Tài liệu thực hành môn vật lý 1

ThS NGUYỄN VŨ CẨM BÌNH Bài Giảng TÀI LIỆU THỰC HÀNH MÔN VẬT LÝ TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2015 LỜI MỞ ĐẦU Thí nghiệm thực hành vật lý có ý nghĩa vai trị quan trọng việc hỗ trợ sinh viên học tập môn Vật lý trường đại học Thực hành vật lý khơng giúp sinh viên có nhìn trực quan nghiệm lại tượng vật lý mà giúp sinh viên rèn luyện phương pháp tư duy, tác phong nghiên cứu khoa học cần thiết phục vụ cho môn học tiếp sau Để nâng cao lực thực hành, thực tập sinh viên đáp ứng yêu cầu đào tạo tín Nhà trường đề ra, Bài giảng Thực hành Vật lý biên soạn nâng cao, sử dụng làm tài liệu học tập tham khảo nội dung môn học Vật lý Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt, dành cho sinh viên khối ngành: Kỹ thuật cơng trình xây dựng, Kỹ thuật khí, Kỹ thuật công nghệ điện tử, Hệ thống thông tin Cơng nghệ vật liệu Bài giảng gồm có 10 thí nghiệm thuộc lĩnh vực Cơ học, Nhiệt học Điện học Các thí nghiệm chọn lọc đảm bảo mục đích, u cầu mơn học Vật lý đồng thời phù hợp với điều kiện trang thiết bị phịng thí nghiệm Cùng với thí nghiệm, giảng đưa vào nội dung lý thuyết sai số để hỗ trợ sinh viên trình thí nghiệm hồn thiện báo cáo thực hành Cuối giảng có phần phụ lục để sinh viên tiện tham khảo, tra cứu Trong trình biên soạn giảng Thực hành Vật lý tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận nhận xét đóng góp ý kiến người đọc để hoàn thiện giảng Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ý kiến đóng góp q báu hỗ trợ nhiệt tình trình biên soạn giảng GVC.ThS Nguyễn Văn Hịa, GV.ThS Lưu Bích Linh, GV.ThS Bùi Thị Tồn Thư đồng chí giáo viên mơn Vật lý, Khoa Cơ điện Cơng trình Người biên soạn GV.ThS Nguyễn Vũ Cẩm Bình Chương LÝ THUYẾT SAI SỐ 1.1 Giá trị trung bình đại lượng đo 1.1.1 Phép đo đại lượng vật lý Mỗi tính chất vật lý đối tượng vật chất đặc trưng đại lượng vật lý (độ dài, khối lượng, thời gian, nhiệt độ, điện tích…) Để xác định định tính định lượng tính chất vật lý, người ta tiến hành phép đo đại lượng vật lý Phép đo đại lượng vật lý phép so sánh với đại lượng loại quy ước chọn làm đơn vị đo Kết phép đo đại lượng vật lý biểu diễn giá trị số kèm theo đơn vị đo tương ứng Thí dụ: Độ dài cạnh bàn L = 1,002 m; khối lượng vật m = 522 g Muốn thực phép đo, người ta phải xây dựng lý thuyết phương pháp đo sử dụng dụng cụ đo (thước, panme, cân, đồng hồ bấm giây, ampe kế, vôn kế,…) Hiện dùng đơn vị đo quy định bảng đơn vị đo lường quốc tế SI gồm đơn vị vật lý đơn vị dẫn xuất khác (xem phụ lục 2) 1.1.2 Giá trị trung bình đại lượng đo trực tiếp (hay đại lượng trung gian) Các đại lượng trung gian đại lượng đo trực tiếp dụng cụ, thiết bị thí nghiệm Với thí nghiệm, có nhiều đại lượng đo trực tiếp khác Mỗi đại lượng đo trực tiếp lại dùng phương pháp đo cụ thể, q trình làm thí nghiệm khơng thể tránh khỏi sai số nên người tiến hành thí nghiệm thường phải lặp lặp lại phép đo để đảm bảo độ xác định Như vậy, kết đo đại lượng trung gian thường tập hợp giá trị gần giống nhau, có độ sai lệch nhỏ, giá trị tương ứng với lần thực phép đo Để lấy kết gần với kết thực, thông thường người ta chọn giá trị trung bình giá trị thu lần đo làm kết đại lượng đo trực tiếp Nếu với đại lượng a đo giá trị a1, a2,…, an, giá trị trung bình a đại lượng a tính theo cơng thức tốn học: a a1  a2   an n (1.1) Lý thuyết thực nghiệm chứng minh số lần đo nhiều, giá trị đo có độ sai số nhỏ so với giá trị trung bình gần giá trị thực 1.1.3 Giá trị trung bình đại lượng đo gián tiếp Nhiều đại lượng không đo trực tiếp mà phải thông qua việc đo đại lượng khác dùng công thức tính tốn kết quả, gọi đại lượng đo gián tiếp Như nói trên, đại lượng đo trực tiếp thường lấy giá trị giá trị trung bình lần đo thực nghiệm, nên thay vào biểu thức để xác định đại lượng đo gián tiếp, kết thu giá trị trung bình đại lượng đo gián tiếp Thí dụ: Nhiệt lượng Q tỏa dây dẫn có dịng điện I chạy qua xác định biểu thức định luật Jun - Lenxơ: Q = R.I2.t giá trị trung bình nhiệt lượng Q là: Q  R.I t 1.2 Sai số phép đo 1.2.1 Định nghĩa sai số phép đo đại lượng vật lý Trong q trình tiến hành thí nghiệm vật lý, đo đếm đại lượng vật lý trung gian đó, kết thu lần đo khác nhiều nguyên nhân độ nhạy độ xác dụng cụ đo bị giới hạn, khả thao tác thí nghiệm người đo, điều kiện mơi trường làm thí nghiệm khơng hồn tồn ổn định, lý thuyết phương pháp đo gần đúng,… Điều cho thấy khơng thể đo xác tuyệt đối giá trị thực đại lượng vật lý cần đo, tức kết phép đo có sai số Như đo đại lượng vật lý, việc phải xác định giá trị đại lượng cần đo, phải xác định sai số phép đo Có nhiều loại sai số gây nguyên nhân khác nhau, ta ý đến loại sai số sau:  Sai số hệ thống Sai số hệ thống sai số làm cho kết đo thay đổi theo chiều định tăng giảm so với giá trị thực Nguyên nhân sai số này, phần lớn dụng cụ khơng xác, điều chỉnh không (xác định vạch số dụng cụ ngồi chưa vị trí…) Loại sai số loại trừ nhờ làm thí nghiệm, người đo có hiểu biết dụng cụ, tiến hành đo cách thận trọng, xác  Sai số ngẫu nhiên (hay Sai số bất định) Sai số ngẫu nhiên sai số không nguyên nhân định gây nên Sai số làm kết phép đo thăng giáng ngẫu nhiên lớn nhỏ giá trị thực Nguyên nhân sai số giác quan người làm thí nghiệm, thân đại lượng đo ảnh hưởng môi trường Sai số khó loại bỏ được, đóng vai trò chủ yếu sai số phép đo Muốn giảm sai số ngẫu nhiên, người làm thí nghiệm phải kiên nhẫn, khéo léo, khách quan phải tìm hiểu kỹ dụng cụ đo lường đối tượng đo trước tiến hành thí nghiệm 1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sai số Ta chia nguyên nhân sai số thành hai loại sau: a Nguyên nhân khách quan Nguyên nhân khách quan sai số biểu mặt sau: - Do dụng cụ thí nghiệm: Mỗi dụng cụ thí nghiệm dù chế tạo tinh vi đến đâu, có độ xác định Thí dụ: Cân kỹ thuật phịng thí nghiệm có độ xác 10-2 gam Nghĩa với cân ta phát khối lượng nhỏ 10-2 gam - Do thân đại lượng đo chứa sẵn đại lượng khơng xác định - Do thay đổi bất thường dụng cụ môi trường xung quanh ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất,… b Nguyên nhân chủ quan Dùng giác quan người để thu nhận kết tránh khỏi sai số Nhờ thói quen nghề nghiệp, việc tìm hiểu kỹ dụng cụ, tiến hành phép đo cẩn thận loại trừ sai số mặt 1.3 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp (Đại lượng trung gian) 1.3.1 Sai số đại lượng phép đo trực tiếp Sai số đại lượng phép đo trực tiếp độ chênh lệch cực đại giá trị trung bình a giá trị đo khác (i = 1, 2, …, n) biểu diễn dạng: a  a i  a max (1.2) a: sai số trung bình cực đại phép đo