Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 10: Thí nghiệm thực hành (Có lời giải)

Nội dung text: Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chương 10: Thí nghiệm thực hành (Có lời giải)

1. CHƯƠNG 10. CHUYÊN ĐỀ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH A. SAI SỐ TRONG THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH I. PHÉP ĐO Đo một đại lượng là so sánh nó với đại lượng cùng loại được quy ước làm đon vị. Công cụ dùng để thực hiện việc so sánh trên gọi là dụng cụ đo. Phép so sánh trực tiếp qua dụng cụ đo gọi là phép đo trực tiếp Phép đo trực tiếp Dụng cụ đo Đo chiều dài Thước dài Đo thời gian Đồng hồ Một số đại lượng không thể đo trực tiếp mà được xác định thông qua công thức liên hệ với các đại lượng đo trực tiếp. Phép đo như vậy gọi là phép đo gián tiếp. Ví dụ, để đo gia tốc rơi tự do bằng con lắc đơn, ta xác định thông qua l l T 2 g 4 2 g T2 Ta sẽ dùng thước dài để đo trực tiếp chiều dài của con lắc, dùng đồng hồ để đo thời gian con lắc dao động (suy ra chu kì) rồi thay vào biểu thức trên sẽ xác định gián tiếp được gia tốc trọng trường g. Phép đo gián tiếp Phép đo trực tiếp Dụng cụ đo Đo gia tốc rơi tự do bằng Chiều dài dây treo Thước dài con lắc đơn l l Đo thời gian thực hiện một dao Đồng hồ T 2 g 4 2 g T2 động (Chu kì dao động) II. CÁC LOẠI SAI SỐ 1. Sai số hệ thống Sai số hệ thống là sai số có tính quy luật, ổn định. * Nguyên nhân: - Do đặc điểm cấu tạo của dụng cụ còn gọi là sai số dụng cụ. Ví dụ: Vật có chiều dài thực là 10,7 mm. Nhưng khi dùng thước đo chiều dài có độ chia nhỏ nhất là 1 mm thì không thể đo chính xác chiều dài được mà chỉ có thể đo được 10 mm hoặc 11 mm. - Do không hiệu chỉnh dụng cụ đo về mốc 0 nên số liệu thu được trong các lần đo có thể luôn tăng lên hoặc luôn giảm. * Khắc phục sai số hệ thống: - Sai số dụng cụ không khắc phục được mà thường được lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất hoặc 1 độ chia nhỏ nhất (tùy theo yêu cầu của đề). - Sai số hệ thống do lệch mức 0 được khắc phục bằng cách hiệu chỉnh chính xác điểm 0 của các dụng cụ. 2. Sai số ngẫu nhiên Trang 1
2. Sai số ngẫu nhiên là sai số không có nguyên nhân rõ ràng Nguyên nhân sai số có thể do hạn chế về giác quan nguời đo, do thao tác không chuẩn, do điều kiện làm thí nghiệm không ổn định, do tác động bên ngoài Để khắc phục sai số ngẫu nhiên người ta đo nhiều lần và tính giá trị trung bình coi đó là giá trị gần đúng với giá trị thực. Nếu trong các lần đo mà có nghi ngờ sai sót do thu được số liệu khác xa với giá trị thực thì cần đo lại và loại bỏ số liệu nghi sai sót. III. CÁCH TÍNH GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH VÀ SAI SỐ TRỰC TIẾP 1. Gíá trị trung bình Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần. Kết quả đo lần lượt là A1,A2 , ,An . n A A A A  i Đại lượng A 1 2 n i 1 1 được gọi là giá trị trung bình của đại lượng A trong n lần đo. n n STUDY TIP Số lần đo càng lớn, giá trị trung bình A càng gần với giá trị thực A. 2. Cách xác định sai số của phép đo * Sai số tuyệt đối của mỗi lân đo Trị tuyệt đối của hiệu số giữa giá trị trung bình và giá trị của mỗi lần đo gọi là sai số tuyệt đối ứng với lần đo đó. A1 A A1 ; A2 A A2 ; ; An A An ; 2 được gọi là sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo riêng lẻ. * Sai số tuyệt đối trung bình Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo được tính bởi công thức A A A A A 1 2 3 n n Trong trường hợp phép đo dưới 5 lần thì người ta không tính sai số ngẫu nhiên dựa vào biểu thức trên, mà người ta chọn giá trị lớn nhất Amax thu được từ (2). * Sai số tuyệt đối của phép đo Là tổng sai số ngẫu nhiên và sai số dụng cụ: A A A ' Trong đó A ' có thể lấy bằng nửa hoặc một độ chia nhỏ nhất trên dụng cụ. Trong một số dụng cụ đo có cấu tạo phức tạp, ví dụ đồng hồ đo điện đa năng hiện số, sai số dụng cụ được tính theo một công thức do nhà sản xuất quy định. STUDY TIP Ngoài ra, theo sách giáo khoa Vật lí 10 nâng cao, sai số tuyệt đối của phép đo có thể tính bởi: Trang 2
3. A A A max min 2 Trong câu hỏi của đề bài sẽ nói rõ dùng cách nào. IV. GHI KẾT QUẢ Kết quả đo được ghi: A A A Trong đó: A: Kết quả đo A : Giá trị trung bình A : Sai số tuyệt đối trung bình (sai số ngẫu nhiên) Khi ghi kết quả cần lưu ý: (Theo SGK Vật lí 10, Vật lí 10 NC, SGV Vật lí 10 NC) + Sai số tuyệt đối thường chỉ được viết đến một hoặc tối đa là hai chữ số có nghĩa. + Giá trị trung bình được viết đến bậc thập phân tương ứng. + Sai số của kết quả không nhỏ hơn sai số của dụng cụ đo kém chính xác nhất. + Số chữ số có nghĩa của kết quả không nhiều hơn số chữ số có nghĩa của dữ kiện kém chính xác nhất. Số chữ số có nghĩa là tất cả các con số tính từ trái qua phải kể từ chữ số đầu tiên khác không. Ví dụ: số 13,1 có 3 CSCN; số 13,10 có 4 CSCN; số 1,30.103 có 3 CSCN. Số chữ số có nghĩa càng nhiều cho biết kết quả có sai số càng nhỏ (độ chính xác càng cao). Ví dụ: Khi đo gia tốc rơi tự do, một học sinh tính được g 9,786345 m / s2 ; g 0,025479 m / s2 thì kết quả được ghi như thế nào? Lời giải Nếu sai số tuyệt đối lấy 1 CSCN: g g g 9,79 0,03 m / s2 Nếu lấy sai số tuyệt đối 2 CSCN: g g g 9,786 0,025 m / s2 V. 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 cần đo, tính bằng phần trăm: A A .100% A Sai số tỉ đối càng nhỏ thì phép đo càng chính xác VI. CÁCH TÍNH SAI SỐ CIÁN TIẾP - Sai số gián tiếp của một tổng hoặc một hiệu bằng tổng sai số tuyệt đối của các số hạng. Ví dụ: F X Y Z F X Y Z - Sai số gián tiếp của một tích hoặc một thương bằng tổng sai số tỉ đối của các thừa số. X.Y F X Y Z Ví dụ: F F X Y Z hay Z F X Y Z Xn X - Sai số gián tiếp của một lũy thừa: n Xn X Trang 3
4. n X 1 X - Sai số gián tiếp cua một căn số: n X n X STUDY TIP Các hằng số phải được lấy gần đúng đến số lẻ thập phân sao cho sai số tỉ đối của phép lấy gần đúng nhỏ hơn 10 lần tổng sai số tỉ đối của các đại lượng trong công thức. Ví dụ 1: Đo đường kính một đường tròn người ta thu được kết quả d 50,6 0,lmm. Diện tích của d2 đường tròn đó tính theo công thức S . Cách chọn số khi tính toán trong công thức là? 4 Lời giải + Sử dụng công thức tính sai số gián tiếp: S d 2 0,00395 0,4% S d + Tổng sai số tỉ đối của các số hạng là 0,4 % + Hằng số 3,141592654 phải được chọn sao cho 0,04% 3,142 + Nhận xét: Nếu lấy số 3,141592654 như trên máy tính, có thể bỏ qua sai số của B. BÀI TẬP TỰ LUYỆN Câu 1: Cho các số: 13,1 ; 13,10 ; 1,3.103; 1,30.103; 1,3.10 3; 1,30.10 3. I. Có mấy số có hai chữ số có nghĩa? A. 1B. 2C. 4 D. 3 II. Có mấy số có hai chữ số có nghĩa? A. 1B. 2C. 4 D. 3 III. Có mây số có bốn chữ số có nghĩa? A. 1B. 2C. 4 D. 3 Câu 2: Một học sinh làm thí nghiệm đo bước sóng của nguồn sáng bằng thí nghiệm khe Young. Giá trị trung bình và sai số tuyệt đối của phép đo khoảng cách hai khe sáng là a và a. Giá trị trung bình và sai số tuyệt đối của phép đo khoảng cách từ mặt phẳng chứa hai khe đến màn đo được là D và D. Giá trị trung bình và sai số tuyệt đối của phép đo khoảng vân là i và i. Kết quả sai số tương đối của phép đo bước sóng được tính a i D A. .100% B. a i D .100% a i D a i D C. a i D .100% D. .100% a i D Trang 4
5. Câu 3: Khi đo gia tốc trọng trường bằng cách sử dụng con lắc đơn, người ta đo chiều dài con lắc và chu 4 2l kì dao động của con lắc và tính gia tốc trọng trường theo công thức g . Sai số gián tiếp của phép T2 đo được xác định theo công thức . g l T g l T A. B. 2 2 g l T g l T g l T g l T C. D. 2 g l T g l T Câu 4: Dùng một thước chia độ đến milimét để đo khoảng cách giữa hai điểm A, B và có kết quả đo là 600 mm. Lấy sai số dụng cụ là một độ chia nhỏ nhất. Cách ghi nào sau đây không đúng với số chữ số có nghĩa của phép đo? A. l 6,00 0,01 dm B. l 0,6 0,01 m C. l 60,0 0,01 cm D. l 600 1 mm Câu 5: Dùng một thước có chia độ đến milimét đo 5 lần khoảng cách d giữa hai điểm A và B đều cho cùng một giá trị là 1,345 m. Lấy sai số dụng cụ là một độ chia nhỏ nhất. Kết quả đo được viết là A. d l345 2 mm B. d l,345 0,00l m C. d 1345 3 mm D. d l,345 0,0005 m Câu 6: Một học sinh dùng đồng hồ bấm giây có độ chia nhỏ nhất của đồng hồ là 0,0 1s để đo chu kỳ dao động điều hòa T của một vật bằng cách đo thời gian một dao động. Ba lần đo cho kết quả thời gian của mỗi dao động lần lượt là 2,01s; 2,12s; 1,99s. I. Sai số tuyệt đối trung bình được tính bằng giá trị lớn nhất trong các sai số tuyệt đối của mỗi lần đo. Kết quả của phép đo chu kì là: A. T 2,04 0,08 s B. T 2,04 0,05 s C. T 2,04 0,09 s D. T 2,04 0,06 s II. Sai số tuyệt đối trung bình được tính bằng trung bình cộng của các sai số tuyệt đối của mỗi lần đo. Kết quả của phép đo chu kì là: A. T 2,04 0,08 s B. T 2,04 0,05 s C. T 2,04 0,09 s D. T 2,04 0,06 s T T III. Sai số tuyệt đối của phép đo được tính theo công thức T max min . Kết quả của phép đo chu kì là: 2 A. T 2,040 0,065 s B. T 2,04 0,05 s C. T 2,04 0,07 s D. T 2,04 0,06 s Câu 7: Trong bài toán thực hành của chương trình Vật lí 12, bằng cách sử dụng con lắc đơn để đo gia tốc rơi tự do là g g g ( g là sai số tuyệt đối trong phép đo). Bằng cách đo gián tiếp thì xác định được chu kỳ và chiều dài của con lắc đơn là T 1,795 0,001 s ; l 0,800 0,00l m . Gia tốc rơi tự do có giá trị là A. 9,8 0,018 m / s2 B. 9,802 0,023 m / s2 Trang 5
6. C. 9,80 0,02 m / s2 D. 9,802 0,018 m / s2 Câu 8: Một học sinh tiến hành thí nghiệm đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa khe Y- âng. Học sinh đó đo được khoảng cách hai khe a 1,50 0,01 mm ; khoảng cách từ hai khe đến màn D 580 1 mm và khoảng cách giữa 3 vân sáng liên tiếp là L 5,00 0,02 mm . Sai số tỉ đối (tương đối) của phép đo là A. 0,6%B. 1,2%C. 0,5% D. 5,8% Câu 9: Một học sinh dùng cân và đồng hồ đếm giây để đo độ cứng của lò xo. Dùng cân để cân vật nặng khối lượng m 100 2 g. Gắn vật vào lò xo và kích thích cho con lắc dao động rồi dùng đồng hồ đếm giây đo thời gian của một dao động cho kết quả T 2,00 0,02 s. Bỏ qua sai số của . Sai số tương đối của phép đo là: A. 1%B. 3%C. 2% D. 4% Câu 10: Một học sinh dùng đồng hồ bấm giây để đo chu kỳ dao động điều hòa T của một vật bằng cách đo thời gian mỗi dao động. Năm lần đo cho kết quả thời gian của mỗi dao động lần lượt là 2,00s; 2,05s; 2,00s; 2,05s; 2,05s. Thang chia nhỏ nhất của đồng hồ là 0,01s. Sai số tuyệt đối trung bình bằng trung bình cộng sai số tuyệt đối của mỗi lần đo. Sai số dụng cụ bằng 1 độ chia nhỏ nhất. Kết quả của phép đo chu kỳ được biểu diễn bằng A. T 2,03 0,02 s B. T 2,030 0,024 s C. T 2,03 0,03 s D. T 2,030 0,034 s Câu 11: Để đo tốc độ truyền sóng V trên một sợi dây đàn hồi AB, người ta nối đầu A vào một nguồn dao động có tần số f 100 2 Hz. Đầu B được gắn cố định. Người ta đo khoảng cách giữa hai điểm trên dây gần nhất không dao động với kết quả d 0,020 0,001 m. Tốc độ truyền sóng trên sợi dây AB là A. v 4,00 0,28 m / s B. v 4,00 0,07 m / s C. v 4,0 0,3 m / s D. v 2,00 0,07 m / s ĐÁP ÁN l.B, D, A 2.D 3.B 4.B 5.B 6.C, D, C 7.B 8.B 9.D 10.C 11.A HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Đáp án I.B; II.D; III.A. Số có hai chữ số có nghĩa là: 1,3.103;1,3.10 3. Số có ba chữ số có nghĩa là13,1;1,30.103; 1,30.10 3 Số có bốn chữ số có nghĩa là: 13,10. Câu 2: Đáp án D Vì sai số gián tiếp của một tích hoặc một thường bằng tổng sai số tỉ đối của các thừa số nên ta có: ai a i D  a i D  .100% D a i D Trang 6
7. Câu 3: Đáp án B Vì sai số gián tiếp của một tích hoặc một thường bằng tổng sai số tỉ đối của các thừa số nên ta có: 4 2l g l T g g 2 l 2T 2 2 T2 g l T Câu 4: Đáp án B Cách ghi l 0,6 0,001 m không đúng với số chữ số có nghĩa của phép đo. Câu 5: Đáp án B Độ chia nhỏ nhất của dụng cụ là 0,001 (m). Do đó kết quả đo được viết là d l,345 0,00l m Câu 6: Đáp án I.C; II.D; III.C. I. Đáp án C Giá trị trung bình là: T T T 2,01 2,12 1,99 T 1 2 3 2,04 3 3 Sai số tuyệt đối của mỗi lần đo là T T T 0,03; T T T 0,08; 1 1 2 2 T3 T T3 0,05 Vì sai số tuyệt đối trung bình được tính bằng giá trị lớn nhất trong các sai số tuyệt đối của mỗi lần đo, nên ta có: T max 0,03;0,08;0,05 0,08 Sai số tuyệt đối của phép đo là: T T T ' 0,08 0,01 0,09 Kết quả đo được ghi là: T T T 2,04 0,09 II. Đáp án D. Sai số tuyệt đối trung bình được tính bằng trung bình cộng của các sai số tuyệt đối mỗi lần đo nên ta có: T T T 0,03 0,08 0,05 T 1 2 3 0,05333 0,05 3 5 (Chú ý, chúng ta không lấy 0,053 vì các giá trị lấy trung bình chỉ có 1 chữ số có nghĩa, nên giá trị T ta cũng lấy 1 chữ số có nghĩa) Sai số tuyệt đối của phép đo là: T T T ' 0,05 0,01 0,06 Kết quả đo được ghi là: T T T 2,04 0,06 III. Đáp án C. Sai số tuyệt đối của phép đo được tính theo công thức T T 2,12 1,99 T max min nên ta có: T 0,07 2 2 Trang 7
8. Kết quả đo được ghi là: T T T 2,04 0,07 Câu 7: Đáp án B 4 2 l 4 2.0,800 Giá trị trung bình của gia tốc roi tự do là: g 2 9,802 T 1,795 g l T Ớ phép tính bên trên ta lấy từ máy tính. Do đó ta có thể bỏ qua sai số của . Ta có: 2 g l T l T 0,001 0,001 g g 2 9,802 2 0,023 l T 0,800 1,795 Kết quả đo được ghi là: g g g 9,802 0,023 Câu 8: Đáp án B D La Khoảng cách giữa 3 vân sáng liên tiếp là 2 khoảng vân L 2i 2  a 2D Khi đó ta có sai số tỉ đối của phép đo là: L a D  .100% L a D 0,02 0,01 1 .100% 1,2% 5 1,50 580 Câu 9: Đáp án D m 4 2m Độ cứng được xác định bởi: T 2 k k T2 Từ đó ta có: m T 2 0,02 k 2 .100% 2 .100% 4% m T 100 2 Câu 10: Đáp án C Giá trị trung bình là: 2 2,05 2 2,05 2,05 T 2,03 5 Sai số tuyệt đối của mỗi lần đo là: T1 T T1 0,03 T T T 0,02; T T T 0,03 2 2 3 3 T4 T T4 0,02; T5 T T5 0,02 Sai số tuyệt đối trung bình của phép đo là T T T T T T 1 2 3 4 5 5 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,024 0,02 5 Sai số tuyệt đối của phép đo là: Trang 8
9. T T T ' 0,02 0,01 0,03 Kết quả đo được ghi là: T T T 2,03 0,03 Câu 11: Đáp án A  v Khoảng cách giữa hai điểm trên dây gần nhất không dao động là d v 2df 2 2f Giá trị trung bình là v 2df 2.0,02.100 4 v d f Ta có: v 2df v d f d f 0,001 2 v v 4 0,28s d f 0,020 100 Kết quả đo được ghi là v v v 4,00 0,28 m / s Trang 9