Ứng dụng vi điều khiển arduino và cảm biến cường độ ánh sáng để thiết kế bộ thí nghiệm khảo sát sự phân bố cường độ các vân giao thoa nhiễu xạ​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THÀNH PHÚC ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CƢỜNG ĐỘ CÁC VÂN GIAO THOA NHIỄU XẠ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THÀNH PHÚC ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CƢỜNG ĐỘ CÁC VÂN GIAO THOA NHIỄU XẠ Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ThS NGÔ MINH NHỰT Thành phố Hồ Chí Minh - 2019 LỜI CẢM ƠN Trong sống, thành công không đến từ cố gắng, nỗ lực thân mà gắn liền với giúp đỡ, hỗ trợ từ người khác dù hay nhiều Suốt chặng đường bốn năm đại học mình, em nhận kiến thức vật lý bổ ích quan tâm, chia sẻ thầy cơ, gia đình, bạn bè Từ tận đáy lòng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy cô Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh, người truyền dạy kinh nghiệm quý báu lĩnh nghề giáo cho em giảng đường đại học Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy Ngô Minh Nhựt, người tận tình, tận tâm hướng dẫn suốt khoảng thời gian em thực khóa luận Thầy dạy kinh nghiệm mà sau em khơng qn Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn tri ân đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người quan tâm sâu sát, cho lời khuyên giải pháp hữu ích để em giải hồn thành trọn vẹn khóa luận Em xin cảm ơn biết ơn Thầy Nguyễn Tấn Phát, Thầy Nguyễn Hồng Long ln động viên tạo động lực để em vượt qua bao khó khăn Ngồi ra, em cảm ơn thầy cô tổ Vật lý Đại cương, phòng ban, tổ bảo vệ tạo điều kiện thuận lợi cho em thực khóa luận Lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến mẹ em, người bên cạnh, hỗ trợ mặt tinh thần tạo động lực cho em làm việc, học tập Em biết ơn bạn bè, người thân thương bạn phịng thí nghiệm Vật lý Đại cương Nâng cao động viên, san sẻ vật chất tinh thần khoảng thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 04 năm 2019 Sinh viên Nguyễn Thành Phúc MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tổng quan, lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài 3 Nội dung nghiên cứu Đối tượng ph Phương pháp nghi n ứu vi nghi n ứu CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Vi điều khiển Arduino Nano 1.2 Cảm biến ường độ ánh sáng BH1750FVI 1.3 Encoder 1.4 Module Bluetooth HC-05 1.5 M h điều khiển động DC TB6612FNG 1.6 Giao diện máy tính cá nhân 10 1.7 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm 11 CHƢƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 12 2.1 Bộ thí nghiệm hồn chỉnh 12 2.2 Thí nghiệm kiểm tra tính ổn định ộ th nghiệ 13 2.2.1 Thí nghiệm khảo sát tuyến tính cuả cảm biến đo ường độ sáng 13 2.2.2 Thí nghiệ đo ước sóng ánh sáng tượng giao thoa khe Young 18 2.2.3 Khảo sát tượng nhi u x ánh sáng qua hệ ột h 22 2.3 So sánh với thí nghiệm lo i 26 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 27 3.1 Kết luận 27 3.2 Hướng phát triển 27 CHƢƠNG 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH MỤC BẢNG Số iệu giá trị thu đượ tr n ả Số iệu iến ứng với g  15 hoảng v n giao thoa ự đ i n hảo sát thứ nh t 20 Khảo sát tượng giao thoa h Young 21 Khảo sát ường độ sáng th nghiệ nhi u x qua ột h 25 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Bộ thí nghiệm vẽ ường độ vân giao thoa, nhi u x Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư Ph m TPHCM thiết kế (a); Bộ thí nghiệ Xá định ước sóng ánh sáng Cơng ty Nhà sách Thiết bị trường học sản xu t (b); Bộ thí nghiệm giao thoa nhi u x ánh sáng o h ng thiết ị Pas o sản xu t H Vi điều hiển Arduino Nano [9] H Sơ đồ nguyên lý m h ả H C u t o En o r h nh ảnh xung hai H Bluetooth HC-05 H Sơ đồ H Giao iện tương tá tr n H Sơ đồ thiết ế ộ th nghiệ 11 H H nh ảnh ộ th nghiệ H iến ường độ sáng BH175 FVI nh B h điều hiển động TB6612FNG 10 Sơ đồ th nghiệ áy t nh nh n 11 hoàn hỉnh hệ h điện ộ th nghiệ 12 hảo sát tuyến tính cuả cảm biến đo ường độ sáng 13 Hình 11 Hệ thí nghiệ : Đèn az r H -Ne (1); Kính phân cực (2); Kính phân tích (3); Bộ thí nghiệ hảo sát ph n ố ường độ v n giao thoa nhi u x ; Giao iện tương tá máy tính (5) 14 H 12 Đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả iến BH175 FVI th o cos ( ) (a); Đồ thị biểu di n phụ thuộc điện áp ngõ vào ường độ sáng chiếu tới phototransistor hi thay đổi góc hợp phương ph n ực ánh sáng kính phân cự ộ th nghiệ Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph TPHCM nghi n ứu 16 H 13 Đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả H 14 Hệ thí nghiệ giao thoa h Young: Đèn az r H -N chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệ diện tương tá tr n iến BH175 FVI ứng với g  17 ; Giá đỡ có gắn vi hảo sát ường độ v n giao thoa nhi u x ; Giao áy t nh 18 H 15 H nh ảnh hệ v n giao thoa đượ hứng tr n tờ gi y trắng 19 H 16 H 17 Đồ thị iểu i n ường độ sáng th o vị tr th nghiệ H 18 Hiện tượng nhi u x qua nh hụp hệ v n giao thoa thự tế 20 giao thoa 20 ột h h p 23 H 19 Hệ thí nghiệ giao thoa h Young: Đèn az r H -N ; Giá đỡ có gắn vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát ph n ố v n giao thoa nhi u x Giao diện tương tá tr n H H 21 Giải pháp 3; áy t nh 24 Đồ thị ph n ố ường độ sáng th o vị tr ứng với nhi u x ột h 25 ới ho hệ h ộ th nghiệ 27 NH MỤC VIẾT TẮT Trung họ phổ th ng THPT Đ i họ Cao đ ng ĐH CĐ Thành phố Hồ Ch Minh TPHCM Integrated Development Enviroment IDE Photodiode PD Analog Digital Converter ADC Volt V Ampere A Direct Current DC Alternating Current AC Arbitrary Units a.u Integrated Circuit IC Inter - Integrated Circuit I2C MỞ ĐẦU Tổng quan, lý chọ đề tài Trong nă g n đ y hệ thống giáo dục Việt Na đ tiến hành thay đổi trọng vào việc bồi ưỡng nội dung kiến thức nâng cao khả ứng dụng kiến thức vào thực tế ho người họ Trong môn Vật lí, việc thực hành thí nghiệ đ ng vai trị quan trọng việc ước hình thành kỹ thực nghiệm rèn luyện, củng cố kiến thứ đ học cho học sinh, sinh viên Tuy nhiên, việc trang bị sử dụng thiết bị thí nghiệm nhiều trường trung học phổ thông (THPT), trường ao đ ng CĐ đ i họ ĐH òn nhiều mặt h n chế: dụng cụ thí nghiệ đ y đủ, số dụng cụ thí nghiệm có sai số lớn nên kết đo đ hưa hưa h nh xá h ng với kết t nh lý thuyết [1] Ngoài ra, số dụng cụ thí nghiệ độ ổn định khơng cao, d hỏng hóc trình vận hành, việc sử dụng thiết bị thí nghiệ hưa hiệu Cũng h nh v ý o tr n giáo viên, giảng vi n thường ng i sử dụng thí nghiệm ho t động d y học Cụ thể hương tr nh Vật lí lớp 12 ph n Sóng ánh sáng, thí nghiệm Xác định ước sóng ánh sáng tượng giao thoa Công ty Cổ ph n Sách Thiết bị trường học sản xu t trang bị rộng rãi trường THPT số trường CĐ ĐH [2] Bộ thí nghiệm sử dụng nguồn as r io ánh sáng đỏ chiếu tới khe Young, hình