đại lượng a 1.3.2 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp a Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp Ta tính sai số biểu diễn kết đại lượng đo trực bước sau:  Bước 1: Lặp lại nhiều lần phép đo với đại lượng trung gian a ghi kết đo vào bảng số liệu  Bước 2: Tính giá trị trung bình a đại lượng a đo  Bước 3: Tính sai số trung bình cực đại a phép đo đại lượng a  Bước 4: Biểu diễn kết phép đo Sau tính tốn giá trị trung bình sai số trung bình cực đại đại lượng đo trực tiếp, kết phép đo biểu diễn sau: a  a  a (đơn vị) b Thí dụ Đo đường kính đoạn dây dẫn - Kết thu bảng số liệu sau: Lần đo Đường kính d (mm) 5,24 5,23 5,20 5,25 5,21 5,24 (1.3) - Tính giá trị trung bình: d 5,24  5,23  5,20  5,25  5,21  5,24  5,22833(mm)  5,23(mm) - Tính sai số trung bình cực đại: d  5,20  5,23  0,03(mm) - Biểu diễn kết quả: d  d  d  (5,23  0,03)(mm) c Chú ý - Chỉ đọc ghi kết gần nhau, loại trừ kết sai khác nhiều - Mỗi lần đo phải thay đổi điều kiện thí nghiệm chút Thí dụ: Trong phép đo đường kính dây dẫn, ta chuyển vị trí đo dọc theo trục dây dẫn - Nếu đại lượng a không cho phép đo nhiều lần a lấy sai số đọc Sai số đọc có giá trị nửa độ chia thiết bị Thí dụ: a nhiệt độ xác định nhiệt biểu có độ chia 1/10o sai số đọc 1/20o = 0,05o Ta có kết quả: a = ađọc  0,05o - Đối với dụng cụ đo điện, sai số tuyệt đối đại lượng x tính theo cơng thức: x  x 100 x m , x cấp xác thang đo, xm giá trị giới hạn thang đo 1.4 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo gián tiếp 1.4.1 Sai số đại lượng phép đo gián tiếp a Khái niệm sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối sai số phép đo đại lượng a lần đo thứ i hiệu trị số a giá trị số đo lần đo (1.4) ai  a  Sai số tuyệt đối cho ta biết đại lượng đo bị lệch so với giá trị thực b Khái niệm sai số tỷ đối Sai số tỷ đối tỷ số sai số tuyệt đối a trị số đại lượng a: a  a a (1.5) Trong thực tế a chưa biết, nên gần ta thay a giá trị trung bình a : a  a (1.6) a Sai số tỷ đối cho ta biết mức độ xác phép đo, tức phép đo sai số phần trăm Thí dụ: Đo nhiệt lượng tỏa hai dây dẫn ta kết nhiệt lượng trung bình tương ứng Q1  1024,5( J ) Q2  2075,5( J ) ; sai số tuyệt đối phép đo Q1  20,5( J ) Q2  20,5 J Hai phép đo có sai số tuyệt đối sai số tỷ đối phép đo khác nhau, tương ứng là: Q1  Q2  Q1 Q1 Q2 Q2  20,5  0,020 2% 1024,5  20,5  0,00991% 2075,5 Như vậy, phép đo nhiệt lượng dây dẫn thứ hai có độ xác cao có sai số tỷ đối nhỏ Với phép đo gián tiếp phép đo mà kết xác định gián tiếp thông qua công thức biểu diễn quan hệ hàm số đại lượng cần đo với đại lượng đo trực tiếp khác Để tính sai số đại lượng phép đo gián tiếp, áp dụng định lý áp dụng phép tính vi phân 1.4.2 Các định lý sai số a Định lý Sai số tuyệt đối tổng hay hiệu tổng sai số tuyệt đối số hạng Nếu: X = a + b – c với: a  a  a ; b  b  b ; c  c  c thì: X  a  b  c (1.7) Chú ý: Điều kiện để áp dụng định lý a, b, c phải đại lượng độc lập với b Định lý Sai số tỷ đối tích hay thương tổng sai số tỷ đối thừa số Nếu: X  a.b c với: a  a  a ; b  b  b ; c  c  c Thì: X  a  b  c  a b c   a b c (1.8) Chú ý: Các định lý a, b, c đại lượng độc lập với Nếu chúng đại lượng phụ thuộc ta phải dùng phép tính vi phân 10 - Núm xoay nguồn Un đặt vị trí (hiệu điện nguồn điện thay đổi từ đến 100 V nhờ biến trở núm xoay mắc hai chốt P E1) - Khóa K (cơng tắc) trạng thái ngắt điện Chú ý: Sau mắc xong mạch điện, phải mời giáo viên tới kiểm tra hướng dẫn cách tiến hành phép đo R Q L P để tránh làm hỏng dụng cụ thí nghiệm + Ne V c Bấm khóa K mặt - Un máy MC-956 để đóng điện E1 E vào máy: đèn LED phát sáng Vặn từ từ núm xoay Hình 3.31 Sơ đồ mạch đo hiệu điện sáng US nguồn điện Un để tăng dần hiệu điện tắt UT đèn neon hiệu điện U hai cực đèn neon Ne đèn bừng sáng Đọc ghi giá trị hiệu điện sáng US (US hiệu điện lúc đèn bắt đầu sáng, hiệu điện ổn định sau đèn sáng) vôn kế V vào bảng số liệu 3.18 Sau vặn từ từ núm xoay nguồn điện Un để giảm dần hiệu điện U hai cực đèn Neon đèn tắt Đọc ghi giá trị hiệu điện tắt UT vôn kế V vào bảng số liệu 3.18 Thực động tác lần ghi giá trị tương ứng US UT vào bảng số liệu 3.18 (Có thể mắc thêm miliampekế A hai chốt Q L để quan sát cường độ dòng điện chạy qua đèn neon Ne phát sáng) Vặn núm xoay nguồn Un vị trí Bấm khóa K mặt máy MC956 để ngắt điện Tháo bỏ điện trở bảo vệ R khỏi mạch điện 3.2.2 Nghiệm công thức xác định P R0 Q L chu kỳ  mạch dao động tích +U - n phóng a Mắc lại mạch điện mặt máy MC-956 theo sơ đồ mạch điện hình 3.32, đó: - Vơn kế V mắc hai chốt P E1 V C0 Ne E1 E Hình 3.32 Sơ đồ mạch xác định chu kỳ mạch dao động tích phóng 90 - Tụ điện mẫu C0 mắc song song với đèn Neon Ne hai chốt L E - Điện trở mẫu R0 mắc nối tiếp với đèn Neon Ne hai chốt P Q b Đặt đầu cảm biến thu – phát quang điện hồng ngoại lên mặt máy cho đèn neon Ne nằm hai lỗ cửa sổ đầu cảm biến Cấm đầu cảm biến vào ổ A máy đo thời gian đa số MC-963A Vặn núm chọn kiểu đo “MODE” sang vị trí n = 50 Gạt núm chọn thang đo thời gian “TIME RANGE” sang vị trí 99,99 Mời giáo viên tới kiểm tra mạch điện mặt máy MC-956 Cắm phích lấy điện máy vào nguồn điện 220 V c Bấm khóa K mặt máy MC-956 để đóng điện vào máy: đèn LED phát sáng Vặn núm xoay nguồn điện Un để vôn kế V giá trị Un = 90V giữ giá trị không đổi thời gian mạch điện R0C0 thực dao động tích phóng Theo cơng thức (3.87), chu kỳ dao động tích phóng 0 mạch điện R0C0 tính bằng:   R0 C ln U n U T U n U S (3.88) d Cắm phích điện lấy điện máy đo thời gian MC-963A vào nguồn điện 220V Bấm khóa đóng điện K: đèn thị số phát sáng khung cửa sổ “CHU KỲ” “THỜI GIAN” Bấm nút “RESET” để đưa thị số trạng thái số Sau đó, máy đo thời gian MC-963A tự động đo khoảng thời gian t0 n = 50 chu kỳ dao động tích phóng 0 mạch điện R0C0 ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp đèn neon Ne Thực lần phép đo t0 Đọc ghi giá trị tương ứng t0 lần đo vào bảng số liệu 3.18 Từ suy chu kỳ dao động tích phóng 0 mạch điện R0C0 đo bằng: 0  t0 t0  n 50 (3.89) Dễ dàng nghiệm lại công thức (3.87) cách so sánh kết xác định 0 theo công thức (3.88) (3.89) e Vặn núm xoay nguồn Un vị trí Bấm khóa K mặt máy MC956 để ngắt điện 91 32.3 Xác định điện trở RX a Thay điện trở cần đo RX vào vị trí điện trở mẫu R0 mắc hai chốt P Q sơ đồ mạch điện hình 3.32 Bấm khóa K mặt máy MC-956 để đóng điện vào máy: đèn LED sáng Vặn núm xoay nguồn điện Un để vôn kế V giá trị Un = 90 V giữ giá trị không đổi thời gian mạch điện RXC0 thực dao động tích phóng Theo cơng thức (3.87), chu kỳ dao động tích phóng x mạch điện RXC0 tính bằng:  x  R x C ln U n U T