Bài s ố 0. PHÉP ĐO, SAI S Ố VÀ ĐỒ TH Ị · vi ệc ño ñể có k ết qu ả là s...

BỘ MÔN VẬT LÝ Y SINH Giáo Trình Thực Tập Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I

Trang 1

Bài số 0. PHÉP ĐO, SAI SỐ VÀ ĐỒ THỊ

1. Phép ño và sai số Trong thực nghiệm, khi dùng dụng cụ ño ñể xác ñịnh một ñại lượng, ta

thường không thu ñược giá trị ñúng tuyệt ñối, do có nhiều hạn chế kỹ thuật gây ra sai lệch. Thí dụ, dùng thước ñể ño ñộ dài, nếu kết hợp thêm cả kính hiển vi thì cũng khó phân biệt giữa 1.3 và 1.4 µm. Thậm chí nếu có một lần ño nào ñó ta ngẫu nhiên thu ñược giá trị ñúng của ñại lượng cần ño thì ta cũng không biết, do ñó, buộc phải coi tất cả các phép ño chỉ cho giá trị gần ñúng.

Người ta gọi ñộ lệch giữa kết quả ño (a’) và giá trị thực của ñại lượng cần ño (a) là sai số tuyệt ñối của phép ño và ký hiệu là:

δδδδa = a’ – a (1) Sai số δδδδa có thể dương hoặc âm, nhưng xét về ñộ lớn (trị số tuyệt ñối) thì

không ñược quá lớn, nếu khác ñi thì coi như phép ño không thành công.

2. Các loại sai số Sai số có thể phát sinh do người làm thực

nghiệm, của phương pháp, dụng cụ ño hoặc do chính vật ñược khảo sát. Nếu phương pháp thực nghiệm sai hoặc dụng cụ ño không ñược cân chỉnh tốt, thì sai số có thể lớn nhưng khá ổn ñịnh, người ta xếp chúng vào loại sai số hệ thống và có thể khắc phục ñược bằng cách hiệu chỉnh kết quả ño. Thí dụ, nếu chúng ta biết chiếc ñồng hồ luôn chạy nhanh 0.5 phút mỗi giờ, thì kết quả ño bằng 2 giờ phải ñược trừ bớt 1 phút. Một cái thước dài 1 m, có kẻ các vạch cách nhau 1 mm, thì ta không thể biết ñược phần lẻ nhỏ hơn 1 mm của giá trị ño, do ñó, sai số là 1 mm. Tuy nhiên, còn nhiều loại sai số khác không có tính ổn ñịnh như vậy, là các sai số ngẫu nhiên. Trong khuôn khổ tài liệu này, ta không cần nói nhiều về sai số hệ thống, mà chú ý ñến các sai số ngẫu nhiên.

Sai số ngẫu nhiên có các ñặc tính Tính giới hạn: Trong ñiều kiện ño cụ thể, trị số tuyệt ñối của sai số ngẫu

nhiên không thể vượt quá một giới hạn nhất ñịnh. Tính tập trung: Sai số ngẫu nhiên có trị số tuyệt ñối càng nhỏ thì khả năng

xuất hiện càng nhiều. Tính ñối xứng: Sai số ngẫu nhiên

dương và âm với trị số tuyệ t ñối không lớn có số lần xuất hiện gần bằng nhau.

Tính bù trừ: Khi số lần ño tiến tới vô cùng thì trung bình cộng của các sai số ngẫu nhiên của cùng một ñại lượng sẽ tiến tới 0.

Hình minh hoạ thống kê sai lệch của ñồng hồ máy tính tại trang http://vancouver-webpages.com/time/ (trang cung cấp giờ của ñồng hồ nguyên tử).


Trang 2

Phương pháp chung ñể giảm bớt sai số của phép ño là phải lặp lại nhiều lần việc ño ñể có kết quả là số trung bình cộng.

2.1. Sai số ñọc Không có thang ño nào có ñủ các vạch cho mọi giá trị (thí dụ: thước kẻ chỉ

chia vạch ñến mm, do ñó các ñộ dài không phải số nguyên lần mm thì người ño phải nhận ñịnh về phần lẻ là bao nhiêu phần trăm của 1 mm). Sai số loại này rất phổ biến và do tính chủ quan của người ñọc.

Khi dùng ñồng hồ kim, kim của ñồng hồ không nằm trong mặt phẳng chứa các vạch chia ñộ. Khi ñó vị trí ñặt mắt không ñúng sẽ làm tăng sai số ñọc. Vị trí ñúng là vị trí mà mặt phẳng do con ngươi của mắt và kim của ñồng hồ tạo thành một mặt phẳng vuông góc với mặt chia ñộ. Do vậy, ñôi khi người ta phải có gương phản xạ trên mặt chia ñộ, và chỉ cần chọn vị trí của mắt sao cho ảnh của kim bị khuất sau chính kim ñó.

2.2. Sai số do dụng cụ ño kỹ thuật số Cũng là loại sai số tương tự sai số ñọc, nhưng không phải do mắt, mà do sự

hiển thị của các thiết bị ño kỹ thuật số. Các giá trị mà chúng có thể cho hiển thị trên màn hình chỉ là các giá trị gián ñoạn (thí dụ, card chuyển từ analog – “tín hiệu tương tự” sang digital – “tín hiệu số” , nếu là loại 8 bits thì chỉ có thể hiển thị ñược 28=256 mức khác nhau), nếu kết quả ño không trùng với các mức ñó thì sẽ ñược làm tròn.

Ngoài ra, khi ñại lượng cần ño có sự dao ñộng lớn hơn khoảng cách giữa hai mức tín hiệu số cạnh nhau, ta còn thấy các con số hiển thị thay ñổi liên tục, việc chọn giá trị nào là tuỳ người sử dụng.

2.3. Sai số do ñối tượng ñược khảo sát. Khi khảo sát một hiện tượng hay một vật không ñồng nhất hoàn toàn theo một

phương diện nào ñó, khó có thể tin tưởng vào phép ño với chỉ một lần ño. Thí dụ, ño tốc ñộ gió hay ngay cả hướng gió. Thậm chí, khi ño ñường kính một quả cầu có sẵn trong tay, ta không dám chắc nó có dạng ñúng hình cầu, mà thường là mỗi ñường kính lấy theo phương khác nhau lại có giá trị khác nhau.

3. Độ ngờ của kết quả

3.1. Sai số trong phép ño trực tiếp

Thường thì một phép ño trong phòng thí nghiệm phải ñược lặp lại từ 3 ñến 5 lần, qua ñó xác ñịnh ñược giá trị cần ño (x) là trị số trung bình nhằm mục ñích khắc phục sai số ngẫu nhiên:

554321 xxxxx

x++++

= hay ∑=

=5

15

1

iixx (2)

Trong Microsoft Excel dùng =AVERAGE(x1,x2,x3,x4,x5)

Mặc dù các sai số ngẫu nhiên của 5 lần ño có thể ngẫu nhiên bù trừ lẫn nhau và ta ñã có ñược giá trị lý tưởng x, nhưng về nguyên tắc ta không thể biết, phải chấp nhận ước lượng sai số theo kiểu tối ña (sai số tuyệt ñối trung bình) hay còn gọi là ñộ ngờ của kết quả:

5'

54321 xxxxxxxxxxx

−+−+−+−+−=∆ hay ∑

=

−=∆5

15

1'

i

xxxi

(3)


Trang 3

Trong Microsoft Excel dùng =AVEDEV(x1,x2,x3,x4,x5)

Khi thí nghiệm ñược lặp lại nhiều lần (thường không phải là phép ño thủ công, mà là trong các hệ ño tự ñộng hoặc trong khảo sát khác, thí dụ, tìm ñộ tuổi trung bình của sinh viên năm thứ nhất), người ta không xác ñịnh ñộ ngờ qua sai số tuyệt ñối trung bình mà là qua sai số toàn phương trung bình:

∑=

−−

=∆n

ii xx

nx

1

2)(1

1' với n là số lần ño. (4)

Cách tính này sẽ cho ñộ ngờ nhỏ hơn so với sai số tuyệt ñối trung bình, nói cách khác ñộ tin cậy cao hơn, và cũng có nghĩa là thí nghiệm ñược lặp lại nhiều lần sẽ dễ ñược thừa nhận hơn.

Nói như vậy không có nghĩa là cứ có thêm một lần ño thì chắc chắn thu ñược kết quả tốt hơn, mà còn tùy thuộc chất lượng của mỗi lần ño. Nếu trong các số liệu ño có một số quá lớn hoặc quá nhỏ (rất khác thường) so với các số liệu còn lại thì người ta chấp nhận bỏ nó ñi (nhiều lần ño) hoặc ño lại (ít lần ño). Thực ra, trong những phép ño quan trọng (thí dụ, chỉ có ít lần ño mà không còn ñiều kiện lặp lại thí nghiệm) thì muốn bỏ bớt một số liệu phải có quy tắc cụ thể. Ta sẽ không ñi sâu hơn trong khuôn khổ tài liệu này.

