Giáo trình Thí nghiệm vật lý đại cương I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA NĂNG LƯỢNG - BỘ MÔN VẬT LÝ THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG I NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI - 2009 1 2 LỜI MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập của sinh viên, thay mặt bộ môn Vật lý trường Đại học Thủy lợi chúng tôi biên soạn cuốn sách “Thí nghiệm vật lý đại cương I” để làm tài liệu học tập cho sinh viên của trường. Những bài thí nghiệm được chọn lọc sao cho đạt những mục đích, yêu cầu của môn học vật lý ở các trường đại học kĩ thuật mà Bộ Giáo dục và Đào tạo đã thông qua, đồng thời còn phải phù hợp với khả năng trang thiết bị của phòng thí nghiệm. Thí nghiệm vật lý đại cương là một phần quan trọng của giáo trình vật lý đại cương, với mục đích giúp sinh viên hiểu được một số vấn đề sau: 1. Hiểu sâu hơn phần lý thuyết, củng cố lý thuyết, kết hợp lý thuyết với thực hành. 2. Nắm được một số phương pháp, dụng cụ cơ bản của vật lý. Biết cách tiến hành đo chính xác các đại lượng vật lý và sử dụng một số dụng cụ máy móc thông thường một cách thành thạo, đồng thời biết cách xử lý kết quả các phép đo. 3. Rèn luyện tác phong khoa học thực nghiệm như tính cẩn thận, kiên nhẫn, khéo léo… góp phần xây dựng phương pháp độc lập nghiên cứu, suy luận thực tế cần thiết để sau này làm tốt công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật của người kỹ sư. 4. Giúp sinh viên bước đầu biết cách báo cáo kết quả mà tự mình đo đạc được. Trong khi biên soạn, chúng tôi chú ý tới vấn đề tinh giản và đề cao tính độc lập nghiên cứu của sinh viên. Trước khi thí nghiệm, sinh viên cần nắm vững bài lý thuyết sai số để biết phương pháp tính toán và tính toán cho nhanh. Trước khi làm thí nghiệm bài nào, sinh viên cần phải đọc kỹ lý thuyết bài đó ở nhà. Trong khi thí nghiệm, phải ghi các số liệu đo được cẩn thận, sạch sẽ và được sự kiểm tra của giáo viên để về nhà tính toán, kết quả và báo cáo thí nghiệm phải nộp cho giáo viên vào đầu buổi thí nghiệm sau. Với khả năng cũng như trang thiết bị sẵn có, chúng tôi không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được sự nhận xét đóng góp ý kiến của các bạn để lần tái bản sẽ tốt hơn. Chúng tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp thuộc bộ môn Vật lý - Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thuỷ lợi, đặc biệt là Thầy Trần Anh Kỳ, cô Hàn Hoà Bình đã đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình biên soạn cuốn sách này. Hà Nội, ngày 7 tháng 1 năm 2009 Các tác giả Lương Duy Thành, Phan Văn Độ 3 4 MỤC LỤC Lời mở đầu 3 Phần I. Lý thuyết sai số 7 I. Những nguyên nhân gây nên sai số trong các phép đo 7 II. Phân loại sai số 7 III. Định nghĩa sai số 8 IV. Sai số của những đại lượng đo trực tiếp 9 V. Sai số của những đại lượng đo gián tiếp 10 VI. Các chú ý quan trọng khi tính và viết sai số 11 VII. Biểu diễn kết quả bằng đồ thị 12 VIII. Bài tập và câu hỏi kiểm tra 12 Phần II. Làm quen với các dụng cụ đo 13 A. Panme và thước kẹp 13 I. Thước kẹp 13 II. Panme 14 B. Dụng cụ đo điện (đồng hồ vạn năng) 15 I. Mô tả 16 II. Cách sử dụng đồng hồ vạn năng 16 Phần III. Các bài thí nghiệm 19 Bài số 1: Xác định hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng 19 I. Mục đích 19 II. Dụng cụ thí nghiệm 19 III. Cơ sở lý thuyết 19 IV. Trình tự thí nghiệm 21 V. Câu hỏi kiểm tra 23 Bài số 2: Xác định nhiệt dung riêng của chất rắn 24 I. Mục đích 24 II. Dụng cụ thí nghiệm 24 III. Cơ sở lý thuyết 24 III. Trình tự làm thí nghiệm 25 IV. Câu hỏi kiểm tra 26 Bài 3: Xác định bước sóng và vận tốc của sóng âm bằng phương pháp sóng dừng 27 I. Mục đích thí nghiệm 27 II. Dụng cụ thí nghiệm 27 III. Cơ sở lý thuyết 27 IV. Trình tự thí nghiệm 29 V. Câu hỏi kiểm tra 30 Bài 4: Con lắc vật lý 31 I. Mục đích thí nghiệm 31 II. Dụng cụ 31 5 III. Cơ sở lý thuyết 31 IV. Trình tự thí nghiệm 33 V. Câu hỏi kiểm tra 34 Bài 5: Xác định lực ma sát của ổ trục và mômen quán tính của bánh xe 35 I. Mục đích 35 II. Dụng cụ 35 III. Cơ sở lý thuyết 35 IV. Trình tự thí nghiệm 37 V. Câu hỏi kiểm tra 37 Bài 6: Xác định tỷ số nhiệt dung phân tử của chất khí bằng phương pháp dãn đoạn nhiệt 38 I. Dụng cụ 38 II. Cơ sở lý thuyết 38 III. Trình tự thí nghiệm 40 IV. Câu hỏi kiểm tra 41 Bài 7: Nghiệm lại định luật bảo toàn động lượng trên đệm không khí 42 I. Dụng cụ 42 II. Cơ sở lý thuyết 42 III. Trình tự thí nghiệm 44 IV. Câu hỏi kiểm tra 48 Bài 8: Khảo sát hiện tượng dãn nở nhiệt, đo hệ số nở dài của các vật rắn 49 I. Mục đích thí nghiệm 49 II. Dụng cụ thí nghiệm 49 III. Cơ sở lý thuyết 49 IV. Trình tự thí nghiệm. 49 V. Câu hỏi kiểm tra 50 Bài 9: Xác định hệ số nhớt của chất lỏng 51 I. Mục đích 51 II. Dụng cụ 51 II. Cơ sở lý thuyết 51 III. Trình tự thí nghiệm 52 V. Câu hỏi kiểm tra 53 Bài 10: Xác định khối lượng riêng 54 I. Mục đích 54 II. Dụng cụ 54 III. Cơ sở lý thuyết 54 IV. Trình tự thí nghiệm 55 V. Câu hỏi kiểm tra 56 Mẫu báo cáo thí nghiệm 58 6 Phần I. Lý thuyết sai số Phần I LÝ THUYẾT SAI SỐ I. NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY NÊN SAI SỐ TRONG CÁC PHÉP ĐO Khi đo các đại lượng vật lý, ta không thể tìm được giá trị đúng của nó vì những nguyên nhân sau đây: 1. Dụng cụ đo không hoàn hảo Những dụng cụ đo dù có tinh vi đến mấy cũng có một độ chính xác giới hạn. Ví dụ: đồng hồ đo điện, có loại chính xác đến 0,1 (A), có loại chính xác đến 0,01 (A), có loại chính xác đến 0,001 (A)… Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định, để đo một đại lượng, chúng ta không tìm được kết quả cao hơn độ chính xác của dụng cụ. Ví dụ dùng Ampe kế có độ chính xác đến 0,1 A để đo cường độ dòng điện ta không thể thu được độ chính xác cao hơn độ chính xác của dụng cụ. Nếu dụng cụ đã cũ, mòn, kém phẩm chất thì kết quả thu được còn kém hơn nhiều. Như vậy, dụng cụ đo cũng là một nguyên nhân gây nên sai số trong phép đo. 2. Giác quan Mắt một người dù rất tinh, khi đo độ dài của chiếc bàn cũng không thể nào đặt cho đầu thước hoàn toàn trùng với đầu của bàn. Khi chuyển thước để đo tiếp, cũng không thể đặt cho đầu thước ở lần đo sau nằm đúng cuối thước ở lần trước được. Đặc biệt khi người ta phải kết hợp nhiều giác quan như mắt, tai, tay, chân… đồng thời thì càng khó thống nhất. Đó cũng là nguyên nhân gây sai số trong các phép đo. 3. Đại lượng đo không có giá trị xác định Khi đo đường kính viên bi, do viên bi không hoàn toàn là hình cầu nên kết quả đo theo các phương khác nhau sẽ khác nhau… Trong các trường hợp ấy, ta không thể tìm được trị số đúng của vật. Ngoài ra sự thay đổi bất thường của dụng cụ đo, của môi trường tiến hành thí nghiệm của vật đo, sự nhầm lẫn của người đo cũng gây nên sai số. Như vậy, mọi phép đo đều mắc phải sai số nào đó. II. PHÂN LOẠI SAI SỐ 1. Sai số nhất định Sai số nhất định là sai số do một nguyên nhân nhất định nào đó gây nên làm cho kết quả của phép đo thay đổi theo một chiều nhất định (hoặc tăng lên hoặc giảm đi). Nguyên nhân của sai số này thường do dụng cụ gây ra. Ví dụ: Kim chỉ của Ampe không chỉ đúng vạch “0” khi không có dòng điện chạy qua. Độ “0” của du xích không trùng với độ “0” của thước kẹp khi hai hàm của thước khít nhau. 7 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG I Người làm thí nghiệm có nhiệm vụ tìm ra tất cả các nguyên nhân đó và xác định những số hiệu chỉnh của dụng cụ trước khi tiến hành đo để hiệu chỉnh được kết quả đó. Ví dụ: khi chưa có dòng điện chạy qua, kim của Ampe kế đã chỉ 0,1A thì phải coi giá trị 0,1 A là giá trị “0” của Ampe kế. Khi đọc cường độ mà Ampe kế chỉ là 0,8A thì thực tế dòng điện trong phép đo đó là 0,7A (0,8 - 0,1 = 0,7A). Vì vậy, khi dùng một dụng cụ nào phải thử dụng cụ đó theo đúng lời chỉ dẫn kèm theo dụng cụ. Khi đã biết được số hiệu chỉnh và hiệu chỉnh kết quả đó rồi, thì sai số nhất định không được kể là sai số nữa. 2. Sai sót Sai sót là loại sai số sinh ra khi đo hay quan sát vội vàng, không cẩn thận, hoặc do hiện tượng xảy ra quá nhanh không kịp quan sát. Ví dụ: đọc nhầm 17,5 thành 1,75; nghe nhầm 32 thành 22; cộng khối lượng các cân không để ý tới đơn vị. Để tránh những sai sót này khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức chú ý, thận trọng, đọc đi đọc lại nhiều lần. 3. Sai số bất định Sai số bất định là sai số không do một nguyên nhân cụ thể nào gây nên và làm cho kết quả đo khi thì lớn hơn, khi thì nhỏ hơn giá trị đúng của đại lượng đo. Sai số bất định phần lớn do giác quan của người làm thí nghiệm không được tốt gây ra. Ví dụ: mắt không phân biệt được chỗ giao nhau của hai vạch chia trên thước, bấm đồng hồ giây không đúng lúc hiện tượng xảy ra. Sai số bất định một phần cũng do đại lượng phải đo thay đổi bất thường, do những nguyên nhân không rõ ràng gây ra. Ví dụ: dòng điện thay đổi thất thường, quả cầu không tròn đều… Như vậy, sai số bất định là ngẫu nhiên nên ta không thể hiệu chỉnh được kết quả đo. Do vậy, ta phải đánh giá được kết quả đo bằng cách tính các sai số đó. Dưới đây ta chỉ nói đến cách tính sai số bất định, còn sai số nhất định và sai sót không nói tới, vì người làm thí ngiệm phải có nhiệm vụ loại bỏ chúng. III. ĐỊNH NGHĨA SAI SỐ 1. Sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối là sai số của phép đo đại lượng a trong lần đo thứ i là hiệu trị số đúng a và giá trị số đo được a i trong lần đo ấy. ii aaa −=∆ (1) Ví dụ: Độ dài đúng của đoạn thẳng AB là a = 52,2 (cm). Trong các lần đo thứ 1, 2, 3… ta lần lượt được các kết quả là a 1 = 52,1 (cm); a 2 =52,3 (cm); a 3 = 52,4 (cm)…, khi đó sai số tuyệt đối của các phép đo ấy là: 11 aaa −=∆ = 0,1 (cm) 8 Phần I. Lý thuyết sai số 22 aaa −=∆ = 0,1 (cm) 33 aaa −=∆ = 0,2 (cm) Như vậy, sai số tuyệt đối cho ta biết đại lượng đo bị lệch so với giá trị thực là bao nhiêu. 2. Sai số tuơng đối Sai số tương đối của phép đo đại lượng a là tỷ số giữa sai số tuyệt đối của phép đo và trị số đúng của đại lượng phải đo. a a a ∆ = δ hay aaa . δ =∆ Sai số tương đối cho ta biết mức độ chính xác của phép đo. Tức là phép đo sai số bao nhiêu phần trăm. Ví dụ: khi đo hai đại lượng a, b ta được các kết quả: a = 1 (m) và a∆ = 0,01 (m) b = 10 (m) và b∆ =0,01 (m) hai phép đo này có sai số tuyệt đối bằng nhau nhưng sai số tương đối khác nhau % 101, 0 == ∆ = a a a δ % 1,0001, 0 == ∆ = b b b δ Đánh giá hai phép đo, ta thấy phép đo đại lượng b chính xác hơn đại lượng a (đại lượng a dài 1m mà chỉ sai lệch 1cm, trong khi đó đại lượng b dài 10m cũng chỉ sai lệch có 1cm). IV. SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐO TRỰC TIẾP 1. Trường hợp chung Vì giá trị thực chưa biết nên sai số tuyệt đối cũng chưa biết. Trong thực tế, khi phải đo một đại lượng a nào đó người ta sẽ đo giá trị này nhiều lần rồi lấy giá trị trung bình của các phép đo riêng biệt thay cho a. n aa a a a n +++ + = 321 (3) Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng nếu số lần đo càng lớn thì giá trị trung bình a càng gần giá trị thực a. Sai số tuyệt đối tương ứng của phép đo sẽ là ii aaa −=∆ , sai số tuyệt đối của phép đo bây giờ là sai số tuyệt đối trung bình: n aaaa a n ∆ ++ ∆+∆+∆ = ∆ 321 (4) và kết quả cuối cùng của phép đo được viết: aaa ∆±= (5) 9 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG I 2. Trường hợp riêng Trong trường hợp chỉ đo a được một lần và đảm bảo không sai sót hoặc đo nhiều lần như- ng kết quả đều giống nhau, thì người ta lấy sai số tuyệt đối của a bằng một nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất khắc trên dụng cụ. Ví dụ: đo chiều dài thanh AB nhiều lần được kết quả 235 (mm) bằng thước đo chia đến 1 (mm) tức là độ chính xác tới 0,5 (mm) thì kết quả đó là: AB = (235,0 ± 0,5) mm. V. SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐO GIÁN TIẾP Nhiều đại lượng không đo được trực tiếp mà phải thông qua việc đo các đại lượng khác rồi dùng công thức tính toán mới ra kết quả. Ví dụ: muốn đo thể tích hình trụ ta phải đo đường kính d và độ cao h của hình trụ rồi dùng công thức: h d V 4 2 π = . Khi đo d và h ta mắc phải các sai số d∆ và h∆ nên V cũng có sai số V∆ nào đó. Muốn tính sai số V∆ ta dựa vào các định lý mà không chứng minh. 1. Định lý 1 Sai số tuyệt đối của một tổng hay một hiệu bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số hạng. cb ax −+= thì cbax ∆+∆+∆=∆ 2. Định lý 2 Sai số tương đối của một tích hay một thương thì bằng tổng các sai số tương đối của các thừa số. c ba x . = thì c c b b a a x x ∆ + ∆ + ∆ = ∆ 3. Hệ quả a) Nếu a a n x x ax n ∆ = ∆ ⇒ = b) Nếu d d s c c r b b m a a n x x dc ba x sr mn ∆ + ∆ + ∆ + ∆ = ∆ ⇒= 4. Áp dụng phép tính vi phân Nếu đại lượng y phụ thuộc vào đại lượng x theo hàm số ( ) xfy = thì sai số tuyệt đối y∆ tính theo x∆ như sau: x)x (fy ' ∆∆ = Trong đó )( ' xf là đạo hàm của hàm số ( ) xfy = theo x. Nếu y phụ thuộc vào nhiều biến dạng: ( ) , ,, uzxfy = thì: 10 [...]... dừng, viết biểu thức biên độ của sóng dừng 3 Nêu i u kiện để có cộng hưởng âm trong ống khí Chứng minh rằng khoảng cách giữa hai nút hoặc hai bụng sóng liên tiếp bằng một nửa bước sóng 4 Trình bày vắn tắt các bước làm thí nghiệm 30 Phần III Các b i thí nghiệm B I 4: CON LẮC VẬT LÝ I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định gia tốc trọng trường bằng con lắc vật lý II DỤNG CỤ 1 Con lắc vật lý 2 Máy đo th i gian hiện... tránh mất nhiệt), lắc nhẹ bình trao đ i nhiệt để nhiệt độ của toàn hệ được đồng nhất 25 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ Đ I CƯƠNG I Theo d i đồng hồ đo nhiệt đến khi nhiệt độ ngừng tăng và đạt giá trị ổn định t 3 thì ghi l i giá trị này vào bảng 1 - Ghi các kết quả thu được vào bảng số liệu - Lặp l i thí nghiệm trên v i mẫu nhôm (Ghi các số liệu thực nghiệm vào bảng 2) - Kết thúc thí nghiệm, tắt đồng hồ nhiệt, lau... (x i , y i ) ta được một i m A i Tuy nhiên, do m i lần đo x i , y i ta mắc một sai số ∆ x i , ∆ y i nào đó; Thành thử trên đồ thị bây giờ ứng v i một cặp giá trị (x i ± ∆ x i , y i ± ∆ y i ) không ph i một i m A i nữa mà là một hình chữ nhật có tâm là A i và các cạnh là 2 ∆ x i , 2 ∆ y i (Hình 1) Tập hợp các cặp (x i ± ∆ x i , y i ± ∆ y i ) cho phép ta vẽ được đường cong biểu diễn hàm y = f(x) Khi... v i biên độ nhỏ Cảm biến 8 là một bộ thu phát hồng ngo i Khi thanh kim lo i 6 của thân con lắc dao động qua mặt của cảm biến 8, nó sẽ chắn chùm tia hồng ngo i r i vào tế bào quang i n và gây ra một xung i n i u khiển bộ đếm trong máy đo th i gian Số chu kỳ dao động của con lắc và khoảng th i gian tương ứng sẽ hiện thị trên các cửa sổ "nT" và "Time" 32 Phần III Các b i thí nghiệm IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM... vị trí thuộc gi i đo DCA để đo hiệu i n thế một chiều, ACV để đo hiệu i n thế xoay chiều, và Ω để đo i n trở Tóm l i: chọn thang đo đúng, và không nhầm lẫn khi thao tác đo thế và dòng là hai yếu tố quyết định bảo vệ an toàn cho đồng hồ 18 Phần III Các b i thí nghiệm Phần III CÁC B I THÍ NGHIỆM B I SỐ 1: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CĂNG MẶT NGO I CỦA CHẤT LỎNG I MỤC ĐÍCH Xác định hệ số căng mặt ngo i của chất lỏng... sạch và xếp gọn các dụng cụ Bảng 2 – Thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của nhôm m 1 (g) m 2 (g) m x (g) t 1 (0C) t 2 (0C) t 3 (0C) IV CÂU H I KIỂM TRA 1 Trình bày kh i niệm nhiệt dung riêng của các chất 2 Trình bày nguyên tắc xác định nhiệt dung riêng của chất rắn trong b i thí nghiệm trên 3 Trình bày vắn tắt các bước làm thí nghiệm 26 Phần III Các b i thí nghiệm B I 3: XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG VÀ VẬN TỐC... nước đã biết trước m 1 Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu vật và nước nên trong bình diễn ra sự trao đ i nhiệt khi chúng tiếp xúc nhau Quá trình trao đ i nhiệt diễn ra t i khi hệ đạt trạng th i cân bằng nhiệt, hỗn hợp có nhiệt độ chung là t 3 Ta dùng các ký hiệu sau: m x : kh i lượng của mẫu vật cần xác định nhiệt dung riêng t 2 : nhiệt độ của mẫu vật khi đã được nung nóng (t i nhiệt độ s i của nước)... nhôm dựa vào hiện tượng trao đ i nhiệt II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1 Mẫu vật cần xác định nhiệt dung riêng: đồng, nhôm 2 Bình trao đ i nhiệt 3 Thiết bị nung nóng 4 Đồng hồ đo nhiệt độ có khoảng đo nhiệt độ từ - 50 0C ÷ 150 0C 5 Cân 6 Hộp quả cân III CƠ SỞ LÝ THUYẾT Vật rắn cần đo nhiệt dung riêng m x được nung nóng bằng nước t i nhiệt độ xác định t 2 Sau đó được đưa vào một bình trao đ i nhiệt có chứa một... các quy tắc nhất thiết ph i tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số là: a) Không bao giờ được phép chuyển đ i thang đo khi đang có i n ở đầu đo 17 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ Đ I CƯƠNG I b) Không áp đặt i n áp, dòng i n vượt quá giá trị thang đo Trường hợp đ i lượng đo chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, r i rút i n ra để chọn thang thích hợp c) Để đo cường độ dòng i n nhỏ chạy trong... NGHIỆM VẬT LÝ Đ I CƯƠNG I ∆V = π ( R 2 − r 2 ) ∆ h + 2πhR ∆ R + 2πhr∆r Thay số vào ta có: ∆V = 0.243 10-6m3 V = (40,84 ± 0,24).10-6 m3 VII BIỂU DIỄN KẾT QUẢ BẰNG ĐỒ THỊ Giả sử đ i lượng y và đ i lượng x phụ thuộc nhau theo một m i tương quan y = f(x) nào đó mà chỉ có thể suy ra từ đồ thị Làm thí nghiệm nhiều lần, cứ m i giá trị của x ta có một giá trị y tương ứng Trên đồ thị Oxy, ứng v i m i cặp i m . 27 I. Mục đích thí nghiệm 27 II. Dụng cụ thí nghiệm 27 III. Cơ sở lý thuyết 27 IV. Trình tự thí nghiệm 29 V. Câu h i kiểm tra 30 B i 4: Con lắc vật lý 31 I. Mục đích thí nghiệm 31 II th i còn ph i phù hợp v i khả năng trang thiết bị của phòng thí nghiệm. Thí nghiệm vật lý đ i cương là một phần quan trọng của giáo trình vật lý đ i cương, v i mục đích giúp sinh viên hiểu. L I MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu về t i liệu học tập của sinh viên, thay mặt bộ môn Vật lý trường Đ i học Thủy l i chúng t i biên soạn cuốn sách Thí nghiệm vật lý đ i cương I để làm t i liệu