Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Trung học cơ sở Skkn bài tập thực nghiệm trong vật lí lớp 12...

Tài liệu Skkn bài tập thực nghiệm trong vật lí lớp 12

.PDF
24
187
127

Mô tả:

Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến MỤC LỤC Trang 1. Lời giới thiệu: 4 2. Tên sáng kiến: 5 3. Tác giả sáng kiến: 5 4. Chủ đầu tư tạo ra sáng kiến: 5 5. Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: 5 6 Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử. 5 7. Mô tả bản chất của sáng kiến: 6 7.1. Phương pháp thực nghiệm trong vật lí. 6 7.2. Bài tập thực nghiệm trong vật lí. 6 7.3. Quy trình làm bài tập thực nghiệm trong vật lí. 8 7.4. Các bược xây dựng phưng án thực nghiệm trong vật lí . 14 7.5. Một số ví dụ xây dựng phương án thực nghiệm. 14 7.6. Bài tập. 21 8. Các điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: 24 9. Đánh giá lợi ích thu được hoặc dự kiến có thể thu được do áp 24 dụng sáng kiến: 11. Danh sách những tổ chức/cá nhân đã tham gia áp dụng thử 25 hoặc áp dụng sáng kiến lần đầu (nếu có): Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 3 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến 1. LỜI GIỚI THIỆU. Theo thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT ngày 26 tháng 12 năm 2018 của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo (TT32/2018) có đoạn viết “Chương trình giáo dục phổ thông bảo đảm phát triển phẩm chất và năng lực người học thông qua nội dung giáo dục với những kiến thức, kĩ năng cơ bản, thiết thực, hiện đại; hài hoà đức, trí, thể, mĩ; chú trọng thực hành, vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học để giải quyết vấn đề trong học tập và đời sống; tích hợp cao ở các lớp học dưới, phân hoá dần ở các lớp học trên; thông qua các phương pháp, hình thức tổ chức giáo dục phát huy tính chủ động và tiềm năng của mỗi học sinh, các phương pháp đánh giá phù hợp với mục tiêu giáo dục và phương pháp giáo dục để đạt được mục tiêu đó.” Để thực hiện được mục tiêu chung của giáo dục trong dạy học vật lí, chương trình Vật lí THPT cũng yêu cầu phải cung cấp cho học sinh những hiểu biết ban đầu về các phương pháp nhận thức đặc thù của Vật lí học, trong đó có phương pháp thực nghiệm. Trong việc đổi mới phương pháp dạy học thì cũng đã có nhiều nghiên cứu nói về dạy học nhằm bồi dưỡng phương pháp thực nghiệm Vật lí cho học sinh. Nghiên cứu ứng dụng đối với dạy từng kiến thức cụ thể cho từng đối tượng học sinh cụ thể thì đã được tác giả Huỳnh Quốc Lâm – Trường THPT Nguyễn Quang Diệu - Sở Giáo Dục và Đào Tạo An Giang trình bày trong “Các bài thực hành thí nghiệm Vật lý THPT”. Theo TT32/2018 thì chương trình mới đặt ra yêu cầu bài tập thực nghiệm và kĩ năng thực hành rất cao. Trong khi đó thị trường sách tham khảo, sách giáo khoa mới cũng chưa có các tài liệu viết chuyên sâu về những vấn đề này. Nhận thức sâu sắc được tầm quan trọng của bài tập nghiệm trong vật lý, cũng như mong muốn đề tài có tính mới, hữu ích hơn nên tôi đã chọn đề tài: Bài tập thực nghiệm trong vật lí lớp 12 làm nội dung báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến của mình. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 4 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến 2. TÊN SÁNG KIẾN: Bài tập thực nghiệm trong vật lí lớp 12 3. TÁC GIẢ SÁNG KIẾN: - Họ và tên: TRẦN THANH THỌ - Địa chỉ tác giả sáng kiến: Yên Lạc – Vĩnh Phúc - Số điện thoại: 0986.568.632 - E_mail: [email protected] 4. CHỦ ĐẦU TƯ TẠO RA SÁNG KIẾN: Bản thân tác giả sáng kiến đồng thời là chủ đầu tư tạo ra sáng kiến. Sáng kiến được đồng ý của tổ chuyên môn và nhà trường cho áp dụng trong khi dạy bồi dưỡng học sinh giỏi lớp 12 và giảng dạy trên lớp 12A1 của trường. 