0 CÁCH XÁC ĐỊNH SAI SỐ

Biết phương pháp nghiên cứu và làm công tác thực nghiệm Vật lý xác định mục đích tiến hành thí nghiệm, phương pháp đạt mục đích đó, lựa chọn dụng cụ, xử lý các số liệu, phân tích độ chín

CÁCH XÁC ĐỊNH SAI SỐ CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

PHẦN MỞ ĐẦU

Vật lý là một ngành khoa học thực nghiệm, bởi vậy đối với sinh viên khoa Vật lý của các Trường Đại học Sư phạm việc làm quen với các hiện tượng và các thí nghiệm Vật lý trong các phòng thí nghiệm là rất cần thiết Trước khi vào thực hành, phần mở đầu thực hành Vật lý đại cương này nhằm giúp sinh viên hiểu rõ mục đích, yêu cầu và cách thức làm một bài thí nghiệm Vật lý, đồng thời giới thiệu những vấn đề chung như sai số, phép làm tròn số, cách vẽ đồ thị vật lý và cách viết kết quả thí nghiệm Đó là những kiến thức cần thiết cho một bài thí nghiệm

MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THỰC HÀNH VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

Ta biết, tiến hành thí nghiệm trong nghiên cứu, giảng dạy Vật lý là một khâu quan trọng không thể thiếu được Tất cả các định luật vật lý chỉ được công nhận khi được thực nghiệm kiểm nghiệm Trong thực tế, đa số các định luật vật lý đều được xây dựng bằng thực nghiệm Ngay cả các định luật được xây dựng bằng con đường lý thuyết thuần tuý cũng chỉ có ý nghĩa thực sự khi được thực nghiệm vật lý xác nhận

Đối với sinh viên các Trường Đại học Sư phạm, thực hành Vật lý Đại cương có các mục đích sau:

1 Khảo sát các hiện tượng, kiểm nghiệm các định luật đã học trong giáo trình Vật lý Đại cương

2 Làm quen và biết cách sử dụng các dụng cụ, các máy thông thường Kỹ năng và kinh nghiệm sử dụng các thiết bị thí nghiệm sẽ rất bổ ích trong công tác nghiên cứu khoa học và giảng dạy của người giáo viên Vật lý sau này

3 Biết phương pháp nghiên cứu và làm công tác thực nghiệm Vật lý (xác định mục đích tiến hành thí nghiệm, phương pháp đạt mục đích đó, lựa chọn dụng cụ, xử lý các số liệu, phân tích độ chính xác của kết quả đo,…)

4 Rèn luyện tác phong và những đức tính cần thiết của người nghiên cứu khoa học thực nghiệm: cần cù, nhẫn nại, khách quan, trung thực

I SAI SỐ CỦA CÁC PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

A Phép đo các đại lượng Vật lý.

1 Phép đo các đại lượng Vật lý.

Vật lý học là một ngành khoa học định lượng, liên quan đến thế giới hiện thực Vật lý học là một khoa học chính xác, vì vậy trong Vật lý học để đặc

trưng cho một hiện tượng, hoặc tính chất của sự vật người ta dùng các đại lượng đo được (vận tốc, khối lượng, nhiệt độ, năng lượng,…)

Mọi đại lượng Vật lý đều đo được qua các phép đo

Phép đo một đại lượng Vật lý là phép so sánh đại lượng cần đo với một đại lượng cùng loại được quy ước chọn làm đơn vị đo

Phép đo một đại lượng Vật lý như độ dài 5,2 m bao gồm một thứ nguyên, một đơn vị và một độ chính xác Ký hiệu “m” cho ta biết thứ nguyên là độ dài, đơn vị đo là mét, số 5,2 đặc trưng cho độ chính xác của phép đo

Phép đo các đại lượng Vật lý được chia thành hai loại: Phép đo trực tiếp và phép đo gián tiếp

* Phép đo trực tiếp: Đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp với đại lượng

