ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG CƠ VÀ NHIỆT (Phòng thí nghiệm B) Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : Lớp sinh hoạt : Nhóm học phần : Nhóm thí nghiệm : LƯU HÀNH NỘI BỘ Đà Nẵng, 2017-2018 NỘI QUY Trước khi vào phòng thí nghiệm , sinh viên phải tuân thủ những quy định sau đây: 1) Phải chuẩn bị bài đầy đủ (đọc kỹ các bài phải làm, hiểu rõ nội dung, chú ý các bước tiến hành thí nghiệm). Sinh viên sẽ không được làm thí nghiệm nếu không chuẩn bị bài. 2) Trong khi làm thí nghiệm phải nghiêm túc, không hút thuốc, không nói chuyện hoặc đi lại lộn xộn làm ảnh hưởng đến những người xung quanh. 3) Không được tự ý thay đổi các dụng cụ đo, sửa đổi mạch điện….
nếu không được phép của giáo viên hướng dẫn. Sau khi làm xong thí nghiệm phải bàn giao đầy đủ các dụng cụ đã mượn và phải chịu trách nhiệm bồi thường các dụng cụ bị hư hỏng vì lý do chủ quan. 4) Đi làm thí nghiệm đúng giờ, những sinh viên vắng không có lý do chính đáng sẽ không được làm thí nghiệm bù cũng như những sinh viên đã làm thí nghiệm đầy đủ nhưng không nộp báo cáo thì sẽ không được dự thi kết thúc học phần thí nghiệm. 5) Nộp báo cáo thí nghiệm đúng hạn.
Mỗi sinh viên phải tự làm báo cáo của mình, báo cáo phải được viết bằng tay trên giấy A4 rồi đóng thành tập và nộp cho giáo viên hướng dẫn. Báo cáo thí nghiệm của mỗi bài gồm có 2 phần: - Phần 1: Tóm tắt nội dung bài thí nghiệm và phương pháp đo. - Phần 2: Điền số liệu đã đo được vào bảng số liệu và dựa vào phần hướng dẫn ở giáo trình để tính ra đến kết quả cuối cùng. Các đồ thị (nếu có) phải được vẽ chính xác, tuyệt đối không cẩu thả.
Chú ý khi viết kết quả của các đại lượng đo được (trực tiếp hoặc gián tiếp) đều phải có đơn vị kèm theo (dùng hệ đơn vị SI). Điểm thi kết thúc học phần thí nghiệm sẽ dựa trên đánh giá tổng hợp của các phần: chuẩn bị bài, thái độ học tập, bài báo cáo thí nghiệm và bài kiểm tra. PHÒNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ LÝ THUYẾT SAI SỐ I. VAI TRÒ CỦA THÍ NGHIỆM VẬT LÝ Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm, việc đo lường các đại lượng Vật lý cho phép: - Thiết lập mối quan hệ giữa chúng để xây dựng các định luật Vật lý.
- Kiểm tra lại sự đúng đắn của các định luật Vật lý. NGUYÊN NHÂN SAI SỐ KHI ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ - Dụng cụ đo chỉ có một độ chính xác nhất định - Khả năng quan sát của người đo là có giới hạn và phụ thuộc vào từng người. PHÂN LOẠI SAI SỐ 1. Phân loại theo nguyên nhân sai số a.
Sai số có hệ thống - Sai số có hệ thống là sai số làm cho kết quả đo luôn thay đổi theo một chiều (hoặc tăng, hoặc giảm) so với giá trị thực của nó. - Nguyên nhân: Dụng cụ đo làm sai so với dụng cụ mẫu mà người đo không hiệu chỉnh lại dụng cụ; phương pháp đo tiến hành sai. - Cách khử: Dựa vào số đo được để hiệu chỉnh thích hợp, hiệu chỉnh dụng cụ đo, cẩn thận khi làm thí nghiệm. Sai số do nhầm lẫn - Sai số do nhầm lẫn là sai số làm cho kết quả đo lệch hẳn so với giá trị thực của đại lượng cần đo.
- Nguyên nhân: Đọc nhầm, ghi sai, tính sai. - Cách khử: Tiến hành đo nhiều lần. Sai số ngẫu nhiên - Sai số ngẫu nhiên là sai số làm cho kết quả đo thay đổi hỗn loạn so với giá trị thực. - Nguyên nhân: Dụng cụ có độ chính xác nhất định, giác quan không hoàn chỉnh, nguồn nuôi thay đổi.
- Không khử được sai số này, chỉ có thể xác định giới hạn trên của nó. Phân loại theo ý nghĩa sai số a. Sai số tuyệt đối ∆X Sai số tuyệt đối là trị tuyệt đối của hiệu giá trị thực x và giá trị đo được X của nó: ∆X = x − X (1) Nó cho biết giới hạn của đại lượng phải đo (bao hàm giá trị thực của nó): X − ∆X ≤ x ≤ X + ∆X (2) Viết gọn là: x = X ± ∆X (3) Ví dụ 1: Khi đo đường kính của dây đồng ta được kết quả là: d = (0,50 ± 0,01) mm, tức 0,49 mm ≤ d ≤ 0,51 mm, với sai số tuyệt đối là ∆ d = 0,01 mm. Sai số tuyệt đối chưa nói lên được mức độ chính xác của kết quả đo.
Ví dụ nếu ta so sánh kết quả đo đường kính dây đồng là d = (0,50 ± 0,01) mm với kết quả đo chiều dài của nó là l = (500 ± 1) mm, ∆l 1 ∆ d 0,01 ta thấy ∆ l = 100 ∆d , nhưng = = 0,2% , còn = = 2% tức là độ dài được đo chính l 500 d 0,5 xác gấp 10 lần so với đường kính. Do đó cần phải đưa ra một loại sai số nữa để đánh giá độ chính xác của kết quả đo: sai số tương đối. Sai số tương đối ε - Sai số tương đối là tỉ số phần trăm của sai số tuyệt đối ∆X và giá trị đo được X của đại lượng phải đo: ∆X ε= × 100% (4) X - Sai số tương đối cho biết độ chính xác của kết quả đo. CÁCH TÍNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO TRỰC TIẾP Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả đo được đọc trực tiếp trên dụng cụ đo.
Giả sử kết quả n lần đo đại lượng Vật lý có giá trị thực x là X1, X2,., Xn thì sai số thực của mỗi lần đo là: δx1 = x − X 1 ; δx2 = x − X 2 ; …. ; δxn = x − X n (5) Từ đó ta có: δx1 + δx 2 +. + X n 1 n Hay: x = + ∑ δx i (7) n n i =1 Vì chưa biết được x nên ta chưa biết được δxi , cần tìm một giá trị gần giá trị thực x nhất để thay nó tính kết quả sai số. Để làm điều này cần các giả thiết của lý thuyết xác suất: 1.
Các sai số ngẫu nhiên có cùng trị số và trái dấu thì có cùng khả năng xuất hiện (cùng xác suất). Sai số ngẫu nhiên có giá trị càng lớn thì có xác suất xuất hiện càng nhỏ. Do đó nếu có số lần đo n khá lớn thì ∑ δxi = 0 (8) X 1 + X 2 +. + X n x≈ =X (9) n Vậy trị trung bình X của n lần đo cùng một đại lượng là trị gần đúng nhất so với giá trị thực của đại lượng đó.
Khi đó từ (1) ta có: ∆X = x − X (10) - Vì chưa biết x nên ta chưa biết được ∆X , nhưng ta có thể tính được giới hạn trên của ∆X. Độ lệch giữa trị trung bình X và giá trị của mỗi lần đo là: ∆X 1 = X − X 1 ; ∆X 2 = X − X 2 ; … ; ∆X n = X − X n (11) - Giá trị trung bình của độ lệch này là: ∆X 1 + ∆X 2 +. + ∆X n 1 ∆X = = ∑ ∆X i (12) n n Vì X là giá trị gần trị thực x nhất, nên: ∆X = x − X ≤ ∆X (13) Như vậy ∆X chính là giới hạn trên của ∆X , ta chọn ∆X làm sai số tuyệt đối của kết quả đo trực tiếp và ∆X được gọi là sai số tuyệt đối trung bình. Kết quả đo trực tiếp là: x = X ± ∆X (14) ∆X 3.
Sai số tương đối trung bình là: ε= × 100% (15) X Ví dụ 2: Dùng thước kẹp có độ chính xác 0,1 mm đo đường kính, chiều cao của một ống trụ kim loại ta được kết quả của 5 lần đo là: 1. Độ chính xác của dụng cụ đo bằng một nửa độ chia nhỏ nhất trên thang đo của dụng cụ và sai số tuyệt đối giới hạn bằng độ chính xác của dụng cụ. Nhưng với những dụng cụ có độ chia quá nhỏ (như nhiệt kế chia đến 0,01 0C thì sai số tuyệt đối giới hạn được lấy bằng một độ chia nhỏ nhất). Với dụng cụ đo điện như Ampe kế, Vôn kế thì sai số tuyệt đối giới hạn là: ∆X gh = K.
X m (16) trong đó K là cấp chính xác của dụng cụ (tức là những con số 0,2 ; 0,6 ; 1,5 ghi trên mặt dụng cụ đo); còn Xm là giá trị cực đại cho phép trên mỗi thang đo của dụng cụ. Ví dụ 3: Với Vôn kế có K = 1,5% (ghi trên dụng cụ là 1,5), nếu sử dụng thang đo là Xm=100mV thì 1,5 ∆X gh =. Cần tiến hành phép đo trực tiếp nhiều lần sao cho sai số tuyệt đối của phép đo giảm nhỏ tới bằng hoặc gần bằng độ chính xác của dụng cụ. Đối với những phép đo một lần (ví dụ đo cho những vật chế tạo chính xác cao) ta sẽ gặp phải sai số tuyệt đối bằng không và nhỏ hơn độ chính xác của dụng cụ và đối với phép đo điện bằng các đồng hồ điện ta sử dụng sai số tuyệt đối giới hạn làm sai số của kết quả đo, tức là: x = X ± ∆X gh (17) Dễ dàng thấy rằng với mỗi dụng cụ đo điện đã cho thì sai số tương đối càng lớn nếu bản thân đại lượng phải đo càng nhỏ so với giá trị cực đại Xm cho phép trên thang đo.
Vì thế cần chọn thang đo sao cho đại lượng cần đo bằng khoảng 70 – 80% của Xm. CÁCH TÍNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP - Đo gián tiếp là phép đo mà kết quả được tính qua các công thức Vật lý liên hệ các đại lượng đo trực tiếp. - Giả sử ta đo đại lượng F liên hệ với các đại lượng x, y, z được đo trực tiếp bởi các hàm số: F = f(x,y,z) (18) Trong đó các đại lượng x, y, z được đo trực tiếp và có kết quả đo là: x = X ± ∆X ; y = Y ± ∆Y ; z = Z ± ∆Z (19) ∆F Làm thế nào để tính sai số tuyệt đối trung bình ∆F và sai số tương đối trung bình ? F Do ∆X << X ; ∆Y << Y ; ∆Z << Z cho nên ta có thể xem các sai số này như những vi phân dx, dy, dz của các đại lượng x, y, z.