Tài liệu thực hành môn vật lý 2

ThS BÙI THỊ TOÀN THƯ Bài Giảng TÀI LIỆU THỰC HÀNH MÔN VẬT LÝ TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý khoa học thực nghiệm, thí nghiệm vật lý đóng vai trị quan trọng việc học tập môn vật lý Trong học phần Vật lý 1, sinh viên làm quen hầu hết với thí nghiệm phần Cơ-NhiệtĐiện tích lũy số kỹ thực hành vật lý Để tiếp tục nâng cao lực thực hành sinh viên, đặc biệt đáp ứng tài liệu cho việc giảng dạy học tập học phần Vật lý 2, năm qua, Bộ môn Vật lý liên tục đổi phương pháp giảng dạy lý thuyết, đồng thời Phịng thí nghiệm Vật lý thường xuyên đầu tư, nâng cấp trang thiết bị thí nghiệm Vì vậy, vấn đề đặt cần có hệ thống tài liệu giảng hướng dẫn thực hành môn học cho đồng Được phân công môn cho phép Nhà trường, tiến hành biên soạn giảng “Thực hành Vật lý 2” nhằm đáp ứng nhu cầu tài liệu giảng dạy học tập học phần Vật lý Tuy lần xuất đầu tiên, song với kinh nghiệm giảng dạy thực hành nhiều năm động viên góp ý chun mơn đồng nghiệp, tài liệu tiến hành cập nhật vấn đề có liên quan đến thí nghiệm Vật lý như: Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm vật lý theo quan điểm xác suất thống kê (Chương 1); Giới thiệu phép đo điện số dụng cụ đo điện (Chương 2); Các thí nghiệm nằm chương trình mơn học từ vấn đề Điện từ - Quang sóng - Quang lượng tử đến ghép nối máy tính đại (Chương 3); Giới thiệu nguồn sáng Laser linh kiện điện tử (diode transistor) Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn đồng nghiệp Trường Đại học Lâm nghiệp em sinh viên đóng góp quý báu, động viên khuyến khích q trình biên soạn giảng Đặc biệt cố vấn mặt chuyên môn PGS.TS Dương Văn Tài, ThS Lưu Bích Linh, ThS Dương Xuân Núi, ThS Nguyễn Vũ Cẩm Bình, ThS Nguyễn Thị Quỳnh Chi, ThS Nguyễn Kiến Thạch, CN Nguyễn Thị Huyền, CN Nguyễn Thị Thúy Hiền Mặc dù cố gắng trình biên soạn, chỉnh sửa song chắn giảng tránh thiếu sót Chúng tơi mong nhận góp ý bạn đồng nghiệp sinh viên, để hoàn thiện lần tái sau Các ý kiến đóng góp xin gửi về: Bộ mơn Vật lý, Khoa Cơ điện Cơng trình, Trường Đại học Lâm nghiệp Tác giả Chương PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VẬT LÝ Khi xử lý số liệu thực nghiệm vật lý, ta thường phải làm việc với đại lượng ngẫu nhiên, tức đại lượng mà trước quy luật biến đổi chúng theo thời gian Vì vậy, để đánh giá độ tin cậy phép đo xác định tham số quan trọng tượng vật lý, cách hiệu người ta vận dụng lý thuyết xác suất thống kê phương pháp hồi quy tuyến tính, làm trơn đường cong thực nghiệm phương pháp bình phương cực tiểu 1.1 Đại lượng ngẫu nhiên phân phối chúng 1.1.1 Khái niệm đại lượng ngẫu nhiên a) Đại lượng ngẫu nhiên Đại lượng ngẫu nhiên đại lượng mà giá trị ngẫu nhiên Đại lượng ngẫu nhiên thường kí hiệu chữ in hoa X , Y , Z … dùng chữ in thường x1 , x2 , x3 … để giá trị cụ thể Đại lượng ngẫu nhiên chia làm hai loại: đại lượng ngẫu nhiên rời rạc đại lượng ngẫu nhiên liên tục Đại lượng ngẫu nhiên rời rạc đại lượng nhận hữu hạn vô hạn giá trị đếm Chẳng hạn: Gieo n hạt keo, gọi X số hạt nảy mầm Khi X đại lượng rời rạc X nhận giá trị sau X  {0, 1, 2, 3, , n} Đại lượng ngẫu nhiên liên tục đại lượng mà giá trị lấp kín đoạn, khoảng hay toàn trục số Chẳng hạn: bắn viên đạn vào bia, gọi X khoảng cách từ điểm chạm viên đạn đến hồng tâm bia, X đại lượng ngẫu nhiên liên tục b) Xác suất đại lượng ngẫu nhiên Đối với đại lượng ngẫu nhiên, có đặc trưng quan trọng ln liền với nó, xác suất biến cố (hay kiện) Xét biến cố X , tần suất xuất f biến cố A tỉ số số nx