Thực hành cơ sở vật lí - Cơ sở Vật lí | Đại học Sư Phạm Hà Nội
Thực hành cơ sở vật lí - Cơ sở Vật lí | Đại học Sư Phạm Hà Nội giúp sinh viên tham khảo, ôn luyện và phục vụ nhu cầu học tập của mình cụ thể là có định hướng, ôn tập, nắm vững kiến thức môn học và làm bài tốt trong những bài kiểm tra, bài tiểu luận, bài tập kết thúc học phần, từ đó học tập tốt và có kết quả cao cũng như có thể vận dụng tốt những kiến thức mình đã học vào thực tiễn cuộc sống
Preview text:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ THỰC HÀNH CƠ SỞ VẬT LÝ 2 HÀ NỘI, 2019 MỤC LỤC Trang
Bài 1. Dao động kí và ứng dụng 1
Bài 2. Xác định R, L, C bằng dao động kí điện tử 9
Bài 3. Xác định R, L, C bằng mạch cầu Wheatstone 14
Bài 4. Thành phần nằm ngang của Từ trường Trái đất 19
Bài 5. Thấu kính và các dụng cụ quang học 25 Bài 6. Giác kế 31 Bài 7. Giao thoa Young 37
Bài 8. Giao thoa kế Michelson 42
Bài 9. Nhiễu xạ qua một khe - Hệ thức bất định Heisenberg 46
Bài 10. Đường cong đặc tính của pin Mặt Trời 51 TNVL2-01
DAO ĐỘNG KÍ ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của dao động ký điện tử.
Sử dụng dao động ký để đo một số đặc trưng cơ bản của điện áp xoay chiều (tần số f, biên độ U0, độ lệch pha,...) II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1. Vai trò của dao động ký:
Dao động ký điện tử là một dụng cụ để hiển thị dạng tín hiệu mà ta cần nghiên cứu, để ghi và
để đo các đại lượng đặc trưng của tín hiệu.
2. Hoạt động của ống phóng điện tử và dao động ký.
Hình 1. Sơ đồ khối đơn giản của dao động kí điện tử
+ Khi sợi đốt bị đốt nóng, catốt và các thế anốt A1, A2 được chọn thích hợp sẽ xuất hiện chùm
điện tử bay qua khoảng không giữa hai cặp bản tụ đặt vuông góc với nhau rồi đập vào màn hình phía
trong phủ huỳnh quang làm xuất hiện một chấm sáng. Mật độ chùm điện tử được lưới điều khiển.
Khi hiệu điện thế Y1Y2 xuất hiện, chùm tia sẽ lệch theo phương thẳng đứng và hiệu điện thế giữa
X1X2 sẽ làm chùm tia lệch theo phương nằm ngang. Ta quan sát thấy một chấm sáng chuyển động
khi có sự thay đổi hiệu điện thế Uଢ଼ ; Uଡ଼
. Để chấm sáng lệch đi vài cm (theo phương X hoặc Y) భଢ଼మ భଡ଼మ thì hiệu điện thế Uଢ଼ ; Uଡ଼
phải lớn cỡ vài Von đến vài chục Von. Chính vì vậy cần thêm các భଢ଼మ భଡ଼మ
mạch khuếch đại để tăng độ nhạy của ống phóng điện tử.
+ Nếu ta đặt lên 2 bản X1X2 điện áp ux = Uoxcosωxt và đặt lên hai bản Y1Y2 điện áp
uy = Uoycos(ωyt - ϕ) thì vệt sáng trên màn hình đồng thời thực hiện 2 chuyển động vuông góc với 1
nhau: X = Kxux = Xocosωxt và Y = Kyuy = Y0cos(ωy t - ϕ). Khi đó nếu ωy = nωx, với n là số hữu tỉ
thì ta quan sát được các đường Lissajou như các tình huống sau: 00 450 900 1350
Nhờ vậy mà ta có thể xác định tần số dựa vào đường Lissajou qua các bước:
- Kẻ hai đường x’, y’ bất kỳ tương ứng song song với hai trục toạ độ x và y không đi qua giao
điểm của hai nhánh của đường Lissajou
- Số giao điểm của đường Lissajou với x’ là nx
- Số giao điểm của đường Lissajou với y’ là ny Tỉ số: n୷ ω f = ୶ = ୶ n୶ ω୷ f୷
Vậy nếu biết 1 trong 2 tần số thì dựa vào đường Lissajou ta sẽ tính được tần số còn lại.
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH. 1. Dụng cụ thí nghiệm.
+ Dao động ký điện tử;
+ Máy phát âm tần chuẩn (MFATC);
+ Nguồn tín hiệu xoay chiều có tần số f và hiệu điện thế U cần đo;
+ Một số tụ điện (có giá trị cỡ vài µF)
+ Một số điện trở (khoảng vài kΩ).
2.Tìm hiểu chức năng một số nút trên dao động ký.
a. Dù được chế tạo bởi các hãng khác nhau và có thể nằm ở các vị trí khác nhau nhưng các nút
được đề cập sau đây đều có tác dụng tương tự nhau đối với mọi dao động ký, hầu hết các nút được
bố trí ở mặt trước để tiện sử dụng như ví dụ sau: 2
1. POWER: Nútt bật - tắt nguồn cấp điện cho dao động ký hoạt động
2. POWER LED: Đèn này sẽ sáng khi núm POWER được bật ở chế đđộ ON
3. TRACE ROTATION: Nútt dùng để chỉnh vệt sáng về vị trí nằm ngang khii vệt sáng bị nghiêng
do llỗi kỹ thuật (dành cho thợ sửa chửa khi hỏng).
4. INTEN: Nút dùng để điều chỉnh cường độ sáng trên màn hình hiển thị.
5. FOCUS: Nút dùng đ ể điều chỉnh độ nét của tín hiệu trên mààn hình hiển thị.
6. CAL (0,5V-1kHz): Đi ểểm nối để lấy nguồn tín hiệu chuẩn 0,5V – 1 kkHz có dạng xung
vuôông (là cơ sở để điều chỉnh độ lợi mạch khuếch đại cho đúng).
7. Y- POSITION: Nút điều chỉnh vị trí tín hiệu theo trục thẳng đứng g, lưu ý điều khiển
này không làm việc ở chế độ [X-Y].
8. INV: Nút đảo pha 180o tín hiệu đưa vào CH2. 9. VOLTS/DIV: - N
Núm xoay để điều thang đo điện áp đầu vào tươngg ứng với một ô chia
cơ bản trên màn hình toạ độ hiển thị.
- Núúm nhỏ phía trên nhằm điều chỉnh nhỏ độ khuếch h đại đầu v ào. 10. AC/DC/GND: N
Nút lựa chọn để tương thích với loại tín hiệu lối vào
DC khi tín hiệu lối vào là 1 chiều hoặc tần số thấp.
AC dùng cho tín hiệu có tần số cao.
GND tiếp tín hiệu với đất (sườn máy).
11.CH1-X: Cổng để nhận tín hiệu cho kênh 1
12. CH2-Y: Cổng để nhận tín hiệu cho kênh Y
13. MODE [CH1, CH2, Duall, ADD ]:
Lựa chọn hiển thị kênh 1, kênh 2, cả hai kênh hoặc thực hiện phép cộng (CH1 + CH2).
14. x10 MAG: PPhóng đại hình ảnh (khi núm này được nhấn vào, tia sáng nằm ngang
được trải ra với hệ số nhân 10). 15. X-POSITION: Đ
Điều chỉnh vị trí tia sáng theo trục ngang trên mààn hình hiển thị, lưu
ý điều khiển này không làm việc ở chế độ [X-Y].
16. TIME/DIV: Núúm thay đổi chu kỳ tín hiệu quét Tq được xác địnnh theo ô chia tương
ứnng. Cung cấp thời gian quét từ 0.2 µs/ vạch đến 0.5 s/vạch với tổng cộng 20 bước. 3
Khi núm này ở vị trí (X-Y) thì dao động kí thực hiện tổng hợp hai tín hiệu CH1 và CH2.
17. VARIABLE: Điều chỉnh nhỏ chu kỳ tín quét Tq .
18. TRIGGER LEVEL: Núm điều chỉnh đồng bộ tín hín hiệu quét với tín hiệu
0 (+) Nếu tín hiệu vượt mức Trigger theo hướng dương
0 (-) Nếu tín hiệu vượt mức Trigger theo hướng âm
19. TRIGGER SOURCE: Núm Trigger Source có bốn vị trí
CH1: đồng bộ tín hiệu quét cho kênh CH1.
CH2: đồng bộ tín hiệu quét cho kênh CH2.
Các vị trí LINE và EXT không dùng đến
Chú ý: Khi đưa tín hiệu vào kênh nào thì nút này sẽ đặt ở vị trí tương
ứng để tần số quét được đồng bộ.
20. SLOPE: Đảo pha của tín hiệu quét thường đặt ở vị trí nổi (+)
Mỗi dao động ký gồm có hai dây cắm, mỗi dây cắm có hai đầu: đầu thứ nhất nối vào CH1 hoặc
CH2 của dao động ký, đầu còn lại gồm hai kẹp (hoặc móc) để nối với nguồn tín hiệu cần đo.
Đầu nối mát của 2 kênh đã được nối ngầm trong máy, vì vậy khi đấu nối với các mạch ngoài,
phải lưu ý để tránh đầu đo tín hiệu của kênh này trùng với đầu nối mát của kênh kia.
b. Khi trực tiếp làm việc với dao động ký, ta nên tìm hiểu thông qua các thao tác sau:
* Bước 1. Điều chỉnh ban đầu.
+ Điều chỉnh (xoay) các núm sau về vị trí giữa: FOCUS INTEN CH1-POSITION CH2-POSITION Y-POSITION TRIG-LEVEL
+ Gạt các cần điều khiển sau về chế độ tương ứng: MODE ở vị trí CH1. V.MODE ở vị trí ALT.
AC - GND - DC của CH1 và CH2 ở vị trí AC. TRIG. SLOPE ở vị trí +
+ Vặn các nấc chuyển thang sau về vị trí tương ứng:
VOLT/DIV của CH1 và CH2 về vị trí 0.5 V. 4 TIME/DIV ở thang 0,2 ms.
+ Xoay nhẹ các nút vi chỉnh VARIABLE của CH1 và CH2 (núm nhỏ ở trên các núm
VOLT/DIV) hết cỡ về bên phải – tức là đạt chuẩn CAL. * Bước 2. Bật nguồn.
Cắm dây lấy điện của dao động kí vào ổ lấy điện, sau đó bật công tắc POWER.
* Bước 3. Làm việc với máy phát âm tần chuẩn.
+ Núm AMPLITUDE vặn nhẹ và đặt ở vị trí giữa.
+ Nhấn nút WAVE FORM để cho tín hiệu lối của máy phát âm tần là hình sin.
+ Thang hệ số nhân RANGE đặt thang x 100.
+ Núm thay đổi tần số ở khoảng 20 - 30 như vậy ở 2 chốt ra của máy phát âm tần sẽ có tín
hiệu hình sin với tần số khoảng 2000 - 3000Hz.
* Bước 4. Tìm hiểu tác dụng các nút.
+ Tín hiệu đầu ra của máy phát âm tần được đưa vào cổng CH1 của dao động ký nhờ que đo.
+ Xoay nhẹ nhàng các nút sau sang vị trí khác lân cận rồi trả lại vị trí cũ, đồng thời theo dõi sự
thay đổi của tín hiệu trên màn dao động ký: FOCUS INTEN MODE CH1V - POSITION CH2V-POSITION Y-POSITION TRIGLEVEL
Từ đó xác định tác dụng của các nút và ghi vào báo cáo.
+ Làm tương tự với cổng CH2. * Bước 5. Nhận xét:
+ Những nút nào dùng riêng cho CH1, riêng cho CH2?
+ Những nút nào dùng chung cho CH1, CH2?
+ Khi tín hiệu trên màn DĐK không rõ, không ổn định ta phải làm như thế nào?
2. Sử dụng dao động ký để đo một số đặc trưng cơ bản của dòng xoay chiều.
Dao động ký điện tử có rất nhiều tính năng, khi đo một thông số lại có nhiều phương pháp
khác nhau. Trong bài thực hành này ta chỉ thực hiện vài phép đo đơn giản.
a. Xác định tần số bằng phương pháp Lissajou.
+ Dùng hai máy phát âm tần và DĐK liên kết các phần tử như hình vẽ. MFÂC MFÂT DAO ĐỘNG Cần đo KÍ CH CH
+ Đặt TIME/DIV ở vị trí X-Y.
+ Đưa tín hiệu xoay chiều từ máy phát âm tần chuẩn vào cổng CH1(X).
+ Đưa tín hiệu xoay chiều từ máy phát âm tần cần đo vào cổng CH2(Y).
+ Thay đổi tần số của tín hiệu xoay chiều từ máy phát âm tần chuẩn sao cho trên màn dao
động ký xuất hiện đường Lissajou ứng với tỉ số tần số n = 1/1.
Ghi lại tần số trên máy phát âm tần chuẩn fc. 5
+ Tiếp tục thay đổi tần số tín hiệu MPATC để thu được các đường Lissajou tương ứng với
n = 1/2; 1/3; 2/1. Ghi vào bảng kết quả: N fc fXĐ fXĐ 1/1 1/2 1/3 2/1
b. Đo biên độ của thế xoay chiều.
+ Ta dùng cổng CH1 để đo đại lượng này.
Bước 1: Gạt nút điều chỉnh trên que đo về vị trí × 1.
Bước 2: Chỉnh chuẩn cho DĐK.
Các dao động ký có một tín hiệu chuẩn ở lối ra, thực tế ta gặp chốt CAL có thông số đỉnh 0.5V - 1KHz.
