BÀI GIẢNG THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

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.

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 n

a a

a a a

1

3 2

(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 x,z, y rồi tính giá trị trung bình của A (A) theo công thức:

),,(x y z f

A  (1.2)

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

6

a Sai số tuyệt đối

Sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a trong lần đo thứ i là trị tuyệt đối của hiệu giữa giá trị đúng (trong thực tế a chưa biết, nên gần đúng ta thay a bằng

giá trị trung bình a ) và giá trị đo được ai trong lần đo ấy

i

i a a

a  

Thí dụ: Độ dài đúng của đoạn thẳng AB là a = 2,2 (cm) Trong các lần đo thứ

1, 2, 3… ta lần lượt thu được các kết quả là a1 = 2,1 (cm); a2 = 2,3 (cm); a3 = 2,4 (cm), khi đó sai số tuyệt đối của phép đo độ dài của đoạn thẳng AB trong các lần đo lần lượt là:

b Sai số tương đối

Sai số tương đối của phép đo đại lượng a là tỷ số giữa sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a và trị số đúng (trong thực tế a chưa biết, nên gần đúng ta

thay a bằng giá trị trung bình a) của đại lượng cần đo này

a

a

Như vậy, sai số tương đối cho ta biết mức độ chính xác của phép đo, tức

là phép đo sai số bao nhiêu phần trăm

Thí dụ: Khi đo hai đại lượng a, b ta được các kết quả:

a = 1,00 (m) và a = 0,01 (m)

b = 10,00 (m) và b= 0,01 (m) Chúng ta nhận thấy, sai số tuyệt đối của hai phép đo này bằng nhau nhưng sai số tương đối của chúng là khác nhau:

% 1 01 ,



% 1 , 0 001 ,

7

Đánh giá hai phép đo này, chúng ta thấy phép đo đại lượng b chính xác hơn gấp 10 lần so với phép đo đại lượng a (đại lượng a dài 1m mà sai lệch 1cm, trong khi đó đại lượng b dài 10m cũng chỉ sai lệch 1cm)

1.2.2.2 Những nguyên nhân dẫn đến sai số trong các phép đo

Khi đo các đại lượng vật lý, ta luôn mắc phải một sai số nào đó Chúng ta cần tìm nguyên nhân gây ra sai số và tìm cách hạn chế các sai số Một số nguyên nhân chủ yếu kể đến như sau:

- Do dụng cụ đo không hoàn hảo: Những dụng cụ đo dù có tinh vi đến mấy cũng có một độ chính xác nhất định

Thí dụ: Thước kẹp, có loại chính xác đến 0,05 (mm), có loại chính xác đến 0,02 (mm)

Mỗi dụng cụ đo có một độ chính xác nhất định, để đo một đại lượng, chúng

ta không tìm được kết quả có độ chính xác cao hơn độ chính xác của dụng cụ đo

Thí dụ: Cân kỹ thuật trong phòng thí nghiệm có độ chính xác là 10-2 gam Nghĩa

là với cân này ta không thể phát hiện được khối lượng nhỏ hơn 10-2 gam

Như vậy, dụng cụ đo là một trong số những nguyên nhân gây nên sai số trong các phép đo Loại nguyên nhân này có thể loại trừ được nhờ khi làm thí nghiệm, người đo có hiểu biết về dụng cụ, tiến hành đo một cách thận trọng, chính xác

- Do giác quan của người làm thí nghiệm: Kết quả thí nghiệm phụ thuộc nhiều vào giác quan của người đo, đặc biệt kết quả sẽ bị ảnh hưởng khi giác quan có tật, bệnh Nhờ thói quen nghề nghiệp, việc tìm hiểu kỹ các dụng cụ, tiến hành các phép đo cẩn thận có thể loại trừ, hạn chế sai số về mặt này

- Do đại lượng đo không có giá trị xác định

Khi tiến hành đo một đại lượng vật lý, chẳng hạn đo đường kính viên bi,

do viên bi khi sản xuất không hoàn toàn là hình cầu nên kết quả đo theo các phương khác nhau sẽ có các giá trị khác nhau… Trong các trường hợp ấy, chúng ta không thể tìm được trị số đúng của vật cần đo Đó cũng là một nguyên nhân gây nên sai số trong các phép đo

- Ngoài ra sự thay đổi bất thường của dụng cụ đo, của môi trường tiến hành thí nghiệm, sự nhầm lẫn của người đo cũng gây nên sai số trong phép đo

1.2.2.3 Phân loại sai số trong các phép đo

8

Có nhiều loại sai số gây ra bởi các nguyên nhân khác nhau, trong đó ta cần chú ý đến ba loại sai số sau:

- Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên là loại sai số khiến cho kết quả đo khi thì

lớn hơn, khi thì nhỏ hơn giá trị thực của đại lượng cần đo Nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên là giác quan của người làm thí nghiệm thiếu nhạy cảm, có tật, bệnh; điều kiện thí nghiệm thay đổi ngẫu nhiên ngoài khả năng khống chế của người đo Sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ hoàn toàn được, nhưng ta có thể giảm thiểu giá trị của nó bằng cách thực hiện phép đo cẩn thận nhiều lần trong cùng một điều kiện, sau đó xác định giá trị trung bình của nó dựa trên cơ sở của phép tính xác suất thống kê

- Sai số dụng cụ: Sai số dụng cụ là sai số do bản thân dụng cụ, thiết bị gây ra

- Sai số hệ thống: là sai số lặp lại một cách hệ thống, kết quả chỉ lệch về một

phía (lớn hơn hoặc nhỏ hơn) so với giá trị thực cần đo Nguyên nhân gây ra sai

số hệ thống là do dụng cụ chưa chỉnh đúng, do lý thuyết đo chưa hoàn thiện Sai

số này có thể loại trừ được bằng cách hiệu chỉnh dụng cụ trước khi đo…

Như vậy, mọi phép đo đều mắc phải sai số nào đó Muốn giảm sai số, người làm thí nghiệm phải kiên nhẫn, khéo léo, khách quan và phải tìm hiểu kỹ các dụng cụ đo lường và các đối tượng đo trước khi tiến hành thí nghiệm