phép thử có X xuất tổng số n phép thử thực f  nx n (1.1) Tần suất xuất biến cố X n phép thử ln dao động xung quanh số khơng đổi kí hiệu PX  n   tần suất xuất biến cố A gần đến số khơng đổi PX  Khi PX  gọi xác suất biến cố A theo quan điểm thống kê nx n n P X   lim f  lim n  (1.2) Từ định nghĩa xác suất theo quan điểm thống kê, ta suy tính chất chung xác suất: i) Đối với biến cố chắn U tần suất xuất biến cố f  n  xác suất PU   lim f  n n ii) Đối với biến cố khơng thể có V tần suất xuất biến cố f   xác xuất PV   lim f  n  n iii) Đối với đại lượng ngẫu nhiên X  x  n nên tần suất xuất f 1 biến cố X  f  xác suất  PX   nlim  Chú ý: Trong thực tế, ứng dụng định nghĩa xác suất theo quan điểm thống kê, ta thực số phép thử lớn vô hạn khơng thể tính xác suất theo công thức (1.2) mà thường lấy giá trị tần suất xuất biến cố X loạt lớn phép thử làm giá trị gần PX  Phương pháp tính xác suất theo quan điểm thống kê áp dụng có hiệu việc tìm quy luật diễn biến phức tạp thời tiết, tỉ lệ phế phẩm, truyền tin qua tầng điện ly, nghiên cứu công hiệu thuốc men, nhân chủng học, xã hội học, … 1.1.2 Bảng hàm phân phối xác suất đại lượng ngẫu nhiên Về nguyên tắc, đại lượng ngẫu nhiên X hồn tồn xác định ta có tất giá trị xác suất tương ứng a) Bảng phân phối xác suất đại lượng ngẫu nhiên rời rạc Cho đại lượng ngẫu nhiên rời rạc X có giá trị tương ứng x1 , x2 , …, xn với xác suất tương ứng PX  x1   p1 , PX  x2   p2 , …, P X  xn   pn Khi đó, luật phân phối xác suất X gọi bảng phân phối xác suất cho sau: X x1 x2 … xn p p1 p2 … pn Chẳng hạn: Gọi X biến cố số chấm thu gieo hạt xúc xắc bảng phân phối xác suất có dạng sau: X p 6 6 6 b) Hàm phân phối xác suất đại lượng ngẫu nhiên liên tục Khi đại lượng ngẫu nhiên liên tục, ta lập bảng phân phối xác suất Trong trường hợp ta định nghĩa đại lượng ngẫu nhiên sở khái niệm hàm phân phối xác suất Hàm phân phối xác suất đại lượng ngẫu nhiên X , kí hiệu F x  hàm số thực xác định sau F x   PX  x , x  R Hàm phân phối xác suất có số tính chất sau: i)  F x   , x  R ; ii) F x  không giảm, nghĩa x1  x2 F x1   F x2  ; iii) F     xlim F  x   0; F     lim F  x   ;   x   iv) Pa  x  b  F b   F a  Nếu hàm phân phối xác suất đại lượng ngẫu nhiên X có đạo hàm bậc đạo hàm bậc gọi hàm mật độ xác suất X , kí hiệu f x  f x   dF  x  dx (1.3) Hàm mật độ xác suất có vài tính chất sau: i) f x   , x  R ;  ii)  f x dx  ;  b iii) Pa  x  b   f x dx a 1.1.3 Các đặc trưng đại lượng ngẫu nhiên a) Kỳ vọng Kỳ vọng toán đại lượng ngẫu nhiên X , kí hiệu E  X  tính sau: i) Nếu X đại lượng ngẫu nhiên rời rạc có bảng phân phối xác suất: X x1 x2 … xn P p1 p2 … pn kỳ vọng toán cho bởi: n E  X   x1 p1  x2 p2   xn pn   xi pi ( n vô hạn) (1.4) i 1 ii) Nếu X đại lượng ngẫu nhiên liên tục có hàm mật độ xác suất f  x  kỳ vọng tốn cho bởi:  EX    xf x dx (1.5)  Nếu lấy trung bình k giá trị quan sát độc lập X thì: X  X  n1 x1  n2 x2   nk xk , với n k n i  n tổng số lần quan sát; i 1 n1 n n n x1  x2   k xk  f1 x1  f x2  f k xk ; f i  i n n n n Khi n đủ lớn thì: X  x1 p1  x2 p2   xk pk  E  X  (1.6) Như kỳ vọng toán đại lượng ngẫu nhiên X giá trị trung bình Kỳ vọng có tính chất sau: i) E C   C ( C số); ii) E CX   CE  X  ( C số); iii) E  X  Y   E  X   E Y  ; iv) Nếu X Y hai đại lượng ngẫu nhiên độc lập (hai biến cố { X  x }, { Y  y } độc lập x , y ) E  XY   E  X E Y   với X rời rạc    xi  pi  i v) Nếu Y    X  E Y        x  f  x dx với X liên tục    Chẳng hạn: Cho bảng phân phối xác suất X là: X p 0,56 0,38 0,06 Tính E  X  E Y  với Y  500 X Ta có E  X   0.0,56  1.0,38  2.0,06  0,88 E Y   500 E  X   500.0,88  440 b) Phương sai độ lệch chuẩn Phương sai đại lượng ngẫu nhiên X , kí hiệu D X  xác định sau:  D X   E  X  E  X      xi    pi  i      x   2 f  x dx    với X rời rạc (1.7) với X liên tục Trong   E  X  Trong thực tế, người ta hay dùng công thức sau để tính phương sai đại lượng ngẫu nhiên X    E  X  , với E X  D X   E X 2   xi pi  i     x f x dx    với X rời rạc (1.8) với X liên tục Ta nhận thấy X  E  X  sai số X so với trung bình nó, E  X  E  X 2  trung bình bình phương sai số gọi tắt phương sai Nó đo mức độ phân tán đại lượng ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình Phương sai nhỏ, độ phân tán nhỏ độ tập trung lớn ngược lại Trong kỹ thuật đo lường phương sai đặc trưng cho độ sai số thiết bị đo, kinh doanh đặc trưng cho độ rủi ro định, nơng nghiệp biểu thị cho mức độ ổn định suất Phương sai có tính chất sau: i) DC   ( C số); ii) DCX   C D X  ( C số); iii) Nếu X Y độc lập D X  Y   D X   DY  Do D X  C   D X  Để đánh giá độ phân tán đại lượng ngẫu nhiên kỳ vọng tốn nó, đơi người ta sử dụng tham số đặc trưng khác đại lượng ngẫu nhiên gọi độ lệch chuẩn (hay độ lệch quân phương) Độ lệch chuẩn đại lượng ngẫu nhiên X , kí hiệu   X  xác định bậc hai phương sai đại lượng   X   D X  (1.9) Theo định nghĩa này, độ lệch chuẩn có tính chất sau: i)  C   ( C số); ii)  CX   C   X  ( C số); iii)   X  Y     X    Y  c) Mốt trung vị Ngồi kỳ vọng tốn đại lượng đặc trưng quan trọng vị trí đại lượng ngẫu nhiên, thực tế người ta dùng đặc trưng khác vị trí mốt trung vị Mốt đại lượng ngẫu nhiên X trị số đại lượng ngẫu nhiên có xác suất cực đại (đối với đại lượng rời rạc) hay có mật độ phân phối xác suất cực đại (đối với đại lượng liên tục) Kí hiệu Mod  X  Chẳng hạn, cho đại lượng ngẫu nhiên X có bảng phân phối xác suất sau: X p 0,35 0,15 0,2 0,14 0,16 Mod  X   Cịn ví dụ sau: Giả sử X đại lượng ngẫu nhiên liên tục có hàm mật độ xác suất f x  có đồ thị hình 1.1 lúc Mod  X   a Nếu đường cong mật độ xác Hình 1.1 Mốt đại lượng ngẫu nhiên liên tục suất có nhiều điểm cực đại đại lượng ngẫu nhiên gọi có phân phối “nhiều mốt” Nếu đường cong mật độ xác suất khơng có cực đại bên khoảng giá trị đại lượng ngẫu nhiên ta có phân phối “không mốt” Trung vị đại lượng ngẫu nhiên X trị số m đại lượng cho: P X  m   P X  m  (1.10) Về mặt hình học, trung vị hồnh độ điểm mà diện tích giới hạn đường cong mật độ xác suất chia làm hai phần Nếu phân phối đối xứng có mốt ba số trung vị, mốt kỳ vọng toán trùng 10 18 Manheton Bohr B 9,27.10-24 J/T 9,2740154 0,34 19 Manheton hạt nhân N 5,50.10-27 J/T 5,0507865 0,34 9,6485309 0,30 20 Hằng số Faraday F 9,65.104 C/mol 21 Hằng số Planck H 6,63.10-34 Js 6,6260754 0,60 22 Bước sóng Compton electron c 2,43.10-12m 2,42531058 0,089 23 Khối lượng proton mp 1,67.10-27 kg 1,676230 0,59 24 Tỷ số khối lượng proton khối lượng electron mp/ me 1840 1836,152701 0.020 25 Khối lượng n¬tron mn 1,68.10-27 kg 1,6749286 0,59 26 Khối lượng protonc) mp 1,0073 u 1,007266470 0,012 27 Khối lượng n¬tonc) mn 1,0087 u 1,008664704 0,14 28 Khối lượng nguyên M1H tử hydroc) 1,0078 u 1,007825036 0,011 29 Khối lượng nguyên tử đơtơri c) 2,0141 u 2,0141019 0,053 30 Khối lượng nguyên tử heli c) 4,0026 u 4,0026032 0,067 M2H M4H e Chú thích: a) Các giá trị ghi cột phải đơn vị có bậc lũy thừa 10 giá trị làm trịn b) Tính phần triệu c) Khối lượng ghi theo đơn vị khối lượng nguyên tử (u) 1u = 1,6605402.10-27 kg 130 Phụ lục CÁCH SỬ DỤNG CÂN KỸ THUẬT VÀ DỤNG CỤ ĐO ĐỘ DÀI CƠ BẢN A DỤNG CỤ ĐO ĐỘ DÀI CƠ BẢN Trong mục giới thiệu cách sử dụng dụng cụ đo độ dài thường dùng thí nghiệm vật lý thước kẹp panme Chúng dùng để đo kích thước vật rắn với độ xác cao I THƯỚC KẸP Mô tả: Thước kẹp (hình 1) có cấu tạo gồm: - Thước T có vạch chia đến mm; - Thước phụ T’ (gọi du xích) trượt dọc theo thân thước T Hai hàm 1’ gắn cố định với thân thước T, hai hàm 2’ di động theo du xích T’ Khi trùng khít điểm “0” du xích trùng với điểm “0” thước Hình Thước kẹp Khi khoảng cách hai hàm (1’) (2’) D khoảng cách điểm “0” du xích điểm “0” thước D Muốn đo chiều dài vật, ta kẹp vật hai hàm 2, vặn chốt đọc kết Nếu muốn đo đường kính vật, ta dùng hai hàm 1’ 2’ vặn chốt đọc kết Nguyên tắc hoạt động du xích cách đọc kết Những thước thường sử dụng chia đến 10-3 m hay 10-4 m nên ta đo kích thước xác tới 5.10-4 m Nhờ du xích ta xác định kích thước xác tới 1.10-5 m Du xích T’ phận quan trọng thước kẹp Số vạch chia du xích cho phép ta xác định cấp xác thước Thơng thường người ta tạo du xích khoảng 20 – 50 vạch chia, cấp xác thước xác định giá trị vạch chia thước T tổng số vạch du xích T’ Ví dụ: Đối với loại du xích có 20 vạch chia người ta lấy 19 131 khoảng thước T (tức 19 mm) đem chia thành 20 phần Vậy phần chia du xích có độ dài 19/20 mm so với thước T khoảng chia du xích bé đoạn: - 19/20 = 1/20 mm = 5.10-5 m Vậy thước có cấp xác ∆ = 1/20 mm = 5.10-5 m Tương tự du xích có 50 vạch chia thước có cấp xác ∆ = 1/50 mm = 2.10-5 m 13mm 8mm 9mm Thước T Cách đọc thước kẹp: Với cấu tạo vậy, kích thước vật cần đo có phần giá trị nguyên (milimét) đọc thước T phần giá trị xác (phần thập phân) đọc du xích T’ M N 20 Du xích T’ P Hình Đọc kết thước kẹp Để đo kích thước vật thước kẹp có độ xác Δ=5.10-5 m Giả sử hàm kẹp vật, thấy điểm “0” du xích khoảng vạch thước (hình 2) Độ dài vật D với mm < D < mm Khi phần nguyên D 8mm = 8.10-3 m Muốn đọc phần thập phân phải dùng du xích T’, tìm xem vạch du xích T’ trùng với vạch thước T Chẳng hạn hình 2, thấy vạch số du xích T’ trùng với vạch 13 thước T phần lẻ D là: MN =  5.10-5 = 25.10-5 m (MN = MP – PN = mm –  19/20 mm =  1/20 mm =  5.10-5 m) Vậy độ dài vật là: D = 8.10-3 +25.10-5 = 825.10-5m = 8,25 mm Tổng quát, ta có cơng thức xác định kích thước vật cần đo sau: D = n.a + m.∆ (1) với a = mm giá trị vạch chia thước T, n số vạch thước T hai vạch thước vạch du xích T’ cho giá trị ngun kích thước (khơng tính vạch thước T), ∆ cấp xác thước kẹp, m số vạch du xích T’ nằm vạch du xích 132 vạch thứ m có trùng khít với vạch thước T (hình 3) Chú ý: Trước tiến hành đo thước kẹp phải xác định vị trí du xích T’ Đúng vị trí (1’) (2’) trùng khít nhau, vị trí du xích T’ trùng với vị trí thước T thước dùng lâu ngày nên trùng khít khơng cịn Do ta phải xác định vị trí nó, tức tìm xem vạch du xích dịch khoảng so với thước phải coi độ thước chính, tuỳ Hình Vạch thứ m, có trùng khít theo dịch chuyển trái hay phải mà hiệu chỉnh kết đo II PANME Mô tả Panme dụng cụ đo có độ xác cao, dùng để đo kích thước vật nhỏ kích thước sợi dây, độ dầy kính Panme bao gồm thân thước Hình Panme hình trụ rỗng R gắn với phần cố định A, D (hình 4) Bên thước R lõi B gắn chặt với du xích Z Nếu dùng chốt vặn V làm quay du xích vịng, đầu B dịch chuyển khoảng 0,5 mm Du xích Z chia thành 50 khoảng đánh số từ đến 49 Như vậy, vặn V cho vạch du xích qua gốc, B dịch chuyển khoảng: d = 0,5 = 0,01 mm = 10-5 m 50 Trên thước R thân panme, người ta chia độ xác đến 0,5 mm Do phần nguyên đọc vạch khắc thước R thân panme, phần lẻ (phần thập phân) đọc du xích Z panme Chú ý: Khi A, B sát vật, phải vặn núm C để tránh làm biến dạng vật làm hỏng panme kẹp chặt 133 Cách đo đọc kết a) Hiệu chỉnh số Thông thường hai mép A B khít vạch du xích phải trùng với vạch gốc thước R thân panme Nhưng dụng cụ cũ nên lúc Hình Đọc kết Panme mép A trùng với mép B vạch gốc du xích lại khơng trùng với vạch gốc thước R thân panme Khi phải ý xem vạch gốc thước trùng với vạch du xích xem vạch hiệu chỉnh kết cách cộng trừ số vạch lệch ứng với lần đọc kết đo b Cách đo đọc kết Giả sử mép A mép B kẹp vào vật cần đo, vị trí thước du xích nằm vị trí hình Qua hình vẽ ta thấy chiều dài vật là: d = ab + bc (2) Trong đó: + ab đọc thước 2,5 mm + bc xác định thơng qua du xích hình 5b Ta thấy vạch gốc trùng với vạch 44 du xích Tuy nhiên, giả thiết lúc hiệu chỉnh số 0, vạch gốc lệch hai vạch hình 5a Do vậy: bc = (44 + 2).10-5 m = 0,46 mm Do độ dài vật trường hợp d = 2,5.10-3 + 46.10-5 = 296.10-5 m = 2,96 mm B CÂN KỸ THUẬT Cấu tạo cân kỹ thuật Là dụng cụ dùng đo khối lượng vật giới hạn đến 200g, xác tới 0,02 g Cấu tạo gồm phần V1 V2 đòn cân làm hợp kim nhẹ, O1 O2 địn cân có độ chia từ đến 50, K thân địn cân có gắn dao O hình lăng T trụ tam giác thép cứng, cạnh dao O quay xuống phía tựa gối đỡ phẳng N V ngang (bằng đá mã não) đặt đỉnh trụ cân Ở hai đầu địn cân có hai dao O1 O2 giống H×nh Cân kỹ thuật dao O, cạnh hai dao quay lên phía trên, đặt song song cách cạnh dao O, nên cánh tay 134 đòn cân OO1 = L1 OO2 = L2 có độ dài Hai móc mang hai đĩa cân giống đặt tựa cạnh hai dao O1 O2 Mặt đế cân có hai vít xoay V dùng điều chỉnh cho trụ cân thẳng đứng Đòn cân nâng lên hạ xuống nhờ núm xoay N phía chân trụ cân Khi hạ đòn cân xuống, cạnh dao O không tựa vào mặt gối đỡ trụ cân: cân trạng thái “nghỉ” Khi nâng đòn cân lên, cạnh dao O tựa mặt gối đỡ, địn cân dao động nhẹ quanh cạnh dao O: cân trạng thái “hoạt động” Nhờ kim thị K gắn thẳng đứng địn cân (phía dao O) thước nhỏ T gắn chân trụ cân, ta xác định vị trí cân địn cân trạng thái “hoạt động” Trong trường hợp này, đầu kim K đứng yên dao động hai phía số thước T Có thể điều chỉnh vị trí cân địn cân nhờ hai vít nhỏ V1 V2 hai đầu địn cân Tồn cân đặt tủ kính bảo vệ tránh ảnh hưởng gió cân “hoạt động” Các cân từ 10 mg đến 100 g kẹp dùng để lấy cân đựng hộp gỗ nhỏ Ngồi ra, cịn có cân nhỏ C - gọi mã, dịch chuyển đòn cân dùng để thêm (hoặc bớt) khối lượng nhỏ từ 20 mg đến 1000 mg đĩa cân bên phải Muốn cân vật có khối lượng m ứng với trọng lượng P = mg, ta đặt vật lên đĩa cân bên trái Sau đó, chọn cân theo thứ tự từ lớn đến nhỏ đặt chúng lên đĩa cân bên phải (kể mã) vặn nhẹ núm xoay N để cân trạng thái “hoạt động” có tải địn cân vị trí cân Khi tổng khối lượng m0 cân đặt đĩa cân bên phải (kể mã) ứng với trọng lượng P0 = m0g Áp dụng quy tắc mômen lực cạnh dao O cân “hoạt động” có tải trọng địn cân vị trí cân bằng, ta có: PL1 = P0L2 (6) L1 = L2, nên P = P0 suy ra: m = m0 (7) Như vậy, cân “hoạt động” có tải địn cân vị trí cân khối lượng vật đặt đĩa cân bên trái tổng khối lượng cân đặt đĩa cân bên phải (gồm mã đòn cân) Trong trường hợp cân có khơng đáp ứng điều kiện cân cân, ta sử dụng phép dịch chuyển “con mã” Giả sử phép cân, đĩa cân bên trái chứa khối lượng cần đo trạng thái “nặng hơn” Ta tiến hành dịch mã sang bên phải đòn cân, vạch dịch chuyển khối lượng cộng thêm 0,02 g thỏa mãn tương đối điều kiện cân 135 Phụ lục GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN SÁNG LASER Tia lade xạ điện từ có độ đơn sắc cao, có cường độ lớn, có tính kết hợp định hướng cao Dụng cụ phát tia lade gọi nguồn sáng lade, hay đơn giản laser Laser viết tắt cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by Stimulaled Emisson of Radiation” có nghĩa “Khuếch đại ánh sáng phát xạ cảm ứng” Ta tìm hiểu ngun lí hoạt động laser: E2 hấp thụ phát xạ E1 Hỡnh C ch phát xạ điện từ Khi chiếu xạ điện từ đơn sắc có tần số f vào chất, electron hoá trị nguyên tử mức lượng E1 hấp thụ xạ chuyển lên mức lượng kích thích E2 cao (E2 > E1) Nhưng electron tồn mức lượng kích thích E2 khoảng thời gian ngắn (cỡ 10-3-10-8s) - gọi thời gian sống  , sau chúng lại chuyển mức lượng E1và phát xạ (hình 1) Quá trình chuyển mức lượng hấp thụ phát xạ tuân theo hệ thức Einstein:   hf  E  E1 với h = 6,625.10-34J.s số Planck,   hf lượng photon xạ điện từ Như vậy, số electron mức lượng E1 nhiều khả để nguyên tử hấp thụ xạ lớn; số electron mức lượng kích thích E2 nhiều khả nguyên tử phát xạ lớn Nói cách khác là: xác suất xảy hấp thụ tỷ lệ với mật độ N1 electron mức lượng E1 xác suất xảy phát xạ tỷ lệ với mật độ N2 electron mức lượng kích thích E2 Thơng thường N2 < N1, nên xác suất xảy phát xạ nhỏ xác suất xảy hấp thụ Trong điều kiện này, q trình phát xạ khơng có tính kết hợp gọi phát xạ tự phát, xạ tự phát hoàn toàn độc lập với 136 nhau, khơng có liên hệ pha hướng Nhưng, cách tạo N2 > N1 xác suất xảy phát xạ lớn xác suất xảy hấp thụ Khi trình phát xạ có tính kết hợp gọi phát xạ cảm ứng, xạ cảm ứng có tần số, pha, hướng độ phân cực với xạ kích thích Như vậy, điều kiện cần để xảy phát xạ cảm ứng có đảo mật độ hạt, nghĩa mật độ nguyên tử trạng thái lượng kích thích phải lớn mật độ nguyên tử trạng thái lượng Môi trường chất trạng thái có đảo mật độ hạt gọi mơi trường kích hoạt Có thể tạo đảo mật độ hạt mơi trường kích hoạt nhờ phương pháp kích thích kiểu “bơm điện” (phóng điện qua mơi trường kích hoạt), “bơm quang” (dùng nguồn sáng thích hợp có cường độ mạnh chiếu vào mơi trường kích hoạt) theo ngun tắc sau (hình 2): Giả sử chất có hai mức lượng E1, E2 (với E2 > E1) có mật độ nguyên tử tương ứng N1, N2 lúc đầu N1 > N2 Chiếu vào mơi trường chất xạ kích thích có tần số f thoả mãn hệ thức (1), số nguyên tử “bơm” từ mức E1 lên mức E2, nên N1 giảm N2 tăng Nhưng N2 tăng, xác suất xảy E3 E2 E1 Hình Nguyên lý đảo mật độ hạt phát xạ (nghĩa trình nguyên tử chuyển từ mức E2 mức E1) tăng lên Do đó, N2 lại giảm N1 lại tăng Kết đạt tới trạng thái đảo mật độ hạt môi trường kích hoạt Để tạo trạng thái đảo mật độ hạt, người ta sử dụng mơi trường kích hoạt nguyên tử có ba (hoặc bốn) mức lượng E1, E2, E3 cho thời gian sống  nguyên tử mức E3 nhỏ so với thời gian sống  mức E2 Bằng phương pháp “bơm” cho nguyên tử bị kích thích chuyển từ mức E1 lên mức E3 Nhưng    , nên nguyên tử mức E3 nhanh chóng chuyển mức E2 để tạo thành trạng thái đảo mật độ hạt N2 > N1 dẫn tới tượng phát xạ cảm ứng 137 Hiện có nhiều loại nguồn laser, mơi trường kích hoạt chất khí, lỏng, rắn Laser khí He-Ne sử dụng chất kích hoạt hỗn hợp khí Heli (90%) khí Neon (10%) áp suất thấp Laser hồng ngọc sử dụng chất kích hoạt hồng ngọc Rubi (tinh thể Al203) có pha ion Cr +3 với tỷ lệ 0,05% Trong thí nghiệm này, ta dùng diode laser (laser bán dẫn) Cho dịng điện chiều có cường độ thích hợp chạy qua lớp tiếp xúc p-n tạo từ chất bán dẫn GaAs, Ga(AsP), (GaAl)As, tia laser phát trình tái hợp Đây trình biến đổi trực tiếp hiệu từ điện thành quang laser, hiệu suất diode laser bán dẫn n  p phat IV  % , diode phát quang (LED) xấp xỉ 0,1 đến 1% Nguyên tắc tạo trạng thái đảo mật độ hạt diode laser sau: Hai phía chuyển tiếp p-n diode laser bán dẫn pha tạp mạnh (suy biến), chuyển tiếp p-n phân cực thuận điện tử phun vào vùng p lỗ trống phun vào vùng n Như vậy, vùng gần chuyển tiếp, mức lượng thấp vùng dẫn mức lượng cao vùng hoá trị nồng độ hạt tải tạo đủ để hiệu ứng laser suất hiện, tức có tượng đảo mật độ electron 138 Phụ lục GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DIODE VÀ TRANSISTOR Giới thiệu chung diode a) Mô tả Diode bán dẫn cấu kiện gồm có lớp tiếp xúc p-n hai chân cực anôt (ký hiệu A) catôt (ký hiệu K) Anôt nối tới bán dẫn p, catôt nối với bán dẫn n bọc vỏ bảo vệ kim loại nhựa tổng hợp Hình Cấu tạo kí hiệu diode b) Nguyên lý làm việc đặc tính diode Khi đưa điện áp ngồi có cực dương vào anơt, âm vào catơt (UAK > 0) điốt dẫn điện mạch có dịng điện chạy qua lúc tiếp xúc p-n phân cực thuận Hình Sơ đồ nguyên lý diode Đặc tuyến Vôn-Ampe diode biểu thị mối quan hệ dòng điện qua điốt với điện áp đặt hai chân cực anôt catơt (UAK) Đây đặc tuyến Vơn-Ampe lớp tiếp xúc p-n Do vậy, dòng điện chạy qua diode tính theo cơng thức sau:  UVAK  I  I  e T  1     (1) 139 Hình Đặc tuyến Vơn-Ampe diode bán dẫn Phần thuận đặc tuyến (khi UAK > 0): Khi diode phân cức thuận dòng điện thuận tăng nhanh Ta phải ý đến giá trị dòng điện thuận cực đại Ithuận max, diode khơng làm việc với dịng điện cao trị số Khi UAK >0 trị số nhỏ dịng điện thuận q nhỏ nên diode chưa coi phân cực thuận Chỉ điện áp thuận UAK ≥ UD ốt tính phân cực thuận điốt dẫn điện Điện áp UD gọi điện áp thuận ngưỡng điôt Khi UAK = UD dịng điện thuận có trị số khoảng 0,1Ith.max UAK > UD dòng điện thuận tăng nhanh tăng gần tuyến tính với điện áp UD có giá trị (0,1 ÷ 0,3) V diode gecmani (0,4 ÷ 0,8) V diode silic Điện trở chiều hay cịn gọi điện trở tĩnh, kí hiệu R0, điện trở điôt làm việc chế độ nguồn chiều chế độ tĩnh: R0 = U/I (2) Điện trở chiều R0 nghịch đảo góc nghiêng đặc tuyến VơnAmpe điểm làm việc tĩnh M (góc θ1) Thơng thường, tính dẫn điện chiều điơt nên R0thuận > I0 và: Ri =d U/dI (3) Do tính dẫn điện chiều nên I >> I0 U/VT  đó: 140 R0 = VT/I Ta thấy điểm làm việc R0 > Ri (vì có góc θ2 > θ1) Ta thấy điểm làm việc R > R (vì có góc θ > θ) (4) Giới thiệu chung transistor a) Mô tả Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp p-n, ghép theo thứ tự pnp ta transistor thuận, ghép theo thứ tự npn ta transistor ngược Về phương diện cấu tạo transistor tương đương với hai diode đấu ngược chiều a) Transistor thuận b) Transistor ngược Hình Cấu tạo kí hiệu transistor Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực, lớp gọi cực gốc ký hiệu B (Base), lớp bán dẫn B mỏng có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt C, vùng bán dẫn E C có loại bán dẫn (loại n hay p) có kích thước nồng độ tạp chất khác nên khơng hốn vị cho b)Nguyên lý hoạt động Xét hoạt động transistor npn: Hình Mơ tả ngun lý hoạt động transistor npn 141 Ta cấp nguồn chiều UCE vào hai cực C E (+) nguồn vào cực C (-) nguồn vào cực E Cấp nguồn chiều UBE qua công tắc trở hạn dòng vào hai cực B E , cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E Khi công tắc mở, ta thấy rằng, hai cực C E cấp điện khơng có dịng điện chạy qua mối CE (lúc dịng IC = 0) Khi cơng tắc đóng, mối P-N phân cực thuận có dịng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua cơng tắc, qua R hạn dòng, qua mối BE cực (-) tạo thành dòng IB Ngay dòng IB xuất có dịng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, dịng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB Như rõ ràng dòng IC hồn tồn phụ thuộc vào dịng IB phụ thuộc theo cơng thức: IC = β.IB Trong IC dòng chạy qua mối CE, IB dòng chạy qua mối BE, β hệ số khuyếch đại transistor Giải thích: Khi có điện áp UCE điện tử lỗ trống vượt qua mối tiếp giáp p-n để tạo thành dòng điện, xuất dòng IBE lớp bán dẫn p cực B mỏng nồng độ pha tạp thấp Vì vậy, số điện tử tự từ lớp bán dẫn n (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớn số lượng lỗ trống nhiều, phần nhỏ số điện tử vào lỗ trống tạo thành dịng IB cịn phần lớn số điện tử bị hút phía cực C tác dụng điện áp UCE, kết tạo thành dòng ICE chạy qua transistor Xét hoạt động transistor pnp: Sự hoạt động transistor pnp hoàn tồn tương tự transistor npn cực tính nguồn điện UCE UBE ngược lại Dòng IC từ E sang C dòng IB từ E sang B 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (chủ biên) (2007) Vật lý đại cương, Nxb Giáo dục Nguyễn Thế Bình (2007) Quang học, NXB ĐHQGHN Đỗ Quốc Hùng (Chủ biên) (2006) Thực hành vật lý đại cương II, Học viện Kỹ thuật Quân Phạm Trần Hùng (2008) Điện kĩ thuật, NXB ĐHSPHN David, Haliday, Robert Resnick, Jearl Walker (1994), Fundanrental of Physics, Publishing as Wiley Hugh D Young, Roger A Freedman (2003) University physics with modern physics, Publishing as Addison Wesley Trần Minh Sơ (2008) Kĩ thuật điện 1, NXB ĐHSPHN Lương Duy Thành, Phan Văn Độ (2009) Thí nghiệm vật lý đại cương I, NXB Giao thơng vận tải 143 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Chương Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm vật lý 1.1 Đại lượng ngẫu nghiên phân phối chúng 1.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính 11 1.3 Chọn cơng thức thực nghiệm phép làm trơn 13 1.4 Xác định tham số công thức thực nghiệm phương pháp bình 17 phương cực tiểu 20 Chương Giới thiệu phép đo điện số dụng cụ đo điện 2.1 Khái niệm chung đo lường điện 20 2.2 Cách sử dụng đồng hồ 30 2.3 Cách sử dụng đồng hồ đa số 34 38 Chương Các thí nghiệm Bài Xác định hệ số căng mặt chất lỏng 38 Bài Đo suất điện động nguồn điện mạch xung đối 45 Bài Xác định điện tích riêng electron theo phương pháp Manhêtrơn 51 Bài Đo bước sóng ánh sáng phương pháp giao thoa cho hệ 59 vân tròn Newton Bài Khảo sát tượng quang điện xác định số Planck 67 Bài Khảo sát mạch cộng hưởng RLC sử dụng dao động ký điện tử 76 Bài Xác định nhiệt độ Curie sắt từ 91 Bài Khảo sát phân cực ánh sáng dung tia Laser Nghiệm lại định 98 luật Malus Bài Khảo sát tượng nhiễu xạ ánh sáng laser qua khe 105 hẹp cách tử phẳng qua ghép nối máy tính Bài 10 Khảo sát đặc tính diode transistor 117 129 Phụ lục Bảng số số vật lý 131 Phụ lục Cách sử dụng cân kỹ thuật dụng cụ đo độ dài 136 Phụ lục Giới thiệu nguồn sáng laser 139 Phụ lục 4: Giới thiệu chung diode transistor 143 Tài liệu tham khảo 144 ... sau: n μ *2 = D *2 = n  ( x  m *x ) i 1 n x = i 1 n i - (m *x )2= α *2 - m *x2 D *2 = α *2 - m *22 với s = 2, k = ta có: 16 (1 .21 ) k α *2 = s  xi pi* = 2, 126  D *2 =2, 126 – 0, 028 = 2, 098 i... Cơ-NhiệtĐiện tích lũy số kỹ thực hành vật lý Để tiếp tục nâng cao lực thực hành sinh viên, đặc biệt đáp ứng tài liệu cho việc giảng dạy học tập học phần Vật lý 2, năm qua, Bộ môn Vật lý liên tục đổi phương... DCA Cường độ dòng chiều  Điện trở Thang đo 20 0 mV 2V 20 V 20 0 V 1000 V mA 20 mA 20 0 mA 20 A 20 0  K 20 K M 20 M 20 0 M  N 0,5% 0,8% 0,8% 1 ,2% 2% 0,8% 1% 5% Chức ACV Hiệu điện xoay chiều