Sau khi tìm ñược cả x và x∆ , ta viết kết quả ño ñược dưới dạng:

x = x ± x∆ , và có một ñiều cần nhớ khi trình bày kết quả cụ thể nào ñó, rằng các số phía bên phải của ñẳng thức trên phải cùng mức ñộ chính xác (số chữ số thập phân sau dấu phẩy). Ví dụ:

x = 3.00 ± 0.07 ñúng cách,

x = 3 ± 0.07 sai, vì “3” có ñộ chính xác tới 1 ñơn vị, 0.07 chẳng còn ý nghĩa

x = 2000 ± 5 ñúng cách,

x = 2E+3 ± 5 hoặc 2x103 ± 5 hoặc 2 ngàn ± 5 ñều sai vì x chính xác chỉ ñến ñơn vị là ngàn, phần ñộ ngờ mất ý nghĩa,

x = 18.12345 ± 0.01 sai vì khi ñộ ngờ là 0.01 thì việc viết x quá chính xác là vô căn cứ.

Chú ý:

- Làm tròn số ñối với ñộ ngờ: không giảm ! Thí dụ 0.731 làm tròn là 0.74.

- Nhiều loại sai lệch: cộng chung. Thí dụ nếu thước ño có ñộ chính xác là 0.1 mm và kết quả ño có ñộ ngờ tính ñược là 0.333 mm thì ñộ ngờ của thí nghiệm sẽ là 0.433 mm.

3.2. Sai số trong phép ño gián tiếp

Giả sử ta buộc phải ño ñại lượng x rồi qua ñó mới tính ñược ñại lượng y, thì phép ño y ñược gọi là phép ño gián tíếp.

Trường hợp ñơn giản nhất là y và x có quan hàm bậc nhất (y = ax1 +b). Ta biết ngay y = ax + b và y∆ = |a| x∆ vì y = a (x ± x∆ ) +b. Sở dĩ nó ñơn giản vì


Trang 4

trong quan hệ hàm bậc nhất (cũng gọi là quan hệ tuyến tính), y thay ñổi “ñều” theo x, cứ x thay ñổi một ñơn vị thì y thay ñổi a ñơn vị.

Khi quan hệ y(x) phức tạp hơn quan hệ tuyến tính, nghĩa là y thay ñổi không “ñều” theo x, thì dù ñã biết x∆ , ta còn phải biết tốc ñộ thay ñổi của y theo x tại vị trí x ñó là bao nhiêu thì mới tính ñược, tốc ñộ ñó chính là ñạo hàm y’(x):

xdx

dyy ∆≈∆ hay |y’(x)| x∆ (5)

Dấu xấp xỉ cho thấy chỉ dùng ñược khi x∆ khá nhỏ, tới mức coi như y’ không thay ñổi trong cả ñoạn này, trong trường hợp tổng quát thì phải dùng ñến tích phân xác ñịnh ñể tính )(' xy trung bình.

Trong thực nghiệm, nhiều khi y ñược tính qua hai hay nhiều ñại lượng ño trực tiếp, thí dụ y = y(x,t). Khi y là hàm bậc nhất, mọi chuyện vẫn ñơn giản như trước, nhưng phải chú ý dấu trong biểu thức ñộ ngờ: luôn dương (nếu y=2x-t thì

txy ∆+∆=∆ 2 ). Tổng quát hơn, ta biết rằng dy = dtt

ydx

x

y

∂∂+

∂∂

= y’xdx + y’tdt (ñạo

hàm riêng theo từng biến ñộc lập, tính bằng cách coi các biến còn lại không ñổi), do

ñó tt

yx

x

yy ∆

∂∂+∆

∂∂≈∆ hay |y’x|dx + |y’t|dt . (6)

Trong nhiều trường hợp, người ta tính ñộ ngờ qua sai số tương ñối (δ=|∆y / y|) dơn giản hơn tính trực tiếp, nhất là ñối với các hàm số mũ. Khi ñó ∆y = δ. y .

Tương tự như vậy ñối với các trường hợp có nhiều biến ñộc lập.

4. Đồ thị biểu diễn kết quả Số liệu thực nghiệm ñược trình bày dưới dạng bảng, biểu ñồ hoặc ñồ thị, chọn

loại nào thì tùy hoàn cảnh và yêu cầu, nhưng ở ñây ta tập trung vào hình thức thứ ba, vì ñối với hàm số thì ñây là hình thức phù hợp nhất (Chú ý, có tài liệu dùng từ “sai số” thay cho từ “ ñộ ngờ”, nhưng theo tác giả bài soạn này, chữ ñộ ngờ chuẩn hơn. Trước hết, nó bao hàm nhiều lĩnh vực, chứ không chỉ là số của toán học, thí dụ không thể nói sai số là 0.2 mét, tuy cũng có thể nói sai lệch 0.2 m. Và, ñiều thứ hai quan trọng hơn, ñây chỉ là ñộ thiếu tin cậy của phép ño chứ không phải ñộ lệch thật sự của nó, như ñã nói ở phần ñầu).

Nguyên tắc ñầu tiên là phải thể hiện ñủ giá trị trung bình và ñộ ngờ tại các vị trí ño.

Biến t Hàm ño ñược x 1 2 3

0.921 ± 0.015 0.852 ± 0.013 0.996 ± 0.017

Biến t ño ñược Hàm y(t) 13 ± 1 15 ± 2 19 ± 4

0.912 ± 0.010 0.930 ± 0.013 0.996 ± 0.014


Trang 5

1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.84

0.86

0.88

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

x

t

Nguyên tắc thứ hai là

tận dụng tối ña diện tích dành cho ñồ thị (thí dụ, trong phần ñóng khung bên phải ñây), bao gồm hai chi tiết: các trục toạ ñộ trải dài gần hết cả hai chiều (chỉ trừ chỗ chú thích), ñồng thời các giá trị biến hoặc hàm rải suốt gần hết chiều dài các trục.

Nguyên tắc thứ ba là

khi nối các ñiểm thực nghiệm thành ñường, phải chú ý:

- Đường vẽ phải ñi qua các vạch biểu diễn ñộ ngờ (hoặc ô chữ nhật biểu diễn ñộ ngờ hai chiều), nhưng không nhất thiết phải ñi qua vị trí tâm của vạch (hình chữ nhật) ñó.

- Hình dạng ñường này phải gần giống với hình dạng theo lý thuyết, chẳng hạn, nếu quan hệ tuyến tính thì phải vẽ ñoạn thẳng, quan hệ là hàm bậc 2 thì phải vẽ một ñoạn parabol, vv... Trong trường hợp chưa biết quy luật quan hệ lý thuyết thì cố gắng vẽ một ñường trơn tru ít uốn khúc nhất có thể.

BÀI I. KH ẢO SÁT CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

1. Mục ñích thí nghi ệm - Khảo sát hiện tượng dính ướt và không dính ướt của chất lỏng, - Đo lực căng mặt ngoài và tính hệ số căng mặt ngoài.

2. Cơ sở lý thuy ết Quan sát sự tiếp xúc của chất

lỏng với thành của bình chứa, có thể thấy hiện tượng dính ướt (mép nước dâng cao, hình bên trái) hoặc không dính ướt (ngược lại, hình bên phải). Khi quan sát một giọt chất lỏng trên bề mặt không dính ướt, ta sẽ thấy nó không bị vỡ ra, ñó là do có lực căng mặt ngoài.

Để khẳng ñịnh sự tồn tại của lực căng mặt ngoài, có thể làm thí nghiệm nâng một vật dính ướt ra khỏi chất lỏng và ño lực kéo khi vật ñi lên phía trên mặt chất lỏng.

Giả sử vật thí nghiệm là một vành dang trụ, dính ướt ñối với nước (H2O), với ñường kính trong là d và ñường kính mgoài là D. Hệ số căng mặt ngoài của nước là σ. Khi bứt khỏi mặt nước, mặt trong của vành chịu một lực kéo F1 = σπd, còn mặt ngoài chịu F2 = σπD.


Trang 6

Tổng hợp lực tác dụng lên vành là Fc = F1+F2 = σπ(d+D). Lực Fc này có thể xác ñịnh bằng thực nghiệm với một lực kế ñủ nhạy. Khi

ñó, ta ño ñược không chỉ lực căng mặt ngoài (Fc) mà là một lực gồm nó và cả trọng lực của vành: F = Fc + P. P chính là giá trị F khi ta chưa nhúng vành vào nước.

3. Kiến thức bổ trợ: ño kích th ức các v ật bằng th ước kẹp Thước kẹp ñược sử dụng ñể ño kích thước các vật, thường sử dụng ñồng thời cả hai thang (tính bằng mm và bằng inches), có thể ño ñược ñộ rộng trong, kích thước ngoài hoặc ñộ sâu. Trên thị trường có nhiều loại thước kẹp với ñộ chính xác khác nhau. Trong phòng thực tập của Bộ môn chỉ có các thước kẹp với ñộ chính xác ±0.02 mm.

