(Sáng kiến kinh nghiệm) chuyên đề hệ thống bài tập thực nghiệm môn vật lí thpt phần điện học

Cơ sở khoa học: Bài toán phương án thực hành được hiểu một cách đơn giản nhất là nghĩ ra các cách phương án đo một hoặc một số đại lượng vật lý nào đó trên cơ sởmột số dụng cụ đã có và t

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÀO CAI

TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÀO CAI

Giáo viên: Nguyễn Việt Dũng

CHUYÊN ĐỀ: HỆ THỐNG BÀI TẬP THỰC NGHIỆM MÔN VẬT LÍ THPT

PHẦN ĐIỆN HỌC

NĂM: 2019 - 2020

NỘI DUNG

1 Cơ sở thực tiễn và khoa học.

1.1 Cơ sở thực tiễn:

Vật lý cơ bản là một môn khoa học thực nghiệm Hầu hết các định luật vật

lý được phát hiện và được kiểm nghiệm trong thực tế mới khẳng định tính đúngđắn của nó Vì vậy, việc dạy và học lý thuyết vật lý luôn gắn liền với dạy và họcmôn thực hành Việc kiểm tra, đánh giá kiến thức vật lý cũng phải gắn kết giữa

lý thuyết và hệ thống bài tập thực hành như tinh thần đổi mới của Bộ Giáo Dục

và Đào tạo

Trong chương trình vật lý, với sự đầu tư tương đối lớn của nhà nước và sự

cố gắng lớn của Bộ giáo dục nên các bài thực hành vật lý đã được chú ý nhiều ởtất cả các khối lớp, mỗi khối có từ 3 đến 4 bài thí nghiệm thực hành Các bàitoán thực hành có mục đích giúp học sinh không những củng cố các kiến thức

đã học một cách sâu sắc, mà quan trong hơn giúp các em hình thành được các kỹnăng, thói quen nghiên cứu khoa học, phương pháp nghiên cứu và tư duy sángtạo trong quá trình làm thực hành

Trong quá trình làm thí nghiệm sẽ hình thành cho học sinh các thói quen,

kỹ năng làm thí nghiệm, các phương pháp nghiên cứu vật lý và hứng thú chohọc sinh khi nghiên cứu bộ môn Mục đích cao cả hơn là làm cho các học sinh

có thể tự làm việc độc lập, tự tin phát huy trí tuệ - điều mà các lý thuyết sáorỗng không thể làm được

Hiện nay, các đề tài về các chuyên đề lý thuyết rất phong phú, từ các đồngnghiệp, nhưng đề tài viết về vấn đề thực hành vật lý cho học sinh giỏi còn nhiềuhạn chế

1.2 Cơ sở khoa học:

Bài toán phương án thực hành được hiểu một cách đơn giản nhất là nghĩ

ra các cách (phương án) đo một hoặc một số đại lượng vật lý nào đó trên cơ sởmột số dụng cụ đã có và tiến hành, xử lí số liệu và báo cáo kết quả Học sinh cần

nghiệm, xử lý số liệu, nhận xét độ chính xác, mức độ thực tế, tiện lợi của cácphương án,…Cần chú ý là một bài toán có thể có nhiều phương án, mỗi phương

án có thể có các công thức khác nhau xác định đại lượng cần tìm tùy mức độchính xác, phức tạp hay đơn giản Bài toán phương án thí nghiệm có thể cónhiều loại khác nhau, ví dụ như: phương án kiểm nghiệm một định luật vật lýnào đó, phương án xử lý số liệu đo,…

Để giải quyết bài toán này, ta cần qua một số bước sau đây:

a Đọc kỹ đề bài để tìm hiểu ý đồ của bài toán Cụ thể là: yêu cầu bài toán

đo đại lượng vật lý nào; đề bài cho những dụng cụ, thiết bị nào, để làm gì Trên

cơ sở phân tích tác dụng của các dụng cụ, thiết bị hãy liên hệ chúng với các hiệntượng, định luật vật lý liên quan, tìm ra một số phương án rồi chọn phương ánkhả thi nhất Đây là bước quan trọng nhất để giải quyết bài toán

Đặc biệt lưu ý rằng các dụng cụ vật liệu đã cho có thể sử dụng đúng chứcnăng thông thường của nó, nhưng ngoài ra nó còn có thể được sử dụng với mộtchức năng sáng tạo khác để đạt được yêu cầu của bài toán

b.Vẽ sơ đồ thí nghiệm với các dụng cụ thiết bị của bài toán Nếu gặp bếtắc không thể khắc phục, hãy nghĩ tới các phương án khác

c Sau khi đã lựa chọn được một phương án “tốt” (với mình), hãy xâydựng công thức đo đại lượng vật lý

d Các bước tiến hành thí nghiệm: lắp đặt dụng cụ nào trước, dụng cụ nàosau, làm cái gì trước, đo cái gì trước cho thật hợp lý

e Xử lý kết quả đo bằng các phương pháp vật lý Thông thường hay dùngphương pháp tính giá trị trung bình, lập bảng, vẽ đồ thị,…Tính sai số của phépđo

Xây dựng các bài thực nghiệm.

1 Bài 1: Xác định suất điện động và điện trở trong của pin

Cho các dụng cụ và linh kiện sau:

- Hai vôn kế khác nhau có điện trở chưa biết R1 và R

- Một điện trở mẫu có giá trị R0 cho trước

- Một pin điện hóa chưa biết suất điện động và điện trở trong

- Dây dẫn điện

Yêu cầu:

- Thiết lập công thức tính suất điện động của nguồn điện, có vẽ sơ đồ mạch điện minh hoạ

- Nêu phương án đo điện trở trong của nguồn, điện trở R1, R2 của hai vôn

kế Có vẽ sơ đồ mạch điện minh hoạ

GIẢI:

1 Phương án xác định suất điện động:

Mắc theo sơ đồ như hình vẽ:

U U U U





 (3) Phương án xác định các điện trở

Mắc mạch điện theo sơ đồ:

Thay (1) vào (4) suy ra R1 và R2, kết hợp với phương trình 2 suy ra r.

-(-_-) -2 Bài 2: Xác định độ từ thẩm của sắt

Cho các dụng cụ sau:

+ Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có n1 vòng, cuộn thứ cấp có n2 vòng

(n2 > n1), lõi sắt hình xuyến, tiết diện tròn;

+ Một điện kế xung kích dùng để đo điện lượng chạy qua nó;

+ Một nguồn điện;

+ Các ampe kế, điện trở, thước đo chiều dài;

Hãy nêu một phương án để đo hệ số từ thẩm  của lõi sắt

Hướng dẫn:

Nối cuộn sơ cấp với nguồn để

dòng qua nó là I1 Sau đó mở K đo điện

lượng q qua điện kế G ở cuộn n

Gọi d là đường kính lõi hình

xuyến Chu vi hình xuyến là d Vậy từ

thông qua tiết diện lõi hình xuyến có

diện tích S bằng S

d

I n

d

n1

 là số vòng trên một đơn vị dài

Cảm ứng từ trong ống dây dài vô hạn là B =   0 nI(n là số vòng trên một đơn vị dài)+ Khi cuộn thứ nhất hở từ trường sẽ giảm đi, trong thời gian t từ thông

giảm đi  ở cuộn thứ hai sinh ra suất điện động cảm ứng:

Trong thời gian t dòng điện tích qua điện kế là:

Biết R, n1, n2, đo d, S, I1, q sẽ tính được 

Chọn dụng cụ: Trong thí nghiệm này, dụng cụ cần phải sưu tầm từ thực tế

đó là máy biến áp, thiết bị này có thể mua tại các cửa hàng điện (nên chọn loại

12V – 3A) hoặc tái sử dụng từ các bộ đổi nguồn hỏng

3 Bài 3: Xác định mật độ electron trong kim loại

Trong một thí nghiệm xác định mật độ hạt êlectron tự do trong thanh kimloại, người ta sử dụng các dụng cụ và thiết bị sau:

- Một nam châm vĩnh cửu hình chữ U

- Một nguồn điện một chiều

- Một biến trở

- Một vôn kế có nhiều thang đo

- Một thanh kim loại bằng đồng, mỏng, đồng chất, tiết diện đều hình chữnhật

- Thước đo chiều dài

- Cuộn chỉ

- Cân đòn (cân khối lượng)

- Dây nối, khoá K

a Xây dựng các công thức cần sử dụng

b Vẽ các sơ đồ thí nghiệm Nêu các bước tiến hành thí nghiệm

c Trình bày cách xây dựng bảng biểu và đồ thị trong xử lý số liệu Cáchkhắc phục sai số

(Biết khe giữa hai cực từ của nam châm hình chữ U đủ lớn để có thể đưacác dụng cụ cần thiết vào trong đó)

Hướng dẫn giải:

a Xây dựng công thức

Để xác định mật độ hạt êlectron tự

do trong thanh đồng chúng ta sẽ sử dụng

hiệu ứng Hall với hiệu điện thế Hall trên

hai bề mặt của thanh theo phương vuông

góc với đường sức từ trường và dòng

điện Giả sử cảm ứng từ trong khe giữa

hai cực từ của thanh nam châm là B Khi đó hiệu điện thế Hall là:

o

1 IB V

en d

với: I - cường độ dòng điện

B - độ lớn cảm ứng từ trong khe

e - điện tích của điện tử (e =1,6.10-19C)

d - chiều dày của thanh

V- Hiệu điện thế Hall

no - Mật độ hạt êlectron tự do trong thanh

Mặt khác ta có thể xác định được cảm ứng từ thông qua việc đo lực từ tácdụng lên thanh (thanh nằm ngang và vuông góc với đường sức từ) Khi chodòng I chạy qua thanh, lúc này lực điện từ tác dụng lên thanh chính bằng sựthay đổi trọng lực để cân thăng bằng bên cánh tay đòn không treo thanh so vớitrường hợp khi không có dòng chạy qua

Lực điện từ tác dụng lên thanh đặt ngang trong từ trường khi có dòng điện Ichạy qua là F =B.I.L

(Lưu ý: Trong thực nghiệm hiệu điện thế Hall thu được luôn nhỏ hơn so với

Do vậy để xác định mật độ hạt êlectron tự do trong thanh đồng chúng ta cần

đo được chiều dài L của thanh nằm trong từ trường, chiều dày d của thanh và xác định được mối tương quan giữa sự thay đổi khối lượng m (khi có dòng điện và khi không có dòng điện chạy qua) với hiệu điện thế V tương ứng

b Sơ đồ thực nghiệm (hình vẽ)

* Thực nghiệm và thu thập số liệu

Bước1: Đo chiều dài L của phần thanh kim loại nằm ngang trong từ trường

và chiều dày d của thanh

Bước 2: Sử dụng sợi chỉ treo thanh kim loại nằm ngang trong từ trường vàvuông góc với đường sức từ vào một cánh tay đòn của cân

Bước 3: Mắc mạch điện như hình vẽ

Bước 4: Khoá K mở, chỉnh cân thăng bằng, ghi lại giá trị của khối lượng

Bước 5: Đóng khoá K.

- Sử dụng biến trở thay đổi dòng điện chạy qua mạch

- Chỉnh cân thăng bằng, ghi lại sự thay đổi khối lượng m

- Ghi lại giá trị trên vôn kế

Bước 6: Lặp lại các bước 4và 5 để thu thập khoảng n bộ số liệu ứng với n vịtrí khác nhau của biến trở

c Xây dựng bảng biểu và tính toán.

* Lập bảng số liệu:

1

n

- Xác định giá trị trung bình của chiều dài đo được

n i

i 1

L L

i 1

d d n

i 1 o

n n

- Thanh không nằm ngang và không vuông góc với đường sức từ trường

- Đặt thanh sao cho cạnh dọc theo từ trường d nhỏ và dòng qua mạch đủ lớnsao cho tín hiệu đo được trên vôn kế là lớn

- Sai số do thước đo, cân, ampe kế

- Sai số do tính toán

Chọn dụng cụ: Trong thí nghiệm này, dụng cụ cần phải sưu tầm từ thực tế

đó là thanh kim loại, thanh này có thể sử dụng các thành nhôm hình dạng đặc mua ở các cửa hàng bán nhôm định hình

-(-_-) -4 Bài 4: Xác định nhiệt dung riêng, hệ số nhiệt điện trở của kim loại

Trong một thí nghiệm để đo đồng thời nhiệt dung riêng C, hệ số nhiệt điệntrở , điện trở R0 tại 00C của một điện trở kim loại có khối lượng m, người ta sửdụng các dụng cụ và linh kiện sau:

- Hai hộp điện trở R , R v 1 v 2đọc được các trị số điện trở;

- Hai điện trở R1, R2 đã biết trị số;

- Một tụ điện C t;

- Một nguồn điện xoay chiều, một nguồn điện một chiều;

- Một ampe kế điện trở nhỏ có thể đo được dòng một chiều và xoay chiều;

- Một điện kế có số không ở giữa bảng chia;

- Một đồng hồ (đo thời gian);

- Một nhiệt lượng kế có nhiệt dung riêng C1, khối lượng m1,chứa một lượngchất lỏng khối lượng m2 có nhiệt dung riêng C2;

- Các dây nối, đảo mạch

a.Hãy thiết kế mạch điện để đồng thời đo được các tham số C, , R0 củađiện trở nói trên Vẽ sơ đồ đo

b Xây dựng các công thức cần thiết

c Nêu trình tự thí nghiệm, cách xây dựng biểu

bảng và vẽ đồ thị, cách khắc phục sai số

Để đo đồng thời các đại lượng nhiệt dung C, hệ

số nhiệt điện trở , điện trở R0 trên 1 sơ đồ đo, người

ta dùng điện trở kim loại R để nung nóng chất lỏng

trong nhiệt lượng kế

Hướng dẫn giải:

1 Sơ đồ đo như hình vẽ

Trong khi nung nóng điện trở R bởi nguồn xoay

chiều, người ta điều chỉnh mạch cầu cho cân bằng,

tính được giá trị R, đọc giá trị dòng điện trên Ampe

ở đây, : thời gian cấp dòng điện xoay chiều qua điện trở R,

I: cường độ dòng điện qua điện trở R,

t1, t2: nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ sau khi cấp dòng xoay chiều chođiện trở R

- Điện trở kim loại được xác định bởi: R R (1  0   t ) (2) 2

b Trình tự thí nghiệm và các biểu bảng:

- Cho dòng I qua R trong thời gian , đọc giá trị t

- Điều chỉnh cho cầu cân bằng: 2

R a b c

d

- Từ bảng trên, vẽ đồ thị: R R(t )  2

- Đồ thị này là đường thẳng, ngoại suy được

giá trị R0 (Giao của đồ thị R R(t )  2 với trục Oy)

- Nhiệt dung C được tính trực tiếp từ (1) hoặc có thể thay (2) vào (1) để xácđịnh nhiệt dung của điện trở kim loại

- Sai số có thể mắc phải: Sai số do nhiệt dung của dây nối, lắc khấy nướckhông đều,

-(-_-) -

t2

R0R

5 Bài 5: Xác định mômen từ của thỏi nam châm (QG2014)

Để xác định mômen từ của một thỏi nam châm (bậc 10Am2), người ta khảosát dao động của thỏi nam châm treo nằm ngang trong từ trường

Cho các dụng cụ, thiết bị sau:

- Một thỏi nam châm hình trụ bán kính r, dài , khối lượng m;

- Sợi dây nhẹ đủ dài, mềm, không dãn, không đàn hồi;

- Một đồng hồ vạn năng hiện số;

- Một đồng hồ đo thời gian;

- Một khung dây hình trụ tròn đã biết trục đối xứng hình học vuông góc vớithiết diện ngang của khung Khung gồm nhiều vòng, bán kính trung bình R (R rất lớn so với  và r);

- Một nguồn điện một chiều 9V;

- Biến trở, đảo mạch, dây nối;

- Các giá đỡ, giá treo để bố trí các dụng cụ thí nghiệm;

- Thước dài, thước kẹp

Thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất tại nơi làm thí nghiệm có

độ lớn BTĐ ≈ 0,35.104T và phương chiều đã biết

Yêu cầu:

a) Xây dựng sơ đồ thí nghiệm để xác định mômen từ của thỏi nam châm.b) Xây dựng cơ sở lí thuyết và các phương trình cần thiết

c) Dẫn ra biểu thức xác định mômen từ của thỏi nam châm

d) Nêu nguyên nhân gây sai số

Hướng dẫn giải:

a) Bố trí thí nghiệm như hình vẽ:

Cố định vị trí đặt khung dây

(thẳng đứng) và vị trí treo nam châm

trên trục của khung dây

b) Từ trường tại vị trí treo nam

châm gồm: B Bd  BTD

với B ~N&Id , có thể viết dưới

dạng Bd  A.I trong đó A là hằng số

phụ thuộc vào vị trí, số vòng dây và

bán kính R, I là dòng điện chạy qua khung

Nam châm

Giá đỡ

R

I I

4 I b B



các hệ số a và b có thể được xác định bằng phương pháp đồ thị hoặcphương pháp bình phương tối thiểu

* Biểu thức mô men quán tính Iqt

Mô men quán tính đối với trục ox: x 2

MR I

2

 Chú ý Iy=Iz.Chia thành các đĩa mỏng và dùng định lí Huyghen-Steiner tính mô menquán tính của đĩa mỏng đối với trục oz và oy

d) Nguyên nhân gây sai số

- Tùy theo độ lớn của Iqt Nếu Iqt lớn,

dao động không rõ rệt  cần hỗ trợ Bd

khung dây (tăng dòng)

- Từ trường TĐ không đồng nhất

trong khu vực đo

Chọn dụng cụ: Trong thí nghiệm này, dụng cụ cần phải sưu tầm từ thực tế

đó là thanh nam châm, có thể lấy từ trống mực hỏng, hoặc từ mắt đọc CD hỏng

-(-_-) -6 Bài 6: Xác định điện dung của tụ điện theo 3 cách (QG2003)

3 Một nguồn điện một chiều

4 Một máy đo điện cho phép đo được cường độ dòng điện và hiệu điện thế(một chiều, xoay chiều)

5 Các dây nối, các ngắt điện có điện trở không đáng kể

6 Một đồng hồ đo thời gian

Hãy lập ba phương án xác định điện dung của một tụ điện

Yêu cầu nêu: nguyên tắc lí thuyết của phép đo, cách bố trí thí nghiệm, cáchtiến hành thí nghiệm, các công thức tính toán, những điều cần chú ý để giảm sai

số của phép đo

Hướng dẫn giải:

Phương pháp đo điện dung của tụ

Phương án 1: Mắc tụ với nguồn một chiều cho tích điện đầy rồi cho phóng

điện qua điện trở lớn Đo hiệu điện thế U0 của nguồn và hiệu điện thế trên tụbằng vôn kế, đo t bằng đồng hồ và đọc trị số R của hộp điện trở

t

e U

u  0. ta tính được C Nếu chọn

e

U

u 0 thì C  R t Cần chọn R lớn

(cỡ MΩ) để thời gian phóng điện đủ lớn (cỡ giây)

Phương án 2: Lắp mạch gồm tụ nối tiếp với hộp

điện trở rồi nối với nguồn Lần lượt đo hiệu điện thế

UR trên điện trở, UC trên tụ (điều chỉnh sao cho hai

hiệu điện thế này gần bằng nhau), sẽ suy ra:

C

R C

R

U R f

U C

U

U f

RC

2 2

Phương án 3: Dùng máy đo vạn năng (để ở nấc đo cường độ dòng điện)

mắc nối tiếp với tụ để đo I qua tụ, tính được:

0

.

2 f U

I C





Phương án 4: Mắc sơ đồ như hình bên Dùng hộp điện trở như một biến trở

điều chỉnh sao cho khi chuyển khóa K giữa hai chốt kim ampe kế đều chỉ nhưnhau Lúc đó, dung kháng của tụ bằng biền trở R (bỏ qua điện trở của dụng cụ

đo) Vậy: C f R

2

1





-(-_-) -7 Bài 7: Giải hộp đen 1

Một hộp kín H có ba đầu ra Biết rằng trong hộp kín là sơ đồ mạch điệnđược tạo bởi các điện trở Nếu mắc hai chốt 1 và 3 vào hiệu điện thế nguồn

không đổi U = 15 V thì hiệu điện thế giữa các cặp chốt 1-2 và

2-3 lần lượt là U12 = 6 V và U23 = 9 V Nếu mắc hai chốt 2 và

3 cũng vào hiệu điện thế U trên thì hiệu điện thế giữa các cặp

chốt 2-1 và 1-3 lần lượt là U21 = 10 V và U13 = 5 V

Hướng dẫn giải

a Hãy vẽ một sơ đồ mạch điện trong hộp kín H với số điện trở ít nhất Chorằng điện trở nhỏ nhất trong mạch điện này là R, hãy tính các điện trở còn lạitrong mạch đó

b Với sơ đồ mạch điện trên, nếu mắc hai chốt 1 và 2 vào hiệu điện thế Utrên thì các hiệu điện thế U13 và U32 là bao nhiêu ?

Hướng dẫn: - Theo bài ra, khi thay đổi các cặp đầu vào của mạch điện thìhiệu điện thế giữa các cặp đầu ra cũng thay đổi, ta suy ra rằng giữa các cặp chốtphải có điện trở khác nhau và số điện trở ít nhất của mạch trong hộp kín H là 3