intTypePromotion=1

Tài liệu thí nghiệm Vật lý đại cương - ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Chia sẻ: Le Thanh Hai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

0
308
lượt xem
19
download

Tài liệu thí nghiệm Vật lý đại cương - ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Mục đích của "Tài liệu thí nghiệm Vật lý đại cương" giúp sinh viên: Hiểu biết sâu sắc hơn các hiện tượng và các định luật vật lý; kết hợp lý thuyết với thực hành, nắm được một số phương pháp đo và dụng cụ đo vật lý cơ bản; biết cách tiến hành các phép đo những đại lượng vật lý, đồng thời biết cách đánh giá độ chính xác của kết quả các phép đo, rèn luyện phương pháp thực nghiệm khoa học cần thiết cho các cán bộ khoa học kỹ thuật tương lai.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tài liệu thí nghiệm Vật lý đại cương - ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN<br /> Bộ môn Vật lý - Khoa Khoa học cơ bản<br /> <br /> TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM<br /> VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG<br /> <br /> (Lưu hành nội bộ)<br /> <br /> Hưng Yên, năm 2010<br /> 1<br /> <br /> PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ<br /> SAI SỐ CỦA CÁC PHÉP ĐO<br /> Thí nghiệm thực tập vật lý là một phần quan trọng của môn Vật lý trong chương<br /> trình học tập của sinh viên các trường đại học và cao đẳng. Mục đích của nó là giúp<br /> sinh viên:<br /> 1. Hiểu biết sâu sắc hơn các hiện tượng và các định luật vật lý; kết hợp lý thuyết<br /> với thực hành.<br /> 2. Nắm được một số phương pháp đo và dụng cụ đo vật lý cơ bản; biết cách tiến<br /> hành các phép đo những đại lượng vật lý, đồng thời biết cách đánh giá độ chính xác<br /> của kết quả các phép đo.<br /> 3. Rèn luyện phương pháp thực nghiệm khoa học cần thiết cho các cán bộ khoa<br /> học kỹ thuật tương lai.<br /> Để học tập tốt phần thí nghiệm thực tập vật lý, sinh viên phải nắm được cách xác<br /> định sai số của phép đo các đại lượng vật lý.<br /> I. SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ<br /> A. Phép đo các đại lượng vật lý:<br /> Mỗi tính chất vật lý của các đối tượng vật chất được đặc trưng bởi một đại lượng<br /> vật lý (độ dài, khối lượng, thời gian, nhiệt độ, cường độ dòng điện, cường độ sáng …).<br /> Để xác định lượng các tính chất vật lý người ta phải tiến hành phép đo các đại lượng<br /> vật lý.<br /> Phép đo một đại lượng vật lý là phép so sánh nó với một đại lượng cùng loại quy<br /> ước chọn làm đơn vị đo. Muốn thực hiện các phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết<br /> của các phương pháp đo và sử dụng các dụng cụ đo. Kết quả cảu phép đo một đại<br /> lượng vật lý được biểu diễn bởi một giá trị bằng số kèm theo đơn vị đo.<br /> Thí dụ: Độ dài L = 105.2mm; khối lượng m = 151.6g; cường độ dòng điện I = 0.25A<br /> Hiện nay chúng ta dùng hệ đơn vị đo ghi trong Bảng đơn vị đo lường hợp pháp<br /> của nước Việt Nam dựa trên cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI (Systeme International<br /> d’Unites) bao gồm:<br /> - Các đơn vị cơ bản: mét (m) đo độ dài, Kilogam (kg) đo khối lượng, giây (s) đo<br /> thời gian; Kenvin (K) đo nhiệt độ; Ampe (A) đo cường độ dòng điện; candeia (cd) đo<br /> cường độ sáng; steradian (sr) đo góc khối; mole (mol) đo lượng chất.<br /> - Các đơn vị dẫn xuất: met trên giây (m/s) đo vận tốc, kilogam trên mét khối<br /> (kg/m) đo khối lượng riêng; vôn trên mét (V/m) đo cường độ điện trường.<br /> B. Sai số của phép đo các đại lượng vật lý:<br /> Các dụng cụ đo có độ nhạy và độ chính xác giới hạn, giác quan của người làm thí<br /> nghiệm kém nhạy, điều kiện các làn đo không ổn định, lý thuyết của phương pháp đo<br /> 2<br /> <br /> có tính chất gần đúng … Do đó không thế đo chính xác tuyệt đối giá trị thực của các<br /> đại lượng vật lý cần đo, nói cách khác là kết quả phép đo có sai số. Như vậy, khi tiến<br /> hành phép đo, không những ta phải xác định giá trị của đại lượng đo mà còn phải xác<br /> định sai số của kết quả đo.<br /> Có nhiều loại sai số do những nguyên nhân khác nhau gây ra trong đó cần chú ý đến:<br /> 1. Sai số ngẫu nhiên là sai số khiến cho kết quả đo khi lớn hơn, khi nhỏ hơn giá<br /> trị thực của đại lượng cần đo. Thí dụ: Khi đo thời gian chuyển động của một vật rơi tự<br /> do, ta không thể bấm đồng hồ đúng thời gian vật bắt đầu rơi chạm đất. Rõ ràng, không<br /> thể khử được sai số ngẫu nhiên nhưng có thể giảm nhỏ giá trị của nó bằng cách thực<br /> hiện đo cẩn thận nhiều lần trong cùng điều kiện và xác định giá trị trung bình của nó<br /> dựa trên cơ sở của phép tính xác suất thống kê.<br /> 2. Sai số dung cụ là sai số do bản thân dụng cụ đo gây ra. Dụng cụ đo càng hoàn<br /> thiện sai số dụng cụ càng nhỏ. Nhưng về nguyên tắc không thể khử được sai số dụng cụ.<br /> 3. Sai số hệ thống là sai số làm cho kết quả đo hoặc lớn hơn hoặc luôn nhỏ hơn<br /> giá trị thực của đại lượng cần đo. Có thể khử được sai số hệ thống bằng cách hiệu<br /> chỉnh lại các dụng cụ đo hoặc thay mới các dụng cụ đo …<br /> Tóm lại khi làm các thí nghiệm để thực hiện các phép đo ta cần biết cách xác<br /> định các dụng cụ có sai số ngẫu nhiên.<br /> II: CÁCH XÁC ĐỊNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO TRỰC TIẾP<br /> A. Phép đo trực tiếp các đại lượng vật lý:<br /> Phép đo trực tiếp một đại lượng vật lý là phép đo mà kết quả được đọc trực tiếp<br /> trên dụng cụ đo. Thí dụ: Độ dài đọc trên thước milimet, thời gian đọc trên đồng hồ<br /> bấm giây, nhiệt độ đọc trên nhiệt kế, cường độ dòng điện đọc trên Ampekế …<br /> B. Cách xác định sai số của phép đo trực tiếp:<br /> Giả sử đại lượng cần đo F có giá trị thực là A. Nếu đo trực tiếp đại lượng này n<br /> lần trong cùng điều kiện, ta sẽ nhận được các giá trị A1, A2, A3, …, An. Các giá trị này<br /> nói chung là khác với A nghĩa là mỗi lần đo đều có sai số. Theo lý thuyết xác suất, các<br /> giá trị A1, A2, A3, …, An được phân bố đều về cả hai phía lớn hơn và nhỏ hơn A. Nếu số<br /> lần đo n khá lớn thì giá trị trung bình thống kê:<br /> A =<br /> <br /> A1  A2  ...  An<br /> 1<br /> =<br /> n<br /> n<br /> <br /> n<br /> <br />  A<br /> i 1<br /> <br /> i<br /> <br /> (1)<br /> sẽ là giá trị gần đúng nhất với giá trị A và được gọi là giá trị trung bình của đại lượng<br /> F. Số lần đo n càng lớn, giá trị trung bình A càng gần với giá trị A và khi n → ∞ thì A<br /> = A. Các giá trị tuyệt đối:<br /> A1 – A = ΔA1 ; A2 – A = ΔA2 ;…. An – A = ΔAn.<br /> (2)<br /> <br /> 3<br /> <br /> Gọi là sai số tuyệt đối của đại lượng F của mỗi lần đo: Còn giá trị trung bình số học:<br /> A  A2  ...  An<br /> 1<br /> =<br /> A = 1<br /> n<br /> n<br /> <br /> n<br /> <br />  A<br /> i 1<br /> <br /> (3)<br /> <br /> i<br /> <br /> Gọi là sai số tuyệt đối trung bình của đại lượng F trong tất cả n lần đo.<br /> Sai số tuyệt đối trung bình chính là sai số ngẫu nhiên (Trung bình) của phép đo<br /> đại lượng F. Vì các dung cụ đo có độ chính xác giới hạn, nên ngoài sai số ngẫu nhiên<br /> còn có sai số dụng cụ (ΔA)dc. Sai số dụng cụ (ΔA)dc có giá trị bằng độ chính xác của<br /> dụng cụ đo (thường được lấy bằng giá trị của một độ chia nhỏ nhất trên thang đo của<br /> dụng cụ).<br /> Như vậy, sai số tuyệt đối ΔA của phép đo trực tiếp đại lượng F bằng tổng số học<br /> của sai số tuyệt đối trung bình ΔA của n lần đo và sai số dụng cụ (ΔA)dc :<br /> ΔA = ΔA + (ΔA)dc<br /> (4)<br /> Sai số tuyệt đối ΔA xác định giới hạn của khoảng giá trị trong đó có giá trị thực A<br /> của đại lượng cần đo F.<br /> A - A  A  A + A<br /> <br /> (5)<br /> <br /> Do đó, giá trị thực A của đại lượng F phải viết là:<br /> A = A  A<br /> (6)<br /> Độ chính xác của phép đo đại lượng F được xác định bằng sai số tỉ đối δ. Đó là tỷ<br /> số phần trăm giữa sai số tuyệt đối ΔA với giá trị trung bình A của đại lượng F:<br /> Δ = A / A<br /> (7)<br /> Dễ dàng nhận thấy giá trị của δ càng nhỏ thì kết quả phép đo đại lượng F càng<br /> chính xác.<br /> Thí dụ: Dùng thước kẹp có độ chính xác (Bằng giá trị của một độ chia nhỏ nhất) là 0.1<br /> mm để đo đường kính D của một trụ kim loại, ta nhận được một giá trị của các lần đo<br /> và sai số tuyệt đối trong bảng sau:<br /> Lần đo<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> Trung bình<br /> <br /> D (mm)<br /> <br /> 21.5<br /> <br /> 21.4<br /> <br /> 21.4<br /> <br /> 21.6<br /> <br /> 21.5<br /> <br /> D =21.48<br /> <br /> ΔA<br /> <br /> 0.02<br /> <br /> 0.08<br /> <br /> 0.08<br /> <br /> 0.12<br /> <br /> 0.02<br /> <br /> D =<br /> <br /> 0.064<br /> Giá trị trung bình và sai số tuyệt đối trung bình của đường kính D bằng:<br /> D =<br /> <br /> 21.5  21.4  21.4  21.6  21.5<br />  21.48mm<br /> 5<br /> <br /> D =<br /> <br /> 0.02  0.08  0.08  0.12  0.02<br />  0.064mm<br /> 5<br /> <br /> 4<br /> <br /> Sai số dụng cụ trong trường hợp này bằng độ chính xác của thước kẹp: (ΔD)dc =<br /> 0.1cm. Do đó sai số tuyệt đối của phép đo xác định theo công thức (4) có giá trị bằng:<br /> D  D  Ddc  0.064mm  0.1mm  0.164mm<br /> <br /> Sau khi quy tròn (Xem quy tắc ở trên mục 3 dưới đây), ta có thể viết: D =<br /> 0.16mm. Như vậy kết quả của phép đo trực tiếp đường kính D được viết theo công<br /> thức (6):<br /> D = D  D  (21.48  0.16)mm<br /> Nghĩa là giá trị thực của đường kính D nằm trong khoảng giá trị:<br /> 21.32mm  D  21.64mm .<br /> Như vậy sai số tỉ đối δ xác định độ chính xác của phép đo đường kính D có giá trị bằng:<br /> δ=<br /> <br /> D 0.16<br /> <br />  0.00744  0.008  0.8% .<br /> 21.48<br /> D<br /> <br /> C. Quy tắc quy tròn giá trị các sai số và giá trị trung bình của phép đo:<br /> Trong thí dụ trên thước kẹp chỉ đo chính xác đến 0.1 mm hoặc nhỏ hơn (0.01mm.<br /> 0.001mm …) có mặt kết quả phép đo sẽ là những chữ số không tin cậy nằm trong phạm<br /> vi sai số của dụng cụ đo. Vì vậy ta phải bỏ bớt những chữ số không tin cậy này bằng<br /> cách quy tròn giá trị của các sai số và giá trị trung bình theo quy tắc sau:<br /> 1. Phần giá trị bớt đi hoặc thêm vào giá trị quy tròn của sai số phải nhỏ hơn 1/10<br /> giá trị góc của chúng.<br /> 2. Giá trị trung bình phải quy tròn đến chữ số có cùng bậc thập phân với giá trị<br /> sai số tuyệt đối của nó.<br /> 3. Sai số tuyệt đối và sai số tỉ đối được quy tròn và giữ lại tối đa hai chữ số có nghĩa.<br /> Như đã biết tất cả những chữ số trong một giá trị bằng số đều là số có nghĩa (Kế cả<br /> số 0), trừ các số 0 đầu tiên nằm ở phía bên trái giá trị này. Thí dụ: Các giá trị 0.23 và<br /> 0.0014 đều có 2 chữ số có nghĩa, còn ác giá trị 1.02 và 0.0350 đều có 3 chữ số có nghĩa …<br /> Theo quy tắc này, sai số tuyệt đối ΔD = 0.164 mm (trong thí dụ trên) quy tròn<br /> thành ΔD = 0.16 mm. Giá trị này lớn hơn sai số dụng cụ ΔDdc = 0.1 mm và phần bớt đi<br /> là 0.004 có giá trị nhỏ hơn 1/10 giá trị gốc 0.164 (Không quy tròn thành ΔD = 0.2<br /> mm). Vì sai số tuyệt đối ΔD = 0.16 mm được quy tròn đến số phần trăm mm, nên giá<br /> trị trung bình D = 21.48 mm cũng quy tròn đến số có nghĩa cùng bậc với ΔD. Còn sai<br /> số tỉ đối δ = 0.16/21.48 = 0.007448 nên quy tròn tăng lên thành δ ≈ 0.008 = 0.8%, vì<br /> phần thêm vào là 0.000552 có giá trị nhỏ hơn 1/10 giá trị gốc 0.007448.<br /> Chú ý: Không nên quy tròn giảm xuống thành δ ≈ 0.007 = 0.7% mặc dầu giá trị δ<br /> ≈ 0.7% vẫn cùng bậc thập phân (Phần nghìn) với δ ≈ 0.8%.<br /> D. Cách xác định sai số dụng cụ:<br /> 1. Thông thường, sai số dụng cụ (Không kể các dụng cụ đo điện và dụng cụ đo<br /> hiện số) lấy bằng độ chính xác (tức bằng giá trị của 1 độ chia nhỏ nhất) của dụng cụ,<br /> 5<br /> <br />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2