Tài liệu Skkn xử lý số liệu trong thực hành vật lý và phương pháp giải bài toán thực nghiệm luyện thi thpt quốc gia

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN TRƯỜNG THPT DƯƠNG QUẢNG HÀM --------- SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM XỬ LÝ SỐ LIỆU TRONG THỰC HÀNH VẬT LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM LUYỆN THI TRUNG HỌC PHỔ THÔNG QUỐC GIA Lĩnh vực : Chuyên môn Vật lý - 04 Người thực hiện : NGUYỄN HUY HOÀNG Chức vụ : Giáo viên môn Vật lý Đơn vị: Trường THPT Dương Quảng Hàm Năm học : 2015 – 2016 BẢN CAM KẾT I. TÁC GIẢ Họ và tên: NGUYỄN HUY HOÀNG Ngày sinh: 25 – 03 - 1981 Giáo viên môn Vật Lý Đơn vị công tác: Trường THPT Dương Quảng Hàm II. TÊN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Đề tài “ xử lý số liệu trong thực hành vật lý và phương pháp giải bài toán thực nghiệm luyện thi THPT QG” III. NỘI DUNG CAM KẾT Tôi xin cam kết sáng kiến kinh nghiệm này là của bản thân tôi viết, không sao chép nội dung của người khác. Sáng kiến kinh nghiệm này đã áp dụng thành công trong giảng dạy tại trường THPT Dương Quảng Hàm. Văn Giang, ngày 30 tháng 3 năm 2016 Người cam kết Nguyễn Huy Hoàng SƠ YẾU LÍ LỊCH Họ và tên : Nguyễn Huy Hoàng Năm sinh : 25 – 03 - 1981 Năm vào ngành : 2003 Năm vào Đảng : 2005 Dân Tộc : Kinh Đơn vị công tác : Trường THPT Dương Quảng Hàm Chức vụ : Giáo viên Tổ Lý – Hoá Trình độ chuyên môn : Đại học Sư phạm Bộ môn giang dạy : Vật lý PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài: Vật lí là một khoa học thực nghiệm, học vật lí trong trường phổ thông là học tập gắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện tượng vật lí trong thế giới tự nhiên để giúp HS hiểu biết các quy luật của nó và cùng chung sống với thực tiễn đời sống xã hội. Thí nghiệm thực hành (gọi tắt là thí nghiệm) Vật lí trong trường Trung học phổ thông (THPT) là một trong những mục đích quan trọng giúp học sinh (HS) hình thành nên những nét nhân cách con người thông qua những kĩ năng khoa học và các thao tác tư duy logic vật lí, đồng thời qua đó giúp HS hiểu sâu sắc hơn các khái niệm, hiện tượng vật lí, giải thích được các hiện tượng vật lí đơn giản đang xảy ra trong thế giới tự nhiên và xung quang chúng ta. Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT giúp HS củng cố và khắc sâu những kiến thức, kĩ năng thu được từ thực tiễn và các bài giảng lí thuyết, gắn lí thuyết với thực hành, học đi đôi với hành, giúp HS tin tưởng vào các chân lí khoa học. Bộ giáo dục và đào tạo đã nhận định lấy công tác kiểm tra đánh giá làm khâu then chốt để thực hiện đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo. Theo đó, trong các kỳ thi trung học phổ thông quốc gia ( THPT QG), môn vật lý đã có hàm lượng nhất định các câu hỏ, bài tập về thí nghiệm, thực hành, sử lý sai số, cách ghi kết quả từ thực nghiệm, .... Với học sinh THPT thì đây là một trong những nội dung mới, khó và thường là làm qua loa cho xong. Nhằm từng bước hình thành kỹ năng giải quyết các vấn đề liên quan đến thực nghiệm, thực hành trong các kỳ thi THPT QG , tôi chọn đề tài :” XỬ LÝ SỐ LIỆU TRONG THỰC HÀNH VẬT LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM LUYỆN THI TRUNG HỌC PHỔ THÔNG QUỐC GIA” để dạy học sinh lớp 12 trường THPT Dương Quảng Hàm ôn thi THPT QG. 2. Tính cấp thiết của đề tài: Mục đích dạy học ngày nay ở nước ta và trên thế giới không chỉ dừng lại ở việc truyền thụ cho học sinh những tri thức, kỹ năng mà loài người đã tích lũy được trước đây, mà còn đặc biệt quan tâm đến việc bồi dưỡng cho học sinh năng lực sáng tạo ra những tri thức mới, phương pháp mới, cách giải quyết vấn đề mới phù hợp với hoàn cảnh của mỗi đất nước, mỗi dân tộc. Vì lẽ đó học vật lý gắn liền với thực nghiệm và liên hệ với thực tế là tất yếu. Tuy nhiên việc dạy học theo hướng truyền thụ một chiều, cách học thiên về lý thuyết và cách hỏi thi theo hướng nặng về tính toán đã có từ khá lâu rồi. Chính vì thế mà những bài toán liên quan đến thực hành, thực nghiệm trở nên khó khăn đối với học sinh. Để từng bước khắc phục những khó khăn đó, đề tài “ cách xử lý số liệu trong thực hành vật lý và phương pháp giải bài toán thực nghiệm luyện thi THPT QG” giúp người dạy, người học có thêm thông tin, kiến thức chuẩn bị tốt nhất cho kỳ thi THPT QG sắp tới. 3. Mục đích nghiên cứu: - Về lý thuyết: Nêu rõ ý nghĩa, vai trò của thí nghiệm thực hành, cơ sở vật lý để đo các đại lượng vật lý. Đưa ra các cơ sở toán học để xử lý kết quả đo các đại lượng vật lý,tính sai số của các phép đo và cách ghi kết quả đo. - Về thực nghiê êm: Đo đặc, sử lý số liệu trong một số bài thực hành trong chương trình vật lý THPT. Vận dụng kiến thức được trang bị giải một số bài toán trong các kỳ thi THPT QG. 4. Phương pháp nghiên cứu: - Tìm hiểu, phân tích, tổng hợp các tài liệu về thực hành thí nghiệm cho sinh viên các trường đại học sư phạm, các trường kỹ thuật, tài liệu hướng dẫn giáo viên giảng dạy các bài thực hành trong chương trình vật lý THPT. - Nghiên cứu các câu hỏi về thực hành, vận dụng thực tiễn trong các đề đề thi tốt nghiệp THPT, thi đại học của Bộ Giáo dục và Đào tạo. - Tổng hợp kinh nghiệm giảng dạy, kinh nghiệm ôn thi đại học - cao đẳng của bản thân trong các năm học. - Từ học hỏi kinh nghiệm của các đồng nghiệp trong các đợt tập huấn, hội thảo sinh hoạt tổ nhóm chuyên môn. - Tổng hợp kết quả bài thi đại học các năm môn Vật lí các lớp của học sinh lớp 12 trường THPT Dương Quảng Hàm. 5. Đối tượng và thời gian nghiên cứu: - Đề tài được áp dụng với học sinh khối 12 Trường THPT Dương Quảng Hàm - Thực hiện đề tài từ năm học 2015 – 2016 PHẦN NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: 1. CHỨC NĂNG CỦA THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH Theo quan điểm lí luận nhận thức thì thí nghiệm có những chức năng cụ thể sau đây: 1. Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức Thí nghiệm là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người, thông qua thí nghiệm con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao năng lực của bản thân để có thể tác động và cải tạo thực tiễn. Trong học tập thí nghiệm là phương tiện của hoạt động nhận thức của học sinh, nó giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết. 2. Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức Trong khoa học phương pháp thực nghiệm được coi là “hòn đã thử vàng” của mọi tri thức chân chính. Bởi vậy, có thể nói thí nghiệm có chức năng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của tri thức đã thu nhận. 3. Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn Trong quá trình vận dụng kiến thức vào thực tiễn, vào việc thiết kế và chế tạo các thiết bị kĩ thuật, người ta gặp phải những khó khăn nhất định do tính khái quát và trừu tượng của các tri thức cần vận dụng, cũng như bởi tính phức tạp của các thiết bị kĩ thuật cần chế tạo. Trong trường hợp đó thí nghiệm được sử dụng với tư cách là phương tiện thử nghiệm cho việc vận dụng tri thức vào thực tiễn. 4. Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức Thí nghiệm luôn đóng một vai trò rất quan trọng trong các phương pháp nhận thức khoa học. Chẳng hạn, đối với phương pháp thực nghiệm, thí nghiệm luôn có mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết. Trong phương pháp mô hình, thí nghiệm giúp ta thu thập các thông tin về đối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình. Ngoài ra, đối với mô hình vật chất điều bắt buộc là người ta phải tiến hành các thí nghiệm thực sự với nó. Cuối cùng, nhờ những kết quả của các thí nghiệm được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình, qua đó để có thể kiểm tra tính đúng đắn của mô hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nó. 2. TÍNH SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU: 2.1. Định nghĩa phép đo một đại lượng vật lý: a. Phép đo trực tiếp: Đo một đại lượng vật lí có nghĩa là so sánh nó với một đại lượng cùng loại mà ta chọn làm đơn vị. Ví dụ : Dùng thước đo chiều dài, dùng đồng hồ đo thời gian, dùng cân đo khối lượng, ..... b. Phép đo gián tiếp: Trường hợp giá trị của đại lượng cần đo được tính từ giá trị của các phép đo trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học, thì phép đo đó là phép đo gián tiếp. Ví dụ : Đo tốc độ trung bình, đo bước sóng của ánh sáng đơn sắc,... 2.2. Sai số của phép đo: Khi đo một đại lượng vật lí, dù đo trực tiếp hay gián tiếp, bao giờ ta cũng mắc phải sai số. Người ta chia thành hai loại sai số như sau: a. Sai số hệ thống: Sai số hệ thống xuất hiện do sai sót của dụng cụ đo hoặc do phương pháp lí thuyết chưa hoàn chỉnh, chưa tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số hệ thống thường làm cho kết quả đo lệch về một phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số hệ thống có thể loại trừ được bằng cách kiểm tra, điều chỉnh lại các dụng cụ đo, hoàn chỉnh phương pháp lí thuyết đo, hoặc đưa vào các số hiệu chỉnh. b. Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên sinh ra do nhiều nguyên nhân, ví dụ do hạn chế của giác quan người làm thí nghiệm, do sự thay đổi ngẫu nhiên không lường trước được của các yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo lệch về cả hai phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ được. Trong phép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên. 2.3. Phương pháp xác định sai số của phép đo trực tiếp: a) Phương pháp chung xác định giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên: Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần. Kết quả đo lần lượt là * Giá trị trung bình của đại lượng A trong n lần đo : (1) Số lần đo càng lớn, giá trị trung bình càng gần với giá trị thực A. * Sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo Các đại lượng: * Sai số tuyệt đối trung bình của n lần được coi là sai số ngẫu nhiên: (2) * Sai số dụng cụ ΔA’: ● Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định. Nếu dùng dụng cụ này để đo một đại lượng vật lí nào đó thì đương nhiên sai số nhận được không thể vượt quá độ chính xác của dụng cụ đó. Nói cách khác, sai số của phép đo không thể nhỏ hơn sai số dụng cụ. ● Tuy nhiên cũng vì một lí do nào đó, phép đo chỉ được tiến hành một lần hoặc độ nhạy của dụng cụ đo không cao, kết quả của các lần đo riêng lẻ trùng nhau. Trong trường hợp đó, ta phải dựa vào độ nhạy của dụng cụ để xác định sai số. Sai số thường được lấy bằng nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất của dụng cụ. ● Khi đo các đại lượng điện bằng các dụng cụ chỉ thị kim, sai số được xác định theo cấp chính xác của dụng cụ. Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2. Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện thế thì sai số mắc phải là . Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là: ● Khi đo các đại lượng điện bằng các đồng hồ đo hiện số, cần phải lựa chọn thang đo thích hợp. - Nếu các con số hiển thị trên mặt đồng hồ là ổn định (con số cuối cùng bên phải không bị thay đổi) thì sai số của phép đo có thể lấy giá trị bằng tích của cấp chính xác và con số hiển thị. Ví dụ: đồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đo hiện số), giá trị điện áp hiển thị trên mặt đồng hồ là: U = 218 V thì có thể lấy sai số dụng cụ là: V Làm tròn số ta có V • Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn định (nhảy số), thì sai số của phép đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong khi đo. Ví dụ: khi đọc giá trị hiển thị của điện áp bằng đồng hồ nêu trên, con số cuối cùng không ổn định (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đơn vị không ổn định). Trong trường hợp này lấy giá trị trung bình U = 217 V. Sai số phép đo cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo V. Do vậy: V Chú ý: • Nhiều loại đồng hồ hiện số có độ chính các cao, do đó sai số phép đo chỉ cần chú ý tới thành phần sai số ngẫu nhiên. • Trường hợp tổng quát, sai số của phép đo gồm hai thành phần: sai số ngẫu nhiên với cách tính như trên và sai số hệ thống (do dụng cụ đo) * Sai số tuyệt đối của phép đo : (3) * Sai số tỷ đối của phép đo : (4) Sai số tỷ đối càng nhỏ thì phép đo càng chính xác. b) Kết quả đo: (5) Như vậy, để có kết quả phép đo trực tiếp ta làm như sau: - Tính giá trị trung bình theo công thức (1) - Tính các sai số theo công thức (3) - Kết quả đo được viết như (5) * Ví dụ: Đo đường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau: Giá trị trung bình của đường kính viên bi là: = Sai số tuyệt đối trung bình tính được là = Kết quả: 2.4. Phương pháp xác định sai số của phép đo gián tiếp: a) Phương pháp chung Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số Trong đó x, y, z là các đại lượng đo trực tiếp và có giá trị = = = Giá trị trung bình được xác định bằng cách thay thế các giá trị x, y, z vào hàm trên, nghĩa là = (,,). 1. b) Cách xác định cụ thể Sai số được tính bằng phương pháp vi phân theo một trong hai cách sau: Cách 1 Cách này sử dụng thuận tiện khi hàm là một tổng hay một hiệu (không thể lấy logarit dễ dàng). Cách này gồm các bước sau: a. Tính vi phân toàn phần của hàm, sau đó gộp các số hạng có chứa vi phân của cùng một biến số. b. Lấy giá trị tuyệt đối của các biểu thức đứng trước dấu vi phân d và thay dấu vi phân d bằng dấu . Ta thu được . c. Tính sai số tỉ đối (nếu cần). Ví dụ: Một vật ném xiên góc có độ cao Trong đó: Ta có: = ... = Sử dụng quy ước viết kết quả ở IV ta có: Cách 2 Sử dụng thuận tiện khi hàm là dạng tích, thương, lũy thừa.... Cách này cho phép tính sai số tỉ đối, gồm các bước: a. Lấy logarit cơ số e của hàm b. Tính vi phân toàn phần hàm ln = ln , sau đó gộp các số hạng có chưa vi phân của cùng một biến số. c. Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d thành ta có = d. Tính = . Ví dụ: Gia tốc trọng trường được xác định bằng biểu thức: g = ở đây: = Khi đó: ln = ln ( 4) – ln( ) = = = = 1. c) Một số trường hợp đặc biệt: 2. * Sai số tuyệt đối của một tổng hoặc một hiệu bằng tổng sai số tuyệt đối của các số hạng. 3. F = X + Y - Z thì ∆F = ∆X +∆Y + ∆Z 4. * * Sai số tỷ đối của một tích hoặc một thương bằng tổng sai số tỷ đối của các thừa số. 5. thì 2.5. Cách viết kết quả a) Các chữ số có nghĩa Số chữ số có nghĩa của một số là tất cả các chữ số từ trái sang phải, kể từ số khác 0 đầu tiên. Ví dụ: - Số 3,14 có 3 chữ số có nghĩa là : 3,1,4 - Số có 5 chữ số có nghĩa: 1,4,0,3,0. - Số 1,6. 10-19 có 2 chữ số có nghĩa: 1, 6. Số chữ số có nghĩa càng chiều cho biết kết quả sai số càng nhỏ ( độ chính xác càng cao). b) Quy tắc làm tròn số - Nếu chữ số ở hàng bỏ đi có giá trị thì chữ số bên trái nó vẫn giữ nguyên. Ví dụ: - Nếu chữ số ở hàng bỏ đi có giá trị 5 thì chữ số bên trái nó tăng thêm một đơn vị Ví dụ: c) Cách viết kết quả - Sai số tuyệt đối ∆A và sai số trung bình đều được làm tròn theo quy tắc trên - Khi viết kết quả, giá trị trung bình được làm tròn đến chữ số cùng hàng với chữ số có nghĩa của sai số tuyệt đối. Ví dụ: Không thể viết mà phải viết hoặc là ta tính Ta có thể viết . Nếu sai số lấy đến 1 chữ số có nghĩa thì Chú ý rằng khi viết kết quả cuối cùng, sai số toàn phần sẽ bằng tổng sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống: Ví dụ: Khi dùng thước kẹp để đo đường kính một sợi dây nhỏ, giả sử ta đo 5 lần, sai số ngẫu nhiên tính được là . Thước kẹp có độ chính xác thì sai số toàn phần sẽ là . Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn sai số hệ thống thì ta bỏ qua sai số ngẫu nhiên đó (vì không thể đo được kết quả chính xác hơn cả cấp chính xác của dụng cụ đo). Trong trường hợp phép đo chỉ thực hiện một lần thì sai số toàn phần được lấy chính là sai số hệ thống (do dụng cụ đo). 2.6. Xử lí số liệu và biểu diễn kết quả bằng đồ thị Trong nhiều trường hợp kết quả thí nghiệm được biểu diễn bằng đồ thị là rất thuận lợi, vì đồ thị có thể cho thấy sự phụ thuộc của một đại lượng y vào đại lượng x nào đó. Phương pháp đồ thị thuận tiện để lấy trung bình các kết quả đo. Giả sử bằng các phép đo trực tiếp, ta xác định được các cặp giá trị của x và y như sau: Muốn biểu diễn hàm bằng đồ thị, ta làm như sau: a. Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc. Trên trục hoành đặt các giá trị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng. Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thị choán đủ trang giấy. b. Dựng các dấu chữ thập hoặc các hình chữ nhật có tâm là các điểm , và có các cạnh tương ứng là . Dựng đường bao sai số chứa các hình chữ nhật hoặc các dấu chữ thập. c. Đường biểu diễn là một đường cong trơn trong đường bao sai số được vẽ sao cho nó đi qua hầu hết các hình chữ nhật và các điểm nằm trên hoặc phân bố về hai phía của đường cong (hình 1). d. Nếu có điểm nào tách xa khỏi đường cong thì phải kiểm tra lại giá trị đó bằng thực nghiệm. Nếu vẫn nhận được giá trị cũ thì phải đo thêm các điểm lân cận để phát hiện ra điểm kì dị e. Dự đoán phương trình đường cong có thể là tuân theo phương trình nào đó: - Phương trình đường thẳng y = ax + b - Phương trình đường bậc 2 - Phương trình của một đa thức - Dạng y = eax, y = abx - Dạng y = a/xn - Dạng y = lnx. Việc thiết lập phương trình đường cong được thực hiện bằng cách xác định các hệ số a, b, …n. Các hệ số này sẽ được tính khi làm khớp các phương trình này với đường cong thực nghiệm Các phương trình này có thể chuyển thành phương trình đường thẳng bằng cách đổi biến thích hợp (tuyến tính hóa) 3. CÁC BÀI THỰC HÀNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 12BAN CƠ BẢN: 1. Thực hành : Khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn. 2. Thực hành : Đo vận tốc sóng dừng ngang trên đàn hồi. 3. Thực hành : Khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp. 4. Thực hành : Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa. Trong khuôn khổ của đề tài tôi xin trình bày về hai thí nghiệm thực hành có kinh nghiệm dạy nhiều lần trong chương trình vật lý THPT. II. THỰC NGHIỆM. Bài thực hành XÁC ĐỊNH CHU KÌ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN VÀ ĐO GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG I. Mục đích - Khảo sát ảnh hưởng độ dài của dây treo đối với chu kì dao động của con lắc đơn. - Xác định gia tốc trọng trường g tại nơi làm thí nghiệm bằng con lắc II. Lí thuyết - Con lắc đơn gồm một vật nặng có kích thước nhỏ, khối lượng m, được treo ở đầu một sợi dây mềm không dãn có độ dài l và có khối lượng không đáng kể. - Với các dao động nhỏ thì con lắc đơn dao động với chu kỳ : - Trong bài thực hành này ta xác định gia tốc trọng trường g bằng con lắc đơn theo công thức III. Dụng cụ và lắp đặt 1. Dụng cụ thí nghiệm • Đế ba chân bằng sắt, có hệ vít chỉnh cân bằng. • Giá đỡ bằng nhôm, cao 75cm, có thanh ngang treo con lắc. • Thước thẳng dài 700 mm gắn trên giá đỡ. • Ròng rọc bằng nhựa, đường kính D 5 cm, có khung đỡ trục quay. • Dây làm bằng sợi tổng hợp, mảnh, không dãn, dài 70 cm. • Viên bi thép có móc treo. • Cổng quang điện hồng ngoại, dây nối và giắc cắm 5 chân. • Đồng hồ đo thời gian hiện số, có hai thang đo 9,999 s và 99,99 s. • Thanh ke 2. Lắp đặt thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của chu kỳ dao động nhỏ vào chiều dài của con lắc đơn. Sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 1.1 IV. Tiến hành thí nghiệm * Nối cổng quang điện với cổng A của đồng hồ đếm thời gian hiện số, sử dụng thang đo ở vị trí 9,999 s. Cắm phích lấy điện của đồng hồ đo thời gian vào nguồn điện 220V – 50 Hz, bật công-tắc K trên mặt đồng hồ để các chữ số hiển thị trên cửa sổ Thời gian. * Sử dụng một viên bi (6) có khối lượng m = 50 g vào đầu dưới của sợi dây (5). Vặn các vít của đế ba chân, điều chỉnh cho giá đỡ cân bằng thẳng đứng. Đặt thanh ke (9) áp sát cạnh của giá đỡ tại vị trí (thấp hơn đáy viên bi) ứng với độ dài L trên thước (3). Quay ròng rọc để thả dần sợi dây cho tới khi đáy của viên bi vừa tiếp xúc với cạnh ngang của thanh ke. Gọi r là bán kính viên bi, độ dài l của con lắc đơn là l=L-r Dưới đay là bảng kết quả thực hành của một học sinh lớp 12 A8 – trường THPT Dương Quảng Hàm năm học 2015 – 2016: * Lần 1 cho con lắc dao động nhỏ với chiều dài l1 = 30 cm. Sau vài dao động, bấm nút RESET trên mặt đồng hồ đo thời gian hiện số để xác định chu kỳ dao động nhỏ của con lắc đơn. Ghi 5 giá trị đo được với chiều dài l1 vào bảng số liệu : T1 1,100 Chiều dài của con lắc l = 30 cm Khối lượng của quả nặng m = 50 g T2 T3 T4 T5 Trung bình 1,10 1,099 1,101 1,098 0 * Lần 2 cho con lắc dao động nhỏ với chiều dài l2 = 40 cm. T1 1,271 Chiều dài của con lắc l = 40 cm Khối lượng của quả nặng m = 50 g T2 T3 T4 T5 Trung bình 1,272 1,270 1,270 1,270 * Lần 3 cho con lắc dao động nhỏ với chiều dài l3 = 50 cm. Chiều dài của con lắc l = 50 cm Khối lượng của quả nặng m = 50 g T1 1,416 T2 1,416 T3 1,414 T4 1,418 T5 1,416 Trung bình Bài thực hành XÁC ĐỊNH BƯỚC SÓNG ÁNH SÁNG I. Mục đích - Quan sát hiện tượng giao thoa của ánh sáng trắng qua khe Y-âng. Hiểu được hai phương án xác định bước sóng ánh sáng - Xác định bước sóng của ánh sáng đơn sắc dựa vào hiện tượng giao thoa của ánh sáng đơn sắc qua khe Y-âng - Rèn luyện kỹ năng lựa chọn và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm để tạo ra hệ vân giao thoa II. Cơ sở lí thuyết. - Khi hai sóng ánh sáng đơn sắc phát ra từ hai nguồn kết hợp giao nhau thì có hiện tượng giao thoa. Khoảng vân ( khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối cạnh nhau ) , trong đó là bước sóng của ánh sáng đơn sắc, D là khoảng cách từ khe Y-âng đến màn quan sát và a là khoảng cách giữa hai khe Nếu đo được i, D và a thì bước sóng của ánh sáng đơn sắc được xác định theo công thức - Vì ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc khác nhau và khoảng vân phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, nên khi hai chùm ánh sáng trắng giao nhau, ta sẽ quan sát thấy trên màn có nhiều hệ vân giao thoa của các sóng ánh sáng đơn sắc và chúng không trùng khít nhau III. Dụng cụ thí nghiệm Bài thực hành này được đưa ra hai phương án thí nghiệm để lựa chọn. Nhiều trường phổ thông có các thiết bị thí nghiệm phù hợp với phương án 1 (sử đèn laze bán dẫn), do đó yêu cầu học sinh thực hành theo phương án này. Phương án thí nghiệm 2 được đưa vào phần đọc thêm. Tuy nhiên, nếu các trường có bộ thí nghiệm kính giao thoa là một hệ đồng trục dùng nguồn ánh sáng trắng, thì có thể thực hành theo phương án 2 (được trình bày trong mục IV) Phương án 1: dùng đèn laze bán dẫn * Dụng cụ thí nghiệm - Đèn laze bán dẫn 1 5 mW - Tấm chứa khe Y-âng gồm 2 khe hẹp, song song, cách nhau a = 0,4 mm - Màn hứng vân giao thoa - Các đế để đặt đèn, tấm chứa khe Y-âng và màn hứng vân giao thoa - Thước cuộn chia đến milimet IV. Các bước tiến hành thí nghiệm 1) Phương án 1: dùng đèn laze bán dẫn Tìm hiểu kĩ cấu tạo của hệ đồng trục này. a. Bước 1. Cố định đèn laze và tấm chứa khe Y-âng lên giá đỡ - Nối đèn vào nguồn điện xoay chiều 220V và điều chỉnh tấm chứa khe Yâng sao cho chùm tia laze phát ra từ đèn chiếu đều vào khe Y-âng kép. - Đặt màn hứng vân song song và cách tấm chứa khe Y-âng kép khoảng 1m để làm xuất hiện trên màn hệ vân giao thoa rõ nét. - Dùng thước đo khoảng cách D 1 từ khe Y-âng tới màn và khoảng cách l1 giữa 6 vân sáng hoặc 6 vân tối liên tiếp. Điền các giá trị D 1, l1 vào bảng số liệu 1. Tính, ghi vào bảng số liệu khoảng vân và bước sóng ánh sáng laze theo công thức b. Bước 2. Lặp lại bước thí nghiệm trên ứng với hai giá trị D lớn hơn D 1 bằng cách dịch chuyển màn hứng vân giao thoa - Tính , ghi các kết quả thu được vào bảng số liệu 1 Bảng 1: Xác định bước sóng ánh sáng laze Lần thí nghiệm D (mm) l (mm) 1 2 3 Tính dùng các công thức: ; , trong đó chỉ số k biểu diễn lần đo thứ k, N là số lần đo (lấy N = 3) - Đưa ra nhận xét 2) Phần đọc thêm: phương án 2: Sử dụng kính giao thoa là một hệ đồng trục, nguồn ánh sáng trắng 2.1. Dụng cụ thí nghiệm: Kính giao thoa là một hệ đồng trục gồm các bộ phận sau: - Nguồn sáng: Đèn pin 3V – 1,5W (1) - Ống hình trụ L1 chứa các khe gồm + Đĩa tròn (2) có khe hẹp S dọc theo đường kính đĩa và được gắn cố định ở đầu ống + Đĩa tròn (3) nằm ở đầu kia của ống, có hai khe S 1, S2 rộng mm, song song với khe S, cách nhau 0,25 mm. Đĩa (3) được gắn vào mặt phẳng của một thấu kính hội tụ có tiêu cự bằng khoảng cách từ đĩa (2) tới đĩa (3) - Ống quan sát hình trụ L2 có đường kính bằng đường kính ống L1, gồm: + Kính lúp (5) nằm ở đầu ống, đóng vai trò là một thị kính + Màn hứng vân giao thoa (4) là một đĩa trong suốt, có thước chia đến mm để đo khoảng vân, nằm ở gần tiêu diện của kính lúp. Vị trí của màn hứng vân được đánh dấu bằng vạch M ở bên ngoài ống L2 Đèn và ống L1 được gắn khít đồng trục trong ống định hướng L 3 sao cho dây tóc bóng đèn nằm song song với các khe. Ở thành ống L 3 có khe L nằm trước đĩa tròn (2) để lắp kính lọc sắc và có vạch đánh dấu vị trí K của hai khe S1, S2. Ống quan sát L2 lồng khít trong ống định hướng L 3 và có thể dịch chuyển được dọc theo ống L3 để thay đổi khoảng cách từ hai khe (3) tới màn (4) - Kính lọc sắc màu đỏ và kính lọc sắc màu xanh - Thước chia đến milimet 2.2. Các bước tiến hành thí nghiệm Tìm hiểu kĩ cấu tạo của hệ đồng trục này Bước 1. Xác định bước sóng của ánh sáng đỏ - Đặt kính lọc sắc màu đỏ vào khe L và bật công tắc đèn pin - Đặt mắt nhìn hệ vân giao thoa qua kính lúp (5) và xoay nhẹ ống quan sát L2 sao cho các vạch chia trên thước ở màn (4) song song với các vân giao thoa. - Dịch chuyển ống L2 ( kéo ra hoặc đẩy vào ) tới khi điểm giữa của tất cả các vân sáng hoặc tất cả các vân tối trùng với các vạch chia trên thước. Khi đó khoảng vân i = 0,1mm - Dùng thước đo khoảng cách D1 = KM từ khe Y-âng tới màn và ghi vào bảng số liệu 2 - Xê dịch ống quan sát L2 hai lần để tìm vị trí của màn mà ta cho rằng các vạch chia trên thước ở màn trùng với điểm giữa của các vân sáng hoặc các vân tối. Dùng thước đo D2, D3 tương ứng và ghi vào bảng số liệu 2. Bước 2. Xác định bước sóng của ánh sáng xanh. - Lặp lại các bước thí nghiệm trên với kính lọc sắc màu xanh - Các số liệu thí nghiệm xác định bước sóng của ánh sáng đỏ và bước sóng của ánh sáng xanh đều đưa vào bảng số liệu 2 Lấy a = 0,250mm 0,005mm; i = 0,100mm 0,005mm Bảng 2: Số liệu thí nghiệm dùng kính giao thoa là một hệ đồng trục Lần thí nghiệm Ứng với kính D1 D2 D3 (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)