1.2.3 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp

1.2.3.1 Sai số tuyệt đối của đại lượng đo trực tiếp

Khi tiến hành đo đại lượng a một cách trực tiếp, giá trị của đại lượng đo ở lần

đo thứ i là ai (i = 1,2,…,n), giá trị trung bình của đại lượng đo là a Sai số tuyệt

đối tương ứng trong từng lần đo của phép đo đại lượng a sẽ là a i  a a i (i =

1,2,…,n) Khi đó sai số tuyệt đối của phép đo nhận giá trị theo công thức:

max

a a

a i 

Thí dụ: Độ dài trung bình của đoạn thẳng AB là a = 2,2 (cm) Trong các lần đo

thứ 1, 2, 3 ta lần lượt thu được các kết quả là a1 = 2,1 (cm); a2 = 2,3 (cm); a3 = 2,4 (cm), khi đó sai số tuyệt đối của phép đo độ dài của đoạn thẳng AB là: aa a i max = 0,2 (cm)

1.2.3.2 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp

9

a Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo trực tiếp

Các đại lượng đo trực tiếp được tính toán và biểu diễn kết quả theo 4 bước sau:

+ Bước 1 Lặp lại nhiều lần phép đo đại lượng đo trực tiếp

Thí dụ: Với đại lượng a đo được các giá trị a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , a 5

+ Bước 2 Tính giá trị trung bình a của đại lượng a

5

5 4 3 2

a



+ Bước 3 Tính sai số tuyệt đối (sai số trung bình cực đại) của đại lượng đo trực

tiếp: là khoảng cách xa nhất giữa a và các giá trị đo khác nhau của a i (đo ở bước 1)

max

i

a a



a gọi là sai số trung bình cực đại của phép đo đại lượng a

+ Bước 4 Biểu diễn kết quả

Giá trị của đại lượng a được chấp nhận trong khoảng: aa aaa

Như vậy kết quả cuối cùng của phép đo được biểu diễn dưới dạng:

a  a   a (đơn vị đo trong hệ SI)

10

- Tính giá trị trung bình:

) ( 23 , 10 6

24 , 10 22 , 10 26 , 10 20 , 10 22 , 10 24 , 10

mm

- Tính sai số trung bình cực đại:

)(03,023,1020,

- Chỉ đọc và ghi các kết quả gần nhau, loại trừ các kết quả sai khác quá nhiều

- Mỗi lần đo phải thay đổi điều kiện thí nghiệm đi một chút

- Nếu đại lượng a không cho phép đo nhiều lần thì a có thể lấy bằng sai số đọc

Sai số đọc có giá trị bằng nửa độ chia của thiết bị

Thí dụ: Đo chiều dài l của thanh AB nhiều lần đều được kết quả là l = 235 (mm)

bằng thước đo có độ chia 1(mm) tức là độ chính xác tới 0,5(mm) thì kết quả đo là:

Thí dụ: Một ampe kế có cấp chính xác I = 1,5, thang đo sử dụng có giá trị cực

đại Im = 100 mA, thì sai số của bất kỳ giá trị nào đo được trên thang này cũng có giá trị bằng:

1.2.4 Cách tính sai số của đại lượng đo gián tiếp

Như ta đã biết phép đo gián tiếp là phép đo mà kết quả của nó được xác định gián tiếp thông qua công thức biểu diễn quan hệ hàm số giữa đại lượng cần

đo với các đại lượng đo trực tiếp khác Để tính sai số của các đại lượng trong phép đo gián tiếp, chúng ta áp dụng các định lý hoặc áp dụng phép tính vi phân

1.2.4.1 Các định lý về sai số

a Định lý 1

Sai số tuyệt đối của một tổng hay một hiệu bằng tổng các sai số tuyệt đối

của các số hạng có trong tổng hay hiệu đó

Nếu: X = a + b – c với: aa a; bb b; cc c

X  . với: aa a; bb b; cc c

Thì:

c

c b

b a

a c b a

Chú ý: Các định lý trên chỉ đúng khi a, b, c là những đại lượng độc lập với nhau

Nếu chúng là đại lượng phụ thuộc nhau ta phải dùng phép tính vi phân

- Trường hợp lũy thừa: m

a

a

a m

    (1.8)

1.2.4.2 Cách xác định sai số của phép đo các đại lượng đo gián tiếp

Giả sử đại lượng cần đo A liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp x, y, z

y y y

x x x

là kết quả của các phép đo trực tiếp

a Tính giá trị trung bình của đại lượng ( A) theo công thức:

),,(x y z f

A  (1.10)

b Tính sai số tuyệt đối A và sai số tỷ đối δA của đại lượng A

+ Trường hợp hàm A = f (x,y,z) là một tổng hoặc một hiệu của các đại lượng đo

trực tiếp Khi đó ta tính sai số tuyệt đối trước, sau đến giá trị trung bình A và suy ra sai số tương đối

Sai số tuyệt đối tính theo các bước sau:

- Tính vi phân toàn phần hàm f(x,y,z)

dz z

A dy y

A dx x

A dA

A x x

+ Trường hợp hàm A = f (x,y,z) là một tích, thương, lũy thừa của các đại lượng

đo trực tiếp x, y, z Khi đó ta tính sai số tương đối trước, sau đến giá trị trung

bình A và suy ra sai số tuyệt đối

Sai số tương đối tính theo các bước sau:

- Lấy loga cơ số e hàm số (1.10): lnA = lnf(x,y,z)

- Tính vi phân toàn phần của lnA:

A

dA)A(ln

- Lấy tổng giá trị tuyệt đối của các vi phân riêng phần Thay dấu vi phân

"d" bằng dấu sai số "", đồng thời thay x, y, z bằng các giá trị trung bình của

chúng và các sai số x, y, z bằng các giá trị sai số tuyệt đối đã được làm tròn

từ phương trình (1.9)

Sau khi xác định được sai số tương đối δA ta tính giá trị trung bình A

theo (1.10) và suy ra sai số tuyệt đối:

