8. Những đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
2.4.2. Tăng độ chính xác của kết quả xác định vị trí ảnh trên màn
Trong thí nghiệm này, kết quả thu được phụ thuộc nhiều vào kĩ năng và chủ quan của người thực hiện trong việc tìm đúng vị trí của các ảnh thật. Sau nhiều lần đo, tôi thấy số liệu thu được rất ít trường hợp cho kết quả tiêu cự là -7cm theo như số liệu của nhà sản xuất cung cấp.
Theo hướng dẫn của các tài liệu, để giảm sai số mắc phải thì sau khi dịch chuyển màn và tìm được vị trí ảnh rõ nét, ta cần xê dịch màn tiến lùi quanh vị trí này nhằm tìm được vị trí mắt cảm thấy ảnh rõ nét nhất, loại bỏ những lần đo có kết quả sai lệch nhiều. Tuy nhiên, thực tế là sau nhiều lần thí nghiệm thì người làm sẽ khá mỏi mắt và không tin tưởng vào khả năng nhìn của mắt mình nữa. Vì vậy cần thiết phải có một hệ thống tương đối đơn giản bổ trợ cho việc quan sát của mắt.
→ Cải tiến về mặt thiết bị
Theo lí thuyết, khi ảnh thu được trên màn là rõ nét nhất thì năng lượng ánh sáng tập trung trên màn là lớn nhất. Trước bài thực hành này HS đã được học kiến thức về dòng điện trong chất bán dẫn và các linh kiện bán dẫn trong đó có quang điện trở. Thông tin mà các em thu được là điện trở của quang điện trở sẽ bị giảm mạnh khi được chiếu sáng và một số ứng dụng trong thực tế. Do đó, việc dùng quang điện trở kết hợp với việc quan sát bằng mắt vừa giúp phát hiện chính xác hơn vị trí ảnh rõ nét nhất vừa giúp HS thấy được trực tiếp một ứng dụng thực tế của linh kiện bán dẫn này.
Hình 2.38 - Sơ đồ tạo ảnh của vật qua thấu kính với màn gắn quang điện trở
Trong sơ đồ trên, quang điện trở LDR được gắn trên màn hứng ảnh tự chế bằng giấy bìa cứng hoặc mica và được lắp vào một mạch kín như hình 2.38. Nếu
A vật sáng TK hoặc hệ TK ảnh LDR U (3V) màn
ánh sáng chiếu vào nó càng nhiều thì điện trở của nó càng nhỏ, và khi U được giữ không đổi (nguồn một chiều này có thể lấy từ biến thế nguồn hoặc hộp pin chứa 2 pin tiểu AA) thì ampe kế sẽ chỉ giá trị lớn nhất ứng với ảnh thu được rõ nét nhất.
Hình 2.39 - Mạch điện có quang điện trở gắn trên màn hứng ảnh tự chế.
Tuy nhiên, nhìn vào sơ đồ ta sẽ thấy ngay vấn đề là quang điện trở chỉ thường lắp tại một vị trí cố định trên màn ảnh và kích thước bề mặt của nó là nhỏ (khoảng 6 mm2), trong khi kích thước ảnh lớn và chiều cao ảnh thay đổi theo vị trí. Mặc dù về lí thuyết khi ảnh rõ nét thì toàn bộ ảnh sáng đều nhau và quang điện trở có thể nằm bất kì ở vị trí nào trên ảnh, nhưng khi thực hành thì gặp khó khăn là ảnh rõ nét không lúc nào cũng nằm tại vị trí quang điện trở.
Nếu tiến hành thiết kế sao cho vị trí của quang trở có thể thay đổi thì các thao tác dịch chuyển quang trở sẽ làm cho thí nghiệm thêm phức tạp. Theo lí thuyết quang hình học, nếu như vật sáng là một điểm sáng nằm trên trục chính thì ảnh cũng là một điểm sáng nằm trên trục chính. Như vậy, nếu trong thí nghiệm ta thực hiện được với nguồn sáng điểm thì việc quan trọng còn lại chỉ là phải bố trí nguồn sáng điểm và quang điện trở nằm trên trục chính chung của hai thấu kính.
Hình 2.40 - Sơ đồ tạo ảnh của điểm sáng qua thấu kính với màn gắn quang điện trở
Để tạo ra nguồn sáng điểm tôi thực hiện hai phương án sau:
Phương án 1: Điều chỉnh đèn chiếu để tạo ra chùm sáng song song tới hệ TK. Trên mỗi đèn chiếu sáng có hai ốc vít, một giúp điều chỉnh vị trí trên trục ngang của tim đèn và một giúp điều chỉnh vị trí trên trục đứng. Nếu tim đèn nằm đúng tiêu diện vật của kính tụ sáng thì ta sẽ được chùm sáng song song.
Hình 2.41 - Mô phỏng cấu tạo của đèn chiếu sáng trong bộ thí nghiệm
Để kiểm tra chùm sáng đèn phát ra có thật sự là chùm sáng song song với trục chính chưa ta đặt đèn và màn lên giá, đặt màn ảnh hứng chùm sáng, dịch chuyển màn và đồng thời quan sát xem vị trí và kích thước của vết sáng hứng được trên màn có thay đổi không.
Trong sơ đồ tạo ảnh hình 2.42: Tim đèn S0 ở tiêu diện vật qua kính tụ sáng cho ảnh S ở vô cực, ảnh S này là vật đối với TKPK O1 và qua TK cho ảnh S’ ở tiêu diện ảnh của TKPK, ảnh S’ lại là ảnh đối với TKHT O2 và qua TK cho ảnh S”. Để có được ảnh thật S” trên màn ta chú ý là khoảng cách O1O2 phải lớn hơn tiêu cự của TKHT O2. Ảnh thu được trên màn là ảnh của tim đèn, và vì tim đèn có kích thước không
• Điểm sáng TK hoặc hệ TK • A LDR U (3V) màn ảnh điểm trục chính Ốc vít 1 cố định đế đèn vào thành hộp.
Ốc vít 2 thay đổi hướng chiếu của đèn.
Kính tụ sáng. Đèn
Đế đèn
quá bé nên ảnh chỉ được xem gần như là ảnh điểm (thực ra ta đang xét hệ quang học gồm ba TK). Như vậy, tiêu cự của TKPK cần tìm là f1 = d’1 = l – d2. Xác định d’2 và l từ các vị trí của TK và màn trên giá quang học. Đã biết f2 và có d’2 ta suy ra d2, từ đó tìm được f1.
Hình 2.42 – Sơ đồ tạo ảnh qua hệ hai TK với chùm sáng tới song song
Trong thí nghiệm, ta đo tiêu cự f2 của TKHT bằng khoảng cách giữa TKHT và màn khi không có TKPK (khoảng cách này sẽ rất gần với giá trị của nhà sản xuất đưa ra nếu chùm sáng thật song song với trục chính của TK). Khi đặt TKPK vào chắn chùm song song thì điểm sáng được dời về gần TKHT và ta phải dời màn ra xa để hứng ảnh điểm. Do vậy, để thu được số liệu trong thời gian cho phép mà không gặp lúng túng, tôi đặt hai TK sao cho S’ nằm ngoài đoạn O1O2 (chắc chắn nhất là để hai TK cách nhau một khoảng lớn hơn f2, vị trí TKHT và màn ban đầu cũng phải hợp lí sao cho còn có thể di chuyển màn về cuối giá quang học.
Cũng có thể đặt đồng loạt các TK và màn lên giá rồi điều chỉnh vị trí của các dụng cụ này sao cho thu được ảnh điểm sáng nhất trên màn. Tuy nhiên, cách làm này không mang tính sư phạm và khoa học.
S’ S ở ∞ TKPK f1 TKHT f2 Màn O1 O2 S” l d’2 |d’1| d2
Hình 2.43 - Điều chỉnh vị trí tim đèn để được chùm sáng song song
Phương án 2: Dùng đèn Led công suất cao làm nguồn sáng điểm.
Để việc sử dụng quang điện trở hiệu quả hơn, ta cần thiết phải tạo ra nguồn sáng điểm thật sự để thu được ảnh điểm có kích thước nhỏ hơn diện tích bề mặt của quang điện trở. Với yêu cầu này thì đèn Led sẽ là sự lựa chọn tốt nhất.
Trên thị trường linh kiện điện tử hiện nay có khá nhiều đèn Led công suất cao với các giá thành tương ứng khác nhau. Trong thí nghiệm này tôi dùng đèn led có công suất 3W giá 35000 đồng mua ngoài tiệm điện tử (có thể dùng led công suất 1W giá 10000 đồng), nguồn điện cấp cho đèn led không được quá 3V. Để vẫn đảm bảo sự đồng bộ của bộ thiết bị thì tôi thay số 1 chắn sáng bằng một mảnh tròn (tôi chế từ tấm thẻ sim điện thoại) có cùng đường kính và gắn đèn tại tâm của mảnh tròn này. Nhược điểm của sử dụng đèn led là do công suất lớn nên sau một thời gian ngắn đế tản nhiệt của đèn rất nóng, nếu mảnh tròn sử dụng có nhiệt độ nóng chảy thấp thì sẽ bị chảy ra, vì vậy mà khi chế tạo cần chú ý kĩ điều này.
Trong thí nghiệm ta có thể đặt TKPK gần hoặc xa vật sáng hơn so với TKHT , các thao tác tiến hành như trong SGK cơ bản và nâng cao.
Hình 2.44 – Sơ đồ tạo ảnh qua hệ TK với nguồn sáng điểm trên trục chính
Hình 2.45 - Thay số 1 chắn sáng bằng đèn Led công suất cao đặt tại tâm mảnh tròn.
S S’ TKPK f1 TKHT f2 Màn O1 O2 S” l d’2 d1 d2 d’1
Hình 2.46 - Thí nghiệm chọn vị trí ảnh để định vị trí gắn quang điện trở trên màn.