8. Những đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
2.3. Thí nghiệm đo suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa
2.3.1. Khắc phục tình trạng số liệu hiển thị trên đồng hồ không ổn định
Khi tiến hành thí nghiệm này, người làm thường hay gặp tình trạng số liệu hiển thị trên các đồng hồ đo điện nhảy liên tục do những nguyên nhân sau:
- Các đồng hồ hiện số có đặc điểm khá nhạy với sự thay đổi điện áp hay dòng điện. - Điện trở của mạch không ổn định do các chỗ tiếp xúc trong mạch (hộp pin, biến trở, phích cắm dây nối và bảng mạch điện) không tốt, dẫn đến kết quả thay đổi khi có tác động của bên ngoài như bàn thí nghiệm bị rung, dây dẫn bị đụng chạm. - Điện trở trong của pin và biến trở tăng theo nhiệt độ do thời gian phát điện lâu, sự thay đổi này làm cho dòng điện trong mạch thay đổi theo.
→ Cải tiến về mặt thiết bị
Để quá trình điện hóa ở trong pin ổn định và biến trở không bị dòng điện làm tăng nhiệt độ liên tục thì mỗi lần đọc một số liệu xong nên sử dụng công tắc để ngắt mạch điện và chờ vài giây sau mới đóng mạch lại. Trong một phương án khắc phục điện trở tiếp xúc, tôi thay hộp pin con ó to của bộ thí nghiệm bằng hộp pin con ó nhỏ (hộp 2 pin và hộp 4 pin) mua ở chợ Nhật Tảo và sử dụng kẹp cá sấu để có sự tiếp xúc tốt. Việc sử dụng hộp pin có thuận lợi là tạo bộ nguồn mắc nối tiếp có điện trở trong lớn hơn.
Hình 2.28 - Một số hộp pin có trên thị trường.
Các dây dẫn chế tạo bởi các công ty trong nước chỉ hàn chì ở đầu dây, sau đó dùng ốc vít vặn lại nhưng được một thời gian thì các ốc vít bị lung lay và điện trở chỗ tiếp xúc không ổn định. Tìm hiểu cấu tạo của các dây dẫn của Đức ở phòng thí nghiệm nhà trường, tôi thấy sợi dây được hàn chì chặt vào phích cắm, vì vậy mà điện trở của mạch không bị thay đổi khi chạm vào dây. Áp dụng điều này, tôi đã hàn chì lại tất cả các phích cắm của các dây dẫn dùng trong thí nghiệm.
2.3.2. Cải thiện kĩ năng vẽ đồ thị biểu diễn kết quả đo trên giấy kẻ ô li
Trong nhiều thí nghiệm thực hành, giá trị của một đại lượng Vật lí có thể được xác định từ đồ thị. Kĩ năng vẽ đồ thị bằng tay là một trong những kĩ năng thực nghiệm quan trọng cần rèn luyện cho người làm thực nghiệm, nhưng do thiếu tài liệu hướng dẫn và ít được luyện tập thường xuyên nên người đo thường mắc nhiều sai sót và tốn nhiều thời gian vẽ đồ thị. Ở trang 86 và 87 của SGV 11 cơ bản có vẽ mẫu đồ thị từ số liệu đo được nhưng khi phân tích chi tiết thì thấy rằng các tác giả xác định các điểm rất đại khái và thiếu chuẩn xác. Dưới đây tôi sẽ trình bày cách vẽ đồ thị trên một trang giấy vở với các chú ý chung như sau:
- Vì các số liệu cần đo có giá trị dương nên đồ thị vẽ được chỉ nằm ở góc phần tư thứ nhất của hệ trục OIU. Do đó, ta vẽ các phần dương của hai trục tọa độ ở vạch ô ngoài cùng của trang giấy (có chừa lề).
- Để ý các giá trị của I và U đo được trong thực tế ta thấy giá trị của I biến thiên trong khoảng rộng hơn nên ta vẽ trục I (trục hoành) ở chiều dọc của trang giấy và trục U (trục tung) ở chiều ngang của trang giấy.
- Khi lấy số liệu, ta di chuyển biến trở trên một khoảng đủ rộng để các giá trị thu được cách xa nhau một khoảng tương đối, đồng nghĩa với các điểm trên đồ thị cũng cách xa nhau một khoảng đủ để các chấm không gần khít nhau. Về nguyên tắc, càng có nhiều cặp số liệu thì đồ thị vẽ được càng chuẩn xác. Ở đây tôi chọn từ 7 đến 10 cặp giá trị (I , U) với Imax, Umaxvẫn nằm trong trang giấy.
Các bước thực hiện
- Để chia độ trên trục I và trục U ta chú ý các giá trị Imax và Umax, sau đó tính toán xem nửa ô li vở trên các trục sẽ tương ứng với bao nhiêu mA, bao nhiêu mV sao cho các điểm cách xa nhau tương đối và không gian trang vở vẫn còn đủ để thực hiện phép ngoại suy.
- Khi vẽ đồ thị phải chú ý chia giá trị sao cho gần đúng nhất nhưng do vì độ chia quá nhỏ nên không yêu cầu phải chính xác một cách tuyệt đối.
- Sau khi xác định được các điểm ứng với các cặp giá trị đã chọn trên đồ thị ta tiến hành vẽ đoạn thẳng đi qua các điểm này theo đúng phương pháp vẽ đồ thị đã trình
bày ở chương I. Chú ý rằng ta không cần vẽ các ô sai số hay chữ thập do chúng có kích thước khá nhỏ mà chỉ cần thể hiện bằng một chấm. Sai số chủ yếu khi vẽ đồ thị bằng tay là do cách thực hiện vẽ đồ thị phụ thuộc nhiều vào yếu tố chủ quan như thước kẻ, nét bút, mắt quan sát...
- Khi vẽ đoạn thẳng nối các điểm thì mỗi người sẽ vẽ một đoạn thẳng khác nhau nhưng do độ dốc của chúng chênh lệch nhau không đáng kể nên kết quả không khác nhau nhiều lắm.
- Trên thị trường hiện nay (ở các nhà sách), có bán giấy ô li kĩ thuật (khổ có kích thước 50 cm x 70 cm chỉ có giá 5000 đồng) chuyên dùng cho vẽ đồ thị thực nghiệm. Vẽ đồ thị trên giấy này sẽ thuận lợi trong việc chia độ trên các trục, cho hình ảnh có kích thước lớn và kết quả ngoại suy chính xác hơn. Ngoài ra, các phần mềm vẽ đồ thị cũng là công cụ hữu ích để kiểm tra nhanh kết quả thực nghiệm.
2.3.3. Hiệu quả cải tiến Trước khi cải tiến Trước khi cải tiến
- Số liệu hiển thị trên các đồng hồ đo không ổn định do chỗ tiếp xúc trong mạch không tốt. Kết quả là số liệu đo được bị thay đổi do tác động của ngoại cảnh khiến người đo không biết đọc giá trị nào và cho rằng đồng hồ bị hư.
- Việc vẽ đồ thị bằng tay không chính xác dẫn đến kết quả ngoại suy cũng sai theo.
Sau khi cải tiến
Sau khi hàn lại các đầu dây thì không còn tình trạng nhảy số liệu lung tung nữa, các nhóm thực hành bình thường với tâm lí khá thoải mái. Các hộp pin AA và kẹp cá sấu mua ở ngoài thị trường đều hoạt động tốt, tạo điều kiện thực hiện các thí nghiệm đo suất điện động và điện trở trong của bộ pin. Để nhấn mạnh hiệu quả thực hiện của mình, đáng lẽ tôi phải đưa vào phần trình bày này một số số liệu trước khi cải tiến, tuy nhiên tôi nghĩ là không cần thiết vì những gì thu được thật sự thì không nhất thiết phải có nguồn minh chứng. Các thí nghiệm đã tiến hành và kết quả:
- Dụng cụ: Bảng mạch điện của bộ thí nghiệm đại trà, 2 đồng hồ đo điện đa năng hiện số dùng làm vôn kế và ampe kế, hộp pin đôi, 2 pin tiểu (mắc nối tiếp vào hộp
pin), 1 pin con ó to và hộp pin, điện trở thuần R0 = 10 Ω, biến trở con chạy, khóa K đóng ngắt mạch thay bằng việc tháo lắp ampe kế ra khỏi mạch.
- Thí nghiệm 1: Vôn kế mắc vào hai đầu đoạn mạch chứa pin và R0, vôn kế để ở thang 20 DCV, ampe kế để ở thang 200 DCmA, sử dụng 1 pin con ó to và hộp pin. + Khi mạch hở (tháo dây nối ampe kế ra khỏi mạch): vôn kế chỉ U = E = 1,56 V. + Khi mạch kín và di chuyển con chạy của biến trở, ta thu được số liệu ở bảng 2.6:
Bảng 2.6 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 1.
I (mA) 14,5 15,9 17,7 19,5 22,7 26,9 31,6 37,7 47,5 64,6 U (V) 1,40 1,39 1,37 1,35 1,31 1,26 1,21 1,14 1,03 0,85 Có thể thấy ngay mức độ hiệu quả của kết quả cải tiến qua đồ thị vẽ bằng phần mềm Excel. Ta có phương trình đồ thị U = f(I) vẽ được bằng Excel là y = - 11,132x + 1,15634. So sánh với phương trình U = E - I (r + R0) ta suy ra E = 1,5634V và r = 1,132 Ω. Chart Title y = -11.132x + 1.5634 R2 = 0.9995 0 0.5 1 1.5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 U Linear (U)
Hình 2.30 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.6
- Thí nghiệm 2: Vôn kế mắc vào hai đầu đoạn mạch chứa pin, vôn kế để ở thang 2000 DCmV, ampe kế để ở thang 200 DCmA, sử dụng 1 pin con ó to và hộp pin. + Khi mạch hở (tháo dây nối ampe kế ra khỏi mạch): vôn kế chỉ U = E = 1541 mV. + Khi mạch kín và di chuyển con chạy của biến trở, ta thu được số liệu ở bảng 2.7:
Bảng 2.7 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 2.
I (mA) 13,9 14,9 15,9 17,2 18,5 20,4 28,7 32,3 38,5 47,8 64,6 U (V) 1384 1373 1362 1346 1332 1310 1216 1175 1104 999 810
Vôn kế mắc vào 2 đầu đoạn mạch chứa pin và Ro y = -11.336x + 1.5414 R2 = 1 0 0.5 1 1.5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 U (V) Linear (U (V))
Hình 2.31 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.7
Ta có phương trình đồ thị suy ra E = 1,5414 V và r = 1,336 Ω.
- Thí nghiệm 3: Vôn kế để ở thang 20 DCV mắc vào hai đầu đoạn mạch chứa bộ nguồn gồm 2 pin tiểu mắc nối tiếp, ampe kế để ở thang 200 DCmA.
+ Khi mạch hở (tháo dây nối ampe kế ra khỏi mạch): vôn kế chỉ U = E = 2,75 V. + Khi mạch kín và di chuyển con chạy của biến trở, ta thu được số liệu ở bảng 2.8:
Bảng 2.8 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 3.
I (mA) 24,6 28,4 30,8 33,4 38,5 60,0 68,7 81,2 95,6 118 146,9 U (V) 2,67 2,66 2,65 2,64 2,63 2,57 2,55 2,52 2,47 2,41 2,34
Vôn kế mắc vào hai cực của bộ nguồn
y = -2.719x + 2.7355 R2 = 0.9988 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 0 0.05 0.1 0.15 0.2 U (V) Linear (U (V))
Hình 2.32 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.8
Từ phương trình đồ thị, ta suy ra: Eb = 2,7355 V và rb = 2,719 Ω.
- Thí nghiệm 4: Sử dụng hộp pin đôi tạo ra bộ nguồn gồm 2 pin tiểu mắc nối tiếp, vôn kế mắc vào hai đầu đoạn mạch chứa pin và R0, vôn kế lúc này để ở thang 20 DCV, ampe kế để ở thang 200 DCmA.
+ Khi mạch kín và di chuyển con chạy của biến trở, ta thu được số liệu ở bảng 2.9:
Bảng 2.9 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 4.
I (mA) 25,1 26,3 27,5 30,1 32,3 35,0 48,7 56,1 66,1 76,6 93,5 U (V) 2,45 2,43 2,41 2,38 2,35 2,31 2,13 2,04 1,90 1,76 1,54
Vôn kế mắc vào hai đầu đoạn mạch chứa bộ nguồn và Ro
y = -13.259x + 2.7782 R2 = 0.9999 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 U (V) Linear (U (V))
Hình 2.33 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.9.
Từ phương trình đồ thị, ta suy ra: Eb = 2,7782 V và rb = 3,259 Ω.
- Khi thực hiện vẽ đồ thị trên giấy ô li vở theo hướng dẫn thì kết quả thu được sai lệch rất ít so với đồ thị vẽ được bằng phần mềm Excel.
Hình 2.34 - Đồ thị U = f(I) vẽ trên giấy ô li vở với số liệu trong bảng 2.6.
Độ chia các trục: trục hoành 1/2 ô li là 1 mA, trục tung ¼ ô li là 0,01 V. Kết quả: E = 1,56 V, Im = 140 mA, suy ra r = 1,1429 Ω
Hình 2.35 - Đồ thị U = f(I) vẽ trên giấy ô li nhỏ với số liệu trong bảng 2.6
Độ chia các trục: trục hoành 1 ô li là 1 mA, trục tung 1 ô li là 0,01 V. Kết quả: E = 1,56 V, Im = 141 mA, suy ra r = 1,0638 Ω
2.4. Thí nghiệm đo tiêu cự thấu kính phân kì
2.4.1. Tạo cơ sở đảm bảo sự đồng trục của các thấu kính
Bộ thiết bị với ưu điểm là hệ thống giá quang học và con trượt được thiết kế dọc theo đường giữa giá đã đảm bảo sự đồng trục của hệ thấu kính, có thể di chuyển và đọc vị trí các TK dễ dàng trên giá. Tuy nhiên, trong quá trình thực hành, người đo thường không chú ý đến việc phải đảm bảo sự đồng trục của các thấu kính và mặt thấu kính phải vuông góc với trục chính, dẫn đến kết quả đo không chuẩn xác. Có thể khẳng định điều này từ ví dụ về sự tạo ảnh qua TKHT: Theo hình 2.36 ta thấy nếu ban đầu TKHT đặt vuông góc với giá quang học thì khi TK không đặt vuông góc nữa sẽ tương tự như việc ta quay TK đi một góc nhỏ nào đó quanh trục thẳng đứng, khi đó khoảng cách từ vật tới TK sẽ giảm (d2 < d1) và vì tiêu cự TK không đổi nên khoảng cách từ ảnh tới TK thay vì là d’1 sẽ là d’2 > d’1. Việc TK quay tương tự như trường hợp TK đặt vuông góc với giá và ta di chuyển vật trên mặt phẳng chứa trục chính và vuông góc với TK.
(2) • S (1) Trục chính khi TK ở vị trí (1) Trục chính khi TK ở vị trí (2) d1 d2 O • S • S’ S • • S’ (1) (2) (1) (2)
Hình 2.36 – Mô phỏng sự tạo ảnh qua TKHT với điểm sáng không thuộc trục chính
Cả vật và ảnh khi này đều không còn nằm trên trục chính của TK nữa nên ảnh thu được khi điều chỉnh rõ nét thật ra chỉ là hình chiếu của ảnh lên màn. Có thể kiểm tra xem ảnh thu được có đúng không ta xét sự bằng nhau về tỉ lệ chiều cao giữa vật và ảnh với tỉ số các khoảng cách từ vật và ảnh tới TK, tất nhiên là độ chính xác còn tùy thuộc vào kết quả đo chiều dài.
→ Cải tiến về mặt thiết bị
Trên các con trượt và trục cắm ta dán các vạch đứng trùng nhau. Khi thực hành, người đo có thể dựa vào các vạch này để canh chuẩn xem các mặt TK có thật sự vuông góc với giá không và có cao bằng nhau không. Có thể dùng dây dọi nhưng thực tế cho thấy các thao tác canh chuẩn dây dọi tốn nhiều thời gian.
2.4.2. Tăng độ chính xác của kết quả xác định vị trí ảnh trên màn
Trong thí nghiệm này, kết quả thu được phụ thuộc nhiều vào kĩ năng và chủ quan của người thực hiện trong việc tìm đúng vị trí của các ảnh thật. Sau nhiều lần đo, tôi thấy số liệu thu được rất ít trường hợp cho kết quả tiêu cự là -7cm theo như số liệu của nhà sản xuất cung cấp.
Theo hướng dẫn của các tài liệu, để giảm sai số mắc phải thì sau khi dịch chuyển màn và tìm được vị trí ảnh rõ nét, ta cần xê dịch màn tiến lùi quanh vị trí này nhằm tìm được vị trí mắt cảm thấy ảnh rõ nét nhất, loại bỏ những lần đo có kết quả sai lệch nhiều. Tuy nhiên, thực tế là sau nhiều lần thí nghiệm thì người làm sẽ khá mỏi mắt và không tin tưởng vào khả năng nhìn của mắt mình nữa. Vì vậy cần thiết phải có một hệ thống tương đối đơn giản bổ trợ cho việc quan sát của mắt.
→ Cải tiến về mặt thiết bị
Theo lí thuyết, khi ảnh thu được trên màn là rõ nét nhất thì năng lượng ánh sáng tập trung trên màn là lớn nhất. Trước bài thực hành này HS đã được học kiến thức về dòng điện trong chất bán dẫn và các linh kiện bán dẫn trong đó có quang điện trở. Thông tin mà các em thu được là điện trở của quang điện trở sẽ bị giảm