A  A.A

Chú ý: Sai số tuyệt đối và tương đối của phép đo các đại lượng đo gián tiếp

được làm tròn theo quy tắc (xem phần quy tắc tính và biểu diễn kết quả mục

1.2.5.2)

+ Trường hợp trong công thức tính đại lượng cần đo A có chứa những số cho

trước (không ghi sai số kèm theo) hoặc chứa những hằng số thì sai số của chúng

được xác định theo quy tắc sau: những hằng số như  = 3,141639; g = 9,7869

m/s2 (tại Hà Nội), thì lấy giá trị của hằng số đến chữ số mà sai số tương đối của

13

hằng số đó nhỏ hơn 1/10 giá trị sai số tương đối lớn nhất của các đại lượng khác

có trong công thức Khi ấy bỏ qua sai số tương đối của hằng số

c Kết quả phép đo gián tiếp được biểu diễn:

A A A

A A A

A, δA: Là sai số tuyệt đối và sai số tỷ đối của đại lượng A;

A: Là giá trị trung bình, tính theo biểu thức (1.10) và được quy tròn đến chữ số có nghĩa cùng bậc với sai số tuyệt đối

1.2.5 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp

1.2.5.1 Cách tính và biểu diễn kết quả của đại lượng đo gián tiếp

Giả sử đại lượng đo gián tiếp gọi là A, đại lượng A tính toán và biểu diễn

kết quả theo ba bước sau :

+ Bước 1 Tính giá trị trung bình của đại lượng gián tiếp theo công thức (1.10) + Bước 2 Tính sai số của đại lượng đo gián tiếp này bằng cách áp dụng phép

tính vi phân hoặc áp dụng các định lý về sai số (mục 1.2.4.2)

+ Bước 3 Biểu diễn kết quả

A A A (đơn vị trong hệ SI)

A A(dv )  A 0

1.2.5.2 Các chú ý quan trọng khi tính và biểu diễn kết quả

a Định nghĩa con số có nghĩa: Con số có nghĩa thứ nhất là con số khác 0 đầu

tiên, tính từ trái sang phải và kể từ con số khác không đầu tiên đó, tất cả các con

số đều là các con số có nghĩa

Thí dụ: + Số 0,014030 có 5 con số có nghĩa là 1, 4, 0, 3, 0, trong đó 1 là con số

có nghĩa thứ nhất, 4 là con số có nghĩa thứ 2

+ Số 302,0 có 4 con số có nghĩa là 3, 0, 2, 0, trong đó 3 là con số có nghĩa thứ nhất, 0 là con số có nghĩa thứ 2

b Quy tắc lấy sai số tuyệt đối: Sai số tuyệt đối phải được làm tròn để có đủ số

thập phân cần thiết theo quy tắc:

+ Sai số tuyệt đối được làm tròn đến con số có nghĩa thứ nhất nếu con số này  3 (tức là bằng 3,4 9)

(không được viết: A = 0,38cm 3 )

+ A = 174 mm 3 thì trước khi làm tròn ta đổi đơn vị và kết quả được: A = 0,174 cm 3 ≈ 0,17 cm 3

(không được viết: A = 0,2 cm 3 )

c Quy tắc lấy sai số tỷ đối: Khi làm tròn sai số tỷ đối, chỉ lấy tối đa hai con số

có nghĩa Sai số tỷ đối phải đổi ra phần trăm (%)

Thí dụ:

A = 0,0134 thì khi biểu diễn ta được: A = 1,3%

(không được viết: A = 1,34%)

d Quy tắc làm tròn giá trị trung bình khi biểu diễn kết quả: Giá trị trung bình

phải được viết đến bậc thập phân tương ứng với sai số tuyệt đối

Thí dụ: Đại lượng A tính được A 32 , 4026mm3 và 3

02218 ,

(

)(022,0403,32

dv A A

mm A

A A



1.2.5.3 Thí dụ về cách tính và biểu diễn kết quả với đại lượng đo gián tiếp

Tính và biểu diễn lực hướng tâm của một vật chuyển động tròn đều, theo

công thức

R

mv F

2

Các số liệu của đại lượng đo trực tiếp như sau:

m = (15,50  0,20)kg

v = (3,45  0,03)m/s

R = (150  5)m

) 45 , 3 ( 5 , 15

dv m

dm F

dF  2 

Suy ra:

R

R v

v m

m F

Thay số: ta đã biết trong thực tế F, m, v, R chưa biết, nên gần đúng ta

thay bằng giá trị trung bình:

R

R v

v m

m F

5 45 , 3

03 , 0 2 5 , 15

2 , 0

) )(

06 , 0 23 , 1 (

F F

N F

F F



1.2.5.4 Phương pháp biểu diễn kết quả phép đo bằng đồ thị

Phương pháp biểu diễn kết quả các phép đo bằng đồ thị được ứng dụng nhiều trong thí nghiệm vật lý Phương pháp này cho phép thể hiện một cách trực quan sự phụ thuộc hàm số của một đại lượng vật lý này vào một đại lượng vật lý

khác Giả sử đại lượng y và đại lượng x phụ thuộc nhau theo một mối tương quan y = f (x) nào đó mà chỉ có thể suy ra từ đồ thị Làm thí nghiệm nhiều lần,

cứ mỗi giá trị của x ta có một giá trị y tương ứng Trên đồ thị Oxy, ứng với mỗi cặp đại lượng (xi,yi) ta được một điểm Ai Tuy nhiên, mỗi lần đo xi, yi ta mắc một sai số xi, yi nào đó; thành thử trên đồ thị bây giờ ứng với một cặp giá trị (xi

Khi vẽ đồ thị ta phải chú ý sao cho:

a Đường cong phải rõ nét không gẫy khúc (vì các đại lượng vật lý biến thiên liên tục)

b Đường cong phải cắt tất cả các hình chữ nhật có tâm Ai, nếu đi qua các tâm Ai thì càng tốt, nếu không thì phải đi sao cho các hình chữ nhật phân bố đều hai bên đường cong

cho đồ thị cân đối, đường biểu

diễn nằm gọn trong giấy, gốc toạ độ không nhất thiết phải là (0;0)

Thí dụ: Nghiên cứu sự phụ thuộc điện trở R của đồng vào nhiệt độ bằng hàm

R t = R 0 (1+ t); R 0 và R t là điện trở của Cu ở nhiệt độ O0C và t0C;  là hệ số nhiệt điện trở Ta có các số liệu sau:

Căn cứ vào các số liệu trên, vẽ đồ thị biểu diễn hàm số R = f(t) như sau:

a Vẽ một hệ trục tọa độ vuông góc trên giấy kẻ ô milimét Trên trục tung ghi

các giá trị R, trên trục hoành ghi các giá trị của t Chú ý chọn tỷ lệ thích hợp trên

các trục để vẽ đồ thị được cân đối, rõ ràng, chính xác

A 4

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện trở R vào nhiệt độ

Chú ý: Nếu một chữ thập hay hình chữ nhật nào đó cách xa đường đồ thị thì điểm đó là sai cần đo lại hoặc loại bỏ

1.2.6 Bài tập và câu hỏi kiểm tra

1.2.6.1 Hãy tính sai số và biểu diễn kết quả của đường kính ống trụ khi dùng

thước kẹp có độ chính xác 0,02mm Kết quả giá trị được cho trong bảng:

2



với: a = (1,35 ± 0,03) cm; b = (5,210 ± 0,015)cm; c = (1,93 ± 0,03)cm

1.2.6.3 Hãy nêu cách vẽ đường cong thực nghiệm Khi sử dụng đường cong đó

để tìm cặp giá trị chưa đo thì sai số phải tính như thế nào?

18

Chương 2 CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG TRONG VẬT LÝ 2.1 Dụng cụ đo điện

2.1.1 Giới thiệu chung về dụng cụ đo điện

Trong quá trình làm các bài thí nghiệm, ta thường phải sử dụng các dụng

cụ đo điện (như Vôn kế, Ampe kế ), nhất là thí nghiệm phần điện - từ Sau đây

là mô tả nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của một số dụng cụ đo điện thường dùng

Người ta phân các dụng cụ đo điện ra làm hai loại: loại đo trực tiếp và loại

số dụng cụ đo thông dụng (bảng 2.1)

Bảng 2.1 Quy ước một số dụng cụ đo thông thường

19

Bảng 2.2 Một số ký hiệu trên các dụng cụ đo điện

Dòng điện một chiều

Dụng cụ đặt đứng Dụng cụ đặt nghiêng góc  Dụng cụ đặt nằm ngang Điện thế thí nghiệm đối với vật cách điện

của dụng cụ 2KV (2000V) Máy đo kiểu từ điện Máy đo kiểu điện từ Máy đo kiểu điện động Máy đo kiểu nhiệt điện

2.1.2 Các loại máy đo điện

Dựa trên nguyên tắc cấu tạo và hoạt động, máy đo điện được chia thành các nhóm dưới đây

2.1.2.1 Máy đo kiểu từ điện

Máy đo kiểu này có cấu tạo và hoạt động dựa trên hiện tượng quay của khung dây dẫn kín có dòng điện khi đặt nó vào trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu

Kim của máy đo được gắn liền với khung (dưới dạng lò xo) Dưới tác dụng của mômen lực từ lò xo xoắn dưới một góc nào đó làm kim quay Khi mômen phản kháng của lò xo cân bằng với mômen lực từ thì kim sẽ đứng yên

Máy đo loại này có những ưu điểm chính sau:

- Độ nhạy và độ chính xác cao, thang chia độ đều, chỉ số ổn định nhanh, không bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài;

2.1.2.2 Máy đo kiểu điện từ

Máy đo loại này được chế tạo dựa trên hiện tượng sắt từ bị hút vào miền

từ trường mạnh

Kim của máy đo được gắn vào một trục của cuộn dây, trên trục đó có đính lệch tâm một phiến sắt non Dưới tác dụng của từ trường phiến sắt non sẽ bị hút vào lòng ống dây và làm cho trục quay, lò xo bị xoắn lại và kim quay

Máy đo loại này có ưu điểm là đo được cả dòng một chiều lẫn xoay chiều, chịu tải tốt Tuy nhiên nó có một số nhược điểm sau:

Dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài;

Tiêu hao công suất lớn;

Một số máy đo thuộc loại này thường dùng là;

Ampe kế, Vôn kế dòng xoay chiều và một chiều

2.1.2.3 Máy đo kiểu điện động

Hoạt động của máy này dựa trên hiện tượng tác dụng tương hỗ giữa hai dây dẫn có dòng điện chạy qua

Máy gồm hai cuộn dây: cuốn cố định và cuộn động, kim đo gắn với cuộn động Khi đo dòng điện chạy qua hai cuộn thì cuộn động sẽ quay, làm cho kim

đo quay theo

Máy đo kiểu điện động có ưu điểm là có thể dùng cho dòng điện xoay chiều Tuy nhiên nó có hai nhược điểm lớn:

- Dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài;

- Tiêu hao nhiều năng lượng (trên các cuộn dây)

Máy đo loại này thường dùng là: ampe kế, vôn kế xoay chiều, pha kế, tần

số kế

21

2.1.3 Cách sử dụng các máy đo điện thông dụng

2.1.3.1 Ampe kế (hoặc MiliAmpe kế)

Để đo dòng điện bằng Ampe kế, người ta mắc nó vào mạch theo sơ đồ (hình 2.1)

Hình 2.1 Đo dòng điện bằng Ampe kế

Vì toàn bộ dòng điện đi qua Ampe kế nên điện trở trong của nó phải rất nhỏ để độ sụt thế trên dụng cụ không ảnh hưởng đến kết quả đo

Để có thể đo những dòng điện có cường độ lớn hơn (mở rộng thang đo của Ampe kế) người ta mắc sơn (có điện trở nhỏ) song song với Ampe kế theo

sơ đồ (hình 2.2)

Hình 2.2 Mắc sơn cho mạch điện

Dễ dàng tính được dòng điện qua Ampe kế:

R g - điện trở của sơn;

R a - điện trở của Ampe kế;

Tức là thang đo của Ampe kế được tăng (n + 1) lần

Cách tính kết quả đo trên Ampe kế như sau:

Nếu dùng thang đo có N vạch chia thì giá trị cường độ dòng điện ứng với vạch cuối cùng là giá trị lớn nhất mà Ampe kế đo được: I max Nếu kim Ampe kế chỉ n vạch thì dòng điện có cường độ:

max

I N

n

I  (2.2)

Thí dụ: Dùng thang đo với I max = 5A, thang đo có 100 vạch Nếu kim

Ampe kế chỉ 30 vạch thì cường độ của dòng điện là:

22

I 100.5A 1,5A

 (2.3) 2.1.3.2 Vôn kế

Vôn kế dùng để đo hiệu điện thế giữa hai đầu của một đoạn mạch Vôn kế được mắc vào mạch điện theo sơ đồ (hình 2.3)

Hình 2.3 Đo hiệu điện thế bằng Vôn kế

Để phép đo được chính xác Vôn kế phải có điện trở rất lớn để cường độ dòng điện qua nó có thể bỏ qua Người ta mở rộng thang đo bằng cách mắc thêm một điện trở phụ nối tiếp Vôn kế

Giống như Ampe kế, giá trị Um ứng với vạch cuối cùng của thang đo có N vạch là giá trị hiệu điện thế lớn nhất mà Vôn kế có thể đo được Nếu kim của Vôn kế chỉ n vạch thì hiệu điện thế đo có độ lớn:

)

(V

U N

n

U  m (2.4) 2.1.3.3 Đồng hồ vạn năng hiện số

a Cách sử dụng đồng hồ vạn năng để đo điện trở

V

R

23

(a)

(b) Hình 2.4 Đo điện trở bằng đồng hồ vạn năng hiện số

Xoay núm chuyển mạch về thang đo điện trở (Ω) và cắm hai đầu que đo vào hai lỗ cắm COM và VΩ như hình 2.4a Sau đó đưa đầu 2 que đo vào điện trở cần đo như hình 2.4b và đọc số chỉ trên màn hình Chú ý không được chạm tay vào chân linh kiện vì đồng hồ sẽ không chính xác khi đo cả điện trở của tay người Cũng không nên đo điện trở của linh kiện khi nó đang mắc trong mạch bởi điện trở có thể là của linh kiện khác trong mạch

b Cách sử dụng đồng hồ vạn năng để đo cường độ dòng điện

* Đo cường độ dòng điện một chiều

DCA

Xoay núm chuyển mạch của

đồng hồ về thang đo dòng điện một

chiều DCA (việc chọn thang đo tùy

thuộc vào dòng điện cần đo) Cắm

hai đầu que đo vào “COM” và

“10A” hoặc “20A” hoặc “A”, mắc

nối tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo

(hình 2.5) Đọc số chỉ trên màn hình Nếu trước số chỉ trên màn hình của đồng

hồ có dấu (-) ta phải đảo lại vị trí hai que đo

Hình 2.5 Đo cường độ dòng điện bằng đồng hồ vạn năng hiện số

24

* Đo cường độ dòng điện xoay chiều ACA

Xoay núm chuyển mạch của đồng hồ về thang đo dòng điện xoay chiều ACA Cắm hai đầu que đo vào “COM” và “10A” hoặc “20A” hoặc “A”, mắc nối tiếp đồng hồ với thiết bị cần đo Đọc số chỉ trên màn hình

c Cách sử dụng đồng hồ vạn năng để đo hiệu điện thế

* Đo hiệu điện thế một chiều DCV

Xoay núm chuyển mạch của

đồng hồ về thang đo hiệu điện thế một

chiều DCV Cắm hai que đo vào hai lỗ

cắm “COM” và VΩ, đưa hai que đo:

que dương vào cực dương; que âm vào

cực âm (mắc song song đồng hồ với

thiết bị cần đo – hình 2.6) Đọc chỉ số

trên màn hình Nếu trước số chỉ trên

màn hình của đồng hồ có dấu (-) ta

phải đảo lại vị trí hai que đo

* Đo hiệu điện thế xoay chiều ACV

Xoay núm chuyển mạch của

đồng hồ về thang đo hiệu điện thế xoay chiều ACV Cắm hai que đo vào hai lỗ cắm “COM” và VΩ, đưa hai đầu que đo vào hai điểm cần đo (mắc song song đồng hồ với thiết bị cần đo) Đọc chỉ số hiển thị trên màn hình

2.1.3.4 Cách tính sai số của đồng hồ vạn năng hiện số kiểu DT-9202

Thông thường một đồng hồ vạn năng hiện số loại 3 1/2 digit có 2000 điểm

đo (từ 0 đến 1999) Giả sử ta chọn thang đo hiệu điện thế một chiều DCV 20V, thì đại lượng:

0 , 01 V

2000

V 20





được gọi là độ phân giải của thang đo

Nếu hiệu điện thế ta đo được là U thì sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng U này là

U=(%).U+n. (2.5)

Hình 2.6 Đo hiệu điện thế bằng đồng hồ vạn năng hiện số

25

Trong công thức (2.5) :

U : Giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ;

 (%) : Cấp chính xác của thang đo;

 : Độ phân giải của thang đo;

n = 1,2,…(quy định theo từng thang đo bởi nhà sản xuất)

Cách tính tương tự đối với các thang đo hiệu điện thế khác, thang đo cường độ dòng và thang đo điện trở (bảng 2.3)

Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật của đồng hồ vạn năng kiểu DT-9202

2.1.3.5 Một số lưu ý khi sử dụng đồng hồ đo điện

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất thường là 200 mV và 200 A hoặc 2 mA, được dùng để đo các hiệu điện thế và cường độ dòng điện một chiều

rất nhỏ Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang này Nếu vô ý để hiệu điện thế

hoặc dòng điện lớn gấp 5  10 lần giá trị thang đo này, có thể gây ra hư hỏng

cho đồng hồ Vì vậy, các quy tắc nhất thiết phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ

vạn năng hiện số là:

26

a Không bao giờ được phép chuyển đổi thang đo khi đang có điện ở đầu đo

b Không áp đặt điện áp, dòng điện vượt quá giá trị thang đo Trường hợp đại lượng đo chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện ra

để chọn thang thích hợp

c Để đo cường độ dòng điện nhỏ chạy trong đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và “A” hoặc “mA” trên đồng hồ Hai đầu còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Núm chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo dòng điện một chiều, ACA để

đo dòng điện xoay chiều Sau lỗ “A” bên trong đồng hồ có cầu chì bảo vệ, nếu dòng điện đo vượt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngừng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới được thay thế Điều tai hại tương tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế Do vậy hãy thận trọng khi sử

dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì!

d Để đo cường độ dòng điện lớn 0  10A, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ

“COM” (lỗ chung) và “10A” (hoặc 20A) trên đồng hồ Hai đầu cốt còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí DCA-10A để đo dòng điện một chiều, ACA-10A để đo dòng điện xoay chiều Sau lỗ 10A (hoặc 20A), bên trong đồng hồ không có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản mạch thường gây cháy, nổ ở mạch điện hoặc ở nguồn điện

e Để đo điện áp một chiều, xoay chiều hoặc đo điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và “V” trên mặt đồng hồ Hai đầu còn lại của dây đo được mắc song song với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCV để đo điện áp một chiều, ACV để

đo điện áp xoay chiều, hoặc  để đo điện trở

f Khi đo các đại lượng một chiều thì đầu dây nối với cực âm luôn được nối với lỗ “COM”

Tóm lại: Chọn thang đo đúng, không nhầm lẫn khi thao tác đo hiệu điện thế

và cường độ dòng điện là hai yếu tố quyết định bảo vệ an toàn cho đồng hồ

27

2.2 Cân kỹ thuật

2.2.1 Cấu tạo cân kỹ thuật (cân phân tích)

Cấu tạo của cân gồm đòn cân

O1O2 bằng hợp kim cứng và nhẹ, trên

đó có khắc các khoảng chia độ bằng

nhau với vạch số 0 ở chính giữa và

hai phía của nó có ghi các vạch từ 1

đến 10 Thẳng phía dưới vạch số 0

này có một con dao O hình lăng trụ

bằng đá mã não gắn chặt với đòn cân

Cạnh của con dao O tựa trên mặt

phẳng ngang của một gối đỡ bằng đá

mã não đặt tại đỉnh trụ C Ở hai đầu

O1 và O2 của đòn cân cũng có hai con

dao bằng đá mã não (nhỏ hơn dao O) dùng để treo hai đĩa cân 1 và 2 Nhờ một kim dài K gắn với đòn cân ở phía dưới dao O và một thước T gắn ở chân trụ C,

ta có thể xác định được vị trí cân bằng của đòn cân O1O2 khi kim K chỉ đúng vạch số 10 nằm chính giữa thước nhỏ T Cân phân tích được đặt trong một tủ kính có thể đóng kín bằng hai cánh ở hai bên thành tủ để tránh ảnh hưởng của gió và bụi Phía dưới mặt đế cân có một núm xoay Q dùng để nâng hoặc hạ đòn cân lên xuống theo phương thẳng đứng (hình 2.7)

Kèm theo cân phân tích có một hộp đựng một bộ quả cân (100g, 50g, 20g, 10g, 5g, 2g, 1g, 500mg, 200mg, 100mg, 50mg, 20mg, 10mg) và một chiếc kẹp dùng để gắp các quả cân Ngoài các quả cân nói trên, còn có một quả cân nhỏ hình khuyên tai có khối lượng m* = 10mg - gọi là con mã, được treo ở đầu một chiếc móc nhỏ nằm ở phía trên đòn cân O1O2

Tuỳ thuộc vị trí đặt con mã trên đòn cân, khối lượng cho thêm vào một trong hai đĩa cân có thể thay đổi từ 1mg đến 10mg Ví dụ, muốn cho thêm vào đĩa cân bên phải 2mg, ta kéo núm V để dịch chuyển con mã m* đến vạch số 2 nằm bên phải vạch số 0 trên đòn cân O1O2 Sau đó, vặn từ từ núm V để đặt con

mã ngồi lên đòn cân và rút nhẹ chiếc móc ra khỏi con mã

28

2.2.2 Hướng dẫn sử dụng cân kỹ thuật

2.2.2.1 Vị trí cân bằng và độ nhạy của cân

a Vị trí cân bằng (vị trí số 0)

Vị trí số 0 của cân là vị trí số chỉ của kim khi hai đĩa không mang khối lượng nào Về nguyên tắc để xác định vị trí này ta thả cho cân dao động tự do rồi đợi cho đến khi kim chỉ thị dừng lại Nhưng đợi như vậy thường rất lâu, nên trên thực tế người ta làm như sau:

Theo dõi dao động của kim đọc các biên độ liên tiếp về bên trái và bên phải so với điểm 0 trên thước chia độ Giả sử e1, e3, e5 là các dao động về bên trái, e2, e4 là các dao động về bên phải Khi đó số 0 của cân sẽ là:

)2

ee3

eee(2

b Độ nhạy của cân

Độ nhạy của cân theo định nghĩa là khối lượng đặt vào đĩa cân làm kim chỉ thị di chuyển đi một độ chia

Giả sử ta đặt vào một đĩa cân một khối lượng nhỏ m và xác định được vị trí cân bằng mới của cân là e, thì độ nhạy của cân được xác định bằng biểu thức:

0

e e

bỏ qua sự phụ thuộc đó, mà coi độ nhạy có giá trị không đổi

2.2.2.2 Những lưu ý khi thao tác trên cân phân tích

- Hiệu chỉnh vị trí phẳng ngang của mặt gối đỡ cạnh dao O bằng cách vặn nhẹ vít V1 và V2 phía dưới đế cân sao cho “bọt nước” ở trên mặt đế (phía sau mặt trụ C) nằm chính giữa vòng tròn Tránh làm dịch chuyển cân sau khi đã hiệu chỉnh