được chọn làm đơn vị, kết quả đo được đọc trực tiếp ngay trên dụng cụ đo Thí dụ: Đo chiều dài của một vật bằng thước mét, đo cường độ dòng điện bằng ampe kế,…

* Phép đo gián tiếp: Đại lượng cần đo được xác định thông qua các công

thức Vật lý diễn tả mối quan hệ giữa đại lượng cần đo với đại lượng khác được đo trực tiếp

Ví dụ: Vận tốc của một vật chuyển động thẳng đều được xác định gián tiếp

thông qua công thức

t

s

v= trong đó s là quãng đường vật đi được có thể đo trực tiếp bằng thước mét và t là thời gian chuyển động của vật được đo trực tiếp bằng đồng hồ bấm giây hoặc đồng hồ đo thời gian hiện số

2 Đơn vị đo lường.

Kết quả của một phép đo một đại lượng Vật lý được biểu diễn bởi một giá trị bằng số kèm theo đơn vị đo lường tương ứng

Ví dụ: Chiều dài của cạnh bàn là L = 1,22 mét, cường độ dòng điện trong một đoạn mạch là I = 0,5 Ampe,…

Về nguyên tắc có thể chọn đơn vị cho từng đại lượng Vật lý, nhưng do các đại lượng được liên hệ với nhau bằng các công thức, các định luật cho nên người ta chỉ cần chọn đơn vị cho một số đại lượng cơ bản còn đơn vị đo các đại lượng khác đều có thể suy ra từ các đơn vị đã chọn ở trên

Những đơn vị đã chọn cho các đại lượng cơ bản gọi là các đơn vị cơ bản còn các đơn vị khác gọi là đơn vị dẫn xuất

Tập hợp tất cả các đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất thành hệ đơn vị đo lường

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 đo lường quốc tế

SI (System International d’Unites) bao gồm:

+ Các đơn vị cơ bản: độ dài mét (m), khối lượng kilogram (kg), thời gian

giây (s), nhiệt độ Kenvin (K), cường độ dòng điện Ampe (A), cường độ sáng cadenla (Cd), lượng chất kilômol (kmol) và đơn vị phụ góc khối steradian (Sr)

+ Các đơn vị dẫn xuất: vận tốc m/s, đơn vị lực (N), đơn vị cường độ điện

trường (V/m),…

Có thể nói, đơn vị của các đại lượng đo gián tiếp đều là đơn vị dẫn xuất

B SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

1 Định nghĩa

Khi đo các đại lượng Vật lý, vì nhiều lý do khách quan và chủ quan ta không đo được chính xác tuyệt đối giá trị của đại lượng Vật lý cần đo Độ sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được của đại lượng cần đo gọi là sai số

∆x = |x1 – x| (1)

Trong đó: ∆x là sai số của phép đo

x1 là giá trị đo được qua phép đo

x là giá trị thực của đại lượng cần đo

2 Phân loại sai số.

a Sai số dụng cụ.

Là sai số do bản thân dụng cụ gây ra.Dụng cụ càng hoàn thiện,sai số dụng cụ càng nhỏ,nhưng nguyên tắc không khử được sai số dụng c,chỉ có thể khắc phục bằng cách thay dụng cụ có độ chính xác cao hơn

Ví dụ: Trên thước đo nhiệt biểu ghi 0,050, trên thước đo chiều dài ghi 0,001m nghĩa là sai số cực đại của nhiệt biểu là 0,050 của thước là 0,001m.v.v

b Sai số ngẫu nhiên

Gây ra bởi những nguyên nhân chủ quan và khách quan rất khác nhau, tác động một cách ngẫu nhiên lên kết quả đo Sai số ngẫu nhiên có cả dấu và

cả độ lớn khác nhau trong các lần đo nói cách khác nó làm cho kết quả đo khi thì lớn hơn, khi thì nhỏ hơn giá trị thực của đại lượng cần đo