U n U s (3.90) b Bấm nút “RESET” máy đo thời gian MC-963A để đưa thị số trạng thái số Sau máy đo thời gian MC-963A tự động đo khoảng thời gian tx n = 50 chu kỳ dao động tích phóng x mạch điện RXC0 ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp đèn Neon Ne Thực lần phép đo tx Đọc ghi giá trị tương ứng tx lần đo vào bảng số liệu 3.18 Từ suy chu kỳ dao động tích phóng x mạch điện RxC0 đo bằng: x  tx tx  n 50 (3.91) Chia công thức (3.90) cho (3.88), đồng thời ý đến (3.89) (3.91) ta tìm được: R x  R0 x t  R0 x 0 t0 (3.92) c Vặn núm xoay nguồn Un vị trí Bấm khóa K mặt máy MC956 để ngắt điện 3.2.4 Xác định điện dung Cx a Thay tụ điện có điện dung cần đo CX vào vị trí tụ điện mẫu C0 mắc hai chốt L E, thay RX R0 sơ đồ mạch điện hình 3.32 Bấm khóa K mặt máy MC-956 để đóng điện vào máy: đèn LED sáng Vặn núm xoay nguồn điện Un để vôn kế V giá trị Un = 90 V giữ giá trị không đổi thời gian mạch điện R0CX thực dao động tích phóng Theo cơng thức (3.87), chu kỳ dao động tích phóng x’ mạch điện R0CX tính bằng: 92  x '  R0 C X ln U n U T U n U s (3.93) b Bấm nút “RESET” máy đo thời gian MC-963A để đưa thị số trạng thái số Sau máy đo thời gian MC-963A tự động đo khoảng thời gian tx’ n = 50 chu kỳ dao động tích phóng x’ mạch điện R0CX ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp đèn neon Ne Thực lần phép đo tx Đọc ghi giá trị tương ứng tx lần đo vào bảng số liệu 3.18 Từ suy chu kỳ dao động tích phóng x’ mạch điện RxC0 đo bằng:  x ' tx ' tx '  n 50 (3.94) Chia công thức (3.93) cho (3.88), đồng thời ý đến (3.89) (3.94) ta tìm được: C x  C0  x' t'  C0 x 0 t0 (3.95) c Đọc ghi số liệu sau vào bảng số liệu 3.18 - Giá trị cực đại Um thang đo vôn kế V cấp xác V - Giá trị điện trở mẫu R0 sai số tương đối (%) - Giá trị điện dung mẫu C0 sai số tương đối (%) d Vặn núm xoay nguồn Un vị trí Bấm khóa K mặt máy MC956 MC-963A để ngắt điện IV CÂU HỎI KIỂM TRA Câu Mô tả mạch dao động tích phóng dùng đèn neon Vẽ sơ đồ mạch điện chứng minh công thức xác định chu kỳ dao động tích phóng mạch Câu Trình bày cách đo hiệu điện sáng US hiệu điện tắt UT đèn neon Tại mạch điện phải mắc điện trở R = 100 K nối tiếp với đèn Neon Câu Nêu phương pháp nghiệm lại công thức xác định chu kỳ dao động tích phóng mạch RC Câu Trình bày phương pháp xác định điện trở điện dung mạch dao động tích phóng dùng đèn Neon Tại không dùng phương pháp để đo điện trở điện dung có giá trị nhỏ? 93 V BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 5.1 Bảng số liệu Bảng 3.18 Kết đo - Vôn kế: Um = (V); V = - Điện trở mẫu: R0 = (); R = (%); R0 = R0.(R/100) = () - Điện dung mẫu: C0 = (F); C = (%); C0 = C0.(C/100) = (F) US Lần đo UT (%) t0 tx tx’ Giá trị trung bình 5.2 Tính biểu diễn giá trị hiệu điện sáng US hiệu điện tối UT U S  U T  U S  U S  U S  U T  U T  U T  5.3 Nghiệm lại công thức xác định chu kỳ  mạch dao động tích phóng  Giá trị gián tiếp chu kỳ dao động mạch (0)gt theo công thức (3.88): ( ) gt  R0 C0 ln U n U T  U n U s  Giá trị trực tiếp chu kỳ dao động mạch 0 theo công thức (3.89): 0  t0  50  So sánh hai giá trị (0)gt 0 ta rút kết luận việc nghiệm lại công thức xác định chu kỳ dao động mạch tích phóng là: ………………………………………………………………………….