nâng cao hiệu quả ôn thi tốt nghiệp thpt bằng cách hướng dẫn học sinh xử lí một số bài toán tính sai sốtrong thí nghiệm vật lí

Lí do chọn đề tài Trong phạm vi nhà trường, hoạt động dạy là hoạt động của giáo viên định hướng, tổ chức, điều khiển hoạt động nhận thức – học tập của học sinh, giúp học sinh tìm tòi,khá

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Trong phạm vi nhà trường, hoạt động dạy là hoạt động của giáo viên định hướng,

tổ chức, điều khiển hoạt động nhận thức – học tập của học sinh, giúp học sinh tìm tòi,khám phá tri thức tạo ra sự phát triển tâm lí, hình thành nhân cách của bản thân Bảnchất của hoạt động dạy học là hành động chiếm lĩnh tri thức và hành động vận dụng trithức Do đó, trong dạy học, giáo viên cần tổ chức các tình huống học tập đòi hỏi sự thíchứng của học sinh để qua đó học sinh chiếm lĩnh được tri thức, đồng thời phát triển trí tuệ

và nhân cách toàn diện của mình

Sự học phải là quá trình hình thành và phát triển của các dạng thức hành độngxác định của học sinh, đó là sự thích ứng của chủ thể với tình huống học tập thíchđáng, thông qua sự đồng hóa (hiểu được, làm được) và sự điều tiết (có sự biến đổi vềnhận thức của bản thân), qua đó học sinh phát triển năng lực, phẩm chất, nhân cách

của bản thân Mỗi hành động diễn ra theo các pha: định hướng, chấp hành và kiểm tra Cơ sở định hướng của hành động là những kiến thức cần thiết cho việc thực hiện

hành động, có tầm quan trọng đặc biệt đối với chất lượng, hiệu quả của hành động Trong dạy học môn Vật lí, cần đảm bảo các tính chất của quá trình học tập: từ thực tiễn

→ trực quan sinh động → tư duy trừu tượng → thực tiễn Để đảm bảo sự vận hành của

hệ tương tác dạy học, hành động của giáo viên với tư liệu hoạt động dạy học là khâu tổ chức, cung cấp tư liệu, tạo tình huống có vấn đề cho hoạt động của học sinh trong lớp

Vì vậy, thí nghiệm Vật lí đóng vai trò quan trọng trong quá trình nhận thức của học sinh, về nhân sinh quan và thế giới quan Để giúp học sinh làm tốt các tiết thực hành, nhận định và đánh giá kết quả thực tế của các hiện tượng Vật lí, tôi đã chọn đề tài: “

nâng cao hiệu quả ôn thi tốt nghiệp thpt bằng cách hướng dẫn học sinh xử lí một số bài toán tính sai sốtrong thí nghiệm vật lí ’’ đề làm sáng kiến kinh nghiệm của mình

1.2 Mục đích nghiên cứu

Trong Vật lí, các nhà khoa học muốn nghiên cứu hiện tượng vật lí nào đó đểđưa ra các định luật, các giả thuyết có đúng với thực tế hay không, có phù hợp vớithực tế hay không thì đều phải đo đạc, tính toán và chứng minh Tuy nhiên trong quátrình tính toán; với môi trường hoặc phép đo không được lí tưởng; để chứng minh,kiểm chứng tính chính xác của hiện tượng, định luật hay giả thuyết đó thì không thể

tránh khỏi sai số, và từ đó các nhà khoa học mới đưa ra các định lí, định luật và giảthuyết Vật lí, góp phần vào sự phát triển của khoa học kĩ thuật và công nghệ nhưngày nay

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Trong khuôn khổ của đề tài này, tôi đã nghiên cứu các nội dung sau:

- Nghiên cứu các đơn vị và đo các đại lượng Vật lí

- Hướng dẫn học sinh xác định các sai số khi đo các đại lượng Vật lí

- Sử dụng một số bài tập về tính sai số vào giảng dạy

- Giúp học sinh có cái nhìn tổng quan về đơn vị Vật lí, phép đo và sai số của các đại lượngVật lí

- Đề ra một số giải pháp trong việc dạy - học và tiến hành thí nghiệm - thực hành

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng: cơ sở lý thuyết các bài tập sai số

- Nghiên cứu sử dụng kiến thức Vật lí 10, nhằm hỗ trợ, nâng cao hiệu quả việc dạy họcthực hành trong chương trình Vật lí trung học phổ thông

- Khảo sát thực tế về việc sử dụng thiết bị thí nghiệm Vật lí trong nhà trường

- Thu thập và sử lí thông tin, khắc phục một số sai lầm của giáo viên và học sinh khi

đo các đại lượng Vật lí và các phép tính sai số

1.5 Những điểm mới của sáng kiến

- Kết hợp phương pháp thực nghiệm và lí thuyết nhằm phát huy tính tích cực, chủđộng và sáng tạo của học sinh

- Hướng dẫn chi tiết cách tính sai số, xử lí kết quả thí nghiệm và đưa ra đánh giá kếtquả đo các đại lượng Vật lí

- Nâng cao hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm Vật lí trong các nhà trường, tránhtình trạng dạy chay, dạy một chiều và lãng phí cơ sở vật chất – thiết bị thí nghiệmtrong các nhà trường trung học phổ thông hiện nay

2 NỘI DUNG

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1.1 Cơ sở lý luận của thí nghiệm, thực hành Vật lí

Nhìn chung, các thí nghiệm thực hành là giải pháp phát triển tư duy khoa họccũng như tư duy thực tiễn của học sinh về tri thức, nhiều học sinh khi làm thí nghiệm

- thực hành còn lúng túng khi xác định hoặc tính sai số của các đại lượng Vật lí bằngphép đo trực tiếp hoặc phép đo gián tiếp Vấn đề đặt ra là cần giúp học sinh giải quyếtvấn đề khó khăn trong việc thu thập các dữ liệu, tính toán số liệu từ các phép đo đểviệc học trở nên chủ động và sáng tạo hơn

2.1.2 Cơ sở lí thuyết của đơn vị Vật lí và phép tính sai số

2.1.2.1 Đơn vị đo các đại lượng Vật lí

Hệ đơn vị đo lường quốc tế (Système International _ SI) gồm 7 đơn vị đo các đạilượng vật lí đã được quy định thống nhất áp dụng tại nhiều nước trên thế giới gồmcác đơn vị: độ dài (mét_m); thời gian (giây_s); khối lượng (kilôgam_kg); nhiệt độ(kenvin_K); cường độ dòng điện (ampe_A); cường độ ánh sáng (canđêla_Cd); lượngchất (mol) Các đại lượng vật lí có các đơn vị này thường được đo trực tiếp bằng cácdụng cụ tương ứng

Ngoài 7 đơn vị cơ bản, các đơn vị khác là những đơn vị dẫn xuất, được suy ra từcác đơn vị cơ bản theo một công thức xác định Các đại lượng vật lí dùng đơn vị dẫnxuất thường được đo bằng phép đo gián tiếp hoặc dụng cụ đo trực tiếp nhưng đã sửdụng các phép tính trước đó Ví dụ: đo lực bằng lực kế nhưng đã được tính toán trước

đó bằng phép đo khối lượng, quãng đường và thời gian, được định nghĩa: 1 N = 1kg.m/s2

2.1.2.2 Các tính sai số của phép đo trực tiếp

Trong thực nghiệm để xác định giá trị của đại lượng vật lí nào đó chúng ta cần tiếnhành đo nhiều lần rồi xác định giá trị trung bình Giá trị trung bình đó sẽ càng gần vớigiá trị thực của đối tượng cần xác định khi phép đo được thực hiện nhiều lần Ví dụ,chúng ta đều biết xác xuất mặt ngửa và mặt sấp của đồng xu là 50%, để kết luận đượcđiều đó chúng ta phải thực hiện việc tung đồng xu đó càng nhiều lần thì số lần đồng

xu sấp và số lần đồng xu ngửa sẽ xấp xỉ bằng nhau và được phép kết luận như trên(50%)

* Sai số hệ thống là sai số do cấu tạo của dụng cụ đo Thường lấy bằng 1 độ chia

(hoặc 0,5 độ chia) nhỏ nhất của dụng cụ đo

* Sai số ngẫu nhiên là sai số trong quá trình đo có sự tác động của yếu tố bên ngoài

hoặc giác quan của con người khi thu thập dữ liệu đo

* Cách tính sai số của phép đo

Ví dụ muốn đo đai lượng A, trong thực nghiệm chúng ta đo giá trị đó n lần và được A1…An giá trị, khi đó kết quả đo được giá trị trung bình như sau:

* Cách tính 1: Tính sai số theo các lần đo:

- Sai số của mỗi lần đo: 1 1

* Cách tính 2: Tính sai số theo giá trị đo:

- Xác định giá trị lớn nhất (Amax) và nhỏ nhất (Amin) của phép đo

- Tính sai số trung bình của phép đo:

Kết luận: kết quả của phép đo: A A= ± ∆A

2.1.2.3 Các tính sai số của phép đo gián tiếp

* Đặt vấn đề: Khi đo đại lượng Vật lí B thì cần đo các đại lượng X, Y và Z

* Công thức xác định đại lượng B là:

2 3

2

X Y B

Z

=

* Phương pháp tính sai số:

- Bước 1: Lấy ln hai vế:

+ Sai số của một tổng (hoặc hiệu): ∆ ±(A B)= ∆ + ∆A B

+ Sai số của một tích: δ(AB) =δA + δB ⇔

n A A

2.2 THỰC TRẠNG

2.2.1 Học sinh khi tiến hành thí nghiệm và xác định sai số trường THPT

Khi đo các đại lượng vật lí, xử lí số liệu và đặc biệt là tính sai số, nhận xét kết quảthí nghiệm, học sinh thường gặp những thuận lợi và khó khăn sau:

Thuận lợi:

- Đa số giáo viên có thể bổ xung kiến thức về các đại lượng vật lí cần đo, cũng như

cách thức đo và lấy số liệu từ phép đo

- Đa số học sinh khi học và đam mê Vật lí thì tìm hiểu và nắm vững được đơn vị đo

các đại lượng vật lí cũng như tính toán các phép tính đơn giản

- Học sinh được làm các bài thực hành và có thể vẽ đồ thị nên cũng đã có kĩ năng đọc

các số liệu trên đồ thị, mô tả, nhận xét, đánh giá kết quả đo

Khó khăn:

- Hiện nay, các nhà trường có những khó khăn về cơ sở vật chất, chưa có phòng chứcnăng dành riêng cho thí nghiệm - thực hành, nên học sinh không được thực hành thườngxuyên, dẫn đến không biết tính sai số, hạn chế kĩ năng làm thí nghiệm

- Một số giáo viên còn dạy theo phương pháp truyền thống, ngại đổi mới phươngpháp dạy học, đặc biệt là ngại cho học sinh làm thí nghiệm - thực hành hoặc chế tạo cácthiết bị, dụng cụ mang bản chất Vật lí Làm ảnh hưởng không nhỏ đến tư duy sáng tạo,chủ động học tập cũng như tiếp thu kiến thức và vận dụng kiến thức vào thực tế của họcsinh

- Khi tiến hành thí nghiệm, thường lúng túng, thiếu tự tin, ngại phân tích các hiệntượng Vật lí

- Do áp lực thi cử, định hướng dạy học trong nhà trường còn mang tính đối phó,truyền thụ kiến thức một chiều Trong các kì thi, số câu hỏi sử dụng kiến thức thí nghiệm– thực hành, tính sai số đang còn ít nên việc dạy học phần nào chịu ảnh hưởng và khôngđược trú trọng

2.2.2 Kết luận thực trạng

Phần thí nghiệm - thực hành trong trương trình Vật lí trung học phổ thông

so với các kì thi Tốt nghiệp trung học phổ thông hiện tại không đòi hỏi cao, nênđối với cả giáo viên lẫn học sinh còn mang tính chất dạy và học đối phó, thườnglúng túng, mất phương hướng khi tiến hành và phân tích kết quả thí nghiệm củacác hiện tượng vật lí Nhiều học sinh chưa chủ động tìm kiếm, chiếm lĩnh trithức, rèn luyện kỹ năng, học tập mang tính thụ động, một chiều Mặc dù, giáo

viên giảng dạy theo phương pháp cá thể hoá, quan tâm đến đặc thù của các đốitượng học sinh.

Từ những thuận lợi, đặc biệt là những khó khăn trong quá trình tiếp thu kiếnthức, phát triển tư duy sáng tạo của học sinh, thông qua thực tiễn bằng việc tiếnhành các thí nghiệm, phân tích đánh giá kết quả đo các đại lượng vật lí, cũng nhưphương pháp giảng dạy của giáo viên chưa đáp ứng được mục tiêu của chất lượng

bộ môn Vật lí Bằng những kinh nghiệm giảng dạy của bản thân, tôi đã tiến hànhthí nghiệm, đánh giá và tính toán đi đến các nhận xét về kết quả thí nghiệm nhằmphát huy tính chủ động sáng tạo trong học tập của học sinh, giúp học sinh có gócnhìn mới về việc học bộ môn Vật lí và đã thu thập được kết quả tích cực trong quátrình dạy học, từ đó, giúp học sinh tự tin hơn khi tiếp cận với bộ môn Vật lí

=

⇒ Để đo g, cần đo quãng đường rơi s (dùng thước đo) và thời gian rơi t (dùng đồng

hồ đo thời gian hiển thị số)

s g t

i i

s v t

=

0,050 0,098 0,102 0,101 0,099 0,104 0,1008 0,01016 9,8374 0,99210,200 0,200 0,205 0,204 0,202 0,201 0,2024 0,04096 9,7634 1,97660,450 0,298 0,299 0,305 0,304 0,302 0,3016 0,09097 9,8934 2,98410,800 0,405 0,407 0,406 0,402 0,408 0,4056 0,1645 9,7255 3,9448Tính các số liệu theo bảng kết quả đo:

⇒ Thay các số liệu để tính gi và vi, thu được kết quả như bảng trên.

2.3.1.3 Xác định sai số và kết quả đo

* Tính chất của chuyển động rơi tự do

- So sánh kết quả vận tốc của vật ở thời điểm cuối của chuyển động ta thấy:

1

1

0,9921

9,84230,1008

v

;

2 2

v

t = 9,7658;

3 3

v

t =9,8942;

4 4

v

t = 9,7258 (m/s2)

hằng số ⇒ vật rơi tự do được coi là chuyển động thẳng nhanh dần đều

* Tính sai số của phép đo từ bảng kết quả đo

- Gia tốc rơi tự do trung bình:

- Với hai cách tính sai số, có lệch nhau nhất định So sánh với số liệu sách giáo khoa

vật lí 10, gia tốc rơi tự do ở Hà Nội g = 9,7867 m/s2, ở Thành phố Hồ Chí Minh g =9,7867 m/s2 thì kết quả đo thực nghiệm có thể chấp nhận được

- Nguyên nhân chênh lệch giữa hai phép tính sai số và kết quả thực tế là do:

+ Điều kiện môi trường chưa thực sự lí tưởng (có sức cản môi trường), trong quátrình làm thí nghiệm, thời tiết nóng nực nên trong phòng có gió do quạt tạo ra, phầnnào ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của vật

+ Trong quá trình thu thập số liệu còn có ảnh hưởng bởi thiết bị, cũng như thao tác thínghiệm chưa chuẩn, hoặc sai số thước đo khi xác định quãng đường rơi Nên các sốliệu thu thập được là khác nhau trong quá trình đo

- Trong phép đo này, theo hai phép tính sai số thì sai số tỉ đối lớn nhất là 0,85% nên

có thể coi đây là sai số đáng tin cậy và nếu so sánh gia tốc rơi tự do với môi trường lítưởng mà các nhà khoa học đưa ra thì hoàn toàn phù hợp

Vậy, với hai cách tính và bằng phép tính sai số trực tiếp từ phép đo, kết quả thu

được là hoàn toàn hợp lí và có sai số trong phạm vi cho phép

2.3.2 Xác định hệ số ma sát trượt

2.3.2.1 Cơ sở phép đo

- Xét vật nặng trượt trên mặt phẳng nghiêng có hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng là

µt

- Gia tốc của vật khi chuyển động là: a = g(sinα - µt.cosα)

⇒ Bằng cách đo a và α, ta xác định được hệ số ma sát trượt là:

tan

os

t

a gc

=

→ Để đo a, cần đo quãng đường chuyển động s (dùng thước đo) và thời gian đi hết

quãng đường đó t (dùng đồng hồ đo thời gian hiển thị số).

t

a gc

2.3.2.3 Xác định sai số, kết quả đo và nhận xét

* Cách tính 1: Với kết quả đo gia tốc rơi tự do ở phần 2.3.1, trong phép đo hệ số

ma sát trượt, giáo viên nên hướng dẫn học sinh tính sai số trực tiếp từ phép đo, cụ thể:

- Tính hệ số ma sát trượt tực tiếp từ bảng kết quả đo:

tan

os

t

a gc

µµ

∆ = 2,23% (chưa vượt quá ngưỡng sai số cho phép 3%)

* Cách tính 2:

- Theo bảng kết quả đo: µtmax =

0,2798 và µtmin

= 0,2666

2

tm t t

µµ

∆ = 2,41% (chưa vượt quá ngưỡng sai số cho phép 3%)

* Kết quả đo hệ số ma sát trượt: µt

= 0,2733 ± 0,0066

* Nhận xét kết quả đo: ngoài nguyên nhân chủ quan và khách quan tương đương đã

nêu ở mục 2.1.3.4 thì trong phép đo này còn có nguyên nhân sau:

- Trong quá trình làm thí nghiệm, máng nghiêng có độ nhám không đều, cho nên cáclần trượt khác nhau cho các kết quả khác nhau

- Với hai cách tính sai số thì sai số tỉ đối < 3% nên kết quả này là đáng tin

- Cơ sở lí thuyết của phép tính µt

4

g T

π

⇒ Bằng cách đo ℓ (dùng thước đo) và T (dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian 10 dao

động toàn phần) khi con lắc dao động với biên độ góc nhỏ (α0 < 10 o) thì ta xác định

được gia tốc rơi tự do g.

2.3.3.2 Bảng kết quả đo

Lần đo Thời gian ứng với 10 dao động toàn phần

2.3.3.3 Xác định sai số và kết quả đo

* Xác định sai số trực tiếp từ phép đo

2 2

4 i

i i

g T

0,69%

→ Cách tính 2: Sai số trung bình của phép đo:

0,1%

- Với giá trị của sai số tỉ đối trong 2 cách tính cho kết quả sai số đáng tin cậy

* Kết quả đo: g = 9,8023 ± 0,0675 (m/s2)

* Xác định sai số từ phép đo gián tiếp

- Lấy kết quả đo ứng với: ℓ = 0,80 ± 0,01 (m) (sai số bằng một độ chia nhỏ nhất)

- Xác định chu kì của mỗi lần đo: 10

i i

t

(*) Lấy kết quả đo ứng với trường hợp con lắc có chiều dài ℓ = 0,80 m Với kết quả

đo như bảng sau:

4

g T

2 2

ππ

so với môi trường lí tưởng mà các nhà khoa học đưa ra thì hoàn toàn phù hợp

Vậy, trong việc tính toán sai số, kết quả có thể khác nhau, nhưng với mục tiêu

chung là giúp học sinh có cách đánh giá tổng quát về thí nghiệm - thực hành

2.3.4 Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa

(thí nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng)

2.3.4.1 Cơ sở phép đo

- Các đại lượng cơ bản trong thí nghiệm:

+ Khoảng cách giữa hai khe được chiếu sáng là a;

+ Khoảng cách giữa màn quan sát và màn chứa hai khe là D;

+ Khoảng vân thu được trên màn là i

⇒ Bước sóng ánh sáng dùng trong thí nghiệm là

ai D

λ =

- Để tăng độ chính xác của phép đo, ta đo khoảng cách giữa hai vân sáng xa nhất trên

màn quan sát (L) và đếm số khoảng vân quan sát được (n) trong đoạn L thì xác định

được khoảng vân:

L i n

= ⇒

aL Dn

λ =

⇒ Với màn chứa hai khe cho trước, bằng cách đo L, đếm số khoảng vân n và đo D

thì ta xác định được bước sóng của ánh sáng đèn laze dùng trong thí nghiệm.

2.3.4.2 Bảng kết quả đo

- Thực hiện thí nghiệm với dụng cụ thí nghiệm có khoảng cách hai khe là:

a = 0,100 ± 0,001 (mm)

- Khoảng cách từ hai khe tới màn quan sát là D = 0,800 ± 0,001 (m)

2.3.4.3 Xác định sai số và kết quả đo

* Xác định sai số của phép đo

- Bước sóng trung bình của ánh sáng dùng trong thí nghiệm:

6

0,1.5,196

649,5.10800

ai D

* Kết quả đo bước sóng ánh sáng: λ = 649,5 ± 11,5 (nm)

2.3.5 Cái nhìn tổng quan về phép tính sai số và kết quả của các phép đo