Ví dụ: Dùng đồng hồ bấm giây để đo nhiều lần chu kỳ của con lắc Do bấm, ngắt đồng hồ không đúng lúc, do gió ảnh hưởng tới sự dao động của con

lắc, một số các kết quả đo sẽ có giá trị lớn hơn, một số khác lại có giá trị nhỏ hơn chu kỳ dao động thực của con lắc

Rõ ràng, không thể khử được sai số ngẫu nhiên, nhưng có thể giảm nhỏ

giá trị của nó bằng cách thực hiện đo cẩn thận, nhiều lần trong cùng điều kiện và xác định giá trị trung bình của nó dựa trên cơ sở của phép tính xác suất thống kê.

c Sai số hệ thống.

Sai số hệ thống do dụng cụ: Là sai số làm cho kết quả đo, hoặc luôn lớn

hơn, hoặc luôn nhỏ hơn giá trị thực của đại lượng cần đo Có thể khử được sai số hệ thống bằng cách hiệu chỉnh lại các dụng cụ đo, hoặc thay mới dụng

cụ đo

Sai số hệ thống do tính chất vật đo:

Thí dụ: Khi đo khối lượng riêng một chất rắn dựa theo công thức

m

V

= ρ

trong đó m và V là khối lượng và thể tích của chất đó Nhưng nếu bên trong vật do khuyết tật, có một khoảng trống nào đó dẫn đến thể tích V đo được lớn hơn thể tích thực của vật Do đó khối lượng riêng xác định được chắc chắn nhỏ hơn khối lượng riêng thực của vật

Loại sai số hệ thống này không thấy rõ bản chất và độ lớn Người ta khắc phục loại sai số này bằng cách đo trên nhiều mẫu vật khác nhau, lấy giá trị trung bình và loại mẫu có sai số nhỏ.

Tóm lại: Khi làm thí nghiệm để thực hiện các phép đo, chúng ta cần biết

cách xác định hai loại sai số: sai số ngẫu nhiên của phép đo và sai số dụng

cụ.

A Phép đo trực tiếp các đại lượng vật lý

Phép đo trực tiếp các đại lượng vật lý là phép đo mà kết quả được đọc trực tiếp trên dụng cụ đo

Ví dụ: Độ dài đọc trên thước milimet, thời gian đọc trên đồng hồ bấm giây, nhiệt độ đọc trên nhiệt kế.v.v

B Cách xác định sai số của phép đo trực tiếp

1.Sai số ngẫu nhiên (∆An)

Giả sử đại lượng cần đo là F có giá trị thực là A Khi tiến hành đo đại lượng này n lần trong cùng một điều kiện, với cùng một phương pháp ta thu được các giá trị A1, A2, …An khác với giá trị A, nghĩa là mỗi lần đo đều có sai

số Loại sai số này tuân theo quy luật thống kê đối với hiện tượng ngẫu nhiên: Nếu ta đo nhiều lần (n là số lớn) thì các giá trị A1, A2, …An được phân

bố đều đặn về cả hai phía lân cận giá trị thực của A Khi đó giá trị trung bình

số học (gọi tắt là giá trị trung bình) ký hiệu là A sẽ gần đúng với giá trị thực A

- Giá trị trung bình xác định theo công thức:

∑

=

= + + + +

1

i i

n 3

2

n

1 n

A

A A A

Sai số ngẫu nhiên được tính theo các bước sau:

- Sai số tuyệt đối của đại lượng cần đo trong mỗi lần đo (∆Ai)

Sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo là giá trị tuyệt đối của các hiệu số giữa các giá trị đo được A1, A2, A3, … , An và giá trị trung bình A

A A

∆ sai số của lần đo thứ nhất

A A

A2 = 2 −

∆ sai số của lần đo thứ hai (2)

…

A A

∆ sai số của lần đo thứ n

- Sai số tuyệt đối trung bình ∆A

Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo là giá trị trung bình số học của sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo

∑

= ∆

=

∆ + +

∆ +

∆ +

∆

=

1

i i

n 3

2

n

1 n

A

A A

A

Sai số tuyệt đối trung bình chính là sai số ngẫu nhiên của phép đo.