5. LĨNH VỰC ÁP DỤNG SÁNG KIẾN: Sáng kiến được áp dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏi và ôn thi THPT quốc gia. 6. NGÀY SÁNG KIẾN ĐƯỢC ÁP DỤNG LẦN ĐẦU: Sáng kiến được áp dụng lần đầu vào tháng 10 năm 2018 khi tác giả được phân giảng dạy lớp 12 của trường tham gia dự thi HSG lớp 12 và thi THPT Quốc Gia. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 5 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến 7. MÔ TẢ BẢN CHẤT CỦA SÁNG KIẾN: BÀI TẬP THỰC NGHIỆM TRONG VẬT LÍ 7.1. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM TRONG VẬT LÍ: Từ khi Galile với thí nghiệm về sự rơi tự do (được coi là ông tổ của vật lí thực nghiệm) cho đến Takaai Kajita và Arthur B. McDonald với công trình nghiên cứu thực nghiệm về hạt neutrino, chứng tỏ hạt này có khối lượng (đã được trao giải Nobel Vật lý 2015). Thực nghiệm đã có nhiều thay đổi và có cách hiểu khác nhau. Ở nước ta, cũng đã có nhiều các bài viết khác nhau về phương pháp thực nghiệm. Theo tác giả Phạm Hữu Tòng: Nếu nhà khoa học dựa trên việc thiết kế (nghĩ ra) phương án thí nghiệm khả thi và tiến hành thí nghiệm (thao tác với các vật thể, thiết bị dụng cụ, quan sát, đo đạc) để thu được thông tin và rút ra câu trả lời cho vấn đề đặt ra (nó là một nhận định về một tính chất, một mối liên hệ, một nguyên lí nào đó, cho phép đề xuất một kết luận mới hoặc xác minh một giả thuyết, một phỏng đoán khoa học nào đó) thì phương pháp nhận thức trong trường hợp này được gọi là phương pháp thực nghiệm. Theo tác giả Nguyễn Đức Thâm và Nguyễn Ngọc Hưng thì phân biệt phương pháp thực nghiệm theo nghĩa rộng và nghĩa hẹp: Theo nghĩa rộng, phương pháp thực nghiệm có thể bao gồm từ những ý tưởng ban đầu của các nhà khoa học cho đến kết luận cuối cùng; Theo nghĩa hẹp, phương pháp thực nghiệm có thể hiểu như sau. từ lý thuyết đã biết suy ra hệ quả và dùng thí nghiệm để kiểm tra hệ quả. Các nhà thực nghiệm không nhất thiết tự mình xây dựng giả thuyết mà giả thuyết đó đã có người khác đề ra rồi nhưng chưa kiểm tra được. Nhiệm vụ của nhà vật lí thực nghiệm lúc này là từ giả thuyết đã có suy ra hệ quả có thể kiểm tra được và tìm cách bố trí thí nghiệm khéo léo, tinh vi để quan sát được hiện tượng do lí thuyết dự đoán và thực hiện các phép đo chính xác. 7.2. BÀI TẬP THỰC NGHIỆM TRONG VẬT LÍ. Bài tập thực nghiệm là những bài tập chỉ mặt kết quả của các thí nghiệm đang khảo sát. Các bài tập này được giải bằng cách vận dụng tổng hợp các kiến thức lý thuyết và thực nghiệm, các kỹ năng hoạt động trí óc và thực hành, các vốn hiểu biết về vật lý, kỹ thuật và thực tế đời sống. Việc giải các bài tập thực nghiệm đòi hỏi học sinh phải tự mình xây dựng phương án, lựa chọn phương tiện, xác định các điều kiện thích hợp, tự mình thực hiện thí nghiệm theo quy Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 6 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến trình, quy tắc để thu thập, xử lý các kết quả nhằm giải quyết một cách khoa học, tối ưu bài toán cụ thể đã được đặt ra Loại bài tập này vì vậy có tác dụng toàn diện trong việc đào tạo, giúp học sinh nắm vững các kiến thức, kỹ năng cơ bản về lý thuyết và thực nghiệm của môn vật lý. Các dạng bài tập này có thể sử dụng với nhiều mục đích, vào những thời điểm khác nhau. Thông qua các bài tập thí nghiệm, học sinh được bồi dưỡng, phát triển năng lực tư duy, năng lực thực nghiệm, năng lực hoạt động tự lực, sáng tạo, bộc lộ rõ khả năng sở trường, sở thích về vật lý. Giải các bài tập thực nghiệm là một hình thức hoạt động nhằm nâng cao chất lượng học tập, tăng cường hứng thú, gắn học với hành, lý luận với thực tế, kích thích tính tích cực tự lực, trí thông minh, tài sáng tạo, tháo vát… của từng học sinh. Dựa theo độ khó khi giải, cách thức giải cũng như yêu cầu và điều kiện của bài tập mà bài tập thực nghiệm được chia thành hai nhóm là bài tập thực nghiệm định tính và bài tập thực nghiệm định lượng: Bài tập thực