Phương pháp giải bài toán liên quan đến thí nghiệm thực hành luyện thi trung học phổ thông quốc gia

Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT giúp học sinh củng cố vàkhắc sâu những kiến thức, kĩ năng thu được từ thực tiễn và các bài giảng líthuyết, gắn lí thuyết với thực hành, học đi đôi với

A MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài:

Vật lí là một khoa học thực nghiệm việc thực hiện các thí nghiệm vật lí sẽgiúp chúng ta hiểu bài nhanh hơn, đồng thời nhớ kiến thức lâu hơn Có thể nói,vật lí là môn khoa học tự nhiên tương đối khô khan và thường không được nhiềungười yêu thích Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT giúp học sinh củng cố vàkhắc sâu những kiến thức, kĩ năng thu được từ thực tiễn và các bài giảng líthuyết, gắn lí thuyết với thực hành, học đi đôi với hành, giúp học sinh tin tưởngvào các chân lí khoa học Khi chúng ta tự mình thực hiện những thí nghiệmkhoa học sẽ khiến mọi thứ trở nên đơn giản Không cần thiết phải tiến hànhtrong những phòng thí nghiệm với đầy đủ thiết bị, ta có thể áp dụng ở bất cứ nơiđâu với những vật dụng vô cùng đơn giản

Hơn nữa, trong xu thế đổi mới của ngành giáo dục về phương pháp giảngdạy cũng như phương pháp kiểm tra đánh giá kết quả giảng dạy và thi tuyển Cụthể là trong kì thi THPT Quốc gia bộ môn vật lí là một trong các môn học được

Bộ Giáo dục và Đào tạo chọn thi theo hình thức trắc nghiệm khách quan Điểmđáng lưu ý là nội dung kiến thức kiểm tra tương đối rộng, thời gian dành chomỗi câu hỏi và bài tập là rất ngắn để giải quyết tốt đề thi đòi hỏi mỗi học sinhnắm vững kiến thức cơ bản các công thức tổng quát và các công thức hệ quả củamỗi dạng bài tập để tìm ra kết quả nhanh nhất và đặc biệt để bài đạt điểm caothì học sinh phải có khả năng tư duy vật lý và năng lực sáng tạo Với hình thứcthi trắc nghiệm đối với môn vật lí những năm sau trong đề thi thường xuất hiệnnhững câu khó hơn năm trước đặc biệt xuất hiện nhiều hơn những câu kiểm tranăng lực học sinh Từ năm 2013 trở về trước, đề thi tuyển sinh đại học, cao đẳnggần như không có bài tập thí nghiệm thực sự, mặc dù đôi khi vẫn thấy câu hỏi códạng: “Một học sinh tiến hành thí nghiệm…” Tuy nhiên, “thí nghiệm” trong cáccâu này chỉ là cái cớ, vì cuối cùng, đề cũng yêu cầu tính toán những đại lượngchẳng liên quan đến những yêu cầu thực sự của một bài toán thí nghiệm Đếnnăm 2014 trong đề thi ĐH – CĐ và bây giờ là đề thi THPT Quốc gia bắt đầuxuất hiện dạng bài tập thí nghiệm thực hành thực thụ Đây là một vấn đề khôngquá khó, tuy nhiên học sinh THPT nói chung, đặc biệt là học sinh trường THPTNgọc lặc nói riêng không mấy thiện cảm với dạng bài tập này, vì vậy các em rấtngại học phần này Chính vì vậy, nhằm từng bước hình thành kỹ năng giải quyếtcác vấn đề liên quan đến thực nghiệm, thực hành trong các kỳ thi THPT Quốc

gia, tôi chọn đề tài :” PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH LUYỆN THI TRUNG HỌC PHỔ THÔNG QUỐC GIA” để dạy học sinh lớp 12 trường THPT Ngọc lặc ôn thi THPT Quốc

gia, giúp học sinh có cơ sở kiến thức tốt để giải quyết các bài toán liên quan đếnthí nghiệm thực hành

II Mục đích nghiên cứu:

Hệ thống kiến thức, phân loại và phương pháp giải các bài toán liên quan đếnthí nghiệm thực hành Đồng thời góp phần giúp học sinh giải quyết tốt các tìnhhuống thực tiễn liên quan đến các thí nghiệm vật lý 12

III Đối tượng nghiên cứu:

- Kiến thức và bài tập về thí nghiệm thực hành

- Đề tài được áp dụng với học sinh khối 12 Trường THPT Ngọc lặc

IV Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu, phân tích, tổng hợp các tài liệu về thực hành thí nghiệm, tài liệuhướng dẫn giáo viên giảng dạy các bài thực hành trong chương trình vật lýTHPT

- Nghiên cứu các câu hỏi về thí nghiệm thực hành, vận dụng thực tiễn trongcác đề thi THPT Quốc gia của Bộ Giáo dục và Đào tạo, các đề thi thử THPTQuốc gia

- Tổng hợp kinh nghiệm giảng dạy, kinh nghiệm ôn thi đại học - cao đẳngcủa bản thân trong các năm học

- Từ học hỏi kinh nghiệm của các đồng nghiệp trong các đợt tập huấn, hộithảo sinh hoạt tổ nhóm chuyên môn

- Tổng hợp kết quả bài thi đại học các năm môn Vật lí các lớp của học sinhlớp 12 trường THPT Ngọc lặc

B NỘI DUNG

I CƠ SỞ LÝ LÍ LUẬN

1 SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ.

a Phép đo các đại lượng vật lí.

Phép đo một đại lượng vật lí là phép so sánh nó với đại lượng cùng loại đượcqui ước làm đơn vị

+ Công cụ để so sánh gọi là dụng cụ đo

+ Đo trực tiếp : So sánh trực tiếp qua dụng cụ

+ Đo gián tiếp : Đo một số đại lượng trực tiếp rồi suy ra đại lượng cần đothông qua công thức

b Đơn vị đo Hệ đơn vị đo thông dụng hiện nay là hệ SI.

c Sai số của phép đo.

⁕ Sai số hệ thống: Là sự sai lệch do phần lẻ không đọc được chính xác trên

dụng cụ (gọi là sai số dụng cụ A’) hoặc điểm 0 ban đầu bị lệch

Sai số dụng cụ A’ thường lấy bằng nữa hoặc một độ chia trên dụng cụ

⁕ Sai số ngẫu nhiên: Là sự sai lệch do hạn chế về khả năng giác quan của con

người do chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên bên ngoài

⁕ Giá trị trung bình.

Thực hiện n lần đo với kết quả: A1, A1, … An

Giá trị trung bình A: A +A + +A1 2 n

A=

n

⁕ Cách xác định sai số của phép đo.

- Sai số tuyệt đối của mỗi lần đo :ΔA=A-AA = A -A 1 1 ;ΔA=A-AA = A -A 2 2 …ΔA=A-AA = A -A n n

- Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo : ΔA=A-AA +ΔA=A-AA + +ΔA=A-AA 1 2 n

ΔA=A-AA =

n

- Sai số tuyệt đối của phép đo là tổng sai số tuyệt đối trung bình và sai số dụng

cụ : ΔA=A-AA = ΔA=A-AA ΔA=A-AA dc

⁕ Sai số tỉ đối A = ΔA=A-AA.100%

2 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 rấtthuận lợi, vì đồ thị có thể cho thấy sự phụ thuộc của một đại lượng y vào đạilượng 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 ynhư sau:  1 1

a Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc Trên trục hoành đặt cácgiá trị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồthị choán đủ trang giấy

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 ,A A nằm trên1 2 n

hoặc phân bố về hai phía của đường cong

d Nếu có điểm nào tách xa khỏi đường cong thì phải kiểm tra lại giá trị đó bằngthực nghiệm Nếu vẫn nhận được giá trị cũ thì phải đo thêm các điểm lân cận đểphát 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 bằngcách 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; y a x…) [3]

3 CÁC THÍ NGHIỆM TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ 12.

a Các bài thí ngiệm thực hành.

b Các thí nghiệm biểu diễn.

- Thí nghiệm về con lắc lò xo, con lắc đơn

- Thí nghiệm tạo sóng mặt nước trong hộp bằng kính

- Thí nghiệm tạo sóng dừng trên dây

- Thí nghiệm tạo giao thoa sóng mặt nước

- Thí nghiệm cộng hưởng âm

- Mô hình máy phát điện xoay chiều 1 pha, 3 pha, động cơ không đồng bộ 3 pha, máy biến áp

- Thí nghiệm về hiện tượng tán sắc ánh sáng trắng, tổng hợp ánh sáng trắng

- Thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, giao thoa ánh sáng

II THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI.

