bài giảng tài liệu thực hành môn vật lý đại cương: phần 1

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 />