nghiệm vật lý Bài tập thực nghiệm định tính Thí nghiệm, quan sát, giải thích Thiết kế phương án thí nghiệm Bài tập thực nghiệm định lượng Đo lường đại lượng vật lý Thiết lập, minh họa định luật Sơ đồ. Phân loại hệ thống bài tập thực nghiệm vật lý - Bài tập thực nghiệm định tính là những bài tập không có các phép đo đạc, tính toán định lượng, công cụ để giải là những suy luận logic trên cơ sở các định luật, khái niệm Vật lí và những quan sát định tính. + Bài tập thí nghiệm, quan sát và giải thích hiện tượng là những bài tập yêu cầu học sinh: làm thí nghiệm theo chỉ dẫn, quan sát theo mục tiêu đã chỉ sẵn, mô tả hiện tượng bằng kiến thức đã có. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 7 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến + Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm: là loại bài tập phổ biến nhất trong các bài tập thực nghiệm ở trường phổ thông bởi thí nghiệm được tiến hành trong tư duy, phù hợp với điều kiện thiếu thốn trang thiết bị như hiện nay ở trường phổ thông. Nội dung của loại bài tập này là: học sinh căn cứ vào yêu cầu của bài toán, vận dụng các định luật một cách hợp lý, thiết kế phương án thí nghiệm để đo đạc một đại lượng vật lí nào đó, xác định sự phụ thuộc nào đó giữa các thông số vật lí. - Bài tập thực nghiệm định lượng là hững bài tập yêu cầu học sinh đo đạc đại lượng Vật lí với các thiết bị nào đó, tìm quy luật về mối liên hệ phụ thuộc giữa các đại lượng vật lí (với các thiết bị nhất định). + Bài tập đo lường đại lượng vật lý: cho thiết bị, hướng dẫn cách làm thí nghiệm hoặc học sinh thiết kế phương án thí nghiệm, làm thí nghiệm tìm quy luật hoặc đo đạc và yêu cầu học sinh làm thí nghiệm tìm quy luật, đo đạc đại lượng + Bài tập Thiết lập, minh họa định luật: Yêu cầu học sinh tự lựa chọn thiết bị, thiết kế phương án thí nghiệm, làm thì nghiệm đo đạc hoặc tìm quy luật. 7.3. QUY TRÌNH LÀM BÀI TẬP THỰC NGHIỆM TRONG VẬT LÍ Bài tập thực nghiệm vừa là bài tập vừa là thí nghiệm việc giải nó có hiệu quả cao cho sự phát triển tư duy của học sinh, Bài tập thực nghiệm rất khó rất đa dạng về cách làm và phương án thực nghiệm song theo tôi để đơn giản cho học sinh thì có thể đưa về một quy trình chung như sau: 7.3.1. Tìm hiểu đề bài: Đọc đề bài, hiểu rõ câu hỏi của bài toán, phân tích bản chất vật lý của bài toán. Tìm hiểu các dụng cụ đề bài cho sử dụng. Tìm hiểu các định luật, hiện tượng liên quan tới đại lượng cần đo…. 7.3.2. Xây dựng phương án thí nghiệm: Là khâu quan trọng nhất của bài tập thực nghiệm, nó quyết định chất lượng của bài thực nghiệm và bước khó nhất vì mỗi người thường có các phương án rất khác nhau. Ngay cả đáp án của đề thi nhiều khi cũng chưa tối ưu. Là phần mà các đề thi học sinh giỏi thường yêu cầu. Các bước cơ bản xây dựng phương án thí nghiệm trình bày trong mục 7.4 xây dựng phương án thực nghiệm. 7.3.3. Tiến hành thí nghiệm và ghi kết quả. Là khâu tốn thời gian nhất vi phải làm nhiều lần và phải sử dụng tới nhiều kĩ năng để “bắt được” các thông số đúng thời điểm, hạn chế tối đa các yếu tốt ảnh hưởng tới sai số của phép đo. (Như Albert Michelson từng thừa nhận với học trò của mình là ông phải làm cả nghìn Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 8 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến lần mới có một lần đúng). Muốn làm tốt giai đoạn này đòi hỏi người làm thực nghiệm cần hiểu rõ và thao tác, sử dụng thành thạo các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm. Các thiết bị thí nghiệm đặc tính và cách sử dụng được tác giả Huỳnh Quốc Lâm – Trường THPT Nguyễn Quang Diệu - Sở Giáo Dục và Đào Tạo An trình bày trong tài liệu “Các bài thực hành thí nghiệm Vật lý THPT” là đầy đủ tất cả các thiết bị sử dụng trong dạy học thực nghiện ở trường phổ thông. Tìm hiểu đề bài Xây dựng phưng án thực nghiệm Tiến hành thí nhiệm. Ghi các kết quả Tính giá trị đại lượng cần đo và ước lượng sai số So sánh, nhận xét Kết quả phép đo, quy luật. Sơ đồ: Quy trình làm bài tập thực nghiệm 7.3.4. Tính giá trị đại lượng cần đo và ước lượng sai số: Yêu cầu tính được giá trị của đại lượng cần đo. Vẽ được đồ thị thể hiện quy luật phụ thuộc, biến đổi của đại lượng. Tìm quy luật hoặc chứng minh một quy luật… Ước lượng được sai số của phép đo. Cách làm cụ thể được tác giả Lê Quốc Hưng trường THPT Yên Lạc trình bày trong báo cao chuyên đề “Xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm kiểm tra kỹ năng thực hành vật lý 12” Năm 2015 (trang 18): Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 9 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Cách tính sai số của phép đo trực tiếp: - Giá trị trung bình Khi đo n lần cùng một đại lượng A, ta nhận được các giá trị khác nhau: A1, A2,... An. Trung bình số học của đại lượng đo sẽ là giá trị gần giá trị thực A: A= A1 + A2 + ... + A2 (1) n Số lần đo n càng lớn, thì giá trị A càng tiến gần đến giá trị thực A. - Sai số tuyệt đối của mỗi lần đo là trị tuyệt đối của các hiệu số: A − Ak = Ak (2) với k = 1, 2, 3, ……n - Sai số tuyệt đối trung bình của n lần được coi là sai số ngẫu nhiên: A = A1 + A2 + ... + An n (3) Trong trường hợp không cho phép thực hiện phép đo nhiều lần (n < 5) người ta không lấy sai số ngẫu nhiên bằng cách lấy trung bình như (3), mà chọn giá trị cực đại ΔAMax trong số các giá trị sai số tuyệt đối thu được làm sai số ngẫu nhiên. Sai số tuyệt đối của phép đo là tổng sai số ngẫu nhiên và sai số dụng cụ (sai số hệ thống): A = A + A' Cách tính sai số của phép đo gián tiếp và ghi kết quả đo lường: Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số A = f ( x, y , z ) Trong đó x, y, z là các đại lượng đo trực tiếp và có giá trị x = x  x y = y  y z = z  z * Giá trị trung bình A được xác định bằng cách thay thế các giá trị trung bình x, y, z vào hàm trên, nghĩa là A = f ( x , y , z ). * Cách xác định cụ thể sai số Sai số A được tính bằng phương pháp vi phân theo một trong hai cách sau: Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 10 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Cách 1 Cách này sử dụng thuận tiện khi hàm f ( x, y, z ) là một tổng hay một hiệu (không thể lấy logarit dễ dàng). Cách này gồm các bước sau: Bước 1: Tính vi phân toàn phần của hàm A = f ( x, y, x) , sau đó gộp các số hạng có chứa vi phân của cùng một biến số. Bước 2: 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 A . Bước 3: Tính sai số tỉ đối (nếu cần). 1 2 Ví dụ: Một vật ném xiên góc  có độ cao h = v0 sint − gt 2 Trong đó: v0 = 39, 2  0, 2m / s  = 30  10 t = 2,0  0,2 s g = 9,8m / s 2 2 Ta có: h = 39,2.sin300.2 − 9,8. 2 = 19,6m 2 dh = v sin  .dt + v cos .d + sin  .t.dv − g.t.dt 0 0 0 ( ) = v sin  − gt .dt + v .t cos .d + sin  .t.dv 0. 0 0 h = v .sin - gt . t + v 0 .t.cos. .  + sin .t . v0 0 = 39,2.sin 300 − 9.8.2 .0,2 + 39,2.2.cos300 . 2 + sin 300.2 .0,2 = 1,38m 360 Sử dụng quy ước viết kết quả ta có: h = 19,6  1,4m Cách 2 Sử dụng thuận tiện khi hàm f ( x, y, z ) là dạng tích, thương, lũy thừa.... Cách này cho phép tính sai số tỉ đối, gồm các bước: Bước 1: Lấy logarit cơ số e của hàm A = f ( x, y, z ) Bước 2: Tính vi phân toàn phần hàm ln A = ln f ( x, y, z ) , sau đó gộp các số hạng có chưa vi phân của cùng một biến số. Bước 3: Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d thành  ta có  = A A Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 11 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Bước 4: Tính A = A .  