NỘI DUNG
CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN
1.1 Một số vấn đề về năng lực giải quyết vấn đề a Khái niệm năng lực
Năng lực được hiểu là khả năng thực hiện, không chỉ dừng lại ở việc hiểu biết Để đạt được kết quả, hành động thực hiện cần phải đáp ứng các yêu cầu cụ thể về kiến thức, kỹ năng và thái độ.
Năng lực có những đặc điểm sau:
- Năng lực chỉ có thể quan sát được qua hoạt động của cá nhân ở các tình huống nhất định
- Năng lực thể hiện dưới hai dạng là năng lực chung và năng lực chuyên biệt
Năng lực của con người được hình thành và cải thiện liên tục trong suốt cuộc đời, phản ánh sự thay đổi trong cấu trúc nhận thức và hành động Do đó, nếu không được sử dụng một cách tích cực và thường xuyên, năng lực có thể bị yếu đi hoặc mất đi.
Phát triển năng lực cần dựa trên việc nâng cao các thành phần như kiến thức, kỹ năng và thái độ, trong đó việc thực hành là rất quan trọng Để đạt được điều này, cần huy động tổng hợp các thành phần trong các tình huống thực tế Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề cũng phải được xem xét trong bối cảnh này.
Vấn đề là trạng thái mâu thuẫn giữa thực tế và mong muốn, và việc giải quyết vấn đề là quá trình người học xác định và lựa chọn giải pháp tối ưu cho vấn đề mới lạ, đồng thời đánh giá kết quả đạt được Năng lực giải quyết vấn đề bao gồm khả năng xác định mục tiêu, đề xuất và lựa chọn giải pháp tối ưu, đánh giá kết quả, rút kinh nghiệm cho các vấn đề tương tự, và đề xuất vấn đề mới khi cần thiết Hoạt động nhận thức của con người bắt đầu khi có mâu thuẫn giữa hiểu biết hiện tại và nhiệm vụ mới, cho thấy rằng hoạt động học tập của học sinh thực chất là giải quyết vấn đề nhận thức.
- Có khả năng phát hiện các vấn đề cần giải quyết
Có khả năng tự di chuyển tri thức và kỹ năng sang tình huống mới cho thấy sự linh hoạt trong việc vận dụng kiến thức đã học Điều này thể hiện mối liên hệ chặt chẽ giữa các kiến thức, giúp cá nhân thích ứng và giải quyết vấn đề hiệu quả hơn trong các hoàn cảnh khác nhau.
Có khả năng xem xét nhiều phương pháp khác nhau từ các góc nhìn đa dạng, giúp lựa chọn giải pháp tối ưu nhất để giải quyết vấn đề.
Có khả năng đánh giá kết quả sau khi giải quyết vấn đề giúp nhận diện ưu nhược điểm trong cách tiếp cận Từ đó, có thể cải tiến phương án để nâng cao hiệu quả.
1.2 Một số vấn đề cơ bản về bài tập phương án thí nghiệm a Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm
Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm là một phần quan trọng trong việc chuẩn bị cho các thí nghiệm thực tế Loại bài tập này giúp học sinh phát triển tư duy khoa học, cho phép họ thực hiện thí nghiệm ngay cả khi không có đủ trang thiết bị Đây là nền tảng cần thiết để học sinh có thể tiến hành các thí nghiệm thực một cách hiệu quả.
Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm yêu cầu học sinh vận dụng hợp lý các định luật để xây dựng một kế hoạch thí nghiệm phù hợp với mục tiêu đã đề ra Học sinh cần chú ý đến các yếu tố như biến số, điều kiện thí nghiệm và cách thu thập dữ liệu để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả Việc thiết kế phương án thí nghiệm không chỉ giúp học sinh hiểu sâu về lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành và tư duy phản biện.
- Đo đạc một đại lượng vật lý nào đó
- Xác định sự phụ thuộc nào đó giữa các thông số vật lý
Các bài tập thiết kế phương án thí nghiệm không chỉ giúp bồi dưỡng năng lực thiết kế mà còn hình thành trực giác khoa học cho học sinh Đồng thời, những bài tập này cũng góp phần phát triển tư duy sáng tạo và nâng cao khả năng giải quyết vấn đề của học sinh.
Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm thường xoay quanh các câu hỏi như: “Làm thế nào để đo được với các thiết bị ?” hoặc “Hãy xác định đại lượng với các thiết bị ” Để xây dựng bài tập này, cần tuân thủ các bước tiến hành rõ ràng, bao gồm việc nêu ra phương án đo với các dụng cụ và đề xuất các phương án đo phù hợp.
Bước đầu tiên trong quá trình giải quyết đề bài là tìm hiểu kỹ lưỡng nội dung và yêu cầu của đề Việc phân biệt rõ ràng giữa các dữ kiện đã cho và điều cần tìm là rất quan trọng Nếu cần thiết, bạn có thể tóm tắt ngắn gọn các thông tin và yêu cầu bằng sơ đồ hoặc ký hiệu để dễ dàng theo dõi.
Bước 2 trong quá trình phân tích nội dung là làm rõ ý nghĩa của các hiện tượng được đề cập và vai trò của các dụng cụ trong bài tập Để thực hiện điều này, cần trả lời các câu hỏi liên quan đến mối quan hệ giữa các đại lượng cần đo, kiến thức đã học và phương pháp đo lường hiệu quả.
- Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm
Trong bước này, cần tổng hợp kiến thức và hiểu biết thực tế để xác định sự phụ thuộc cần kiểm tra và khảo sát Dựa trên đó, chúng ta sẽ đề ra các phương án khả thi và lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với yêu cầu bài toán Đồng thời, cũng cần phân loại các bài toán để thiết lập phương án thí nghiệm hiệu quả.
Bài toán thiết lập phương án thí nghiệm không yêu cầu đầu tư vật chất nhưng đòi hỏi học sinh có kiến thức lý thuyết vững chắc và khả năng thực tiễn Đây là loại bài toán liên quan đến nhiều lĩnh vực vật lý như cơ học, nhiệt học, điện học và quang học, thể hiện sự đa dạng và phong phú Tuy nhiên, chúng có thể được phân loại thành các dạng cơ bản khác nhau.
XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM CƠ HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
1 Nguyên tắc chung khi giải các bài toán thiết lập phương án thí nghiệm
Khi giải quyết bài toán vật lý, việc xác định "miền xác định" của hiện tượng là rất quan trọng Học sinh cần nhận diện định luật tác động lên hiện tượng và tìm kiếm tất cả các công thức liên quan, đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của từng công thức Nên lựa chọn công thức đơn giản và chính xác nhất để giảm thiểu sai số trong quá trình thí nghiệm Cần trả lời các câu hỏi về các đại lượng trong công thức, bao gồm dụng cụ đo lường và cách xác định chúng Cuối cùng, thiết lập một phương án thực hiện theo hệ thống các bước cụ thể.
- Phương án tiến hành thí nghiệm
- Đánh giá sai số và nhận xét (chỉ ra cách làm giảm sai số)
Để xây dựng một phương án hoàn hảo, học sinh cần trải qua quá trình thực nghiệm nhằm rút ra kinh nghiệm quý báu và cải thiện khả năng xử lý tình huống cũng như sai số.
Trong xử lý số liệu thu được, phương pháp hồi quy tuyến tính thường được sử dụng để đơn giản hóa và giảm sai số Cốt lõi của phương pháp này là biến đổi các phương trình vật lý thành dạng y = ax + b, trong đó x là biến độc lập trên trục hoành, y là biến phụ thuộc trên trục tung, và a, b là các đại lượng cần xác định Các đại lượng này thường được tính toán thông qua hệ số góc của đường thẳng y = ax + b được xây dựng từ dữ liệu thu thập Để nâng cao độ chính xác, người ta áp dụng các phương pháp toán học để xác định hệ số a và b của đường thẳng này.
Các công thức này được phát triển dựa trên lý thuyết xác suất và phương pháp xử lý dữ liệu thực nghiệm, nhưng thường được coi là những kết quả đã được công nhận.
Trong phần cơ sở lý thuyết, người lập phương án cần làm rõ bản chất của hiện tượng vật lý ảnh hưởng đến thí nghiệm Đây là phần mở đầu quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ bài làm, vì vậy việc xác định chính xác cơ sở lý thuyết cho bài thực hành là rất cần thiết Cùng với các dụng cụ đã được cung cấp, việc kiểm tra lại là cần thiết để đảm bảo tính chính xác của thí nghiệm.
Trong phương án, cần xác định xem có thiếu hoặc thừa loại nào không Nếu chưa phù hợp, cần điều chỉnh lại cho hợp lý Để làm điều này, có thể đặt ra các câu hỏi cho phần cơ sở lý thuyết và sau đó đối chiếu với bài làm để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ.
- Định luật vật lý sử dụng có là đơn giản, đủ chính xác hay không?
- Phương án đặt ra khi dựa trên cơ sở lý thuyết đó có tính khả thi cao hay không?
- Dụng cụ thí nghiệm thích hợp với phương án không?
- Sai số khi làm như vậy có lớn không?
Từ sơ cở lý thuyết đã có sẵn, ta đưa ra phương án thí nghiệm cho phù hợp với đề bài nhất
Trong phần phương án tiến hành thí nghiệm, ta phải:
- Bố trí các dụng cụ (cho sẵn hoặc chọn) để tiến hành thí nghiệm
- Trình tự các thao tác thí nghiệm nhỏ, đo đạc
- Lưu lại các số liệu đo được
Sau khi thu thập số liệu từ thí nghiệm, việc xử lý dữ liệu bằng các công thức vật lý là cần thiết Quá trình này tương tự như giải bài tập lý thuyết, trong đó ta sử dụng số liệu để tính toán các đại lượng Dựa vào giá trị sai số đã tính toán, chúng ta có thể đánh giá mức độ sai số và đưa ra nhận xét về cách giảm thiểu sai số Để nâng cao độ chính xác, cần lựa chọn dụng cụ phù hợp và chú ý đến từng thao tác trong quá trình thí nghiệm.
2 Một số vấn đề cơ sở đo các đại lượng cơ học trong chương trình vật lý THPT 2.1 Đo khối lượng riêng
- Sử dụng bình thông nhau
Phương trình cân bằng áp suất tại 2 điểm A, B:
- Sử dụng lực kế và bình chất lỏng(nước chẳng hạn, đã biết D0):
+ Đầu tiên dùng lực kế đo trọng lượng P của vật ngoài không khí
+ Sau đó để cả hệ thống đó nhúng chìm vào nước, thấy lực kế chỉ F
+ Tính lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật: FA = P – F
+ Khối lượng riêng của vật: D kl m P P.D 0
- Sử dụng đòn bẩy và chất lỏng (đã biết khối lượng riêng D0)
Để đảm bảo thanh cân bằng nằm ngang, cần treo quả nặng vào đầu mút A và dịch chuyển điểm treo thanh đến C Sau đó, đo đoạn AC với giá trị x Điều kiện cần thiết để thanh duy trì trạng thái cân bằng là
(D là khối lượng riêng của quả nặng)
Khi nhúng quả nặng hoàn toàn trong nước và để thanh cân bằng nằm ngang, cần dịch chuyển điểm treo đến vị trí D Lúc này, quả nặng sẽ chịu thêm lực đẩy Ac-si-met FA.
Dùng thước đo đoạn AD = y Điều kiện cân bằng của thanh là
- Sử dụng ống đong và bình chất lỏng
+ Từ điều kiện cân bằng của ống đo trong nước FA = P, ta có phương trình:
Mg + 0Vtg + 0xStg = 0Vng + 0ySng
+Tiến hành như trên nhưng thay nước trong ống đo bởi dầu ta được phương trình thứ hai: y 0
2.2 Đo gia tốc trọng trường g
- Thả rơi tự do, chụp ảnh vật rơi sau các khoảng thời gian T liên tiếp
- Con lắc đơn đo n chu kì, dùng con lắc vật lý đo kích thước lỗ rỗng
- Dùng con lắc thuận nghịch: 1 1
- Dùng cơ cấu điện dung : a U g 0 S cEl
- Chất lỏng quay (Hình bên):
- Dùng con lắc vật lý đo chu kì T → I
2.4 Đo hệ số ma sỏt à ms
- Móc lực kế vào và kéo đều vật trên sàn (ít khả thi)
- Vắt dây qua trụ có trọng vật: T T e Đặt
Bằng cách đo M.g và ta sẽ tính được hệ số ma sát
2.5 Đo hệ số đàn hồi và suất trượt của lò xo a Dùng lò xo nhẹ, treo vật, đo độ biến dạng, ta được:
Đo ứng suất trượt lò xo liên quan đến phần tử lò xo vuông góc với mặt phẳng giấy Khi phần tử này bị xoắn với góc dθ, lò xo sẽ giãn theo phương thẳng đứng một đoạn dλ = R dθ, trong đó R là bán kính mỗi vòng xoắn Tất cả các phần tử lò xo đều tương đương, vì vậy khi treo vật nặng có khối lượng m vào lò xo, lò xo sẽ giãn thêm một đoạn ΔL = θ ∫ R dθ = Rθ.
Xét về mặt năng lượng, ta có năng lượng tích trữ trong lò xo khi treo vật là:
với N là số vòng của lò xo (Ở đây chiều dài lò xo L = 2πR.N)
Bằng cách xác định độ cứng của lò xo và đếm số vòng của nó, chúng ta có thể tính toán suất trượt G của vật liệu làm lò xo Đối với vật liệu làm ống kim loại, suất trượt G được tính theo công thức G = F / S l / l.
Xét một ống kim loại bán kính trong R1, bán kính ngoài R2, dài L, đầu trên chốt hãm cứng, đầu dưới chịu tác dụng bởi mô men
Mc vuông góc với ống Lúc này ống kim loại sẽ bị xoắn Gọi góc quay ở mặt dưới của ống khi chịu tác dụng của mô men Mc là
Xét phần tử diện tích dS có dạng vành khăn với bán kính x và bề dày dx, phần mô men dMc tương ứng với việc xoay dS một góc α Lực tiếp tuyến tổng hợp Fx tác dụng lên bề mặt dS tạo ra sự biến thiên trong hệ thống Tỉ lệ giữa Δλ/l và EE’/AE được xác định là γ x 2 x.
Mô men để gây xoay vành khăn là:
Để xoay cả mặt đáy ống ta cần mô men tổng hợp
Hệ số xoắn C được xác định bằng công thức C = π²L G (R₄² - R₁²), trong đó L là chiều dài của ống, G là mô đun đàn hồi và R₄, R₁ lần lượt là bán kính ngoài và trong của ống Để tính toán hệ số này, cần xem xét dao động của hệ thống bao gồm ống, thanh kim loại và hai vật gia trọng được đặt đối xứng, với khoảng cách từ hai vật gia trọng đến ống được ký hiệu là r.
Mô men quán tính của hệ thanh và hai vật gia trọng đối với trục qua khối tâm là I:
Khi ống bị xoắn góc ta có phương trình I ” + C= 0
Hệ dao động với chu kỳ 2 2
2.6 Đo hệ số cản của môi trường: F C v
- Thả vật rơi đều trong môi trường nhớt
- Độ cao ban đầu của m so với vị trí va chạm là h thì vận tốc của nó ngay trước lúc va chạm là: v 1 2 gh (1)
Va chạm đàn hồi giữa m và M sẽ cho ta vận tốc M ngay sau va chạm:
Phương trình chuyển động của vật M với vận tốc đầu v2 và chịu lực cản ma sát trượt và lực cản môi trường
Ma Mg v Mdv dt Mg v m M
' l Đổi biến u = Mg+ v, giải phương trình vi phân ta có:
Mg+ v2,ta được v = Mg v 2 e M t Mg (3)
Thời gian tấm ván chuyển động đến lúc v = 0 là: t 1 M ln(1 v 2 )
Quãng đường tấm ván trượt được là:
Mg Mg Mg s vdt v e dt 1 ln(1 ) v Mg
Như vậy việc đo khoảng cách dịch chuyển của tấm ván theo chiều cao của vật m lúc đầu ta có thể xác định được và
- Dùng hệ trụ và ròng rọc: , 2 MgR
- Ống kim loại bán kính ngoài R2, trong R1:
2.8 Đo tốc độ truyền âm
- Dùng tốc kế bóng bàn: Đo vận tốc gió: P r
2 (**) + Từ (*) và (**) với chú ý rằng trong thí nghiệm của chúng ta R chính bằng r của bóng bàn ta có:
+ Biến đổi ta được: v 3 4mg 2 2 g( + r) (1 - cos ) r l
Sử dụng âm thoa và cột không khí, lắp xilanh với pittông đã được lồng lên giá đỡ Đảm bảo rằng hai nhánh âm thoa nằm trong mặt phẳng chứa trục xilanh, vuông góc với trục xilanh, và một nhánh âm thoa tiếp xúc sát đầu hở A của xilanh.
- Đẩy pitông để mặt pittông sát đến đầu A của xilanh, khi đó đầu kia của xilanh trùng với vạch số 0 của thước
Để đo âm thanh trong xilanh, hãy sử dụng búa gõ vào âm thoa và từ từ kéo pitông về phía đầu B gần A nhất để âm thanh nghe to nhất Ghi lại kết quả độ dài l của cột không khí trong xilanh bằng thước gắn trên pittông.
- Lặp lại thí nghiệm này tối thiểu 3 lần và tính i max min l l l l ; l n 2
- Tiếp tục gõ âm thoa và dịch pittông về phía đầu B của xilanh để lại ghe được âm to nhất lần thứ hai
Lặp lại thí nghiệm này tối thiểu 3 lần và tính
f và f được ghi trên âm thoa Kết quả: v v v
- Dùng các dây, chai nhựa và âm thoa
+ Nâng chai 2 có đáy hở lên sao cho mực nước của chai một ngang bằng với miệng nút của chai 2
+ Nối loa điện với máy phát âm tần, úp miệng loa (cách khoảng 1cm) vào trên đáy chai
+ Điều chỉnh tần số ở máy phát âm tần có giá trị f nào đó
+ Hạ dần chai 1, sao cho mực nước ở chai 2 cũng hạ thấp dần
