Tự kết nối dụng cụ, quan sát dao động kí số, dùng hai con trỏ đo khoảng thời gian, tính tần số và hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
Giải thích vai trò của âm thoa, micro, bộ khuếch đại, dao động kí điện tử. Biết lựa chọn TIME/DIV, đọc số ô thời gian ứng với một hoặc nhiều chu kì, đặt hai con trỏ để đo \(\Delta t\).
Tính \(T\), \(f\), thực hiện ít nhất ba lần đo, tính tần số trung bình và độ lệch tương đối với giá trị ghi trên âm thoa; nêu nguồn sai lệch, đề xuất cách giảm nhiễu và ghi báo cáo có đơn vị.
Dao động kí hiển thị tín hiệu điện biến thiên theo thời gian. Trục ngang là thời gian (TIME/DIV); trục dọc là điện áp tín hiệu (VOLTS/DIV). Từ một tín hiệu tuần hoàn, ta đo chu kì và tần số. Núm VOLTS/DIV chỉ đổi tỉ lệ hiển thị theo chiều dọc, không làm đổi tần số thật của tín hiệu.
Âm thoa tạo âm gần tuần hoàn khi gõ bằng búa cao su. Micro biến đổi dao động áp suất âm thành tín hiệu điện nhỏ; bộ khuếch đại tăng biên độ tín hiệu; dao động kí hiển thị dạng tín hiệu. Giá đỡ và kẹp giữ âm thoa ổn định. Thông thường đặt micro cách âm thoa khoảng 20 cm và tránh môi trường có tiếng ồn.
Mỗi ô ngang tương ứng với thời gian b (ví dụ 0,5 ms/div). Hai con trỏ cách nhau n ô ngang sẽ ứng với thời gian \(\Delta t=n b\).
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(n\) | Số ô ngang giữa hai con trỏ | không có |
| \(b\) | Thang thời gian theo ô | s/div |
| \(\Delta t\) | Khoảng thời gian đo | s |
Điều kiện / phạm vi: Trục ngang của dao động kí biểu diễn thời gian. Nhớ đổi mili giây thành giây trước khi tính tần số.
Nếu khoảng giữa hai con trỏ trải qua N chu kì nguyên, chu kì trung bình bằng khoảng thời gian đó chia cho N. Cách này giảm độ nhạy với sai lệch đặt con trỏ khi quan sát nhiều chu kì.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(T\) | Chu kì của tín hiệu | s |
| \(\Delta t\) | Thời gian N chu kì | s |
| \(N\) | Số chu kì nguyên | không có |
Điều kiện / phạm vi: Hai con trỏ phải đánh dấu hai điểm cùng pha, cách nhau đúng N chu kì; dạng sóng gần tuần hoàn.
Tần số của sóng âm do âm thoa tạo ra được xác định từ chu kì của tín hiệu sau khi micro chuyển đổi thành tín hiệu điện.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(f\) | Tần số âm | Hz |
| \(T\) | Chu kì | s |
| \(\Delta t\) | Khoảng thời gian đo | s |
Điều kiện / phạm vi: Tín hiệu hiển thị có tần số đúng bằng tần số âm nếu hệ thu và ghi phù hợp, không có chuyển đổi tần số.
Dùng công thức này khi dao động kí hoặc hai con trỏ báo \(\Delta t\) bằng mili giây, rất tiện cho âm thoa có tần số vài trăm héc.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(N\) | Số chu kì | không có |
| \(\Delta t\) | Thời gian N chu kì | ms |
| \(f\) | Tần số thu được | Hz |
Điều kiện / phạm vi: \(1\ \mathrm{ms}=10^{-3}\ \mathrm s\); không lấy \(1/2{,}5=0{,}4\) Hz khi thời gian là 2,5 ms.
Tính f cho từng lần đo rồi lấy trung bình số học. Khi chọn số chu kì N khác nhau, nên tính f của mỗi lần riêng, không bình quân trực tiếp thời gian nếu N khác nhau.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(f_i\) | Kết quả tần số lần i | Hz |
| \(\bar f\) | Tần số đo trung bình | Hz |
Điều kiện / phạm vi: Ba lần đo độc lập với cùng âm thoa và điều kiện đo gần giống nhau.
So sánh \(\bar f\) với tần số danh định \(f_0\) ghi trên âm thoa. Đây là độ lệch so với nhãn tham chiếu, không tự động bằng độ không đảm bảo đo được xác lập theo phương pháp đo lường.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(f_0\) | Tần số danh định trên âm thoa | Hz |
| \(\bar f\) | Tần số đo trung bình | Hz |
| \(\delta\) | Sai lệch tương đối | % |
Điều kiện / phạm vi: f₀ là giá trị dùng để so sánh; kết quả thí nghiệm thực tế còn phụ thuộc hiệu chuẩn, nhiễu, phép đọc và điều kiện đo.
Đồ thị cho thấy hai đỉnh liên tiếp cách nhau 4 ô ngang; TIME/DIV = 1 ms/div. Tính tần số.
\(T=4\times1=4\,\mathrm{ms}=0{,}004\,\mathrm s\). Suy ra \(f=1/0{,}004=\boxed{250\,\mathrm{Hz}}\).
Kiểm tra: Đây cũng là ví dụ minh họa tương ứng hoạt động đọc dao động kí trong SGK.
Hai con trỏ cùng pha cách nhau 5 ô, TIME/DIV = 1 ms/div; khoảng giữa hai con trỏ có 2 chu kì.
\(\Delta t=5\,\mathrm{ms}\), \(T=5/2=2{,}5\,\mathrm{ms}\), \(f=1000\times2/5=\boxed{400\,\mathrm{Hz}}\).
Kiểm tra: Không nhầm thời gian hai chu kì với thời gian một chu kì.
Chu kì chiếm 4 ô ngang khi đặt TIME/DIV = 0,5 ms/div.
\(T=4\times0{,}5=2\,\mathrm{ms}\), \(f=1000/2=\boxed{500\,\mathrm{Hz}}\).
Kiểm tra: TIME/DIV nhỏ hơn giúp phóng to tín hiệu theo trục thời gian.
Từ ba lần đo thu được 438 Hz, 441 Hz và 441 Hz. Tính giá trị trung bình.
\(\bar f=(438+441+441)/3=\boxed{440\,\mathrm{Hz}}\).
Kiểm tra: Không được thay thế ba kết quả bằng một kết quả thuận mắt mà không nêu căn cứ.
Âm thoa ghi 440 Hz; giá trị trung bình đo được là 442 Hz.
\(\delta=|442-440|/440\times100\%\approx\boxed{0{,}45\%}\).
Kiểm tra: Độ lệch so với nhãn không đồng nghĩa với phân tích sai số đầy đủ.
Âm thoa khoảng 500 Hz. Nếu cần quan sát vài chu kì trên màn hình 10 ô, chọn TIME/DIV 0,2; 0,5; hay 5 ms/div?
\(T\approx2\,\mathrm{ms}\). Với 1 ms/div, màn hình dài 10 ms, thấy khoảng 5 chu kì; với 0,5 ms/div, thấy khoảng 2,5 chu kì rõ hơn. Trong ba lựa chọn, 0,5 ms/div thường tiện để đo 1–2 chu kì.
Kiểm tra: Mức tối ưu phụ thuộc độ phân giải và số chu kì muốn quan sát.
Trên màn hình tín hiệu có nhiều gợn nhỏ. Làm gì để giảm sai lệch đo tần số?
Giữ môi trường yên tĩnh; kiểm tra dây, vị trí micro khoảng 20 cm; điều chỉnh khuếch đại phù hợp, chọn ngưỡng/trigger ổn định; đo khoảng nhiều chu kì, lặp phép đo.
Kiểm tra: Không tăng khuếch đại quá mức khiến tín hiệu bị cắt đỉnh.
Đo được 3 chu kì trong 6,00 ms. Tính tần số.
\(T=6/3=2{,}00\,\mathrm{ms}\) nên \(f=1000/2=\boxed{500\,\mathrm{Hz}}\).
Kiểm tra: Phải chia cho đúng số chu kì nguyên.
Trong mô hình, tần số thực tế gần với giá trị ghi trên âm thoa; đồ thị cho thấy tín hiệu điện micro. Đặt hai con trỏ vào các đỉnh cùng pha, chọn số chu kì N chính xác, sau đó ghi lần đo để tạo báo cáo.
Âm truyền trong không khí tới micro; tín hiệu điện truyền qua dây dẫn tới bộ khuếch đại rồi dao động kí. Không phải sóng âm truyền trong dây điện.
Bấm “Gõ âm thoa” để tạo tín hiệu; kéo hai con trỏ đo.
| Lần | N | Δt (ms) | T (ms) | f (Hz) | Độ lệch (%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Chưa ghi lần đo. Hãy thao tác với dao động kí ở phía trên. | ||||||
Đã ghi 0/3 lần đo. Thực hành tối thiểu 3 lần để tính trung bình.
Nhập đáp số không kèm đơn vị (có thể dùng dấu phẩy thập phân). Các bài gồm đọc TIME/DIV, xác định tần số từ chu kì, đo nhiều chu kì và xử lí bảng báo cáo.
8 câu ABCD (2 điểm); 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm, 0–0,1–0,25–0,5–1 điểm); 8 câu trả lời ngắn (2 điểm); 2 tự luận (2 điểm theo rubric).
Từ nguồn âm tới thiết bị thu, phép đọc chu kì và báo cáo kết quả.
Âm thoa khi gõ nhẹ phát ra âm có thành phần cơ bản gần ổn định và có thể so sánh tần số với tín hiệu trên dao động kí. Dao động tắt dần làm biên độ giảm theo thời gian nhưng không có nghĩa tần số lập tức giảm theo biên độ trong mô hình tuyến tính.
Điện thoại dùng micro và thuật toán xử lí âm để ước lượng tần số; người dùng điều chỉnh độ căng dây để âm phù hợp. Với âm phức, phần mềm phải phân tích tần số cơ bản, không chỉ đếm một đường sin.
Ba kết quả 438, 440, 442 Hz có trung bình 440 Hz, nhưng phép đo vẫn phân tán. Sai lệch của trung bình so với nhãn bằng 0 chỉ là một phép so sánh; một báo cáo đầy đủ còn xét độ phân giải, dụng cụ, nhiễu và điều kiện đo. Đọc vài chu kì rồi chia cho N thường làm giảm độ nhạy với lệch vị trí con trỏ.
Tham khảo: SGK Vật lí 11 – Kết nối tri thức, Bài 10, trang 41–43. Sơ đồ, ví dụ, bộ câu hỏi và mô phỏng được biên soạn mới; hoạt động ảo không thay thế phép đo trên thiết bị thật.