TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA NĂNG LƯỢNG - BỘ MÔN VẬT LÝ THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI - 2009 1 2 LỜI MỞ ĐẦU Thí nghiệm vật lý đại cương là một tín chỉ thuộc chương trình đào tạo của Trường Đại học Thuỷ lợi. Trong khi học tập và nghiên cứu vật lý ở trường đại học, sinh viên được tiến hành làm các bài thí nghiệm về các phần như cơ học, nhiệt học, điện - từ học và quang học Mục đích của các bài thí nghiệm là giúp sinh viên hiểu sâu hơn phần lý thuyết, củng cố lý thuyết và kết hợp lý thuyết với thực hành. Thí nghiệm vật lý còn rèn luyện cho sinh viên tác phong khoa học thực nghiệm, góp phần xây dựng phương pháp độc lập nghiên cứu, suy luận thực tế cần thiết để sau này làm tốt công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật của người kỹ sư tương lai. Đây là một trong những môn học bước đầu hình thành và rèn luyện kỹ năng đánh giá kết quả phép đo cũng như khả năng viết báo cáo và báo cáo kết quả mà mình tự đo đạc được. Từ đó tạo cho sinh viên hứng thú khám phá và ứng dụng khoa học kỹ thuật vào thực tiễn. Trên cơ sở đó, Bộ môn Vật lý - Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thuỷ lợi biên soạn cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lý đại cương II” gồm các bài thí nghiệm về điện - từ học và quang học, có nội dung phù hợp với yêu cầu môn học; với chương trình đào tạo và với cơ sở vật chất của trường nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên. Cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lí đại cương II” gồm ba phần chính sau đây: Phần I: Lý thuyết sai số. Phần II: Làm quen với các dụng cụ đo. Phần III: Các bài thí nghiệm. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình và nhiều ý kiến đóng góp tâm huyết của ThS Trần Anh Kỳ, GV Lê Đức Thành và GV Hàn Hoà Bình cùng các đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn về sự giúp đỡ này. Cuốn giáo trình “Thí nghiệm vật lí đại cương II” đã hoàn thành, mặc dù rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi một số thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các đồng nghiệp cũng như các bạn sinh viên để cho cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau. Hà Nội, ngày 07 tháng 07 năm 2009 Các tác giả NGUYỄN VĂN NGHĨA, PHẠM THỊ THANH NGA, ĐẶNG THỊ MINH HUỆ 3 4 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 3 Phần I. LÝ THUYẾT SAI SỐ Error! Bookmark not defined. I. Những nguyên nhân gây nên sai số trong các phép đo 7 II. Phân loại sai số 7 III. Định nghĩa sai số 8 IV. Sai số của những đại lượng trong phép đo trực tiếp 9 V. Sai số của những đại lượng trong phép đo gián tiếp 10 VI. Các chú ý quan trọng khi tính và viết sai số 11 VII. Biểu diễn kết quả bằng đồ thị 12 VIII. Bài tập và câu hỏi kiểm tra 13 Phần II. LÀM QUEN VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO 14 A. PANME VÀ THƯỚC KẸP 14 I. Thước kẹp 14 II. Panme 15 B. DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN (ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG) 16 I. Mô tả 16 II. Cách sử dụng đồng hồ vạn năng 17 III. Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ vạn năng hiện số kiểu DT-9202 19 Phần III. CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 20 Bài 1: Xác định chiết suất của bản thủy tinh bằng kính hiển vi 20 Bài 2: Đo điện trở bằng mạch cầu một chiều (cầu Wheastone) 24 Bài 3: Xác định nhiệt độ Curie của sắt từ 28 Bài 4: Khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều 33 Bài 5: Hiện tượng phân cực ánh sáng. Nghiệm lại định luật Malus 41 Bài 6: Khảo sát đặc tính của Diode và Transistor 45 Bài 7: Xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho vân tròn Newton 54 Bài 8: Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở kim loại và bán dẫn 60 Bài 9: Khảo sát mạch cộng hưởng RLC 64 Bài 10: Khảo sát sự nhiễu xạ của chùm laser qua cách tử phẳng - Xác định bước sóng của laser 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 5 6 Phần I. Lý thuyết sai số Phần I LÝ THUYẾT SAI SỐ I. NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY NÊN SAI SỐ TRONG CÁC PHÉP ĐO Khi đo các đại lượng vật lý, ta không thể tìm được giá trị đúng của nó vì những nguyên nhân sau: 1. Dụng cụ đo không hoàn hảo Những dụng cụ đo dù có tinh vi đến mấy cũng có một độ chính xác nhất định. Ví dụ: đồng hồ đo điện, có loại chính xác đến 0,1 (A), có loại chính xác đến 0,01 (A), có loại chính xác đến 0,001 (A)…. Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định, để đo một đại lượng, chúng ta không tìm được kết quả cao hơn độ chính xác của dụng cụ. Ví dụ dùng Ampe kế có độ chính xác đến 0,1 A để đo cường độ dòng điện, ta không thu được kết quả chính xác tới 0,09 A. Nếu dụng cụ đã cũ, mòn, kém chất lượng thì kết quả thu được còn kém chính xác hơn nhiều. Như vậy, dụng cụ đo cũng là một nguyên nhân gây nên sai số trong phép đo. 2. Giác quan Mắt một người dù rất tinh, khi đo độ dài của chiếc bàn cũng không thể nào đặt cho đầu thước hoàn toàn trùng với đầu của bàn. Khi chuyển thước để đo tiếp, cũng không thể đặt cho đầu thước ở lần đo sau nằm đúng cuối thước ở lần trước được. Đặc biệt khi người ta phải kết hợp nhiều giác quan như mắt, tai, tay, chân… đồng thời thì càng khó thống nhất. Đó cũng là nguyên nhân gây sai số trong các phép đo. 3. Đại lượng đo không có giá trị xác định Khi tiến hành đo một đại lượng vật lý, chẳng hạn đo đường kính viên bi, do viên bi không hoàn toàn là hình cầu nên kết quả đo theo các phương khác nhau sẽ có giá trị khác nhau…. Trong các trường hợp ấy, ta không thể tìm được trị số đúng của vật. Ngoài ra sự thay đổi bất thường của dụng cụ đo, của môi trường tiến hành thí nghiệm, sự nhầm lẫn của người đo cũng gây nên sai số. Như vậy, mọi phép đo đều mắc phải sai số nào đó. II. PHÂN LOẠI SAI SỐ 1. Sai số nhất định Sai số nhất định là sai số do một nguyên nhân nhất định nào đó gây nên làm cho kết quả của phép đo thay đổi theo một chiều nhất định (hoặc tăng lên hoặc giảm đi). Nguyên nhân của sai số này thường do dụng cụ đo gây ra, chẳng hạn: kim chỉ của Ampe kế không chỉ đúng vạch “0” khi không có dòng điện chạy qua. Độ “0” của du xích không trùng với độ “0” của thước kẹp khi hai hàm của thước khít nhau. Do đó, người làm thí nghiệm phải có nhiệm vụ tìm ra tất cả các nguyên nhân đó và xác định những số hiệu chỉnh của dụng cụ trước khi tiến hành đo để hiệu chỉnh được kết quả đó. 7 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Ví dụ: Khi chưa có dòng điện chạy qua, kim của Ampe kế đã chỉ 0,1A thì phải coi giá trị 0,1 A này là giá trị “0” của Ampe kế. Khi đọc cường độ mà Ampe kế chỉ là 0,8A thì thực tế dòng điện trong phép đo đó là 0,7A (0,8A - 0,1A = 0,7A). Vì vậy, khi dùng một dụng cụ nào phải thử dụng cụ đó theo đúng lời chỉ dẫn kèm theo dụng cụ. Khi đã biết được số hiệu chỉnh và hiệu chỉnh kết quả đó rồi, thì sai số nhất định không được kể là sai số nữa. 2. Sai sót Sai sót là loại sai số sinh ra khi đo hay quan sát vội vàng, không cẩn thận, hoặc do hiện tượng xảy ra quá nhanh không kịp quan sát. Ví dụ: Đọc nhầm 17,5 thành 1,75; nghe nhầm 32 thành 22; cộng khối lượng các quả cân không để ý tới đơn vị. Để tránh những sai sót này, khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức chú ý, thận trọng, đọc đi đọc lại nhiều lần. 3. Sai số bất định Sai số bất định là sai số không do một nguyên nhân cụ thể nào gây nên và làm cho kết quả đo khi thì lớn hơn, khi thì nhỏ hơn giá trị đúng của đại lượng đo. Sai số bất định phần lớn do giác quan của người làm thí nghiệm gây ra. Ví dụ: Mắt không phân biệt được chỗ giao nhau của hai vạch chia trên thước, bấm đồng hồ giây không đúng lúc hiện tượng xảy ra… Sai số bất định một phần cũng do đại lượng phải đo thay đổi bất thường, do những nguyên nhân không rõ ràng gây ra. Ví dụ: Dòng điện thay đổi thất thường, quả cầu không tròn đều… Như vậy, sai số bất định là ngẫu nhiên nên ta không thể hiệu chỉnh được kết quả đo. Nó làm cho phép đo trở nên kém tin cậy. Do vậy, ta phải đánh giá kết quả đo bằng cách tính các sai số đó. Dưới đây ta chỉ nói đến cách tính sai số bất định, còn sai số nhất định và sai sót không nói tới, vì người làm thí ngiệm phải có nhiệm vụ loại bỏ chúng. III. ĐỊNH NGHĨA SAI SỐ 1. Sai số tuyệt đối Sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a trong lần đo thứ i là hiệu giữa trị số đúng a và giá trị số đo được a i trong lần đo ấy. ii aaa −=∆ (1) Ví dụ: Độ dài đúng của đoạn thẳng AB là a = 52,2 (cm). Trong các lần đo thứ 1, 2, 3… ta lần lượt được các kết quả là a 1 = 52,1 (cm); a 2 =52,3 (cm); a 3 = 52,4 (cm)…, khi đó sai số tuyệt đối của phép đo độ dài trong các lần đo lần lượt là: 11 aaa −=∆ = 0,1 (cm) 22 aaa −= ∆ = 0,1 (cm) 33 aaa −=∆ = 0,2 (cm) 8 Phần I. Lý thuyết sai số Như vậy, sai số tuyệt đối cho ta biết giá trị của đại lượng đo được lệch so với giá trị thực là bao nhiêu. 2. 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 và trị số đúng của đại lượng phải đo. a a a ∆ = δ hay a aa . δ = ∆ . (2) Sai số tương đối cho ta biết mức độ chính xác của phép đo, tức là phép đo sai số bao nhiêu phần trăm. Ví dụ: Khi đo hai đại lượng a, b ta được các kết quả: a = 1 (m) và a∆ = 0,01 (m) b = 10 (m) và b∆ =0,01 (m) Ta nhận thấy, hai phép đo này có sai số tuyệt đối bằng nhau nhưng có sai số tương đối là khác nhau % 101, 0 == ∆ = a a a δ % 1,0001 ,0 = = ∆ = b b b δ . Đánh giá hai phép đo, ta thấy phép đo đại lượng b chính xác hơn 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 có 1cm). IV. SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG TRONG PHÉP ĐO TRỰC TIẾP 1. Định nghĩa Phép đo trực tiếp một đại lượng vật lý là phép so sánh đại lượng đó thông qua dụng cụ đo (có sẵn dụng cụ đo). 2. Trường hợp chung Khi tiến hành đo đại lượng a một cách trực tiếp, để xác định giá trị thực của đại lượng đó, ta phải tiến hành đo đại lượng a nhiều lần. Sau đó lấy giá trị trung bình trong các lần đo: n aa aa a n ++ ++ = 321 (3) Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng nếu số lần đo càng lớn thì giá trị trung bình a càng gần giá trị thực a của đại lượng cần đo. Sai số tuyệt đối tương ứng trong từng lần đo của phép đo sẽ là ii aaa −=∆ , sai số tuyệt đối của phép đo là sai số tuyệt đối trung bình: n aaaa a n ∆++∆+∆+∆ =∆ 321 (4) 9 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II và kết quả cuối cùng của phép đo được viết: a aa ∆ ±= (đơn vị đo) (5) 3. Trường hợp riêng Trong trường hợp chỉ đo đại lượng a được một lần và đảm bảo không sai sót hoặc đo nhiều lần nhưng kết quả đều giống nhau, thì người ta lấy sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng a bằng một nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất khắc trên dụng cụ đo. Ví dụ: Đo chiều dài l của thanh AB nhiều lần đều được kết quả là 235 (mm) bằng thước đo chia đến 1 (mm) tức là độ chính xác tới 0,5 (mm) thì kết quả đó là: l = (235,00 ± 0,50) mm. V. SAI SỐ CỦA NHỮNG ĐẠI LƯỢNG TRONG PHÉP ĐO GIÁN TIẾP Định nghĩa: Đại lượng cần đo trong phép đo gián tiếp là hàm số của các đại lượng trong phép đo trực tiếp. Ví dụ: Muốn xác định thể tích hình trụ ta phải đo đường kính d và chiều cao h của hình trụ một cách trực tiếp bằng dụng cụ đo độ dài, rồi dùng công thức: h d V 4 2 π = . Khi đo d và h ta mắc phải các sai số d∆ và h∆ nên V cũng có sai số V∆ nào đó. Muốn tính sai số V∆ ta dựa vào các định lý mà không chứng minh trong phần tiếp theo. Để tính sai số của các đại lượng trong phép đo gián tiếp ta áp dụng các định lý sau đây: 1. Định lý 1 Sai số tuyệt đối của một tổng hay một hiệu thì bằng tổng các sai số tuyệt đối của các số hạng có trong tổng hay hiệu đó. Nếu cbax −+= thì cbax ∆+∆+∆=∆ . 2. Định lý 2 Sai số tương đối của một tích hay một thương thì bằng tổng các sai số tương đối của các thừa số có trong tích hay thương đó. Nếu c ba x . = thì c c b b a a x x ∆ + ∆ + ∆ = ∆ . 3. Hệ quả a) Nếu a a n x x ax n ∆ = ∆ ⇒ = . b) Nếu d d s c c r b b m a a n x x dc ba x sr mn ∆ + ∆ + ∆ + ∆ = ∆ ⇒= . 4. Áp dụng phép tính vi phân + Nếu đại lượng y đo gián tiếp thông qua việc đo đại lượng x trực tiếp và y được xác định phụ thuộc vào đại lượng x theo hàm số ( ) xfy = thì sai số tuyệt đối y∆ tính theo x∆ như sau: x)x(fy ' ∆∆ = 10 [...]... dung 2MΩ 20MΩ 1% 2 200MΩ 5% 200nF 2mF 20mF 10 19 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Phần III CÁC BÀI THÍ NGHIỆM BÀI 1: XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT CỦA BẢN THỦY TINH BẰNG KÍNH HIỂN VI I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định chiết suất của bản thuỷ tinh bằng kính hiển vi II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1 Kính hiển vi 2 Thước Panme 3 Bản thủy tinh cần đo chiết suất 4 Nguồn sáng III CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách... tinh trong bài thí nghiệm này lại là: 4 Giải thích tại sao khi l < l 0 thì công thức xác định độ dày biểu kiến d’ của bản thuỷ tinh d’ =β [0,1N + 0,002(l +50 – l 0 )] mm 23 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II BÀI 2: ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG MẠCH CẦU MỘT CHIỀU (CẦU WHEASTONE) I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định điện trở bằng mạch cầu một chiều (Cầu Wheastone) II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1 Bộ thiết bị thí nghiệm vật lý VS 02-TL;... trở tùy theo yêu cầu của phép đo Trên 25 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II hộp điện trở mẫu có các núm xoay giúp ta điều chỉnh từng thang giá trị bao gồm các thang giá trị từ 0 - 1Ω, 1 - 10Ω, 10 -100Ω, 100 - 1000Ω… IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Hình 3 Sơ đồ trên mặt thiết bị đo mạch cầu 1 Mắc mạch điện: Quan sát mặt thiết bị đo (hình 3) Chưa cắm phích lấy điện của bộ thí nghiệm vào nguồn điện ∼220V Sau đó:  Dùng... 20,0 I c (µA) 31 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Chú ý: 1 Tiến hành thí nghiệm đối với cả hai trường hợp: nhiệt độ t của thanh ferit tăng dần đến giá trị t > Tc