- Hiệu chỉnh vị trí cân bằng của cân không tải bằng cách vặn nhẹ đối trọng Đ1

hoặc Đ2 ở đầu đòn cân sao cho khi quay núm Q (thuận chiều kim đồng hồ) để

29

cân hoạt động thì kim K dao động đều về hai phía hoặc dừng lại ở vạch chính giữa thước T

- Không cầm trực tiếp các quả cân bằng tay, phải dùng chiếc kẹp để gắp các quả cân

- Mỗi khi cho thêm vào hoặc bỏ bớt vật hay các quả cân ra khỏi đĩa cân phải đặt đòn cân ở vị trí “hãm” bằng cách vặn núm quay Q ngược chiều kim đồng hồ về tận cùng bên trái

- Chọn các quả cân thích hợp theo đúng thứ tự từ lớn đến nhỏ dần khi cho thêm chúng vào đĩa cân, kể cả con mã Nếu rút bớt các quả cân ra khỏi đĩa thì làm ngược lại

- Đóng kín các cánh tủ sau khi đã đặt vật và các quả cân vào các đĩa cân

- Khi cân xong, phải đặt đòn cân ở vị trí “hãm” và đặt các quả cân vào đúng vị trí trong hộp quả cân Lấy vật ra khỏi đĩa cân, đóng kín các cánh tủ

2.2.3 Các phương pháp cân

2.2.3.1 Phương pháp thông thường

Trong phương pháp này vật cần cân và các quả cân đặt ở hai đĩa khác nhau Giả sử vị trí cân bằng mới của cân là '

e Khi đó khối lượng vật cần cân mv

được xác định từ biểu thức:

)mg(eem

Trong công thức (2.7): mqc là tổng khối lượng các quả cân, e0 là vị trí số 0, dấu (+) lấy khi mv  mqc (nếu đặt các quả cân ở đĩa cân bên phải thì kim lệch sang phải), dấu (-) lấy trong trường hợp ngược lại

2.2.3.2 Phương pháp bì không đổi (còn gọi là phương pháp Menđeleep)

Phương pháp bì không đổi cho phép cân vật đạt kết quả với độ chính xác cao Phương pháp này thường dùng trong phòng thí nghiệm Nội dung của nó như sau:

- Trên đĩa cân bên trái ta đặt một vật làm bì Vật này được chọn sao cho khối lượng của nó lớn hơn khối lượng của vật cần cân một ít (chọn bằng cách cân sơ bộ) Trên đĩa cân bên phải ta đặt các quả cân để cân bì như làm trong phép cân thông thường ở phần a Giả sử khối lượng của các quả cân là m1

30

- Bỏ bớt một số quả cân ở đĩa cân bên phải ra và đặt vào đó vật cần cân (số quả cân rút bớt có khối lượng xấp xỉ khối lượng của vật) Giả sử khối lượng của các quả cân trên đĩa phải lúc này là m2

Khối lượng vật cần cân m sẽ được xác định từ biểu thức:

) (

2 1 2

Ưu điểm dễ thấy của phương pháp bì không đổi là độ nhạy của cân không thay đổi (vì trong quá trình cân khối lượng không đổi) Hơn nữa phương pháp này đơn giản hơn so với các phương pháp khác (như phương pháp thay thế và phương pháp lặp)

2.2.3.3 Hiệu chỉnh sức đẩy Acsimet

Như đã biết, trọng lượng của một vật nằm trong một chất lưu (chất lỏng hay chất khí) bị giảm đi một lượng bằng trọng lượng của chất lưu đã bị vật thay thế (định luật Acsimet) Do đó những kết quả cân nói trên chỉ cho ta giá trị biểu kiến của khối lượng Muốn được khối lượng đúng của vật ta phải hiệu chỉnh kết quả Khi tính đến sức đẩy Acsimet, lực tác dụng lên đầu đòn cân sẽ bằng trọng lượng của vật trừ đi sức đẩy Acsimet mà không khí đã tác dụng lên vật Tương

tự như vậy đối với các quả cân Gọi :

- m và  tương ứng là khối lượng và khối lượng riêng của vật;

- o là khối lượng riêng của không khí ;

- '

m và  ' là khối lượng và khối lượng riêng của các quả cân

Điều kiện cân bằng lúc này sẽ là:

g

m g m g

1

'1

mm

'1

Kết quả cuối cùng là:

)1

(m

' 0 '

32

Chương 3 CÁC BÀI THÍ NGHIỆM

ii Nắm được cấu tạo của thước kẹp, pan-me

iii Biết cách sử dụng thước kẹp, pan-me để xác định kích thước các vật mẫu

iv Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu

2 Cơ sở lý thuyết

Đo độ dài là một trong những phép đo vật lý cơ bản nhất Để đo độ dài, người ta thường sử dụng thước Đơn vị độ dài trong hệ SI là mét Để tăng độ chính xác của phép đo với một thước đo đã chọn, người ta thường sử dụng du xích hoặc đinh ốc vi cấp

2.1 Thước kẹp

Thước kẹp dùng để đo đường kính trong, đường kính ngoài của một vật hình trụ, khối hộp hoặc những vật có độ dài khác nhau Trong bài này ta dùng thước kẹp có độ chính xác 0,02mm (hình 3.1)

Hình 3.1 Thước kẹp

33

2.1.1 Cấu tạo thước kẹp

Một thước kẹp thông thường có cấu tạo như mô tả trên hình 3.2, gồm có 2 phần:

- Phần chính hàm AE (hàm 12) là một thanh kim loại giống hình chữ T,

thân của nó là một thước chia độ đến mm

- Phần phụ hàm BF (hàm 1’2’) có thể trượt song song trên thước chính, tạo với thước chính một hàm kẹp có các mặt đối diện phẳng song song với nhau

Trên phần phụ có lắp du xích '

T Khi 2 hàm kẹp chập nhau thì vạch số 0 của du xích trùng với vạch số 0 của thước chính Muốn xê dịch phần phụ ta làm như sau: Tay trái giữ cố định hàm thước chính, tay phải giữ phần phụ, dùng ngón tay cái ấn vào vị trí V rồi kéo ra hoặc đẩy phần phụ dọc theo thân thước

Sau khi kẹp vật cần xác định kích thước vào giữa hai hàm kẹp ta vặn vít 3

để cố định du xích

Chú ý: Khi chế tạo thước kẹp, người ta khắc thước chính và du xích sao

cho khi hai hàm kẹp chập nhau thì vạch số 0 của du xích trùng với vạch số 0 của thước chính Do đó khi đo chiều dài của vật, đọc số đo trên thước chính ứng với vạch số 0 của du xích, ta biết được chiều dài của vật

2.1.2 Du xích của thước kẹp

Là loại du xích thẳng, được chia theo nguyên tắc: lấy 49 khoảng chia của thước trên hàm AE (tức là 49mm) đem chia thành 50 phần bằng nhau Như vậy, một khoảng chia của du xích có giá trị là 49/50mm Nên mỗi khoảng chia của thước lớn hơn khoảng chia của du xích là:

) ( 02 , 0 50

1 50

49 50

Thí dụ: Trên hình 3.2, vạch số 0 của du xích trong khoảng 4 mm và 5 mm

 Kết quả: Kích thước của vật là 4 + 0,46 = 4,46 mm

 Chú ý: Trên du xích đã nhân sẵn 5 vạch thành 0,1 mm Do đó, khi đo cần

tìm hiểu rõ cách đọc trên du xích

2.2 Panme

Panme dùng để đo độ dài của các vật, đường kính của các vật hình cầu nhỏ Trong bài này ta sử dụng panme 0 – 25 mm với độ chính xác 0,01 mm(hình 3.3)

Hình 3.3 Thước panme

2.2.1 Cấu tạo thước panme

Panme có cấu tạo như hình 3.4 Cũng tương tự như thước kẹp, vật cần đo được kẹp giữa hàm cố định A và hàm dịch chuyển B: trước hết, ta nới lỏng chốt

D rồi vặn ống C để hàm B di chuyển ra xa Đặt vật vào giữa hai hàm AB, vặn ốc

E đến khi nghe tiếng lạch tạch là lúc hàm B đã kẹp chặt vật

 Phần lẻ: Đọc trên du xích (ống C) Ta đọc vạch nào trên du xích trùng

hoặc gần nhất với vạch ngang trên ống K

Thí dụ: Trên các hình 3.5a, 3.5b đều là vạch 24

36

2.2.3 Hiệu chỉnh số 0

Một panme đúng khi hai hàm AB khít vào nhau (với panme 0 – 25 mm) thì vạch số 0 trên du xích sẽ trùng với vạch gốc (hình 3.6a) Khi vạch số 0 của du xích và vạch gốc lệch nhau, ta nói panme có sai số

 Trường hợp vạch số 0 chưa đến vạch gốc (hình 3.6b) ta có sai số trừ

Thí dụ: Trên hình 3.6b, vạch gốc và vạch 0 trên du xích lệch 2 vạch (tương ứng

0,02mm), nghĩa là thước có sai số (-0,02) mm, các kết quả đọc bằng thước này phải trừ đi 0,02 mm ta mới có kết quả đúng

 Trường hợp vạch số 0 quá vạch gốc (hình 3.6c) ta có sai số cộng

Thí dụ: Trên hình 3.6c, vạch 0 trên du xích quá vạch gốc là 3 vạch (tương ứng

0,03 mm), nghĩa là thước có sai số (+0,03) mm, các kết quả đọc bằng thước này phải cộng thêm 0,03 mm ta mới có kết quả đúng

3 Trình tự thí nghiệm

3.1 Thước kẹp

a Tìm hiểu kỹ dụng cụ, nhất là cách đọc du xích của thước kẹp

b Đo kích thước hình trụ rỗng: đường kính ngoài D và chiều cao h bằng hàm kẹp AB, đường kính trong d bằng hàm kẹp EF Kết quả ghi vào bảng 3.1

c Đo kích thước hình trụ đặc: đường kính D và chiều cao h bằng hàm kẹp AB

Kết quả ghi vào bảng 3.2

d Đo kích thước khối hộp chữ nhật: ba cạnh tương ứng là a, b, c đều bằng hàm

kẹp AB Kết quả ghi vào bảng 3.3

37

Lưu ý đặc biệt: không được vặn ống C quá chặt để tránh biến dạng vật, dẫn đến

kết quả sai và làm hỏng panme Để tránh tình trạng này ở cuối ống C có núm N, khi xoay núm này có tiếng “tạch tạch” thì dừng lại, không được xoay tiếp nữa và chốt khoá K lại

4 Câu hỏi kiểm tra

4.1 Nêu nguyên tắc cấu tạo thước kẹp và thước panme

4.2 Trình bày cách đo kích thước các vật trụ rỗng, trụ đặc và khối hộp bằng thước kẹp 4.3 Trình bày cách đo kích thước viên bi hình cầu bằng thước panme

5 Báo cáo thí nghiệm

Điểm Thời gian lấy số liệu:

Ngày ……… tháng ……… năm ………

Chữ ký của giáo viên hướng dẫn:

5.1 Mục đích thí nghiệm

d d d

D D D h d D

b Tính và biểu diễn kết quả đại lượng thể tích







4 ) (D2 d2 h

D

d d D D

V V V

D D D h D

b Tính và biểu diễn kết quả đại lượng thể tích





4

2h D

V V V



5.3.3 Khối hộp chữ nhật

a Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp

b b b

a a a c b a

b Tính và biểu diễn kết quả đại lượng thể tích

b a

a V

V V V



5.3.4 Hình cầu (Viên bi)

a Tính và biểu diễn kết quả đại lượng đo trực tiếp

b Tính và biểu diễn kết quả đại lượng thể tích



 6

V V V



5.4 Nhận xét và đánh giá kết quả

(Trình bày ý nghĩa vật lý của bài thí nghiệm, nhận xét và đánh giá kết quả đo được, kiến nghị)