Ví dụ : Gia tốc trọng trường được xác định bằng biểu thức: g = 4 2 l T2 ở đây: l = 500 1mm T = 1,45  0,05s g = 9,78  0,20m / s 2 Khi đó: ln g = ln ( 4  2 l ) – ln( T 2 ) d ( 4 2 l ) d (T 2 ) dT d (4 2 ) 4 2 dl dg dg + = = -2  2 2 2 2 T 4 l 4 l 4 l T g g  l T g  l 2T  +2 =  g = g  +  l T T  g  l 7.3.5. So sánh và nhận xét: Thường có ba lựa chọn sau khi so sánh với “kì vọng” của đại lượng, quy luật cần tìm: + Nếu kết quả đúng và sai số trong giới hạn cho phép thì đến kết luận kết thúc bài thực nghiệm. + Nếu kết quả chưa phù hợp mà sai số có thể do phần làm thí nghiệm thì quay lai khâu làm thí nghiệm (Thường dùng trong việc đo “thô” nhanh đại lượng cần tìm để điều chỉnh cách thức làm thí nghiệm). + Nếu kết quả chưa phù hợp và sai số nhiều thì có thể phải điều chỉnh lại cả phương án thực nghiệm. 7.4. CÁC BƯỚC XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THỰC NGHIỆM TRONG VẬT LÍ. Với mỗi bài tập thực nghiệm khác nhau thì các trình bày có thể khác nhau. Đối với yêu cầu đo một đại lượng vật lí bằng phép đo gián tiếp thì có thể xây dựng phương án thực nghiệm theo các bước sau. Bước 1. Nêu ra cách làm thực nghiệm. - Chỉ ra cách thức sắp xếp, lắp đặt các dụng cụ thí nghiệm đề bài cho theo một trật tự nhất định. - Nêu các thao tác làm thí nghiệm để đo được các giá trị của các đại lượng trung gian cần thiết. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 12 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến - Để đơn giản ta có thể nói rằng đây là bước tạo ra đề bài tập, tạo ra các đại lượng, các hiện tượng vật lí để dùng ở các bước tiếp theo. Đây là bước khó nhất của bài tập thực nghiệm. Nếu đề bài tập tạo ra tối ưu thì bài làm ở phần sau sẽ có nhiều thuận lợi và ngược lại thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn do đó cần dành cho bước 1 thời gian xứng đáng. Theo kinh nghiệm của tôi thì hãy xây dựng một vài phương án sau đó chọn phương án tối ưu nhất để làm. Bước 2: Tìm mối liên hệ giữa các giá trị của các đại lượng đo được với đại lượng cần đo, cần tìm quy luật (Cơ sở lí thuyết). - Sử dụng các định luật, tính chất vật lí để thiết lập phương trình trong đó có đại lượng cần đo, cần tìm quy luật và các đại lượng đã có trong bước 1. Đơn giản ta có thể coi đây là bước giải bài tập. Bước 3: Xây dựng bảng ghi giá trị dùng trong vẽ đồ thị (Tuyến tính hóa đại lượng cần đo). - Sử dụng phép biến đổi toán học (thông qua việc lấy Ln hai vế, phép đổi biến, phép lấy gần đúng...) để biến đổi phương trình tìm ra trong bước 2 thành phương trình bậc nhất theo biến mới: y = a.x + b trong đó hệ số a có đại lượng cần đo còn y và x là các số có thể tính được thông qua các đại lượng đo được trong bước 1 đã chỉ ra. y x - Tuyến tính hóa hàm mũ. Ví dụ. Cho hàm số: y = ae kx . Lấy ln hai vế biểu thức: lny = lna  kx. Khi đó đồ thị với trục tung chia theo lny, trục hoành chia theo x đồ thị sẽ trở thành đường thẳng. 1 2 x t - Tuyến tính hóa hàm bậc 2. Ví dụ. Cho hàm số: x = gt 2 + v0t . Đặt Y = , ta được Y = 1 gt + v0 , đây là hàm bậc nhất . 2 - Có thể tuyến tính hóa gần đúng: Thí dụ cho hàm số thể hiện liên hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế hai đầu của một đi ốt là: I = I S (e .U −1) (*) V V Ta thấy e sẽ tăng nhanh theo V, khi V đủ lớn thì: I  I S e . Lấy ln hai vế phương trình (*) ta được. y = LnI = LnIS + .U Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 13 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Bước 4: Vẽ đồ thị - Sử dụng bảng giá trị của bước 3 vẽ đồ thị. y - Vẽ đường thẳng gần với các điểm nhất. Để các phép tính chính xác hơn, người ta xác định hệ số a và b của đường thẳng y = a.x + b bằng phương pháp toán học. yi n xy − x y a =  i 2i  i 2 i n xi − ( xi ) y0 - Sử dụng đồ thị tính hệ số góc của đường thẳng a = tan  , từ đó tính được giá O x xi trị của đại lượng cần đo. Nhận xét: Với các bài tập thực nghiệm định tính thì không cần làm bước 3 và bước 4. Với bài tập xác định quy luật thì tùy theo quy luật biến đổi của đại lượng vật lí đó mà bước 3 xây dựng bảng giá trị cho phù hợp. Một số bài tập lại yêu cầu làm bước 2 cơ sở lí thuyết trước khi tiến hành bố trí thực nghiệm. 7.5. MỘT SỐ VÍ DỤ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THỰC NGHIỆM. Ví dụ 1: Cho các dụng cụ sau: Dây treo, giá đỡ, đồng hồ bấm giây, quả cân, thước đo 300 mm. Hãy xây dựng phương án thực nghiệm đo gia tốc trọng trường. Bài làm. Bước 1. Dùng dây treo một đầu nối vào quả cân, một đầu cố định vào giá đỡ tạo thành con lắc đơn như hình vẽ. Bước 2. Con lắc đơn dao động điều hòa với chu kì T = 2 Bước 3.  l g Từ biểu thức chu kì ta có l= C M T2 g 4 2 Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 14 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Bước 4. Đo các giá trị của l và T rồi ghi vào bảng giá trị sau. T2 4 2 … … … … l l1 l2 l3 l4 Bước 4. Vẽ đồ thị. Đo hệ số góc của đường thẳng ta được. T2 4 2 g = tan   O l li Ví dụ 2: Cho một hộp điện trở mẫu (nhiều điện trở có giá trị đã biết), một ampe kế có điện trở nhỏ không đáng kể, dây nối và nguồn điện. Trình bày phương án xác định điện trở trong của nguồn điện. Bài làm. Mắc sơ đồ mạch điện như hình vẽ. E,r Ta có I.Rm = E – Ir Rm A Thay đổi Rm ghi lại giá trị vào bảng sau: I.Rm I.Rm I Vẽ đồ thị (IRm; I) như hình vẽ rồi đo góc  ta tính được điện trở trong của nguồn điện là 0  I r = tan. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 15 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Ví dụ 3: ( Bài 7 đề thi chọn HSG lớp 12 môn Vật lí tỉnh Vĩnh Phúc năm học 2015 – 2016) Để đo gia tốc rơi tự do g tại một nơi trên mặt đất, người ta dùng một con lắc đơn có chiều dài thay đổi được. Các phép đo chu kì T phụ thuộc vào chiều dài theo bảng sau: Lần đo ( m) T (s) 1 2 3 4 5 6 1,01 1,21 0,99 0,81 0,66 0,75 2,015 2,206 1,996 1,806 1,633 1,739 Căn cứ vào số liệu ở bảng trên, hãy xác định gia tốc rơi tự do tại nơi làm thí nghiệm bằng phương pháp tuyến tính hóa đồ thị. Hướng dẫn chấm. Ta có T = 2 g  T2 = 4 2 4 2 . Đặt y = T 2 ; a =  y=a g g Căn cứ số liệu của đề, lập bảng: Lần đo 5 6 4 3 1 2 ( m) 0,66 0,75 0,81 0,99 1,01 1,21 y ( s2 ) 2,667 3,024 3,262 3,984 4,060 4,866 Vẽ đồ thị thể hiện đường thẳng thực nghiệm y = a . Từ đồ thị tính được: a = tan   4,028 . => g = 4 2  9,791m / s 2 . a Lưu ý: + Các bước tính a, g chưa trùng với kết quả trên nhưng thể hiện được các bước này vẫn cho điểm tối đa. + Học sinh tính g bằng cách lấy giá trị trung bình trong mỗi lần đo thì không cho điểm Nhận xét: Bài tập yêu cầu làm công đoạn tính tuyến tính hóa và tính kết quả của phép đo. Không yêu cầu tính sai số của phép đo. Kết quả g khác nhau vì có nhiều cách tuyến tính hóa và cách vẽ đường thẳng gần với các điểm nhất. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 16 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Ví dụ 4: (Ảnh chụp trang 736 TT32/2018) Với yêu cầu cần đạt của chương trình giáo dục phổ thông mới như trên ta có thể đưa ra ví dụ 4 như sau: Một thí nghiệm vễ được đồ thị đồ thị tọa độ x theo thời gian t của chất điểm chuyển động trên trục Ox như hình vẽ. a. Từ đồ thị tính vận tốc trung bình của vật trong các khoảng thời gian từ 0,25s đến 0,25s; 0,75s đến 1,25s; 1,75s đến 2,25s; …. Và ghi kết quả vào Bảng_VD_4 t (s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 v (cm/s) Bảng_DV_4 b. Vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian của chất điểm. Nhận xét: Với kiến thức học sinh đầu lớp 11 thì học sinh đã biết kiến thức về hàm điều hòa và chưa học về đạo hàm do đó không thể tìm vận tốc bằng cách tính đạo hàm mà phải tính vận tốc bằng các cách khác (theo ví dụ 4 là dùng đồ thị). Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 17 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Bài làm: a. Dùng thước đo ∆x rồi thay vào công thức tính vận tốc trung bình v = x ta t được bảng giá trị t (s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 v (cm/s) 8 5,6 0 - 5,6 -8 - 5,6 0 5,6 8 5,6 0 - 5,6 -8 b. Từ bảng số trên vẽ được đồ thị vận tốc theo thời gian. Với hai đồ thị trên học sinh có thể viết được phương trình dao động và phương trình vận tốc của vật dao động điều hòa ma không cần dùng tới kiến thức về đạo hàm. Tương tự theo cách làm trên hóc sinh cũng viết được phương trình gia tốc của vật dao động điều hòa. Ví dụ 5: Cho một số dụng cụ: Bộ dụng cụ điện phân, nguồn điện, cân có bộ quả cân, ampe kế, đồng hồ bấm giây, các dây nối có điện trở không đáng kể. Hãy thiết lập cách bố trí thí nghiệm, trình bày phương án tiến hành thí nghiệm và tìm công thức để xác định độ lớn của điện tích nguyên tố. Bài làm. - Mắc mạch điện theo sơ đồ thông thường một mạch kín bao gồm: Nguồn điện - Ampe kế - Bình điện phân. - Dùng Ampe kế xác định dòng điện I chạy qua dung dịch điện phân. - Dùng đồng hồ đếm thời gian để xác định thời gian Δt mà dòng điện đi qua. - Cân để đo khối lượng m1 điện cực trước khi mắc vào mạch, sau đó đo khối lượng m2 của điện cực đó sau khi cho dòng điện đi qua chất điện phân và tính được khối lượng: m = m2 - m1 Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 18 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến - Gọi n là hóa trị của chất. Số các nguyên tử xuất hiện ở điện cực: N= m − m1 q It = = NA 2 ne ne A A.I .t = e.n.N A (m2 − m1 ) Đo các thông số ghi vào bảng. A.I.t n.NA(m2-m1) Vẽ đồ thị. A.I.t - Từ đồ thị tính được điện tích nguyên tố e = tan   n.NA(m2-m1) O Ví dụ 6: ( Câu 5 Đề thi học sinh giỏi Nghệ An năm học 2008 - 2009) Xác định hệ số ma sát nhớt  của dầu. Cho các dụng cụ: Một ống hình trụ (kích thước và chiều cao đủ lớn), can lớn đựng đầy dầu nhớt, các viên bi xe đạp nhỏ, thước kẹp (Panme), thước dài, đồng hồ bấm giây, các vòng dây đàn hồi. Biết khối lượng riêng thép là  và dầu nhớt là  0 , gia tốc rơi tự do g. Lực cản lên bi được tính bởi biểu thức fC = 6p  Rv trong đó:  là hệ số ma sát nhớt, R là bán kính viên bi, v là vận tốc viên bi. Yêu cầu và xây dựng phương án thí nghiệm: Trình bày cơ sở lý thuyết; Cách bố trí thí nghiệm; Cách tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả. Bài làm. Cơ sở lí thuyết +Áp dụng định luật II Niutơn ta có phương trình chuyển động của viên bi: ma = Vg( - o) - 6p  Rv. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 19 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến +Khi v đạt giá trị đủ lớn thì: Vg ( - o) - 6p  Rv  0 → Bi chuyển động đều . +Vậy ta chỉ cần đo v lúc đó là suy ra được: = Vg (  − 0 ) 2 R 2 g (  − 0 ) = 6 Rv 9 v +Nếu dùng phép tính chi tiết ta có kết quả rõ ràng hơn: m dv = Vg( - o) - 6p  Rv. dt  d (Vg (  − 0 ) − 6 Rv) dt dv dt 1 =  . = Vg (  − 0 ) − 6 Rv m 6 R Vg (  − 0 ) − 6 Rv m 6 R − t Vg (  − 0 ) (1 − e m ) v= 6 R +Khi t đủ lớn thì e -at Vg (  − 0 ) 2 R 2 g (  − 0 ) →0  v= = 6 R 9  Vg (  − 0 ) 2 R 2 g (  − 0 ) =  = . 6 Rv 9 v Bố trí thí nghiệm – cách tiến hành: Dựng ống thẳng đứng. Đổ dầu nhớt vào gần đầy ống. Dùng 2 vòng dây lồng vào phần trên và phần dưới ống. Bước 1: Dùng thước kẹp đo đường kính viên bi một số lần, suy ra bán kính viên bi. Ghi lại kết quả đo. Bước 2: - Thả thử 1 viên bi để xác định tương đối vị trí nó bắt đầu chuyển động đều, vòng dây vị trí đó (vạch số 1). Vạch gần đáy (cách khoảng 7 - 10cm), vạch số 2. Đo khoảng cách D1D2= l, ghi lại kết quả. Vạch số 1 Vạch số 2 Bấm đồng hồ khi bi đi qua vạch số 1 và 2 ta được khoảng thời gian chuyển động của bi là t, ghi lại kết quả. Thay đổi vị trí D1 xuống gần D2 hơn, thả bi và đo lại l và t như trên. Thay đổi D1 một số lần nữa và tiến hành như trước. Sau mỗi lần đo ta ghi tất cả các kết quả tương ứng vào giấy. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 20 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến Xử lý số liệu. Ta thay các giá trị tương ứng mỗi lần đo vào công thức dưới. = 2 R 2 g (  − 0 ) 2 R 2 g (  − 0 )t . = 9 v 9 l Đánh giá sai số và nhận xét. +Sau mỗi lần thay đổi l, t, ta lại tìm được mỗi giá trị  . +Tính  và sai số D  . +Kết luận hệ số ma sát nhớt là :  =  + D  . +Sai số do : Đo kích thước bi, xác định vị trí vạch số 1 chưa chính xác, bấm đồng hồ đo thời gian không kịp thời.... Nhận xét: Ở bài tập này ta có thể chọn phương án vẽ đồ thị để tính giá trị của phép đo hệ số ma sát từ công thức tính hệ số ma sát biến đổi thành [2R2 g (  − 0 )]t =  (9.l ) để tuyến tính hóa. 7.6 BÀI TẬP Bài 1: Cho một lực kế với độ đo lực lớn nhất 2N, một sợi dây, một thước chia vạch đến milimet và một thanh sắt của giá thí nghiệm. Hãy xác định trọng lượng của một viên gạch với mức chính xác cao nhất cho phép. Bài 2: Có 3 hộp đen, trong mỗi hộp có chứa một linh kiện. Trong từng hộp hãy trình bày các xác định các linh kiện đó và nêu cách tính thông số của nó? Cho phép dùng dòng điện xoay chiều và một chiều, các đồng hồ vạn năng? Bài 3: Trên bàn có ba thấu kính, một màn nhỏ có hình chữ thập, tất cả gắn vào đế, một đoạn dây thép gắn đứng thẳng vào đế và một thước nhỏ. Chi dùng các dụng cụ trên: hãy xác định tiêu cự và cho biết thấu kính nào là hội tụ hay phân kỳ. Hãy đề xuất phương án đo tiêu cự. Vẽ sơ đồ thí nghiệm, giải thích bằng lý thuyết và nêu công thức tính f. Bài 4: Cho nguồn điện có suất điện động không đổi, ampe kế, vôn kế và biến trở. Hãy lắp các dụng cụ theo một sơ đồ cho phép ta xác định được đồ thị phụ thuộc của công suất có ích P vào cường độ dòng i. Từ đồ thị vẽ được hãy xác định: a. Điện trở trong của nguồn điện. b. Suất điện động của nguồn điện. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 21 Báo cáo kết quả nghiên cứu, ứng dụng sáng kiến c. Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất vào điện trở ngoài. Bài 5: Cho: Hai hình trụ có dạng bên ngoài đồng nhất và làm cùng một chất; hai cái thước (một cái có vạch mm); Một chậu đựng nước. Biết rằng một hình trụ là đồng chất, đặc, còn hình trụ kia có phần rỗng cũng hình trụ, có trục song song với trục của trụ và chiều dài có thể coi như bằng chiều dài của trụ (hai đầu phần rỗng được bịt bằng vật liệu mổng, nhẹ). Hãy xác định bằng thực nghiệm và giải thích bằng lý thuyết? a. Tỉ trọng của chất làm hai hình trụ, lấy tỉ trọng của nước trong chậu làm đơn vị. b. Bán kính của phần rỗng trong hình trụ thứ hai. c. Khoảng cách giữa hai trục của hình trụ và phần rỗng. Bài 6: Cho các dụng cụ và vật liệu: Bảng gỗ,thước đo chiều dài, mẩu gỗ. Hãy thiết kế phương án thí nghiệm xác định gần đúng hệ số ma sát trượt giữa mẩu gỗ và bảng gỗ? Bài 7: Cho một nguồn điện một chiều(có điện trở trong), 2 vôn kế và một hộp điện trở thuần. a. Xác định suất điện động của nguồn bằng một số tối thiểu mạch điện chỉ dùng các vôn kế, không dùng hộp điện trở. b. Tìm hai phương trình tuyến tính ứng với hai mạch trong đó chỉ dùng một vôn kế nhất định và hộp điện trở, nhằm xác định suất điện động, điện trở trong của nguồn và điện trở của vôn kế đã dùng. Lắp lần lượt hai mạch đó, đo và vẽ hai đồ thị ứng với hai phương trình ấy. Từ đó tính suất điện động và hai điện trở nói trên. c. Nêu nguyên nhân dẫn đến sai số của hai câu trên, nguyên nhân nào ảnh hưởng nhiều nhất. Bài 8: Tìm chiết suất của một lăng kính và của một chất nước. Bỏ qua sự tán sắc. Dụng cụ: hai lăng kính giống hệt nhau, có các góc 30 0, 600, 900 , một chất nước, một cái đĩa, một bàn tròn, giấy kẻ ô li, bút chì và đèn. a. Tìm chiết suất n1 của một lăng kính bằng hai phương pháp thực nghiệm khác nhau (một lăng kính). Vẽ hình và nêu các hệ thức cần thiết để tính n1. b. Dùng hai lăng kính giống hệt nhau để tìm chiết suất n2 của chất lỏng, n2 < n1. Tác giả: Trần Thanh Thọ - Trường THPT Yên Lạc 2 22
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan