Phát triển tư duy học sinh khá giỏi qua bài toán thực hành vật lí

Ngoài việc cung cấp cho học sinhnhững kiến thức phổ thông cơ bản, có hệ thống của ngành, nó còn rèn luyện cho học sinh những kỹ năng như: Kỹ năng quan sát, kỹ năng dự đoán, kỹ năng phân

1 MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong bối cảnh hiện nay, chất lượng giáo dục đang là vấn đề được toàn xãhội quan tâm Giáo dục Việt Nam cũng đã và đang nỗ lực đổi mới nhằm pháthuy tính tích cực, chủ động trong học tập của học sinh, tạo nên những thế hệ conngười có khả năng hiểu biết sâu sắc về lí luận và từ đó vận dụng linh hoạt lí luậnvào thực tế Để đạt được mục tiêu trên thì ở cấp T.H.P.T, Vật lí là một trongnhững môn học đóng vai trò quan trọng Ngoài việc cung cấp cho học sinhnhững kiến thức phổ thông cơ bản, có hệ thống của ngành, nó còn rèn luyện cho

học sinh những kỹ năng như: Kỹ năng quan sát, kỹ năng dự đoán, kỹ năng phân

tích, tổng hợp, kỹ năng ứng dụng… Tuy nhiên, thực tế vẫn tồn tại những hạn

chế về dạy và học trong nhà trường, đó là mới chỉ dừng lại ở chỗThầy cô làmsao cho học sinh thuộc công thức để làm được một số bài tập dạng phổ biếntrong các sách và đề thi kiểu lí thuyết xuông mà thiếu tư duy sáng tạo, kinhnghiệm để phân tích, giải quyết, các bài toán thực hành Không chiều lòng Thầytrò các đề thi từ THPT Quốc gia đến thi học sinh giỏi các cấp hiện nay lại có

xu hướng quan tâm đến bài toán thực hành dẫn chứng là luôn dành 20% điểm sốcho câu thực hành, tài liệu viết riêng về thực hành trong trường phổ thông lạikhông có nhiều Đây là khó khăn mà đội ngũ thầy cô trực tiếp giảng dạy và họcsinh khá giỏi đang gặp phải Nhận thức được tầm quan trọng của phần kiến thứcnày, xuất phát từ thực tế học, thi môn Vật lí, qua quá trình giảng dạy, luyện thiđại học, bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi môn Vật lí tại trường T.H.P.T BỉmSơn, tôi đã đúc kết được một vài kinh nghiệm để giải quyết vấn đề này Vì vậy

tôi mạnh dạn trình bày sáng kiến kinh nghiệm về việc: “Phát triển tư duy học sinh khá giỏi qua bài toán thực hành Vật lí” nhằm giúp các em học sinh và

một số đồng nghiệp có thêm tài liệu tham khảo để học và phục vụ công tácgiảng dạy.Với ý thức cầu thị, tôi mong muốn nhận được sự góp ý chân thành từcác đồng nghiệp để đề tài này hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nhằm giúp các đồng nghiệp và học sinh khá giỏi có thêm tài liệu tham khảogiúp giải quyết câu liên quan đến thực hành để kết quả bài thi học sinh giỏi , thiTHPT Quốc gia đạt kết quả cao

1.3 ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3 1 Đối tượng nghiên cứu:

Bài toán tìm tọa độ trọng tâm và mô men quán tính của vật rắn

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: Học sinh các lớp khối A, khối A1 gồm 10C4;10C6; 10C8; 12A2; 12A4; 12A7 năm học 2015 - 2016; học sinh lớp 11B4;11B6; 11B8 năm học 2016 - 2017, học sinh lớp 12A4; 12A5; 12A6 năm học

2017 - 2018 trường THPT Bỉm Sơn, thị xã Bỉm Sơn

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp quan sát sư phạm

- Phương pháp nêu vấn đề trong giảng dạy

- Phương pháp thống kê, tổng hợp, so sánh

1.5 NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

- Trình bày được các khái niệm, định nghĩa, công thức các vấn đề liên quanmột cách ngắn gọn, dễ hiểu và có ví dụ minh họa

- Phân loại được dạng toán thực hành, cách giải

- Cung cấp hệ thống ví dụ phong phú đầy đủ các phần tạo nên nguồn tàiliệu quan trọng khi thầy cô làm đề và ôn luyện chuẩn bị cho các kì thi

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

- Xây dựng một hệ thống kiến thức lý thuyết đầy đủ, gọn gàng, sâu sắc

- Các bài toán mang tính phổ biến, tổng quát , có tính khả thi được sắp xếp

từ dễ đến khó

- Trong quá trình giảng dạy nên luôn coi trọng việc phát triển tư duy chohọc sinh từ vấn đề đơn giản đến vấn đề phức tạp để tập kĩ năng khái quát, phântích, tổng hợp các vấn đề

- Chỉ ra sự liên hệ và ứng dụng lí thuyết vào thực tế cuộc sống

2.2 THỰC TRẠNG CỦA ĐỀ TÀI

* Đặc điểm tình hình của nhà trường:

Trường THPT Bỉm Sơn là trường có bề dày kinh nghiệm, thành tích trongcông tác giảng dạy các đội tuyển học sinh giỏi cấp tỉnh, quốc gia cũng như ônthi đại học với thế mạnh là các môn tự nhiên Trường có đội ngũ giáo viên giỏi,nhiệt tình, tâm huyết với công tác chuyên môn, các em học sinh đa phần làngoan, chịu khó, thông minh với khả năng tư duy tốt

* Thực trạng của vấn đề: “Phát triển tư duy học sinh khá giỏi qua bài toán thực hành Vật lí” tại trường THPT Bỉm Sơn là:

- Về kiến thức: Học sinh chưa nắm vững định nghĩa phép đo, chữ số cónghĩa, sai số, cách viết kết quả mà mới dừng lại ở mức độ thuộc vẹt một sốcông thức đơn giản

- Về kỹ năng: Học sinh chưa biết cách phân tích để đưa ra cơ sở lí thuyếtcho bài thực hành sao cho có tính khả thi , phù hợp với dụng cụ đưa ra để giảiquyết vấn đề

- Trong một đơn vị lớp có nhiều đối tượng học sinh với các khả năng nhậnthức, tư duy khác nhau nên không thể cho học sinh thảo luận để phát huy tối đa tínhtích cực, chủ động trong học tập của mỗi em nhằm phát triển tư duy cho các em

- Thực tế, kết quả khảo sát chất lượng vật lí 12 đầu năm của 3 lớp khối A;A1 của trường T.H.P.T Bỉm sơn năm 2015 về phần thực hành

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

2.3.1 Trình bày cơ sở lí thuyết của vấn đề nghiên cứu

2.3.1.1 Phép đo các đại lượng Vật Lý  1

a Định nghĩa:

- Phép đo một đại lượng vật lý là phép so sánh nó với đại lượng cùng loạiđược quy ước làm đơn vị

b Phân loại:

- Phép so sánh trực tiếp nhờ dụng cụ đo gọi là phép đo trực tiếp

- Phép xác định một đại lượng vật lý thông qua một công thức liên hệ vớicác đại lượng đo trực tiếp gọi là phép đo gián tiếp

2.3.1.2 Sai số phép đo:

a Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:  1

- Sai số hệ thống là loại sai số có tính quy luật ổn định VD: dùng thước

có độ chia nhỏ nhất là 1 mm thì sẽ có sai số dụng cụ là 0,5 mm (vì nếu đo mộtvật có độ dài thực là 12,7 mm chẳn hạn thì sẽ không thể đọc được phần lẻ trênthước đo)

- Sai số ngẫu nhiên là loại sai số do các tác động ngẫu nhiên gây nên VD: người bấm đồng hồ để đo thời gian sớm hay muộn một tí sẽ gây nên sai số

b Giá trị trung bình:  1

- Giá trị TB khi đo nhiều lần một đại lượng A cho bởi công thức:

A 1 A 2 A n

A

n

  

 được coi là giá trị gần nhất với giá trị thực của đại lượng A

c Cách xác định sai số của phép đo:  1

* Sai số tuyệt đối ứng với mỗi lần đo:

ΔAA1 = |A – A1| ; ΔAA2 = |A – A2| …; ΔAAn = |A – An|

* Sai số ngẫu nhiên (cũng là sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo):

* Sai số dụng cụ ΔA A’:

- Có thể lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất trên dụng cụ

- Trường hợp công thức xác định đại lượng đo gián tiếp tương đối phứctạp và dụng cụ đo có độ chính xác cao (đồng hồ thời gian, ampe kế hiện số…)thì có thể bỏ qua sai số dụng cụ

d Sai số tỉ đối:  1

- Là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị TB Sai số tỉ đối càng nhỏ thì phép đocàng chính xác Công thức:  A A.100%

e Cách xác định sai số của phép đo gián tiếp:  8 

- Giả sử A là đại lượng đo gián tiếp thông qua các đại lượng X, Y ,Z được

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

Ví dụ : Giả sử sai số tuyệt đối hoặc tương đối của một đại lượng A nào đó nhậnmột trong các giá trị sau:

+ 2,015: tức có 4 chữ số có nghĩa (phải tính cả chữ số 0 đằng sau)

+ 0,0669: tức có 3 chữ số có nghĩa (chữ số lặp lại cũng phải tính)

2.3.1.4 Cách viết kết quả đo:  1

- Kết quả đo đại lượng A được viết dưới dạng: A A   A

Trong đó:  A    A A ' gọi là sai số tuyệt đối của phép đo A và được lấy tối

đa đến hai chữ số có nghĩa

- Ađược viết đến bậc thập phân tương ứng với ΔAA

Ví dụ: Một phép đo độ dài quãng đường s cho giá trị trung bình

s 1,36832 m  với sai số phép đo tính được là   s 0,0031 mthì kết quả đo được viết(với slấy đến một chữ số có nghĩa) là: s = 1,368 ± 0,003 (m)

2.3.2 Các dạng bài toán thực hành

2.3.2.1 Dạng 1: Bài toán về sai số và cách tính sai số.

1 Dùng một đồng hồ đo thời gian có độ chia nhỏ nhất là 0,001s để đo n lần

thời gian rơi tự do của một vật bắt đầu rơi từ A đến B, ta được bảng kết quả bên:

Hãy tính thời gian rơi TB, sai số ngẫu nhiên, sai số dụng cụ và sai số phép

đo thời gian? Viết kết quả đo thời gian? Phép đo này là trực tiếp hay gián tiếp?Nếu chỉ đo 3 lần thì kết quả đo là bao nhiêu?

2 Dùng một thước đo có độ chia nhỏ nhất là 1 mm để đo 5 lần khoảng cách

giữa hai điểm A và B nói trên thì đều cho một kết quả như nhau là s = 789 mm.Tính sai số phép đo này và viết kết quả đo?

3 Biết CT tính vận tốc tại B và CT tính gia tốc rơi tự do là: v 2s

t

 và g 2s2

t

 Dựa vào các kết quả đo ở trên và các quy tắc tính sai số đại lượng đo gián tiếp,hãy tính và viết kết quả cuối cùng của v, g?

Hướng dẫn :

1 Ý nghĩa các kí hiệu:

▪ n: lần đo

▪ t: thời gian đo được

▪ ΔAti: sai số tuyệt đối ứng với mỗi lần đo

▪ Đây là phép đo trực tiếp từ dụng cụ (đồng hồ)

*Chú ý : Nếu chỉ đo 3 lần (n = 1 → 3) thì kết quả đo phải lấy sai số cực đại (của

2 Cả 5 lần đo (lớn hơn 3 nên có thể coi là tương đối chính xác) đều có cùng

một kết quả thì sai số của phép đo được đánh giá bằng sai số của dụng cụ(ΔAs= 0,5 mm) Do đó, kết quả đo là: s = 789 ± 0,5 mm

Một học sinh đo gia tốc trọng trường tại vị trí địa lí nơi trường đặt địa điểmbằng thực nghiệm theo công thức g 4 22l.

T



 Trong thí nghiệm của mình học sinhnày đã dùng con lắc có độ dài l = (500 1)mm và đo được chu kì T  (1, 45 0,05)  s.Hãy tính gia tốc trọng trường g  (g g)

4

l g

- Tìm hiểu tác dụng của từng dụng cụ từ đấy đưa ra cơ sở lí thuyết phù hợp.

- Thiết kế thí nghiệm mang tính thực tế.

- Nêu các bước tiến hành thí nghiệm và làm 5 lần( nếu làm thật)

- Xử lí số liệu

- Tính sai số và viết kết quả

Ví dụ 1 :  3

Cho các dụng cụ sau:Một mặt phẳng nghiêng, một mẫu gỗ có khối lượng m

đã biết, một thước đo có độ chia tới mm, một động hồ bấm giây

Hãy đề xuất một phương án để có thể xác định được nhiệt lượng tỏa ra khikhối gỗ trượt không vận tốc đầu từ đỉnh mặt phẳng nghiêng

Yêu cầu:

- Nêu cơ sở lí thuyết và xây dựng các công thức cần thiết

- Vẽ sơ đồ bố trí thí nghiệm, trình bày các bước tiến hành, đo đac và tínhtoán

Hướng dẫn :

Cơ sở lí thuyết để tiến hành :

- Nhiệt lượng tỏa ra đúng bằng phần cơ năng đã mất khi vật trượt đếnchân mặt nghiêng

Gọi h là chiều cao của mặt nghiêng, l là chiều dài của mặt nghiêng

Chọn mốc thế năng tại chân mặt nghiêng

Vận tốc ban đầu bằng 0.

Vận tốc tại chân mặt nghiêng là v

2 2

- Đo chiều cao h của mặt phẳng nghiêng

- Đo chiều dài l của mặt phẳng nghiêng

Thay vào công thức trên xác định được Q

Ví dụ 2:  4 

Thiết kế phương án thí nghiệm để xác định khối lượng của viên bi Cho cácdụng cụ sau đây: Hai viên bi( một trong hai viên đã biết khối lượng), bột dẻo,giá thí nghiệm, thước đo độ, hai sợi dây cùng chiều dài

Hướng dẫn:

- Buộc một viên bi có khối lượng m1 vào một sợi dây dài l , kéo lệch nó đi

một góc  1 đo bằng thước đo góc và buông ra Tại điểm thấp nhất của quỹ đạochuyển động của viên bi m1 chúng ta treo viên bi chưa biết khối lượng m2 có gắnmột mẩu bột dẻo khối lượng m rất nhỏ

- Khi chuyển động của viên bi khối lượng m1 va chạm vào viên bi khốilượng m2 do có bột dẻo nên va cham của các viên bi là va chạm mềm, sau đóchúng dính vào nhau nghiêng đi một góc bằng  2theo định luật bảo toàn độnglượng: m v1 1 m1 m2  m v 2 (1)

- Ta tìm được vận tốc v1 của viên bi đã biết khối lượng vào lúc va chạm từ định luật bảo toàn cơ năng 1 2

2

m mgh  v  v  gh  gl  c 

- Vì khối lượng m rất nhỏ nên có thể bỏ qua Tương tự ta tìm được v2

v2  2gh2  2 (1gl  c os ) 2

Thay v1 vàv2vào (1) ta tìm được:

1 1

2 2

Cho các dụng cụ sau: Một ống thủy tinh hình chữ U, một thước có độ chianhỏ nhất đến mm, một lọ nước (Đã biết trước khối lượng riêng của nước), một

lọ dầu Hãy trình bày và giải thích một phương án thí nghiệm để xác định gầnđúng khối lượng riêng của dầu

Hướng dẫn:

- Để ống chữ U thẳng đứng Đổ nước vào ống chữ U

- Đổ thêm dầu vào một nhánh chữ U Mặt thoáng của hai nhánh sẽ chênh lệch, bên dầu sẽ có mặt thoáng cao hơn

- Lập biểu thức tính áp suất thủy tĩnh:

+ Tại điểm A(mặt phân cách giữa dầu và nước): p A p0  d gh d

+ Tại điểm B (cùng độ cao ở nhánh bên kia ): p B p0  n gh n

- Vì p A p B suy ra n

d

h h

   Đo h h n, d biết n sẽ tính được khối lượng riêngcủa dầud

2.3.2.3 Các bài toán thí nghiệm minh họa Bài 1:  7

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 lậpcách 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

Hướng dẫn:

1 Thiết lập mạch điện, phương án tiến hành thí nghiệm:

- 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 ΔAt mà dòng điện đi qua

- Xác định khối lượng m của chất bám vào điện cực:

Bằng cách dùng 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 điệnphân và tính được khối lượng: m = m2 - m1 (1)

2 Lập công thức xác định độ lớn e của điện tích nguyên tố:

- Gọi n là hóa trị của chất Số các nguyên tử xuất hiện ở điện cực:

Dm của tia sáng đơn sắc đó, kết quả đo như sau: A 60 0  1 0 và D  m 30 0  1 0.

Tính chiết suất n của lăng kính đối với ánh sáng đơn sắc trên và sai số tương đối

n

n



của phép đo chiết suất này

Hướng dẫn Khi có góc lệch cực tiểu Dminthì : sin 2 (1)

sin 2

a Trình bày cơ sở lý thuyết của cách đo;

b Nêu sơ lược các bước thực hiện

- Từ (1) và (2) suy ra 2

2

4 2

T

l g

g

l

T      

b Đo chiều dài tự nhiên của lò xo bằng thước mét

- Treo lò xo thẳng đứng vào một điểm cố định, vật m ở dưới, khi m cân bằngdùng thước mét đo độ dài lò xo, tính độ dãn l

- Kích thích cho vật m dao động theo phương thẳng đứng, dùng đồng hồ bấm giây đo chu kì dao động T (đo thời gian thực hiện số nguyên lần dao động rồi tính ra T)

- Lặp lại các bước trên nhiều lần với nhiều vật rồi lấy các giá trị trung bình của lvàT Thay vào công thức (3) tính g

- Tính sai số và viết kết quả của phép đo

Bài 4:  6 

Cho dụng cụ gồm:Một hình trụ rỗng có khối lượng và bán kính trong chưa

biết, mặt phẳng nghiêng có góc nghiêng thay đổi được, nối tiếp với một mặtphẳng ngang, đồng hồ, thước chia độ,ống thăng bằng, thước kẹp

Yêu cầu: Xác định

Chọn mốc thế năng ở mặt phẳng ngang

Cơ năng tại B có giá trị bằng công của lực ma sát trên đoạn đường BC:

2 2

2

1

2

1

s mg I

VA = 0



Với: R: bán kính ngoài của hình trụ

r: bán kính trong của hình trụ

2 2 2

2

2

1 2

1

s mg R

V r R

2 4 . . . 3R

V

R s g r

2 1

2 2

s s

t h g R r

Bài 5:  4 

Cho các dây nối, một bóng đèn dây tóc có hiệu điện thế định mức 12V, một

bình acquy có suất điện động 12V và điện trở trong rất bé, một ôm kế, một vôn

kế, một ampekế và một nhiệt kế Hãy đề xuất phương án thí nghiệm để xác địnhnhiệt độ của dây tóc bóng đèn khi sáng bình thường Hệ số nhiệt độ điện trở củavônfam làm dây tóc đã biết

Giả sử ở nhiệt độ trong phòng (ứng với nhiệt độ t1) điện trở của dây tóc là:

Từ đó có thể đưa ra phương án thí nghiệm theo trình tự như sau:

+ Đọc trên nhiệt kế để nhận được nhiệt độ trong phòng t1