Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Vật lý đại cương cơ và nhiệt (Phòng thí nghiệm B)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG CƠ VÀ NHIỆT (Phịng thí nghiệm B) Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Lớp sinh hoạt : Nhóm học phần : Nhóm thí nghiệm : LƯU HÀNH NỘI BỘ Đà Nẵng, 2017-2018 NỘI QUY Trước vào phịng thí nghiệm , sinh viên phải tuân thủ quy định sau đây: 1) Phải chuẩn bị đầy đủ (đọc kỹ phải làm, hiểu rõ nội dung, ý bước tiến hành thí nghiệm) Sinh viên khơng làm thí nghiệm khơng chuẩn bị 2) Trong làm thí nghiệm phải nghiêm túc, khơng hút thuốc, khơng nói chuyện lại lộn xộn làm ảnh hưởng đến người xung quanh 3) Không tự ý thay đổi dụng cụ đo, sửa đổi mạch điện… không phép giáo viên hướng dẫn Sau làm xong thí nghiệm phải bàn giao đầy đủ dụng cụ mượn phải chịu trách nhiệm bồi thường dụng cụ bị hư hỏng lý chủ quan 4) Đi làm thí nghiệm giờ, sinh viên vắng khơng có lý đáng khơng làm thí nghiệm bù sinh viên làm thí nghiệm đầy đủ khơng nộp báo cáo khơng dự thi kết thúc học phần thí nghiệm 5) Nộp báo cáo thí nghiệm hạn Mỗi sinh viên phải tự làm báo cáo mình, báo cáo phải viết tay giấy A4 đóng thành tập nộp cho giáo viên hướng dẫn Báo cáo thí nghiệm gồm có phần: - Phần 1: Tóm tắt nội dung thí nghiệm phương pháp đo - Phần 2: Điền số liệu đo vào bảng số liệu dựa vào phần hướng dẫn giáo trình để tính đến kết cuối Các đồ thị (nếu có) phải vẽ xác, tuyệt đối khơng cẩu thả Chú ý viết kết đại lượng đo (trực tiếp gián tiếp) phải có đơn vị kèm theo (dùng hệ đơn vị SI) Điểm thi kết thúc học phần thí nghiệm dựa đánh giá tổng hợp phần: chuẩn bị bài, thái độ học tập, báo cáo thí nghiệm kiểm tra PHỊNG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ LÝ THUYẾT SAI SỐ I VAI TRỊ CỦA THÍ NGHIỆM VẬT LÝ Vật lý môn khoa học thực nghiệm, việc đo lường đại lượng Vật lý cho phép: - Thiết lập mối quan hệ chúng để xây dựng định luật Vật lý - Kiểm tra lại đắn định luật Vật lý II NGUYÊN NHÂN SAI SỐ KHI ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ - Dụng cụ đo có độ xác định - Khả quan sát người đo có giới hạn phụ thuộc vào người III PHÂN LOẠI SAI SỐ Phân loại theo nguyên nhân sai số a Sai số có hệ thống - Sai số có hệ thống sai số làm cho kết đo thay đổi theo chiều (hoặc tăng, giảm) so với giá trị thực - Nguyên nhân: Dụng cụ đo làm sai so với dụng cụ mẫu mà người đo không hiệu chỉnh lại dụng cụ; phương pháp đo tiến hành sai - Cách khử: Dựa vào số đo để hiệu chỉnh thích hợp, hiệu chỉnh dụng cụ đo, cẩn thận làm thí nghiệm b Sai số nhầm lẫn - Sai số nhầm lẫn sai số làm cho kết đo lệch hẳn so với giá trị thực đại lượng cần đo - Nguyên nhân: Đọc nhầm, ghi sai, tính sai - Cách khử: Tiến hành đo nhiều lần c Sai số ngẫu nhiên - Sai số ngẫu nhiên sai số làm cho kết đo thay đổi hỗn loạn so với giá trị thực - Ngun nhân: Dụng cụ có độ xác định, giác quan khơng hồn chỉnh, nguồn ni thay đổi - Khơng khử sai số này, xác định giới hạn Phân loại theo ý nghĩa sai số a Sai số tuyệt đối ∆X Sai số tuyệt đối trị tuyệt đối hiệu giá trị thực x giá trị đo X nó: ∆X = x − X (1) Nó cho biết giới hạn đại lượng phải đo (bao hàm giá trị thực nó): X − ∆X ≤ x ≤ X + ∆X Viết gọn là: x = X ± ∆X (2) (3) Ví dụ 1: Khi đo đường kính dây đồng ta kết là: d = (0,50 ± 0,01) mm, tức 0,49 mm ≤ d ≤ 0,51 mm, với sai số tuyệt đối ∆ d = 0,01 mm Sai số tuyệt đối chưa nói lên mức độ xác kết đo Ví dụ ta so sánh kết đo đường kính dây đồng d = (0,50 ± 0,01) mm với kết đo chiều dài l = (500 ± 1) mm, ∆l ∆ d 0,01 = = 0,2% , ta thấy ∆ l = 100 ∆d , = = 2% tức độ dài đo l 500 d 0,5 xác gấp 10 lần so với đường kính Do cần phải đưa loại sai số để đánh giá độ xác kết đo: sai số tương đối b Sai số tương đối ε - Sai số tương đối tỉ số phần trăm sai số tuyệt đối ∆X giá trị đo X đại lượng phải đo: ∆X ε= × 100% (4) X - Sai số tương đối cho biết độ xác kết đo IV CÁCH TÍNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO TRỰC TIẾP Đo trực tiếp cách đo mà kết đo đọc trực tiếp dụng cụ đo Giả sử kết n lần đo đại lượng Vật lý có giá trị thực x X1, X2, , Xn sai số thực lần đo là: δx1 = x − X ; δx2 = x − X ; … ; δxn = x − X n (5) Từ ta có: δx1 + δx + + δxn = nx − ( X + X + + X n ) Hay: x = X + X + + X n n + ∑ δx i n n i =1 (6) (7) Vì chưa biết x nên ta chưa biết δxi , cần tìm giá trị gần giá trị thực x để thay tính kết sai số Để làm điều cần giả thiết lý thuyết xác suất: Các sai số ngẫu nhiên có trị số trái dấu có khả xuất (cùng xác suất) Sai số ngẫu nhiên có giá trị lớn có xác suất xuất nhỏ (8) Do có số lần đo n lớn ∑ δxi = x≈ X + X + + X n =X n (9) Vậy trị trung bình X n lần đo đại lượng trị gần so với giá trị thực đại lượng Khi từ (1) ta có: ∆X = x − X (10) - Vì chưa biết x nên ta chưa biết ∆X , ta tính giới hạn ∆X Độ lệch trị trung bình X giá trị lần đo là: ∆X = X − X ; ∆X = X − X ; … ; ∆X n = X − X n - Giá trị trung bình độ lệch là: ∆X + ∆X + + ∆X n ∆X = = ∑ ∆X i n n Vì X giá trị gần trị thực x nhất, nên: ∆X = x − X ≤ ∆X (11) (12) (13) Như ∆X giới hạn ∆X , ta chọn ∆X làm sai số tuyệt đối kết đo trực tiếp ∆X gọi sai số tuyệt đối trung bình Kết đo trực tiếp là: x = X ± ∆X Sai số tương đối trung bình là: ε= ∆X × 100% (14) (15) X Ví dụ 2: Dùng thước kẹp có độ xác 0,1 mm đo đường kính, chiều cao ống trụ kim loại ta kết lần đo là: D1 = 21,5(mm) ∆ D1= 0,0 (mm) h1= 62,3(mm) ∆ h1= 0,1(mm) 2 D2 = 21,4(mm) D3 = 21,7(mm) D4 = 21,6(mm) D5 = 21,3(mm) D = 21,5(mm) ∆ D2= 0,1 (mm) ∆ D3= 0,2 (mm) ∆ D4= 0,1(mm) ∆ D5= 0,2 (mm) h2= 62,1(mm) h3= 62,2(mm) h4= 62,4(mm) h5= 62,1(mm) ∆ h2= 0,1(mm) ∆ h3= 0,0(mm) ∆ h4= 0,2(mm) ∆ h5= 0,1(mm) ∆D = 0,1(mm) h = 62,2(mm) ∆h = 0,1(mm) Vậy kết cuối là: D = (21,5 ± 0,1)mm ε= h = (62,2 ± 0,1)mm ∆D = 0,5% D ε= ∆h = 0,17 % h CHÚ Ý: Độ xác dụng cụ đo nửa độ chia nhỏ thang đo dụng cụ sai số tuyệt đối giới hạn độ xác dụng cụ Nhưng với dụng cụ có độ chia nhỏ (như nhiệt kế chia đến 0,01 0C sai số tuyệt đối giới hạn lấy độ chia nhỏ nhất) Với dụng cụ đo điện Ampe kế, Vơn kế sai số tuyệt đối giới hạn là: ∆X gh = K X m (16) K cấp xác dụng cụ (tức số 0,2 ; 0,6 ; 1,5 ghi mặt dụng cụ đo); Xm giá trị cực đại cho phép thang đo dụng cụ Ví dụ 3: Với Vơn kế có K = 1,5% (ghi dụng cụ 1,5), sử dụng thang đo Xm=100mV 1,5 ∆X gh = 100 = 1,5mV 100 Cần tiến hành phép đo trực tiếp nhiều lần cho sai số tuyệt đối phép đo giảm nhỏ tới gần độ xác dụng cụ Đối với phép đo lần (ví dụ đo cho vật chế tạo xác cao) ta gặp phải sai số tuyệt đối khơng nhỏ độ xác dụng cụ phép đo điện đồng hồ điện ta sử dụng sai số tuyệt đối giới hạn làm sai số kết đo, tức là: x = X ± ∆X gh (17) Dễ dàng thấy với dụng cụ đo điện cho sai số tương đối lớn thân đại lượng phải đo nhỏ so với giá trị cực đại Xm cho phép thang đo Vì cần chọn thang đo cho đại lượng cần đo khoảng 70 – 80% Xm V CÁCH TÍNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP - Đo gián tiếp phép đo mà kết tính qua công thức Vật lý liên hệ đại lượng đo trực tiếp - Giả sử ta đo đại lượng F liên hệ với đại lượng x, y, z đo trực tiếp hàm số: F = f(x,y,z) (18) Trong đại lượng x, y, z đo trực tiếp có kết đo là: x = X ± ∆X ; y = Y ± ∆Y ; z = Z ± ∆Z Làm để tính sai số tuyệt đối trung bình ∆F sai số tương đối trung bình (19) ∆F ? F Do ∆X