Các dụng cụ đo thông dụng dùng trong trường phổ thông ppsx

Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Các dụng cụ đo thông dụng dùng trong trường phổ thông
I. Ampekế
Một ampe kế là một dụng cụ đo cường độ dòng điện. Tên của dụng
cụ đo lường này được đặt theo đơn vị đo cường độ dòng điện là ampe.


Ampe kế can thiệp mắc nối tiếp với mạch điện.
Mọi ampe kế đều tiêu thụ một hiệu điện thế nhỏ nối tiếp trong mạch
điện.
Ký hiệu ampe kế trong mạch điện là một vòng tròn có chữ A ở giữa
và có thể thêm ký hiệu các cực dương và âm hai bên cho dòng điện một
chiều.
Để giảm ảnh hưởng đến mạch điện cần đo, hiệu điện thế tiêu thụ
trong mạch của ampe kế phải càng nhỏ càng tốt. Điều này nghĩa là trở
kháng tương đương của ampe kế trong mạch điện phải rất nhỏ so với điện
trở của mạch.
Ampe kế không can thiệp
Ampe kế can thiệp có nhược điểm là cần phải được lắp đặt như một
thành phần trong mạch điện. Chúng không dùng được cho các mạch điện
đã được chế tạo khó thay đổi. Đối với các mạch điện này, người ta có thể
đo đạc từ trường sinh ra bởi dòng điện để suy ra cường độ dòng điện.
Phương pháp đo như vậy không gây ảnh hưởng đến mạch điện, an toàn,
nhưng đôi khi độ chính xác không cao bằng phương pháp can thiệp.
Đầu dò hiệu ứng Hall
Phương pháp đo này sử dụng hiệu ứng Hall tạo ra một hiệu điện thế
tỷ lệ thuận (với hệ số tỷ lệ biết trước) với cường độ dòng điện cần đo.
Trang
26
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT

0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Hiệu điện thế Hall v
H
gần như tỷ lệ thuận với cường độ từ trường
sinh ra bởi dòng điện, do đó tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đó.
Chỉ cần cuốn một hoặc vài vòng dây mang dòng điện cần đo quanh một lõi
sắt từ của đầu đo là ta có được từ trường đủ để kích thích hoạt động của
đầu đo. Thậm chí đôi khi chỉ cần kẹp lõi sắt cạnh đường dây là đủ.
Sơ đồ mạch điện của một đầu đo cường độ dòng điện sử dụng hiệu
ứng Hall. Màu xanh lục: lõi sắt từ, màu đỏ: thanh Hall, màu tím: bộ
khuyếch đại điện, màu lam: điện trở. Điện thế ra v
M
tỷ lệ với cường độ
dòng điện vào i
p
Tuy nhiên hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm
giảm độ chính xác của phép đo. Trên thực tế người ta có thể sử dụng một
mạch điện phản hồi để giữ cho từ thông trong lõi sắt luôn xấp xỉ không,
giảm thiểu hiệu ứng từ trễ và tăng độ nhạy của đầu đo, như trong hình vẽ.
Dòng điện phản hồi i
S
được chuyển hóa thành hiệu điện thế ra v
S
nhờ bộ
khuyếch đại điện. Tỷ lệ giữa số vòng cuốn trên lõi sắt từ m (thường trong
khoảng từ 1000 đến 10000) cho phép liên hệ giữa dòng cần đo và dòng
phản hồi: i
S
= 1/m · i
P

.
Các ưu điểm:
• Hiệu điện thế tiêu thụ trên đoạn dây cuốn vào đầu đo chỉ
chừng vài mV.
• Hệ thống rất an toàn do được cách điện với mạch điện.
• Hệ thống có thể đo dòng điện xoay chiều có tần số từ 0 (tức là
điện một chiều) đến 100kHz
Hệ thống này cũng được ứng dụng trong vạn năng kế điện tử, hay
thậm chí trong dao động kế.
Kẹp kế
Trang
27
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)

Một kẹp kế đo cường độ dòng điện
Trong dòng điện xoay chiều, từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng
điện có thể gây cảm ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng điện.
Đây là cơ chế hoạt động của kẹp kế.
II.Đồng hồ vạn năng
Đồng hồ vạn năng hay vạn năng kế là một dụng cụ đo lường điện có
nhiều chức năng. Các chức năng cơ bản là ampe kế, vôn kế, và ôm kế,
ngoài ra có một số đồng hồ còn có thể đo tần số dòng điện, điện dung tụ
điện, kiểm tra bóng bán dẫn (transitor)
Đồng hồ vạn năng hiển thị kim

Trang
28
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)

Bên trong đồng hồ vạn năng thường
Loại này ra đời trước và dần bị thay thể bởi vạn năng kế điện tử. Bộ
phận chính của nó là một Gavanô kế. Nó thường chỉ thực hiện đo các đại
lượng điện học cơ bản là cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở.
Hiển thị kết quả đo được thực hiện bằng kim chỉ trên một thước hình cung.
Loại này có thể không cần nguồn điện nuôi khi hoạt động trong chế độ đo
cường độ dòng điện và hiệu điện thế.
Đồng hồ vạn năng điện tử
Đồng hồ vạn năng điện tử, còn gọi là vạn năng kế điện tử là một
đồng hồ vạn năng sử dụng các link kiện điện tử chủ động, và do đó cần có
nguồn điện như pin. Đây là loại thông dụng nhất hiện nay cho những
người làm công tác kiểm tra điện và điện tử. Kết quả của phép đo thường
được hiển thị trên một màn tinh thể lỏng nên đồng hộ còn được gọi là đồng
hồ vạn năng điện tử hiện số.

Một vạn năng kế điện tử
Trang
29
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)

Bên trong một đồng hồ vạn năng điện tử
Việc lựa chọn các đơn vị đo, thang đo hay vi chỉnh thường được tiến
hành bằng các nút bấm, hay một công tắc xoay, có nhiều nấc, và việc cắm
dây nối kim đo vào đúng các lỗ. Nhiều vạn năng kế hiện đại có thể tự động
chọn thang đo.
Vạn năng kế điện tử còn có thể có các chức năng sau:
1. Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi điện trở giữa 2 đầu đo
(gần) bằng 0.

2. Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước.
3. Thêm các bộ khuyếch đại điện để đo hiệu điện thế hay cường độ
dòng điện nhỏ, và điện trở lớn.
4. Đo độ tự cảm của cuộn cảm và điện dung của tụ điện. Có ích khi
kiểm tra và lắp đặt mạch điện.
5. Kiểm tra diốt và transistor. Có ích cho sửa chữa mạch điện.
6. Hỗ trợ cho đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt.
7. Đo tần số trung bình, khuyếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch
điện của radio. Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín
hiệu (như trong dao động kế).
8. Dao động kế cho tần số thấp. Xuất hiện ở các vạn năng kế có
giao tiếp với máy tính.
9. Bộ kiểm tra điện thoại.
10. Bộ kiểm tra mạch điện ô-tô.
11. Lưu giữ số liệu đo đạc (ví dụ của hiệu điện thế).
III. Máy phát xung
Máy phát xung hay máy tạo sóng đo lường là bộ nguồn tạo ra các tín
hiệu chuẩn về biên độ, tần số và dạng sóng dùng trong thử nghiệm và đo
lường. Các máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm có các dạng sau:
Trang
30
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
• Máy tạo sóng sin tần thấp LF (low frequency);
• Máy tạo sóng sin tần số vô tuyến RF (radio frequency);
• Máy tạo hàm;
• Máy phát xung;
• Máy phát tần số quét, máy phát các tín hiệu thử nghiệm.
Các máy tạo tín hiệu RF thường có dải tần số từ 0 kHz đến 100 kHz,
với mức điện áp có thể điều chỉnh từ 0 - 10V. Các máy tạo hàm cũng

thường là máy phát RF với 3 dạng sóng đặc trưng là sóng vuông, sóng tam
giác và sóng hình sin.
IV. Dao động kí điện tử (oscilloscope)
Dao động kí điện tử là thiết bị quan trọng trong đo lường, nó dùng
để quan sát và nghiên cứu các tín hiệu điện. Bộ phận quan trọng nhất của
dao động kí là bộ phận hiển thị, đó là ống tia êlectrôn.
1 Cấu tạo ống tia êlectrôn
Ống tia êlectrôn là một đèn chân không dùng để biến đổi tín hiệu
điện thành hình ảnh, nó tương tự như đèn hình của máy thu hình, nhưng
thường có kích thước nhỏ và bộ phận lái tia dùng bằng điện trường. Bộ
phận quan trọng của ống tia êlectrôn là súng điện tử, nó tạo ra chùm
êlectrôn mảnh để bắn vào màn huỳnh quang làm phát ra ánh sáng. Vì
chùm tia êlectrôn có quán tính rất bé nên ống êlectrôn có khả năng ghi
nhận những quá trình điện biến thiên đến hàng chục triệu lần trong một
giây (MHz).
Độ dư sáng của màn huỳnh quang, tức là màn huỳnh quang tiếp tục
phát sáng sau khi bị êlectrôn kích thích, nó có thể kéo dài từ hàng micro
giây đến hàng chục giây. Với dao động kí điện tử, màn huỳnh quang có thể
Trang
31
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
có độ dư sáng rất ngắn. Đối với đèn hình trong tivi độ dư sáng dài hơn, còn
đối với rađa thì rất dài. Hình 6.56 mô tả nguyên lí cấu tạo của ống êlectrôn.
Ống tia là một bóng chân không cao (10
-6
÷10
-8
mmHg), phía trong
xung quanh mặt hình nón phủ một lớp graphit có điện thế dương, phía đáy

được phủ lớp phốt pho phát quang. Phần hình trụ được gắn các điện cực:
cực Katốt K nơi phát ra các êlectrôn, cực điều khiển M, anốt thứ nhất A
1
và anốt thứ hai A
2
. Các điện cực đó tạo thành súng êlectrôn. Cực điều
khiển M thường có điện áp âm khoảng – 20V đến – 70V so với katốt, nó
được điều chỉnh bởi chiết áp P
1
. Điện thế của A
1
dương so với katôt
(khoảng 250V đến 500V), người ta dùng P
2
để điều chỉnh điện áp của nó.
Anốt A
2
nối liền với lớp graphít có điện thế cao, làm nhiệm vụ gia tốc cho
chùm êlectrôn (khoảng 1000V đến 2000V).
Hệ thống làm lệch bằng điện trường, được thực hiện bởi các cặp bản
tụ điện x, y đặt vuông góc với nhau. Sự chuyển động của tia điện tử là tổng
hợp của hai chuyển động do hai điện áp đặt vào hai cặp bản tụ gây nên.
Chính hệ thống làm lệch êlectrôn là nguyên tắc được áp dụng trong dao
động kí điện tử.
2 Dao động kí điện tử
Dao động kí điện tử ( oscilloscope) là một dụng cụ để ghi lại hình
ảnh của tín hiệu cần khảo sát. Bộ phận chính của dao động kí là ống tia
êlectrôn có hệ thống làm lệch bằng điện trường. Ta đặt vào cặp bản X một
điện áp răng cưa, tín hiệu cần khảo sát được đưa vào cặp bản Y của dao
động kí.

Muốn cho hình ảnh đứng yên trên màn thì chu kì T của điện áp răng
cưa phải bằng số nguyên lần chu kỳ T
Y
của tín hiệu cần nghiên cứu. Muốn
cho hình ảnh hiện lên trên màn được ổn định ta dùng mạch đồng bộ đặt
trong dao động kí.
Trang
32
-
+
P
1
P
2
K M A
1
A
2
y x
Cấu tạo ống tia điện tử
T =
T
Y
T = 2T
Y
b)
Tín hiệu có tần số khác nhau hiển thị trên màn huỳnh quang
y y
x x
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT

0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Trên hình đã vẽ trường hợp dao động hiện trên màn huỳnh quang
của dao động kí khi T = T
Y
(hình 6.57a) và T = 2T
Y
.
Để thuận tiện khảo sát các hệ thống có tín hiệu vào và ra (ví dụ hệ
thống khuếch đại), hiện nay dao động kí thường dùng là loại hai kênh hai
tia. Thực chất loại này là hai hệ thống dao động kí được thiết kế dùng một
màn hình hiển thị. Ngoài ra trên dao động kí được thiết kế thêm bộ phận
tạo tín hiệu mẫu để tiện cân chỉnh và định lượng tín hiệu cần khảo sát.
Hình sau là dạng của một dao động kí hai kênh hai tia hiện nay
thường dùng trong phòng thí nghiệm.

V. Đồng hồ đếm thời gian điện tử và ứng dụng
Trang
33
Hình dạng bên ngoài của một dao động ký
Đồng hồ đếm điện tử trong bộ thí nghiệm vật lí 10
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Đồng hồ đo thời gian hiện số, là dụng cụ đếm rất chính xác và đóng
vai trò quan trọng trong một số bài thí nghiệm khảo sát chuyển động của
vật. Nếu nắm được nguyên tắc hoạt động cơ bản của đồng hồ thì có thể
linh hoạt sử dụng các cách khác nhau để thực hiện thí nghiệm và ứng dụng
vào những nội dung khác tương tự.
Để đo thời gian, cần xác định thời điểm bắt đầu và thời điểm kết
thúc của một chuyển động. Với một thiết bị đếm thơi gian, cần thiết kế 2
lối vào, tương ứng với 2 thời điểm đó. Dụng cụ đếm có chính xác hay

không phụ thuộc vào tính tức thời của tín hiệu “khẩu lệnh” bắt đầu hay kết
thúc. Cách thức chọn dạng “khẩu lệnh” và kiểu hoạt động của bộ đếm gọi
là mode. Khẩu lệnh của đồng hồ đếm thời gian điện tử là những xung điện
hay còn gọi là xung đếm.
Cách mô tả các dạng xung đếm ở đây chỉ mang tính nguyên lí, thực
tế còn phụ thuộc vào cách thiết kế và cấu trúc của dụng cụ.
Ta hãy xem xung đếm có dạng như thế nào để thể hiện được tính tức
thời. Trong mạch điện tử, để thay đổi trạng thái, cần lưu ý đến ngưỡng lật.
Ngưỡng lật là mức điện áp tối thiểu có thể làm chuyển trạng thái của mạch,
Trang
34
DỤNG CỤ ĐẾM THỜI GIAN
Bắt đầu đếm
Kết thúc
đếm
Mô tả nguyên tắc của dụng cụ đếm thời gian
u
u
t t
Ngưỡng lật
∆t ≠ 0∆t = 0
a) b)
Ngưỡng lật trạng thái và nguyên nhân gây sai số
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
thời gian chuyển trạng thái rất nhanh có thể xem như tức thời và đó là lí do
đồng hồ đếm điện tử có độ chính xác cao.
Mức điện áp của xung đếm luôn cần cao hơn mức ngưỡng. Tuy
nhiên, nếu dạng xung có dạng vuông (hình 3a), thì mức sai số do xung tạo
ra có thể xem bằng 0, vì với mức áp nào của xung cũng có ∆t = 0. Còn nếu

dạng xung bất thường (ví dụ hình b), thì với các mức áp khác nhau trong
khoảng ∆t đều có thể lật trạng thái, như vậy nó có thể gây sai số trong các
lần lật trạng thái khác nhau. Điều đó, có nghĩa nếu dùng đồng hồ để xác
định thời gian của chuyển động trong các lần khác nhau, thì với dạng xung
như trên có thể gây sai số đáng kể.
Xung đếm, trong các bài thí nghiệm cơ học của vật lí lớp 10, được
tạo ra từ hai dụng cụ chính là từ hộp công tắc và từ cổng quang học.
Đối với cổng quang học, ánh sáng hồng ngoại được phát ra từ LED
chiếu thẳng đên phôtô điốt. Giả thiết cường độ nguồn sáng không đổi, duy
trì trạng thái phân cực của phôtô điôt với mức điện áp cố định. Nếu một
vật chắn sáng, ngắt mức điện áp duy trì đột ngột, tức là tạo ra một xung
biến đổi dạng vuông để có thể đưa vào một cổng đếm của đồng hồ.
Như vậy thiết kế vật khảo sát cần thoả mãn điều kiện cơ học (ví dụ
để có thể bỏ qua sức cản của không khí) và điều kiện các lần chắn sáng.
Trang
35
Phôtô
điôt
Phát
ánh
sáng
u
t
Cổng quang học và dạng xung tạo ra khi có vật đi qua
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Chẳng hạn nếu chọn hình trụ phẳng hai đầu, có thể đảm bảo điều kiện chắn
sáng, nhưng yêu cầu phương rơi luôn thẳng đứng. Còn nếu chọn quả cầu
thì cần chính xác các lần đi qua cổng quang phải là đỉnh, nếu không thì độ
dài của phần khảo sát sẽ khác nhau ở các lần khác nhau.

Còn đối với công tắc, sự ngắt tiếp xúc đột ngột cũng có thể tạo ra
dạng xung vuông làm xung đếm. Tuy nhiên với tiếp điểm kim loại, tính
đàn hồi của các cơ cấu công tắc, điện trở của vùng tiếp xúc và thao tác bấm
của người sử dụng dễ tạo ra độ thoải sườn sau của xung cùng với sự biến
đổi bất thường của điện áp.

Như vậy nếu thiết kế cấp độ chính xác của đồng hồ cao, thì cần thiết
có bộ sửa dạng xung của công tắc, hoặc phải lựa chọn các thông số kĩ thuật
của công tắc để đảm bảo dạng xung tạo ra dạng vuông.
Hộp công tắc kép, trong bộ thí nghiệm có thể hiểu: một công tắc tạo
xung cho cổng đếm, còn công tắc kia dùng để ngắt điện cho nam châm.
Như vậy khi ta bấm công tắc, nếu đặt ở kiểu mode thích hợp, khi đồng hồ
bắt đầu đếm, nam châm nhả vật khảo sát ra. Điều đó cần có sự đồng thời
của việc đếm và nhả vật, tuy nhiên với lõi nam châm điện có độ từ dư lớn
(lõi không hoàn toàn sắt non, hay vật bị nhiễm từ), thì có thể đồng hồ đã
đếm mà vật vẫn chưa nhả ra.
Các xung đếm dùng cho đồng hồ sẽ là xung bắt đầu hay xung kết
thúc phụ thuộc vào việc lựa chọn mode. Tìm hiểu kĩ các mode, có thể linh
hoạt trong cách khảo sát các chuyển động cơ học.
Các mode của đồng hồ:
1. Mode A (hoặc B, trên đồng hồ là chuyển mạch 2 mode)
Trang
36
Tia sáng hồng ngoại
u
t
∆t
Dạng xung của công tắc có thể tạo ra
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)

Mode này xác định thời gian chắn sáng của vật đi qua cổng quang
điện. Điều đó có nghĩa, thời gian đo được phụ thuộc vào chính kích thước
của vật và tốc độ chuyển động của vật đó qua cổng.
Dạng xung đếm được tạo ra khi có vật đi qua cổng quang học được
nối với cổng A (hoặc B) và lựa chọn mode A (hoặc B) được biểu diễn trên
hình 8. Thời điểm bắt đầu đếm tại t
bđ
, thời điểm kết thúc đếm tại t
kt
và như
vậy thời gian chắn sáng là t
x
. Với đặc điểm như vậy, ta có thể dùng mode
này để xác định vận tốc tức thời của vật, nếu như kích thước vật không lớn
và xem như chuyển động trong khoảng t
x
ngắn là đều.
Nếu dùng công tắc sử dụng mode này, thì đó là thời gian công tắc bị
ngắt điện. Có thể dùng thử xem độ nhạy của công tắc như thế nào.
2. Mode A + B
Là thời gian chắn sáng của vật qua cổng nối với A cộng với thời gian
chắn sáng qua cổng nối với B. Thời gian chắn sáng tại cổng nối với A là t
A
,
thời gian chắn sáng tại cổng nối với B là t
B
, còn t
A+B
là thời gian từ cuối
cổng này đến đầu cổng kia. Với mode này đồng hồ không đếm t

A+B
.
Hiển thị trên đồng hồ sẽ xuất hiện hai lần số liệu, đó là thời gian của
t
A
và sau đó là thời gian của cả t
A
và t
B
. Như vậy cần chú ý đọc nhanh thời
gian hiển thị của t
A
vì nó lướt rất nhanh nếu hai cổng đặt gần nhau và tốc
độ chuyển động của vật cao.
Trang
37
Mô tả mode A (hoặc B)
đường kính bi
20mm
Cổng quang điện
u
t
t
x
t
bđ
t
kt
t
A

t
B
t
A+B
t
u
Mô tả dạng xung mode A + B
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Cũng có thể dùng hai công tắc để thực hiện mode này.
3. Mode A↔B
Dùng để đo thời gian chuyển động đi từ cổng nối với A đến cổng nối
với B (từ vị trí bắt đầu chắn sáng tại cổng nối với A đến vị trí bắt đầu chắn
sáng tại cổng nối với B).
Đây là mode hay dùng để xác định tính chất chuyển động của một
vật đi từ vị này đến vị trí kia.
Cũng có thể dùng hai công tắc thay vào vị trí của cổng quang để thực
hiện mode này tuỳ theo cách thức sử dụng vào việc gì đó có tính chất
tương tự.
4. Mode T
Mode này dùng để xác định thời gian chuyển động có tính chất tuần
hoàn, tức là đồng hồ đếm thời gian khi vật 2 lần chắn sang tại một cổng A.
Như vậy qua 2 lần chắn sáng đồng hồ mới cho kết quả thời gian (tương tự
như 2 lần bấm công tắc, nếu nó được nối với cổng A và chọn mode T).
Mode thường dùng để xác định chu kì của một dao động (mỗi lần báo kết
quả được T/2, muốn có T cần 4 lần chắn sáng)
Trang
38
t
bđ

t
kt
t
A↔B
t
u
Mô tả dạng xung mode A ↔ B
t
bđ
t
kt
t
u
T/2
1
2
Mô tả dạng xung của mode T
Hồ Tuấn Hùng Dụng cụ đo dùng trong trường THPT
0982057418 (ĐHSP Hà Nội)
Vận dụng dạng xung tạo ra của các dụng cụ khác tương tự như của
cổng quang và công tắc điện, ta có thể dùng đồng hồ đếm này vào ứng
dụng khác.
Trang
39