Trên hình minh hoạ bên phải, sử dụng mẫu thước kẹp không có thang inches cho dễ nhìn. Thước phụ nằm dưới, trượt theo thước chính cùng với các mỏ kẹp. Trên thước phụ có chia vạch từ 0 ñến 9 rồi 0, mỗi ñơn vị cách nhau 5 khoảng vạch (tổng cộng 50 khoảng vạch). Tổng ñộ dài của 50 khoảng vạch là 49 mm. Giả sử trong khi ño kích thước một vật, ta gặp tình trạng thước như hình vẽ.

Vị trí trên thước chính của vạch số 0 bên trái ở thước phụ cho ta biết kết quả phép ño – hơn 3 mm. Giả thiết rằng vạch bên phải số 6 của thước phụ (cách vạch 0 bên trái 31 khoảng vạch) trùng với 1 vạch của thước chính (vạch 34 mm). Bây giờ ta xác ñịnh vị trí của vạch 0 bên trái thước phụ.

Để ý rằng khoảng cách các vạch trên thước phụ có giá trị là mm50

49, do vậy


Trang 7

tổng 31 khoảng là mmmm 38.3050

4931 =× . Từ vị trí của vạch số 31 (34 mm) trừ ñi ñộ

dài này, ta ñược vị trí của vạch 0 bên trái: 34 mm – 30.38 mm = 3.62 mm. Số 62 xuất hiện ở ñây cũng chính là số ñặc trưng cho vạch số 31 (62% của thước phụ).

Sự trùng hợp này là tổng quát, nghĩa là không chỉ trong ví dụ phép ño cụ thể 3.62 mm này, ta có thể chứng minh cho trường hợp tổng quát, khi kết quả phép ño là vạch thứ n (n < 50) của thước phụ trùng vạch x (mm) của thước chính:

Vị trí vạch 0 của thước phụ là: x – n 50

49× (mm) = x – n + 50

n (mm)

x-n là phần nguyên, nằm bên trái vạch 0, còn phần thập phân là 50

n (mm) =

2n (%) cả thước phụ. Do ñó, trong khi ño, ta chỉ cần xác ñịnh phần nguyên số mm trên thước chính,

xác ñịnh vị trí mà hai vạch của hai thước trùng nhau (gần trùng nhất) ñể tìm phần thập phân trên thước phụ.

4. Thực nghi ệm

4.1. Dụng cụ thí nghiệm

Dụng cụ thí nghiệm là bộ thiết bị BKT-060 kiểu MC-964 do Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà nội chế tạo, gồm

- Hai cốc (ly) ñựng nước thông nhau, - Lực kế loại 0-0.1 N, ñộ chính xác 0.001 N, - Vành nhôm có ñường kính D52/50 mm. - Bản nhựa phẳng, - Bản nhôm phẳng, một mặt ñược phủ nylon, - Bản thủy tinh phẳng.

4.2. Khảo sát sự dính ướt và không dính ướt

Lau sạch các bề mặt bản mỏng và khào sát sự dính ướt của chúng ñối với H2O.

4.3. Khảo sát hiện tượng căng mặt ngoài của H2O

Lau sạch vành nhựa và treo vào lực kế sao cho mặt cắt hình tròn song song với mặt phẳng nằm ngang.

Giữ cho lực kế thẳng ñứng và ghi nhận giá trị trọng lượng P của vành nhựa.

Chuyển vị trí vành nhựa ñến ly chứa nước, vẫn giữ cho lực kế thẳng ñứng và mặt dưới của vành chìm trong nước.

Thật chậm rãi kéo lực kế lên và chăm chú theo dõi số chỉ của lực kế. Trước khi vành nhựa bứt ra khỏi mặt nước chính là lúc các màng nước kéo mặt trong và mặt ngoài vành nhựa bằng lực căng bề mặt của nó, số chỉ của lực kế là


Trang 8

tối ña, ñó chính là F (Suy ra Fc =F - P). Lặp lại bước này 05 lần và tính toán hệ số căng mặt ngoài của nước. Điền kết quả thí nghiệm vào Mẫu báo cáo số 1 ñể nộp cho giảng viên.

-----

BÀI II. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG THEO p.p. STOKES

1. Cơ sở lý thuy ết Khi chất lỏng chuyển ñộng thành lớp

trong ống hình trụ, thì vận tốc chuyển ñộng giảm dần từ trục ống ñến thành ống. Nguyên nhân là do lực ma sát giữa lớp ngoài cùng với thành ống và lực nội ma sát giữa các lớp chất lỏng với nhau.

Lực nội ma sát Fms giữa hai lớp chất lỏng sát nhau (cách nhau dz, chênh lệch vận tốc dv

và diện tích tiếp xúc ∆S) là Fms = Sdz

dv ∆η với η

là hệ số nhớt ñặc trưng cho từng chất lỏng và phụ thuộc nhiệt ñộ (giảm khi tăng nhiệt ñộ). [η] = kg/(m.s)

Khi một viên bi nhỏ (bán kính r) rơi thẳng ñứng (vận tốc v) trong khối chất lỏng, lớp chất lỏng dính trên bề mặt viên bi cũng chuyển ñộng theo với cùng vận tốc và kéo lớp chất lỏng bên cạnh chuyển ñộng. Ảnh hưởng dây chuyền này chấm dứt ở khoảng cách 2r/3 tính từ mặt ngoài viên bi ra xa.

Ta có ∆v = v-0 = v trên khoảng cách ∆z = 2r/3 nên r

v

z

v

dz

dv

2

3=∆∆≈ . Thay diện

tích bề mặt viên bi bằng 4πr2, ta tính ñược : Fms = 6 π η r v (Công thức Stokes, chỉ ñúng khi ∆v và ∆z tương ñối nhỏ). Từ biểu thức này, thấy Fms tăng theo v. Viên bi sẽ không chuyển ñộng nhanh

dần khi rơi trong chất lỏng và v ñạt ñộ lớn nhất ñịnh, sao cho Fms cùng lực ñẩy Acsimét FA cân bằng với trọng lực P. Khi ñó, nó rơi thẳng ñều, và v = L/τ, trong ñó, L là khoảng ñộ cao chọn trước, τ là thời gian rơi hết ñộ cao này. Khai thác tất cả các ñiều kiện này, người ta tính ñược:

L

gd τρρη2

11 )(

18

1 −= , trong ñó ρ1 và d1 là khối lượng riêng và ñường kính

viên bi, ρ là khối lượng riêng của chất lỏng và g = 9,8 m/s2 là gia tốc trọng trường. Trong trường hợp chất lỏng chứa trong ống hẹp (ñường kính trong là d), thì :

)4,21(

)(

18

1

1

211

d

dL

gd

+

−= τρρη


Trang 9

2. Thực nghi ệm 2.1. Dụng cụ thí nghiệm

Dụng cụ thí nghiệm là bộ thiết bị BKT-070 kiểu MN-971A do Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà nội chế tạo, gồm:

1- Phễu ñịnh hướng 2- Ống thủy tinh 38mm 3- Chất lỏng 4 và 5- các cảm biến với

khoảng cách L 6 và 7- núm ñiều chỉnh ñộ

nhạy 2 cảm biến 8- nút bấm giây 9- giá ñỡ 10- hộp phụ tùng 11- ống thu hồi bi

Hộp phụ tùng chứa bi, nam châm và thước panme 0-25 mm dùng ñể ño ñường

kính viên bi (ñộ chính xác 0.01 mm).

1- ñầu trục di ñộng theo thân vít 3 2- ñầu trục cố ñịnh 3- thân vít với thước lệch (trên dưới lệch 0.5 mm)

4- cần hãm trục 1 và vít 3 (gạt phải thì hết) 5- thước tròn ñiều khiển trục 1 (0.5 mm / vòng) 6-trục quay-trượt hỗ trợ thước tròn 5, trục 1

2.2. Đo ñường kính bi bằng thước panme

- Xác ñịnh ñiểm “0” của thước: lau sạch bề mặt trục 1 và 2, xoay trục 6 cho ñến khi 2 mặt giáp nhau (có tiếng kêu). Ghi nhận mốc “0” trên thước tròn 5 (Nếu vạch “0” nằm dưới ñường chuẩn thì dếm số vạch xen giữa và nhân 0.01 mm ñể trừ vào kết quả ño). - Mở rộng thước, ñặt bi vào ñầu 2 rồi vặn trục 5 ñến khi áp sát bi, gạt cần 4 ñể cố ñịnh. Cách ñọc như sau: Mép thước tròn có thể nằm cạnh vạch của thước thẳng trên hoặc thước thẳng dưới; tùy theo ñó, ta ñọc thước trên hay thước dưới, và phần lẻ ñọc trên thước tròn. - Lặp lại phép ño thêm 4 lần nữa và ñiền vào Báo cáo theo mẫu số 2.