2 Sai số dụng cụ (∆A dc )

Sai số dụng cụ nhỏ nhất bằng độ chính xác (hay sai số) của dụng cụ Độ chính xác của dụng cụ là giá trị nhỏ nhất của đại lượng cần đo mà dụng cụ đó

có thể đo được

- Thông thường độ chính xác của mỗi dụng cụ đo được ghi ngay trên dụng

cụ Thí dụ: Thước kẹp có độ chính xác là 0,1mm (được ghi ở trên thước) thì chỉ có thể dùng thước đó đo được kích thước của các vật l ≥ 0,1mm và sai số dụng cụ ∆Adc = 0,1mm

Tương tự, cân phân tích có độ chính xác là 0,001g (1mg) thì sai số dụng cụ

∆Adc = 0,001g v.v…

- Trường hợp dụng cụ không ghi rõ độ chính xác sai số dụng cụ được lấy bằng giá trị một độ chia nhỏ nhất của dụng cụ Thí dụ, một độ chia trên đồng

hồ bấm giây là 0,2s thì sai số dụng cụ sẽ là ∆Adc = 0,2s Nhưng nếu độ chia nhỏ nhất của dụng cụ nào đó có kích thước lớn hơn nhiều so với khả năng phân giải của mắt người làm thí nghiệm thì có thể lấy sai số dụng cụ bằng 1/2

độ chia nhỏ nhất của dụng cụ đó Thí dụ, nhiệt kế có độ chia là 10 khoảng cách giữa 2 vạch liên tiếp lớn (hơn 1mm) sai số dụng cụ của nhiệt kế đó sẽ được lấy là 0,50

- Đối với các đồng hồ đo điện (ampe kế, vôn kế…), sai số hệ thống được xác định dựa trên cấp chính xác của dụng cụ và được ghi rõ trên đồng hồ của dụng cụ Cấp chính xác của dụng cụ khác với độ chính xác của dụng cụ Cấp chính xác của dụng cụ biểu thị sai số tương đối, được tính ra phần trăm của giá trị cực đại Amax mà thang đó đo được

Trong trường hợp này sai số của dụng cụ được tính theo công thức:

max

dc A

A =δ

Thí dụ 1: Một mili Ampe kế có cấp chính xác δ = 1% và thang đo sử dụng

có giá trị cực đại Imax = 100mA, thì sai số tuyệt đối của bất kỳ giá trị nào mà

nó đo được trên thang này cũng có giá trị bằng:

mA 1 100 01 , 0 100

%

1

∆

Nếu thang đo có 100 vạch chia thì độ chia nhỏ nhất trên thang đo của mili ampe kế có giá trị bằng 1mA Trong trường hợp này sai số tính theo cấp chính xác bằng sai số dụng cụ lấy theo giá trị độ chia nhỏ nhất

Thí dụ 2: Một mili ampe kế có cấp chính xác δ = 1,5% và thang đo sử dụng có giá trị cực đại Imax = 100mA, thì sai số dụng cụ (sai số của mili ampe kế) khi dùng thang đo này là:

mA 5 , 1 100 015 , 0 100

%

5 , 1

∆

Nếu thang đo có 100 vạch chia thì độ chia nhỏ nhất trên thang đo có giá trị bằng 1mA Khi đó không được phép lấy sai số dụng cụ bằng một độ chia nhỏ nhất trên thang đo của mili ampe kế (bằng 1mA) mà phải lấy sai số dụng cụ bằng 1,5mA