ảnh v n giao thoa quan sát trắng có thước chia v ch với độ chia nhỏ nh t nghiệ Bước sóng ánh sáng thí đượ xá định theo biểu thức:  D (1) với a khoảng cách hai khe Young; D khoảng cách từ khe Young tới trắng quan sát; i khoảng cách hai vân sáng liên tiếp òn gọi khoảng vân Dựa vào thước chia v ch trắng quan sát người làm thí nghiệm xá định khoảng cách hai vân sáng liên tiếp Sai số tương đối phép đo tính biểu thức:     i D a   i D a (2) Khoảng cách D từ h Young đến àn quan sát thường lớn, sai số phép đo ướ s ng  phụ thuộc r t nhiều vào sai số khoảng vân i Để phép đo ướ s ng  xác c n phải cải thiện sai số dụng cụ hi đo hoảng vân i Bên c nh đ tr n thị trường cịn có nhiều thí nghiệm khảo sát hệ vân giao thoa nhi u x hãng chuyên sản xu t trang thiết bị d y họ Pas o L yBo Phyw … Đặc biệt số đ sử ụng ột ả đượ gắn tr n ộ thí nghiệm h ng thiết ị Pas o [3] sản xu t iến để đo ường độ sáng vân giao thoa Cảm biến ánh sáng ột ả iến xá định vị tr đượ người ng i huyển ọ th o trường giao thoa Dữ iệu vị tr ường độ v n giao thoa đượ ập nhật n áy t nh vẽ đượ đồ thị thể phân bố ường độ v n giao thoa nhi u x trường giao thoa Từ đ người làm thí nghiệm xá định vị trí cự đ i giao thoa t nh khoảng vân i H n hế ộ th nghiệ phải i huyển hệ thống thu nhận ữ iệu ường độ sáng đ đượ h nh xá Do đ việ thự th nghiệ ột h người ng n thận để việ đo đòi hỏi kỹ thao tá tốt Hơn giá thành thí nghiệm r t đắt, khó trang bị rộng rãi trường phổ thơng Ngồi ra, đ t o phát triển thí nghiệ biệt số đ ột số phịng thí nghiệ đ tập trung nghiên cứu, cải i n quan đến vẽ ường độ vân giao thoa nhi u x đặc sản ph m Tổ Vật ý Đ i ương thuộc Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph m Thành phố Hồ Chí Minh [4] Bộ thí nghiệm có khả vẽ đượ đồ thị ường độ vân giao thoa, nhi u x ánh sáng với bề rộng trường giao thoa 5cm độ phân giải nhỏ nh t 0,1mm Bộ thí nghiệ ũng thu nhận liệu tự động trao đổi với máy vi tính thơng qua giao diện tương tá nhiên, việc thực hành thí nghiệm cịn thủ thống đo đ c tay ằng cơng nghệ Bluetooth Tuy ng người làm thí nghiệm phải đ y hệ o đ việc thực đo đ c phụ thuộc r t nhiều vào khả thực nghiệm người làm thí nghiệm 16 Dựa tr n số iệu tr n ảng tiến hành vẽ đượ đồ thị giá trị ường độ sáng th o cos ( ) với   900 đến   1800 ứng với giá trị cos2 ( )  đến cos2 ( )  Khớp điể thự nghiệ Với y tương ứng giá trị ường độ sáng thu đượ tr n ả cos ( ) Ta ng y  ax với đường th ng tuyến t nh qua gố tọa độ iến x giá trị đồ thị 12a h nh vẽ: Đồ thị biểu diễn giá trị thu cảm biến BH1750FVI theo cos ( ) (a); Đồ thị biểu diễn phụ thuộc điện áp ngõ vào cường độ sáng chiếu tới phototransistor thay đổi góc hợp phương phân cực ánh sáng kính phân cực thí nghiệm Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm TPH Dựa tr n đồ thị tr n h nh 12a ta nghiên cứu (b)[4] thể th y giá trị thu đượ tr n ả độ sáng nhỏ nh t hi   900 ứng với cos2 ( )  ; giá trị tr n ả ớn nh t hi   1800 ứng với cos2 ( )  Sự ph n ố điể ph hợp với ý thuyết định uật Ma us B n điể điể thự nghiệ thự nghiệ với đường th ng tuyến t nh iến ường độ sáng thự nghiệ hệ số tương quan R-Squared 99747 Điều hứng tỏ tương quan tuyến t nh với đường th ng 99,7% Trong ộ th nghiệ TPHCM nghi n ứu nh đ iến ường ng y  ax đến ng o i o Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph ộ th nghiệ sử ụng ột phototransistor để thu nhận ường độ sáng Nếu phototransistor ho t động tốt th điện áp ngõ phototransistor tỉ ệ tuyến t nh với ường độ sáng hiếu tới th o cos ( ) Đồ thị 12 phụ thuộ đổi g đồ thị iểu i n điện áp ngõ vào ường độ sáng hiếu tới phototransistor hi thay hợp ởi phương ph n ự Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph ánh sáng nh ph n ự ộ th nghiệ TPHCM So sánh đồ thị 12a 12 việ 17 sử ụng phototransitor để thu nhận ường độ sáng hiếu tới tuyến t nh v ng cos2 ( )  tới cos2 ( )  0,05 , từ giá trị cos2 ( )  0,05 đến cos2 ( )  th giá trị điện áp thu đượ tr n ngõ phototransistor h ng hảo sát đượ v đ t đến điện o hòa Việ sử ụng ả iến ường độ sáng BH1750FVI hảo sát đượ ường độ sáng ứng với cos2 ( )  thay đổi đến cos2 ( )  ho th y đượ giá trị đo đ thự nghiệ B n ph hợp với ý thuyết nh đ hi sử dụng số liệu thu nhận ta xá định đượ điểm thực nghiệm biểu di n giá trị ường độ sáng cảm biến BH1750FVI theo góc quay  Nếu ả iến ường độ sáng ho t động hiệu th đồ thị iểu i n giá trị thu đượ tr n ả iến th o g  ph n ố th o ng cos ( ) Tiến hành khớp hàm điểm thực nghiệm theo hàm số có d ng y  a  b cos( 2 x ) (4) Với y tương ứng giá 180 trị ường độ sáng cảm biến, x giá trị góc quay t nh th o đơn vị độ Ta đồ thị h nh 13: 13 Đồ thị biểu diễn giá trị thu cảm biến H1 0F I ứng với góc  Hệ số tương quan việc khớp hàm so với liệu thực nghiệm R-Squared 0,95826 Điều chứng tỏ điểm thực nghiệm giá trị thu cảm biến 18 phân bố theo d ng hàm cos ( ) với tỉ ệ ph hợp tới 95,8% uan sát đồ thị ta th y giá trị ả ả iến ường độ sáng giá trị ự tiểu   900   2700 ; giá trị iến ường độ sát đ t ự đ i   00   3600 Vì vậy, số iệu đo từ th nghiệ thể thể ết uận ph hợp với ý thuyết định uật Ma us Do đ cảm biến ường độ sáng BH1750FVI sau thu nhỏ vùng diện tích chiếu sáng ho t động tốt tuyến t nh, sử dụng cảm biến để khảo sát thí nghiệm 2.2.2 Thí nghiệ đo ƣớc sóng ánh sáng hiệ tƣợng giao thoa khe Young thiết kế để kiể tra độ ổn định thí nghiệm sau chế t o hồn chỉnh Trong thí nghiệ người dùng sử dụng đèn az r H - Thí nghiệ N ước s ng 632 n nh sáng phát ởi az r công bố nhà sản xu t ánh sáng phương ph n ực th ng phương ph n ự h ng thay đổi Khe Young dùng có khoảng cách hai khe i Khoảng cách từ hai khe tới mắt thu cảm biến ánh sáng D Bước sóng  tính tốn từ số liệu thực tế tính theo cơng thức (1) Bước sóng  tính tốn thực tế so sánh với ước sóng ánh sáng mà nhà sản xu t ghi tr n az r H – N Nhờ ta rút kết luận độ ổn định, tính xác thí nghiệm Lắ đặt thí nghiệm Thí nghiệm đo ước sóng ánh sáng tượng giao thoa khe Young bố tr h nh 14 Hệ thí nghiệm giao thoa khe Young: Đèn lazer He-Ne (1); Giá đỡ có gắn vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ (3); Giao diện tương tác máy tính (4) Điều chỉnh 19 Bật công tắc nguồn điện 12V AC đèn Laz r H -Ne Sau khoảng phút đèn sáng ổn định Sử dụng vít vặn tr n gá đỡ dụng cụ để điều chỉnh độ cao đèn sáng, vi chỉnh khe Young cho chúng h ng độ cao, mặt dụng cụ vng góc với chùm tia laser Đặt hệ khe Young Công ty nhà sách thiết bị trường học vi khe Young Điều chỉnh hệ thướ an để hệ khe Young di chuyển ho ánh sáng qua hai khe young Sử dụng tờ gi y trắng để hứng hệ v n giao thoa h nh 15 Điều chỉnh hệ thướ an để hệ v n giao thoa thu cách rõ nét nh t Sau đ , tiến hành điều chỉnh độ cao thí nghiệm khảo sát ường độ vân giao thoa nhi u x cho phương khe h p 2mm thí nghiệm hứng hồn tồn hệ vân giao thoa Hình ảnh hệ vân giao thoa hứng tờ giấy trắng Bật ng tắ hệ thống đo ường độ vân giao thoa, chuyển qua Mode Kết nối với giao diện tương tá tr n áy t nh Điều chỉnh tia sáng hỏi kính phân tích chiếu vào mắt cảm biến ường độ sáng BH1750FVI Quá trình phải làm c n thận, tránh sai sót Đo đ c số liệu Quá trình khảo sát sử dụng chế độ tự động Việ điều khiển hệ đế trượt dịch chuyển cảm biến ánh sáng thông qua giao diện tương tá tr n áy t nh nhân Trong thí nghiệm này, tố độ trung bình đế trượt thiết lập 0,68 mm/s Nhờ thiết lập tố độ này, đế trượt dịch chuyển chậ thoa, từ đ việ đo đ c số liệu đượ tr n trường giao h nh xá Sử dụng h Young dùng có khoảng cách hai khe a = 0,18mm Hình 16 ảnh chụp hệ vân giao thoa thực tế 20 nh chụp hệ vân giao thoa thực tế Tiến hành dịch chuyển cảm biến BH1750FVI theo chiều ta thu đượ đồ thị biểu di n phân bố ường độ vân giao thoa nhi u x h nh 17 Đồ thị biểu diễn cường độ sáng theo vị trí thí nghiệm giao thoa Dựa vào đồ thị ta thể nhận th y ác vân sáng phân bố tương đối ường độ vân sáng trung tâm lớn nh t (vị trí 111,50mm ường độ giảm d n vị tr v n sáng đối xứng hai bên trung tâm Xen kẽ vân sáng cự đ i giao thoa vị tr ường độ vân sáng g n triệt tiêu Dựa vào đồ thị, ta xá định vị trí cự đ i giao thoa tr n trường giao thoa, khoảng cách vị trí cự đ i khoảng vân giao thoa g Số liệu khoảng vân giao thoa cực đại lần khảo sát thứ Vị trí Khoảng vân x(mm) i  xi 1  xi (mm) 107,79 2,38 0,09 110,17 2,46 0,01 STT i(mm) 21 112,63 2,41 0,06 115,04 2,46 0,01 117,50 2,42 0,05 119,92 2,46 0,01 122,38 2,50 0,02 124,88 2,70 0,23 127,58 2,47 0,06 Trung bình Thông qua việc di chuyển đế trượt tr n trường giao thoa, tìm khoảng vân trung bình l n đo Xử lý số liệu nhận xét Tiến hành khảo sát nhiều l n, ta thu đồ thị biểu di n ường độ vân sáng theo vị trí vân sáng Xử lý số liệu đồ thị, ta có bảng sau: hảo sát tượng giao thoa khe Young L n thí D ( m) D(m) i(mm) i(mm) 0,691 0,001 2,47 0,01 0,690 0,000 2,46 0,00 0,687 0,003 2,46 0,00 0,691 0,001 2,45 0,01 0,690 0,000 2,47 0,01 0,688 0,002 2,45 0,01 0,690 0,000 2,46 0,00 nghiệm 22 0,691 0,001 2,46 0,00 0,690 0,000 2,47 0,01 10 0,691 0,001 2,47 0,01 Trung bình 0,690 0,001 2,46 0,01 Dựa vào bảng số liệu, ước sóng  lazer He-Ne dùng thí nghiệm tính theo cơng thức   (4) ướ s ng ánh sáng thu là:   641,7nm Sai D số tương đối kết đo tính theo cơng thức (2)      i D a   i D a sai số tuyệt đối trung bình ước sóng   50,9nm Kết ước sóng lazer He-N thu là:   (641,7  50,9)nm Sai số tương đối kết đo độ sai iệt ết đo so với giá trị ướ s ng ánh sáng nhà sản xu t ghi lazer He-Ne LG-471-830 hãng Leybold 1,4% Điều chứng tỏ, thí nghiệm ho t động ổn định, hiệu Số liệu tính tốn dựa lý thuyết khớp với giá trị thực tế Ngoài ra, dựa vào đồ thị ường độ sáng theo vị tr đồ thị h nh 16 người sử dụng cịn quan sát vị trí vân cực tiểu giao thoa tr n trường Khoảng vân i tính dựa vào khoảng cách vân cực tiểu giao thoa, từ đ t nh đượ ước sóng ánh sáng nghiệm l i cơng thức giao thoa khe Young 2.2.3 K Th nghiệ nhi u x g y ởi hiếu vu ng g ảnh nhi u x với o át iệ tƣợ iễ á a ệ ột đượ x y ựng để hảo sát ph n ố ường độ ánh sáng ột h h p Khi vào ột h h p ột h sáng song song đơn sắ độ rộng a th tr n ột ự đ i nhi u x ướ s ng  àn ảnh ta thu đượ h nh ự đ i nhi u x bậc 1,2, 23 Hiện tượng nhiễu xạ qua khe hẹp Vị tr v n ự tiểu nhi u x đượ sin   ho ởi k với k  1; 2; 3; a Vị tr v n ự đ i nhi u x đượ t nh th o sin   (2k  1) Cường độ v n nhi u x qua I ( )  I ( ng thứ :  2a (5) ng thứ : tương ứng k  1; 2; 3; ột h h p đượ t nh ởi sin   ) tương ứng   (6) ng thứ sau: a sin   (7) Trong đ : a ề rộng h h p  àg nhi u x  ướ s ng ánh sáng hiếu I ường độ nhi u x ự đ i trung t Cường độ ự đ i nhi u x tương ứng với   ; Khi thay iểu thứ (6) vào iểu thứ (7) ta qua ột h h p đượ t nh ởi sin    Do đ I  I ường độ ự đ nhi u x ng thứ sau: sin((k  ) ) I ( )  I ( ) tương ứng k  1; 2; 3; (k  ) (8) Cự đ i nhi u x bậc ứng với k = 1; -2 Cường độ tương đối I1  4,5% I0 Cự đ i nhi u x bậc ứng với k = 2; -3 Cường độ tương đối I2  1,6% I0 24 Cự đ i nhi u x bậc ứng với k = 3; -4 Cường độ tương đối I3  0,83% I0 Lắ đặt thí nghiệm Th nghiệ thao tá h ắp đặt g n giống th nghiệ s ng giao thoa h Young há ề rộng thay đổi đượ Hệ th nghiệ đo ướ iệt hệ h Young đượ thay ằng h h p đượ iểu i n h nh 19 Hệ thí nghiệm giao thoa khe Young: Đèn lazer He-Ne (1); Giá đỡ có gắn vi chỉnh khe Young (2); Bộ thí nghiệm khảo sát phân bố vân giao thoa, nhiễu xạ (3); Giao diện tương tác máy tính (4) Điề c ỉ Bật công tắc nguồn điện 12V AC đèn Laz r H -Ne Sau khoảng phút đèn sáng ổn định Sử dụng vít vặn tr n gá đỡ dụng cụ để điều chỉnh độ cao đèn cho chúng ng độ cao, mặt dụng cụ vng góc với chùm tia laser Đặt hệ điều chỉnh ánh sáng qua hệ ột h ột h Tiếp theo, sử dụng tờ gi y trắng để hứng hệ vân nhi u x Điều chỉnh hệ h để ánh sáng thu cách rõ nét nh t Sau đ ột tiến hành điều chỉnh độ cao thí nghiệm khảo sát ường độ v n giao thoa nhi u x ho phương khe h p 2mm thí nghiệm hứng hồn tồn hệ v n nhi u x Đo đ c số liệu Tiến hành dịch chuyển cảm biến BH1750FVI theo chiều xá định, ta thu đượ đồ thị biểu di n phân bố ường độ vân giao thoa nhi u x h nh 20 25 gmail Đồ thị phân bố cường độ sáng theo vị trí ứng với nhiễu xạ khe ố iệ ậ Dựa tr n đồ thị ta t thể th y đượ ph n ố ường độ v n nhi u x ột ự đ i nhi u x đ ậ ột giống ý thuyết tả Tuy nhi n đồ thị hỉ quan sát đượ độ ph n giải ả ự đ i nhi u x ậ iến BH175 FVI hưa nhuy n n n h ng thể phát đượ độ v n nhi u x ự đ i nhi u x ao gồ ự đ i nhi u x ậ hai Dựa vào đồ thị ta xá định đượ ậ ột o ường ường độ sáng ột so sánh với ết t nh đượ tr n ý thuyết Ta ảng sau: hảo sát cường độ sáng thí nghiệm nhiễu xạ qua khe Cự đ i nhi u x Cường độ ánh sáng I thự tế I0 Ch nh 8653 100% 100% Bậ ột n trái 266 3,11% 4,5% 31% Bậ ột n phải 357 4,12% 4,5% 8,3% Dựa vào ánh sáng th o vị tr thuyết Tuy nhi n ết đ thu đượ th nghiệ ta I I0 thuyết Độ sai iệt thể th y h nh ảnh tr n đồ thị ường độ nhi u x qua hệ ột h với tả ý hi so sánh độ sai iệt tỉ ệ ường độ ánh sáng ự đ i nhi u x ậ với ường độ ự đ i nhi u x đo từ thự nghiệ òn sai ệ h nhiều so 26 với ý thuyết ng với ự đ i nhi u x thự tế so với ý thuyết thị độ sai iệt tỉ ệ nghiệ n phải đồ thị độ sai iệt tỉ ệ ng với ự đ i nhi u x vu ng g th nghiệ ậ n trái đồ ột h hưa đượ thể o an đ u phương tia sáng hiếu tới hai h với hệ I1 I0 thự tế so với ý thuyết 31 Sai iệt há ớn n n th hảo sát ường độ v n nhi u x qua hệ Nguy n nh n I1 I0 ậ ột h B n nh đ giải đượ nhuy n vị tr sai số ớn th nghiệ h ng thự nguy n nh n h nh việ hiệu hỉnh hệ hưa tốt hiến ho phương ị h huyển ả hưa tr ng với phương nhi u x h nh xá iến ánh sáng r nh hệ v n Ngoài ường độ sáng nhỏ ũng ả iến hưa thể ph n ột ph n nguy n nh n g y 2.3 So sánh với thí nghiệm lo i Bộ thí nghiệm khảo sát phân bố vân giao thoa nhi u x ho t động ổn định, kết thực nghiệ đo đ c từ hệ thống thí nghiệm tương đối phù hợp với tính tốn lý thuyết So với thí nghiệ Xá định ước sóng ánh sáng Cơng ty nhà sách thiết bị trường học, thí nghiệ đ tích hợp cảm biến ường độ sáng BH1750FVI nên xá định xác vị trí khoảng vân Ngoài ra, việc sử dụng cảm biến ường độ sáng góp ph n thời vị trí vân sáng cực tiểu Bên c nh đ ho người sử dụng quan sát đượ đồng ường độ cự đ i vị tr ường độ vân sáng việc sử dụng encoder quang học với dây encoder máy in Canon IP277 giúp ho ước nhảy độ dịch chuyển mắt thu 24 mm Bước nhảy nhuy n ước nhảy 0,1mm hệ thống vẽ ường độ vân giao thoa nhi u x Tổ Vật ý Đ i ương thuộc Khoa Vật ý trường Đ i họ Sư ph m Thành phố Hồ Chí Minh Cuối cùng, thí nghiệm sử dụng vi điều khiển tích hợp với động để kéo hệ ray trượt chứa cảm biến nên trình khảo sát thí nghiệ sử dụng kiể tự động người soát tố độ việc ghi nhận số liệu Ưu điểm tốt việc khảo sát hệ vân sáng cách thủ công ty sản xu t Pas o v ng hệ thống thí nghiệm lo i hi đ việc ghi nhận số liệu ường độ sáng phụ thuộc r t nhiều vào người làm thí nghiệm 27 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Kết luận Dựa vào ết th nghiệ ưu điể ả so với ộ th nghiệ iể hứng ng o i iến ánh sáng vi điều hiển r uino ộ th nghiệ ho th y nhiều tr n thị trường Bằng việ sử ụng ộ th nghiệ ho phép người sử ụng ghi nhận tự động ph n ố hệ v n giao thoa nhi u x uá tr nh hảo sát vị tr ường độ v n sáng đượ i n tụ ổn định h n hế sai số o người ng g y Hơn nữa, vi điều ghép nối vi điều hiển với B u tooth HC-05 làm cho việ truyền nhận t n hiệu đượ nhanh h ng vẽ đồ thị tr n giao iện tương tá hệ gặp v n đề hỏng h y En o r há h sử ụng nguy n vật iệu t th ng áy in Canon IP277 n n việ sửa hữa hi hăn B n nh đ trượt đượ đ ng hộp mica hiến ho ộ th nghiệ ộ th nghiệ đặt th nghiệ hỉnh ả phải hệ h điều hiển hệ ray tr ng th ồng ềnh hưa gọn tr n thị trường Trong tr nh n thận đòi hỏi người iến BH175 FVI tr nh ột h hiệu Tuy nhi n thiết ế ộ th nghiệ ụng tr n thị trường áy t nh nh n g p ph n n th nghiệ việ ắp ỹ thự nghiệ để thể thu nhận ánh sáng i huyển ọ tr n r nh 2mm 3.2 Hƣớng phát triển Để cải thiện khuyết điểm thí nghiệm, hệ h n phải nhỏ gọn sử dụng vật liệu thơng dụng, có giá thành rẻ thị trường Phương án thiết kế hệ h ho ộ thí nghiệm khảo sát ường độ vân giao thoa nhi u x mơ tả hình 21 Giải pháp cho hệ khí thí nghiệm Trong hệ h c u trúc phận bao gồm: khung nhôm vng định hình 3x3 động ước, trụ trơn trục vitme, gối đỡ đế trượt thiết kế h nh vẽ Trên thiết kế động ước gắn với khung nhôm nhờ gối đỡ truyền động cho vitme làm cho vitme chuyển động quay quanh trục 28 Đế trượt đai ốc nối với vitme, vitme chuyển động th đế trượt trượt trụ trơn định hướng Lú đ ảm biến ường độ sáng tích hợp tr n đế trượt giới h n trường thu nhận ường độ sáng phụ thuộ vào độ dài trục trơn định hướng, trục vitme Thiết kế nhỏ gọn, trình tháo lắp phận thiết kế cách d dàng Nếu hệ h ho t động ổn định, việc sản xu t đ i trà r t thuận lợi v đa ph n phận thơng dụng thị trường Ngồi việ điều hỉnh ả ụng iến để hứng đượ trường giao thoa àng ho người sử 29 CHƢƠNG 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Xu n uý Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm vật lí trường phổ thơng thực trạng giải pháp T p chí Thiết bị giáo dục, 61, tr.10-18 [2] C ng ty Cổ ph n Sá h Thiết ị Trường họ TPHCM ộ TN Xác định bước sóng ánh sáng, https://www.stb.com.vn/vi/thia-t-ba-thpt/vat-li-thpt/bo-tn-xacdinh-buoc-song-anh-sang.html Ngày truy ập 15 19 [3] PASCO scientific [US] Interference and Diffraction of Light Experiment, https://www.pasco.com/prodCatalog/EX/EX-5545_interference-and-diffractionof-light-experim/index.cfm Ngày truy ập 15 19 [4] Ng Minh Nhựt Nguy n L Duy 12 18 ng dụng công nghệ luetooth cảm biến ánh sáng để thiết kế hệ thống vẽ cường độ vân giao thoa, nhiễu xạ T p h Khoa họ Trường Đ i họ Sư ph TPHCM Vo 15 No 12 (2018), tr.113-122 [5] Mai Hoàng Phương Ng Minh Nhựt, 2016 Thiết kế cảm biến kết nối không dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II III Newton T p chí khoa họ Đ i họ Sư Ph m Hà Nội, 61, tr.68-75, 2016 [6] Nguy n Huỳnh Duy Khang, Nguy n T n Phát, Nguy n Lâm Duy, 2016 ng dụng vi điều khiển PIC16F877A cảm biến điện tử để chế tạo thí nghiệm có tương tác với máy tính nhằm phát huy tính tích cực, sáng tạo hoạt động dạy học định luật thực nghiệm chất khí lí tưởng T p chí khoa họ Đ i họ Sư Ph m Hà Nội, 61, tr.128-137 [7] Mai Hoàng Phương 2012 Định hướng giáo viên sử dụng máy tính, Internet dạy học vật lí trường trung học phổ thơng T p chí khoa họ Đ i họ Sư ph m TP HCM, 37, tr 140– 149 [8] Hoàng Văn Huệ, Phùng Việt Hải, Nguy n Thị Thanh Hương 12 Nghiên cứu chế tạo cảm biến thí nghiệm ghép nối với máy vi tính dạy học vật lí trường phổ thơng Đề tài khoa học công nghệ c p Trường Đ i học Tây Nguyên, tr.10,17-18 [9] Ngô Huỳnh Ngọc Khánh, 22/7/2014 Arduino Nano – Nhỏ, tiện lợi, mang tinh hoa Arduino Uno, http://arduino.vn/bai-viet/273-arduino-nanonho-tien-loi-mang-tren-minh-tinh-hoa-cua-arduino-uno 15/04/2019 Ngày truy ập 30 [10] COMPONENTS101, 12/3/2018 Arduino Nano, https://components101.com/microcontrollers/arduino-nano Ngày truy ập 15/04/2019 [11] ROHM Semiconductor, 2011 Ambient Light Sensor IC Series Digital 16bit Serial Output Type Ambient Light Sensor IC – BH1750FVI, tr.1-4 [12] Tatiana K nová, Mirolav Dovica, E uar Ja u ovič, P t r S ač o, 11/12/2017 Condition Evaluation of Optical Position Sensor Journal of Automation and Control, 2017, 5(2), 37-40 [13] Mohannad Rawashdeh, 2013, INSTRUCTABLES Arduino and bluetooth hc-05 connecting easily, http://www.instructables.com/id/Arduino-AND-Bluetooth- HC-05-Connecting-easily/ Ngày truy cập 10/04/2019 [14] TOSHIBA, 30/6/2007 Toshiba Bi-CD Integrated Circuit Silicon Monolithic TB6612FNG, tr.1-5 [15] Hshop Điện tử o ot ạch điều khiển động D ini T https://hshop.vn/products/mach-dieu-khien-dong-co-dc-tb6612 Ngày truy 12 ập 15/04/2019 [16] Nguy n Bá Hải 16 Hướng dẫn lập tr nh La VIEW tr nh độ ản, nhà xu t Đ i học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh ... u vi? ??c ứng dụng vi điều khiển Arduino cảm biến ánh sáng để thiết kế thí nghiệm khảo sát phân bố ường độ vân giao thoa nhi u x đề tài mang tính c p thiết Bộ thí nghiệm có khả hảo sát tự động phân. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THÀNH PHÚC ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN CƢỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT... phân bố vân giao thoa nhi u x tr n trường giao thoa, thu nhận liệu cách nhanh chóng nhờ vi điều khiển cảm biến ánh sáng Đồng thời, vi? ??c sử dụng vi điều khiển r uino cơng nghệ Bluetooth giúp thí nghiệm