2.3. Đo thời gian chuyển ñộng rơi của viên bi trong chất lỏng (bằng mắt)


Trang 10

- Chỉnh cho ống thủy tinh 2 ñứng thẳng - Cắm ñiện và bật công-tắc - Đặt núm xoay 6 và 7 về sát biên trái (các ñèn LED ñỏ) - Bấm Reset ñề ñưa ñồng hồ về 0 - Lau sạch viên bi, trong khi chuẩn bị thả vào ống thủy tinh thì một ngón

tay chuẩn bị trên nút bấm 8. - Khi viên bi ñi qua bộ cảm biến 4, nhấn ñồng hồ cho chạy, và khi qua

cảm biến 5 thì nhấn ñồng hồ cho ngừng. Ghi nhận thời gian. - Lặp lại phép ño thêm 4 lần nữa và ñiền vào Báo cáo theo mẫu số 2.

2.4. Đo thời gian chuyển ñộng rơi của viên bi trong chất lỏng (tự ñộng) - Đặt núm xoay 6 và 7 sao cho cảm biến nhạy nhất (các ñèn LED ñỏ cỡ

50%) - Bấm Reset ñề ñưa ñồng hồ về 0 - Lau sạch viên bi, và bị thả vào ống thủy tinh. Ghi nhận thời gian. - Lặp lại phép ño thêm 4 lần nữa và ñiền vào Báo cáo theo mẫu số 2.

BÀI III. XÁC ĐỊNH CHI ẾT SUẤT CỦA BẢN THỦY TINH BẰNG KÍNH HI ỂN VI

1. Cơ sở lý thuy ết Nguồn sáng S ñặt ở mặt dưới của tấm thủy tinh

cho một chùm sáng hẹp SHA như hình vẽ. Tia khúc xạ trong không khí HI giữ nguyên phương thẳng ñứng, còn tia AB có góc i tạo với pháp tuyến lớn hơn góc tới r. Giao của 2 tia khúc xạ là S1 làm cho người quan sát thấy nguồn sáng ở S1 (ảo ảnh).

Vì thế, SH là ñộ dày thực của tấm thủy tinh (ký hiệu d), còn S1H ñược gọi là ñộ dày biểu kiến của nó (ký hiệu d1).

Theo ñịnh luật khúc xạ ánh sáng (coi chiết suất của không khí bằng 1) thì

n = sin i / sin r. Với chùm sáng rất hẹp thì 11tan

tan

sin

sin

d

d

HS

SH

r

i

r

i ==≈ . Vậy:

n = d/d1 : ñộ dày thực lớn gấp n lần ñộ dày biểu kiến.

2. Kiến thức bổ trợ: cách soi kính hi ển vi

2.1. Hạ bàn trượt xuống hết cỡ bằng núm xoay chỉnh thô, hay còn gọi là ốc vĩ cấp (thường là quay tới).

2.2. Xoay mâm vật kính ñể chọn vật kính có ñộ phóng ñại nhỏ (4x hoặc 10x).

2.3. Chỉnh lam kính sao cho vật cần soi nằm tương ñối ñúng vào giữa trường nhìn.

2.4. Nếu ánh sáng không ñều thì chỉnh kính tụ quang (và gương lấy sáng nếu có).

2.5. Mắt chăm chú theo dõi qua thị kính, tay chậm rãi quay núm chỉnh thô nâng dần bàn trượt lên (thường là quay lui) cho ñến khi nhìn thấy vật cần soi.


Trang 11

2.6. Chỉnh vị trí vật soi trên bàn trượt cho ñúng giữa trường nhìn và bắt ñầu dùng núm xoay chỉnh tinh (còn gọi là ốc vi cấp) ñể thấy vật một cách rõ nét nhất.

Nếu cần soi kỹ hơn (với ñộ phóng ñại cao hơn) thì làm tiếp các bước sau ñây:

2.7. Xoay mâm vật kính ñể chọn vật kính có ñộ phóng ñại cao hơn một bậc.

2.8. Lặp lại bước 6.

2.9. Nếu cần thì lặp lại bước 7 và 8 cho ñến khi việc quan sát ñạt yêu cầu. Chú ý :

- khi dùng vật kính 100x thì phải có ñầu soi,

- nếu bàn trượt ñã ñược kỹ thuật viên khoá chặn trên, thì bước 1 có thể là nâng bàn trượt lên vị trí cao nhất và bước 5 sẽ là hạ dần.

Nếu cần tìm ñộ sâu thị trường kính hiển vi (với vật kính ñang dùng) thì làm tiếp các bước sau ñây:

2.10. Quan sát một vệt mực vẽ trên lam kính.

2.11. Hạ thấp dần bàn trượt bằng ốc vi cấp cho ñến khi hình ảnh bắt ñầu nhoè. Ghi nhớ vị trí vạch mốc trên thước tròn của ốc vi cấp.

2.12. Nâng dần bàn trượt bằng ốc vi cấp cho ñến khi hình ảnh bắt ñầu nhoè. Ghi nhớ vị trí vạch mốc trên thước tròn của ốc vi cấp.

2.13. Khoảng cách (số vòng quay và số vạch) giữa hai lần ghi nhớ ñó quy ra ñộ dài tuỳ theo tỉ lệ quy ước của từng loại kính cụ thể. Đó là ñộ sâu thị trường.

3. Thực nghi ệm 3.1. Dụng cụ thí nghiệm

1- Thị kính 2- Ống ngắm 3- Ổ quay lắp vật

kính 4- Vật kính 5- Kẹp giữ mẫu vật 6- Mâm ñỡ mẫu vật 7- Kính tụ quang 8- Vít chỉnh tụ quang

9- Gương lõm phản xạ 10-Thân kính HV 11-Đế kính HV 12-Chốt chặn trên mâm 13-Núm chỉnh thô (ốc

vĩ cấp) 14-Ốc chỉnh tinh (vi

cấp) 15-Chốt cố ñịnh núm

13

Dụng cụ thí nghiệm là bộ thiết bị BKO-040 do Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà nội chế tạo, gồm:


Trang 12

- Thước panme (xem cách sử dụng tại Bài 2, mục 2.1) - Bản thủy tinh - Kính hiển vi (xem hình)

3.2. Đo ñộ dày thực của bản thủy tinh Dùng thước panme ño tương tự việc ño ñường kính viên bi ở Bài 2, mục 2.2.

Thực hiện 5 lần và ñiền kết quả vào mẫu Báo cáo số 3. 3.3. Đo ñộ dày biểu kiến bản thủy tinh - Dùng bông (tẩm cồn) hoặc giấy mềm lau sạch 2 mặt bản thủy tinh - Dùng bút kim kẻ 2 vạch ở 2 mặt thủy tinh (dài cỡ 2 mm) sao cho tạo thành hình chữ thập (+) khi ta nhìn xuyên 2 mặt. - Đặt tấm kính lên mâm ñỡ (6) và dịch chuyển bằng các núm chỉnh ngang-dọc ñể hình “+” nằm dưới vật kính - Chỉnh gương phản xạ (9) và kính tụ quang (7) ñể thị trường kính hiển vi sáng ñều - Dùng núm xoay (13) chỉnh thô ñể thấy vạch dưới tâm thủy tinh, sau ñó khoá bằng chốt (15), rồi núm (14) chỉnh tinh (còn gọi là ốc vi cấp) ñể thấy vạch này rõ nhất. Ghi nhận vị trí trên thước tròn của núm chỉnh tinh. - Tiếp tục chỉnh tinh ñể nhìn rõ nhất vạch phía trên thuỷ tinh, ñồng thời nhớ chiều quay và số vòng ñã quay. Ghi nhận vị trí mới trên thước tròn. - So sánh hai vị trí ñã ghi nhận : lệch nhau mấy vòng và mấy vạch lẻ ?

• Với KHV dùng ánh sáng tự nhiên: Mỗi vòng (bằng 80 vạch) giá trị bằng 0.16 mm và mỗi vạch – 0.002 mm. Tính ra ñộ dày biểu kiến. Thực hiện 5 lần và ñiền kết quả vào mẫu Báo cáo số 3.

• Với KHV dùng ñiện: Mỗi vòng (bằng 100 vạch) giá trị bằng 0.20 mm và mỗi vạch – 0.002 mm. Tính ra ñộ dày biểu kiến. Thực hiện 5 lần và ñiền kết quả vào mẫu Báo cáo số 3.

BÀI IV. KH ẢO SÁT CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG HÌNH H ỌC (DÙNG TIA LASER)

1. Mục ñích thí nghi ệm

1.1. Khảo sát các ñịnh luật quang hình học : o ñịnh luật truyền thẳng ánh sáng o ñịnh luật phản xạ ánh sáng o ñịnh luật khúc xạ ánh sáng

1.2. Quan sát các hiện tượng quang học : o hiện tượng phản xạ toàn phần o hiện tượng quang dẫn

1.3. Khảo sát ñường ñi của tia sáng truyền qua các linh kiện quang học : o gương phẳng, gương cầu o lăng kính o thấu kính.


Trang 13

2. Dụng cụ thí nghi ệm 2.1. Thành phần thiết bị Đèn Laser He-Ne 0,2 mW Hộp chân ñé bảo vệ ñèn Laser Hệ 3 gương phẳng bán mạ Màn ảnh có thước tròn ño góc Hộp phụ kiện quang học, gồm : � bản mặt song song; bản mặt bán

trụ � gương phẳng � gương cầu kép : lồi và lõm � lăng kính 600 , lăng kính 450 � thấu kính hội tụ : lồi và phẳng-

lồi � thấu kính phân kỳ : lõm và

phẳng-lõm 2.2. Cấu tạo và hoạt ñộng

Cấu tạo của bộ thiết bị quang học dùng tia laser khí He-Ne gồm một ống phóng ñiện P (hai ñầu ống có hai gương phẳng song song) chứa hỗn hợp khí hêli-nêôn dùng làm nguồn phát tia ñặt nằm ngang trong hộp chân ñế H. Chùm lade phát ra là chùm sáng hẹp song song màu ñỏ, bước sóng λ = 632,8 nm. Sau khi tới ñập vào gương phẳng G (nghiêng 450), chùm lade phản xạ thẳng ñứng chiếu vào kính khuếch tia K và tạo ra một dải sáng hẹp truyền ñến hệ kính phân tia gồm ba gương phẳng G1 ,G2 ,G3 (với G2 và G3 là hai gương bán mạ). Các gương này ñặt kế tiếp cách ñều nhau, mức ñộ phản xạ giảm dần từ G1 qua G2 ñến G3 và tạo ra ba chùm tia phản xạ song song nằm ngang hoặc xiên chéo tuỳ thuộc góc nghiêng của các gương G1, G2, G3 .

Phần giữa của màn ảnh M ñặt thẳng ñứng là một ñĩa tròn chia ñộ Đ dùng làm thước ño góc và có thể quay quanh trục nằm ngang. Các linh kiện quang học cần khảo sát ñược cắm vào lỗ tròn ở tâm của ñĩa chia ñộ Đ .

Khi sử dụng bộ thiết bị này, cần tiến hành theo các bước sau ñây : a) Mở nắp ñậy kính khuếch tia K. Đât chuyển mạch "VOLTAGE" (ñiện áp) ở vị

trí 0. Cắm phích lấy ñiện của bộ thiết bị vào nguồn ~220V . b) Vặn núm mạch "VOLTAGE" tới vị trí I. ống phóng ñiện P sẽ phát ra chùm

laser màu ñỏ truyền qua kính khuếch tia K. Nếu ñiện áp thấp, ta phải vặn núm mạch VOLTAGE sang vị trí II hoặc III ñể các tia lade có ñộ sáng ổn ñịnh.

c) Có thể di chuyển kính khuếch tia K hoặc nới lỏng ốc hãm thân trụ của các gương phẳng G1 ,G2 ,G3 ñể ñiều chỉnh ñộ nghiêng của chúng sao cho trên mặt ñĩa chia ñộ Đ xuất hiện ba chùm tia lade rõ nét.

Chú ý : Không sờ tay vào mặt kính phân tia và hạn chế lau mặt bán mạ của các kính phân tia. Nếu mặt các kính phân tia hoặc mặt các linh kiện quang học bị mờ do bẩn, ta phải lau nhẹ bằng vải hoặc giấy mềm thấm cồn y tế.

3. Trình t ự thí nghi ệm

3.1. Khảo sát ñịnh luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng

H

M

P

G1 G2 G3

Đ

K

G I

II

III

VOLTAGE


Trang 14

a) Chỉ dùng gương phẳng G1 và ñiều chỉnh nó ñể thu ñược một chùm sáng hẹp truyền theo phương trùng với ñường thẳng 0-0 trên mặt ñĩa chia ñộ Đ. Cắm trụ ñỡ của bản bán trụ (nửa mặt trụ) vào lỗ tròn tại tâm của ñĩa chia ñộ Đ sao cho phần mặt phẳng của bản bán trụ vuông góc với ñường thẳng 0-0 và hướng về phía tia tới SI .

b) Quay ñĩa chia ñộ Đ thuận chiều kim ñông hồ : chùm tia tới SI sẽ hợp với ñường thẳng 0-0 một góc tới i khác không và bị phân ra thành hai tia khác nhau (Hình) :

- tia phản xạ IR truyền trong không khí và hợp với ñường thẳng 0-0 góc phản xạ

i /, - tia khúc xạ IR/ truyền vào trong bản bán trụ, lệch khỏi phương truyền thẳng của

nó và hợp với ñường thẳng 0-0 góc khúc xạ r (với r < i ).

Chọn góc tới i lần lượt bằng 300 , 450 , 600. Đọc và ghi giá trị tương ứng của góc phản xạ i / và góc khúc xạ r .

c) Dựa vào kết quả ño ñể chứng tỏ rằng : - góc phản xạ luôn bằng góc tới : i / = i (1) - tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ là một ñại lượng không ñổi n :

sinsin

i

r = không ñổi (2)

- tính ñại lượng không ñổi n , tức là xác ñịnh ñược chiết suất tỉ ñối của thuỷ tinh ñối với không khí.

3.2. Khảo sát hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng

a) Thực hiện lại ñộng tác 2a, nhưng chú ý quay phần mặt cong của bản bán trụ hướng về phía tia tới SI (Hình). Trong trường hợp này, góc khúc xạ lớn hơn góc tới : r > i . b) Quay ñĩa chia ñộ Đ ñể tăng dần góc tới i. Khi ñó góc khúc xạ r tăng theo. Đồng thời quan sát thấy ñộ sáng của tia phản xạ IR tăng dần, còn ñộ sáng của tia khúc xạ IR/ giảm dần .

c) Cho tới khi tia IR/ nằm sát mặt ñáy của bản bán trụ ứng với góc r = 900 thì góc tới i có giá trị giới hạn bằng i0 . Đọc và ghi giá trị góc giới hạn i0 .

d) Nếu tiếp tục tăng góc tới sao cho i > i 0 , thì tia khúc xạ IR/ biến mất, chỉ còn tia phản xạ IR : ñó là sự phản xạ toàn phần ánh sáng.

r

Hình 2

i/ r

900 900

0

0

r

i/ i

I

R S

R/

900 900

0

0

r

i/ i

I

R S

R/


Trang 15

I

C

e) Tính sin i0 và so sánh với 1/n (ở ñây n là chiết suất của bản bán trụ) ñể chứng tỏ:

n

1isin0

= (3)

3.3. Khảo sát hiện tượng quang dẫn

- Dùng một thanh thuỷ tinh nhỏ uốn cong có hai ñầu mài nhẵn (hoặc một chùm sợi thuỷ tinh).

- Chiếu một chùm tia sáng hẹp vào một ñầu của thanh thuỷ tinh này. Do bị phản xạ toàn phần nên chùm tia sáng không truyền thẳng mà truyền theo ñường cong ñúng với hình dạng của thanh và ló ra ở ñầu kia của thanh. Có thể nhìn thấy rõ ñường truyền của chùm tia sáng trong thanh thuỷ tinh hoặc dùng một tở giấy trằng ñể hứng chùm tia sáng ló ra ở ñầu ñối diện của nó.

3.4. Khảo sát tia sáng khúc xạ qua lăng kính

a) Dùng lăng kính thuỷ tinh có góc ñỉnh A = 600. Cắm trụ ñỡ của lăng kính vào lỗ tròn tại tâm ñĩa chia ñộ Đ sao cho ñường thẳng 0-0 trùng với ñường phân giác của góc chiết quang Â của lăng kính (Hình). Điều chỉnh gương phẳng G1 ñể thu ñược chùm sáng hẹp truyền thẳng trong không khí và lướt sát trên mặt bên AB của lăng kính.

b) Quay ñĩa chia ñộ Đ thuận chiều quay của kim ñồng hồ : góc tới i giảm từ 900 ñến giá trị i0 .Khi ñó góc lệch δ của chùm tia ló khỏi mặt AC ñối diện của lăng kính giảm dần tới giá trị nhỏ nhất δ 0 - gọi là góc lệch cực tiểu, sau ñó lại tiếp tục tăng. Đọc và ghi giá trị của góc lệch cực tiểu δ 0 . Có thể ñặt một tờ giấy trắng ở mặt trên của hộp chân ñế H ñể hứng vệt sáng do chùm tia ló tạo thành. Vừa quay lăng kính, vừa quan sát sự dịch chuyển của vệt sáng trên mặt giấy ñể xác ñịnh vị trí dừng của vệt sáng (trước khi ñổi chiều dịch chuyển) ứng

với giá trị của góc lệch cực tiểu δ 0 .

c). Tinh tỉ số sin(A+δ0)/sin(A/2) và so sánh với giá trị chiết suất n của bản bán trụ

ñể chứng tỏ :

2

Asin

2

Asin

n

0δ+

= (4)

3.5. Khảo sát tia sáng phản xạ trên gương cầu

a) Dùng một tờ giấy trắng khổ A4 : khoét một lỗ tròn bằng lỗ tròn trên ñĩa chia ñộ Đ và kẻ một ñường thẳng xx/ ñi qua tâm của lỗ tròn ñó. Đặt tờ giấy này lên mặt ñĩa chia ñộ Đ sao cho ñường thẳng xx/ trùng với ñường thẳng ngang 0-0 trên mặt ñĩa chia ñộ Đ. Cắm trụ ñỡ gương cầu lõm vào lỗ tròn của ñĩa chia ñộ Đ ñể gương cầu

0 A 900 S

B δ 0

900 R/ 0


Trang 16

nằm ñè lên tờ giấy và xoay gương ñể trục chính của nó trùng với ñường thẳng xx/.

b) Điều chỉnh các gương phẳng G1 ,G2 ,G3 ñể thu ñược ba tia sáng song song sao cho tia giữa trùng với quang trục chính của gương cầu lõm (Hình).

