Giáo trình thực hành Vật lý đại cương (Trường ĐH Thủ Dầu Một)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGUYỄN THỊ KIM CHUNG (chủ biên), HUỲNH THỊ PHƯƠNG THÚY TRẦN THANH DŨNG, NGUYỄN THANH TÙNG THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 10-2020 Lời nói đầu Vật lí học môn khoa học thực nghiệm Thực hành vật lí khâu quan trọng giúp sinh viên kiểm chứng lại kiến thức lí thuyết; vận dụng kiến thức vào thực tiễn; nâng cao kỹ năng, phương pháp thực hành; làm quen biết cách sử dụng máy thông thường, đơn giản tiền đề để sử dụng máy phức tạp thực tiễn nghề nghiệp sau này; khâu giúp cho sinh viên rèn luyện đức tính trung thực, khách quan, cẩn thận, khéo léo cần thiết người kĩ sư sau Chúng chọn lọc thực hành vừa có tính chất giúp sinh viên hiểu sâu thêm kiến thức phần học chương trình vật lí đại cương, vừa mang tính chất phục vụ ngành học (vật lí, hóa học, mơi trường, xây dựng), phương pháp dụng cụ, máy móc dùng tài liệu dụng cụ, máy móc nhà trường có phù hợp với số thiết bị ngành học sử dụng Nội dung giáo trình chia thành hai phần: Phần mở đầu nhằm giúp sinh viên nắm qui tắc an toàn lao động, hiểu rõ cách tiến hành thực hành vật lí; đồng thời giới thiệu vấn đề chung sai số, cách xử lí số liệu, cách viết kết cách vẽ đồ thị thực nghiệm Phần thứ hai 18 thực hành Cơ – Nhiệt – Điện – Quang – Lượng tử Nội dung viết ngắn gọn, chủ yếu nhằm làm rõ mục đích, nguyên tắc cách thức tiến hành thí nghiệm Sinh viên sử dụng giáo trình vật lí đại cương tài liệu tham khảo khác để hiểu thật rõ lí thuyết trước thực hành, đồng thời để chuẩn bị trả lời câu hỏi nêu cho Tài liệu dùng cho sinh viên ngành kĩ thuật Chúng mong nhận góp ý đồng nghiệp, bạn sinh viên để tài liệu ngày hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Bình Dương, ngày 27 tháng năm 2019 Các tác giả PHẦN I NHỮNG QUI TẮC AN TỒN VÀ QUI TRÌNH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÍ BÀI NHỮNG QUI TẮC CHUNG LÀM VIỆC TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Trước thực hành phải phải chuẩn bị kỹ nhà, trả lời câu hỏi, nắm mục đích cách tiến hành thí nghiệm Trước thực hành giáo viên kiểm tra lí thuyết, thấy không chuẩn bị, giáo viên không cho làm thực hành Phải có mặt phịng thí nghiệm giờ, để cặp sách ngồi chỗ qui định, tuyệt đối giữ trật tự kỉ luật Nhóm trưởng kiểm tra dụng cụ, máy đo có hỏng phải báo cho cán phụ trách phòng thí nghiệm Trong thực hành phải tuyệt đối tuân theo hướng dẫn giảng viên cán phụ trách phịng thí nghiệm, phải đảm bảo an tồn, tính xác phải cẩn thận, khơng làm hư hỏng, cháy máy đo điện dụng cụ dễ vỡ khác, không mắc vào ổ điện không phép, không tự tiện sử dụng dụng cụ, máy móc chưa hướng dẫn, phải giữ vệ sinh phịng thí nghiệm, ln ln giữ trật tự, yên lặng, gọn gàng, Cấm ăn uống, hút thuốc phịng thí nghiệm Cán hướng dẫn đình buổi thí nghiệm sinh viên vi phạm nội qui phịng thí nghiệm Cấm làm thí nghiệm khơng có giáo viên nhân viên phịng thí nghiệm Sau buổi thí nghiệm, nhóm xếp dụng cụ vào chỗ cũ bàn giao thiết bị cho cán quản lí đầy đủ, trường hợp hỏng, phải bồi thường Mỗi sinh viên phải nộp báo cáo thí nghiệm cho giáo viên phụ trách sau làm thí nghiệm Làm đủ thực hành, thiếu phải xin phép làm bù ngay, sau hoàn thành thực hành quyền dự thi cuối học kỳ BÀI 2.1 AN TOÀN LAO ĐỘNG TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ Những u cầu chung an tồn Để thực thí nghiệm vật lí, cần có mặt giảng viên cán phụ trách, sinh viên hướng dẫn an toàn lao động vào buổi học phần thực hành Sinh viên khơng phép làm thí nghiệm chưa có kiểm tra giảng viên Các yếu tố nguy hiểm: - bỏng nhiệt nung nóng chất lỏng vật thể khác; - cắt tay sử dụng dụng cụ phịng thí nghiệm thiết bị từ kính; - điện giật làm việc lắp đặt điện; - cháy nổ Khi thực thí nghiệm cần mặc quần áo chuyên dụng thiết bị bảo vệ cá nhân: găng tay điện mơi, thị điện áp, dụng cụ có tay cách điện, thảm điện môi Trước thực thí nghiệm, đảm bảo có sẵn khả sử dụng phương tiện chữa cháy ban đầu: bình cứu hỏa, carbon dioxide bột chữa cháy, cát áo choàng vải chống cháy Trong trường hợp bị thương, có dụng cụ sơ cứu cho nạn nhân, thơng báo cho quản lí phịng thí nghiệm, cần, gửi nạn nhân đến sở y tế gần nước Sau thực thí nghiệm, rửa tay thật kỹ xà 2.2 Yêu cầu an toàn trước làm thực hành Mang quần áo bảo vệ, làm việc thiết bị điện, chuẩn bị thiết bị bảo vệ cá nhân Chuẩn bị thiết bị cần thiết cho công việc Kiểm tra hoạt động thiết bị Đảm bảo tính sẵn có khả phục vụ phương tiện dập lửa ban đầu, dụng cụ y tế với loại thuốc cần thiết 2.3 Yêu cầu an toàn làm thí nghiệm Khi làm việc với dụng cụ thủy tinh, sử dụng ống thủy tinh với cạnh khơng sắc nhọn, chọn đường kính ống cao su thủy tinh chúng nối làm ướt đầu nước, glycerin bôi trơn dầu 2 Việc mở ống nghiệm cổ bóng đèn, bị dung nóng chất lỏng, cần hướng xa sinh viên, tránh thay đổi đột ngột nhiệt độ va chạm học Tại nơi làm việc, có khả vỡ cốc nung nóng, bắn tia lửa cần có chắn bảo vệ Plexiglas lắp đặt bàn trình diễn sinh viên, giáo viên phải đeo kính bảo hộ Khơng làm việc với chất lỏng nóng với bàn tay khơng bảo vệ, khơng đóng kín bình đựng chất lỏng nóng trước làm nguội Khơng vượt giới hạn cho phép tốc độ quay làm việc với máy ly tâm, động điện, đĩa quay, vv định thiết bị Để loại trừ khả chấn thương sinh viên, hình bảo vệ làm Plexiglas lắp đặt phía trước Khi đo điện áp dịng điện, phải đảm bảo thiết bị cách điện, nguồn điện giới hạn Việc thay phận, điện trở sơ đồ thực sau tắt Khơng bật chỉnh lưu mà không cần tải không chuyển mạch bật nguồn Khơng trực tiếp nhìn mắt ánh sáng từ hồ quang điện, máy chiếu, nhấp nháy laser 10 Thiết bị điện hoạt động cần có giám sát 2.4 Các yêu cầu đảm bảo an toàn trường hợp khẩn cấp Nếu xảy cố thiết bị điện có điện áp, ngắt nguồn điện thơng báo cho giảng viên, cán phịng thí nghiệm Trong trường hợp thiết bị điện thiết bị đánh lửa bị chập mạch, ngắt kết nối với nguồn điện, báo cháy cho quan cứu hỏa gần bắt đầu dập tắt đám cháy bình cứu hỏa cát Khi bị đổ chất lỏng dễ cháy cháy cần lột bỏ quần áo khỏi người, báo cháy cho quan cứu hỏa gần bắt đầu dập tắt đám cháy chất dập lửa ban đầu Trong trường hợp thủy tinh phịng thí nghiệm thiết bị thủy tinh bị vỡ, đừng lấy mảnh tay, sử dụng muỗng chổi Trong trường hợp bị thương, sơ cứu cấp cứu cho nạn nhân, thơng báo cho cán phịng thí nghiệm, cần, gửi nạn nhân đến sở y tế gần 2.5 Yêu cầu an toàn kết thúc công việc Ngắt kết nối thiết bị điện thiết bị khỏi nguồn điện Kiểm tra, thu dọn vệ sinh dụng cụ, bàn ghế Bàn giao dụng cụ cho cán phịng thí ngiệm BÀI QUI TRÌNH LÀM BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÍ 3.1 Các bước làm thí nghiệm vật lí Chuẩn bị: Đọc kỹ thí nghiệm nhà trước làm thực hành để vững mục đích, ucầu, trình tự tiến hành, nguyên tắc cấu tạo vận hành dụng cụ, thiết bị thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm: - Xem kỹ cấu tạo, tính năng, độ xác dụng cụ: cần thận trọng nhẹ nhàng - Làm theo bước tiến hành quy định Các số liệu thực nghiệm ghi vào sổ thực hành rõ ràng, để dùng tính tốn Nói chung đại lượng đo từ lần trở lên Tính kết thực nghiêm theo cách tính - Vẽ đồ thị (nếu có) - Nhận xét kết luận Có thể so sánh kết thu với lí thuyết, với kết sách, người khác Cần nêu rõ thí nghiệm làm, sai số gây nên yếu tố đáng kể, giảm bớt hay loại trừ chúng khơng, cải thiện phương pháp Những kinh nghiệm có q trình thực nghiệm Cơng việc nhận xét kết luận khâu trọng yếu thiếu sau làm thí nghiệm Nó giúp ta suy nghĩ phân tích, tổng kết khẳng định phương pháp, kết đo Phần thể rõ lực tư người làm thí nghiệm - Kiểm tra, thu dọn vệ sinh dụng cụ, bàn ghế Bàn giao dụng cụ cho cán phịng thí ngiệm Báo cáo số liệu thu sau thí nghiệm cho thầy giáo hướng dẫn - Làm báo cáo thí nghiệm Sau thực hành, sinh viên phải viết báo cáo (Mỗi người viết riêng) Bài nộp vào thực hành (các số liệu thực hành báo cáo cho thầy giáo hướng dẫn sau buổi thực hành) Mẫu báo cáo trình bày kèm theo thực hành 3.2 Phương pháp tổng quát dùng máy Khi dùng máy làm thực hành, người sinh viên phải: - Đọc kĩ lời dẫn cách dùng máy, ghi thực hành lời dẫn đặt cạnh máy - Nhận biết tất phận máy - Dùng máy theo giai đoạn ghi theo kỹ thuật ghi tài liệu"Chỉ dẫn sử dụng" máy Năm giai đoạn dùng máy bắt buộc phải tuân theo: Nhận biết: Điều kiện sử dụng đặc điểm máy Thí dụ: Máy dùng điện 110V hay 220V; Độ xác máy bao nhiêu? Kiểm điểm: Trước cho máy chạy, điều kiện dùng máy hội đủ chưa? (nếu khơng phải mời cán phịng thí nghiệm giải quyết) Tất phận điều khiển vị trí khởi đầu Điều chỉnh: Cho máy chạy điều chỉnh máy theo kĩ thuật hướng dẫn dùng máy để thu kết Dùng máy: Dùng máy theo kĩ thuật định (theo tài liệu hay cán phòng thí nghiệm hướng dẫn) Bảo dưỡng sau dùng: Đặt tất phận điều khiển trở lại vị trí ban đầu Tắt máy Lau rửa máy móc dụng cụ Bàn giao máy cho cán phòng thí nghiệm BÀI XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 4.1 Sai số phép đo đại lượng vật lí 4.1.1 Phép đo đại lượng vật lí Vật lí học ngành khoa học định lượng, liên quan đến giới thực vật lí học khoa học xác, vật lí học để đặc trưng cho tượng, tính chất vật người ta dùng đại lượng đo (vận tốc, khối lượng, nhiệt độ, lượng,…) Mọi đại lượng vật lí đo qua phép đo Phép đo đại lượng vật lí phép so sánh đại lượng cần đo với đại lượng loại quy ước chọn làm đơn vị đo Phép đo đại lượng vật lí độ dài 5,2 m bao gồm thứ nguyên, đơn vị độ xác Ký hiệu “m” cho ta biết thứ nguyên độ dài, đơn vị đo mét, số 5,2 đặc trưng cho độ xác phép đo Phép đo đại lượng vật lí chia thành hai loại: Phép đo trực tiếp phép đo gián tiếp * Phép đo trực tiếp: Đại lượng cần đo so sánh trực tiếp với đại lượng chọn làm đơn vị, kết đo đọc trực tiếp dụng cụ đo Thí dụ: Đo chiều dài vật thước mét, đo cường độ dòng điện ampe kế,… * Phép đo gián tiếp: Đại lượng cần đo xác định thơng qua cơng thức vật lí diễn tả mối quan hệ đại lượng cần đo với đại lượng khác đo trực tiếp Ví dụ: Vận tốc vật chuyển động thẳng xác định gián tiếp thông qua công thức v  s s quãng đường vật t đo trực tiếp thước mét t thời gian chuyển động vật đo trực tiếp đồng hồ bấm giây đồng hồ đo thời gian số Kết phép đo đại lượng vật lí biểu diễn giá trị số kèm theo đơn vị đo lường tương ứng Ví dụ: Chiều dài cạnh bàn L = 1,22 mét, cường độ dòng điện đoạn mạch I = 0,5 Ampe,… Về nguyên tắc chọn đơn vị cho đại lượng vật lí, đại lượng liên hệ với công thức, định luật người ta cần chọn đơn vị cho số đại lượng đơn vị đo đại lượng khác suy từ đơn vị chọn Những đơn vị chọn cho đại lượng gọi đơn vị đơn vị khác gọi đơn vị dẫn xuất Tập hợp tất đơn vị đơn vị dẫn xuất thành hệ đơn vị đo lường Hiện nay, dùng đơn vị đo quy định bảng đơn vị đo lường hợp pháp nước Việt nam dựa sở hệ đo lường quốc tế SI (System International d’Unites) bao gồm: + Các đơn vị bản: độ dài mét (m), khối lượng kilogram (kg), thời gian giây (s), nhiệt độ Kenvin (K), cường độ dòng điện Ampe (A), cường độ sáng cadenla (Cd), lượng chất kilơmol (kmol) đơn vị phụ góc khối steradian (Sr) + Các đơn vị dẫn xuất: vận tốc m/s, đơn vị lực (N), đơn vị cường độ điện trường (V/m),… Có thể nói, đơn vị đại lượng đo gián tiếp đơn vị dẫn xuất 4.1.2 Sai số phép đo đại lượng vật lí Định nghĩa Khi đo đại lượng vật lí, nhiều lí khách quan chủ quan ta khơng đo xác tuyệt đối giá trị đại lượng vật lí cần đo Độ sai lệch giá trị thực giá trị đo đại lượng cần đo gọi sai số ∆x = |x1 – x| (1) Trong đó: ∆x sai số phép đo x1 giá trị đo qua phép đo x giá trị thực đại lượng cần đo Phân loại sai số a Sai số dụng cụ Là sai số thân dụng cụ gây ra.Dụng cụ hoàn thiện,sai số dụng cụ nhỏ,nhưng nguyên tắc khơng khử sai số dụng cụ,chỉ khắc phục cách thay dụng cụ có độ xác cao Ví dụ: Trên thước đo nhiệt biểu ghi 0,050, thước đo chiều dài ghi 0,001m nghĩa sai số cực đại nhiệt biểu 0,050 thước 0,001m.v.v b Sai số ngẫu nhiên Gây nguyên nhân chủ quan khách quan khác nhau, tác động cách ngẫu nhiên lên kết đo Sai số ngẫu nhiên có dấu độ lớn khác lần đo nói cách khác làm cho kết đo lớn hơn, nhỏ giá trị thực đại lượng cần đo Ví dụ: Dùng đồng hồ bấm giây để đo nhiều lần chu kỳ lắc Do bấm, ngắt đồng hồ không lúc, gió ảnh hưởng tới dao động lắc, số kết đo có giá trị lớn hơn, số khác lại có giá trị nhỏ chu kỳ dao động thực lắc Rõ ràng, khử sai số ngẫu nhiên, giảm nhỏ giá trị cách thực đo cẩn thận, nhiều lần điều kiện xác định giá trị trung bình dựa sở phép tính xác suất thống kê c Sai số hệ thống Sai số hệ thống dụng cụ: Là sai số làm cho kết đo, lớn hơn, nhỏ giá trị thực đại lượng cần đo Có thể khử sai số hệ thống cách hiệu chỉnh lại dụng cụ đo, thay dụng cụ đo Sai số hệ thống tính chất vật đo: Thí dụ: Khi đo khối lượng riêng chất rắn dựa theo cơng thức  V m V khối lượng thể tích chất Nhưng bên m vật khuyết tật, có khoảng trống dẫn đến thể tích V đo Lưu ý: Để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt, không nên sử dụng thiết bị nơi có độ sáng khơng đồng đều, để tránh giảm độ xác hay nguy hiểm xảy Để đảm bảo độ xác, khơng nên tự thay đổi dây nối cảm biến hiển thị Nếu độ xác thiết bị giảm sau thời gian dài hoạt động, nên gửi lại trung tâm bảo hành để chỉnh lại Khi bị ướt, cần làm khô thiết bị trước sử dụng lần IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 4.1 Khảo sát phụ thuộc điện áp hở mạch Uo dòng điện đoản mạch I0 vào độ rọi sáng E mặt pin quang điện Bước 1: Mắc mạch điện theo sơ đồ Hình 10, chỉnh đúng: - Vơnkế V vị trí thang đo 20 DCV - Ampekế A vị trí thang đo 200mDCA - Đèn chiếu Đ vị trí cao giá đỡ Hình 10: Sưo Bước 2: Đặt cảm biến quang Luxmeter nhựa, đặt mặt pin quang điện cho phần đỉnh bán cầu (màu trắng) cảm biến quang nằm vng góc với phương thẳng đứng qua tâm đèn chiếu Đ Chú ý không đặt trực tiếp vật lên mặt cảm quang pin quang điện để bảo vệ mặt này, tránh bị xây xước hư hỏng Bước 3: Bật công tắc vặn núm xoay để đèn chiếu Đ đạt độ sáng cực đại Bước 4: Nhấn nút POWER Luxmeter chờ sau 2s, hình hiển thị giá trị độ rọi sáng E vị trí đặt cảm biến quang Đọc ghi giá trị E vị trí vào Bảng Nhấn nút OFF Luxmeter để ngắt điện Nhấc cảm biến quang Luxmeter nhựa khỏi mặt pin quang điện Bước 5: Nhấn nút POWER vônkế V để hiển thị giá trị điện áp hở mạch U0 hình Đọc ghi giá trị U0 vào Bảng Bước 6: Nhấn nút POWER ampe kế A cho hoạt động Dùng dây dẫn có hai đầu phích nối tắt hai lỗ cắm P Q, quan sát giá trị dòng ngắn mạch I0 hiển thị ampe kế Đọc ghi giá trị I0 vào Bảng 71 Bước 7: Thay đổi độ dọi sáng E cách hạ thấp dần đèn chiếu Đ xuống phía dưới, lần cm.Tại vị trí đèn Đ, thực lại động tác nêu từ bước b đến f để đo E, U0 I0 Đọc ghi giá trị nhận từ phép đo vào Bảng Bước 8: Tắt đèn chiếu sáng Đ Nhấn nút OFF Luxmeter để ngắt điện Kết thúc phép đo Bước 9: Căn giá trị đo E, U0 I0 ghi Bảng 1, vẽ đặc tuyến U0 = f(E), I0 = f(E) với trục hoành biểu diễn giá trị độ rọi sáng E 4.2 Khảo sát đặc tuyến vôn-ampe pin quang điện Bước 1: Giữ nguyên sơ đồ mạch điện Hình 10, đặt đúng: - Vơnkế V vị trí thang đo 20 DCV - Ampekế A vj trí thang đo 200m DCA Bước 2: Dùng hộp điện trở R = 1221 () làm tải tiêu thụ điện mạch pin quang điện mắc hai lỗ cắm P, Q Bước 3: Đặt đèn chiếu Đ vị trí cách pin quang điện khoảng 70cm Núm xoay điều chỉnh độ sáng để vị trí tận phải (cực đại) Bước 4: Thiết lập giá trị điện trở tải R từ đến 1200 Ω (như hướng dẫn bảng 2) nhờ núm xoay hộp điện trở thập phân R Nhấn nút POWER vônkế V ampekế A cho chúng hoạt động Bật công tắc đèn chiếu Đọc ghi giá trị U I tương ứng với giá tri R vào Bảng Bước 5: Tắt đèn chiếu Đ Nhấn nút OFF vônkếV, ampekế A Luxmeter để ngắt điện Tháo dây nối mạch khỏi bảng điện, xắp xếp gọn gàng Kết thúc phép đo Bước 6: Căn cặp giá trị U, I ghi Bảng 2, vẽ đặc tuyến vôn-ampe U = f(I) pin quang điện ứng với độ rọi sáng E thiết lập 4.3 Khảo sát phụ thuộc công suất P pin quang điện vào điện trở tải R Xác định công suất cực đại Pm Bước 1: Căn giá trị R, U, I ghi Bảng 2, tính giá trị công suất 72 P = U.I ghi vào Bảng Vẽ đặc tuyến P = f (R) biểu diễn phụ thuộc công suất P vào điện trở tải R Bước 2: Dựa vào đặc tuyến P = f(R), pin quang điện xác định giá trị công suất cực đại Pm V CÂU HỎI LÝ THUYẾT: Giải thích hình thành lớp chuyển tiếp p-n điơt bán dẫn Vẽ hình minh họa? Trình bày sơ lược tượng quang điện xảy lớp chuyển tiếp p-n điôt bán dẫn tác dụng ánh sáng? Mô tả cấu tạo hoạt động pin quang điện Nếu đặc trưng điện pin quang điện? Giới thiệu cơng dụng, đặc tính kĩ thuật cách sử dụng Luxmeter? Giới thiệu công dụng, đặc tính kĩ thuật cách sử dụng đồng hồ đo điện đa số DT 9205A+? Trình bày phương pháp khảo sát phụ thuộc điện áp khơng tải dịng điện ngắn mạch vào độ rọi sáng mặt pin quang điện.Vẽ sơ đồ mạch điện kể tên dụng cụ đo? Trình bày phương pháp khảo sát đặc tuyến vôn-ampe pin quang điện Vẽ sơ đồ mạch điện kể tên dụng cụ đo? Trình bày cách xác định cơng suất cực đại pin quang điện theo phương pháp đồ thị? 73 BÀI 6: DAO ĐỘNG KÍ VÀ MỘT SỐ ỨNG DꕰNG I MꕰC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Biết cấu tạo nguyên lí hoạt động dao động kí điện tử - Biết dùng dao động kí điện tử đo tần số, biên độ dao động, độ lệch pha II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Dao động kí điện tử Máy sóng (Dao động ký, Oscilloscope) vẽ đồ thị tín hiệu điện Trong hầu hết ứng dụng, đồ thị tín hiệu thay đối theo thời gian: Trục dọc (Y) biểu diễn điện áp trục ngang (X) biểu diễn thời gian Cường độ hay độ sáng hiển thị gọi trục Z Đây đồ thị đơn giản cho ta nhiều điều tín hiệu Máy sóng coi vũ khí lợi hại ln song hành chuyên gia nghiên cứu Công nghệ đông đảo người làm nghề sản xuất, lắp ráp, sửa chữa thiết bị Điên tử viễn thông, CNTT, công nghệ cao chuyên nghiệp 2.2 Công dụng Máy sóng  Nhận dạng tín hiệu (Xung vng, cưa, hình sin, tin hiệu hình, tín hiệu tiếng…)  Xác định rõ giá trị thời gian mức điện áp đường tín hiệu  So sánh tín hiệu dao động với tín hiệu chuẩn  Tính tốn tần số tín hiệu dao động  Nhận thấy “các phần động” mạch điện biểu diễn tín hiệu  Chỉ thành phần lỗi làm méo dạng tín hiệu  Tìm tín hiệu dòng chiều hay dòng xoay chiều  Chỉ tín hiệu nhiễu có nhiễu thay đổi theo thời gian Sự hữu ích dao động ký không bị giới hạn giới thiết bị điện tử Với chuyển đổi thích hợp, Máy sóng đo đạc tất kiểu tượng vật lí, âm thanh, áp lực khí, áp suất, ánh sáng nhiệt độ Một kỹ sư tơ dùng Máy sóng để đo đạc rung động Một nghiên cứu sinh y khoa dùng Máy sóng để đo đạc sóng não Các khả vô tận! 2.3 Các loại dao động kí 74 .Dao động ký bao gồm loại:  Dao động ký tần thấp (< 20 MHz), dao động ký tần cao (100 Mhz 500 Mhz), dao động ký siêu cao tần (trên GHz)  Dao động ký xung  Dao động ký tia, dao động ký nhiều kênh  Dao động ký có nhớ (loại tương tự số)  Dao động ký số; khơng có cài đặt vi xử lí Máy sóng tương tự việc trực tiếp với điện áp đặt vào đo để di chuyển dịng electron ngang qua hình máy oscilloscope.Trái lại, máy sóng số lấy mẫu dạng sóng dùng chuyển đổi tương tự/số (A/D) để chuyển đổi điện áp đo thành thông tin số Sau đó, dùng thơng tin số để tái cấu trúc lại dạng sóng hình Đối với nhiều ứng dụng, máy oscilloscope số máy oscilloscope tương tự dùng Tuy nhiên, loại máy có số đặc tính riêng làm cho thích hợp thích hợp tác vụ riêng Người ta thường thích Máy sóng tương quan trọng để hiển thị nhanh chóng tín hiệu thay đổi thời gian thực (hay chúng diễn ra) 2.4 Các khối chức dao động kí thơng dụng Các máy sóng chế tạo với mục đích khác có chung sơ đồ khối hình Tín hiệu vào đưa qua chuyển mạch ac/dc (khóa k đóng cần xác định thành phần dc tín hiệu cịn quan tâm đến thành phần ac mở k) Tín hiệu qua phân áp (hay gọi suy giảm đầu vào) điều khiển mạch núm xoay volts/div, nghĩa xoay núm cho phép ta điều chỉnh tỉ lệ sóng theo chiều đứng Chuyển mạch y-Pos để xác định vị trí theo chiều đứng sóng, nghĩa di chuyển sóng theo chiều lên xuống tùy ý cách xoay núm vặn Sau qua phân áp, tín hiệu vào qua khuếch đại y khuếch đại làm lệch để đưa tới điều khiển cặp làm lệch đứng Tín hiệu khuếch đại y đưa đến trigo (khối đồng bộ), trường hợp gọi đồng trong, để kích thích mạch tạo sóng cưa (cón gọi mạch phát quét) đưa tới điều khiển cặp làm lệch ngang (để tăng hiệu điều khiển, số mạch sử dụng thêm khuếch đại x sau khối tạo điện áp cưa) Đôi người ta cho mạch làm việc chế độ đồng ngồi cách cắt đường tín hiệu từ khuếch đại y, thay vào cho tín hiệu ngồi kích thích khối tạo sóng cưa 75 Hình Sơ đồ ngun lí dao động kí điện tử Đi vào khối tạo sóng cưa cịn có hai tín hiệu điều khiển từ núm vặn time/div x-Pos Time/div (có nhiều máy kí hiệu sec/div) cho phép thay đổi tốc độ quét theo chiều ngang, dạng sóng dừng hình với n chu kỳ tần số sóng lớn gấp n lần tần số quét) X-Pos núm điều chỉnh việc di chuyển sóng theo chiều ngang cho tiện quan sát Bộ phận quan trọng dao động kí Ống phóng tia điện tử CRT (hình 2) Hình Ống phóng tia điện tử CRT Bộ phận chủ yếu máy sóng ống tia điện tử thực chức vẽ dạng tín hiệu máy sóng ống tia điện tử ống thuỷ 76 tinh chứa chân khơng bên có điện cực xếp theo quy luật định Về cấu tạo coi ống tia điện tử gồm phần bản: súng điện tử, phận làm lệch, huỳnh quang - Phần thứ nhất: Súng điện tử có tác dụng tạo chùm tia điện tử nhỏ, bắn tới huỳnh quang làm phát sáng huỳnh quang Súng điện tử gồm : Sợi đốt S, Katốt K, lưới điều chế L, a nốt (A1) Anốt (A2) Khi katốt K bị nung nóng sợi đốt S phát xạ điện tử bề mặt xuất lớp mây điện tử Dưới tác dụng điện dương so với katốt anốt (A1) khoảng 300 đến 500V anốt (A2) khoảng từ 1,5 đến KV điện tử bị hút phía ảnh M Khi qua điện trường lưới L A nốt (L - A1) điện trường a nốt a nốt (A1- A2) điện tử hội tụ thành tia mảnh Các điện trường nói đóng vai trị thấu kính hội tụ tia điện tử vai trị điện trường (A1- A2) quan người ta dùng để thay đổi độ hội tụ - Phần thứ 2: Hệ thống làm lệch: Hệ thống làm lệch gồm cặp phiến cặp theo phương vng góc gọi cặp phiến đứng Y, cặp theo phương nằm ngang gọi cặp phiến X, cặp phiến tạo trường tĩnh điện điều khiển tia điện tử theo trục đứng ngang Nếu cặp phiến làm lệch có đặt điện áp (gọi điện áp điều khiển) khoảng khơng gian chúng tạo thành điện trường Khi tia điện tử qua phiến bị tác động điện trường bị thay đổi quỹ đạo chuyển động Khoảng cách lệch điểm sáng so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ trường thời gian bay điện tử qua khoảng không gian phiến Cường độ điện trường lớn, thời gian bay lâu độ lệch lớn - Phần thứ ba: Màn hình crt mạ lớp photpho mặt ống, chùm electron đập vào hình electron bên lớp mạ chuyển lên mức lượng cao trở trạng thái bình thường phát ánh sáng Sự lưu sáng photpho dài từ vài ms đến vài s nên mắt người nhìn thấy hình dạng sóng Lớp than chì có tác dụng thu hồi electron thứ cấp khơng thu hồi lại tích tụ electron tạo âm hình âm chống lại di chuyển dịng electron tiến đến hình Ngồi ra, người ta dùng nhơm thể thu góp electron dẫn tới đất Màng nhơm có tác dụng tăng cường độ chói lớp sáng phản xạ ánh sáng phía thủy tinh tản nhiệt cho hình 77 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TT Tên thiết bị Số lượng Dao động kí hai kênh Máy phát âm tần Nguồn dòng điện xoay chiều Dây nối 3.1 Dao động kí điện tử hai kênh Hinh Cấu tạo mặt ngồi dao động kí Nút POWER - công tắc Đèn báo hoạt động TRACE RATOTION: Điều chỉnh tia song song với đường kẻ ngang hình INTEN - điều chỉnh độ sáng hình ảnh FOCUS - điều chỉnh rõ nét hình ảnh 6- Cal Vp-p: Cung cấp tín hiệu Vp-p, 1KHz, xung vuông dùng để kiểm tra que đo 78 7, 17 POSITION Điều chỉnh vị trí tín hiệu hình 9, 19 VOL/DIV: điều chỉnh số mV/vạch hay V/vạch; TIME DIV điều chỉnh số msV/vạch hay s/vạch 10 VAIRIABLE: Tinh chỉnh độ nhạy với giá trị > 1/2.5 giá trị đọc Độ nhạy chỉnh đến giá trị đặc trưng vị trí CAL 11, 12 AC-GND-DC: Chọn lựa chế độ tín hiệu vào khuếch đại dọc: AC nối AC GND khuếch đại dọc tín hiệu vào nối đất tín hiệu vào ngắt ra, DC nối DC 13 Cột nhận tín hiệu kênh (CH 1-X) 14 Cột nhận tín hiệu kênh (CH 2-Y) 15 VERT MODE: Lựa chọn kênh - CH1: Chỉ có kênh CH1 - CH1: Chỉ có kênh CH1 - DUAL: Hiện thị hai kênh - ADD: Thực phép cộng (CH1 + CH2) phép trừ (CH1-CH2) (phép trừ có tác dụng CH2 INV nhấn) ALT/CHOP: Khi nút nhả chế độ Dual kênh kênh hiển thị cách luân phiên, nút ấn vào chế độ Dual, kênh kênh hiển thị đồng thời 16 – X10 MAG: Phóng đại 10 lần 18 X-Y: Dùng oscilloscope chế độ X-Y 22 GND: Tiếp đất thiết bị với sườn máy 24-31 TRIGGER: SOURCE: Dùng để chọn tín hiệu nguồn trigger (trong hay ngồi), tín hiệu đầu vào EXT TRIG IN: - CH1: Chọn Dual hay Add Vert Mode, chọn CH1 để lấy tín hiệu nguồn Trigger bên - CH2: Chọn Dual hay Add Vert Mode, chọn CH2 để lấy tín hiệu nguồn Trigger bên - TRIG.ALT: Chọn Dual hay Add Vert Mode, chọn CH1 CH2 SOURCE, sau nhấn TRIG.ALT, nguồn Trigger bên hiển thị luân phiên kênh kênh 79 - LINE: Hiển thị tín hiệu Trigger từ nguồn xoay chiều - EXT: Chọn nguồn tín hiệu Trigger bên đầu vào EXT TRIG IN - SLOPE: Nút Trigger Slope o “+” Trigger xảy tín hiệu Trigger vượt mức Trigger theo hướng dương o “-” Trigger xảy tín hiệu Trigger vượt mức Trigger theo hướng âm - TRIGGER MODE: Lựa chọn chế độ Trigger o Auto: Nếu khơng có tín hiệu Trigger tín hiệu Trigger nhỏ 25 Hz mạch qt phát tín hiệu qt tự mà khơng cần đến tín hiệu Trigger o Norm: Khi khơng có tín hiệu Trigger mạch qt chế độ chờ khơng có tín hiệu hiển thị o TV-V: Dùng để quan sát tín hiệu dọc hình ảnh TV o TV-H: Dùng để quan sát tín hiệu ngang hình ảnh TV 3.2 Máy phát tần số Máy phát tần số thiết bị dùng để tạo tín hiệu xoay chiều có tần số thay đổi khoảng 0- 20.000Hz Chức nút: Công tắc S Núm điều chỉnh tần số máy phát Núm chuyển mạch chọn thang tần số 7,8 Lối điện áp xoay chiều hình sin, cưa 80 Hình Máy phát âm tần IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Quan sát dạng tín hiệu đo tần số, điện áp tín hiệu Trước khởi động máy phải đảm bảo điện áp đầu vào yêu cầu Sau thực việc bật công tắc nhấn nút theo bảng sau: Thành phần Thiết lập Thành phần Thiết lập Power Off Slope + Inten Ở Trig.alt Nhả Focus Ở Trigger mode Auto Vert mode Ch1 Time/div 0.5ms/div Alt/chop Nhả (Alt) Swp.var Cal Ch2 inv Nhả Position Ở Volts/div 0.5V/div X10 mag Nhả Variable Cal 81 AC-GND-DC GND Source Ch1 Sau thiết lập cơng tắc nút nối dây điện vào máy thực thao tác sau: Bước 1: Nhấn nút Power bảo đảm đèn led bật sáng Trong vịng 20 s có tia xuất hình Nếu khơng thấy tia xuất mà hình vịng 60s nên kiểm tra lại bước thiết lập công tấc Bước 2: Điều chỉnh độ sáng tối độ sắc nét núm Focus Inten Bước 3: Điều chỉnh tia đường ngang trung tâm núm Trace Rotation nút Position Bứớc 4: Nối que đo vào đầu Ch1 nguồn phát cấp tín hiệu Bước 5: Đặt cơng tắc AC-GND-DC vị trí AC , dạng sóng xuất mà hình Bước 6: Điều chỉnh Focus để có hình ảnh rõ nét Bước 7: Hiển thị dạng sóng rõ ràng cách chỉnh núm Volts/Div Time/Div tới vị trí khác Bước 8: Chỉnh núm Position ngang dọc để đọc điện áp thời gian dẽ dàng Ghi chú: Các mô tả hoạt động đơn giản cho kênh Ch1, kênh Ch2 hoạt động tương tự Bước 9: Dựa hình sóng thu hình đo điện áp đỉnh đỉnh tần số tín hiệu - Điện áp Vpp (điện áp tính từ đỉnh đến đỉnh tín hiệu) Ví dụ: 82 - Tính Vpp cách đếm số hàng dọc hình nhân với giá trị volts/div Ghi giá trị Vpp vào bảng Vpp=số theo chiều dọc*vol/div - Tính tần số cách đếm số ô theo chiều ngang chu kì nhân với giá trị time/div Sau nghịch đảo chu kỳ ta tính tần số.Ghi giá trị đo vào bảng T= Vpp=số ô theo chiều ngang*time/div f=1\/T Đo tần số độ lệch pha phương pháp so sánh : Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ trên, đo tần số dao động ký sau : So sánh tần số tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn f0 Tín hiệu cần đo đưa vào cực y, tín hiệu tần số chuẩn đưa vào cực x Chế độ làm việc dao động ký gọi chế độ X-Y mode sóng có dạng hình sin Khi hình đường cong phức tạp gọi đường cong litsadu 83 Hình Hình dáng latsadu phụ thuộc vào tần số độ lệch pha tín hiệu Điều chỉnh tần số chuẩn tới tần số cần đo bội ước nguyên tần số chuẩn hình có đường litsadu đứng n Hình dáng đường litsadu khác tùy thuộc vào tỉ số tần số hai tín hiệu độ lệch pha chúng Ta có : f0 m  (1) fx n Với n số múi theo chiều ngang m số múi theo chiều dọc (hoặc lấy số điểm cắt lớn theo trục số điểm tiếp tuyến với hình lissajou trục) Phương pháp hình litsadu cho phép đo tần số khoảng tứ 10hz tới tần số giới hạn máy Nếu muốn đo độ lệch pha ta cho hai tần số hai tín hiệu nhau, đường lissajou có dạng elip Điều chỉnh y-Pos x-Pos cho tâm elip trùng với tâm hình (gốc tọa độ) Khi đó, góc lệch pha tính :  A   arctg   Với a, b đường kính trục dài đường kính trục ngắn elip B Nhược điểm phương pháp khơng xác định dấu góc pha sai số phép đo lớn (5-10%) Đo phương pháp so sánh tiến hành sau: Bước 1: Đặt Vert Mode Dual, nối hai đầu dò vào Cal, đặt AC-GND-DC AC chỉnh núm Position để thấy hai tia riêng biệt Bước 2: Đặt núm chuyển đổi Time/Div sang X-Y để kích hoạt máy hoạt động chế độ X-Y Trục X tín hiệu: Kênh Ch1 Trục Y tín hiệu: Kênh Ch2 Bước 3: Điều chỉnh tần số chuẩn tới tần số cần đo bội ước nguyên tần số chuẩn hình có đường litsadu đứng n Hình dáng đường litsadu khác tùy thuộc vào tỉ số tần số hai tín hiệu độ lệch pha chúng Bước 4: Dựa vào hình công thức (1) xác định tần số độ lệch pha tín hiệu Ghi kết vào bảng V CÂU HỎI LÝ THUYẾT Dao động kí điện tử Cấu tạo nguyên tắc hoạt động Các nút điều khiển chế độ khởi động làm việc 84 Nguyên tắc đo điện áp tín hiệu dao động kí điện tử Sai số phép đo phụ thuộc vào yếu tố nào? Cách hạn chế sai số 85