Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế theo con đường thiết kế trong dạy học Vật lí ở Lớp 11 trường trung học phổ thông

1. Mở đầu Ứng dụng kĩ thuật (ƯDKT) của vật lí là một trong những loại kiến thức cơ bản mà học sinh (HS) cần lĩnh hội trong học tập vật lí ở trường phổ thông. Dạy học ƯDKT của vật lí được tiến hành theo hai con đường: 1/Tìm hiểu bản thân thiết bị kĩ thuật (TBKT), nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của nó và đi tới làm sáng tỏ cơ sở vật lí của TBKT (con đường 1) hoặc 2/ hướng dẫn HS dựa trên những kiến thức, kĩ năng đã có, thiết kế, chế tạo TBKT có một chức năng nào đó (đáp ứng được một yêu cầu kĩ thuật xác định), giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong sản xuất và đời sống (con đường 2- con đường thiết kế). Việc nghiên cứu ƯDKT của vật lí theo con đường 2 có tác dụng rất lớn đối với việc phát triển tư duy khoa học - kĩ thuật của HS. Ampe kế và vôn kế là những dụng cụ đo (DCĐ) được HS sử dụng thường xuyên trong các thí nghiệm (TN). Việc đề cập nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của chúng là cần thiết. Đây là ƯDKT của vật lí phù hợp để tổ chức cho HS nghiên cứu theo con đường 2 của dạy học ƯDKT của vật lí.

pdf13 trang | Chia sẻ: thanhle95 | Lượt xem: 96 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế theo con đường thiết kế trong dạy học Vật lí ở Lớp 11 trường trung học phổ thông, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1, pp. 37-49 NGHIÊN CỨU NGUYÊN TẮC CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA AMPE KẾ VÀ VÔN KẾ THEO CON ĐƯỜNG THIẾT KẾ TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở LỚP 11 TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Nguyễn Ngọc Hưng Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Bài báo trình bày việc tổ chức cho học sinh lớp 11 nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của ampe kế và vôn kế theo các giai đoạn của con đường thiết kế nhằm phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của học sinh. Từ khóa: Ampe kế, vôn kế, dạy học Vật lí, Vật lí 11, con đường thiết kế, tích cực, sáng tạo. 1. Mở đầu Ứng dụng kĩ thuật (ƯDKT) của vật lí là một trong những loại kiến thức cơ bản mà học sinh (HS) cần lĩnh hội trong học tập vật lí ở trường phổ thông. Dạy học ƯDKT của vật lí được tiến hành theo hai con đường: 1/Tìm hiểu bản thân thiết bị kĩ thuật (TBKT), nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của nó và đi tới làm sáng tỏ cơ sở vật lí của TBKT (con đường 1) hoặc 2/ hướng dẫn HS dựa trên những kiến thức, kĩ năng đã có, thiết kế, chế tạo TBKT có một chức năng nào đó (đáp ứng được một yêu cầu kĩ thuật xác định), giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong sản xuất và đời sống (con đường 2- con đường thiết kế). Việc nghiên cứu ƯDKT của vật lí theo con đường 2 có tác dụng rất lớn đối với việc phát triển tư duy khoa học - kĩ thuật của HS. Ampe kế và vôn kế là những dụng cụ đo (DCĐ) được HS sử dụng thường xuyên trong các thí nghiệm (TN). Việc đề cập nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của chúng là cần thiết. Đây là ƯDKT của vật lí phù hợp để tổ chức cho HS nghiên cứu theo con đường 2 của dạy học ƯDKT của vật lí. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Tiến trình nghiên cứu chung của HS về nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của ampe kế và vôn kế Dựa vào tiến trình chung khi nghiên cứu một ƯDKT của vật lí theo con đường 2, tiến trình nghiên cứu của HS về nguyên tắc cấu tạo, hoạt động của ampe kế và vôn kế diễn Ngày nhận bài: 15/07/2013. Ngày nhận đăng: 15/12/2013. Liên hệ: Nguyễn Ngọc Hưng, e-mail: nnhung67hb@yahoo.com. 37 Nguyễn Ngọc Hưng ra theo các giai đoạn sau: 2.1.1. Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết - Trên cơ sở nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về việc mắc điện kế (G) vào đoạn mạch điện cần đo I, U, đi tới nhận xét: G có giới hạn đo (GHĐ) I,U xác định và vì G có điện trở nên việc mắc G vào đoạn mạch điện làm giảm giá trị I,U cần đo. - Từ đó, nảy sinh vấn đề (VĐ) cần giải quyết là: Có cách nào để làm giảm ảnh hưởng của G đến phép đo I,U khi mắc G vào đoạn mạch điện và mở rộng được GHĐ I,U của G? 2.1.2. Suy đoán và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề (GQVĐ) Bằng lập luận (suy đoán giải pháp - SĐGP) và sau đó, tính toán cụ thể (thực hiện giải pháp - THGP) từ các kiến thức đã biết về mạch điện một chiều, đi tới câu trả lời cho cả 2 câu hỏi trên: - Cần mắc sơn (s) song song G, biến nó thành ampe kế và cần mắc điện trở phụ (Rp) nối tiếp với G, biến nó thành vôn kế. - Muốn GHĐ I(U) của G tăng lên n(m) lần thì s mắc song song G phải có RS = Rg n− 1 và Rp mắc nối tiếp G phải có Rp = (m− 1)Rg. 2.1.3. Kiểm nghiệm nhờ TN tính đúng đắn của kết luận đã rút ra về việc làm tăng GHĐ của G - Dựa vào các biểu thức trên, cho biết Rg, tính giá trị Rs(Rp) cần mắc song song (nối tiếp) với G để biến G thành ampe kế (vôn kế) có GHĐ I (U) gấp n (m) lần GHĐ I(U) của G và tính các giá trị Ig(Ug) ứng với các giá trị IA(UV) khác nhau. - Thiết kế mạch điện và tiến hành TN để xác nhận các giá trị Ig(Ug) đã tính được từ các biểu thức. 2.1.4. Làm nảy sinh VĐ cần giải quyết tiếp Vì mỗi s (mỗi Rp) mắc song song (nối tiếp) với G có giá trị Rs(Rp) nhất định nên GHĐ I(U) của G chỉ được tăng lên tới một giá trị xác định. VĐ cần giải quyết tiếp là: Làm thế nào để GHĐ I(U) của G được mở rộng tới các giá trị khác nhau, nghĩa là ampe kế (vôn kế) có nhiều thang đo khác nhau? 2.1.5. Suy đoán và thực hiện giải pháp GQVĐ - Dựa vào các biểu thức tính Rs và Rp, đưa ra giải pháp: Muốn ampe kế (vôn kế) có nhiều thang đo khác nhau thì phải mắc song song (nối tiếp) với G các s (các Rp) có Rs(Rp) khác nhau. - Thiết kế các mạch điện nối G song song với các s (ở ampe kế) sao cho Rs ở thang đo 1 lớn hơn Rs ở thang đo thứ hai đề GHĐ I khi dùng thang đo thứ nhất nhỏ hơn GHĐ I khi dùng thang đo thứ hai của ampe kế và thiết kế các mạch điện mà các Rp được mắc nối tiếp với G (ở vôn kế) sao cho Rp ở thang đo thứ nhất nhỏ hơn Rp ở thang đo thứ hai để 38 Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế... GHĐ U khi dùng thang đo thứ nhất nhỏ hơn GHĐ U khi dùng thang đo thứ hai của vôn kế. 2.1.6. Kiểm tra tính đúng đắn của các kết luận đã rút ra ngay trên DCĐ Mở mặt sau của ampe kế (vôn kế) thực hành để xác định cách mắc các s (các Rp) với G và khẳng định tính đúng đắn của các kết luận đã rút ra. 2.2. Các giai đoạn nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế theo con đường thiết kế 2.2.1. Nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về G thực hành đo cường độ dòng điện (I) để làm xuất hiện VĐ cần giải quyết (Làm thế nào để làm giảm ảnh hưởng của G đến giá trị I cần đo khi mắc nó vào mạch điện cần đo I chạy qua và mở rộng được GHĐ I của G?) Hình 1. G đo I (a) và mạch điện của G (b) - Tìm hiểu G đo I (Hình 1a): Dựa vào quan sát mặt ngoài và bên trong G, hãy xác định chức năng (đo I một chiều), kiểu cơ cấu đo (kiểu từ điện bằng khung quay), mạch điện của G (Hình 1b), các thông số của G: các thang đo (khi dùng hai chốt (−) và (G0) hay (−) và (G1),G có cùng một thang đo:−300µA−0−300µA),GHĐ (Imax = 300µA), giá trị của mỗi độ chia trên từng thang đo (10µA), cấp chính xác của G (sai số hệ thống của phép đo I do G gây ra), chiều quay của kim chỉ ứng với từng trường hợp. Giáo viên (GV) bổ sung: Đơn vị I (không được ghi trên mặt G) là µA, sử dụng G ở hai chốt (−) và (G0) khi tiến hành TN để phát hiện I gây bởi các U nhỏ như dòng nhiệt điện, dòng cảm ứng điện từ, còn ở hai chốt (−) và (G1) khi tiến hành TN để phát hiện các I nhỏ nhưng U không nhỏ, như mạch cầu Uytxtơn lúc chưa cân bằng. - Nghiên cứu lí thuyết về ảnh hưởng của G đến giá trị I cần đo: Áp dụng định luật Ôm đối với toàn mạch (Hình 2) để thấy rằng: Việc mắc G vào mạch điện cần đo I làm cho giá trị I đo được sai lệch (nhỏ hơn) so với giá trị thực của I cần đo (I đọc được trên G = ε R + r + Rg < Ithc = ε R + r ). 39 Nguyễn Ngọc Hưng Hình 2. Đo I nhờ G - Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của G đến giá trị I cần đo: Lắp mạch điện như Hình 3. Dịch chuyển biến trở để thay đổi UAB. Ứng với mỗi UAB, đọc số chỉ của G1 khi chưa mắc G2 và khi mắc cả G1 và G2 vào đoạn mạch AB, để thấy: Số chỉ của G1 khi mắc đồng thời cả G1 và G2 luôn nhỏ hơn số chỉ của G1 khi chỉ mắc G1. Hình 3. Kiểm nghiệm ảnh hưởng của G đến I cần đo Như vậy, nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm đều dẫn tới nhận xét: Khi mắc G vào mạch điện cần đo I, G đã làm giảm giá trị I cần đo, gây sai số của phép đo I và mỗi G chỉ có một GHĐ I0 xác định. VĐ cần giải quyết là: Làm thế nào để làm giảm ảnh hưởng của G đến phép đo I (làm giảm sai số của phép đo I) khi dùng G và có cách nào để có thể sử dụng G đo được I có cường độ lớn hơn I0 (tức là mở rộng được GHĐ của G)? 2.2.2. Suy đoán và thực hiện giải pháp GQVĐ nhờ suy luận lí thuyết (SLLT) từ các kiến thức đã biết - Suy đoán giải pháp GQVĐ + Từ biểu thức I = ε R + r + Rg , thấy: Để làm giảm ảnh hưởng của G đến giá trị I cần đo, phải làm giảm Rg, sao cho Rg ≪ R. Ứng với G đã cho (Rg nhất định), có thể làm giảm R DCĐ (DCĐ) bằng cách mắc điện trở phụ song song với G. + Cũng có thể sử dụng giải pháp mắc điện trở phụ song song G để chỉ một phần dòng điện chạy qua G, Ig không vượt quá I0, phần dòng điện còn lại (I − I0) đi qua điện trở phụ (chia dòng). Nhờ đó mà DCĐ có thể đo được I > I0. - Thực hiện giải pháp đã suy đoán Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch mắc song song các điện trở khi mắc điện trở phụ (còn gọi là sơn) song song với G, biến nó thành ampe kế (Hình 4), có: + RA = RgRs Rg + Rs , thấy RA < Rg,RA < Rs: s làm giảm R của DCĐ và do đó, làm sai số của phép đo I nhỏ đi. 40 Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế... Hình 4. Cấu tạo của ampe kế + IA = ( 1 + Rg Rs ) Ig = nIg (n: hệ số mở rộng thang đo, >1), thấy: s làm tăng GHĐ của G, làm cho ampe kế đo được Imax gấp n lần I0 tối đa mà G đo được. + Muốn GHĐ I của G tăng lên n lần (n = IA Ig ) thì s mắc song song với G phải có Rs = Rg n− 1 . + Nếu Rs càng nhỏ so với Rg thì RA càng nhỏ, ảnh hưởng của DCĐ đến giá trị I cần đo càng nhỏ và GHĐ (n) của ampe kế càng lớn. 2.2.3. Kiểm nghiệm nhờ TN tính đúng đắn của kết luận đã rút ra về việc làm tăng GHĐ của G bằng cách mắc s song song với G - Dựa vào biểu thức tính Rs, tìm độ lớn Rs phải mắc song song với G đo I đã tìm hiểu khi dùng hai chốt (−) và (G1) để biến G thành ampe kế có GHĐ Imax = 30mA, cho biết Rg = 100Ω,R0 = 2400Ω? (Vì Rs = Rg IAmax Igmax − 1 , biết khi dùng hai chốt (−) và (G1) thì Rg = RG + R0 = 2500Ω, IAmax = 30mA, Igmax = 300µA nên Rs = 2, 5Ω). - Dựa vào biểu thức Ig = IA n , tính các giá trị Ig ứng với IA1 = 0, 1A, IA2 = 0, 2A, IA3 = 0, 3A và IA4 = −0, 1A. Hình 5. Kiểm nghiệm các giá trị Ig đã tính được - Thiết kế mạch điện và tiến hành TN để kiểm nghiệm các giá trị Ig đã tính được từ lí thuyết: Lắp mạch điện như Hình 5, trong đó G được dùng với hai chốt (−) và (G1), Rs được tạo ra nhờ điện trở có các vạch màu để tiến hành TN kiểm nghiệm các giá trị Ig đã tính được. Các dây nối phải có điện trở nhỏ. Kết quả TN cho thấy: Các Ig đọc được trên G 41 Nguyễn Ngọc Hưng trùng với các Ig đã tính được. - Nếu vẫn dùng mặt chia độ của G đo I làm mặt chia độ của ampe kế mới được tạo thành bởi G và s đã mắc, xác định thang đo mới và giá trị của mỗi độ chia trên thang đo này? (Vì I = nIg nên sau khi mắc thêm s cho G, nếu vẫn dùng mặt chia độ của G để đọc I đo được thì phải chia lại thang chia độ, mỗi độ chia trên mặt chia độ của G có giá trị lớn gấp n lần (100 lần) giá trị của mỗi độ chia khi không mắc thêm s vào G (Giá trị của mỗi độ chia trên thang đo mới là 1 mA). 2.2.4. Đề xuất VĐ cần giải quyết tiếp - Ứng với 1 s ( Rs nhất định) mắc song song với G, GHĐ I của G chỉ được mở rộng tới một giá trị I xác định (n xác định). Vậy làm thế nào để GHĐ I của G được mở rộng tới các giá trị I khác nhau, nghĩa là ampe kế có nhiều thang đo? - Ví dụ như: Làm thế nào để GHĐ I của G đo I đã tìm hiểu được mở rộng tới hai giá trị I khác nhau (ampe kế sẽ có hai thang đo khác nhau)? 2.2.5. Suy đoán và thực hiện giải pháp GQVĐ - Muốn G được mở rộng GHĐ tới các giá trị I khác nhau thì phải mắc song song với G các s có Rs khác nhau. - Nếu muốn G đo I đã tìm hiểu có thể đo được hai Imax khác nhau thì mắc các sơn s1 và s2 khác nhau song song với G theo Hình 6: Hình 6. Ampe kế có 2 thang đo + Khi dùng hai chốt (−) và (1): (G nối tiếp R0) // (Rs1 nối tiếp Rs2). + Khi dùng hai chốt (−) và (2): (G nối tiếp R0 nối tiếp Rs2) // Rs1. Vì RA khi dùng hai chốt (−) và (1) lớn hơn RA khi dùng hai chốt (−) và (2) nên GHĐ I1 khi dùng hai chốt (−) và (1) nhỏ hơn GHĐ I2 của ampe kế khi dùng hai chốt (−) và (2). 2.2.6. Kiểm tra tính đúng đắn của kết luận đã rút ra ở ampe kế thực hành và tìm hiểu các thông số của nó - Mở mặt sau của ampe kế thực hành để xác định cách mắc các s với G và khẳng định tính đúng đắn của giải pháp đã đề xuất. GV bổ sung thông tin về các giá trị Rg = 4Ω,R0 = 3Ω,Rs1 = 0, 03Ω và Rs2 = 0, 12Ω. - Dựa vào quan sát mặt ngoài của ampe kế (Hình 7), xác định chức năng (đo I một chiều), kiểu cơ cấu đo (kiểu từ điện), các thông số của ampe kế: Các thang đo, GHĐ khi 42 Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế... Hình 7. Ampe kế thực hành sử dụng các chốt trên ampe kế, giá trị I của mỗi độ chia trên từng thang đo và trả lời các câu hỏi: Khi nào thì I cần đo có giá trị dương, có giá trị âm? Biết cấp chính xác của ampe kế là 2,5, tính sai số hệ thống của phép đo I do ampe kế gây ra ứng với mỗi thang đo (Ampe kế có hai thang đo: khi dùng hai chốt (−) và (0, 6A), ampe kế có thang đo: −0, 2A − 0 − 0, 6A, GHĐ là 0, 6A, giá trị của mỗi độ chia là 0, 02A; còn khi dùng hai chốt (−) và (3A), ampe kế có thang đo: −1A − 0 − 3A, GHĐ là 3A, giá trị của mỗi độ chia là 0, 1A. Vạch 0 của ampe kế không ở giữa các thang đo. Cường độ I cần đo sẽ mang giá trị dương khi I đi vào các chốt (0, 6A) và (3A). 2.3. Các giai đoạn nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của vôn kế theo con đường thiết kế 2.3.1. Nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về điện kế thực hành đo hiệu điện thế để làm xuất hiện VĐ cần giải quyết (Làm thế nào để làm giảm ảnh hưởng của điện kế đến giá trị hiệu điện thế cần đo khi mắc nó vào hai đầu đoạn mạch và mở rộng được GHĐ hiệu điện thế của G ?) - Vì nên ngoài việc dùng G đo I, có thể dùng G để đo U bằng cách ghi U tương ứng vào các vạch trên thang chia độ của G. Nếu dùng G đo I đã tìm hiểu (Hình 1) để đo U thì G này sẽ có mấy thang đo U ? Vẽ các thang đo này, trong đó có ghi các giá trị U tương ứng thay cho các giá trị I ở các vạch chia trên G đo I (VìUGo = IRG,UG1 = IRg = I(RG+R0), đã biết RG và R0, nên nếu dùng G đo I đã tìm hiểu để đo U thì G có hai thang đo: + Khi dùng hai chốt (−) và (G0) : −30mV− 0− 30mV. Giá trị của mỗi độ chia là 1mV. + Khi dùng hai chốt (−) và (G1) : −750mV− 0− 750mV. Giá trị của mỗi độ chia là 25mV - Đối chiếu các thang đo đã vẽ với các thang đo ở mặt ngoài của G đo U để kiểm tra dự đoán về các thang đo (Thang đo ở mặt ngoài của G đúng như thang đo đã dự đoán) và còn thấy: Trên mặt ngoài của G đo U (Hình 8), chỉ ghi giá trị của các vạch chia ứng với 43 Nguyễn Ngọc Hưng Hình 8. Điện kế thực hành đo U thang đo khi sử dụng hai chốt (−) và (G0), không ghi đơn vị đo (mV). - Dựa vào quan sát mặt ngoài của G đo U , hãy xác định thêm các thông tin: Chức năng (Đo U một chiều), kiểu cơ cấu đo (Kiểu từ điện), cấp chính xác (sai số hệ thống của phép đo U do G gây ra ứng với từng thang đo), chiều quay của kim chỉ ứng với từng trường hợp. - Nghiên cứu lí thuyết về ảnh hưởng của G đến giá trị U cần đo (Hình 9): Áp dụng định luật Ôm đối với toàn mạch khi chưa mắc G và khi mắc G để thấy rằng: Việc mắc G đo U giữa hai đầu đoạn mạch AB làm cho giá trị U′ đo được sai lệch (làm giảm) so với giá trị thực của U cần đo (Hiệu điện thế đọc được trên G khi mắc G vào đoạn mạch AB Hình 9. Đo U nhờ G U′ = εRRg( RRg R + Rg + r ) (R + Rg) = εRRg RRg + r (r + Rg) = εR R + r + rR Rg < hiệu điện thế khi chưa mắc G U = ε R + r R). - Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của G đến giá trị U cần đo: Lắp mạch điện như Hình 10. Dịch chuyển biến trở để thay đổi UAB. Ứng với mỗi UAB, lần lượt đọc số chỉ của G1 khi chỉ mắcG1 và khi mắc đồng thời G1 vàG2 vào đoạn mạch AB để thấy: Số chỉ của G1 khi mắc cả G1 và G2 luôn nhỏ hơn số chỉ của G1 khi chỉ mắc G1. Như vậy, việc nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm đều dẫn tới nhận xét: Khi mắc G vào hai đầu đoạn mạch cần đo U , G đã làm giảm giá trị U cần đo, gây sai số của phép đo U và mỗi G chỉ có một GHĐ U0 xác định. 44 Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế... Hình 10. Kiểm nghiệm ảnh hưởng của G đến U cần đo VĐ cần giải quyết là: Làm thế nào để làm giảm ảnh hưởng của G đến phép đo U (làm giảm sai số của phép đo U ) khi mắc G vào hai đầu đoạn mạch cần đo U và có cách nào để có thể sử dụng G đo được U có giá trị lớn hơn U0, tức là mở rộng được GHĐ của G ? 2.3.2. Suy đoán và thực hiện giải pháp GQVĐ nhờ SLLT từ các kiến thức đã biết - Suy đoán giải pháp GQVĐ: + Từ biểu thức U = εR R + r + rR Rg ta thấy: Để làm giảm ảnh hưởng của G đến giá trị U cần đo, phải làm tăng Rg sao cho Rg ≫ R. Ứng với G đã cho (Rg nhất định), có thể mắc điện trở phụ nối tiếp với G trong DCĐ. Nhờ đó, R DCĐ sẽ tăng lên. + Cũng có thể sử dụng giải pháp mắc điện trở phụ nối tiếp với G trong DCĐ để chia một phần hiệu điện thế đặt vào hai đầu AB của đoạn mạch, làm cho Ug không vượt quá giá trị U0, phần hiệu điện thế còn lại (U− U0) được đặt vào điện trở phụ (chia thế). Nhờ đó, DCĐ có thể đo được U > U0. - Thực hiện giải pháp đã suy đoán: Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch mắc nối tiếp các điện trở khi mắc điện trở phụ nối tiếp với G, biến nó thành vôn kế (Hình 11), có: Hình 11. Cấu tạo của Vôn kế + RV = Rg + Rp, thấy: RV > Rg,RV > Rp: điện trở phụ làm tăng điện trở của DCĐ và do đó, làm sai số của phép đo U nhỏ hơn. UV = ( 1 + Rp Rg ) Ug = mUg 45 Nguyễn Ngọc Hưng (m : hệ số mở rộng thang đo, >1), thấy: Rp làm tăng GHĐ của G, làm cho vôn kế đo được Umax gấp m lần U0 tối đa mà G đo được. + Muốn GHĐ U của G tăng lên m lần (m = UV Ug ) thì điện trở phụ mắc nối tiếp với G phải có Rp = (m− 1)Rg. + Nếu Rp càng lớn thì RV càng lớn, ảnh hưởng của DCĐ đến giá trị U cần đo càng nhỏ và GHĐ (m) của vôn kế càng lớn. 2.3.3. Kiểm nghiệm nhờ TN tính đúng đắn của kết luận đã rút ra về việc làm tăng GHĐ của G bằng cách mắc Rp nối tiếp với G - Dựa vào biểu thức tính UV, tìm độ lớn Rp phải mắc nối tiếp với G đo U khi dùng hai chốt (−) và (G0) để biến G thành vôn kế có GHĐ Umax là 3V, đã biết khi dùng hai chốt này Rg = 100Ω? (Vì Rp = ( UVmax Ugmax − 1 ) Rg, biết UVmax = 3V,Ugmax khi dùng hai chốt (−) và (G0) là 30mV,Rg = 100Ω nên Rp = 9900Ω). - Dựa vào biểu thức Ug = UV m , tính các giá trị Ug ứng với UV1 = 1V,UV2 = 1, 5V,UV3 = 2V và UV4 = −1V. Hình 12. Kiểm nghiệm các giá trị Ug đã tính được - Thiết kế mạch điện và tiến hành TN để kiểm nghiệm các giá trị Ug đã tính được từ lí thuyết. Lắp mạch điện như Hình 12, trong đó G được dùng với hai chốt (−) và (G0) và Rp được tạo ra nhờ điện trở có các vạch màu để tiến hành TN kiểm nghiệm các giá trị Ug đã tính được. Các dây nối phải có điện trở nhỏ. Kết quả TN cho thấy: Các Ug đọc được trên G trùng với các Ug đã tính được. - Nếu vẫn dùng mặt chia độ của G đo U làm mặt chia độ của vôn kế mới được tạo bởi G khi dùng hai chốt (−) và (G0) và điện trở phụ Rp đã mắc, xác định thang đo mới và giá trị của mỗi độ chia trên thang đo này (Vì UV = mUg nên sau khi mắc Rp nối tiếp với G, nếu vẫn dùng mặt chia độ của G để đọc U đo được thì phải chia lại thang chia độ, mỗi độ chia trên mặt chia độ của G có giá trị lớn gấp m lần giá trị của nó khi không mắc Rp vào G. Giá trị mỗi độ chia trên thang đo mới là 0,1V). 46 Nghiên cứu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ampe kế và vôn kế... 2.3.4. Đề xuất VĐ cần giải quyết tiếp - Ứng với một điện trở phụ (Rp nhất định) mắc nối tiếp với G, GHĐ U của G chỉ được mở rộng tới một giá trị U xác định (m xác định). Vậy làm thế nào để GHĐ U của G được mở rộng tới các giá trị U khác nhau (vôn kế có nhiều thang đo khác nhau) ? - Ví dụ như: Làm thế nào để GHĐ U của G đo U đã tìm hiểu khi dùng hai chốt (−) và (G0) được mở rộng tới 2 giá trị U khác nhau (vôn kế sẽ có hai thang đo khác nhau) ? 2.3.5. Suy đoán và thực hiện giải pháp GQVĐ - Muốn G được mở rộng GHĐ tới các giá trị U khác nhau thì phải mắc nối tiếp với G các điện trở phụ có Rp khác nhau. - Nếu muốn G đo U khi dùng hai chốt (−) và (G0) đã tìm hiểu có thể đo được 2 Umax khác nhau thì có thể mắc các điện trở phụ nối tiếp với G theo các cách sau: + Cách 1 (Hình 13a): Khi dùng hai chốt (−) và (1): G0 nối tiếp Rp1, khi dùng hai chốt (−) và (2): G0 nối tiếp Rp2. Chọn Rp1 < Rp2 thì GHĐ U khi dùng hai chốt (−) và (1) sẽ nhỏ hơn GHĐ U khi dùng hai chốt (−) và (2). + Cách 2 (Hình 13b): Khi dùng hai chốt (−) và (1): G0 nối tiếp Rp1, khi dùng hai chốt (−) và (2): G0 nối tiếp Rp1 nối tiếp Rp2. GHĐ U khi dùng hai chốt (−) và (2) sẽ lớn hơn GHĐ U khi dùng hai chốt (−) và (1). Hình 13. Vôn kế có 2 thang đo 2.3.6. Kiểm tra tính đúng đắn của kết luận đã rút ra ở vôn kế thực hành và tìm hiểu các thông số của nó - Mở mặt sau của vôn kế thực hành để xác định cách mắc các điện trở phụ với G0, kiểm tra tính đúng đắn của giải pháp đã đề xuất + Trong vôn kế thực hành, các Rp được mắc nối tiếp với G0 theo cách 2 của giải pháp đã nêu. + GV bổ sung thông tin về các giá trị RG0 = 220Ω,Rp1 = 2800Ω,Rp2 = 12000Ω; về cách m
Tài liệu liên quan