Nếu giả sử ta đặt VOL/DIV ở thang 0,5V giá trị mỗi độ chia trên màn (theo phương thẳng
đứng) bằng 0,5 V. Do tín hiệu chuẩn có giá trị đỉnh tới đỉnh là 0,5 V nên nó phải chiếm vừa đủ một
khoảng. Nếu tính hiệu chuẩn không chiếm vừa đủ một khoảng, ta phải vặn VARIABLE của CH1
(núm nhỏ bên trên) sao cho chiều cao tín hiệu nằm gọn trong 1 khoảng (vì 0,5 : 0,5 = 1).
Nếu ta đặt VOL/DIV ở 0,1V thì tín hiệu chuẩn (sau khi vặn VARIBLE - nếu cần) phải nằm
trong 5 khoảng (vì 0.5 : 0.1 = 5).
Các bước trên chính là ta đã chuẩn lại hệ số truyền (hệ số khuếch đại) cho CH1. Từ lúc này trở
đi tuyệt đối ta không vặn nút VARIABLE nữa.
Bước 3. Xác định biên độ của hiệu điện thế cần đo.
+ Xoay VOL/DIV đến giá trị lớn nhất 5V.
+ Đưa thế điện cần đo vào cổng CH1.
+ Điều chỉnh cho tín hiệu trên DĐK ổn định. Bước 4. Đọc giá trị.
Đếm số khoảng mà tín hiệu cần đo hiện ra trên dao động ký, nhìn thang nhân VOL/DIV ứng với thang nào ta được:
Biên độ thế xoay chiều = Số khoảng(số ô trên màn DĐK) × Thang nhân trên VOL/DIV. Bước5.
Vặn VOL/DIV ở các thang khác nhau - đọc số khoảng tương ứng và ghi kết quả vào bảng: Thang đo Số khoảng U0 U0
c. Đo độ lệch pha của 2 điện áp xoay chiều trên điện trở R và trên tụ điện C. * Mạch RC nối tiếp.
Bước 1. Mắc mạch điện như hình vẽ. 6 R DĐK MF AT C
Bước 2.Đặt máy phát âm tần chuẩn sao cho ở lối ra của nó có tín hiệu hình sin tần số khoảng vài trăm Hz.
Bước 3.Vặn VOL/DIV và vi chỉnh của CH1 và CH2 sao cho chiều cao của hai tín hiệu bằng nhau và nằm trong 4 khoảng.
Bước 4.Vặn TIME/DIV sao cho một chu kỳ tín hiệu nằm trong 8 khoảng ⇒ 1 khoảng lệch nhau: 3600: 8 = 450.
Bước 5. Đếm khoảng cách giữa 2 tín hiệu ta được: ∆φ = số khoảng × 450 * Mạch RL nối tiếp.
Thay tụ điện C bằng cuộn dây L và thực hành tương tự. * Mạch RLC nối tiếp.
Tiến hành lại các bước tương tự để xác định độ lệch pha giữa điện áp hai đầu điện trở và điện áp hai đầu mạch. IV. CÂU HỎI
1. Độ lệch pha giữa điện áp hai đầu tụ điện và điện áp hai đầu điện trở trong đoạn mạch RC
nối tiếp có sai lệch với lí thuyết không? Tại sao?
2. Độ lệch pha giữa điện áp hai đầu cuộn cảm và điện áp hai đầu điện trở trong đoạn mạch RL
nối tiếp có sai lệch với lí thuyết không? Tại sao?
3. Làm thế nào để xác định độ lệch pha giữa cường độ dòng điện chạy qua một phần tử và
điện áp hai đầu phần tử đó?
4. Để tín hiệu xung vuông có biên độ 10V và tần số 150Hz. Ta phải điều chỉnh núm chỉnh
Volt/Div và Time/Div là bao nhiêu để trên màn hình xuất hiện từ 1 đến 2 chu kỳ xung vuông.
5. Để tín hiệu xung vuông có biên độ 10mV và tần số 800Hz. Ta phải điều chỉnh núm chỉnh
Volt/Div và Time/Div là bao nhiêu để trên màn hình xuất hiện từ 1 đến 2 chu kỳ xung vuông:
6. Trên màn hình đao động ký xuất hiện tín hiệu xung vuông như hình 6. Đoạn AA = 5DIV và
BB = 3DIV. Núm chỉnh Votls/DIV ở vị trí 2V và Time/DIV ở vị trí 1ms. Hãy cho biết tín hiệu
xung vuông có biên độ và tần số là bao nhiêu? 7 Hình 6 Hình 7
7. Trên màn hình đao động ký xuất hiện tín hiệu hình sin như hình 7. Đoạn AA = 6DIV và
BB = 8DIV. Núm chỉnh Votls/DIV ở vị trí 1V và Time/DIV ở vị trí 5ms. Hãy cho biết tín hiệu
sóng sin có biên độ và tần số là bao nhiêu?
8. Ngoài cách xác định tần số bằng phương pháp Lissajou, cũng nhờ dao động ký, ta có thể xác
định trực tiếp bằng cách nào? 8
Xác định R, L và C bằng dao động kí điện tử TNVL2-02
XÁC ĐỊNH R, L VÀ C BẰNG DAO ĐỘNG KÍ ĐIỆN TỬ I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU.
Khảo sát độ lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế toàn mạch cho mạch R, L và C.
Xác định giá trị của các phần tử R, L và C. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT.
+ Dòng điện xoay chiều biến thiên điều hòa theo thời gian: i = I sinሺωt + φ được ሻ đặc trưng
bởi ba đại lượng: biên độ I0; tần số góc ω và pha ϕ.
Do tần số của toàn mạch như nhau nên để đặc trưng cho dòng qua một nhánh nào đó chỉ cần
hai đại lượng: biên độ I0 và pha ϕ. Giữa dòng điện chạy qua một mạch và thế hiệu điện thế đặt lên
mạch đó nói chung có một sự chênh lệch pha nào đó tùy thuộc vào các phần tử trong mạch.
+ Ba trường hợp đặc biệt: ~ R ~ L ~ C
Hình 1. Các mạch điện xoay chiều đơn lẻ. i = I sinሺωtሻ i = I sinሺωt ሻ i = I sinሺωtሻ di π q I π u = iR = I Rsinሺω tሻ u = L. = I ωLsin ቀωt + ቁ u = = sin ቀωt − ቁ dt 2 C ωC 2 I U U I I U
Để đặc trưng cho sự cản trở của dòng điện xoay chiều chạy qua một yếu tố nào đó, ta dùng
khái niệm trở kháng, kí hiệu là Z, đơn vị là Ω.
+ Khi có dòng xoay chiều chạy qua một mạch điện:
Dòng chạy qua điện trở R thì trở kháng ZR= R
Dòng chạy qua cuộn cảm L thì cảm kháng ZL= ωL
Dòng chạy qua tụ điện C thì dung kháng Zେ◌ = ଵ னେ◌
Dùng dao động ký có thể quan sát được độ lệch pha giữa dòng và thế trên R, L và C và có thể
đo được trở kháng của chúng. 9
Xác định R, L và C bằng dao động kí điện tử Máy R0 CH1 CH2 phát âm DĐK tần Z
Hình 2. Khảo sát mạch R0 và Z nối tiếp.
+ Khi điện trở R0 và yếu tố khảo sát Z mắc nối tiếp với nhau và mắc vào nguồn điện xoay
chiều (hình 2) thì dòng qua R0 và Z như nhau. Dòng đi qua R0 và độ giảm thế trên R0 là đồng pha.
Nếu dòng điện qua mạch là i = I0sinωt, thì điện áp trên điện trở R0 đặt vào kênh CH1 tức X là:
uX = R0I0sinωt cùng pha với i.
Điện áp giữa 2 đầu Z được đặt vào kênh CH2 tức kênh Y: uY= UZ0sin(ωt + ) lệ ϕ
ch pha với dòng điện i qua ϕ Z
Như vậy trên dao động ký ta thu được tổng hợp của 2 dao động trên 2 trục vuông góc với
nhau, có độ lệch pha là ϕ, đó chính là độ lệch pha giữa dòng và thế trên Z.
a. Nếu yếu tố Z cần đo là điện trở thuần RX.
+ Tín hiệu trên kênh X là uX = I0.R0.sinωt
+ Tín hiệu trên kênh Y là uY = I0.RX.sinωt
Hai dao động này cùng pha, ta thu được trên màn một đường thẳng. Nếu biên độ của chúng
bằng nhau thì ta thu được một đường thẳng nghiêng một góc 450 so với trục toạ độ. Lúc đó : R0 = RX.
b. Nếu yếu tố Z cần đo là tụ điện có dung kháng ZC.
Độ lệch pha giữa dòng và thế là ϕ = 900 (dòng nhanh pha 900 so với thế).
+ Tín hiệu trên kênh X là: uX = I0Rsin t ω
+Tín hiệu trên kênh Y là: uଢ଼ = ◌୍బ sin ቀωt −ቁ னେ◌ ଶ
Trên màn hình dao động ký xuất hiện một ellipse có các trục trùng với các trục toạ độ. Nếu
điều chỉnh biên độ của các dao động này bằng nhau thì ellipse trở thành đường tròn.
Khi đó: Zc= R0 ta có: C = ଵ ଶ ◌ୖబ
c. Nếu yếu tố Z cần đo là cuộn cảm có cảm kháng ZL.
Độ lệch pha giữa dòng và thế là 900(dòng trễ pha so với thế).
+ Tín hiệu trên kênh X là: ux=I0Rsinωt
+ Tín hiệu trên kênh Y là: uଢ଼ = I ωLsin ቀωt + ቁ ଶ
Trên màn hình dao động kí xuất hiện một ellipse có các trục trùng với các trục toạ độ. Nếu
điều chỉnh biên độ của các dao động này bằng nhau thì ta thu được hình tròn. Khi đó: ZL=R0 nên R L = 2πf 10
Xác định R, L và C bằng dao động kí điện tử
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH. 1. Dụng cụ.
+ Dao động ký điện tử hai chùm tia ; + Máy phát âm tần
+ Hộp điện trở núm xoay R0 (đọc được giá trị tại 1 thời điểm);
+ 2 tụ điện C1, C2 chưa biết giá trị ;
+ 2 cuộn dây L1, L2 chưa biết giá trị ; + Điện trở;
2. Xác định giá trị điện trở và quan sát độ lệch pha giữa dòng và thế.
+ Chuẩn thang đo hiệu điện thế kênh CH1 và CH2;
+ Mắc mạch theo sơ đồ hình 2 với điện trở cần đo RX thay thế vào vị trí Z ;
+ Để núm VOL/DIV của hai kênh CH1 và CH2 ở một giá trị xác định;
+ Đưa tín hiệu hai đầu điện trở chuẩn U0 = IR0 vào kênh CH1, tín hiệu hai đầu điện trở cần đo UX = IRX vào kênh CH2.
+ Gạt nút MODE về vị trí DUAL, trên màn hình dao động kí thu được hai tín hiệu hình sin.
+ Điều chỉnh máy phát tín hiệu hình sin sao cho biên độ tính hiệu thu được có thể quan sát dễ
dàng (chiều cao tín hiệu nằm gọn trong màn hình DĐK);
+ Vặn núm TIME/DIV về vị trí X-Y;
+ Lúc này trên màn hình dao động kí thu được một đoạn thẳng. + Xác định R0.
+ Vặn númTIME/DIV thoát khỏi X-Y để thu được hai tín hiệu hình sin trên màn dao động kí.
+ Xác định biên độ U0 và URX của điện áp hai đầu R0 và RX.
+ Xác định được RX theo công thức: Rଡ଼ =
R . Ghi giá trị vào bảng. బ
+ Để xác định sai số của phép đo: thay đổi R0, ghi các giá trị tương ứng UX và U0 đo được vào bảng 1 rồi tính RX 11
Xác định R, L và C bằng dao động kí điện tử * Bảng số liệu. R0 URX U0 R X
Bảng 1. Xác định giá trị Rx. + Biểu diễn: ቊRଡ଼ = Rଡ଼ ± ΔRଡ଼ Rଡ଼ = Rଡ଼ ± ε%
3. Xác định điện dung của tụ điện và quan sát độ lệch pha giữa dòng và thế.
+ Thay tụ điện CX cần đo vào vị trí của Z.
+ Làm lại các bước tương tự như đối với điện trở RX; xác định được giá trị R0 và hai điện áp
U0 và UCX. Chú ý rằng ta không thu được đường thẳng khi vặn về X -Y mà thu được một ellipse.
+ Nếu để VOLT/DIV của hai kênh CH1 và CH2 là như nhau và điều chỉnh R0 sao cho biên độ
điện áp hai đầu tụ điện và hai đầu điện trở R0 là như nhau (Uc= U0) thì hình ảnh trên dao động ký là 1 hình tròn.
+ Giá trị điện dung tụ điện CX được xác định bởi: C = ଵ ଶ ◌ୖబ
+ Thay đổi R0, f để thu được các hình tròn khác nhau trên màn hình, ghi vào bảng 2. * Bảng số liệu. Lần đo f R0 CX 1 2 3
Bảng 2. Xác định giá trị điện dung tụ điện CX. + Biểu diễn: ቊCଡ଼ = Cଡ଼ ± ΔCଡ଼ Cଡ଼ = Cଡ଼ ± ε%
4. Xác định độ tự cảm của cuộn cảm và quan sát độ lệch pha giữa dòng và thế.
+ Thay cuộn cảm LX cần đo vào vị trí của Z.
+ Làm lại các bước tương tự như đối với điện trở RX; xác định được giá trị R0 và hai điện áp
U0 và ULX. Chú ý rằng ta không thu được đường thẳng khi vặn về X-Y mà thu được một ellipse.
+ Nếu để VOLT/DIV của hai kênh CH1 và CH2 là như nhau và điều chỉnh R0 sao cho biên độ
điện áp hai đầu cuộn cảm và hai đầu điện trở R0 là như nhau: UL= U0 thì hình ảnh trên dao động ký là 1 hình tròn.
+ Giá trị của độ tự cảm LX được xác định bởi: R Lଡ଼ = 2πf
+ Thay đổi R0, f để thu được các hình tròn khác nhau trên màn hình, ghi vào bảng 3. 12
Xác định R, L và C bằng dao động kí điện tử * Bảng số liệu. Lần đo f R0 LX 1 2 3
Bảng 3. Xác định giá trị độ tự cảm LX. + Biểu diễn: ቊLଡ଼ = Lଡ଼ ± ΔLଡ଼ Lଡ଼ = Lଡ଼ ± ε% IV. CÂU HỎI.
1. Tại sao khi đo C và L thì trên màn hình dao động ký điện tử thu được hình ellipse và hình
tròn khi đưa tín hiệu vào đồng thời 2 kênh CH1 và CH2 ở chế độ X-Y?
2. Trong chế độ đo RX, tại sao ta thu được 1 đường thẳng khi chuyển về chế độ X-Y?
3. Trong chế độ đo độ tự cảm L, độ lệch pha giữa dòng và thế thể hiện như thế nào? Tại sao? 13
Xác định R, L và C bằng mạch cầu Wheatstone TNVL2-03
XÁC ĐỊNH R, L VÀ C BẰNG MẠCH CẦU WHEATSTONE I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU.
Làm quen với một phương pháp đo điện trở, điện dung và độ tự cảm bằng cầu Wheatstone xoay chiều. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT. I3 I4
Mạch cầu gồm các phần tử được mắc như hình vẽ 1. R Z Z4
1, R2 là các điện trở, được xác định bởi 3
độ dài trên cầu dây; các trở kháng Z3, Z4 là các A
phần tử điện khác như điện trở, cuộn cảm hay tụ I1
điện. Điện áp U được cung cấp bởi máy phát âm
tần có tần số và biên độ thay đổi được hoặc có các I R1 R2
giá trị không đổi. A là điện kế hoặc ampe kế - đôi
khi được thay thế bằng tai nghe. Uɶ
Kí hiệu dòng điện qua các nhánh của mạch
Hình 1. Mạch cầu Wheatstone.
cầu như hình vẽ. Các phương trình Kirchoff cho mạch cầu:
IଷZଷ + I Z − IଵZଵ = 0
IସZସ + IଶZଶ − I Z = 0
Khi cầu cân bằng thì dòng qua A điện kế IA = 0: Iଵ = Iଶ; Iଷ = Iସ Từ đó suy ra: Rଵ Z = ଷ Rଶ Zସ
Khi biểu diễn theo số phức, dạng tổng quát của trở kháng Z là: 1 Z = R + i ωL −ωC
với i = √−1, ω = 2πf và f là tần số của điện thế nguồn. Thế (4) vào (3) ta có: 1 R R ଵ ଷ + i ωLଷ −ωC = ଷ Rଶ 1 Rସ + i ωLସ −ωCସ
Phần ảo và phần thực phải phù hợp với cả hai vế, do đó có hai điều kiện: + Điều kiện biên độ: 14
Xác định R, L và C bằng mạch cầu Wheatstone 1 1 R R ωL ଵ ଷRସ + ωLଷ −ωC ସ − ωC = ଷ ସ R ଶ ଶ 1 R ଶ ସ + ωLସ −ωCସ + Điều kiện pha: 1 1 Rସ. ωLଷ − = R ωC ଷ. ωLସ − ଷ ωCସ
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH. 1. Các bước tiến hành.
Bước 1: Lắp đặt sơ đồ thí nghiệm.
Mắc sơ đồ thí nghiệm như hình 1, trong đó
nguồn cung cấp thế U cho sơ đồ lấy từ máy phát âm 1 2
tần số (mô tả như hình 2).
+ Chốt số 1, số 2 để ở chế độ (~). 3 4 5 6
+ Chốt số 3, 4, 5 và 6 để ở chế độ thấp nhất. 7 8
+ Thế U lấy ra chốt số 7 hoặc số 8.
+ Kiểm tra lại sơ đồ, lấy điện vào máy phát tần
số, sau đó bật công tắc phía sau máy phát.
Hình 2. Máy phát âm t ần.
Bước 2: Điều chỉnh máy phát.
+ Điều chỉnh chốt số 3 đến vạch 102 hoặc 103.
+ Điều chỉnh chốt số 5 và số 6 để lấy tín hiệu ra ta nghe.
+ Dùng chiết áp số 4 điều chỉnh tần số cho phù hợp tai nghe.
Bước 3: Điều chỉnh con chạy.
+ Tiến hành thí nghiệm: xê dịch con chạy trên toàn bộ dây điện trở, xác định vị trí cho
tiếng ồn trong tai là nhỏ chất.
+ Tiền hành thí nghiệm nhiều lần, lấy các giá trị x ứng với các vị trí con chạy, ghi vào bảng kết quả. Bước 4: Báo cáo.
+ Viết báo cáo trả lời các câu hỏi của bài thí nghiệm.
+ Tính sai số, viết kết quả, nhận xét các kết quả.
2. Tiến hành thí nghiệm.
a. Đo điện trở thuần Rx.
+ Mắc sơ đồ mạch điện theo hình 3.
+ Điện áp ngoài lấy vào từ chốt số 7. + Hệ thức (5) có dạng: 15
Xác định R, L và C bằng mạch cầu Wheatstone Rଵ R = ୶ Rଶ Rସ
+ Tỷ số ◌ୖభ được xác định bằng tỉ số chiều ◌ୖమ Rx R4
dài ୶ của các đoạn dây điện trở. ℓ◌ି୶
+ Giá trị Rx cần đo là: Tai nghe R x R ଵ ୶ = R R R ସ = ସ ( x 8) ଶ ℓ − x
+ Tiến hành các bước thí nghiệm như trên
và ghi các giá trị vào bảng số liệu 1. ℓ Uɶ
Hình 3. Xác định điện trở Rx. Thứ tự R 4 (Ω) x (cm) Rx (Ω) 1 2 3
Bảng 1. Xác định giá trị điện trở Rx.
+ Tính sai số và viết kết quả phép đo.
b. Đo độ tự cảm Lx của cuộn dây.
* Mắc mạch điện như hình 4: Lx L4
+ Mắc sơ đồ mạch điện theo hình 4.
+ Điện áp ngoài lấy vào từ chốt số 7. Tai nghe
+ Do cuộn dây gồm có phần cảm và phần
điện trở thuần nên hệ thức (5) có thay đổi. Trở x
kháng của các phần tử là:
Zଷ = Z୶ = Rଷ + iωLଷ = Rଷ + iωLଡ଼ ℓ Z Uɶ ସ = Rସ + iωLସ
+ Từ điều kiện pha (7) ta có:
Hình 4. Xác định độ tự cảm Lx. Rଷ L L = ଷ = ୶ Rସ Lସ Lସ
Để thỏa mãn điều kiện này, trong sơ đồ 4 cần đưa thêm vào một chiết áp (so với sơ đồ 3).
Khi đó R3 hoặc R4 sẽ là tổng của thành phần chiết áp và điện trở thuần của cuộn cảm. Thế (9) vào (6) ta có: Rଵ L x = ୶ = Rଶ Lସ ℓ − x Suy ra: 16
Xác định R, L và C bằng mạch cầu Wheatstone x L୶ = Lସ ℓ − x
Độ tự cảm L4 phụ thuộc vào kích thước và các thông số của cuộn dây, được tính theo công thức: ଷ rସ Lସ = 2,1. 10◌ି Nଶr ℓ
với L tính bằng Henry (H), bán kính cuộn dây r và chiều dài ℓ tính bằng mét (m), N là số vòng
của cuộn dây. (Thông thường các cuộn dây đều đã có ghi giá trị của L)
+ Tiến hành các bước thí nghiệm như trên và ghi các giá trị vào bảng số liệu 2. Thứ tự L4 (H) x (cm) Lx (H) 1 2 3
Bảng 2. Xác định giá trị độ tự cảm Lx.
+ Tính kết quả phép đo và sai số. Chú ý:
+ Điều kiện (6) và (7) không dễ thoả mãn đồng thời khi chỉ dùng dòng xoay chiều có thêm
một chiết áp xen vào mạch.
Để giải quyết điều đó, ta thực hiện cân bằng cho cả dòng một chiều. Khi đó thay tai nghe
bởi điện kế điểm 0 ở giữa (điện kế G) rồi dịch chuyển dần dần vị trí con chạy của chiết áp và
cầu dây sao cho đồng thời tín hiệu xoay chiều trên tai nghe và dòng qua G bằng 0 thì các điều
kiện (6) và (7) được thoả mãn.
+ Nếu cuộn dây có ZL cao thì có thể bỏ qua điện trở thuần. Do vậy, ta có thể thực hiện phép đo ở tần số cao.
c. Đo điện dung của tụ điện Cx. Cx C4
+ Mắc sơ đồ như hình vẽ 5.
+ Điện áp ngoài lấy vào từ chốt số 8.
+ Đối với sơ đồ này thì các đại lượng trong Tai nghe biểu thức (3) là: x 1 1 Zଷ = − = − ωCଷ ωC୶ ℓ 1 Zସ = − ωC Uɶ ସ Từ (7) ta có:
Hình 5. Xác định điện dung Cx. Rଵ C C = ସ = ସ Rଶ Cଷ C୶ 17
Xác định R, L và C bằng mạch cầu Wheatstone Suy ra: ℓ − x C୶ = Cସ x
+ Tiến hành các bước thí nghiệm như trên và ghi các giá trị vào bảng số liệu 3. Thứ tự C4 (F) x (cm) Cx (F) 1 2 3
Bảng 3. Xác định giá trị tụ điện Cx.
+ Tính sai số và viết kết quả phép đo. IV. CÂU HỎI.
1. Để kết quả thí nghiệm bảo đảm chính xác, phải lưu ý điều gì khi làm thí nghiệm?
2. Khi tiến hành thí nghiệm anh/chị đã gặp trở ngại gì? Nêu cách khắc phục của anh/chị?
3. Nhận xét kết quả thí nghiệm. 18 THVL2-04:
THÀNH PHẦN NẰM NGANG CỦA TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
+ Hiểu được nguyên tắc phép đo từ trường Trái Đất.
+ Xác định thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Cảm ứng từ Bp ở tại điểm P cách một đoạn ℓ
trên đường vuông góc đi qua trung điểm của một
đoạn dây dẫn chiều dài a có dòng điện cường độ i chạy qua là µ i a 2 0 ( ) B = P 2 2π ℓ Hình 1 2 a ℓ + 2 Với 7 4 10 µ0 π − = ×
H/m là độ từ thẩm của chân không.
Thay đoạn dây dẫn bằng một cuộn dây hình vuông có cạnh là a, cường độ dòng
điện trong cuộn dây là i và số vòng dây của cuộn là N. Cảm ứng từ ở điểm P trên nằm
trên đường thẳng đi qua tâm hình vuông và vuông góc với hình vuông, cách tâm hình
vuông một đoạn x có giá trị là 19 2 B = a iN 1 µ0 px 2 2 2 π 2 x + a 2 + a x 2 2 2
Mặt khác, nếu đặt một nam châm nhỏ có dạng hình trụ tròn có chiều dài L, bán
kính r và momen từ m tại vị trí P như hình 1 và kích thích cho nó dao động điều hòa với
biên độ nhỏ thì chu kỳ dao động của nam châm là I T = 2π mB
trong đó m là momen từ của nam châm có khối lượng M, B là cảm ứng từ tại điểm P,
mômen quán tính I của nam châm đối với trục đi qua khối tâm (và vuông góc với chiều dài thanh nam châm) là 2 2 L r I = M + 12 4 Dây treo Cuộn dây hình Nam châm có vuông cạnh a và chiều dài L và bán gồm N vòng dây kính r Hình 2
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH 20 1. Tìm hiểu dụng cụ
Danh sách các thiết bị trong bài thực hành
1. Một cuộn dây hình vuông có điện trở 5,2 ± 0,2Ω và có 130 vòng.
2. Một nam châm nhỏ hình trụ có khối lượng 15,0 ± 0,2 g với các sợi dây nylon
3. Một vôn kế (chỉ dùng để đo hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây)
4. Nguồn điện (đặt ở dưới bàn để tránh nhiễu do từ trường của nó sinh ra) 5. Giá đỡ bằng gỗ 6. Đồng hồ bấm giây . 7. Thước kẻ. 8. Thước đo góc. 9. Nhãn trắng 10. Đất nặn có màu; 11. Giấy vẽ đồ thị; 12. Dây điện. 2. Các bước thực hành
2.1 Kiểm tra dụng cụ thực hành
1. Kiểm tra các dụng cụ đã cho và so sánh với danh sách trên hình 3.
Lắp đặt sơ đồ đo như hình 3. Chú ý các chốt không sử dụng trong quá trình đo hoặc
không đổi chỗ các dây theo yêu cầu của bài thực hành. Chú ý rằng chỉ dùng máy đo đa
năng để đo hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây. Nếu dùng máy đo đa năng ở các kiểu đo
khác, có thể làm hỏng nguồn điện !!!
2.2 Khảo sát dao động của con lắc khi đặt trong từ trường tổng hợp
Trong phần này, ta khảo sát dao động của con lắc trong từ trường tổng hợp gây ra
bởi thành phần nằm ngang BH của từ trường Trái Đất và từ trường B của cuộn dây hình
vuông; ngoài ra hai từ trường này cùng chiều.
1. Lắp đặt sơ đồ thí nghiệm như hình 1. Lưu ý: Có thế sử dụng nam châm 2 để xác định
phương thành phần nằm ngang BH của từ trường Trái Đất. 21
2. Bật nguồn để cung cấp dòng cho cuộn dây. Khi cắm dây điện ở đầu ra của nguồn 4 để
cấp dòng điện cho cuộn dây thì cần đảm bảo chiều từ trường B do cuộn dây tạo ra cùng
chiều thành phần nằm ngang BH của từ trường Trái Đất.
3. Di chuyển vị trí đặt con lắc trên trục của cuộn dây. Tại mỗi vị trí, đo 20 lần chu kỳ dao
động của con lắc và ghi vào bảng số liệu 1.
4. Sử dụng công thức 3 để xác định B và ghi vào bảng số liệu 1.
5. Tuyến tính hóa đồ thị theo 1/T2 để tìm BH và m. Không thay đổi Hình 3
2.3 Kiểm nghiệm gía trị từ trường Trái Đất
1. Tắt nguồn điện 4 để ngừng cung cấp dòng cho cuộn dây. Đo chu kỳ dao động của con
lắc chỉ trong từ trường Trái Đất. 22
2. Sử dụng mômen từ m tính từ phần 2.2 để tính thành phần từ trường nằm ngang của
Trái Đất và ưước lượng sai số.
2.5 Cân bằng của từ trường cuộn dây và từ trường Trái Đất
1. Đổi chiều từ trường của cuộn dây bằng cách đổi chỗ hai dây cấp nguồn cho cuộn dây
để chiều từ trường B do cuộn dây tạo ra ngược chiều thành phần nằm ngang BH của từ trường Trái Đất.
2. Tìm vị trí xo trên trục x mà tại đó từ trường gây ra bởi cuộn dây bằng thành phần nằm
ngang của từ trường Trái Đất.
3. Dùng giá trị của xo để tính lại BH.
IV. SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
1. Bảng 1. Sự phụ thuộc của chu kỳ dao động vào vị trí đến tâm cuộn dây. TT Khoảng cách đến Thời gian cho 20 chu Chu kỳ T (s) B (T) tâm x (cm) kỳ (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 23
Bảng 2. Chu kỳ của con lắc dưới tác dụng của từ trường Trái Đất Lần đo Chu kì T(s) 1 2 3 4 5 V. CÂU HỎI
1. Thế nào là mômen từ của một nam châm?
2. Từ trường Trái Đất có chiều như thế nào? Tại sao trong bài thực hành chỉ xét đến
thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất? 24
Thấu kính và các dụng cụ quang học THVL2-05
THẤU KÍNH VÀ CÁC DỤNG CỤ QUANG HỌC I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU.
Nắm vững các đại lượng đặc trưng cho thấu kính, kính hiển vi, kính thiên văn và máy chiếu (projector)...
Hiểu được thực chất của phương pháp Bessel – Gauss và vận dụng nó để đo tiêu cự f
của thấu kính hội tụ.
Sử dụng công thức hệ thấu kính đồng trục ghép sát để đo tiêu cự của thấu kính phân kỳ.
Điều chỉnh hệ thấu kính đồng trục và lắp ráp một số dụng cụ quang học đơn giản như
máy chiếu, kính hiển vi, kính thiên văn. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT. 1. Thấu kính.
Thấu kính là một môi trường trong suốt được giới hạn bởi 2 mặt cầu khúc xạ (hoặc một mặt
phẳng và một mặt cầu) có bán kính lần lượt là R1 và R2. Nếu thấu kính có bề dày nhỏ so với bán
kính của nó, thì đó là thấu kính mỏng, nếu điều kiện này không được thoả mãn, thì đó là thấu kính dày.
Ta xét các thấu kính mỏng. Gọi f là tiêu cự của thấu kính, là chiết su n
ất tuyệt đối của chất làm
thấu kính, khi đó nếu thấu kính được đặt trong không khí (có chiết suất là n' = 1) thì độ tụ Φ = ଵ của thấu kính sẽ là. 1 1 1 Φ = = n − 1 + f Rଵ Rଶ
Với quy ước về dấu như sau:
+ R > 0 nếu mặt cầu lồi.
+ R < 0 nếu mặt cầu lõm.
+ R = ∞ nếu đó là mặt phẳng.
Khi Φ = ଵ > 0 ⇒ f > 0 ta có thấu kính hội tụ còn khi Φ = ଵ< 0 ⇒ f < 0 ta có thấu kính phân kỳ. 25
Thấu kính và các dụng cụ quang học
Ta xét chùm sáng tới thấu kính có các tia tới hợp với quang trục chính của thấu kính (đường đi
qua hai tâm của hai mặt cầu giới hạn môi trường của thấu kính) một góc nhỏ (i ≤ 50). Với những
chùm tia này, thì vật điểm qua thấu kính luôn cho ảnh điểm (điều kiện tương điểm).
Để vẽ được ảnh của vật điểm qua thấu kính ta phải tìm được giao của hai tia ló ứng với hai tia
tới xuất phát từ vật điểm. Thông thường, ta dùng hai trong ba tia tới đặc biệt sau:
- Tia tới đi qua quang tâm truyền thẳng.
- Tia tới đi qua tiêu điểm (hoặc có đường kéo dài qua tiêu điểm) thì tia khúc xạ (tia ló) song song với trục chính.
- Tia tới song song với trục chính của thấu kính thì tia khúc xạ (tia ló) đi qua tiêu điểm chính
(hoặc có đường kéo dài đi qua tiêu điểm chính).
Nếu hai tia ló giao nhau thực sự (chúng tạo nên chùm tia hội tụ) ta có ảnh thật. Còn nếu hai tia
ló không giao nhau (chùm tia phân kỳ), khi đó phần kéo dài tưởng tượng giao nhau, ta có ảnh ảo.
+ Ảnh của một vật qua thấu kính là tập hợp ảnh của các điểm tạo nên vật đó. 2. Công thức thấu kính. a. Thấu kính mỏng. s s ’
Hình 1. Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính mỏng.
Giả sử xét thấu kính hội tụ đặt tại O, vật sáng G đặt vuông góc với quang trục chính sẽ cho ảnh B (xem hình 1).
+ Công thức liên hệ giữa tiêu cự f của thấu kính với các khoảng cách s và ’ từ vật và ảnh tới thấu kính có dạng: 1 1 1 = + f s s′ với quy ước:
s > 0 nếu là vật thật; s < 0 nếu là vật ảo.
s’ > 0 nếu là ảnh thật; s’ < 0 nếu là ảnh ảo. b. Công thức Bessel-Gauss
Khi vật và màn hứng ảnh được giữ cố định cách nhau một đoạn L (L > 4f), thì trong khoảng
giữa vật và ảnh ta có thể tìm thấy hai vị trí đặt thấu kính hội tụ để ta đều thu được ảnh rõ nét của vật
trên màn (một ảnh lớn hơn vật và một ảnh nhỏ hơn vật). Khoảng cách giữa hai vị trí này của thấu
kính là d = s1-s2 (với s1 và s2 là vị trí của vật tương ứng với hai vị trí của thấu kính), thì ta tìm tiêu cự
của thấu kính hội tụ bằng công thức Bessel-Gauss: Lଶ − dଶ f୶ = 4L 26
Thấu kính và các dụng cụ quang học
c. Hệ thấu kính đồng trục ghép sát.
Đây là trường hợp đặc biệt của hệ thấu kính nhưng rất hay dùng trong thực tiễn. Giả sử hệ
gồm hai thấu kính đơn có tiêu cự và độ tụ tương ứng là f1, φ1, f2, φ2, khi đó độ tụ của hệ ghép đồng
trục ghép sát là φsys có dạng: 1 1 1 Φୱ୷ୱ = = + = Φ f ଵ + Φଶ ୱ୷ୱ fଵ fଶ
3. Dụng cụ quang học đơn giản.
Nếu ghép đồng trục các thấu kính với nhau, ta được hệ thấu kính. Tùy mục đích sử dụng để
chọn loại thấu kính và ghép chúng theo cách thích hợp.
a. Máy chiếu Slide (Slide Projector).
Vật thật qua máy chiếu cho ảnh thực phóng đại hứng được trên màn ảnh giúp cho nhiều người
cùng quan sát. Nếu màn đặt đúng vị trí của ảnh, trên màn xuất hiện ảnh nét nhất. Đặc trưng cơ bản
của máy chiếu là độ phóng đại K là tỉ số giữa kích thước ảnh và kích thước vật.
Hình 2. Sơ đồ máy chiếu. b. Kính hiển vi.
Kính hiển vi là dụng cụ quang học giúp ta nhìn thấy vật nhỏ dưới một góc nhìn lớn hơn so với
khi nhìn bằng mắt thường. Kính hiển vi có cấu tạo gồm vật kính và thị kính có tiêu cự tương ứng là
f1, f2 đặt đồng trục sao cho tiêu điểm ảnh của vật kính cách tiêu điểm vật của thị kính một khoảng δ
(độ dài quang học của kính hiển vi).
Hình 3. Sơ đồ kính hiển vi. 27
Thấu kính và các dụng cụ quang học
Độ phóng đại góc ứng với trạng thái ngắm chừng vô cực là G∞ thì: tanα δD Gஶ = = k tanα ଵ. Gଶ =fଵfଶ Trong đó: D
khoảng nhìn rõ cực cận của mắt thường (D = 25cm). α:
góc trông ảnh của vật qua kính hiển vi. α0
góc trông vật trực tiếp vật khi vật đặt ở điểm cực cận. c. Kính thiên văn.
Là dụng cụ quang học gồm một vật kính và một thị kính ghép đồng trục để giúp ta nhìn thấy
ảnh của vật ở rất xa qua kính dưới một góc lớn hơn rất nhiều so với nhìn trực tiếp vật xa đó. Khi
ngắm chừng vô cực, độ phóng đại góc G∞ có dạng: tanα f G ଵ ஶ = = tanα fଵfଶ
Với f1, f2 lần lượt là tiêu cự của vật kính và thị kính, α và α0 là góc nhìn ảnh của vật qua kính
và góc nhìn trực tiếp vật.
Hình 4. Sơ đồ ống nhòm Kepler .
Hình 5. Sơ đồ ống nhòm Galilei.
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH.
Các nhiệm vụ cần tiến hành trong bài thực hành gồm:
1. Xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ mỏng theo hai phương pháp:
- phương pháp thường: đo s, s’ và sử dụng công thức (2).
- phương pháp Bessel – Gauss: đo L và d và sử dụng công thức Bessel – Gauss (3).
2. Xác định tiêu cự của một thấu kính phân kỳ mỏng.
3. Lắp đặt một số quang cụ đơn giản với vật kính, thị kính đã biết. 1. Tìm hiểu dụng cụ.
Các thiết bị thí nghiệm: 28
Thấu kính và các dụng cụ quang học
(1) Giá quang học được đặt trên 2 đế 2x3 có ốc vít để chỉnh thăng bằng.
(2) Nguồn sáng là hộp chứa đèn 6V-15W và kính tụ quang để tạo chùm sáng song song nhờ
điều chỉnh ốc ở cạnh hộp đèn.
(3) Vật sáng có thể là màn chắn trên đó khắc mũi tên (đo tiêu cự thấu kính); phim đèn chiếu có
gắn ảnh Hoàng đế Maximilian (máy chiếu); ảnh con bọ dừa (hoặc trắc vi vật kính có độ chia 10-
2mm) (kính hiển vi) được gắn vào giá đỡ.
(4) Thấu kính có tiêu cự f khác nhau được gắn trên giá đỡ.
(5) Màn hứng ảnh hình vuông được gắn trên giá đỡ.
Khi sử dụng, các giá đỡ này được đặt lên giá quang học và di chuyển được dọc theo giá quang
học. Để tránh cường độ dòng điện qua đèn lớn (vì đèn 6V-15W) nên ta để núm xoay trên A chỉ giá trị 6V. 2. Thực hành đo đạc.
a. Xác định tiêu cự fx của thấu kính hội tụ.
Lắp sơ đồ thí nghiệm lên giá quang học theo thứ tự: nguồn sáng - vật sáng (màn có vẽ mũi
tên) - thấu kính cần đo fx - màn hứng ảnh. Dịch chuyển thấu kính nhẹ nhàng trên giá quang học để
thu được ảnh rõ nét trên màn. Ghi lại vị trí của vật sáng, thấu kính và màn để suy ra các giá trị s, s’.
Ghi các số liệu vào bảng 1. Lần s ∆ f f đo s ∆ s' s ' x x ∆ x f 1 2 3 TB s s ∆ s ' ∆s '
Bảng 1. Xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng phương pháp thường.
Thực hiện phép đo cho các vị trí tạo ảnh khác của vật và ghi lại các số liệu theo bảng 1.
b. Đo tiêu cự fx của thấu kính hội tụ theo phương pháp Bessel - Gauss.
Thí nghiệm bố trí với chú ý vật và màn đặt cố định trên giá quang học và cách nhau khoảng L
> 4fx (để khoảng cách giữa vật và màn lớn nhất có thể). Đặt thấu kính ở gần vật, di chuyển thấu kính
về phía màn để thu được ảnh rõ nét. Đọc giá trị s1 của khoảng cách từ vật tới thấu kính ở vị trí này,
ghi vào bảng số liệu 2. Tiếp tục dịch chuyển thấu kính về phía màn để thu được ảnh rõ nét trên màn
lần 2. Đọc giá trị s2 của khoảng cách từ vật tới thấu kính ở vị trí 2 và ghi vào bảng số liệu. Lần L s f đo 1 1 s s2 2 s d ∆d x f ∆ x 1 2 3
Bảng 2. Xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng phương pháp Bessel-Gauss. 29
Thấu kính và các dụng cụ quang học
Thực hiện phép đo cho các vị trí tạo ảnh khác của vật và ghi lại các số liệu theo bảng 2.
c. Đo tiêu cự của thấu kính phân kỳ.
Ghép sát thấu kính hội tụ đã biết trước tiêu cự (f1) với một thấu kính phân kỳ cần xác định tiêu
cự để có hệ thấu kính tương đương với thấu kính hội tụ. Dùng phương pháp đã trình bày ở trên để
xác định tiêu cự fsys của hệ. Kết quả đo lại ghi vào bảng tương tự như bảng 2. Dùng (3) ta tìm được
fhệ. Sử dụng (4) ta tính được tiêu cự của thấu kính phân kỳ. f f ୱ୷ୱfଵ ୶ = fଵ − fୱ୷ୱ
d. Lắp đặt mô hình máy chiếu Slide Projector.
+ Dùng thấu kính hội tụ có f = 100 mm lắp thành máy chiếu Slide đơn giản. Vật sáng là tấm
phim chứa ảnh Hoàng đế Maximilian. Ảnh thu được qua thấu kính được hứng trên màn.
e. Lắp mô hình kính hiển vi đơn giản.
Lắp đặt một kính hiển vi đơn giản với thấu kính f1 = +20mm làm vật kính và thấu kính f2 = +50mm làm thị kính.
Dùng kính vừa lắp được đó quan sát vật là phim in hình con côn trùng.
Chú ý: để dễ quan sát nên dùng màn chắn sáng hoặc hạ thấp điện áp đốt đèn. Vì f = 20mm rất
ngắn, nên muốn gắn cả vật kính và màn giảm sáng đặt sau đèn ta phải dùng jack nối.
Đặt mắt cách thị kính khoảng 25 cm, nhìn ảnh của côn trùng qua kính.
f. Lắp mô hình kính thiên văn đơn giản.
+ Kính thiên văn kiểu Kepler.
Lắp đặt mô hình kính thiên văn kiểu Kepler với thấu kính f1 = +300mm làm vật kính, thị kính
là một thấu kính hội tụ khác có tiêu cự f2 sao cho f1+f2 < chiều dài giá quang học.
+ Kính thiên văn kiểu Galilei.
Lắp đặt mô hình kính thiên văn kiểu Galilei với thấu kính f1 = +300mm làm vật kính, thị kính
là một thấu kính phân kì có tiêu cự f 2< 0. V. CÂU HỎI.
1. Hãy so sánh các đo tiêu cự thấu kính hội tụ mỏng theo phương pháp thường và phương
pháp Bessel – Gauss. Phương pháp nào cho kết quả chính xác hơn. Tại sao?
2. Từ nội dung của phương pháp Bessel – Gauss, hãy thành lập công thức xác định fx: మ మ f ◌ୢି ୶ = với L = s ସ
1 +s2 là khoảng cách từ màn tới vật sáng. 30
Đo chiết suất chất rắn bằng giác kế THVL2-06
XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT CỦA CHẤT RẮN BẰNG GIÁC KẾ I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
Bài này nhằm cho sinh viên làm quen với giác kế (một loại dụng cụ để đo góc)
và biết sử dụng nó để đo chiết suất của một môi trường trong suốt.
Trong trường hợp có nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau (bằng cách sử dụng
nhiều kính lọc sắc khác nhau) thì ta có thể khảo sát được đường cong tán sắc n
= f(λ ) của vật liệu làm lăng kính. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Khi đi vào một môi trường khác, vận tốc ánh sáng giảm đi so với khi truyền trong
chân không, và nó phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Tính chất làm thay đổi vận tốc ánh sáng
của môi trường được đặc trưng bằng một
đại lượng gọi là chiết suất.
Để đo chiết suất của một chất, thuỷ
tinh chẳng hạn, người ta mài nó thành một
lăng kính với góc chiết quang A. Chiếu một
tia sáng đơn sắc vào mặt bên AB, sau hai
lần khúc xạ tại các điểm I, I’, tia ló ra ở mặt
bên AC lệch so với phương của tia tới một
Hình 1. Công thức lăng kính.
góc, gọi là góc lệch D (hình 1).
Các công thức thấu kính: iଵ n. sinr ଵ iଶ n. sinr ଶ A r ଵ rଶ D iଵ iଶ A
Đo chiết suất chất rắn bằng giác kế
Khi góc tới i1 thay đổi thì góc lệch D cũng thay đổi theo.
Trong suốt quá trình thay đổi đó, góc lệch D luôn lớn hơn
một giá trị cực tiểu Dmin.
Góc lệch D đạt giá trị cực tiểu D khi góc tới i = i= min 1 i2 là góc ló.
Khi đó từ các công thức (1) suy ra:
Hình2. Góc lệch cực tiểu Dmin. iଵ = iଶ = i rଵ = rଶ = r D = D୫୧୬ Từ (1) ta cũng có: A + D i = ୫୧୬ 2A r = 2
Sử dụng định luật khúc xạ tại điểm I, ta tìm được chiết suất: sini sin େ◌ୖା◌ౣ ଶ n = = sinr sin ଶ
Như vậy, bằng cách đo góc chiết quang A, góc lệch cực tiểu Dmin, ta có thể xác định
chiết suất n của thuỷ tinh theo công thức (4).
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH 1. Giác kế
Cấu tạo chi tiết của giác kế.
a. Đĩa tròn Đ trên có gắn một bàn tròn nhỏ P đồng tâm với đĩa dùng để đặt vật cần đo
góc. Sát mép đĩa có một thước tròn T được chia độ tới 1/2 độ trong khoảng từ 0o đến 360o.
Để tăng độ chính xác của phép đo góc, trên đĩa D gắn hai thước nhỏ (gọi là du-xích) đối
xứng nhau qua tâm đĩa. Du-xích được chia độ sao cho 30 độ chia trên du-xích bằng 29 độ
chia trên thước tròn. Với du-xích này có thể đo chính xác đến 1/30 độ chia trên thước tròn,
nghĩa là chính xác tới (1/30)*(1/2) = (1/60) độ = 1 phút. (Về nguyên tắc du-xích, xem lại ở học phần TNVL1).
Cách đọc số góc như sau:
+ Đọc phần nguyên (của nửa độ):
Trước hết đọc phần nguyên của nửa độ (là giá trị của vạch đứng bên trái số 0 của du-
xích, thí dụ 121,5o = 121o30’. + Đọc phần lẻ: 32
Đo chiết suất chất rắn bằng giác kế
Phần này được xác định như sau: nhìn trên du-xích ta thấy một vạch trùng hoàn toàn
với một vạch trên thước tròn. Giá trị của vạch ấy trên du-xích chính là phần lẻ phút cần tìm.
Ví dụ: Vạch số 0 trên du xích nằm ở giữa 1210 và 1220 trên thước, vạch 14 trên du-xích
trùngvới một vạch bất kỳ trên thước. Lúc đó số đo góc là:
121୭30ᇱ + 14ᇱ = 121୭44ᇱ
b. Ống chuẩn trực C là một ống hình trụ, một đầu lắp một thấu kính hội tụ L1, đầu kia
lắp một khe hẹp K, thẳng đứng, và có độ rộng thay đổi được. Khe được điều chỉnh để nằm
đúng tiêu điểm của L1, do đó ánh sáng sau khi qua khe, ra khỏi L1 tạo thành chùm tia sáng song song.
c. Kính ngắm N gắn chặt với thước tròn T, và có thể quay quanh trục thẳng đứng đi
qua tâm đĩa D. Một đầu ống ngắm gắn một thấu kính hội tụ L2, đầu kia có một ống L lồng vào trong ống ngắm.
Trong ống lồng có một dây chữ thập. Ống lồng L được điều chỉnh để dây chữ thập nằm
trên tiêu diện của L2. Đầu ống lồng có lắp một thấu kính hội tụ L3(gọi là kính mắt). Kính mắt
được điều chỉnh để nhìn rõ tiêu diện của L2(nhìn rõ dây chữ thập). Kính ngắm có thể giữ cố
định nhờ ốc hãm H. Khi đã hãm, muốn dịch chuyển đi chút ít có thể nhờ ốc vi cấp V.
d. Ngoài ra, còn 2 thiết bị để hoàn thiện bài thí nghiệm:
+ Đèn dây tóc dùng làm nguồn sáng.
+ Kính lọc dùng chắn đèn để tạo nguồn sáng đơn sắc. 2. Các bước tiến hành
a. Điều chỉnh kính ngắm
+ Điều chỉnh kính mắt (tìm ảnh dây chữ thập): rút ống lồng và kính mắt ra xa nhất
giữa ống lồng, vừa song song vừa đẩy kính mắt cho đến khi nhìn rõ dây chữ thập thì dừng lại. + Loại trừ thị sai.
Nếu ảnh của các vật không nằm đúng trên mặt phẳng chứa dây chữ thập, thì khi dịch
mắt sang phải, sang trái, ta thấy ảnh của các vật dịch chuyển so với dây chữ thập, đó là hiện
tượng thị sai. Muốn khử thị sai ta lấy một điểm trên vật (thí dụ cạnh tường, khung cửa sổ)
làm mốc và điều chỉnh ống lồng chút ít cho tới khi dịch mắt sang trái, sang phải ta thấy dây
chữ thập và ảnh của vật như dính chặt vào nhau.
+ Tìm vị trí ảnh khe hẹp.
Khi đã điều chỉnh xong hướng kính ngắm vào ống chuẩn trực ta thấy ảnh của khe hẹp
K. Nếu ảnh không rõ nét thì dùng núm chỉnh trên kính mắt để tìm thấy ảnh rõ nét. b. Đo góc chiết quang A 33
Đo chiết suất chất rắn bằng giác kế
Bật đèn dây tóc cho ánh sáng dọi vào khe K. Đặt lăng kính lên bàn tròn P, sao cho cạnh
khúc xạ gần tâm bàn và đường phân giác của góc chiết quang đi qua ống chuẩn trực (hình 3).
Chùm tia song song từ ống chuẩn trực sẽ
phản xạ trên hai mặt bên của lăng kính. Quay
kính ngắm N để hướng chùm sáng phản xạ ở
vị trí 1, sao cho giao điểm dây chữ thập trùng
với ảnh của khe K rồi đọc giá trị A1. Giữ
nguyên ống chuẩn trực, quay kính ngắm sang
vị trí 2, đọc giá trị A2.
Hình3. Đo góc chiết quang A.
Ghi các giá trị A1 và A2 vào bảng 1.
Góc chiết quang A có giá trị là: A A = ଶ − Aଵ 2
Thực hiện phép đo 5 lần để có giá trị trung bình.
Chú ý: Muốn phép đo chính xác, ta phải đặt khe K nhỏ.
c. Đo góc lệch cực tiểu Dmin
Lắp kính lọc sắc vào trước đèn dây
tóc để tạo nguồn đơn sắc. Đặt lăng kính lên
bàn P, sao cho cạnh khúc xạ gần tâm bàn.
Quay bàn P sao cho ánh sáng từ ống
chuẩn trực C đi ra dọi vào mặt bên của lăng
kính dưới một góc khoảng 600 (hình 4).
Quay kính ngắm N để đón chùm sáng
khúc xạ và nhìn rõ ảnh của khe K là một vệt Hình4. ĐogóclêchDmin. sáng đơn sắc.
Quay bàn P về phía nào đó, sao cho góc lệch D trở nên nhỏ hơn ( khi đó ở vị trí 1, nhìn
vào kính ngắm ta thấy vệt sáng dịch sang phải). Nếu quay chậm bàn P ta sẽ thấy vệt sáng
dịch đến một vị trí nào đó rồi dừng lại và bắt đầu dịch theo chiều ngược lại nếu tiếp tục quay bàn P.
Đặt bàn P vào đúng vị trí mà vệt sáng đổi chiều dịch chuyển, sau đó quay kính ngắm
chút ít đến vị trí sao cho dây chữ thập trùng với vệt sáng. Đó là vị trí ứng với góc lệch đạt giá
trị cực tiểu, đọc số đo góc D1. 34
Đo chiết suất chất rắn bằng giác kế
Sau đó quay cả bàn P lẫn kính ngắm N tới vị trí đối xứng với vị trí cũ của nó đối với
chùm sáng tới. Đặt bàn P vào đúng vị trí mà vệt sáng đổi chiều dịch chuyển. Quay kính
ngắm đến vị trí sao cho dây chữ thập trùng với vệt sáng. Đọc số đo góc D2.
Ghi các giá trị D1 và D2 vào bảng 2.
Từ đó suy ra giá trị của góc lệch cực tiểu: D D ଶ − Dଵ ୫୧୬ = 2
Phép đo được lặp lại 5 lần để xác định sai số của Dmin. d. Xử lý kết quả
1. Bảng kết quả đo góc chiết quang A. Lần đo Aଵ Aଶ A A ∆A 1 2 3 4 5
Bảng 1. Đo góc chiết quang A.
Giá trị góc chiết quang A: A = A ± ∆A
2. Bảng kết quả đo góc lệch cực tiểu Dmin. Lần đo Dଵ Dଶ D୫୧୬ D୫୧୬ ∆ D୫୧୬ 1 2 3 4 5
Bảng 2. Đo góc cực tiểu Dmin.
Giá trị góc lệch cực tiểu D୫୧୬: D୫୧୬ = D୫୧୬ ± ∆D୫୧୬
3. Xác định chiết suất n.
+ Thay D୫୧୬ và A vào biểu thức để xác định n.
+ Thay ∆D୫୧୬ và ∆A vào biểu thức để xác định ∆n.
+ Giá trị chiết suất n. n = n ± ∆n 35
Đo chiết suất chất rắn bằng giác kế IV. CÂU HỎI
1. Chứng minh các công thức (4), (5), (6).
2. Vì sao trước khi đo lại phải điều chỉnh thăng bằng của máy, của đĩa đặt lăng kính.
3. Vì sao đo góc chiết quang có thể dùng ánh sáng tự nhiên, còn khi đo góc lệch cực
tiểu phải dùng ánh sáng đơn sắc?
4. Giải thích cách đo góc lệch cực tiểu (tìm vị trí dừng của ảnh). 36 Giao thoa Young THVL2-07
XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG CỦA ÁNH SÁNG ĐƠN SẮC DỰA TRÊN HIỆN TƯỢNG GIAO THOA YOUNG I. MỤC ĐÍCH:
Quan sát và mô ta được hiện tượng giao thoa gây ra bởi hai chùm tia hẹp (giao thoa Young).
Xác định bước sóng của một ánh sáng đơn sắc bằng phương pháp sử dụng
hiện tượng giao thoa hai chùm tia hẹp. Quan sát và giải thích hiện tượng giao thoa khi
thay đổi độ rộng của nguồn sáng sơ cấp. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT. 1. Nguồn kết hợp a. Nguồn kết hợp
Để quan sát được hiện tượng giao thoa của hai chùm tia hẹp, trước hết ta phải tạo ra
được các nguồn sóng kết hợp. Muốn vậy, hai chùm sang dung trong thí nghiệm phải
được tạo ra từ cùng một nguồn sáng điểm, gọi là nguồn sơ cấp.
Sóng ánh sáng từ nguồn sơ cấp truyền qua hai khe hẹp sẽ cho hai chùm sóng thứ
cấp, mà mỗi khe được xem là một tâm phát sóng mới (theo nguyên lý Huygens-Fresnel).
Các sóng này cùng tần số, có hiệu số pha không đổi nên là các sóng kết hợp. Hai khe hẹp
đó là các nguồn kết hợp.
Khi hai nguồn kết hợp gần nhau, tức là khi các chùm tia kết hợp tạo với nhau một
góc nhỏ thì các véctơ dao động sáng trong hai chùm đó được xem là thực hiện dao động 37 Giao thoa Young
cùng phương. Do vậy khi hai chùm sáng đó gặp nhau thì các dao động sáng sẽ giao thoa được với nhau. b. Công thức giao thoa
Cường độ sáng I tại một điểm nào đó trong trường giao thoa của hai chùm tia có thể biểu diễn như sau: ~ ଶ. ଶ 2 ଵ ଶ Trong đó:
E0 biên độ của véc tơ dao động trong các sóng kết hợp (giả thiết các biên độ này bằng nhau);
r1, r2 khoảng cách từ hai nguồn kết hợp đến vị trí quan sát vân giao thoa;
α hiệu số pha ban đầu của các dao động sáng,
λ bước sóng của ánh sáng đơn sắc.
Nếu α = 0 thì cường độ sáng tại một điểm nào đó trong trường giao thoa sẽ có giá
trị cực đại hoặc cực tiểu tùy thuộc hiệu quang trình ∆ = r2 – r1.
Khi ∆ = ± kλ (k = 0, 1, 2…) ta có cực đại giao thoa (vân sáng)
Khi ∆ = ± (2k+1)λ/2 ta có cực tiểu giao thoa (vân tối) 2. Khoảng vân giao thoa
Khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc tối) liên tiếp gọi là khoảng vân. Ta có thể tìm
được mối liên hệ giữa khoảng vân và bước
sóng ánh sáng đơn sắc một cách dễ dàng (hình 1): ∆ 2 Trong đó: L
∆x - khoảng vân (khoảng cách giữa hai vân
tối hoặc vân sáng kề nhau) Hình 1
L - khoảng cách từ hai nguồn kết hợp đến màn quan sát E
d - khoảng cách giữa hai nguồn kết hợp S1, S2.
Từ biểu thức (2), biết d, l và ∆x ta xác định được bước sóng λ: ∆ 38 Giao thoa Young
Dùng dụng cụ giao thoa Young để đo ∆x theo (2), từ đó xác định được bước sóng λ theo (3).
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH 1. Dụng cụ đo a. Dụng cụ thí nghiệm
Trong bài thực hành, thiết bị giao thoa bao gồm các linh kiện sau: - Ray quang học.
- Nguồn sáng (bóng đèn).
- Màn chắn có khe hẹp S, độ rộng của khe có thể thay đổi được nhờ ốc vi chỉnh.
- Màn chắn có hai khe hẹp S1, S2 song song và cách nhau một khoảng d.
- Các kính lọc sắc khác nhau F1, F2 - Thấu kính hội tụ L. - Thị kính T.
b. Thị kính và thước đo
Trong thị kính có dây chữ thập (hoặc một vạch
thẳng đứng ab) dùng làm vạch đánh dấu. Vị
trí của thị kính có thể điều chỉnh phù hợp với người quan sát.
Trên giá đỡ thị kính có hai thước: thước dài Q
có thể tịnh tiến theo phương ngang, giá trị mỗi độ
chia trên thước Q là 1mm; thước quay P được chia
Hình 2. Thước P và Q trên giá đ ỡ
thành 100 phần bằng nhau (hình 2). Khi xoay thước thị kính.
P đúng một vòng tròn thì thước Q tịnh tiến được nửa độ chia tức 0,5mm.
Toàn bộ giá đỡ thị kính có thể dịch chuyển sang phải hoặc trái nhờ một núm vặn R ở chân giá đỡ. 2. Các bước thực hành
1. Lắp các bộ phận lên giá quang học theo sơ đồ hình 3. Điều chỉnh sao cho hệ thật
đồng trục và ánh sáng phát ra từ đèn I phân bố đều trên hai khe S1, S2. 39 Giao thoa Young
Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm Young.
2. Đặt mảnh giấy trắng trước thị kính (so với chiều truyền ánh sáng), điều chỉnh cho khe
S đủ rộng, chưa đặt màn chắn có khe S1 và S2 vào, di chuyển thấu kính L sao cho trên
mảnh giấy trắng thu được ảnh của khe S rõ nét nhất ( nhìn trực tiếp trên mảnh giấy).
3. Để khe S hẹp nhất, bỏ mảnh giấy đi, đặt màn chắn có hai khe S1 và S2 vào giá đỡ.
Quan sát hệ vân qua thị kính T. Điều chỉnh thị kính sao cho quan sát được hệ vân rõ nét.
4. Đặt kính lọc sắc đỏ vào trước thị kính. Dịch chuyển cho vạch đánh dấu ab về bên phải
( hoặc bên trái) của hệ vân bằng cách xoay thước P. Nếu hệ vân không lọt vào thị trường
của thị kính thì vặn núm R cho tới khi hệ vân ở đúng giữa thị trường. Sau đó xoay thước P để đo dx. * Cách đo khoảng vân i
Giả sử vạch ab ở đúng một mép (phải hoặc trái) của vân sáng thứ k = - 2 ( hình 4)
khi mũi tên của thước P chỉ đúng vạch số 0, đồng thời mũi tên ở thước Q chỉ một vạch
nào đó, chẳng hạn vạch số 5. Như vậy vạch số 0 sẽ là vạch gốc ở thước P và vạch số 5 là
vạch gốc của thước Q.
Bây giờ xoay thước P để vạch đánh dấu ab dịch chuyển đến một mép tương ứng của
một vân sáng khác, chẳng hạn vân sáng k = + 2 (hình 4b). Lúc đó, giả sử mũi tên ở thước
Q chỉ số 8 (nhưng chưa quá nửa vạch) và mũi tên ở thước P chỉ vạch 45 thì ta có số đo bằng: (a) Vị trí ban đầu (b) Vị trí sau Hình 4. Đo khoảng vân 40 Giao thoa Young 45.0,5 4i = ∆= 8 − 5 + = 3,225mm 100
Do đó khoảng vân giao thoa là: i = ଷ,ଶଶହ= 0,80625mm ସ
Tiến hành đo như vậy nhiều lần để lấy giá trị trung bình của khoảng vân
5. Ghi vào bảng số liệu giá trị của d trên màn chứa khe S1 và S2 (d có trị số cho trước). Đo giá trị
của L trên giá quang học. Thay các giá trị của d, L, I vào công thức (3) để tính bước sóng
λ. Ghi các số liệu thu được vào bảng số liệu.
6. Bỏ kính lọc sắc đỏ ra, thay kính lọc sắc xanh vào và tiến hành đo bước sóng ánh sáng đỏ.
7. Bỏ kính lọc sắc ra, thay đổi độ rộng của khe S từ nhỏ tới lớn, quan sát hệ vân và giải
thích sự thay đổi của hệ vân. Bảng số liệu Lần d ∆ i i λ ∆ λ λ đo 1 2 3 4 5
Chú thích: n là số khoảng vân mà bạn chọn để đo. Giá trị này có thể chọn tùy ý. IV. CÂU HỎI
1. Nêu sơ lược các phương pháp tạo ra các nguồn kết hợp từ nguồn sáng tự nhiên.
2. Điều kiện giao thoa ánh sáng? Tại sao không thu được hiện tượng giao thoa từ hai
nguồn sáng thông thường?
3. Lập biểu thức xác định khoảng vân. Theo công thức này, hãy nêu điều kiện thực
nghiệm để quan sát được vân giao thoa.
4. Sai số của bước sóng đơn sắc xác định được trong thí nghiệm này do sai số đo các đại
lượng nào gây nên? Tìm cách đo các đại lượng đó sao cho các giá trị của bước sóng thu được chính xác nhất.
5. Ảnh hưởng của nhiễu xạ ánh sáng qua hai khe hẹp đến hình ảnh giao thoa trong thí
nghiệm khe Young như thế nào? Giải thích. 41 Giao thoa kế Michelson THVL2-08 GIAO THOA KẾ MICHELSON I. MỤC ĐÍCH
Hiểu được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của giao thoa kế Michelson.
Sử dụng giao thoa kế Michelson để xác định bước sóng của một laser khí He-Ne. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1. Cấu tạo và hoạt động của gia n Lớpbánmạ M M2’ S
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của giao thoa kế Michelson.
Sơ đồ nguyên tắc và đường đi của tia sáng trong giao thoa kế Michelson được biểu diễn
trên hình 1, trong đó S là nguồn sáng đơn sắc (Laser He - Ne), P1 là tấm thuỷ tinh bán mạ, P2 là
bản bổ chính giống hệt P1 nhưng không mạ bạc. P1 và P2 được ghép sát sao cho lớp bán mạ nằm
ở chính giữa. M1, M2 là hai gương phẳng. Trong giao thoa kế Michelson, chùm tia laser xuyên
qua tấm thuỷ tinh bán mạ bị tách làm hai chùm. Hai chùm này bị phản xạ bởi hai gương phẳng
M1, M2 và quay lại bản thuỷ tinh để sinh ra hiện tượng giao thoa quan sát được trên màn E. Sau
M2 có 2 nút nhỏ dùng để chỉnh vị trí của gương này. 42 Giao thoa kế Michelson
Nếu thay gương thực M2 bằng ảnh ảo M2’ của nó do phản xạ qua P1 thì hình ảnh giao thoa
quan sát được trên màn M của giao thoa kế Michelson hoàn toàn tương đồng với sự giao thoa
gây ra do bản mỏng không khí nằm giữa M1 và M2’. Nếu điều chỉnh M2 sao cho ảnh M2’ của nó
song song với M1 thì hệ vân giao thoa quan sát được trên màn là các vân giao thoa đồng độ nghiêng.
Do hai chùm sáng đến màn M đều xuất phát từ cùng một nguồn S nên chúng có cùng tần
số góc ω. Phương trình dao động của sóng ánh sáng ở hai chùm là: x1 = a1 sin (ωt – α1) x2 = a2 sin (ωt – α2)
Sóng tổng hợp do hai chùm gây ra trên mànđược mô tả bằng phương trình: x = A sin (ωt – α)
Biên độ của sóng tổng hợp là: Aଶ = aଶ ଶ ଵ+ aଶ + 2aଵaଶcosδ
trong đó δ = αଵ − αଶ là hiệu số pha của hai sóng ánh sáng ứng với hai chùm.
Nếu gọi d là khoảng cách giữa M1 và ảnh M2’ của M2 thì hiệu số pha giữa hai chùm tia có thể biểu diễn như sau: 2π δ = . 2dcosθ λ
Trong đó λ là bước sóng ánh sáng được dùng trong thí nghiệm, θ là góc mở của chùm tia
(góc giữa phương của các tia sang tới màn và đường pháp tuyến với màn).
Nhờ bản bổ chính P2, quãng đường đi trong thuỷ tinh của hai chùm tia như nhau nên a1 =
a2 = a và cường độ ánh sáng tổng hợp là: I ~ Aଶ = 4aଶcosଶ δ 2
Như vậy, các cực đại xảy ra nếu δ = 2mπ hay: 2dcosθ = mλ
Nếu d không đổi thì ứng với cùng giá trị của m, các điểm cực đại sẽ nằm trên cùng mặt nón
có trục trùng với tia tới. Mỗi vòng tròn (ứng với các cực đại) được tạo ra đối với một giá trị cố
định của m và d ứng với một góc θ không đổi. Nếu vị trí của gương chuyển động được M1 được
thay đổi để cho d giảm chẳng hạn, thì đường kính các vòng tròn sẽ giảm và mỗi lần d giảm đi λ ଶ
thì có một vòng tròn chạy vào tâm của hình ảnh giao thoa và biến mất.
2. Xác định bước sóng của laser bằng giao thoa kế Michelson
Dựa trên cơ sở lí thuyết trên, ta có thể xác định được bước sóng của một laser đơn sắc khi
dùng nó làm nguồn sáng trong giao thoa kế. Trong quá trình thí nghiệm, ta đo độ dịch chuyển
của gương M1 và đếm số vân biến mất để xác định bước sóng. 2 x 1 λ = ୬ − x . n 10
Với x0 và xn là vị trí đầu và vị trí cuối của thước đo, n là số vòng tròn mất đi (hoặc sinh ra)
trong quá trình dịch chuyển gương M1. 43 Giao thoa kế Michelson
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH
1. Lắp đặt hệ và điều chỉnh hệ đo
a. Lắp đặt hệ giao thoa
Giao thoa kế Michelson, thấu kính hội tụ O và nguồn sáng S (laser He-Ne) được lắp lần
lượt trên giá quang học theo thứ tự như trên. b. Điều chỉnh máy
+ Mở nắp đậy giao thoa kế Michelson.
+ Tháo bỏ thấu kính ra khỏi giá đỡ.
+ Cắm nguồn và bật công tắc điện cho laser hoạt động.
+ Dùng tay trái nâng và giữ laser cố định; tay phải lần lượt mở 2 ốc: một ốc ở trục của giao
thoa kế và một ốc giữ giá đỡ vào đế.
+ Nhẹ nhàng xoay laser và giá đỡ đồng thời thay đổi độ cao của giao thoa kế sao cho chùm
tia laser đi vào giữa bản bán mạ P1 và hai chùm tia được tách ra đi tới được hai gương phẳng.
Tiếp tục điều chỉnh sao cho hai chùm tia cuối đi ra khỏi giao thoa kế và tạo ra 2 ảnh trên màn M.
+ Tiếp tục điều chỉnh cho tới khi ảnh của hai điểm sáng trên màn gần trùng khít lên nhau
và chùm tia quay trở lại nguồn gần trùng với chùm tia phát đi từ nguồn.
+ Vặn chặt hai ốc đã mở để giữa hệ cố định.
+ Điều chỉnh nhẹ nhàng hai ốc vi cấp phía sau gương M2 sao cho hai điểm sáng trên màn
hoàn toàn trùng khít lên nhau để đảm bảo cho M2’ song song với M1.
+ Lắp thấu kính vào giữa laser và gương bán mạ P1 để mở rộng chùm tia. Điều chỉnh cẩn
thận cho chùm tia tới nằm ở giữa bản bán mạ và tới được hai gương phẳng, tạo thành 2 chùm mở rộng trên màn.
+ Điều chỉnh nhẹ nhàng 2 ốc vi cấp sau gương M2 cho tới khi 2 chùm tia trên màn M hoàn
toàn trùng nhau và thu được hệ vân gồm các đường tròn đồng tâm sáng, tối xen kẽ trên màn. 2. Tiến hành đo đạc
+ Để vít của micromet gắn với gương di động M1 ở vị trí nào đó (ví dụ là số 0). Sau đó
quay nhẹ nhàng và rất từ từ theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (hoặc cùng chiều) cho tới khi
tâm của các vòng tròn trên màn là tối. Ghi lại giá trị ban đầu là x0.
+ Tiếp tục quay vít của micromet theo chiều cũ thật từ từ và đếm số vòng tròn biến mất (
nằm trong khoảng từ 100 - 200 vòng tròn). Ghi lại vị trí cuối cùng của vít xn.
+ Chú ý rằng, nhờ một cấu trúc đặc biệt mà khoảng dịch chuyển thực của gương M1 song
song với chính nó chỉ bằng 1/10 khoảng dịch chuyển của micromet nên bước sóng sẽ được tính theo công thức (5):
+ Lặp lại phép đo từ 3 đến 5 lần. Ghi các kết quả thu được vào bảng 1. 44 Giao thoa kế Michelson 3. Bảng số liệu Vị trí Vị trí
Khoảng dịch chuyển của Số vòng tròn Lần đo Bước sóng đầux0 cuốixn gươngxn- x0 mất đi 1 2 3 ... TB x 0 x n λ
Bảng 1. Xác định bước sóng bằng giao thoa kế Michelson. V. CÂU HỎI
1. Tác dụng của bản bổ chính? Tác dụng của thấu kính đặt sau nguồn laser?
2. Ý nghĩa vật lí của thí nghiệm Michelson?
3. Mô tả hiện xảy ra khi thay nguồn laserbằng đèn ánh sáng trắng? Tại sao?
4. Tính hiệu quang trình của hai tia sáng phản xạ trên 2 gương? Chứng minh công thức (5). 45
Nhiễu xạ qua một khe hẹp và nguyên lí bất định Heisenberg TNVL2-09
NHIỄU XẠ QUA MỘT KHE HẸP VÀ NGUYÊN LÍ BẤT ĐỊNH HEISENBERG I. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU.
Khảo sát hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua một khe hẹp có độ rộng cho trước, từ đó suy
ra sự phụ thuộc của hệ vân nhiễu xạ vào độ rộng khe.
Vẽ giản đồ cường độ nhiễu xạ phụ thuộc vào khoảng cách đến vân trung tâm.
So sánh và kiểm nghiệm công thức nhiễu xạ Kirchhoff từ giản đồ cường độ nhiễu xạ và
các phép đo thực nghiệm.
Kiểm nghiệm lại sự đúng đắn của nguyên lí bất định Heisenberg: hệ thức bất định giữa
xung lượng và tọa độ. II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT.
1. Nhiễu xạ Fraunhofer – Công thức Kirchhoff.
Khi có một chùm ánh sáng hẹp
đơn sắc với bước sóng λ đi qua một
khe hẹp có bề rộng d, mỗi điểm của
khe tác dụng như là một nguồn phát
sóng cầu thứ cấp. Hình ảnh nhiễu xạ
được tạo ra trên màn đặt sau khe là kết
quả của hình ảnh giao thoa của các
sóng cầu thứ cấp này. Đó là một hình
ảnh nhiễu xạ với một cực đại chính
(cực đại trung tâm) và nhiều cực đại
Hình 1. Giản đồ cường độ nhiễu xạ qua một
phụ xen kẽ với các cực tiểu ở hai bên khe hẹp.
đối xứng với nhau qua cực đại trung tâm (hình 1). 46
Nhiễu xạ qua một khe hẹp và nguyên lí bất định Heisenberg
Nếu nhiễu xạ này được coi gần đúng là nhiễu xạ Fraunhofer thì cường độ sáng tại một điểm P
trên màn đặt song song với khe là hàm của góc lệch α (hình 2) theo công thức Kirchhoff: sin ◌ୢୱ୧୬ I α =I 0 ◌ୢୱ୧୬ với
d là bề rộng của khe. I(0) là cường độ của cực đại trung tâm (ứng với góc lệch α = 0), λ là bước sóng ánh sáng (hình 2).
Hình 2. Sơ đồ nhiễu xạ của một khe hẹp.
Vị trí của các cực tiểu ứng với giá trị α thỏa mãn: nλ sinα= ,n = 1, 2,3 …. d
Vị trí của các cực đại ứng với giá trị α thỏa mãn: + Cực đại chính: α = 0 (3) + Cực đại phụ thứ 1: αଵ = arcsin 1,430 ◌ୢ + Cực đại phụ thứ 2: αଶ = arcsin 2,459 (4) ◌ୢ + Cực đại phụ thứ 3: αଷ = arcsin 3 ,479 ◌ୢ
Cường độ tỉ đối của các cực đại phụ so với cực đại chính: ◌୍( ) భ =0,0742; ◌୍( మ) =0,0165; ◌୍( య) =0,0083 ◌୍( ) ◌୍( ) ◌୍( )
2. Nguyên lí bất định Heisenberg.
Nguyên lí bất định là một nguyên lí quan trọng của cơ học lượng tử, do Werner Heisenberg
đưa ra, phát biểu rằng người ta không bao giờ có thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc (hay
động lượng, hoặc xung lượng) của một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta xác định được một đại lượng
càng chính xác thì đại lượng kia được xác định càng kém chính xác.
Về mặt toán học, hạn chế đó được biểu hiện bằng bất đẳng thức sau: 47
Nhiễu xạ qua một khe hẹp và nguyên lí bất định Heisenberg h Δy.ΔP୷ ≥ 2π
Trong đó ∆y là độ lệch chuẩn (sai số) của phép đo vị trí theo phương Oy và ∆Py là sai số của
phép đo xung lượng theo phương đó. h = 6,625.10-34J.s là hằng số Planck.
Xét sơ đồ thí nghiệm như hình 2. Trước khi đi qua khe, các photon coi như chỉ có trạng thái
chuyển động theo trục Ox. Sau khi đi qua khe, các photon có cả thành phần vận tốc theo trục Oy.
Như vậy, có thể xem sai số tọa độ theo trục Oy là : = , ớ à ề ộ ủ
Xác suất cho các giá trị khác nhau của thành phần vận tốc
theo Oy có thể tính theo giản đồ cường độ nhiễu xạ của hệ. Ta
xét cực tiểu bậc 1 ở một phía của hệ vân để xác định độ bất
định của vận tốc ∆vy.
Xét tại vị trí có góc nhiễu xạ là α thì vector vận tốc của
Hình 3. Vector vận tốc của
photon biểu diễn như hình 3. Ta có :
photon ở góc nhiễu xạ α. ܡ = . , ớ à ó ươ ứ ớ ự ể ậ
Độ bất định về xung lượng theo phương Oy là: ܡ = .
Mặt khác, hệ thức de Broglie về liên hệ giữa xung lượng và bước sóng của một hạt là: h =p=mc λ Suy ra: ܡ = .
Góc lệch ứng với cực tiểu bậc 1 là: =
Từ (7), (11) và (12) ta có: Δy.ΔP୷ =h
Như vậy, với cùng một ánh sáng đơn sắc, khe có bề
rộng d càng nhỏ thì cực tiểu bậc 1 ứng với α1 càng lớn – hệ vân dãn ra.
Để xác định góc nhiễu xạ ứng với cực tiểu bậc 1, ta
xét sơ dồ như hình 4. Gọi a là khoảng cách từ vân trung
tâm đến cực tiểu bậc 1, b là khoảng cách từ khe đến màn.
Hình 4. Xác định góc nhiễu xạ Ta có: α. 48
Nhiễu xạ qua một khe hẹp và nguyên lí bất định Heisenberg = ܉ ܊
Thay giá trị này vào (11) ta có: ܡ = . ( )
Thay thế (7) và (15) vào (13), chia hai vế cho h ta thu được: . ( )=
III. NHIỆM VỤ THỰC HÀNH. 1. Dụng cụ. 1. Laser He-Ne.
2. Màn chắn có 3 khe đơn. 3. Giá đỡ màn chắn.
4. Tế bào quang điện có khe chắn sáng 0,3 mm.
5. Hệ thống dịch chuyển ngang có gắn thước đo.
6. Máy khuếch đại đa năng. 7. Đồng hồ đa năng.
8. Ray quang học có bộ điều chỉnh độ cao.
9. Hai đế quang học (dịch chuyển được trên ray). 10. Các dây nối. 2. Các bước tiến hành.
Chiếu chùm tia laser vào khe hẹp đặt cách laser một khoảng từ 5 - 10cm. Tế bào quang điện
đặt cách xa màn chứa khe một khoảng tối thiểu là 800 mm. Điều chỉnh độ cao và phương của laser,
độ cao màn chứa khe và độ cao của tế bào quang điện sao cho sao cho ảnh nhiễu xạ rơi vào khe chắn
trên tế bào quang điện.
Phân bố cường độ nhiễu xạ được đo bằng tế bào quang điện mắc với một vôn kế. Điện thế đo
được ở hai đầu tế bào quang điện gần đúng tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới. Để đảm bảo cho cường
độ ánh sáng của chùm tia laser là không đổi, nên khởi động máy phát laser chừng nửa giờ trước khi
bắt đầu làm thí nghiệm.
Để đo cường độ của một cực đại hoặc cực tiểu, ta dùng hệ thống dịch chuyển ngang để di
chuyển tế bào quang điện sao cho cực đại hoặc cực tiểu cần đo rơi đúng vào khe chắn. Chờ khoảng
5 giây cho giá trị ổn định, đọc giá trị chỉ thị của vôn kế và ghi vào bảng số liệu. Tiếp tục lặp lại như
thế với các cực đại hoặc cực tiểu khác.
Nếu có nhiều khe hẹp có bề rộng khác nhau, lặp lại phép đo cho các khe này.
* Các bước tiến hành cụ thể.
1. Điều chỉnh hệ thống sao cho hình ảnh nhiễu xạ rơi vào khe trên tế bào quang điện. Giữ
khoảng cách giữa khe và màn không đổi (lớn hơn 800 mm).
2. Ghi bề rộng d của khe vào bảng số liệu. 49
Nhiễu xạ qua một khe hẹp và nguyên lí bất định Heisenberg
3. Xác định khoảng cách b từ khe đến màn chắn và ghi vào bảng số liệu.
3. Xác định vị trí các cực đại phụ (xác định đến bậc 2) và cực tiểu nhiễu xạ (xác định đến bậc
3) bằng cách xác định khoảng cách từ các cực đại phụ và cực tiểu đó đến vân trung tâm.
4. Ghi các giá trị tương ứng của hiệu điện thế trên máy đo vạn năng ứng với các cực đại phụ
và cực tiểu đó. Giá trị đo được ghi vào bảng số liệu. Khoảng Bề rộng Cực đại Vị trí am Điện thế Cực tiểu Vị trí Điện thế cách b khe (mm) bậc (mm) U (V/mV) bậc (mm) U (V/mV) (mm) 0 1 d1 = 1 2 2 3 0 1 d2 = 1 2 2 3 0 1 d3 = 1 2 2 3
6. Nghiệm lại các công thức (3), (4).
7. Vẽ đồ thị phân bố cường độ nhiễu xạ tỉ đối ◌୍( ) = $ ( ) vào khoảng cách a ◌୍ m từ các cực đại ( ) ( )
phụ đến vân trung tâm. Nghiệm lại công thức (5).
8. Tính toán các số liệu trong bảng sau để nghiệm lại hệ thức bất định Heisenberg. Vị trí cực Bước sóng
Bề rộng khe Khoảng cách Góc tương d tiểu bậc 1 a Tích sinα (mm) (mm) b (mm) 1 ứng α λ (mm) d1 = λ = d2 = d3 =
9. Nhận xét kết quả thí nghiệm
+ Độ chính xác trong phạm vi sai số.
+ Có thể cải tiến bố trí thí nghiệm ra sao. IV. CÂU HỎI.
1. Chứng minh các công thức 1 - 4.
2. Nếu bề rộng khe tăng lên, sẽ có hiện tượng gì xảy ra? Giải thích? 50
Các đường cong đặc tính của Pin Mặt trời TNVL2-10
CÁC ĐƯỜNG CONG ĐẶC TÍNH CỦA PIN MẶT TRỜI I. Mục đích, yêu cầu
Đo đặc tuyến Vôn-Ampe của pin mặt trời với các cường độ sáng tới khác nhau.
Xác định sự phụ thuộc của thế không tải Vk và dòng đoản mạch IĐ vào nhiệt độ. II. Cơ sở lý thuyết.
Nếu pha nguyên tử tạp chất có hoá trị 3 vào bán dẫn Si tinh khiết ta thu được bán dẫn loại p.
Nếu pha nguyên tử tạp chất có hoá trị 5 vào bán dẫn Si tinh khiết ta thu được bán dẫn loại n.
Ghép bán dẫn loại p và loại n với nhau ta được lớp tiếp xúc p-n. Tại lân cận tiếp xúc, điện tử tại
vùng n khuếch tán sang vùng p, để lại vùng n những iôn dương. Nguyên tử vùng p nhận điện tử
thành iôn âm. Như thế tại nơi tiếp xúc có một lớp không gian tích điện trái dấu, tạo thành điện
trường E có hướng như hình 1. E + - P - + n - + δ Xp 0 Xn Hình 1
Dưới tác dụng của điện trường này, lỗ trống trong vùng n (hạt không cơ bản) kí hiệu Pn
chuyển động từ vùng n sang vùng p, và làm điện tử trong vùng p (hạt không cơ bản) kí hiệu np
chuyển động từ vùng p sang vùng n. Kí hiệu lớp tiếp xúc là δ. Bề dầy lớp n là Xn, bề dầy lớp p là
Xp. Mặt khác điện trường này cản trở các hạt cơ bản pp, nn vượt qua lớp tiếp xúc.
Nếu chiếu ánh sáng vào vùng n, các phôtôn làm phát sinh các cặp điện tử-lỗ trống. Như
vậy điện tử được sinh ra trong vùng n do tác dụng của ánh sáng sẽ bị ngăn cản bởi ngưỡng thế năng ϕ0 (hình 2). ϕ0 = e.UD p n Hình 2
Ngược lại lỗ trống trong vùng n sẽ được điện trường E đẩy sang vùng p tạo thành dòng JΦ do
ánh sáng gây nên. Dòng này làm cho vùng p tích điện dương, trạng thái cân bằng bị phá vỡ làm
cho thế năng của điện tích trong tiếp xúc p-n dịch chuyển một lượng eUΦ trong đó UΦ thế hiệu
sinh ra do chiếu sáng. Sự thay đổi mức fermi một lượng eUΦ làm cho ngưỡng thế năng ϕ0 giảm
một lượng tương ứng. Đường đặc trưng vôn ampe của pin mặt trời 51
Các đường cong đặc tính của Pin Mặt trời eU F J − Jୱ exp − 1 = I kT
Trong đó Js là mật độ dòng khuếch tán, F là tiết diện của lớp tiếp xúc p-n và JΦ là mật độ dòng
qua lớp tiếp xúc do ánh sáng gây nên, hay eU I − I୬ୱ exp − 1 = I kT
a- Xét mạch tương đương của pin mặt trời: Tác dụng của ánh sáng làm phát sinh dòng JΦ có thể
coi tương đương như một máy phát mà dòng do nó sinh ra phụ thuộc cường độ và phổ của ánh
sáng tới. Dòng IΦ sinh ra do ánh sáng làm phát sinh các cặp điện tử-lỗ trống, chúng chuyển động
tới tiếp xúc p-n mà chưa kịp tái hợp với nhau. Nếu xét đến hiện tượng tái hợp, và gọi dòng tái
hợp là I1, thì dòng mạch ngoài là: I = I − Iଵ
Như thế mạch tương đương với pin mặt trời thực gồm (hình 3): I IΦ I1 s Rn R H R 0 Rs Hình 3 Trong đó:
- Điện trở tải RH, có dòng I chạy qua
- Điện trở tiếp xúc kim loại với pin mặt trời và điện trở phân bố lớp p, lớp n tiếp xúc ngoài Rn.
- Điện trở phụ Rs do điện trở ngược của tiếp xúc p-n và do bề mặt pin mặt trời bị bẩn.
- Điện trở tiếp xúc p-n, R0
Trong thực tế chỉ có Rn là ảnh hưởng nhiều đến chế độ làm việc của pin mặt trời . Id mA RH Hình 4 Φ Theo sơ đồ ta có: I = Iଵ + Iୱ + I
Giả sử Rs vô cùng lớn: I = Iଵ + I Từ sơ đồ: U U Iଵ = ; I = R Rେ◌ୗ + R୬ 52
Các đường cong đặc tính của Pin Mặt trời Suy ra: I R I େ◌ୗ + R୬ ଵ = R I R I = I େ◌ୗ + R୬ + R ଵ + I = R I R I = Rେ◌ୗ + R୬ + R I B A U(V)
Hình 5: Ba đường đặc trưng I-V ứng với ba cường độ sáng
Trong những điều kiện cụ thể IΦ = K.Φ, trong đó K là h ệ số tỉ lệ hay độ nhạy tích phân: KΦ I = Rେ◌ୗ + R୬ R + 1
* Xét trường hợp đoản mạch RH = 0, nghĩa là dòng đoản mạch KΦ IĐ = R୬ R + 1
Trong hình 5, điểm B ứng với trường hợp đoản mạch.
Vì điện trở tiếp xúc R0 giảm theo hàm mũ khi tăng cường độ sáng, do đó nếu Φ nhỏ thì R0>>Rn nên ta có: IĐ = KΦ
Từ (9) và (10) thấy rằng dòng mạch ngoài càng tuyến tính với Φ thì RH càng nhỏ (hình 4).
Đặc trưng von-ampe của pin mặt trời khi có thế ngoài U đặt vào tiếp xúc p-n (hình 5). eU Iଵ = Iୱ exp − 1 kT Trong đó D D I ୮n୮ ୬n୬ ୱ = eF + L୮ L୬
Đưa (12) vào (2) ta được họ đường đặc trưng Vôn-ampe eU I = I − Iୱ exp − 1 kT
Nếu coi IΦ là biến ta được họ đặc trưng (Hình 5). Cường độ sáng Φ càng lớn thì I càng
lớn. Với cường độ sáng xác định, U tăng thì I giảm. Khi U nhỏ sao cho eU << KT thì I = IΦ - I1 ≈ IΦ là hằng số. 53
Các đường cong đặc tính của Pin Mặt trời
* Xét trường hợp hở mạch (I = 0). Điểm A trên đồ thị ứng với U mạch hở (RH= ∞ ), I = 0. Từ (14) có kT I U = ln + 1 e Iୱ
Theo (15) điện áp đo trực tiếp trên pin tỉ lệ thuận với cường độ sáng theo hàm logarit.
III- Hướng dẫn thực hành A. Dụng cụ thí nghiệm.
1. Nguồn sáng là đèn 220V/120W
2. Bộ pin gồm 4 pin mắc nối tiếp
3. Pin nhiệt điện với S1 = 44,8 µV/Wm-2
4. Máy đo vạn năng 2 chiếc.
5. Bản thuỷ tinh 100*150mmm
6. Nhiệt kế 100 đến 1000C
7. Máy quạt khí nóng lạnh 1300W
8. Biến trở 33Ω - 3.1 A.
9. Thước chia mm, dây nối, kẹp bàn
10. Máy khuếch đại vạn năng. B. Thực nghiệm.
1- Vẽ đường cong mẫu, cường độ sáng phụ thuộc khoảng cách. Đặt nguồn sáng lên bàn,
điều chỉnh nguồn phù hợp, kẹp thước chia mm thẳng dưới chân nguồn sáng, đặt đế đỡ và pin
nhiệt điện cách nguồn 60cm, nối hai đầu ra của pin vào đồng hồ vạn năng, để đồng hồ vạn năng
ở chế độ 1 chiều, đo hiệu điện thế.
- Thay đổi khoảng cách giữa pin nhiệt điện và nguồn sáng từng 10cm một từ 60cm đến 140cm (không để pin < 60cm)
- Tín hiệu U được đọc trên máy đo vạn năng, tính cường độ sáng Φ = U/Si, ghi kết quả vào bảng: S(cm) 60 70 …………. 140 Lần 1 Lần U(mV) 2 Lần 3 U (mU) Φ= U/Si Wm-2 Vẽ đồ thị Φ = f(s)
2- Đo thế không tải UK và dòng đoản mạch IĐ của pin mặt trời với cường độ khác nhau:
Giữ cố định nguồn sáng. Thay pin nhiệt điện bằng pin mặt trời,
đo thế không tải (sơ đồ bên) với các giá trị φ khác nhau bằng cách
dịch chuyển pin mặt trời từ 60 cm đến 140 cm. Kết quả đo ghi vào V bảng 2. 54
Các đường cong đặc tính của Pin Mặt trời S(cm) 60 70 ……… 130 140 φWm- 2 UKmV IĐmA
Sau khi đo xong UK = f(Φ), tắt máy đo vạn năng, chuyển
chế độ cho U sang đo A trên máy vạn nặng. A
Mắc sơ đồ như hình vẽ bên. Đẩy con chạy của biến trở cho RH
= 0. Dịch chuyển pin mặt trời mỗi lần 10cm từ khoảng cách 60
đến 140 cm từ nguồn. Sau mỗi lân đo , kết quả ghi vào bảng 2
Vẽ đồ thị UK = f(Φ), IĐ = f(Φ)
3- Tính hiệu suất pin mặt trời:
Hiệu suất pin mặt trời η được tính bằng tỉ số công suất cực đại Pmax trên công suất phát xạ
trên một đơn vị diện tích bề mặt P0 trong đó: P η = ୫ୟ୶ P S
S: Diện tích bề mặt pin; ξ đối với Si ≤ 0,8
P0: Công suất ánh sáng tới/1đvị diện tích bề mặt
4- Đo đặc trưng Von-Ampe của pin mặt trời với các chế độ khác nhau: A V
Để đo đặc trưng von-ampe, mắc mạch như sơ đồ trên. Thay đổi biến trở từ giá trị 0 tới
Rmax. Đọc kết quả trên V và A. Giá trị U, I ghi vào bảng 3. Thay đổi cường độ sáng (bằng cách
thay đổi khoảng cách giữa nguồn và pin mặt trời) tương ứng với các giá trị 400W/m2, 200W/m2,
125W/m2 được 3 đường cong đặc trưng von-ampe. Kết quả ghi vào bảng 3. U Φ = 400w/m2 I U Φ = 200w/m2 I U Φ = 125w/m2 I
Cố định cường độ sáng Φ = 400 w/m2, đo đặc trưng vôn-ampe với trường hợp
- Không thổi gió lạnh vào pin mặt trời
- Thổi gió lạnh vào pin mặt trời.
- Có tấm thuỷ tinh chắn trước pin mặt trời. 55
Các đường cong đặc tính của Pin Mặt trời
Kết quả ghi vào bảng 4. Không thổi gió U lạnh I U Thổi gió lạnh I U Có tấm chắn I
Vẽ đồ thị đặc trưng von-ampe ở bảng 3 thành 1 họ đường cong trên cùng hệ trục toạ độ.
Tương tự đối với bảng 4.
6- Nếu có phòng tối, lấy ánh sáng tự nhiên chiều vào pin mặt trời:
Đo cường độ sáng Φ của ánh sáng tự nhiên đo đặc trưng von-ampe ứng với giá trị Φ của ánh
sáng tự nhiên. Từ đồ thị bảng 1, lấy Φ của đèn là Φ của ánh sáng tự nhiên. Đo đặc trưng von-
ampe trong trường hợp này. So sánh 2 đồ thị có cùng Φ nhưng trường hợp đầu là là ánh sáng tự
nhiên, còn cái kia là của đèn dây tóc 120W. IV. CÂU HỎI
1. Ghi các giá trị trong bảng đo 1, 2, 3, 4 và vẽ đồ thị tương ứng. Cho nhận xét về giá trị trong các bảng đó.
2. Giải thích kết quả thực nghiệm, nguyên nhân sai số.
3. Photodiot và pin mặt trời đều có cấu trúc là phần tử tiếp xúc p-n, nhưng nguyên tắc hoạt động có gì khác nhau? 56