BỘ MÔN VẬT LÝ GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM VẬT LÝ 2 PHÒNG A5- 403A THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2022 MỤC LỤC Bài thí nghiệm Trang Cơ sở đo lường và sai số 1 Đồ thị và khớp hàm 7 Xác định kích thước và khối lượng 11 Bài 1: Xác định vận tốc truyền xung trong dây cáp đồng trục 16 Bài 2: Khảo sát tương tác từ của dòng điện nghiệm định luật ampre về 20 lực từ Bài 3: Phân cực ánh sáng 27 Bài 4: Xác định giá trị điện trở, điện dung, độ tự cảm, tần số cộng hưởng 31 bằng oscilloscope Bài 5: Khảo sát đặc tính của diode và transistor 47 Bài 6: Xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp 64 magnetron Bài 7: Xác định bước sóng ánh sáng đơn sắc bằng phương pháp nhiễu xạ 72 qua cách tử phẳng Bài 8: Đặc trưng bức xạ và sự phân cực của sóng decimet - điều chế biên 83 độ trong vùng sóng decimet - ước lượng hằng số điện môi trong vùng sóng decimet Bài 9: Khảo sát hiện tượng quang điện ngoài – Xác định công thoát 93 electron 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Bài thí nghiệm số 1 XÁC ĐỊNH VẬN TỐC TRUYỀN XUNG TRONG DÂY CÁP ĐỒNG TRỤC -----ooo----- Mục tiêu: Sau khi học xong bài này sinh viên có khả năng: 1. Về kiến thức: Nêu được phương pháp đo và các bước tiến hành thí nghiệm đo vận tốc truyền xung trong dây cáp đồng trục 2. Về kỹ năng: Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo, tiến hành đúng trình tự thí nghiệm để thu được số liệu chính xác. Về thái độ: Cẩn thận, kiên trì, chính xác, trung thực, khách quan.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dây cáp được sử dụng để truyền tải tín hiệu điện. Do lõi dẫn điện được bọc bởi lớp bên ngoài (hình 8.1) nên tín hiệu bên trong cáp không bị nhiễu bởi môi trường ngoài. Xung truyền đi được tính từ phương trình điện tín (telegraph equation). Bỏ qua điện trở thì vận tốc truyền xung là: 1 𝑣= (8.1) √𝐿𝐶 với L, C lần lượt là độ tự cảm và điện dung tính trên một đơn vị chiều dài dây.
Trường hợp tần số tín hiệu lớn, vận tốc truyền xung lúc 𝑐 này là: 𝑣= √ 𝜀 𝑟 𝜇𝑟 Hình 8.1: Cấu tạo của dây (8. với 𝜀𝑟 , 𝜇𝑟 là hằng số điện môi tỉ đối và hằng số từ thẩm tỉ đối của lớp điện môi giữa phần trong và ngoài của vật dẫn; c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Trong dây cáp luôn tồn tại một trở kháng Z, liên hệ với cường độ dòng I và hiệu điện thế 𝑼 U giữa lớp trong và lớp ngoài của dây theo biểu thức 𝒁 = 𝑰. Khi truyền tín hiệu, trong dây cáp bao gồm hai thành phần: xung tới và xung phản xạ.
Nếu đầu cuối dây để hở, xung phản xạ có cùng biên độ với xung tới (hình 8. Nếu kết thúc dây là điện trở R thì biên độ của xung phản xạ được tính theo biểu thức 𝑹−𝒁 𝑽𝒓 = 𝑽, (8.3) 𝑹+𝒁 𝒊 với Vr, Vi lần lượt là biên độ xung phản xạ và biên độ xung tới. Đặc biệt khi R = 0 (hiện tượng đoản mạch), xung phản xạ ngược dấu so với xung tới (hình 8. Sự phản xạ xung ở cuối dây được sử dụng trong việc đo vận tốc truyền.