1 Thực trạng giải bài tập vật lí chủ đề: “BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH” LUYỆN THI TRUNG HỌC PHỔ THÔNG QUỐC GIA

Qua thực tế giảng dạy tại trường THPT Ngọc Lặc và qua trao đổi với cácgiáo viên giảng dạy vật lí ở các trường bạn trong địa bàn Tôi nhận thấy đối vớihọc sinh các trường THPT miền núi nói chung và trường THPT Ngọc Lặc nóiriêng thì:

- Số học sinh thích, ham học và chọn môn vật lí trong các kì thi THPTQuốc gia, học sinh giỏi là rất ít

- Đa số học sinh khi gặp các bài toán liên quan đến thí nghiệm thực hànhthường chỉ giải được các bài toán cơ bản thông thường, không giải được hoặcgiải được thì mất thời gian dài đối với những bài toán cần phải hiểu bản chất,hiện tượng vật lí hoặc phải áp dụng các kiến thức đã học ở lớp dưới

2 Nguyên nhân.

* Về phía nhà trường:

Cơ sở vật chất thiếu thốn, đặc biệt chưa có phòng thí nghiệm, chưa có phụ táthí nghiệm nên việc học các bài thí nghiệm thực hành rất khó khăn

* Về phía giáo viên:

- Do điều kiện nhà trường, nên việc giảng dạy của giáo viên đối với các bàithực hành vật lí, các thí nghiệm biễu diễn còn sơ sài, chưa được đầu tư đúngmức Hầu như giáo viên chỉ giới thiệu sơ qua nên đối với các vấn đề về thínghiệm thực hành, chưa gây được hứng thú cho học sinh vì vậy các em rất ngạihọc và thường lúng túng thiếu tự tin khi gặp các bài tập có liên quan đến thínghiệm thực hành

- Trong giảng dạy đôi lúc chưa hướng dẫn các em tìm hiểu đề bài một cáchlôgic để phát huy năng lực cho học sinh, xem nhẹ hoặc dành quá ít thời gian chophần bài tập này

- Do các em chưa đọc, nghiên cứu kĩ đề bài ,chưa tập trung suy nghĩ vềnhững gì thuộc về bản chất ,thuộc điểm nút của vấn đề,các em chưa phát hiệnđược mối liên hệ giữa các dữ kiện của bài toán với các kiến thức đã học

- Do các em chưa có định hướng chung về phương pháp học, nắm chưa chắckiến thức,chưa liên hệ được với các bài tập vật lí có liên quan

Để khắc phục tình trạng trên tôi đã nghiên cứu SGK, các tài tiệu tham khảo và

đề xuất về “PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH LUYỆN THI TRUNG HỌC PHỔ THÔNG QUỐC GIA” giúp học

sinh có cơ sở kiến thức, phương pháp để giải quyết tốt bài tập phần này gópphần giúp học sinh đạt kết quả cao trong các kì thi

III GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

Thông qua việc nghiên cứu SGK, tài liệu tham khảo, mạng Internet và bằngkinh nghiệm của mình tôi đã phân loại và đưa ra “phương pháp giải các bài toánliên quan đến thí nghiệm thực hành” như sau:

Dạng 1 : CÁC BÀI TẬP VỀ DỤNG CỤ ĐO, SỐ CHỮ SỐ CÓ NGHĨA

Cái đại lượng thường gặp

Biên độ, độ giãn lò xo; chiều dài con lắc đơn, bước sóng trong sóng cơ, khoảng vân, khoảng cách hai khe đến màn…

4 Lực kế Lực Lực đàn hồi, lực kéo về của lò xo

5 Vôn kế Hiệu điện thế U của một đoạn mạch bất kỳ

6 Ampe kế Cường độ dòng I trong mạch nối tiếp

Thường thì chỉ gặp câu hỏi chọn dụng cụ hoặc bộ dụng cụ để đo gián tiếp mộtthông số nào đó Tức là, để đo thông số A cần phải đo thông số x, y, z… rồi căn

cứ vào công thức liên hệ giữa A và x,y,z… để tính ra A

Để trả lời loại câu hỏi này cần phải biết:

- Dụng cụ đo các thông số x, y, z…

- Công thức liên hệ giữa A và x,y,z…

Bảng 2 Một số thông số đo gián tiếp thường gặp

T

T

Bộ dụng cụ đo Thông số đo gián

tiếp

Công thức liên hệ

1 Đồng hồ, thước Gia tốc trọng trường

2 2

3 Thước và máy phát tần số Tốc độ truyền sóng trên sợi dây vf

4 Thước Bước sóng ánh sáng đơn sắc i D ai

Ví dụ: Giả sử sai số tuyệt đối hoặc tương đối của một đại lượng A nào đó

nhận một trong các giá trị sau:

Quy tắc xác định số có nghĩa: [3]

- Tất cả chữ số không là số “0” trong các phép đo đều là số có nghĩa

Chú ý: Số liệu 2,5 g có 2 chữ số có nghĩa và nếu đổi ra mg thì phải viết là

2,5.103 mg hoặc đổi ra kg thì viết là 2,5.10-3 kg thì đều có 2 chữ số có nghĩa

BÀI TẬP MẪU:

Câu 1 Để đo chu kỳ dao động của một con lắc lò xo ta chỉ cần dùng dụng cụ

HD Giải:

Câu hỏi dùng từ “chỉ cần” nên dụng cụ này phải đo trực tiếp được chu kỳ và dĩ

nhiên ai cũng biết được đó là Đồng hồ Chọn đáp án B.

Câu 2 Cho một cuộn dây có điện trở trong r và độ tự cảm L Để xác định giá trị

điện trở trong r của cuộn dây người ta sử dụng bộ dụng cụ nào dưới đây?

A Nguồn điện xoay chiều và 1 vôn kế nhiệt

B Nguồn điện không đổi 12 V và một Ampe kế khung quay

C Nguồn điện xoay chiều , một vôn kế nhiệt và một Ampe kế khung quay

D Nguồn điện không đổi 12 V và một Vôn kế nhiệt.

HD Giải:

Ta dùng một nguồn điện không đổi 12 V và một ampe kế khung quay

+ Mắc nối tiếp cuộn dây với ampe kế

+ Đặt vào hai đầu đoạn mạch trên nguồn điện không đổi 12 V

Cảm kháng của cuộn dây không có tác dụng đối với dòng không đổi do vậy

Câu 3 Cho con lắc lò xo đặt tại nơi có gia tốc trọng trường đã biết Bộ dụng cụ

không thể dùng để đo độ cứng của lò xo là

HD Giải: Chọn đáp án D.

Câu 4 Với các dụng cụ sau: nguồn phát laze, khe I-âng, thước cuộn, thước kẹp,

màn hứng, giá, thước đo góc Dụng cụ không dùng trong thí nghiệm đo bướcsóng ánh sáng laser này bằng phương pháp giao thoa là

HD Giải: Chọn đáp án D.

Câu 5 (CĐ – 2014) Theo quy ước, số 12,10 có bao nhiêu chữ số có nghĩa?

HD Giải: Chọn đáp án D.

Câu 6 Theo quy ước, số 100 có bao nhiêu chữ số có nghĩa?

HD Giải: Chọn đáp án C.

Câu 7 Kết quả sai số tuyệt đối của một phép đo là 0,01073 Số chữ số có nghĩa

là

HD Giải: Chọn đáp án C.

BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ:

Câu 1: Để đo lực kéo về cực đại của một lò xo dao động với biên độ A ta chỉ

cần dùng dụng cụ đo là

A Thước mét B Lực kế C Đồng hồ D Cân

Câu 2: Để đo bước sóng của bức xạ đơn sắc trong thí nghiệm giao thoa khe

Iâng, ta chỉ cần dùng dụng cụ đo là

Câu 3: Để đo công suất tiêu thụ trung bình trên đoạn mạch chỉ có điện trở

Câu 5: Kết quả sai số tuyệt đối của một phép đo là 0,0407 Số chữ số có nghĩa

Đây là các bài toán cơ bản chỉ cần nhớ:

Trình tự một thí nghiệm thường tuân theo các bước cơ bản sau:

- Bố trí thí nghiệm

- Đo các đại lượng trực tiếp ( thường iến hành tối thiểu 5 lần đo cho 1 đại lượng)

- Tính giá trị trung bình và sai số

- Biễu diễn kết quả

Khi thực hiện phép đo liên quan đến dụng cụ đo điện tử trình tự theo các bước cơ bản sau:

B1: Điều chỉnh dụng cụ đo đến thang đo phù hợp

B2: Lắp dây liên kết với dụng cụ đo

B3: Ấn nút ON OFF để bật nguồn cho dụng cụ hoạt động

B4: Lắp dây liên kết đã nối với đối với đối tượng cần đo

B5: Chờ cho ổn định, đọc số chỉ trên dụng cụ đo

B6 Kết thúc các thao tác do, ấn nút ON OFF để tắt nguồn dụng cụ đo

II BÀI TẬP MẪU:

Câu 1 Để đo gia tốc trọng trường trung bình tại một vị trí (không yêu cầu xác

định sai số), người ta dùng bộ dụng cụ gồm con lắc đơn; giá treo; thước đo chiềudài; đồng hồ bấm giây Người ta phải thực hiện các bước:

a Treo con lắc lên giá tại nơi cần xác định gia tốc trọng trường g

b Dùng đồng hồ bấm dây để đo thời gian của một dao động toàn phần để tínhđược chu kỳ T, lặp lại phép đo 5 lần

- Đo các đại lượng trực tiếp: d, c, b

- Tính giá trị trung bình và sai số: f, e

Chọn đáp án: B.

Câu 2 Dụng cụ thí nghiệm gồm: Máy phát tần số; nguồn điện; sợi dây đàn hồi;

thước dài Để đo tốc độ sóng truyền trên sợi dây người ta tiến hành các bước

như sau: [3]

a Đo khoảng cách giữa hai nút liên tiếp 5 lần

b Nối một đầu dây với máy phát tần số, cố định đầu còn lại

c Bật nguồn nối với máy phát tần số và chọn tần số 100 Hz

d Tính giá trị trung bình và sai số của tốc độ truyền sóng

e Tính giá trị trung bình và sai số của bước sóng

Trình tự thí nghiệm dúng là:

A a, b ,c ,d ,e B b, c, a ,d, e C b, c, a, e, d D e, d, c, b, a

HD Giải:

- Bố trí thí nghiệm: b, c

- Đo các đại lượng trực tiếp: a

- Tính giá trị trung bình và sai số: e và d

 Chọn đáp án: C

Câu 3 (TRÍCH ĐỀ ĐH-2014) Các thao tác cơ bản khi sử dụng đồng hồ đa

năng hiện số (hình vẽ) để đo điện áp xoay chiều cỡ 120 V

a Nhấn nút ON OFF để bật nguồn của đồng hồ

b Cho hai đầu đo của hai dây đo tiếp xúc với hai

đầu đoạn mạch cần đo điện áp

c Vặn đầu đánh dấu của núm xoay tới chấm có ghi

200, trong vùng ACV.

d Cắm hai đầu nối của hai dây đo vào hai ổ COM

và V

e Chờ cho các chữ số ổn định, đọc trị số của điện áp

g Kết thúc các thao tác đo, nhấn nút ON OFF để tắt nguồn của đồng hồ

B3: Nhấn nút ON OFF để bật nguồn của đồng hồ

B4: Cho hai đầu đo của hai dây đo tiếp xúc với hai đầu đoạn mạch cần đo điện áp

B5: Chờ cho các chữ số ổn định, đọc trị số của điện áp

B6: Kết thúc các thao tác đo, nhấn nút ON OFF để tắt nguồn của đồng hồ

 Chọn đáp án: B

Câu 4 Để đo công suất tiêu thụ trung bình trên điện trở trên một mạch mắc nối

tiếp (chưa lắp sẵn) gồm điện trở R, cuộn dây thuần cảm và tụ điện, người tadùng thêm 1 bảng mạch ; 1 nguồn điện xoay chiều ; 1 ampe kế ; 1 vôn kế vàthực hiện các bước sau

a nối nguồn điện với bảng mạch

b lắp điện trở, cuộn dây, tụ điện mắc nối tiếp trên bảng mạch

c bật công tắc nguồn

d mắc ampe kế nối tiếp với đoạn mạch

e lắp vôn kế song song hai đầu điện trở

f đọc giá trị trên vôn kế và ampe kế

g tính công suất tiêu thụ trung bình

Xắp xếp theo thứ tự đúng

A a, c, b, d, e, f, g B a, c, f, b, d, e, g

C b, d, e, f, a, c, g D b, d, e, a, c, f, g

HD Giải: Chọn đáp án: D

Dạng 3 BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SAI SỐ

Bài toán 1: XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG BẰNG PHÉP ĐO TRỰC TIẾP.

PHƯƠNG PHÁP GIẢI:

Đại lượng cần đo là A

Thực hiện n lần đo với kết quả: A1, A1, … An

Giá trị trung bình A: A +A + +A1 2 n

A=

nSai số tuyệt đối ngẫu nhiên trung bình ΔA=A-AA

Chú ý: HS hay mắc phải lỗi quên cộng sai số dụng cụ Adc

Sai số tương đối(tỉ đối) ∆A: A =ΔA=A-AA.100%

A

Kết quả của phép đo: A=A ΔA=A-AA hoặc A = AA

BÀI TẬP MẪU:

Câu 1 Một học sinh dùng thước kẹp độ chia tới mm thực hiện phép đo đường

kính quả bóng thu được kết quả như sau:

- Sai số tuyệt đối: ∆d = 0,001 + 0,009 = 0,01 m

- Kết quả được viết: d = 0,754 ± 0,01 m Chọn đáp án A.

Câu 2 Một học sinh dùng đồng hồ bấm giây có thang chia nhỏ nhất là 0,01 (s)

để đo chu kỳ dao động T của một con lắc Kết quả 5 lần đo thời gian của một dao động toàn phần như sau: