Dao động kí điện tử là một thiết bị đo lƣờng đa chức năng hiển thị kết quả đo dƣới dạng đồ thị trên màn sáng (màn hình) có thể quan sát bằng mắt đƣợc.
Hiện nay, dao động kí điện tử là một trong các thiết bị có thể hỗ trợ nhiều trong các thí nghiệm nghiên cứu về âm học, các dao động điện, dòng điện xoay chiều, dao động và sóng điện từ... ở chƣơng trình vật lí phổ thơng.
Dao động kí điện tử dùng trong trƣờng phổ thơng hiện nay có hai loại: dao động kí điện tử một chùm tia và dao động kí điện tử hai chùm tia. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hai loại dao động kí điện tử đƣợc trình bày trong phụ lục 1.
Sử dụng dao động kí điện tử trong dạy học vật lí
Hiện nay, dao động kí điện tử đƣợc sử dụng rất nhiều trong dạy học vật lí vì nó có các chức năng ƣu việt sau:
- Dùng để đo nhiều đại lƣợng vật lí khác nhau nhƣ: điện trở, điện dung, độ tự cảm, hiệu điện thế, độ lệch pha, tần số, hệ số khuếch đại của một tầng khuếch đai hoặc của máy khuếch đại...
- Là máy đo có độ chính xác rất cao (vì dao động kí điện tử có điện trở rất lớn). - Có thể đo đƣợc các đại lƣợng vật lí có độ lớn khá nhỏ (do dao động kí
điện tử có bộ khuếch đại dọc khá mạnh).
- Giúp ta quan sát đƣợc các dao động điều hoà, dao động tắt dần, đƣờng đặc trƣng von-ampe của đèn điện tử, tranzito...
- Giúp ta quan sát đƣợc các quá trình điện từ biến đổi nhanh.
- Giúp ta nghiên cứu đƣợc các q trình điện có tần số từ vài Héc đến hàng triệu Héc do bên trong máy có bộ phận phát xung răng cƣa để qt tia êlectrơn theo chiều ngang có dải tần số có thể thay đổi từ vài Hz đến vài chục kHz.
- Dao động kí điện tử hai chùm tia cho phép nghiên cứu đồng thời hai quá trình điện (ví dụ 2 điện áp...) thuận tiện cho việc so sánh, đối chiếu.
- Có thể dùng dao động kí điện tử để nghiên cứu các loại dao động khác, không phải là dao động điện (ví dụ nhƣ: dao động âm, hiện tƣợng nhiễu xạ, giao thoa...) bằng cách biến đổi chúng thành các dao động điện rồi đƣa các tín hiệu của dao động điện này vào đầu vào của dao động kí điện tử.
1.4.2. Sử dụng dao động kí điện tử trong khảo sát âm học [3,Tr.23-31].
Các hiện tƣợng về dao động và sóng, trong đó có sóng âm là một trong các hiện tƣợng khó hình dung trong q trình nghiên cứu ở chƣơng trình vật lí phổ thơng. Một trong các nguyên nhân cơ bản là do hiện tƣợng sóng âm khơng quan sát đƣợc. Hơn nữa, đến nay trong thực tế dạy học vật lí ở trƣờng phổ thông, hầu hết các đại lƣợng vật lí cơ bản đặc trƣng cho q trình sóng âm nhƣ: biên độ, tần số, bƣớc sóng, vận tốc truyền sóng... chỉ đƣợc trình bày trên phƣơng diện lí thuyết, chứ khơng đƣợc trình bày hay xác định bằng thí nghiệm.
Khó khăn cơ bản ở đây trƣớc hết là về mặt kĩ thuật trong việc chuyển các q trình cơ học khơng quan sát đƣợc sang các q trình điện học có thể quan sát đƣợc nhờ các thiết bị đo điện, ví dụ nhƣ nhờ dao động kí điện tử hay nhờ máy vi tính và các thiết bị ghép nối với nó.
Sau đây là một số phƣơng án thí nghiệm có sự hỗ trợ của dao động kí điện tử nhằm chuyển việc nghiên cứu các quá trình âm học sang nghiên cứu các q trình điện học trong việc nghiên cứu sóng âm. GV có thể sử dụng các thí nghiệm này trong dạy học đề tài sóng âm, góp phần đảm bảo cho HS nắm vững kiến thức về sóng âm cũng nhƣ phát triển tƣ duy khoa học của HS.
* Biểu diễn dạng dao động cơ học của sóng âm
Để nghiên cứu các đại lƣợng đặc trƣng cho sóng âm, trƣớc hết cần phải mô tả đƣợc dạng dao động cơ học gây bởi sóng âm. Do khơng thể trực tiếp quan sát các dao động của sóng âm nên cần phải chuyển việc quan sát các dao động cơ học này sang việc quan sát các dao động điện do chính các dao động cơ học gây ra. Để làm điều đó, ta có thể tiến hành nhƣ sau: sóng âm từ một nguồn âm (ví dụ nhƣ từ một âm thoa hay máy phát âm tần nối với loa...) đƣợc truyền tới một micro (thƣờng đặt vng góc với phƣơng truyền sóng âm). Tại micro, dao động cơ học đƣợc biến đổi thành dao động điện. Nếu dao động điện này đủ khoẻ và đƣợc đƣa vào lối vào của dao động kí điện tử thì trên màn hình của dao động kí điện tử sẽ cho ta hình ảnh về dao động của sóng âm.
Hình 1.3: Sơ đồ thí nghiệm biểu diễn dạng dao động của sóng âm nhờ dao động kí điện tử
Trong sơ đồ này, có thể thay máy phát âm tần và loa bằng một âm thoa. Để thí nghiệm thu đƣợc hình ảnh tốt thì các nguồn âm phải tạo ra âm có âm lƣợng lớn, độ nhạy của micro phải cao và các bộ khuếch đại dọc, ngang của dao động kí điện tử phải có hệ số khuếch đại lớn. Hơn nữa, micro trong thí nghiệm này là micro kiểu điện động. Đối với kiểu micro khác thì để biến dao động của sóng âm thành dao động điện tại micro, ta cần nối tiếp nó với một nguồn điện một chiều.
do các nguồn âm khác nhau gây ra.
Hình 1.4: Dao động của sóng âm cùng độ cao do âm thoa gây ra a) và tiếng nói gây ra b)
Qua quan sát hình ảnh dao động sóng âm trên dao động kí điện tử, HS sẽ thấy dao động của sóng âm là dao động tuần hồn, có biên độ và tần số xác định. Cũng từ thí nghiệm này, có thể rút ra mối quan hệ giữa độ to của âm và biên độ dao động của sóng âm: với các âm có cùng tần số nhƣng khác nhau về độ to (âm lƣợng), khi quan sát hình ảnh thu đƣợc trên màn hình dao động kí điện tử, ta thấy: âm càng to thì biên độ dao động của sóng âm càng lớn.
Chú ý rằng: để thu đƣợc hình ảnh tƣơng tự về dao động của sóng âm nhƣ trên, trong sơ đồ thí nghiệm, ta có thể nối trực tiếp đầu ra của máy phát âm tần vào lối vào của dao động kí điện tử. Tuy nhiên, ta phải nhớ rằng: trong trƣờng hợp này, khơng xuất hiện sóng âm vì khơng có q trình biến đổi từ tín hiệu điện có tần số âm (từ máy phát âm tần) sang dao động của sóng âm tại loa.
Khi nghiên cứu sóng âm, việc xác định bằng thí nghiệm các đại lƣợng đặc trƣng cho q trình truyền sóng nhƣ tần số, chu kì, bƣớc sóng hay vận tốc truyền sóng là hết sức cần thiết. Cũng nhờ dao động kí điện tử, ta có thể xác định các đại lƣợng đặc trƣng đó của sóng âm.
* Xác định tần số của sóng âm
Sau khi đã tạo trên màn hình của dao động kí điện tử hình ảnh dao động sóng âm nhƣ đã trình bày ở trên, ta có thể xác định tần số của sóng âm này. Cách xác định nhƣ sau:
đến một vị trí nào đó để quan sát thấy có vài ba chu kì dao động trên màn hình. - Dựa vào hình ảnh này và vị trí núm điều chỉnh tần số TIME/ DIV để tính tần số của dao động sóng âm. Cách tính cụ thể nhƣ sau: xác định chiều dài X (có đơn vị là số độ chia ghi trên màn hình) ứng với mỗi một chu kì của dao động sóng âm (nhờ mặt chia độ gắn trên mặt màn hình), đọc giá trị n đƣợc đánh dấu tại núm điều chỉnh tần số TIME/ DIV, Tính chu kì dao động của sóng âm đang nghiên cứu là: T = X.n, tính tần số của sóng âm là f=1/ T = 1/ X.n.
Ví dụ nhƣ: chiều dài X ứng với mỗi một chu kì của dao động sóng âm là 10 độ chia, núm điều chỉnh tần số TIME/ DIV đặt ở vị trí 0,2 ms. Vậy ta tính đƣợc: T = 10 . 0,2ms = 2ms = 0,002s
Tần số sóng âm trong trƣờng hợp này f= 1/T= 1/0,002s = 500Hz.
Với các thí nghiệm về xác định tần số của sóng âm khác nhau, ta có thể cho HS thấy mối quan hệ giữa độ cao của âm và tần số: âm càng cao thì tần số càng lớn.
* Xác định bước sóng của sóng âm
Có nhiều cách xác định bƣớc sóng của sóng âm nhờ dao động kí điện tử, chúng dựa trên các cơ sở lí thuyết khác nhau.
- Xác định bƣớc sóng của sóng âm khi đã biết vận tốc truyền âm Bƣớc sóng của sóng âm đƣợc xác định theo biểu thức: λ = v.T
Nếu đã biết vận tốc truyền âm trong khơng khí (ví dụ ở nhiệt độ từ 200
C đến 300
C, có v = 332m/s λ = 3m/s) thì qua việc xác định chu kì T của sóng âm nhƣ trên, ta có thể tính đƣợc bƣớc sóng của sóng âm đang nghiên cứu.
- Xác định bƣớc sóng của sóng âm khi khơng biết vận tốc truyền âm bằng cách so sánh pha
Giả sử, thí nghiệm bố trí tại một vị trí cố định với nguồn âm ta đặt một micro M1. Tín hiệu dao động điện (đƣợc biến đổi từ dao động âm) tại nó đƣợc đƣa vào hai bản X của dao động kí điện tử. Một micro khác đƣợc nối với 2 bản Y của dao động kí điện tử.
Hình 1.5: Sơ đồ thí nghiệm xác định bƣớc sóng âm bằng cách so sánh pha
Chú ý rằng: ở thí nghiệm này, khơng cho xung qt ngang lấy ở trong dao động kí điện tử hoạt động. Sau đó, cho máy phát âm tần hoạt động, giữ nguyên vị trí micro M1 sát ngay loa và dịch chuyển micro kia tới gần (hay ra xa) loa, trên đƣờng thẳng đi qua loa (nguồn âm), tốt nhất là trên đƣờng thẳng vng góc với mặt loa. ứng với các vị trí xác định của micro trên đƣờng dịch chuyển này, ta sẽ thu đƣợc trên màn hình dao động kí điện tử một trong các hình có dạng elip, trịn hay một vạch. Sở dĩ ta thu đƣợc các hình đó là vì: tuỳ theo sự lệch pha khác nhau giữa hai tín hiệu dao động điện vào X và Y của dao động kí điện tử mà sẽ tạo ra các hình có dạng khác nhau nhƣ trên. Trong quá trình micro dịch chuyển, hình ảnh sẽ thay đổi.
Hình 1.6: Sự xuất hiện lần lƣợt các hình có dạng khác nhau trên màn dao động kí điện tử khi thay đổi pha giữa hai tín hiệu dao động điện
Vậy trong q trình dịch chuyển này, khoảng cách ứng với 2 vị trí liên tiếp của micro mà tại 2 vị trí đó, ta thu đƣợc hai hình ảnh trên dao động kí điện tử hồn tồn giống nhau (ví dụ nhƣ hình vạch) sẽ chính là độ lớn của bƣớc sóng. Từ nhận xét trên, cho ta cách xác định bằng thí nghiệm độ lớn bƣớc sóng của sóng âm nhƣ sau: dịch chuyển micro trên đƣờng thẳng nối giữa loa và micro đến khi quan sát trên màn hình thấy hình elip (hay hình trịn) biến mất, thay vào đó là một gạch, ta đánh dấu vị trí của micro là X0; tiếp tục dịch chuyển micro trên đƣờng thẳng đó và bắt đầu đếm xem có bao nhiêu lần sự xuất hiện lặp lại của hình vạch này, ví dụ có n lần; đánh dấu vị trí của micro là Xn.
Từ đó, có thể tính đƣợc giá trị của bƣớc sóng là:
λ = (X0 - Xn )/ n, trong đó (X0 - Xn ) chính là khoảng cách giữa hai vị trí X0 và Xn đ đánh dấu.
Trong thí nghiệm này, để việc lắp ráp đƣợc đơn giản, ta có thể khơng cần dùng micro M1 mà nối trực tiếp hai đầu ra của máy phát âm tần với hai tấm X của dao động kí điện tử.
Hình 1.7: Sơ đồ thí nghiệm đơn giản xác định bƣớc sóng âm bằng cách so sánh pha
Các thí nghiệm xác định bƣớc sóng của sóng âm theo cách so sánh pha sẽ giúp HS nắm sâu sắc các kiến thức sau đây về sóng âm: pha dao động của các phần tử tại các vị trí khác nhau trên phƣơng truyền sóng ở cùng một thời điểm là khác nhau, tính tuần hồn của pha dao động nói riêng và của sóng nói chung trong khơng gian.
Ngồi ra, ngƣời ta cịn có thể xác định bƣớc sóng của sóng âm khi khơng biết vận tốc truyền âm theo phƣơng pháp sóng dừng.
* Xác định tốc độ của sóng âm
Từ việc xác định đƣợc tần số f (hay chu kì T) và bƣớc sóng λ nhờ dao động kí điện tử nhƣ đã trình bày ở trên, ta dễ dàng tính đƣợc tốc độ của sóng âm theo biểu thức: v = λ / T.
* Ưu nhược điểm của việc sử dụng dao động kí điện tử trong khảo sát âm học.
Với đặc trƣng của dao động kí điện tử là thể hiện các thơng tin dịng điện dƣới dạng hình ảnh trực quan, điều này là một lợi thế rất lớn khi ta sử dụng dao động kí điện tử trong việc nghiên cứu các quá trình âm học. Ƣu điểm đó thể hiện ở những điểm sau:
- Có bộ khuếch đại mạnh nên nghiên đƣợc cả những quá trình âm thanh có biên độ nhỏ.
- Thể hiện đƣợc thơng tin âm thanh dƣới dạng hình ảnh dễ quan sát và tƣởng tƣợng hơn nhiều khi chỉ nghe bằng tai và dùng các dụng cụ khác.
- Các thông tin về âm thanh đƣợc ghi nhận và thể hiện có độ chính xác rất cao so với âm thực.
Mặc dù có nhiều ƣu điểm nhƣ vậy nhƣng trong dạy học phổ thơng dao động kí điện tử vẫn thể hiện một số nhƣợc điểm:
- Hình ảnh thể hiện đƣợc trên dao động kí điện tử quá nhỏ khi sử dụng trong tiến hành các thí nghiệm minh hoạ. Q trình dạy học khơng chỉ địi hỏi tính chính xác mà cịn u cầu có cả tính sƣ phạm vì vậy đây là yêu cầu mà dao động kí điện tử khơng thể đáp ứng đƣợc.
- Dao động kí điện tử có hệ thống điều khiển khá phức tạp làm thời gian tiến hành thí nghiệm kéo dài hơn (Hầu hết khơng có tính năng điều chỉnh tự động theo tín hiệu vào).
- Có giá thành khá cao so với các thiết bị thay thế để khảo sát sóng âm. Qua những phân tích trên, việc dùng dao động kí điện tử trong khảo sát âm học sẽ tốt hơn nếu có thiết bị thay thế khắc phục những nhƣợc điểm của nó. Mặt khác trong giới hạn các bài thí nghiệm ở trƣờng THPT có đặc điểm: Thí nghiệm mang nhiều tính minh hoạ, các thơng tin khảo sát thƣờng đơn giản nhƣ trong phần sóng âm tần số sử dụng khoảng 20000Hz thì việc sử dụng dao động kí điện tử có thể thay thế bằng máy vi tính vẫn đảm bảo các yêu cầu dạy học.