Sau khi phản xạ, xung quay trở lại dao động kí và bị trễ bằng khoảng thời gian truyền.2: Xung phản xạ trong hai trường hợp: a – Dây cáp hở, 16 b – Đoản mạch (điện trở R = 0). DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO 1. Dụng cụ đo: Dụng cụ thí nghiệm gồm: Bộ nguồn phát xung ánh sáng, bên trong gồm đèn led, kính bán mạ S đặt 45o và diode tiếp nhận ánh sáng (1). Dao động ký điện tử (2).
Hai dây cáp đồng trục dài 1m (3). Dây cáp đồng trục dài 10m (4). Cổng T chuyển đổi (7). Các dụng cụ thí nghiệm này được lắp đặt như ở hình vẽ 8.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 2.
Phương pháp đo i. Xác định vận tốc truyền tín hiệu trong dây cáp đồng trục Xung truyền đi với quãng đường bằng 2 lần chiều dài dây trong thời gian t nên vận tốc truyền xung trong dây cáp là 2𝑙 𝑣= 𝑡 (8.4) với l là chiều dài dây cáp, t là khoảng thời gian sai biệt giữa xung tới và xung phản xạ (đọc từ máy dao động ký). Khảo sát sự phản xạ ở cuối dây cáp Ứng với mỗi giá trị của biến trở gắn ở cuối dây, biên độ của xung phản xạ sẽ thay đổi so với xung tới (thể hiện trên máy dao động ký). TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm được lắp ráp như hình 8.
- Bật bộ nguồn phát xung và đặt gương nhỏ ở cửa sổ trên cùng của bộ nguồn. - Nối cổng T với máy dao động ký theo kênh CH1 và sử dụng cáp 1m để nối cổng “Pulses” của nguồn phát xung với cổng T. - Kiểm tra xem dây cáp 1m đã nối cổng “Trigger” của nguồn phát xung với cổng “Ext. Trig” trên máy dao động ký chưa (Hình 8.
- Điều chỉnh máy dao động ký trước khi tiến hành thí nghiệm: o Cường độ sáng INTENS: vừa đủ sáng để thấy tín hiệu. o Đối với kênh CH1: Chế độ DC. Độ phóng đại theo phương thẳng đứng VOLTS/DIV: tùy chọn trong khoảng 5-100 mV/cm. o Đối với Trigger: Source: Chọn EXT.
Coupling : Chế độ AUTO. Tốc độ quét TIME/DIV: chọn trong khoảng 0,1 - 0,5 µs/cm. Độ phóng đại theo phương ngang X-MAG: 1x hoặc 10x. ( Nút Position kéo ra là X- MAG: 10x) - Điều chỉnh các núm vị trí để quan sát tín hiệu xung tới trên màn hình dao động ký.4: Máy dao động ký Lưu ý: Trên máy dao động ký, nếu ta chọn Time/div: 0,5 µs/cm ; X- Mag: 10x, và giả sử ta đọc được khoảng cách giữa hai đỉnh xung x = 5cm (hình 8.5) thì thời gian xung truyền trong dây cáp là 1 𝑡 = 5𝑐𝑚.
Đo vận tốc truyền xung - Nối cáp 10m với cổng T. - Bật độ phóng đại X-MAG của máy dao động kí tới 10x. Tín hiệu trên màn hình dao động ký. 18 - Dịch điểm cực đại của xung tới đến một đường thẳng đứng bên trái máy bằng cách thay đổi vị trí X-POSITION.
- Nếu tín hiệu quá lớn theo trục thẳng đứng, ta điều chỉnh nút VOLTS/DIV để quan sát được cả hai xung trên màn hình dao động ký. - Xác định khoảng cách giữa hai đỉnh xung x và viết các kết quả đo vào bảng số liệu. - Từ đó tính thời gian sai khác t giữa xung tới và xung phản xạ. Khảo sát sự phản xạ ở cuối dây cáp - Nối biến trở với đầu cuối dây cáp.
- Vặn biến trở đến giá trị lớn nhất 1kΩ và quan sát tín hiệu trên màn hình dao động ký. - Thay đổi biến trở đến các giá trị thấp hơn và dần tới 0, đồng thời quan sát sự thay đổi tín hiệu trên màn hình dao động ký. - Thay biến trở bằng điện trở 47Ω và quan sát tín hiệu. Đo vận tốc truyền xung Chiều dài dây cáp: l = (10,00 ± 0,01) m; Độ phóng đại X-MAG: ……………………….
