bằng thước đo chia đến 1 (mm) tức là độ chính xác tới 0,5 (mm) thì kết quả đó là:

l = (235,00 ± 0,50) mm.

V. SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG TRONG PHÉP ĐO GIÁN TIẾP Định nghĩa: Đại lượng cần đo trong phép đo gián tiếp là hàm số của các đại lượng trong

phép đo trực tiếp. Ví dụ: Muốn xác định thể tích hình trụ ta phải đo đường kính d và chiều cao h của hình trụ

một cách trực tiếp bằng dụng cụ đo độ dài, rồi dùng công thức:

hdV4

2π= .

Khi đo d và h ta mắc phải các sai số d∆ và h∆ nên V cũng có sai số V∆ nào đó. Muốn tính sai số V∆ ta dựa vào các định lý mà không chứng minh trong phần tiếp theo.

Để tính sai số của các đại lượng trong phép đo gián tiếp ta áp dụng các định lý sau đây:

1. Định lý 1 Sai số tuyệt đối của một tổng hay một hiệu thì bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số

hạng có trong tổng hay hiệu đó. Nếu cbax −+= thì cbax ∆+∆+∆=∆ .

2. Định lý 2 Sai số tương đối của một tích hay một thương thì bằng tổng các sai số tương đối của các

thừa số có trong tích hay thương đó.

Nếu cbax .

= thì cc

bb

aa

xx ∆

+∆

+∆

=∆ .

3. Hệ quả

a) Nếu aan

xxax n ∆=

∆⇒= .

b) Nếu dds

ccr

bbm

aan

xx

dcbax sr

mn ∆+

∆+

∆+

∆=

∆⇒= .

4. Áp dụng phép tính vi phân

+ Nếu đại lượng y đo gián tiếp thông qua việc đo đại lượng x trực tiếp và y được xác định phụ thuộc vào đại lượng x theo hàm số ( )xfy = thì sai số tuyệt đối y∆ tính theo x∆ như sau:

x)x(fy ' ∆∆ =

10


Trong đó )(' xf là đạo hàm của hàm số ( )xfy = theo x.

+ Nếu đại lượng y được đo gián tiếp thông qua các đại lượng x, z, u,… được đo trực tiếp và y là hàm số phụ thuộc vào các đại lượng x, z, u, … đó, theo dạng ( ),...,, uzxfy = thì:

...+∆∂∂

+∆∂∂

+∆∂∂

=∆ uufz

zfx

xfy

Như vậy, muốn tính sai số tuyệt đối của đại lượng đo gián tiếp, hoặc ta áp dụng định lý 1 và tính sai số theo phép tính vi phân hoặc tính sai số tương đối theo định lý 2 rồi suy ra sai số tuyệt đối.

VI. CÁC CHÚ Ý QUAN TRỌNG KHI TÍNH VÀ VIẾT SAI SỐ

1. Trong trường hợp đại lượng đo gián tiếp y = f(x, z, u,…) ta có thể tính y như sau:

,...)u,z,x(fy = 2. Khi tính sai số, nếu gặp một tổng của nhiều sai số tương đối, trong đó có những số hạng

nhỏ hơn 1/10 số hạng lớn nhất thì ta có thể bỏ qua số hạng nhỏ đó. Khi không cần tính chính xác lắm, chúng ta được phép làm tròn các con số để tính cho nhanh, miễn sao đừng làm giảm sai số (tăng tử số và bớt mẫu số đi một chút).

Ví dụ: 71,308,0

23,202,02

23,3803,0

++=∆aa có thể lấy

06,0350

82005

71,308,0

23,202,02 ≈+≈+≈

∆aa .

3. Khi tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối chỉ nên lấy đến hai con số có nghĩa thôi và con số lẻ thứ hai phải đảm bảo lớn hơn 1/10 con số lẻ đứng trước nó.

Ví dụ: Ta tính được sai số tuyệt đối trung bình của phép đo đại lượng b là:

b∆ = 0,021 thì ta chỉ lấy b∆ = 0,02

vì 10,001 0,02

10<

a∆ = 0,0358 chỉ lấy a∆ = 0,036

vì 10, 0008 0, 006

10>

4. Khi viết kết quả chỉ lấy số lẻ bằng số lẻ của sai số thôi, vì vậy khi tính kết quả nên tính sai số tương đối trước để qua đó mà lấy số lẻ ở các con số cho phù hợp.

Ví dụ: a =1,384; ∆a = 0,12.

Ta thấy sai số lấy đến phần trăm nên trong kết quả của a con số 8 là chưa chắc chắn nên con số 4 là thừa.

Vậy ta viết: a = 1,38 ± 0,12.

5. Ví dụ:

Xác định thể tích hình trụ rỗng theo biểu thức liên hệ hrRV )( 22 −= π

11


Cách làm: + Đo trực tiếp bán kính ngoài R, bán kính trong r, chiều cao h của hình trụ rỗng

RRR ∆±=

rrr ∆±=

hhh ∆±=

+ Tính thể tính của hình trụ rỗng

hrRV )( 22 −= π

+ Tính sai số áp dụng phép tính vi phân

V∆ = hhV∆

∂∂ + R

RV∆

∂∂ + r

rV∆

∂∂ = hrR ∆− )( 22π + RRh ∆π2 + 2π ∆hr r

+ Viết kết quả: VVV ∆±= .

Áp dụng: Giả sử khi đo bán kính ngoài R, bán kính trong r, độ cao h của hình trụ rỗng ta được các giá trị lần lượt là R = 50,23 ± 0,03 mm, r = 40,71 ± 0,02 mm, h = 15,03 ± 0,03 mm.

Thay vào biểu thức của V, ta được:

V = hrR )( 22 −π = π.90,94.9,52.15,03 = 40,858.10-6 m3.

Để tính ∆V ta coi V là hàm của ba biến R, r, h

V∆ = π )( 22 rR − ∆ h + 2πhR∆R + 2πhr∆r.

Thay số vào ta có:

V∆ = 0,298.10-6 m3.

Kết quả: V = (40,86 ± 0,30).10-6 m3.

VII. BIỂU DIỄN KẾT QUẢ BẰNG ĐỒ THỊ

Giả sử đại lượng y và đại lượng x phụ thuộc nhau theo một mối tương quan y=f(x) nào đó mà chỉ có thể suy ra từ đồ thị. Làm thí nghiệm nhiều lần, cứ mỗi giá trị của x ta có một giá trị y tương ứng. Trên đồ thị Oxy, ứng với mỗi cặp điểm (xi,yi) ta được một điểm Ai. Tuy nhiên, do mỗi lần đo xi, yi ta mắc một sai số ∆ xi, ∆ yi nào đó; thành thử trên đồ thị bây giờ ứng với một cặp giá trị (xi ±∆ xi, yi±∆ yi) không phải là một điểm Ai nữa mà là một hình chữ nhật có tâm là Ai và có các cạnh là 2∆ xi, 2∆ yi (hình chữ nhật sai số) (Hình 1).

2∆xi

Ai 2∆yi

A1

A2

A3

A5

A6

x

y

A4

Hình 1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng y vào đại lượng x.

12


Tập hợp các cặp (x i ±∆ x i, y i±∆ yi) cho phép ta vẽ được đường cong biểu diễn hàm y = f(x).

Khi vẽ đồ thị ta phải chú ý sao cho: a) Đường cong phải rõ nét không gẫy khúc (vì các đại lượng vật lý biến thiên liên tục). b) Đường cong đi qua các tâm Ai thì càng tốt nếu không thì phải cắt tất cả các hình chữ nhật

sao cho tâm của các hình chữ nhật phân bố đều hai bên đường cong.

c) Trường hợp có một vài hình chữ nhật sai số nằm tách hẳn ra ngoài quy luật của tập hợp các hình chữ nhật sai số còn lại (chẳng hạn A5) thì phải loại bỏ hình chữ nhật (A5) đó đi và coi kết quả thí nghiệm ứng với hình chữ nhật đó là do sai sót.

d) Đồ thị phải vẽ trên giấy kẻ ô vuông, dùng tỷ lệ thích hợp để sao cho đường biểu diễn nằm gọn trong giấy, gốc toạ độ không nhất thiết phải là số “0”.

VIII. BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

1. Hãy tính sai số và kết quả của y. Biết:

a) cbay

2

= với: a = (1,35 ± 0,02), b = (5,210 ± 0,015), c = (1,93 ± 0,03 ).

b) uey x cos−= với: x = (1,12 ± 0,03), u = (4,190 ± 0,024) rad.

2. Hãy nêu cách vẽ đường cong thực nghiệm. Khi sử dụng đường cong đó để tìm cặp giá trị chưa đo sai số phải tính như thế nào?

13


Phần II

LÀM QUEN VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO

A. PANME VÀ THƯỚC KẸP

MỤC ĐÍCH Dùng để đo kích thước của các vật với một độ chính xác cao.

I. THƯỚC KẸP

1. Mô tả: Thước kẹp (hình 1) có cấu tạo gồm:

- Thước chính T trên đó có các vạch chia đều đến 1 mm.

- Thước phụ T’ (gọi là du xích) có thể trượt dọc theo thân thước chính T.

Hai hàm 1 và 1’ gắn liền với thân thước, hai hàm 2 và 2’ di động cùng theo du xích T’. Khi 1 và 2 trùng khít nhau thì điểm “0” của du xích trùng với điểm “0” của thước.

Hình 1. Thước kẹp

Khi khoảng cách giữa hai hàm 1 và 2 hoặc (1’) và (2’) là D thì khoảng cách giữa hai điểm “0” của du xích và thước cũng cách nhau là D. Muốn đo chiều dài của vật, ta kẹp vật bởi hai hàm 1 và 2, vặn chốt 3 rồi đọc kết quả. Nếu muốn đo đường kính trong của vật, ta dùng hai hàm 1’ và 2’ vặn chốt 3 rồi đọc kết quả.

2. Nguyên tắc hoạt động của du xích và cách đọc Những thước thường sử dụng chỉ chia đến 10-3 m hay 10-4 m nên ta chỉ đo được kích thước

chính xác tới 5.10-4 m. Nhờ du xích ta có thể xác định được chính xác tới 1.10-5 m. Du xích T’ là bộ phận quan trọng của thước kẹp. Số vạch chia trên du xích sẽ cho phép ta

xác định được cấp chính xác của thước. Thông thường người ta tạo ra trên du xích khoảng 20 - 50 vạch chia, khi đó cấp chính xác của thước được xác định bằng giá trị một vạch chia của thước chính T trên tổng số vạch của du xích T’.

Ví dụ như đối với loại du xích có 20 vạch chia thì người ta lấy 19 khoảng trên thước chính T (tức 19 mm) đem chia thành 20 phần bằng nhau. Vậy mỗi phần chia có độ dài là 19/20 mm và so với thước chính T mỗi khoảng chia của du xích bé đi một đoạn:

1 - 19/20 = 1/20 mm = 5.10-5 m.

M N P

0 1 2 3 4 5 6

0 8mm 9mm

Du xÝch T’

Thíc chÝnh T 13m

Hình 2. Đọc kết quả trên thước

14

Phần II. Làm quen với các dụng cụ đo

Và do đó đây là thước có cấp chính xác ∆ = 1/20 mm = 5.10-5 m. Tương tự nếu trên du xích có 50 vạch chia thì thước có cấp chính xác ∆ = 1/50 mm = 2.10-5 m.

Với cấu tạo như vậy, thì phần giá trị nguyên của kích thước vật đo sẽ được đọc trên thước chính T và phần giá trị chính xác (phần thập phân) của kích thước vật đo sẽ được đọc trên du xích T’.

Giả sử sau khi các hàm 1 và 2 kẹp một vật nào đó để đo kích thước của vật. Trên thước có bảng chia, ta thấy điểm “0” của du xích giữa vạch 8 và 9 của thước chính (hình 2).

Độ dài của vật sẽ là D với 8mm < D < 9mm. Khi đó phần nguyên của D là 8mm = 8.10-3 m. Muốn đọc phần thập phân phải dùng du xích T’, ta tìm xem vạch nào của du xích T’ trùng nhất với vạch trên thước chính T. Chẳng hạn trên hình 2, ta thấy vạch số 5 của du xích trùng với vạch 13 của thước chính thì phần lẻ của D sẽ là:

MN = 5×5.10-5 = 25.10-5 m (MN = MP – PN = 5 mm – 5× 19/20 mm = 5×1/20 mm = 5×5.10-5 m)

Vậy độ dài của vật là: D = 8.10-3 + 25.10-5 = 825.10-5 m.

Một cách tổng quát, ta có công thức xác định kích thước của vật cần đo sẽ là: D = n.a + m. ∆ (1)

với a = 1 mm là giá trị 1 vạch chia trên thước chính T, ∆ là cấp chính xác của thước kẹp, n là số vạch trên thước chính T giữa hai vạch 0 của thước chính và vạch 0 của du xích T’ cho giá trị nguyên của kích thước (không tính vạch 0), m là số vạch trên du xích T’ nằm giữa vạch 0 của du xích và vạch thứ m tại đó có sự trùng khít với một vạch nào đó trên thước chính T (Hình 3).

Chú ý: Trước khi tiến hành đo bằng thước kẹp thì phải xác định vị trí 0 của du xích T’. Đúng ra khi vị trí 1 và 2 hoặc (1’) và (2’) trùng khít nhau, thì vị trí 0 của du xích T’ trùng với vị trí 0 của thước chính T nhưng có thể thước dùng lâu ngày nên sự trùng khít như trên không còn nữa. Do đó ta phải xác định vị trí 0 mới của nó, tức là tìm xem vạch 0 của du xích đã dịch đi một khoảng là bao nhiêu so với thước chính và phải coi đó là độ 0 của thước chính, rồi tuỳ theo nó dịch chuyển về trái hay phải mà hiệu chỉnh kết quả đo.

II. PANME 1. Mô tả

Panme là dụng cụ đo có độ chính xác cao, dùng để đo kích thước các vật nhỏ như kích thước các sợi dây, độ dầy tấm kính ...

Panme bao gồm một thân hình trụ rỗng R gắn với phần cố định A, D (hình 4). Bên trong R là lõi B gắn chặt với một du xích Z. Nếu dùng chốt vặn V làm

Hình 4. Panme

Hình 3. Vạch thứ m, tại đó có sự trùng khít

15


quay du xích đi một vòng, thì đầu B dịch chuyển đi một khoảng 0,5 mm. Du xích được chia thành 50 khoảng đánh số từ 0 đến 50. Như vậy, khi vặn V sao cho 1 vạch trên du xích đi qua gốc, thì B dịch chuyển đi một khoảng:

∆d = 0,5 : 50 = 0,01 mm = 10-5 m. Trên thân R, người ta đã chia độ chính xác đến 0,5 mm. Do đó phần nguyên đọc trên vạch

gốc khắc trên R, còn phần lẻ đọc trên du xích. Chú ý: Khi A, B đã sát vật, thì phải vặn núm C để tránh làm biến dạng vật do kẹp quá chặt

và tránh làm hỏng panme.

2. Cách đo và đọc kết quả

a. Hiệu chỉnh số 0 Đáng lẽ khi hai mép A và B khít nhau

thì vạch 0 của du xích phải trùng với vạch gốc trên thước R. Nhưng do dụng cụ cũ nên thông thường lúc mép của A trùng với mép B thì vạch gốc 0 trên du xích lại không trùng với vạch gốc 0 trên thước R ở thân panme, khi đó phải chú ý xem vạch gốc của thước trùng với vạch nào của du xích và xem đó là vạch 0 mới và hiệu chỉnh kết quả bằng cách cộng hoặc trừ số vạch lệch ứng với mỗi lần đọc kết quả đo.

b. Cách đo và đọc kết quả Giả sử khi mép của A và B đã kẹp vào vật cần đo, các vị trí số của thước và du xích nằm ở

vị trí như hình 5. Qua hình vẽ ta thấy chiều dài của vật là: d = ab + bc (2)

Trong đó: + ab được đọc ngay trên thước là 2,5 mm + bc được xác định thông qua du xích như trên hình 4b. Ta thấy vạch gốc trùng với vạch 44

trên du xích. Tuy nhiên, giả thiết lúc hiệu chỉnh số 0, vạch gốc lệch hai vạch như hình 5a. Do vậy: bc = (44 + 2).10-5 m.

Do đó độ dài của vật: d = 2,5.10-3 + 46.10-5 = 296.10-5 m. Câu hỏi kiểm tra:

1) Nguyên tắc hoạt động của du xích trong hai dụng cụ trên? 2) Cách đọc kết quả trên thước panme?

B. DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN (ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG)

MỤC ĐÍCH Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng ưu việt

hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trước đây, được dùng để đo hiệu điện thế, cường độ dòng điện một chiều, xoay chiều, điện trở, điện dung của tụ điện…. Nhờ một núm chuyển mạch để chọn thang đo sao cho phù hợp với đại lượng cần đo.

I. MÔ TẢ Đồng hồ vạn năng hiện số gồm 3 phần chính

Hình 5. Cách đọc số chỉ của Panme.

16


- Màn hình hiện số - Thang đo và núm chuyển mạch thang đo. - Các lỗ cắm (COM, A, VΩ…).

II. CÁCH SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG - Tuỳ theo đại lượng đo mà chọn thang đo và các lỗ cắm thích hợp - Các đồng hồ vạn năng khác nhau thì cách sử dụng có đôi chỗ khác nhau về chức năng

nhưng về cơ bản là giống nhau. Sau đây là nguyên tắc chung để đo một số đại lượng thông thường:

1. Đo điện trở

(a)

(b)

Xoay núm chuyển mạch về thang đo điện trở (Ω) và cắm hai đầu que đo vào hai lỗ cắm COM và VΩ như hình 1a. Sau đó đưa đầu 2 que đo vào điện trở cần đo như hình 1b, chú ý không được chạm tay vào chân linh kiện vì đồng hồ sẽ không chính xác khi đo cả điện trở của tay người. Cũng không nên đo điện trở của linh kiện khi nó đang mắc trong mạch bởi điện trở có thể là của linh kiện khác trong mạch.

2. Đo cường độ dòng điện

a. Đo cường độ dòng điện một chiều A - DC

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo dòng điện một chiều ADC (Việc chọn thang đo tuỳ thuộc vào dòng cần đo). Mắc nối tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo. Đọc số chỉ trên màn hình. Nếu trước số chỉ trên màn hình của đồng hồ có dấu (-) ta phải đảo lại đầu que đo.

Hình 1. Sơ đồ đo điện trở bằng đồng hồ vạn năng hiện số

Hình 2. Sơ đồ đo cường độ dòng điện bằng đồng hồ vạn năng hiện số

17


b. Đo cường độ dòng điện xoay chiều A– AC Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo dòng điện xoay chiều (AC - A). Mắc nối

tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo. Đọc số chỉ trên màn hình.

3. Đo hiệu điện thế

a. Đo hiệu điện thế một chiều VDC

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo hiệu điện thế một chiều VDC, đưa hai que đo: que dương (đỏ) vào cực dương; que âm (đen) vào cực âm. Đọc chỉ số trên màn hình. Nếu trước số chỉ trên màn hình của đồng hồ có dấu (-) ta phải đảo lại đầu que đo.

b. Đo hiệu điện thế xoay chiều VAC Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ

về thang đo hiệu điện thế xoay chiều VAC. Đưa 2 đầu que đo vào 2 điểm cần đo, đọc chỉ số hiển thị trên màn hình.

4. Một số lưu ý khi sử dụng đồng hồ đo điện

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất thường là 200mV và 200µA hoặc 2mA, được dùng để đo các hiệu điện thế và dòng điện một chiều rất nhỏ. Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang này. Nếu vô ý để hiệu điện thế hoặc dòng điện lớn gấp 5 ÷ 10 lần giá trị thang đo này, có thể gây ra hư hỏng trầm trọng cho đồng hồ. Vì vậy, các quy tắc nhất thiết phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số là:

a) Không bao giờ được phép chuyển đổi thang đo khi đang có điện ở đầu đo. b) Không áp đặt điện áp, dòng điện vượt quá giá trị thang đo. Trường hợp đại lượng đo

chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện ra để chọn thang thích hợp. c) Để đo cường độ dòng điện nhỏ chạy trong đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ

“COM” (lỗ chung) và lỗ “A” hoặc “mA” trên đồng hồ. Hai đầu còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch. Núm chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo dòng điện một chiều, ACA để đo dòng điện xoay chiều. Sau lỗ “A” bên trong đồng hồ có cầu chì bảo vệ, nếu dòng điện đo vượt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngừng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới được thay. Điều tai hại tương tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế.

Hãy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì! d) Để đo cường độ dòng điện lớn 0 ÷ 10A, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ

chung) và lỗ “10A” (hoặc 20A) trên đồng hồ. Hai đầu cốt còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch. Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí DCA-10A để đo dòng điện một chiều, ACA-10A để đo dòng điện xoay chiều. Sau lỗ 10A (hoặc 20A), bên trong đồng hồ không có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản mạch thường gây cháy, nổ ở mạch điện hoặc ở nguồn điện.

e) Để đo hiệu điện thế một chiều, xoay chiều hoặc đo điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và lỗ “VΩ” trên mặt đồng hồ. Hai đầu còn lại của dây đo được mắc

Hình 3. Sơ đồ đo hiệu điện thế bằng đồng hồ vạn năng.

18


song song với đoạn mạch. Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo hiệu điện thế một chiều, ACV để đo hiệu điện thế xoay chiều, và Ω để đo điện trở.

f) Khi đo các đại lượng một chiều thì đầu dây nối với cực âm luôn được nối với lỗ “COM” Tóm lại: Chọn thang đo đúng, không nhầm lẫn khi thao tác đo hiệu điện thế và dòng điện là

hai yếu tố quyết định bảo vệ an toàn cho đồng hồ.

III. GIỚI THIỆU CÁCH SỬ DỤNG ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG HIỆN SỐ KIỂU DT-9202

1. Cách tính sai số của đồng hồ vạn năng hiện số DT-9202 Thông thường một đồng hồ vạn năng hiện số loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo (từ 0 đến

1999). Giả sử ta chọn thang đo hiệu điện thế một chiều DCV 20V, thì đại lượng:

VV 01,0200020

==α (3)

được gọi là độ phân giải của thang đo. Nếu hiệu điện thế ta đo được là U thì sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng U

này là ∆U=δ(%).U+n.α (4)

Trong đó: U : Giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ. δ(%) : Cấp chính xác của thang đo. α : Độ phân giải của thang đo. n=1÷3 (quy định theo từng thang đo bởi nhà sản xuất).

Cách tính tương tự đối với các thang đo thế và dòng khác.

2. Bảng thông số kĩ thuật của đồng hồ vạn năng DT-9202

Chức năng Thang đo δ n Chức năng Thang đo δ n

DCV Hiệu điện thế một chiều

200mV

0,5% 1 ACV Hiệu điện thế xoay chiều

200mV

0,8% 3 2V 2V 20V 20V 200V 200V 1000V 0,8% 2 700V 1,2% 3

DCA Cường độ dòng một chiều

2mA 0,8% 1 ACA

Cường độ dòng xoay chiều

2mA 1% 3

20mA 20mA 200mA 1,2% 1 200mA 1,8% 3 20A 2% 5 20A 3% 7

Ω Điện trở

200Ω

0,8% 1 C Điện dung

2nF

2,5% 3

2KΩ 20nF

20KΩ 200nF

2MΩ 2mF

20MΩ 1% 2 20mF

200MΩ 5% 10

19


Phần III

CÁC BÀI THÍ NGHIỆM

BÀI 1: XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT CỦA BẢN THỦY TINH BẰNG KÍNH HIỂN VI

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định chiết suất của bản thuỷ tinh bằng kính hiển vi

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Kính hiển vi 2. Thước Panme 3. Bản thủy tinh cần đo chiết suất 4. Nguồn sáng.

III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt sẽ xảy ra hiện tượng

khúc xạ ánh sáng tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường đó (hình 1). Sự khúc xạ của các tia sáng tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng:

21

sin

sin

in

r=

(1) trong đó n21 là chiết suất tỷ đối của môi trường

(2) đối với môi trường (1).

2

1

1

221 v

vnnn ==

(2) với v1, v2 lần lượt là vận tốc lan truyền của ánh

sáng trong môi trường (1) và môi trường (2). Chiết suất của môi trường nào đó đối với chân

không được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường đó, ký hiệu là n, thì:

vc

rin ==

sinsin

(3) Đối với không khí v = c nên nkk = 1, do đó

chiết suất tuyệt đối của môi trường nào đó có thể coi gần đúng là chiết suất tỷ đối của môi trường đó đối

C

r

i

B

A

1

2

M

Hình 1

20

Phần III. Các bài thí nghiệm

với không khí. Chiết suất phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng và bản chất của môi trường mà ánh sáng truyền qua.

Có nhiều cách đo chiết suất của một môi trường, trong bài thí nghiệm này ta nghiên cứu đo chiết suất của bản thủy tinh bằng kính hiển vi.

Kính hiển vi dùng để quan sát ảnh phóng đại của những vật có kích thước nhỏ cỡ milimét. Cấu tạo của kính (hình 2) gồm có:

Một đế cố định 1, giá đỡ 2 gắn liền với ống kính 3, mâm đặt vật 4, gương phản xạ ánh sáng 5, kính tụ quang 6, vít 9 và 10 dùng để di chuyển ngang, dọc vật cần đo trên mâm cặp, ống kính 3 mang vật kính L và thị kính L2 nhờ các vít, 7 và 8 có thể dịch chuyển ống kính lên, xuống; vít 7 để dịch chuyển lớn; vít 8 để dịch chuyển nhỏ gọi là vít vi động, trên vành vít vi động 8 có kích thước tròn khắc 50 độ chia đều nhau. Giá trị mỗi độ chia là 0,002mm. Như vậy khi quay vít 8 một vòng thì ống kính 3 di chuyển lên hoặc xuống một đoạn là h = 0,002mm x 50 = 0,1mm. Căn cứ vào số vòng quay và số độ chia trên thước của vít 8 ta có thể biết độ dịch chuyển của ống kính 3 mang vật kính L1.

Giả sử xét hai tia sáng xuất phát từ điểm I trên mặt giới hạn NN của bản thủy tinh là IB và IC. Sau khi khúc xạ, các tia sáng ra khỏi bản ở mặt trên MM của bản tại các điểm B và C theo hướng BE và CD tách xa phương pháp tuyến một góc r. Mọi tia khác vẽ từ I khi ra khỏi bản cũng bị thay đổi phương truyền, chỉ có tia IA không bị khúc xạ sẽ truyền thẳng góc với mặt MM. Khi quan sát từ phía trên của bản, ta thấy ảnh của I ở giao điểm của các tia CD và BE kéo dài, trên hình vẽ là điểm I’. Do đó điểm I như được nâng lên một đoạn II’. Gọi d là bề dày thực của bản thì d’ = d - II’ được gọi là bề dày biểu kiến của bản.

Chúng ta tìm biểu thức liên hệ giữa chiết suất n, bề dày thực d và bề dày biểu kiến d’ của bản thủy tinh trong trường hợp các tia sáng chiếu gần vuông

góc với mặt bản, khi đó các góc tới i và góc khúc xạ r rất nhỏ. Nếu xét hiện tượng khúc xạ của tia sáng truyền qua bản theo chiều ngược lại từ DC tới I thì

từ hệ thức (3) ta có:

Hình 2

d'

M

N I

d

B

E

A C

D

M

N

I’

Hình 3

21


sin i tginsin r tgr

= = . (4)

Từ hình 3 ta có:

AC ACtgi ; tgrAI ' AI

= = (5)

Thay vào (5) và (4) ta được:

AInAI '

= hay: dnd '

= (6)

Vậy chiết suất của bản thủy tinh có trị số bằng tỷ số giữa độ dày thực d và độ dày biểu kiến của bản đó. Để đo độ dày biểu kiến d’, ta chỉ sử dụng vít vi động 8. Cách tính độ dày d’ là:

d’ =β [0,1N + 0,002(l – l0)] mm (7) Trong đó: N là số vòng của thước tròn so với đầu mốc khi thấy rõ I’. l0 là số chỉ của vạch mốc lên thước tròn trên vít vi động khi thấy rõ ảnh ở mặt trên của kính. l là vạch của thước tròn khi thấy rõ ảnh ở mặt dưới của kính. β là hằng số có giá trị tuỳ theo loại máy (được cho ở phòng thí nghiệm).

IV. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Bước 1. Đo độ dày thực d của tấm thủy

tinh bằng thước Panme, đo 5 lần ở các vị trí khác nhau, rồi ghi kết quả vào bảng.

Bước 2. Đo độ dày biểu kiến d’ bằng kính hiển vi:

a. Dùng bút xanh mảnh kẻ một chữ thập: một nét ở mặt trên (I) và một nét ở mặt dưới (A) của tấm kính cần đo chiết suất.

+ Đặt bản thủy tinh lên mâm kính rồi điều chỉnh kính hiển vi: dùng vít 8 vặn ngược chiều kim đồng hồ cứng tay rồi thả ra một chút. Sau đó điều chỉnh vít 7 để nhìn ảnh rõ nét của nét mực ở mặt trên.

+ Đặt mắt quan sát trên thị kính L2 đồng thời điều chỉnh gương phản xạ ánh sáng 5 và kính tụ quang 6 để thị trường trong ống kính 3 sáng rõ và đều. Đọc giá trị l0 trên vít 8 và ghi giá trị l0 vào bảng số liệu.

b. Dùng vít vi động 8 nâng vật kính đến khi thấy ảnh rõ nét của nét mực ở mặt dưới. Đọc và ghi giá trị N và l vào bảng số liệu. Chú ý: N là số vòng (số nguyên) mà ta phải xoay vít vi động 8 từ lúc nhìn thấy ảnh rõ nét của nét mực ở mặt trên đến khi nhìn thấy ảnh rõ nét của nét mực ở mặt dưới.

c. Dùng công thức (7) để tính d’.

22


Lưu ý: + Khi l < l0 thì tính d’ theo công thức (7) nhưng thay (l – l0) bằng (l + 50 – l0) . + Đối với máy màu trắng thì giá trị thực của l; l0 gấp 5 lần giá trị đo được:

lthực = 5lđođược ; l0(thực) = 5l0 (đođược). d. Đo l0, N, l nhiều lần (5 lần) để tính sai số. Bước 3. Xử lý số liệu: a. Bảng tính số liệu:

Độ chính xác của thước tròn trên vít vi động của kính hiển vi: 0,002 (mm) Độ chính xác của thước Panme: 0,01 (mm)

Lần đo L0 N L d' ∆d’ d ∆d

1

2

3

4

5

Trung bình

b. Tính giá trị trung bình của chiết suất. c. Tính sai số tuyệt đối và tương đối trung bình của chiết suất. d. Viết kết quả của phép đo chiết suất.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Khi sử dụng kính hiển vi và thước Panme cần chú ý những điều kiện gì? 2. Trong phép đo d và d’ sai số chủ yếu do những nguyên nhân nào? 3. Nói rõ phương pháp đo chiết suất của thủy tinh trong bài thí nghiệm này. 4. Giải thích tại sao khi l < l0 thì công thức xác định độ dày biểu kiến d’ của bản thuỷ tinh

lại là: d’ =β [0,1N + 0,002(l +50 – l0)] mm.

23


BÀI 2: ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG MẠCH CẦU MỘT CHIỀU (CẦU WHEASTONE)

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định điện trở bằng mạch cầu một chiều (Cầu Wheastone).

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Bộ thiết bị thí nghiệm vật lý VS 02-TL; 3. Điện trở cần đo Rx và pin điện cần đo Ex; 2. Hộp điện trở mẫu 0 ÷ 99999,9Ω ; 4. Bộ dây dẫn nối mạch điện (6 dây).

III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Xét một mạch cầu điện trở như hình 1. Mạch được cung cấp bởi dòng điện một chiều I, khi

đó dòng qua các điện trở lần lượt là I1, I2, I3, I4 và I5. Áp dụng định luật Ohm cho từng đoạn mạch và định luật Kirchoff cho các nút mạng trong mạch kín, đối với vòng kín ACDA tại nút A, ta sẽ xác định được:

2 22 5 51

1 2

R I R II a b

R R−

= ++

và với vòng kín BCDB tại nút B, thì:

43

5543 RR

IRIRI+−

=

Tại nút C, ta có: I1 – I3 = I5. Kết hợp lại ta được:

543

5

21

5

43

4

21

2 1 IRR

RRR

RIRR

RRR

R

+

++

+=

+

−+

Nếu lựa chọn được giá trị các điện trở này sao cho dòng qua điện trở R5 là I5 = 0 (nghĩa là khi đó mạch cầu được coi là cân bằng) thì ta sẽ có kết quả sau:

4

3

2

1

RR

RR

= (1)

Một mạch cầu bao gồm 4 điện trở thỏa mãn công thức (1) được gọi là mạch cầu điện trở cân bằng một chiều Wheastone. Ứng dụng mạch cầu cân bằng này ta có thể xác định được giá trị của một trong bốn điện trở khi biết giá trị của ba điện trở còn lại, ví dụ như nếu phải xác định giá trị của R1, khi đó ta có:

4

231 R

RRR = (2)

Hình 1. Mạch cầu điện trở

24


Trong bài thí nghiệm này mô hình mạch cầu được bố trí như trên hình 2, với: U là nguồn điện không đổi, XY (có độ dài L = 1m) là một dây điện trở đồng chất tiết diện đều, trên đó nhánh cầu BAZ nối với 2 điện trở R2 và R4 – tương ứng là đoạn XZ (có độ dài L1) và đoạn ZY (có độ dài L2), R0 là điện trở mẫu, Rx là điện trở cần đo, A là một micrôampekế, con chạy C (tiếp xúc với dây XY và đưa ra điểm Z) là bộ phận có thể dịch chuyển (trượt) dọc trên dây XY.

Hình 2. Sơ đồ mạch đo điện trở

Theo (2) ta có thể suy ra giá trị của điện trở cần đo Rx là:

1

10

2

10 LL

LRLLRRx −

== (3)

Trong thí nghiệm, để phép đo điện trở Rx bằng mạch cầu có sai số cực tiểu, ta đặt con chạy C ở chính giữa dây điện trở sao cho L1 = L2 và thay đổi giá trị của điện trở mẫu R0 để cho mạch cầu cân bằng (dòng qua micrôampekế A bằng 0 hay kim của micrôampekế A sẽ chỉ vào số 0) - khi đó thì R0 = Rx.

Thực vậy, tính lnRx trong công thức (3) và áp dụng phép tính vi phân, ta tìm được sai số tương đối của điện trở Rx :

lnRx = lnR0 + lnL1 – lnL2 Lấy vi phân 2 vế:

2

2

1

1

0

0

LdL

LdL

RdR

RdR

x

x −+=

x 0 1 2

x 0 1 2

R R L LR R L L∆ ∆ ∆ ∆δ = = + +

Cùng một phép đo nên:

LLL ∆=∆=∆ 21

Do đó:

21

221

0

0

21

1221

0

0 )(..LL

LLLRR

LLLLLL

RR ∆+

+∆

=∆+∆

+∆

=δ

Do L1 + L2 = L = const nên sai số tương đối δ sẽ cực tiểu khi: 221LLL == .

Giới thiệu về hộp điện trở mẫu: Hộp điện trở mẫu là một bộ biến đổi điện trở có dải giá trị từ 0 đến 10.000Ω cho phép ta có thể điều chỉnh giá trị điện trở tùy theo yêu cầu của phép đo. Trên

25


hộp điện trở mẫu có các núm xoay giúp ta điều chỉnh từng thang giá trị bao gồm các thang giá trị từ 0 - 1Ω, 1 - 10Ω, 10 -100Ω, 100 - 1000Ω…

IV. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

Hình 3. Sơ đồ trên mặt thiết bị đo mạch cầu

1. Mắc mạch điện: Quan sát mặt thiết bị đo (hình 3). Chưa cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm vào nguồn

điện ∼220V. Sau đó: Dùng các dây dẫn để mắc mạch điện trên mặt thiết bị đo theo sơ đồ hình 2. Đặt micrôampekế A ở thang đo 200 µA. Vặn núm xoay trên hộp điện trở mẫu R0 để có giá trị 0Ω. Đặt tiếp điểm của con chạy C ở vị trí chính giữa dây điện trở XY trên thước thẳng

milimét.

2. Đo điện trở Rx bằng mạch cầu một chiều Với phép đo điện trở Rx (có giá trị khoảng 300 ÷ 1000Ω), thực hiện các thao tác sau: Đặt kim chỉ thị của nguồn điện một chiều (ở bộ đổi nguồn) ở vị trí 3V hoặc 4,5V. Chú ý: Trước khi cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm vào nguồn điện ~220V, phải

mời giáo viên hướng dẫn tới kiểm tra! Cắm phích lấy điện vào nguồn điện xoay chiều 220V. Vặn núm xoay trên hộp điện trở mẫu sao cho kim của micrôampekế A chỉ số 0. Khi đó

cầu cân bằng và do đó giá trị của điện trở Rx bằng giá trị của điện trở R0 đọc được trên hộp điện trở mẫu. Đọc và ghi giá trị của R0 vào bảng 1.

26


Thực hiện phép đo này 5 lần. Đọc và ghi các giá trị tương ứng của R0 trong mỗi lần đo vào bảng số liệu sau đây:

Bảng số liệu

- Độ dài của cầu dây XY : L = …………………… (mm) - Độ dài của dây L1 = …………………… (mm) - Độ chính xác của thước đo trên cầu dây: ∆L = …………………… (mm) - Cấp chính xác của hộp điện trở mẫu: δ0 = ……………………

Lần đo R0 (Ω) ∆R0 (Ω)

1

2

3

4

5

Trung bình )(...................0 Ω=R )(...................0 Ω=∆R

Vặn núm xoay trên hộp điện trở mẫu về 0 và ngắt nguồn.

Lưu ý: 1. Ghi thêm các số liệu sau đây vào bảng số liệu: + Độ dài L của dây điện trở XY trên thước milimét và độ chính xác ∆L của thước này. + Cấp chính xác δ0 của hộp điện trở thập phân. 2. Trong quá trình đo nếu thấy kim điện kế không ổn định, ta phải kiểm tra điểm tiếp

xúc Z giữa con chạy C và dây điện trở XY để đảm bảo ổn định dòng điện trong toàn bộ mạch đo.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA

1. Trình bày phương pháp đo điện trở bằng mạch cầu một chiều. Vẽ sơ đồ mạch điện và nói rõ tác dụng của micrôampekế A dùng trong mạch cầu.

2. Chứng minh rằng phép đo điện trở Rx bằng mạch cầu một chiều sẽ có sai số cực tiểu khi chọn vị trí của con chạy C nằm chính giữa dây điện trở XY.

3. Tại sao phải điều chỉnh dòng điện trong mạch chính có cường độ nhỏ (I cỡ µA)?

27


BÀI 3: XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA SẮT TỪ

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định nhiệt độ Curie nhờ phương pháp cảm ứng điện từ bằng cách theo dõi sự thay đổi

của dòng điện cảm ứng Ic (chỉ trên micrôampekế µA) theo nhiệt độ t của thanh ferit F được chỉ thị qua suất điện động εnđ của cặp nhiệt điện C ( chỉ trên milivôn kế mV). Vẽ đồ thị sự phụ thuộc: Ic = f (Enđ) và Enđ = α(t – tp). Từ đó xác định nhiệt độ Curie của sắt từ.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Bộ thí nghiệm gồm: lò điện, các cuộn dây cảm ứng, lõi sắt từ ferit, cặp nhiệt điện, các

đồng hồ micrôampekế xoay chiều và milivôn kế một chiều, các nguồn điện ~3V và ~5V. 2. Các dây dẫn dùng để nối mạch điện.

III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, Ferit…), nếu được đặt trong từ trường ngoài 0Br

thì chúng sẽ bị từ hoá (nhiễm từ tính) rất mạnh. Nguyên nhân là do bên trong khối sắt từ khi đó xuất hiện một từ trường phụ 'B

rcùng hướng và rất lớn so với 0B

r. Vì vậy từ trường tổng cộng trong khối sắt

từ có giá trị bằng:

00 ' BBBBrrrr

µ=+= (1)

Hệ số tỷ lệ µ gọi là từ thẩm tỷ đối của sắt từ. Trị số của µ phụ thuộc phức tạp vào độ lớn của

0Br

và có thể đạt tới 104÷105, nghĩa là từ trường tổng hợp trong khối sắt từ có thể lớn gấp hàng vạn lần so với từ trường ngoài. Do đặc tính này, các vật liệu sắt từ được dùng rộng rãi trong kỹ thuật điện để làm lõi từ của biến thế điện, động cơ điện, nam châm điện, rơle điện từ, ….

Có thể giải thích đặc tính của sắt từ bằng thuyết miền từ hoá tự nhiên. Theo thuyết này, cấu trúc của khối sắt từ gồm các miền rất nhỏ cỡ 10-5 ÷ 10-6m gọi là miền từ hoá tự nhiên. Trong mỗi miền, do có “lực tương tác trao đổi”, mômen từ spin của các electron định hướng song song với nhau, tạo thành miền từ hoá đến mức bão hoà. Nếu chưa có từ trường ngoài, mômen từ của các miền khác nhau sắp xếp hỗn loạn nên mômen từ tổng hợp của khối sắt từ bằng không và sắt từ không có từ tính. Nếu đặt vào từ trường khá mạnh, trong khối sắt từ sẽ xảy ra quá trình “dịch chuyển vách” của các miền từ hoá tự nhiên và quá trình “quay mômen từ” của các miền này theo hướng song song với từ trường ngoài 0B

r. Kết quả là khối sắt từ trở thành

một miền từ hoá có mômen từ rất lớn, do đó gây ra từ trường phụ 'Br

cùng hướng và rất lớn so với từ trường ngoài 0B

r.

Tuy nhiên, nếu khối sắt từ bị nung nóng đến nhiệt độ cTT ≥ thì chuyển động nhiệt của các nguyên tử sẽ tăng mạnh, phá vỡ cấu trúc của các miền từ hoá tự nhiên, làm mất đặc tính của sắt từ. Khi đó độ từ thẩm của sắt từ giảm rất nhanh tới giá trị 1≈µ và 0BB ≈ . Nhiệt độ cT được gọi là nhiệt độ Curie, giá trị của nó phụ thuộc vào bản chất của sắt từ. Thí dụ: nhiệt độ Curie của sắt là 780oC, của Ni là 350oC, của hợp kim 30%Ni + 70%Fe là 80oC ÷ 85oC, ….