Tia trên và tia dưới, sau khi phản xạ trên mặt gương cầu lõm, sẽ giao nhau tại tiêu ñiểm F của gương cầu. Dùng bút ñánh dấu giao ñiểm F của các tia sáng trên mặt tờ giấy.

c) Giữ cố ñịnh tia giữa trùng với quang trục chính của gương cầu. Điều chỉnh các gương G1 và G3 ñể tia trên và tia dưới ñi qua ñiểm C sao cho các tia sáng này, sau khi phản xạ trên gương, sẽ truyền ngược lại theo phương của tia tới. Khi ñó ñiểm C là quang tâm của gương cầu. Dùng bút ñánh dấu giao ñiểm C trên mặt tờ giấy.

d) Nhấc gương cầu ra khỏi mặt ñĩa chia ñộ Đ. Dùng thước milimét ño khoảng cách CF trên mặt tờ giấy. Từ ñó xác ñịnh tiêu cự gương cầu lõm : f CF= (5)

e) Có thể nghiệm lại công thức gương cầu :

f

1

d

1

d

1/

=+ (6)

d

d

AB

BAk

/

−=′′

= (7)

bằng cách ñiều chỉnh lần lượt các gương phẳng G1 ,G2 ,G3 ñể thu ñược ba tia sáng như hình vẽ :

- tia sáng từ G3 truyền dọc theo trục chính của gương cầu lõm. - tia sáng từ G2 truyền song song với trục chính tới gương cầu lõm và phản xạ ñi qua

tiêu ñiểm F. - tia sáng từ G1 truyền qua tiêu ñiểm F

tới gương cầu lõm và phản xạ theo phương song song với trục chính.

Giao ñiểm B của các tia tới gương cầu lõm biểu thi vị trí vật (AB ⊥ trục chính). Giao ñiểm B/ của các tia phản xạ trên gương cầu lõm biểu thi vị trí ảnh (A/B/ ⊥ trục chính). Dùng bút ñánh dấu ñường truyền của các tia sáng và vị trí gương cầu lõm trên mặt tờ giấy, ta có thể ño ñược các khoảng cách d, d/ , f , AB , A/B/ .

3.6. Khảo sát tia sáng khúc xạ qua thấu kính

a) Làm lại ñộng tác 5a, nhưng thay lăng kính bằng thấu kính hội tụ. Điều chỉnh các G1 ,G2 ,G3 ñể thu ñược ba tia sáng song song sao cho tia giữa trùng với quang trục chính truyền thẳng qua thấu kính (Hình).

F O C O

G1

O G3

G2

B/

A/

A

B

F


Trang 17

A/

B/

A

B G2

O

Fa

G1

G3

Tia trên và tia dưới, sau khi khúc xạ qua thấu kính, sẽ giao nhau tại tiêu ñiểm ảnh Fa nằm trên trục chính của thấu kính. Dùng bút ñánh dấu giao ñiểm Fa của các tia sáng trên mặt tờ giấy.

b) Giữ nguyên tia giữa trùng với quang trục chính của thấu kính hội tụ. Điều chỉnh các gương G1 và G3 ñể tia trên và tia dưới ñi qua ñiểm Fv nằm trên trục chính ở phía trước thấu kính sao cho sau khi khúc xạ qua thấu kính, hai tia này truyền song song với trục chính. Khi ñó Fv là tiêu ñiểm vật của thấu kính hội tụ. Dùng bút ñánh dấu giao ñiểm Fv của

các tia sáng trên mặt tờ giấy. c) Khoảng cách giữa hai tiêu ñiểm Fv và Fa có giá trị gấp ñôi tiêu cự f của thấu

kính hội tụ. Dùng thước thẳng milimét ño khoảng cách FvFa , ta có thể xác ñịnh tiêu cự của thấu kính hội tụ :

f = 2

FFav (8)

d) Có thể nghiệm lại các công thức thấu kính :

f

1

d

1

d

1/

=+ (9) d

d

AB

BAk

/

−=′′

= (10)

bằng cách ñiều chỉnh lần lượt các gương phẳng G1 ,G2 ,G3 ñể thu ñược ba tia sáng như hình vẽ :

- tia sáng từ G3 truyền dọc theo trục

chính của thấu kính hội tụ. - tia sáng từ G2 truyền song song với trục

chính tới thấu kính và khúc xạ ñi qua tiêu ñiểm ảnh Fa .

- tia sáng từ G1 ñi qua quang tâm O của thấu kính và truyền thẳng.

Giao ñiểm B của các tia tới thấu kính biểu thi vị trí vật (AB ⊥ trục chính). Giao ñiểm B/ của các tia khúc xạ qua thấu kính biểu thi vị trí ảnh (A/B/ ⊥ trục chính). Dùng bút ñánh dấu ñường truyền của các tia sáng và vị trí thấu kính trên tờ giấy, ta sẽ ño ñược các khoảng cách d, d/, f, AB, A/B/ .

BÀI V. KH ẢO SÁT LASER BÁN DẪN

(NÂNG CAO)

1. Mục ñích thí nghi ệm Khảo sát ñặc trưng Vôn - Am pe của Laser bán dẫn, xác ñịnh dòng ñiện bơm

tạo ra trạng thái ñảo mật ñộ.

O

Fa

O

Fv


Trang 18

Khảo sát quan hệ giữa dòng ñiện bơm và công suất Laser . So sánh các kết quả nhận ñược với các giá trị ño tương ứng của các loại Diode

phát quang ( LED) khác nhau ñể rút ra kết luận về ñặc tính hoạt ñộng của Laser bán dẫn.

Thiết bị khảo sát laser bán dẫn

2. Cơ sở lý thuy ết Laser bán dẫn ( còn gọi là Diode laser ) là một lớp laser ñặc biệt. Chúng phân

biệt với các laser truyền thống ở hai ñiểm: 1-Trong các laser kinh ñiển, các nguyên tử có hoạt tính laser ( là các phân tử,

ion) ñộc lập với nhau và chỉ các mức năng lượng như nhau ñược sử dụng cho quá trình Laser. Điều này có nghĩa là về nguyên tắc, ñể tạo ra trạng thái ñảo mật ñộ, một số lượng không giới hạn các nguyên tử có thể cùng tham gia ñóng góp cho hiệu ứng lasser ( tuân theo phân bố Boltzmann). Điều này không ñúng ñối với trường hợp của laser bán dẫn: Trong các laser bán dẫn, mỗi mức năng lượng xác ñịnh chỉ có tối ña hai hạt ( ở ñây là electron - tuân theo nguyên lý Pauli ). Tuy nhiên , trong chất bán dẫn, hàm sóng của các nguyên tử riêng biệt phủ nhau, tạo ra các dải năng lượng, và các electron chiếm chỗ trên các phân mức của các dải này, theo phân bố Fecmi- Dirac. Khi xảy ra quá trình laser, thay vì là sự chuyển các cư dân giữa hai mức năng lượng trong các laser kinh ñiển, thì ở ñây là sự chuyển các cư dân giữa hai dải năng lượng .

2- Điều khác biệt quan trọng thứ hai liên quan ñến sự truyền tia laser trong không gian giới hạn của lớp tiếp xúc PN. Sự phân bố cường ñộ không gian của chùm laser ở ñây ñược xác ñịnh bởi môi trường laser chứ không phải do hộp cộng hưởng như trong các laser truyền thống.

Hai ñiểm khác biệt nêu trên dẫn ñến kết quả là : các ñặc tính về chùm tia cũng như các ñặc tính về phổ của laser bán dẫn có khác rõ rệt so với laser truyền thống :

1- Các laser bán dẫn sẽ không phát ra ñược các sóng ánh sáng có bước sóng cố hữu xác ñịnh, bởi vì chúng không có các mức năng lượng gián ñoạn xác ñịnh ñể sử dụng cho quá trình laser, mà thay vì ñó là các dải năng lượng như nói ở trên. Điều này làm cho phổ của chùm tia laser bán dẫn có ñộ rộng nhất ñịnh, bước sóng không hoàn toàn ñơn sắc, phụ thuộc môi trường laser ( tiếp xúc PN).

2- Sự tạo thành và dẫn hướng cho tia laser trong các laser bán dẫn xảy ra trong không gian rất hẹp của lớp tiếp xúc PN, với kích thước chỉ khoảng vài lần bước sóng của tia laser. Trong khi ñó, ở các laser truyền thống, phân bố cường ñộ không


Trang 19

gian và cấu trúc mode của chùm laser ñược xác ñịnh bởi ñường dẫn sóng ( khoảng cách giữa hai gương trong hốc cộng hưởng FABRY-PEROT, nơi các photon có thể truyền tự do trong không gian rất dài so với chiều dài bước sóng ). Chằng hạn ñối với laser khí He-Ne, khoảng cách ñó là khoảng 150-200mm. Điều ñó dẫn tới kết quả là : trong khi chùm laser phát ra từ các ống phát laser truyền thống có tính ñịnh hướng và ñộ tập trung rất cao, thì chùm laser bán dẫn lại phân kì rõ rệt.

Hai ñặc ñiểm trên ảnh hưởng tới việc sử dụng laser bán dẫn . Trước khi chùm tia laser bán dẫn ñược sử dụng theo cách thông thường, ñặc tính phân kì của chúng cần phải ñược hiệu chỉnh lại bằng một hệ quang học, thường là một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn ( f = 6 mm). Tiết diện của chùm laser bán dẫn không có hình tròn, mà thường là ellip, hay chữ nhật .

Hình 2 cho sơ ñồ cấu tạo của một laser bán dẫn (GaAl)As. Nằm phía trên ñiện cực n là lớp bán dẫn nền Gali-Aluminum (GaAl ) pha tạp loại n, trên ñó người ta phủ nhiều lớp gallium-aluminum arsenide với nồng ñộ Al khác nhau. Các ñiện tích ñược phun vào lớp hoạt tính mỏng khoảng 0.2µm bằng cách ñặt một ñiện áp lên tiếp ñiểm phía trên ( ñiện cực p) có bề rộng khoảng vài µm. Vùng kích hoạt nằm giữa hai ñường biên của lớp chuyển tiếp PN tác ñộng như một lớp rào chắn các hạt tải ñiện . Nếu dòng ñiện bơm ñủ lớn, trạng thái ñảo mật ñộ ñược tạo ra trong thể tích vùng kích hoạt . Chùm laser ñi qua vùng kích hoạt , qua cửa sổ ló ra ngoài . Tinh thể bán dẫn có chỉ số khúc xạ ( chiết suất) cao, nên tại bề mặt hai bên, ñộ phản xạ ñủ lớn, không cần phải phủ thêm lớp phản xạ, chúng vẫn có thể hoạt ñộng như một bộ cộng hưởng gương Fabry-Perot .

Một ñặc tính nữa của laser bán dẫn là sự phụ thuộc của bước sóng laser vào nhiệt ñộ của tấm bán dẫn(vào khoảng 0.25nm/°K ) và cường ñộ dòng ñiện bơm (vào khoảng 0.05nm /mA) . Nếu cần bước sóng xác ñịnh, không ñổi thì người sử dụng phải duy trì nhiệt ñộ chất bán dẫn và cường ñộ dòng ñiện bơm ở một giá trị xác ñịnh.

Ưu ñiểm lớn nhất của laser bán dẫn là kích thước nhỏ, không yêu cầu nguồn

cao áp mạnh ( laser khí He-Ne ñòi hỏi nguồn cao áp hàng nghìn vôn), do ñó dễ ứng dụng và giá thành hạ . Cho ñến nay người ta chưa chế tạo ñược một Diode Laser có công suất hơn 10W, tuy nhiên, do công suất tiêu thụ và kích thước rất nhỏ, nên người ta tập trung nghiên cứu vào việc tích hợp hàng nghìn laser bán dẫn trên một chip, ñể có thể tạo ra chuỗi laser bán dẫn có công suất lớn hàng kW.

Điện cực P

Điện cực n

p n A

B

Vùng kích hoạt

Các photon ñược tạo ra

Cấu trúc của Laser (Ga Al) As .

Vùng chuyển tiếp PN khi chưa có ñiện áp (A) và sau khi ñặt ñiện áp (B). Vùng kích hoạt có cả hai loại hạt tải electron và lỗ trống , khi tái hợp tạo ra phôtôn.


Trang 20

3. Thực nghi ệm

3.1. Dụng cụ thí nghiệm

• Laser bán dẫn 2-5 mW • Ba loại LED khác nhau ( ñỏ vàng, lục) • Bảng lắp ráp mạch ñiện • Mẫu ñiện trở 100 ôm • Đồng hồ ña năng hiện số DT-9205A • Nguồn ổn áp 0-6V30-35mA ñiều chỉnh liên tục • Dây nối mạch hai ñầu phích 650mm màu ñỏ • Dây nối mạch hai ñầu phích 650mm màu xanh • Giá quang học 500mm • Trụ thép Inox D10/180 mm • Trụ thép Inox D 8/120 mm. • Đế trượt • Sensor ño công suất quang • Milivôn kế ñiện tử chỉ thị kim MC-897A

3.2. Các bước tiến hành

Trong bài thí nghiệm này , chúng ta khảo sát ñặc tính của một laser bán dẫn thông qua việc :

- Vẽ ñặc trưng Vôn - Ampe ñồng thời quan sát sự xuất hiện chùm tia Laser từ ñó xác ñịnh giá trị dòng ñiện bơm và ñiện áp ñặt vào tiếp xúc PN của laser ñể tạo ra ñược trạng thái ñảo mật ñộ .

- Đo công suất laser và khảo sát mối quan hệ giữa công suất laser và dòng ñiện bơm.

- So sánh với các ñặc tính của Diode phát quang ( LED) thông thường ñể phân biệt quá trình laser trong laser bán dẫn . Bước 1 .Lắp ráp sơ ñồ mạch ñiện

Tìm hiểu cấu tạo của bảng ñiện và thực hiện lắp ráp mạch ñiện ñể ño ñặc trưng Vôn- Am pe của laser bán dẫn theo sơ ñồ.

Trên sơ ñồ : - Nguồn một chiều ổn ñịnh có ñiện áp ra thay ñổi ñược từ 0-6V, ñiều chỉnh bởi

núm xoay VR, ban ñầu ñặt ở vị trí 0 ( xoay ngược chiều kim ñồng hồ về tận cùng trái).

- Điện trở R =150ς lắp nối tiếp với laser bán dẫn (SC Laser) nhằm hạn chế dòng bơm tối ña ñể Laser không bị hỏng do quá dòng.

+A

+

V

A

150ς

R

SC laser _

+

+DC 200mA

DC 20V

Nguồn một chiều 0-6V

+ _

VR

Sơ ñồ mạch ñiện ño ñặc trưng Vôn -Ampe của laser bán dẫn

I ( mA)

U ( V)


Trang 21

- Các Vôn kế V và ampe kế A dùng thang ño DC20V và DC200mA của ñồng hồ ña năng hiện số DT9205A, mắc vào các chốt tương ứng .

Chú ý an toàn : Trước khi thực hành lắp ráp sơ ñồ mạch ñiện, cần rút phích cắm bộ nguồn một chiều ra khỏi ổ ñiện . Sau khi lắp xong , mời thày hướng dẫn kiểm tra mạch ñiện rồi mới cắm phích nguồn vào ổ ñiện và thực hiện các bước tiếp theo.

Bước 2 . Lắp ráp thiết bị ño công suất laser

Laser bán dẫn ñược lắp ở ñầu bên trái băng quang học. Tại ñầu bên phải của băng ta ñặt dụng cụ cảm biến S ñể ño công suất quang của chùm laser, sao cho chùm laser chiếu ñúng vào tâm của cảm biến S ( hình 1) . Cảm biến S chuyển ñổi cường ñộ chùm laser thành suất ñiện ñộng , ñược dẫn ra tiêu thụ trên ñiện trở tải R=220ς và nối với milivôn kế ñiện tử MC-897 nhờ một phích cắm 5 chân. Thang ño của MC-897 ñược lựa chọn phù hợp với công suất laser cần ño, núm ñộ nhạy Rf xoay về tận cùng trái . Lưu ý trước khi ño cần bật khoá K cho MC-897 hoạt ñộng, chờ khoảng 3-5 phút cho ổn ñinh , rồi quy 0 cho nó bằng cách xoay núm "0" ở ngay dưới ñồng hồ chỉ thị.

Công suất cuả chùm laser ñược xác ñịnh bởi công thức : 2

( W)U

P mR

η=

Trong ñó : - η là hệ số chuyển ñổi quang ñiện của cảm biến S,

- U ( ñơn vị ño mV) là hiệu ñiện thế rơi trên ñiện trở tải R=220ς,

ño bởi Milivoon kế ñiện tử MC-897A .

Bước 3 . Tiến hành ño

Với các dụng cụ ño ñã ñược chuẩn bị như trên, ta có thể ñồng thời thu ñược ba ñại lượng có quan hệ hàm số với nhau : Dòng ñiện bơm I (mA), Hiệu ñiện thể UPN (V) rơi trên tiếp giáp PN và công suất P của laser thông qua hiệu thế U (mV) ño trên MC-897.

3.1- Đo ñặc trưng Vôn ampe và ñặc trưng công suất laser-dòng ñiện bơm : Cắm phích ñiện và bật công tắc bộ nguồn cung cấp dòng ñiện một chiều .

Xoay từ từ núm VR ñể tăng dần dòng ñiện bơm từng mA một, từ 0mA ñến 25mA. Ghi các giá trị I, UNP , U vào bảng sau.

Thang ño : Ampe kế A : ........................................... MV kế ñiện tử MC897: ................................

Vôn kế V : ........................................... Điện trở tải : .......... 220 ς.......................

Hệ số chuyển ñổi Sensor : η = ..........

I(mA) UPN (V) U (mV) I(mA) UPN (V) U (mV)

0

1

2

3

...


Trang 22

Ghi các giá trị thang ño các ñồng hồ vào bảng1. Kết thúc bước 3.1, giảm ñiện áp nguồn một chiều về 0, tháo dây nối Laser SC ra khỏi bảng ñiện .

3.2 - Vẽ ñặc trưng vôn ampe của diode phát quang ( LED). Lắp các diode phát quang (LED) thay vào vị trí của laser SC trong bảng ñiện . Thực hiện phép ño ñặc trưng Vôn-ampe của LED theo cách tương tự như ñối

với Laser bán dẫn , nhưng không ño công suất quang. Lần lượt thực hiện với các LED ñỏ, vàng, xanh, tím. Ghi số liệu vào bảng sau.

LED ñỏ LED vàng LED tím

I (mA) U (V) I (mA) U (V) I (mA) U (V)

Bước 4 . Kết thúc thí ngnghiệm . Tắt tất cả các công tắc nguồn của các ñồng hồ, bộ nguồn ổn áp một chiều , rút

phích cắm ñiện ra khỏi ổ ñiện lưới, tháo mạch ñiện, xắp xếp các dụng cụ gọn gàng trên bàn thí nghiệm .


Trang 23

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHI ỆM - BÀI SỐ 1

Bài: Khảo Sát Các Hiện Tượng Mặt Ngoài Của Chất Lỏng Lớp: Tổ: Họ, tên sinh viên: Ngày thực tâp:

a. Khảo sát sự dính ướt ñối với H2O. Loại vật li ệu làm bề mặt

Mô tả hiện tượng dính ướt Kết luận (có/không)

Nhựa

Nhôm

Nylon

Thủy tinh

b. Khảo sát và ño lực căng mặt ngoài của H2O

- Đường kính ngoài của vành nhựa: - Đường kính trong của vành nhựa: - Trọng lượng của vành nhựa: - Đo F và tính hệ số σ ñiền vào bảng sau.

Lần thứ F Fc Trung bình

FC Độ ngờ

∆∆∆∆FC σ ∆∆∆∆σσσσ

1 2 3 4 5

Kết quả ño hệ số căng mặt ngoài: σσσσ = σ ±±±± ∆∆∆∆σσσσ = ... ±±±± ... (N/m)

Xác nhận của người hướng dẫn ` Sinh viên ký tên


Trang 24

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHI ỆM – BÀI SỐ 2

Bài: Xác ñịnh Hệ số nhớt của Chất lỏng theo Phương pháp Stokes Lớp: Tổ: Họ, tên sinh viên: Ngày thực tâp: Kết quả:

- Nhiệt ñộ phòng: - Khối lượng riêng của bi: (sắt) 7874 kg / m3 - Khối lượng riêng của chất lỏng: (dầu nhờn) 1000 kg / m3 - Đường kính (trong) ống chất lỏng d: 38.0 ± 0.1(mm) ( d = 38.0; d∆ = 0.1) - Độ chính xác của panme: δ1 = 0.01 mm - Độ chính xác của ñồng hồ: δ2 = 0.001 s

Lần ño Đường kính bi, d1 Thời gian (dùng mắt) Thời gian (tự ñộng)

1 2 3 4 5

Tính d1 trung bình:

Độ ngờ ∆d1’: Độ ngờ toàn phần ∆d1 = ∆d1’ + δ1 = ............................

τ trung bình: Độ ngờ ∆τ’: Độ ngờ toàn phần ∆τ = ∆τ’ + δ2 = ............................

τ trung bình: Độ ngờ ∆τ’: Độ ngờ toàn phần ∆τ = ∆τ’ + δ2 = ............................

- Hệ số nhớt tính ñược: η = ... kg/(m.s) - Sai số tương ñối:

δ = ηη∆

=

∆+∆++

+∆d

dd

ddd

dd1

1

11

1

4.2d

)4.22(4.2

1

ττ

= .........

- Độ ngờ ∆η = δ.η = ... kg/(m.s)

- Kết quả ño ñộ nhớt ηηηη = η ±±±± ∆∆∆∆ηηηη = .... ±±±±... kg/(m.s) Xác nhận của người hướng dẫn ` Sinh viên ký tên


Trang 25


Bài: Xác ñịnh Chiết suất của bản Thủy tinh bằng Kính hiển vi Lớp: Tổ: Họ, tên sinh viên: Ngày thực tâp: Kết quả:

- Độ chính xác của thước panme: δ0 = 0.01 mm - Độ chính xác của thước tròn trên kính hiển vi: δ1 = 0.002 mm

Lần ño

1 2 3 4 5 Trung bình Độ ngờ

d ∆d’= d1 ∆d1’=

Độ ngờ tổng cộng (tính cả dụng cụ ño):

- ∆d = δ0 + ∆d’ = …….. mm - ∆d1 = δ1 + ∆d1’ = ……. mm

Giá trị trung bình của chiết suất: 1d

dn = = ......

Sai số tương ñối của chiết suất n: δ = 1

1

d

d

d

d

n

n ∆+∆=∆ = ......

Độ ngờ của chiết suất n: ∆n = δ.n = ... ... Kết quả ño chiết suất: n = nn ∆± =... ±±±± ...



Trang 26

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHI ỆM - BÀI SỐ 4 Bài: Khảo sát các ñịnh luật quang hình học (dùng tia sáng laser) Lớp: Tổ: Họ, tên sinh viên: Ngày thực tâp: Kết quả: Góc tới i 300 450 600 Góc phản xạ i’

Góc khúc xạ r

Tỉ lệ sinsin

i

r

Chiết suất (giá trị trung bình của sinsin

i

r) n = …

2. r= 900

i0 = … Sin(i0) = … 1/n = …. 1/n/ Sin(i0) = … 3. Mô tả kết quả khảo sát hiện tượng quang dẫn: 4. Kết quả khảo sát tia sáng khúc xạ qua lăng kính A δ 0 sin(A+δ0)/sin(A/2) sin(A+δ0)/sin(A/2)/n 60o



Trang 27


Bài: Khảo sát Laser bán dẫn (nâng cao) Lớp: Tổ: Họ, tên sinh viên: Ngày thực tâp: Kết quả:

Thang ño : Ampe kế A : ........................................... MV kế ñiện tử MC897: ................................

Vôn kế V : ........................................... Điện trở tải : .......... 220 ς.......................

Hệ số chuyển ñổi Sensor : η = ..........

I(mA) UPN (V) U (mV) I(mA) UPN (V) U (mV)

0

1

2

3

...

- Tính giá trị công suất Laser theo công thức (1) với các giá tri U trong bảng trên.

- Vẽ ñồ thị I = f(UPN), P= f(I) .

- Nhận xét kết quả

2 - Khảo sát ñặc trưng vôn ampe của diode phát quang ( LED).

LED ñỏ LED vàng LED tím

I (mA) U (V) I (mA) U (V) I (mA) U (V)

0

1

2

3

- Vẽ ñồ thị ñặc trưng V-A dựa trên số liệu thu ñược trong bảng 2.

- Nhận xét kết quả, so sánh với các ñặc trưng của laser bán dẫn ñể rút ra kết luận về hoạt

ñộng và ñặc tính của laser bán dẫn.


Bài s ố 0. PHÉP ĐO, SAI S Ố VÀ ĐỒ TH Ị · vi ệc ño ñể có k ết qu ả là s...

Documents

Transcript of Bài s ố 0. PHÉP ĐO, SAI S Ố VÀ ĐỒ TH Ị · vi ệc ño ñể có k ết qu ả là s...