Lắp đặt các bài thí nghiệm : 1. Tổng hợp hai dao động điều hoà có phơng vuông góc 2. Giao thoa kế Maikenson. Lí do chọn đề tài luận văn Bớc sóng ánh sáng, hiệu số pha của các dao động điều hoà là các khái niệm rất quen thuộc với ngời dạy và ngời học vật lý. Tuy quen thuộc nh vậy nhng các khái niệm trừu tợng này lại rất khó hiểu đối với ngời học bởi vì các đại lợng này thờng đợc thầy giáo mô tả và học sinh tởng tợng theo, rất ít khi quan sát thực tế đợc. Khắc phục hiện tợng dạy chay, học chay là một trong những nhiệm vụ đào tạo giáo viên vật lý . Đó cũng chính là lý do vì sao chúng tôi chọn đề tài này với hy vọng kết quả của luận văn đợc ghi nhận và triển khai đa vào sử dụng phục vụ đào tạo. Luận văn đợc triển khai trên một số thiết bị sẳn có của khoa vật lý nhng lâu nay vẫn cha đợc đa vào sử dụng trong phòng thí nghiệm điện đại cơng. Sau một thời gian làm thí nghiệm và nghiên cứu chúng tôi xây dựng các thí nghiệm này không chỉ thuần tuý bài thí nghiệm mà còn có các hớng dẫn cần thiết, các tính toán cơ bản cho lắp ráp thí nghiệm và đề ra những khó khăn mà cán bộ hớng dẫn có thể gặp trong khi hớng dẫn thí nghiệm . 1 Nội dung luận văn Bài 1 Sử dụng dao động ký để tổng hợp hai dao động điều hoà có phơng vuông góc với nhau: Tổng hợp hai dao động điều hoà có phơng vuông góc với nhau là kiến thức cơ bản về phần dao động và sóng của học sinh phổ thông và sinh viên đại học. Đã gọi là sóng thì ngay cả với các sóng cơ học và sóng điện từ chúng phải hoàn toàn giống nhau về bản chất vật lý (tần số , biên độ , bớc sóng , giao thoa vv .), nó chỉ khác nhau về sự lan truyền. Với sóng cơ học việc quan sát trực tiếp sự tổng hợp các dao động sóng của chúng là rất khó, chính vì vậy chúng tôi chọn phơng pháp tổng hợp các dao động điều hoà đợc thể hiện dới dạng tín hiệu điện. Các tín hiệu điện đ- ợc quan sát bằng dao động ký. Khác với sóng cơ học các sóng điện từ do không có khối lợng nên khi lan truyền không có quán tính. Các hiện tợng mang tính sóng nh : giao thoa, cộng hởng, nhiễu xạ vv .xảy ra không phức tạp bằng các sóng cơ học. Các môi trờng đàn hồi trong sóng cơ đều có trọng lợng nên chúng ta rất khó quan sát vì ngoài các quy luật sóng chúng ta còn phải để ý các hiện tợng cơ học kèm theo. Ngoài ra khi quan sát các tín hiệu điện bằng dao động ký thì một khái niệm khác khá quan trọng chúng ta cũng quan sát đợc ở đây đó là hiệu pha của hai dao động điều hoà. (Trong kỹ thuật điện tử khái niệm này còn gọi là độ lệch pha ). Hiệu pha là một khái niệm trừu tợng trong môn học điện đại c- ơng. Với các lý do trên chúng tôi đã tổng quát lại một cách rõ ràng về các phơng pháp đo pha bằng thực hành và các thiết bị liên quan cụ thể là phơng pháp sử dụng dao động ký. Qua đó chúng tôi đã đa ra thí nghiệm giúp học 2 sinh khẳng định lại các kết quả lý thuyết về tổng hợp hai dao động điều hoà chuyển động theo hai phơng vuông góc với nhau bằng quan sát thực nghiệm . I. Giới thiệu thiết bị 1. Dao động ký. Là một thiết bị điện tử giúp chúng ta quan sát đợc dạng tín hiệu, đo đợc tần số và biên độ của các tín hiệu. Phía trớc của dao động ký gồm có một màn hình để quan sát tín hiệu và bên cạnh là bảng điều khiển (sẽ đợc giới thiệu ở phần sau). 2. Máy phát tín hiệu. Là thiết bị tạo ra các dạng tín hiệu với nhiều tần số khác nhau. Tín hiệu đợc định nghĩa nh sự phụ thuộc giá trị của điện áp vào thời gian. Tín hiệu có nhiều dạng khác nhau. Ví dụ: Tín hiệu biến thiên liên tục (analog) nh tín hiệu âm thanh, hình ảnh; tín hiệu có dạng chuẩn lặp lại (impuls) còn gọi là tín hiệu xung nh xung răng ca, xung vuông vv .Một máy phát tín hiệu có thể tạo ra nhiều dạng tín hiệu với các tần số khác nhau, với nhiều giá trị biên độ khác nhau và các giá trị này có thể lựa chọn đợc hoặc đợc hiển thị trên mặt quan sát của thiết bị. Nếu ta đa các tín hiệu này vào đầu vào của dao động ký trên màn hình ta sẽ quan sát đợc các dạng tín hiệu đó và có thể đo đợc tần số, biên độ của tín hiệu. Nhờ tín hiệu có thể quan sát đợc trên màn hình giúp chúng ta xét một số bài toán nh : Xác định độ lệch pha của tín hiệu khi đi qua một mạch điện. 3 Quan sát và đo đợc biên độ của dao động tắt dần và các đại lợng liên quan. Đo đợc tần số và biên độ của tín hiệu với độ chính xác cao . hớng dẫn sử dụng Dao động ký Để có thể tiến hành các phép đo chúng ta cần nắm vững cách sử dụng dao động ký. Sau đây là một số nét cơ bản về việc sử dụng dao động ký. A. Chức năng điều khiển của dao động ký. Các hình ảnh dao động ký tạo ra phải đủ độ sáng, độ nét, có vị trí thích hợp và phải đứng yên (tức là phải đồng bộ mành và dòng). Chính vì lí do đó mà chúng ta cần nắm đợc chức năng của các núm điều khiển ở phía trớc màn hình. Có nhiều loại dao động ký khác nhau chúng phân biệt nhau qua tần số và kênh (chùm tia). Dao động ký đo đợc tần số càng cao càng tốt. Hiện nay chúng ta thờng sử dụng loại đo đợc tần số lớn nhất khoảng 20 MHz. Dao động ký có càng nhiều tia thì chức năng sử dụng càng phong phú. Tuy nhiên tất cả đều có một số núm điều khiển cơ bản nh : POWER (30): Nguồn của máy. Khi cho dao động ký hoạt động (chế độ làm việc), ấn công tắc này vào (On) đèn đỏ báo nguồn sáng. INTEN (Intensily) (G1) (31): Núm dùng để điều chỉnh độ sáng, tối của ảnh quét trên màn hình. FOCUS (Focus) (G2) (28): Núm điều khiển độ nét của ảnh quét trên màn hình. BEAMFIND (12): Mang vệt sáng vào trung tâm màn hình. CHA (A) (Channel A): Đầu vào của kênh A trong quá trình hoạt động tín hiệu đa vào trục X. CHB (B) (Channel B): Đầu vào của kênh B trong quá trình hoạt động tín hiệu đa vào trục Y. 4 AC (Avia coupling) (2): Tín hiệu truyền từ nguồn phát nối vào dao động ký gián tiếp qua tụ. DC (Divect coupling) (2): Tín hiệu truyền từ nguồn phát nối vào dao động ký trực tiếp. GND (Ground): Nối cực âm của nguồn điện vào vỏ máy còn đợc gọi là đất hay tín hiệu có giá trị biên độ bằng O tức trên màn hình ta thu đợc là một đờng thẳng nằm ngang. VOLT/DIV (Volt/division) (4), (10): Các thang đo biên độ tín hiệu. Các thang đo này cho phép chúng ta đo chính xác biên độ ở nhiều khoảng giá trị khác nhau từ : 1 V 5 V/độ 0,1 V 0,5V/độ 5mV 50mV/độ Khi kéo các núm (5) và (11) biên độ đợc nhân lên 5 lần Chú ý: Khi đo biên độ vạch trắng của núm Volt/div phải chỉnh về phía Cal (Calibrate (chuẩn)). Lúc đó thang đo đã đợc chuẩn, ngợc lại các phép đo đều không chính xác. Đây là một điều chúng ta cần chú ý khi dùng dao động ký để đo biên độ của tín hiệu. Khi đo tần số các bớc cũng phải thực hiện tơng tự nh khi đo biên độ. Time/div: thang đo thời gian test (thử ) là quá trình kiếm tra và chỉnh độ chính xác của dao động ký. Có 2 cách thử: Dùng máy phát phát ra tín hiệu chuẩn. Dùng máy phát có sẵn trong dao động ký. Ta kiểm tra lại độ chính xác của các thang đo về biên độ cũng nh về tần số. ở đây tín hiệu chuẩn do máy phát có sẵn trong dao động ký phát ra với tần số là 2 KHz và biên độ là 2 V-PP (2 vôn từ đỉnh cực đại đến đỉnh cực tiểu ) đợc lấy ở Cal (9). 5 POSITION (Vertical position) (27) (25): Điều chỉnh vị trí tín hiệu của kênh A và kênh B theo chiều thẳng đứng trên màn hình. POSITION (18) (Horitontal position): Điều chỉnh vị trí của tín hiệu của các ngõ vào A và B theo chiều nằm ngang. Công tắc Pull có thể kéo dài vị trí lên 10 lần. VERTICAL MODE: Là công tắc chọn kênh (chanell) sử dụng. Bao gồm: CH A ( channel A). Tín hiệu kênh A hoạt động. CH B ( channel B). Tín hiệu kênh B hoạt động. DUAL . Cả hai kênh cùng hoạt động. HOLD OF (21) Là núm chỉnh đồng bộ (điều chỉnh hình đứng yên) X-Y (on) Là công tắc đo hiệu số pha bằng phơng pháp tổng hợp hai dao động điều hoà có phơng vuông góc với nhau (hình LISARU.) B. Điều chỉnh dao động ký Để tiến hành các phép đo trớc hết chúng ta phải sử dụng các chức năng điều khiển của dao động ký nhằm thu đợc hình ảnh rõ. Một hình đạt tiêu chuẩn là hình phải rõ nét, đủ độ sáng, có vị trí thích hợp và phải đứng yên (tức là không trôi, nhảy). Mặt trớc của màn hình có các núm điều chỉnh và chúng ta chú ý một số điều chỉnh sau: Bật núm POWER (30) đèn đỏ báo nguồn phải sáng. Lúc đó điện đã vào máy chờ một vài giây vệt sáng sẽ xuất hiện trên màn hình. Sử dụng núm Intensity (G1) (31) để quan sát thấy vạch sáng, điều chỉnh độ sáng cho hình vừa sáng và điều chỉnh núm FOCUS (G2) (28) để điều khiển độ nét của ảnh quét trên màn hình. Điều chỉnh núm BEAMFIND (12) mang vệt sáng vào tâm màn hình. Có hai phơng pháp nối tín hiệu với dao động ký. Tín hiệu có thể vào các ngõ: 6 CHA (A): Đầu vào của kênh A trong quá trình hoạt động tín hiệu đa vào trục X, (theo phơng nằm ngang) CHB: Đầu vào của kênh B trong quá trình hoạt động tín hiệu đa vào trục Y (theo phơng thẳng đứng). Có hai phơng pháp truyền tín hiệu từ máy phát sang dao động ký. Trực tiếp DC (Direct coupling) (2) hoặc gián tiếp tín hiệu truyền từ nguồn phát nối vào dao động ký qua tụ AC (Avia Coupling) (2). Điểm đất của máy phát và điểm đất của dao động ký phải đợc nối với nhau. Nếu máy phát cha hoạt động tín hiệu vào có biên độ bằng O tức trên màn hình ta thu đợc là một đờng thẳng nằm ngang. Dùng núm điều chỉnh vị trí đa vạch sáng nằm trùng với trục hoành trên mặt dao động ký. Chú ý: với một tín hiệu bất kỳ chúng ta không quan sát đợc rõ dạng tín hiệu trên màn hình, trớc hết ta phải điều chỉnh tần số và biên độ máy thu (dao động ký) để có giá trị gần với giá trị biên độ và tần số của máy phát bằng các núm điều chỉnh biên độ và tấn số nói trên. Một tín hiệu rõ là phải nguyên dạng (ví dụ hình sin), đứng yên và biên độ không bị cắt xén. C. Đo biên độ tín hiệu & Tần số bằng dao động ký. Sau khi thu đợc hình rõ ràng chúng ta bắt đầu tiến hành đo. Bật máy phát, điều chỉnh núm tần số (Time/div) và núm (Volt/div) để thu đợc dạng tín hiệu trên màn ảnh. (H1) Đọc chỉ số thang đo biên độ. Đọc số vạch chia trên màn hình mà biên độ tín hiệu đạt đợc. Giả sử số chỉ của núm Volt/div là N (ứng với vạch trắng của núm), số vạch chia trên màn hình mà biên độ tín hiệu đạt đợc là M khi đó giá trị của biên độ sẽ là N x M . Tơng tự nh vậy ta có thể đo thời gian của một chu kỳ. Tần số đợc xác định theo công thức 7 f = T 1 II. BàI thực hành A. Phơng pháp tổng hợp hai dao động điều hoà có phơng vuông góc với nhau (hình LISARU). 1. Tóm tắt lý thuyết: Ta có hai tín hiệu đợc truyền theo hai phơng vuông góc với nhau. Tín hiệu thứ nhất truyền theo phơng OX tín hiệu thứ hai truyền theo phơng OY. Hai tín hiệu này có cùng tần số và khác pha nhau. Dùng dao động ký ta có thể chọn tín hiệu thứ nhất có pha bằng không, tín hiệu còn lại có pha là . Cả hai tín hiệu đều phụ thuộc vào thời gian t. Trên màn hình trục OX (phơng nằm ngang) biểu diễn giá trị điện áp của tín hiệu thứ nhất và tơng tự cho tín hiệu thứ hai trên trục OY( phơng thẳng đứng ). Chúng ta có: x= x 0 cos t y = y 0 cos( t + ) x 0 , , y 0 là các giá trị biên độ của hai tín hiệu nói trên. Từ (4) dể dàng chúng ta thu đợc: 2 0 x x + 2 0 y y = cos 2 t + cos 2 ( t + ) (5.a) Viết lại phơng trình trên chúng ta có: 2 0 x x + 2 0 y y - 00 2 yx xy cos = sin 2 (5) Phơng trình (5) là phơng trình đờng elip. Nh vậy chuyển động tổng hợp của hai dao động điều hoà cùng tần số có phơng truyền vuông góc với nhau là một chuyển động hình elip. Lúc bấy giờ chúng ta quan sát đợc quỹ đạo chuyển động của điểm sáng trên màn hình là một hình elip. Dạng của 8 hình elip này phụ thuộc giá trị của hiệu pha . Để xác định hiệu số pha chúng ta cần xét một số trờng hợp đặc biệt để quan sát. Đó là các trờng hợp sau: Trờng hợp = 2k Phơng trình (5) có dạng : y = 0 0 x y x (6) Đó là phơngtrình đờng thẳng đi qua gốc toạ độ tạo với trục hoành một góc 0 < < 2 (H.1.c) Trờng hợp = k. Phơng trình (5) có dạng : y = - 0 0 x y x (7) Đó là phơngtrình đờng thẳng đi qua gốc toạ độ tạo với trục hoành một góc 2 < < (H.1.g) Trờng hợp = (2k+1) 2 Viết lại phơng trình (5 ) y y x x 9 0 < < 2 = 2 ; 2 3 H.1.a H.1.b y y x x = 0 2 < < 2 3 H.1.c H.1.d y y x x 2 3 < < 2 = H.1. e H.1.g H.1 Hình Lisaru x 2 +y 2 = b 2 (8) Trong đó dùng dao động ký ta chọn x 0 = y 0 = b, phơng trình trên là phơng trình đờng tròn (H.1.b) Trờng hợp khác các giá trị trên . 10