Xây dựng được chương trình hỗ trợ bài thí nghiệm vật lý đại cương “Đo độ hấp thu ánh sáng” thông qua giao tiếp với máy NoVaSpec II

http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN OBO OK S CO M Tóm tắt luận văn Các vấn đề nghiên cứu: Sự hấp thu ánh sáng đo sụ hấp thụ ánh sáng máy NoVaSpec II Khảo sát phụ thuộc độ hấp thu ánh sáng dung dịch với bước sóng ánh sáng hấp thụ nồng độ dung dịch Ghép nối thiết bị đo lường với máy tính thơng qua cổng RS232C Chương trình giao tiếp qua cổng nối tiếp ngôn ngữ Matlab Xây dựng chương trình nhận xử lý liệu từ máy NovaSpec II, ngôn ngữ Matlab Các kết quả: Xây dựng chương trình hỗ trợ thí nghiệm vật lý đại cương “Đo độ hấp thu ánh sáng” thông qua giao tiếp với máy NoVaSpec II KIL Thu thập xử lý kết thí nghiệm http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M LỜI MỞ ĐẦU Nếu nói Vật lý chìa khố thời kì Cơng nghiệp hố kỉ 20, Tin học cánh cửa bước vào Thế giới công nghệ thông tin kỉ 21 Con người luôn muốn chinh phục giới, tìm cách kết hợp ưu điểm có, để tạo ưu điểm mới, ưu việt Nhờ vậy, tạo nên thành tựu to lớn nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật Có thể xem Công nghệ tự động, Công nghệ phân tích hai ví dụ điển hình Nói cơng nghệ phân tích, khơng thể khơng nhắc đến Phân tích quang phổ Phân tích thành phần hố học thiên thạch xa hàng nghìn hàng triệu năm ánh sáng hay phân tích thành phần hố học ADN, đơn vị cấu trúc protein, nhỏ cỡ phần tỉ centimet đạt nhờ vào việc Phân tích quang phổ mẫu chất Sẽ khó khăn ta ngồi hàng giờ, hàng ngày, chí hàng tháng để thu thập kết phân tích xử lý tay số phức tạp Kết nối thiết bị phân tích với máy tính góp phần tăng mức độ tự động hoá việc thu thập xử lý liệu, kể việc lập bảng thống kê in kết Lợi ích mang đến khơng việc nghiên cứu khoa học mà ứng dụng hiệu sản xuất( ví dụ cơng nghệ thực phẩm ) Khoá luận tốt nghiệp với đề tài XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH NHẬN DỮ LIỆU TỪ MÁY NOVASPEC II VÀO MÁY TÍNH VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU nhằm bước đầu tìm hiểu ghép nối thiết bị ( mà cụ thể máy so màu NovaSpec II ) với máy tính thơng qua cổng RS232, khảo sát hấp thu ánh sáng dung dịch, từ sâu vào ứng dụng thực tiễn http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I KIL OBO OKS CO M Chương 1: Sự hấp thu ánh sáng Các tượng Hiện tượng hấp thu ánh sáng Khi chùm sáng chiếu vào dung dịch có ba tượng xảy ra: Một phần ánh sáng truyền qua dung dịch Một phần bị phân tán Phần lại bị hấp thu Khi ánh sáng bị hấp thu, ta có tượng hấp thu ánh sáng Hấp thu cực đại Các chất hấp thu xạ cách chọn lọc, chiếu ánh sáng vào vật, vật hấp thu xạ mạnh xạ khác Thí dụ vật màu vàng hấp thu mạnh tia màu lam ngược lại, vật màu lam hấp thu ánh sáng vàng mạnh Ta nói màu vàng màu lam hai màu phụ ( hay hai màu hỗ bổ) Vậy màu vật màu mà hấp thu mạnh hai màu hỗ bổ sau: Lục vàng – Tím Vàng – Lam Da cam – Lam lục Đỏ – Lục lam Đỏ tía – Lục http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Các định luật Định luật Lambert a Phát biểu KIL OBO OKS CO M II Khi cho xạ có bước sóng λ qua lớp dung dịch màu có bề dầy d, gọi Io cường độ xạ tới, I cường độ xạ ló khỏi chất hấp thụ, ta có: I = I e − kd k: hệ số hấp thụ d: bề dầy lớp dung dịch hấp thụ, thường tính centimét (cm) e: số logarit tự nhiên b Chứng minh Xét độ biến thiên lượng chùm phóng xạ dựa vào truyền qua vật có bề dày cho trước, ta có: dP = [emission] – [absorption] = dI dA d Ω = J(dA ds)d Ω - K(I dA d Ω )ds Trong dI dA d Ω : lượng bị (1) http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN : thể tích vật mà chùm xạ xuyên qua I dA d Ω : lượng tới I(r, θ , φ ) : cường độ tính theo erg cm-2 sterradian-1 s-1 J : độ truyền qua tính theo erg cm-3 s-1 sterradian-1 KIL OBO OKS CO M dA ds : hệ số hấp thụ tính theo cm-1 K ≡ Ka + Ks Chia (1) cho dA ds, ta có : dI = J − KI ds (2) Các đại lượng phương trình phụ thuộc vào tần số, nên thường viết dạng: dIν = J ν − Kν Iν ds (3) Khi J = từ (2) ta có : dI = − KI ds Hay: dI = − Kds I Suy định luật Lambert: I = I e − kd http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Định luật Beer a Phát biểu KIL OBO OKS CO M Khi chất hấp thụ hoà tan dung môi suốt, hệ số hấp thụ tỷ lệ với nồng độ C k = ε C C: nồng độ chất hấp thụ ε: hệ số tỷ lệ b Điều kiện áp dụng Định luật Beer áp dụng điều kiện sau: Ánh sáng qua dung dịch phải ánh sáng đơn sắc, hệ số tắt ε thay đổi theo bước sóng Để định luật áp dụng ta chọn bước sóng λ cực đại đường cong hấp thụ nằm khoảng nằm ngang đường cong (Hình 1) Nồng độ chất dung dịch màu không lớn Dung dịch dung dịch huỳnh quang huyền phù Định luật Beer khơng cịn cân hoá học bị dịch chuyển mạnh pha lỗng (Hình 2) http://kilobooks.com KIL OBO OKS CO M THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Định luật Lambert-Beer I I KIL OBO OKS CO M Từ định luật Beer, định luật Lambert trở thành: = e − ε cd Người ta thường viết hệ thức dạng: I I = 10 − ε cd Công thức thường biết tên định luật Lambert-Beer Trong đó: ε gọi hệ số tắt, phụ thuộc vào chất chất hấp thụ, vào bước sóng ánh sáng qua, vào nhiệt độ nguyên tắc không phụ thuộc vào dung môi Nếu nồng độ C biểu thị số gam lít dung dịch giá trị ε tương ứng gọi hệ số tắt riêng Nếu C biểu thị số ion gam phân tử gam lít dung dịch ε gọi hệ số tắt phân tử Độ truyền qua T (Transmit): tỷ số cường độ chiếu sáng ló cường độ ánh sáng ban đầu T thường biểu diễn theo phần trăm T = I = 10 I0 − ε cd Mật độ quang hay độ hấp thu (độ tắt), ký hiệu D hay A (Absort): logarit nghịch đảo đại lượng T D = log I = log o = εcd T I Ta thấy mật độ quang D tỷ lệ với nồng độ chất dung dịch Nếu độ truyền qua T = 100% độ hấp thu D = http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Nếu độ truyền qua T = độ hấp thu cực đại Dmax = Người ta thường ứng dụng định luật Lambert – Beer để đo độ truyền KIL OBO OKS CO M qua T hay độ hấp thụ D dung dịch http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Chương 2: Bài thí nghiệm đo dộ hấp thu ánh sáng I KIL OBO OKS CO M máy NoVaSpecII MỤC ĐÍCH Mục đích thí nghiệm nhằm giúp sinh viên hiểu rõ chất vật lý hấp thụ ánh sáng, mà cụ thể là: Mỗi dung dịch hấp thu cực đại bươc sóng khác Độ hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào nồng độ dung dịch hấp thụ II BÀI THÍ NGHIỆM Máy quang phổ (so màu) NoVaSpec II Máy quang phổ dùng khoá luận máy digital NoVaSpec II, cho phép sử dụng bước sóng liên tục Kết đo độ hấp thu hay độ truyền suốt hiển thị máy, với sai số 0.001nm Máy có cổng giao tiếp nối tiếp RS-232C cho phép ghép nối với máy in hay máy tính có cổng nối tiếp tương ứng a Ngun tắc hoạt động máy Dựa vào định luật hấp thụ ánh sáng trên, mà cụ thể ba định luật: Định luật Lambert, Định luật Beer, Định luật Lambert-Beer, http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN Nhận xử lý liệu, vẽ đồ thị Khi bấm nút prt/ent máy NovaSpecII, kết đo gởi KIL OBO OKS CO M qua máy tính thơng qua đối tượng port tạo Chương trình nạp liệu vào file mà người làm thí nghiệm chọn, xử lý liệu để vẽ đồ thị Ngoài chương trình cịn có thêm phần hướng dẫn thí nghiệm II Kết đánh giá Kết Dưới tất kết thu kết nối máy quang phổ với máy tính dùng chương trình xây dựng với tên gọi CT_NoVaSpecII Thí nghiệm 1: Khảo sát phụ thuộc độ hấp thụ ánh sáng vào bước sóng ánh sáng Khảo sát dung dịch: NiCl2, CoCl2, K2Cr2O7, CuSO4 Kết bao gồm file ghi liệu dạng text đồ thị thu dung dịch http://kilobooks.com THÖ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M Dung dịch NiCl2 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M Dung dịch CoCl2 http://kilobooks.com THÖ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M Dung dịch K2Cr2O7 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M Dung dịch CuSO4 http://kilobooks.com THÖ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Thí nghiệm 2: Ở thí nghiệm 1, sau khảo sát độ hấp thụ ánh sáng dung dịch NiCl2, đại ) KIL OBO OKS CO M xác định λm =394 (bước sóng mà dung dịch NiCl2 hấp thụ cực Dung dịch NiCl2 có nồng độ chưa biết Tại bước sóng λm =394, xác định độ hấp thu dung dịch Dx = 0.8733 Bằng phương pháp nội suy từ đồ thị, suy nồng độ dung dịch X vào cỡ 0.6998C0 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN KIL OBO OKS CO M Đánh giá Ưu điểm chương trình: Sau thực bước kết nối, chương trình có khả đọc số liệu xử lý, đồng thời biểu diễn số liệu lên đồ thị sau bấm nút prt/ent máy Khả tự động này, giúp bạn sinh viên làm thí nghiệm nhanh khơng cần phải ghi lại kết thu Bên cạnh đó, chương trình giúp sinh viên khảo sát đồ thị kết thí nghiệm cách trực diện Giao dễ sử dụng Khuyết điểm: Chương trình chưa hỗ trợ cho tất chức máy NoVaSpec II Chưa chuyển chương trình thành file thực thi Do đó, sử dụng chương trình phải có chương trình Matlab hỗ trợ Kết luận CT_NoVaSpecII xây dựng theo yêu cầu đề đề tài Tuy nhiên, chương trình dừng lại mức độ hỗ trợ thí nghiệm Chương trình xây dựng hồn tồn ý tưởng tác giả, với hỗ trợ Matlab, mang tính chất học hỏi, chưa có chun nghiệp Vì vậy, CT_NoVaSpecII cần phải cải tiến nhiều Một số đề xuất cải tiến tương lai: +Xây dựng hỗ trợ tất chức máy quang phổ “NoVaSpecII” +Đưa chương trình dạng file thực thi +Cải tiến thành chương trình mơ http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Hướng mở rộng: Xây dựng chương trình hỗ trợ tất thí nghiệm phịng thực tập vật lý đại cương có thiết bị trang bị KIL OBO OKS CO M cổng giao tiếp Hướng nghiên cứu mới: Trong tương lai muốn ứng dụng hiểu biết giao tiếp máy tính với thiết bị thu gặt khóa luận, kết hợp với kiến thức vật lý học để xây dựng chương trình điều khiển trình thu phát pin lượng mặt trời nhằm tăng hiệu suất hoạt động pin, đưa vào ứng dụng thực tiễn Đó tâm huyết tơi chọn chun ngành “Vật lý tin học” Tôi mong nhận hỗ trợ động viên tất thầy cô khoa, tất bạn bè, người thân Tơi xin chân thành cảm ơn http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Phụ lục 1: Hướng dẫn sử dụng máy NoVaSpec II KIL OBO OKS CO M Các phím chức năng: WAVELENGTH - + mode Set ref CONC/FACTOR - + function prt ent Wavelength: Nhấn phím +/- để tăng hay giảm bước sóng ánh sáng sử dụng Nhấn đồng thời hai phím khởi tạo thủ tục kiểm tra đỉnh Mode Nhấn phím để chọn chế độ đo ( abs, trans, conc, hay factor) Set ref Nhấn phím để đưa giá trị xuất độ hấp thu (abs) 0, hay độ truyền qua (trans) 100% Conc/Factor ( Demical Point) Function Nhấn phím cho phép người dùng chọn 10 chức máy http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Trong trường hợp, chức có chức nhỏ hơn, dùng Prn/ent KIL OBO OKS CO M phím Mode để lựa chọn Nhấn phím gởi thông tin trạng thái đến máy in nối tiếp phù hợp hay thiết bị kết nối với thơng qua cổng RS-232C máy Trong trường hợp lựa chọn chức cho máy, đóng vai trị phím ENTER Sơ đồ sử dụng phím http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M Màn hình hiển thị thơng tin kết Màn hình hiển thị gồm có vùng riêng biệt: Vùng 1: WAVELENGTH nm Ở chế độ hoạt động thường (mode = Fn0): hiển thị bước sóng chọn theo đơn vị nm Khi chọn chức từ 1đến : hiển thị kí hiệu chức Vùng 2: MODE Gồm đèn LED thị chế độ hoạt động thường máy chọn abs (absorbance) : đo độ hấp thu trans (transmittance) : đo độ truyền qua conc (concentration) : đo nồng độ factor(concentration factor) : đo tỉ lệ nồng độ Vùng 3: MEASUREMENT/FACTOR Hiển thị thông tin liên quan đến chế độ Khi giá trị hiển thị vùng khơng ổn định (nhấp nháy), giá trị đo nằm giới hạn đo máy http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Khi kí hiệu chức hiển thị vùng WAVELENGTH, vùng hiển thị thông tin mô tả ngắn chức KIL OBO OKS CO M Khi có tin nhắn Err vùng WAVELENGTH, thơng báo lỗi tương ứng hiển thị vùng http://kilobooks.com KIL OBO OKS CO M THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách [1] Ngơ Diên Tập: Đo lường điều khiển máy tính, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội – 2001 [2] TG:Ứng dụng lập trình Matlab đo lường, NXB [3] Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Việt Anh: Lập trình Matlab ứng dụng, NXB Khoa học kĩ thuật [4] G-Saclo: Các phương pháp phân tích - tập 2, NXB [5]Đặng Văn Liệt, Đỗ Đình Luyện, Nguyễn Văn Nghĩa, Trần thị Kim Phượng: Thực tập vật lý đại cương năm thứ 1, NXB Tp.Hồ Chí Minh – 2004 [6] TG: Hướng dẫn sử dụng máy NoVaSpecII, NXB Trang web http://www.taltech.com/TALtech_web/resources/intro-sc.html http://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standa rd.html#anchor367782 http://www.mathworks.com http://www.physicsdaily.com/physics http://scienceworld.wolfram.com/physics http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/spectrophoto metry http://kilobooks.com KIL OBO OKS CO M THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: Sự hấp thu ánh sáng I Các tượng Hiện tượng hấp thu ánh sáng Hấp thu cực đại II Các định luật Định luật Lambert Định luật Beer Định luật Lambert-Beer Chương 2: Bài thí nghiệm đo dộ hấp thu ánh sáng máy NoVaSpecII 10 I Mục đính 10 II Bài thí nghiệm 10 Máy quang phổ (so màu) NoVaSpec II 10 Chuẩn bị 13 Tiến hành đo 14 Sai số 16 Chương 3: RS-232C 17 I Tổng quan giao tiếp với máy tính 17 Các cổng máy tính 17 Giao tiếp nối tiếp 18 Các giao diện truyền thông nối tiếp 20 II Chuẩn RS-232C 22 Độ dài cáp 23 Các đặc điểm kỹ thuật điện RS-232C 24 III Các đặc tính RS-232C 25 Bit đầu (startbit), bit liệu (databits), bit chẵn lẻ (parity), bit dừng (stopbit) 25 Tốc độ baud 27 IV Cấu trúc RS-232C: 28 Sơ đồ chân 28 Các tín hiệu cổng nối tiếp RS-232C chức chân ……………………………………………………………………….30 Hoạt động 35 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Chương 4: Ngơn ngữ xây dựng chương trình 37 KIL OBO OKS CO M I Giới thiệu Matlab Serial Port Interface 37 II Các hàm giao tiếp nối tiếp 39 Các hàm kiểm tra port 39 Các hàm tạo, cấu hình xem nội dung port 40 Các hàm kết nối 46 Các hàm nạp, lưu, xoá đối tượng port nối tiếp 53 PHẦN II: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ………………………………….57 I Chương trình CT_NOVASPECII 57 Xây dựng chương trình 57 Mơ tả chương trình 59 II Kết đánh giá 67 Kết 67 Đánh giá 73 Kết luận 73 ... dịch hấp thu cực đại bươc sóng khác Độ hấp thụ ánh sáng phụ thu? ??c vào nồng độ dung dịch hấp thụ II BÀI THÍ NGHIỆM Máy quang phổ (so màu) NoVaSpec II Máy quang phổ dùng khoá luận máy digital NoVaSpec. .. Khi ánh sáng bị hấp thu, ta có tượng hấp thu ánh sáng Hấp thu cực đại Các chất hấp thu xạ cách chọn lọc, chiếu ánh sáng vào vật, vật hấp thu xạ mạnh xạ khác Thí dụ vật màu vàng hấp thu mạnh tia... ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Chương 2: Bài thí nghiệm đo dộ hấp thu ánh sáng I KIL OBO OKS CO M máy NoVaSpecII MỤC ĐÍCH Mục đích thí nghiệm nhằm giúp sinh viên hiểu rõ chất vật lý hấp thụ ánh sáng, mà cụ