LƯU BÍCH LINH<br />
<br />
Bài giảng<br />
<br />
TÀI LIỆU THỰC HÀNH<br />
MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG<br />
<br />
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015<br />
<br />
1<br />
<br />
LỜI NÓI ĐẦU<br />
Vật lý học là một môn khoa học thực nghiệm. Vì vậy, các thí nghiệm thực<br />
hành có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc học tập môn Vật lý. Thí nghiệm vật<br />
lý một mặt giúp sinh viên nghiệm lại những định luật đã được trình bày trong<br />
các bài giảng lý thuyết, mặt khác giúp rèn luyện những kỹ năng thực nghiệm và<br />
tính toán để phục vụ cho những môn học tiếp sau. Mục đích thực hành vật lý là<br />
dạy cho sinh viên tiếp cận một cách sáng tạo đối với công việc nghiên cứu thực<br />
nghiệm, cách lựa chọn phương pháp thực nghiệm phù hợp và những dụng cụ đo<br />
thích hợp để đạt được mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm của mình.<br />
Do điều kiện cơ sở vật chất phòng thí nghiệm khó khăn, hiện nay ở hầu<br />
hết các trường trung học phổ thông, học sinh không có nhiều điều kiện thực<br />
hành khi học vật lý. Đối với phần lớn sinh viên, đây là lần đầu được tiếp xúc với<br />
phòng thí nghiệm và lần đầu được tự tay mình tiến hành một thực nghiệm vật lý.<br />
Vì vậy, cả trong quá trình chuẩn bị thí nghiệm, trong thời gian tiến hành thí<br />
nghiệm và xử lý kết quả sau thí nghiệm đều gặp nhiều lúng túng.<br />
Để nâng cao năng lực thực hành của sinh viên, trong những năm qua, Bộ<br />
môn Vật lý, Trường Đại học Lâm nghiệp đã liên tục nâng cấp, cải tiến và trang<br />
bị mới các bài thí nghiệm phục vụ cho công tác đào tạo theo học chế tín chỉ.<br />
Chính vì vậy, việc biên soạn cuốn bài giảng thực hành phục vụ môn học Vật lý<br />
đại cương là rất cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu hướng dẫn thực hành<br />
của sinh viên. Cuốn bài giảng này vừa cung cấp cho sinh viên cơ sở lý thuyết<br />
liên quan đến nội dung bài thí nghiệm, kỹ năng thực hành thí nghiệm và kiến<br />
thức để có thể xử lý và trình bày được kết quả sau thí nghiệm. Cuối bài giảng<br />
còn có phần phụ lục để sinh viên tiện tham khảo, tra cứu. Bài giảng được biên<br />
soạn phù hợp với chương trình môn học Vật lý đại cương mới nhất đã được<br />
Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt năm 2014. Bài giảng gồm 12 bài thí<br />
nghiệm thuộc các lĩnh vực cơ, nhiệt, điện từ và quang.<br />
Trong quá trình biên soạn tác giả đã nhận được sự góp ý của các đồng<br />
nghiệp trong Bộ môn Vật lý. Tác giả xin chân thành cảm ơn những góp ý quý<br />
báu của các thầy cô để giúp hoàn thiện cuốn bài giảng này.<br />
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn và chỉnh sửa nội dung,<br />
song đây là lần biên soạn đầu tiên nên chắc chắn không thể tránh được sai sót,<br />
rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các sinh viên để hoàn<br />
thiện bài giảng trong những lần tái bản sau. Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ môn<br />
Vật lý, Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp.<br />
Tác giả<br />
2<br />
<br />
Chương 1<br />
LÝ THUYẾT SAI SỐ<br />
1.1. Vai trò mục đích và yêu cầu của thí nghiệm vật lý<br />
1.1.1. Vai trò của thí nghiệm vật lý<br />
Một trong những phương pháp nghiên cứu cơ bản để thiết lập các định<br />
luật vật lý là tổng kết các quan sát thực tế. Kết quả của các quan sát đó có được<br />
bằng cách lặp lại nhiều lần diễn biến của hiện tượng trên những thiết bị do con<br />
người điều khiển, nghĩa là bằng các thí nghiệm vật lý. Mặt khác, một định luật<br />
vật lý đúng và có giá trị chỉ khi những kết quả đo của đại lượng mà định luật diễn<br />
tả trùng với kết quả đo của cùng đại lượng đó thu được bằng thực tế thí nghiệm.<br />
Thí nghiệm vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các quy<br />
luật của tự nhiên, trong việc vận dụng các quy luật vật lý vào kỹ thuật và các<br />
ngành khoa học khác.<br />
Thí nghiệm vật lý là cơ sở chân lý để xác định sự đúng đắn của các quy<br />
luật vật lý.<br />
Thí nghiệm vật lý là cơ sở để xây dựng các hằng số vật lý.<br />
Thí nghiệm vật lý còn dùng để xác định các yêu cầu kỹ thuật, ảnh hưởng<br />
của môi trường đến việc áp dụng quy luật vật lý vào thực tiễn.<br />
1.1.2. Mục đích của thí nghiệm vật lý<br />
Rèn luyện cho sinh viên những kỹ năng cơ bản về thí nghiệm vật lý.<br />
Rèn luyện cho sinh viên các đức tính: kiên trì, chính xác, trung thực,<br />
khách quan, là những phẩm chất rất cần thiết cho người làm công tác khoa học<br />
kỹ thuật.<br />
Giúp cho sinh viên quan sát một số hiện tượng, nghiệm lại một số định<br />
luật vật lý, bổ sung và minh họa thêm phần bài giảng lý thuyết, xây dựng<br />
phương pháp suy luận, nghiên cứu khoa học.<br />
1.1.3. Yêu cầu của thí nghiệm vật lý<br />
Nắm được những phép đo vật lý cơ bản, sử dụng một số máy móc, dụng<br />
cụ trong vật lý.<br />
Biết cách tính toán, biểu diễn kết quả và đánh giá được độ chính xác của<br />
số liệu thu được.<br />
3<br />
<br />
Việc làm một bài thí nghiệm vật lý là một sự tập dượt tiến hành một công<br />
trình nghiên cứu thực nghiệm, nên yêu cầu sinh viên phải biết trình bày kết quả<br />
thí nghiệm thông qua một bản báo cáo như một công trình thực nghiệm.<br />
1.2. Lý thuyết sai số<br />
1.2.1. Giá trị trung bình của các đại lượng đo<br />
Chúng ta biết, khi đo các đại lượng vật lý, nếu chỉ đo một lần thì giá trị đo<br />
không đáng tin cậy vì có thể mắc phải các sai sót, do đó ta cần thực hiện đo<br />
nhiều lần rồi lấy giá trị trung bình của các lần đo. Các đại lượng vật lý cần xác<br />
định được chia làm hai loại là đại lượng đo trực tiếp và đại lượng đo gián tiếp.<br />
1.2.1.1. Giá trị trung bình của các đại lượng đo trực tiếp<br />
Định nghĩa: Các đại lượng đo trực tiếp là các đại lượng được đo thông qua các<br />
dụng cụ đo.<br />
Thí dụ: Đo thời gian bằng đồng hồ, đo chiều dài bằng thước, đo cường độ dòng<br />
điện bằng ampe kế…<br />
Cách tính giá trị trung bình: Khi tiến hành đo đại lượng a một cách trực tiếp,<br />
chúng ta phải tiến hành đo đại lượng a nhiều lần và mỗi lần đo có một giá trị là<br />
ai (i = 1,2,…,n). Giá trị trung bình của đại lượng a sẽ là:<br />
a<br />
<br />
a1 a2 a3 ... an 1 n<br />
ai<br />
n<br />
n i 1<br />
<br />
(1.1)<br />
<br />
Chú ý: Số lần đo càng nhiều (n lớn) thì giá trị trung bình càng đáng tin cậy.<br />
1.2.1.2. Giá trị trung bình của các đại lượng đo gián tiếp<br />
Định nghĩa: Các đại lượng đo gián tiếp là các đại lượng không thể đo được<br />
thông qua các dụng cụ đo mà phải biểu diễn dưới dạng hàm của các đại lượng<br />
đo trực tiếp.<br />
Thí dụ: Thể tích của khối trụ, thể tích của khối cầu, suất điện động của nguồn<br />
điện…<br />
Cách tính giá trị trung bình: Xét đại lượng đo gián tiếp A = f(x, y, z…), trong<br />
đó x, y, z…là các đại lượng đo trực tiếp. Để xác định được giá trị trung bình của<br />
A, chúng ta tiến hành xác định giá trị x , z , y... rồi tính giá trị trung bình của A<br />
( A ) theo công thức:<br />
A f ( x , y , z ...)<br />
<br />
(1.2)<br />
4<br />
<br />
Thí dụ: Thể tích của khối trụ đặc được tính bằng công thức: V <br />
<br />
d 2<br />
4<br />
<br />
h , trong đó<br />
<br />
d là đường kính hình trụ, h là chiều cao của hình trụ. Để xác định được thể tích<br />
của khối trụ trên, ta cần đo trực tiếp d và h nhiều lần rồi tính các giá trị trung<br />
bình d và h . Giá trị trung bình của thể tích là: V <br />
<br />
d 2<br />
4<br />
<br />
h<br />
<br />
1.2.2. Sai số trong các phép đo<br />
Phép đo một đại lượng vật lý là phép so sánh nó với một đại lượng cùng<br />
loại được qui ước chọn làm đơn vị đo. Kết quả của phép đo một đại lượng vật lý<br />
được biểu diễn bởi một giá trị bằng số, kèm theo đơn vị đo tương ứng.<br />
Thí dụ: Đường kính của viên bi hình cầu là d = 3,89 mm; khối lượng của một<br />
vật m = 150,5 kg.<br />
Muốn thực hiện các phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết của các<br />
phương pháp đo và sử dụng các dụng cụ đo (thước milimét, cân, đồng hồ bấm<br />
giây, ampe kế, vôn kế...).<br />
Hiện nay chúng ta dùng các đơn vị đo được quy định trong bảng đơn vị<br />
đo lường hợp pháp của nước Việt Nam dựa trên cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI (xem<br />
thêm phụ lục 3) bao gồm:<br />
- Các đơn vị cơ bản: độ dài: mét (m); khối lượng: kilôgam (kg); thời gian:<br />
giây (s); nhiệt độ: Kenvin (K); cường độ dòng điện: ampe (A); cường độ ánh<br />
sáng: candela (Cd); lượng chất: mol (mol)<br />
- Các đơn vị dẫn xuất: đơn vị vận tốc: mét trên giây (m/s); đơn vị lực:<br />
Niutơn (N = kg.m.s-2)...<br />
Do các nguyên nhân như độ nhạy và độ chính xác của các dụng cụ đo bị<br />
giới hạn, khả năng có hạn của giác quan người đo, điều kiện các lần đo không<br />
thật ổn định, lý thuyết của phương pháp đo chỉ gần đúng... nên ta không thể đo<br />
chính xác tuyệt đối giá trị thực của các đại lượng vật lý cần đo, tức là trong kết<br />
quả của phép đo bao giờ cũng có sai số. Như vậy khi đo một đại lượng vật lý<br />
ngoài việc phải xác định giá trị của đại lượng cần đo, còn phải xác định sai số<br />
của phép đo.<br />
1.2.2.1. Định nghĩa sai số của phép đo các đại lượng vật lý<br />
5<br />
<br />