Thực hành vật lí phổ thông

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trực giác vật lí rèn luyện mà có Tuy nhiên dựa vào lí thuyết đạt độ uyên bác định, qua việc vận dụng kiến thức vào vấn đề thực tế học sinh có trực giác vật lí tốt Vì thực nghiệm, chất tượng bộc lộ với đủ khía cạnh Đặc biệt, đề kì thi học sinh giỏi quan tâm nhiều đến tập thí nghiệm thực hành Mặc dù thí nghiệm thực hành q trình giảng dạy vật lí quan tâm tài liệu thí nghiệm thực hành vật lí phổ thơng hạn chế Để phục vụ cho hoạt động giảng dạy thí nghiệm thực hành vật lí phổ thơng, làm phong phú thêm tài liệu thí nghiệm thực hành vật lí ơn thi học sinh giỏi, quan tâm đến vấn đề “Các thực hành Vật lí phổ thơng nâng cao” làm đề tài nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm vật lí, nghiên cứu lí thuyết, phương pháp đo lường vật lí… - Một số dạng tập thí nghiệm thực hành vật lí THPT thực hành vật lí dành cho thi HSG Đóng góp đề tài - Hệ thống lại kiến thức thí nghiệm thực hành vật lí THPT - Làm tài liệu trình giảng dạy thí nghiệm thực hành vật lí THPT Chương I LÝ THUYẾT VỀ PHÉP ĐO VÀ SAI SỐ PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÍ I.1 Phép đo đại lượng I.1.1 Phép đo - Định nghĩa phép đo: Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo - Kết đo lường AX giá trị số, định nghĩa tỉ số đại lượng cần đo X đơn vị đo X0 - Quá trình đo lường: trình đo trình xác định tỉ số AX = X/X0 (1.1) Từ (1.1) có phương trình phép đo: X = AX X0 , rõ so sánh X so với X0, muốn đo đại lượng cần đo X phải có tính chất giá trị so sánh Khi muốn đo đại lượng khơng có tính chất so sánh thường phải chuyển đổi chúng thành đại lượng so sánh Ví dụ: Đo dịng điện có cường độ I = 5A, có nghĩa là: đại lượng cần đo cường độ dòng điện I, kết số 5, đơn vị đo A (ampe) I.1.2 Các đặc trưng kỹ thuật đo - Đại lượng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo, phương pháp đo, kết đo, thiết bị đo, người quan sát thiết bị thu nhận kết đo I.1.3 Đại lượng đo - Định nghĩa: đại lượng đo thơng số đặc trưng cho đại lượng vật lí cần đo Mỗi q trình vật lí có nhiều thông số trường hợp cụ thể quan tâm đến thông số đại lượng vật lí định Ví dụ: Nếu đại lượng vật lí cần đo dịng điện đại lượng cần đo giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số … I.1.4 Phân loại đại lượng đo Chúng ta phân loại theo chất đại lượng đo, theo tính chất thay đổi đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo - Phân loại theo chất đối tượng đo - Phân loại theo tính chất thay đổi đại lượng đo - Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo I.1.5 Tín hiệu đo Tín hiệu đo loại tín hiệu mang đặc tính thơng tin đại lượng đo Trong trường hợp cụ thể tín hiệu đo tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo lường, nhiều trường hợp xem tín hiệu đo đại lượng đo I.1.6 Điều kiện đo Để kết đo đạt yêu cầu phải thực phép đo điều kiện xác định, thường phép đo đạt kết theo yêu cầu thực điều kiện chuẩn điều kiện qui định theo tiêu chuẩn quốc gia theo qui định nhà sản xuất thiết bị đo Khi thực phép đo cần phải xác định điều kiện đo để có phương pháp đo phù hợp I.1.7 Đơn vị đo Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ - Ví dụ: đại lượng đo độ dài đơn vị đo m (mét), inch, dặm…, đại lượng đo khối lượng có đơn vị đo kg (kilôgam), aoxơ (ounce), pound… Trên giới người ta quy ước đơn vị tiêu chuẩn gọi chuẩn Việt Nam sử dụng hệ đơn vị đo lường chuẩn hệ SI (viết tắt từ tiếng Pháp Système International d'Unités) Hệ SI gồm đơn vị bản, là: +) Đơn vị độ dài: mét (m) +) Đơn vị thời gian: giây (s) +) Đơn vị khối lượng: kilôgam (kg) +) Đơn vị nhiệt độ: kenvin (K) +) Đơn vị cường độ dòng điện: ampe (A) +) Đơn vị cường độ sáng: canđela (Cd) I.1.8 Phân loại phép đo - Đo trực tiếp: kết có sau lần đo - Đo gián tiếp: kết có phép suy từ số phép đo trực tiếp - Đo hợp bộ: gián tiếp phải giải phương trình hay hệ phương trình có kết - Đo thống kê: đo nhiều lần để thu kết ta phải lấy giá trị trung bình lần đo I.2 Sai số đại lượng phép đo Kết phép đo không hoàn toàn với giá trị thật đại lượng cần đo Hay phép đo gặp phải sai số Ngoài sai số dụng cụ đo, việc thực trình đo gây sai số (sai số ngẫu nhiên) - Ví dụ: Sau năm lần đo thời gian t, ta thu giá trị t1, t2, t3, t4, t5 Vì trình đo gặp phải sai số nên ta coi giá trị gần thời gian đo trung bình cộng năm lần đo t  t1  t  t  t  t 5 (1.2) - Sai số phép đo: sai số kết đo lường so với giá trị xác đại lượng đo - Giá trị thực Xth đại lượng đo: giá trị đại lượng đo xác định với độ xác (thường nhờ dụng cụ mẫu có cấp xác cao dụng cụ đo sử dụng phép đo xét) - Giá trị xác (giá trị đúng) đại lượng đo thường trước Vì đánh giá sai số phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth đại lượng đo Như ta có giá trị gần kết phép đo - Việc xác định sai số phép đo, tức xác định độ tin tưởng kết đo nhiệm vụ việc đo đại lượng - Sai số phép đo phân loại theo cách thể số, theo nguồn gây sai số theo qui luật xuất sai số I.2.1 Sai số hệ thống Sai số dụng cụ nhỏ độ xác (hay sai số) dụng cụ Độ xác dụng cụ giá trị nhỏ đại lượng cần đo mà dụng cụ đo - Thơng thường độ xác dụng cụ đo ghi dụng cụ Thước kẹp có độ xác 0,01mm (được ghi thước) dùng thước đo kích thước vật l ≥ 0,01mm sai số dụng cụ ∆Adc = 0,01mm Tương tự, cân phân tích có độ xác 0,001g sai số dụng cụ ∆Adc = 0,001g… - Trường hợp dụng cụ không ghi rõ độ xác sai số dụng cụ lấy giá trị độ chia nhỏ dụng cụ Một độ chia đồng hồ bấm giây 0,2s sai số dụng cụ ∆Adc = 0,2s Nhưng độ chia nhỏ dụng cụ có kích thước lớn nhiều so với khả phân giải mắt người làm thí nghiệm lấy sai số dụng cụ 1/2 độ chia nhỏ dụng cụ Nhiệt kế có độ chia 10 khoảng cách vạch liên tiếp lớn (hơn 1mm) sai số dụng cụ nhiệt kế lấy 0,50 - Đối với đồng hồ đo điện (ampe kế, vôn kế…), sai số hệ thống xác định dựa cấp xác dụng cụ ghi rõ đồng hồ dụng cụ Cấp xác dụng cụ khác với độ xác dụng cụ Cấp xác dụng cụ biểu thị sai số tương đối, tính phần trăm giá trị cực đại Amax mà thang đo Trong trường hợp sai số dụng cụ tính theo cơng thức: Adc  δA max (1.3) Ví dụ 1: Một miliampe kế có cấp xác δ = 1% thang đo sử dụng có giá trị cực đại Imax = 100mA, sai số tuyệt đối giá trị mà đo thang có giá trị Idc  1%.100  0, 01.100  1mA Nếu thang đo có 100 vạch chia độ chia nhỏ thang đo mili ampe kế có giá trị 1mA Trong trường hợp sai số tính theo cấp xác sai số dụng cụ lấy theo giá trị độ chia nhỏ Ví dụ 2: Một miliampe kế có cấp xác δ = 1,5% thang đo sử dụng có giá trị cực đại Imax = 100mA, sai số dụng cụ dùng thang đo ΔIdc  1, 5%.100  0, 015.100  1, 5mA Nếu thang đo có 100 vạch chia độ chia nhỏ thang đo có giá trị 1mA Khi khơng phép lấy sai số dụng cụ độ chia nhỏ thang đo miliampe kế (bằng 1mA) mà phải lấy sai số dụng cụ 1,5mA - Sai số dụng cụ thiết bị đo số xác định tổng sai số tính theo cấp xác tuỳ thuộc vào thang đo đồng hồ đo điện (công thức (1.3)) cộng với đơn vị chữ số có cấp nhỏ hình Ví dụ, vơn kế số có cấp xác δ = 1%, ta dùng thang đo có giá trị cực đại Umax = 10V, giá trị hiệu điện hình 5,7V Một đơn vị chữ số cuối tương ứng với 0,1V Sai số dụng cụ ∆Udc = 1%.10 + 0,1 = 0,2 V I.2.2 Sai số ngẫu nhiên Vì phép đo gặp sai số nên để tăng độ tin cậy cho kết đo cần tiến hành đo nhiều lần đại lượng vật lí Lặp lại phép đo thời gian rơi tự vật hai điểm A, B, ta nhận giá trị khác Sự sai lệch khơng có nguyên nhân rõ ràng, hạn chế khả giác quan người dẫn đến thao tác đo khơng chuẩn, điều kiện làm thí nghiệm không ổn định, chịu tác động yếu tố ngẫu nhiên bên Sai số gây trường hợp gọi sai số ngẫu nhiên Đối với sai số ngẫu nhiên, làm giảm loại bỏ sai số ngẫu nhiên trình đo đại lượng I.2.3 Sai số phép đo trực tiếp I.2.3.1 Giá trị trung bình Sai số ngẫu nhiên làm cho kết phép đo trở nên tin cậy Để khắc phục người ta lặp lại phép đo nhiều lần Khi đo n lần đại lượng X, ta nhận giá trị khác nhau: X1, X2, …Xn Giá trị trung bình chúng X = X1 + X + + X n n (1.4) gần với giá trị thực đại lượng cần đo X I.2.3.2 Sai số tuyệt đối ngẫu nhiên Giá trị tuyệt đối hiệu giá trị trung bình giá trị lần đo gọi sai số tuyệt đối ứng với lần đo X1  | X  X1 | , X  | X  X | , …, X n  | X  X n | (1.5) I.2.3.3 Sai số tuyệt đối trung bình n lần đo - Nếu phép đo thực nhiều lần sai số tuyệt đối trung bình tính theo cơng thức: A  A1  A   A n n (1.6) - Nếu không thực phép đo nhiều lần ( n  ) sai số tuyệt đối trung bình tính theo cơng thức: A  A max  A (1.7) I.2.3.4 Sai số phép đo - Sai số tuyệt đối phép đo tổng sai số ngẫu nhiên sai số dụng cụ:  A = A   A ' (1.8) Trong đó: +) A sai số ngẫu nhiên +) A' sai số dụng cụ, thơng thường đối lấy giá trị nửa độ chia nhỏ dụng cụ Còn dụng cụ đo có cấu tạo phức tạp (ví dụ đồng hồ vạn số) sai số dụng cụ tính theo cơng thức nhà sản xuất quy định I.2.3.5 Sai số tỉ đối - Sai số tỉ đối phép đo tỉ số sai số tuyệt đối giá trị trung bình đại lượng đo (tính phần trăm) δX = X X 100% - Sai số tỉ đối phép đo nhỏ phép đo xác (1.9) I.2.4 Sai số phép đo gián tiếp I.2.4.1 Một số quy tắc tính sai số phép đo gián tiếp 1) Sai số tuyệt đối tổng hay hiệu tổng sai số tuyệt đối số hạng 2) Sai số tỉ đối tích hay thương tổng sai số tỉ đối thừa số 3) Nếu công thức vật lí xác định đại lượng đo gián tiếp có chứa số (ví dụ: π , e,…) số phải lấy gần đến số lẻ thập phân cho sai số tỉ đối phép lấy gần gây bỏ qua, nghĩa phải nhỏ tổng 10 sai số tỉ đối có mặt cơng thức 4) Nếu công thức xác định đại lượng đo gián tiếp tương đối phức tạp, dụng cụ đo trực tiếp có độ xác tương đối cao, sai số phép đo chủ yếu gây yếu tố ngẫu nhiên, người ta thường bỏ qua sai số dụng cụ Đại lượng đo gián tiếp tính cho lần đo, sau lấy trung bình tính sai số ngẫu nhiên trung bình I.2.4.2 Ví dụ minh họa Ví dụ 1: F đại lượng đo gián tiếp, X, Y, Z đại lượng đo trực tiếp * Phương pháp chung: Bước 1: lấy lôgarit số e hai vế lnF = ln(X, Y, Z) (*) Bước 2: chuyển tất dấu âm biểu thức (*) thành dấu dương ta thu biểu thức (2*) Bước 3: vi phân hai vế biểu thức (2*) chuyển kí hiệu vi phân (dx) thành kí hiệu sai số ( x ) ta thu sai số tỉ đối phép đo đại lượng F theo sai số tỉ đối đại lượng X, Y, Z - Trường hợp 1: F = X + Y – Z + Lấy lôgarit số e hai vế biểu thức tính F lnF = ln(X + Y – Z) = lnX + lnY – lnZ + Đổi dấu biểu thức (1) ta có lnF = lnX + lnY + lnZ + Vi phân hai vế biểu thức (2*) dF dX dY dZ F X Y Z        F X Y Z F X Y Z - Trường hợp 2: F = Xk Y (với k số) Z + Lấy lơgarit số e hai vế biểu thức tính F (1*) (2*) lnF  ln Xk Y  ln(X k Y) – lnZ = k ln X + ln Y  ln Z Z + Đổi dấu biểu thức (*) ta có: lnF = k.lnX + lnY + lnZ (*) (**) + Vi phân hai vế biểu thức (2*) dF dX dY dZ F X Y Z k    k   F X Y Z F X Y Z Ví dụ 2: Trong phép đo xác định diện tích hình trịn thơng qua phép đo trực tiếp đường kính D Biết D = 50,6 ± 0,1 mm Giải - Diện tích hình trịn: S = πD - Nên sai số tỉ đối phép đo S: dS 2D dπ dπ    0, 4%  S D π π Trong trường hợp phải lấy π = 3,142 để π  0, 04% π I.2.5 Phương pháp hồi quy tuyến tính - Phương pháp bình phương tối thiểu, cịn gọi bình phương nhỏ hay bình phương trung bình tối thiểu, phương pháp tối ưu hóa để lựa chọn đường khớp cho dải liệu ứng với cực trị tổng sai số thống kê đường khớp liệu - Giả sử có điểm thực nghiệm (xi; yi) với i = 1, 2, 3, … n Chúng ta cần tìm hàm số f thỏa mãn yi = f(xi) Điểm đường (D) có hồnh độ xi tung độ yi Đại lượng  y( xi )  yi    i gọi độ lệch Giá trị phụ thuộc vào điểm thực nghiệm việc chọn hàm y = f(x) Hàm y = f(x) xem lí tưởng tổng bình phương giá trị  i nhỏ    ( i )2  Phương pháp khớp điểm thực nghiệm dựa tiêu chí phương pháp bình phương tối thiểu Trong trường hợp f hàm tuyến tính f = mx + b gọi hồi qui tuyến tính Khi đường thẳng (D) biểu diễn phương trình y = mx + b gọi đường thẳng gần qua điểm thực nghiệm Theo điều kiện bình phương tối thiểu đường thẳng (D) tối ưu  (  hàm m b) đạt giá trị nhỏ Do đó:    m     mx i  b  yi  xi   2  m ( xi )  b xi   ( xi yi )       m x  b  y       0   2  m ( xi )  n.b   yi   i i   b  n xi yi   xi  yi m  n xi2  ( xi )  Từ ta thu đại lượng (D):    yi  m xi b  n    x  m x  - Hệ số tương quan R  với  y   y   x i y i  ( xi )  ( yi ) n (1.10) (1.11) n +) Nếu R = điểm (xi, yi) thuộc đường thẳng y = mx + b +) Nếu 0,6  R  điểm (xi, yi) gần thuộc đường y = mx + b +) Nếu R < 0,6 giá trị yi khơng phụ thuộc tuyến tính với xi Các số liệu đo đạc thu khơng có ý nghĩa - Khi trình bày kết phương pháp hồi qui tuyến tính kết đo cần viết kết hệ số tương quan, tính sai số (nếu cần) I.2.6 Hạn chế, khắc phục sai số đo lường I.2.6.1 Sai số hệ thống - Chuẩn bị tốt trước đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước sử dụng; chuẩn bị trước đo; chỉnh "0" hay “quy không” trước đo… - Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép đo phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế… - Xử lý kết đo sau đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại), trường hợp sai số hệ thống khơng đổi loại cách đưa vào lượng hiệu chỉnh hay hệ số hiệu chỉnh - Trong thực tế khơng thể loại trừ hồn tồn sai số hệ thống Việc giảm ảnh hưởng sai số hệ thống thực cách: +) Trước đo phải xem xét điều kiện đo để chọn phương pháp đo phù hợp, sau đo cần phải gia cơng kết thu nhằm tìm kết xác +) Sử dụng dụng cụ đo có độ xác cao: đo thời gian đồng hồ số cảm biến quang, đo nhiệt độ đồng hồ số … +) Sử dụng dụng cụ đo nhà sản xuất có uy tín +) Sử dụng dụng cụ với thang đo phù hợp I.2.6.2 Đối với sai số ngẫu nhiên - Chúng ta làm giảm loại bỏ sai số ngẫu nhiên trình đo đại lượng số cách sau: +) Tiến hành đo điều kiện khách quan: nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm… +) Phải ý cẩn thận đọc giá trị đo +) Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần, loại bỏ giá trị có độ biến thiên lớn so với giá trị thu trước +) Khảo sát biến đổi đại lượng cần đo theo đại lượng đo trực tiếp cố định đại lượng lại có mặt cơng thức tham gia tính tốn đại lượng cần đo I.3 Cách viết kết đo Kết đo đại lượng X không cho dạng số, mà cho dạng khoảng giá trị chắn có chứa giá trị thực đại lượng X X  X  X  X  X hay X  X  X (1.12) Chú ý: * Các chữ số có nghĩa tất chữ số có số, tính từ trái sang phải, kể từ chữ số khác * Sai số tuyệt đối phép đo X thu từ phép tính sai số thường viết đến tối đa hai chữ số có nghĩa, cịn giá trị trung bình X viết đến bậc thập phân tương ứng * Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ sai số hệ thống ta bỏ qua sai sốngẫu nhiên (vì khơng thể đo kết xác cấp xác dụng cụ đo) * Trong trường hợp phép đo thực lần sai số tồn phần lấy sai số hệ thống (do dụng cụ đo) 10 - Hệ số tương quan: R = 0,9995 - Điện dung tụ điện: C  56,82.106 F = 56,82  F II.2.3 Hộp đen điện 1) Nội dung: Cho hộp kín chứa bốn phần tử sau: điện trở, điôt, tụ điện, cuộn cảm Hãy dựng đường đặc trưng vôn – ampe phần tử hộp kín, từ xác định thơng số phần tử đó: - Nếu điện trở xác định R - Nếu điơt xác định điện trở vi phân nhánh thuận rvt (được định nghĩa rvt  ΔU ) phần tuyến tính nhánh thuận đường đặc trưng vôn – ampe ΔI - Nếu tụ điện xác định C - Nếu cuộn cảm xác định L 2) Dụng cụ: - Biến nguồn: sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V – 50 Hz, điện áp ra: +) Điện áp xoay chiều (5A): V; V; V; 12 V +) Điện áp chiều (3 A): V; V; V; 12 V - Chiết áp điện tử: điện áp vào – 12 V, điện áp chiều điều chỉnh liên tục - Điện trở mẫu có núm xoay: điều chỉnh từ 10  100 với 10 - 02 đồng hồ đa số - Bộ dây nối điện 10 sợi, có phích cắm - 01 hộp kín 3) Yêu cầu: - Trong hộp kín chứa loại phần tử ? cách xác định ? - Vẽ mạch điện dùng để dựng đường đặc trưng vôn – ampe phần tử - Lập bảng số liệu đo, đơn vị sai số - Dựng đường đặc trưng vơn – ampe phần tử - Trình bày cách xác định thông số nêu phần tử kết 28 4) Gợi ý: a) Trước tiên cần xác định hộp kín X chứa loại phần tử b) Trong thực hành này, điện trở mẫu để giá trị cố định R0  50 , sử dụng để hạn chế cường độ dòng điện qua phần tử bảo vệ nguồn c) Để dựng đường đặc trưng vôn – ampe phần tử, cần phải đo điiện áp U hai đầu phần tử cường độ dòng điện qua phần tử Sử dụng kí hiệu sau để vẽ sơ đồ mạch điện dùng để đo U, I Chiết áp điện tử Biến nguồn n K A V Ampe kế Vơn kế X Điện trở mẫu Hộp kín Vơn kế có điện trở nội vơ lớn, ampe kế có điện trở nội nhỏ d) Mắc mạch điện sơ đồ vẽ, sau đó: - Cấp điện cho biến nguồn - Điều chỉnh chiết áp điện tử nhẹ nhàng với bước dịch chuyển từ giá trị nhỏ đến giá trị lớn Với giá trị, ghi số tương ứng vôn kế ampe kế vào bảng số liệu (Để đo U, vôn kế để thang đo 20 V; để đo I, cần chọn thang đo ampe kế cho phù hợp) - Trong thực nghiệm này, thí sinh phải đo 20 điểm e) Sử dụng bảng số liệu để dựng đường đặc trưng vôn – ampe giấy đồ thị phát Chú ý, trục tọa độ cần ghi rõ tên đại lượng đơn vị II.2.3.1 Bố trí thí nghiệm: - Thí nghiệm bố trí hình 11 K V A Hình 13 29 X II.2.3.2 Tiến hành thí nghiệm: +) Bước 1: Xác định phần tử X Cấp điện cho biến nguồn - Đóng khóa K, quan sát ghi số ampe kế vôn kế Điều chỉnh chiết áp điện tử nhẹ nhàng với bước dịch chuyển từ giá trị nhỏ đến giá trị lớn Với giá trị, ghi số tương ứng vơn kế ampe kế - Ngắt khóa K, đổi cực phần tử X Đóng khóa K, quan sát ghi số ampe kế vôn kế Điều chỉnh chiết áp điện tử nhẹ nhàng với bước dịch chuyển từ giá trị nhỏ đến giá trị lớn Với giá trị, ghi số tương ứng vôn kế ampe kế - Vẽ đường V – A: + Nếu I = dùng hiệu điện chiều X chứa tụ điện + Nếu đường V – A bất đối xứng X chứa điôt + Nếu đường V – A đường thẳng X chứa R cuộn cảm Nếu sử dụng hiệu điện xoay chiều mà hai đường V – A khơng trùng X chứa cuộn cảm +) Bước 2: Đóng khóa K Điều chỉnh chiết áp điện tử nhẹ nhàng với bước dịch chuyển từ giá trị nhỏ đến giá trị lớn Với giá trị, ghi số tương ứng vôn kế ampe kế vào bảng số liệu +) Bước 3: Đảo cực phần tử X Đóng khóa K Điều chỉnh chiết áp điện tử nhẹ nhàng với bước dịch chuyển từ giá trị nhỏ đến giá trị lớn Với giá trị, ghi số tương ứng vôn kế ampe kế vào bảng số liệu II.2.3.3 Xử lí số liệu: - Bảng số liệu: Đại lượng U(V) I( 103 mA ) U(V) I(mA) - 0,10 0,30 - 0,20 0,40 0,20 - 0,20 0,42 0,28 - 0,40 0,45 0,70 - 0,45 0,48 1,14 - 0,50 0,5 2,01 Lần đo 30 - 0,72 - 0,1 0,52 2,93 - 0,80 - 0,1 0,54 4,30 - 1,00 - 0,1 0,56 6,24 10 -1,43 - 0,2 0,57 8,20 11 - 2,45 - 0,3 0,58 9,12 12 - 3,44 - 0,4 0,60 13,34 13 - 4,42 - 0,5 0,61 18,69 14 - 5,20 - 0,6 0,62 20,20 15 - 6,14 - 0,7 0,63 24,50 16 0 0,64 28,30 17 0,10 0,65 33,60 18 0,20 0,66 41,80 - Biểu diễn điểm thực nghiệm đồ thị I(mA) 45 40 35 30 25 20 15 10 U (V) O0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 14: Đường đặc trưng vôn – ampe X ứng với hiệu điện thuận 31 U (V) -8 -6 -4 -2 O -0.001 -0.002 -0.003 -0.004 -0.005 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.01 I( 103 mA) Hình 15: Đường đặc trưng vơn – ampe X ứng với hiệu điện ngược - Kết quả: +) Đường đặc trưng V – A X bất đối xứng, X chứa điơt +) Cách đo rvt : phần tuyến tính nhánh thuận đường đặc trưng vôn – ampe, đo cặp giá trị I U tương ứng ghi vào bảng số liệu Từ đường đặc trưng vôn – ampe X ứng với hiệu điện thuận (hình 14), nhận thấy đồ thị có tuyến tính điểm (0,6; 13,34) Bảng số liệu Đại lượng ΔI (mA) ΔU (V) 0,92 0,02 21,74 2,29 0,04 17,47 4,23 0,06 14,18 7,11 0,08 11,25 11,33 0,10 8,83 Lần đo rvt  ΔU ( ) ΔI rvt  14, 69 () 32 U (V ) 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 I (mA) O0 10 12 Hình 16: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc U , I phần tử X có tuyến tính nhánh thuận đường đặc trưng vôn - ampe II.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ BÀI THỰC HÀNH VẬT LÍ Bài tập Xác định điện dung tụ điện (đề thi HSGQG năm 2003) Cho dụng cụ sau: 1) Một hộp điện trở mẫu cho phép tùy chọn điện trở có trị số nguyên từ 10Ω đến vài MΩ 2) Một nguồn điện xoay chiều có tần số f biết có hiệu điện hiệu dụng hai cực không đổi 3) Một nguồn điện chiều 4) Một máy đo điện cho phép đo cường độ dòng điện hiệu điện (một chiều, xoay chiều) 5) Các dây nối, ngắt điện có điện trở không đáng kể 6) 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, cơng thức tính tốn, điều cần ý để giảm sai số phép đo 33 Bài tập Xác định độ rộng khe lượng chất bán dẫn Sự phụ thuộc vào nhiệt độ điện trở bán dẫn biểu thị công thức:  E  RT   const exp    k T  Với ∆E độ rộng khe lượng (hiệu lượng vùng dẫn vùng hóa trị), k số Bôn – xơ – man Bằng cách đo điện trở bán dẫn khoảng nhiệt độ nhiệt độ mơi trường 200oC Hãy xác định ∆E (tính theo eV) Bài tập Có hộp đen, khơng phép mở Trong hộp có chứa linh kiện điện (điện trở, tụ điện, cuộn cảm) Trong hộp xác định linh kiện thông số điện linh kiện Ghi chú: Được phép sử dụng: nguồn điện xoay chiều có tần số 50Hz, nguồn điện chiều hai dụng cụ đo vạn năng; sai số đo dụng cụ 2% dùng cho dòng điện chiều, 3% dùng cho dòng điện xoay chiều Bài tập Cho nguồn điện có suất điện động khơng đổi, ampe kế, vôn kế, biến trở Hãy lắp dụng cụ theo sơ đồ cho phép ta vẽ đồ thị phụ thuộc cơng suất có ích P vào cường độ dòng điện i Sử dụng đồ thị này, hãy: 1) Tính điện trở r nguồn điện 2) Tính suất điện động nguồn 3) Vẽ đồ thị phụ thuộc cơng suất có ích P vào điện trở 4) Vẽ đồ thị phụ thuộc cơng suất tồn phần P1 vào điện trở 5) Vẽ đồ thị phụ thuộc hiệu suất η vào điện trở Chú ý: Khi vẽ đồ thị – phụ thuộc cơng suất có ích vào cường độ dịng điện phải vẽ tối thiểu từ 30 đến 35 điểm Bài tập Trong hộp kín có hai cực, người ta ghép hai điôt bán dẫn giống điện trở thành mạng đơn giản Hãy xác định giá trị điện trở dụng cụ sau đây: 1) Nguồn điện khơng đổi 2) Biến trở có chạy 3) Hai máy đo vạn năng, dây nối giấy kẻ ô li 34 Bài tập Cho dụng cụ sau đây: đèn bán dẫn, biến trở (140Ω), điện trở không đổi (300Ω), nguồn điện 9V, hai máy đo vạn (nhưng không dùng để đo điện trở), dây nối 1) Lắp mạch điện đo lường để vẽ đường đặc trưng vôn-ampe đèn bán dẫn phạm vi công suất tối đa 250mW Trước đo, nghĩ xem làm để đèn bán dẫn không bị tải, ghi lập luận vào báo cáo Vẽ sơ đồ mạch điện mà em dùng, phân tích sai số hệ thống mắc phải dùng mạch 2) Tính điện trở nội (điện trở động) đèn bán dẫn dịng có cường độ 25mA 3) Dùng sơ đồ hình bên để nghiên cứu phụ thuộc điện U2 điện vào U1 Lập bảng số liệu vẽ đồ thị Cho U1 biến đổi từ đến 9V Nêu cách mắc đèn cho U2 thật lớn Vẽ sơ đồ đầy đủ mạch lắp giải thích kết đo lường 4) Nếu U1 tăng từ 7V đến 9V U2 biến đổi bao nhiêu, giải thích định tính giá trị ∆U1/∆U2 5) Đèn bán dẫn dùng thí nghiệm loại đèn ? Nêu công dụng thực tế sơ đồ 3) Bài tập Bằng máy phát dao động điều hòa RC hai dụng cụ đo phát bí mật “hộp đen” có ba đầu dây Biết hộp đen có hai tụ điện điện trở mắc với theo kiểu hình Yêu cầu thực theo bước: Bước 1: Mắc dụng cụ theo sơ đồ hình bên tiến hành phép đo Ghi kết đo vào bảng Từ kết tính tổng trở Z12, Z13 Z23 đoạn mạch thay đổi tần số dòng điện từ 0,1kHz đến 10kHz máy phát RC (Tụ C với điện dung 1μF có mục đích chặn thành phần khơng đổi máy phát) Bước 2: Sử dụng giấy kẻ ô lôgarit, vẽ đồ thị biểu diễn biến thiên tổng trở Z theo tần số f khoảng tần số xét Bước 3: Chứng minh rằng, từ giá trị tổng trở, tính giá trị đại lượng R, C1, C2 Nêu biểu thức dùng để tính Bước 4: Dựa vào kết thu xác định xem điện trở tụ mắc vào chốt nào? Bước 5: Dựa vào biểu thức nêu bước tính giá trị R, C1 C2 cách sử dụng tần số 1kHz 10kHz Bước 6: Hãy đánh giá ảnh hưởng tới độ xác phép đo bỏ qua dòng điện chạy qua vôn kế 35 Bài tập Xác định thơng số điện hộp đen (có chốt ngoài) Cho dụng cụ: 1) Nguồn điện chiều khoảng 5V 2) Nguồn điện xoay chiều tần số 50Hz khoảng 30V 3) Hai máy đo cường độ dòng điện (một chiều xoay chiều) 4) Biến trở, dây nối Bài tập Hộp đen 9.1 Máy móc vật liệu 1) Một dao động động kí hai chùm tia 2) Một máy phát chức phát tín hiệu dạng sin, dạng tam giác, dạng vng dải tần số từ 0,02 Hz đến MHz 3) Một “hộp đen” với hai nhóm chốt nối: Nhóm ABCD nhóm A’B’C’D’ Ngồi cịn có hai chốt nối khác, độc lập với hai nhóm trên, dùng để nối với điện trở Rn = 5kΩ 4) Các dây nối có điện trở khơng đáng kể 5) Giấy vẽ đồ thị 9.2 Thí nghiệm Trong hộp đen có hai nhóm linh kiện thụ động (điện trở R, tụ điện C, cuộn cảm L) Nhóm thứ gồm ba yếu tố Z1, Z2, Z3 mắc hình Các linh kiện dẫn đến chốt nối A, B, C D, với A chốt nối chung nhóm ABCD Nhóm thứ hai gồm ba yếu tố Z’1, Z’2, Z’3 nối theo cách tương tự đến chốt A’, B’, C’, D’, với A’ chốt nối chung nhóm A’B’C’D’ 1) Sử dụng dao động ký máy phát chức năng, xác định loại thông số (R, C, L) yếu tố Z1, Z2, Z3 Z’1, Z’2, Z’3 2) Nối năm điểm B, C, B’, C’ D’ với Ta hộp đen với chốt nối DD’A’ (gọi nhóm DD’A’) a) Vẽ mạch điện hộp đen b) Đặt tín hiệu dạng sin từ máy phát vào chốt D A’ Vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc tỉ số biên độ hiệu điện K  hiệu điện vào tần số f tín hiệu sin 36 U D ' A' độ lệch pha φ U DA' c) Đồ thị có điểm đặc biệt tần số xác định f0 Xác định giá trị tần số f0, tỷ số K  U D ' A' độ lệc pha φ tần số U DA' Bài tập 10 Vận tốc truyền sóng sợi dây phụ thuộc vào lực căng F theo cơng thức v  F  ,  mật độ khối lượng dài (đã biết) Cho dụng cụ sau: 1) Máy phát dao động điều hoà 2) Gia trọng 3) Thước 4) Giấy vẽ đồ thị Trình bày phương án thực nghiệm xác định tần số máy phát Bài tập 11 Cho dụng cụ sau: 1) Nguồn điện chiều 2) Ampe kế 3) Vôn kế 4) Biến trở cuộn dây với chạy 5) Khóa ngắt điện dây nối cần thiết Hãy đề xuất mạch điện thích hợp để xác định suất điện động điện trở nguồn; thiết lập phụ thuộc công suất tiêu thụ điện mạch (Điện trở vôn kế lớn bỏ qua điện trở ampe kế) * Yêu cầu: a) Xác định điện trở nguồn điện b) Xác định suất điện động nguồn điện c) Xây dựng phụ thuộc công suất tiêu thụ điện biến trở R theo I (P =f(I)) d) Vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc công suất tiêu thụ điện biến trở theo giá trị điện trở R biến trở e) Vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc công suất tiêu thụ điện mạch theo điện trở R biến trở g) Vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất nguồn điện theo điện trở R biến trở Bài tập 12 Cho dụng cụ sau: 1) Một hộp điện trở mẫu cho phép tuỳ chọn điện trở có trị số nguyên từ 10  đến vài M 37 2) Một nguồn điện xoay chiều có tần số f biết có hiệu điện hiệu dụng hai cực không đổi 3) Một nguồn điện chiều 4) Một máy đo điện cho phép đo cường độ dòng điện hiệu điện (một chiều, xoay chiều) 5) Các dây nối, ngắt điện có điện trở khơng đáng kể 6) Một đồng hồ đo thời gian Hãy lập ba phương án xác định điện dung tụ điện Yêu cầu: nguyên tắc lí thuyết phép đo, cách bố trí thí nghiệm, cách tiến hành thí nghiệm, cơng thức tính tốn, điều cần ý để giảm sai số phép đo Bài tập 13 Cho dụng cụ sau: 1) Tụ điện 2) Ba điện trở biết giá trị, với sai số 5% ( R A  680 , RB  1500  RC  3300  ) 3) Biến hạ cho nguồn xoay chiều, f = 50 Hz 4) Vôn kế số 5) Các sợi dây nối điện 6) Các tờ giấy vẽ đồ thị có chia Chú ý: Máy đo vạn số thí nghiệm dùng để đo hiệu điện hiệu dụng R Khơng dùng để đo đại lượng khác Yêu cầu: a) Tìm biểu thức cho cơng suất tiêu hao trung bình P điện trở R theo  o , R, C  Suy điều kiện P cực đại c) Biến đổi biểu thức tìm a) thành biểu thức nêu phụ thuộc tuyến tính đại lượng  đại lượng  b) Vẽ đồ thị P theo R từ đồ thị này, tính giá trị điện dung C c) Từ b), vẽ đồ thị  theo  xác định điện dung C d) Ước tính sai số C thu b) c) 38 Bài tập 14: Cho dụng cụ sau: 1) Một dây đồng dây điện trở mayso (dùng bếp điện) 2) Một đồng hồ vạn thị kim (vôn – ampe – ôm kế) rõ thông số máy 3) Một acquy xe máy đổ dư axit nạp điện đủ (có thể lấy axit để dùng) 4) Một bơm tiêm (loại cm3, có chia độ đến 0,1 cm3) dùng để đo thể tích khí 5) Các điện trở than (thường dùng để lắp mạch điện tử, sai số 2,5%) có giá trị 10 ; 100 ; 1000 ; 5000 ; 20000  loại vài 6) Vài pin khô hỏng (mà em phá để lấy vật liệu) 7) Một số dụng cụ thông thường khác như: đồng hồ bấm giây, nhiệt kế, thước chia độ tới milimét, cốc đong… 8) Biết số Avôgađrô N = 6,023.1023 mol–1 Hãy xác định lại giá trị điện tích nguyên tố e phương pháp điện phân Chú ý: a) Khi bắt tay làm thí nghiệm, em phát thang đo dịng điện khơng hoạt động Em phải chuyển thang đo hiệu điện (từ đến V) thành thang đo cường độ dòng điện (từ đến A) Hãy đề xuất phương án chuyển thang đo em b) Để thực phương án mình, em phải làm điện trở dây mayso có giá trị tính trước, thang đo điện trở đồng hồ vạn không dùng để đo điện trở nhỏ Hãy đề xuất phương án để làm điện trở ý muốn c) Phương án thí nghiệm cần trình bày theo trình tự sau : – Ngun lí thí nghiệm, đại lượng cần đo cơng thức để tính giá trị đại lượng phải xác định – Sơ đồ thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm cụ thể cách làm thí nghiệm – Phương pháp xử lí số liệu – Tính sai số tỉ đối kết thí nghiệm mà em định làm Bài tập 15 Cho dụng cụ sau: 1) Hai acquy sắt kền 2) Một pin khô 3) Một cầu dây (một dây dẫn đồng có điện trở x chưa biết căng thước đo milimet có chạy) 39 4) Một hộp điện trở (có điện trở R) 5) Một điện kế (có số bảng chia độ) điện trở bảo vệ Yêu cầu: a) Lắp mạch điện bao gồm hai acquy mắc nối tiếp, hộp điện trở cầu dây b) Mắc nối tiếp pin khô với điện kế điện trở bảo vệ c) Hãy ghép hai mạch điện “a” “b” thành mạch điện cho phép ta tìm vị trí chạy cầu dây ứng với dòng điện qua điện kế d) Tìm tỉ số hiệu điện hai cực acquy suất điện động pin (coi hiệu điện hai cực hai acquy khơng đổi) d) Tìm điện trở chưa biết x 40 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, hạn chế song đề tài đạt số kết định, cụ thể sau: - Đề tài nghiên cứu làm sáng tỏ thêm số vấn đề thí nghiệm thực hành vật lí - Nghiên cứu sở lý thuyết đo lường, đại lượng đo, sở phép đo, phân loại phép đo… - Nghiên cứu cụ thể sai số, phân loại sai số, cách tính sai số phép đo đại lượng, hệ thống lại số thao tác việc xác định sai số phép đo trực tiếp phép đo gián tiếp - Nghiên cứu cách khắc phục sai số phép đo đại lượng - Giới thiệu số tập thí nghiệm thực hành vật lí THPT tập thực hành vật lí dành cho thi HSG 41 Tài liệu tham khảo [1] Lương Dun Bình, (1999), Vật lí đại cương, Nhà xuất Giáo dục [2] Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên) – Phạm Quý Tư (chủ biên), (2006), Sách giáo khoa vật lí 10 – Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục [3] Nguyễn Duy Thắng, Thực hành vật lí đại cương, Nhà xuất Đại học sư phạm [4] http://ipho.phy.ntnu.edu.tw/ [5] http://thuvienvatly.com/ [6] http://vatlysupham.hnue.edu.vn/ 42 ... lượng - Giới thiệu số tập thí nghiệm thực hành vật lí THPT tập thực hành vật lí dành cho thi HSG 41 Tài liệu tham khảo [1] Lương Duyên Bình, (1999), Vật lí đại cương, Nhà xuất Giáo dục [2] Nguyễn... TẬP THỰC HÀNH VẬT LÍ THPT VÀ NÂNG CAO II.1 THỰC HÀNH VẬT LÍ THPT II.1.1 Đo điện trở mạch cầu dây II.1.1.1 Mục đích thí nghiệm - Sử dụng mạch cầu cân để đo điện trở II.1.1.2 Dụng cụ thí nghiệm thực. .. đại lượng đo thông số đặc trưng cho đại lượng vật lí cần đo Mỗi q trình vật lí có nhiều thơng số trường hợp cụ thể quan tâm đến thơng số đại lượng vật lí định Ví dụ: Nếu đại lượng vật lí cần đo