Xây dựng bài thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu trong giảng dạy cho học sinh bậc trung học phổ thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN HUYỀN ANH XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU TRONG GIẢNG DẠY CHO HỌC SINH BẬC TRUNG HỌC PHỔ THƠNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU TRONG GIẢNG DẠY CHO HỌC SINH BẬC TRUNG HỌC PHỔ THƠNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Thị Thanh Thủy Sinh viên thực khóa luận: Nguyễn Huyền Anh Hà Nội – 2020 LỜI CẢM ƠN Đề tài “Xây dựng thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu giảng dạy cho học sinh bậc trung học phổ thông” nội dung tơi chọn để nghiên cứu làm khóa luận tốt nghiệp sau bốn năm theo học chương trình cử nhân chuyên ngành sư phạm Vật lí trường Đại Học Giáo Dục Đại học Quốc gia Hà Nội Để hồn thành q trình nghiên cứu, lời tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Thị Thanh Thủy thuộc Bộ môn Vô tuyến Khoa Vật lí - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Cơ trực tiếp bảo hướng dẫn suốt q trình nghiên cứu để tơi hồn thiện khóa luận Tơi xin cảm ơn Bộ mơn Vật lí Vô tuyến Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Sư phạm Trường Đại học Giáo dục tạo điều kiện thời gian cho suốt trình nghiên cứu Đồng thời, tơi xin cảm ơn người thân, bạn bè bên tôi, động viên tơi hồn thành khóa học khóa luận Cuối cùng, trình độ lí luận kinh nghiệm thực tiễn thân hạn chế nên Khóa luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp Thầy/Cơ để em học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2020 Sinh viên Nguyễn Huyền Anh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ điều chế biên độ tín hiệu sử dụng diot 11 Hình 1.2 Sơ đồ điều chế biên độ tín hiệu sử dụng diot 12 Hình 1.3 Sơ đồ điều chế biên độ tín hiệu sử dụng diot 13 Hình 1.4 Sơ đồ điều chế biên độ tín hiệu dùng transistor 14 Hình 1.5 Mơ tả q trình tín hiệu cao tần điều chế biên theo âm tần 15 Hình 1.6 Phổ tín hiệu điều chế m = 16 Hình 1.7 Mơ tả tín hiệu điều chế biên độ thay đổi theo hệ số điều chế 17 Hình 1.8 Phổ tín hiệu điều chế với âm tần có F thành phần 18 Hình 2.1 Máy phát dao động EZ FG-7002C 20 Hình 2.2 Máy dao động kí EZ OS – 5030 21 Hình 2.3 Thiết bị cấp nguồn 21 Hình 2.4 Dây cáp đồng trục 22 Hình 2.5 Dây điện 22 Hình 2.6 BOARD mạch điều chế biên độ tín hiệu tự thiết kế 22 Hình 2.7 Sơ đồ ngun lí mạch điều chế biên độ dùng transistor 23 Hình 2.8 Sơ đồ thực nghiệm mạch điều chế biên độ dùng transistor 23 Hình 2.9 Bố trí thí nghiệm khảo sát trình điều chế biên độ 24 Hình 2.10 Dạng điều chế nơng 25 Hình 2.11 Dạng điều chế trung bình 25 Hình 2.12 Dạng điều chế sâu 25 Hình 2.13 Dạng điều chế 25 Hình 3.1 Dạng sóng lối không điều chế 29 Hình 3.2 Dạng sóng lối điều chế 50% 30 Hình 3.3 Dạng sóng lối điều chế 75% 30 Hình 3.4 Dạng sóng lối điều chế 100% 31 Hình 3.5 Đồ thị phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu…… 32 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Dụng cụ thí nghiệm 20 Bảng 2.2 Biên độ tín hiệu dạng sóng điều chế tín hiệu 27 Bảng 2.3 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu 27 Bảng 2.4 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu 27 Bảng 3.1 Biên độ tín hiệu dạng sóng điều chế tín hiệu 29 Bảng 3.2 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu 31 Bảng 3.3 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu 32 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN 1.1 Thí nghiệm Vật lí vai trị dạy học 1.1.1 Thí nghiệm Vật lí [2] 1.1.2 Vai trị thí nghiệm dạy học Vật lí trường phổ thông [2] 1.1.3 Dạy học thí nghiệm chương sóng điện từ 1.2 Điều chế biên độ tín hiệu 1.2.1 Lý thuyết điều chế biên độ 1.2.2 Mục đích điều chế biên độ 1.2.3 Các sơ đồ sử dụng điều chế biên độ 11 1.2.4 Hệ số điều chế phổ tín hiệu điều chế [3] 15 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU 20 2.1 Mục đích thí nghiệm 20 2.2 Dụng cụ thí nghiệm 20 2.3 Quy trình làm thí nghiệm 23 2.3.1 Khảo sát phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu 26 2.3.2 Khảo sát phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu 26 2.3.3 Các bảng cần đo 27 2.4 Báo cáo thí nghiệm 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Kết thí nghiệm 29 3.1.1 Biên độ tín hiệu dạng sóng điều chế tín hiệu 29 3.1.2 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu 31 3.1.3 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu 32 3.2 Nhận xét kết thí nghiệm 33 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật lí mơn học làm sở cho nhiều ngành kĩ thuật công nghệ quan trọng Trong nhà trường phổ thơng, mơn Vật lí giúp học sinh có tri thức phổ thơng cốt lõi Vật lí học ứng dụng chúng sống Do đó, việc nghiên cứu, vận dụng lí luận dạy học đại vào dạy học vật lí trường phổ thơng quan trọng cần thiết Thực tế cho thấy, dạy học vật lí phổ thơng, đa số giáo viên sử dụng phương pháp dạy học theo kiểu truyền thống, truyền thụ kiến thức chiều Trong đó, sử dụng cách hợp lí thí nghiệm dạy học nói chung thí nghiệm vật lí nói riêng việc làm cần thiết nhằm nâng cao hiệu dạy học Đó cách thức để cung cấp kiến thức cho học sinh cách chắn, xác hiệu cao Tuy nhiên, thí nghiệm cịn ít, quy trình thí nghiệm cịn sơ sài khiến cho học sinh khơng nắm bắt thấu đáo tượng vật lí Bậc phổ thơng, học sinh chưa có nhiều điều kiện để nghiên cứu, quan sát tiến hành thí nghiệm vật lí, đặc biệt vùng núi, vùng sâu vùng xa Phần kiến thức sóng điện từ, q trình điều chế giải điều chế tín hiệu truyền xa chương trình vật lí 12 gặp phải hạn chế nêu Về nội dung kiến thức, sóng điện từ kiến thức hoàn toàn lớp 12 Về phương pháp dạy học, đa số giáo viên sử dụng phương pháp giảng dạy truyền thống, nặng thuyết trình truyền thụ chiều Dù kiến thức khó mang nhiều tính ứng dụng chương trình chưa có mơ hình thực tập q trình điều chế tín hiệu để truyền xa Nhận thấy tầm quan trọng việc nghiên cứu xây dựng thí nghiệm điều chế tín hiệu âm vào sóng mang cao tần vận dụng phương pháp dạy học giải vấn đề để xây dựng tiến trình dạy học kiến thức điều chế tín hiệu, chúng tơi xác định đề tài nghiên cứu là: “Xây dựng thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu giảng dạy cho học sinh bậc trung học phổ thơng” Mục đích nghiên cứu Xây dựng (thiết kế, chế tạo, hồn thiện) thí nghiệm khảo sát q trình điều chế tín hiệu âm vào sóng mang cao tần chương trình Vật lí lớp 12, sử dụng dạy học phổ thơng theo chương trình phổ thông Đối tượng nghiên cứu - Nội dung phương pháp dạy học kiến thức thuộc chương “Sóng điện từ” Vật lí lớp 12 - Xây dựng thí nghiệm điều chế biên độ tín hiệu Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lí luận dạy học đại việc tổ chức trình dạy học vật lí theo hướng tiếp cận phát triển lực người học - Xây dựng thí nghiệm đưa trình tự tiến hành khảo sát điều chế biên độ Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí luận: tham khảo tài liệu lí luận dạy học, sách giáo khoa, sách giáo viên tài liệu chuyên khảo sóng điện từ, tài liệu thiết bị thí nghiệm liên quan tới sóng điện từ điều chế biên độ lớp 12 - Nghiên cứu phịng thí nghiệm để xây dựng thí nghiệm đáp ứng yêu cầu đề tài - Phương pháp xử lí số liệu sau q trình thực hành thí nghiệm Những đóng góp đề tài Đề tài nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên vật lí trường phổ thơng Bộ thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ hỗ trợ hiệu việc kích thích hứng thú học tập, phát huy tính tích cực, phát triển lực học sinh Cấu trúc khóa luận tốt nghiệp Ngồi phần mở đầu, kết luận, khuyến nghị, tài liệu tham khảo phụ lục, khóa luận tốt nghiệp trình bày theo chương: - Chương : Cơ sở lí luận - Chương 2: Thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu - Chương 3: Kết thảo luận CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN 1.1 Thí nghiệm Vật lí vai trị dạy học 1.1.1 Thí nghiệm Vật lí [2] Thí nghiệm Vật lí phương tiện quan trọng thiếu nghiên cứu dạy học Vật lí Vật lí mơn khoa học thực nghiệm, giải thích cội nguồn tượng thực tế Thí nghiệm Vật lí tác động có chủ định, có hệ thống người vào đối tượng thực khách quan Thí nghiệm q trình tạo tượng, biến đổi điều kiện xác định để quan sát, thu thập liệu Dựa việc tiến hành thí nghiệm, ta đưa đề xuất xác minh giả thuyết, đốn khoa học đó, gọi thực nghiệm khoa học Thí nghiệm Vật lí có đặc điểm sau: - Có thể quan sát biến đổi đại lượng (biến phụ thuộc) biến đổi đại lượng khác (biến độc lập) Điều đạt nhờ giác quan người hỗ trợ phương tiện quan sát - Các điều kiện thí nghiệm phải lựa chọn thiết lập có chủ định, cho thơng qua thí nghiệm, giải vấn đề Mỗi thí nghiệm cần xác định rõ ba yếu tố: đối tượng nghiên cứu, phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu phương tiện quan sát, đo đạc để thu nhận kết tác động - Các điều kiện thí nghiệm thay đổi phải khống chế, kiểm soát để giảm tối đa ảnh hưởng nhiễu Có hai loại thí nghiệm dạy học Vật lí: - Thí nghiệm biểu diễn giáo viên: thí nghiệm giáo viên thực học sinh quan sát mắt tai Có ba loại thí nghiệm biểu diễn: + Thí nghiệm mở đầu: đề xuất vấn đề nghiên cứu + Thí nghiệm tượng: xây dựng hồn thành kiến thức Hình 2.2 Máy dao động kí EZ OS – 5030 1- Nút nguồn 2- Màn hình hiển thị 3- Núm điều chỉnh biên độ chu kì 4- Giắc cắm kênh kênh Hình 2.3 Thiết bị cấp nguồn 21 Hình 2.4 Dây cáp đồng trục Hình 2.5 Dây điện Hình 2.6 BOARD mạch điều chế biên độ tín hiệu tự thiết kế 22 2.3 Quy trình làm thí nghiệm Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lí mạch điều chế biên độ dùng transistor Hình 2.8 Sơ đồ thực nghiệm mạch điều chế biên độ dùng transistor 23 Hình 2.9 Bố trí thí nghiệm khảo sát trình điều chế biên độ Sơ đồ thí nghiệm minh họa hình 2.8: - Dùng dây cáp đồng trục cắm lối OUTPUT máy phát dao động nối với lối vào 1a – 1b - Kênh X máy dao động kí nối với lối vào 1a – 1b Xác định biên độ lối vào sóng điều chế, vẽ lại dạng tín hiệu điều biên vào bảng 2.2 trường hợp sau (Tần số tín hiệu cần điều chế đặt KHz, điều chỉnh biên độ tín hiệu cần điều chế ứng với trường hợp): + Khi không điều chế (chỉ có tín hiệu sóng mang đưa vào lối vào) + Khi hệ số điều chế m = 50% + Khi hệ số điều chế m = 75% + Khi hệ số điều chế m = 100% 24 - Các dạng điều chế: Hình 2.10 Dạng điều chế nơng Hình 2.11 Dạng điều chế trung bình Hình 2.12 Dạng điều chế sâu Hình 2.13 Dạng điều chế 25 Các bước tiến hành: - Lắp đặt thí nghiệm theo bước phần - Nối chốt +12V từ thiết bị cấp nguồn - Bật máy phát dao động, đặt máy phát tần số KHz, máy phát xung dạng sin - Bật máy dao động kí Điều chỉnh biên độ kênh ứng với giá trị hệ số điều chế m xác định - Ghi lại biên độ ứng với trường hợp vào bảng - Vẽ lại dạng sóng lối 2.3.1 Khảo sát phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu Các bước tiến hành: - Lắp đặt thí nghiệm theo bước phần - Nối chốt +12V từ thiết bị cấp nguồn - Bật máy phát dao động, đặt máy phát tần số KHz, máy phát xung dạng sin - Bật máy dao động kí Điều chỉnh biên độ tín hiệu mức 0.5V 2V - Thay đổi tần số tín hiệu Xác định hệ số điều chế ứng với trường hợp - Ghi lại kết vào bảng 2.3 2.3.2 Khảo sát phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu Các bước tiến hành: - Lắp đặt thí nghiệm theo bước phần - Nối chốt +12V từ thiết bị cấp nguồn - Bật máy phát dao động, đặt máy phát tần số KHz, máy phát xung dạng sin - Bật máy dao động kí Điều chỉnh biên độ tín hiệu - Thay đổi biên độ tín hiệu Xác định hệ số điều chế ứng với trường hợp - Ghi lại kết vào bảng 2.4 26 2.3.3 Các bảng cần đo Bảng 2.2 Biên độ tín hiệu dạng sóng điều chế tín hiệu Mạch Lối vào sóng điều chế Lối U (V) Dạng sóng lối Khơng điều chế Điều chế 50% Điều chế 75% Điều chế 100% Bảng 2.3 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu Lối Biên độ: (V) Tần số: (Hz) vào 500 Hz 0.5 V V tín hiệu KHz 0.5 V V 1.5 KHz 0.5 V V KHz 0.5 V V KHz 0.5 V V 10 KHz 0.5 V V Hệ số điều chế (%) Bảng 2.4 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu U âm tần 0.5 V 1.0 V 1.5 V 2.0 V ∆U m 27 2.5 V 3.0 V 3.5 V 2.4 Báo cáo thí nghiệm Qua thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu, học sinh cần trình bày nội dung sau: a Mục đích thí nghiệm b Cơ sở lí thuyết c Tiến trình thí nghiệm d Kết thí nghiệm: đưa hình ảnh điều chế tín hiệu e Nhận xét kết thí nghiệm 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết thí nghiệm 3.1.1 Biên độ tín hiệu dạng sóng điều chế tín hiệu Bảng 3.1 Biên độ tín hiệu dạng sóng điều chế tín hiệu Mạch Lối vào sóng điều chế Lối U (V) Không điều chế 2.1 V Điều chế 50% 1.5 V Điều chế 75% 1.5 V Điều chế 100% 1.5 V Dạng sóng lối Hình 3.1 Dạng sóng lối khơng điều chế 29 Hình 3.2 Dạng sóng lối điều chế 50% Hình 3.3 Dạng sóng lối điều chế 75% 30 Hình 3.4 Dạng sóng lối điều chế 100% 3.1.2 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu Bảng 3.2 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào tần số tín hiệu Lối Biên độ: (V) Tần số: (Hz) vào 500 Hz KHz 1.5 KHz tín 0.5 0.5 0.5 hiệu V V V V V V KHz 0.5 V V KHz 10 KHz 0.5 V V 0.5 V V 67 76 70 80.2 Hệ số điều 30 50 40 60 45 65.5 49.5 70.1 chế (%) Từ bảng sổ liệu ta thấy, hệ số điều chế tỉ lệ thuận với tần số tín hiệu 31 3.1.3 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu Bảng 3.3 Sự phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu Lối Tần số: (Hz) vào 500 Hz KHz 1.5 KHz tín 0.5 0.5 0.5 hiệu V V V V V V Biên độ: (V) KHz 0.5 V V KHz 10 KHz 0.5 V V 0.5 V V 67 76 70 80.2 Hệ số điều 30 50 40 60 45 65.5 49.5 70.1 chế (%) Hình 3.5 Đồ thị phụ thuộc hệ số điều chế vào biên độ tín hiệu Từ đồ thị ta thấy, hệ số điều chế m tỉ lệ thuận với biên độ tín hiệu Biên độ tín hiệu có giá trị lớn hệ số điều chế tín hiệu lớn ngược lại 32 3.2 Nhận xét kết thí nghiệm Các kết khảo sát cho thấy q trình điều biên q trình cài sóng âm tần lượng thấp vào sóng cao tần có lượng cao để truyền xa - Tín hiệu điều chế điều chỉnh hệ số điều chế hay biên độ tín hiệu âm tần - Các hình ảnh cho thấy mức độ điều chế biên độ tín hiệu 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khóa luận “Xây dựng thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu giảng dạy cho học sinh bậc trung học phổ thơng” hồn thành số nội dung sau: - Tổng quan sở lý luận giảng dạy thí nghiệm Vật lí - Tổng quan sở lý thuyết điều chế biên độ cao tần theo tín hiệu âm tần để truyền xa - Xây dựng quy trình thực thực tập: giới thiệu thiết bị phục vụ cho q trình tiến hành thí nghiệm điều chế biên độ cho học sinh tự lắp đặt mạch điện tiến hành đo đạc - Khảo sát kiểm chứng yêu cầu đặt thực tập, làm sở đối chứng cho học sinh trình thực thí nghiệm xử lý số liệu đo đạc Do thời gian thực không nhiều, thực tập số vấn đề cần kiến nghị cải tiến có điều kiện: - Có thể xây dựng thêm thí nghiệm điều chế biên độ theo sơ đồ nêu phần lý thuyết để có sở đánh giá hiệu trình điều biên theo cách cho hiệu tốt - Có thể đóng hộp sản phẩm thực tập tạo thành thí nghiệm đẹp đại, nhiên khóa luận mong muốn học sinh tự làm mạch sau đo đạc để tăng tính hấp dẫn tìm hiểu sâu cho học sinh - Có thể xây dựng thêm giải điều chế tín hiệu điều biên để tạo hoàn chỉnh cho thiết bị đầu cuối tăng thêm tư logic giúp học sinh hiểu thấu đáo cho vấn đề truyền dẫn tín hiệu 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình, Dư Trí Cơng, Nguyễn Hữu Hồ Vật lý đại cương tập II Nhà xuất Giáo dục, 2001 Phạm Kim Chung, Lê Thái Hưng, Lê Thị Thu Hiền Giáo trình phương pháp dạy học vật lí trường trung học phổ thông Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2017 Vũ Anh Phi, Vật lý dao động Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội, 1995 35 ... Các hình ảnh cho thấy mức độ điều chế biên độ tín hiệu 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khóa luận ? ?Xây dựng thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu giảng dạy cho học sinh bậc trung học phổ thơng”... pháp dạy học giải vấn đề để xây dựng tiến trình dạy học kiến thức điều chế tín hiệu, chúng tơi xác định đề tài nghiên cứu là: ? ?Xây dựng thí nghiệm khảo sát điều chế biên độ tín hiệu giảng dạy cho. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU TRONG GIẢNG DẠY CHO HỌC SINH BẬC TRUNG HỌC PHỔ THƠNG KHĨA LUẬN TỐT