Sáng kiến kinh nghiệm bồi dưỡng học sinh giỏi phần thí nghiệm thực hành chương – điện học (sử dụng dạy đội tuyển hsg thi quốc gia)

Bài tập phương án thí nghiệm chưa kiểm tra được hết năng lực thực nghiệm của học sinh nhưng trong bối cảnh các nhà trường, các tỉnh chưa đủ điều kiện cơ sở vật chất để làm bài thực nghiệ

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong cấu trúc đề thi HSG hiện nay, ở đề thi cấp tỉnh hay cấp quốc gia luôn có phần bài tập về phương án thí nghiệm Bài tập phương án thí nghiệm chưa kiểm tra được hết năng lực thực nghiệm của học sinh nhưng trong bối cảnh các nhà trường, các tỉnh chưa đủ điều kiện cơ sở vật chất để làm bài thực nghiệm thì một số bài tập về phương án thí nghiệm cũng kiểm tra được phần nào các kĩ năng cơ bản của học sinh cần có khi đối mặt với một vấn đề có liên quan đến thí nghiệm Khi học sinh làm tốt các bài tập về phương án thí nghiệm thì các em cũng sẽ làm tốt các bài thí nghiệm thật Vì vậy trong phạm

vi đề tài này, tôi chọn chủ đề “Bồi dưỡng HSG Vật lí phần thí nghiệm thực hành chương - điện học” để nghiên cứu

Trong chuyên đề có thể còn có những sai sót, mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy cô, đồng nghiệp và các em học sinh để tôi sửa chữa, rút kinh nghiệm nhằm phục vụ tốt hơn cho quá trình dạy – học

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: SAI SỐ TRONG THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH

I Định nghĩa phép tính về sai số

1 Các khái niệm

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

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

2 Phân loại sai số

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

II Phương pháp xác định sai số của phép đo trực tiếp

1 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 A A1, 2, A n.

n i

(1), được gọi là giá trị trung bình của

đại lượng A trong n lần đo Số lần đo càng lớn, giá trị trung bình A càng gần

với giá trị thực A Các đại lượng:

1

n i i

và kết quả đo đại lượng A được viết: A A  (3)

Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với một xác suất nhất định sẽ nằm trong khoảng từ A đến A , nghĩa là:

n i i

A n







(4) Kết quả đo lúc này được viết dưới dạng: A = A  A (5)

Ngoài sai số tuyệt đối, người ta còn sử dụng sai số tỉ đối được định nghĩa như

= A.1000

A



(6) Kết quả đo được viết như sau: A A 0 (7)

Như vậy, cách viết kết quả phép đo trực tiếp như sau:

- Tính giá trị trung bình A theo công thức (1)

- Tính các sai số A theo công thức (4) hoặc (6)

- Kết quả đo được viết như (5) hoặc (7)

Ví dụ: Đo đường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau:

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 A 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  U 2 2000 4V

Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là: U 150 4 V

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:

0

ΔU = 1 218 = 2,18 V Làm tròn số ta có U = 218,0 ± 2,2 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

III Phương pháp xác định sai số gián tiếp

v0.singt dt v t0 cos  d sin t dv0

h = v sin - gt0  t v t.cos.0   sin t v0

= 39, 2.sin 300 9.8.2 0, 2 39, 2.2.cos 30 0 2 sin 30 2 0, 2 1,380

a Lấy logarit cơ số e của hàm A f x y z( , , )

b Tính vi phân toàn phần hàm lnA = ln f x y z( , , ), 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

4 l T

d T

g =

2 2

(4 )4

d l



2 2

44

dl l



 - 2

dT T

- 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: 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  d 0,05mm Thước kẹp có độ chính xác 0,02mm thì sai số toàn phần sẽ là  TP 0,05 0,02 0,07mm

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)

V 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

Muốn biểu diễn hàm y f x( ) 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

1( ,1 1)

A x y , A x y2( ,2 2) A x y n( ,n n) và có các cạnh tương ứng là

2x1, 2y1, 2 x n, 2y n Dựng đường bao sai số chứa các hình chữ nhật hoặc các dấu chữ thập

c Đường biểu diễn y f x( ) 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 A A1, 2 A n 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:

Các phương trình này có thể chuyển thành phương trình đường thẳng bằng cách đổi biến thích hợp (tuyến tính hóa)

Chú ý: Ngoài hệ trục có tỉ lệ xích chia đều, người ta còn dùng hệ trục có một

trục chia đều, một trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn các hàm

mũ, hàm logarit (y = lnx; x

ya …)

CHƯƠNG II: MỘT SỐ PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN

I Các dụng cụ đo điện

1 Các dụng cụ đo điện

- Vôn kế: Đo hiệu điện thế U

- Ampe kế: Đo cường độ dòng điện I

- Đồng hồ vạn năng: Đo hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I, điện trở R và tần số dòng xoay chiều f

- Điện kế: Đo hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I có giá trị rất nhỏ

- Dao động ký điện tử: Đo điện áp U, tần số f, độ lệch pha giữa các điện áp

2 Những lưu ý khi sử dụng dụng cụ đo điện

đo khi dụng cụ đang hoạt động

* Mắc dụng cụ đo vào mạch điện:

- Dụng cụ đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện:

+ Ampe kế mắc nối tiếp với linh kiện cần đo cường độ dòng điện

+ Vôn kế mắc song song với dụng cụ cần đo cường độ dòng điện

+ Nếu dụng cụ dùng để đo ở chế độ dòng một chiều thì: dòng điện đi vào ở các chốt ghi "A", "mA" hoặc "VΩ"; dòng điện đi ra ở chốt "COM"

- Dụng cụ dùng đo điện trở: Khi đo thì tách riêng linh kiện và dụng cụ cần đo

ra khỏi mạch điện

- Đối với đồng hồ kim chỉ thị: Trước khi đo cần hiệu chỉnh vạch số "0" của kim chỉ thị

II Đo điện trở

1 Phương pháp dùng vôn kế và ampe kế

giống nhau, thay điện trở R0 bằng biến trở có thể đọc được giá trị, sau đó điều chỉnh biến trở đến khi các dụng cụ đo chỉ cùng giá trị

3 Phương pháp cầu Wheatstone

* Dùng cầu Wheatstone cân bằng: Hình 1.4

- Điều chỉnh giá trị điện trở R2 đến khi điện kế G chỉ

số 0 Khi đó, điện trở cần đo có giá trị:

3 2 1

- Để phép đo có độ chính xác cao hơn, ta có thể mắc

phối hợp thêm các điện trở để tinh chỉnh giá trị đo:

Đọc tham khảo tài liệu "Thực hành vật lý đại cương", trang 136

- Phương pháp này dùng để đo giá trị của điện trở xác định

* Dùng cầu Wheatstone không cân bằng: Hình 1.5

- Ban đầu, chọn giá trị các điện trở: R1 = R2 = R3 = R = R0

- Khi RX = R + ΔR thì:

0 0

11

2

R R

R 2

mV

Nhận xét: Quan sát số chỉ của vôn kế ta sẽ thấy được sự thay đổi của

ΔR theo thời gian Như vậy, dùng cầu Wheatstone không cân bằng ta có thể

đo được sự biến đổi của điện trở R theo thời gian

4 Phương pháp cầu dây

- Sơ đồ mạch điện: Hình 1.6

- Điều chỉnh con chạy C để kim điện kế G chỉ số 0

Khi đó:

2 1

X

- Chú ý:

+ Không đổi chỗ cầu dây và các điện trở (vì cầu

dây có điện trở nhỏ nên nếu đổi chỗ thì giá trị điện trở r1 bị thay đổi đáng kể gây sai số cho phép đo)

+ Đối với mạch có điện trở nhỏ nên dùng dây nối ngắn, tiếp xúc nhỏ và đặt cầu dây gần nguồn điện

III Đo điện dung C của tụ điện

1 Phương pháp dùng vôn kế và ampe kế

1 2 1

22

- Khi khóa K ở vị trí (1), đọc số chỉ I1 của ampe kế

- Chuyển kháo K sang vị trí (2): Điều chỉnh giá trị điện trở R đến khi I1 = I2

- Công thức:

12

* Phương án đo điện dung C: Hình 1.10

- Mắc tụ với nguồn điện: Tụ được tích điện điến hiệu điện thế U0 = E

- Mắc tụ với vôn kế có điện trở R: Tụ phóng điện qua vôn kế, đọc giá trị của vôn kế theo thời gian t

Chú ý: Để đo được giá trị vôn kế thay đổi theo thời gian thì tích số RC phải

- Điều chỉnh điện dung C đến khi vôn kế chỉ số 0, ta có mạch cầu cân bằng

- Công thức:

2 3 1

11

- Để có mạch cầu cân bằng, điều chỉnh biến trở RX đến khi:

+ Nguồn điện một chiều (DC): vôn kế chỉ số 0

+ Nguồn điện xoay chiều (AC): vôn kế chỉ giá trị nhỏ nhất

Chú ý: Khi dùng nguồn xoay chiều AC, để dễ quan sát mạch cầu cân bằng khi điều chỉnh biến trở: người ta dùng thiêt bị quay pha góc 90o sao cho iR và iC

cùng pha, khi đó vôn kế chỉ số 0 thì mạch cầu cân bằng

* Mạch cầu không cân bằng:

+ Máy phát tần số: có nhiều thang đo, có thể thay đổi được tần số

+ Tụ điện C là một tụ xoay có thể đọc được giá trị

* Phương pháp đo điện dung:

- Bước 1: Mắc cuộn dây có độ tự cảm L vào mạch: Điều chỉnh tần số f0 để xảy ra cộng hưởng, khi đó vôn kế V1 chỉ giá trị cực đại Ghi lại giá trị điện dung C của tụ

- Bước 2: Mắc tụ điện CX cần đo giá trị vào máy đo:

+ Nếu CX < C thì mắc tụ CX song song với tụ C

+ Nếu CX > C thì mắc tụ CX nối tiếp với tụ C

- Bước 3: Điều chỉnh điện dung C đến khi xảy ra cộng hưởng, ghi lại giá trị điện dung C1 của tụ

Khi đó: C1X = C, do đó:

Máy phát tần số

+ Tụ CX nối tiếp với tụ C thì: 1

X X

C C C

- Cách 1: Điều chỉnh độ tự cảm L đến khi mạch xảy ra cộng hưởng, khi đó:

UC đạt giá trị cực đại, ta đọc được giá trị của chu kỳ T trên đồ thị, suy ra tần

IV Đo độ tự cảm L của cuộn dây

Các phương pháp đo độ tự cảm của cuộn dây tương tự phương pháp đo điện dung C của tụ điện

V Đo điện lượng q

1 Dùng mạch RC

* Cơ sở lý thuyết: Hình 1.14

- Khi tụ điện phóng điện qua điện trở R, hiệu điện thế của tụ

giảm theo thời gian theo quy luật:

* Phương án đo điện tích của tụ điện C:

- Mắc tụ đã được tích điện với vôn kế có điện trở R: Tụ phóng điện qua vôn

kế, đọc giá trị của vôn kế theo thời gian t

Chú ý: Để đo được giá trị vôn kế thay đổi theo thời gian thì tích số RC phải

đủ lớn

2 Dùng điện kế xung kích

* Cấu tạo của điện kế khung quay: Hình 1.15

* Nguyên tắc hoạt động của điện kế:

R

V

C (1) (2)

Hình 1.14

E

- Khi dòng điện i chạy qua khung dây, lực từ tác dụng làm quay khung dây Khi đó:

1W

* Để điện kế khung quay được coi là

điện kế xung kích: Thời gian tụ phóng

điện Δt rất nhỏ chu kỳ quay T của khung

quay Do đó khung quay phải có chu kỳ dao động lớn (nghĩa là, khung quay phải có mômen quán tính lớn, người ta thường gắn thêm đĩa kim loại vào trục quay của khung)

* Chuẩn điện kế xung kích:

- Sơ đồ mạch điện: Hình 1.16

+ Cầu dao đảo điện hai bên;

+ Điện kế xung kích G;

+ Tụ điện C đã biết giá trị

- Phương pháp chuẩn điện kế xung kích: Thay đổi giá trị của biến trở R, với mỗi giá trị đã biết của R:

+ Đóng cầu dao sang vị trí (1) để nạp điện cho tụ C: Đọc số chỉ U của vôn kế, tính q = CU

+ Đảo cầu dao sang vị trí (2) thì tụ phóng điện qua tụ C Khi đo khung quay của điện kế dao động với biên độ góc θ

CHƯƠNG III: MỘT SỐ BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM ĐO ĐIỆN

I CÁC BƯỚC THIẾT LẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM

1 Cơ sở lý thuyết: Vận dụng các quy luật, các định luật vật lý từ đó xây

dựng được biểu thức của đại lượng cần đo thông qua các đại lượng khác

2 Phương án tiến hành thí nghiệm: Trình bày được cách lắp ráp, bố trí thí

nghiệm dựa vào tất cả các dụng cụ đã cho Vẽ hình minh họa sơ đồ thí nghiệm Trình bày cách đo các đại lượng cần thiết

3 Xử lý số liệu: Đưa các đại lượng đã đo được vào các biểu thức đã xây

dựng ở bước 1, nêu cách vẽ đồ thị, cách hồi quy tuyến tính để tìm được đại lượng vật lý mà đề yêu cầu

4 Đánh giá sai số và chỉ ra cách làm giảm sai số (nếu cần): Dùng các công

thức sai số, ước lượng sai số nêu ra các cách khắc phục để giảm thiểu sai số trong quá trình đo

II CÁC VÍ DỤ MINH HỌA

Ví dụ 1: Cho các dụng cụ thí nghiệm sau:

 01 nguồn điện E 1, r1 có giá trị suất điện động đã biết

 01 nguồn điện Ex,r x chưa biết giá trị suất điện động và điện trở trong

 02 tụ điện có điện dung C giống nhau và không bị đánh thủng khi mắc chúng vào các nguồn điện nói trên

 01 điện trở R.

 01 Ampe kế lý tưởng

 Khóa K và các dây nối có điện trở rất nhỏ

Hãy trình bày phương án thí nghiệm để xác định giá trị suất điện động Exvà điện trở trong của nguồn điện rx?

(Đề thi chọn HSG bảng A môn vật lí, tỉnh Gia Lai năm 2014 – 2015)