Thực hành đo tần số sóng âm bằng dao động kí

Vật lí 11 · Chương 2: Sóng · Chủ đề 9

Hướng dẫn đo tần số sóng âm bằng dao động kí: đọc Time/div, tính chu kì, lập bảng số liệu và xử lí sai số. Có ví dụ rõ từng bước.

Mục tiêu và kiến thức nền

Hai âm có thể nghe gần giống nhau, nhưng màn hình dao động kí cho biết chúng lặp nhanh đến mức nào. Bài thực hành biến âm thành tín hiệu điện để đo chu kì rồi suy ra tần số. Cần biết f = ${\displaystyle \frac{1}{T}}$, đổi ms sang s và tính giá trị trung bình.

Hiểu khái niệm và bố trí dụng cụ

Chuỗi đo là nguồn âm → micro → bộ khuếch đại phù hợp nếu cần → dao động kí. Micro biến dao động âm thành tín hiệu điện cùng tần số cơ bản. Máy phát tín hiệu dùng để cấp tín hiệu cho loa khi lấy loa làm nguồn; nó không mặc nhiên thay bộ khuếch đại micro.

Dụng cụ gồm âm thoa và búa cao su hoặc loa với máy phát tín hiệu; micro; dây nối; dao động kí. Tín hiệu âm thoa gần hình sin; âm phức có nhiều thành phần nên không phải âm nào cũng cho đường sin hoàn hảo. Làm theo hướng dẫn của thiết bị đang dùng, giữ âm lượng vừa phải và tránh nguồn nhiễu.

Công thức và điều kiện áp dụng

Trục ngang dao động kí là thời gian. Nếu một chu kì chiếm n ô và thang ngang là sₜ giây/ô thì T = nsₜ, f = ${\displaystyle \frac{1}{n{s}_t}}$. Nếu đo m chu kì trên N ô: T = ${\displaystyle \frac{N{s}_t}{m}}$, f = ${\displaystyle \frac{m}{N{s}_t}}$. Nên đo nhiều chu kì để giảm ảnh hưởng sai số đọc.

Chọn hai đỉnh dương liên tiếp, hai đáy liên tiếp hoặc hai lần qua vị trí cân bằng cùng chiều. Hai lần qua vị trí cân bằng liên tiếp thường cách ${\displaystyle \frac{T}{2}}$. Thang dọc V/div điều chỉnh kích thước tín hiệu trên màn hình, không quyết định chu kì của nguồn.

Tiến hành thực hành

1. Kiểm tra dây nối, micro và kênh đo. Bật máy theo hướng dẫn, đặt tín hiệu vào vùng giữa màn hình.
2. Gõ nhẹ âm thoa rồi đặt gần micro; tránh chạm âm thoa vào micro. Nếu dùng loa, đặt tần số và âm lượng ổn định.
3. Điều chỉnh V/div để thấy rõ biên độ; điều chỉnh Time/div để nhìn được vài chu kì; chỉnh trigger để hình đứng ổn định.
4. Chọn hai mốc cùng pha, đếm ô, ghi cả số chu kì và thang thời gian. Không ghi mỗi con số mà thiếu đơn vị.
5. Đo ít nhất ba lần, kiểm tra kết quả có hợp lí và gần tần số danh định hay không.

Ví dụ có lời giải

1. Đọc một chu kì

Hai đỉnh liên tiếp cách 5 ô, Time/div = 0,20 ms/ô. T = 5 × 0,20 = 1,00 ms = 0,00100 s; f = 1000 Hz = 1,00 kHz. Đọc 0,20 ms như 0,20 s sẽ sai 1000 lần.

2. Đo nhiều chu kì

Bốn chu kì chiếm 10 ô, mỗi ô 0,50 ms. Tổng thời gian Δt = 5,00 ms; T = ${\displaystyle \frac{\mathrm{5,00}}{4}}$ = 1,25 ms; f = ${\displaystyle \frac{4}{\mathrm{0,00500}}}$ = 800 Hz. Đếm số khoảng lặp chứ không đếm số đỉnh.

Xử lí kết quả và sai số

Tính từng fᵢ = ${\displaystyle \frac{1}{T_i}}$, sau đó f̄ = ${\displaystyle \frac{f_1+\text{…}+f_n}{n}}$. Sai số tuyệt đối trung bình: Δf̄ = ${\displaystyle \frac{|f_1-f\text{̄}|+\text{…}+|f_n-f\text{̄}|}{n}}$. Nếu dụng cụ có sai số Δf_dc theo hướng dẫn, có thể dùng quy tắc cộng giới hạn: Δf = Δf̄ + Δf_dc. Ghi f = (f̄ ± Δf) Hz, làm tròn sai số trước rồi làm tròn giá trị đến cùng hàng.

Ví dụ ba lần đo được 498, 500, 502 Hz, sai số dụng cụ 1 Hz: f̄ = 500 Hz; Δf̄ = ${\displaystyle \frac{4}{3}}$ Hz; Δf ≈ 2,33 Hz. Có thể báo cáo (500,0 ± 2,3) Hz theo quy ước giữ hai chữ số có nghĩa ở sai số. Nếu suy sai số qua T, với sai số nhỏ: ${\displaystyle \frac{\Delta f}{f}}$ ≈ ${\displaystyle \frac{\Delta T}{T}}$; không cộng cả hai cách hai lần.

Mẫu bảng báo cáo

Nêu nguồn âm, điều kiện bố trí, thang đo, giá trị trung bình, sai số và nguyên nhân chênh lệch. Tránh kết luận chính xác tuyệt đối từ màn hình.

Lỗi thường gặp

• Nhầm V/div với Time/div.
• Đếm hai lần qua cân bằng trái chiều là một chu kì.
• Đổi ms sang s thiếu hệ số 10⁻³.
• Hình bị trôi, bị cắt đỉnh hoặc có nhiều nguồn âm nhưng vẫn đọc vội.

Tự kiểm tra