và sau đó lại giảm dần đến giá trị t < Tc, với Tc là nhiệt độ Curie của thanh ferit F 2 Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng số liệu: IC a t gi¶m 0 + Nhiệt độ phòng thí nghiệm ( t 0 ) trên p nhiệt kế 0 - 1000C và... x cos u với: x = (1,12 ± 0,03), u = (4,190 ± 0,024) rad 2 Hãy nêu cách vẽ đường cong thực nghiệm Khi sử dụng đường cong đó để tìm cặp giá trị chưa đo sai số phải tính như thế nào? 13 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Phần II LÀM QUEN VỚI CÁC DỤNG CỤ ĐO A PANME VÀ THƯỚC KẸP MỤC ĐÍCH Dùng để đo kích thước của các vật với một độ chính xác cao I THƯỚC KẸP gồm: 1 Mô tả: Thước kẹp (hình 1) có cấu tạo - Thước... số cực tiểu khi chọn vị trí của con chạy C nằm chính giữa dây điện trở XY 3 Tại sao phải điều chỉnh dòng điện trong mạch chính có cường độ nhỏ (I cỡ µA)? 27 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II BÀI 3: XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CURIE CỦA SẮT TỪ I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định nhiệt độ Curie nhờ phương pháp cảm ứng điện từ bằng cách theo dõi sự thay đổi của dòng điện cảm ứng I c (chỉ trên micrôampekế µA) theo nhiệt... f (E nđ ) và E nđ = α(t – t p ) Từ đó xác định nhiệt độ Curie của sắt từ II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 1 Bộ thí nghiệm gồm: lò điện, các cuộn dây cảm ứng, lõi sắt từ ferit, cặp nhiệt điện, các đồng hồ micrôampekế xoay chiều và milivôn kế một chiều, các nguồn điện ~3V và ~5V 2 Các dây dẫn dùng để nối mạch điện III CƠ SỞ LÝ THUYẾT r Các vật liệu sắt từ (Fe, Ni, Co, Ferit…), nếu được đặt trong từ trường ngoài... trái hay phải mà hiệu chỉnh kết quả đo II PANME 1 Mô tả Panme là dụng cụ đo có độ chính xác cao, dùng để đo kích thước các vật nhỏ như kích thước các sợi dây, độ dầy tấm kính Panme bao gồm một thân hình trụ rỗng R gắn với phần cố định A, D (hình 4) Bên trong R là lõi B gắn chặt với một du xích Z Nếu dùng chốt vặn V làm Hình 4 Panme 15 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II quay du xích đi một vòng, thì đầu... nhiệt độ Curie Trình bày phương pháp xác định nhiệt độ Curie của sắt từ trong thí nghiệm này Tại sao đồ thị I c = f(E nđ ) có dạng như trên đồ thị hình 3? Giải thích rõ cách tính giá trị trung bình của nhiệt độ Curie và sai số của nó Phần III Các bài thí nghiệm BÀI 4: KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ bằng cách... suất tỷ đối của môi trường đó đối Phần III Các bài thí nghiệm với không khí Chiết suất phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng và bản chất của môi trường mà ánh sáng truyền qua Có nhiều cách đo chiết suất của một môi trường, trong bài thí nghiệm này ta nghiên cứu đo chiết suất của bản thủy tinh bằng kính hiển vi Kính hiển vi dùng để quan sát ảnh phóng đại của những vật có kích thước nhỏ cỡ milimét Cấu tạo . 20mF 200MΩ 5% 10 19 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Phần III CÁC BÀI THÍ NGHIỆM BÀI 1: XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT CỦA BẢN THỦY TINH BẰNG KÍNH HIỂN VI I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Xác định chiết. thực tiễn. Trên cơ sở đó, Bộ môn Vật lý - Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thuỷ lợi biên soạn cuốn giáo trình Thí nghiệm vật lý đại cương II gồm các bài thí nghiệm về điện - từ học và quang. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA NĂNG LƯỢNG - BỘ MÔN VẬT LÝ THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II NHÀ XUẤT BẢN KHOA