Tốc độ quét TIME/DIV: ……………… a. Đo khoảng cách giữa 2 đỉnh xung x và tính sai số tuyệt đối của phép đo x b. Tính thời gian truyền xung t, sai số Δt c. Tính vận tốc truyền xung v trong dây cáp, sai số tuyệt đối Δv và sai số tương đối εv d.
Viết kết quả đo vận tốc v So sánh với vận tốc truyền xung lý thuyết tính theo biểu thức (8.2) khi chất điện môi là Teflon, biết 𝜇𝑟 = 1 và 𝜀𝑟 = 2,25. Nhận xét kết quả đo. Khảo sát sự phản xạ ở cuối dây cáp a. Từ tín hiệu thu được trên màn hành dao động ký, vẽ đồ thị V = f(t) (với V : điện thế của xung tín hiệu, t : thời điểm) thể hiện sự thay đổi của biên độ xung phản xạ so với xung tới ứng với các giá trị R = 1 kΩ, R = 0 Ω, R = 47 Ω.
Nhận xét đồ thị thu được so với biểu thức (8. CÂU HỎI CHUẨN BỊ 1. Cáp đồng trục: cấu tạo và ứng dụng? 2. Trên oscilocope, nếu Time/div ở giá trị 0,2 𝜇𝑠 , X-mag: × 10 , quan sát khoảng cách giữa 2 đỉnh xung và tính vận tốc truyền xung trong dây cáp đồng trục.
Trong bài thí nghiệm đo vận tốc truyền xung trong dây cáp đồng trục, giải thích tại sao biên độ xung phản xạ lại nhỏ hơn biên độ xung tới? 4. Giải thích vì sao tín hiệu thu được trên màn hình dao động ký, thể hiện sự thay đổi của biên độ xung phản xạ so với xung tới ứng với các giá trị R = 1 kΩ, R = 0 Ω, R = 47 Ω lại khác nhau? 5. Trình bày dụng cụ và nguyên tắc đo. 19 Bài thí nghiệm 2 KHẢO SÁT TƯƠNG TÁC TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN NGHIỆM ĐỊNH LUẬT AMPRE VỀ LỰC TỪ -----ooo----- Mục tiêu: Sau khi học xong bài này sinh viên có khả năng: - Về kiến thức: Nêu được phương pháp đo và các bước tiến hành thí nghiệm khảo sát tương tác từ của dòng điện, nghiệm định luật Ampre về lực từ.
- Về kỹ năng: Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo, tiến hành đúng trình tự thí nghiệm để thu được số liệu chính xác. - Về thái độ: Cẩn thận, kiên trì, chính xác, trung thực, khách quan. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ trường là một dạng vật chất đặc biệt xuất hiện trong không gian xung quanh các điện tích chuyển động. Sự tồn tại của từ trường trong một không gian nào đó thể hiện ở chỗ: bất kì một dòng điện, một điện tích chuyển động hay một kim nam châm… đặt trong không gian đó đều chịu tác dụng một lực từ 𝐹⃗.
Phương, chiều, độ lớn của lực từ 𝐹⃗ tác dụng lên một dòng điện đặt trong từ trường không những phụ thuộc phương, chiều, cường độ dòng điện, kích thước, hình dạng dây dẫn, mà còn phụ thuộc đặc trưng của từ trường. Như vậy, có thể căn cứ vào tác dụng lực của từ trường để đưa ra một đại lượng đặc trưng cho từ trường trong không gian nào đó, không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của dòng điện, hay điện tích chuyển động…. trong không gian đó. Phương chiều của vec tơ 𝐵 Đại lượng đó là véc tơ cảm ứng từ 𝐵 ⃗⃗ tại một điểm được định nghĩa trùng với phương chiều của kim nam châm thử đặt tại điểm đó (đi từ cực S đến cực N của kim nam châm thử).