… …………………………………………………………………………… 94 5.4 Tính biểu diễn kết điện trở RX Rx  R0 R X  tx  t0 R0 t x t    R0 tx t0  R X  R X R X  Biểu diễn kết quả: R X  R X  R X  R X  R X  R X  5.5 Tính biểu diễn kết điện dung CX C x  C0 C X  tx '  t0 C0 t x ' t    C0 tx ' t0 C X  C X C X  Biểu diễn kết quả: C X  C X  C X  C X  C X  C X  5.6 Nhận xét đánh giá kết (Sinh viên trình bày theo gợi ý sau: - Mục đích, ý nghĩa vật lý thí nghiệm - Nhận xét đánh giá kết đo được, so sánh kết với lý thuyết - Nhận xét nguyên nhân sai số từ đưa biện pháp khắc phục sai số, nâng cao độ xác phép đo - Kết luận vai trị thí nghiệm việc học tập sinh viên đề xuất, kiến nghị thêm thí nghiệm) 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh David, Haliday, Robert Resnick, Jearl Walker (1994) Fundamental of Physics, Publishing as Wiley Tiếng Việt Đỗ Quốc Hùng (2006) Thực hành vật lý đại cương tập I, II Học viện Kỹ thuật Quân Đỗ Trần Cát (1997) Cách xác định sai số phép đo đại lượng vật lý Đại học Bách Khoa Hà Nội Lương Duy Thành, Phan Văn Độ (2009) Thí nghiệm vật lý đại cương I NXB Giao thơng vận tải Hà Nội Lương Duyên Bình (2007) Vật lý đại cương NXB Giáo Dục Hà Nội Nguyễn Văn Hòa (2013) Vật lý Trường Đại học Lâm nghiệp Tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị thí nghiệm vật lý Viện Vật lý Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội sản xuất, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003 - 2004 Thí nghiệm vật lý đại cương I, II, (2009) Bộ môn Vật lý Đại học Thủy lợi http://www4.hcmut.edu.vn/~huynhqlinh/VLDC1/tongquan.htm 96 Phụ lục HỆ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG Hệ đơn vị hay gọi hệ đơn vị bao gồm: chuẩn (đơn vị bản), phương pháp để tạo nên đơn vị lớn nhỏ định nghĩa đại lượng dẫn xuất Hệ đơn vị đo quốc tế SI Để thuận lợi cho việc trao đổi thông tin khoa học toàn giới nên từ năm 1960, nhà khoa học thống sử dụng hệ thống đơn vị đo lường bản, viết tắt SI (System International) Ðây hệ thống đơn vị đo lường quốc tế hợp pháp đa số nước giới Hệ SI bao gồm đơn vị đo Bảng Hệ đơn vị SI Đại lượng Đơn vị SI Ký hiệu Mét M Kilogram Kg Thời gian Giây S Dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kenvin K Mol Mol Candela Cd Độ dài Khối lượng Lượng chất Cường độ sáng Phương pháp thiết lập đơn vị lớn nhỏ Trong hệ đơn vị SI, có phương pháp chung để thiết lập đơn vị lớn nhỏ nhờ tiếp đầu ngữ Sử dụng tiếp đầu ngữ giúp cho việc biểu diễn giá trị đơn giản Thí dụ: phân tử có kích thước vào cỡ 10-10m, ta thay giá trị 10nm (nano mét); sóng vơ tuyến có tần số f = 105.106 Hz, ta thay giá trị 105 MHz (mega héc);… Bảng Các tiếp đầu ngữ cho đơn vị SI Ký hiệu Tên gọi Độ lớn Ký hiệu Tên gọi Độ lớn 18 d deci 10-1 E Exa 10 P Peta 1015 c centi 10-2 T Teta 1012 m mili 10-3 97 G Giga 109  micro 10-6 M Mega 106 n nano 10-9 k Kilo 103 p pico 10-12 h Hector 102 f femto 10-15 da deka 101 a atto 10-18 Đơn vị dẫn xuất Ðơn vị dẫn xuất đơn vị suy từ đơn vị qua công thức định luật định lý Thí dụ đơn vị đo gia tốc m/s2, đơn vị đo khối lượng riêng kg/m3 Ðó đơn vị dẫn xuất Ðể biểu diễn đơn vị dẫn xuất thông qua đơn vị người ta dùng công thức chung gọi công thức thứ nguyên có dạng sau: [X] = [M]p[L]q[T]r [X] ký hiệu thứ nguyên đại lượng vật lý X p, q, r, số nguyên; M, L, T, ký hiệu thứ nguyên khối lượng, độ dài thời gian, Thí dụ: Đơn vị Đại lượng Ký hiệu (Tên gọi) Thứ nguyên Biểu thức Vận tốc m/s m/s [V] = [L][T]-1 Lực N (Newton) kg.m/s2 [F] = [M][L][T]-2 Năng lượng J (Joule) kg.m2/s2 [E] = [M][L]2[T]-2 Công thức thứ nguyên dùng để kiểm tra xác công thức vật lý Bảng Một số đơn vị dẫn xuất thường gặp Viết khác theo SI Thứ nguyên Vận tốc, tốc độ m/s m.s-1 Gia tốc m/s2 m.s-2 Đại lượng Tên đơn vị Ký hiệu Góc phẳng radian rad Lực newton N 98 kg.m.s-2 s-1 Tần số Hertz Hz Công, lượng Joule J N.m kg.m2.s-2 Công suất watt W J/s kg.m2.s-3 pascal Pa N/m2 kg.m-1.s-2 coulomb C Điên áp, điện thế, suất điện động volt V N/C ; W/A kg.m2 s-3.A-1 Điện dung farad F C/V kg-1 m-2 s4.A2 ohm  V/A kg m2 s-3.A-2 Từ thông webe Wb V.s kg m2 s-2.A-1 Độ tự cảm Henry H Wb/A kg m2 s-2.A-2 Cảm ứng từ Tesla T Wb/m2 kg.s-2.A-1 Áp suất, ứng suất Điện tích Điện trở, kháng trở s.A Các đơn vị đo dùng cho học 4.1 Ðộ dài Ðơn vị mét (m) Mét định nghĩa độ dài chiều dài quãng đường mà ánh sáng qua chân không 1/ 299792458 giây Bảng Các đơn vị đo độ dài khác tính mét Tên Ký hiệu Tính mét Inch in 2,54 x 10-2 Feet ft 30,48 x 10-2 Dặm mi 1609 Hải lý 1850 Yard Yd 0,9144 Ăngstrong Ao 10-10 năm ánh sáng Light year (ly) 9,461 x 1015 Ðơn vị thiên văn AU 1,496 x 1011 Parsec pc 3,086 x 1016 99 Bảng Ý nghĩa số độ dài Ðộ dài (m) 10-17 10-15 10-10 10-8 10-6 107 1011 1016 1022 1026 4.2 Khối lượng Ý nghĩa Trình bày giới hạn thí nghiệm vế cấu trúc hạt nhân Bán kính proton Bán kính nguyên tử Ðộ dài ribosome Bước sóng ánh sáng thấy Bán kính trái đất Bán kính quỹ đạo trái đất Một năm ánh sáng Khoảng cách đến thiên hà gần Bán kính cấp vũ trụ Ðơn vị kilôgam (kg) Kilôgam khối lượng vật chuẩn Platin-Iridi giữ phòng cân đo quốc tế Sèvres gần Paris Khối lượng kg gần khối lượng 1000 cm3 nước nguyên chất nhiệt độ 4oC Bảng Một số đơn vị khối lượng tính kg Các đơn vị khác Qui theo kg Slug 14,59 Pound 0,454 Tạ 10 Tấn 10 u (đơn vị khối lượng nguyên tử ) 1,66057 x 10-27 Cara (đo khối lượng đá quí) x 10-4 Bảng Ý nghĩa số khối lượng Khối lượng (kg) 10-30 10 -21 Ý nghĩa Khối lượng electron Khối lượng ribosome 10-15 Khối lượng vi khuẩn 1025 Khối lượng Trái Ðất (5,98 x 1024) 1030 Khối lượng Mặt trời (1,99 x 1030) 1041 Khối lượng Thiên hà 10 52 Khối lượng vũ trụ 100 4.3 Thời gian Thời gian đo giây (s) Giây định nghĩa khoảng thời gian tổng 9192631770 chu kỳ xạ ứng với chuyển hai mức trạng thái siêu tinh tế nguyên tử Cesi-133 Bảng Ý nghĩa số độ dài thời gian Ðộ dài thời gian (s) 10 -23 Ý nghĩa Thời gian cho ánh sáng qua proton 10-15 Chu kỳ sóng ánh sáng 10-8 Thời gian xạ photon từ nguyên tử bị kích thích 10-2 - 109 Thang thời gian cho người 107 Một năm (3,16 x 107 s) 1016 Hệ mặt trời quay vòng quanh trung tâm Thiên hà 1017 Tuổi Trái đất 1018 Tuổi vũ trụ 101 Phụ lục BẢNG MỘT SỐ HẰNG SỐ VẬT LÝ CƠ BẢN Giá trị thực nghiệm tốt (1986) Stt Hằng số Ký hiệu Giá trị làm tròn Giá trị (a) Sai số tương đối (b) Hằng số hấp dẫn G 6,67.10-11 m3/s2.kg 6,67260 Tốc độ ánh sáng chân không c 3,00.108 m/s 2,99792458 Hằng số khí lý tưởng R 8,31 J/molK 8,314510 8,4 Hằng số Avogadro NA 6,02.1023 mol-1 6,0221367 0,59 Hằng số Boltzmann K 1,38.10-23 J/K 1,380657 11 Thể tích mol khí lý tưởng điều kiện tiêu Vm chuẩn 2,24.10-2 m3/mol 2,24109 8,4 Hằng số StefanBoltzmann  5,67.10-8 W/m2.K4 5,67050 34 Điện tích nguyên tố E 1,60.10-19 C 1,6217738 0,30 Khối lượng electron me 9,11.10-31 kg 9,1093897 0,59 me 5,49.10-4 u 5,48579902 0,023 e/me 1,76.1011 C/kg 1,75881961 0,30 12 Hằng số điện o 8,85.10-12 F/m 8,85418781762 13 Hằng số từ thẩm 0 1,26.10-6 H/m 1,2563706143 14 Hằng số Rydberg R 1,10.107 m-1 1,0973731534 0,0012 15 Bán kính Bohr rB 5,29.10-11 m 5,29177149 0,045 16 Mơmen từ electron e 9,28.10-24 J/T 9,2847700 0,34 17 Mômen từ proton p 1,41.10-26 J/T 1.41060761 0,34 18 Manheton Bohr B 9,27.10-24 J/T 9,2740154 0,34 19 Manheton hạt nhân N 5,50.10-27 J/T 5,0507865 0,34 20 Hằng số Faraday F 9,65.104 C/mol 9,6485309 0,30 10 Khối lượng electron c) 11 Điện tích riêng electron 102 100 H 6,63.10-34 Js 6,6260754 0,60 c 2,43.10-12 m 2,42531058 0,089 mp 1,67.10-27 kg 1,676230 0,59 1840 1836,152701 0.020 mn 1,68.10-27 kg 1,6749286 0,59 26 Khối lượng proton c) mp 1,0073 u 1,007266470 0,012 c) mn 1,0087 u 1,008664704 0,14 28 Khối lượng nguyên tử hydro c) M1H 1,0078 u 1,007825036 0,011 29 Khối lượng nguyên tử đơtơri c) M2H 2,0141 u 2,0141019 0,053 M4He 4,0026 u 4,0026032 0,067 21 Hằng số Planck 22 Bước sóng Compton electron 23 Khối lượng proton Tỷ số khối lượng 24 proton khối lượng electron 25 Khối lượng nơtron 27 Khối lượng nơtron 30 Khối lượng nguyên tử heli c) mp/m e Chú thích: a) Các giá trị ghi cột phải đơn vị có bậc lũy thừa 10 giá trị làm trịn b) Tính phần triệu c) Khối lượng ghi theo đơn vị khối lượng nguyên tử (u) đó: 1u = 1,6605402.10-27 kg 103 MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU Chương LÝ THUYẾT SAI SỐ 1.1 Giá trị trung bình đại lượng đo 1.2 Sai số phép đo 1.3 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo trực tiếp 1.4 Cách tính biểu diễn kết đại lượng đo gián tiếp Chương GIỚI THIỆU MỘT SỐ DỤNG CỤ ĐO 15 2.1 Cân kỹ thuật 15 2.2 Sơ lược loại máy đo điện 17 2.3 Dụng cụ đo điện (Đồng hồ vạn năng) 21 Chương CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 26 Bài Đo độ dài thước kẹp, panme 26 Bài Đo hệ số nhớt chất lỏng phương pháp Stốc 34 Bài Xác định gia tốc trọng trường lắc thuận nghịch 40 Bài Xác định lực ma sát ổ trục mơ men qn tính bánh xe 46 Bài Xác định bước sóng vận tốc âm phương pháp sóng dừng 51 Bài Xác định hệ số sức căng mặt chất lỏng 58 Bài Đo suất điện động nguồn điện mạch xung đối 64 Bài Xác định tỷ số nhiệt dung phân tử chất khí phương pháp dãn đoạn nhiệt 70 Bài Nghiệm lại định luật bảo tồn động lượng đệm khơng khí 77 Bài 10 Xác định điện trở điện dung mạch dao động tích phóng dùng đèn Neon 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phụ lục 1: Hệ đơn vị đo lường 96 97 Phụ lục 2: Bảng số số vật lý 104 102 ... qua O1 O2, theo định lý Huyghen – Stênơ, ta có: I1  I G  ml12 (3 .17 ) I  I G  ml 22 (3 .18 ) Từ (3 .15 ), (3 .16 ), (3 .17 ) (3 .18 ), ta có: T12l1 g  T22l2 g  4 (l12  l22 ) 41 g 4 (l1  l2 )(l1... Nguyễn Vũ Cẩm Bình Chương LÝ THUYẾT SAI SỐ 1. 1 Giá trị trung bình đại lượng đo 1. 1 .1 Phép đo đại lượng vật lý Mỗi tính chất vật lý đối tượng vật chất đặc trưng đại lượng vật lý (độ dài, khối lượng,... lệch  nhỏ bng thành phần P1 trọng lực tác dụng lên lắc mô men ? ?1: ? ?1  P1l1  m.g.l1.sin Hay: ? ?1  m.g.l1. (3 .11 ) 40 Với g gia tốc trọng trường, l1 khoảng cách từ điểm O1 đến trọng tâm