Bài tập thực nghiệm trong vật lí lớp 12

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 n

6 Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử 5

7.1 Phương pháp 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

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

11 Danh sách những tổ chức/cá nhân đã tham gia áp dụng thử

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 thôngqua 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 đãhọc để giải quyết vấn đề trong học tập và đời sống; tích hợp cao ở các lớp họcdưới, phân hoá dần ở các lớp học trên; thông qua các phương pháp, hình thức tổchức giáo dục phát huy tính chủ động và tiềm năng của mỗi học sinh, cácphương 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 trongdạy học vật lí, chương trình Vật lí THPT cũng yêu cầu phải cung cấp cho họcsinh những hiểu biết ban đầu về các phương pháp nhận thức đặc thù của Vật líhọc, trong đó có phương pháp thực nghiệm Trong việc đổi mới phương phápdạy học thì cũng đã có nhiều nghiên cứu nói về dạy học nhằm bồi dưỡngphương pháp thực nghiệm Vật lí cho học sinh Nghiên cứu ứng dụng đối với dạytừng kiến thức cụ thể cho từng đối tượng học sinh cụ thể thì đã được tác giảHuỳnh Quốc Lâm – Trường THPT Nguyễn Quang Diệu - Sở Giáo Dục và ĐàoTạo 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 kĩnăng thực hành rất cao Trong khi đó thị trường sách tham khảo, sách giáo khoamới 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

2 TÊN SÁNG KIẾN:

Bài tập thực nghiệm trong vật lí lớp 12

3 TÁC GIẢ SÁNG KIẾN:

4 CHỦ ĐẦU TƯ TẠO RA SÁNG KIẾN:

Bản thân tác giả sáng kiến đồng thời là chủ đầu tư tạo ra sáng kiến Sángkiến được đồng ý của tổ chuyên môn và nhà trường cho áp dụng trong khi dạybồi 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 THPTquốc 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 đượcphân giảng dạy lớp 12 của trường tham gia dự thi HSG lớp 12 và thi THPTQuốc Gia

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 líthực nghiệm) cho đến Takaai Kajita và Arthur B McDonald với công trìnhnghiên cứu thực nghiệm về hạt neutrino, chứng tỏ hạt này có khối lượng (đãđược trao giải Nobel Vật lý 2015) Thực nghiệm đã có nhiều thay đổi và có cáchhiểu khác nhau Ở nước ta, cũng đã có nhiều các bài viết khác nhau về phươngpháp 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 cácvật thể, thiết bị dụng cụ, quan sát, đo đạc) để thu được thông tin và rút ra câu trảlời cho vấn đề đặt ra (nó là một nhận định về một tính chất, một mối liên hệ, mộtnguyên lí nào đó, cho phép đề xuất một kết luận mới hoặc xác minh một giảthuyết, một phỏng đoán khoa học nào đó) thì phương pháp nhận thức trongtrường hợp này được gọi là phương pháp thực nghiệm

Theo tác giả Nguyễn Đức Thâm và Nguyễn Ngọc Hưng thì phân biệtphương 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 cácnhà khoa học cho đến kết luận cuối cùng; Theo nghĩa hẹp, phương pháp thựcnghiệm có thể hiểu như sau từ lý thuyết đã biết suy ra hệ quả và dùng thínghiệm để kiểm tra hệ quả Các nhà thực nghiệm không nhất thiết tự mình xâydựng giả thuyết mà giả thuyết đó đã có người khác đề ra rồi nhưng chưa kiểmtra 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 đểquan sát được hiện tượng do lí thuyết dự đoán và thực hiện các phép đo chínhxác

7.2 BÀI TẬP THỰC NGHIỆM TRONG VẬT LÍ.

Bài tập thực nghiệm là những bài tập chỉ mặt kết quả của các thí nghiệmđang khảo sát Các bài tập này được giải bằng cách vận dụng tổng hợp các kiếnthức lý thuyết và thực nghiệm, các kỹ năng hoạt động trí óc và thực hành, cácvốn hiểu biết về vật lý, kỹ thuật và thực tế đời sống Việc giải các bài tập thựcnghiệm 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 quytrình, 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 họcsinh nắm vững các kiến thức, kỹ năng cơ bản về lý thuyết và thực nghiệm củamôn vật lý Các dạng bài tập này có thể sử dụng với nhiều mục đích, vào nhữngthời điểm khác nhau Thông qua các bài tập thí nghiệm, học sinh được bồidưỡng, phát triển năng lực tư duy, năng lực thực nghiệm, năng lực hoạt động tựlực, sáng tạo, bộc lộ rõ khả năng sở trường, sở thích về vật lý Giải các bài tậpthực nghiệm là một hình thức hoạt động nhằm nâng cao chất lượng học tập, tăngcường hứng thú, gắn học với hành, lý luận với thực tế, kích thích tính tích cực tựlực, 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 kiệncủa bài tập mà bài tập thực nghiệm được chia thành hai nhóm là bài tập thựcnghiệm định tính và bài tập thực nghiệm định lượng:

- Bài tập thực nghiệm định tính là những bài tập không có các phép đođạc, tính toán định lượng, công cụ để giải là những suy luận logic trên cơ sở cácđịnh 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 tậpyêu cầu học sinh: làm thí nghiệm theo chỉ dẫn, quan sát theo mục tiêu đã chỉsẵn, mô tả hiện tượng bằng kiến thức đã có

Sơ đồ Phân loại hệ thống bài tập thực nghiệm vật lý

án thí nghiệm

Đo lường đại lượng vật lý

Thiết lập, minh họa định luật

+ Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm: là loại bài tập phổ biến nhấttrong các bài tập thực nghiệm ở trường phổ thông bởi thí nghiệm được tiến hànhtrong tư duy, phù hợp với điều kiện thiếu thốn trang thiết bị như hiện nay ởtrường phổ thông Nội dung của loại bài tập này là: học sinh căn cứ vào yêu cầucủa bài toán, vận dụng các định luật một cách hợp lý, thiết kế phương án thínghiệm để đo đạc một đại lượng vật lí nào đó, xác định sự phụ thuộc nào đógiữa 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 thuộcgiữa 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 thínghiệm hoặc học sinh thiết kế phương án thí nghiệm, làm thí nghiệm tìm quyluật hoặc đo đạc và yêu cầu học sinh làm thí nghiệm tìm quy luật, đo đạc đạilượng

+ 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 hiệuquả cao cho sự phát triển tư duy của học sinh, Bài tập thực nghiệm rất khó rất đadạng về cách làm và phương án thực nghiệm song theo tôi để đơn giản cho họcsinh 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 cácđịnh 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 vìmỗi người thường có các phương án rất khác nhau Ngay cả đáp án của đề thinhiều 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 xâydựng 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 đúngthời 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 nghìnlần mới có một lần đúng) Muốn làm tốt giai đoạn này đòi hỏi người làm thựcnghiệm cần hiểu rõ và thao tác, sử dụng thành thạo các dụng cụ, thiết bị thínghiệm Các thiết bị thí nghiệm đặc tính và cách sử dụng được tác giả HuỳnhQuốc 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

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 đổicủa 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

Xây dựng phưng án thực

nghiệm

Tiến hành thí nhiệm

Ghi các kết quảTìm hiểu đề bài

Tính giá trị đại lượng cần

đo và ước lượng sai số

Kết quả phép đo, quy luật

So sánh, nhận xét

Sơ đồ: Quy trình làm bài tập thực nghiệm

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):

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:

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 A k  A k (2) với k = 1, 2, 3, ……n

- Sai số tuyệt đối trung bình của n lần được coi là sai số ngẫu nhiên:

n

A A

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 trịcực đại ΔAMax trong số các giá trị sai số tuyệt đối thu được làm sai số ngẫunhiên

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

Sai số A được tính bằng phương pháp vi phân theo một trong hai cáchsau:

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).

Ví dụ: Một vật ném xiên góc  có độ cao 2

0

2

1 sin t gt v

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

= 39,2.sin 300 9.8.2 0,2 39,2.2.cos30 0 2 sin30 2 0,2 1,380

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

2

2

4

) 4 (

4

) 4 (

l 2

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 thìquay lai khâu làm thí nghiệm (Thường dùng trong việc đo “thô” nhanh đạilượng 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

Bước 1 Nêu ra cách làm thực nghiệm.

- Chỉ ra cách thức sắp xếp, lắp đặt các dụng cụ thí nghiệm đề bài cho theomột trật tự nhất định

- Nêu các thao tác làm thí nghiệm để đo được các giá trị của các đại lượngtrung gian cần thiết.

- Để đơn giản ta có thể nói rằng đây là bước tạo ra đề bài tập, tạo ra cácđại lượng, các hiện tượng vật lí để dùng ở các bước tiếp theo Đây là bước khónhất 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 dànhcho bước 1 thời gian xứng đáng Theo kinh nghiệm của tôi thì hãy xây dựng mộtvài 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 Đơngiản 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 đổibiến, phép lấy gần đúng ) để biến đổi phương trình tìm ra trong bước 2 thànhphương trình bậc nhất theo biến mới: y = a.x + b trong đó hệ số a có đại lượngcần đo còn y và x là các số có thể tính được thông qua các đại lượng đo đượctrong 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

- Tuyến tính hóa hàm bậc 2 Ví dụ Cho hàm số: 2

0

1 2

Ta thấy eV sẽ tăng nhanh theo V, khi V đủ lớn thì: I I e S V

đường thẳng a  tan ,  từ đó tính được giá

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