- Sai số dụng cụ của các thiết bị đo hiện số được xác định bằng tổng của sai số được tính theo cấp chính xác và tuỳ thuộc vào thang đo như đối với đồng hồ đo điện (công thức (4)) cộng với một đơn vị của chữ số có cấp nhỏ nhất hiện trên màn hình Thí dụ, một vôn kế hiện số có cấp chính xác δ = 1%,

ta dùng thang đo có giá trị cực đại Um = 10V, giá trị hiệu điện thế hiện trên màn hình là 5,7V Một đơn vị của chữ số cuối cùng (số 7) tương ứng với 0,1V Sai số dụng cụ bằng ∆Udc = 1%.10 + 0,1 = 0,2V

3 Sai số tuyệt đối của phép đo (∆A)

Sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp ∆A được xác định bằng tổng số học của sai số tuyệt đối trung bình của các lần đo ∆Avà sai số dụng cụ ∆Adc

dc A A

A =∆ +∆

∆ (đơn vị) (5)

4 Viết các kết quả của phép đo

Kết quả của phép đo được viết dưới dạng:

A = ±∆ (đơn vị) (6) Công thức (6) được hiểu: giá trị thực A sẽ nằm trong khoảng từ A− ∆Ađến A

A+∆ , nghĩa là:

A A A A

A−∆ ≤ ≤ +∆ (7)

5 Sai số tương đối của phép đo

Dùng để đánh giá mức độ chính xác của kết quả phép đo

Sai số tương đối của phép đo được định nghĩa bằng tỉ số giữa sai số tuyệt đối ∆A với giá trị trung bình A :

(%) A

A

∆

=

Trong thí nghiệm, sai số tương đối ε càng nhỏ phép đo càng chính xác

6 Thí dụ về tính sai số của phép đo trực tiếp

Dùng thước kẹp có độ chính xác là 0,1mm đo 5 lần đường kính D của một ống hình trụ kim loại, ta được các giá trị ghi trong bảng sau (Bảng 1):

- Giá trị trung bình của đường kính D tính theo công thức (1):

mm 48 , 21 5

5 , 21 6 , 21 4 , 21 4 , 21 5

,

21

- Sai số tuyệt đối của từng lần đo (∆Di) tính theo công thức (2) được ghi trong cột 3 Bảng 1

- Sai số tuyệt đối trung bình của đường kính D tính theo công thức (4)

mm 064 , 0 5

08 , 0 02 , 0 12 , 0 08 , 0 02 ,

0

∆

- Sai số dụng cụ bằng độ chính xác của thước kẹp bằng ∆ Ddc = 0 , 1 mm

- Sai số tuyệt đối của phép đo xác định theo công thức (5):

mm 164 , 0 1 , 0 064

,

0

∆

Sau khi làm tròn ta được ∆D = 0,2mm

- Kết quả của phép đo:

mm ) 2 , 0 5 ,

21

(

D = ±

- Sai số tương đối của phép đo tính theo công thức (8):

% 9 , 0 009 , 0 0093

, 0 5

,

21

2

,

0

=

= ε

⇒

=

=

ε

Kết quả: Giá trị thực của đường kính D nằm trong khoảng giá trị:

21,3mm ≤D ≤ 21,7mm

C NGUYÊN TẮC LÀM TRÒN SỐ

1 Bậc một số

Số A bất kỳ có thể viết dưới dạng: A = a.10n

Trong đó 0 < a <10, n là số nguyên dương, âm hoặc bằng 0

Ta nói A có bậc n và đã được viết dưới dạng chuẩn hoá

Ví dụ 1250 = 1,25.103 có bậc 3

9,21 = 9,21.100 có bậc 0

0,026 = 2,6.10-2 có bậc -2

2 Những nguyên tắc làm tròn số.

Trong thực hành, khi tính sai số tuyệt đối của phép đo hoặc giá trị trung bình của các kết quả đo chúng ta có thể nhận được những con số gồm nhiều chữ số khi đó chúng ta phải làm tròn số Việc làm tròn số phải tuân theo các nguyên tắc và quy tắc sau:

a Nguyên tắc làm tròn số.

+ Sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp không thể chính xác hơn sai số

của dụng cụ Bởi vậy, khi tính sai số ta chỉ giữ lại những chữ số có bậc bằng

hoặc lớn hơn bậc của sai số dụng cụ và gọi các chữ số đó là các chữ số có

nghĩa Các chữ số có bậc nhỏ hơn bậc của sai số dụng cụ gọi là các chữ số

không tin cậy nên được bỏ đi.

Việc bỏ những chữ số không tin cậy (những chữ số ở cuối con số) được gọi là việc làm tròn số Trong thí dụ trên thước kẹp chỉ đo với độ chính xác 0,1mm nên kết quả sai số chỉ cần giữ lại số đầu tiên sau dấu phẩy: ∆D = 0,164

mm thì hai chữ số 6 và 4 không tin cậy do đó cần phải làm tròn thành 0,2mm

+ Giá trị trung bình của đại lượng cần đo phải quy tròn đến chữ số có

nghĩa cùng bậc với sai số tuyệt đối của nó.

Trong thí dụ trên, sai số tuyệt đối là 0,2mm, giá trị trung bình là D=21,48 thì số 8 ở cuối chữ số là không tin cậy phải bỏ đi và D được làm tròn bằng 21,5mm Kết quả của phép đo sẽ được viết là: D= D+∆D =(21,5±0,2)mm

b Quy tắc làm tròn số.

+ Nếu chữ số bỏ đi lớn hơn 5 (từ 6 đến 9) thì sau khi bỏ đi ta phải tăng chữ số liền trước nó lên 1 đơn vị Ví dụ 1,26 làm tròn thành 1,3

+ Nếu chữ số bị bỏ đi nhỏ hơn 5 (từ 1 đến 4) thì bỏ đi bình thường không thêm bớt gì cho chữ số liền trước nó Ví dụ 1,24 làm tròn thành 1,2

+ Nếu chữ số bị bỏ đi là 5 thì giải quyết như sau:

Chữ số liền trước nó là lẻ thì sẽ được tăng lên 1 đơn vị Ví dụ 1,75 làm tròn thành 1,8

Chữ số liền trước nó là chẵn thì không được thêm bớt gì cả Ví dụ 1,65 sẽ viết thành 1,6

Như vậy, nếu chữ số bị bỏ đi là 5 thì chữ số giữ lại cuối cùng bao giờ cũng là

số chẵn

III CÁCH XÁC ĐỊNH SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP

A phép đo gián tiếp các đại lượng vật lý

Phép đo gián tiếp các đại lượng vật lý, là phép đo mà kết quả của nó được tính gián tiếp thông qua công thức biểu diễn mối quan hệ hàm số giữa đại lượng cần đo với các đại lượng được đo trực tiếp

Thí dụ: Vận tốc v của chuyển động thẳng đều được xác định gián tiếp qua công thức v=s/t, trong đó đường đi s đo trực tiếp bằng thước milimet, thời gian chuyển động t đo trực tiếp bằng đồng hồ bấm giây Thể tích V của một hình trụ kim loại dược xác định gián tiếp qua công thức V= πD2h/4 trong đó đường kính D và độ cao h được đo bằng thước kẹp v.v

B Cách tính sai số của phép đo gián tiếp.

Giả sử đại lượng cần đo (gián tiếp) y liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp

x1, x2,…,xn theo hàm số(thể hiện bằng công thức Vật lý):

Y = f(x1,x2,…,xn) (*)

Sai số của phép đo đại lượng Y được tính bằng các phương pháp sau:

1 Phương pháp 1: Xác định sai số tuyệt đối của đại lượng đo theo phép tính

vi phân

Phương pháp này áp dụng đối với các công thức của đại lượng đo y là một tổng hoặc một hiệu của các đại lượng đo trực tiếp x1, x2,…, xn Với phương