Tài liệu HSG phần thực hành

Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm. Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm. Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm. Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm. Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm. Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm. Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi phần thực hành. Tổng hợp những bài thực hành trong các đề thi học sinh giỏi hàng năm.

TÀI LIỆU HSG – PHẦN THỰC HÀNH Câu 1: Làm xác định hệ số ma sát trượt mặt phẳng nghiêng mà dùng lực kế (hình vẽ)? Biết độ nghiêng mặt phẳng không đổi không đủ lớn bị trượt Dùng lực kế kéo: + Để chuyển động lên đều: FL = μ Pcos α + Psin α (1) + Để chuyển động xuống đều: FX = μ Pcos α - Psin α (2) F L−F X F L+ F x 2P Từ (1) (2) è sin α = ; cos α = P μ è sin2 α + cos2 F L−F X F L+ F x 2P è( ) + ( P μ )2 = α = FL+ FX √ 2 è μ = P −( F L−F X ) Đo FL, FX, P lực kế sử dụng công thức để suy μ Câu 2: Cho số dụng cụ: Bộ dụng cụ điện phân, nguồn điện, cân có cân, ampe kế, đồng hồ bấm giây, dây nối có điện trở khơng đáng kể Hãy thiết lập cách bố trí thí nghiệm, trình bày phương án tiến hành thí nghiệm tìm cơng thức để xác định độ lớn điện tích nguyên tố 1) Thiết lập mạch điện, phương án tiến hành thí nghiệm: - Mắc mạch điện theo sơ đồ thơng thường 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 Δt mà dòng điện qua.t mà dòng điện qua - Xác định khối lượng m chất bám vào điện cực: Bằng cách dùng cân để đo khối lượng m điện cực trước mắc vào mạch, sau đo khối lượng m điện cực sau cho dòng điện qua chất điện phân tính khối lượng: m = m2 - m1 (1) 2) Lập công thức xác định độ lớn e của điện tích ngun tớ: - Gọi n hóa trị chất Số nguyên tử xuất điện cực: q It N  ne ne (2) - Mặt khác: Gọi NA số Avôgađrô, A khối lượng mol chất ta có: + Số nguyên tử là: N  NA m A A I t A I t e  n m.N A n (m2  m1 ).N A - Từ (2) (3) ta tìm được: (3) (4) Tài liệu ơn thi HSG phần thực hành Câu 3: Xác định suất điện động nguồn điện bằng hai vôn kế khác có điện trở chưa biết khơng lớn Dụng cụ : Hai vôn kế, nguồn điện, dây nối Hãy trình bày phương án tiến hành thí nghiệm, vẽ sơ đồ mạch điện, lập công thức để xác định suất điện động nguồn điện - Phương án : + Lập sơ đồ mạch điện, mắc đọc số sơ đồ: Vẽ sơ đồ mạch điện Gọi E suất điện động nguồn điện; RV1 , RV2 điện trở hai vôn kế * Sơ đồ 1: Mắc vơn kế nối tiếp với nguồn thành mạch kín đọc giá trị U * Sơ đồ 2: Mắc vôn kế nối tiếp với nguồn thành mạch kín đọc giá trị U * Sơ đồ 3: Mắc vôn kế nối tiếp với vôn kế nối tiếp với nguồn thành mạch kín đọc giá trị U1’, U2’ - Lập công thức: + Theo định luật Ơm cho mạch kín, ta có : I1  U1 ; R v1 I2  E = U1  r.I1  U1  r U2 R v2 (1) U1 R v1 E = U  r.I  U  r (2) U2 R v2 (3) + Sơ đồ thứ 3, hai vôn kế mắc nối tiếp ta có : U '2 U1'  R v2 R v1 (4) + Khử r (2) (3) kết hợp với (4) ta : U U E−U U RV E−U ÷ = = R V RV E−U U RV E−U U '2 U1 hay : U1' U2  (5) E - U1 E - U2 (6) E U1 U U '2 U1' U1 U '2 U U1' ( - )  Ta tìm suất điện động : (7) Kết luận: Dùng sơ đồ mạch điện khảo sát đọc số hai vôn kế ta tìm suất điện động nguồn điện Câu 4: Nêu phương án thực nghiệm xác định điện trở nguồn điện chiều Dụng cụ gồm: nguồn điện chiều chưa biết suất điện động điện trở trong, ampe kế có điện trở không đáng kể, điện trở R biết giá trị, biến trở chạy Rb có điện trở tồn phần lớn R0, hai cơng tắc điện K1 K2, số dây dẫn đủ dùng Các cơng tắc điện dây dẫn có điện trở không đáng kể Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành Chú ý: Không mắc ampe kế trực tiếp vào nguồn - Phương án thực hành: + Bố trí mạch điện hình vẽ (hoặc mơ tả cách mắc) E + Bước 1: Chỉ đóng K1: số ampe kế I1: Ta có: E = I1(r + R0) (1) + Bước 2: Chỉ đóng K2 dịch chuyển chạy để ampe kế I Khi phần biến trở tham gia vào mạch điện có giá trị R0 + Bước 3: Giữ nguyên vị trí chạy biến trở bước đóng K K2, số ampe kế I2 Ta có: E = I2(r + R0/2) (2) r  Giải hệ phương trình (1) (2) ta tìm được: (2 I1  I ) R0 2( I  I1 ) Câu 5: Cho dụng cụ sau: Một cuộn chỉ, vật nhỏ có khối lượng 20g, đồng hồ Hãy trình bày giải thích phương án thí nghiệm để xác định gần diện tích lớp học bạn Coi lớp học gần hình chữ nhật - Tạo lắc đơn: lấy vật nhỏ làm nặng sợi làm dây treo - Dùng đồng hồ đo chu kì lắc đơn, tìm độ dài dây treo để lấy làm thước dây đo độ dài theo công thức: T =2 π √ T g l  l= g π - Dùng cuộn đo độ dài cạnh a, b lớp học, so sánh với thước dây tạo - Nếu độ dài cạnh a, b không số nguyên thước dây ban đầu phải cắt phần khơng ngun tạo thành lắc để đo phần chiều dài Từ tính diện tích S = a.b Câu 6: Để đo độ sâu hồ bơi, bạn Nam cầm ống nghiệm hình trụ có chia độ lặn xuống đáy hồ Sau lặn, bạn tính độ sâu cần tìm Theo em bạn Nam làm cách nào? Giải thích? - Úp ống nghiệm thẳng đứng, sau lặn xuống hồ đến nơi cần đo độ sâu, giữ nguyên tư ống nghiệm - Đánh dấu mực nước dâng lên ống nghiệm - Áp dụng định luật Bơi-lơ-Ma-ri-ốt cho khối khí ống nghiệm (coi nhiệt độ không đổi) poVo = pV  poSlo = pSl Mà: p = po + hg Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành  polo = (po + hg)l  h po (lo  l )  gl h: độ sâu nơi cần đo po: áp suất khí lo: độ dài ống nghiệm l: độ dài khối khí ống nghiệm lúc đáy hồ : khối lượng riêng nước g: gia tốc trọng trường ( học sinh phải nêu đủ tên đại lượng công thức trên) Câu 7: Cho dụng cụ sau: nguồn điện không đổi, tụ điện chưa biết điện dung, điện trở có giá trị lớn biết, micrôampe kế, dây nối, ngắt điện, đồng hồ bấm giây giấy kẻ ô tới mm Hãy đề xuất phương án thực nghiệm để đo điện dung tụ điện cho I Cơ sở lý thuyết: Sau nạp điện, cho tụ phóng điện qua điện trở R Giả sử sau thời gian dt, điện lượng phóng qua R dq làm cho hiệu điện hai cực tụ biến thiên lượng du thì: dq = - Cdu, dq = idt; du = Rdi nên: di idt=−RCdi ⇒ =− dt ⇒ i RC −ln t i dt ∫ dii =−∫ RC i i ⇒ ln =− t i0 RC i i0 Như phụ thuộc tỉ lệ với thời gian t II Các bước tiến hành: Lắp mạch điện sơ đồ hình Đóng khóa K, sau nạp xong mở khóa Đọc ghi cường độ dòng điện sau khoảng thời i i0 −ln gian (ví dụ 10s) tính đại lượng tương ứng (t = lúc mở khóa) t(s) i(A) - ln(i/i0) 10 20 30 40 50 60 70 K R A C Hình 80 t(s) Hình Tài liệu ơn thi HSG phần thực hành −ln Dựa vào bảng số liệu, dựng đồ thị phụ thuộc III Xử lý số liệu: tan   i i0 theo t (đồ thị đường thẳng) RC Qua hệ thức này, đo tan, ta Độ nghiêng đường thẳng tính C Làm nhiều lần để tính giá trị trung bình C Câu 8: Xác định bán kính cong chiết suất của mợt thấu kính hợi tụ Cho dụng cụ linh kiện sau: - 01 thấu kính hội tụ hai mặt lồi cho biết tiêu cự f, cần xác định bán kính hai mặt cong - 01 hệ giá đỡ dụng cụ quang học (có thể đặt tư khác nhau) - 01 nguồn Laser - 01 ảnh - 01 thuỷ tinh phẳng, mỏng, suốt - 01 thước đo chiều dài chia tới milimet - Các vật liệu khác: kẹp, nước cất (chiết suất nn = 1,333) Xây dựng phương án thực hành xác định bán kính cong hai mặt thấu kính hội tụ chiết suất vật liệu dùng làm thấu kính Yêu cầu: Nêu sở lý thuyết Nêu cách bố trí - tiến hành Nguyên nhân sai số - Cách khắc phục Xử lý kết (nếu cần thiết) Cơ sở lý thuyết: - Sử dụng công thức tính tiêu cự  1   n  1    f  R R  (1) - Cơng thức tính tiêu cự thấu kính ghép sát 1   f f1 f 2 Bố trí – tiến hành thực nghiệm + Đặt mặt thứ thấu kính lên kính phẳng cho vài giọt nước cất vào chỗ tiếp xúc thấu kính mặt phẳng ta thấu kính phân kì có bán kính (- R 1) Dùng đèn laze chiếu chùm tia song song hình để đo tiêu cự f1 hệ ta được: R1 R2 fn Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành 1   f1 f f A  fA tiêu cự thấu kính phân kỳ nước   1 =  1.333 - 1  -   fA  R  f1 f (2) Có f, f1 ta tìm fA; có fA ta suy R1 + Đặt mặt thứ hai thấu kính lên kính phẳng cho vài giọt nước cất vào chỗ tiếp xúc thấu kính mặt phẳng ta thấu kính phân kì có bán kính (- R 2) Dùng đèn laze chiếu chùm tia song song hình để đo tiêu cự f hệ ta được: 1   f2 f fB fB tiêu cự thấu kính phân kỳ nước    1 =  1.333 - 1   fB  R  f2 f (3) Có f, f2 ta tìm fB; có fB ta suy R2 + Có R1, R2 kết hợp công thức (1) ta suy n Nguyên nhân sai số- khắc phục - Sai số hệ thống: Do sai sót dụng cụ đo - Sai số ngẫu nhiên: Do thao tác cách đọc giá trị người làm thực nghiệm Khắc phục: Đo nhiều lần, tính tốn sai số phép đo Câu 9: Đo điện trở Graphite - Điện trở Rg graphite phụ thuộc vào nhiệt độ Một cách gần coi phụ thuộc tuyến tính: Rg = R0 (1+ αTT ) T độ chênh lệch nhiệt độ phòng nhiệt độ graphite, R0 điện trở graphite nhiệt độ phòng,  hệ số nhiệt điện trở graphite - Ngoài ta giả sử công suất nhiệt mà điện trở truyền cho phòng tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nhiệt độ: P = βT T  hệ số truyền nhiệt - Thiết bị dụng cụ: Thanh graphite, đồng hồ đa năng, nguồn điện (pin 4.5 V), điện trở cố định 1.0 , biến trở, dây nối - Yêu cầu: 6a Trình bày sở lý thuyết phép đo 6b Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu bước tiến hành để đo hiệu điện U cường độ dòng điện I qua graphite 6c Một phép đo thực ta có bảng số liệu U, V I, А U, V I, А 0,150 0,040 0,742 0,199 Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành 0,188 0,202 0,261 0,304 0,411 0,470 0,050 0,054 0,070 0,081 0,109 0,124 0,907 1,155 1,486 1,570 2,280 0,243 0,312 0,406 0,430 0,640 Sử dụng bảng số liệu để tìm giá trị điện trở R0 nhiệt độ phòng - Lý thuyết: Nếu biết hiệu điện cường độ dòng qua graphite ta tính công suất P UI điện trở graphite U R I Ở chế độ ổn định, công suất dòng điện bằng công suất tỏa nhiệt: P  T  T  P , Như vậy, điện trở phụ thuộc vào công suất  P)  - Để đo đặc trưng volt-ampere graphite, sử dụng mạch điện quen thuộc hình bên - Khi volt kế mắc nút ta đo hiệu điện graphite, còn vị trí đo hiệu điện qua điện trở R0 1,  Nếu đơn vị đo hiệu điện volt, Rg R0 (1  T ) R0 (1  trị số hiệu điện điện trở bằng trị số cường độ dòng điện mạch Từ bảng giá trị cho ta tính tốn bảng U, V I, А P, W R, Ohm 0,150 0,040 0,0060 3,750 0,188 0,050 0,0094 3,760 0,202 0,054 0,0109 3,741 0,261 0,070 0,0183 3,729 0,304 0,081 0,0246 3,753 Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành 0,411 0,109 0,0448 3,771 0,470 0,124 0,0583 3,790 0,742 0,199 0,1477 3,729 0,907 0,243 0,2204 3,733 1,155 0,312 0,3604 3,702 1,486 0,406 0,6033 3,660 1,570 0,430 0,6751 3,651 2,280 0,640 1,4592 3,563 Đồ thị cho thấy phụ thuộc điện trở vào công suất tỏa nhiệt Vẽ đường thẳng kéo dài đồ thị cắt trục hoành giá trị điện trở nhiệt độ phịng Tính tốn cho kết R0 3, 78  Câu 10: Xác định giá trị suất điện động Ex điện trở nguồn điện rx - Cho dụng cụ thí nghiệm sau: - 01 nguồn điện E1, r1 có giá trị suất điện động biết - 01 nguồn điện Ex, rx chưa biết giá trị suất điện động điện trở - 02 tụ điện có điện dung C giống không bị đánh thủng mắc chúng vào nguồn điện nói - 01 điện trở R - 01 Ampe kế lý tưởng - Khóa K dây nối có điện trở nhỏ Hãy E trình bày phương án thí nghiệm để xác định giá trị suất điện động E x điện trở , r1 nguồn điện rx C K (1) g g g(2) - Cơ sở lí thuyết: Phương pháp tiến hành thí nghiệm dựa phụ thuộc Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành A Hình số I A Ampe kế giá trị điện tích q qua Cụ thể: IA = kq - Sơ đồ mạch điện để kiểm chứng kết luận hình vẽ - Ban đầu K vị trí (1), tụ điện C tích điện từ nguồn điện E1, r1 (có suất điện động biết) - Sau chuyển khóa K sang vị trí (2), ghi I A1 số Ampe kế - Thay tụ điện C , ta lấy tụ điện, nối chúng lần nối tiếp, lần nối song song, xác nhận rằng, trường hợp đầu số Ampe kế giảm hai lần, còn trường hợp thứ hai tăng lên hai lần Đó điện dung tụ điện biến đổi số lần tương ứng Do đó, điện tích qua điện kế: q = CE -Thay nguồn điện E , r bằng nguồn điện E , r ta lại ghi số I Ax Ampe kế 1 x x Ta có biểu thức: I A1 kq1 kCE1 I Ax kqx kCE x E x , rx  R A Hình10 E x E1 Từ đó, ta suy biểu thức cho suất điện động phải tìm: E ,r Tính điện trở nguồn x x K g g Áp dụng định luật Ơm cho mạch kín (hình vẽ 10): Ta có E E x I A  R  rx   rx  x  R IA Câu 11: Đo điện trở dây tóc bóng đèn nhiệt độ phịng Dây tóc đèn có bán kính nhỏ nên có dòng điện chạy qua, dây tóc đèn nóng lên nhanh Người ta cần phải đo xác điện trở nhiệt độ phòng Cho dụng cụ sau: - 01 bóng đèn ghi 2,5V – 0,1W - 01 pin có ghi 1,5V - 01 biến trở - 01 milivơn kế có thang đo từ đến 2000mV, độ chia ứng với 1mV, sai số ± 3mV; điện trở nội lớn - 01 miliampe kế có thang đo từ đến mA, độ chia ứng với 1μA, sai số ± 3μA, điện trở nội nhỏ Trình bày sở lý thuyết, cách bố trí thí nghiệm, tiến trình thí nghiệm, lập bảng biểu cần thiết để xác định điện trở dây tóc bóng đèn nhiệt độ phòng Nêu nguyên nhân dẫn đến sai số, ước lượng độ lớn sai số Cơ sở lý thuyết: Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành I Ax I A1 - Theo định luật Ohm: R U I (1)   R R p    t  t p  - Điện trở phụ thuộc nhiệt độ: (2) - Điện mà đèn tiêu thụ chuyển thành lượng xạ nhiệt môi trường nhiệt lượng truyền mơi trường nên ta có: Pd Pbucxa  Ptruyennhiet  UI   Pd Ptruyennhiet UI K t  t p  t  t p  Pbucxa  Ptruyennhiet  K (3) Do đó:   Rp U R p  UI I K - Từ (1), (2) (3) ta có: x P UI; y R  R U a  p ; b R p I , ta được: y ax+b đó: K Đặt: Tiến hành thí nghiệm: - Bố trí thí nghiệm: Mắc sơ đồ mạch điện hình vẽ - Tiến trình thí nghiệm: Thay đổi giá trị biến trở Với giá trị biến trở, đọc số U vôn kế, I ampe kế, ghi vào bảng số liệu: U (V) I (A) x = P = UI y = R = U/I Xử lý số liệu: Từ đồ thị ngoại suy b = Rp Câu 12 Cho thiết bị sau + Một nguồn điện chiều + Một số điện trở mẫu, loại 3Ω , 10Ω , 30Ω + Một điện trở chưa biết giá trị + Một điện kế, chỉnh độ nhạy cỡ μA + Một thước gỗ có chia độ dài, từ 0−100 cm; có gắn sợi dây kim loại gắn dọc theo thước, đầu sợi dây cố định + Các dây dẫn, loại cắm chốt, kẹp, kim nhọn Hãy thiết kế phương án thí nghiệm để xác định điện trở chưa biết Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành 10 + 01 ca đựng nước, khối lượng riêng nước D0 biết - Yêu cầu: Trình bày phương án để xác định bán kính cầu a Trình bày sở lý thuyết phương án b Vẽ sơ đồ nêu bước tiến hành thí nghiệm (khơng u cầu tính sai số) Cơ sở lý thuyết Khi cầu mặt nước cầu chịu tác dụng hai lực: - Trọng lực P mg Dg  V1  V2   1 hướng thẳng đứng xuống dưới, với V1 ,V2 tương ứng thể tích cầu cầu trong; - Lực đẩy Acsimet hướng thẳng đứng lên trên: FA D0 g  V1  Vc   2 Với D0 khối lượng riêng nước; Vc thể tích chỏm cầu nhơ mặt nước: Ở trạng thái cân bằng: P FA rút ra: Dg  V1  V2  D0 g  V1  Vc   V2  D D0  V1  D0VC D  3 Trong đó: - Thể tích chõm cầu mặt nước xác định: + Hình cầu tạo ta xoay hình tròn quanh trục cố định: y2 + x2 = R2  y=f (x )=√ R2−x + Thể tích khối tròn xoay xác định theo công thức: R V c =π ∫ R [f ( x ) ]2 dx=π R −h ∫ [√ R2−x ] dx=π (R ¿¿ x− R−h x3 R )¿ ¿ R−h ( R−h ) R3 R 3−3 R2 h+ R h2−h3 R3 −[R ( R−h)− ] ]¿ = π[RR3 – – R3 + R2.h + ] 3 3 h h3 = π[RR.h2 – ] = π.h2[RR – ] (5) 3 = π [ R ¿ ¿ R− h 4 2 V2  πrr V1  πrR3 Vc  h  R   3  3 , , (4) (h chiều cao chỏm cầu nhô lên khỏi mặt nước) Thay (4) vào (3): 4r = h ( D−D0 ) R + D h R− ( ) D h2 (3 R−h) ( D−D0 ) R3 + D0 r3 = D Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành 19 ´ ´ (3 d − ´h) h d´ ( D−D0 ) + D ´r = (5) D √ Với R = d Vậy đo đường kính ngồi d chiều cao h chỏm cầu lên khỏi mặt nước tìm bán kính bên theo (5) Sơ đồ thí nghiệm: hình vẽ Các bước tiến hành: Bước 1: Dùng thước kẹp để đo đường kính ngồi d cầu (đo nhiếu lần tính giá trị trung bình) d d1  d  d n n  6 Bước 2: Đổ nước từ ca vào bình thủy tinh có vạch chia độ (lưu ý khơng đổ quá đầy) Bước 3: Thả nhẹ cầu vào bình (lưu ý độ cao cầu thấp miệng bình thủy tinh, nơi có vạch chia độ) Bước 4: Đọc độ cao chỏm cầu h (Lưu ý đặt mắt quan sát vng góc với thành bình) Đo h nhiều lần tính giá trị trung bình: h h1  h2  hn n  7 Bước 5: Thế kết đo từ (6) (7) vào biểu thức (5) để tìm bán kính r : ´ ´ (3 d − ´h) h d´ ( D−D0 ) + D ´r = (5) D √ Tài liệu ôn thi HSG phần thực hành 20