huong-dan-thuc-hanh-thi-nghiem-vat-li-thpt-danh-cho-hoc-sinh-4566

Sưu tầm biên soạn Tuyensinh247.com HƢỚNG DẪN DẠY HỌC THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VẬT LÝ TRONG TRƢỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG I LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ SAI SỐ Khái niệm sai số Theo định nghĩa, đo đại lượng vật lý có nghĩa so sánh với đại lượng loại chọn làm đơn vị Phép đo gọi phép đo trực tiếp Trường hợp giá trị đại lượng cần đo tính từ giá trị phép đo trực tiếp khác thơng qua biểu thức tốn học, phép đo phép đo gián tiếp Khi đo đại lượng vật lý, dù đo trực tiếp hay gián tiếp, ta mắc phải sai số a) Sai số hệ thống Sai số hệ thống sai số làm cho kết đo lệch phía so với giá trị thực đại lượng cần đo Sai số hệ thống xuất sai sót dụng cụ đo phương pháp lý thuyết chưa hồn chỉnh, chưa tính đến yếu tố ảnh hưởng đến kết đo Sai số hệ thống loại trừ cách kiểm tra, điều chỉnh lại dụng cụ đo, hoàn chỉnh phương pháp đo, đưa vào số hiệu chỉnh b) Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên sai số làm cho kết đo lệch hai phía so với giá trị thực đại lượng cần đo Sai số ngẫu nhiên sinh nhiều nguyên nhân, ví dụ thay đổi ngẫu nhiên không lường trước yếu tố gây ảnh hưởng đến kết đo Trong phép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên Phƣơng pháp xác định sai số phép đo trực tiếp a) Phương pháp chung xác định giá trị trung bình sai số ngẫu nhiên Giả sử đại lượng cần đo A đo n lần Kết đo A1, A2 , An Đại lượng: >> Truy cập trang http://tuyensinh247.com/ để học Tốn – Lý – Hóa – Sinh – Văn – Anh – Sử tốt nhất! Page n A  A2   An A  n A i 1 i (1) n gọi giá trị trung bình đại lượng A n lần đo Số lần đo lớn, giá trị trung bình A gần với giá trị thực A Các đại lượng: A1  A  A1 A2  A  A2 An  A  A n gọi sai số tuyệt đối lần đo riêng lẻ Để đánh giá sai số phép đo đại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình Theo lý thuyết xác suất, sai số tồn phương trung bình là: n   A  i i 1 (2) nn  1 kết đo đại lượng A viết: A  A  (3) Như vậy, giá trị thực đại lượng A với xác suất định nằm khoảng từ A   đến A   , nghĩa là: A -   A  A Khoảng [( A -  ),( A   )] gọi khoảng tin cậy Sai số tồn phương trung bình  dùng với phép đo đòi hỏi độ xác cao số lần đo n lớn Nếu đo đại lượng A từ đến 10 lần, ta dùng sai số tuyệt đối trung bình số học: n Ann =  A  i i 1 (4) n Kết đo lúc viết dạng: A = A  A (5) Với sai số ΔA tổng sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống: ΔA = ΔAnn + ΔAht (6) Ngoài sai số tuyệt đối, người ta sử dụng sai số tỉ đối: ThS Phạm Quốc Toản = A 100 0 A (7) Với sai số tỷ đối, kết đo viết là: A  A   00 (8) Như vậy, cách viết kết phép đo trực tiếp là: - Tính giá trị trung bình A theo cơng thức (1) - Tính sai số ΔA theo công thức (4) δ theo công thức (6) - Kết đo viết (5) (8) Ví dụ: Đo đường kính viên bi lần, ta có kết d1  8,75 mm , d1  0,00 mm d2  8,76 mm , d2  0,01 mm d3  8,74 mm , d3  0,01mm d4  8,77 mm d4  0,02 mm Giá trị trung bình đường kính viên bi là: d = 8,75  8,76  8,74  8,77  8,755 mm Sai số tuyệt đối trung bình tính là: d = 0,00  0,01  0,01  0,02  0,01 mm Giả sử khơng có sai số hệ thống kết qảu là: d = 8,75 ± 0,01 mm b) Cách xác định sai số dụng cụ - Mỗi dụng cụ có độ xác định Nếu dùng dụng cụ để đo đại lượng vật lý đương nhiên sai số nhận khơng thể vượt q độ xác dụng cụ Nói cách khác, sai số phép đo khơng thể nhỏ sai số dụng cụ - Vì lý đó, phép đo tiến hành lần độ nhạy dụng cụ đo không cao, kết lần đo riêng lẻ trùng Trong trường hợp đó, ta phải dựa vào độ nhạy dụng cụ để xác định sai số Sai số ΔA thường lấy nửa giá trị độ chia nhỏ báng chia độ dụng cụ đo - Với đồng hồ đo điện cần để ý đến loại dùng kim hay số ThS Phạm Quốc Toản Với loại dùng kim thị bảng chia độ sai số xác định theo cấp xác đồng hồ Ví dụ: Vơn kế có cấp xác Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện sai số mắc phải ΔU = 200.2% = 4V Nếu kim thị vị trí 150 V kết đo là: U = 150 ± V Với loại số sai số phụ thuộc thang đo - Nếu số hiển thị mặt đồng hồ ổn định (con số cuối bên phải không bị thay đổi) sai số phép đo lấy giá trị tích cấp xác số hiển thị Ví dụ: đồng hồ số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (ký hiệu quốc tế cho dụng cụ đo số), giá trị điện áp hiển thị mặt đồng hồ là: U = 218 V lấy sai số dụng cụ là: ΔU = 0 218 = 2,18 V Làm trịn số ta có U = 218 ± V - Nếu số cuối không hiển thị ổn định (nhấp nháy), sai số phép đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên đo Ví dụ: đọc giá trị hiển thị điện áp, số cuối không ổn định: 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đơn vị không ổn định) Trong trường hợp lấy giá trị trung bình U = 217 V Sai số phép đo cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trình đo ΔUn = V U = 217 ± V Chú ý: Nhiều loại đồng hồ số có độ cao, sai số phép đo cần ý tới thành phần sai số ngẫu nhiên Phƣơng pháp xác định sai số gián tiếp Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào đại lượng x, y, z theo hàm số A  f ( x, y, z ) Trong x, y, z đại lượng đo trực tiếp có giá trị x = x  x y = y  y z = z  z ThS Phạm Quốc Toản Giá trị trung bình A xác định cách thay giá trị x, y, z vào hàm trên, nghĩa A = f ( x , y , z ) Sai số A tính theo hai cách sau: Cách 1: Cách gồm bước sau: - Tính vi phân tồn phần hàm A  f ( x, y, x) , sau gộp số hạng có chứa vi phân biến số - Lấy giá trị tuyệt đối biểu thức đứng trước dấu vi phân d thay dấu vi phân d dấu ∆ Ta thu ∆A - Tính sai số tỉ đối (nếu cần) Cách 2: Cách cho phép tíýnh sai số tỉ đối, gồm bước sau: - Lấy logarit số e hàm A  f ( x, y, z) - Tính vi phân toàn phần hàm ln A = ln f ( x, y, z) , sau gộp số hạng có chưa vi phân biến số - Lấy giá trị tuyệt đối biểu thức đứng trước dấu vi phân d chuyển dấu d thành  ta có  = A A - Tính A = A  Cách viết kết a) Các chữ số có nghĩa Tất chữ số từ trái sang phải, kể từ số khác không chữ số có nghĩa Ví dụ: 0,014030 có chữ số có nghĩa số đến hết số b) Quy tắc làm tròn số - Nếu chữ số hàng bỏ có giá trị  chữ số bên trái giữ nguyên Ví dụ: 0,64 ≈ 0,6 - Nếu chữ số hàng bỏ có giá trị ≥ chữ số bên trái tăng thêm đơn vị Ví dụ: 5,76 ≈ 5,8 c) Cách viết kết ThS Phạm Quốc Toản - Sai số tuyệt đối A sai số trung bình làm trịn theo quy tắc - Khi viết kết quả, giá trị trung bình làm trịn đến chữ số hàng với chữ số có nghĩa sai số tuyệt đối Ví dụ: khơng thể viết m=5,3456 g ± 0,036 g mà phải viết m = 5,35 g± 0,04 g Chú ý viết kết cuối cùng, sai số toàn phần tổng sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống: ∆tp = ∆nn +∆ht Trong trường hợp phép đo thực lần sai số tồn phần lấy sai số dụng cụ Phƣơng pháp biểu diễn kết đồ thị Trong nhiều trường hợp kết thÍ nghiệm biểu diễn đồ thị thuận lợi, đồ thị cho thấy phụ thuộc đại lượng y vào đại lượng x Phương pháp đồ thị thuận tiện để lấy trung bình kết đo a) Phương pháp chung Giả sử phép đo trực tiếp, ta xác định cặp giá trị x y:  x1  x1  x2  x2  xn  xn     y1  y1  y2  y2  yn  yn Muốn biểu diễn hàm y  f (x) đồ thị, ta làm sau: - Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ đê-cac vng góc Trên trục hồnh đặt giá trị x, trục tung đặt giá trị y tương ứng Chọn tỉ lệ xých hợp lý để đồ thị choán đủ trang giấy - Dựng dấu chữ thập hình chữ nhật có tâm điểm A1 ( x1, y1 ) , A2 ( x2 , y2 ) An ( xn , yn ) có cạnh tương ứng 2x1,2y1 , 2xn ,2yn  Dựng đường bao sai số chứa hình chữ nhật dấu chữ thập - Đường biểu diễn y  f (x) y đường cong trơn đường bao sai số vẽ cho qua hầu hết hình + ++ y + chữ nhật điểm A1, A2 An nằm + + phân bố hai phía đường cong đồ thị bên x x ThS Phạm Quốc Toản - Nếu có điểm tách xa khỏi đường cong phải kiểm tra lại giá trị thực nghiệm Nếu nhận giá trị cũ phải đo thêm điểm lân cận để phát điểm kì dị - Dự đốn đường cong tn theo phương trình số phương trình: Phương trình đường thẳng y = ax + b; Phương trình đường bậc 2; Phương trình đa thức; Dạng y = eax, y = abx ;Dạng y = a/xn; Dạng y = lnx Việc thiết lập phương trình đường cong thực cách xác định hệ số a, b, …n Các hệ số tính làm khớp phương trình với đường cong thực nghiệm Các phương trình chuyển thành phương trình đường thẳng cách đổi biến thích hợp (tuyến tính hóa) Chú ý: Ngồi hệ trục có tỉ lệ xích chia đều, người ta cịn dùng hệ trục có trục chia đều, trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn hàm mũ, hàm logarit (y = lnx; y  a x …) II CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM BÀI 1: KHẢO SÁT SỰ RƠI TỰ DO VÀ XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO Mục đích thí nghiệm - Nghiệm lại cơng thức đường đi, vận tốc chuyển động rơi tự do, - Xác định giá trị gia tốc rơi tự thực nghiệm Cơ sở lý thuyết Theo định nghĩa, rơi tự rơi tác dụng trọng lực Các vật khác rơi tự rơi nhanh Thực tế, thí nghiệm rơi tiến hành khơng khí nên gần rơi tự Thả vật từ độ cao h mặt đất, vật rơi nhanh theo phương thẳng đứng (phương song song với dây dọi) Trong trường hợp ảnh hưởng khơng khí khơng đáng kể, vật chuyển động tác dụng trọng lực, nên coi vật rơi tự Khi vật có vận tốc ban đầu 0, chuyển động thẳng nhanh dần với gia tốc a, quãng đường s sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) xác định công thức: ThS Phạm Quốc Toản s  at 2 Đồ thị biểu diễn quan hệ s t2 có dạng đường thẳng qua gốc tọa độ với hệ số góc: tan   a Đồng thời, chuyển động rơi tự chuyển động nhanh dần nên quy luật đường quy luật chuyển động nhanh dần Ngoài đặc điểm s ~ t2, đặc điểm khác sử dụng để nhận biết chuyển động nhanh dần “hiệu quãng đường sau khoảng thời gian nhau a2,  khoảng thời gian đó”: s  l2  l1  l3  l2   a2 Dụng cụ lắp đặt thí nghiệm a) Dụng cụ - Giá đỡ thẳng đứng, có dây dọi mặt sau Mặt bên giá có gắn thước đo Giá lắp đế chân có vít điều chỉnh thăng bằng; - Nam châm điện gắn đầu giá để giữ vật sắt non; - Hộp công tắc, đầu chân nối với ổ A đồng hồ đo thời gian số đầu nối với nam châm điện; - Cổng quang điện, gắn giá di chuyển Mặt bên có cửa sổ suốt để xác định vị trí cổng thước giá; - Đồng hồ đo thời gian số; - Vật sắt non hình trụ; - Giá hứng vật rơi; - Thước vng chiều để xác định vị trí vật b) Lắp đặt thí nghiệm Thí nghiệm lắp đặt hình 1.1 Nam châm điện lắp đỉnh giá thí nghiệm Dây điện nam châm nối ThS Phạm Quốc Toản Hình 1.1 Bộ thí nghiệm rơi tự qua hộp công tắc tiếp đến ổ A đồng hồ đo thời gian Cổng quang điện E lắp phía di chuyển (khi di chuyển cần nới lỏng ốc hãm phía sau), dây điện cổng nối với ổ B đồng hồ đo thời gian Điều chỉnh chân đế, cho dọi nằm đồng tâm lỗ trịn phía sau giá Bật cơng tắc nguồn đồng hồ, lắp nam châm có từ tính Lúc đặt vật khảo sát nam châm vật bị hút dính chặt vào nam châm Bấm công tắc, nam châm bị ngắt điện, vật nhả rơi xuống Các bƣớc tiến hành thí nghiệm - Xác định vị trí ban đầu vật thước vuông chiều Để lựa chọn vạch thích hợp định, ta điều chỉnh vị trí nam châm (nới lỏng tai hồng dịch chuyển) - Chọn quãng đường khảo sát s1 (khoảng cách từ vật tới cổng quang điện) Nhấn nút Reset đồng hồ để đưa số 0,000 Nhấn nút hộp công tắc để vật rơi, nhả nhanh tay trước vật rơi qua cổng E Đọc thời gian rơi vật đồng hồ ghi vào bảng 1.1 Lặp lại thí nghiệm số lần để xác định giá trị trung bình đại lượng đo sai số - Tiếp tục chọn quãng đường S2, S3,… thực thí nghiệm tương tự đọc thời gian tương ứng, ghi vào bảng 1.1 - Sau tiến hành thí nghiệm xong, tắt cơng tắc điện đồng hồ phía sau (nút đỏ có ghi ON, OFF) Phân tích kết thí nghiệm a) Nghiệm lại quy luật đường chuyển động rơi tự Bảng 1.1: Đƣờng - thời gian Lần đo s(mm) ThS Phạm Quốc Toản Thời gian rơi t (s) Lần Lần Lần t - Từ bảng số liệu, vẽ đồ thị đường theo thời gian s(t) - Nhận xét dạng đồ thị Căn vào đồ thị số liệu thu Bảng 1.1, rút kết luận mối quan hệ s t, suy quy luật chuyển động rơi tự b) Xác định độ lớn gia tốc rơi tự - Tính giá trị ghi vào bảng 1.2 Bảng 1.2: Độ lớn gia tốc rơi tự Lần đo s(m) Thời gian rơi t (s) Lần ti t i2 gi  si t vi  gi ti i Lần Lần - Vẽ đồ thị đường theo bình phương thời gian s(t2) - Nhận xét dạng đồ thị s = s(t2) Một lần khẳng định quy luật chuyển động rơi tự Từ đồ thị xác định giá trị trung bình gia tốc rơi tự Đối chiếu với kết tính toán: g  g1  g   g n n - Vẽ đồ thị v = v(t) dựa số liệu bảng 1.2 - Nhận xét dạng đồ thị v(t) rút kết luận vận tốc chuyển động - Tính sai số Do gia tốc rơi tự tính theo cơng thức g  2s nên ta có t2 thể tính sai số tỉ đối g sau: g s t s t    g  g (  ) g s t s t Để tính sai số g, cần phải tính sai số s t Đối với s, đại lượng chọn trước nên có sai số hệ thống Do thước đo chiều dài gắn giá thí nghiệm có độ chia nhỏ 1mm nên lấy sai số hệ ThS Phạm Quốc Toản 10