28


Nhiệt độ Curie cT của vật liệu sắt từ có ý nghĩa thực tế. Nếu biết cT , ta có thể chọn khoảng nhiệt độ làm việc thích hợp đối với các linh kiện điện và điện tử có sử dụng lõi sắt từ. Mặt khác, sự biến đổi đột biến của độ từ thẩm µ của sắt từ ở nhiệt độ Curie cũng được ứng dụng để chế tạo các bộ cảm biến, các Rơle nhiệt - điện từ dùng điều khiển tự động nhiệt độ trong các lò hơi, nồi cơm điện,…

Trong bài thí nghiệm này, ta sẽ xác định nhiệt độ Curie cT của ferit (sắt từ bán dẫn) bằng phương pháp cảm ứng điện từ. Thiết bị thí nghiệm bố trí như hình 1a. Thanh ferit F được đặt ở bên trong lò điện Đ. Lò điện Đ được nối với nguồn điện xoay chiều ~50V, nó gồm hai cuộn dây có điện trở giống nhau mắc nối tiếp và được quấn ngược chiều nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua chúng thì thanh ferit bị nung nóng, nhưng từ trường của hai cuộn dây trong lò triệt tiêu lẫn nhau. Nhiệt độ T của thanh ferit F đo bằng cặp nhiệt C mắc nối tiếp với milivôn kế mV. Hai cuộn dây cảm ứng: cuộn sơ cấp S và cuộn thứ cấp T, được quấn chồng lên nhau bao quanh lò điện Đ. Cuộn sơ cấp S nối với nguồn điện xoay chiều ~3V và cuộn thứ cấp T nối với micrôampekế

Aµ . Sơ đồ nguyên lý của mạch điện trong thí nghiệm này biểu diễn trên hình 1-b, trong đó R1 và R2 là điện trở thuần của cuộn sơ cấp S và thứ cấp T, còn L là hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp S. Trị số của L phụ thuộc vào kích thước, số vòng dây của cuộn sơ cấp S và tỷ lệ đối với độ từ thẩm tỷ đối µ của thanh ferit F đặt bên trong cuộn dây dẫn.

Nếu đặt hiệu điện thế xoay chiều u1 vào hai đầu cuộn sơ cấp S, trong cuộn dây sẽ có dòng điện xoay chiều i1 chạy qua và làm xuất hiện suất điện động tự cảm C1ε có giá trị bằng:

dtdNC

011Φ

−=ε (2)

với N1 là số vòng dây, còn dtdiL

dtd 10 =Φ

là tốc độ biến thiên từ thông gửi qua mỗi vòng

dây của cuộn sơ cấp S. Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch của cuộn sơ cấp S, ta có:

CRiu 1111 ε−=

Suy ra: 1111 uRiC −=ε (3)

Vì cuộn dây thứ cấp T quấn chồng lên cuộn dây sơ cấp S trên cùng lõi ferit F, nên tốc độ

biến thiên từ thông gửi qua mỗi vòng dây của cuộn thứ cấp T cũng bằng dt

d 0Φ, do đó suất điện

động cảm ứng C2ε xuất hiện trong cuộn dây thứ cấp T có giá trị bằng:

Hình 1a Hình 1b

29


dtdNC

022

Φ−=ε (4)

với N2 là số vòng dây của cuộn thứ cấp T. So sánh (2) với (4) và chú ý đến (3), ta tìm được:

)( 1111

22 uRi

NN

C −=ε . (5)

Khi nung nóng thanh ferit F đến nhiệt độ Curie Tc, độ từ thẩm tỷ đối của thanh ferit giảm nhanh xuống đến giá trị 1≈µ và hệ số tự cảm L của cuộn sơ cấp S cũng giảm xuống đến giá trị rất nhỏ, thực tế có thể coi 0L ≈ . Khi đó suất điện động tự cảm trong cuộn dây sơ cấp S có giá trị

0C1 ≈ε và 111 Riu ≈ . Từ công thức (5), suy ra: 0C2 ≈ε và dòng điện cảm ứng chạy trong cuộn

thứ cấp T cũng giảm xuống đến giá trị 0ic ≈ .

Như vậy, muốn xác định nhiệt độ Curie Tc của thanh ferit F, ta chỉ cần theo dõi sự thay đổi của giá trị dòng cảm ứng ci chạy qua cuộn dây thứ cấp T phụ thuộc vào nhiệt độ của thanh ferit

F. Sau đó vẽ đường cong IC = f(End) và )( pnd ttE −=α với tp là nhiệt độ phòng thí nghiệm.


1. Quan sát mặt bộ thiết bị đo (hình 2) Chưa cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm vào nguồn điện ~220V. + Lò điện Đ nối với nguồn điện ~50V, cuộn sơ cấp S nối với nguồn điện ~3V. + Cuộn dây thứ cấp T nối với micrôampekế µA. + Cặp nhiệt C nối với

milivôn kế mV. + Các công tắc K, K1, K2

ở vị trí ngắt mạch điện.

2. Các bước tiến hành Mời thầy giáo tới kiểm

tra mạch điện trước khi cắm phích lấy điện vào nguồn điện ~220V. Các đèn tín hiệu LED đều chưa sáng.

+ Bước 1: Bấm công tắc nguồn (K): đèn LED của nó phát sáng báo hiệu đã có điện vào máy. Nếu thấy kim của milivôn kế mV lệch khỏi vị trí số 0 của nó thì vặn từ từ núm xoay “quy 0” để đưa kim chỉ thị về đúng số 0. Lúc này micrôampekế µA chỉ một giá trị cực đại.

+ Bước 2: Bấm công tắc lò (K1): đèn LED của nó phát sáng báo hiệu lò điện Đ đã được nối với nguồn điện ~50V-1A và nhiệt độ t của thanh ferit F bắt đầu tăng dần. Khi đó giá trị của suất điện động Enđ của cặp nhiệt điện C trên milivôn kế mV cũng tăng dần.

Hình 2

30


Đọc và ghi các giá trị của dòng điện cảm ứng ic trên micrôampekế tương ứng với giá trị của suất nhiệt điện động Enđ của cặp nhiệt điện C trên milivôn kế vào bảng số liệu (ghi từ trên xuống).

Khi micrôampekế µA chỉ giá trị 0 hoặc đứng yên thì tắt công tắc K1 và bật công tắc K2 (sau đó thực hiện bước 3).

+ Bước 3: Bấm công tắc K2: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu quạt đã hoạt động, cuộn sơ cấp S đã nối với nguồn điện ~3V-1A và micrôampekế µA chỉ giá trị dòng cảm ứng ic chạy qua cuộn dây thứ cấp T.

Đọc và ghi các giá trị của dòng điện cảm ứng ic trên micrôampekế tương ứng với giá trị của suất nhiệt điện động Enđ của cặp nhiệt điện C trên milivôn kế vào bảng số liệu (ghi từ dưới lên).

Bảng số liệu t0 = ………±……… 0C ; α = ………………… µV Um = ……………… mV ; δV = ………………… Im = ……………… µA ; δA = …………………

Khi nhiệt độ tăng Khi nhiệt độ giảm Enđ (mV) Ic (µA) Enđ (mV) Ic (µA) Enđ (mV) Ic (µA) Enđ (mV) Ic (µA)

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8 7,2 7,6 8,0 8,4 8,8 9,2 9,6 10,0

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

10,4 10,8 11,2 11,6 12,0 12,4 12,8 13,2 13,6 14,0 14,4 14,8 15,2 15,6 16,0 16,4 16,8 17,2 17,6 18,0 18,4 18,8 19,2 19,6 20,0

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8 7,2 7,6 8,0 8,4 8,8 9,2 9,6

10,0

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

10,4 10,8 11,2 11,6 12,0 12,4 12,8 13,2 13,6 14,0 14,4 14,8 15,2 15,6 16,0 16,4 16,8 17,2 17,6 18,0 18,4 18,8 19,2 19,6 20,0

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

31


Chú ý: 1. Tiến hành thí nghiệm đối với cả hai

trường hợp: nhiệt độ t của thanh ferit tăng dần đến giá trị t > Tc và sau đó lại giảm dần đến giá trị t < Tc, với Tc là nhiệt độ Curie của thanh ferit F.

2. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng số liệu:

+ Nhiệt độ phòng thí nghiệm ( 0pt ) trên

nhiệt kế 0 - 1000C và độ chính xác của nhiệt kế. + Hằng số α của cặp nhiệt điện C. + Giá trị cực đại Um của thang đo và cấp

chính xác Vδ của milivôn kế mV.

+ Giá trị cực đại Im của thang đo và cấp chính xác Aδ của micrôampekế µA.

3. Xử lý số liệu và vẽ đồ thị

Bước 1: Vẽ đường cong IC = f(End) và α

ndp

Ett =− )( với /20 Vµα = độ.

(Đường OC trên đồ thị hình 3 là đường cong biểu diễn (t – tp) theo End tuân theo công thức

αnd

pEtt =− )( ).

a. Chọn hệ trục tọa độ: - Trục tung có chiều dương biểu diễn dòng cảm ứng Ic theo đơn vị µA, và chiều âm biểu

diễn hiệu nhiệt độ (t – tp) theo đơn vị 0C. - Trục hoành biểu diễn suất nhiệt điện động Enđ theo đơn vị mV. b. Vẽ đồ thị: Dựa vào bảng số liệu , vẽ đồ thị Ic = f(Enđ) và Enđ = α(t – tp) . Đường cong sẽ

có dạng như hình 3. Bước 2:Dựa vào đồ thị, xác đinh nhiệt độ Curie: a. Chọn giá trị của tC : + Khi nhiệt độ tăng, vẽ tiếp tuyến ab tại phần dốc nhất của đường cong IC = f(End). Kéo dài

tiếp tuyến ab cắt trục hoành tại điểm A. Sau đó kẻ đường thẳng song song với trục tung đi qua A, cắt đường thẳng )( pnd ttE −=α tại điểm B. Tung độ của B biểu thị hiệu nhiệt độ 11 ttt pC δ=− .

+ Lặp lại quá trình trên khi nhiệt độ giảm, ta tìm được hiệu nhiệt độ: 22 ttt pC δ=− .

b. Tính nhiệt độ Curie dựa vào công thức: 2

21 CCC

ttt

+= .

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Nêu rõ đặc tính của sắt từ. Định nghĩa nhiệt độ Curie. Nêu ý nghĩa và ứng dụng của nhiệt độ

Curie. 2. Trình bày phương pháp xác định nhiệt độ Curie của sắt từ trong thí nghiệm này. 3. Tại sao đồ thị Ic = f(Enđ) có dạng như trên đồ thị hình 3?

Giải thích rõ cách tính giá trị trung bình của nhiệt độ Curie và sai số của nó.

Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của IC vào

End và )( ptt − vào α

ndE.

End

a

B

0 A

b

C

t gi¶m t T¨ng

IC

t -tp

tC -t p

32


BÀI 4: KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ bằng cách vẽ đường đặc trưng

vôn-ampe của bóng đèn dây tóc. Từ đó xác định nhiệt độ của dây tóc bóng đèn. Khảo sát các mạch điện RC và RL xoay chiều để kiểm chứng phương pháp giản đồ vectơ

Fresnel, đồng thời dựa vào định luật Ohm đối với dòng xoay chiều để xác định tổng trở, cảm kháng và dung kháng của các mạch điện. Từ đó xác định điện dung của tụ điện và hệ số tự cảm của cuộn dây dẫn.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Hai đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT 9202. 2. Một bóng đèn dây tóc 12V - 3V. 3. Một mẫu điện trở Rx. 4. Một mẫu tụ điện Cx. 5. Một mẫu cuộn cảm Lx. 6. Bảng lắp ráp mạch điện. 7. Dây dẫn nối mạch dài 60cm. 8. Nguồn cung cấp điện 12V - 3A/AC-DC.


1. Khảo sát mạch điện một chiều Xét mạch điện gồm nguồn điện một chiều Un cung cấp điện

cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở R (Hình 1). Điện áp ra của nguồn điện Un có thể thay đổi được nhờ biến trở núm xoay P. Hiệu điện thế U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng vôn kế một chiều V và cường độ dòng điện I chạy qua bóng đèn đo bằng ampekế một chiều A.

Theo định luật Ohm đối với mạch điện một chiều, cường độ dòng điện I chạy qua đoạn mạch tỷ lệ với hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở R của đoạn mạch:

RUI = (1)

Nếu R không đổi thì I tỷ lệ bậc nhất với U. Đồ thị I = f(U) gọi là đặc tuyến vôn-ampe, có dạng đường thẳng đi qua gốc toạ độ với hệ số góc:

GR

tg ==1α (2)

trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch. Nhưng do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lượng nhiệt Q toả ra trên điện trở R trong thời gian t bằng:

τ.. 2IRQ = (3)

Hình 1

33


Lượng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm thay đổi điện trở của đoạn mạch. Vì dây tóc bóng đèn Đ làm từ Vonfram nên điện trở R của nó thay đổi theo nhiệt độ t theo công thức:

)..1( 20 ttRRt βα ++= (4)

với Rt là điện trở ở t0C và R0 là điện trở ở 00C, còn α = 4,82.10-3K-1 và β = 6,76.10-7K-2 là các hệ số nhiệt của điện trở của Vonfram.

Kết quả là cường độ dòng điện I chạy qua dây tóc bóng đèn Đ không tăng tỷ lệ tuyến tính theo hiệu điện thế U giữa hai đầu dây tóc đèn nữa. Đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc có dạng đường cong. Gọi RP là điện trở của dây tóc bóng đèn ở nhiệt độ phòng tP. Khi đó từ (4) ta suy ra:

20 ..1 PP

P

ttRR

βα ++= (5)

Giải phương trình (4) đối với t, cộng thêm 273K ta xác định được nhiệt độ tuyệt đối của dây tóc đèn:

−

−++= αβα

β14

21273

0

2

RR

T t (6)

trong đó điện trở RP và Rt tính theo công thức (1) với I là dòng điện một chiều chạy qua dây tóc đèn Đ và U là hiệu điện thế tương ứng giữa hai đầu dây tóc đèn.

2. Khảo sát mạch điện xoay chiều R - C Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào hai đầu

mạch điện gồm tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với điện trở thuần R (Hình 2).

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong mạch ở thời điểm t có dạng:

tfIi .2sin.0 π= (7)

Khi đó: u = uR + uC (8)

Vì uR cùng pha với i, còn uC chậm pha 2/π so với i nên ta có thể viết:

)2

.2sin(.2sin 00πππ −+= tfUtfUu CR (9)

Áp dụng giản đồ véctơ Fresnel (Hình 3), ta tìm được dạng của hiệu điện thế xoay chiều u:

).2sin(0 ϕπ += tfUu (10)

Với 20

200 CR UUU += (11)

CRfUU

tgR

C

.21

0

0

πϕ −=−= (12)

Thay U0R= I0R và Cf

IZIU CC .2

000 π

== vào (11), ta có biểu thức:

Hình 2

34


Hình 4

Hình 5

ZIZRIU C 022

00 =+= (13)

với ZC là dung kháng của tụ điện:

CfZC .2

1π

= (14)

và Z là tổng trở của mạch R-C đối với dòng điện xoay chiều tần số f:

22CZRz += (15)

Chia hai vế của (13) cho 2 , ta nhận được định luật Ohm đối với mạch điện xoay chiều R-C:

ZUI = (16)

trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện thế và cường độ dòng xoay chiều trong mạch R-C có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số.

3. Khảo sát mạch điện xoay chiều R-L Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f

vào hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện trở thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở R (Hình 4).

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong đoạn mạch ở thời điểm t có dạng:

).2sin(0 tfIi π=

Khi đó: LrR uruu ++= (17)

Vì uR và ur cùng pha với i, còn uL nhanh pha π/2 so với i, nên ta có thể viết:

)2

2sin(.2sin.2sin 000ππππ +++= ftUtfUtfUu LrR (18)

Tương tự, áp dụng giản đồ véctơ Fresnel (Hình 5), ta tìm được:

).2sin(0 ϕπ += tfUu (19)

với 20

2000 )( LrR UUUU ++= (20)

rRLf

UUU

tgrR

L

+=

+=

.2

00

0 πϕ (21)

Thay U0R = I0R, U0r = I0r và U0L = I02π f.L vào (20), ta có biểu thức:

ZIZZRIU L 022

0 )( =++= (22)

Với cảm kháng

Hình 3

35


Hình 6

ZL = 2π f.L (23) và Z là tổng trở của mạch R-L đối với dòng điện xoay chiều tần số f:

22)( LZrRZ ++= (24)

Chia hai vế của (22) cho 2 , ta nhận được định luật Ohm đối với mạch điện xoay chiều R-L.

ZUI = (25)

trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện thế và cường độ dòng điện xoay chiều trong mạch R-L có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số.


A. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1. Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn điện 12V - 3A (AC - DC POWER SUPPLY) Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC (Hình

6) có thể cung cấp: • Điện áp một chiều 0 ÷ 12V được

lấy ra từ hai cọc đấu dây ±12V phía phải, cung cấp dòng tối đa 3A, có thể điều chỉnh liên tục nhờ núm xoay P. Hai đồng hồ A và V lắp trên mặt bộ nguồn dùng chỉ thị gần đúng điện áp và dòng điện ra (> 1,5%).

• Điện áp xoay chiều cố định ~12V lấy ra từ hai lỗ đấu dây phía trái.

• Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn bằng cách: - Cắm phích lấy điện của bộ nguồn này vào ổ điện xoay chiều ~220V trên bàn thí nghiệm. - Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu sẵn sàng hoạt động. - Vặn từ từ núm xoay P theo chiều kim đồng hồ đồng thời quan sát vôn kế V trên mặt bộ

nguồn. Nếu kim chỉ thị của nó dịch chuyển đều đặn trên toàn thang đo (0 - 12V) là đạt yêu cầu. - Vặn trả lại núm xoay P về vị trí tận cùng bên trái. Bấm khoá K để tắt bộ nguồn.

36


2. Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của bóng đèn dây tóc a. Mắc mạch điện trên bảng lắp ráp theo sơ đồ hình 1. Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC

cung cấp điện áp một chiều biến đổi 0 ÷ 12V (lấy trên hai cực ±12V của bộ nguồn) cho bóng đèn dây tóc Đ (12V - 3W). Dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vôn kế một chiều V và ampekế một chiều A.

b. Chọn thang đo cho đồng hồ • Vôn kế V đặt ở thang đo một chiều DCV20V. Lỗ “V/Ω” là cực dương (+), lỗ “COM” là

cực âm (-) của vôn kế. Sử dụng hai dây đo có hai đầu phích (hoặc có mỏ kẹp cá sấu) để nối vôn kế song song với mạch điện.

• Amekế A đặt ở thang đo một chiều DCA 10A. Lỗ “20A” là cực dương (+), lỗ “COM” là cực âm (-). Sử dụng hai dây đo có hai đầu chốt để mắc Ampe kế nối tiếp với mạch điện.

Sau khi thiết lập xong. Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trước khi cấp điện cho mạch. c. Tiến hành đo + Bấm nút “ON/OFF” trên vôn kế V và ampekế A cho chúng hoạt động. + Vặn từ từ núm xoay P của bộ nguồn để điều chỉnh hiệu điện thế U (chỉ trên vôn kế

hiện số V) tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 12V. Đọc và ghi các giá trị cường độ dòng điện I tương ứng (chỉ trên vôn kế hiện số A) vào bảng 1.

Bảng 1: Đo đặc trưng Vôn – Ampe của dây tóc bóng đèn

Vôn kế V Um = …….. α = ……… δU = …….. n = ………

Ampe kế A: Im = ………… α =………. δI = ………… n = .……… tp = ………… (0C)

Ôm kế Ω: Rm = ………..α = …………. δR = ………. n = ………… Rp = ………… (Ω)

U(V) I(A) U(V) I(A) U(V) I(A) U(V) I(A)

1 2 3

……… ……… ………

4 5 6

………… ………… …………

7 8 9

……… ………. ………

10 11 12

……… ……… ………

d. Kết thúc phép đo: Vặn nhẹ núm xoay P về tận cùng bên trái. Bấm khoá K để tắt bộ nguồn. Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng.

Lưu ý: + α trong các bảng số liệu là độ phân giải của thang đo trên đồng hồ vạn năng hiện số.

VV 01,0200020

==α .

+ Sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng hiệu điện thế U là: ∆U=δ(%).U+n.α.

Trong đó: U : Giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ. δ(%) : Cấp chính xác của thang đo.

37


3. Xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn + Để xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn, ta phải đo điện trở của dây tóc đèn ở

nhiệt độ phòng bằng cách tháo vôn kế V ra khỏi mạch điện, vặn chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí “200Ω” để dùng nó làm ôm kế đo điện trở. Các cực “V/Ω” và “COM” của ôm kế được nối với hai đầu của bóng đèn Đ.

+ Bấm núm “ON” trên mặt ôm kế, đọc giá trị điện trở dây tóc và ghi vào bảng 1. Đọc và ghi giá trị nhiệt độ phòng tP trên nhiệt kế 0 đến 1000C vào bảng 1. Bấm núm “OFF” để tắt điện cho ôm kế.

+ Ghi vào bảng 1 giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n qui định đối với thang đo đã chọn trên vôn kế V và ampekế A (xem bảng các thông số kĩ thuật của đồng hồ hiện số DT9202 phần giới thiệu dụng cụ đo).

4. Xác định điện dung của tụ điện trong mạch RC a. Mắc mạch điện: Mắc tụ điện C và điện trở R vào bảng điện như trên sơ đồ hình 2. Điện

áp xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện. Tiếp tục dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vôn kế và ampekế xoay chiều.

b. Chọn thang đo cho đồng hồ • Vôn kế V đặt ở thang đo xoay chiều ACV 20V, mắc song song với các đoạn mạch cần đo

hiệu điện thế. • Ampekế A đặt ở thang đo xoay chiều ACA 200mA. Hai dây đo cắm vào lỗ “COM” và

“A”, rồi mắc nối tiếp xen vào mạch điện giữa R và C bằng hai đầu cốt (Hình 2). Sau khi thiết lập xong, Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trước khi cấp điện cho mạch. c. Tiến hành đo: Bước 1: Bấm núm “ON/OFF” trên mặt vôn kế V và ampekế A, cho chúng hoạt động. Bước 2: Bấm khoá K của bộ nguồn. Quan sát, đọc và ghi giá trị cường độ dòng điện chỉ

trên Ampe kế A vào bảng 2.

Bảng 2: Khảo sát mạch R - C

Vôn kế V Um = ……….. α = …………. δU = ……….. n = ………….

Ampe kế A: Im = ……….. α = ………… δI = ……….. n = ………….

I (mA) U (V) UR (V) UC (V) Z (Ω) R (Ω) ZC (Ω) C (F)

Bước 3: Dùng vôn kế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, UR giữa hai đầu điện trở thuần R và UC giữa hai đầu tụ điện C, đọc và ghi vào bảng 2.

d. Kết thúc phép đo: Bấm khoá K để tắt bộ nguồn. Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng.

Ghi vào bảng 2: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính và số n qui định đối với thang đo đã chọn trên vôn kế và ampekế.

38


5. Xác định hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn trong mạch RL a. Mắc mạch điện: Mắc cuộn dây dẫn có điện trở thuần r, hệ số tự cảm L nối tiếp với điện

trở R vào bảng lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình 4. Điện áp xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện. Vẫn dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vôn kế và ampekế xoay chiều.

b. Chú ý: Giữ nguyên vị trí thang đo của vôn kế xoay chiều V và ampekế xoay chiều A như trong thí nghiệm khảo sát mạch điện RC nêu trên.

Mời giáo viên kiểm tra mạch điện trước khi nối mạch cần đo với bộ nguồn 12V- 3A/AC-DC c. Tiến hành đo: Bước 1: Bấm núm “ON/OFF” trên mặt vôn kế V và ampekế A cho chúng hoạt động. Bước 2: Bấm khoá K của bộ nguồn. Quan sát, đọc và ghi giá trị cường độ dòng điện chỉ

trên Ampe kế A vào bảng 3. Bước 3: Dùng vôn kế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn

mạch, UR giữa hai đầu điện trở thuần R, và UL giữa hai đầu cuộn dây dẫn L, đọc và ghi vào bảng 3. Kết thúc phép đo: Bấm khoá K để tắt bộ nguồn. Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng hồ

để tắt điện cho chúng. Bước 4: Đo điện trở thuần của cuộn dây. + Tháo vôn kế V ra khỏi mạch điện, vặn chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí

“200Ω” hoặc “2k” dùng nó làm ôm kế để đo điện trở thuần r của cuộn dây. Các cực “V/Ω” và “COM” của ôm kế được nối với hai đầu của cuộn dây L.

+ Bấm núm “ON” trên mặt ôm kế, đọc giá trị điện trở thuần r của cuộn dây và ghi vào bảng 3. Sau đó, bấm núm “ON/OFF” tắt điện cho ôm kế.

Bảng 3: Khảo sát mạch R - L

Ôm kế: Rm = ………….. α = ………..……. ∆R = ………..….. n = …………….. RP = …...………

I (mA) U (V) UR (V) UL (V) Z (Ω) R (Ω) ZL (Ω) L (H)

Ghi vào bảng 3: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n qui định đối với thang đo đã chọn trên vôn kế V, ampekế A và ôm kế Ω.

B. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1. Dựa vào các cặp giá trị của I, U tương ứng, các giá trị RP và tP thu được trong bảng 1: Vẽ đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc.

39


Xác định nhiệt độ T của dây tóc đèn Đ nóng sáng khi giữa hai cực của đèn có hiệu điện thế U = 10V dựa theo các công thức (1), (5) và (6).

2. Dựa vào các giá trị I, U, UR, UC đo được bảng 2 để xác định:

• Tổng trở: I

UZRZ C =+= 22

• Điện trở thuần: I

UR R=

• Dung kháng I

UZ C

C =

• Điện dung CC Uf

IZf

C.2.2

1ππ

==

với f = 50Hz ± 1% là tần số lưới điện quốc gia.

3. Dựa vào các giá trị đo được của U, I và R đo được bảng 3 để xác định:

• Tổng trở: I

UZ =

• Cảm kháng 22 )( rRZZ L +−=

• Hệ số tự cảm f

ZL L

π2=

với f = 50Hz ± 1% là tần số lưới điện quốc gia.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Tại sao đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc không phải là đường thẳng? 2. Nêu rõ quan hệ về tần số, pha và biên độ giữa cường độ dòng điện xoay chiều và hiệu điện

thế xoay chiều trong đoạn mạch: - Chỉ chứa điện trở thuần R; - Chỉ chứa tụ điện có điện dung C ; - Chỉ chứa cuộn dây dẫn có hệ số tự cảm L 3. Dùng giản đồ vectơ Fresnel, thiết lập quan hệ về tần số, pha và biên độ giữa cường độ dòng

điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong mạch RLC không phân nhánh. Từ đó suy ra biểu thức xác định tổng trở của mạch RLC. Điều kiện để cường độ dòng điện

trong mạch RLC đạt cực đại? 4. Trình bày cách xác định điện dung C của tụ điện và hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn theo

phương pháp vôn-ampe đối với dòng điện xoay chiều. 5. Nói rõ cách xác định sai số tuyệt đối của cường độ dòng điện và của hiệu điện thế đo trực

tiếp trên các đồng hồ đa năng hiện số.

40


BÀI 5: HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG. NGHIỆM LẠI ĐỊNH LUẬT MALUS

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát hiện tượng phân cực ánh sáng. Từ đó nghiệm lại định luật Malus bằng cách vẽ đồ

thị biểu diễn hàm số I = f(cos2a). Hiểu được tại sao sóng ánh sáng là sóng ngang và hiểu rõ các ứng dụng của kính phân cực.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Nguồn sáng phát ra chùm tia sáng có độ rộng có thể thay đổi được; 2. Hai bản tinh thể tua – ma – lin; 3. Màn ảnh có gắn tế bào quang điện; 4. Đồng hồ đo điện.

III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện tượng giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng cho ta thấy rõ bản chất sóng của ánh

sáng, nhưng không giúp ta xác định được sóng ánh sáng là sóng dọc hay sóng ngang. Hiện tượng phân cực ánh sáng trình bày trong bài thí nghiệm này sẽ giúp ta giải quyết vấn đề đó và chứng tỏ rằng sóng ánh sáng là sóng ngang.

1. Thí nghiệm cơ bản về hiện tượng phân cực ánh sáng

a. Thí nghiệm 1: Sơ đồ thí nghiệm – hình 1. + Bản phân cực T1 là một bản tinh thể tua-ma-lin (còn gọi là đá nhiệt điện, một loại tinh thể

thiên nhiên), có 2 mặt song song với trục tinh thể. + Chiếu một chùm tia sáng hẹp, song song đi qua bản phân cực và vuông góc với mặt bản

(hình 1). Đặt mắt ở A sau bản phân cực để đón chùm tia sáng.

+ Quay bản T1 theo chiều mũi tên, quanh phương truyền SA của chùm sáng ta thấy cường độ của chùm không thay đổi. Vậy sóng ánh sáng từ một nguồn sáng thông thường rọi vào bản tua-ma-lin có tính chất đối xứng tròn xoay quanh phương truyền của nó.

Hình 1

b. Thí nghiệm 2: Sơ đồ thí nghiệm – hình 2. Bây giờ, trên đường truyền của chùm tia SA tiếp theo sau bảng T1 ta đặt thêm một bản tua-

ma-lin T2 hoàn toàn tương tự với T1 (tức là cũng có hai mặt song song với trục tinh thể). Quay bản T1 SA (hình 2) ta thấy cường độ chùm sáng thay đổi một cách tuần hoàn:

+ Khi trục tinh thể của hai bản T1 và T2 song song với nhau (hình 2a) thì cường độ chùm sáng ở A cực đại;

41


+ Khi trục tinh thể của hai bản T1, T2 vuông góc với nhau (hình 2b) thì cường độ chùm sáng ở A triệt tiêu;

+ Khi trục tinh thể của hai bản làm với nhau một góc α nào đó thì cường độ sáng ở A có một trị số trung gian, giữa trị số 0 và trị số cực đại trên.

Thí nghiệm này chứng tỏ rằng chùm tia sáng sau khi qua bản tua-ma-lin T1 không còn tính chất đối xứng tròn xoay quanh phương truyền của nó nữa. Vì cường độ của nó phụ thuộc vào sự định hướng tương hỗ của hai bản tua-ma-lin.

Kết luận: Ta nói rằng, chùm tia sáng ra khỏi bản T1 là chùm tia bị phân cực và bản tua-ma-lin T1 gây ra sự phân cực của chùm tia sáng ấy, gọi là kính phân cực. Bản tua-ma-lin T2 dùng để nhận biết chùm tia sáng phân cực, gọi là kính phân tích. Hiện tượng này gọi là sự phân cực ánh sáng:

Hình 2

Chú ý rằng hai bản T1 và T2 là hoàn toàn giống nhau. Nếu cho ánh sáng truyền ngược lại từ A đến S thì T2 trở thành kính phân cực, T1 lại dùng làm kính phân tích và hiện tượng xảy ra hoàn toàn giống như trên.

2. Định luật Malus a. Các khái niệm + Mặt phẳng chứa phương truyền của ánh sáng và phương dao động của ánh sáng gọi là

mặt phẳng của chấn động. + Mặt phẳng chứa phương truyền và vuông góc với phương dao động gọi là mặt phẳng

phân cực. Vậy mặt phẳng chứa phương truyền và trục tinh thể của bản tua-ma-lin là mặt phẳng của

chấn động. b. Xác định cường độ chùm tia phân cực - Định luật Malus Thực ra, để xác định một chùm ánh sáng phân cực thì chỉ cần một trong hai mặt phẳng nói

trên. Thông thường, người ta dùng mặt phẳng phân cực. Nhưng dùng mặt phẳng của chấn động lại tiện lợi và đơn giản hơn nên chúng ta sẽ dùng mặt phẳng của chấn động trong thí nghiệm này.

Mặt phẳng chấn động được xác định bởi kính phân cực nên nó gắn liền với kính phân cực và khi quay kính nó cũng quay theo.

42


1

2

3

6

5

4

Ta đặt tiếp một kính phân cực và một kính phân tích song song với nhau. Sau đó cho một chùm sáng song song, cường độ I0 qua hai kính. Giả sử rằng mặt phẳng của chấn động P và A của hai kính tạo với nhau một góc α . Ta tính cường độ sáng I của chùm tia qua hệ.

Gọi OP là phương dao động và V là vectơ biểu diễn chấn động sau khi qua kính phân cực. Kính phân tích chỉ để lọt những chấn động có phương dao động OA. Chấn động V mà nó nhận được có thể coi là tổng hợp của 2 chấn động V1 và V2 hướng theo OA và theo trục OI ⊥ OA. V1 song song với OA, do đó hoàn toàn qua được kính phân tích, còn V2 ⊥ OA hoàn toàn bị chắn lại. Vậy sau khi qua kính phân tích, trong chùm sáng chỉ còn chấn động V1. Ta có:

V1 = V.cosα (1) Cường độ sáng I tỷ lệ với bình phương biên độ của V1, do đó:

α2221 cos.VVI =≈ (2)

Hay là

αα 20

22 coscos IAI =≈ (3)

Biểu thức trên chính là biểu thức của định luật Malus, được phát biểu như sau:

“Cường độ chùm tia sáng qua kính phân cực và kính phân tích tỷ lệ với α2cos , α là góc tạo bởi các mặt phẳng chấn động (hay các mặt phẳng phân cực) của 2 kính ấy”.

Định luật Malus được áp dụng nhiều trong thực tế, ví dụ để thay đổi cường độ một chùm sáng một cách liên tục, ngoài phương pháp dùng nêm hấp thụ người ta còn dùng phương pháp phân cực. Cho chùm sáng phải thay đổi đi qua hai kính phân cực thì khi quay kính thứ hai, cường độ của chùm sẽ biến thiên theo công thức (3). Ngoài ra do những ưu điểm của các kính phân cực mà nó được dùng trong các cửa sổ phân cực sáng, làm kính chắn sáng cho máy bay, ô tô… Kính phân cực cũng được dùng để làm các thiết bị hiển thị (display) như đồng hồ, máy tính…


1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm như hình 4

1. Bộ đổi nguồn; 2. Nguồn sáng thay đổi được

độ rộng của chùm tia; 3. Bản phân cực; 4. Bản phân tích; 5. Màn ảnh có gắn tế bào

quang điện; 6. Đồng hồ đo dòng điện.

43


2. Tiến hành thí nghiệm Bước 1: Bật công tắc nguồn sáng, điều chỉnh sao cho cả hệ thống thẳng hàng, đặt đồng hồ ở

thang đo dòng điện một chiều ứng với nấc nhỏ nhất. Khi đó có vòng tròn sáng trên màn ảnh gắn tế bào quang điện.

Lưu ý: Điều chỉnh độ sáng trên màn ảnh gắn tế bào quang điện bằng núm xoay trên bộ đổi nguồn.

Bước 2: Xoay trục của bản phân cực, đặt kim ở vị trí số 0 và quan sát trên màn ta thấy có một độ sáng nào đó chứng tỏ hệ thống thí nghiệm đã sẵn sàng làm việc tốt.

Bước 3: Giữ nguyên vị trí của bản phân cực, xoay bản phân tích và quan sát vết sáng trên màn cho đến khi tối nhất (ứng với giá trị nhỏ nhất của dòng quang điện) thì dừng lại. Khi đó quang trục của hai bản đã vuông góc với nhau hay góc giữa hai trục: α = 900.

Chú ý: Vì không thể loại trừ hết ánh sáng ký sinh và những nguyên nhân khác cho nên khi α =900 đồng hồ không thực sự chỉ 0. Vì thế ta lấy giá trị cực tiểu của dòng điện làm gốc 0 mới cho đồng hồ và gọi là điểm 0 hiệu chỉnh (tức là phải hiệu chỉnh các số liệu đo bằng cách lấy số liệu đo trừ đi giá trị dòng điện ứng với vị trí 090=α ).

Bước 4: Tiến hành đo: Vặn từ từ trục của bản phân cực sao cho kim dịch chuyển 50 một, ghi các giá trị tương ứng của dòng điện chỉ trên đồng hồ đo điện vào bảng số liệu sau đây:

1. Giá trị thang đo dòng quang điện: mA (DC): ……................................................... 2. Giá trị cực tiểu của dòng điện khi α = 900 : ……………………………………….

α (0) α2cos

I(mA) (Sau khi đã hiệu chỉnh)

α (00) α2cos


α (00) α2cos


50

100

150

…

Khi làm xong thí nghiệm phải tắt đèn và xếp gọn dụng cụ.

3. Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu Dựa vào bảng số liệu, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số I = f(cos2α).

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Trình bày hiện tượng phân cực ánh sáng và định luật Malus. 2. Tại sao sóng ánh sáng là sóng ngang. 3. Trình bày các ứng dụng của hiện tượng phân cực ánh sáng.

44


BÀI 6: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA DIODE VÀ TRANSISTOR

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát đặc tính chỉnh lưu của diode bằng cách vẽ đường đặc trưng vôn – Ampe của nó. Khảo sát đặc tính khuếch đại của transitor bằng cách vẽ các đường đặc trưng Ic = f(IB). Từ

đó xác định vùng hoạt động tuyến tính và xác định được hệ số khuếch đại dòng điện β của transitor.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Bộ nguồn một chiều. 2. Bảng mạch thí nghiệm. 3. Một diode và một transistor npn. 4. Hai điện trở 680Ω. 5. Ba đồng hồ vạn năng hiện số. 6. Bộ dây nối mạch điện.


1. Đặc tính chỉnh lưu của Diode bán dẫn a. Tính dẫn điện của bán dẫn tinh khiết Các nguyên tử Silic (Si), German (Ge)… có 4 electron ở lớp ngoài cùng, khi kết tinh, chúng

liên kết với nhau nhờ 4 đôi electron góp chung với 4 nguyên tử lân cận, gọi là liên kết đồng hoá trị. Vì vậy ở nhiệt độ thấp, các tinh thể Ge, Si… tinh khiết không có các electron tự do, chúng là những chất cách điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, năng lượng chuyển động nhiệt đủ cho một số electron bứt ra khỏi mối liên kết đồng hoá trị, trở thành electron tự do và để lại ở nguyên tử một lỗ trống p, tương đương với một hạt điện dương mang điện tích +e. Lỗ trống này như một cái bẫy, có thể bắt electron của nguyên tử bên cạnh và tạo ra một lỗ trống mới. Cơ chế này cho phép các lỗ trống có thể di chuyển tự do trong tinh thể nên lỗ trống được gọi là các lỗ trống tự do. Như vậy, nhờ quá trình ion hoá và nhiệt mà hai loại hạt mang điện tự do e và p đồng thời xuất hiện trong chất bán dẫn với nồng độ bằng nhau (ne = np = ni), cùng tham gia vào quá trình dẫn điện. Ở nhiệt độ phòng, quá trình ion hoá vì nhiệt của các bán dẫn tinh khiết xảy ra yếu, nồng độ ni rất nhỏ và điện trở suất của chúng khá lớn.

b. Bán dẫn tạp chất Khi pha tạp các nguyên tử thuộc nhóm 5, chẳng hạn như Arsenic (As) vào tinh thể Silic, 4

trong số 5 electron trong lớp ngoài cùng của nguyên tử As liên kết đồng hoá trị với 4 nguyên tử Silic xung quanh, còn lại 1 electron liên kết yếu với hạt nhân As dễ bị bứt ra khỏi As để trở thành electron tự do và As trở thành 1 ion dương tạp chất. Ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt đủ để ion hoá toàn bộ các nguyên tử tạp As trong mạng tinh thể Si, tạo ra rất nhiều electron tự do. Như vậy, e chiếm đa số, trở thành hạt dẫn cơ bản, lỗ trống chiếm thiểu số trở thành loại hạt dẫn không cơ bản. Do đó bán dẫn pha tạp As được gọi là bán dẫn loại n, có ne >> np.

Tương tự, nếu ta pha tạp vào tinh thể Silic các nguyên tử thuộc nhóm 3, ví dụ Gallium (Ga) chỉ có 3 electron lớp ngoài cùng. Khi liên kết với 4 nguyên tử Si xung quanh, Ga bị thiếu 1

45


electron, tạo ra một nút khuyết hay một lỗ trống liên kết. Khi đó Ga có thể bắt một electron của nguyên tử Si ở xung quanh để trở thành một ion âm Ga tạp chất và tạo ra một lỗ trống tự do. Bán dẫn trở nên giàu lỗ trống tự do, được gọi là bán dẫn loại p. Lỗ trống chiếm đa số, là hạt dẫn cơ bản, electron là hạt dẫn không cơ bản: ne << np.

c. Tiếp xúc pn và đặc tính chỉnh lưu Khi cho hai bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, tại miền tiếp xúc, do có sự chênh

lệch lớn về nồng độ các hạt dẫn cùng loại giữa hai bên nên xảy ra hiện tượng khuếch tán các hạt dẫn cơ bản từ miền này sang miền kia, lỗ trống từ miền p sang n và electron từ n sang p. Khi di chuyển sang p, electron sẽ tái hợp với lỗ trống ở bên p đồng thời để lại ở bán dẫn n các ion (+) tạp chất, hình thành nên vùng điện tích không gian (+), gọi là vùng nghèo (thiếu hạt dẫn cơ bản là electron).

Tương tự, khi lỗ trống di chuyển sang bên n sẽ cũng tạo ra vùng điện tích không gian (-) ở bán dẫn p.

Hình 1

Kết quả là một lớp ‘điện tích kép’ xuất hiện ở lân cận hai bên mặt tiếp xúc, hình thành nên một điện trường tiếp xúc (E tx) hướng từ n sang p. Điện trường này ngăn cản chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản, mặt khác nó lại gia tốc cho chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản đi qua tiếp xúc pn, còn gọi là chuyển động ‘trôi’. Chuyển động ngược chiều nhau của hai dòng “khuếch tán” và “trôi” sẽ đi tới một trạng thái cân bằng động: Itr = Ikt và tạo nên một điện trường tiếp xúc Etx xác định, tương ứng một hiệu thế tiếp xúc Utx xác định (Hình 1a). Utx vào cỡ 0,3V đối với bán dẫn làm từ Ge và 0,6V đối với bán dẫn làm từ Si.

Nếu chúng ta đặt một điện trường ngoài E lên tiếp xúc p - n sao cho điện thế (+) đặt lên bán dẫn p và điện thế (-) lên bán dẫn n (Hình 1b) thì khi đó điện trường ngoài sẽ ngược hướng Etx. Nếu E đủ lớn thì nó sẽ triệt tiêu điện trường tiếp xúc, đồng thời gia tốc cho chuyển động của các hạt dẫn cơ bản của cả hai bên chạy qua tiếp xúc pn tạo ra một dòng điện lớn. Nói cách khác, vùng nghèo bị thu hẹp lại và điện trở của lớp tiếp xúc pn trở nên rất nhỏ. Trong trường hợp này ta nói rằng tiếp xúc p - n được phân cực thuận.

Ngược lại nếu điện thế (-) đặt lên bán dẫn p và điện thế (+) đặt lên bán dẫn n (Hình 1c) thì điện trường ngoài E sẽ cùng chiều E tx… Điện trường tổng hợp (cùng chiều E tx) một mặt triệt tiêu hoàn toàn dòng khuếch tán của các hạt điện cơ bản, mặt khác gia tốc mạnh mẽ các hạt dẫn không cơ bản, dòng khuếch tán của các hạt điện cơ bản, làm cho cường độ dòng các hạt này nhanh chóng tăng lên đến mức bão hoà, người ta thường gọi là dòng điện ngược bão hoà và ký hiệu là I0. Tuy nhiên nồng độ các hạt dẫn không cơ bản rất nhỏ nên giá trị của I0 chỉ vào cỡ 10-9A. Trong trường hợp này ta nói tiếp xúc p - n được phân cực ngược.

46


Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng dòng điện đi qua tiếp xúc p - n tuân theo quy luật hàm mũ:

0eUI I exp 1kT

= − (1)

với I0: cường độ của dòng điện ngược bão hoà; e: điện tích của electron; k: hằng số Boltzmann, T: nhiệt độ tuyệt đối (K).

Đồ thị I = f(UAK) trên hình 2b cho biết mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua tiếp xúc pn và điện áp đặt giữa hai cực của nó, gọi là đường đặc trưng vôn - ampe. Rõ ràng, tiếp xúc pn chỉ cho phép dòng điện một chiều đi qua. Tính chất này của lớp tiếp xúc pn gọi là đặc tính chỉnh lưu hay tính chất van.

d. Diode Tiếp xúc pn và đặc tính chỉnh lưu của nó được ứng dụng để tạo ra một dụng cụ bán dẫn gọi

là diode (điốt), là dụng cụ không thể thiếu trong các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và nhiều ứng dụng khác trong kỹ thuật điện tử. Ký hiệu của diode trong mạch điện được chỉ ra trên hình 2, trong đó mũi tên chỉ chiều dòng điện xuất phát từ miền bán dẫn p. Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đặc tính chỉnh lưu của diode bằng cách vẽ đường đặc trưng vôn – ampe I=f(U) của nó.

2. Transitor và đặc tính khuếch đại của transitor Transitor là dụng cụ bán dẫn được cấu tạo từ ba miền có tính dẫn điện khác nhau. Nếu miền

ở giữa là bán dẫn loại p thì hai bên là bán dẫn loại n: đó là transitor loại npn (hình 3a). Còn nếu phần ở giữa là bán dẫn loại n thì hai bên là bán dẫn loại p: đó là transitor loại pnp (hình 3b).

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của transistor loại npn được mô tả trên hình 3c: phần giữa là bán dẫn loại p có bề dày rất nhỏ (cỡ vài micrômét) và có điện trở suất lớn, gọi là miền bazơ. Điện cực nói với miền bazơ gọi là cực bazơ (B) hay cực gốc. Phần bên trái là bán dẫn loại n rất giàu tạp chất và có điện trở suất nhỏ, gọi là miền emitơ. Điện cực nối với miền emitơ gọi là cực êmitơ (E) hay cực phát. Phần bên phải là bán dẫn loại n có nồng độ tạp chất trung bình, gọi là miền colectơ. Điện cực nối với miền colectơ gọi là cực colectơ (C) hay cực góp. Như vậy bên trong mỗi transistor có hai lớp tiếp xúc pn nằm giữa B - E và C - E.

(a) Trandito NPN (b) Trandito PNP (c) Cơ chế hoạt động của Trandito NPN

Hình 3

(a) (b)I(mA)

Hình 2

47


Để transistor hoạt động thì lớp tiếp xúc B-E phải được phân cực thuận còn lớp tiếp xúc C-B được phân cực ngược (hình 3c). Nhờ nguồn U1’ tiếp xúc B - E được phân cực thuận, tạo ra dòng các electron phun từ miền E sang miền B. Do miền B rất mỏng và có điện trở suất lớn nên chỉ có một số ít các electron đến được cực B tạo ra dòng IB rất nhỏ, còn đa số các electron sẽ chuyển đến tiếp giáp C - B và được điện trường gây bởi nguồn U2 cuốn sang miền C tạo thành dòng IC khá lớn gần bằng dòng IE (*). Ở đây cần lưu ý là tại mỗi tiếp xúc, các hiện tượng động học của các hạt dẫn cơ bản cũng như không cơ bản xảy ra giống như ta đã biết trong phần 1c. Vì vậy, dòng điện trên các cực E và C đều có sự đóng góp của cả 2 loại hạt dẫn này, nghĩa là ta có:

IE = IEP + IEn và Ic = ICP + ICn (2) trong đó chỉ số p là ký hiệu dòng sinh ra bởi các lỗ trống còn chỉ số n là ký hiệu dòng sinh

ra bởi các electron. Dòng ICP là dòng các hạt điện không cơ bản trong miền C được tính đến khi coi như không có tiếp xúc n - p giữa E và B, nghĩa là IE = 0 nên ký hiệu ICP = ICB0, vì thế:

IC = ICn + ICB0 (3)

Nếu ta đặt: α = ICn/IE, từ (*) suy ra α ≈ 1, do vậy:

IC = αIE + ICB0 (4)

Khi đó dòng emitơ IE sẽ là: IE = IB + IC với IB << IC (5)

Thay (5) vào (4) được:

IC = α (IB + IC) + ICB0 (6)

Rút ra: IC = (α/1-α) IB + (1/1-α)ICB0

Suy ra:

∆IC/∆IB = α/(1 - α) = β (7)

Theo (3) α ≈ 1, do đó β >>1.

Như thế có nghĩa là chỉ cần IB thay đổi 1 lượng rất nhỏ cũng làm IC thay đổi một lượng rất lớn, do đó β được gọi là hệ số khuếch đại dòng. Người ta lợi dụng tính chất này của transistor để làm dụng cụ khuếch đại dòng điện.

Hình 4 chỉ ra đường đặc trưng IC = f (IB) (gọi là đặc tuyến truyền đạt của transistor), đoạn OM tương ứng với transistor làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính.

Trên đoạn MN transistor hoạt động ở chế độ bão hoà. Khi đó điện trở giữa hai cực C - E của transistor rất nhỏ và transistor được sử dụng như một công tắc (đóng ngắt điện).

Trong thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đặc tính khuếch đại của transistor bằng cách vẽ các đường đặc trưng IC = f(IB). Từ đó xác định vùng hoạt động tuyến tính và xác định được hệ số khuếch đại dòng điện β của transistor.

Ic(mA)

Icbh

Hình 4. Đặc tuyến IC = f (IB) của transistor

IB (µA)

N M

O

48



Hình 5

Chú ý: Các ampe kế và vôn kế sử dụng là các đồng hồ vạn năng hiện số. Trong bài thí nghiệm

này, các đồng hồ được sử dụng ở thang một chiều (phần ký hiệu màu vàng trên thang đo). Mọi thao tác tháo lắp mạch điện trên bảng mạch thí nghiệm chỉ được thực hiện khi các bộ

nguồn được ngắt điện hoàn toàn và các đồng hồ vạn năng ở trạng thái tắt (OFF)! Khi cần chọn lại các thang đo của các ampe kế hoặc vôn kế, nhất thiết phải giảm điện

áp các nguồn cung cấp U1, U2 về 0.

A. Khảo sát đặc tính của diode 1. Vẽ đặc trưng V - A của diode phân cực thuận

a. Mắc mạch điện vào bảng mạch thí nghiệm theo sơ đồ hình 6a. Nguồn điện U2 ban đầu đặt ở vị trí 0.

Hình 6. Sơ đồ mạch điện đo đặc trưng von-ampe của diode phân cực thuận (a) và nghịch (b)

b. Lựa chọn thang đo cho các đồng hồ Vôn kế đặt ở thang đo một chiều 20V.

49


Ampe kế A2 chọn thang đo một chiều 20mA. Sau khi thiết lập xong, mời cán bộ hướng dẫn kiểm tra mạch điện c. Tiến hành đo Bước 1: Cắm phích điện của bộ nguồn U2. Sau đó bật công tắc nguồn U2 , đèn LED sáng

báo hiệu sẵn sàng hoạt động. Bước 2: Vì dòng điện It = 0 tương ứng với hiệu điện thế U giữa hai cực của diode có giá trị

từ 0 đến U0 nên U0 là giá trị lớn nhất của hiệu điện thế giữa hai cực diode sao cho dòng điện It = 0 .

+ Tìm U0: Vặn từ từ núm xoay của nguồn U2 để hiệu điện thế U giữa hai cực của diode chỉ trên vôn kế V tăng dần từ 0 đến giá trị U0 xác định nào đó mà Ampe kế vẫn chỉ It = 0 .

+ Tiến hành đo các cặp giá trị (U, It ) tương ứng, bắt đầu từ giá trị U = U0 : vặn từ từ núm xoay của nguồn U2 để cho U giữa hai cực của diode chỉ trên Vôn kế tăng dần từng 0,02 V từ U = U0 (khoảng 10 cặp giá trị). Đọc và ghi các cặp giá trị (U, It) tương ứng vào bảng 1 .

Bảng 1

Um = ………………..(V); δU = ………………………….(%) Thang đo………..….(%) It = ………………..(mA); δA1= In = ………………..(mA); δA2= ………………………….(%)

Chiều thuận

U (V)

I (mA)

Chiều nghịch

U (V)

I (mA)

Bước 3: Vặn núm xoay của nguồn U2 về vị trí 0. Lưu ý: + α trong các bảng số liệu là độ phân giải của thang đo trên đồng hồ vạn năng hiện số

VV 01,0200020

==α .

+ Sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng hiệu điện thế U là: ∆U = δ(%).U+n.α. Trong đó: U: Giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ. δ(%): Cấp chính xác của thang đo.

2. Khảo sát đặc trưng V - A của diode phân cực ngược a. Mắc lại mạch điện theo sơ đồ hình 6b. Nguồn điện U2 ban đầu đặt ở vị trí 0. b. Lựa chọn thang đo cho các đồng hồ Vôn kế đặt ở thang đo một chiều 20V. Ampe kế A2 chọn thang đo một chiều 50µA.

50


Sau khi thiết lập xong, mời cán bộ hướng dẫn kiểm tra mạch điện. c. Tiến hành đo Bước 1: Cắm phích điện của bộ nguồn U2. Bật công tắc của nguồn U2, đèn LED sáng báo

hiệu sẵn sàng hoạt động. Bước 2: Vặn từ từ núm xoay của nguồn U2 để hiệu điện thế U chỉ trên vôn kế V tăng dần

từng 1V, từ 0'U cỡ 1V đến 10V. Đọc và ghi các giá trị của cường độ dòng điện ngược chỉ

trên ampe kế A2 tương ứng với giá trị của hiệu điện thế U vào bảng 1. Bước 3: Vặn núm xoay của nguồn U2 về vị trí 0. Rút phích điện của bộ nguồn ra khỏi

nguồn điện.

B. Khảo sát đặc tính của transistor 1. Nguyên tắc chung

Để có thể vẽ đường đặc trưng IC = f (IB) (hình 7) ta tiến hành theo trình tự sau:

- Vẽ họ đường cong IC = f(UC) biểu diễn sự phụ thuộc của dòng colectơ IC vào hiệu thế UCE giữa colectơ và emitơ ứng với các giá trị không đổi của dòng bazơ IB = µA, 20µA, 30µA, 40µA.

- Xác định quan hệ IC = f(IB) ứng với cùng giá trị của hiệu thế UCE = 3V bằng cách kẻ đường thẳng song song với trục tung tại vị trí UCE = 3V và lấy toạ độ các giao điểm của nó với họ đường cong IC = f(UCE). Từ đó vẽ đường đặc trưng IC = f(IB) của transistor có dạng đường thẳng OM như hình 7 và suy ra hệ số khuếch đại dòng điện β của transistor có trị số bằng độ dốc tgα của đường OM:

C

B

I tgI

∆β = = α

∆ (8)

2. Trình tự đo a. Mắc mạch điện trên mặt máy theo sơ đồ hình 8 Chọn điện trở tải colectơ Rc = 680Ω, điện trở mạch bazơ chọn RB = 100KΩ. Các nguồn điện U1 và U2 ban đầu đặt ở vị trí 0.

Hình 7.

51


Hình 8

b. Lựa chọn thang đo cho các đồng hồ Vôn kế đặt ở thang đo 20V. Ampe kế A1 chọn thang 50µA hoặc 200µA. Ampe kế A2 chọn thang 50mA hoặc 200mA. Sau khi thiết lập xong, mời cán bộ hướng dẫn kiểm tra mạch điện.

c. Tiến hành đo Bước 1: Bấm công tắc K đưa điện vào máy: đèn LED phát sáng. Bước 2: Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U1 để thiết lập dòng bazơ (chỉ trên ampe kế A1)

IB=10µA. Bước 3: Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U2 để vôn kế V chỉ hiệu điện thế UCE tăng dần

theo các giá trị ghi ở bảng 2. Đọc và ghi các giá trị hiệu thế UCE và dòng IC tương ứng (chỉ bởi A2) vào bảng 2.

Bảng 2:

Um = ………………..(V); δU = ………………………….(%) Thang đo I1 = ………………..(mA); δA1= ………………………….(%) I2 = ………………..(mA); δA2= ………………………….(%)

IB=10mA

UCE (V)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0

IC

(mA)

IB=20mA

UCE (V)

IC

(mA)

IB=30mA

UCE (V)

IC

(mA)

IB=40mA

UCE (V)

IC

(mA)

Chú ý: Cần thường xuyên quan sát đồng hồ A1 để điều chỉnh cho IB không đổi. Bước 4: Vặn núm xoay của nguồn U2 trả về vị trí 0. Bước 5: Tiếp tục thực hiện lại từ thao tác (2-c-d) với các giá trị không đổi của dòng bazơ

IB=20µA. 30µA, 40µA. Đọc và ghi các cặp giá trị tương ứng của UCE và IC vào bảng 2. Bước 6: Cuối cùng, vặn núm điều chỉnh các nguồn U1 và U2 về vị trí 0. Rút phích điện ra

khỏi ổ điện ∼220V. Tháo các dây nối mạch điện và xếp gọn các dụng cụ thí nghiệm.

52


Tra bảng để có giá trị thang đo và cấp chính xác δA1, δA2, δU của ampe kế A1, A2 và vôn kế V.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Phân biệt tính dẫn điện của bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n và loại p. Vì sao điện trở của

bán dẫn lại phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ? Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở của bán dẫn và của kim loại khác nhau thế nào?

2. Giải thích sự xuất hiện hiệu thế tiếp xúc Utx khi ghép hai bán dẫn p, n với nhau? Giải thích đặc tính chỉnh lưu của tiếp xúc pn.

3. Cường độ dòng điện I chạy qua diode phụ thuộc vào hiệu điện thế U giữa hai điện cực của nó theo quy luật nào, có thể áp dụng định luật Ôm cho diode được không? Vẽ đường đặc trưng vôn - ampe của diode.

4. Mô tả cấu tạo và ký hiệu của transistor loại npn. Giải thích cơ chế hoạt động và đặc tính khuếch đại dòng điện của transistor.

5. Theo anh chị thì dòng ICB0 có ảnh hưởng tốt, xấu thế nào đến hoạt động của transistor? Vùng hoạt động của transistor trong phạm vi thí nghiệm anh chị đã làm là tuyến tính hay phi tuyến, vì sao?.

6. Anh chị có nhận xét gì về cách bố trí các đồng hồ đo thế và dòng trong các sơ đồ mạch điện hình 6a và 6b? Vì sao phải bố trí khác nhau như vậy.

53


BÀI 7: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG BẰNG GIAO THOA CHO VÂN TRÒN NEWTON

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa ánh sáng với bản nêm không

khí.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Kính hiển vi có bộ chiếu sáng phản xạ. 2. Vật kính x4 (số 4). 3. Thị kính x7 (số 7). 4. Trắc vi thị kính x15 (số 15). 5. Giá cặp vật có vít điều chỉnh trượt ngang và trượt dọc. 6. Mẫu giao thoa cho vân tròn Newton. 7. Nguồn sáng. 8. Lọc sắc màu đỏ. 9. Biến thế điện 220 V/6-8V có núm điều chỉnh độ sáng của đèn.

III. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giao thoa ánh sáng là hiện tượng các sóng

ánh sáng kết hợp gặp nhau tại những điểm xác định trong không gian tạo thành hệ các vân sáng và vân tối xen kẽ nhau.

a) Cơ sở xác định bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa cho hệ vân tròn Newton.

Xét hiện tượng giao thoa ánh sáng cho bởi bản nêm không khí. Bản nêm không khí là một lớp không khí mỏng có độ dày thay đổi nằm giữa mặt lồi của một thấu kính phẳng - lồi L đặt tiếp xúc với mặt phẳng của một bản thuỷ tinh P (hình 1). Nếu chiếu chùm sáng song song đơn sắc có bước sóng λ vuông góc với mặt phẳng của bản phẳng thuỷ tinh P thì các tia sáng phản xạ từ các mặt trên và mặt dưới của nêm không khí sẽ giao thoa với nhau, tạo thành một hệ các vân sáng và vân tối hình tròn đồng tâm xen kẽ nhau - gọi là hệ vân tròn Newton. Trong trường hợp này, hiệu đường đi của các tia sáng phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí tại vị trí ứng với độ dày dk của bản là

R

L

dk

rk

ri

P

Hình 1

54


22 λ

+=∆ kd (1)

Đại lượng 2λ xuất hiện là do ánh sáng truyền từ bản nêm không khí tới mặt dưới của bản,

bị phản xạ trên mặt bản thuỷ tinh P chiết quang hơn không khí. Theo điều kiện cực tiểu giao thoa

2)12( λ

+=∆ k với k=0,1,2,… (2)

Từ (1) và (2), ta có

2λkdk = (3)

Gọi R là bán kính mặt lồi của thấu kính L. Vì dk << R, nên áp dụng hệ thức trong tam giác vuông trên hình 1, ta tính được bán kính rk của vân tối thứ k:

kkkk RdddRr 2)2(2 ≈−= (4)

Thay (3) vào (4), suy ra bước sóng của ánh sáng đơn sắc

kRrk

2=λ (5)

Thực tế không thể đạt được sự tiếp xúc lý tưởng (tiếp xúc điểm) giữa mặt thấu kính phẳng - lồi L và mặt phẳng thuỷ tinh P, nên vân tối chính giữa của hệ vân tròn Newton không phải là một điểm mà là một hình tròn. Vì thế, để xác định chính xác bước sóng λ của ánh sáng đơn sắc, ta phải áp dụng công thức (5) đối với hai vân tối thứ k và thứ i của hệ vân tròn Newton:

Rkrk λ=2 ,

Riri λ=2 .

Suy ra:

Rikrr ik λ)(22 −=−

Rikrrrr ikik

)())((

−+−

=λ

hay Rik

bB)(

.−

=λ (6)

trong đó đại lượng B = rk + ri và b = rk – ri có thể dễ dàng đo được bằng thước trắc vi thị kính của kính hiển vi.

b) Mẫu giao thoa Bộ phận tạo ra hệ vân tròn Newton (mẫu giao thoa) là một hộp nhỏ H bằng kim loại có ba

vít điều chỉnh ép thấu kính phẳng - lồi L tiếp xúc với bản thuỷ tinh phẳng P tạo giao thoa. Để quan sát và đo bán kính của các vân tròn Newton, ta dùng kính hiển vi có thước trắc vi thị kính.

c) Trắc vi thị kính Trắc vi thị kính là một kính lúp có tiêu cự ngắn, tại mặt phẳng tiêu đặt một bản mỏng trong

suốt có thước nhỏ được khắc độ đến milimét (từ 0 đến 8 mm) cố định. Ở sát mặt trên thước nhỏ

55


milimét này là một bản mỏng trong suốt thứ hai có khắc một vạch chữ thập xiên mà giao điểm của nó nằm trên đường thẳng đi qua chính giữa hai vạch chuẩn song song với các vạch chia của thước milimét (hình 2). Có thể dịch chuyển bản mỏng trong suốt thứ hai này nhờ một vít vi cấp có bước ren 1 mm gắn trong thị kính. Vành tròn của vít vi cấp có khắc 100 độ chia bằng nhau. Khi vít vi cấp quay đúng một vòng, vạch chuẩn sẽ dịch chuyển ngang đúng 1 mm (bằng 1 độ chia của

thước) và mỗi độ chia của vít vi cấp đúng bằng 1001mm

=

0,01mm. Số đọc trên thước cố định xác định bởi vị trí của vạch dấu kép. Số đọc trên vành vít vi cấp

xác định bởi vạch chuẩn ngang trên trục cố định giống như thước Panme thông thường.

Như vậy thước cố định (khắc từ 0 đến 8 mm) để đọc số milimét (chỉ đọc phần nguyên), còn số độ chia trên vít vi cấp để đọc số phần trăm milimét.

d) Sơ đồ quang học Sơ đồ quang học quan sát hệ vân tròn Newton

bố trí như hình 3: Ánh sáng phát ra từ đèn đơn sắc Đ chiếu vào mặt tấm kính bán mạ G đặt nghiêng 450. Sau khi đi qua nửa phản xạ - nửa truyền qua tấm kính G, các tia sáng dọi vào hệ thấu kính phẳng - lồi L và bản thuỷ tinh P theo phương thẳng đứng rồi phản xạ trên hai mặt của bản nêm không khí và giao thoa với nhau, tạo thành hệ vân tròn Newton ở mặt trên của bản nêm không khí. Khi đó nhìn qua thị kính TK của kính hiển vi, ta sẽ thấy rõ hệ vân tròn Newton.


1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm

2. Điều chỉnh hệ thống quang học + Kiểm tra việc lắp vật kính số x4 và thị kính x7 vào ống kính hiển vi. Đặt tấm nhựa trắng

lên giá cặp vật. + Cắm phích lấy điện và bật công tắc của biến thế, khi đó đèn sáng, ta sẽ thấy một vệt sáng

hình tròn, màu đỏ. Chú ý: Nếu vệt sáng chưa tròn thì phải điều chỉnh vị trí của bóng đèn và phương của tấm

phản xạ đến khi vệt sáng tốt nhất có thể.

Hình 2

56


1. Vật kính x4. 2. Thị kính x7. 3. Nguồn sáng. 4. Lọc sắc màu đỏ. 5. Mẫu giao thoa.

6. Biến thế điện 220V/6-8V. 7. Vít điều chỉnh ống kính lên hoặc xuống. 8. Vít trượt ngang và vít trượt dọc. 9. Trắc vi thị kính x15.

3. Tìm hệ vân giao thoa a. Tìm hệ vân giao thoa với thị kính + Đặt mẫu giao thoa lên trên tấm nhựa trắng, vặn vít điều chỉnh ống kính hiển vi để mặt

dưới của vật kính nằm cách mặt mẫu giao thoa khoảng 1 cm. + Điều chỉnh vít trượt ngang và vít trượt dọc (8) của giá cặp vật sao cho vệt sáng từ vật kính

chiếu vào đúng tâm mẫu giao thoa. + Vặn từ từ núm điều chỉnh lên xuống (7) để nâng ống kính của kính hiển vi lên và quan sát

trong thị trường ta sẽ thấy hệ vân tròn Newton. Chú ý: Không cho vật kính chạm vào mặt mẫu giao thoa để tránh làm hỏng mẫu giao thoa. b. Tìm hệ vân giao thoa với trắc vi thị kính Thay thị kính x7 bằng trắc vi thị kính x15 và lại điều chỉnh vít lên xuống (7) trên thân ống

kính hiển vi cho tới khi lại nhìn thấy hệ vân tròn Newton rõ nét.

4. Đo các đại lượng B và b Từ hình 4, ta nhận thấy B = rk + ri = KO + OI = KI b = rk - ri = OK’ – OI = IK’ Như vậy, ta chỉ cần đo độ dài của các đoạn thẳng KI và IK’ bằng thước trắc vi thị kính theo

cách sau: a) Dùng các vít trượt dọc và trượt ngang (8) của giá cặp vật để: + Điều chỉnh cho giao điểm của hình chữ thập vào tâm của hệ vân tròn Newton. + Điều chỉnh cho vân tối thứ k nào đó (chọn vị trí K ứng với vân tối có đường kính lớn nhất

có thể, k ≥ 3) nằm tiếp tuyến với dây chữ thập của thước trắc vi thị kính như hình 4.

57


Hình 4 B b

K I K’

0 1 2 3 4 5 6 7

O xk xi xk’ x

+ Để đơn giản ta chọn trục toạ độ Ox như trên hình 4, trong đó x i, xk, xk’ lần lượt là các toạ

độ của các điểm I, K, K’ tính từ gốc toạ độ. b) Vặn từ từ vít vi cấp của thước trắc vi thị kính để di chuyển giao điểm của dây chữ thập

đến điểm K nằm ở phía bên trái của vân tối thứ k. Đọc và ghi giá trị số đo xk trên thước trắc vi ứng với vị trí của điểm K vào bảng số liệu.

c) Vặn từ từ vít vi cấp của thước trắc vi thị kính để di chuyển giao điểm của dây chữ thập đến điểm I nằm ở phía bên phải của vân tối thứ i (chọn vị trí I ứng với vân tối có đường kính nhỏ nhất). Đọc và ghi giá trị số đo xi trên thước trắc vi ứng với vị trí của điểm I vào bảng số liệu.

d) Vặn từ từ vít vi cấp của thước trắc vi thị kính để di chuyển giao điểm của dây chữ thập đến điểm K’ nằm đối xứng với K qua tâm của hệ vân Newton về phía bên phải của vân tối thứ k. Đọc và ghi giá trị số đo xk’ trên thước trắc vi ứng với vị trí của điểm K’ vào bảng số liệu.

Vì kích thước ảnh của hệ vân tròn Newton được phóng đại lên β lần qua kính hiển vi, nên giá trị thực (tính ra milimét) của các đại lượng B và b phải tính theo công thức:

ββkiik xxnn

B−

=+

= ; ββ

ikik xxnnb

−=

−= '' . (7)

Bảng số liệu

R = 13,00 ± 0,50 (mm) β = 15

Lần đo xk xi xk’ B ∆B b ∆b

1

2

3

4

5

Trung bình B =……. B∆ =…… b =…….. b∆ =…...

58


e) Thực hiện phép đo 5 lần bằng cách làm lại các thao tác trên để tìm giá trị trung bình của B và b.

Chú ý: Trong bài thí nghiệm này thí nghiệm với R=13 mm và β=15.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Định nghĩa và nêu rõ điều kiện để có giao thoa ánh sáng. 2. Giải thích hiện tượng giao thoa cho bởi bản nêm không khí, tạo thành hệ vân tròn Newton.

Tại sao trong thí nghiệm này, ảnh giao thoa lại là một hệ vân tròn đồng tâm? 3. Tại sao phải xác định bước sóng λ của ánh sáng theo công thức (6) mà không xác định trực

tiếp theo công thức (5)?

4. Hãy chứng tỏ công thức tính sai số tương đối λλ∆ của phép đo bước sóng λ của ánh sáng

bằng phương pháp giao thoa cho vân tròn Newton có dạng:

RR

bb

BB ∆

+∆

+∆

=∆

=λλδλ .

5. Chọn các vân thứ k và thứ i như thế nào để phép đo bước sóng λ theo phương pháp này đạt độ chính xác cao?

59


BÀI 8: KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC VÀO NHIỆT ĐỘ CỦA ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI VÀ BÁN DẪN

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn đồng thời xác định hệ

số nhiệt điện trở của kim loại và năng lượng kích hoạt của bán dẫn.

b. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Máy khuấy từ, gia nhiệt. 2. Bình thuỷ tinh chứa chất lỏng cách điện. 3. Nhiệt kế. 4. Hai đồng hồ đo điện đa năng hiện số dùng

làm ôm kế. 5. Mẫu điện trở kim loại. 6. Mẫu điện trở bán dẫn. 7. Bộ dây nối mạch điện.


1. Sơ lược về lý thuyết vùng năng lượng trong vật rắn tinh thể

Căn cứ vào tính dẫn điện, người ta chia vật rắn thành 3 loại: kim loại, bán dẫn và điện môi (chất điện môi). Theo thuyết vùng năng lượng, do tương tác của electron hoá trị với mạng tinh thể của vật rắn, các mức năng lượng cho phép electron trong mỗi nguyên tử bị tách ra thành các mức năng lượng nằm rất xít nhau và hợp thành vùng cho phép. Các vùng cho phép ngăn cách bởi các vùng cấm (tức là vùng gồm các giá trị năng lượng không thể có của các electron trong mạng tinh thể). Vùng cho phép trong đó tất cả các mức đã bị các electron “lấp đầy” gọi là vùng đầy hay vùng hoá trị. Vùng cho phép trong đó tất cả các mức còn “bỏ trống” (chưa bị các electron chiếm chỗ) còn gọi là vùng trống hay vùng dẫn. Khi các nguyên tử ở trạng thái bình thường (không bị kích thích) thì năng lượng của các electron đều nằm trong vùng hoá trị nên chúng không thể tham gia vào quá trình dẫn điện. Chỉ khi các nguyên tử bị kích thích bởi tác dụng bên ngoài (nung nóng, chiếu sáng, điện trường…) thì các electron nằm ở mức gần đỉnh vùng hoá trị sẽ hấp thụ thêm năng lượng để “vượt qua” vùng cấm và chuyển lên vùng dẫn trở thành “electron dẫn”. Vì thế độ rộng ΔE0 của vùng cấm được gọi là năng lượng kích hoạt. Có thể giải thích tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn như sau:

+ Trong kim loại, vùng hoá trị hoặc nằm chồng một phần lên vùng dẫn hoặc nằm rất gần đáy vùng dẫn vì vùng cấm ΔE0 của nó khá nhỏ (vào cỡ 0,01 ÷ 0,1 eV), nên ngay cả khi các nguyên tử ở trạng thái bình thường (không bị kích thích) thì do thăng giáng của năng lượng, chuyển động nhiệt cũng làm cho các electron nằm ở vùng hoá trị có dư năng lượng để chuyển lên vùng dẫn. Do đó, kim loại ở trạng thái bình thường vẫn dẫn điện tốt.

60


+ Trong bán dẫn, vùng hoá trị nằm khá xa đáy vùng dẫn vì vùng cấm ΔE0 của nó khá lớn (vào cỡ ≈ 1 ÷ 3 eV), nên khi các nguyên tử ở trạng thái bình thường thì các electron hoá trị của nó không thể vượt qua vùng cấm và chỉ khi chúng ở trạng thái bị kích thích bởi tác dụng bên ngoài đủ mạnh thì các electron ở đỉnh vùng hoá trị mới thu đủ năng lượng để chuyển lên vùng dẫn, tạo thành tính dẫn điện bằng electron. Mặt khác, sau khi các electron ở đỉnh vùng hoá trị vừa chuyển lên vùng dẫn thì các mức năng lượng ở đỉnh vùng hoá trị bị bỏ trống - gọi là các “lỗ trống”, lại được các electron nằm ở mức năng lượng thấp hơn trong vùng hoá trị chuyển lên lấp các lỗ trống này tạo thành tính dẫn điện bằng lỗ trống.

+ Dựa vào đặc điểm của cơ chế dẫn điện người ta chia bán dẫn thành 2 loại: bán dẫn n dẫn điện chủ yếu bằng “electron dẫn”, bán dẫn p dẫn điện chủ yếu bằng “lỗ trống”.

+ Trong điện môi, độ rộng vùng cấm rất lớn nên các electron trong vùng hoá trị không thể thu năng lượng để vượt qua vùng cấm, trừ trường hợp kích thích có cường độ rất mạnh dẫn tới hiện tượng “đánh thủng điện môi”.

2. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại Các electron ở vùng dẫn luôn luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn, nên tính trung bình theo

thời gian thì lượng điện tích chuyển qua một thiết diện bất kỳ trong vật thể sẽ bằng không. Khi có tác dụng của điện trường ngoài, các electron ở vùng dẫn chuyển động có hướng và tạo thành dòng điện chạy qua vật dẫn. Thực nghiệm cho biết trong khoảng nhiệt độ không quá lớn thì điện trở của kim loại tăng tỉ lệ bậc nhất theo nhiệt độ, nghĩa là

R t = R0(1 + α.t0). (1) Trong đó R0 và R t là điện trở của kim loại ở 00C và t0C; α là hệ số nhiệt của điện trở kim

loại (α>0). Giá trị của α phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của kim loại. Khi nhiệt độ của kim loại tăng, các ion dương trong mạng tinh thể kim loại sẽ dao động

mạnh hơn với các tần số khác nhau. Tập hợp các dao động của mạng tinh thể được “lượng tử hoá” thành các phonon. Rõ ràng chuyển động định hướng của các electron dẫn trong mạng tinh thể kim loại trở nên “khó khăn” hơn do chúng bị va chạm mạnh hơn với các phonon. Như vậy nhiệt độ kim loại tăng sẽ làm giảm độ dẫn điện và làm tăng điện trở của kim loại.

3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở bán dẫn. Điện trở của bán dẫn phụ thuộc phức tạp vào nhiều thông số như lượng tạp chất và các điều

kiện bên ngoài (nhiệt độ, độ rọi sáng, bức xạ điện từ,…). Ở đây ta chỉ quan tâm tới sự phụ thuộc của điện trở bán dẫn vào nhiệt độ. Thực nghiệm cho biết trong khoảng nhiệt độ nào đó, nói chung khi nhiệt độ tăng thì điện trở bán dẫn giảm theo quy luật hàm mũ

kTE

T eAR 20

.∆

= (2)

với A là hệ số tỉ lệ; T(K) = 273 + t0 C là nhiệt độ tuyệt đối; RT là điện trở của bán dẫn ở nhiệt độ T(K); ΔE0 là năng lượng kích hoạt của bán dẫn; e là cơ số loga tự nhiên; k=1,38.10-23 J/K là hằng số Boltzmann.

Rõ ràng khi nhiệt độ tăng, các electron ở vùng hoá trị sẽ dao động với năng lượng lớn hơn và chúng có thể dễ dàng chuyển lên vùng dẫn làm tăng nhanh số lượng các electron dẫn và lỗ

Vùng dẫn

Vùng dẫn

Vùng cấm ΔE0

Hình 1

61


trống. Như vậy độ dẫn điện của bán dẫn sẽ tăng mạnh và do đó điện trở của bán dẫn sẽ giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.

Trong thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn đồng thời xác định hệ số nhiệt điện trở α của kim loại và năng lượng kích hoạt ΔE0 của bán dẫn.


1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm (hình 2) gồm một máy

khuấy từ, gia nhiệt (1). Bếp điện (2) dùng nung nóng một lượng chất lỏng cách điện đựng trong một bình thuỷ tinh (9). Nhiệt độ của chất lỏng cách điện đo bằng nhiệt kế (6). Các điện trở kim loại Rkl (4) hoặc điện trở bán dẫn Rbd (5) cần nghiên cứu được nhúng chìm trong khối chất lỏng cách điện. Giá trị của các điện trở được đo bởi đồng hồ điện đa năng hiện số dùng làm ôm kế. Để nhiệt độ phân bố đều trong khối chất lỏng cách điện, ta dùng máy khuấy từ gồm một động cơ nhỏ làm quay nam châm (3) đặt trong chất lỏng cách điện. Tốc độ quay của nam châm được điều khiển bằng núm (7) ở trên máy.

2. Tiến hành thí nghiệm a) Hãy tìm hiểu kỹ cách sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt, nhiệt kế và đồng hồ đa năng hiện

số theo hình 2. b) Cắm đầu đo của nhiệt kế vào khối chất lỏng cách điện trong bình thuỷ tinh. Cắm các đầu dây của hai đồng hồ đo điện đa năng hiện số dùng làm ôm kế vào các chốt của

điện trở kim loại Rkl và điện trở bán dẫn Rbd. + Ôm kế đo điện trở kim loại Rkl đặt ở thang đo 200 Ω. + Ôm kế đo điện trở bán dẫn Rbd đặt ở thang 20 kΩ. c) Cắm phích lấy điện của máy khuấy từ vào nguồn ~220 V: Đèn tín hiệu phát sáng, bật

công tắc gia nhiệt, bếp bắt đầu nung nóng khối chất lỏng cách điện trong bình thuỷ tinh. Bật công tắc máy khuấy và điều chỉnh tốc độ khuấy vừa phải sao cho khối chất lỏng cách điện này không bị bắn ra ngoài.

d) Điều chỉnh núm chỉnh nhiệt độ (8) ở trên máy để nhiệt độ giới hạn khoảng 800C, khi nhiệt độ của khối chất lỏng cách điện tăng đến nhiệt độ này thì bếp sẽ tự động tắt.

e) Chờ nhiệt độ của khối chất lỏng cách điện giảm xuống đến 750C thì bắt đầu đọc và ghi các số đo nhiệt độ t0C của khối chất lỏng cách điện và các số đo tương ứng của các điện trở Rkl và Rbd vào bảng số liệu. Mỗi lần nhiệt độ giảm 50C, ta lại đọc và ghi các số đo của nhiệt độ t0C, Rkl và Rbd vào bảng số liệu.

f) Khi nhiệt độ của khối chất lỏng cách điện giảm đến 350 thì ngừng không đọc nữa. Tắt công tắc của máy khuấy và các đồng hồ đo điện trở.

g) Đọc và ghi độ chính xác của nhiệt kế và của các ôm kế hiện số vào bảng số liệu.

H×nh 2

1

2

3

4 5

6

8

7

9

62


Bảng số liệu

+ Nhiệt kế Δt0 = ……………….. (0C) + Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (dùng làm ôm kế) Khi đo Rkl dùng thang 200 Ω với ΔR = ………………(Ω) Khi đo Rbd dùng thang 20 kΩ với ΔR = ………………..(Ω)

Điện trở kim loại Điện trở bán dẫn

t0C Rkl (Ω) T (K) X = T1 Rbd (Ω) Y = lnRbd

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

h) Kết thúc phép đo tắt các công tắc trên máy và ngắt nguồn.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Trình bày định tính thuyết vùng năng lượng và ứng dụng để giải thích:

- Tính dẫn điện của kim loại và bán dẫn. - Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn.

2. Nêu rõ các công thức biểu diễn quy luật phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn.

3. Mô tả thiết bị thí nghiệm dùng khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn.

4. Trình bày phương pháp dùng đồ thị để xác định hệ số nhiệt điện trở α của kim loại và cách tuyến tính hoá đồ thị để xác định năng lượng kích hoạt ΔE0 của bán dẫn.

63


BÀI 9: KHẢO SÁT MẠCH CỘNG HƯỞNG RLC

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Sử dụng dao động kí điện tử để xác định giá trị điện trở Rx , điện dung Cx, điện cảm Lx

và khảo sát mạch cộng hưởng điện RLC bằng phương pháp tổng hợp hai dao động vuông góc với nhau.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1. Dao động kí điện tử hai chùm tia 20MHz OS-5020. 2. Hộp điện trở thập phân 99999,9 Ω. 3. Máy phát tần số LW1641. 4. Bảng lắp ráp mạch điện và các dây nối mạch. 5. Mẫu điện trở, tụ điện, cuộn cảm.


1. Dao động ký điện tử (Oscilloscope) Dao động ký điện tử là một dụng cụ vạn năng dùng để quan sát và nghiên cứu độ lớn, hình

dạng của dòng điện và hiệu điện thế trong các mạch điện. Cấu tạo của dao động ký điện tử được biểu diễn bằng sơ đồ khối trên hình 1, bao gồm: 1. Ống phóng điện tử (electron), 2. Các mạch điện tử điều khiển tia electron, 3. Bộ khuếch đại KĐY để khuếch đại tín hiệu điện trước khi đặt vào hai bản cực nằm ngang, 4. Bộ khuếch đại KĐX để khuếch đại tín hiệu điện trước khi đặt vào hai bản cực thẳng đứng trong ống phóng điện tử, 5. Bộ phát tín hiệu răng cưa Q-X để quét chùm tia electron, 6. Bộ nguồn cung cấp điện áp thấp một chiều cho các mạch điện tử và cung cấp điện áp cao cho anốt và các điện cực của ống phóng điện tử.

H×nh 1

Ống phóng điện tử là một ống thuỷ tinh kín được hút chân không cao (10-6mmHg), bên trong ống có các điện cực. Catốt K được nung nóng nhờ một dây điện trở FF và phát xạ ra các

64


electron. Giữa các anốt A1, A2 và catốt K có hiệu điện thế cỡ 1000V, nhờ đó các electron phát ra từ catốt được tăng tốc và bay đến đập vào màn hình M (phủ lớp huỳnh quang), làm màn hình phát sáng tại điểm electron đập vào. Một ống trụ kim loại G, bao quanh catốt K gọi là lưới điều khiển, có điện thế âm so với catốt nên có tác dụng làm giảm số electron đi qua nó, do đó làm giảm cường độ sáng trên màn huỳnh quang. Anốt A2 có điện thế cao hơn A1, dùng để gia tốc và hội tụ chùm tia electron. Sau khi ra khỏi anốt A2, chùm tia electron bay vào khoảng giữa hai cặp bản cực kim loại Y1Y2 và X1X2. Nếu giữa mỗi cặp bản cực X1X2 hoặc Y1Y2 có một hiệu điện thế thì điện trường giữa chúng sẽ làm cho chùm tia electron bị lệch khỏi phương truyền thẳng.

Giả sử chùm tia electron bị lệch đi một khoảng x theo phương ngang trên màn hình M khi đặt hiệu điện thế xU giữa hai bản cực X1X2 và bị lệch đi một khoảng y theo phương thẳng đứng

khi đặt hiệu điện thế yU giữa hai bản cực Y1Y2. Theo định nghĩa, các đại lượng:

xx U

x=α và

yy U

y=α . (1)

gọi là độ nhạy của ống phóng điện tử theo chiều ngang và theo chiều dọc đối với các hiệu điện thế tương ứng xU và yU (tính theo độ chia/vôn).

Các electron chuyển động trong ống phóng với tốc độ rất lớn (cỡ 107 m/s) nên có thể xem như chúng truyền tới đập tức thời vào màn hình M và ống phóng điện tử thực chất là một dụng cụ không có quán tính. Vì thế người ta có thể chế tạo ra các dao động ký điện tử hoạt động trong một dải tần số rộng (0 ÷100MHz). Vị trí của các vệt sáng trên màn hình M là kết quả chuyển động tổng hợp của hai chuyển động thành phần vuông góc với nhau của chùm tia electron dưới tác dụng đồng thời của các hiệu điện thế Ux và Uy đặt vào các cặp cực X1X2 và Y1Y2.

2. Phương pháp quan sát dạng tín hiệu (sự biến thiên theo thời gian của hiệu điện thế hay dòng điện)

a) Đặt lên hai bản cực Y1Y2 (lối vào kênh Y của bộ khuếch đại KĐY) một hiệu điện thế xoay chiều cần khảo sát:

tUU oyy ωcos= (2)

dưới tác dụng của hiệu điện thế này, chấm sáng trên màn hình M của ống phóng điện tử thực hiện dao động. Do quán tính sáng của màn hình và khả năng lưu ảnh của mắt, ta nhìn thấy một vệt sáng thẳng đứng cố định trên màn hình M. Độ dài của vệt sáng này tỷ lệ với biên độ oyU

oyyoyy UKUKy 22 == α (3)

trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ KĐY và đại lượng yy KK α= là độ nhạy theo chiều dọc của dao động ký điện tử hay còn được gọi là hệ số truyền kênh Y.

Tương tự, nếu ta đặt lên lối vào kênh X của bộ khuếch đại KĐX một hiệu điện thế xoay chiều

tUU oxx .cosω= (4)

thì trên màn hình M lại xuất hiện một vệt sáng nằm ngang cố định có độ dài

oxxoxx UKUKx 22 == α (5)

trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ KĐX và đại lượng xx KK α= là độ nhạy theo chiều ngang của dao động ký điện tử hay còn được gọi là hệ số truyền kênh X.

65


b) Bây giờ, nếu ta đặt đồng thời vào hai bản cực Y1Y2 một hiệu điện thế xoay chiều có dạng (2) và vào hai bản cực X1X2 một hiệu điện thế phụ thuộc tuyến tính (bậc nhất) vào thời gian t với hệ số tỷ lệ a không thay đổi

atU x = . (6)

Khi đó vệt sáng trên màn M thể hiện chuyển động tổng hợp của hai chuyển động vuông góc:

atKUKx xxx == (7)

aKxUKtUKUKyx

oyyoyyyyωω coscos === (8)

Như vậy chùm tia electron sẽ vẽ trên màn hình M một tín hiệu y = y(x) hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu (2) cần nghiên cứu.

Trong dao động ký điện tử, để thực hiện việc quét ngang chùm tia electron, người ta dùng bộ phát tín hiệu răng cưa Q – X tạo ra một hiệu điện thế Ux = at tăng tuyến tính theo thời gian đến giá trị cực đại maxU xác định, rồi lại giảm nhanh về giá trị lúc đầu Uo (Hình 2a). Khi đặt tín hiệu Ux nói trên vào hai bản X1X2, chấm sáng trên màn hình M sẽ dịch chuyển ngang và quét từ trái sang phải với tốc độ không đổi, đạt độ lệch cực đại nào đó rồi nhanh chóng trở lại vị trí lúc đầu. Quá trình này tiếp diễn tuần hoàn với chu kỳ quét qT và tần số quét f

qTf 1= . (9)

Hình 2

- Nếu qT = T, với T là chu kỳ của tín hiệu cần nghiên cứu, thì sẽ quan sát thấy trên màn hình một dao động toàn phần (Hình 3a).

- Nếu qT = n.T, với n là số nguyên, trên màn hình xuất hiện n dao động toàn phần (Hình 3b)

- Nếu ≠qT n.T, thì trên màn hình xuất hiện một hình có dạng phức tạp hoặc các đường cong luôn dịch chuyển (Hình 3c).

Hình 3

66


Để giữ cho hình ổn định, người ta bố trí một núm điều chỉnh thay đổi tần số quét ngang ngay trên mặt máy. Khi vặn núm này, giá trị Uo và Umax của tín hiệu răng cưa không thay đổi, nhưng tốc độ quét thay đổi, do đó chu kỳ quét qT và độ dốc của đồ thị Ux(t) thay đổi (Hình 2b).

Nếu điều chỉnh núm này để qT = nT, ta thu được n dao động toàn phần ổn định trên màn hình M. Bằng cách so sánh nó với một tín hiệu chuẩn có biên độ và chu kỳ đã biết, ta có thể xác định được biên độ và chu kỳ của tín hiệu cần nghiên cứu.

3. Phương pháp quan sát dao động tổng hợp của hai dao động vuông góc

Nếu đặt vào hai bản cực X1X2 một hiệu điện thế tUU xoxx ωcos= và đặt vào hai bản cực

Y1Y2 một hiệu điện thế )cos( ϕω += tUU yoyy thì vệt sáng trên màn hình M sẽ thực hiện đồng thời hai dao động vuông góc:

txUKx xoxx ωcos== .

)cos( ϕω +== tyUKy yoyy .

- Khi xy nωω .= (với n nguyên), chùm tia electron sẽ vẽ trên màn hình M các quỹ đạo của các đường Lissajou.

- Khi xy ωω = (với n = 1), chùm tia electron sẽ vẽ trên màn hình M các quỹ đạo được xác định bởi phương trình

ϕϕ 2

00

2

0

2

0sincos2 =−

+

yx

xyyy

xx

. (10)

Tuỳ thuộc vào độ lệch pha ϕ , quỹ đạo sẽ là một đường thẳng hay elip ( Hình 4).

- Khi 0=ϕ và πϕ = : quỹ đạo là một đường thẳng (hình 4a, e).

- Khi 2/πϕ ±= : quỹ đạo là một đường elip vuông (hình 4c). Đặc biệt, trong trường hợp này nếu oyox UU = thì quỹ đạo sẽ là một đường tròn (hình 4g).

- Khi ϕ có giá trị bất kỳ: quỹ đạo là đường elip xiên (hình 4h hoặc 4d).

Hình 4

67


IV. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM A. SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM

B. TÌM HIỂU CÁCH SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ EZ OS-5020 VÀ MÁY PHÁT TẦN SỐ LW 1641

1. Dao động ký điện tử EZ OS-5020 Chú thích các núm điều chỉnh ở mặt trước của dao động ký được vẽ trên hình 5.

1. Núm điều chỉnh độ hội tụ của chùm điện tia electron.

2. Núm điều chỉnh cường độ sáng trên màn hình. 3. Núm mở rộng thang đo kênh X (x1 hoặc x10) 4. Núm điều chỉnh chùm tia electron lên, xuống

theo chiều dọc kênh X. 5. Núm chọn kênh và chế độ đo. 6. Núm mở chế độ đảo pha tín hiệu. 7. Núm điều chỉnh chùm tia electron lên, xuống

theo chiều dọc kênh Y. 8. Núm điều chỉnh độ dốc của xung. 9. Núm cân bằng tín hiệu. 10. Núm di chuyển chùm tia electron theo chiều

ngang. 11. Núm điều chỉnh thang đo thời gian (x1 hoặc

x10). 12. Núm hiệu chuẩn thời gian xung. 13. Núm đóng mở chế độ hiệu chuẩn.

15. Núm chọn thời gian xung. 16. Công tắc nguồn. 17. Cực tín hiệu chuẩn (xung vuông 1kHz, 0,5 V). 20. Núm chọn biên độ xung cho kênh Y. 21. Núm chọn chế độ đo “DC/AC và nối mát” cho

kênh Y. 22. Lối vào kênh Y. 23. Núm điều chỉnh từ x20V đến x5mV/độ chia

cho kênh Y. 24. Lối vào kênh X. 25. Núm chọn chế độ đo “DC/AC và nối mát” cho

kênh X. 26. Núm điều chỉnh từ x20V đến x5mV/độ chia

cho kênh X. 27. Núm chọn biên độ xung cho kênh X. 28. Nối mát của máy.

68


Hình 5

2. Tìm hiểu cách sử dụng máy phát tần số LW 1641 Mặt trước của máy phát tín hiệu LW1641 được chỉ ra như hình 6

1. Công tắc K (đưa điện ~220V vào máy) 2. Đèn LED báo tín hiệu nguồn. 3. Các núm chuyển mạch chọn thang đo

của tần số 1, 10, 102, 103, … Hz. 4. Các nút chọn dạng xung (vuông, răng

cưa hoặc sin). 5. Núm điều chỉnh biên độ điện áp ra. 6. Lối ra của điện áp. 7. Núm điều chỉnh thô tần số. 8. Núm điều chỉnh tinh tần số. 9. Màn hình hiển thị tần số ra. 10. Đèn LED hiển thị tần số kHz hay Hz.

Chú ý: Trước khi đo cần tìm hiểu kỹ các núm trên mặt máy và chức năng của chúng, nếu chưa rõ cần hỏi giáo viên hướng dẫn.

1. Cách hiệu chỉnh thang đo tín hiệu vào X, Y và kênh thời gian (Chú ý: Sinh viên thực hiện thao tác này phải được sự đồng ý và hướng dẫn của giáo

viên) + Để hiệu chỉnh thang đo tín hiệu vào kênh X (điều chỉnh núm 26) và Y (điều chỉnh núm 23)

có độ lớn như nhau. + Ta có thể sử dụng nguồn phát tín hiệu chuẩn được đưa ra ở núm 17 như trên hình 5. Tín

hiệu tại đầu ra 17 có tần số 1kHz, dạng tín hiệu là xung vuông có biên độ là 0.5 Vp-p (hiệu điện thế giữa các đỉnh tín hiệu).

Trình tự hiệu chỉnh thang đo tín hiệu vào X, Y và kênh thời gian như sau:

Hình 6

69


Sau khi tìm hiểu nắm vững vị trí các núm trên các mặt máy (hình 5 và hình 6) và được cán bộ hướng dẫn giải thích, cắm phích lấy điện của dao động ký điện tử và máy phát tín hiệu vào nguồn điện ~220V.

Bật công tắc 16 của dao động ký điện tử EZ OS-5020 (hình 5) và bật công tắc 1 của máy phát tần số LW 1641 (hình 6).

Hiệu chỉnh kênh X: Chuyển núm 5 sang vị trí CH1 (kênh X). Chuyển núm 26 sang vị trí x0.1V hoặc x0.2V/div (ứng với 0.1 hoặc 0.2V/khoảng chia). Nối cáp tín hiệu từ lối vào 24 của kênh 1 (kênh X) với lối ra 17 khi đó trên màn hình xuất hiện tín hiệu xung vuông. Xoay núm điều chỉnh 27 sang phải hay sang trái để tín hiệu có điện áp giữa các đỉnh đúng bằng 0.5 V (khoảng cách hai đỉnh tín hiệu là 5 khoảng chia trên màn hình trong trường hợp x0.1V/div và 2,5 khoảng chia trong trường hợp x0.2V/div).

Hiệu chỉnh kênh Y: Chuyển núm 5 sang vị trí CH2 (kênh Y). Chuyển núm 23 sang vị trí x0.1V hoặc x0.2V/div (ứng với 0.1 hoặc 0.2V/khoảng chia). Nối cáp tín hiệu từ lối vào 22 của kênh 2 (kênh Y) với lối ra 17 khi đó trên màn hình xuất hiện tín hiệu xung vuông. Xoay núm điều chỉnh 20 sang phải hay sang trái để tín hiệu có điện áp giữa các đỉnh đúng bằng 0.5 V.

Hiệu chỉnh kênh thời gian: Khi đang hiệu chỉnh kênh X hoặc kênh Y, chuyển núm 15 sang vị trí 0.5 hoặc 0.2ms/div (0,5 ms hoặc 0,2 ms cho 1 độ chia). Điều chỉnh núm 12 sao cho chu kỳ dao động xung vuông chuẩn là 1ms (tần số 1kHz).

Chú ý: Có thể hiệu chỉnh tín hiệu kênh X và Y bằng cách nối X và Y vào tín hiệu phát ra từ đầu ra 6 của máy phát LW 1641 và hiệu chỉnh biên độ hai kênh X và Y như nhau.

C. ĐO ĐIỆN TRỞ, DUNG KHÁNG VÀ CẢM KHÁNG BẰNG DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ (OSCILLOSCOPE)

Nguyên tắc: Chuyển núm 15 sang vị trí X-Y, khi đó tín hiệu ra trên màn hình sẽ là tổng hợp của hai tín hiệu vào trên hai trục X và Y vuông góc với nhau. Quan sát dạng tín hiệu ra trên màn hình ta có thể dự đoán được dạng tín hiệu đặt vào trục X và Y.

1. Đo điện trở Rx

Hình 7

1.1. Nối điện trở Rx và R0 theo hình 7. Chọn dao động có tần số xác định trong khoảng f=200÷2000Hz lấy từ máy phát tần số LW 1641 (chọn thang đo 1k). Do hiệu điện thế và dòng điện chạy qua điện trở thuần Rx và điện trở R0 luôn có hiệu số pha φ = 0 hay φ = π, nên trên màn hình của dao động ký điện tử ta có dao động tổng hợp là một đoạn thẳng sáng.

70


1.2. Điều chỉnh điện trở R0 của hộp điện trở mẫu tới khi thu được một đường thẳng nghiêng 450 so với các trục toạ độ. Khi đó biên độ

oRx UU = và ta có

ox RR = . (11)

Thực hiện các thao tác này 3 lần với 3 tần số khác nhau, đọc và ghi các giá trị của tần số f và giá trị tìm được của R0 vào bảng 1.

Bảng 1:

Lần đo f (Hz) R0 (Ω) RX (Ω) ∆RX (Ω)

1

2

3

Trung bình xR =…………(Ω) xR∆ =……..…(Ω)

2. Đo dung kháng ZC và điện dung Cx của tụ điện a. Thay tụ điện Cx vào vị trí Rx trên hình 7. Chọn dao động điện có tần số xác định

f≈1000Hz lấy từ máy phát tần số LW 1641 (chọn thang đo 1k). Vì dòng điện chạy qua tụ điện sớm pha π/2 so với hiệu điện thế giữa hai cực của nó, do đó hiệu điện thế ở trên điện trở R0 và tụ điện Cx có độ lệch pha là π/2 nên trên màn hình của dao động ký điện tử xuất hiện một đường elip vuông.

b. Điều chỉnh điện trở R0 của hộp điện trở mẫu tới khi elip vuông trở thành đường tròn. Khi đó biên độ

oRxyC UUUU === và ta có

ox

C RfC

Z ==π2

1 (12)

Suy ra điện dung của tụ điện

ox fR

Cπ21

= (13)

Thực hiện các thao tác này 3 lần với 3 tần số khác nhau, đọc và ghi các giá trị của tần số f và các giá trị tìm được của điện trở R0 vào bảng 2.

Bảng 2:

Lần đo f (Hz) ZC=R0 (Ω) ∆ZC (Ω) 0

x R.f21C

π= (F) ∆CX (F)

1

2

3

Trung bình CZ =…… (Ω) CZ∆ =……(Ω) xC =……… (F) xC∆ =……(F)

71


Chú ý: Cũng có thể thực hiện phép đo ZC và Cx bằng cách chọn 3 giá trị xác định của điện trở R0 và điều chỉnh tần số f của dao động điện lấy từ máy phát tần số LW 1641 tới khi elip vuông trở thành đường tròn. Đọc và ghi lại giá trị của tần số f.

3. Đo cảm kháng ZL và điện cảm Lx của cuộn dây dẫn không có lõi sắt (ferit) a. Thay cuộn cảm Lx không có lõi sắt vào vị trí của Rx theo hình 7. Chọn dao động điện có

tần số xác định f ≈ 104 Hz lấy từ máy phát tần số LW 1641 (chọn thang đo 10k). Vì dòng điện chạy qua cuộn cảm chậm pha π/2 so với hiệu điện thế giữa hai cực của nó, nên nếu điện trở thuần ro của cuộn cảm rất nhỏ so với cảm kháng ZL của nó (có thể thực hiện bằng cách chọn tần số dao động đủ lớn) thì trên màn hình của dao động ký điện tử xuất hiện một đường elip vuông.

b. Điều chỉnh điện trở R0 của hộp điện trở mẫu tới khi elip vuông trở thành đường tròn. Khi đó biên độ

oRL UU = và ta có

oxL RfLZ == π2 (14)

Suy ra điện cảm Lx của cuộn dây dẫn không có lõi sắt

fRL o

x π2= . (15)

Thực hiện các thao tác này 3 lần, đọc và ghi các giá trị của tần số f và giá trị tìm được của điện trở R0 vào bảng 3.

Bảng 3:

Lần đo f (Hz) ZL=R0 (Ω) ∆ZL (Ω) f2

RL 0

x π= (H) ∆LX (H)

1

2

3

Trung bình LZ =… . …(Ω) LZ∆ =……(Ω) xL =…..….(H) xL∆ =…..…(H)

Chú ý: Cũng có thể thực hiện phép đo ZL và Lx bằng cách chọn giá trị xác định của điện trở R0 và điều chỉnh tần số f của dao động điện lấy từ máy phát tần số LW 1641 tới khi đường elip vuông trở thành đường tròn. Đọc và ghi lại giá trị của tần số f.

D. KHẢO SÁT MẠCH CỘNG HƯỞNG RLC 1. Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp 1.1. Mắc mạch cần đo AB gồm tụ điện Cx nối tiếp với cuộn cảm Lx và điện trở thuần R0

(chọn trên hộp điện trở mẫu thập phân 0÷9999,9Ω) như hình 8.

72


Hình 8

1.2. Đặt vào hai đầu mạch AB một điện áp xoay chiều hình sin U1 lấy từ máy phát tần số LW 1641. Quan sát dạng tín hiệu trên màn hình của dao động ký điện tử. Tín hiệu này có dạng elip xiên.

1.3. Chọn một giá trị cố định R0 nào đó (ví dụ R0=1000Ω) trên hộp điện trở thập phân. Điều chỉnh tần số của máy phát tần số LW 1641 (f=2000Hz ÷ 30000Hz) và quan sát sự thay đổi của elip trên màn dao động ký điện tử cho tới khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện trong mạch RLC (khi đó elip xiên trở thành một đường thẳng).

Thực hiện các thao tác này 3 lần. Đọc và ghi giá trị của tần số cộng hưởng fch vào bảng 4. Bảng 4:

Lần đo Mạch RLC nối tiếp Mạch RLC song song

chf (Hz) chf∆ (Hz) 'chf (Hz) '

chf∆ (Hz)

1

2

3

Trung bình chf =……... (Hz) chf∆ =……. (Hz) 'chf =……... (Hz) '

chf∆ =……. (Hz)

2. Mạch cộng hưởng RLC song song 2.1. Mắc mạch cần đo AB gồm tụ điện Cx song song với cuộn cảm Lx rồi mắc nối tiếp với

điện trở thuần R0 (chọn trên hộp điện trở thập phân 0÷99999,9Ω) như hình 9.

Hình 9

73


2.2. Đặt vào hai đầu mạch AB một điện áp xoay chiều hình sin U1 lấy từ máy phát tần số LW 1641. Quan sát dạng tín hiệu trên màn hình của dao động ký điện tử. Tín hiệu này có dạng một elip xiên.

2.3. Chọn một giá trị cố định R0 nào đó trên hộp điện trở thập phân. Điều chỉnh tần số f của máy phát tần số LW 1641 và quan sát sự thay đổi của elip trên màn dao động ký điện tử cho tới khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện trong mạch RLC (khi đó elip xiên trở thành một đường thẳng).

Thực hiện các thao tác này 3 lần. Đọc và ghi giá trị của tần số cộng hưởng f’ch vào bảng 4.

3. So sánh giá trị của các tần số cộng hưởng fch và f’ch. Giải thích kết quả.

V. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Mô tả cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của dao động ký điện tử. Định nghĩa độ nhạy của ống

phóng điện tử. Tại sao có thể coi dao động ký điện tử là dụng cụ không quán tính? 2. Nếu điện áp xoay chiều chỉ đặt vào hai bản cực Y1Y2 hoặc X1X2 thì chùm điện tử tới đập vào

màn hình của dao động ký điện tử sẽ vạch nên một đường thẳng hay đường cong? 3. Nói rõ tác dụng của các núm điều chỉnh trên mặt máy của dao động ký điện tử OS-5020 và

của máy phát tần số LW 1641. 4. Trình bày cách chuẩn hệ số truyền kênh Y và cách đo biên độ điện áp ra của dao động ký điện

tử và của máy phát tần số LW 1641.

5. Mô tả phương pháp đo điện trở thuần xR , điện dung xC và điện cảm xL bằng dao động ký điện tử OS-5020 và máy phát tần số LW 1641.

Nêu rõ điều kiện cộng hưởng điện trong mạch RLC. Tại sao khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện trong mạch RLC thì dạng đường elip xiên quan sát trên màn hình của dao động ký điện tử lại biến đổi thành một đường thẳng?

74


BÀI 10: KHẢO SÁT SỰ NHIỄU XẠ CỦA CHÙM LASER QUA CÁCH TỬ PHẲNG - XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG CỦA LASER

I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định bước sóng ánh sáng bằng hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua cách tử phẳng

truyền qua.

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

1. Nguồn phát tia laser bán dẫn (Diode Laser). 2. Cách tử nhiễu xạ phẳng. 3. Thấu kính hội tụ (2 điốp) và hộp bảo vệ. 4. Bộ cảm biến và khuếch đại. 5. Đồng hồ chỉ thị cường độ vạch nhiễu xạ. 6. Thước Panme chính xác 0,01mm. 7. Hệ thống giá đỡ thí nghiệm. (Hệ thống dụng cụ thí nghiệm trên gọi là bộ thiết bị khảo sát nhiễu xạ).


1. Nhiễu xạ ánh sáng qua một khe hẹp Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng trong một

môi trường đồng tính khi đi qua các lỗ tròn nhỏ, khe hẹp…có kích thước cỡ mµ . Dưới đây ta khảo sát hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia sáng song song ứng với các sóng phẳng.

75


Chiếu một chùm tia sáng song song, đơn sắc, kết hợp có bước sóng λ vuông góc với mặt phẳng của khe hẹp AB có bề rộng b (hình 1). Sau khi truyền qua khe, các tia sáng bị nhiễu xạ theo mọi phương khác nhau. Những tia sáng nhiễu xạ có cùng góc lệch ϕ sẽ truyền song song và sẽ giao thoa với nhau ở vô cực. Để quan sát ảnh giao thoa của các tia nhiễu xạ song song, ta đặt một thấu kính hội tụ L ở phía sau khe hẹp AB để hội tụ các tia nhiễu xạ này tại điểm M trên mặt phẳng tiêu của thấu kính. Khi đó điểm M có thể sáng hoặc tối tuỳ thuộc vào giá trị của góc ϕ.

Thực vậy, ta hãy vẽ các mặt phẳng song song 0∑ , 1∑ , 2∑ ,… cách nhau λ/2 và vuông góc với chùm tia nhiễu xạ. Các mặt phẳng này chia mặt phẳng của khe AB thành các dải sáng hẹp có độ rộng:

ϕλ

sin2......BBAB 211 ===

Số dải sáng có trên mặt khe hẹp bằng:

λϕ

ϕλsin.b.2

sin.2/bn == . (1)

Vì các tia nhiễu xạ tương ứng từ hai dải sáng kế tiếp truyền tới điểm M có hiệu quang lộ bằng λ/2, nên dao động sáng của chúng ngược pha và khử lẫn nhau. Từ đó suy ra các kết quả sau:

+ Nếu khe hẹp chứa một số chẵn dải: n = ±2k (k là số nguyên), thì dao động sáng do mỗi cặp dải sáng kế tiếp truyền tới M sẽ khử lẫn nhau và điểm M sẽ là một điểm tối-gọi là cực tiểu nhiễu xạ.

Vị trí các cực tiểu nhiễu xạ trên mặt phẳng tiêu của thấu kính L được xác định bởi hệ thức:

k2sin.b.2=

λϕ với k = 1, 2, 3…

hay b/ksin λϕ = . (2)

Theo (2), khi k = 0 thì ϕ = 0: các tia sáng truyền thẳng qua khe hẹp AB và hội tụ tại tiêu điểm F của thấu kính L. Các tia sáng này có cùng quang lộ nên tại tiêu điểm F, chúng dao động cùng pha và tăng cường lẫn nhau. Do đó điểm F rất sáng và gọi là cực đại nhiễu xạ giữa.

+ Nếu khe hẹp chứa một số lẻ dải: n = ±(2k+1), thì dao động sáng do mỗi cặp dải sáng kế tiếp truyền đến điểm M sẽ khử lẫn nhau, chỉ còn lại dao động sáng của một dải sáng dư ra không bị khử. Khi đó M là một điểm sáng và được gọi là cực đại nhiễu xạ bậc k (k ≠ 0). Cường độ sáng của các cực đại nhiễu xạ bậc k nhỏ hơn nhiều so với cực đại giữa. Vị trí các đỉnh cực đại nhiễu xạ bậc k trên mặt tiêu của thấu kính L được xác định bởi hệ thức:

)1k2(sin.b.2+±=

λϕ với k =1, 2, 3…

hay b2/)1k2(sin λϕ +±= . (3)

Vị trí các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ trên màn ảnh E (đặt tại mặt phẳng tiêu của thấu kính L) và sự phân bố cường độ sáng I của các cực đại nhiễu xạ phụ thuộc vào giá trị của ϕsin như hình 2.

Hình 1

76


Nhận thấy cực đại giữa có độ rộng lớn gấp đôi và có cường độ sáng lớn hơn nhiều so với các cực đại nhiễu xạ khác. Dựa vào lý thuyết, người ta đã tính được tỷ lệ giữa cường độ sáng I1, I2, … của các cực đại nhiễu xạ thứ k = 1, 2, 3… so với cường độ sáng I0 của cực đại giữa:

I1/I0=0,047; I2/I0=0,016; … (4) Công thức (2) và (3) chứng tỏ vị trí các cực đại

và cực tiểu nhiễu xạ trên màn ảnh E không phụ thuộc vị trí của khe hẹp AB. Vì thế, nếu giữ cố định thấu kính L và dịch chuyển khe hẹp AB song song với chính nó, thì ảnh trên màn E không thay đổi.

2. Nhiễu xạ qua cách tử phẳng Tập hợp một số lớn các khe hẹp giống nhau

nằm song song và cách đều nhau trên cùng một mặt phẳng gọi là cách tử phẳng. Khoảng cách d giữa hai khe hẹp kế tiếp nhau gọi là chu kỳ cách tử.

Chiếu chùm sáng song song đơn sắc, có bước sóng λ vuông góc với mặt cách tử phẳng gồm N khe hẹp (hình 3). Mỗi khe hẹp có độ rộng bằng b và chu kì của cách tử bằng d. Khi đó sẽ đồng thời xảy ra hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng gây ra bởi mỗi khe hẹp và hiện tượng giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ N khe hẹp truyền tới mặt phẳng tiêu của thấu kính L. Vì vậy ảnh nhiễu xạ trên màn ảnh E trong trường hợp này trở lên phức tạp hơn so với một khe.

Trước tiên ta nhận thấy, tại những điểm ứng với các góc nhiễu xạ ϕ thoả mãn điều kiện (2): b/ksin λϕ = với k=1, 2, 3… (5)

thì mọi khe hẹp của cách tử phẳng đều cho cực tiểu nhiễu xạ: cực tiểu nhiễu xạ này được gọi là cực tiểu chính.

a) Sự phân bố cường độ sáng theo ϕsin

Bây giờ ta xét sự giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ N khe hẹp truyền tới những vị trí nằm trong khoảng giữa các cực tiểu chính. Nhận xét thấy hiệu quang lộ giữa các cặp tia nhiễu xạ tương ứng từ hai khe kế tiếp truyền tới điểm M trên mặt phẳng tiêu F của thấu kính hội tụ L bằng:

ϕsindLL 12 =− . (6)

Từ đó suy ra những tia nhiễu xạ có góc lệch ϕ thoả mãn điều kiện:

λϕ ksind ±= với k = 0,1,2,3…

hay d/ksin λϕ ±= (7)

sẽ gây ra tại điểm M các dao động sáng cùng pha và chúng tăng cường lẫn nhau. Khi đó, M sẽ là điểm sáng và gọi là cực đại chính bậc k.

+ Dễ dàng nhận thấy cực đại chính trung tâm ứng với k=0 và ϕsin =0 nằm tại tiêu điểm F của thấu kính L. Hơn nữa, do d > b nên giữa hai cực tiểu chính sẽ có một số cực đại chính Hình 4a).

Hình 2

Hình 3

77


+ Người ta cũng chứng minh được rằng giữa hai cực đại chính kế tiếp, còn có một số cực đại phụ ngăn cách bởi các cực tiểu phụ. Vị trí các cực tiểu phụ xác định bởi góc lệch ϕ thoả mãn điều kiện:

d.N/ksin 'λϕ ±= (8)

với k’=1,2,3,… trừ các giá trị N, 2N, 3N,… Vì các cực đại phụ có cường độ sáng rất nhỏ nên không vẽ trên hình 4a.

Kết quả là ảnh nhiễu xạ qua cách tử phẳng có số khe N khá lớn sẽ gồm những vạch sáng song song nằm tại các vị trí xác định theo điều kiện (7). Các vạch sáng này ngăn cách nhau bởi những khoảng tối và có cường độ sáng giảm từ cực đại trung tâm ra xa nó về cả hai phía (xét trong phạm vi giữa hai cực tiểu chính bậc 1 ứng với =ϕsin +λ/b và -λ/b).

Trong thí nghiệm này, ta sẽ nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của chùm laser chiếu qua một cách tử phẳng, khảo sát sự phân bố cường độ sáng trên ảnh nhiễu xạ của nó, từ đó xác định bước sóng λ của laser.

b) Xác định bước sóng của chùm Laser nhiễu xạ qua cách tử phẳng. Từ ảnh nhiễu xạ, ta suy ra công thức xác định bước sóng

λ của chùm tia laser bằng cách áp dụng công thức (7) đối với cực đại chính bậc 1:

ϕλ sin.d= . (9)

Đối với cực đại chính bậc 1 (hình 4b), góc ϕ khá nhỏ nên có thể coi gần đúng:

f2/atgsin =≈ ϕϕ . (10)

Thay (10) vào (9) ta tìm được hệ thức: f2/d.a=λ . (11)

Theo công thức (11), ta có thể xác định được bước sóng λ của chùm tia laser nếu cho biết trước chu kỳ d của cách tử phẳng.

3. Sơ lược về nguồn sáng laser Laser là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh – Light Amplification by stimulated Emision of

Radiation – (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng) để chỉ các bức xạ điện từ kết hợp, có độ đơn sắc cao, có cường độ lớn, và tính định hướng cao, được tạo ra trong các điều kiện đặc biệt.

Khi chiếu bức xạ điện từ đơn sắc có tần số ν vào một chất, electron của các nguyên tử ở mức năng lượng cơ bản 1E hấp thụ bức xạ và chuyển lên mức năng lượng kích thích 2E cao hơn ( 12 EE > ). Nhưng electron chỉ tồn tại ở mức năng lượng kích thích 2E trong khoảng thời gian ngắn (10-3s÷10-8s) và được gọi là thời gian sống τ, sau đó chúng lại chuyển về mức năng lượng cơ bản 1E và phát bức xạ.

Quá trình chuyển mức năng lượng khi hấp thụ hoặc phát xạ đều tuân theo hệ thức Einstein:

12 EEh −== νε (12)

Hình 4a

Hình 4b

78


với h = 6,625.10-34 J.s là hằng số Planck và νε h= là năng lượng photon của bức xạ điện từ có tần số ν.

Rõ ràng xác suất xảy ra hấp thụ tỷ lệ với mật độ electron N1 ở mức năng lượng cơ bản E1 và xác suất xảy ra phát xạ tỷ lệ với mật độ electron N2 ở mức năng lượng kích thích E2. Thông thường N2<N1 nên xác suất để xảy ra phát xạ nhỏ hơn xác suất xảy ra hấp thụ. Trong điều kiện này, quá trình phát xạ không có tính kết hợp và được gọi là phát xạ tự phát, các bức xạ hoàn toàn độc lập với nhau, không có quan hệ về pha và hướng. Nhưng, nếu bằng cách nào đó tạo ra được N2>N1 thì xác suất xảy ra phát xạ lớn hơn xác suất xảy ra hấp thụ. Khi đó quá trình phát xạ có tính kết hợp và gọi là phát xạ cảm ứng, trong đó các bức xạ cảm ứng có cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực với bức xạ kích thích. Điều kiện cần để xảy ra phát xạ cảm ứng là có sự đảo mật độ hạt, nghĩa là N2>N1. Môi trường chất ở trạng thái có sự đảo mật độ hạt gọi là môi trường kích hoạt.

Để tạo ra trạng thái đảo mật độ hạt, người ta sử dụng môi trường kích hoạt trong đó nguyên tử có ba (hoặc bốn) mức năng lượng E1, E2, E3 sao cho thời gian sống 3τ của nguyên tử ở mức

E3 rất nhỏ so với thời gian sống 2τ ở mức E2. Đồng thời dùng phương pháp “bơm điện” (phóng điện qua môi trường kích hoạt) hoặc “bơm quang” (dùng nguồn sáng thích hợp có cường độ mạnh chiếu vào môi trường kích hoạt) để các nguyên tử bị kích thích chuyển từ mức E1 lên E3. Nhưng vì 23 ττ < , nên các nguyên tử ở mức E3 nhanh chóng chuyển về mức E2 để tạo ra trạng thái đảo

mật độ hạt với N2>N1 và dẫn tới hiện tượng phát xạ cảm ứng. Trong thí nghiệm này, ta dùng laser bán dẫn - gọi là diode laser. Khi cho dòng điện một

chiều có cường độ thích hợp chạy qua lớp tiếp xúc p-n tạo ra từ chất bán dẫn cơ bản GaAs, tia laser sẽ được phát ra do quá trình tái hợp p-n để tạo ra các photon. Nguyên tắc tạo ra trạng thái đảo mật độ trong diode laser như sau: Các electron trong vùng hoá trị chuyển lên vùng dẫn nhờ một quá trình “bơm” (kiểu điện hoặc kiểu quang). Kết quả là giữa các mức năng lượng thấp của vùng dẫn và các mức năng lượng cao ở vùng hoá trị có sự đảo mật độ của electron. Trạng thái đảo mật độ electron là trạng thái không cân bằng, nó chỉ tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn 10-13s và đủ để gây ra hiệu ứng laser.


1. Sơ đồ thí nghiệm bố trí như hình 5

Hình 5

79


2. Cơ chế hoạt động của bộ thiết bị khảo sát nhiễu xạ + Diode laser DL: phát ra chùm tia laser màu đỏ chiếu vuông góc vào mặt cách tử CT. + Khi đi qua cách tử, chùm tia laser bị nhiễu xạ và truyền qua thấu kính hội tụ TK (có tiêu

cự f = 500mm), cho ảnh nhiễu xạ trên mặt phẳng tiêu diện của TK . + Để xác định vị trí các cực đại nhiễu xạ và khảo sát sự phân bố cường độ sáng của chúng,

ta dùng một cảm biến quang điện silicon QĐ đặt trong một hộp kín, phía trước có màn chắn sáng, có khe hở rộng khoảng 0,2–0,3mm. Hộp cảm biến được gắn trên đầu trục của Panme P, nên có thể di chuyển được theo phương ngang. Cường độ tia laser rọi vào cảm biến quang điện QĐ, chuyển đổi thành cường độ dòng điện, chạy qua một điện trở sun 220Ω. Hiệu điện thế rơi trên điện trở sun này được đo và chỉ thị bởi Milivon kế điện tử MV, có lối vào là một ổ cắm 5 chân C.

3. Kiểm tra và điều chỉnh chuẩn trực cho hệ thống Để kết quả được chính xác, trước hết ta kiểm tra và điều chỉnh chuẩn trực cho hệ thống, tức

là điều chỉnh sao cho chùm tia laser tới đập thẳng góc vào bảng màn ảnh, đúng vào vị trí trung tâm của cảm biến QĐ. Muốn vậy ta hãy thực hiện các theo bước sau:

1. Vặn Panme P đưa cảm biến quang điện QĐ về vị trí trung tâm (khoảng 12,5mm trên thân thước kẹp của Panme).

2. Nhấc bàn trượt có gắn cách tử ra khỏi giá quang học và đặt xuống mặt bàn. Cắm phích điện của nguồn laser DL vào ổ điện ~220V và bật công tắc K1 của nó, ta nhận được chùm tia laser màu đỏ. Quan sát cảm biến quang điện QĐ xem chùm tia laser có chiếu đúng vào tâm lỗ tròn trên mặt cảm biến hay không. Nếu lệch, nới nhẹ các con ốc trên khớp đa năng để xoay nguồn laser DL sao cho tia sáng rọi đúng vào tâm lỗ và vuông góc với bề mặt lỗ. Với hai phép xoay quanh hai trục và hai phép tịnh tiến dọc theo hai trục của khớp vạn năng, ta hoàn toàn có thể điều chỉnh chuẩn trực chính xác cho hệ thống.

3. Đặt bàn trượt có gắn cách tử trở lại giá quang học. Điều chỉnh vị trí cách tử nhờ khớp nối đa năng của nó, sao cho tia laser rọi đúng vào tâm (hình vuông) cách tử. Tiếp tục điều chỉnh xoay cách tử sao cho tia phản xạ từ mặt cách tử ngược trở lại đúng vào lỗ ra của tia laser. Dịch chuyển bàn trượt dọc theo giá quang học đến vị trí sao cho thấu kính TK cách mặt cảm biến quang điện QĐ đúng 500mm thì chốt lại và giữ cố định khoảng cách này trong suốt quá trình đo.

Nếu hệ thống đã được điều chỉnh đúng thì: • Trên mặt cảm biến quang điện QĐ xuất hiện một dãy chấm sáng sắc nét, nằm trên đường

thẳng nằm ngang đi qua tâm lỗ. • Nếu ta đẩy bàn trượt dọc theo giá quang học, vệt sáng của chùm Laser trên cách tử

không thay đổi vị trí.

4. Tiến hành thí nghiệm a. Quy “0” và điều chỉnh độ nhạy của Milivôn kế điện tử MV + Cắm phích lấy điện của Milivôn kế điện tử MV vào ổ điện ~220V. + Đặt núm chọn thang đo của bộ MV ở vị trí 1,5mV và vặn nhẹ núm biến trở Rf của nó

về vị trí tận cùng bên trái. Bấm khoá K trên mặt bộ MV, chờ khoảng 3 phút để bộ khuếch đại ổn định.

+ Tiến hành điều chỉnh số “0” cho Milivôn kế điện tử MV bằng cách: che sáng hoàn toàn khe hở của cảm biến quang điện QĐ (hoặc tắt nguồn laser bằng cách ngắt công tắc K1 trên nguồn

80


laser DL), vặn từ từ núm biến trở “quy 0” (lắp ngay dưới đồng hồ chỉ thị) để kim đồng hồ MV chỉ đúng số 0.

+ Để điều chỉnh độ nhạy thích hợp cho Milivôn kế điện tử MV, ta vặn từ từ cán của panme P sao cho cực đại giữa (có cường độ sáng lớn nhất) của ảnh nhiễu xạ lọt đúng vào giữa khe hở của cảm biến quang điện QĐ. Khi đó kim của milivôn kế điện tử MV lệch mạnh nhất. Vặn núm xoay của biến trở Rf sao cho kim của milivôn kế điện tử lệch tới vạch cuối thang đo (80 hoặc 90). (Nếu không đạt được độ lệch này, thì phải vặn mạch chuyển thang đo của bộ MV sang vị trí “15 mV” ứng với độ nhạy lớn nhất của nó, và tiến hành điều chỉnh theo cách trên).

b. Khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ laser Vì cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ laser tỷ lệ với cường độ I của dòng quang điện, tức tỷ

lệ với hiệu điện thế U rơi trên điện trở sun R, nên ta có thể khảo sát sự phân bố cường độ sáng trong ảnh nhiễu xạ laser bằng cách khảo sát sự biến thiên của hiệu điện thế U theo vị trí x của các cực đại chính nằm giữa hai cực tiểu chính (ứng với b/sin λϕ ±= ) tuân theo các bước sau đây:

1: Vặn từ từ cán của panme P để dịch chuyển khe hở của cảm biến quang điện QĐ trong khoảng giữa hai cực tiểu chính bậc một trên ảnh nhiễu xạ. Để thuận tiện ta vặn panme P về phía giá trị 0 của nó, sao cho khe của tế bào quang điện QĐ trùng mép ngoài của bậc 1. Đọc và ghi giá trị của x và U tương ứng vào bảng 1.

2: Sau đó vặn panme P dịch chuyển một khoảng nhỏ bằng 0,10 mm (ứng với dịch chuyển 10 vạch trên du xích của panme P) để khe của tế bào quang điện QĐ tiến về phía vân trung tâm. Đọc và ghi giá trị x và hiệu điện thế U tương ứng vào bảng 1. Tiếp tục tiến hành điều chỉnh panme P mỗi lần 0,10mm như trên sau đó đọc và ghi giá trị hiệu điện thế U tương ứng với mỗi vị trí x trên panme P vào bảng 1:

Bảng 1

+ Độ chính xác của thước panme: ……………..……………(mm) + Độ chính xác của Milivon kế điện tử MV ………………..(mV)

x (mm)

I (mA)

x (mm)

I (mA)

c. Xác định bước sóng của chùm tia laser Sau khi xác định được cực đại sáng giữa ứng với k = 0, vặn từ từ panme P để đo khoảng

cách a giữa hai cực đại nhiễu xạ bậc nhất ứng với k = ±1 nằm đối xứng ở hai bên cực đại sáng giữa. Trong thí nghiệm này, để xác định chính xác vị trí đỉnh của các cực đại nhiễu xạ, ta tiến hành đo như sau:

+ Dịch chuyển panme P theo một chiều từng 0,01mm tại những điểm lân cận ở hai phía của các đỉnh này để tìm giá trị cực đại của hiệu điện thế U.

+ Thực hiện phép đo này ba lần, đọc và ghi giá trị của a trên thước panme vào bảng 2:

81


Bảng 2

+ Chu kì của cách tử phẳng: d = …………………(mm-1). + Tiêu cự của thấu kính hội tụ: f = …………………(mm) + Độ chính xác của panme: ……………………..(mm) + Độ chính xác của thước milimét:……………………..(mm)

Lần X1 (mm) x2 (mm) a =|x2 – x1|(mm) ∆a (mm) λ (µm) ∆λ (µm)

1

2

3

Trung bình a = …… a∆ =…… λ =………. λ∆ =…….

5. Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu a. Căn cứ vào số liệu x và U ở bảng 1, vẽ đồ thị : )x(fU = .

b. Căn cứ vào số liệu đo ở bảng 2 và công thức (14) để tính bước sóng của chùm Laser và viết kết quả.

IV. CÂU HỎI KIỂM TRA 1. Định nghĩa hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Mô tả ảnh nhiễu xạ của chùm tia sáng song song

chiếu qua một khe hở hẹp. 2. So sánh ảnh nhiễu xạ của chùm tia sáng song song chiếu qua một cách tử phẳng với ảnh

nhiễu xạ của chùm tia sáng song song chiếu qua một khe hở hẹp. Nêu rõ các công thức xác định vị trí các cực tiểu chính và của các cực đại chính trong ảnh nhiễu xạ.

3. Khi xác định bước sóng λ của chùm tia laser nhiễu xạ qua cách tử, tại sao không đo trực tiếp khoảng cách giữa cực đại chính bậc 1 và cực đại giữa (ứng với k=0), mà lại đo khoảng cách a giữa hai cực đại chính 1 (ứng với k = ±1)?

Khi khảo sát sự phân bố cưòng độ sáng trong ảnh nhiễu xạ laser, tại sao ta chỉ xét trong khoảng giữa hai cực tiểu chính bậc 1 (ứng với k=±1) và phải kiểm tra lại vị trí đỉnh của các cực đại chính bằng cách chỉ dịch chuyển panme P từng 0,01mm (mà không dịch chuyển từng 0,10mm như lúc đầu) theo một chiều?

82

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Lương Duyên Bình (chủ biên), Vật lý đại cương, NXB Giáo dục, 2007. 2. Trần Minh Sơ, Kĩ thuật điện 1, NXB ĐHSPHN, 2008. 3. Nguyễn Thế Bình, Quang học, NXB ĐHQGHN, 2007. 4. Phạm Trần Hùng, Điện kĩ thuật, NXB ĐHSPHN, 2008. 5. David, Haliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Fundanrental of Physics, Publishing as

Wiley, 1994. 6. Hugh D. Young, Roger A. Freedman, University physics with modern physics,

Publishing as Addison Wesley, 2003. 7. Lương Duy Thành, Phan Văn Độ, Thí nghiệm vật lý đại cương I, NXB GT, 2009.

83


Chịu trách nhiệm xuất bản: GS.TSKH. NGUYỄN KHOA SƠN

Biên tập: TRẦN PHƯƠNG ĐÔNG Chế bản: MINH KHANH Bìa: LÊ TUẤN HẢI

In 3030 cuốn khổ 20,5 × 29cm tại Công ty in Khuyến học. Giấy phép xuất bản số 139-2009/CXB/080-01/KHTNCN do Cục xuất bản cấp ngày 22/5/2009. In xong và nộp lưu chiểu quý III/2009.

84

Documents

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II - · PDF fileMục đích của các bài thí nghiệm là giúp sinh ... thực hành. Thí nghiệm vật lý ... tập cho sinh viên