Vật lý 1 và Thí nghiệm - PTITVL Bai4

Thí nghiệm vật lý Bài KHẢO SÁT MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ I MỤC ĐÍCH - Dùng phương pháp tổng hợp hai dao động điều hòa tần số có phương vng góc để xác định Rx, Cx, Lx mạch dao động điện từ, sử dụng Dao động ký điện tử - Khảo sát mạch dao động điện từ cưỡng bức, từ xác định tần số cộng hưởng mạch dao động điện từ RLC mắc nối tiếp song song II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng hợp hai dao động điện từ điều hòa tần số, có phương vng góc, để xác định Rx, Cx, Lx Giả sử chất điểm tham gia đồng thời hai dao động điều hoà x y có phương vng góc tần số góc ω : x = A1 cos( ω0 t + ϕ1 ) (1) y = A cos( ω t + ϕ ) (2) Phương trình dao động tổng hợp: x2 A12 + y2 A 22 − xy cos( ϕ − ϕ1 ) = sin ( ϕ − ϕ1 ) A1A (3) Phương trình (3) chứng tỏ quĩ đạo tổng hợp hai dao động điều hồ có phương vng góc có tần số góc đường elip xiên Dạng elip phụ thuộc vào giá trị hiệu pha ( ϕ − ϕ1 ) hai dao động thành phần x y - Nếu (ϕ − ϕ1 ) = 2kπ , với k = 0, ± 1, ± 2, ± 3, , (3) trở thành: x2 A12 + y2 A 22 − xy y x = hay − =0 A1 A A1 A (4) Phương trình (4) chứng tỏ chất điểm dao động theo đường thẳng nằm cung phần tư I III, qua vị trí cân bền chất điểm gốc O trùng với đường chéo hình chữ nhật có hai cạnh 2A1 2A Hình1: Quĩ đạo chất điểm φ2 – φ1=2kπ - Nếu (ϕ − ϕ1 ) = (2k + 1) π , với k = 0, ± 1, ± 2,± 3, , (3) trở thành: x2 A12 + y2 A 22 + 2xy y x = hay + =0 A 1A A1 A (5) 47 Thí nghiệm vật lý Phương trình (5) chứng tỏ chất điểm dao động theo đường thẳng nằm cung phần tư II IV, qua vị trí cân bền chất điểm gốc O trùng với đường chéo hình chữ nhật có hai cạnh 2A1 2A Hình 2.: Quĩ đạo chất điểm φ2 – φ1 =(2k+1)π - Nếu (ϕ − ϕ1 ) = (2k + 1) π , với k = 0, ± 1, ± 2, ± 3, , (3) trở thành: x2 A12 + y2 A 22 =1 (6) Phương trình (6) chứng tỏ chất điểm dao động quĩ đạo dạng elip tắc (hay elip vng), có hai bán trục A1 A Đặc biệt A1 = A = A (6) trở thành: x2 + y2 = A2 (7) Trong trường hợp này, quĩ đạo chất điểm đường tròn có tâm gốc toạ O bán kính A Hình 3: Quĩ đạo chất điểm Hình 4: Quĩ đạo chất điểm φ2-φ1=(2k+1)π/2 φ2-φ1=(2k+1)π/2 A1=A2 Khảo sát mạch dao động điện từ cưỡng bức, từ xác định tần số cộng hưởng mạch dao động điện từ RLC mắc nối tiếp song song Để trì dao động điện từ mạch dao động RLC, người ta phải cung cấp lượng cho mạch điện để bù lại phần lượng bị tổn hao điện trở R Muốn vậy, cần mắc thêm vào mạch nguồn điện xoay chiều có suất điện động biến thiên tuần hồn theo thời gian với tần số góc Ω biên độ E 0: E= E 0sinΩt Hình 5: Mạch dao động điện từ cưỡng 48 Thí nghiệm vật lý Lúc đầu dao động mạch chồng chất hai dao động: dao động tắt dần với tần số góc ω dao động cưỡng với tần số góc Ω Giai đoạn độ xảy ngắn, sau dao động tắt dần khơng mạch dao động điện từ khơng tắt có tần số góc tần số góc Ω nguồn điện Đó dao động điện từ cưỡng Phương trình dao động cường độ dòng điện mạch dao động điện từ cưỡng bức: i = I cos( Ωt + Φ ) (8) Ω tần số góc nguồn điện kích thích, I biên độ, Φ pha ban đầu dao động, xác định bằng: ΩL − E0 ΩC I0 = , cot gΦ = − R   R +  ΩL −  ΩC   Đặt Z = R +  ΩL −  gọi tổng trở mạch dao động, Z L = ΩL Z C = ΩC ΩC   cảm kháng dung kháng mạch dao động Công thức chứng tỏ biên độ I dòng điện cưỡng phụ thuộc vào giá trị tần số góc nguồn xoay chiều kích thích Đặc biệt, với điện trở R định, biên độ I đạt giá trị cực đại tần số góc Ω có giá trị cho tổng trở Z mạch dao động cực tiểu, giá trị Ω phải thoả mãn điều kiện: ΩL − = hay Ω = ΩC LC (9) III.THIẾT BỊ VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM III.1 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM: Xét mạch điện ADB Hình : Do trở kháng Zx mắc nối tiếp với điện trở Ro nên dòng điện chạy qua chúng chung cường độ 49 Thí nghiệm vật lý Hiệu điện UAD dòng điện chạy qua trở kháng Z x, tuỳ theo đặc tính Z x bị lệch pha góc ϕ Mặt khác, Ro điện trở nên hiệu điện U BD dòng điện chạy qua Ro ln pha Như cách so sánh pha hai hiệu điện UAD UBD , cho ta kết phản ánh quan hệ pha dòng Zx Dựa kết nhận ta xác định giá trị điện trở Rx, điện dung tụ điện Cx , hệ số tự cảm cuộn dây Lx, khảo sát mạch cộng hưởng RLC nghiệm lại công thức tần số riêng mạch cộng hưởng RLC mắc nối tiếp song song Hiệu điện U BD hai đầu điện trở Ro đưa vào hai cực song song thẳng đứng X1X2 (qua kênh CH1) , tạo điện trường biến thiên dao động theo phương ngang Hiệu điện UAD hai đầu trở kháng Zx đưa vào hai cực song song nằm ngang Y1Y2 (qua kênh CH2), tạo điện trường biến thiên dao động theo phương thẳng đứng Khi chùm electron phát từ catôt ống tia điện tử qua không gian hai cặp phiến lệch X Y đặt vng góc nhau, lực điện trường làm chúng tham gia hai dao động theo hai phương vng góc, tần số f có góc lệch pha ϕ Kết là: quỹ đạo chùm tia electron hình có dạng đường êlip nghiêng, xác định phương trình: 2  x  y 2xy cosϕ =sin2ϕ (8)  ÷ + ÷ −  x0   y0  x0y0 Tuỳ theo góc lệch pha ϕ biên độ hai dao động, hình ta thu vệt sáng có dạng đoạn thẳng (ϕ = 0, π), elip vuông (ϕ= ± π/2), đường tròn (ϕ = ± π/2, UAD = UDB), hay elíp xiên (ϕ bất kì) III.2 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM • Dao động ký điện tử hai kênh VC - 2020 • Máy phát tần số GF - 597 • Bảng lắp ráp mạch điện • Hp in tr thp phõn 0ữ 9999 T điện Cx , điện trở Rx , cuộn cảm Lx • Đồng hồ đo tần số số • Hai dây dẫn tín hiệu (còn gọi cáp đồng trục) dùng cho dao động ký điện tử: đầu có phích cắm đồng trục, đầu có que đo • Một dây dẫn tín hiệu dùng cho máy phát GF-597: đầu có phích cắm năm chân, đầu có phích cắm đơn • Bộ dây dẫn có hai đầu phích cắm đơn a Dao động ký điện tử hai kênh Dao động kí điện tử thiết bị dùng nghiên cứu quy luật biến đổi theo thời gian hiệu điện U(t) hay dòng điện I(t) chạy mạch điện - gọi chung tín hiệu điện Dao động ký điện tử khơng đo độ lớn, mà quan sát dạng tín hiệu điện nhờ hiển thị chúng hình, quan sát đo độ lệch pha, đo tần số dòng xoay chiều tổng hợp dao động theo hai phương x, y vng góc với tín hiệu 50 Thí nghiệm vật lý Chức núm điều chỉnh mặt dao động kí điện tử VC-2020 (Hình 7) : Núm xoay INTEN dùng chỉnh cường độ vệt sáng hình Núm xoay FOCUS dùng điều chỉnh độ tụ chùm tia êlectron (tức độ nét vệt sáng hình) Nút nhấn POWER công-tắc bật tắt nguồn Ổ cắm đồng trục (lối vào) kênh tín hiệu thứ (CH1) tín hiệu đặt kênh X Núm chuyển mạch VOLTS/DIV dùng để chọn thang đo điện áp đưa vào kênh CH1 núm chiết áp gắn đồng trục với dùng để điều chỉnh liên tục điện áp chia lối vào kênh CH1 Núm gạt có ba vị trí : • vị trí AC dùng đo điện áp xoay chiều, • vị trí DC dùng đo điện áp chiều, • vị trí GND dùng để ngắn mạch lối vào kênh CH1 Núm xoay POSITION dùng điều chỉnh vị trí vệt sáng theo phương thẳng đứng (theo trục Y) kênh CH1 Nút nhấn ALT, CHOP dùng chọn chế độ quét kênh CH1 CH2 Vị trí ALT quét luân phiên đường, vị trí CHOP quét luân phiên điểm Tuỳ theo tần số hay dạng tín hiệu mà ta chọn chế độ thích hợp Chuyển mạch kiểu làm việc"MODE", có bốn vị trí : • vị trí CH1 làm việc với kênh 1, • vị trí CH2 làm việc với kênh 2, • vị trí DUAL làm việc với hai kênh, • vị trí ADD dùng cộng tín hiệu hai kênh (không dùng đến này) 10 Cọc nối đất (mass) vỏ máy để chống nhiễu 11 Nút nhấn CH2 INV dùng đảo cực tính (đảo pha 1800) tín hiệu vào kênh 51 Thí nghiệm vật lý 12 Núm gạt chuyển mạch có ba vị trí dùng cho kênh CH2, có vai trò giống núm chuyển mạch 13 Ổ cắm đồng trục (lối vào) kênh tín hiệu thứ hai (CH2) tín hiệu đặt kênh Y 14 Núm xoay POSITION dùng điều chỉnh vị trí vệt sáng theo phương thẳng đứng (theo trục Y) kênh CH2 15 Chuyển mạch VOLTS/DIV dùng chọn thang đo điện áp đưa vào kênh CH2 núm chiết áp gắn đồng trục với dùng để điều chỉnh liên tục điện áp chia lối vào kênh CH2 16 Nút nhấn SLOPE dùng đảo pha tín hiệu quét, thường đặt vị trí (+) 17 Ổ cắm lối vào tín hiệu đồng qt (khơng dùng đến này) 18 Núm gạt chuyển mạch SOURCE có bốn vị trí : • vị trí CH1 dùng để đồng điện áp qt cho kênh CH1, • vị trí CH2 dùng để đồng điện áp quét cho kênh CH2, • vị trí LINE EXT khơng dùng đến Chú ý: Khi đưa tín hiệu vào kênh chuyển mạch MODE (9) SOURCE (18) phải đặt vị trí kênh tương ứng để đường quét hình đồng 19 Núm gạt chuyển mạch MODE TRIGGER có bốn vị trí : AUTO, NORM, TV-V, TV-H Trong ta đặt vị trí AUTO NORM, khơng dùng đến vị trí khác 20 Núm xoay LEVEL dùng điều chỉnh mức tín hiệu đồng để tín hiệu đứng n hình 21 Nút nhấn TRIG.ALT ln đặt vị trí nổi, khơng dùng đến vị trí chìm 22 Núm xoay chuyển mạch chọn tốc độ quét (TIME/DIV) dùng để chọn tốc độ quét thích hợp với tần số tín hiệu cần nghiên cứu Nó có ba dải quét : từ 5s đến 1s; từ 50ms đến 0,1ms; từ 50µs đến 0,2µs nút nhấn x10MAG vị trí Khi nút nhấn x10MAG vị trí chìm, tốc độ qt tăng lên 10 lần so với giá trị kể Núm có vị trí kí hiệu X–Y(vị trí tận trái) sử dụng cặp phiến lệch X1-X2 và Y1-Y2 điều khiển hai tín hiệu đặt trực tiếp vào hai lối vào CH1 CH2 dao động ký điện tử : 23 Núm xoay SWP.VAR dùng điều chỉnh liên tục tốc độ quét Khi xoay núm từ vị trí tận trái sang vị trí tận phải tốc độ quét tăng khoảng lần 24 Nút nhấn x10MAG dùng tăng tốc độ quét 10 lần ấn chìm xuống (thường đặt vị trí nổi) 25 Núm xoay POSITION dùng dịch chuyển vị trí chùm tia theo phương ngang 26 Màn hình dao động kí điện tử 27 Chốt để lấy điện áp chuẩn 1kHz, biên độ 2Vpp dạng chữ nhật dùng kiểm tra hiệu chỉnh chia lối vào VOLTS/DIV kênh lối vào CH1 CH2 b Máy phát tần số GF -597 52 Thí nghiệm vật lý Máy phát tần số thiết bị dùng để tạo tín hiệu điện xoay chiều có tần số thay đổi khoảng 0÷ 20 000 Hz Máy phát tần số thường dùng kết hợp với dao động ký điện tử để khảo sát mối quan hệ hiệu điện dòng điện mạch điện R, L, C Chức núm điều chỉnh bố trí mặt máy phát tín hiệu GF-597 : Công tắc S (cấp điện ~220V vào máy) Đèn báo hiệu LED Núm điều chỉnh chọn tần số máy phát Núm chuyển mạch chọn thang tần số, có ba nấc : x10 , x100 , x1k (tức x103) • Thang x10 : 20 Hz đến 200 Hz • Thang x100 : 200 Hz đến 2000 Hz • Thang x1k : 2000 Hz đến 20.000 Hz Núm chỉnh biên độ điện áp xoay chiều Cầu chì bảo vệ F Lối điện áp xoay chiều hình sin U1 Lối điện áp xoay chiều hình sin U2 (biên độ cực đại 1Vpp) Lối điện áp xoay chiều xung vuông U3 (biên độ cực đại Vpp) III.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Đo điện trở Rx a Mắc mạch điện hình 6, thay trở kháng Z x điện trở Rx hai điểm A,D mạch điện Tăng dần biên độ tín hiệu máy phát GF-597, đồng thời quan sát dao động kí điện tử thấy xuất đoạn thẳng sáng nằm nghiêng cung phần tư II IV b Điều chỉnh điện trở Ro hộp điện trở mẫu thập phân đoạn thẳng sáng nằm nghiêng 450 so với trục toạ độ Khi biên độ Ux = U R0 ta suy điện trở : Rx = R o Thực lần động tác Ghi giá trị tìm Ro vào Bảng Đo điện dung Cx tụ điện 53 Thí nghiệm vật lý a Thay trở kháng Zx tụ điện Cx hai điểm A,D mạch điện hình Trên hình dao động ký điện tử xuất vệt sáng hình êlip vng b Điều chỉnh điện trở R0 hộp điện trở thập phân tần số máy phát tới elip vng trở thành hình tròn Khi đó, biên độ UC = U R0 , suy dung kháng: ZC = = R0 2πf Cx điện dung tụ điện : Cx = 2πf R0 Ghi giá trị tần số f giá trị tìm R0 vào Bảng Đo điện cảm Lx cuộn dây dẫn khơng có lõi sắt a Thay trở kháng Zx cuộn dây dẫn Lx khơng có lõi sắt hai điểm A,D mạch điện hình Nếu điện trở r o cuộn cảm nhỏ so với cảm kháng ZL hình dao động ký điện tử xuất vệt sáng hình êlip vng b Điều chỉnh điện trở R0 hộp điện trở thập phân tần số máy phát vệt sáng hình êlip vng trở thành vệt sáng hình tròn Khi đó, biên độ UL = U R0 , suy cảm kháng : ZL = 2πf Lx = Ro điện cảm cuộn dây : R0 Lx = 2πf Ghi giá trị tần số f giá trị tìm R0 vào Bảng Khảo sát mạch cộng hưởng RLC mắc nối tiếp song song a Thay trở kháng Zx tụ điện Cx mắc nối tiếp với cuộn cảm Lx hai điểm A,D mạch điện hình b Đặt vào hai đầu mạch điện ADB điện áp xoay chiều lấy từ máy phát tần số GF-597 Quan sát thấy tín hiệu hình dao động ký điện tử có dạng vệt sáng hình êlip vng c Chọn giá trị cố định R0 (lấy hộp điện trở thập phân 0÷ 9999,9 Ω) Thay đổi tần số f máy phát tần số GF-597 Quan sát thay đổi dạng vệt sáng hình dao động ký điện tử xảy tượng cộng hưởng điện mạch RLC mắc nối tiếp vệt sáng hình êlip vuông trở thành đoạn sáng thẳng nằm ngang d Chọn giá trị cố định R0 , mắc tụ Cx song song với cuộn cảm Lx mạch điện hình 6, thay đổi giá trị tần số f máy phát Quan sát thay đổi dạng vệt sáng hình dao động ký điện tử xảy tượng cộng hưởng điện mạch RLC mắc song song vệt sáng hình êlip vuông trở thành đoạn sáng thẳng đứng Ghi giá trị tần số cộng hưởng fch vào Bảng 54 Thí nghiệm vật lý IV CÂU HỎI KIỂM TRA Nói rõ tính dao động ký điện tử hai kênh V2020 tác dụng núm điều chỉnh mặt máy Nói rõ tính máy phát tần số GF-597 tác dụng núm điều chỉnh mặt máy Mơ tả phương pháp khảo sát tổng hợp hai dao động điện từ vng góc tần số dùng dao động ký điện tử hai kênh máy phát tần số Tại thay trở kháng Zx điện trở Rx mạch điện AD (Hình 6) hình dao động kí lại xuất vệt sáng có dạng đoạn thẳng? Chúng nằm góc phần tư thứ mấy? Giải thích sao? Tại nhấn nút 11 mặt dao động kí ta thay đổi vị trí đoạn thẳng vệt sáng góc phần tư đó? Giải thích cách điều chỉnh để suy giá trị điện trở R x? Có thể thực việc cách điều chỉnh tần số máy phát xoay chiều không? Tại thay trở kháng Zx tụ điện có điện dung Cx mạch điện AD (Hình 6) hình dao động kí lại xuất vệt sáng hình êlip vng? Giải thích cách điều chỉnh điện trở R0 tần số máy phát để tính giá trị điện dung Cx Tại thay trở kháng Z x cuộn dây dẫn có điện cảm Lx mạch điện ADB (Hình 6) hình dao động kí điện tử lại xuất vệt sáng hình êlip vng? Giải thích cách điều chỉnh điện trở R0 tần số máy phát để tính giá trị điện cảm Lx ** Khi vệt sáng hình êlip vng trở thành vệt sáng hình đường tròn? Dạng thực tế "đường tròn" có thực tròn khơng? có phụ thuộc tần số khơng? Giải thích sao? Nêu rõ điều kiện cộng hưởng điện mạch RLC Tại xảy cộng hưởng điện mạch RLC mắc nối tiếp dạng đường êlip quan sát thấy hình dao động ký điện tử lại biến đổi thành đoạn thẳng nằm ngang? Tại xảy cộng hưởng điện mạch RLC mắc song song dạng đường êlip quan sát thấy hình dao động ký điện tử lại biến đổi thành đoạn thẳng đứng? 55 Thí nghiệm vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trường Lớp Tổ Họ tên Xác nhận giáo viên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng 1: Xác định điện trở Rx Lần đo f (Hz) Ro (Ω) ∆Rx (Ω) Rx (Ω) Trung bình Bảng 2: Xác định dung kháng ZC điện dung Cx Lần đo f (Hz) ∆ZC (Ω) ZC (Ω) Cx (F) ∆Cx (F) Trung bình Bảng 3: Xác định cảm kháng ZL điện cảm Lx cuộn dây dẫn khơng có lõi sắt Lần đo f (Hz) ∆ZL (Ω) ZL (Ω) Lx (H) ∆Lx (H) Trung bình Bảng 4: Xác định tần số cộng hưởng fch mạch điện RLC Lần đo Trung bình fch nối tiếp fch song song ∆f / fch LT (%) 56 ... nhiễu 11 Nút nhấn CH2 INV dùng đảo cực tính (đảo pha 18 00) tín hiệu vào kênh 51 Thí nghiệm vật lý 12 Núm gạt chuyển mạch có ba vị trí dùng cho kênh CH2, có vai trò giống núm chuyển mạch 13 Ổ cắm... 55 Thí nghiệm vật lý BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Trường Lớp Tổ Họ tên Xác nhận giáo viên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng 1: ... Chốt để lấy điện áp chuẩn 1kHz, biên độ 2Vpp dạng chữ nhật dùng kiểm tra hiệu chỉnh chia lối vào VOLTS/DIV kênh lối vào CH1 CH2 b Máy phát tần số GF -5 97 52 Thí nghiệm vật lý Máy phát tần số thiết