1
LƯU BÍCH LINH
Bài giảng
TÀI LIỆU THỰC HÀNH
MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015
2
LỜI NÓI ĐẦU
Vật lý học là một môn khoa học thực nghiệm. Vì vậy, các thí nghiệm thực
hành có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc học tập môn Vật lý. Thí nghiệm vật
lý một mặt giúp sinh viên nghiệm lại những định luật đã được trình bày trong
các bài giảng lý thuyết, mặt khác giúp rèn luyện những kỹ năng thực nghiệm và
tính toán để phục vụ cho những môn học tiếp sau. Mục đích thực hành vật lý là
dạy cho sinh viên tiếp cận một cách sáng tạo đối với công việc nghiên cứu thực
nghiệm, cách lựa chọn phương pháp thực nghiệm phù hợp và những dụng cụ đo
thích hợp để đạt được mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm của mình.
Do điều kiện cơ sở vật chất phòng thí nghiệm khó khăn, hiện nay ở hầu
hết các trường trung học phổ thông, học sinh không có nhiều điều kiện thực
hành khi học vật lý. Đối với phần lớn sinh viên, đây là lần đầu được tiếp xúc với
phòng thí nghiệm và lần đầu được tự tay mình tiến hành một thực nghiệm vật lý.
Vì vậy, cả trong quá trình chuẩn bị thí nghiệm, trong thời gian tiến hành thí
nghiệm và xử lý kết quả sau thí nghiệm đều gặp nhiều lúng túng.
Để nâng cao năng lực thực hành của sinh viên, trong những năm qua, Bộ
môn Vật lý, Trường Đại học Lâm nghiệp đã liên tục nâng cấp, cải tiến và trang
bị mới các bài thí nghiệm phục vụ cho công tác đào tạo theo học chế tín chỉ.
Chính vì vậy, việc biên soạn cuốn bài giảng thực hành phục vụ môn học Vật lý
đại cương là rất cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu hướng dẫn thực hành
của sinh viên. Cuốn bài giảng này vừa cung cấp cho sinh viên cơ sở lý thuyết
liên quan đến nội dung bài thí nghiệm, kỹ năng thực hành thí nghiệm và kiến
thức để có thể xử lý và trình bày được kết quả sau thí nghiệm. Cuối bài giảng
còn có phần phụ lục để sinh viên tiện tham khảo, tra cứu. Bài giảng được biên
soạn phù hợp với chương trình môn học Vật lý đại cương mới nhất đã được
Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt năm 2014. Bài giảng gồm 12 bài thí
nghiệm thuộc các lĩnh vực cơ, nhiệt, điện từ và quang.
Trong quá trình biên soạn tác giả đã nhận được sự góp ý của các đồng
nghiệp trong Bộ môn Vật lý. Tác giả xin chân thành cảm ơn những góp ý quý
báu của các thầy cô để giúp hoàn thiện cuốn bài giảng này.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn và chỉnh sửa nội dung,
song đây là lần biên soạn đầu tiên nên chắc chắn không thể tránh được sai sót,
rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các sinh viên để hoàn
thiện bài giảng trong những lần tái bản sau. Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ môn
Vật lý, Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp.
Tác giả
3
Chương 1
LÝ THUYẾT SAI SỐ
1.1. Vai trò mục đích và yêu cầu của thí nghiệm vật lý
1.1.1. Vai trò của thí nghiệm vật lý
Một trong những phương pháp nghiên cứu cơ bản để thiết lập các định
luật vật lý là tổng kết các quan sát thực tế. Kết quả của các quan sát đó có được
bằng cách lặp lại nhiều lần diễn biến của hiện tượng trên những thiết bị do con
người điều khiển, nghĩa là bằng các thí nghiệm vật lý. Mặt khác, một định luật
vật lý đúng và có giá trị chỉ khi những kết quả đo của đại lượng mà định luật diễn
tả trùng với kết quả đo của cùng đại lượng đó thu được bằng thực tế thí nghiệm.
Thí nghiệm vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các quy
luật của tự nhiên, trong việc vận dụng các quy luật vật lý vào kỹ thuật và các
ngành khoa học khác.
Thí nghiệm vật lý là cơ sở chân lý để xác định sự đúng đắn của các quy
luật vật lý.
Thí nghiệm vật lý là cơ sở để xây dựng các hằng số vật lý.
Thí nghiệm vật lý còn dùng để xác định các yêu cầu kỹ thuật, ảnh hưởng
của môi trường đến việc áp dụng quy luật vật lý vào thực tiễn.
1.1.2. Mục đích của thí nghiệm vật lý
Rèn luyện cho sinh viên những kỹ năng cơ bản về thí nghiệm vật lý.
Rèn luyện cho sinh viên các đức tính: kiên trì, chính xác, trung thực,
khách quan, là những phẩm chất rất cần thiết cho người làm công tác khoa học
kỹ thuật.
Giúp cho sinh viên quan sát một số hiện tượng, nghiệm lại một số định
luật vật lý, bổ sung và minh họa thêm phần bài giảng lý thuyết, xây dựng
phương pháp suy luận, nghiên cứu khoa học.
1.1.3. Yêu cầu của thí nghiệm vật lý
Nắm được những phép đo vật lý cơ bản, sử dụng một số máy móc, dụng
cụ trong vật lý.
Biết cách tính toán, biểu diễn kết quả và đánh giá được độ chính xác của
số liệu thu được.
4
Việc làm một bài thí nghiệm vật lý là một sự tập dượt tiến hành một công
trình nghiên cứu thực nghiệm, nên yêu cầu sinh viên phải biết trình bày kết quả
thí nghiệm thông qua một bản báo cáo như một công trình thực nghiệm.
1.2. Lý thuyết sai số
1.2.1. Giá trị trung bình của các đại lượng đo
Chúng ta biết, khi đo các đại lượng vật lý, nếu chỉ đo một lần thì giá trị đo
không đáng tin cậy vì có thể mắc phải các sai sót, do đó ta cần thực hiện đo
nhiều lần rồi lấy giá trị trung bình của các lần đo. Các đại lượng vật lý cần xác
định được chia làm hai loại là đại lượng đo trực tiếp và đại lượng đo gián tiếp.
1.2.1.1. Giá trị trung bình của các đại lượng đo trực tiếp
Định nghĩa: Các đại lượng đo trực tiếp là các đại lượng được đo thông qua các
dụng cụ đo.
Thí dụ: Đo thời gian bằng đồng hồ, đo chiều dài bằng thước, đo cường độ dòng
điện bằng ampe kế…
Cách tính giá trị trung bình: Khi tiến hành đo đại lượng a một cách trực tiếp,
chúng ta phải tiến hành đo đại lượng a nhiều lần và mỗi lần đo có một giá trị là
ai (i = 1,2,…,n). Giá trị trung bình của đại lượng a sẽ là:
n
i
i
na
nn
aaaa
a
1
321 1
...
(1.1)
Chú ý: Số lần đo càng nhiều (n lớn) thì giá trị trung bình càng đáng tin cậy.
1.2.1.2. Giá trị trung bình của các đại lượng đo gián tiếp
Định nghĩa: Các đại lượng đo gián tiếp là các đại lượng không thể đo được
thông qua các dụng cụ đo mà phải biểu diễn dưới dạng hàm của các đại lượng
đo trực tiếp.
Thí dụ: Thể tích của khối trụ, thể tích của khối cầu, suất điện động của nguồn
điện…
Cách tính giá trị trung bình: Xét đại lượng đo gián tiếp A = f(x, y, z…), trong
đó x, y, z…là các đại lượng đo trực tiếp. Để xác định được giá trị trung bình của
A, chúng ta tiến hành xác định giá trị
...,, yzx
rồi tính giá trị trung bình của A
(
A
) theo công thức:
...),,( zyxfA
(1.2)
5
Thí dụ: Thể tích của khối trụ đặc được tính bằng công thức:
h
d
V4
2
, trong đó
d là đường kính hình trụ, h là chiều cao của hình trụ. Để xác định được thể tích
của khối trụ trên, ta cần đo trực tiếp d và h nhiều lần rồi tính các giá trị trung
bình
d
và
h
. Giá trị trung bình của thể tích là:
h
d
V4
2
1.2.2. Sai số trong các phép đo
Phép đo một đại lượng vật lý là phép so sánh nó với một đại lượng cùng
loại được qui ước chọn làm đơn vị đo. Kết quả của phép đo một đại lượng vật lý
được biểu diễn bởi một giá trị bằng số, kèm theo đơn vị đo tương ứng.
Thí dụ: Đường kính của viên bi hình cầu là d = 3,89 mm; khối lượng của một
vật m = 150,5 kg.
Muốn thực hiện các phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết của các
phương pháp đo và sử dụng các dụng cụ đo (thước milimét, cân, đồng hồ bấm
giây, ampe kế, vôn kế...).
Hiện nay chúng ta dùng các đơn vị đo được quy định trong bảng đơn vị
đo lường hợp pháp của nước Việt Nam dựa trên cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI (xem
thêm phụ lục 3) bao gồm:
- Các đơn vị cơ bản: độ dài: mét (m); khối lượng: kilôgam (kg); thời gian:
giây (s); nhiệt độ: Kenvin (K); cường độ dòng điện: ampe (A); cường độ ánh
sáng: candela (Cd); lượng chất: mol (mol)
- Các đơn vị dẫn xuất: đơn vị vận tốc: mét trên giây (m/s); đơn vị lực:
Niutơn (N = kg.m.s-2)...
Do các nguyên nhân như độ nhạy và độ chính xác của các dụng cụ đo bị
giới hạn, khả năng có hạn của giác quan người đo, điều kiện các lần đo không
thật ổn định, lý thuyết của phương pháp đo chỉ gần đúng... nên ta không thể đo
chính xác tuyệt đối giá trị thực của các đại lượng vật lý cần đo, tức là trong kết
quả của phép đo bao giờ cũng có sai số. Như vậy khi đo một đại lượng vật lý
ngoài việc phải xác định giá trị của đại lượng cần đo, còn phải xác định sai số
của phép đo.
1.2.2.1. Định nghĩa sai số của phép đo các đại lượng vật lý
