Tài liệu thí nghiệm vật lý đại cương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN Bộ môn Vật lý - Khoa Khoa học TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (Lưu hành nội bộ) Hưng Yên, năm 2010 PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ SAI SỐ CỦA CÁC PHÉP ĐO Thí nghiệm thực tập vật lý phần quan trọng môn Vật lý chương trình học tập sinh viên trường đại học cao đẳng Mục đích giúp sinh viên: Hiểu biết sâu sắc tượng định luật vật lý; kết hợp lý thuyết với thực hành Nắm số phương pháp đo dụng cụ đo vật lý bản; biết cách tiến hành phép đo đại lượng vật lý, đồng thời biết cách đánh giá độ xác kết phép đo Rèn luyện phương pháp thực nghiệm khoa học cần thiết cho cán khoa học kỹ thuật tương lai Để học tập tốt phần thí nghiệm thực tập vật lý, sinh viên phải nắm cách xác định sai số phép đo đại lượng vật lý I SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ A Phép đo đại lượng vật lý: Mỗi tính chất vật lý đối tượng vật chất đặc trưng đại lượng vật lý (độ dài, khối lượng, thời gian, nhiệt độ, cường độ dòng điện, cường độ sáng …) Để xác định lượng tính chất vật lý người ta phải tiến hành phép đo đại lượng vật lý Phép đo đại lượng vật lý phép so sánh với đại lượng loại quy ước chọn làm đơn vị đo Muốn thực phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết phương pháp đo sử dụng dụng cụ đo Kết cảu phép đo đại lượng vật lý biểu diễn giá trị số kèm theo đơn vị đo Thí dụ: Độ dài L = 105.2mm; khối lượng m = 151.6g; cường độ dòng điện I = 0.25A Hiện dùng hệ đơn vị đo ghi Bảng đơn vị đo lường hợp pháp nước Việt Nam dựa sở hệ đơn vị quốc tế SI (Systeme International d’Unites) bao gồm: - Các đơn vị bản: mét (m) đo độ dài, Kilogam (kg) đo khối lượng, giây (s) đo thời gian; Kenvin (K) đo nhiệt độ; Ampe (A) đo cường độ dòng điện; candeia (cd) đo cường độ sáng; steradian (sr) đo góc khối; mole (mol) đo lượng chất - Các đơn vị dẫn xuất: met giây (m/s) đo vận tốc, kilogam mét khối (kg/m) đo khối lượng riêng; vôn mét (V/m) đo cường độ điện trường B Sai số phép đo đại lượng vật lý: Các dụng cụ đo có độ nhạy độ xác giới hạn, giác quan người làm thí nghiệm nhạy, điều kiện đo không ổn định, lý thuyết phương pháp đo có tính chất gần … Do không đo xác tuyệt đối giá trị thực đại lượng vật lý cần đo, nói cách khác kết phép đo có sai số Như vậy, tiến hành phép đo, ta phải xác định giá trị đại lượng đo mà phải xác định sai số kết đo Có nhiều loại sai số nguyên nhân khác gây cần ý đến: Sai số ngẫu nhiên sai số khiến cho kết đo lớn hơn, nhỏ giá trị thực đại lượng cần đo Thí dụ: Khi đo thời gian chuyển động vật rơi tự do, ta bấm đồng hồ thời gian vật bắt đầu rơi chạm đất 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 Sai số dung cụ sai số thân dụng cụ đo gây Dụng cụ đo hoàn thiện sai số dụng cụ nhỏ Nhưng nguyên tắc khử sai số dụng cụ Sai số hệ thống sai số làm cho kết đo lớn 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 … Tóm lại làm thí nghiệm để thực phép đo ta cần biết cách xác định dụng cụ có sai số ngẫu nhiên II: CÁCH XÁC ĐỊNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO TRỰC TIẾP A Phép đo trực tiếp đại lượng vật lý: Phép đo trực tiếp đại lượng vật lý phép đo mà kết đọc trực tiếp dụng cụ đo Thí dụ: Độ dài đọc thước milimet, thời gian đọc đồng hồ bấm giây, nhiệt độ đọc nhiệt kế, cường độ dòng điện đọc Ampekế … B Cách xác định sai số phép đo trực tiếp: Giả sử đại lượng cần đo F có giá trị thực A Nếu đo trực tiếp đại lượng n lần điều kiện, ta nhận giá trị A1, A2, A3, …, An Các giá trị nói chung khác với A nghĩa lần đo có sai số Theo lý thuyết xác suất, giá trị A1, A2, A3, …, An phân bố hai phía lớn nhỏ A Nếu số lần đo n lớn giá trị trung bình thống kê: A = A1  A2   An = n n n  A i 1 i (1) giá trị gần với giá trị A gọi giá trị trung bình đại lượng F Số lần đo n lớn, giá trị trung bình A gần với giá trị A n → ∞ A = A Các giá trị tuyệt đối: A1 – A = ΔA1 ; A2 – A = ΔA2 ;… An – A = ΔAn (2) Gọi sai số tuyệt đối đại lượng F lần đo: Còn giá trị trung bình số học: A  A2   An = A = n n n  A i 1 (3) i Gọi sai số tuyệt đối trung bình đại lượng F tất n lần đo Sai số tuyệt đối trung bình sai số ngẫu nhiên (Trung bình) phép đo đại lượng F Vì dung cụ đo có độ xác giới hạn, nên sai số ngẫu nhiên có sai số dụng cụ (ΔA)dc Sai số dụng cụ (ΔA)dc có giá trị độ xác dụng cụ đo (thường lấy giá trị độ chia nhỏ thang đo dụng cụ) Như vậy, sai số tuyệt đối ΔA phép đo trực tiếp đại lượng F tổng số học sai số tuyệt đối trung bình ΔA n lần đo sai số dụng cụ (ΔA)dc : ΔA = ΔA + (ΔA)dc (4) Sai số tuyệt đối ΔA xác định giới hạn khoảng giá trị có giá trị thực A đại lượng cần đo F A - A  A  A + A (5) Do đó, giá trị thực A đại lượng F phải viết là: A = A  A (6) Độ xác phép đo đại lượng F xác định sai số tỉ đối δ Đó tỷ số phần trăm sai số tuyệt đối ΔA với giá trị trung bình A đại lượng F: Δ = A / A (7) Dễ dàng nhận thấy giá trị δ nhỏ kết phép đo đại lượng F xác Thí dụ: Dùng thước kẹp có độ xác (Bằng giá trị độ chia nhỏ nhất) 0.1 mm để đo đường kính D trụ kim loại, ta nhận giá trị lần đo sai số tuyệt đối bảng sau: Lần đo Trung bình D (mm) 21.5 21.4 21.4 21.6 21.5 D =21.48 ΔA 0.02 0.08 0.08 0.12 0.02 D = 0.064 Giá trị trung bình sai số tuyệt đối trung bình đường kính D bằng: D = 21.5  21.4  21.4  21.6  21.5  21.48mm D = 0.02  0.08  0.08  0.12  0.02  0.064mm Sai số dụng cụ trường hợp độ xác thước kẹp: (ΔD)dc = 0.1cm Do sai số tuyệt đối phép đo xác định theo công thức (4) có giá trị bằng: D  D  Ddc  0.064mm  0.1mm  0.164mm Sau quy tròn (Xem quy tắc mục đây), ta viết: D = 0.16mm Như kết phép đo trực tiếp đường kính D viết theo công thức (6): D = D  D  (21.48  0.16)mm Nghĩa giá trị thực đường kính D nằm khoảng giá trị: 21.32mm  D  21.64mm Như sai số tỉ đối δ xác định độ xác phép đo đường kính D có giá trị bằng: δ= D 0.16   0.00744  0.008  0.8% 21.48 D C Quy tắc quy tròn giá trị sai số giá trị trung bình phép đo: Trong thí dụ thước kẹp đo xác đến 0.1 mm nhỏ (0.01mm 0.001mm …) có mặt kết phép đo chữ số không tin cậy nằm phạm vi sai số dụng cụ đo Vì ta phải bỏ bớt chữ số không tin cậy cách quy tròn giá trị sai số giá trị trung bình theo quy tắc sau: Phần giá trị bớt thêm vào giá trị quy tròn sai số phải nhỏ 1/10 giá trị góc chúng Giá trị trung bình phải quy tròn đến chữ số có bậc thập phân với giá trị sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối sai số tỉ đối quy tròn giữ lại tối đa hai chữ số có nghĩa Như biết tất chữ số giá trị số số có nghĩa (Kế số 0), trừ số nằm phía bên trái giá trị Thí dụ: Các giá trị 0.23 0.0014 có chữ số có nghĩa, ác giá trị 1.02 0.0350 có chữ số có nghĩa … Theo quy tắc này, sai số tuyệt đối ΔD = 0.164 mm (trong thí dụ trên) quy tròn thành ΔD = 0.16 mm Giá trị lớn sai số dụng cụ ΔDdc = 0.1 mm phần bớt 0.004 có giá trị nhỏ 1/10 giá trị gốc 0.164 (Không quy tròn thành ΔD = 0.2 mm) Vì sai số tuyệt đối ΔD = 0.16 mm quy tròn đến số phần trăm mm, nên giá trị trung bình D = 21.48 mm quy tròn đến số có nghĩa bậc với ΔD Còn sai số tỉ đối δ = 0.16/21.48 = 0.007448 nên quy tròn tăng lên thành δ ≈ 0.008 = 0.8%, phần thêm vào 0.000552 có giá trị nhỏ 1/10 giá trị gốc 0.007448 Chú ý: Không nên quy tròn giảm xuống thành δ ≈ 0.007 = 0.7% giá trị δ ≈ 0.7% bậc thập phân (Phần nghìn) với δ ≈ 0.8% D Cách xác định sai số dụng cụ: Thông thường, sai số dụng cụ (Không kể dụng cụ đo điện dụng cụ đo số) lấy độ xác (tức giá trị độ chia nhỏ nhất) dụng cụ, trừ trường hợp độ chia nhỏ có hích thước lớn so với khả phân giải mắt người quan sát lấy nửa độ chia Đối với dụng cụ đo điện (ampekế, vônkế …), sai số dụng cụ (ΔA)dc tính theo công thức: (ΔA)dc = δ.Amax (8) Trong Amax giá trị cực đại thang đo; δ cấp xác cảu dụng cụ đo điện (Ghi mặt thang đo), biểu thị sai số tỉ đối (Tính theo %) giá trị cực đại Amax đo Trong loại đồng hồ đo điện đa thị kim, cấp xác thang đo dòng điện xoay chiều δ = 2.5 – 4.5 thang đo dòng chiều δ =  1.5 Thí dụ: Một Miliampekế có cấp xác δ = 1.5 giá trị cực đại thang đo Imax = 100 mA giá trị dụng cụ giá trị thang đo bằng: (Δl)dc = 1.5%.100mA = 1.5 mA Nếu thang đo miliampekế có 50 độ chia, giá trị độ chia 100 mA/50 – mA Khi sai số dụng cụ (Δl)dc phải lấy 1.5mA (Không lấy nửa độ chia tức 1mA) Chú ý: Công thức (8) áp dụng để xác định sai số dụng cụ hộp điện trở mẫu hộp điện dung mẫu, giá trị δ phu thuộc thang đo dụng cụ Đối với dụng cụ đo số, sai số dụng cụ xác định theo công thức: (ΔA)dc = δA + nα (9) Với A giá trị đo hiển thị hình, δ cấp xác dụng cụ đo số (tính theo số %) Α độ phân giải thang đo, n số nguyên phụ thuộc dụng cụ đo (do nhà sản xuất quy định ghi phiếu xuất xưởng) Thông thường, đồng hồ đo đa số (Digital Multimeter) kiểu DT890B, người ta quy định lấy δ = 0.5 n = thang đo chiều lấy δ = 0.8 n = n = thang đo xoay chiều Thí dụ : Một đồng hồ số loại 31/2 digit có 2000 điểm đo (digit) hiển thị chữ số hình Khi sử dụng thang đo 20V chiều, ta có Umax = 19.99V; α = 19.99V 2000 ≈ 0.01V n = Nếu giá trị đo hiển thị hình 16.50V theo (9), sai số dụng cụ ứng với giá trị bằng: (ΔU)dc = 0.5%.16.5V + 1.0.01V ≈ 0.10V III CÁCH TÍNH SAI SỐ ĐỐI VỚI PHÉP ĐO GIÁN TIẾP A Phép đo gián tiếp đại lượng vật lý: Phép đo gián tiếp đại lượng vật lý phép đo mà kết tính gián tiếp thông qua công thức biểu diễn mối quan hệ hàm số đại lượng cần đo với đại lượng đo trực tiếp Thí dụ: Vận tốc v vật chuyển động thẳng xác định gián tiếp qua công thức v = s/t đường s đo trực tiếp thước milimet, thời gian chuyển động đo trực tiếp đồng hồ bấm giây, thể tích V trụ kim loại xác định gián tiếp qua công thức V = пD2h/4, đường kính D độ cao h đo trực tiếp thước kẹp … B.Cách tính sai số phép đo gián tiếp: Giả sử đại lượng cần đo F liên hệ với đại lượng đo trực tiếp x, y, z theo hàm số F = f(x,y,z) (10) Khi đó, sai số tuyệt đối đại lượng F xác định phép tính vi phân: dF = F F F dx  dy  dz x y z (11) Thay dấu vi phân “d” dấu sai số “Δ” (hay số gia): dF  F ; dx  x; dy  y; dz  z Theo định nghĩa, sai số tuyệt đối ΔF > nên ta phải viết: Hơn nữa, chiều thay đổi (Tăng hay giảm) giá trị F F F nên ta phải chọn giá trị lớn sai số ΔF cách lấy tổng trị tuyệt , , x y z đối vi phân riêng phần (11): F  F F F x  y  z x y z (12) Sai số tỉ đối đại lượng F xác định theo quy tắc phép tính vi phân sau: - Tính loga Nepe hàm số F: lnF = lnf(x,y,z) (13) - Tính vi phân toàn phần lnF: d(lnF)= dF/F (14) - Rút gọn biểu thức vi phân toàn phần dF/F (14) cách gộp vi phân riêng phần chứa vi phân biến số dx dy dz - Lấy tổng giá trị tuyệt đối số hạng có biểu thức vi phân toàn phần dF/F - Đồng thời thay dấu vi phân “d” dấu sai số “Δ” thay x,y,z, giá trị trung bình để tính sai số tỉ đối δ Thí dụ 1: Tìm biểu thức tính sai số gia tốc trọng trường g = 4п2L/T2 dg d dL dT lng = ln4 + 2ln   ln L  ln T  d (ln g )  2  2 g  L T δ= 4 L g  L T 2  2  g   g với g =  g L T T2 Thí dụ 2: Tìm biểu thức tính sai số tỷ số nhiệt dung phân tử chất khí   ln   lhH  ln( H  h)  d (ln  )  d   H H h d ( H  h) dH dH dh    H h H H h H h d  dh hdH 1   dh   dH    H H h H h H  h H ( H  h)  y H h  H h 1/( H h )  y H C Một số điểm cần ý: Nếu đại lượng cần đo F tổng hiệu đại lượng đo trực tiếp x y nên tính sai số tuyệt đối ΔF giá trị trung bình F trước sau suy sai số tỉ đối δ = ΔF/F Trường hợp này, sai số tuyệt đối tổng hiệu hai đại lượng tổng sai số tuyệt đối hai đại lượng đo: F= x + y F= x - y  F  x  y (15) Nếu đại lượng cần đo F tích thương đại lượng đo trực tiếp x y nên tính sai số tỉ đối δ = ΔF/ F giá trị trung bình F trước sau suy sai số tuyệt đối ΔF = δ F Trường hợp này, sai số tỉ đối tích thương hai đại lượng tổng sai số tỉ đối hai đại lượng đo: F= x y F = x y   F x y   F x y (16) Quy tắc (15) áp dụng cho trường hợp đại lượng F tổng hiệu nhiều số hạng, quy tắc (16) áp dụng cho trường hợp đại lượng F tích thương nhiều thừa số Vì sai số quy tròn giữ lại tối đa chữ số có nghĩa, nên công thức tính giá trị chúng, có số hạng nhỏ 1/10 số hạng khác ta bỏ qua số hạng với điều kiện tổng giá trị số hạng bị bỏ phải nhỏ 1/10 tổng giá trị số hạng giữ lại Thí dụ: ΔA = A + (ΔA)dc = 0.004+0.1  0.1 (bỏ qua A = 0.004 0.004 < 1/100.1 = 0.01) Hoặc:   F x y = 0.0018 +0.056 +0.0023  0.056   F x y (bỏ qua 0.0018 + 0.0023 = 0.0041 0.00411 Như có nghĩa C cần IB thay đổi lượng nhỏ làm IC thay đổi lượng lớn,  đươc gọi hệ số + khuếch đại dòng Người ta lợi dụng tính chất transistor để làm dụng cụ khuếch đại dòng điện V Hình đường đặc trưng IC= f ( IB ),( gọi đặc tuyến truyền đạt trandito ), ứng với đoạn OM ta nói Transistor làm việc chế độ khuếch đại tuyến tính E A2 N + Rc P 820  U2 Q Hình 5a : Sơ đồ mạch điện đo đặc trưng Von-Ampe Diode phân cực thuận Trên đoạn MN transistor hoạt động chế độ bão hoà, điện trở hai cực C - E transistor nhỏ Transistor sử dụng công tắc (đóng ngắt điện ) Trong thí nghiệm ta khảo sát đặc tính khuyếch đại cuả transistor cách vẽ đường đặc trưng Ic = f( IB), từ xác định vùng hoạt động tuyến tính xác định hệ số khuếch đại dòng điện  transistor +12V C A1 N + Rc P 820  + V E Q Hình 5b : Sơ đồ mạch điện đo đặc trưng Von-Ampe Diode phân cực nghịch II - TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM A Vẽ đặc trưng von- ampe diode Vẽ đặc trưng V-A điốt phân cực thuận: a Mắc mạch điện panel theo sơ đồ hình 5a b Lựa chọn thông số cho mạch điện :  Von kế đặt thang đo 12V  Ampe kế A2 chọn thang 7.5mmA, phù hợp với điện trở tải R= 820 Ù Các nguồn điện U1 U2 ban đầu đặt vị trí Sau thiết lập xong, Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện, để phép cắm phích điện nguồn vào ổ 220V c Đóng điện cho panel đo 167 U2 Thí nghiệm Vật lý đại cương d Bộ môn Vật lý Vặn từ từ núm xoay nguồn U2 để hiệu điện U hai cực điốt vôn kế V tăng dần 0,1V, từ đến khoảng 0,7V Đọc ghi giá trị tương ứng cường độ dòng điện thuận It chỏ ampe kế A2 vào bảng e Vặn núm xoay nguồn U2 vị trí Bấm công tác K để ngắt điện Vẽ đặc trưng V-A điốt phân cực ngược: a Mắc lại mạch điện mặt máy theo sơ đồ hình 5b b Lựa chọn thông số cho mạch điện :  Von kế đặt thang đo 10V  Ampe kế chọn thang 0.1mA (có thể sử dụng đồng hồ Ampe kế A2 A1 để có thang đo thích hợp) Các nguồn điện U1 U2 ban đầu đặt vị trí c Sau thiết lập xong, Mời thầy giáo Ic ( mA) kiểm tra mạch điện d Tiến hành đo : Đưa điện vào panel đo M Ib=20 A mIb=15m Vặn từ từ núm xoay nguồn U2 để A Ib=10m hiệu điện U vôn kế V tăng A Ib=5m  dần 1V, từ đến 10V Đọc ghi A 3V Uce (V) Ib( A) giá trị tương ứng cường độ dòng Hình : Đặc tuyến Ic = f ( Uce) đặc điện ngược ampe kế A1 vào bảng tuyến truyền đạt Ic= f (Ib) e Vặn núm xoay nguồn U2 trả vị trí Bấm công tác K để ngắt điện Rút phích điện khỏi nguồn điện ~ 220V B Vẽ đường đặc trưng IC = f(IB) transistor Nguyên tắc chung : Để vẽ đường đặc trưng IC = f ( IB ) với giá trị UCE cần tiến hành theo trình tự sau (hình 6) - Vẽ họ đường cong IC = f(UC ) biểu diễn phụ thuộc dòng colectơ IC vào hiệu UCE colectơ emitơ ứng với giá trị không đổi dòng badơ IB = 5A, 10A, 15A, 20A 168 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý - Xác định quan hệ IC = f (IB) ứng với giá trị hiệu UCE = 3V cách kẻ đường thẳng song song với trục tung vị trí UCE = 3V, lấy toạ độ giao điểm với họ đường cong IC=f(UCE ) Từ vẽ đường đặc trưng IC =f (IB ) trandito có dạng đường thẳng OM hình suy hệ số khuếch đại dòng điện   trandito, có trị số độ dốc tg đường OM I C  tg I B (8) Trình tự đo : 12V +12V H Rb M + A1 - C F 100k - A2 + NPN N Rc P 820 C + B E I E V - Q Hình a Lựa chọn thông số cho mạch điện :  Von kế đặt thang đo 10V  Ampe kế A1 ch  Ampe kế A2 chọn thang mA  – b Mắc mạch điện mặt panel theo sơ đồ hình Các nguồn điện Ut U2 ban đầu đặt vị trí 0, công tắc K vị trí ngắt mạch, chuyển mạch “ pnp/npn, D “ để vị trí “npn, D” c Sau thiết lập xong, Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện d Tiến hành đo : Bấm công tắc K đưa điện vào máy : đèn LED phát sáng  Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U1 để thiết lập dòng badơ (chỉ Ampe kế A1) IB = 5A  Vặn từ từ núm điều chỉnh nguồn U2 để Vôn kế V hiệu điện UCE (giữa colectơ êmitơ) tăng dần 0,2V, từ đến 1V Đọc ghi giá trị hiệu UCE dòng Ic tương ứng (chỉ A1) vào bảng Khi dòng Ic tăng vượt 1mA phải chuyển thang đo ampe kế A2 sang vị trí 10mA  Tiếp tục tăng UCE Vôn một, từ 1– 10V, đọc ghi giá trị IC tương ứng vào bảng 169 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Chú ý tăng Ic , dòng IB bị giảm, cần thường xuyên quan sát đồng hồ A1, điều chỉnh kịp thời giữ cho IB không đổi e Vặn núm xoay nguồn U2 trả vị trí f Tiếp tục thực lại từ động tác ( B-2-d) với giá trị không đổi dòng badơ IB = 10A,15A, 20A Đọc ghi cặp giá trị tương ứng UCE IC vào bảng g Cuối cùng, vặn trả núm điều chỉnh nguồn U1 U2 vị trí Bấm công tắc K để ngắt điện Rút phích lấy điện khỏi ổ điện ~ 220V Tháo dây nối mạch điện thu xếp gọn gàng dụng cụ thí nghiệm Đừng quên đọc ghi vào bảng : Giá trị thang đo cấp xác A1, A2, V Ampe kế A1, A2 Von kế V III- CÂU HỎI KIỂM TRA Phân biệt tính dẫn điện bán dẫn tinh khiết, bán dẫn loại n loại p Vì điện trở bán dẫn lại phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ ? Sự phụ thuộc nhiệt độ điện trở bán dẫn kim loại khác ? Giải thích xuất hiệu tiếp xúc Utx ghép hai bán dẫn P,N với ? giải thích đặc tính chỉnh lưu tiếp xúc PN Cường độ dòng điện I chạy qua điốt phụ thuộc vào hiệu điện U hai điện cực theo quy luật nào, áp dụng định luật Ôm cho diode không ? Vẽ đường đặc trưng von - ampe Diode sơ đồ mạch điện để xác định đường đặc trưng von - ampe Mô tả cấu tạo ký hiệu transistor loại npn loại pnp Giải thích chế hoạt động đặc tính khuếch đại dòng điện transistor Theo anh chị dòng ICBO có ảnh hưởng tốt, xấu đến hoạt động transistor ? Vùng hoạt động transistor phạm vi thí nghiệm anh chị làm tuyến tính hay phi tuyến, ? Anh chị có nhận xét cách bố trí đồng hồ đo dòng sơ đồ mạch điện hình 6a 6b ? phải bố trí khác ? Nếu transistor cần khảo sát loại PNP sơ đồ mạch điện hình cần phải bố trí thay đổi nào? 170 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý BÁO CÁO THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA DIODE VÀ TRANSISTOR Xác nhận thầy giáo Trường Lớp .Tổ Họ tên : I Mục đích thí nghiệm II Kết thí nghiệm Kết đo A Diode Bảng Thang đo Chiều thuận Um = ( V ) ; V = (%) It = (mA ) ; A1 = (%) In = (A ) ; A2 = (%) U (V) I (mA ) U Chiều nghịch (V) I (A ) B Transistor 171 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Bảng Um = ( V ) Thang đo V= % ; I1 = ( A ) ; A1 = % I2 = (mA ) ; A2 = % Uce IB=5 (V) A Ic (mA ) Uce IB=10 (V) A Ic (mA ) Uce IB=15 (V) A Ic (mA ) IB=20 A Uce (V) Ic (mA ) Vẽ đồ thị đặc trưng Von - Ampe Diode I = f ( U ) Chú ý : Các số đo U I có sai số U I nên điểm vẽ đường đực trưng tương ứng cặp số U I phải biểu diễn hình chữ nhật có tâm toạ độ (U,I) độ dài cạnh U I, với U I xác định sau: U = Um.V = = (V) I1 = I1m.A1 = = (A) I2 = I2m.A2 = .= (A) I 172 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Vẽ đồ thị đặc trưng Von - Ampe Transistor I = f (UCE) đặc tính IC = IC(mA ) f(IB) IB(A) UCE(V) 20 15 10 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0  Hệ số khuếch đại dòng Transistor:  = tg = .= 173 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH DỤNG CỤ: Con lắc vật lý Máy đo thời gian số I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Con lắc vật lý vật rắn khối lượng m dao động quanh trục cố định nằm ngang qua điểm O1 không trùng với trọng tâm G lắc Khi kéo lắc lệch khỏi vị trí cân thẳng đứng góc  nhỏ (hình 1), buông thành phần Pt trọng lực P  mg tác dụng lên lắc mômen lực M1 có trị số bằng: M1  Pt  L1  mg.L1. (1) g gia tốc trọng trường, L1  O1G khoảng cách từ trục quay qua điểm O1 đến trọng tâm G, dấu (–) cho biết mômen lực M1 kéo lắc quay ngược chiều với  Phương trình chuyển động quay lắc quanh trục qua điểm O1 có dạng: 1  1 = M1 I1 (2) d 2 gia tốc góc, I1 mômen quán tính dt lắc trục quay qua điểm O1 Kết hợp (1) với (2) mg.L1 thay   , ta nhận phương trình vi phân dao I1 Hình động điều hoà lắc: d 2 + 12  = dt (3) Nghiệm phương trình (3) có dạng:   0 cos(1.t  ) (4)  biên độ, 1 tần số góc,  pha ban đầu thời điểm t  Từ (4), ta suy chu kỳ T1 lắc vật lý dao động quanh trục qua điểm O1: T1  I1 2  2 1 mg.L1 174 (5) Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Nếu đảo ngược lắc, cho dao động quanh trục cố định nằm ngang qua điểm O2 tính toán tương tự, ta tìm chu kỳ T2 lắc vật lý dao động quanh trục qua điểm O2: T2  I2 2  2 2 mg.L2 (6) với L2  O2G khoảng cách từ trục quay qua điểm O2 đến trọng tâm G, I mômen quán tính lắc trục quay qua điểm O2 Gọi IG mômen quán tính lắc trục quay qua trọng tâm G song song với hai trục qua hai điểm O1 02 Theo định lý Huyghens - Steiner: I1 =IG + mL21 I2 = IG + mL22 (7) (8) Kết hợp (5), (6), (7), (8) ta tìm được: 42 (L1  L ).(L1  L ) g= T12 L1  T22 L2 (9) Nếu lựa chọn giá trị thích hợp L1 L2 cho chu kỳ dao động lắc vật lý hai trục cố định nằm ngang O1 O2 (O1, O2 trọng tâm G thẳng hàng), tức T1  T2  T , lắc trở thành lắc thuận nghịch Khi đó, gia tốc trọng trường nơi đặt lắc, theo (9), giản ước: 42 L g T (10) với L = L1 + L2 khoảng cách hai trục O1 O2 Ta xác định gia tốc trọng trường g lắc “thuận nghịch” hình Thân lắc kim loại (2) có hai dao cố định (3) (4) Hai dao (3) (4) tựa lên gối đỡ (5) có tác dụng trục dao động O1 O2 Khoảng cách hai dao (3) (4) 11 Hình gọi chiều dài L lắc Gia trọng (6) dịch chuyển dọc theo trục lắc xoay Khi làm thay đổi trọng tâm mômen quán tính với trục quay lắc Bằng cách thay đổi vị trí gia trọng (6) ta tìm vị trí mà lắc trở thành lắc thuận nghịch nghĩa T1 = T2 = T từ tính gia tốc trọng trường theo (10) Toàn lắc đặt giá đỡ chân đế (7) có gắn vít điều chỉnh thăng 175 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Số lần dao động chu kỳ lắc xác định máy đo thời gian số hình nối với cảm biến (8) Cảm biến (8) đặt gần vị trí cân thẳng đứng để lắc dao động với biên độ nhỏ (   100 ) Trong cảm biến (8) có đèn phát tia hồng ngoại đặt đối diện với tế bào quang điện thu tia hồng ngoại Khi kim loại (2) TIME MEASURING DEVICE Model: TC 801TL 0 0 00 00 Mode Reset Time nT Reset T=1 T = 50 A↔B POWER thân lắc dao động qua khe cảm Hình biến (8), chắn chùm tia hồng ngoại dọi vào tế bào quang điện gây xung điện điều khiển đếm máy đo thời gian số: số chu kỳ dao động lắc khoảng thời gian tương ứng thị cửa sổ thời gian “Time” chu kỳ “nT” II TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Cách sử dụng máy đo thời gian số “TIME MEASURING DEVICE” Bật núm Power máy đo thời gian số, cửa sổ thời gian “TIME” cửa sổ chu kỳ “nT” hiển thị loạt số Núm MODE để chọn chế độ đo: chu kỳ T = để đo chu kỳ; chu kỳ T = 50 để đo 50 chu kỳ A ↔ B Khi chọn chế độ đo đèn LED tương ứng với chế độ sáng, đèn lại tắt Sau lần đo, chọn chế độ T = cửa sổ “nT” số 02; chọn chế độ T = 50, cửa sổ “nT” số 51 Nút RESET để bắt đầu thực phép đo Cách đo chu kỳ dao động lắc Bật máy đo thời gian, chọn chế độ đo cho máy đo thời gian (T = T = 50) Đặt lắc lên giá đỡ, kiểm tra lại thăng trục lắc cách điều chỉnh vít đế để lắc đạt cân theo phương thẳng đứng trục lắc song song với hai cột giá đỡ (thông thường việc làm trước tiến hành thí nghiệm) Gạt đầu lắc lệch khỏi vị trí cân cho trục che khuất tế bào quang điện, thả nhẹ lắc, chờ vài chu kỳ để lắc dao động ổn định bấm nút RESET, máy đo thời gian đếm thời gian dao động số chu kỳ mà ta cần xác định Đến lắc thực xong 50 chu kỳ (cửa sổ số 51) đồng hồ dừng cho biết thời gian 50 chu kỳ thuận T1 (Chú ý: Nếu máy đếm không hoạt động mong muốn ấn nút "RESET" để thực lại từ đầu) Sau đó, đảo ngược lắc thực lại bước ta đo 50 chu kỳ ngược T2 lắc Ghi giá trị T1 T2 tương ứng vào bảng Tiến hành đo 176 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý 3.1 Điều chỉnh để gia trọng nằm sát vít 8, sau điều chỉnh vị trí gia trọng (6) thân lắc để tăng dần khoảng cách x vít từ 4mm đến 30mm, lần tăng mm (dùng thước kẹp để đo khoảng cách này) Chọn chế độ T = cho máy đo thời gian số Ứng với vị trí gia trọng (6), đo ghi lại giá trị chu kỳ T1 trục quay O1 vào bảng với khoảng cách x tương ứng Đảo ngược lắc đo chu kỳ dao động T2 hai trục quay O2 Ghi giá trị chu kỳ T2 vào bảng với khoảng cách x tương ứng 3.2 So sánh giá trị chu kỳ T1 T2 bảng để ước lượng khoảng cách x* Có thể ước lượng khoảng cách x* giá trị đo T1  T2 phương pháp đồ thị sau: dựa vào số liệu bảng 1, vẽ hai đường T1 (x) T2 (x) biểu diễn phụ thuộc T1 T2 vào khoảng cách x mặt phẳng toạ độ Khi giao điểm hai đường xác định giá trị khoảng cách x* 3.3 Đặt lại gia trọng (6) vị trí ứng với khoảng cách x*vừa tìm Thực thao tác để đo 50 chu kỳ dao động t1 t2 hai trục O1 O2 Sau ghi lại giá t1 t2 vào bảng Nếu hai khoảng thời gian chưa điều chỉnh gia trọng (6) xung quanh vị trí x* chút đến hai thời gian thuận nghịch dừng lại Chú ý: Tắt máy đo thời gian sau thực xong thí nghiệm III CÂU HỎI KIỂM TRA Định nghĩa lắc thuận nghịch Nêu rõ nguyên nhân gây dao động lắc viết biểu thức xác định chu kỳ dao động Trình bày cách xác định chu kỳ dao động T lắc thuận nghịch 3.Trong thí nghiệm xác định gia tốc trọng trường lắc thuận nghịch: - Tại phải đo chu kỳ dao động lắc với góc lệch  nhỏ (  < 100) ? - Khi đo khoảng thời gian t 50 chu kỳ dao động T sai số dụng cụ  T dc thay đổi nào? So sánh sai số tương đối T / T t / t Dựa vào công thức (10), chứng minh công thức tính sai số tương đối: g   T  L  2   g T  L   (12) Trong sai số tương đối (12), số hạng lớn phải lấy giá trị số  đến chữ số có nghĩa ? Giải thích ? 177 Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Báo cáo thí nghiệm - Bài số: XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH Xác nhận thày giáo Trường Lớp Tổ Họ tên I Mục đích thí nghiệm II Kết thí nghiệm Bảng - Khoảng cách - Độ xác máy đo thời gian : (mm) (s) (s) (mm) 22 24 10 26 12 28 14 30 16 32 18 34 20 36 178 (s) (s) Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Bảng - Khoảng cách - Độ xác thang đo thời gian : Lần đo (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) (s) Trung (s) bình Chú ý : phải tính qui tròn đến chữ số có nghĩa cho : với sai số : Đồ thị : T( s) 179 ( s) Thí nghiệm Vật lý đại cương Bộ môn Vật lý Tính gia tốc trọng trường g - Sai số tương đối : - Giá trị trung bình : - Sai số tuyệt đối : - Kết đo gia tốc trọng trường : 180 ... đại lượng vật lý I SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ A Phép đo đại lượng vật lý: Mỗi tính chất vật lý đối tượng vật chất đặc trưng đại lượng vật lý (độ dài, khối lượng, thời gian, nhiệt... thuộc hàm số đại lượng vật lý vào đại lượng vật lý khác, đồng thời xác định hệ số tỷ lệ tìm quy luật vật lý Nội suy giá trị hàm số đại lượng vật lý theo giá trị tương ứng đối số đồ thị Thí dụ: Khảo... chất vật lý người ta phải tiến hành phép đo đại lượng vật lý Phép đo đại lượng vật lý phép so sánh với đại lượng loại quy ước chọn làm đơn vị đo Muốn thực phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết