Thiết kế mới một số bài thí nghiệm Vật lý đại cương

Nguyễn Thanh Tùng

Thiết kế mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương

THIẾT KẾ MỚI MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG

Nguyễn Thanh Tùng⁽¹⁾

⁽¹⁾Trường Đại học Thủ Dầu Một

Ngày nhận 20/10/2016; Chấp nhận đăng 20/03/2017; Email: [email protected]

Tóm tắt

Bài viết này trình bày nội dung thiết kết một số bài thí nghiệm phục vụ giảng dạy các

học phần thực hành Vật lý đại cương cho sinh viên ngành Vật lý học, Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ

thuật phần mềm, Kỹ thuật Điện - Điện tử của Trường Đại học Thủ Dầu Một. Các bài thiết kế

bao gồm cả phần cơ và phần điện. Phần cơ gồm các thí nghiệm về sóng dừng trên dây đàn

hồi, giao thoa sóng nước. Phần điện gồm các bài thí nghiệm khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe

của diode và diode Zener, Transistor, khảo sát mạch điện xoay chiều RLC mắc nối tiếp và

hiện tượng cộng hưởng điện, khảo sát mạch điện bằng dao động ký (OSC). Phương án thiết

kế với thiết bị dễ tìm mua trên thị trường, lắp ghép đơn giản, gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ thay

thế, chỉnh sửa khi bị hư hỏng. Các bài thiết kế đã được dạy thử học phần Thực hành Vật lý

đại cương 2 (0+1) ngành Vật lý học.

Từ khóa: thiết kế, thí nghiệm, vật lý đại cương, cơ học

Abtract

DESIGN SOME EXPERIMENT OF GENERAL PHYSICS

This topic presents the content designed some General Physics experiments for Physics

studients, Engineering, Software Engineering, Electrical Engineering of Thu Dau Mot University.

Design articles include both mechanical and electrology parts. The mechanical part consists of

experiments about stationary waves on elastic belts, interference water wave. The electrical part

consists current voltage characteristic of diode, zener diode, and transistor, examine RLC electric

circuit and electric resonance, examine Oscilloscope (OSC) by circuit board. The design with easy

to find equipment on the market, simple assembly, compact, easy to use, easy to replace and

repair. The design have been tested in the General Physics subject 2 (0 + 1) of Physics faculty."

1. Các bài thí nghiệm phần cơ học

1.1. Khảo sát sóng dừng trên dây đàn hồi

Thiết bị bộ thí nghiệm gồm: máy phát tần số, loa điện động, thước đo, chân và giá đỡ,

dây đàn hồi, lực kế, dây nối nguồn điện. Khi tín hiệu xung f phát ra từ máy phát tần số làm cho

loa điện động rung và truyền dao động cơ với vận tốc v đến dây đàn hồi chiều dài L(m) được

cố định hai đầu. Do sóng cơ bị phản xạ ở đầu kia và đi ngược chiều với sóng ban đầu gây ra

hiện tượng giao thoa với sóng tới và ta thu được sóng dừng trên dây. Các nút sóng (nơi biên độ

sóng triệt tiêu), bụng sóng k (nơi biên độ sóng cực đại) xuất hiện xen kẽ nhau, quan hệ công

thức với bước sóng λ(m) (1) và quan hệ giữa tần số f (Hz), chu kỳ T (s), vận tốc v (m/s) với

bước sóng λ (m) (2).

154

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 2(33)-2017

1



2

  v.T  v.

L  k

(1).

(2)

f

Khi số bụng k = 3, chiều dài dây L = 60cm, kết quả tính toán theo (2) ta thu được kết

quả như bảng 1.

Bảng 1. Kết quả khảo sát sóng dừng với k = 3 bụng,

sai số phép đo 1,6%

Lần

đo

1

2

3

Tần số f

(Hz)

47

Bƣớc sóng λ

Vận tốc v

(m/s)

18,8

(m)

0,4

48

49

47

19,2

19,6

18,8

4

Giá trị trung bình của vận tốc:

n

v₁ v₂...v_n

19,1

v  v 



i

n

i1

n

v_iv

0,3

^{Sai số:}v 



n

i1

19,1 ± 0,3

Giá trị vận tốc: v  v v

Hình 1. Bộ thí nghiệm sóng dừng (hình ảnh sóng

dừng khi k = 3)

1.2. Khảo sát giao thoa sóng nước (thí nghiệm biễu diễn)

Thiết bị bộ thí nghiệm gồm: giá thí nghiệm (chân đế, khay nước), gương phẳng phản xạ

và màn hứng ảnh mica, bộ loa điện động, các cần rung, cần tạo sóng (1 cần tạo sóng phẳng, 1

cần tạo sóng tròn, 1 cần tạo hai sóng tròn), thanh chắn sóng (không có khe, 1 khe, 2 khe),

nguồn sáng 12V-20W, biến thế nguồn, dây nối, máy phát tần số.

Hình 2. Hình ảnh giao thoa sóng nước

155

Nguyễn Thanh Tùng

Thiết kế mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương

Khi mở nguồn điện, máy phát tần số truyền xung điện ra loa điện động và truyền dao

động cơ ra ngoài cần rung, cho cần rung tiếp xúc mặt nước làm sóng nước xuất hiện, ảnh của

sóng nước được phản xạ qua gương phẳng đi đến màn hứng ảnh. Dùng các loại cần tạo sóng

khác nhau chúng ta có thể quan sát được hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ của sóng nước.

2. Các bài thí nghiệm phần điện

2.1. Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode

Việc khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe có nhiều cách thiết kế khác nhau nhưng đa số đều

phải lắp ráp nhiều thiết bị riêng lẻ. Ở thí nghiệm này, chúng tôi tích hợp các linh kiện gồm:

nguồn cấp điện AC/DC, diode, điện trở, biến trở trên một khối (hình 3). Khi lắp đặt mạch khảo

sát diode với sơ đồ mạch điện, việc khảo sát hoạt động của diode trở nên dễ dàng hơn. Đo đạc

kết quả với hai loại diode chịu dòng khác nhau (như 1A, 5A) với số liệu khảo sát theo chiều

thuận với D_Tvà nghịch với D_Nchúng tôi thu được kết quả như bảng 2.

Hình 3. Sơ đồ mạch và hình ảnh mạch Khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của diode

I-1A

0.00

U (V)

-2.00

I-5A

0.00

I-1A

0.00

U (V)

0.20

I-5A

0.01

Bảng 2. Số liệu khảo sát đặc

tuyến Vôn-Ampe của các diode

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.05

0.10

0.30

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.02

0.01

0.24

0.26

1.56

1.24

5.15

5.14

15.10

36.00

16.60

41.20

Hình 4. Đặc tuyến Vôn-Ampe

phân cực thuận của các diode

1A, 5A

156

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 2(33)-2017

2.2. Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode Zener

Tương tự sơ đồ mạch và cách thiết kế của mạch diode, chúng tôi thay thế bằng diode

Zener để khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của loại diode này. Kết quả khảo sát cho ở hình 5, với

điểm Zener dòng tăng rất cao tại 6,2V trong quá trình phân cực nghịch cho diode.

Hình 5. Hình ảnh và sơ đồ mạch Khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của diode Zener

Đồ thị hình 6 cho thấy, diode

Zener phân cực thuận khi điện thế

đạt giá trị 0,7V và đạt điểm Zener

rất cao khi bị phân cực nghịch tại

điện thế -6,1V.

Hình 6. Đặc tuyến V-A phân cực

thuận, nghịch của diode Zener 6,2V

2.3. Khảo sát đặc tuyến Vôn-Ampe của Transisor

Mạch khảo sát đặc tuyến của Transistor được tích hợp gọn trên một khối (hình 7). Tiến

hành đo đạc và đã thu được kết quả các dòng điện I_Bvà I_Ccủa transistor C945, số liệu thực

nghiệm được ghi lại ở bảng 3. Qua đó xác định được hệ số khuếch đại dòng của Transistor một

cách dễ dàng.

Hình 7. Hình ảnh

sơ đồ mạch điện

khảo sát

Transistor C945

157

Nguyễn Thanh Tùng

Thiết kế mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương

Bảng 3. Số liệu đo thực nghiệm đặc tuyến Vôn-Ampe của Transistor C945

I_C(I_B=10µA)

0.01

I_C(I_B=20µA)

0.01

I_C(I_B=30µA)

0.01

I_C(I_B=40µA)

0.01

STT

1

U_EC(V)

0.00

0.04

0.08

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

2

0.10

0.30

0.45

0.70

3

0.42

1.50

2.10

2.90

4

0.65

3.50

4.60

7.10

5

0.90

4.30

5.90

8.50

6

1.10

5.30

6.70

9.50

7

1.28

5.80

7.03

10.30

11.20

13.30

13.60

13.80

13.90

14.20

14.50

14.80

14.90

8

1.32

6.10

7.30

9

1.70

6.70

8.20

10

11

12

13

14

15

16

2.00

6.80

8.60

2.40

6.90

8.90

2.70

7.10

9.20

3.10

7.12

9.70

3.50

7.30

10.00

10.10

10.30

3.55

7.43

3.56

7.46

Hình 8. Đặc tuyến Vôn-

Ampe của Transistor C945

với các dòng I_Bkhác nhau

Theo số liệu mà chúng tôi đo được đối với C945 thì độ khuếch đại h_FEcó thể tính được

như bảng 4 (phù hợp với thông số trong [6].

Lần đo

Dòng I_B(µA)

Dòng I_C(mA)

I_C

I_B

h_FE

1

2

3

4

TB

10

20

30

40

3,5

7,2

10,2

14,5

350

360

340

363

353

Bảng 4. Kết quả tính độ khuếch đại dòng của C945

158

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một

Số 2(33)-2017

2.4. Khảo sát dòng điện xoay chiều với mạch RLC mắc nối tiếp

Ở thí nghiệm này chúng tôi khảo sát

dòng điện xoay chiều với mạch RLC mắc nối

tiếp bằng cách dùng dao động ký (OSC). Tín

hiệu xung xoay chiều được tạo ra từ máy phát

tần số f đặt vào hai đầu mạch điện. Với cách

nối dây khác nhau sẽ tạo ra các dạng mạch khác

nhau (R nối tiếp R’, R nối tiếp tụ điện C, R nối

tiếp cuộn dây L (có điện trở trong R₀) và mạch

RLC nối tiếp). Tần số f của xung được điều

chỉnh với những giá trị khác nhau, trên dao

động ký xác định được các góc lệch pha khác

nhau giữa dòng i(t) và hiệu điện thế u(t) toàn

mạch, qua đó chúng ta có thể xác định các giá

trị C, L thông qua các góc lệch pha. Khi dòng

điện đạt giá trị cực đại I = I_maxtrên ampe kế thì

trên OSC hai sóng hình sin thể hiện hai kênh

i(t) và u(t) cũng trùng nhau về pha (hình 7).

Hình 9. Hình ảnh mạch khảo sát mạch điện

xoay chiều khi xảy ra cộng hưởng

2.5. Thí nghiệm về dao động ký điện tử (OSC)

Thí nghiệm này hướng dẫn cho

sinh viên biết các bước cơ bản về chức

năng và cách sử dụng máy dao động ký

điện tử (OSC), cách thức xác định chu

kỳ T dựa vào nút chỉnh Times/div hay

tần số f (nghịch đảo của chu kỳ), giá trị

hiệu dụng U hay cực đại U₀của hiệu

điện thế xung tín hiệu vào dựa vào cách

chỉnh các nút Volt/div và đếm số div để

xác định giá trị Vpp. Thí nghiệm cũng

lắp đặt thêm mạch điện với hình thức

khảo sát dạng tín hiệu xung bằng OSC

khi mạch điện xoay chiều được chỉnh

lưu 1 bán kỳ và 2 bán kỳ, khi chưa dùng

tụ điện lọc tín hiệu. Khi dùng tụ có điện

dung C₁(47μF) nhỏ thì tín hiệu vẫn còn

gợn sóng, khi dùng tụ điện C₂(2000μF)

tương đối lớn hơn C₁thì dòng điện trở

nên phẳng, ổn định hơn.

Hình 10. Hình ảnh mạch thí nghiệm dao động ký khi

chỉnh lưu 1 bán kỳ

159

Nguyễn Thanh Tùng

3. Thực nghiệm

Thiết kế mới một số bài thí nghiệm vật lý đại cương

Sau khi thiết kế, lắp đặt xong các thiết bị, chúng tôi tiến hành thực nghiệm trên lớp thực

hành vật lý đại cương Khoa Khoa học Tự nhiên Trường Đại học Thủ Dầu Một với 75 sinh

viên. Tiến hành khảo sát ý kiến người học thông qua 10 tiêu chí và 4 mức đánh giá với nội

dung được ghi ở bảng 5 và kết quả thể hiện trên đồ thị hình 11.

Bảng 5. Bảng câu hỏi khảo sát ý kiến người học

Câu

Tiêu chí nhận xét

Yếu

TB

Khá

Tốt

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Hình thức thiết kế của các bài thí nghiệm



Độ bền, tính chắc chắn của vật tư, thiết bị thí nghiệm

Tính thuận tiện, tinh gọn của từng bài thí nghiệm

Sự tin cậy của số liệu thực nghiệm trong quá trình đo đạc

Sự phù hợp của Tài liệu hướng dẫn thực hành với thiết bị

Tính vừa sức giữa thời lượng và kiến thức các bài thí nghiệm

Tính hiệu quả, thiết thực của các thiết bị mới

Sự hứng thú, hấp dẫn khi sử dụng các thiết bị mới

Trách nhiệm, kiến thức của giảng viên cho bài học

Công tác tổ chức kiểm tra đánh giá học phần

10

Hình 11. Kết quả khảo sát

ý kiến người học

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lương Duyên Bình (2009), Giáo trình vật lý đại cương tập 1, 2, 3, NXB Giáo dục.

[2] Trần Kim Cương (2009), Thực tập vật lý đại cương A1, Trường Đại học Đà Lạt.

[3] Đào Nguyên Khánh (2014), Tài liệu ôn thi Vật lý 12, Trường Đại học Hàng Hải.

[4] Nguyễn Văn Nghĩa (2009), Thí nghiệm vật lý đại cương II, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ.

[5] Trường Đại học Bách Khoa TP HCM (2009), Kỹ thuật điện điện tử.

[6] Website http://www.alldatasheet.com

[7] Website https://en.wikibooks.org/wiki/Practical_Electronics/Oscilloscopes

[8] Website https://vi.wikipedia.org/wiki/Dao_dong_ky

160