Nghiên cứu nâng cao độ chính xác và cải tiến các bài thí nghiệm vật lý dành cho ngành Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu
Khảo sát các hiện tượng và kiểm nghiệm lại các kiến thức lý thuyết đã học, giúp sinh viên có kỹ năng và tác phong cần thiết của người nghiên cứu khoa học thực nghiệm. Tuy nhiên, do thời gian sử dụng quá lâu nên nhiều bài thí nghiệm vật lý đã bị dừng hoạt động hoặc đo không chính xác. Đặc biệt, nhiều linh kiện của các bài thí nghiệm được nhập nguyên bộ từ nước ngoài không thể mua thay thế do không bán lẻ hoặc bán kèm với các thiết bị khác trong bộ thí nghiệm với giá thành khá cao. Vì vậy, sinh viên không được thực hành, thao tác với các bài thí nghiệm đó nữa.
Mặt khác, nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội, cùng chung xu hướng với các trường đại học, khoa Công nghệ thông tin, học viện Nông nghiệp Việt Nam đã mở thêm ngành học mới Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu. Trong khi chưa được đầu tư các thiết bị thực hành mới thì việc sửa chữa, nâng cấp các thí nghiệm cũ là vô cùng cần thiết.
Vì các lí do nêu trên, trong phạm vi nghiên cứu đề tài cấp học viện năm 2023, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác và cải tiến các bài thí nghiệm vật lý dành cho ngành Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu” nhằm sửa chữa, nâng cấp, thay thế linh kiện các bài thí nghiệm cũ đồng thời đưa ra một giải pháp công nghệ phù hợp nhất với ngành học mới.
Hai kết quả chính của nhóm nghiên cứu là: Tạo mới các bài thí nghiệm có kết nối với máy tính bằng cách sử dụng phần mềm xử lý số liệu DataStudio kết hợp với giao diện Science Workshop 750 cùng các cảm biến của PASCO và sửa chữa, nâng cấp các thiết bị, phục hồi các bài thí nghiệm bị hỏng.
Sau khi nâng cấp các thí nghiệm, sinh viên được tiếp cận với các thiết bị công nghệ hiện đại và biết cách dùng phần mềm để xử lý số liệu hiệu quả hơn, từ đó nâng cao độ chính xác của các phép đo trong thí nghiệm.
1. Giới thiệu phần mềm DataStudio
DataStudio là một chương trình thu thập, hiển thị và phân tích dữ liệu được cung cấp bởi PASCO Scientific. Phần mềm này làm tăng tính trực quan, tăng mức độ chính xác, thuận tiện trong việc xử lý số liệu của các thí nghiệm.
- Kết nối thí nghiệm với máy tính
- Cảm biến (Sensor)
Có rất nhiều loại cảm biến được sử dụng trong các bài thí nghiệm vật lý như: Cảm biến chuyển động quay, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến quang, cảm biến điện áp, cảm biến từ trường…Đối với mỗi bài thí nghiệm, khi cần dùng cảm biến loại nào thì kết nối đầu dây cảm biến đó với các kênh tương ứng trên giao diện Science Workshop 750. Thực hiện các thiết lập cần thiết trong phần mềm DataStudio để bắt đầu thu thập dữ liệu vào cảm biến.
- Tìm hiểu phần mềm DataStudio
Cài đặt phần mềm DataStudio có thể cài từ đĩa CD của nhà cung cấp hoặc chạy phiên bản mới nhất từ www.pasco.com/software. Nếu có bản quyền Data Studio, nhập Serial Number và 28 ký tự License Key, sau đó chọn Apply. Nếu không có bản quyền Data Studio, kích vào ‘Enter DataStudio Lite Key’. DataStudio Lite sẽ được cài đặt và kích hoạt trong vòng 90 ngày.
Để phần mềm hoạt động khi tiến hành thí nghiệm, bắt buộc phải có giao diện Science Workshop 750 và các cảm biến đã được ghép nối tương thích.
Khi bắt đầu chạy phần mềm thì màn hình điều hướng xuất hiện với bốn tùy chọn:
Để thực hiện thí nghiệm thì kích chọn mục Create Experiment, giao diện Science Workshop sẽ xuất hiện trên màn hình máy tính. Trên các kênh tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự của hình ảnh giao diện, chọn các cảm biến được tích hợp sẵn trong giao diện bằng cách kích vào các kênh tương ứng đối với từng bài thí nghiệm. Cảm biến sẽ xuất hiện trên màn hình
Sau khi chọn xong các cảm biến, ta chọn ra các cửa sổ hiển thị tương ứng từ mục Displays tùy yêu cầu của bài thí nghiệm hiển thị kết quả dạng số (Digits) hay dạng đồ thị (Graph), dạng biểu đồ (Histogram), dạng bảng (Table), …
Khi tiến hành đo đạc để lấy dữ liệu, cảm biến (đã được kết nối với giao diện Science Workshop 750) sẽ thu nhận tín hiệu từ đối tượng đo và đưa ra các số liệu đo tương ứng trong các cửa sổ hiển thị đã chọn.
Kết quả xử lý số liệu sẽ tùy theo yêu cầu của mỗi bài thí nghiệm, đặc biệt sẽ rất hiệu quả đối với các thí nghiệm sử dụng phầm mềm để ghi lại diễn biến của quá trình đo thông qua đồ thị.
2. Tạo mới một số bài thí nghiệm kết nối với máy tính
2.1. Kết nối thí nghiệm xác định gia tốc trọng trường thông qua đo chu kỳ dao động của con lắc với máy tính.
Kết nối giao diện Science Workshop 750 với máy tính qua cổng USB; kết nối nối bộ cảm biến quang PASCO (cổng quang) với kênh 1 của giao diện. Đặt cảm biến quang (Photogate) ngang tầm với cái kim phía dưới của con lắc, điều chỉnh độ cao và vị trí của cổng quang để mũi kim không chạm vào thành và đáy chữ U của cổng quang.
Chạy phần mềm Datastudio để xuất hiện màn hình điều hướng, sau đó chọn mục Create Experiment. Sau khi xuất hiện hình ảnh giao diện Science Workshop 750 trên màn hình ta kích chuột vào kênh 1 trên giao diện đó để chọn cảm biến Photogate and Pendulum. Cảm biến sẽ đo chu kỳ dao động của con lắc. Trong cửa sổ Data Studio, tìm mục Displays kích vào Digits, chọn Period, Ch1(s) để hiện ra cửa sổ hiển thị chu kỳ dao động của con lắc.
Để đo chu kỳ dao động ta kéo con lắc lệch khỏi phương thẳng đứng góc nhỏ khoảng 50 và thả tự do để con lắc dao động, đợi cho con lắc dao động ổn định (khoảng 10 chu kì) thì kích chuột vào nút Start trên cửa sổ DataStudio. Sau khi giá trị chu kì của con lắc được hiển thị trong cửa sổ Digits 1 ta kích chuột vào Stop.
Đối với cả 2 chiều thuận và nghịch, lần lượt thay đổi vị trí của trọng vật BB’ để khoảng cách từ điểm treo đến BB’ là 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 và 90 cm (Trọng tâm con lắc thay đổi thì chu kỳ thay đổi). Đo các giá trị chu kỳ dao động tương ứng với các vị trí đó. Ghi lại kết quả đo vào 2 bảng Table được lấy ra từ mục Displays. Cũng lấy từ mục Displays chọn Graph để vẽ đồ thị sự phụ thuộc của chu kỳ dao động phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm treo tới trọng vật BB’. Để tìm tọa độ điểm giao nhau, chỉ cần kích vào biểu tượng trên cửa sổ đồ thị (Graph) rồi kéo đến vị trí cần tìm, tọa độ đó sẽ hiển thị luôn trên đồ thị. Vào mục Settings để đặt lại tên 2 bảng số liệu (chu kỳ thuận và chu kỳ nghịch) và tên đồ thị. Dùng tính năng Fit để làm trơn đường đồ thị.
Kết quả thu được:
Từ đồ thị sự phụ thuộc chu kỳ dao động vào vị trí trọng vật BB’ theo cả 2 chiều thuận và nghịch, tìm điểm giao nhau của 2 đường đồ thị để tìm T0 (T1=T2=T0), thay vào công thức để tìm gia tốc trọng trường.
Từ tọa độ của 2 giao điểm lấy trên đường đồ thị (Hình 13) ta có:
Điểm giao thứ nhất có T1=T2= 2,0083s nên g1= 9,788193815 (m/s2)
Điểm giao thứ hai có T1=T2= 2,0086s nên g2= 9,785270148 (m/s2)
Giá trị trung bình của gia tốc trọng trường là: gtb = 9,783604149 (m/s2)
Làm tròn sai số tuyệt đối của phép đo và giá trị trung bình và biểu diễn kết quả:
Gia tốc trọng trường là: g = 9,784 ± 0,005 (m/s2) (1)
Có thể thấy kết quả đo có sai số tương đối e = 0,005/9,784 của phép đo rất nhỏ chỉ xấp xỉ 0,05%
+ Để so sánh kết quả đo, nhóm nghiên cứu tiếp tục thiết lập đo chu kỳ dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào chiều dài của con lắc để tính gia tốc trọng trường. Khi đo chu kỳ dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào chiều dài con lắc với các giá trị lần lượt là 110cm, 120cm, 130cm, 140cm, 150cm kết quả nhận được các chu kỳ tương ứng: 2.2258s; 2.3255s; 2.4209s; 2.5119s; 2.5986s.
Thay vào công thức thu được giá trị gia tốc trọng trường là:
g = 9,769 ± 0,012 (m/s2) (2)
So sánh 2 giá trị gia tốc trọng trường ở công thức (1) và (2) ta thấy khá tương đồng và phù hợp với giá trị gia tốc trọng trường trong thực tế.
2.2. Tạo mới bài thí nghiệm truyền dẫn ánh sáng qua sợi quang
Ánh sáng truyền trong sợi quang theo nguyên lý phản xạ toàn phần. Khi ánh sáng truyền từ môi trường trong suốt 1 sang môi trường trong suốt 2, nếu chiết suất của môi trường trong suốt 1 lớn hơn chiết suất của môi trường trong suốt 2 thì ánh sáng khi truyền tới mặt phân cách giữa 2 môi trường ở một góc đủ hẹp, nó sẽ bị phản xạ lại toàn phần.
Cáp quang gồm nhiều sợi quang được sắp xếp thành bó. Trong đó, sợi quang là một loại sợi trong suốt được làm từ thủy tinh nguyên chất hoặc nhựa trong suốt có độ tinh khiết cao để đảm bảo tín hiệu truyền trong sợi cáp quang ít bị suy hao nhất. Ngoài các thành phần vỏ chịu lực và tránh các tác động vật lý bên ngoài, sợi cáp quang gồm 3 thành phần chính: Core (lõi): trung tâm phản chiếu ánh sáng của sợi quang; Cladding (lớp bọc): là lớp thứ hai bao quanh lõi có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của lõi. Ánh sáng truyền đi từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi và lớp bọc. Coating (lớp phủ): Lớp phủ có chức năng loại bỏ những tia khúc xạ ra ngoài lớp bọc, chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước, giảm sự gập gãy uốn cong của sợi cáp quang. Lớp phủ này được nhuộm các màu khác nhau theo chuẩn màu được quy định trong ngành viễn thông để phân biệt với nhau. Vật liệu dùng làm lớp phủ có thể là Epoxy Acrylate, polyurethanes, Ethylene Vinyl Acetate…
- Bố trí thí nghiệm
Thiết bị bao gồm: Máy tính, giao diện Science Worshop, thanh ray, Diode Laser, các bó sợi quang, cảm biến ánh sáng. Kết nối sensor ánh sáng với kênh A của giao diện. Chùm sợi quang vào Diode Laser. Diode laser và cảm biến ánh sáng ghép trên thanh ray. Bố trí ánh sáng từ diode laser truyền qua một đầu của bó sợi quang, đầu còn lại cho đi qua cảm biến ánh sáng.
Kích chuột vào cổng A của giao diện máy tính chọn Light Sensor. Trong cửa sổ Displays, kích đúp vào Digits rồi chọn Light Intensity ChA (%max). Bật nguồn Diode laser để ánh sáng chiếu qua bó sợi quang, cảm biến ánh sáng sẽ thu ánh sáng sau khi truyền qua sợi quang. Hiển thị kết quả trên màn hình.
Có thể thay đổi các loại sợi quang và thay đổi các góc đưa ánh sáng vào sợi quang để xem kết quả ánh sáng thu được.
Kết quả cho thấy: Trong phạm vi hẹp của thí nghiệm chỉ khảo sát sự truyền dẫn ánh sáng qua sợi quang, phần trăm ánh sáng truyền qua sợi cáp quang là khá lớn (Có thể tới 97,1%). Nếu thay đổi các loại bó sợi quang khác nhau thu được kết quả tương đồng về hiệu quả rất cao của ánh sáng truyền qua. Ở các góc chiếu ánh sáng vào sợi quang khác nhau (bằng cách xoay khe truyền qua được gắn sẵn trên nguồn phát ánh sáng diode laser) cho thấy có nhiều góc chiếu tia sáng cho phần trăm ánh sáng truyền qua rất nhỏ (nguyên nhân do góc chiếu tia sáng vào sợi quang không thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần) Suy hao ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó có nguyên nhân do hấp thụ, tán xạ, do các góc chiếu ánh sáng khác nhau và do chất lượng sợi quang…
- Kết luận.
Nhóm nghiên cứu đã cải tiến thành công và hiện đại hóa một số bài thí nghiệm kết nối với máy tính thông qua phần mềm DataStudio. Các bài thí nghiệm kết nối với máy tính đã xử lý số liệu nhanh, độ chính xác cao, mô tả đúng các hiện tượng vật lý và các kiến thức lý thuyết. Đặc biệt, sinh viên không còn gặp khó khăn khi vẽ đồ thị và dễ dàng nội suy các điểm bất kỳ từ đồ thị.
Sau khi nâng cấp, sửa chữa các bài thí nghiệm hoạt động ổn định, sử dụng rất hiệu quả cho sinh viên thực hành tại các phòng thí nghiệm thuộc bộ môn Vật lý đồng thời cho kết quả thu được có độ chính xác cao. Những thí nghiệm này kích thích sự tìm tòi sáng tạo của các giảng viên khi tham gia hướng dẫn thực hành cho sinh viên, đồng thời tạo nhiều cảm hứng cho sinh viên khi tiếp cận các bài thí nghiệm hiện đại, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo.
ThS. Nguyễn Thị Phương – Khoa Công nghệ thông tin
