Chuyên đề THÍ NGHIỆM vật lí TRONG TRƯỜNG THPT

ĐẶT VẤN ĐỀVật lí là một khoa học thực nghiệm, học vật lí trong trường phổ thông là học tậpgắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện tượng vật lí trong thế giới tự nhiên đểgiúp HS

TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ HỒNG PHONG

HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Chuyên đề:

THÍ NGHIỆM VẬT LÍ TRONG TRƯỜNG THPT

Tác giả: Nguyễn Văn Huyên

Nam Định, tháng 8 năm 2014

MỤC LỤC

I ĐẶT VẤN ĐỀ 4

II NỘI DUNG 5

II.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 5

1 Phép đo và sai số 5

1.1 Phép đo 5

1.2 Sai số 5

1.2.2 Sai số của phép đo trực tiếp 5

1.2.3 Xác định sai số gián tiếp 7

2 Đồ thị thực nghiệm 10

2.2 Một số bài tập vận dụng 11

3 Phương pháp bình phương tối thiểu tìm hàm đa thức 15

3.1 Phương pháp 15

3.1.1 Tổng quát 15

1.3.2 Vận dụng với phương trình đường thẳng: y=ax+b 16

1.3.3 Tuyến tính hóa hàm số 16

1.3.4 Một số bài toán vận dụng 17

4 Thiết lập phương án thí nghiệm 22

4.1 Cơ sở lí thuyết 22

4.1.1 Mục đích 22

4.1.2 Các bước lập phương án thí nghiệm 22

4.2 Một số các đại lượng vật lí cơ bản trong chương trình Vật lí phổ thông 22

4.3 Bài tập vận dụng 23

II.2 BÀI TẬP VẬN DỤNG TỔNG HỢP 32

Bài 1 (HSGQG 2005) 32

Bài 2 (HSGQG 2004) 32

Bài 3 (HSGQG 2007) 33

Bài 4 (HSGQG 2005) 33

Bài 6 (HSGQG 2007) 34

Bài 7 (HSGQG 2004) 35

Bài 8 (HSGQG 2008) 35

Bài 9 (HSGQG 2004) 36

Bài 10 (HSGQG 2007) 36

Bài 11 (HSGQG 2007) 37

Bµi 12 (HSGQG 2008) 37

Bµi 13 (HSGQG 2008) 38

III KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Vật lí là một khoa học thực nghiệm, học vật lí trong trường phổ thông là học tậpgắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện tượng vật lí trong thế giới tự nhiên đểgiúp HS hiểu biết các quy luật của nó và cùng chung sống với thực tiễn đời sống xãhội

Thí nghiệm thực hành Vật lí trong trường Trung học phổ thông là một trongnhững mục đích quan trọng giúp học sinh hình thành nên những nét nhân cách conngười thông qua những kĩ năng khoa học và các thao tác tư duy logic vật lí, đồng thờiqua đó giúp HS hiểu sâu sắc hơn các khái niệm, hiện tượng vật lí, giải thích được cáchiện tượng vật lí đơn giản đang xảy ra trong thế giới tự nhiên và xung quang chúng ta.Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT giúp học sinh củng cố và khắc sâu nhữngkiến thức, kĩ năng thu được từ thực tiễn và các bài giảng lí thuyết, gắn lí thuyết vớithực hành, học đi đôi với hành, giúp học sinh tin tưởng vào các chân lí khoa học Hơnnữa, giúp học sinh rèn luyện các kĩ năng vận dụng sáng tạo, tự tin và đạt kết quả caokhi làm các bài thi HSG quốc gia và Olympic Vật lí

Vì vậy, coi trọng thí nghiệm Vật lí trong trường THPT, đặc biệt là trong cáctrường THPT Chuyên là định hướng lâu dài và vững chắc cho mục tiêu đào tạo nhâncách HS để hình thành các năng lực cho HS trong những năm tới và mai sau Đâycũng là một tất yếu của nghiên cứu Vật lí

II NỘI DUNG

II.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Phép đo và sai số

1.1 Phép đo

- Phép đo trực tiếp: Đo một đại lượng vật lí có nghĩa là so sánh nó với một

đại lượng cùng loại mà ta chọn làm đơn vị.

- Phép đo gián tiếp: giá trị của đại lượng cần đo được tính từ giá trị của các phép đo trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học

b Sai số ngẫu nhiên:

Sai số ngẫu nhiên sinh ra do nhiều nguyên nhân, ví dụ do hạn chế của giác quan ngườilàm thí nghiệm, do sự thay đổi ngẫu nhiên không lường trước được của các yếu tố gâyảnh hưởng đến kết quả đo Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo lệch về cả hai phía sovới giá trị thực của đại lượng cần đo Sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ được Trongphép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên

1.2.2 Sai số của phép đo trực tiếp

a Giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên của phép đo

Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần Kết quả đo lần lượt là A1,A2, A n

Đại lượng

n

A n

A A

A A

lượng A trong n lần đo Số lần đo càng lớn, giá trị trung bìnhA càng gần với giá trị thực A

Các đại lượng:

A

A A A

A A A

2 2

1 1

được gọi là sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo riêng lẻ Để đánh giá sai số của phép đođại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình

( 1)

1 2

A n

i

i

và kết quả đo đại lượng A được viết: A= A±σ (3)

Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với một xác suất nhất định sẽ nằm trongkhoảng từ A− σ đến A+ σ, nghĩa là:

A - σ ≤ A≤ A+σKhoảng [(A -σ ),(A+σ )] gọi là khoảng tin cậy Sai số toàn phương trung bình σchỉ được dùng với các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao và số lần đo n lớn Nếu đo đạilượng A từ 5 đến 10 lần, thì ta dùng sai số tuyệt đối trung bình số học ∆A (sai số ngẫu

n

A n

i i

∑

=

∆

1 (4)

Kết quả đo lúc này được viết dưới dạng: A = A ± ∆A (5)

Ngoài sai số tuyệt đối, người ta còn sử dụng sai số tỉ đối được định nghĩa như sau:

Như vậy, cách viết kết quả phép đo trực tiếp như sau:

- Tính giá trị trung bình A theo công thức (1)

- Tính các sai số ∆A theo công thức (4) hoặc (6)

- Kết quả đo được viết như (5) hoặc (7)

b Sai số dụng cụ

Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định Nếu dùng dụng cụ này để đo một đạilượng vật lí nào đó thì đương nhiên sai số nhận được không thể vượt quá độ chính xáccủa dụng cụ đó Nói cách khác, sai số của phép đo không thể nhỏ hơn sai số dụng cụ.Tuy nhiên cũng vì một lí do nào đó, phép đo chỉ được tiến hành một lần hoặc độnhạy của dụng cụ đo không cao, kết quả của các lần đo riêng lẻ trùng nhau Trongtrường hợp đó, ta phải dựa vào độ nhạy của dụng cụ để xác định sai số Sai số ∆A

thường được lấy bằng nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất của dụng cụ

Khi đo các đại lượng điện bằng các dụng cụ chỉ thị kim, sai số được xác định theocấp chính xác của dụng cụ

Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2 Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện thếthì sai số mắc phải là ∆U =2 0.200=4V

Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là: U = 150 ± 4V

Khi đo các đại lượng điện bằng các đồng hồ đo hiện số, cần phải lựa chọn thang

đo thích hợp

- Nếu các con số hiển thị trên mặt đồng hồ là ổn định (con số cuối cùng bênphải không bị thay đổi) thì sai số của phép đo có thể lấy giá trị bằng tích của cấp chínhxác và con số hiển thị

Ví dụ: đồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đohiện số), giá trị điện áp hiển thị trên mặt đồng hồ là: U = 218 V

0

ΔU = 1 218 = 2,18 V

Làm tròn số ta có U = 218,0 ± 2,2 V

- Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn định (nhảy số), thì sai số của phép

đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong khi đo

Ví dụ: khi đọc giá trị hiển thị của điện áp bằng đồng hồ nêu trên, con số cuối cùngkhông ổn định (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đơn vị không

ổn định) Trong trường hợp này lấy giá trị trung bình U = 217 V Sai số phép đo cầnphải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo ΔU 2n= V Do vậy:

1.2.3 Xác định sai số gián tiếp

a Giá trị trung bình trong phép đo gián tiếp

Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số

) ,

b Sai số gián tiếp: Sai số ∆A được tính bằng phương pháp vi phân theo một tronghai cách sau:

Cách 1

Sử dụng thuận tiện khi hàm f(x,y,z) là một tổng hay một hiệu (không thể lấylogarit dễ dàng) Cách này gồm các bước sau:

+1 Tính vi phân toàn phần của hàmA= f(x,y,x), sau đó gộp các số hạng có chứa

vi phân của cùng một biến số

+2 Lấy giá trị tuyệt đối của các biểu thức đứng trước dấu vi phân d và thay dấu viphân d bằng dấu ∆ Ta thu được ∆A

+3 Tính sai số tỉ đối (nếu cần)

Cách 2

Sử dụng thuận tiện khi hàm f(x,y,z) là dạng tích, thương, lũy thừa Cách nàycho phép tính sai số tỉ đối, gồm các bước:

+1 Lấy logarit cơ số e của hàm A= f(x,y,z)

+2 Tính vi phân toàn phần hàm lnA = ln f(x,y,z), sau đó gộp các số hạng có chưa

vi phân của cùng một biến số

+3 Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu dthành ∆ ta có δ=

- Sai số tuyệt đối ∆A và sai số trung bình đều được làm tròn theo quy tắc trên

- Khi viết kết quả, giá trị trung bình được làm tròn đến chữ số cùng hàng với chữ

số có nghĩa của sai số tuyệt đối

Chú ý rằng khi viết kết quả cuối cùng, sai số toàn phần sẽ bằng tổng sai số ngẫunhiên và sai số hệ thống: ∆TP =∆NN +∆HT

Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn sai số hệ thống thì ta bỏ qua sai số ngẫu nhiên đó(vì không thể đo được kết quả chính xác hơn cả cấp chính xác của dụng cụ đo) Trongtrường hợp phép đo chỉ thực hiện một lần thì sai số toàn phần được lấy chính là sai số

Để xác định thời gian phản ứng của mình, An và Nam đã tiến hành một thí nghiệm như sau: An thả một vật, Nam sẽ thực hiện động tác bắt vật ngay sau khi nhìn thấy vật được thả rơi và đo quãng đường mà vật rơi được Kết quả ghi lại trong bảng sau:

= trong đó: S = 2,8 0,1; ± g = 9,8 ± 0,1 m/s2.

Góc chiết quang A = 450 ± 10

Xác định chiết suất của lăng kính

Hướng dẫn

- Khi góc lệch giữa tia tới và tia ló có giá trị cực tiểu thì

min

sin

2 sin 2

n

A

+

=

Từ bảng số liệu: Dmin = 250 ± 10

 n = 1,499

- Tính sai số ∆n

min

2 2

A

n

n

+

Vậy chiết suất lăng kính là: n = 1,50 ± 0,03

2 Đồ thị thực nghiệm

2.1 Vẽ đồ thị thực nghiệm

Trong nhiều trường hợp kết quả thí nghiệm được biểu diễn bằng đồ thị là rất thuận lợi, vì đồ thị có thể cho thấy sự phụ thuộc của một đại lượng y vào đại lượng x nào đó Phương pháp đồ thị thuận tiện để lấy trung bình các kết quả đo

Giả sử bằng các phép đo trực tiếp, ta xác định được các cặp giá trị của x và y như sau:







∆

±

∆

±

1

1

1

1

y

y

x

x







∆

±

∆

±







∆

±

∆

±

n n

n n y y

x x y

y

x x

2 2

2 2

Muốn biểu diễn hàm y = f (x) bằng đồ thị, ta làm như sau:

+1 Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc Trên trục hoành đặt các giá trị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thị choán

đủ trang giấy

+2 Dựng các dấu chữ thập hoặc các hình chữ nhật có tâm là các điểm A1(x1,y1),

),()

,

( 2 2

2 x y A n x n y n

A và có các cạnh tương ứng là (2∆x1,2∆y1), (2∆x n,2∆y n) Dựngđường bao sai số chứa các hình chữ nhật hoặc các dấu chữ thập

+3 Đường biểu diễn y = f (x) là một đường

cong trơn trong đường bao sai số được vẽ sao cho

nó đi qua hầu hết các hình chữ nhật và các điểm

+4 Nếu có điểm nào tách xa khỏi đường cong

thì phải kiểm tra lại giá trị đó bằng thực nghiệm

Nếu vẫn nhận được giá trị cũ thì phải đo thêm các

điểm lân cận để phát hiện ra điểm kì dị

+5 Dự đoán phương trình đường cong:

Việc thiết lập phương trình đường cong được thực hiện bằng cách xác định các hệ

số a, b, …n Các hệ số này sẽ được tính khi làm khớp các phương trình này với đườngcong thực nghiệm

Các phương trình này có thể chuyển thành phương trình đường thẳng bằng cáchđổi biến thích hợp (tuyến tính hóa)

Chú ý: Ngoài hệ trục có tỉ lệ xích chia đều, người ta còn dùng hệ trục có một trục chia

đều, một trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn các hàm mũ, hàmlogarit (VD hàm y = lnx; y = a x…)

2.2 Một số bài tập vận dụng

Bài 1 Một vật khối lượng 1 kg rơi từ độ cao 25m so với mặt đất, tốc độ của vật phụ

thuộc độ cao như bảng dưới

+ + +

Hình 1 Dựng đồ thị

0 22.1

a Sử dụng bảng số liệu, hãy vẽ đồ thị tốc độ phụ thuộc độ cao trên giấy kẻ ô vuông

b Từ đồ thị, xác định tốc độ của vật ở độ cao 12.5 mét so với mặt đất

Hướng dẫn

Bài 2.

Khi người lái xe muốn dừng xe bằng cách hãm phanh gấp thì khoảng dừng có thể coi là tổng của khoảng phản ứng và khoảng hãm, trong đó khoảng phản ứng bằng tốc độ ban đầu nhân với thời gian phản ứng, khoảng hãm bằng đoạn đường

mà xe đi được trong thời gian hãm Cho bảng số liệu sau:

Tốc độ ban đầu (m/s) Khoảng hãm (m) Khoảng dừng (m)

a Thời gian phản ứng của người lái xe là bao nhiêu?

b Nếu tốc độ là 25 m/s thì khoảng dừng là bao nhiêu

Hướng dẫn

Tốc độ ban đầu

(m/s)

Khoảng hãm (m)

Khoảng dừng (m)

Hệ số đàn hồi của lò xo là 29 ± …

Bài 4 Một kim loại được chiếu hóa tục bởi các phô tôn ánh sáng có tần số khác nhau.

Động năng cực đại của các quang electron phát ra biểu diễn ở bảng số liệu

Bài 5 Cho con lắc đơn gồm vật khối lượng m, treo vào sợi dây nhẹ dài ℓ Ứng với

chiều dài của dây khác nhau, khoảng thời gian 10 chu kì dao động lên tiếp biểu diễntrên bảng số liệu

2.5 32a) Vẽ đồ thị thời gian 10 chu kì dao động hóa tiếp phụ thuộc chiều dài

b) Xác định chu kì con lắc đơn có chiều dài 1m

Hướng dẫn

Chu kì con lắc đơn có chiều dài 1 m là 20s

3 Phương pháp bình phương tối thiểu tìm hàm đa thức

3.1 Phương pháp

3.1.1 Tổng quát

Xét đa thức y = f(x)=a0 + a1x + a2x2 + … +amxm, cần xác định a0, a1, a2 … am đểf(xi) gần đúng nhất với các giá trị thực yi

Ta có sai số tuyệt đối tại điểm xi là: ∆i = y i − f x( )i

Tổng bình phương sai số tại các điểm:

S a

1.3.2 Vận dụng với phương trình đường thẳng: y=ax+b

Sai số tại điểm xi: εi = −y i (axi +b)εi = −y i (axi +b)

n

i n

i

a S

Sai số tuyệt đối a, b

xx x xx

số của đại lượng đo gián tiếp ở trên

Các dạng hàm cơ bản có thể tuyến tính hóa:

Trong một khoảng ∆ τ = 3 phút nào đó, ví dụ khoảng thứ nhất

c1.(t 1 - t2)= p.∆ τ - α(t1 -t0) ∆τ

với c1 là nhiệt dung của bình và nước chứa trong nó khi chưa có mẫu kim loại

t1 là nhiệt độ của bình sau mỗi khoảng 3 phút = 180s

t2 là nhiệt độ của bình trong khoảng 3 phút trước trước

c = 1260 - 1440α; ta có c = 1980 α=729,5j/k

Nếu giải hệ (1) và (8): 1,2 c1 = 1260 - 1044α

0,8 c1 = 1260 - 2286α; ta có c1 = 3105α= 820,2j/k

Có sai lệch là do số liệu phân tán Ta lấy trung bình 770j/k

tương tự, tính c2 ≈ 890 j/k ( c2 = c1 +cx; cx là nhiệt dung miếng kim loại.)

Nhận xét chu kì nhỏ hơn một giờ

∆ni =ni (1- e - λ t ) với t = 1phút = 60s; ni là số hạt ban đầu trong mỗi khoảng 1 h

Tiếp sau đó 1 h thì ∆ni+1 =ni+1 (1- e - λ t )

∆ni/ ∆ni+1=ni/ ni+1 = eλt' với t'= 1h = 3600s

Sự phụ thuộc của nhiệt độ cân

Công suất đốt

(w)

Nhiệt độcân bằng (oc)

Thời gian(s)

Nhiệt độ(oc)

Thời gian(s)

Nhiệt độ(oc)

c( 22,32 -21,83) = k{22,32 -21,83/2 -20 }50=⇒ 0,49c=20,75= 42,35Trung bình ta lấy 42j/k

Nên làm theo cách 2 có độ chính xác cao hơn.

Bài 5

Khi bật máy tăng âm nhưng chưa nói vào micrô, người ta nghe thấy tiếng lạo sạo

ở loa Tiếng lạo sạo đó gọi là tiếng ồn, gây ra do biến động ngẫu nhiên của điện áp ởlối ra của máy.Có 2 loại tiếng ồn chính ở máy tăng âm

1 Ồn nhiệt, có điện áp ut không phụ thuộc tần số, gây ra do chuyển động nhiệtcủa điện tử

2 Ồn nhấp nháy, có điện áp uf tỷ lệ với 1/ f (f là tần số) , gây ra do tiếp xúckhông tốt trong linh kiện người ta dùng một vôn kế xoay chiều để đo điện áp ồn ở lối

ra của máy phụ thuộc theo tần số, số chỉ thị của vôn kế là

u = UT2 +Uf2 các giá trị đo được cho bởi bảng sau đây

vậy : u2 = 285,5.(1/f) +1,18

Cho 285,5.(1/f) =1,18 ⇒ f0= 242hz

Có thể giải bằng phép vẽ đồ thị u2 theo 1/f.

4 Thiết lập phương án thí nghiệm

4.1 Cơ sở lí thuyết

4.1.1 Mục đích

- Đo một đại lượng vật lí

- Nghiên cứu 1 hiện tượng vật lí

- Chứng minh một định luật vật lí

4.1.2 Các bước lập phương án thí nghiệm

- Xác định được mục đích thí nghiệm, đó là đại lượng vật lí, hiện tượng vật lí, địnhluật vật lí cần nghiên cứu

- Nêu cơ sở lí thuyết

- Từ cơ sở lí thuyết đưa ra các phương án thí nghiệm, các dụng cụ, thiết bị cầnthiết cho mỗi phương án

- Từ các thiết bị, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm, đo các đại lượng

- Nếu có các số liệu, tiến hành xử lí số liệu để chứng minh một định luật, một hiệntượng hoặc đo một đại lượng

4.2 Một số các đại lượng vật lí cơ bản trong chương trình Vật lí phổ thông

4.2.2 Cơ học

- Xác định khối lượng, khối lượng riêng

- Xác định thời gian, quãng đường đi, vận tốc, gia tốc, gia tốc trọng trường

- Xác định hệ số đàn hồi, hệ số ma sát

- Xác định lực, mô men lực

- Xác định mô men quán tính

- Xác định chu kì dao động, vận tốc truyền sóng cơ, tần số sóng