Thí nghiệm môn Vật lý - Xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng đèn nêon

Thí nghiệm Vật Lý. Bài 1: Xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng đèn Nêon Dụng cụ: 1. Bộ thí nghiệm vật lý MC-958 gồm: - Đèn Nêon. - Nguồn điện một chiều ổn áp 0-110V. - Vôn kế một chiều O-100V. - Hộp chân đế và bảng lắp ráp mạch điện. - Bộ dây dẫn dùng nối mạch điện. 2. Điện trở mẫu Ro và điện trở cần đo Rx. 3. Tụ điện mẫu Co và tụ điện cần đo Cx. 4. Điện trở R bảo vệ mạch điện. 5. Máy đo thời gian vạn năng hiện số kiểu MC-963A. 6. Đầu cảm biến thu phát quang điện hồng ngoại. 7. Nguồn điện xoay chiều 220V. I.Cơ sở lý thuYết. Mạch dao động tích phóng dùng đén Nêon là một mạch dao động điện đơn giản ( hình 1) gồm : -Đèn Nêon (là một bòng thuỷ tinh nhỏ, bên trong được hút chân không đến cỡ 10 mmHg và có hai điện cực kim loại A và K đặt cách nhau 2-3 mm). -Điện trở R ( cỡ mêgaôm, MW ) mắc nối tiếp với đèn Ne. -Tụ điện có điện dung C ( cỡ microfara, mF ) mắc song song với đèn Ne. + Un - P R L S E1 E E2 Ne C Hình 1. -Nguồn điện không đổi có hiệu điện thế Un . 0 t1 t1' t2 t2' t3 t3' t Uc Us Ut Hình 2: Đầu tiên, tụ điện C tích điện từ nguồn điện Un. Hiệu điện thế U giữa 2 bản cực của tụ điện C tăng dần từ 0 đến giá trị Us. Khi U=Us: đền Nêon Ne bừng sáng và trở thành vật dẫn điện. Tụ điện C phóng điện qua đèn Nêon và hiệu điện thế U giữa hai bản cực tụ điện lại giảm rất nhanh từ giá trị Us xuống đến giá trị Ut. Khi U = Ut : đèn Nêon phụt tắt và trở thành vật cách điện. Bây giờ tụ điện C không phóng điện nữa. mà lại tích điện từ nguồn điện Un. Hiệu điện thế U giữa hai bản cực của tụ điện C lại tăng dần từ giá trị Ut đến giá trị Us. Khi U = Us: đèn Nêon lại bừng sáng. Tiếp đó toàn bộ quá trình trên lại được lặp lại tuần hoàn theo thời gian t như hình 2 và được gọi là dao động tích phóng. Giá trị Us gọi là hiệu điện thế sáng và giá trị Ut là hiệu điện thế tắt. Chu kỳ T của dao động tích phóng có trị số bằng khoảng thời gian giữa hai lần bừng sáng liên tiếp của đèn Nêon, nghĩa là: T=t2-t1. áp dụng định luật ôm đối với mạch điện trên hình 1, ta có: i=(Un-U)/R. (1) Với i là cường độ dòng điện chạy trong mạch khi tụ điện được tích điện. Sau khoảng thời gian rất nhỏ dt, điện tích của tụ điện tăng lên một lượng: dq=i.dt. (2) Nhưng điện tích trên mỗi bản cực tụ điện q=C.U, với C là điện dung của tụ điện, nên dq=C.dU. Từ các công thức 1 và 2 ta suy ra: hay (3) Thực tế, vì tụ điện C phóng điện rất nhanh ( gần như tức thời ), nên có thể coi gần đúng: T ằ t2- t1', với t1' là thời điểm tụ điện C lại bắt đầu tiếp tục tích điện từ nguồn điện Un sau khi đèn Nêon phụt tắt. Lờy tích phân phương trình (3) từ thời điểm t1' đến thời điểm t2 ứng với các hiệu điện thế Ut và Us giưa hai bản cực của tụ điện C, ta tìm được chu kỳ T của dao động tích phóng bằng: hay: (4) Công thức (4) chứng tỏ, với nguồng điện Un và đèn Nêon cho trước, chu kỳ T của dao động tích phóng tỉ lệ với điện trở R và điện dung C của tụ điện trong mạch dao động tích phóng Nêon. Trong bài thí nghiệm này, ta sẽ khảo sát dao động tích phóng bằng cách đo các giá trị Us và Ut của đèn Nêon để nghiện lại công thức 4, đồng thời dùng mạch dao động tích phóng để xác dịnh các điện trở Rx và điện dung Cx ( có giá trị lớn ) bằng cách so sánh chu kỳ dao động Tx của chúng với chu kỳ dao động To của điện trở mẫu Ro và tụ điện mẫu Co. II.Trình tự thí nghiệm 1. Đo các giá trị Us và Ut của đèn Nêon: 1.1. Chuẩn bị bộ thí nghiệm Vật Lý MC-958. Chưa cắm phích điện vào nguồn ~220V. P R Q L + Un - E1 E Ne Hình 3. V 1.1. Dùng các dây dẫn nối mạch điện trên mặt máy của bộ MC-958 ( hình 4) theo sơ đồ hình 3: -Điện rở R mắc giữa hai chốt P và Q. -Vôn kế V mắc song song với đèn Nêon Ne giữa hai chốt L và E (hai chốt S và E2 dùng quan sát dao động tích phóng trên dao động động ký điện tử). -Núm xoay của nguồn Un đặt ở vị trí số 0 ( hiệu điện thế của nguồn Un thay đổi được từ 0 đến 100V nhờ một biến trở núm xoay mắc giữa hai chốt P và E1). -Công tắc K đặt ở trạng thái ngát điện. 1.3. Mời thầy giáo tới kiểm tra mạch điện trên mặt máy MC-958 và cắm phích lấy điện cho nó vào nguồn điện~220V. Bấm công tắc K để đóng điện vào máy: đèn Led phát sáng. 1.4. Vặn từ từ núm xoay của nguồn điện Un để tăng dần hiệu điện thể U giữa hai cực của đèn Nêon Ne. Khi U=Us: đèn Nêon Ne bừng sáng. Đọc và ghi giá trị của hiệu điện thế sáng Us chỉ bởi vôn kế V vào bảng 1. Sau đó lại vặn từ từ núm xoay của nguồn điện Un để giảm dần hiệu điện thể U giữa hai cực của đèn Nêon Ne. Khi U=Ut: đèn Nêon Ne phụt tắt. Đọc và ghi giá trị hiệu điện thế tắt Ut chỉ bởi vôn kế V vào bảng 1. (Chú ý : có thể mắc thêm miliampe kế A giữa hai chốt Q và L để đo cường độ dòng điện chạy qua đèn Nêon Ne khi nó phát sáng). Thực hiện lại động tác này 3 lần.Đọc và ghi các giá trị tương ứng của Us và Ut vào bảng 1. Vặn núm xoay của nguồn điện Un trở về vị trí 0. Bấm công tắc K để ngắt điện vào máy: đèn Led tắt. Tháo bỏ điện trở R ra khỏi mạch điện. V ụ O Ne L C E +100V K P E1 + - R Q A Hình 4: 2. Nghiệm công thức (4), xác định chu kỳ dao động tích phóng: 2.1. Mắc mạch điện trên mặt máy của bộ MC-958 theo sơ đồ hình 5: - Vôn kế V mắc giữa hai chốt P và E1. - Tụ điện mẫu Co mắc song song với đèn Nêon Ne giữa hai chốt L và E. - Điện trở mẫu Ro mắc nối tiếp với đèn Nêon Ne giữa hai chốt P và Q. Hình 5. + Un - R Ro L Ne Co V Đặt đầu cảm biến thu- phát quang điện hồng ngoại lên mặt máy sao cho đèn Nêon Ne nằm giữa hai lỗ cửa sổ phía bên trong của đầu cảm biến. Cắm đầu nối của cảm biến vào ổ A của máy đo thời gian hiện số MC-963A. Vặn nút chọn kiểu đo " MODE" của máy này sang vụ trí n=50 và gạt núm chọn thang đo thời gian "TIME RANGE" sang vị trí 99,99 như hình 6 . Hình 6. Máy đo thời gian MC-963 8 8 8 8 8 8 Chu kỳ Thời gian A B 9,999 99,99 Reset TIME Range K B n=50 A n Mode A+B AôB 2.2. Mời thầy giáo tới kiểm tra mạch điện trên mặt máy MC-958 và cắm phích lấy điện vào nguồn xoay chiều 220V. Bấm công tắc K để đóng điện vào máy : đèn Led phát sáng. 2.3. Vặn núm xoay của nguồn Un để vôn kế V chỉ giá trị Un=90V và giữ giá trị này không đổi trong thời gian thí nghiệm. Mạch điện chứa đèn Nêon Ne, điện trở mẫu Ro và tụ điện mẫu Co thực hiện dao động tích phóng. Theo công thức (4) chu kỳ dao động tích phóng To của mạch điện khi đó bằng: (5) 2.4. Cắm phích lấy điện của máy đo thời gian MC-963 vào nguồn điện~220V. Bấm khoá K: Các chỉ thị bằng số phát sáng hiện rõ trên khung cửa sổ "chu kỳ" và "thời gian". Bấn nút "RESET" để đưa các chỉ thị hiện số về trạng thái số 0. Sau đó, máy đo thời gian MC-963A tự động đo khoảng thời gian to của 50 chu kỳ tích phóng To của đèn Nêon Ne ( ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp ) khi mạch điện chưa Ro và Co. Thực hiện 3 lần phép đo to. Đọc và ghi các giá trị của to vào bảng 1. Chu kỳ dao động tích phóng To đo bằng: (6) Có thể nghiệm lại công thức (4) bằng cách so sánh kết quả tính theo (5) với kết quả đo trực tiếp theo (6) của chu kỳ tích phóng To. Sau khi đo khoảng thời gian to, vặn núm xaoay của nguồn điện Un về vị trí 0. 3. Xác định db trở Rx: Giữ nguyên sơ đồ hình 5 nhưng thay Ro bằng Rx mắc giữa hai chốt P và L. Vặn núm xoay của nguồn điện Un để vôn kế V lại chỉ hiệu điện thể không đổi Ut=90V. Làm lại động tác 2. Đọc và ghi các giá trị đo được của khoảng thời gian tx của 50 chu kỳ tích phóng Tx của đèn Nêon Ne ( ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp ) khi mạch điện chứa Rx và Co. Thực hiện 3 lần đối với mỗi phép đo tx. Từ đó suy ra chu kỳ dao động tích phóng Tx: (8) Theo công thức (4), chu kỳ dao động tích phóng Tx tính bằng : (9) So sánh (5) và (9),ta được : (10) 4. Xác định điện dung Cx: Giữ nguyên sơ đồ hình 5 nhưng thay Co bằng Cx mắc giữa hai chốt L và E. Vặn núm xoay của nguồn điện Un để vôn kế V chỉ hiệu điện thế không đổi Ut = 90 V. Làm lại động tác 2. Đọc và ghi các giá trị đo đượ của khoảng thời gian tx' của 50 chu kỳ tích phóng Tx của đèn Nêon Ne (ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp ) khi mạch điện chứa Ro và Cx. Thực hiện 3 lần đối với phép đo tx'. Từ dó suy ra chu kỳ dao động tích phóng Tx' bằng: (8') Theo công thức (4), chu kỳ dao động tích phóng Tx' của mạch điện chưa Ro và Cx tính bằng : ( 9' ) So sánh (10) và (6), ta được: ( 10' ) Vặn núm xoay của nguồn điện Un về vị trí 0. Bấm các công tắc K để ngắt điện vào máy MC-985 và máy đo thời gian hiện số MC-963A: Các đèn Led tắt. Rút các phích cắm điện ra khỏi nguồn điện~220V. Thu xếp gọn gàng các dụng thí nghiệm. 5. Ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 và 2: - Cấp chính xác dv và giá trị cực đại Um trên thang đo vủa vôn kế V. - Độ chính xác d của đồng hồ do thời gian hiện số MC-963A. - Giá trị của điện trở mẫu Ro và cấp chính xác của nó. - Giá trị điện dung của tụ điện mẫu Co và cấp chính xác của nó. III. Câu hỏi kiểm tra. 1. Định nghĩa dao động tích phóng. Vẽ sơ đồ và nói rõ nguyên tắc hoạt động của mạch dao động dùng đèn Nêon Ne. 2. Trình bày phương pháp xác định điện trở và điện dung có giá trị lớn dùng mạch dao động tích phóng dùng đèn Nêon Ne. Tại sao không thể dùng phương pháp này để xác định điện trở và điện dung có giá trị nhỏ?. 3.Trình bày phương pháp khảo sát mach dao động tích phóng bằng cách nghiệm lại công thức (6) tính chu kỳ To của nó. Báo cáo thí nghiệm Xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng dùng đèn Nêon Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2. Xác nhận của thầy giáo: Lớp :.........................Tổ.................... Họ tên:.............................................. I. Mục đích thí nghiệm. II. Kết quả thí nghiệm. 1. Bảng 1. Um=...................V; dv=..................%; dt=.......................s. Ro=................±................. MW; Co=...................±..............mF. Lần đo Us DUs Ut DUt tx Dtx to Dto tx' Dtx' 1 2 3 Trung bình 2.Tính giá trị của hiệu điện thế sáng Us hiệu điện thế tắt Ut: 3. Nghiệm công thức tính chu kỳ To của mạch dao động tích phóng: 3.1 Tính giá trị trung bình của chu kỳ To theo công thức (6): 3.2 Tính giá trị trung bình của chu kỳ To theo công thức: 3.3 So sánh các kết quả tính chu kỳ To theo công thức (6) và (9) bằng cách xác định sai số tương đối: 4. Xác định giá trị của điện trở Rx. 4.1. Tính giá trị trung bình của chu kỳ Tx theo công thức (8). 4.2. Tính sai số tương đối trung bình của Rx. 4.3 Tính giá trị trung bình của Rx theo công thức (10). 4.4 Tính sai số tuyệt đối trung bình của Rx: 4.5 Viết kết quả tính Rx. 5. Xác định giá trị của điện dung Cx: 5.1 Tính giá trị chu kỳ Tx' theo công thức . 5.2 Tính sai số tương đối trung bình của Cx. 5.3 Tính giá trị trung bình của Cx theo công thức. 5.4 Tính sai số tuyệt đối trung bình của Cx: 5.5 Viết kết quả tính Cx: