BÀI TOÁN PHƯƠNG án THÍ NGHIỆM TRONG các đề THI CHỌN học SINH GIỎI vật lý các cấp

Phải chọn tỉ lệ xích thích hợp với đồ thị nhất và sao cho khi vẽ, đồ thị chiếm gần toàn bộkhổ giấy, tránh tình trạng các điểm thực nghiệm quá gần nhau, trong khi đó một miền rộng kháccủa

chọn chủ đề “Phương án thí nghiệm trong các đề thi chọn HSG Vật lí” để nghiên cứu Tầm

hiểu biết của tôi thì có hạn trong khi kiến thức về phần này thì rất rộng, chính vì vậy tôi rất mongcác bạn đồng nghiệp góp ý cho tôi để đề tài này được hoàn thiện hơn

B CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Cách vẽ đồ thị vật lý

Các đại lượng Vật lí dù là được đo trực tiếp hay gián tiếp đều có sai số Do đó cách vẽmột đồ thị vật lí theo kết quả thực nghiệm khác với cách vẽ một đồ thị toán học Các bước vẽmột đồ thị thực nghiệm vật lí về cơ bản gồm các bước sau:

đại lượng độc lập còn trục tung bao giờ cũng biểu diễn đại lượng phụ thuộc

Phải chọn tỉ lệ xích thích hợp với đồ thị nhất và sao cho khi vẽ, đồ thị chiếm gần toàn bộkhổ giấy, tránh tình trạng các điểm thực nghiệm quá gần nhau, trong khi đó một miền rộng kháccủa mặt phẳng toạ độ lại trống và như vậy sẽ khó quan sát được quy luật của sự phụ thuộc.+ Ta đã biết sai số ngẫu nhiên có thể cho giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực, khoảng sai sốgấp đôi giá trị của sai số Vì vậy bước tiếp theo ta phải vẽ các dấu chữ thập hoặc hình chữ nhật

Việc vẽ các chữ thập hoặc ô này thường làm rối hình

cho nên có thể không cần vẽ, chỉ khi thực sự cần thiết biết về

sai số, ta mới vẽ chúng

+ Vẽ đường biểu diễn y =f(x) là một đường cong trơn tru

không gãy khúc sao cho nó đi qua hoặc gần với các điểm biểu

diễn sao cho các điểm phân bố đều hai bên đường cong

phải kiểm tra lại bằng thực nghiệm

Cần lưu ý là đoạn vẽ thêm phải được vẽ bằng nét đứt và sai số của đại lượng tìm được cócùng cỡ sai số của đại lượng cùng loại tìm bằng thực nghiệm.

2 Sai số của phép đo trực tiếp

a) Sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp

Có 3 loại sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp:

Thực ra sai số tuyệt đối của phép đo riêng biệt phản ánh độ chênh lệch của giá trị đo

được và giá trị thực a của đại lượng cần đo, tuy nhiên ta có thể thay thế a bởi a mà không làm

thay đổi ý nghĩa của nó Ta cần biết rằng a chỉ có giá trị trên lý thuyết chứ trong đo lường, giá trị

quan trọng là a , nó xuất hiện nhiều lần trong biểu thức sai số

a n

a

1

1

Các loại sai số chủ yếu:

+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số trong các lần đo do thị giác, điều kiện mỗi lần đo không ổn định.Kết quả đo lúc thì lớn hơn, lúc thì bé hơn giá trị thực

Cách khắc phục: Đo cẩn thận nhiều lần Xác định giá trị trung bình theo phương pháp thống kê.+ Sai số dụng cụ: Do các linh kiện và cấu tạo của các thiết bị đo

+ Sai số hệ thống: Làm cho kết quả đo luôn lớn hơn hoặc bé hơn giá trị thực

Nguyên nhân chủ yếu: Do thực nghiệm chưa cẩn thận hoặc do dụng cụ chưa hiệu chỉnh đúng.Đây là sai số có thể khắc phục được

b) Sai số tương đối của phép đo trực tiếp:

Để đánh giá mức độ chính xác của phép đo ta đưa vào sai số tương đối (còn gọi là sai số

3 Sai số của phép đo gián tiếp:

a) Sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp:

+ Sai số tuyệt đối của tổng bằng tổng các sai số tuyệt đối của từng số hạng

b  





b) Sai số tương đối của phép đo gián tiếp:

b a

b a X

b a X

a X

a X

g g

+ Thay dấu (-) bằng dấu (+) trong các biểu thức vi phân toàn phần

+ Thay dấu vi phân “d” thành dấu sai số “”

*Ví dụ: Đo một đại lượng gián tiếp x thông qua các đại lượng trực tiếp là a, b được liên hệ với

2

a a x

2 2

4.Các bước thiết lập phương án thí nghiệm

1 Cơ sở lý thuyết: Vận dụng các quy luật, các định luật vật lý từ đó xây dựng được biểu thức

của đại lượng cần đo thông qua các đại lượng khác

2 Phương án tiến hành thí nghiệm: Trình bày được cách lắp ráp, bố trí thí nghiệm dựa vào tất cả

các dụng cụ đã cho Vẽ hình minh họa sơ đồ thí nghiệm Trình bày cách đo các đại lượng cầnthiết

3 Xử lý số liệu: Đưa các đại lượng đã đo được vào các biểu thức đã xây dựng ở bước 1, nêu cách

vẽ đồ thị, cách hồi quy tuyến tính để tìm được đại lượng vật lý mà đề yêu cầu

4 Đánh giá sai số và chỉ ra cách làm giảm sai số (nếu cần): Dùng các công thức sai số, ước

lượng sai số nêu ra các cách khắc phục để giảm thiểu sai số trong quá trình đo

Trong các cách xử lý số hiệu thu được, về phương pháp người ta thường đưa ra các bàitoán về tuyến tính (hồi quy tuyến tính) để đơn giản và giảm sai số Điểm mấu chốt của phươngpháp này là người ta biến đổi các phương trình vật lý về dạng:

y = ax + b Trong đó x là biến số độc lập biểu diễn trên trục hoành y là biến số phụthuộc vào biến số độc lập biểu diễn trên trục tung a và b là các đại lượng chứa biến số mà thínghiệm cần xác định các đại lượng đó thường được tính thông qua hệ số góc của đường thẳng y

a

0

tan 

đường cong ta tuyến tính hóa như sau:

thị với trục tung chia theo Lny, trục hoành chia theo x sẽ trở

Để các phép tính chính xác hơn, người ta đưa ra phương pháp toán học xác định hệ số a và

b của đường thẳng trên y = ax + b:

i

i i i

i

x x

n

y x y

x n a

n

x a y

Cho một vật rắn gắn với trục quay mảnh AB đi qua

khối tâm của vật (Hình 1) Được dùng các dụng cụ thông

thường trong phòng thí nghiệm cơ học (như thước đo, giá

đỡ, dây treo, các thanh kim loại mảnh, nhẹ, đồng hồ, cân …),

hãy nêu phương pháp thực nghiệm xác định mômen quán

tính của vật rắn này đối với trục quay AB

Hướng dẫn giải:

Gắn vật với 2 thanh kim loại mảnh AD, BC có chiểu

dài h rồi cho hệ dao động tự do quanh trục DC nằm ngang

(ma sát không đáng kể) Đo chiều dài h, chu kì dao động nhỏ

T, cân khối lượng m của vật ta tính được mô men quán tính

Hình 1

A

BA

Do đó:

2 0

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 giải:

Nối cuộn sơ cấp với nguồn để dòng qua nó là

Gọi d là đường kính lõi hình xuyến Chu vi

hình xuyến là d Vậy từ thông qua tiết diện lõi

hình xuyến có

d

In

d

n1

+ Khi cuộn thứ nhất hở từ trường sẽ giảm đi, trong thời gian t từ thông giảm đi  ở cuộn thứhai sinh ra suất điện động cảm ứng:

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

Trong quá trình nghiên cứu chế tạo kính chống đọng nước cho ngành công nghiệp ôtô

Trong trường hợp nếu đặt cả hai tấm kính giống hệ

chùm tia đến màn vẫn giống như trường hợp khi chưa

đặt tấm kính Hệ vân giao thoa sẽ không bị dịch chuyển

Khi đặt tấm kính chưa phủ màng ngay sau một khe sáng, còn tấm kính có phủ màng sau khe còn

khoảng (n-1)d Lúc này hệ vân giao thoa sẽ dịch chuyển một khoảng

2 Cách tiến hành thí nghiệm, sai số mắc phải

+ Xác định các thông số khoảng cách hai khe sáng a và khoảng cách khe đến màn D

+ Bật nguồn sáng hệ giao thoa, xác định vị trí vân trung tâm và khoảng vân i

+ Tính toán bước sóng dùng trong thí nghiệm theo (1)

+ Đặt trước hai khe sáng hai tấm kính (tấm có phủ màng và chưa phủ màng)

+ Xác định vị trí vân trung tâm, so sánh với trường hợp chưa đặt tấm thuỷ tinh để xác định khoảng dịch vân x

+ Lặp lại thí nghiệm vài lần để tìm giá trị trung bình của khoảng dịch hệ vân

+ Xác định chiều dày lớp màng theo công thức (2)

* Sai số phép đo:

+ Sai số do cách đặt tấm kính sau khe sáng

+ Sai số dụng cụ, cách xác định khoảng vân và khoảng dịch chuyển

Xác định bán kính cong của hai mặt thấu kính hội tụ và chiết suất của vật liệu dùng làm

thấu kính Cho các dụng cụ và linh kiện:

- Một thước đo chiều dài chia tới milimet;

4/3),

Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm

a Trình bày phương án thí nghiệm xác định bán kính

cong của hai mặt thấu kính hội tụ và chiết suất của vật làm

thấu kính

b Xây dựng các công thức liên quan

c Nêu những nguyên nhân gây sai số và các biện pháp

1 1 n f

1

(1)

2 Đặt mặt thứ nhất của thấu kính lên trên một tấm kính phẳng và cho một giọt nước (n=1,333)

A

1 f

1 f

1 f

Đo độ ẩm tỷ đối của không khí

nghiệm chỉ dùng hai nhiệt kế ấy và một số vật liệu thông thường khác để có thể nhận biết được

sự thay đổi độ ẩm tỷ đối của không khí trong phòng Nhiệt độ không khí coi như không đổi

f R

2

R

1

bão hoà và 1g nước ở nhiệt độ T Hãy lập biểu thức tính độ ẩm tỷ đối của không khí theo cácthông số đo được bằng các dụng cụ nói trên (coi áp suất và thể tích của hơi nước bão hoà tuântheo phương trình trạng thái khí lí tưởng) Lập bảng cho phép suy ra độ ẩm tỷ đối của không khí(trong khoảng từ 80% đến 100%) theo các số đo mà các dụng cụ trên đo được Cho nhiệt độ

c Nêu nguyên nhân sai số của phép đo và hướng khắc phục

Hướng dẫn giải:

1 Dụng cụ cấu tạo bởi hai nhiệt kế I, II.

+ Nhiệt kế II: bầu nhiệt kế bọc một lớp bông (hoặc vải bông ) đẫm nước Nhiệt kế này chỉ nhiệt

không khí càng khô (độ ẩm tỷ đối càng nhỏ)

1 Độ ẩm tỷ đối của không khí tính bằng:

cường độ chùm sáng khúc xạ, thì hệ số phản xạ của ánh sáng trên mặt phân cách đó sẽ là:

P t

I R I



t

I T I



Hệ số phản xạ R và hệ số truyền qua T phụ thuộc bản chất của hai môi trường, bước sóngcủa ánh sáng tới và góc tới Ngay cả trong trường hợp tia tới vuông góc với bề mặt vật cũng cóthành phần tia phản xạ cùng phương với tia tới

Cho các dụng cụ và linh kiện:

- Một Điốt laser;

- Một thước đo độ;

- Một Lux kế để đo cường độ của ánh sáng;

- Vài tấm thủy tinh phẳng trong đó một tấm được bôi đen một mặt (các tấm này được dùng để đo

hệ số phản xạ);

- Một tấm thuỷ tinh dày (được dùng để đo chiết suất);

- Một kính phân cực;

- Giấy vẽ đồ thị và các giá đỡ thích hợp để xây dựng thành hệ đo

Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm

1 Nêu phương án, vẽ sơ đồ và giải thích cách đo chiết suất của tấm thuỷ tinh dày

Hướng dẫn giải:

1 Sơ đồ đo chiết suất của tấm điện môi.

Bố trí thước đo độ và tấm điện môi như hình vẽ

Giải thích các bước thực nghiệm:

Có 2 cách đo chiết suất của tấm điện môi

Đo góc tới khi tia tới thoả mãn điều kiện trên thì tính

được chiết suất

b Dùng định luật khúc xạ ánh sáng:

21

sin

n sin

2: máy đo độ rọi được dùng để đo cường độ ánh sáng

(trong hình vẽ, mặt bôi đen là mặt nhận ánh sáng)

3 2

3: tấm thuỷ tinh phẳng mỏng, 2 mặt song song

4: tấm thuỷ tinh phẳng cần đo hệ số phản xạ, trong trường hợp ánh sáng tới vuông góc với mặtthuỷ tinh Máy đo độ rọi được đặt lần lượt ở các vị trí a,b,c và d Đo độ rọi ở các vị trí đó thì suy

2

IIT

Yêu cầu đối với các thiết bị.

a Máy đo phải được đặt sao cho tia sáng vuông góc với mặt nhận sáng Ngoài ra phải có mànchắn có lỗ nhỏ đặt trước máy, sao cho tiết diện của chùm sáng vào máy ở các vị trí đều như nhau

b Tấm thuỷ tinh 3 phải phẳng và mỏng

c Muốn vậy, tốt nhất phải mài nhám và bôi đen mặt dưới

Ước lượng sai số tỉ đối của phép đo.

1 2

I I R

Trong một thí nghiệm để đo đồng thời nhiệt dung riêng C, hệ số nhiệt điện trở , điện trở

sau:

- 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);

- Các dây nối, đảo mạch

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

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 kế

a Xây dựng các công thức:

- Nhiệt lượng đã hấp thụ trong nhiệt lượng kế, nước (kể cả trên

I: cường độ dòng điện qua điện trở R,

b Trình tự thí nghiệm và các biểu bảng:

2

R

R R R (1 t )R

- Nhiệt dung C được tính trực tiếp từ (1) hoặc có thể thay (2) vào (1) để xác định nhiệt dung củađiện trở kim loại

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

- 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 chữ nhật

- 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 Cách khắc phục sai số

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

en d

với: I - cường độ dòng điện

B - độ lớn cảm ứng từ trong khe

d - chiều dày của thanh

V- Hiệu điện thế Hall

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

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

m.g = F

m.g= B.I.Lm.gB

V tương ứng.

b Sơ đồ thực nghiệm (hình vẽ)

Vẽ được sơ đồ bố trí thực nghiệm

* 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 và vuông góc với đườngsức 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 vị trí khác nhau của biến trở

c Xây dựng bảng biểu và tính toán.

* L p b ng s li u: ập bảng: ảng dữ liệu ố liệu: ệu

i 1

LL

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

n i

i 1

dd

i 1 o

nn

- 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 lớn sao cho tín hiệu đo được trên vôn kế là lớn

- Sai số do thước đo, cân, ampe kế

- Sai số do tính toán

Bài 9: (Đề HSGQG 2009)

Xác định độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn bằng phương pháp đo hệ số nhiệt điện trở

Điện trở của dây nhiệt điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức

0

g B

Eexp2k T

Khi o s ph thu c i n tr m u bán d n theo nhi t ụ thuộc điện trở mẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được ộc điện trở mẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được ệu ở mẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được ẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được ẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được ệu ộc điện trở mẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được , ng ười ta thu được i ta thu ược c

b ng s li u sau: ảng dữ liệu ố liệu: ệu

- 02 vôn kế có nhiều thang đo

- Nhiệt kế chỉ dùng để đo nhiệt độ phòng

Coi nhiệt độ của lò nung bằng nhiệt độ của sợi đốt

Yêu cầu:

y = 13671x - 3.4014

0 5 10 15 20 25 30

0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002 0.0022

1/T

a Trình bày cách đo, viết các công thức cần thiết và vẽ sơ đồ mắc mạch

b Nêu các bước thí nghiệm, các bảng biểu và đồ thị cần vẽ

- Cần đo được điện trở của mẫu bán dẫn ở các nhiệt độ mẫu khác nhau Dựng đường phụ thuộc

Xây dựng công thức

Xác định nhiệt độ lò: Dây sợi đốt lò khi có dòng đốt chạy qua sẽ thay đổi nhiệt độ và điện trở

t o

p p

RR