Hướng dẫn học sinh tính sai số và xử lí số liệu một số bài thực hành vật lí trung học phổ thông

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT THIỆU HÓA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HƯỚNG DẪN HỌC SINH TÍNH SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU MỘT SỐ BÀI THỰC HÀNH VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THƠNG Người thực hiện: Phạm Văn Giang Chức vụ: Giáo viên Bộ mơn: Vật lí THANH HỐ NĂM 2020 MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Trong phạm vi nhà trường, hoạt động dạy hoạt động giáo viên định hướng, tổ chức, điều khiển hoạt động nhận thức – học tập học sinh, giúp học sinh tìm tòi, khám phá tri thức tạo phát triển tâm lí, hình thành nhân cách thân Bản chất hoạt động dạy học hành động chiếm lĩnh tri thức hành động vận dụng tri thức Do đó, dạy học, giáo viên cần tổ chức tình học tập địi hỏi thích ứng học sinh để qua học sinh chiếm lĩnh tri thức, đồng thời phát triển trí tuệ nhân cách tồn diện Sự học phải trình hình thành phát triển dạng thức hành động xác định học sinh, thích ứng chủ thể với tình học tập thích đáng, thơng qua đồng hóa (hiểu được, làm được) điều tiết (có biến đổi nhận thức thân), qua học sinh phát triển lực, phẩm chất, nhân cách thân Mỗi hành động diễn theo pha: định hướng, chấp hành kiểm tra Cơ sở định hướng hành động kiến thức cần thiết cho việc thực hành động, có tầm quan trọng đặc biệt chất lượng, hiệu hành động Trong dạy học mơn Vật lí, cần đảm bảo tính chất q trình học tập: từ thực tiễn → trực quan sinh động → tư trừu tượng → thực tiễn Để đảm bảo vận hành hệ tương tác dạy học, hành động giáo viên với tư liệu hoạt động dạy học khâu tổ chức, cung cấp tư liệu, tạo tình có vấn đề cho hoạt động học sinh lớp Vì vậy, thí nghiệm Vật lí đóng vai trị quan trọng trình nhận thức học sinh, nhân sinh quan giới quan Để giúp học sinh làm tốt tiết thực hành, nhận định đánh giá kết thực tế tượng Vật lí, tơi nghiên cứu vận dụng, bổ trợ kiến thức cho học sinh việc xử lí số liệu đo đại lượng Vật lí 1.2 Mục đích nghiên cứu Trong Vật lí, nhà khoa học muốn nghiên cứu tượng vật lí để đưa định luật, giả thuyết có với thực tế hay khơng, có phù hợp với thực tế hay khơng phải đo đạc, tính tốn chứng minh Tuy nhiên q trình tính tốn; với mơi trường phép đo khơng lí tưởng; để chứng minh, kiểm chứng tính xác tượng, định luật hay giả thuyết khơng thể tránh khỏi sai số, từ nhà khoa học đưa định lí, định luật giả thuyết Vật lí, góp phần vào phát triển khoa học kĩ thuật công nghệ ngày Vì vậy, tơi nghiên cứu, phân tích hướng dẫn học sinh tính sai số xử lí số liệu số thực hành vật lí trung học phổ thông 1.3 Đối tượng nghiên cứu Trong khuôn khổ đề tài này, nghiên cứu nội dung sau: - Nghiên cứu đơn vị đo đại lượng Vật lí - Hướng dẫn học sinh xác định sai số đo đại lượng Vật lí - Sử dụng số tập tính sai số vào giảng dạy - Giúp học sinh có nhìn tổng quan đơn vị Vật lí, phép đo sai số đại lượng Vật lí - Đề số giải pháp việc dạy - học tiến hành thí nghiệm - thực hành 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng: sở lý thuyết tập sai số - Nghiên cứu sử dụng kiến thức Vật lí 10, nhằm hỗ trợ, nâng cao hiệu việc dạy học thực hành chương trình Vật lí trung học phổ thông - Khảo sát thực tế việc sử dụng thiết bị thí nghiệm Vật lí nhà trường - Thu thập sử lí thơng tin, khắc phục số sai lầm giáo viên học sinh đo đại lượng Vật lí phép tính sai số 1.5 Những điểm sáng kiến - Kết hợp phương pháp thực nghiệm lí thuyết nhằm phát huy tính tích cực, chủ động sáng tạo học sinh - Hướng dẫn chi tiết cách tính sai số, xử lí kết thí nghiệm đưa đánh giá kết đo đại lượng Vật lí - Nâng cao hiệu việc sử dụng thí nghiệm Vật lí nhà trường, tránh tình trạng dạy chay, dạy chiều lãng phí sở vật chất – thiết bị thí nghiệm nhà trường trung học phổ thông NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1.1 Cơ sở lý luận thí nghiệm, thực hành Vật lí Nhìn chung, thí nghiệm thực hành giải pháp phát triển tư khoa học tư thực tiễn học sinh tri thức, nhiều học sinh làm thí nghiệm - thực hành cịn lúng túng xác định tính sai số đại lượng Vật lí phép đo trực tiếp phép đo gián tiếp Vấn đề đặt cần giúp học sinh giải vấn đề khó khăn việc thu thập liệu, tính tốn số liệu từ phép đo để việc học trở nên chủ động sáng tạo 2.1.2 Cơ sở lí thuyết đơn vị Vật lí phép tính sai số 2.1.2.1 Đơn vị đo đại lượng Vật lí Hệ đơn vị đo lường quốc tế (Système International _ SI) gồm đơn vị đo đại lượng vật lí quy định thống áp dụng nhiều nước giới gồm đơn vị: độ dài (mét_m); thời gian (giây_s); khối lượng (kilôgam_kg); nhiệt độ (kenvin_K); cường độ dòng điện (ampe_A); cường độ ánh sáng (canđêla_Cd); lượng chất (mol) Các đại lượng vật lí có đơn vị thường đo trực tiếp dụng cụ tương ứng Ngoài đơn vị bản, đơn vị khác đơn vị dẫn xuất, suy từ đơn vị theo công thức xác định Các đại lượng vật lí dùng đơn vị dẫn xuất thường đo phép đo gián tiếp dụng cụ đo trực tiếp sử dụng phép tính trước Ví dụ: đo lực lực kế tính tốn trước phép đo khối lượng, qng đường thời gian, định nghĩa: N = kg.m/s2 2.1.2.2 Các tính sai số phép đo trực tiếp Trong thực nghiệm để xác định giá trị đại lượng vật lí cần tiến hành đo nhiều lần xác định giá trị trung bình Giá trị trung bình gần với giá trị thực đối tượng cần xác định phép đo thực nhiều lần Ví dụ, biết xác xuất mặt ngửa mặt sấp đồng xu 50%, để kết luận điều phải thực việc tung đồng xu nhiều lần số lần đồng xu sấp số lần đồng xu ngửa xấp xỉ phép kết luận (50%) * Sai số hệ thống sai số cấu tạo dụng cụ đo Thường lấy độ chia (hoặc 0,5 độ chia) nhỏ dụng cụ đo * Sai số ngẫu nhiên sai số q trình đo có tác động yếu tố bên giác quan người thu thập liệu đo * Cách tính sai số phép đo Ví dụ muốn đo đai lượng A, thực nghiệm đo giá trị n lần A1…An giá trị, kết đo giá trị trung bình sau: A= A1 + A2 + + An ; n * Cách tính 1: Tính sai số theo lần đo: - Sai số lần đo: ∆A1 = A − A1 ;… ; ∆An = A − An - Sai số trung bình phép đo: ∆A = ∆A1 + ∆A2 + + ∆An n * Cách tính 2: Tính sai số theo giá trị đo: - Xác định giá trị lớn (Amax) nhỏ (Amin) phép đo - Tính sai số trung bình phép đo: ∆A = Amax − Amin ⇒ Tổng sai số đại lượng cần đo: ∆A = ∆ A + ∆A/ Kết luận: kết phép đo: A = A ± ∆A 2.1.2.3 Các tính sai số phép đo gián tiếp * Đặt vấn đề: Khi đo đại lượng Vật lí B cần đo đại lượng X, Y Z * Công thức xác định đại lượng B là: B = X Y2 Z * Phương pháp tính sai số: X 2Y - Bước 1: Lấy ln hai vế: ln B = ln( ) = ln X + ln Y − ln Z Z - Bước 2: Lấy vi phân hai vế: ∆B ∆X ∆Y ∆Z =2 +3 −2 B X Y Z - Bước 3: Sai số tỉ đối tổng hay hiệu phép đo tổng sai số tỉ đối; ⇒ ∆B ∆X ∆Y ∆Z ⇔ δ ( B) = 2δ ( X ) + 3δ (Y ) + 2δ ( Z ) =2 +3 +2 B X Y Z - Bước 4: Sai số trung bình phép đo: ∆B = B (2 ∆X ∆Y ∆Z +3 +2 ) X Y Z Kết luận: + Sai số tổng (hoặc hiệu): ∆ ( A ± B ) = ∆A + ∆B + Sai số tích: δ(AB) =δA + δB ⇔ ∆( AB ) ∆A ∆B = + AB A B A ∆( ) ∆A ∆B A B = + + Sai số thương: δ( ) =δA + δB ⇔ A A B B B + Sai số lũy thừa: δ(A ) = n.δA ⇔ n ∆ ( An ) A n =n ∆A A 2.2 THỰC TRẠNG 2.2.1 Học sinh tiến hành thí nghiệm xác định sai số trường THPT Khi đo đại lượng vật lí, xử lí số liệu đặc biệt tính sai số, nhận xét kết thí nghiệm, học sinh thường gặp thuận lợi khó khăn sau:  Thuận lợi: - Đa số giáo viên bổ xung kiến thức đại lượng vật lí cần đo, cách thức đo lấy số liệu từ phép đo - Đa số học sinh học đam mê Vật lí tìm hiểu nắm vững đơn vị đo đại lượng vật lí tính tốn phép tính đơn giản - Học sinh làm thực hành vẽ đồ thị nên có kĩ đọc số liệu đồ thị, mô tả, nhận xét, đánh giá kết đo  Khó khăn: - Hiện nay, nhà trường có khó khăn sở vật chất, chưa có phịng chức dành riêng cho thí nghiệm - thực hành, nên học sinh không thực hành thường xuyên, dẫn đến tính sai số, hạn chế kĩ làm thí nghiệm - Một số giáo viên dạy theo phương pháp truyền thống, ngại đổi phương pháp dạy học, đặc biệt ngại cho học sinh làm thí nghiệm - thực hành chế tạo thiết bị, dụng cụ mang chất Vật lí Làm ảnh hưởng khơng nhỏ đến tư sáng tạo, chủ động học tập tiếp thu kiến thức vận dụng kiến thức vào thực tế học sinh - Khi tiến hành thí nghiệm, thường lúng túng, thiếu tự tin, ngại phân tích tượng Vật lí - Do áp lực thi cử, định hướng dạy học nhà trường cịn mang tính đối phó, truyền thụ kiến thức chiều Trong kì thi, số câu hỏi sử dụng kiến thức thí nghiệm – thực hành, tính sai số cịn nên việc dạy học phần chịu ảnh hưởng không trú trọng 2.2.2 Kết luận thực trạng Phần thí nghiệm - thực hành trương trình Vật lí trung học phổ thơng so với kì thi Tốt nghiệp trung học phổ thơng khơng địi hỏi cao, nên giáo viên lẫn học sinh cịn mang tính chất dạy học đối phó, thường lúng túng, phương hướng tiến hành phân tích kết thí nghiệm tượng vật lí Nhiều học sinh chưa chủ động tìm kiếm, chiếm lĩnh tri thức, rèn luyện kỹ năng, học tập m ang tính thụ động, chiều Mặc dù, giáo viên giảng dạy theo phương pháp cá thể hoá, quan tâm đến đặc thù đối tượng học sinh Từ thuận lợi, đặc biệt khó khăn q trình tiếp thu kiến thức, phát triển tư sáng tạo học sinh, thông qua thực tiễn việc tiến hành thí nghiệm, phân tích đánh giá kết đo đại lượng vật lí, phương pháp giảng dạy giáo viên chưa đáp ứng mục tiêu chất lượng mơn Vật lí Bằng kinh nghiệm giảng dạy thân, tơi tiến hành thí nghiệm, đánh giá tính tốn đến nhận xét kết thí nghiệm nhằm phát huy tính chủ động sáng tạo học tập học sinh, giúp học sinh có góc nhìn việc học mơn Vật lí thu thập kết tích cực q trình dạy học, từ đó, giúp học sinh tự tin tiếp cận với môn Vật lí 2.3 GIẢI PHÁP ĐÃ TIẾN HÀNH 2.3.1 Khảo sát chuyển động rơi tự Xác định gia tốc rơi tự 2.3.1.1 Cơ sở phép đo - Coi chuyển động rơi tự viên bi thí nghiệm chuyển động thẳng nhanh dần với vận tốc ban đầu - Quãng đường rơi: s = 2s gt ⇒ gia tốc rơi tự do: g = t ⇒ Để đo g, cần đo quãng đường rơi s (dùng thước đo) thời gian rơi t (dùng đồng hồ đo thời gian hiển thị số) 2.3.1.2 Bảng kết đo Lần đo Thời gian rơi t (s) s (m) 0,050 0,098 0,102 0,101 0,099 0,200 0,200 0,205 0,204 0,202 0,450 0,298 0,299 0,305 0,304 0,800 0,405 0,407 0,406 0,402 Tính số liệu theo bảng kết đo: ti = ti ti2 0,1008 0,2024 0,3016 0,4056 0,01016 0,04096 0,09097 0,1645 0,104 0,201 0,302 0,408 gi = si ti2 9,8374 9,7634 9,8934 9,7255 vi = si ti 0,9921 1,9766 2,9841 3,9448 t1 + t2 + t3 + t4 + t5 t12 + t22 + t32 + t42 + t52 t = i ⇒ Thay số liệu để tính gi vi, thu kết bảng 2.3.1.3 Xác định sai số kết đo * Tính chất chuyển động rơi tự - So sánh kết vận tốc vật thời điểm cuối chuyển động ta thấy: v1 0,9921 v v v = = 9,8423 ; = 9,7658; = 9,8942; = 9,7258 (m/s2) t1 0,1008 t2 t3 t4 → vi ; số ⇒ vật rơi tự coi chuyển động thẳng nhanh dần ti * Tính sai số phép đo từ bảng kết đo - Gia tốc rơi tự trung bình: g = g1 + g + g3 + g = 9,8051 m/s2 → Cách tính 1: - Sai số phép đo: ∆gi = gi − g ⇒ ∆g1 = 0,0323 ; ∆g = 0,0417 ; ∆g = 0,0883 ; ∆g = 0,0796 (m/s2) Sai số trung bình phép đo: ∆g = ∆g1 + ∆g + ∆g3 + ∆g = 0,060575 m/s2 → Cách tính 2: Sai số trung bình phép đo: ∆g = g max − g 9,8934 − 9,7255 = = 0,0834 m/s2 2 * Kết đo: g = 9,8051 ± 0,0835 (m/s2) 2.3.1.4 Nhận xét kết thực hành - Với hai cách tính sai số, có lệch định So sánh với số liệu sách giáo khoa vật lí 10, gia tốc rơi tự Hà Nội g = 9,7867 m/s2, Thành phố Hồ Chí Minh g = 9,7867 m/s2 kết đo thực nghiệm chấp nhận - Nguyên nhân chênh lệch hai phép tính sai số kết thực tế do: + Điều kiện mơi trường chưa thực lí tưởng (có sức cản mơi trường), q trình làm thí nghiệm, thời tiết nóng nực nên phịng có gió quạt tạo ra, phần ảnh hưởng đến trình chuyển động vật + Trong trình thu thập số liệu cịn có ảnh hưởng thiết bị, thao tác thí nghiệm chưa chuẩn, sai số thước đo xác định quãng đường rơi Nên số liệu thu thập khác trình đo - Trong phép đo này, theo hai phép tính sai số sai số tỉ đối lớn 0,85% nên coi sai số đáng tin cậy so sánh gia tốc rơi tự với mơi trường lí tưởng mà nhà khoa học đưa hồn tồn phù hợp Vậy, với hai cách tính phép tính sai số trực tiếp từ phép đo, kết thu hồn tồn hợp lí có sai số phạm vi cho phép 2.3.2 Xác định hệ số ma sát trượt 2.3.2.1 Cơ sở phép đo - Xét vật nặng trượt mặt phẳng nghiêng có hệ số ma sát vật mặt phẳng µt - Gia tốc vật chuyển động là: a = g(sinα - µt.cosα) ⇒ Bằng cách đo a α, ta xác định hệ số ma sát trượt là: µt = tan α − a gcosα - Coi chuyển động trượt vật chuyển động thẳng nhanh dần với vận tốc ban đầu ⇒ a = 2s t2 → Để đo a, cần đo quãng đường chuyển động s (dùng thước đo) thời gian hết quãng đường t (dùng đồng hồ đo thời gian hiển thị số) 2.3.2.2 Bảng kết đo s = 0,80 ± 0,005 (m) α = 30o ± 1o Lấy: g = 9,8051 ± 0,0835 (m/s2) a 2s µt = tan α − a= Lần đo (n) t (s) gcosα t 0,796 2,525 0,2798 0,794 2,538 0,2783 0,781 2,623 0,2683 0,788 2,577 0,2737 0,779 2,637 0,2666 Giá trị trung bình 0,7876 2,587 0,2733 ∆µ t 0,0065 0,005 0,005 0,0004 0,0067 0,0061 2.3.2.3 Xác định sai số, kết đo nhận xét * Cách tính 1: Với kết đo gia tốc rơi tự phần 2.3.1, phép đo hệ số ma sát trượt, giáo viên nên hướng dẫn học sinh tính sai số trực tiếp từ phép đo, cụ thể: - Tính hệ số ma sát trượt tực tiếp từ bảng kết đo: µt = tan α − a gcosα - Giá trị trung bình hệ số ma sát trượt thí nghiệm: 10 µt = µt + µ t + µ t + µ t + µ t = 0,2733 - Sai số hệ số ma sát lần đo: ∆µti = µt − µti - Sai số trung bình hệ số ma sát trượt thí nghiệm: ∆µt = ∆µt1 + ∆µt + ∆µt + ∆µt + ∆µt = 0,0061 - Sai số tỉ đối đo hệ số ma sát trượt là: ∆µt = 2,23% (chưa vượt ngưỡng sai số cho phép 3%) µt * Cách tính 2: - Theo bảng kết đo: µtmax = 0,2798 µt = 0,2666 ⇒∆µt = µtmax − µt = 0,0066 - Sai số tỉ đối đo hệ số ma sát trượt là: ∆µt = 2,41% (chưa vượt ngưỡng sai số cho phép 3%) µt * Kết đo hệ số ma sát trượt: µt = 0,2733 ± 0,0066 * Nhận xét kết đo: nguyên nhân chủ quan khách quan tương đương nêu mục 2.1.3.4 phép đo cịn có ngun nhân sau: - Trong q trình làm thí nghiệm, máng nghiêng có độ nhám khơng đều, lần trượt khác cho kết khác - Với hai cách tính sai số sai số tỉ đối < 3% nên kết đáng tin - Cơ sở lí thuyết phép tính µt ∆µt , với kiến thức tốn trang bị thời điểm học sinh lớp 10 phép tính sai số gián tiếp gây khó khăn cho học sinh, dẫn đến phương hướng học tập Vì vậy, tơi dùng phép tính sai số trực tiếp từ phép đo để học sinh dễ dàng xác định kết đo 2.3.3 Đo gia tốc rơi tự lắc đơn 2.3.3.1 Cơ sở phép đo 11 - Dùng lắc đơn có chiều dài ℓ chu kì dao động lắc là: T = 2π l g 4π 2l - Gia tốc rơi tự nơi treo lắc là: g = T ⇒ Bằng cách đo ℓ (dùng thước đo) T (dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian 10 dao động toàn phần) lắc dao động với biên độ góc nhỏ (α0 < 10o) ta xác định gia tốc rơi tự g 2.3.3.2 Bảng kết đo Lần đo Thời gian ứng với 10 dao động toàn phần ℓ (m) 0,050 4,50 4,48 4,46 4,49 0,200 8,99 8,97 8,98 9,00 0,450 13,48 13,46 13,42 13,45 0,800 17,98 17,93 17,95 17,96 2.3.3.3 Xác định sai số kết đo 4,51 8,96 13,47 17,91 * Xác định sai số trực tiếp từ phép đo - Tính Ti = t1 + t2 + t3 + t + t5 tính Ti = (Ti ) 10.n 4π 2l i - Tính g i = (m/s2) Ti Lần đo Thời gian ứng với 10 dao động toàn phần ℓ (m) 0,050 4,50 4,48 4,46 4,49 4,51 0,200 8,99 8,97 8,98 9,00 8,96 0,450 13,48 13,46 13,42 13,45 13,47 0,800 17,98 17,93 17,95 - Gia tốc rơi tự trung bình: g = 17,96 17,91 4π 2l i gi = Ti (s) Ti Ti 0,449 0,201 9,7999 0,898 0,806 9,7912 1,346 1,811 9,8116 1,79 3,221 9,8065 g1 + g + g3 + g = 9,8023 m/s2 → Cách tính 1: Sai số phép đo: ∆gi = gi − g ⇒ ∆g1 = 0,0024 ; ∆g = 0,0111 ; ∆g3 = 0,0093 ; ∆g = 0,0042 (m/s2) Sai số trung bình phép đo: ∆g = ∆g1 + ∆g + ∆g + ∆g = 0,0675 m/s2 12 - Sai số tỉ đối phép đo: ∆g 100% = 0,69% g → Cách tính 2: Sai số trung bình phép đo: ∆g = g max − g 9,8116 − 9,7912 = = 0,0102 m/s2 2 - Sai số tỉ đối phép đo: ∆g 100% = 0,1% g - Với giá trị sai số tỉ đối cách tính cho kết sai số đáng tin cậy * Kết đo: g = 9,8023 ± 0,0675 (m/s2) * Xác định sai số từ phép đo gián tiếp - Lấy kết đo ứng với: ℓ = 0,80 ± 0,01 (m) (sai số độ chia nhỏ nhất) - Xác định chu kì lần đo: Ti = ti 10 - Chu kì trung bình lần đo: Ti = ⇒ Sai số lần đo: ∆Ti = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 10.n ti −T 10 (*) Lấy kết đo ứng với trường hợp lắc có chiều dài ℓ = 0,80 m Với kết đo bảng sau: Lần đo t (s) Ti ∆Ti 17,98 1,798 0,0034 17,93 1,793 0,0016 17,95 1,795 0,0004 17,96 1,796 0,0014 17,91 1,791 0,0036 Giá trị trung bình 17,946 1,7946 - Tính gia tốc rơi tự trung bình (lấy π = 3,142): g = 0,0018 4π l = 9,809 (m/s2) T - Sai số tỉ đối phép đo (lấy ∆π = 0,001): 13 ∆g ∆π ∆l ∆T =2 + +2 = 1,51% < 2% π g l T - Tính sai số trung bình phép đo: ∆g = g (2 ∆π ∆l ∆T + +2 ) = 0,1485 m/s2 π l T - Với giá trị sai số tỉ đối cách tính cho kết sai số đáng tin cậy * Kết đo: g = 9,8023 ± 0,1485 (m/s2) 2.3.3.4 Nhận xét kết thực hành Ngoài nguyên nhân chủ quan khách quan tương đương nêu mục 2.1.3.4 phép đo việc tính sai số phép đo nhiều tính khác nhau, đưa số nhận xét sau: - Với phép tính sai số trực tiếp từ kết đo độ xác cao chưa tính đến sai số việc đo chiều dài dây treo lắc sai số dùng số π - Với phép tính sai số trực tiếp từ phép đo sai số gián tiếp, kết thu có sai số sai số tỉ đối nhỏ 1,6% nên coi sai số đáng tin cậy nằm giới hạn an toàn phép đo Để xác định gia tốc rơi tự thực nghiệm, so với mơi trường lí tưởng mà nhà khoa học đưa hồn tồn phù hợp Vậy, việc tính tốn sai số, kết khác nhau, với mục tiêu chung giúp học sinh có cách đánh giá tổng quát thí nghiệm - thực hành 2.3.4 Đo bước sóng ánh sáng phương pháp giao thoa (thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng) 2.3.4.1 Cơ sở phép đo - Các đại lượng thí nghiệm: + Khoảng cách hai khe chiếu sáng a; + Khoảng cách quan sát chứa hai khe D; + Khoảng vân thu i ⇒ Bước sóng ánh sáng dùng thí nghiệm λ = D - Để tăng độ xác phép đo, ta đo khoảng cách hai vân sáng xa quan sát (L) đếm số khoảng vân quan sát (n) đoạn L 14 xác định khoảng vân: i = L aL ⇒λ = n Dn ⇒ Với chứa hai khe cho trước, cách đo L, đếm số khoảng vân n đo D ta xác định bước sóng ánh sáng đèn laze dùng thí nghiệm 2.3.4.2 Bảng kết đo - Thực thí nghiệm với dụng cụ thí nghiệm có khoảng cách hai khe là: a = 0,100 ± 0,001 (mm) - Khoảng cách từ hai khe tới quan sát D = 0,800 ± 0,001 (m) Lần đo Trung bình Số khoảng vân L (mm) 26 31 36 42 47 i (mm) 5,200 5,167 5,143 5,250 5,222 5,196 ∆i (mm) 0,004 0,029 0,053 0,054 0,026 0,033 2.3.4.3 Xác định sai số kết đo * Xác định sai số phép đo - Bước sóng trung bình ánh sáng dùng thí nghiệm: λ= 0,1.5,196 = = 649,5.10−6 mm = 649,5 nm 800 D - Sai số tỉ đối bước sóng: ∆λ ∆a ∆i ∆D = + + = 1,76% λ a i D - Sai số tuyệt đối phép đo: ∆λ = λ ( ∆a ∆i ∆D + + ) = 11,432 nm a i D * Kết đo bước sóng ánh sáng: λ = 649,5 ± 11,5 (nm) 2.3.5 Cái nhìn tổng quan phép tính sai số kết phép đo - Dựa vào vào kết sai số tỉ đối phép đo đại lượng vật lí, học sinh từ có nhìn tổng qt tượng Vật lí vận dụng để giải thích tương đối tượng tự nhiên Nhằm nâng cao tính tự lực, sáng tạo học tập học sinh - Khi đại lượng vật lí với phép tính phức tạp, cần độ xác 15 cao sai số tỉ đối lớn so với đại lượng vật lí đơn giản khác Từ đó, giúp phát triển tư khoa học cho học sinh đưa nhiều hướng để khai thác kiến thức Vật lí tạo hứng thú học tập cho học sinh 2.4 HIỆU QUẢ Trong trình giảng dạy, nghiên cứu dạy lại chuyên đề giúp học sinh biết cách thu thập thông tin từ thực tiễn để giải tập tính sai số, học sinh xử lí cách nhẹ nhàng củng cố tốt 2.4.1 Nội dung đề kiểm tra 15 phút sau dạy chuyên đề Câu Dùng thước có chia độ đến milimét đo lần khoảng cách d hai điểm A B cho giá trị 1,345 m Lấy sai số dụng cụ độ chia nhỏ Kết đo viết A 1345 ± (mm) B 1,345 ± 0,001 (m) C 1345 ± (mm) D 1,345 ± 0,0005 (m) Câu Trong thực hành, học sinh đặt điện áp u = U 0cos100π t vào hai đầu đoạn mạch gồm điện trở R tụ điện C mắc nối tiếp Vơn kế dùng thí nghiệm lí tưởng có độ chia nhỏ V Khi đo điện áp hai đầu R C thu kết quả: UR = 14 V; UC = 48 V U0 có kết A 70,7 ± 2,0 (V) B 50,0 ± 1,2 (V) C 50,0 ± 2,0 (V); D 70,7 ± 1,2 (V) Câu Một học sinh dùng đồng hồ bấm giây để đo chu kì dao động điều hòa T vật cách đo thời gian dao động Ba lần đo cho kết thời gian dao động 2,01 s, 2,12 s 1,99 s Thang chia nhỏ đồng hồ 0,01 s Kết phép đo A 6,12 ± 0,05 (s).B 2,04 ± 0,05 (s) C 6,12 ± 0,06 (s).D 2,04 ± 0,06 (s) Câu Trong thực hành dùng lắc đơn để đo gia tốc rơi tự nơi Một học sinh tiến hành đo kết quả: chu kì T = 1,7951 ± 0,0001 (s); Chiều dài lắc ; ℓ = 0,8000 ± 0,0002 (m) Lấy số π từ máy tính bỏ qua sai số Gia tốc rơi tự nơi A 9,7911 ± 0,0036 (m/s2) C 9,801 ± 0,0023 (m/s2) B 9,801 ± 0,0036 (m/s2) D 9,7911 ± 0,0023 (m/s2) 16 Câu Một học sinh tiến hành thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng Học sinh dùng hai khe có khoảng cách a =1,50 ± 0,01 (mm); đo khoảng cách từ hai khe đến quan sát D = 1,600 ± 0,001 (m) độ rộng 10 khoảng vân L = 8,00 ± 0,1 (mm) Sai số tỉ đối phép đo A 0,67% B 0,63% C 1,25% D 1,99% 2.4.2 Đánh giá kết kiểm tra + Thời điểm kiểm tra lớp 12Q chưa ơn tập lại phần tính sai số xác định kết đo, kết kiểm tra 15 phút thông qua kiểm tra trắc nghiệm thu sau: Điểm số 10 Số lượng 0 17 15 Tỉ lệ % 0 40,5% 35,7% 21,4% 2,4% + Thời điểm kiểm tra lớp 12X ôn tập lại phần tính sai số xác định kết đo, kết kiểm tra 15 phút thông qua kiểm tra trắc nghiệm thu sau: Điểm số 10 Số lượng 0 11 15 12 Tỉ lệ % 0 7,3% 26,8% 36,6% 29,3% + Nhìn vào kết khảo sát hai lớp trước sau ôn tập để đánh giá, nhận xét rút kinh nghiệm dạy, thân nhận thấy: lớp 12X kết kiểm tra cao lớp 12Q, từ cần rút kinh nghiệm sau: - Học sinh hiểu sâu nội dung kiến thức dạy - Phân tích cụ thể vấn đề đo đại lượng vật lí phát huy tính tích cực tự lực học sinh học - Nhận thức sâu sắc hoạt động giáo viên học sinh trình tiếp cận kiến thức, phân tích tượng vật lí 2.4.3 Chữa kiểm tra Để hoàn thiện hiểu sâu sắc đơn vị kiến thức tơi dùng thời gian lại tiết học để chữa tập kiểm tra, cụ thể: Câu Dùng thước có chia độ đến milimét đo lần khoảng cách d hai điểm A B cho giá trị 1,345 m Lấy sai số dụng cụ độ chia nhỏ Kết đo viết 17 A 1345 ± (mm) B 1,345 ± 0,001 (m) C 1345 ± (mm) D 1,345 ± 0,0005 (m) Hướng dẫn Kết lần đo cho d = 1,345 m = 1345 mm Lấy sai số: ∆d = mm ⇒ Kết đo là: d = 1345 ± (mm) = 1,345 ± 0,001 (m) Câu Trong thực hành, học sinh đặt điện áp u = U 0cos100π t vào hai đầu đoạn mạch gồm điện trở R tụ điện C mắc nối tiếp Vôn kế dùng thí nghiệm lí tưởng có độ chia nhỏ V Khi đo điện áp hai đầu R C thu kết quả: UR = 14 V; UC = 48 V U0 có kết A 70,7 ± 2,0 (V) B 50,0 ± 1,2 (V) C 50,0 ± 2,0 (V); D 70,7 ± 1,2 (V) Hướng dẫn Ta có: U = U R2 + U C2 = 50 V ⇒ U0 = 70,7 V 2 Tính sai số: U = U R + U C → lấy vi phân hai vế: 2U.∆U = 2UR.∆UR + 2UC.∆UC ⇒ ∆U = U 14 48 UR ∆UR + C ∆UC = 1,0 + 1,0 = 1,24 = 1,2 (V) 50 50 U U Kết đo là: U0 = 70,7 ± 1,2 (V) Câu Một học sinh dùng đồng hồ bấm giây để đo chu kì dao động điều hịa T vật cách đo thời gian dao động Ba lần đo cho kết thời gian dao động 2,01 s, 2,12 s 1,99 s Thang chia nhỏ đồng hồ 0,01 s Kết phép đo A 6,12 ± 0,05 (s).B 2,04 ± 0,05 (s) C 6,12 ± 0,06 (s).D 2,04 ± 0,06 (s) Hướng dẫn - Giá trị trung bình chu kì : T = T1 + T2 + T3 = 2,04 s - Sai số phép đo : ∆T1 = T1 − T = 0,03 ∆T2 = T2 − T = 0,08 ⇒ ∆T = ∆T3 = T3 − T = 0,05 ∆T1 + ∆T2 + ∆T3 = 0,05333 ; 0,05 s 18 - Sai số hệ thống (1 độ chia nhỏ nhất): ∆Tdc =0,01 s ⇒ ∆T = ∆T + ∆Tdc = 0,06 s ⇒ Kết đo : T = 2,04 ± 0,06 (s) Câu Trong thực hành dùng lắc đơn để đo gia tốc rơi tự nơi Một học sinh tiến hành đo kết quả: chu kì T = 1,7951 ± 0,0001 (s); Chiều dài lắc ; ℓ = 0,8000 ± 0,0002 (m) Lấy số π từ máy tính bỏ qua sai số Gia tốc rơi tự nơi A 9,7911 ± 0,0036 (m/s2) C 9,801 ± 0,0023 (m/s2) B 9,801 ± 0,0036 (m/s2) D 9,7911 ± 0,0023 (m/s2) Hướng dẫn l 4π 2l ⇒ g = (*) Ta có biều thức chu kì lắc đơn : T = 2π g T ⇒ Ta có giá tri trung bình g = → Cách tính 1: 4π 2l T = 9,7911 m/s2 (lấy số π từ máy tính) ∆g ∆l ∆T = +2 (bỏ qua sai số π) g l T ⇒ Δg = g ( ∆l + ∆T ) = 0,003 m/s2 l T → Cách tính 2: Theo số liệu: Tmax = 1,7952 s; ℓmin = 0,7998 m ⇒ gmin = 9,7975 m/s2 Theo số liệu: Tmin = 1,7950 s; ℓmax = 0,8002 m ⇒ gmax = 9,8046 m/s2 ⇒ Sai số: ∆g = g max − g = 0,00355 Kết đo: g = g ± ∆g = 9,7911 ± 0,0036 m/s2 Câu Một học sinh tiến hành thí nghiệm Y-âng giao thoa ánh sáng Học sinh dùng hai khe có khoảng cách a =1,50 ± 0,01 (mm); đo khoảng cách từ hai khe đến quan sát D = 1,600 ± 0,001 (m) độ rộng 10 khoảng vân L = 8,00 ± 0,1 (mm) Sai số tỉ đối phép đo A 0,67% B 0,63% C 1,25% D 1,98% Hướng dẫn 19 Từ công thức: λ = D Sai số phép đo: δλ = δa + δD + δi = ⇒ δλ = ∆a ∆i ∆a ∆D ∆D ∆L + + = + + a i a D D L 0,01 0,001 0,01 + + = 0,01975 = 1,98% 1,50 1,600 8,00 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Phần thí nghiệm – thực hành tính sai số chương trình Vật lí trung học phổ thơng, nhìn chung phần không nặng kiến thức, kể kiến thức tốn kiến thức Vật lí, học sinh cảm thấy lúng túng giải vấn đề thực nghiệm tượng Vật lí, nguyên nhân nhiều giáo viên quen với lối dạy truyền thống, cịn phía học sinh quen với lối học phong trào “thi học ấy” Vì vậy, để giảm phần khó khăn đó, giáo viên muốn khai thác, giảng dạy tốt phần cần phải có giải pháp tốt để giải vấn đề Trên phần nhỏ kiến thức mà học sinh học trải chương trình Vật lí trung học phổ thơng, mong góp phần nâng cao chất lượng giáo dục đổi phương pháp dạy học giáo viên Trong khuôn khổ đề tài này, đưa giải pháp nhỏ để đạt hiệu sau đây: - Giới thiệu ôn tập kiến thức phần tính sai số phân tích kết tượng Vật lí - Đề xuất phương án giải vài tập, xử lí số liệu giúp học sinh học tập đạt hiệu cao - Vận dụng lý luận đưa phương pháp trực quan cho giáo viên, nhằm giúp học sinh tiếp thu kiến thức cách tích cực, chủ động, sáng tạo - Bản thân tự thay đổi thói quen dạy chay, truyền thụ chiều Học sinh có góc nhìn tổng qt tượng vật lí đam mê tìm hiểu thí nghiệm Ngồi chống lãng phí sở vật chất mà nhà nước trang bị cho sở giáo dục, nhằm nâng cao chất lượng giáo dục 20 3.2 Kiến nghị Các dụng cụ thí nghiệm mơn Vật lí nói riêng, mơn khoa học khác nói chung mà nhà trường trang bị, lưu kho Vì tơi có kiến nghị sau: - Đối với Sở Giáo dục Đào tạo, dùng đề tài để hỗ trợ tập huấn thí nghiệm - thực hành, đổi phương pháp dạy học nâng cao hiệu việc sử dụng thiết bị có giải pháp kiểm tra, bổ xung thiết bị cho sở giáo dục - Đối với trường THPT áp đề tài này, giúp giáo viên môn khoa học tự nhiên khác rút kinh nghiệm, hỗ trợ giải vấn đề giáo viên dạy chay, truyền thụ chiều, cịn tồn đọng đơn vị - Đối với giáo viên, tham khảo đề tài sử dụng giảng dạy thực hành chương trình Vật lí Hoặc kết hợp với cơng nghệ thơng tin, phần mềm thí nghiệm ảo thực hành Từ đó, kinh nghiệm cho thân nhằm nâng cao chất lượng dạy học, nghiệp giáo dục XÁC NHẬN CỦA Thanh Hóa, ngày 10 tháng năm 2020 THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Tôi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Tác giả đề tài MỤC LỤC 2.1.1 Cơ sở lý luận thí nghiệm, thực hành Vật lí 2.1.2 Cơ sở lí thuyết đơn vị Vật lí phép tính sai số 2.3 GIẢI PHÁP ĐÃ TIẾN HÀNH .8 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO David Halliday – Robert Resnick – Jearl Walker, Cơ sở Vật lí_5 tập: Nhà xuất Giáo dục Việt Nam (2011) Lương Dun Bình (tổng chủ biên), Vật lí 10 (chương trình chuẩn), Vật lí 11 (chương trình chuẩn), Vật lí 12 (chương trình chuẩn) Nhà xuất Giáo dục Việt Nam (2013) Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), - Vật lý lớp 10 Nâng cao, Vật lý lớp 11 Nâng cao, Vật lý lớp 12 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam (2013) Phạm Hữu Tòng, Tổ chức hoạt động nhận thức học sinh theo hướng phát triển lực tìm tịi sáng tạo giải vấn đề tư khoa học, Bài giảng cao học 2009 Đề thi THPT Quốc Gia, đề tham khảo, đề minh họa để thử nghiệm năm 2015, 2016, 2017, 2018, 2019 Mơn Vật lí_Bộ Giáo dục Đào tạo http://www.diendantinhoc.vn/ (diễn đàn tin học) http://www.softvnn.com.vn/ (các loại phần mềm ứng dụng tin học) http://mspil.net.vn/gvst/forums/ (diễn đàn mạng giáo viên sáng tạo) http://www.google.com (cơng cụ tìm kiếm lưu trữ mạng xã hội) DANH MỤC CÁC ĐỀ TÀI SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐÃ ĐƯỢC HỘI ĐỒNG 22 ĐÁNH GIÁ XẾP LOẠI CẤP PHÒNG GD&ĐT, CẤP SỞ GD&ĐT VÀ CÁC CẤP CAO HƠN XẾP LOẠI TỪ C TRỞ LÊN Họ tên tác giả: Phạm Văng Giang Chức vụ đơn vị cơng tác: Trường THPT Thiệu Hóa TT Tên đề tài SKKN Sử dụng phần mềm Power Kết Cấp đánh đánh giá giá xếp loại xếp loại (Phòng, Sở, (A, B, Tỉnh ) C) B Năm học đánh giá xếp loại 2007-2008 Point thí nghiệm ảo ứng dụng dạy học “Thấu Sở GD&ĐT Thanh Hóa kính mỏng” chương trình Vật lí 11 Xây dựng sử dụng phần mềm ResysphyTeach phân tích video học để hỗ trợ việc đánh giá, rút kinh Sở GD&ĐT Thanh Hóa C 2016-2017 Sở GD&ĐT Thanh Hóa B 2017-2018 nghiệm số tiết dạy học Vật lí trường trung học phổ thông Sử dụng phần mềm GeoGebra để khai thác số tập đồ thị điện xoay chiều trương trình Vật lí 12 23 ... lượng Vật lí - Hướng dẫn học sinh xác định sai số đo đại lượng Vật lí - Sử dụng số tập tính sai số vào giảng dạy - Giúp học sinh có nhìn tổng quan đơn vị Vật lí, phép đo sai số đại lượng Vật lí. .. góp phần vào phát triển khoa học kĩ thuật cơng nghệ ngày Vì vậy, tơi nghiên cứu, phân tích hướng dẫn học sinh tính sai số xử lí số liệu số thực hành vật lí trung học phổ thơng 1.3 Đối tượng nghiên... dạy học thực hành chương trình Vật lí trung học phổ thơng - Khảo sát thực tế việc sử dụng thiết bị thí nghiệm Vật lí nhà trường - Thu thập sử lí thông tin, khắc phục số sai lầm giáo viên học sinh