Bài giảng Thí nghiệm Vật lý phổ thông này giúp cho sinh viên hiểu được vai trò của thí nghiệm vật lý trong việc hình thành các khái niệm và xây dựng các định luật vật lý, ngoài ra cũng giúp sinh viên rèn luyện kĩ năng kĩ xảo khi tiến hành thí nghiệm, giới thiệu các phương án thí nghiệm thường được sử dụng trong phổ thông, các dụng cụ thiết bị. Qua đó sinh viên có kĩ năng lựa chọn phương án, dụng cụ thí nghiệm, khắc phục những khó khăn, vận dụng linh hoạt thí nghiệm vào giảng dạy trường phổ thông.
MỤC ĐÍCH
Phép đo các đại lượng vật lí
Cái cân là dụng cụ đo khối lượng của vật bằng cách so sánh với các quả cân có khối lượng quy ước, như 1 gam hoặc 1 kilôgam Phép đo khối lượng thực chất là xác định khối lượng của vật thông qua các mẫu vật này.
Phép đo một đại lượng vật lí là phép so sánh nó với đại lượng cùng loại được quy ước làm đơn vị
Công cụ để thực hiện so sánh được gọi là dụng cụ đo, trong đó phép so sánh trực tiếp thông qua dụng cụ này được gọi là phép đo trực tiếp.
Nhiều đại lượng vật lý như chiều dài, khối lượng và thời gian có thể đo trực tiếp, trong khi các đại lượng khác như gia tốc, khối lượng riêng và thể tích không có dụng cụ đo sẵn Tuy nhiên, những đại lượng này có thể được xác định thông qua các công thức liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp Chẳng hạn, gia tốc rơi tự do (g) có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
= 2s 2 t , thông qua hai phép đo trực tiếp là phép đo độ dài quãng đường s và thời gian rơi t Phép đo như thế gọi là phép đo gián tiếp.
Hệ đơn vị đo
Hệ thống đo lường quốc tế SI đã được quy định và áp dụng thống nhất tại nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, nhằm đo các đại lượng vật lý.
Hệ SI quy định 7 đơn vị cơ bản, đó là:
Đơn vị độ dài: mét (m)
Đơn vị thời gian: giây (s)
Đơn vị khối lượng: kilôgam (kg)
Đơn vị nhiệt độ: kenvin (K)
Đơn vị cường độ dòng điện: ampe (A)
Đơn vị cường độ sáng: canđela (Cd)
Đơn vị lượng chất: mol (mol)
Ngoài 7 đơn vị cơ bản, các đơn vị khác là những đơn vị dẫn xuất, được suy ra từ các đơn vị cơ bản theo một công thức, ví dụ: đơn vị lực F là niutơn (N), được định nghĩa: 1
III – SAI SỐ PHÉP ĐO
Sai số hệ thống
Giả sử một vật có độ dài thực là l = 32,7 mm Dùng một thước có độ chia nhỏ nhất
Để đo chiều dài l, thước chỉ cho phép xác định giá trị nằm trong khoảng 32 đến 33 mm, trong khi phần lẻ không thể đọc được Sự sai lệch này xuất phát từ đặc điểm cấu tạo của dụng cụ đo, được gọi là sai số dụng cụ.
Sai số dụng cụ là điều không thể tránh khỏi và có thể gia tăng khi điểm 0 ban đầu bị lệch mà không được hiệu chỉnh trước khi đo Hệ quả là giá trị đại lượng đo được sẽ luôn lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực Những sai lệch này được gọi là sai số hệ thống.
Sai số ngẫu nhiên
Lặp lại phép đo thời gian rơi tự do của cùng một vật giữa hai điểm A, B, ta nhận
Sự sai lệch trong các giá trị đo được không có nguyên nhân rõ ràng, có thể xuất phát từ hạn chế về khả năng giác quan của con người hoặc do điều kiện thí nghiệm không ổn định, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngẫu nhiên bên ngoài Sai số này được gọi là sai số ngẫu nhiên.
Giá trị trung bình
Sai số ngẫu nhiên có thể làm giảm độ tin cậy của kết quả đo Để cải thiện tính chính xác, việc lặp lại phép đo nhiều lần là cần thiết Khi thực hiện n lần đo cùng một đại lượng A, chúng ta thu được các giá trị khác nhau: A1, A2, … An.
Giá trị trung bình của chúng:
A = n (1) sẽ là giá trị gần đúng nhất với giá trị thực của đại lượng A.
Cách xác định sai số của phép đo
a) Trị tuyệt đối của hiệu số giữa trị trung bình và giá trị của mỗi lần đo gọi là sai số tuyệt đối ứng với lần đo đó:
Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo được tính theo công thức:
Giá trị A được xác định theo (3) là sai số ngẫu nhiên, do đó, để xác định sai số ngẫu nhiên một cách chính xác, cần thực hiện nhiều lần đo Tuy nhiên, nếu số lần đo không đủ (n < 5), không thể tính sai số ngẫu nhiên bằng cách lấy trung bình theo công thức.
Sai số tuyệt đối của phép đo được xác định bằng tổng sai số ngẫu nhiên và sai số do dụng cụ gây ra Để có được giá trị chính xác nhất, cần chọn giá trị cực đại Amax từ các sai số tuyệt đối đã tính toán.
Sai số hệ thống A’ do dụng cụ gây ra thường được xác định bằng nửa hoặc một độ chia nhỏ nhất của dụng cụ Đối với các dụng cụ đo phức tạp như đồng hồ đo điện đa năng hiện số, sai số được tính theo công thức mà nhà sản xuất quy định.
Sai số hệ thống do lệch điểm 0 ban đầu là một loại sai số cần được loại trừ Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo, cần chú ý hiệu chỉnh chính xác điểm 0 ban đầu của dụng cụ đo trước khi tiến hành đo.
Sai sót trong quá trình đo lường có thể dẫn đến kết quả không chính xác, khác xa so với giá trị thực Khi nghi ngờ có sai sót, cần thực hiện đo lại để xác định và loại bỏ các giá trị sai lệch.
Cách viết kết quả đo
Kết quả đo đại lượng A không cho dưới dạng một con số, mà cho dưới dạng một khoảng giá trị trong đó chắc chắn có chứa giá (A – A) < A < (A+ A ) , hay là:
Sai số tuyệt đối của phép đo A chỉ nên được ghi đến một hoặc hai chữ số có nghĩa Giá trị trung bình A cần được trình bày đến bậc thập phân tương ứng Các chữ số có nghĩa bao gồm tất cả các chữ số trong số, bắt đầu từ trái sang phải, tính từ chữ số khác 0 đầu tiên.
Khi thực hiện phép đo độ dài s với giá trị trung bình s = 1,36832 m và sai số đo được là s = 0,0031 m, kết quả đo sẽ được trình bày dưới dạng: s = (1,368 0,003) m, trong đó sai số s được làm tròn đến một chữ số có nghĩa.
Sai số tỉ đối
Sai số tỉ đối A của phép đo là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị trung bình của đại lượng đo, tính bằng phần trăm:
Sai số tỉ đối càng nhỏ thì phép đo càng chính xác
Ví dụ: Phép đo khối lượng một vật cho kết quả mmm10005(mg) thì sai số tương đối của phép đo khối lượng này sẽ là
Cách xác định sai số phép đo gián tiếp
Để xác định sai số trong phép đo gián tiếp, có hai quy tắc quan trọng cần nhớ: Thứ nhất, sai số tuyệt đối của một tổng hoặc hiệu bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số hạng Thứ hai, sai số tỉ đối của một tích hoặc thương bằng tổng các sai số tỉ đối của các thừa số.
Ví dụ: Giả sử F là đại lượng đo gián tiếp, còn X, Y, Z là những đại lượng đo trực
Z , thì F = X +Y+Z c) Nếu trong công thức vật lí xác định đại lượng đo gián tiếp có chứa các hằng số (ví dụ:
Khi thực hiện phép lấy gần đúng cho các hằng số như π hay e, cần phải làm tròn đến số lẻ thập phân sao cho sai số tỉ đối do việc gần đúng gây ra không đáng kể, tức là phải nhỏ hơn 1/10 tổng các sai số tỉ đối trong cùng một công thức tính.
Ví dụ: Xác định diện tích vòng tròn thông qua phép đo trực tiếp đường kính d của nó Biết d = 50,6 0,1 mm
, do đó sai số tỉ đối của phép đo S:
Trong trường hợp này, phải lấy = 3,142 để cho
Khi công thức xác định đại lượng đo gián tiếp phức tạp và dụng cụ đo trực tiếp có độ chính xác cao, sai số chủ yếu do yếu tố ngẫu nhiên, người ta thường bỏ qua sai số của dụng cụ Đại lượng đo gián tiếp được tính cho từng lần đo, sau đó lấy trung bình và tính sai số ngẫu nhiên trung bình theo các công thức (1), (2), (3).
Phép đo một đại lượng vật lí là phép so sánh nó với đại lượng cùng loại được quy ước làm đơn vị
Phép so sánh trực tiếp thông qua dụng cụ đo gọi là phép đo trực tiếp
Phép xác định một đại lượng vật lí qua một công thức liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp, gọi là phép đo gián tiếp
Giá trị trung bình khi đo nhiều lần một đại lượng A:
A = n , là giá trị gần nhất với giá trị thực của đại lượng A
Sai số tuyệt đối ứng với mỗi lần đo:
Sai số ngẫu nhiên là sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo:
Sai số dụng cụ A' có thể lấy bằng nửa hoặc một độ chia nhỏ nhất trên dụng cụ
Kết quả đo đại lượng A được biểu diễn dưới dạng A = A ± ΔA, trong đó ΔA là tổng sai số ngẫu nhiên và sai số dụng cụ, được tính bằng ΔA = ΔA ngẫu nhiên + ΔA dụng cụ Sai số ΔA được làm tròn tối đa đến hai chữ số có nghĩa, trong khi giá trị A được ghi đến bậc thập phân tương ứng.
Sai số tỉ đối A của phép đo là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị trung bình của đại lượng đo, tính bằng phần trăm: A =
Sai số của phép đo gián tiếp, được xác định theo các quy tắc:
Sai số tuyệt đối của một tổng hay hiệu, thì bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số hạng
Sai số tỉ đối của một tích hay thương, thì bằng tổng các sai số tỉ đối của các thừa số
Dùng thước kẹp có ĐCNN 0,1 mm để đo 5 lần đường kính d và chiều cao h của một trụ thép, cho kết quả như trong bảng sau:
Hãy cho biết kết quả phép đo d, h và tính thể tích của trụ thép
Phép đo d, h là phép đo trực tiếp, giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên tính trong bảng sau:
Sai số dụng cụ bằng 0,1 mm Vậy:
Sai số phép đo đường kính trụ là:
Sai số phép đo chiều cao trụ là:
Thể tích trung bình của trụ:
Sử dụng một đồng hồ đo thời gian với độ chính xác 0,001 giây để đo thời gian rơi tự do của một vật từ điểm A (vA = 0) đến điểm B, kết quả được ghi nhận trong bảng dưới đây: n, t, Δti, Δt’.
Để tính toán thời gian rơi trung bình, sai số ngẫu nhiên, sai số dụng cụ, và sai số phép đo thời gian, ta cần xác định xem phép đo này là trực tiếp hay gián tiếp Nếu chỉ đo 3 lần (n=1, 2, 3), kết quả đo sẽ được đưa ra Khi dùng thước mm đo 5 lần khoảng cách giữa hai điểm A và B, nếu tất cả đều cho giá trị 798 mm, ta sẽ tính sai số phép đo này và ghi lại kết quả Theo công thức tính vận tốc tại B là v = 2s/t và gia tốc rơi tự do g = 2s²/t², dựa vào các kết quả đo trước đó và các quy tắc tính sai số đại lượng đo gián tiếp, ta sẽ tính được v, g, Δv, Δg và trình bày các kết quả cuối cùng.
CHỦ ĐỀ 1_BÀI 1: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU CỦA VIÊN BI
1 Quan sát chuyển động thẳng đều của viên bi trên mặt phẳng ngang
2 Xác định vận tốc viên bi
II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
1 Mặt phẳng ngang P có máng lăn, gắn thước 1000mm
2 Thước đo góc G có quả dọi
3 Giá đỡ ba chân hình sao có 3 chân vít điều chỉnh thăng bằng
4 Một trụ thép 10, một trụ thép 8 và một khớp chữ thập đa năng
6 Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964
8 Chân chống C có vít điều chỉnh
10 Hộp công tắc nút nhấn kép để giữ và thả viên bi
III LẮP RÁP THÍ NGHIỆM
1 Đặt máng ngang lên giá đỡ, phối hợp điều chỉnh các chân vít và dịch chuyển khớp nối đa năng đến vị trí thích hợp để mặt phẳng P nằm ngang Khi đó, dây rọi song song với mặt phẳng thước đo góc vàchỉ số 0
2 Nam châm điện N giữ và thả bi được đặt cố định tại đỉnh của phần máng nghiêng
(Hình 1), nối với ổ C của đồng hồ đo thời gian qua hộp công tắc kép kiểu nút nhấn
3 Đặt hai cổng quang điện E, F cách nhau một đoạn s (ban đầu chọn s khoảng 30cm) và nối chúng với hai cổng A, B của đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964
IV - TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
A- Phương án 1 : Đo vận tốc tức thời ở các vị trí khác nhau trên quỹ đạo : Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đặt làm việc ở MODE A+B , thang đo 9,999s
1 Nhấn nút RESET để số chỉ trên đồng hồ trở về 0.000
2 Nhấn công-tắc ngắt điện vào nam châm điện để thả cho viên bi lăn xuống từ đỉnh H, chuyển động qua hai cổng quang điện E F Khi viên bi đi qua cổng E, đồng hồ chỉ t 1 là khoảng thời gian cổng E bị viên bi chắn tia hồng ngoại Tiếp tục chuyển động, viên bi đi qua cổng F trong khoảng thời gian t 2 , đồng hồ chỉ thời gian t t 1 t 2 Nếu t 1 t 2 thì chuyển động của viên bi trên máng ngang là thẳng đều
Quan sát và ghi các khoảng thời gian t 1 và t tương ứng hiển thị trên đồng hồ vào bảng 1
Gọi d là đường kính viên bi, vận tốc tức thời của viên bi tại vị trí đặt hai cổng quang điện
Nhận xét: Trên mặt phẳng ngang, vận tốc tức thời của viên bi tại các cổng quang điện E,
F đặt ở những vị trí khác nhau trên quĩ đạo có giá trị
Vậy chuyển động của viên bi trên máng ngang là chuyển động
B- Phương án 2: Đo vận tốc trung bình của viên bi trên các quãng đường khác nhau: Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đặt làm việc ở MODE AB , thang đo 9,999s
1 Hai cổng quang điện đặt cách nhau một khoảng s = 30cm
2 Nhấn nút RESET để số chỉ trên đồng hồ trở về 0.000
3 Nhấn công-tắc ngắt điện cho nam châm điện để thả viên bi lăn xuống, chuyển động qua hai cổng quang điện E F Khi viên bi đi vào cổng E, đồng hồ đo thời gian bắt đầu đếm Khi viên bi đi đến cổng F, đồng hồ dừng đếm Khoảng thời gian t viên bi đi qua quãng đường giữa hai cổng quang điện được hiển thị trên đồng hồ
4 Quan sát và ghi thời gian t vào bảng 1
5 Giữ nguyên vị trí cổng E Dịch cổng F xa dần cổng E, mỗi lần thêm 5 cm Với mỗi giá trị của s, lặp lại các động tác 1, 2, 3 để đo thời gian t tương ứng và ghi kết quả vào bảng 1
V Phân tích kết quả thí nghiệm
1 Lập thương số s/t ứng mỗi trường hợp để xem trung bình mỗi giây viên bi đi được bao nhiêu centimét Ghi kết quả vào bảng 1
