skkn bồi dưỡng HSG vật lí phần thí nghiệm thực hành chương điện học

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong cấu trúc đề thi HSG nay, đề thi cấp tỉnh hay cấp quốc gia có phần tập phương án thí nghiệm Bài tập phương án thí nghiệm chưa kiểm tra hết lực thực nghiệm học sinh bối cảnh nhà trường, tỉnh chưa đủ điều kiện sở vật chất để làm thực nghiệm số tập phương án thí nghiệm kiểm tra phần kĩ học sinh cần có đối mặt với vấn đề có liên quan đến thí nghiệm Khi học sinh làm tốt tập phương án thí nghiệm em làm tốt thí nghiệm thật Vì phạm vi đề tài này, chọn chủ đề “Bồi dưỡng HSG Vật lí phần thí nghiệm thực hành chương - điện học” để nghiên cứu Trong chuyên đề có sai sót, mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy cô, đồng nghiệp em học sinh để sửa chữa, rút kinh nghiệm nhằm phục vụ tốt cho trình dạy – học PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: SAI SỐ TRONG THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH I Định nghĩa phép tính sai số Các khái niệm a Phép đo trực tiếp: Đo đại lượng vật lí có nghĩa so sánh với đại lượng loại mà ta chọn làm đơn vị b Phép đo gián tiếp: Trường hợp giá trị đại lượng cần đo tính từ giá trị phép đo trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học, phép đo phép đo gián tiếp Phân loại sai số Khi đo đại lượng vật lí, dù đo trực tiếp hay gián tiếp, ta mắc phải sai số Người ta chia thành hai loại sai số sau: a Sai số hệ thống: Sai số hệ thống xuất sai sót dụng cụ đo phương pháp lí thuyết chưa hoàn chỉnh, chưa tính đến yếu tố ảnh hưởng đến kết đo Sai số hệ thống thường làm cho kết đo lệch phía so với giá trị thực đại lượng cần đo Sai số hệ thống loại trừ cách kiểm tra, điều chỉnh lại dụng cụ đo, hoàn chỉnh phương pháp lí thuyết đo, đưa vào số hiệu chỉnh b Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên sinh nhiều nguyên nhân, ví dụ hạn chế giác quan người làm thí nghiệm, thay đổi ngẫu nhiên không lường trước yếu tố gây ảnh hưởng đến kết đo Sai số ngẫu nhiên làm cho kết đo lệch hai phía so với giá trị thực đại lượng cần đo Sai số ngẫu nhiên loại trừ Trong phép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên II Phương pháp xác định sai số phép đo trực tiếp Phương pháp chung xác định giá trị trung bình sai số ngẫu nhiên Giả sử đại lượng cần đo A đo n lần Kết đo A1 , A2 , An n A  A   An Đại lượng A   n A i i 1 n (1), gọi giá trị trung bình đại lượng A n lần đo Số lần đo lớn, giá trị trung bình A gần với giá trị thực A Các đại lượng: A1  A  A1 A2  A  A2 An  A  A n gọi sai số tuyệt đối lần đo riêng lẻ Để đánh giá sai số phép đo đại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình Theo lí n thuyết xác suất, sai số toàn phương trung bình là:   kết đo đại lượng A viết: A  A     A  i 1 i n  n  1 (2) (3) Như vậy, giá trị thực đại lượng A với xác suất định nằm khoảng từ A   đến A   , nghĩa là: A -   A  A Khoảng [( A -  ),( A   )] gọi khoảng tin cậy Sai số toàn phương trung bình  dùng với phép đo đòi hỏi độ xác cao số lần đo n lớn Nếu đo đại lượng A từ đến 10 lần, ta dùng sai số tuyệt đối trung bình số học A (sai số ngẫu nhiên) định nghĩa sau: n A =   A  i i 1 n (4) Kết đo lúc viết dạng: A = A  A (5) Ngoài sai số tuyệt đối, người ta sử dụng sai số tỉ đối định nghĩa sau: = A 100 0 (6) A Kết đo viết sau: A  A   0 (7) Như vậy, cách viết kết phép đo trực tiếp sau: - Tính giá trị trung bình A theo công thức (1) - Tính sai số A theo công thức (4) (6) - Kết đo viết (5) (7) Ví dụ: Đo đường kính viên bi lần, ta có kết sau: d1  8,75mm d1  0,00mm d2  8,76mm d2  0,01mm d3  8,74mm d3  0,01mm d4  8,77mm d4  0,02mm Giá trị trung bình đường kính viên bi là: d = 8,75  8,76  8,74  8,77  8,75mm Sai số tuyệt đối trung bình tính d = Kết quả: 0,00  0,01  0,01 0,02  0,01mm d  8,75  0,01mm Cách xác định sai số dụng cụ Mỗi dụng cụ có độ xác định Nếu dùng dụng cụ để đo đại lượng vật lí đương nhiên sai số nhận vượt độ xác dụng cụ Nói cách khác, sai số phép đo nhỏ sai số dụng cụ Tuy nhiên lí đó, phép đo tiến hành lần độ nhạy dụng cụ đo không cao, kết lần đo riêng lẻ trùng Trong trường hợp đó, ta phải dựa vào độ nhạy dụng cụ để xác định sai số Sai số A thường lấy nửa giá trị độ chia nhỏ dụng cụ Khi đo đại lượng điện dụng cụ thị kim, sai số xác định theo cấp xác dụng cụ Ví dụ: Vôn kế có cấp xác Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện sai số mắc phải U  0 200  4V Nếu kim thị vị trí 150 V kết đo là: U  150  4V Khi đo đại lượng điện đồng hồ đo số, cần phải lựa chọn thang đo thích hợp - Nếu số hiển thị mặt đồng hồ ổn định (con số cuối bên phải không bị thay đổi) sai số phép đo lấy giá trị tích cấp xác số hiển thị Ví dụ: đồng hồ số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đo số), giá trị điện áp hiển thị mặt đồng hồ là: U = 218 V lấy sai số dụng cụ là: ΔU = 0 218 = 2,18 V Làm tròn số ta có U = 218,0 ± 2,2 V - Nếu số cuối không hiển thị ổn định (nhảy số), sai số phép đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên đo Ví dụ: đọc giá trị hiển thị điện áp đồng hồ nêu trên, số cuối không ổn định (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đơn vị không ổn định) Trong trường hợp lấy giá trị trung bình U = 217 V Sai số phép đo cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trình đo ΔUn = V Do vậy: U = 217,0 ± 2,2 ± = 217,0 ± 4,2 V Chú ý: - Nhiều loại đồng hồ số có độ cao, sai số phép đo cần ý tới thành phần sai số ngẫu nhiên - Trường hợp tổng quát, sai số phép đo gồm hai thành phần: sai số ngẫu nhiên với cách tính sai số hệ thống (do dụng cụ đo) III Phương pháp xác định sai số gián tiếp Phương pháp chung Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào đại lượng x, y, z theo hàm số A  f ( x, y, z ) Trong x, y, z đại lượng đo trực tiếp có giá trị x = x  x y = y  y z = z  z Giá trị trung bình A xác định cách thay giá trị x, y, z vào hàm trên, nghĩa A = f ( x , y , z ) Cách xác định cụ thể Sai số A tính phương pháp vi phân theo hai cách sau: Cách Cách sử dụng thuận tiện hàm f ( x, y, z ) tổng hay hiệu (không thể lấy logarit dễ dàng) Cách gồm bước sau: a Tính vi phân toàn phần hàm A  f ( x, y, x) , sau gộp số hạng có chứa vi phân biến số b Lấy giá trị tuyệt đối biểu thức đứng trước dấu vi phân d thay dấu vi phân d dấu  Ta thu A c Tính sai số tỉ đối (nếu cần) Ví dụ: Một vật ném xiên góc  có độ cao h  v0 sin  t  gt Trong đó: v0  39,2  0,2m / s   30  10 t  2,0  0,2s g  9,8m / s Ta có: h  39, 2.sin 300.2  9,8 22  19,6m dh  v0 sin  dt  v0 cos d  sin  t.dv0  g.t.dt   v0 sin   gt  dt  v0 t cos  d  sin  t.dv0 h = v0 sin - gt t  v0 t.cos   sin  t v0 2  sin 300 0,  1,38m 360 = 39, 2.sin 300  9.8.2 0,  39, 2.2.cos300 Sử dụng quy ước viết kết IV ta có: h  19,6  1,4m Cách Sử dụng thuận tiện hàm f ( x, y, z ) dạng tích, thương, lũy thừa Cách cho phép tính sai số tỉ đối, gồm bước: a Lấy logarit số e hàm A  f ( x, y, z) b Tính vi phân toàn phần hàm ln A = ln f ( x, y, z ) , sau gộp số hạng có chưa vi phân biến số c Lấy giá trị tuyệt đối biểu thức đứng trước dấu vi phân d chuyển dấu d thành  ta có  = A A d Tính A = A  4 2l Ví dụ: Gia tốc trọng trường xác định biểu thức: g = T đây: l  500  1mm T  1,45  0,05s g = 9,78  0, 20m / s Khi đó: ln g = ln (  l ) – ln( T ) dT d (4 ) 4 dl d (4 2l ) d (T ) dg dg  = =  4 2l 4 2l 4 2l T2 T g g  l T g  l 2T  2 =  g = g    l T T  g  l IV Cách viết kết Các chữ số có nghĩa Tất chữ số từ trái sang phải, kể từ số khác không chữ số có nghĩa Ví dụ: 0,014030 có chữ số có nghĩa Quy tắc làm tròn số - Nếu chữ số hàng bỏ có giá trị  chữ số bên trái giữ nguyên Ví dụ: 0,0731  0,07 - Nếu chữ số hàng bỏ có giá trị  chữ số bên trái tăng thêm đơn vị Ví dụ: 2,83745  2,84 Cách viết kết - Sai số tuyệt đối A sai số trung bình làm tròn theo quy tắc - Khi viết kết quả, giá trị trung bình làm tròn đến chữ số hàng với chữ số có nghĩa sai số tuyệt đối Ví dụ: Không thể viết m  2,83745  0,0731g mà phải viết m  2,84  0,07 g  0,07  ta tính     100%  2, 464  2, 464%  2,84  Ta viết m  (2,84  2,5.2,84%) g Nếu sai số lấy đến chữ số có nghĩa m  (2,84  0,07) g Chú ý viết kết cuối cùng, sai số toàn phần tổng sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống: TP   NN   HT Ví dụ: Khi dùng thước kẹp để đo đường kính sợi dây nhỏ, giả sử ta đo lần, sai số ngẫu nhiên tính d  0,05mm Thước kẹp có độ xác   0,02mm sai số toàn phần TP  0,05  0,02  0,07mm Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ sai số hệ thống ta bỏ qua sai số ngẫu nhiên (vì đo kết xác cấp xác dụng cụ đo) Trong trường hợp phép đo thực lần sai số toàn phần lấy sai số hệ thống (do dụng cụ đo) V Xử lí số liệu biểu diễn kết đồ thị Trong nhiều trường hợp kết thí nghiệm biểu diễn đồ thị thuận lợi, đồ thị cho thấy phụ thuộc đại lượng y vào đại lượng x Phương pháp đồ thị thuận tiện để lấy trung bình kết đo Giả sử phép đo trực tiếp, ta xác định cặp giá trị x y sau:  x1  x1  x2  x2  xn  xn     y1  y1  y2  y2  yn  yn Muốn biểu diễn hàm y  f ( x) đồ thị, ta làm sau: a Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc Trên trục hoành đặt giá trị x, trục tung đặt giá trị y tương ứng Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thị choán đủ trang giấy b Dựng dấu chữ thập hình chữ nhật có tâm điểm A1 ( x1 , y1 ) , A2 ( x2 , y2 ) An (xn , yn ) có cạnh tương ứng  2x1,2y1  ,  2xn ,2yn  Dựng đường bao sai số chứa hình chữ nhật dấu chữ thập c Đường biểu diễn y  f ( x) đường y cong trơn đường bao sai số vẽ cho qua hầu hết hình chữ + y ++ + nhật điểm A1 , A2 An nằm + + phân bố hai phía đường cong (hình 1) d Nếu có điểm tách xa khỏi đường x x Hình Dựng đồ thị cong phải kiểm tra lại giá trị thực nghiệm Nếu nhận giá trị cũ phải đo thêm điểm lân cận để phát điểm kì dị e Dự đoán phương trình đường cong tuân theo phương trình đó: - Phương trình đường thẳng y = ax + b - Phương trình đường bậc - Phương trình đa thức - Dạng y = eax, y = abx - Dạng y = a/xn - Dạng y = lnx Việc thiết lập phương trình đường cong thực cách xác định hệ số a, b, …n Các hệ số tính làm khớp phương trình với đường cong thực nghiệm Các phương trình chuyển thành phương trình đường thẳng cách đổi biến thích hợp (tuyến tính hóa) Chú ý: Ngoài hệ trục có tỉ lệ xích chia đều, người ta dùng hệ trục có trục chia đều, trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn hàm mũ, hàm logarit (y = lnx; y  a x …) 10 Chú ý: Chỉ cần đặt hiệu điện U ≥ 9V, đèn sáng nhiệt độ dây T(K) >> T0, với T0 nhiệt độ phòng tóc Trình bày sở lý thuyết, sơ đồ thí nghiệm, tiến trình thí nghiệm xác định tỷ số K  Pbx đèn dây tóc hoạt động chế độ danh định Lập bảng Pn biểu cần thiết, vẽ dạng đồ thị (nếu có) Bài giải Cơ sở lý thuyết - Điện trở đèn theo nhiệt độ: R  R0 1   T  T0  Do:    T0  , nên ta có: R  R0T 273 (1) - Khi đèn hoạt động chế độ danh định: 4   Pbx   S T  T0  , mà T >> T0 nên ta có:    Pn  A T  T0   Pbx   ST   Pn  AT Công suất tiêu thụ bóng đèn: P  UI  Pbx  Pn   ST  AT (2) - Thay (1) vào (2) ta được:  R  R UI   S     A  R0   R0  Lại có: R  U ta được: I S U  A U UI  4       R0  I   R p I A S U  I   4    Rp  R0  I  (3) U  Đặt: x    ; y  I ta được: y  ax+b I  27 Trong đó: b  A S ;a  4  Rp  R0 (4) P S S  R  S - Tỷ số: K  bx  T     Pn A A   R0  A R 3p U    I  (5) a U   phụ thuộc vào U b I  Thay (4) vào (5) ta được: K    Thí nghiệm: E, r a) Bố trí thí nghiệm: Mắc sơ đồ mạch điện Hình 2.6 Đ b) Tiến hành thí nghiệm: - Thay đổi giá trị biến trở Với giá trị Rb V biến trở, đọc số U vôn kế, I ampe kế Hình 2.6 ghi vào bảng số liệu c) Xử lý số liệu: - Bảng số liệu 2.4: U (V) I (A) U  x  I  y  I2 y = I2 - Đồ thị: Hình 2.7 + Độ dốc: a = tanα; + Ngoại suy: b b - Tại chế độ danh định: x = (U/I)3 Hình 2.7  P  50W P I   U U  12V a U  Kết đo: K     b I  α 28 A Ví dụ 5: Xác định độ rộng vùng cấm chất bán dẫn phương pháp đo hệ số nhiệt điện trở Điện trở dây nhiệt điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức: R  R0 1   t   t  , với hệ số α, β biết trước, t nhiệt độ (oC); R0 điện trở dây nhiệt độ 0oC Điện trở mẫu bán dẫn phụ thuộc vào  Eg  -23  , với kB = 1,38.10 J/K; T k T  B  nhiệt độ theo công thức Rm  R0 m exp  nhiệt độ mẫu; ∆Eg độ rộng vùng cấm; R0m hệ số phụ thuộc vào mẫu bán dẫn Cho dụng cụ: - Lò nung mẫu quấn dây nhiệt điện trở kim loại; - Mẫu bán dẫn chế tạo dạng điện trở; - 02 ampe kế có nhiều thang đo; - 02 vôn kế có nhiều thang đo ; - Nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ phòng; - 02 biến trở; - Nguồn điện 220V; - Nguồn chiều 50V Coi nhiệt độ lò nung nhiệt độ sợi đốt Trình bày sở lý thuyết, sơ đồ thí nghiệm, tiến trình thí nghiệm để xác định độ rộng vùng cấm mẫu bán dẫn Lập bảng biểu, vẽ dạng đồ thị (nếu có) (Trích đề thi chọn HSGQG năm 2009) Bài giải Cơ sở lý thuyết: * Xác định điện trở R0 dây đốt lò nung: Rp  U  R0 1   t p   t p2  I 29  R0  Rp (1)   t p   t p2 * Xác định nhiệt độ lò nung: - Ta có: R  U  R0 1   t   t  I   t  t   Lò nung R 0 R0 A V  R     4 1    R0  t  2 E, r Rb Hình 2.8 - Nhiệt độ lò:  R     4 1    R0  T  273  2 (2) đó: R  Lò nung U I V  E g    2k BT  Vm - Ta có: Rm  R0 mexp  Eg U  ln Rm  ln R0 m   , với Rm  m Im 2k B T - Đặt: y  ln Rm  ln Am R 50V Hình 2.9 Um ; x  , ta có: T Im y = ax + b, Eg 2k B  Eg  2a  k B (3) Thí nghiệm: a) Tiến trình thí nghiệm: - Bước 1: Mắc sơ đồ mạch điện Hình 2.8 30 Rb ~ 220 V Mẫu BD * Xác định độ rộng vùng cấm: đó: a  C A - Bước 2: Thay đổi giá trị biến trở để cường độ dòng điện qua lò nhỏ, ứng với giá trị biến trở đọc số U, I vôn kế ampe kế điền vào bảng 2.5 - Bước 3: Mắc sơ đồ mạch điện Hình 2.9 - Bước 4: Thay đổi giá trị biến trở R b để thay đổi nhiệt độ lò Ứng với giá trị biến trở: + Đọc số U, I ampe kế vôn kế + Khi nhiệt độ mẫu đạt giá trị ổn định, đọc số U m, Im ampe kế Am vôn kế Vm Điền số liệu vào bảng 2.6 b) Xử lý số liệu: * Xác định điện trở R0 dây đốt lò nung: - Bảng số liệu 2.5: U (V) I (A) R U I R Rp α I Hình 2.10 - Đồ thị: R(I) Hình 2.10 + Ngoại suy: Khi I = R = Rp * Xác định độ rộng vùng cấm ΔEg: - Bảng số liệu 2.6: Mẫu bán dẫn Lò nung Đồ thị U I R (Ω) = T Um Im Rm (Ω) = x= y= (V) (A) U/I (K) (V) (A) Um/Im 1/T lnRm - Đồ thị: Hình 2.11 31 y + Độ dốc: a = tanα  Eg  2a  kB b x Hình 2.11 Ví dụ 6: Thiết kế nhiệt kế điện trở Trong khoảng nhiệt độ từ 0oC đến 100oC, điện trở cuộn dây bạch kim thay đổi theo nhiệt độ theo quy luật: R  R0 (1  a.t ) , đó: t nhiệt độ bách phân (oC); R0 = 100Ω; a = 41.10-4 (oC)-1 Người ta muốn dùng điện trở để làm nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ từ 20oC đến 40oC với yêu cầu sau: a) Nhiệt độ thị microampe kế, thang đo từ đến 10 μA b) Thang đo nhiệt độ chia độ c) Vị trí đầu thang (khi dòng điện qua điện kế 0) 20oC d) Vị trí cuối thang (dòng điện qua điện kế 10 μA) ứng với 40 oC e) Nguồn điện dùng pin, pin có suất điện động 1,5V Hãy: - Đề xuất phương án chế tạo nhiệt kế - Viết biểu thức dòng điện qua microampe kế theo nhiệt độ - Vẽ sơ đồ ước tính giá trị linh kiện dùng (Trích đề thi chọn HSGQG năm 2001, ngày thi thứ nhất) Bài giải Cơ sở lý thuyết: Hình 2.12 - Khi t = 20oC RT = R  Mạch cầu cân - Khi t > 20oC RT = R + ΔR > R  Mạch cầu không cân Ta có: 32 R  R E  R  R R   1  E  R  R E  R  1  2  1      R  R    R  2R   E  R  R   E  R  R        1   1      R  R    R  R   U CD  U AC  U AD  E   U CD  E  R 4R Vậy số ampe kế: I U CD E R  R' R R' mà R  a  R0  t Suy ra: I  E a  R  t  20   R R' Nhận xét: I ~ (t - 20) * Ước tính giá trị linh kiện dùng: + Nguồn điện: E = 3e = 4,5 V; + Điện trở R = 100 Ω; + Dây bạch kim: R0 = 100 Ω; a = 41.10-4 K-1 Khi t1 = 20oC I1 = A; Khi t2 = 40oC I2 = 10 μA; Do đó: R '  E  a  R0  t2  20   9225    4R  I 2 Phương án chế tạo: - Sơ đồ mạch điện hình 2.12 R - Một số nguyên nhân sai số: R' A + Nguồn điện có điện trở; RT + Ampe kế có điện trở; R C mA B R D E, r + Các điện trở R ≈ 100 Ω Hình 2.12 33 Chú ý: Nên chuẩn lại dụng cụ trước sử dụng Ví dụ 7: Đo số điện môi ε chất lỏng hoàn toàn cách điện Một máy đo thị trực tiếp số điện môi ε chất lỏng cách điện minh họa hình 2.13 Máy gồm hai khối: - Máy đo hoạt động tần số 1MHz Trên mặt máy đo có chi tiết sau: + Núm tắt, bật máy “ON - OFF” + Núm “V” cho phép thay đổi hiệu điện máy phát cao tần máy đo + Núm “O” cho phép chỉnh số đồng hồ thị + Đồng hồ thị kim, mặt chia độ đều, ghi số từ đến 20 Số đồng hồ số đo số điện môi ε + Hai chốt A, B để nối vào hộp đựng mẫu đo (nối trực tiếp, không dùng dây dẫn) - Hộp đựng mẫu đo hộp nhựa có hai điện cực phẳng song song đặt gần nhau, cực nối vào đầu cắm A B Thao tác đo số điện môi gồm bước: ON OFF A B V Bước 1: Bật máy, dùng núm “O” chỉnh cho kim đồng hồ số O Bước 2: Nối hộp đựng mẫu đo vào máy, dùng núm “V” chỉnh cho kim A B Máy đo Hộp đựng mẫu đo Hình 2.13 số Bước 3: Đổ đầy chất lỏng vào hộp đựng mẫu đo, đọc trực tiếp giá trị ε đồng hồ đo a) Hãy trình bày giải thích phương án thí nghiệm dựa người ta chế tạo mày b) Vẽ sơ đồ nguyên lý máy đo giải thích ý nghĩa ba bước phải thực tiến hành đo số điện môi 34 Gợi ý: Máy đo sử dụng nguồn điện xoay chiều Trong máy đo có sử dụng dụng cụ sau: * Phương án 1: 01 biến trở; tụ điện có điện dung C d lớn so với điện dung C0 tụ phẳng hộp đựng mẫu; 01 điện kế; dây nối… * Phương án 2: 01 biến trở; 02 điện trở có giá trị R, 01 biến trở R x; 01 tụ mẫu có giá trị C; 01 vôn kế; 01 thiết bị quay pha; dây nối… (Trích đề thi chọn chọn đội tuyển dự thi APhO năm 2005, ngày thi thứ hai) Bài giải Đo số điện môi dựa nguyên tắc đo điện dung Lấy tụ điện có điện môi không khí, đo điện dung C0 Đổ đầy điện môi vào tụ, đo lại điện dung C1 Hằng số điện môi   C1 C0 Điện dung đo tần số cộng hưởng mạch LC, mạch cầu a) Máy đo ε dựa phép đo điện dung - Khi hộp đựng mẫu chứa không khí, điện dung C 0, đồng hồ số - Khi hộp dựng mẫu chứa điện môi có số điện môi ε điện dung C 1, đồng hồ ε Dòng điện qua đồng hồ cần tỷ lệ với C, người ta dùng cầu không cân hình b) Sơ đồ hệ đo: Hình 2.14 Trong sơ đồ: - Các tụ Cd1, Cd2, Cd3, Cd4 >> C0, C1 - Do Cd4 nối với A, B nên có điện dung ký sinh Nên tụ C3 dùng để tinh chỉnh (núm "O") ~ "V" R Cd1 Q Cd2 - Biến trở R dùng để điều chỉnh điện áp đặt vào mạch cầu, để điều chỉnh số điện kế G (Núm "V" chỉnh cho điện kế G số 1) P C'd G Cd3 Cd4 C3 c) Xây dựng công thức: "A" Gọi U0 hiệu điện đặt vào tụ "O" CX "B" Hình 2.14 Ta có: 35 U0 U PA  U AB  U U0 U  C    U PA      X'  Cd'  U PA C  2Cd  U  C '  C  X' d X  AB Cd U PQ   U AQ  U PQ  U PA  U CX  Cd' CX Vậy: số điện kế G tỷ lệ thuận với điện dung CX cần đo d) Ý nghĩa thao tác: - Bước 1: Chỉnh cầu cân trước nối hộp đựng mẫu vào máy đo - Bước 2: Lắp hộp đựng mẫu vào mạch, đó: C x = C0 Điều chỉnh núm "V" cho điện kế G số 1, nghĩa I0 = 1A - Bước 3: Đổ chất lỏng vào hộp đựng mẫu, đó: Cx = ε.C0 Lúc dòng điện giá trị I = ε.I0 = ε Nghĩa điện kế giá trị điện môi mẫu III CÁC BÀI TẬP TỰ GIẢI Bài 1: Vẽ đường đặc trưng Vôn – Ampe bóng đèn Cho dụng cụ: - 01 bóng đèn có ghi 12V – 30W - 01 miliampe kế; - 01 vôn kế; - 01 biến trở; - 01 pin; - dây nối Vẽ sơ đồ thí nghiệm, lập bảng số liệu đo, vẽ dạng đường đặc trưng Vôn – Ampe bóng đèn (chú ý miền cường độ dòng điện nhỏ) Giải thích dạng đồ thị Bài 2: Xác định điện trở dây tóc bóng đèn nhiệt độ phòng 36 Một bóng điện ghi 2,5V – 0,1W, có dây tóc đèn có bán kính nhỏ nên có dòng điện chạy qua nóng lên nhanh Để dùng làm hỏa kế quang học, người ta cần phải đo xác điện trở nhiệt độ phòng Cho thêm dụng cụ: - 01 pin có ghi 1,5V; - 01 biến trở; - 01 milivôn 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 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 Bài 3: Xác định suất điện động điện trở nguồn điện dùng vôn kế không lý tưởng Cho dụng cụ: 01 nguồn điện chiều (có điện trở trong), 02 vôn kế, 01 hộp điện trở mẫu, dây nối a) Xác định suất điện động nguồn số tối thiểu mạch điện dùng vôn kế, không dùng hộp điện trở b) Dùng vôn kế hộp điện trở mẫu, xây dựng phương án thí nghiệm phương trình tuyến tính ứng với mạch điện để xác định suất điện động, điện trở nguồn điện trở vôn kế dùng (Trích đề thi IPhO 1983 - Rumani) Bài 4: Xác định nhiệt dung riêng C, hệ số nhiệt điện trở α, điện trở R 0oC điện trở kim loại có khối lượng m Cho thêm dụng cụ linh kiện sau: - Hai hộp điện trở RV1, RV2 đọc trị số điện trở - Hai điện trở R1, R2 biết trị số; - Một tụ điện Ct; 37 - Một nguồn điện xoay chiều, nguồn điện chiều; - Một ampe kế điện trở nhỏ đo dòng chiều xoay chiều; - Một điện kế có số không bảng chia; - Một đồng hồ (đo thời gian); - Một nhiệt lượng kế có nhiệt dung riêng C1, khối lượng m1, chứa lượng chất lỏng khối lượng m2 có nhiệt dung riêng C2 Nhiệt lượng kế có gắn nhiệt kế đo nhiệt độ - Các dây nối, đảo mạch Trình bày sở lý thuyết, sơ đồ mạch điện, bước tiến hành thí nghiệm Lập bảng số liệu đo vẽ dạng đồ thị (nếu có) Nêu nguyên nhân gây sai số biện pháp áp dụng để hạn chế sai số (Trích đề thi chọn HSGQG năm 2007) Bài 5: Xác định điện dung tụ điện Cho dụng cụ sau: Một hộp điện trở mẫu cho phép tùy chọn điện trở có trị số nguyên từ 10Ω đến vài MΩ Một nguồn điện xoay chiều có tần số f biết có hiệu điện hiệu dụng hai cực không đổi Một nguồn điện chiều Một máy đo điện cho phép đo cường độ dòng điện hiệu điện (một chiều, xoay chiều) Các dây nối, ngắt điện có điện trở không đáng kể Một đồng hồ đo thời gian Hãy lập ba phương án xác định điện dung tụ điện Yêu cầu nêu: nguyên tắc lí thuyết phép đo, cách bố trí thí nghiệm, cách tiến hành thí nghiệm, công thức tính toán, điều cần ý để giảm sai số phép đo (Trích đề thi chọn HSGQG năm 2003) 38 Bài 6: Xác định số điện môi ε điện trường đánh thủng Et lớp chất điện môi lòng tụ điện Cho dụng cụ sau: - Hộp điện trở mẫu có dải giá trị nguyên từ  -10 M; - 01 nguồn điện xoay chiều f = 50 Hz, U = 220 V; - 01 ampe kế xoay chiều; - 01 tụ điện gồm hai tụ kim loại có diện tích S khoảng cách hai tụ d, không gian hai tụ lấp đầy lớp chất điện môi đồng tính cần xác định số điện môi  điện trường đánh thủng Et; - Các dây nối ngắt điện cần thiết Yêu cầu: Trình bày cách bố trí thí nghiệm xây dựng công thức cần thiết Nêu bước tiến hành thí nghiệm, bảng biểu cần thiết cách xác định  Et (Trích đề thi chọn HSGQG năm 2013, ngày thi thứ nhất) 39 PHẦN III: KẾT LUẬN Nội dung đề tài gồm chương trình bày nội dung chính, gồm:  Chương 1: Sai số thí nghiệm thực hành  Chương 2: Phương án thí nghiệm đo đại lượng điện  Chương 3: Các tập minh họa, tham khảo Do thời gian có hạn chuyên đề nhiều vấn đề thí nghiệm điện có liên quan chưa giải đầy đủ như: Giới thiệu vấn đề lý thuyết đặc trưng linh kiện điện (điôt, quang trở, đèn LED …) Trong thời gian tới, cố gắng tìm hiểu thêm để hoàn thiện chuyên đề nhằm phục vụ tốt cho công tác dạy – học Xin trân trọng cảm ơn! 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thế Khôi Sách giáo khoa Vật lý 11 nâng cao Nhà xuất giáo dục, 2007 Nguyễn Duy Thắng Thực hành vật lý đại cương Nhà xuất giáo dục, 2002 Vũ Thanh Khiết Tuyển tập đề thi Olympic vật lý nước Nhà xuất giáo dục, 2004 Vũ Thanh Khiết Các đề thi học sinh giỏi vật lý năm 2001 - 2005 Nhà xuất giáo dục, 2008 Vũ Thanh Khiết Các đề thi học sinh giỏi vật lý năm 2001 - 2010 Nhà xuất giáo dục, 2011 Dương Trọng Bái Bài thi vật lý quốc tế - Tập Nhà xuất giáo dục, 2001 Dương Trọng Bái Bài thi vật lý quốc tế - Tập hai Nhà xuất giáo dục, 2000 41 ... suất điện động điện trở trong; - 02 đồng hồ đo điện vạn năng; 22 I Ax I A1 - 01 biến trở; - dây nối Trình bày sở lý thuyết, sơ đồ thí nghiệm, bước tiến hành thí nghiệm đo suất điện động điện. .. Ví dụ 1: 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... chuẩn xong điện kế, ta dùng điện kế để đo điện lượng phóng qua điện kế tụ điện bất kỳ, cách đo biên độ góc θ, suy ra: q = kθ 20 CHƯƠNG III: MỘT SỐ BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM ĐO ĐIỆN I CÁC BƯỚC