Sai số trong thực hành vật lý đại cương GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 Một vấn đề thƣờng gặp phải với các bạn sinh viên là xử lý số liệu báo cáo thí nghiệm. Qua quá trình hƣớng dẫn thí nghiệm tôi thấy các lỗi thƣờng gặp khi xử lý số liệu chủ yếu liên quan tới vấn đề sai số. Hiện nay có rất nhiều bạn lấy rất nhiều số sau dấu phẩy (chắc là nghĩ lấy càng nhiều càng chính xác thì phải ^^) do đó dẫn đến sai quy tắc làm tròn sai số. Để các bạn có thể hiểu đƣợc quy tắc làm tròn sai số tôi sẽ tóm tắt những điểm mấu chốt của vấn đề này PHẦN 1: CÁC LOẠI SAI SỐ 1. Sai số hệ thống: Nhìn cái tên cũng đủ cho ta biết đây là một loại sai số mang tính chất hệ thống  tức là có quy luật nào đó ví dụ nhƣ các lần đo đều thấy lớn hơn giá trị chúng ta dự đoán  nguyên nhân sai số hệ thống thƣờng là rất dễ xác định (tất nhiên là những gì theo quy luật thì thƣờng dễ xác định rồi  sợ nhất là kiểu nghĩ và làm không theo quy luật ). Sai số hệ thống mà mọi ngƣời thƣờng gặp nhất trong quá trình thí nghiệm chính là chƣa chỉnh “0” các dụng cụ đo. Điều này có nghĩa là đôi khi chƣa có tín hiệu vào mà kim chỉ thỉ của dụng cụ đo đã ở vị trí khác 0  làm cho giá trị đo đƣợc có thể luôn lớn hơn hoặc luôn nhỏ hơn giá trị cần đo. Một ví dụ khác là ta xét viên bi rơi trong nƣớc chẳng hạn, nếu bình thƣờng thì nó rơi rất nhanh. Nhƣng vào một ngày đẹp trời ta thả viên bi lại thấy rơi rất từ từ  tƣ duy ngay là có thể do viên bi (bị đứa nào đổi bi) hoặc do nƣớc (nƣớc có vấn đề)  và sau một hồi mày mò tìm hiểu nếm thử vị nƣớc thấy có vị khác khác (vị gì thì các bạn tự tƣởng tƣợng)  chắc chắn nƣớc là nguyên nhân gây sai số. Tóm lại, hãy luôn để ý dụng cụ đo xem đã chỉnh “0” chưa! 2. Sai số ngẫu nhiên: Cái này thì lại ngƣợc lại hoàn toàn so với sai số hệ thống. Nguyên nhân gây ra sai số này thƣờng rất khó đoán chính xác (đến Gia Cát Dự đôi khi cũng phải pó tay) vì nhiều khi nó chỉ là những yếu tố rất nhỏ nhặt nhƣ gió, sức cản không khí, điện áp không ổn định, hay đại loại là một cái gì đó bất thƣờng. Vậy làm sao để nhận dạng đƣợc sai số này. Rất đơn giản là nếu làm đúng các bƣớc mà thấy không đo đƣợc kết quả thì tức là đã gặp phải sai số này. Vậy làm sao để khắc phục? “Kinh nghiệm” và “quan sát” là hai yếu tố quan trọng nhất để đoán biết đƣợc cái gì đã gây ra sai số. Để giảm tối đa sai số ngẫu nhiên ta cần tiến hành đo nhiều lần. Ví dụ các bạn muốn xét tốc độ rơi của Iphone 4 khi thả từ tầng 10 thƣ viện Tạ Quang Bửu chẳng hạn. Chắc chắn là để có kết quả chính xác các bạn cần chuẩn bị trƣớc khoảng 10 cái để thả (vừa sƣớng tay vừa chính xác). Vậy vì sao phải thả tới 10 lần  đơn giản là vì điều kiện rơi trong 10 lần chắc chắn khác nhau GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 do ảnh hƣởng của gió, của lực cản không khí,…  kết quả cuối cùng sẽ phải lấy là giá trị trung bình trong 10 lần đo để có đƣợc đánh giá chính xác nhất 3. Sai số dụng cụ: Sai số này nằm ngay tại dụng cụ đo  có thể khắc phục đƣợc sai số này không? 100% là không vì làm gì có cái sản phẩm nào hoàn hảo 100% đâu. Tuy nhiên, có thể làm giảm sai số này bằng cách lựa chọn các thiết bị có độ chính xác cao, có xuất sứ từ những nơi có uy tín (ví dụ cùng độ chính xác nhƣ nhau mà một cái ở China và một cái ở Japan thì biết thừa cái nào chuẩn hơn rồi). Rắc rối lớn nhất của sai số dụng cụ là nhiều bạn sinh viên gặp phải là việc tính toán ra sai số dụng cụ (phần này sẽ trình bày chi tiết trong các phần sau). 4. Sai số thô đại: Đây là loại sai số do chính chúng ta gây ra trong quá trình đo nhƣ mắt kém nhìn một thành hai. Nói chung có kinh nghiệm là mỗi nhóm nên lựa chọn một bạn mắt tinh để quan sát kết quả, một bạn khéo tay để tiến hành thí nghiệm  chuyên môn hóa cao  tránh sai số thô đại. Sai số thô đại thƣờng làm kết quả sai lệch khá nhiều so với thực tế nên rất dễ dàng phát hiện và điều chỉnh. Khi biểu diễn kết quả đo thì xuất hiện thêm hai loại sai số nữa là sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối a. Sai số tuyệt đối: theo định nghĩa là bằng tổng số học của sai số tuyệt đối trung bình của tất cả các lần đo (tất nhiên là phải lựa chọn những kết quả gần sát với thực tế nhất, những kết quả nào vƣợt xa là phải phi tang ngay) và sai số của dụng cụ kèm theo  công thức cơ bản sẽ là: ̅̅̅̅ ( ) Các bạn phải cẩn thận để tránh nhầm lần giữa sai số tuyệt đối và sai số tuyệt đối trung bình của các lần đo:  Các bƣớc tính sai số tuyệt đối trung bình của tất cả các lần đo: (giả sử ta đo đại lƣợng A 3 lần) o Bƣớc 1: Lập bảng kết quả (giả sử thu đƣợc bảng số liệu sau) Lần đo 1 2 3 A 4 5 6 o Bƣớc 2: Tính giá trị trung bình của A: GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 ̅ o Bƣớc 3: Tính sai số tuyệt đối trong từng lần đo | ̅ | | | Nhƣ vậy ta có: | | | | o Bƣớc 4: Tính sai số tuyệt đối trung bình: ̅̅̅̅ o Bƣớc 5: Đào đâu ra nữa mà có bƣớc 5   Sai số dụng cụ: Hồi sau sẽ rõ  b. Sai số tƣơng đối: của phép đo đại lƣợng A là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị trung bình của đại lƣợng cần đo  tức là: ̅ Hai loại sai số này các bạn cần phải phân biệt rõ bản chất của nó. - Sai số tuyệt đối: chỉ đơn thuần cho các bạn biết giới hạn khoảng giá trị của phép đo là bao nhiêu tức là cho biết cận trên và cận dƣới. Ví dụ nhƣ đại lƣợng trung bình a = 10 có sai số tuyệt đối là 1  có nghĩa là giá trị a chỉ có thể nằm trong khoảng từ 9  11  nếu vƣợt ra ngoài là sai. Ví dụ nhƣ bạn trai A biết bạn gái B hiện đang có trung bình khoảng 4 vệ tinh và sai số tuyệt đối là 1 thế nhƣng thông tin thu đƣợc từ “cò” là có khoảng 10-20 vệ tinh  không tin đƣợc rồi  xử lý ngay con “cò” này ^^ (đảm bảo 100% con cò này đang là đối thủ cạnh tranh trực tiếp của mình) - Sai số tương đối: là đại lƣợng đánh giá độ chính xác của phép đo, nó cho ta biết liệu phép đo này có thực sự chính xác hay không?. Giả sử các bạn xác định chiều cao của bạn gái bạn là 120 cm  1 cm, và bạn cũng đo đƣợc chiều cao của một cô ngƣời mẫu là 180 cm  1 cm. Nhƣ vậy rõ ràng là sai số tuyệt GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 đối của cả hai trƣờng hợp đều nhƣ nhau nhƣng thực sự chúng ta cũng dễ nhận thấy là phép đo cô ngƣời mẫu chính xác hơn nhiều do chiều cao của cô ta hơn hẳn chiều cao của bạn gái bạn  do you understand???? - Mối quan hệ giữa sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối là: ̅  nhƣ vậy chỉ cần biết một trong hai loại sai số và biết giá trị trung bình của đại lƣợng A thì chúng ta sẽ xác định đƣợc loại sai số còn lại: PHẦN 2: HAI QUI TẮC XỬ LÝ SAI SỐ TUYỆT ĐỐI VÀ SAI SỐ TƢƠNG ĐỐI Phần này là phần mà các bạn sinh viên dính chƣởng nhiều nhất vì một số quan niệm sai lầm sau:  Quan niệm 1: Càng nhiều số sau dấu phẩy tức là càng chính xác  viết càng nhiều số càng tốt  hi sinh.  Quan niệm 2: Quy tắc làm tròn là cứ lớn hơn hoặc bằng 5 thì làm tròn lên (thƣờng thì đúng nhƣng có nhiều trƣờng hợp thì ko áp dụng đƣợc)  hi sinh tiếp.  Quan niệm 3: Chép báo cáo ở quán photo là yên tâm nhất  hi sinh tiếp vì các báo cáo ở quán photo không phải là nguồn tài liệu chính thống  sai sót rất nhiều. Tóm lại là chỉ cần nắm đƣợc hai qui tắc sau là các bạn có thể kê cao gối mà Zzzz. 1. Quy tròn sao cho có tối đa hai chữ số có nghĩa: lỗi này rất nhiều bạn mắc phải. Lý do đơn giản là mọi ngƣời chƣa hiểu đƣợc thế nào là chữ số có nghĩa. Theo định nghĩa chữ số có nghĩa là những chữ số (kể cả chữ số 0) tính từ trái sang phải kể từ chữ số khác không đầu tiên. Đọc xong định nghĩa chắc có nhiều bạn vẫn rất mơ hồ nên tốt nhất là chúng ta sử dụng ví dụ để minh họa. Giả sử sai số tuyệt đối hoặc tƣơng đối của một đại lƣợng A nào đó nhận một trong các giá trị sau: 0.023: 2 chữ số có nghĩa  chuẩn không cần chỉnh 0.00021: 2 chữ số có nghĩa  chuẩn không cần chỉnh 0.0230: 3 chữ số có nghĩa (mặc dù số thứ 3 bằng 0 nhƣng đã viết vào kể từ sau chữ số khác 0 đầu tiên nên phải tính)  sai nên cần chỉnh 1.23: 3 chữ số có nghĩa  sai nên cần chỉnh 2.0: 2 chữ số có nghĩa  chuẩn không cần chỉnh 2.000: 4 chữ số có nghĩa  sai nên cần chỉnh 1: 1 chữ số có nghĩa  quá chuẩn cần gì phải chỉnh 2. Phần giảm bớt hoặc tăng thêm phải nhỏ hơn 1/10 giá trị gốc: quy tắc này đa phần mọi ngƣời đều không để ý và thƣờng mặc định nếu lớn hơn hoặc bằng 5 thì GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 làm tròn lên còn nhỏ hơn 5 thì làm tròn xuống. Nhìn chung là phần lớn kết quả áp dụng lập luận trên đều không sai nhƣng có một số trƣờng hợp ngoại lệ nếu ta làm theo lập luận trên thì sẽ sai. Ta hãy xét ví dụ sau: Giả sử bạn thu đƣợc sai số tuyệt đối của một đại lƣợng A là 0.164. Quan sát đại lƣợng này ta thấy có 3 chữ số có nghĩa -> sai qui tắc 1 -> chắc chắn phải “chém” tối thiểu là 1 chú (4) và tối đa là 2 chú (64). Đối với trƣờng hợp “chém” 1 số (4) ta có thể làm tròn thành 0.16 vì phần mất đi 0.004 <1> qui đổi về cùng bậc 4,78XX.10-8  Sai số tuyệt đối 11 0,0067.10-8  7,31.10-4  0,19.10-4 Chuẩn  123434  1234 Cân đối – sai qui tắc 1 1234.102  12.102 0.03243  0.0031 Đúng qui tắc 1 – không cân đối 0.0324  0.0031 0.06421  0.00310 Cân đối – sai qui tắc 1 0.0642  0.0031 PHẦN 4: THIẾT LẬP CÔNG THỨC TÍNH SAI SỐ Có một loại câu hỏi thƣờng xuyên xuất hiện ở các bài thí nghiệm là “Thiết lập các công thức tính sai số của một đại lượng nào đó?”. Về cơ bản đây thuần túy chỉ là vấn đề liên quan tới toán học, do đó nếu các bạn có kiến thức cơ bản về toán học (vi phân, đạo hàm) thì giải quyết vấn đề này cực kỳ nhẹ nhàng êm ái. Tuy nhiên, nhiều bạn ngại tính hoặc học thuộc mà không hiểu bản chất nên khi gặp một đại lƣợng bất kì thì “tịt ngòi” luôn. Do đó, tôi sẽ trình bày ngắn gọn để các bạn hiểu và áp dụng thành thạo các phƣơng pháp thiết lập sai số của phép đo gián tiếp. Vậy tại sao lại gọi là phép đo gián tiếp? Quá đơn giản vì nó không phải là phép đo trực tiếp? Đùa vậy thôi, chứ điều này bắt nguồn từ thực tế, có những thứ mà các bạn không thể đo trực tiếp đƣợc mà phải thông qua đại lƣợng gián tiếp nào đó. Hoặc có thể ví dụ một cách hình tƣợng thế này, bạn trai Bách Khoa A rất có cảm tình với bạn gái Bách Khoa B, nhƣng khổ nỗi anh chàng này tính tình thì hiền lành nhút nhát nên chẳng dám này nọ trực tiếp mà phải nhờ “cò”. Các thông tin có đƣợc liên quan tới bạn gái B đều thông qua “cò” nên chắc sẽ có sai số (đấy là chƣa kể trƣờng hợp nhờ nhầm “cò” cũng đang để ý cô bạn gái B kia  sai lệch về thông tin là khá lớn). Vậy thì để đánh giá mức độ chính xác của thông tin ta phải “tính sai số” thôi. GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 Đến đây sẽ xuất hiện hai khái niệm sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối. Sau đây, tôi sẽ trình bày phần chính của bài này. Chúng ta thông thƣờng sẽ sử dụng các cách sau 1. Phương pháp 1: Vi phân riêng Ưu điểm: đây là phƣơng pháp thƣờng dùng khi đại lƣợng F có dạng là một tổng hoặc hiệu của các đại lượng đo trực tiếp x và y Cơ sở lý thuyết: dựa vào công thức vi phân riêng phần: .Ở đây ta chỉ xét hàm đơn giản F = F(x,y), có những bài toán mà xuất hiện nhiều đại lƣợng thêm vào nhƣ z, g, h thì các bạn cứ bổ sung thêm vào công thức trên thôi. Phƣơng pháp này sẽ giúp ta tính sai số tuyệt đối trƣớc  sai số tƣơng đối Các bước làm: - Bƣớc 1: - Bƣớc 2: d  Δ và thêm trị tuyệt đối vào các đạo hàm riêng phần (ở đây là và ) | | | | - Bƣớc 3: Áp dụng mối liên hệ để tìm sai số tƣơng đối 2. Phương pháp 2: Logarit hóa Ưu điểm: đây là phƣơng pháp thƣờng dùng khi đại lƣợng F có dạng là một tích hoặc thương của các đại lượng đo trực tiếp x và y  nếu có cả tổng (hiệu) – tích (thƣơng) thì ta vẫn nên sử dụng phƣơng pháp này. Cơ sở lý thuyết: dựa vào quá trình ln hóa hai vế và vi phân toàn phần ( . Phƣơng pháp này sẽ giúp ta tính sai số tƣơng đối trƣớc  sai số tuyệt đối Các bước làm: - Bƣớc 1: lnF = lnF(x,y) - Bƣớc 2: ( ) ( ) ( ) ( ) ) GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com V2011 - Bƣớc 3: Rút gọn vế phải và góp các thành phần dx và dy lại  thu đƣợc dạng ( ) ( ) - Bƣớc 4: thay d  Δ, F  ̅ , x  ̅ , y  ̅,….  sai số tƣơng đối có dạng: | ( ̅ ̅)| ̅ | ( ̅ ̅)|  Sai số tuyệt đối 3. Chú ý: - Sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối luôn dƣơng. - Sai số tuyệt đối của một đại lƣợng cho trƣớc phải cùng bậc và bằng 1 đơn vị. VD: B = 19.99 mT  sai số tuyệt đối 0.01 mT, thƣớc L = 500 mm  sai số tuyệt đối 1 mm - Sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối không đƣợc quá 2 chữ số có nghĩa - Hằng số không đóng góp vào sai số của đại lƣợng cần đo  không quan tâm đến hằng số khi thiết lập công thức tính sai số của phép đo gián tiếp  nếu công thức tính sai số tƣơng đối hoặc tuyệt đối mà lại thấy xuất hiện các đại lƣợng là hằng số thì có nghĩa các bạn đã thiết lập sai.  thƣơng, hiệu  phƣơng pháp 2 có lợi hơn Ví dụ minh họa: Xét hàm (nhận xét a, b >0, a – b > 0 vì ở đây ta quan tâm đến độ lớn của đại lƣợng F) ( - Bƣớc 1: - Bƣớc 2: ( ( ) ) [ ( )] ( ) - Bƣớc 3: ( - Bƣớc 4: ) ( ̅ ̅ ̅ ̅( ̅ ̅ ) ̅ ̅ ̅ ̅( ̅ ̅ ) Chú ý một số phép tính vi phân: ( ) ( ( )) ( ) ) ) GV: Trần Thiên Đức - http://ductt111.wordpress.com ( ( ( ( V2011 ) )) ( )) ( ( )) PHẦN 5: SAI SỐ DỤNG CỤ VÀ VẼ ĐỒ THỊ 1. Sai số dụng cụ: - Thƣớc kẻ: chính là độ chia nhỏ nhất - Banme: chính là độ chính xác của thƣớc kẹp. - Đồng hồ đo điện chỉ thị kim: ( )  δ: cấp chính xác của vôn kế hoặc ampe kế (thƣờng ghi trên mặt đồng hồ đo, ở góc dƣới cùng bên trái hoặc bên phải  giá trị thƣờng gặp là 1.5% hoặc 2%).  : thang đo lớn nhất (thang hiện đang sử dụng). - Hộp điện trở mẫu và điện dung mẫu: ( )  δ: cấp chính xác ứng với thang đo hiện thời (chú ý với hộp điện trở mẫu thì cấp chính xác thƣờng là 0.2%)  a: giá trị đo đƣợc (chú ý là không phải giá trị lớn nhất của thang đo  tức là nếu đo đƣợc giá trị R bằng 10 ôm chẳng hạn thì ΔR = 0,2%.10 - Dụng cụ đo hiện số (cái này tính toán cũng hơi phức tạp một chút): ( ) Nhƣ vậy ta thấy có 4 đại lƣợng cần tìm để xác định sai số của đồng hồ đo hiện số:  δ: cấp chính xác của dụng cụ đo  n: phụ thuộc vào dụng cụ đo và thang đo (nhà sản xuất quy định)  số này khá là ảo vì đôi khi cán bộ hƣớng dẫn cũng không biết.