2 Đại lượng v = s/t gọi là vận tốc trung bình của viên bi trên quãng đường s
3 Biểu diễn trên đồ thị "quãng đường-thời gian” s =s (t) và “vận tốc trung bình–thời gian “ v = v(t)
4 Cho nhận xét và kết luận rút ra từ kết quả tính v trong bảng 1 và dạng đồ thị s, v thu được
CHỦ ĐỀ 1 BÀI 2: KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG BIẾN ĐỔI ĐỀU CỦA VIÊN BI TRÊN
1 Quan sát chuyển động của viên bi trên máng nghiêng để thấy tính chất chuyển động thẳng biến đổi đều (nhanh dần đều hoặc chậm dần đều) của nó
2 Nghiên cứu sự thay đổi vận tốc v theo thời gian t, mối quan hệ đường đi-thời gian Vẽ đồ thị s phụ thuộc t 2 , để từ đó nêu nhận xét và kết luận về tính chất chuyển động
Xác định vận tốc tức thời và gia tốc của viên bi
II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
1 Máng nghiêng P có gắn thước 1000mm
2 Thước đo góc G có quả dọi
3 Gía đỡ ba chân hình sao có 3 chân vít điều chỉnh thăng bằng
4 Một trụ thép 10, một trụ thép 8 và một khớp chữ thập đa năng
6 Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964
8 Chân chống C có vít điều chỉnh
9 Khớp nối đa năng để thay đổi độ cao điểm kê
10 Nam châm điện N, hộp công-tắc nút nhấn kép để giữ và thả bi
Để lắp ráp thí nghiệm, đầu tiên hãy đặt máng nghiêng lên giá đỡ Sau đó, điều chỉnh các chân vít và dịch chuyển khớp nối đa năng đến vị trí thích hợp, đảm bảo mặt phẳng P nằm nghiêng Cuối cùng, kiểm tra để dây rọi song song với mặt phẳng thước đo góc và chỉ số đạt khoảng 5-10 độ.
1 Nam châm điện N để giữ và thả bi được đặt cố định tại một vị trí trên mặt phẳng
18 nghiêng , nối qua hộp công-tắc đến ổ C của đồng hồ đo thời gian…
2 Đặt cổng quang điện F cách E một đoạn s (ban đầu chọn s = 10 cm) và nối chúng với hai ổ A, B của đồng hồ đo thời gian
3 Đồng hồ đo thời gian hiện số MC-964 đặt làm việc ở MODE A B , thang đo 9,999s Khi viên bi lăn tới cổng E , đồng hồ bắt đầu đếm, đến cổng F đồng hồ dừng đếm Khoảng thời gian chuyển động t của viên bi giữa hai cổng E, F hiện thị trên đổng hồ
4 Để đo vận tốc tức thời của viên bi khi nó đi qua cổng F, ta chỉ việc vặn chuyển mạch MODE của đồng hồ đo thời gian MC-963 về vị trí B (cổng F nối với ổ B) Khi đó đồng hồ sẽ chỉ khoảng thời gian t, là khoảng thời gian viên bi chắn tia hồng ngoại khi nó đi qua cổng F Biết đường kính viên bi (d = 2.1cm ), ta tính được vận tốc tức thời: v = d / t = 2,1 / t (cm/s)
IV - TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
Khảo sát chuyển động nhanh dần đều:
Chuyển mạch MODE ở vị trí A B
1 Nhấn nút RESET để số chỉ trên đồng hồ trở về 0.000
2 Đặt khoảng cách ban đầu giữa viên bi và cổng E bằng s0 = 5cm, cổng E cách cổng F bằng s1 = 15 cm
3 Nhấn công-tắc ngắt điện cho nam châm để thả cho viên bi lăn qua hai cổng E, F Ghi các giá trị s, t vào bảng 1
4 Dịch chuyển cổng E đến vị trí đặt cổng F và dịch cổng F đến vị trí cách E một khoảng
25 cm Lặp lại bước 3 Ghi tiếp các giá trị của s, t vào bảng 1
5 Dịch chuyển cổng E đến vị trí đặt cổng F và đặt cổng F đến vị trí cách E một khoảng 35 cm Lặp lại bước 3 Ghi tiếp các giá trị của s, t vào bảng 1
Ghi chú: Có nhiều phương án khảo sát chuyển động nhanh dấn đều của viên bi trên mặt phẳng nghiêng Ví dụ:
