Tài liệu PHÉP ĐO, SAI SỐ VÀ ĐỒ THỊ

B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Bài s 0. PHÉP ĐO, SAI S VÀ Đ TH 1. Phép ño và sai s Trong th c nghi m, khi dùng d ng c ño ñ xác ñ nh m t ñ i lư ng, ta thư ng không thu ñư c giá tr ñúng tuy t ñ i, do có nhi u h n ch k thu t gây ra sai l ch. Thí d , dùng thư c ñ ño ñ dài, n u k t h p thêm c kính hi n vi thì cũng khó phân bi t gi a 1.3 và 1.4 µm. Th m chí n u có m t l n ño nào ñó ta ng u nhiên thu ñư c giá tr ñúng c a ñ i lư ng c n ño thì ta cũng không bi t, do ñó, bu c ph i coi t t c các phép ño ch cho giá tr g n ñúng. Ngư i ta g i ñ l ch gi a k t qu ño (a’) và giá tr th c c a ñ i lư ng c n ño (a) là sai s tuy t ñ i c a phép ño và ký hi u là: (1) δa = a’ – a Sai s δa có th dương ho c âm, nhưng xét v ñ l n (tr s tuy t ñ i) thì không ñư c quá l n, n u khác ñi thì coi như phép ño không thành công. 2. Các lo i sai s Sai s có th phát sinh do ngư i làm th c nghi m, c a phương pháp, d ng c ño ho c do chính v t ñư c kh o sát. N u phương pháp th c nghi m sai ho c d ng c ño không ñư c cân ch nh t t, thì sai s có th l n nhưng khá n ñ nh, ngư i ta x p chúng vào lo i sai s h th ng và có th kh c ph c ñư c b ng cách hi u ch nh k t qu ño. Thí d , n u chúng ta bi t chi c ñ ng h luôn ch y nhanh 0.5 phút m i gi , thì k t qu ño b ng 2 gi ph i ñư c tr b t 1 phút. M t cái thư c dài 1 m, có k các v ch cách nhau 1 mm, thì ta không th bi t ñư c ph n l nh hơn 1 mm c a giá tr ño, do ñó, sai s là 1 mm. Tuy nhiên, còn nhi u lo i sai s khác không có tính n ñ nh như v y, là các sai s ng u nhiên. Trong khuôn kh tài li u này, ta không c n nói nhi u v sai s h th ng, mà chú ý ñ n các sai s ng u nhiên. Sai s ng u nhiên có các ñ c tính Tính gi i h n: Trong ñi u ki n ño c th , tr s tuy t ñ i c a sai s ng u nhiên không th vư t quá m t gi i h n nh t ñ nh. Tính t p trung: Sai s ng u nhiên có tr s tuy t ñ i càng nh thì kh năng xu t hi n càng nhi u. Tính ñ i x ng: Sai s ng u nhiên dương và âm v i tr s tuy t ñ i không l n có s l n xu t hi n g n b ng nhau. Tính bù tr : Khi s l n ño ti n t i vô cùng thì trung bình c ng c a các sai s ng u nhiên c a cùng m t ñ i lư ng s ti n t i 0. Hình minh ho th ng kê sai l ch c a ñ ng h máy tính t i trang http://vancouverwebpages.com/time/ (trang cung c p gi c a ñ ng h nguyên t ). Trang 1 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Phương pháp chung ñ gi m b t sai s c a phép ño là ph i l p l i nhi u l n vi c ño ñ có k t qu là s trung bình c ng. 2.1. Sai s ñ c Không có thang ño nào có ñ các v ch cho m i giá tr (thí d : thư c k ch chia v ch ñ n mm, do ñó các ñ dài không ph i s nguyên l n mm thì ngư i ño ph i nh n ñ nh v ph n l là bao nhiêu ph n trăm c a 1 mm). Sai s lo i này r t ph bi n và do tính ch quan c a ngư i ñ c. Khi dùng ñ ng h kim, kim c a ñ ng h không n m trong m t ph ng ch a các v ch chia ñ . Khi ñó v trí ñ t m t không ñúng s làm tăng sai s ñ c. V trí ñúng là v trí mà m t ph ng do con ngươi c a m t và kim c a ñ ng h t o thành m t m t ph ng vuông góc v i m t chia ñ . Do v y, ñôi khi ngư i ta ph i có gương ph n x trên m t chia ñ , và ch c n ch n v trí c a m t sao cho nh c a kim b khu t sau chính kim ñó. 2.2. Sai s do d ng c ño k thu t s Cũng là lo i sai s tương t sai s ñ c, nhưng không ph i do m t, mà do s hi n th c a các thi t b ño k thu t s . Các giá tr mà chúng có th cho hi n th trên màn hình ch là các giá tr gián ño n (thí d , card chuy n t analog – “tín hi u tương t ” sang digital – “tín hi u s ”, n u là lo i 8 bits thì ch có th hi n th ñư c 28=256 m c khác nhau), n u k t qu ño không trùng v i các m c ñó thì s ñư c làm tròn. Ngoài ra, khi ñ i lư ng c n ño có s dao ñ ng l n hơn kho ng cách gi a hai m c tín hi u s c nh nhau, ta còn th y các con s hi n th thay ñ i liên t c, vi c ch n giá tr nào là tuỳ ngư i s d ng. 2.3. Sai s do ñ i tư ng ñư c kh o sát. Khi kh o sát m t hi n tư ng hay m t v t không ñ ng nh t hoàn toàn theo m t phương di n nào ñó, khó có th tin tư ng vào phép ño v i ch m t l n ño. Thí d , ño t c ñ gió hay ngay c hư ng gió. Th m chí, khi ño ñư ng kính m t qu c u có s n trong tay, ta không dám ch c nó có d ng ñúng hình c u, mà thư ng là m i ñư ng kính l y theo phương khác nhau l i có giá tr khác nhau. 3. Đ ng c a k t qu Sai s trong phép ño tr c ti p 3.1. Thư ng thì m t phép ño trong phòng thí nghi m ph i ñư c l p l i t 3 ñ n 5 l n, qua ñó xác ñ nh ñư c giá tr c n ño (x) là tr s trung bình nh m m c ñích kh c ph c sai s ng u nhiên: x= x1 + x 2 + x3 + x 4 + x5 1 5 hay x = ∑ xi 5 5 i =1 Trong Microsoft Excel dùng (2) =AVERAGE(x1,x2,x3,x4,x5) M c dù các sai s ng u nhiên c a 5 l n ño có th ng u nhiên bù tr l n nhau và ta ñã có ñư c giá tr lý tư ng x, nhưng v nguyên t c ta không th bi t, ph i ch p nh n ư c lư ng sai s theo ki u t i ña (sai s tuy t ñ i trung bình) hay còn g i là ñ ng c a k t qu : ∆x' = x1 − x + x 2 − x + x 3 − x + x 4 − x + x5 − x 5 hay ∆x' = 1 5 ∑ x − x (3) 5 i =1 i Trang 2 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Trong Microsoft Excel dùng =AVEDEV(x1,x2,x3,x4,x5) Khi thí nghi m ñư c l p l i nhi u l n (thư ng không ph i là phép ño th công, mà là trong các h ño t ñ ng ho c trong kh o sát khác, thí d , tìm ñ tu i trung bình c a sinh viên năm th nh t), ngư i ta không xác ñ nh ñ ng qua sai s tuy t ñ i trung bình mà là qua sai s toàn phương trung bình: ∆x' = 1 n ∑ ( x i − x) 2 n − 1 i =1 v i n là s l n ño. (4) Cách tính này s cho ñ ng nh hơn so v i sai s tuy t ñ i trung bình, nói cách khác ñ tin c y cao hơn, và cũng có nghĩa là thí nghi m ñư c l p l i nhi u l n s d ñư c th a nh n hơn. Nói như v y không có nghĩa là c có thêm m t l n ño thì ch c ch n thu ñư c k t qu t t hơn, mà còn tùy thu c ch t lư ng c a m i l n ño. N u trong các s li u ño có m t s quá l n ho c quá nh (r t khác thư ng) so v i các s li u còn l i thì ngư i ta ch p nh n b nó ñi (nhi u l n ño) ho c ño l i (ít l n ño). Th c ra, trong nh ng phép ño quan tr ng (thí d , ch có ít l n ño mà không còn ñi u ki n l p l i thí nghi m) thì mu n b b t m t s li u ph i có quy t c c th . Ta s không ñi sâu hơn trong khuôn kh tài li u này. Sau khi tìm ñư c c x và ∆x , ta vi t k t qu ño ñư c dư i d ng: x = x ± ∆x , và có m t ñi u c n nh khi trình bày k t qu c th nào ñó, r ng các s phía bên ph i c a ñ ng th c trên ph i cùng m c ñ chính xác (s ch s th p phân sau d u ph y). Ví d : x = 3.00 ± 0.07 ñúng cách, x = 3 ± 0.07 sai, vì “3” có ñ chính xác t i 1 ñơn v , 0.07 ch ng còn ý nghĩa x = 2000 ± 5 ñúng cách, x = 2E+3 ± 5 ho c 2x103 ± 5 ho c 2 ngàn ± 5 ñ u sai vì x chính xác ch ñ n ñơn v là ngàn, ph n ñ ng m t ý nghĩa, x = 18.12345 ± 0.01 sai vì khi ñ ng là 0.01 thì vi c vi t x quá chính xác là vô căn c . Chú ý: - Làm tròn s ñ i v i ñ ng : không gi m ! Thí d 0.731 làm tròn là 0.74. - Nhi u lo i sai l ch: c ng chung. Thí d n u thư c ño có ñ chính xác là 0.1 mm và k t qu ño có ñ ng tính ñư c là 0.333 mm thì ñ ng c a thí nghi m s là 0.433 mm. 3.2. Sai s trong phép ño gián ti p Gi s ta bu c ph i ño ñ i lư ng x r i qua ñó m i tính ñư c ñ i lư ng y, thì phép ño y ñư c g i là phép ño gián tí p. Trư ng h p ñơn gi n nh t là y và x có quan hàm b c nh t (y = ax1 +b). Ta bi t ngay y = a x + b và ∆y = |a| ∆x vì y = a ( x ± ∆x ) +b. S dĩ nó ñơn gi n vì Trang 3 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I trong quan h hàm b c nh t (cũng g i là quan h tuy n tính), y thay ñ i “ñ u” theo x, c x thay ñ i m t ñơn v thì y thay ñ i a ñơn v . Khi quan h y(x) ph c t p hơn quan h tuy n tính, nghĩa là y thay ñ i không “ñ u” theo x, thì dù ñã bi t ∆x , ta còn ph i bi t t c ñ thay ñ i c a y theo x t i v trí x ñó là bao nhiêu thì m i tính ñư c, t c ñ ñó chính là ñ o hàm y’(x): ∆y ≈ dy ∆x hay |y’(x)| ∆x dx (5) D u x p x cho th y ch dùng ñư c khi ∆x khá nh , t i m c coi như y’ không thay ñ i trong c ño n này, trong trư ng h p t ng quát thì ph i dùng ñ n tích phân xác ñ nh ñ tính y ' ( x) trung bình. Trong th c nghi m, nhi u khi y ñư c tính qua hai hay nhi u ñ i lư ng ño tr c ti p, thí d y = y(x,t). Khi y là hàm b c nh t, m i chuy n v n ñơn gi n như trư c, nhưng ph i chú ý d u trong bi u th c ñ ng : luôn dương (n u y=2x-t thì ∆y = 2∆x + ∆t ). T ng quát hơn, ta bi t r ng dy = ∂y ∂y dx + dt = y’xdx + y’tdt (ñ o ∂x ∂t hàm riêng theo t ng bi n ñ c l p, tính b ng cách coi các bi n còn l i không ñ i), do ñó ∆y ≈ ∂y ∂y ∆x + ∆t ∂x ∂t hay |y’x|dx + |y’t|dt . (6) Trong nhi u trư ng h p, ngư i ta tính ñ ng qua sai s tương ñ i (δ=|∆y / y|) dơn gi n hơn tính tr c ti p, nh t là ñ i v i các hàm s mũ. Khi ñó ∆y = δ. y . Tương t như v y ñ i v i các trư ng h p có nhi u bi n ñ c l p. 4. Đ th bi u di n k t qu S li u th c nghi m ñư c trình bày dư i d ng b ng, bi u ñ ho c ñ th , ch n lo i nào thì tùy hoàn c nh và yêu c u, nhưng ñây ta t p trung vào hình th c th ba, vì ñ i v i hàm s thì ñây là hình th c phù h p nh t (Chú ý, có tài li u dùng t “sai s ” thay cho t “ñ ng ”, nhưng theo tác gi bài so n này, ch ñ ng chu n hơn. Trư c h t, nó bao hàm nhi u lĩnh v c, ch không ch là s c a toán h c, thí d không th nói sai s là 0.2 mét, tuy cũng có th nói sai l ch 0.2 m. Và, ñi u th hai quan tr ng hơn, ñây ch là ñ thi u tin c y c a phép ño ch không ph i ñ l ch th t s c a nó, như ñã nói ph n ñ u). Nguyên t c ñ u tiên là ph i th hi n ñ giá tr trung bình và ñ ng t i các v trí ño. Bi n t 1 2 3 Hàm ño ñư c x 0.921 ± 0.015 0.852 ± 0.013 0.996 ± 0.017 Bi n t ño ñư c 13 ± 1 15 ± 2 19 ± 4 Hàm y(t) 0.912 ± 0.010 0.930 ± 0.013 0.996 ± 0.014 Trang 4 B MÔN V T LÝ Y SINH Nguyên t c th hai là t n d ng t i ña di n tích dành cho ñ th (thí d , trong ph n ñóng khung bên ph i ñây), bao g m hai chi ti t: các tr c to ñ tr i dài g n h t c hai chi u (ch tr ch chú thích), ñ ng th i các giá tr bi n ho c hàm r i su t g n h t chi u dài các tr c. Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I 1.00 0.98 0.96 0.94 x 0.92 0.90 0.88 0.86 0.84 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Nguyên t c th ba là t khi n i các ñi m th c nghi m thành ñư ng, ph i chú ý: - Đư ng v ph i ñi qua các v ch bi u di n ñ ng (ho c ô ch nh t bi u di n ñ ng hai chi u), nhưng không nh t thi t ph i ñi qua v trí tâm c a v ch (hình ch nh t) ñó. - Hình d ng ñư ng này ph i g n gi ng v i hình d ng theo lý thuy t, ch ng h n, n u quan h tuy n tính thì ph i v ño n th ng, quan h là hàm b c 2 thì ph i v m t ño n parabol, vv... Trong trư ng h p chưa bi t quy lu t quan h lý thuy t thì c g ng v m t ñư ng trơn tru ít u n khúc nh t có th . BÀI I. KH O SÁT CÁC HI N TƯ NG M T NGOÀI C A CH T L NG 1. M c ñích thí nghi m - Kh o sát hi n tư ng dính ư t và không dính ư t c a ch t l ng, - Đo l c căng m t ngoài và tính h s căng m t ngoài. 2. Cơ s lý thuy t Quan sát s ti p xúc c a ch t l ng v i thành c a bình ch a, có th th y hi n tư ng dính ư t (mép nư c dâng cao, hình bên trái) ho c không dính ư t (ngư c l i, hình bên ph i). Khi quan sát m t gi t ch t l ng trên b m t không dính ư t, ta s th y nó không b v ra, ñó là do có l c căng m t ngoài. Đ kh ng ñ nh s t n t i c a l c căng m t ngoài, có th làm thí nghi m nâng m t v t dính ư t ra kh i ch t l ng và ño l c kéo khi v t ñi lên phía trên m t ch t l ng. Gi s v t thí nghi m là m t vành dang tr , dính ư t ñ i v i nư c (H2O), v i ñư ng kính trong là d và ñư ng kính mgoài là D. H s căng m t ngoài c a nư c là σ. Khi b t kh i m t nư c, m t trong c a vành ch u m t l c kéo F1 = σπd, còn m t ngoài ch u F2 = σπD. Trang 5 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I T ng h p l c tác d ng lên vành là Fc = F1+F2 = σπ(d+D). L c Fc này có th xác ñ nh b ng th c nghi m v i m t l c k ñ nh y. Khi ñó, ta ño ñư c không ch l c căng m t ngoài (Fc) mà là m t l c g m nó và c tr ng l c c a vành: F = Fc + P. P chính là giá tr F khi ta chưa nhúng vành vào nư c. 3. Ki n th c b tr : ño kích th c các v t b ng thư c k p Thư c k p ñư c s d ng ñ ño kích thư c các v t, thư ng s d ng ñ ng th i c hai thang (tính b ng mm và b ng inches), có th ño ñư c ñ r ng trong, kích thư c ngoài ho c ñ sâu. Trên th trư ng có nhi u lo i thư c k p v i ñ chính xác khác nhau. Trong phòng th c t p c a B môn ch có các thư c k p v i ñ chính xác ±0.02 mm. Trên hình minh ho bên ph i, s d ng m u thư c k p không có thang inches cho d nhìn. Thư c ph n m dư i, trư t theo thư c chính cùng v i các m k p. Trên thư c ph có chia v ch t 0 ñ n 9 r i 0, m i ñơn v cách nhau 5 kho ng v ch (t ng c ng 50 kho ng v ch). T ng ñ dài c a 50 kho ng v ch là 49 mm. Gi s trong khi ño kích thư c m t v t, ta g p tình tr ng thư c như hình v . V trí trên thư c chính c a v ch s 0 bên trái thư c ph cho ta bi t k t qu phép ño – hơn 3 mm. Gi thi t r ng v ch bên ph i s 6 c a thư c ph (cách v ch 0 bên trái 31 kho ng v ch) trùng v i 1 v ch c a thư c chính (v ch 34 mm). Bây gi ta xác ñ nh v trí c a v ch 0 bên trái thư c ph . Đ ý r ng kho ng cách các v ch trên thư c ph có giá tr là 49 mm , do v y 50 Trang 6 B MÔN V T LÝ Y SINH t ng 31 kho ng là 31 × Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I 49 mm = 30.38mm . T v trí c a v ch s 31 (34 mm) tr ñi ñ 50 dài này, ta ñư c v trí c a v ch 0 bên trái: 34 mm – 30.38 mm = 3.62 mm. S 62 xu t hi n ñây cũng chính là s ñ c trưng cho v ch s 31 (62% c a thư c ph ). S trùng h p này là t ng quát, nghĩa là không ch trong ví d phép ño c th 3.62 mm này, ta có th ch ng minh cho trư ng h p t ng quát, khi k t qu phép ño là v ch th n (n < 50) c a thư c ph trùng v ch x (mm) c a thư c chính: V trí v ch 0 c a thư c ph là: x – n × 49 n (mm) = x – n + (mm) 50 50 x-n là ph n nguyên, n m bên trái v ch 0, còn ph n th p phân là n (mm) = 50 2n (%) c thư c ph . Do ñó, trong khi ño, ta ch c n xác ñ nh ph n nguyên s mm trên thư c chính, xác ñ nh v trí mà hai v ch c a hai thư c trùng nhau (g n trùng nh t) ñ tìm ph n th p phân trên thư c ph . 4. Th c nghi m 4.1. D ng c thí nghi m D ng c thu t - Đ i h - thí nghi m là b thi t b BKT-060 ki u MC-964 do Vi n V t lý K c Bách khoa Hà n i ch t o, g m Hai c c (ly) ñ ng nư c thông nhau, L c k lo i 0-0.1 N, ñ chính xác 0.001 N, Vành nhôm có ñư ng kính D52/50 mm. B n nh a ph ng, B n nhôm ph ng, m t m t ñư c ph nylon, B n th y tinh ph ng. 4.2. Kh o sát s dính ư t và không dính ư t Lau s ch các b m t b n m ng và khào sát s dính ư t c a chúng ñ i v i H2O. 4.3. Kh o sát hi n tư ng căng m t ngoài c a H2O Lau s ch vành nh a và treo vào l c k sao cho m t c t hình tròn song song v i m t ph ng n m ngang. Gi cho l c k th ng ñ ng và ghi nh n giá tr tr ng lư ng P c a vành nh a. Chuy n v trí vành nh a ñ n ly ch a nư c, v n gi cho l c k th ng ñ ng và m t dư i c a vành chìm trong nư c. Th t ch m rãi kéo l c k lên và chăm chú theo dõi s ch c a l c k . Trư c khi vành nh a b t ra kh i m t nư c chính là lúc các màng nư c kéo m t trong và m t ngoài vành nh a b ng l c căng b m t c a nó, s ch c a l c k là Trang 7 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I t i ña, ñó chính là F (Suy ra Fc =F - P). L p l i bư c này 05 l n và tính toán h s căng m t ngoài c a nư c. Đi n k t qu thí nghi m vào M u báo cáo s 1 ñ n p cho gi ng viên. ----BÀI II. XÁC Đ NH H S NH T C A CH T L NG THEO p.p. STOKES 1. Cơ s lý thuy t Khi ch t l ng chuy n ñ ng thành l p trong ng hình tr , thì v n t c chuy n ñ ng gi m d n t tr c ng ñ n thành ng. Nguyên nhân là do l c ma sát gi a l p ngoài cùng v i thành ng và l c n i ma sát gi a các l p ch t l ng v i nhau. L c n i ma sát Fms gi a hai l p ch t l ng sát nhau (cách nhau dz, chênh l ch v n t c dv và di n tích ti p xúc ∆S) là Fms = η dv ∆S v i η dz là h s nh t ñ c trưng cho t ng ch t l ng và ph thu c nhi t ñ (gi m khi tăng nhi t ñ ). [η] = kg/(m.s) Khi m t viên bi nh (bán kính r) rơi th ng ñ ng (v n t c v) trong kh i ch t l ng, l p ch t l ng dính trên b m t viên bi cũng chuy n ñ ng theo v i cùng v n t c và kéo l p ch t l ng bên c nh chuy n ñ ng. nh hư ng dây chuy n này ch m d t kho ng cách 2r/3 tính t m t ngoài viên bi ra xa. Ta có ∆v = v-0 = v trên kho ng cách ∆z = 2r/3 nên dv ∆v 3v = ≈ . Thay di n dz ∆z 2r tích b m t viên bi b ng 4πr2, ta tính ñư c : Fms = 6 π η r v (Công th c Stokes, ch ñúng khi ∆v và ∆z tương ñ i nh ). T bi u th c này, th y Fms tăng theo v. Viên bi s không chuy n ñ ng nhanh d n khi rơi trong ch t l ng và v ñ t ñ l n nh t ñ nh, sao cho Fms cùng l c ñ y Acsimét FA cân b ng v i tr ng l c P. Khi ñó, nó rơi th ng ñ u, và v = L/τ, trong ñó, L là kho ng ñ cao ch n trư c, τ là th i gian rơi h t ñ cao này. Khai thác t t c các ñi u ki n này, ngư i ta tính ñư c: 1 ( ρ 1 − ρ ) d 1 gτ , trong ñó ρ1 và d1 là kh i lư ng riêng và ñư ng kính η= 18 L 2 viên bi, ρ là kh i lư ng riêng c a ch t l ng và g = 9,8 m/s2 là gia t c tr ng trư ng. Trong trư ng h p ch t l ng ch a trong ng h p (ñư ng kính trong là d), thì : 2 1 ( ρ1 − ρ )d1 gτ η= d 18 L(1 + 2,4 1 ) d Trang 8 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I 2. Th c nghi m 2.1. D ng c thí nghi m D ng c thí nghi m là b thi t b BKT-070 ki u MN-971A do Vi n V t lý K thu t - Đ i h c Bách khoa Hà n i ch t o, g m: 1- Ph u ñ nh hư ng 2- ng th y tinh 38mm 3- Ch t l ng 4 và 5- các c m bi n v i kho ng cách L 6 và 7- núm ñi u ch nh ñ nh y 2 c m bi n 8- nút b m giây 9- giá ñ 10- h p ph tùng 11- ng thu h i bi H p ph tùng ch a bi, nam châm và thư c panme 0-25 mm dùng ñ ño ñư ng kính viên bi (ñ chính xác 0.01 mm). 1- ñ u tr c di ñ ng theo thân vít 3 2- ñ u tr c c ñ nh 3- thân vít v i thư c l ch (trên dư i l ch 0.5 mm) 4- c n hãm tr c 1 và vít 3 (g t ph i thì h t) 5- thư c tròn ñi u khi n tr c 1 (0.5 mm / vòng) 6-tr c quay-trư t h tr thư c tròn 5, tr c 1 Đo ñư ng kính bi b ng thư c panme Xác ñ nh ñi m “0” c a thư c: lau s ch b m t tr c 1 và 2, xoay tr c 6 cho ñ n khi 2 m t giáp nhau (có ti ng kêu). Ghi nh n m c “0” trên thư c tròn 5 (N u v ch “0” n m dư i ñư ng chu n thì d m s v ch xen gi a và nhân 0.01 mm ñ tr vào k t qu ño). M r ng thư c, ñ t bi vào ñ u 2 r i v n tr c 5 ñ n khi áp sát bi, g t c n 4 ñ c ñ nh. Cách ñ c như sau: Mép thư c tròn có th n m c nh v ch c a thư c th ng trên ho c thư c th ng dư i; tùy theo ñó, ta ñ c thư c trên hay thư c dư i, và ph n l ñ c trên thư c tròn. L p l i phép ño thêm 4 l n n a và ñi n vào Báo cáo theo m u s 2. 2.3. Đo th i gian chuy n ñ ng rơi c a viên bi trong ch t l ng (b ng m t) 2.2. Trang 9 B MÔN V T LÝ Y SINH 2.4. - Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Ch nh cho ng th y tinh 2 ñ ng th ng C m ñi n và b t công-t c Đ t núm xoay 6 và 7 v sát biên trái (các ñèn LED ñ ) B m Reset ñ ñưa ñ ng h v 0 Lau s ch viên bi, trong khi chu n b th vào ng th y tinh thì m t ngón tay chu n b trên nút b m 8. Khi viên bi ñi qua b c m bi n 4, nh n ñ ng h cho ch y, và khi qua c m bi n 5 thì nh n ñ ng h cho ng ng. Ghi nh n th i gian. L p l i phép ño thêm 4 l n n a và ñi n vào Báo cáo theo m u s 2. Đo th i gian chuy n ñ ng rơi c a viên bi trong ch t l ng (t ñ ng) Đ t núm xoay 6 và 7 sao cho c m bi n nh y nh t (các ñèn LED ñ c 50%) B m Reset ñ ñưa ñ ng h v 0 Lau s ch viên bi, và b th vào ng th y tinh. Ghi nh n th i gian. L p l i phép ño thêm 4 l n n a và ñi n vào Báo cáo theo m u s 2. BÀI III. XÁC Đ NH CHI T SU T C A B N TH Y TINH B NG KÍNH HI N VI 1. Cơ s lý thuy t Ngu n sáng S ñ t m t dư i c a t m th y tinh cho m t chùm sáng h p SHA như hình v . Tia khúc x trong không khí HI gi nguyên phương th ng ñ ng, còn tia AB có góc i t o v i pháp tuy n l n hơn góc t i r. Giao c a 2 tia khúc x là S1 làm cho ngư i quan sát th y ngu n sáng S1 ( o nh). Vì th , SH là ñ dày th c c a t m th y tinh (ký hi u d), còn S1H ñư c g i là ñ dày bi u ki n c a nó (ký hi u d1). Theo ñ nh lu t khúc x ánh sáng (coi chi t su t c a không khí b ng 1) thì n = sin i / sin r. V i chùm sáng r t h p thì sin i tan i SH d ≈ = = . V y: sin r tan r S1 H d 1 n = d/d1 : ñ dày th c l n g p n l n ñ dày bi u ki n. 2. Ki n th c b tr : cách soi kính hi n vi 2.1. H bàn trư t xu ng h t c b ng núm xoay ch nh thô, hay còn g i là c vĩ c p (thư ng là quay t i). 2.2. Xoay mâm v t kính ñ ch n v t kính có ñ phóng ñ i nh (4x ho c 10x). 2.3. Ch nh lam kính sao cho v t c n soi n m tương ñ i ñúng vào gi a trư ng nhìn. 2.4. N u ánh sáng không ñ u thì ch nh kính t quang (và gương l y sáng n u có). 2.5. M t chăm chú theo dõi qua th kính, tay ch m rãi quay núm ch nh thô nâng d n bàn trư t lên (thư ng là quay lui) cho ñ n khi nhìn th y v t c n soi. Trang 10 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Ch nh v trí v t soi trên bàn trư t cho ñúng gi a trư ng nhìn và b t ñ u dùng núm xoay ch nh tinh (còn g i là c vi c p) ñ th y v t m t cách rõ nét nh t. 2.6. N u c n soi k hơn (v i ñ phóng ñ i cao hơn) thì làm ti p các bư c sau ñây: 2.7. Xoay mâm v t kính ñ ch n v t kính có ñ phóng ñ i cao hơn m t b c. 2.8. L p l i bư c 6. 2.9. N u c n thì l p l i bư c 7 và 8 cho ñ n khi vi c quan sát ñ t yêu c u. Chú ý : - khi dùng v t kính 100x thì ph i có ñ u soi, - n u bàn trư t ñã ñư c k thu t viên khoá ch n trên, thì bư c 1 có th là nâng bàn trư t lên v trí cao nh t và bư c 5 s là h d n. N u c n tìm ñ sâu th trư ng kính hi n vi (v i v t kính ñang dùng) thì làm ti p các bư c sau ñây: 2.10. Quan sát m t v t m c v trên lam kính. 2.11. H th p d n bàn trư t b ng c vi c p cho ñ n khi hình nh b t ñ u nhoè. Ghi nh v trí v ch m c trên thư c tròn c a c vi c p. 2.12. Nâng d n bàn trư t b ng c vi c p cho ñ n khi hình nh b t ñ u nhoè. Ghi nh v trí v ch m c trên thư c tròn c a c vi c p. 2.13. Kho ng cách (s vòng quay và s v ch) gi a hai l n ghi nh ñó quy ra ñ dài tuỳ theo t l quy ư c c a t ng lo i kính c th . Đó là ñ sâu th trư ng. 3. Th c nghi m 3.1. D ng c thí nghi m 1- Th kính 2- ng ng m 3- quay l p v t kính 4- V t kính 5- K p gi m u v t 6- Mâm ñ m u v t 7- Kính t quang 8- Vít ch nh t quang 9- Gương lõm ph n x 10-Thân kính HV 11-Đ kính HV 12-Ch t ch n trên mâm 13-Núm ch nh thô ( c vĩ c p) 14- c ch nh tinh (vi c p) 15-Ch t c ñ nh núm 13 D ng c thí nghi m là b thi t b BKO-040 do Vi n V t lý K thu t - Đ i h c Bách khoa Hà n i ch t o, g m: Trang 11 B MÔN V T LÝ Y SINH - Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Thư c panme (xem cách s d ng t i Bài 2, m c 2.1) B n th y tinh Kính hi n vi (xem hình) 3.2. Đo ñ dày th c c a b n th y tinh Dùng thư c panme ño tương t vi c ño ñư ng kính viên bi Bài 2, m c 2.2. Th c hi n 5 l n và ñi n k t qu vào m u Báo cáo s 3. 3.3. Đo ñ dày bi u ki n b n th y tinh - Dùng bông (t m c n) ho c gi y m m lau s ch 2 m t b n th y tinh - Dùng bút kim k 2 v ch 2 m t th y tinh (dài c 2 mm) sao cho t o thành hình ch th p (+) khi ta nhìn xuyên 2 m t. - Đ t t m kính lên mâm ñ (6) và d ch chuy n b ng các núm ch nh ngang-d c ñ hình “+” n m dư i v t kính - Ch nh gương ph n x (9) và kính t quang (7) ñ th trư ng kính hi n vi sáng ñ u - Dùng núm xoay (13) ch nh thô ñ th y v ch dư i tâm th y tinh, sau ñó khoá b ng ch t (15), r i núm (14) ch nh tinh (còn g i là c vi c p) ñ th y v ch này rõ nh t. Ghi nh n v trí trên thư c tròn c a núm ch nh tinh. - Ti p t c ch nh tinh ñ nhìn rõ nh t v ch phía trên thu tinh, ñ ng th i nh chi u quay và s vòng ñã quay. Ghi nh n v trí m i trên thư c tròn. - So sánh hai v trí ñã ghi nh n : l ch nhau m y vòng và m y v ch l ? • V i KHV dùng ánh sáng t nhiên: M i vòng (b ng 80 v ch) giá tr b ng 0.16 mm và m i v ch – 0.002 mm. Tính ra ñ dày bi u ki n. Th c hi n 5 l n và ñi n k t qu vào m u Báo cáo s 3. • V i KHV dùng ñi n: M i vòng (b ng 100 v ch) giá tr b ng 0.20 mm và m i v ch – 0.002 mm. Tính ra ñ dày bi u ki n. Th c hi n 5 l n và ñi n k t qu vào m u Báo cáo s 3. BÀI IV. KH O SÁT CÁC Đ NH LU T QUANG HÌNH H C (DÙNG TIA LASER) 1. M c ñích thí nghi m 1.1. Kh o sát các ñ nh lu t quang hình h c : o ñ nh lu t truy n th ng ánh sáng o ñ nh lu t ph n x ánh sáng o ñ nh lu t khúc x ánh sáng 1.2. Quan sát các hi n tư ng quang h c : o hi n tư ng ph n x toàn ph n o hi n tư ng quang d n 1.3. Kh o sát ñư ng ñi c a tia sáng truy n qua các linh ki n quang h c : o gương ph ng, gương c u o lăng kính o th u kính. Trang 12 B MÔN V T LÝ Y SINH 2. D ng c thí nghi m 2.1. Thành ph n thi t b Đèn Laser He-Ne 0,2 mW H p chân ñé b o v ñèn Laser H 3 gương ph ng bán m Màn nh có thư c tròn ño góc H p ph ki n quang h c, g m : b n m t song song; b n m t bán tr gương ph ng gương c u kép : l i và lõm lăng kính 600 , lăng kính 450 th u kính h i t : l i và ph ngl i th u kính phân kỳ : lõm và ph ng-lõm 2.2. C u t o và ho t ñ ng Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Đ M G1 G2 G3 P H K G II I III VOLTAGE C u t o c a b thi t b quang h c dùng tia laser khí He-Ne g m m t ng phóng ñi n P (hai ñ u ng có hai gương ph ng song song) ch a h n h p khí hêli-nêôn dùng làm ngu n phát tia ñ t n m ngang trong h p chân ñ H. Chùm lade phát ra là chùm sáng h p song song màu ñ , bư c sóng λ = 632,8 nm. Sau khi t i ñ p vào gương ph ng G (nghiêng 450), chùm lade ph n x th ng ñ ng chi u vào kính khu ch tia K và t o ra m t d i sáng h p truy n ñ n h kính phân tia g m ba gương ph ng G1 ,G2 ,G3 (v i G2 và G3 là hai gương bán m ). Các gương này ñ t k ti p cách ñ u nhau, m c ñ ph n x gi m d n t G1 qua G2 ñ n G3 và t o ra ba chùm tia ph n x song song n m ngang ho c xiên chéo tuỳ thu c góc nghiêng c a các gương G1, G2, G3 . Ph n gi a c a màn nh M ñ t th ng ñ ng là m t ñĩa tròn chia ñ Đ dùng làm thư c ño góc và có th quay quanh tr c n m ngang. Các linh ki n quang h c c n kh o sát ñư c c m vào l tròn tâm c a ñĩa chia ñ Đ . Khi s d ng b thi t b này, c n ti n hành theo các bư c sau ñây : a) M n p ñ y kính khu ch tia K. Đât chuy n m ch "VOLTAGE" (ñi n áp) v trí 0. C m phích l y ñi n c a b thi t b vào ngu n ~220V . b) V n núm m ch "VOLTAGE" t i v trí I. ng phóng ñi n P s phát ra chùm laser màu ñ truy n qua kính khu ch tia K. N u ñi n áp th p, ta ph i v n núm m ch VOLTAGE sang v trí II ho c III ñ các tia lade có ñ sáng n ñ nh. c) Có th di chuy n kính khu ch tia K ho c n i l ng c hãm thân tr c a các gương ph ng G1 ,G2 ,G3 ñ ñi u ch nh ñ nghiêng c a chúng sao cho trên m t ñĩa chia ñ Đ xu t hi n ba chùm tia lade rõ nét. Chú ý : Không s tay vào m t kính phân tia và h n ch lau m t bán m c a các kính phân tia. N u m t các kính phân tia ho c m t các linh ki n quang h c b m do b n, ta ph i lau nh b ng v i ho c gi y m m th m c n y t . 3. Trình t thí nghi m 3.1. Kh o sát ñ nh lu t ph n x và khúc x ánh sáng Trang 13 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I a) Ch dùng gương ph ng G1 và ñi u ch nh nó ñ thu ñư c m t chùm sáng h p truy n theo phương trùng v i 0 ñư ng th ng 0-0 trên m t ñĩa chia ñ Đ. S R C m tr ñ c a b n bán tr (n a m t r / i i tr ) vào l tròn t i tâm c a ñĩa chia ñ Đ sao cho ph n m t ph ng c a b n bán 0 0 90 90 tr vuông góc v i ñư ng th ng 0-0 và I / hư ng v phía tia t i SI . r R Hình 2 b) Quay ñĩa chia ñ Đ thu n chi u kim ñông h : chùm tia t i SI s h p v i 0 ñư ng th ng 0-0 m t góc t i i khác không và b phân ra thành hai tia khác nhau (Hình) : - tia ph n x IR truy n trong không khí và h p v i ñư ng th ng 0-0 góc ph n x / i, - tia khúc x IR/ truy n vào trong b n bán tr , l ch kh i phương truy n th ng c a nó và h p v i ñư ng th ng 0-0 góc khúc x r (v i r < i ). Ch n góc t i i l n lư t b ng 300 , 450 , 600. Đ c và ghi giá tr tương ng c a góc ph n x i/ và góc khúc x r . c) D a vào k t qu ño ñ ch ng t r ng : - góc ph n x luôn b ng góc t i : i/ = i (1) - t s gi a sin c a góc t i và sin c a góc khúc x là m t ñ i lư ng không ñ i n : sin i sin r = không ñ i (2) - tính ñ i lư ng không ñ i n , t c là xác ñ nh ñư c chi t su t t ñ i c a thu tinh ñ i v i không khí. 3.2. Kh o sát hi n tư ng ph n x toàn ph n ánh sáng a) Th c hi n l i ñ ng tác 2a, nhưng chú S R 0 ý quay ph n m t cong c a b n bán tr hư ng v phía tia t i SI (Hình). Trong / i i trư ng h p này, góc khúc x l n hơn góc 0 0 i/ t i: r>i. 90 90 I b) Quay ñĩa chia ñ Đ ñ tăng d n góc t i i. Khi ñó góc khúc x r tăng theo. r Đ ng th i quan sát th y ñ sáng c a tia r 0 / ph n x IR tăng d n, còn ñ sáng c a tia R / khúc x IR gi m d n . c) Cho t i khi tia IR/ n m sát m t ñáy c a b n bán tr ng v i góc r = 900 thì góc t i i có giá tr gi i h n b ng i0 . Đ c và ghi giá tr góc gi i h n i0 . d) N u ti p t c tăng góc t i sao cho i > i0 , thì tia khúc x IR/ bi n m t, ch còn tia ph n x IR : ñó là s ph n x toàn ph n ánh sáng. Trang 14 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I e) Tính sin i0 và so sánh v i 1/n ( ñây n là chi t su t c a b n bán tr ) ñ ch ng t : sin i 0 = 1 n (3) 3.3. Kh o sát hi n tư ng quang d n - Dùng m t thanh thu tinh nh u n cong có hai ñ u mài nh n (ho c m t chùm s i thu tinh). - Chi u m t chùm tia sáng h p vào m t ñ u c a thanh thu tinh này. Do b ph n x toàn ph n nên chùm tia sáng không truy n th ng mà truy n theo ñư ng cong ñúng v i hình d ng c a thanh và ló ra ñ u kia c a thanh. Có th nhìn th y rõ ñư ng truy n c a chùm tia sáng trong thanh thu tinh ho c dùng m t t gi y tr ng ñ h ng chùm tia sáng ló ra ñ u ñ i di n c a nó. 3.4. Kh o sát tia sáng khúc x qua lăng kính a) Dùng lăng kính thu tinh có góc ñ nh A = 600. C m tr ñ c a lăng kính vào l tròn t i tâm ñĩa chia ñ Đ sao cho ñư ng th ng 0-0 trùng v i ñư ng phân giác c a góc chi t quang  c a lăng kính (Hình). Đi u ch nh gương ph ng G1 ñ thu ñư c chùm sáng h p truy n th ng trong không khí và lư t sát trên m t bên AB c a lăng kính. b) Quay ñĩa chia ñ Đ thu n chi u quay 0 c a kim ñ ng h : góc t i i gi m t 900 A ñ n giá tr i0 .Khi ñó góc l ch δ c a 0 90 I chùm tia ló kh i m t AC ñ i di n c a lăng S kính gi m d n t i giá tr nh nh t δ 0 g i là góc l ch c c ti u, sau ñó l i ti p B δ0 C t c tăng. Đ c và ghi giá tr c a góc l ch 900 c c ti u δ 0 . R/ Có th ñ t m t t gi y tr ng m t trên 0 c a h p chân ñ H ñ h ng v t sáng do chùm tia ló t o thành. V a quay lăng kính, v a quan sát s d ch chuy n c a v t sáng trên m t gi y ñ xác ñ nh v trí d ng c a v t sáng (trư c khi ñ i chi u d ch chuy n) ng v i giá tr c a góc l ch c c ti u δ 0 . c). Tinh t s sin(A+δ0)/sin(A/2) và so sánh v i giá tr chi t su t n c a b n bán tr ñ ch ng t : A + δ0 2 A sin 2 sin n= (4) 3.5. Kh o sát tia sáng ph n x trên gương c u a) Dùng m t t gi y tr ng kh A4 : khoét m t l tròn b ng l tròn trên ñĩa chia ñ Đ và k m t ñư ng th ng xx/ ñi qua tâm c a l tròn ñó. Đ t t gi y này lên m t ñĩa chia ñ Đ sao cho ñư ng th ng xx/ trùng v i ñư ng th ng ngang 0-0 trên m t ñĩa chia ñ Đ. C m tr ñ gương c u lõm vào l tròn c a ñĩa chia ñ Đ ñ gương c u Trang 15 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I n m ñè lên t gi y và xoay gương ñ tr c chính c a nó trùng v i ñư ng th ng xx/. b) Đi u ch nh các gương ph ng G1 ,G2 ,G3 ñ thu ñư c ba tia sáng song song sao cho tia gi a trùng v i quang tr c chính c a gương c u lõm (Hình). Tia trên và tia dư i, sau khi ph n x trên m t gương c u lõm, s giao nhau t i tiêu ñi m F c a gương c u. Dùng bút ñánh d u giao ñi m F c a các tia sáng trên m t t gi y. F O C O c) Gi c ñ nh tia gi a trùng v i quang tr c chính c a gương c u. Đi u ch nh các gương G1 và G3 ñ tia trên và tia dư i ñi qua ñi m C sao cho các tia sáng này, sau khi ph n x trên gương, s truy n ngư c l i theo phương c a tia t i. Khi ñó ñi m C là quang tâm c a gương c u. Dùng bút ñánh d u giao ñi m C trên m t t gi y. d) Nh c gương c u ra kh i m t ñĩa chia ñ Đ. Dùng thư c milimét ño kho ng cách CF trên m t t gi y. T ñó xác ñ nh tiêu c gương c u lõm : (5) f = CF e) Có th nghi m l i công th c gương c u : 1 1 1 + = d d/ f k= A ′B ′ AB =− (6) d/ d (7) b ng cách ñi u ch nh l n lư t các gương ph ng G1 ,G2 ,G3 ñ thu ñư c ba tia sáng như hình v : - tia sáng t G3 truy n d c theo tr c chính c a gương c u lõm. - tia sáng t G2 truy n song song v i tr c chính t i gương c u lõm và ph n x ñi qua tiêu ñi m F. - tia sáng t G1 truy n qua tiêu ñi m F G1 t i gương c u lõm và ph n x theo phương B song song v i tr c chính. G2 Giao ñi m B c a các tia t i gương c u lõm bi u thi v trí v t (AB ⊥ tr c chính). Giao ñi m B/ c a các tia ph n x trên gương c u lõm bi u thi v trí nh (A/B/ ⊥ tr c chính). Dùng bút ñánh d u ñư ng truy n c a các tia sáng và v trí gương c u lõm trên m t t gi y, ta có th ño ñư c các kho ng cách d, d/ , f , AB , A/B/ . / G3 A A O F / B 3.6. Kh o sát tia sáng khúc x qua th u kính a) Làm l i ñ ng tác 5a, nhưng thay lăng kính b ng th u kính h i t . Đi u ch nh các G1 ,G2 ,G3 ñ thu ñư c ba tia sáng song song sao cho tia gi a trùng v i quang tr c chính truy n th ng qua th u kính (Hình). Trang 16 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Tia trên và tia dư i, sau khi khúc x qua th u kính, s giao nhau t i tiêu ñi m nh Fa n m trên tr c chính c a th u kính. Dùng bút ñánh d u giao ñi m Fa c a các tia sáng trên m t t gi y. Fa b) Gi nguyên tia gi a trùng v i quang O tr c chính c a th u kính h i t . Đi u ch nh các gương G1 và G3 ñ tia trên và tia dư i ñi qua ñi m Fv n m trên tr c chính phía trư c Fv th u kính sao cho sau khi khúc x qua th u O kính, hai tia này truy n song song v i tr c chính. Khi ñó Fv là tiêu ñi m v t c a th u kính h i t . Dùng bút ñánh d u giao ñi m Fv c a các tia sáng trên m t t gi y. c) Kho ng cách gi a hai tiêu ñi m Fv và Fa có giá tr g p ñôi tiêu c f c a th u kính h i t . Dùng thư c th ng milimét ño kho ng cách FvFa , ta có th xác ñ nh tiêu c c a th u kính h i t : f = Fv Fa 2 (8) d) Có th nghi m l i các công th c th u kính : 1 1 1 + = d d/ f (9) k= A ′B ′ AB =− d/ d (10) b ng cách ñi u ch nh l n lư t các gương ph ng G1 ,G2 ,G3 ñ thu ñư c ba tia sáng như hình v : - tia sáng t G3 truy n d c theo tr c chính c a th u kính h i t . - tia sáng t G2 truy n song song v i tr c chính t i th u kính và khúc x ñi qua tiêu ñi m nh Fa . - tia sáng t G1 ñi qua quang tâm O c a th u kính và truy n th ng. Giao ñi m B c a các tia t i th u kính bi u thi v trí v t (AB ⊥ tr c chính). Giao ñi m B/ c a các tia khúc x qua th u kính bi u thi v trí nh (A/B/ ⊥ tr c chính). Dùng bút ñánh d u ñư ng truy n c a các tia sáng và v trí th u kính trên t gi y, ta s ño ñư c các kho ng cách d, d/, f, AB, A/B/ . G1 B G2 Fa G3 A / A O / B BÀI V. KH O SÁT LASER BÁN D N (NÂNG CAO) 1. M c ñích thí nghi m Kh o sát ñ c trưng Vôn - Am pe c a Laser bán d n, xác ñ nh dòng ñi n bơm t o ra tr ng thái ñ o m t ñ . Trang 17 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I Kh o sát quan h gi a dòng ñi n bơm và công su t Laser . So sánh các k t qu nh n ñư c v i các giá tr ño tương ng c a các lo i Diode phát quang ( LED) khác nhau ñ rút ra k t lu n v ñ c tính ho t ñ ng c a Laser bán d n. Thi t b kh o sát laser bán d n 2. Cơ s lý thuy t Laser bán d n ( còn g i là Diode laser ) là m t l p laser ñ c bi t. Chúng phân bi t v i các laser truy n th ng hai ñi m: 1-Trong các laser kinh ñi n, các nguyên t có ho t tính laser ( là các phân t , ion) ñ c l p v i nhau và ch các m c năng lư ng như nhau ñư c s d ng cho quá trình Laser. Đi u này có nghĩa là v nguyên t c, ñ t o ra tr ng thái ñ o m t ñ , m t s lư ng không gi i h n các nguyên t có th cùng tham gia ñóng góp cho hi u ng lasser ( tuân theo phân b Boltzmann). Đi u này không ñúng ñ i v i trư ng h p c a laser bán d n: Trong các laser bán d n, m i m c năng lư ng xác ñ nh ch có t i ña hai h t ( ñây là electron - tuân theo nguyên lý Pauli ). Tuy nhiên , trong ch t bán d n, hàm sóng c a các nguyên t riêng bi t ph nhau, t o ra các d i năng lư ng, và các electron chi m ch trên các phân m c c a các d i này, theo phân b FecmiDirac. Khi x y ra quá trình laser, thay vì là s chuy n các cư dân gi a hai m c năng lư ng trong các laser kinh ñi n, thì ñây là s chuy n các cư dân gi a hai d i năng lư ng . 2- Đi u khác bi t quan tr ng th hai liên quan ñ n s truy n tia laser trong không gian gi i h n c a l p ti p xúc PN. S phân b cư ng ñ không gian c a chùm laser ñây ñư c xác ñ nh b i môi trư ng laser ch không ph i do h p c ng hư ng như trong các laser truy n th ng. Hai ñi m khác bi t nêu trên d n ñ n k t qu là : các ñ c tính v chùm tia cũng như các ñ c tính v ph c a laser bán d n có khác rõ r t so v i laser truy n th ng : 1- Các laser bán d n s không phát ra ñư c các sóng ánh sáng có bư c sóng c h u xác ñ nh, b i vì chúng không có các m c năng lư ng gián ño n xác ñ nh ñ s d ng cho quá trình laser, mà thay vì ñó là các d i năng lư ng như nói trên. Đi u này làm cho ph c a chùm tia laser bán d n có ñ r ng nh t ñ nh, bư c sóng không hoàn toàn ñơn s c, ph thu c môi trư ng laser ( ti p xúc PN). 2- S t o thành và d n hư ng cho tia laser trong các laser bán d n x y ra trong không gian r t h p c a l p ti p xúc PN, v i kích thư c ch kho ng vài l n bư c sóng c a tia laser. Trong khi ñó, các laser truy n th ng, phân b cư ng ñ không Trang 18 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I gian và c u trúc mode c a chùm laser ñư c xác ñ nh b i ñư ng d n sóng ( kho ng cách gi a hai gương trong h c c ng hư ng FABRY-PEROT, nơi các photon có th truy n t do trong không gian r t dài so v i chi u dài bư c sóng ). Ch ng h n ñ i v i laser khí He-Ne, kho ng cách ñó là kho ng 150-200mm. Đi u ñó d n t i k t qu là : trong khi chùm laser phát ra t các ng phát laser truy n th ng có tính ñ nh hư ng và ñ t p trung r t cao, thì chùm laser bán d n l i phân kì rõ r t. Hai ñ c ñi m trên nh hư ng t i vi c s d ng laser bán d n . Trư c khi chùm tia laser bán d n ñư c s d ng theo cách thông thư ng, ñ c tính phân kì c a chúng c n ph i ñư c hi u ch nh l i b ng m t h quang h c, thư ng là m t th u kính h i t có tiêu c ng n ( f = 6 mm). Ti t di n c a chùm laser bán d n không có hình tròn, mà thư ng là ellip, hay ch nh t . Hình 2 cho sơ ñ c u t o c a m t laser bán d n (GaAl)As. N m phía trên ñi n c c n là l p bán d n n n Gali-Aluminum (GaAl ) pha t p lo i n, trên ñó ngư i ta ph nhi u l p gallium-aluminum arsenide v i n ng ñ Al khác nhau. Các ñi n tích ñư c phun vào l p ho t tính m ng kho ng 0.2µm b ng cách ñ t m t ñi n áp lên ti p ñi m phía trên ( ñi n c c p) có b r ng kho ng vài µm. Vùng kích ho t n m gi a hai ñư ng biên c a l p chuy n ti p PN tác ñ ng như m t l p rào ch n các h t t i ñi n . N u dòng ñi n bơm ñ l n, tr ng thái ñ o m t ñ ñư c t o ra trong th tích vùng kích ho t . Chùm laser ñi qua vùng kích ho t , qua c a s ló ra ngoài . Tinh th bán d n có ch s khúc x ( chi t su t) cao, nên t i b m t hai bên, ñ ph n x ñ l n, không c n ph i ph thêm l p ph n x , chúng v n có th ho t ñ ng như m t b c ng hư ng gương Fabry-Perot . M t ñ c tính n a c a laser bán d n là s ph thu c c a bư c sóng laser vào nhi t ñ c a t m bán d n(vào kho ng 0.25nm/°K ) và cư ng ñ dòng ñi n bơm (vào kho ng 0.05nm /mA) . N u c n bư c sóng xác ñ nh, không ñ i thì ngư i s d ng ph i duy trì nhi t ñ ch t bán d n và cư ng ñ dòng ñi n bơm m t giá tr xác ñ nh. Đi n c c P Đi n c c n A B p n Các photon ñư c t o ra C u trúc c a Laser (Ga Al) As . Vùng kích ho t Vùng chuy n ti p PN khi chưa có ñi n áp (A) và sau khi ñ t ñi n áp (B). Vùng kích ho t có c hai lo i h t t i electron và l tr ng , khi tái h p t o ra phôtôn. Ưu ñi m l n nh t c a laser bán d n là kích thư c nh , không yêu c u ngu n cao áp m nh ( laser khí He-Ne ñòi h i ngu n cao áp hàng nghìn vôn), do ñó d ng d ng và giá thành h . Cho ñ n nay ngư i ta chưa ch t o ñư c m t Diode Laser có công su t hơn 10W, tuy nhiên, do công su t tiêu th và kích thư c r t nh , nên ngư i ta t p trung nghiên c u vào vi c tích h p hàng nghìn laser bán d n trên m t chip, ñ có th t o ra chu i laser bán d n có công su t l n hàng kW. Trang 19 B MÔN V T LÝ Y SINH Giáo Trình Th c T p Cho Sinh Viên Y Khoa Năm I 3. Th c nghi m 3.1. D ng c thí nghi m • Laser bán d n 2-5 mW • Ba lo i LED khác nhau ( ñ vàng, l c) • B ng l p ráp m ch ñi n • M u ñi n tr 100 ôm • Đ ng h ña năng hi n s DT-9205A • Ngu n n áp 0-6V30-35mA ñi u ch nh liên t c • Dây n i m ch hai ñ u phích 650mm màu ñ • Dây n i m ch hai ñ u phích 650mm màu xanh • Giá quang h c 500mm • Tr thép Inox D10/180 mm • Tr thép Inox D 8/120 mm. • Đ trư t • Sensor ño công su t quang • Milivôn k ñi n t ch th kim MC-897A I ( mA) U ( V) 3.2. Các bư c ti n hành Trong bài thí nghi m này , chúng ta kh o sát ñ c tính c a m t laser bán d n thông qua vi c : - V ñ c trưng Vôn - Ampe ñ ng th i quan sát s xu t hi n chùm tia Laser t ñó xác ñ nh giá tr dòng ñi n bơm và ñi n áp ñ t vào ti p xúc PN c a laser ñ t o ra ñư c tr ng thái ñ o m t ñ . - Đo công su t laser và kh o sát m i quan h gi a công su t laser và dòng ñi n bơm. - So sánh v i các ñ c tính c a Diode phát quang ( LED) thông thư ng ñ phân bi t quá trình laser trong laser bán d n . Bư c 1 .L p ráp sơ ñ m ch ñi n Tìm hi u c u t o c a b ng ñi n và th c hi n l p ráp m ch ñi n ñ ño ñ c trưng Vôn- Am pe c a laser bán d n theo sơ ñ . 150ς + A + V + R + DC 20V SC laser + A DC 200mA Ngu n m t chi u 0-6V _ _ VR Sơ ñ m ch ñi n ño ñ c trưng Vôn -Ampe c a laser bán d n Trên sơ ñ : - Ngu n m t chi u n ñ nh có ñi n áp ra thay ñ i ñư c t 0-6V, ñi u ch nh b i núm xoay VR, ban ñ u ñ t v trí 0 ( xoay ngư c chi u kim ñ ng h v t n cùng trái). - Đi n tr R =150ς l p n i ti p v i laser bán d n (SC Laser) nh m h n ch dòng bơm t i ña ñ Laser không b h ng do quá dòng. Trang 20