SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NAM ĐỊNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ HỒNG PHONG ______________________________ HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Chuyên đề: THÍ NGHIỆM VẬT LÍ TRONG TRƯỜNG THPT Tác giả: Nguyễn Văn Huyên Nam Định, tháng 8 năm 2014 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT MỤC LỤC I. ĐẶT VẤN ĐỀ.........................................................................................................................................4 II. NỘI DUNG...........................................................................................................................................5 II.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT..............................................................................................................................5 1. Phép đo và sai số...........................................................................................................................5 1.1 Phép đo.......................................................................................................................................5 1.2 Sai số...........................................................................................................................................5 1.2.2 Sai số của phép đo trực tiếp...............................................................................................5 1.2.3 Xác định sai số gián tiếp......................................................................................................7 2. Đồ thị thực nghiệm...........................................................................................................................10 2.2 Một số bài tập vận dụng............................................................................................................11 3. Phương pháp bình phương tối thiểu tìm hàm đa thức.....................................................................15 3.1 Phương pháp.............................................................................................................................15 3.1.1 Tổng quát...........................................................................................................................15 1.3.2 Vận dụng với phương trình đường thẳng: y=ax+b.............................................................16 1.3.3 Tuyến tính hóa hàm số......................................................................................................16 1.3.4 Một số bài toán vận dụng..................................................................................................17 4. Thiết lập phương án thí nghiệm.......................................................................................................22 4.1 Cơ sở lí thuyết............................................................................................................................22 4.1.1 Mục đích...........................................................................................................................22 4.1.2 Các bước lập phương án thí nghiệm..................................................................................22 4.2 Một số các đại lượng vật lí cơ bản trong chương trình Vật lí phổ thông.........................................22 4.3 Bài tập vận dụng.............................................................................................................................23 II.2 BÀI TẬP VẬN DỤNG TỔNG HỢP......................................................................................................32 Bài 1. (HSGQG 2005)........................................................................................................................32 Bài 2. (HSGQG 2004)........................................................................................................................32 Bài 3. (HSGQG 2007)........................................................................................................................33 Bài 4. (HSGQG 2005)........................................................................................................................33 Bài 6. (HSGQG 2007)........................................................................................................................34 Bài 7. (HSGQG 2004).............................................................................................................................35 Bài 8. (HSGQG 2008)........................................................................................................................35 Bài 9. (HSGQG 2004)........................................................................................................................36 Bài 10. (HSGQG 2007)......................................................................................................................36 Bài 11. (HSGQG 2007)......................................................................................................................37 Bµi 12. (HSGQG 2008).....................................................................................................................37 Bµi 13. (HSGQG 2008).....................................................................................................................38 Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 2 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT III. KẾT LUẬN.........................................................................................................................................40 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................41 Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 3 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT I. ĐẶT VẤN ĐỀ Vật lí là một khoa học thực nghiệm, học vật lí trong trường phổ thông là học tập gắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện tượng vật lí trong thế giới tự nhiên để giúp HS hiểu biết các quy luật của nó và cùng chung sống với thực tiễn đời sống xã hội. Thí nghiệm thực hành Vật lí trong trường Trung học phổ thông là một trong những mục đích quan trọng giúp học sinh hình thành nên những nét nhân cách con người thông qua những kĩ năng khoa học và các thao tác tư duy logic vật lí, đồng thời qua đó giúp HS hiểu sâu sắc hơn các khái niệm, hiện tượng vật lí, giải thích được các hiện tượng vật lí đơn giản đang xảy ra trong thế giới tự nhiên và xung quang chúng ta. Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT giúp học sinh củng cố và khắc sâu những kiến thức, kĩ năng thu được từ thực tiễn và các bài giảng lí thuyết, gắn lí thuyết với thực hành, học đi đôi với hành, giúp học sinh tin tưởng vào các chân lí khoa học. Hơn nữa, giúp học sinh rèn luyện các kĩ năng vận dụng sáng tạo, tự tin và đạt kết quả cao khi làm các bài thi HSG quốc gia và Olympic Vật lí. Vì vậy, coi trọng thí nghiệm Vật lí trong trường THPT, đặc biệt là trong các trường THPT Chuyên là định hướng lâu dài và vững chắc cho mục tiêu đào tạo nhân cách HS để hình thành các năng lực cho HS trong những năm tới và mai sau. Đây cũng là một tất yếu của nghiên cứu Vật lí. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 4 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT II. NỘI DUNG II.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1. Phép đo và sai số 1.1 Phép đo - Phép đo trực tiếp: Đo một đại lượng vật lí có nghĩa là so sánh nó với một đại lượng cùng loại mà ta chọn làm đơn vị. - Phép đo gián tiếp: giá trị của đại lượng cần đo được tính từ giá trị của các phép đo trực tiếp khác thông qua biểu thức toán học. 1.2 Sai số 1.2.1 Phân loại Khi đo một đại lượng vật lí, dù đo trực tiếp hay gián tiếp, bao giờ ta cũng mắc phải sai số. Người ta chia thành hai loại sai số như sau: a. Sai số hệ thống: Sai số hệ thống xuất hiện do sai sót của dụng cụ đo hoặc do phương pháp lí thuyết chưa hoàn chỉnh, chưa tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số hệ thống thường làm cho kết quả đo lệch về một phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số hệ thống có thể loại trừ được bằng cách kiểm tra, điều chỉnh lại các dụng cụ đo, hoàn chỉnh phương pháp lí thuyết đo, hoặc đưa vào các số hiệu chỉnh. b. Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên sinh ra do nhiều nguyên nhân, ví dụ do hạn chế của giác quan người làm thí nghiệm, do sự thay đổi ngẫu nhiên không lường trước được của các yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo lệch về cả hai phía so với giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số ngẫu nhiên không thể loại trừ được. Trong phép đo cần phải đánh giá sai số ngẫu nhiên. 1.2.2 Sai số của phép đo trực tiếp a. Giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên của phép đo Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần. Kết quả đo lần lượt là A1 , A2 ,... An . n Đại lượng A + A2 + .... + An A= 1 = n ∑A i =1 i (1) được gọi là giá trị trung bình của đại n lượng A trong n lần đo. Số lần đo càng lớn, giá trị trung bình A càng gần với giá trị thực A. Các đại lượng: Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 5 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT ∆A1 = A − A1 ∆A2 = A − A2 ..................... ∆An = A − A n được gọi là sai số tuyệt đối trong mỗi lần đo riêng lẻ. Để đánh giá sai số của phép đo đại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình. n Theo lí thuyết xác suất, sai số toàn phương trung bình là: σ= ∑ ( ∆A ) i =1 i n( n − 1) 2 (2) và kết quả đo đại lượng A được viết: A = A ± σ (3) Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với một xác suất nhất định sẽ nằm trong khoảng từ A − σ đến A + σ , nghĩa là: A - σ ≤ A ≤ A+σ Khoảng [( A - σ ),( A + σ )] gọi là khoảng tin cậy. Sai số toàn phương trung bình σ chỉ được dùng với các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao và số lần đo n lớn. Nếu đo đại lượng A từ 5 đến 10 lần, thì ta dùng sai số tuyệt đối trung bình số học ∆A (sai số ngẫu n nhiên) được định nghĩa như sau: ∆A = ∑ ( ∆A ) i i =1 (4) n Kết quả đo lúc này được viết dưới dạng: A = A ± ∆A (5) Ngoài sai số tuyệt đối, người ta còn sử dụng sai số tỉ đối được định nghĩa như sau: δ= ∆A .100 0 0 (6) A Kết quả đo được viết như sau: A = A ± δ 0 0 (7) Như vậy, cách viết kết quả phép đo trực tiếp như sau: - Tính giá trị trung bình A theo công thức (1) - Tính các sai số ∆A theo công thức (4) hoặc (6). - Kết quả đo được viết như (5) hoặc (7). b. Sai số dụng cụ Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định. Nếu dùng dụng cụ này để đo một đại lượng vật lí nào đó thì đương nhiên sai số nhận được không thể vượt quá độ chính xác của dụng cụ đó. Nói cách khác, sai số của phép đo không thể nhỏ hơn sai số dụng cụ. Tuy nhiên cũng vì một lí do nào đó, phép đo chỉ được tiến hành một lần hoặc độ nhạy của dụng cụ đo không cao, kết quả của các lần đo riêng lẻ trùng nhau. Trong trường hợp đó, ta phải dựa vào độ nhạy của dụng cụ để xác định sai số. Sai số ∆A thường được lấy bằng nửa giá trị của độ chia nhỏ nhất của dụng cụ. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 6 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Khi đo các đại lượng điện bằng các dụng cụ chỉ thị kim, sai số được xác định theo cấp chính xác của dụng cụ. Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2. Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện thế thì sai số mắc phải là ∆U = 2 0 0 .200 = 4V . Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là: U = 150 ± 4V Khi đo các đại lượng điện bằng các đồng hồ đo hiện số, cần phải lựa chọn thang đo thích hợp. - Nếu các con số hiển thị trên mặt đồng hồ là ổn định (con số cuối cùng bên phải không bị thay đổi) thì sai số của phép đo có thể lấy giá trị bằng tích của cấp chính xác và con số hiển thị. Ví dụ: đồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng cụ đo hiện số), giá trị điện áp hiển thị trên mặt đồng hồ là: U = 218 V thì có thể lấy sai số dụng cụ là: ΔU = 1 0 0 .218 = 2,18 V Làm tròn số ta có U = 218,0 ± 2,2 V - Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn định (nhảy số), thì sai số của phép đo phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong khi đo. Ví dụ: khi đọc giá trị hiển thị của điện áp bằng đồng hồ nêu trên, con số cuối cùng 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 này lấy giá trị trung bình U = 217 V. Sai số phép đo cần phải kể thêm sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo ΔU n = 2 V. Do vậy: U = 217,0 ± 2,2 ± 2 = 217,0 ± 4,2 V Chú ý: - Nhiều loại đồng hồ hiện số có độ chính các cao, do đó sai số phép đo chỉ cần chú ý tới thành phần sai số ngẫu nhiên. - Trường hợp tổng quát, sai số của phép đo gồm hai thành phần: sai số ngẫu nhiên với cách tính như trên và sai số hệ thống (do dụng cụ đo) 1.2.3 Xác định sai số gián tiếp a. Giá trị trung bình trong phép đo gián tiếp Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số A = f ( x, y, z ) Trong đó x, y, z là các đại lượng đo trực tiếp và có giá trị x = x ± ∆x y = y ± ∆y z = z ± ∆z Giá trị trung bình A được xác định bằng cách thay thế các giá trị x, y, z vào hàm trên, nghĩa là A = f ( x , y , z ). Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 7 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT b. Sai số gián tiếp: Sai số ∆A được tính bằng phương pháp vi phân theo một trong hai cách sau: Cách 1 Sử dụng thuận tiện khi hàm f ( x, y, z ) là một tổng hay một hiệu (không thể lấy logarit dễ dàng). Cách này gồm các bước sau: +1 Tính vi phân toàn phần của hàm A = f ( x, y, x) , sau đó gộp các số hạng có chứa vi phân của cùng một biến số. +2 Lấy giá trị tuyệt đối của các biểu thức đứng trước dấu vi phân d và thay dấu vi phân d bằng dấu ∆ . Ta thu được ∆A . +3 Tính sai số tỉ đối (nếu cần). Cách 2 Sử dụng thuận tiện khi hàm f ( x, y, z ) là dạng tích, thương, lũy thừa.... Cách này cho phép tính sai số tỉ đối, gồm các bước: +1 Lấy logarit cơ số e của hàm A = f ( x, y, z ) +2 Tính vi phân toàn phần hàm ln A = ln f ( x, y, z ) , sau đó gộp các số hạng có chưa vi phân của cùng một biến số. +3 Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d thành ∆ ta có δ = ∆A A +4 Tính ∆A = A . δ 1.2.4 Cách viết kết quả a. Các chữ số có nghĩa Tất cả các chữ số từ trái sang phải, kể từ số khác không đầu tiên đều là chữ số có nghĩa. Ví dụ: 0,014030 có 5 chữ số có nghĩa. b. Quy tắc làm tròn số - Nếu chữ số ở hàng bỏ đi có giá trị < 5 thì chữ số bên trái nó vẫn giữ nguyên. Ví dụ: 0,0731 → 0,07 - Nếu chữ số ở hàng bỏ đi có giá trị ≥ 5 thì chữ số bên trái nó tăng thêm một đơn vị . Ví dụ: 2,83745 → 2,84 c. Cách viết kết quả - Sai số tuyệt đối ∆A và sai số trung bình đều được làm tròn theo quy tắc trên - Khi viết kết quả, giá trị trung bình được làm tròn đến chữ số cùng hàng với chữ số có nghĩa của sai số tuyệt đối. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 8 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Chú ý rằng khi viết kết quả cuối cùng, sai số toàn phần sẽ bằng tổng sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống: ∆TP = ∆ NN + ∆ HT Nếu sai số ngẫu nhiên nhỏ hơn sai số hệ thống thì ta bỏ qua sai số ngẫu nhiên đó (vì không thể đo được kết quả chính xác hơn cả cấp chính xác của dụng cụ đo). Trong trường hợp phép đo chỉ thực hiện một lần thì sai số toàn phần được lấy chính là sai số hệ thống (do dụng cụ đo). 1.2.5 Bài tập vận dụng Bài 1. Thời gian phản ứng của người là thời gian từ lúc người tiếp nhận hiện tượng đến khi người đó bắt đầu có hành động đáp trả. Ví dụ, người lái xe trên đường nhìn thấy một con chó chạy qua và phanh gấp thì thời gian phản ứng là thời gian tính từ khi nhìn thấy con chó đến khi đạp phanh. Để xác định thời gian phản ứng của mình, An và Nam đã tiến hành một thí nghiệm như sau: An thả một vật, Nam sẽ thực hiện động tác bắt vật ngay sau khi nhìn thấy vật được thả rơi và đo quãng đường mà vật rơi được. Kết quả ghi lại trong bảng sau: Lần đo Quãng đường (m) 1 2 3 4 5 2,7 2,8 2,7 2,9 2,7 Xác định thời gian phản ứng của Nam. Lấy g = 9,8 ± 0,1 m/s2. Hướng dẫn Thời gian phản ứng bằng thời gian vật rơi từ khi thả đến khi bắt được vật. 2S g t= trong đó: S = 2,8 ± 0,1; t= g = 9,8 ± 0,1 m/s2. 2S = 1, 756 s g - Sai số t ln t = 1 [ ln(2S) − ln g ] 2 → ∆t = → dt 1  dS dg  =  −  t 2  2S g  t  ∆S ∆g  −   = 0,013s 2  2S g   t = 1,756 ± 0,013giây Bài 2 Người ta đo được góc lệch cực tiểu của tia sáng qua một lăng kính như sau: Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 9 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Góc chiết quang A = 450 ± 10 Lần đo 1 2 3 4 5 Dmin (độ) 25 26 25 26 24 Xác định chiết suất của lăng kính Hướng dẫn - Khi góc lệch giữa tia tới và tia ló có giá trị cực tiểu thì n = sin Dmin + A 2 A sin 2 Từ bảng số liệu: Dmin = 250 ± 10  n = 1,499 - Tính sai số ∆n A D + A   ln n = ln  sin min ÷ − ln  sin 2 ÷ 2     D +A D +A dn 1 1 1 A → = cot min dD + cot min dA − cot dA n 2 2 2 2 2 2 → ∆n = D +A D +A n A  cot min ∆D + cot min − cot ∆A = 0,03  2 2 2 2  Vậy chiết suất lăng kính là: n = 1,50 ± 0,03 2. Đồ thị thực nghiệm 2.1 Vẽ đồ thị thực nghiệm Trong nhiều trường hợp kết quả thí nghiệm được biểu diễn bằng đồ thị là rất thuận lợi, vì đồ thị có thể cho thấy sự phụ thuộc của một đại lượng y vào đại lượng x nào đó. Phương pháp đồ thị thuận tiện để lấy trung bình các kết quả đo. Giả sử bằng các phép đo trực tiếp, ta xác định được các cặp giá trị của x và y như sau:  x1 ± ∆x1  x2 ± ∆x2 ...................................  xn ± ∆xn     y1 ± ∆y1  y2 ± ∆y2 ................................... yn ± ∆yn Muốn biểu diễn hàm y = f (x) bằng đồ thị, ta làm như sau: +1 Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc. Trên trục hoành đặt các giá trị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng. Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thị choán đủ trang giấy. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 10 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT +2 Dựng các dấu chữ thập hoặc các hình chữ nhật có tâm là các điểm A1 ( x1 , y1 ) , A2 ( x2 , y2 )...... An ( xn , yn ) và có các cạnh tương ứng là ( 2∆x1 ,2∆y1 ) ,......( 2∆xn ,2∆yn ) . Dựng đường bao sai số chứa các hình chữ nhật hoặc các dấu chữ thập. +3 Đường biểu diễn y = f (x) là một đường cong trơn trong đường bao sai số được vẽ sao cho nó đi qua hầu hết các hình chữ nhật và các điểm A1 , A2 ...... An nằm trên hoặc phân bố về hai phía của đường cong (hình 1). +4 Nếu có điểm nào tách xa khỏi đường cong thì phải kiểm tra lại giá trị đó bằng thực nghiệm. Nếu vẫn nhận được giá trị cũ thì phải đo thêm các điểm lân cận để phát hiện ra điểm kì dị y ++ ∆y + + + + x 0 ∆x Hình 1. Dựng đồ thị +5 Dự đoán phương trình đường cong: • Phương trình đường thẳng y = ax + b • Phương trình đường bậc 2 • Phương trình của một đa thức • Dạng y = eax, y = abx • Dạng y = a/xn • Dạng y = lnx. Việc thiết lập phương trình đường cong được thực hiện bằng cách xác định các hệ số a, b, …n. Các hệ số này sẽ được tính khi làm khớp các phương trình này với đường cong thực nghiệm Các phương trình này có thể chuyển thành phương trình đường thẳng bằng cách đổi biến thích hợp (tuyến tính hóa) Chú ý: Ngoài hệ trục có tỉ lệ xích chia đều, người ta còn dùng hệ trục có một trục chia đều, một trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn các hàm mũ, hàm logarit (VD hàm y = lnx; y = a x …). 2.2 Một số bài tập vận dụng Bài 1. Một vật khối lượng 1 kg rơi từ độ cao 25m so với mặt đất, tốc độ của vật phụ thuộc độ cao như bảng dưới Độ cao so với mặt đất (m) Tốc độ (m/s) 25 0 20 9.9 15 14 10 17.1 5 19.8 Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 11 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT 0 22.1 a. Sử dụng bảng số liệu, hãy vẽ đồ thị tốc độ phụ thuộc độ cao trên giấy kẻ ô vuông. b. Từ đồ thị, xác định tốc độ của vật ở độ cao 12.5 mét so với mặt đất Hướng dẫn Bài 2. Khi người lái xe muốn dừng xe bằng cách hãm phanh gấp thì khoảng dừng có thể coi là tổng của khoảng phản ứng và khoảng hãm, trong đó khoảng phản ứng bằng tốc độ ban đầu nhân với thời gian phản ứng, khoảng hãm bằng đoạn đường mà xe đi được trong thời gian hãm. Cho bảng số liệu sau: Tốc độ ban đầu (m/s) Khoảng hãm (m) Khoảng dừng (m) 10 5,0 12,5 20 20 35 30 45 67,5 a. Thời gian phản ứng của người lái xe là bao nhiêu? b. Nếu tốc độ là 25 m/s thì khoảng dừng là bao nhiêu Hướng dẫn Tốc độ ban đầu (m/s) Khoảng hãm (m) Khoảng dừng (m) Khoảng phản ứng (m) 10 5,0 12,5 7,5 20 20 35 15 30 45 67,5 22,5 Đồ thị khoảng phản ứng theo vận tốc, khoảng hãm theo vận tốc Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 12 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN - Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Thời gian phản ứng: 0,75s Từ đồ thị ta có khi v = 25m/s + Khoảng phản ứng: 18,75m + Khoảng hãm: 31,25m  Khoảng dừng: 50m Bài 3.Độ dãn của lò xo phụ thuộc lực tác dụng được biểu diễn ở bảng số liệu sau Lực đặt vào lò xo (N) Độ dãn của lò xo (m) 0.0 0.00 4.0 0.16 8.0 0.27 12.0 0.42 16.0 0.54 20.0 0.71 a) Từ bảng số liệu, vẽ đồ thị lực phụ thuộc vào độ dãn của lò xo b) Từ đồ thị xác định hệ số đàn hồi của lò xo Hướng dẫn Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 13 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Hệ số đàn hồi của lò xo là 29 ± … Bài 4. Một kim loại được chiếu hóa tục bởi các phô tôn ánh sáng có tần số khác nhau. Động năng cực đại của các quang electron phát ra biểu diễn ở bảng số liệu . Tần số (×1014 Hz) Động năng cực đại (×10-19 J) 5.3 0.58 6.0 1.08 6.9 1.73 7.6 2.07 a) Vẽ đồ thị động năng cực đại phụ thuộc tần số. b) Xác định hệ số góc của đồ thị. Hướng dẫn Hệ số góc: k = ∆Wd = 0.64.10-34 . ∆f Bài 5. Cho con lắc đơn gồm vật khối lượng m, treo vào sợi dây nhẹ dài ℓ. Ứng với chiều dài của dây khác nhau, khoảng thời gian 10 chu kì dao động lên tiếp biểu diễn trên bảng số liệu Chiều dài (m) Thời gian 10 chu kì (s) 0 0 0.2 9 0.5 14 1.0 20 1.5 25 2.0 28 Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 14 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN 2.5 Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT 32 a) Vẽ đồ thị thời gian 10 chu kì dao động hóa tiếp phụ thuộc chiều dài b) Xác định chu kì con lắc đơn có chiều dài 1m. Hướng dẫn Chu kì con lắc đơn có chiều dài 1 m là 20s 3. Phương pháp bình phương tối thiểu tìm hàm đa thức 3.1 Phương pháp 3.1.1 Tổng quát Xét đa thức y = f(x)=a0 + a1x + a2x2 + …. +amxm, cần xác định a0, a1, a2 … am để f(xi) gần đúng nhất với các giá trị thực yi. Ta có sai số tuyệt đối tại điểm xi là: ∆ i = yi − f ( xi ) Tổng bình phương sai số tại các điểm: n S = ∑  yi − (a0 + a1 xi + a2 xi 2 + …. + an xi n ) 2  i =1 f(x) gần nhất với y  Smin  ∂S  ∂a = 0  0  ∂S =0    ∂a1  .....   ∂S = 0  ∂a  n Tác giả: Nguyễn Văn Huyên → a0 ; a1 ; a2 .....an 15 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT 1.3.2 Vận dụng với phương trình đường thẳng: y=ax+b Sai số tại điểm xi: ε i = yi − (ax i + b) ε i = yi − (ax i + b)  Tổng bình phương các sai số: n n i =1 i =1 S = ∑ ε i 2 = ∑ ( yi 2 + a 2 xi 2 + b 2 − 2axi yi − 2byi + 2abxi )  Cần xác định a,b để S đạt giá trị nhỏ nhất.  a, b là nghiệm hệ phương trình:  ∂S  ∂a = 0   ∂S = 0  ∂b  n 2  ∑ (2axi − 2 xi yi + 2bxi ) = 0  i =1  n  (2b − 2 y + 2ax ) = 0 ∑ i i  i =1 ↔ n n  n 2 a ∑ xi + b∑ xi = ∑ xi yi  i =1 i =1 i =1   n n  nb + a x = yi ∑ ∑ i  i =1 i =1 ↔ n n n  n x y − x ∑ ∑ i i i ∑ yi  i =1 i =1 i =1 a = 2 n n    2 n ∑ xi −  ∑ xi ÷   i =1  i =1   n n  y − a xi ∑ ∑ i  i =1 i =1  b = n Đặt: n n S x = ∑ xi ; n S y = ∑ yi ; i =1 S xy = ∑ xi yi ; i =1 i =1 a=  b= nS xy − S x S y n S xx = ∑ xi2 ; i =1 n S yy = ∑ yi2 i =1 nS xx − S x2 S y − aS x n Khi đó Smin = (Sy2 + nSyy)/n Sai số tuyệt đối a, b ∆a = S S xx ∆b = S .S x nS xx 1.3.3 Tuyến tính hóa hàm số Nếu biết trước quan hệ hàm giữa 2 đại lượng mà nó không phải là quan hệ tuyến tính, ta có thể đưa quan hệ đó về quan hệ tuyến tính bằng nhiều cách đặt ẩn khác nhau. Việc tính sai số của ẩn ban đầu theo ẩn đặt được thực hiện theo phương pháp tính sai số của đại lượng đo gián tiếp ở trên. Các dạng hàm cơ bản có thể tuyến tính hóa: Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 16 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT y = aebx → ln y = ln a + bx → Y = bX + c y = a x → ln y = x ln a → Y = cX y=ax b → Y = aX 1 y = f  ÷→ Y = f ( X ) x 1.3.4 Một số bài toán vận dụng Bµi 1. Các khoảng cách góc θ của hai thiên thể đo từ trái đất phụ thuộc vào thời gian như bảng dưới đây. Hãy tính các vận tốc góc của hai ngôi sao. t (ngày) 0 7 13 20 27 34 θ1( as) 0,139 0,25 3 0,354 0,468 0,601 0,709 θ2( as) 0,076 0,13 9 0,190 0,253 0,316 0,367 1as= 1giây = (1/3600 )độ; 1mas = 1 mi li giây Hướng dẫn Có thể viết : θ1 = ω1t+ θ01. Coi x là t, y là θ, a là ω: ∑ x y = 0.130+7.253+13.354+20.468+27.601+34.709=56066(mas. ngày) ∑ x = 7+13+20+27+43=101 ngày ∑ y =0,139+0,253+0,354+0,468+0,601+0,709=2524 ∑ x = 47+169+400+729+1156=2501(ngày )2. i i i i 2 i với ω1 = N∑ x i y i − ∑ x i ∑ y i N ∑ x 2i − ( ∑ x i ) 2 = 6. 656066 − 101. 2524 ≈ 16,956 ≈ 17,0 mas/ngày 6.2501 − 1012 Đáp số lấy đến 3 chữ số có nghĩa (bằng số chữ số có nghĩa ít nhất của giả thiết). Sai số lấy đến 0.1mas . Vậy ω1 =(17,0 ±0,1)mas Tương tự: ∑x ∑x ∑y ∑x 2 y 2 = 29513(mas. ngày) i = 7+13+20+27+43=101 ngày i =1341 2 i = 47+169+400+729+1156=2501(ngày )2. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 17 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN ω2 = = Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT 6. 29513 − 101.1341 ≈ 8,6653 ≈ 8,7 mas /ngày . vậy ω2 =(8,7 ±0,1)mas 6.2501 − 1012 Bài 2. Để làm thí nghiệm, một sinh viên đã đặt một dụng cụ đun nước vào một bình nước, mắc nó vào mạng điện, rồi cứ 3 phút một lần đo nhiệt độ của nó. Số liệu thí nghiệm cho ở bảng 1. Sau đó làm nguội nước, ở quá trình này anh ta đặt vào trong bình một mẫu kim loại và tiến hành đo nhiệt độ; kết quả cho ở bảng 2. Hãy tìm nhiệt dung riêng của mẫu đã cho. Hiệu điện thế của mạng điện u=35V, dòng i=2A, nhiệt độ trong phòng t0=200c. lần (khoảng) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 bảng 1 25,2 26,4 27,6 28,7 29,7 30,6 31,5 32,3 33,1 22,6 23,8 25,0 26,0 27,0 28,0 28,9 29,8 30,6 t1-t0 bảng 2 t2-t0 (số liệu trên tính ra t0c) Hướng dẫn Từ bảng trên ta thấy nhiệt độ nói chung không tỷ lệ thuận với thời gian. Do đó phải tính đến nhiệt truyền cho phòng, nhiệt lượng này tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ của bình và môi trường. Coi gần đúng nhiệt độ tăng tuyến tính nên ta có thể lấy nhiệt độ dây dẫn trong mỗi khoảng là nhiệt độ trung bình ghi ở khoảng này và khoảng tiếp theo (ví dụ ở khoảng 1 là (25,2+26,4)/2 = 25,8: Trong một khoảng ∆ τ = 3 phút nào đó, ví dụ khoảng thứ nhất c1.(t 1 - t2)= p.∆ τ - α(t1 -t0) ∆τ. với c1 là nhiệt dung của bình và nước chứa trong nó khi chưa có mẫu kim loại t1 là nhiệt độ của bình sau mỗi khoảng 3 phút = 180s t2 là nhiệt độ của bình trong khoảng 3 phút trước trước ∆τ là thời gian (180s). p = ui = 35.0,2 = 7(w) là công suất của thiết bị đun nóng α là hệ số tỷ lệ. thay số: khoảng 1: khoảng 4 c1( 26,4 -25,2) = 7.180 - α(25,8 - 20)180. (1) c1( 29,7 -28,7) = 7.180 - α (28- 20)180. (4) khoảng 8 sát cuối cùng: Giải hệ: (1) và (4): c1( 33,1-32,3) = 7.180 - α (32,7 - 20)180 (8) 1,2 c1 = 1260 - 1044α c1 = 1260 - 1440α; Tác giả: Nguyễn Văn Huyên ta có c1 = 1980 α=729,5j/k 18 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Nếu giải hệ (1) và (8): 1,2 c1 = 1260 - 1044α 0,8 c1 = 1260 - 2286α; ta có c1 = 3105α= 820,2j/k Có sai lệch là do số liệu phân tán. Ta lấy trung bình 770j/k tương tự, tính c2 ≈ 890 j/k ( c2 = c1 +cx; cx là nhiệt dung miếng kim loại.) cx = c2-c1 ≈ 120j/k (đáp số phân tán từ 100j/k đến 130 j/k) Bài 3. Xác định chu kì bán rã. Cứ sau một giờ ta đo được số phân rã trong một phút của một lượng chất phóng xạ như sau: lần 1 2 3 ∆ni 24403 10962 8097 4 5 6 7 8 9 2450 1706 878 253 195 74 Hãy tìm chu kỳ bán rã. Hướng dẫn Lập bảng lần 1 2 3 4 5 24403 10962 8097 2450 1706 878 ∆ni/ ∆ni+1 2,226 2,15 2,08 1,436 1,94 ln∆ni/ ∆ni+1 0,8 0,7065 0,7324 t(h) 0,866 0,981 ∆ni 6 7 8 9 253 195 74 0,946 Nhận xét chu kì nhỏ hơn một giờ ∆ni =ni (1- e -λt ) với t = 1phút = 60s; ni là số hạt ban đầu trong mỗi khoảng 1 h. Tiếp sau đó 1 h thì ∆ni+1 =ni+1 (1- e -λt ) ∆ni/ ∆ni+1=ni/ ni+1 = e λt' với t'= 1h = 3600s. ln hai vế ta có: λt' = ln ∆ni/ ∆ni+1; t = 0,693.1h / (ln ∆ni/ ∆ni+1). Bài 4. Một vật khối lượng 100g được hơ nóng rất chậm và người ta ghi lại sự phụ thuộc nhiệt độ cân bằng cuả nó vào công suất đốt nóng (bảng 1). Sau khi sự hơ nóng kết thúc, người ta bắt đầu theo dõi sự giảm nhiệt độ của vật (bảng 2). Hãy xác định nhiệt dung riêng của vật theo đơn vị j/g.k. Xem rằng nhiệt độ bên trong vật như nhau tại mọi điển trong quá trình nguội đi. bảng 1 Tác giả: Nguyễn Văn Huyên bảng 2 19 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Sự phụ thuộc của nhiệt độ cân bằng vào công suất đốt Công suất đốt (w) Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Sự phụ thuộc nhiệt độ vào thời gian nguội Nhiệt độ cân bằng (oc) Thời gian (s) Nhiệt độ (oc) Thời gian (s) Nhiệt độ (oc) 0 20 0 40 300 24,74 1 25 50 35,74 350 23,75 2 30 100 32,39 400 22,95 3 35 150 29,76 450 22,32 4 40 200 27,68 500 21,83 250 26,06 Hướng dẫn Khi đốt nóng và vật cân bằng nhiệt thì ta thấy công suất đốt bằng công suất truyền cho môi trường p = (dq/dτ) = k(t-20) Với t là nhiệt độ, τ là thời gian, k là một hệ số tỉ lệ băng nhiệt truyền cho môi trường trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nhiệt độ là 1 độ. k = 1w/( 25-20) 0c= 0,2 (w/0c) hay 0,2w/k. Khi để nguội : coi nhiệt độ trung bình trong thời gian nguội là trung bình cộng của hai nhiệt độ đầu và cuối . Cách 1: ( không chính xác); coi nhiệt độ đầu là 400c thì c (40- t) = k {( t+40)/2-20}dτ = k tdτ /2 ; c = k tdτ /2(40-t) τ 50s 100 150 200 250 450 500 T 35,74 32,39 29,76 27,68 26,06 22,32 21,83 C (cách 1) 40,99 43,08 43,59 44,9 46,7 c ( cách 2) 40,99 59,74 42,4 Trung bình c = 47j/k Cách 2. (chính xác hơn) c( t2-t1)=k{( t2+t1)/2-20}.50= 10{( t2+t1)/2-20} Ta tính trên từng khoảng, ví dụ khoảng 200 đến 250s: c( 27,68 -26,06) = k{27,68+26,06)/2 -20 }50=⇒ 1,62c=68,7 c= 42,4. Khoảng 450 đến 500s: c( 22,32 -21,83) = k{22,32 -21,83/2 -20 }50=⇒ 0,49c=20,75= 42,35 Trung bình ta lấy 42j/k. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 20 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Nên làm theo cách 2 có độ chính xác cao hơn. Bài 5. Khi bật máy tăng âm nhưng chưa nói vào micrô, người ta nghe thấy tiếng lạo sạo ở loa. Tiếng lạo sạo đó gọi là tiếng ồn, gây ra do biến động ngẫu nhiên của điện áp ở lối ra của máy.Có 2 loại tiếng ồn chính ở máy tăng âm 1. Ồn nhiệt, có điện áp ut không phụ thuộc tần số, gây ra do chuyển động nhiệt của điện tử. 2. Ồn nhấp nháy, có điện áp u f tỷ lệ với 1/ f (f là tần số) , gây ra do tiếp xúc không tốt trong linh kiện. người ta dùng một vôn kế xoay chiều để đo điện áp ồn ở lối ra của máy phụ thuộc theo tần số, số chỉ thị của vôn kế là U 2T + U 2f . các giá trị đo được cho bởi bảng sau đây u = f (hz) 10 15 20 30 40 80 160 320 640 u(µv) 5,7 5,0 4,0 3,5 2,8 2,4 1,7 1,5 1,2 Hãy xác định giá trị của ut , biểu thức của uf và tần số f mà biên độ điện áp của ồn nhiệt và ồn nhấp nháy bằng nhau./. Hướng dẫn Ta có: u2 = ut2 +uf2. Đặt y = u2; x= 1/f thì ta có phương trình bậc nhất: y = ax+b với b= ut2; a là hằng số. Lập bảng: f (hz) u(µv) 1/f(hz-1)=xi u2( µv)2=yi xi yi 10 5,7 0,1 32,49 3.249 15 5,0 0,067 15 1.005 20 4,0 0,05 16 0.8 30 3,5 0,0333 12,25 0.408 40 2,8 0,025 7,84 0.196 80 2,4 0,0125 5,76 0.072 160 1,7 0,00625 2,89 0.0180 320 1,5 0,003125 2,25 0.007031 640 1,2 0,001562 1,44 0.002249 Dùng công thức hồi quy tuyến tính: ∑ x y =5,757368 ∑ x =0,298737; ∑ y ∑ x = 0,01893 i i i i =95,92; ∑x ∑y i i =28,65485; ( ∑ x i )2= 0,08924 2 i a= N∑ x i y i − ∑ x i ∑ y i b= N ∑ x 2i − ( ∑ x i ) 2 ∑y i − a∑ x i N ≈ ≈ 9.5,7574 − 28,655 ≈ 285,48 ; 9.0,01893 − 0,08924 95,92 − 285,5.0,29874 ≈ 1,18 µv 9 vậy : u2 = 285,5.(1/f) +1,18. Cho 285,5.(1/f) =1,18 ⇒ f0= 242hz Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 21 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Có thể giải bằng phép vẽ đồ thị u2 theo 1/f. 4. Thiết lập phương án thí nghiệm 4.1 Cơ sở lí thuyết 4.1.1 Mục đích - Đo một đại lượng vật lí. - Nghiên cứu 1 hiện tượng vật lí. - Chứng minh một định luật vật lí ... 4.1.2 Các bước lập phương án thí nghiệm - Xác định được mục đích thí nghiệm, đó là đại lượng vật lí, hiện tượng vật lí, định luật vật lí... cần nghiên cứu. - Nêu cơ sở lí thuyết. - Từ cơ sở lí thuyết đưa ra các phương án thí nghiệm, các dụng cụ, thiết bị cần thiết cho mỗi phương án. - Từ các thiết bị, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm, đo các đại lượng. - Nếu có các số liệu, tiến hành xử lí số liệu để chứng minh một định luật, một hiện tượng hoặc đo một đại lượng. 4.2 Một số các đại lượng vật lí cơ bản trong chương trình Vật lí phổ thông 4.2.2 Cơ học - Xác định khối lượng, khối lượng riêng - Xác định thời gian, quãng đường đi, vận tốc, gia tốc, gia tốc trọng trường. - Xác định hệ số đàn hồi, hệ số ma sát. - Xác định lực, mô men lực - Xác định mô men quán tính. - Xác định chu kì dao động, vận tốc truyền sóng cơ, tần số sóng. - Xác định hệ số nhớt, lực căng bề mặt. 4.2.2 Quang học - Xác định vận tốc truyền ánh sáng, bước sóng ánh sáng - Xác định chiết suất - Xác định tiêu cự của gương, thấu kính. - Xác định cường độ sáng, hệ số phản xạ, hệ số khúc xạ. 4.2.3 Nhiệt học - Xác định nhiệt độ. - Xác định nhiệt dung riêng, tỉ số nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 22 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT - Xác định nhiệt hóa hơi, nhiệt nóng chảy. - Xác định độ ẩm tỉ đối. 4.2.4 Điện học - Xác định điện tích, cường độ điện trường, điện dung, hằng số điện môi. - Xác định điện trở, suất điện động, công suất điện. - Xác định từ trường, độ tự cảm 4.2.5 Vật lí hiện đại - Đo hằng số plank - Xác định đường kính phân tử - Xác định chu kì bán rã Xác định một đại lượng vật lí có thể có nhiều phương án, vì vậy tùy từng phương án ứng với những dụng cụ nhất định 4.3 Bài tập vận dụng Bài 1. Xác định số Faraday và điện tích electron bằng phương pháp điện phân. Cơ sở lớ thuyết: Trong dung dich điện phân có sự phân ly thành cỏc ion (+) và ion (-). Khi cho dòng điện chạy qua dung dịch (dòng một chiều ) ion (+) về cực (-); ion (-) về cực (+). Sự giải phóng các chất ở điện cực thỏa mãn định luật Faraday. - Định luật Faraday thứ nhất cho biết mối liên hệ giữa khối lượng chất thoát ra ở điện cực và điện lượng q chạy qua bình điện phân. m=k.q (1) trong đó: k là đương lượng điện hóa phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất thoát ra ở điện cực. - Định luật Faraday thứ hai tính đến giá trị của đương lượng điện hóa: 1 1 1 = − F' S S (2) trong đó: a: là khối lượng nguyờn tử. z : là hóa trị. c: là hệ số tỉ lệ như nhau với mọi chất. Đặt C = 1 thì: F K= A F .Z Thế (3) vào (1) ta có: M = A F.Z (3) (4) Đại lượng F gọi là số Faraday. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 23 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Đại lượng A/Z gọi là đương lượng kilogam của một chất. Theo (4) ta thấy rằng số Faraday F có độ lớn bằng giá trị của điện lượng qua bình điện phân giải phóng được một đương lượng kilogam ở điện cực. Ta có: A N .Z .e M= (5) với N=6,023.1026 là số avogadro e= Từ (3) và (5) ta suy ra: và F= F N (6) A Z .K (7) Như vậy đo được m và q ở (1) thì ta sẽ xác định được k. từ (6) xác định được f. từ (7) xác định được e. Dụng cụ thí nghiệm - bình điện phân chứa dung dịch CuSO4. - hai cực bằng đồng (Cu). - nguồn điện một chiều. - biến trở, ngắt điện, ampe kế, đồng hồ đếm giây. - cân chính xác. Tiến hành thí nghiệm - mắc mạch điện theo hình vẽ. a - dung cân chính xác cân khối lượng ban đầu m1 của cực âm rồi đặt vào bình điện phân. r e - đóng khóa k - ngắt mạch đồng thời bấm đồng hồ, nhắc cực âm ra khỏi mạch. - nung cho khô cực âm rồi đưa lên cân xác định khối lượng của nú. Bình điện phân CuSO4 Hình vẽ như vậy khối lượng chất thoát ra ở cực âm: m = m2 - m1. từ (1) xác định k rồi tư (6) xác định f, từ (7) xác định e. Bài 2. Trên một xe ôtô cách người quan sát khoảng cách là s, người ta đặt một nguồn phát âm với tần số không đổi f0 = 600 Hz. Cho xe chạy nhanh dần đều với gia tốc a = 3 m/s 2 hướng lại gần người quan sát. Ở vị trí người quan sát người ta đặt một máy thu âm. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 24 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Tần số âm thu được theo thời gian t kể từ thời điểm xe bắt đầu chuyển động (chọn làm mốc thời gian ứng với t = 0) được cho trong bảng sau: t (s) 3 6 9 12 15 f (Hz) 608 626 645 666 690 1. Giả thiết trong thời gian truyền âm từ xe đến người quan sát, vận tốc của xe thay đổi không đáng kể. Căn cứ vào bảng số liệu thu được ở trên hãy xác định vận tốc truyền âm va. 2. Không bỏ qua sự thay đổi vận tốc của xe trong thời gian truyền âm từ xe đến người quan sát, căn cứ vào bảng số liệu thu được ở trên hãy xác định vận tốc truyền âm va và khoảng cách s ban đầu. Hướng dẫn 1. Sau thời gian t xe có vận tốc v = at , lúc này tần số thu được là f = f0 va va = f0 va − v v a − at 1 1 a = (1 − t) , đồ thị Y = 1 theo X = t có dạng đường thẳng Y = AX + B với f f0 va f a A=− từ độ nghiêng xác định được va: v a ; 309 (m / s). f0 va do đó t(s) f (Hz) 1/f (×10-3 s) 3 608 1,64 6 626 1,60 9 645 1,55 at12 và cách nguồn thu là at 2 x =s− 1 2 2 12 666 1,50 Vận tốc xe là v = at1 ; Thời gian truyền âm từ xe 15 690 1,45 18 715 1,40 2. Tới thời điểm t1 xe đi được quãng đường là đến nguồn thu là ∆t1 = x 2s − at12 = va 2v a Như vậy tính từ thời điểm bắt đầu xe chuyển động thì ở thời điểm t ở nguồn thu âm ứng với xe có vận tốc v ta có t = t 1 + ∆t 1 = t1 + v − v a2 + 2as − 2av a t 2s − at12 a ⇒ t12 − v a t1 + (s − v a t) = 0 ⇒ t1 = a 2v a 2 a do đó v = v a − va2 + 2as − 2av a t Tần số f thu 2 f = f0  2as   1  2a t  1 + 2 ÷−  ÷ va   f 0  va  2  2as  1 + 2 ÷ thì ta có Y = AX+B va   va va 1  1  = f0 ⇒ ÷ = ÷ va − v  f   f0  v a2 + 2as − 2av a t 2 2  1  2a 1 1 Đặt Y =  ÷ và X= t ; A = −  ÷ ; B= ÷ f   f 0  va  f0  Tác giả: Nguyễn Văn Huyên được 2 là 2 25 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Dựng đồ thị Y theo X ta xác định được va và s. t (s) f(Hz) 1/f2(10-6s2) 3 608 2,71 6 626 2,55 9 645 2,40 12 666 2,25 15 690 2,10 18 715 1,96 Xác định được v a = 334 m / s; s = 505 m Bài 3. Xác định điện trở thuần và độ tự cảm của cuộn dây. Để xác định điện trở thuần và độ tự cảm của một cuộn dây cho trước người ta sử dụng mạch cầu và dùng điện kế G để xác định trạng thái khi cầu cân bằng. Cho các dụng cụ và linh kiện sau: - 01 cuộn dây cần xác định độ tự cảm L và điện trở thuần r; - 02 hộp điện trở thuần có thể đặt được các giá trị điện trở; - 01 điện trở thuần đã biết giá trị; - 01 tụ điện biết trước điện dung C; - 01 nguồn điện một chiều chưa biết giá trị điện áp; - 01 nguồn điện xoay chiều có thể thay đổi tần số trong dải rộng nhưng chưa biết giá trị điện áp và tần số; - 01 điện kế G có các chế độ cho phép xác định trạng thái khi dòng một chiều hoặc dòng xoay chiều qua nó bằng không; - Dây nối, khoá K cần thiết. Yêu cầu: 1. Vẽ sơ đồ thí nghiệm, nêu các bước tiến hành để xác định điện trở thuần r của cuộn dây. 2. Trình bày hai phương án thí nghiệm khác nhau để xác định độ tự cảm L của cuộn dây. Mỗi phương án yêu cầu: vẽ sơ đồ thí nghiệm, nêu các bước tiến hành để xác định L. Hướng dẫn 1. Xác định r: Mắc mạch như hình vẽ: Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 26 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT L,r R1 G R2 R3 + Sử dụng điện kế ở chế độ đo dòng một chiều. + Mắc nguồn một chiều vào mạch. + Đặt R1 ở giá trị xác định, thay đổi R 2 đến khi dòng qua điện kế G bằng không. Đọc giá trị R2. + Cầu cân bằng ta có r = R 1R 3 . R2 2. Xác định L: * Cách 1: Mắc mạch như hình vẽ, G ở chế độ đo dòng xoay chiều. L,r R1 G R2 R2 R3 C Khi cầu cân bằng: ta có giản đồ Fresnel: IC UAB IR3 UL UCB = UDB IR2 UAC = UAD I U Z Ur Z L C C L L Ta có: tgϕ = I = U ⇒ R = r ⇒ r.R 2 = ZL ZC = C R r 2 (1) 2 cos ϕ = IR 2 IR3 = Ur U R U IR R Ir ⇒ AC . 3 = r ⇒ 1 1 3 = 1 ⇒ r.R 2 = R 1.R 3 (2) U CB R 2 U CB U CB R 2 U CB U CB + Mắc nguồn xoay chiều vào mạch, giữ tần số tại một giá trị nào đó. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 27 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT R1 + Điều chỉnh đồng thời giá trị của R1 và R2 sao cho tỷ số R không đổi đến khi cầu 2 cân bằng. + Lúc đó ta có: L = CrR2 và xác định được L. * Cách 2: Mắc mạch như hình vẽ L,r R1 C G R3 R2 + Dùng nguồn xoay chiều cho mạch, chỉnh R1 = R3 và R2 = r, + Chỉnh tần số đến khi cầu cân bằng thì lúc đó ZL = ZC = L . C + Giữ nguyên tần số của nguồn, mắc lại mạch như hình vẽ: L,r R1 G R2 C R3 + Chỉnh R3 đến khi cầu cân bằng: Khi cầu cân bằng: Z Z C L + tan ϕ = R = r (luôn thỏa mãn do ZL = ZC và r = R2) 2 Z R 3 Lr + R = Z ⇒ R1R 3 = 1 CR (r 2 + Z2L ) ( R 22 + ZC2 ) = r 2 + Z2L hay R1.R3 = L/C + r2. 2 Ta tính được L. Bµi 4. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 28 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT X¸c ®Þnh ®é réng vïng cÊm cña chÊt b¸n dÉn b»ng ph¬ng ph¸p ®o hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë Điện trở của dây nhiệt điện trở kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức R = R 0 ( 1 + αt + βt 2 ) , với các hệ số α, β biết trước; t là nhiệt độ (0C); R0 là điện trở dây ở nhiệt độ 0oC. Điện trở mẫu bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức R m = R0m  ∆E g  exp   , với kB = 1,38.10-23 J/K; T là nhiệt độ mẫu; ∆Eg là độ rộng vùng cấm; R0m là 2k T  B  hệ số phụ thuộc vào từng mẫu bán dẫn. 1. Xử lý số liệu Khi đo sự phụ thuộc điện trở mẫu bán dẫn theo nhiệt độ, người ta thu được bảng số liệu sau: t(oC) 227 Rm (Ω) 2,65.1010 1,32.109 1,08.108 8,89.106 4,42.105 283 352 441 560 636 9,87.104 Xác định độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn trên. 2. Phương án thực hành Cho các dụng cụ: - Lò nung mẫu quấn bằng dây nhiệt điện trở - 02 biến trở, kim loại, - Mẫu bán dẫn được chế tạo dạng điện trở, - Nguồn điện 220 V, - 02 ampe kế có nhiều thang đo, - Nguồn một chiều 50 V, - 02 vôn kế có nhiều thang đo, - Nhiệt kế chỉ dùng để đo nhiệt độ phòng. Coi nhiệt độ của lò nung bằng nhiệt độ của sợi đốt. Yêu cầu: a. Trình bày cách đo, viết các công thức cần thiết và vẽ sơ đồ mắc mạch. b. Nêu các bước thí nghiệm, các bảng biểu và đồ thị cần vẽ. Hướng dẫn 1. Xử lý số liệu t(oC) R 1/(t+273)ln(R) 227 2,65E+10 0,0020 24,0 283 1,32E+09 0,0018 21,0 352 1,08E+08 0,0016 18,5 441 8,89E+6 0,0014 16,0 560 4,42E+5 0,0012 13,0 636 9,87E+4 0,0011 11,5 Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 29 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Dựng đồ thị ln(R) theo 1/T ta tìm được độ rộng vùng cấm Ea=2,4 eV hoặc 3,84.10-19J 2. Phương án thực hành a. Trình bày cách đo, xây dựng công thức cần thiết và sơ đồ mắc mạch Nguyên tắc: - Cần phải mắc mạch sao cho có thể thay đổi và xác định được nhiệt độ lò (nhiệt độ mẫu bán dẫn). - Cần đo được điện trở của mẫu bán dẫn ở các nhiệt độ mẫu khác nhau. Dựng đường phụ thuộc hàm ln(Rm) theo 1/T. Tìm được hệ số nghiêng của đường thực nghiệm. Từ đó tính ra được bề rộng vùng cấm của chất bán dẫn ∆Eg Xây dựng công thức Xác định nhiệt độ lò: Dây sợi đốt lò khi có dòng đốt chạy qua sẽ thay đổi nhiệt độ và điện trở dây thay đổi theo nhiệt độ theo hàm số: R t = R o (1 + α.t + β.t 2 ) ;Rt và Ro là điện trở dây đốt ở t (oC) và ở 0 (oC). α, β là các hệ số nhiệt điện trở của dây đốt . Điện trở Ro của dây đốt ở 0oC xác định bằng cách đo điện trở R p của dây đốt ở nhiệt độ phòng tp đã biết trước nhờ nhiệt kế. R o = Rp (1 + αt p + βt p2 ) Điện trở Rt đo được bằng phương pháp vôn-ampe: Rt = U I Từ đó suy ra nhiệt độ tuyệt đối của dây sợi đốt và cũng là nhiệt độ của lò T = 273 +  Rt 1  2 − 1) − α  (1)  α + 4β( 2β  Ro   ∆E g  2k B Xác định độ rộng vùng cấm: ln(R m )=ln(R om )+   1 ÷. suy ra ∆Eg  T Sơ đồ mắc mạch A Lò nung V V Mẫu R A V E Hình 1 A 220V Hình 2 b. Các bước thí nghiệm, xây dựng bảng biểu và đồ thị Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 30 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Xác định thông số Ro + Mắc vôn kế vào hai đầu dây điện trở lò để xác định được chính xác hiệu điện thế rơi trên lò. + Ampe kế để thang đo nhỏ. + Sử dụng biến trở để chỉnh dòng qua lò rất nhỏ để không làm thay đổi nhiệt độ dây sợi đốt, ghi lại giá trị dòng và điện thế trên vôn kế. + Lập bảng số liệu và tính giá trị điện trở R=U/I: Dòng điện I ……… ……… ………. ………….. Hiệu điện thế ……….. …….. U ……….. ………….. Điện trở R ………… ……… ……….. …… + Dựng đồ thị R theo I, ngoại suy xác định được giá trị điện trở ứng với dòng I=0, đó chính là điện trở sợi đốt ở nhiệt độ phòng Rp. Từ đó tìm ra Ro. Thu thập số liệu dựng đồ thị ln(Rm) theo 1/T + Chỉnh biến trở nuôi lò nung để đặt điện áp nuôi khác nhau, đọc thông số dòng điện, tính nhiệt độ lò theo (1) + Đọc giá trị trên ampe kế I2 (mạch nối mẫu) Lần đo Dòng điện lò Hiệu điện Điện thế lò U1 trở lò I1 Nhiệt độ lò T R =U1/I1 Dòng Hiệu Điện trở điện qua điện thế mẫu Rm mẫu mẫu U2 I1 1 ……… ……….. …….. ….. ……….. ……… ……… 2 ……… ……….. …… …… ……… ……… ……… + Dựng đồ thị ln(Rm) theo 1/T Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 31 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN  ∆E g ln(R m )=ln(R om )+   2k B Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT  1 ÷.  T + Tìm được hệ số nghiêng của đường thực nghiệm. Từ đó tính ra được bề rộng vùng cấm của chất bán dẫn ∆Eg. II.2 BÀI TẬP VẬN DỤNG TỔNG HỢP Bài 1. (HSGQG 2005) Cho một dây kim loại đàn hồi xoắn AB: đầu B được cố định với tâm của đáy một khối trụ kim loại tròn (mặt cắt dọc trục của khối trụ là hình chữ nhật (hình vẽ bên), còn đầu A của dây được giữ cố định trên giá đỡ. Cả hệ thống này tạo thành một con lắc xoắn. Cho các dụng cụ như sau: - Một sợi dây nhẹ, không dãn, các ròng rọc nhẹ có thể gắn trên giá đỡ; - Các gia trọng M1, M2, M3; - Một thước chia độ gắn được trên giá đỡ; - Các thước kẹp, thước đo độ dài. Yêu cầu thí nghiệm: a) Hãy vẽ sơ đồ thí nghiệm để xác định hệ số xoắn k của dây kim loại và thiết lập biểu thức tính k. b) Coi như con lắc xoắn dao động điều hoà, hãy: - Vẽ các sơ đồ thí nghiệm cần thiết để xác định mômen quán tính I của khối trụ; - Thiết lập phương trình cần thiết và dẫn tới biểu thức tính mômen quán tính I của khối trụ; Bài 2. (HSGQG 2004) 1) Mục đích thí nghiệm: Có một bình nước nóng đậy kín, chỉ có thể lấy được nước ra qua một vòi có khoá. Cần làm thí nghiệm để xác định nhiệt độ của nước trong bình. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 32 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT 2) Thiết bị thí nghiệm: a) Một ống nghiệm nhỏ, dung tích khoảng 30 cm3. b) Nhiệt kế thuỷ ngân chia độ đến 0,10C. c) Bút dạ viết được lên thuỷ tinh. d) Đồng hồ bấm giây. 3) Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm: a) Trình bày cơ sở lý thuyết. Viết các công thức cần thiết. b) Trình bày một phương án thí nghiệm để xác định nhiệt độ của nước trong bình, trong hai trường hợp sau: - ống nghiệm được bọc ngoài bằng bông cách nhiệt tốt. - ống nghiệm được bọc ngoài bằng bông cách nhiệt không tốt. c) Tìm công thức tính sai số của nhiệt độ đo được. Bài 3. (HSGQG 2007) Đo độ ẩm tỷ đối của không khí a. Cho hai nhiệt kế giống nhau, có độ chia đến 0,1 0C. Hãy đề xuất một phương án thí nghiệm chỉ dùng hai nhiệt kế ấy và một số vật liệu thông thường khác để có thể nhận biết được sự thay đổi độ ẩm tỷ đối của không khí trong phòng. Nhiệt độ không khí coi như không đổi. b. Biết rằng áp suất hơi bão hoà của nước tuân theo gần đúng công thức Clapeyron-Clausius: dp bh L = dT T(v h − v L ) trong đó L ≈ 2240J / g là nhiệt hoá hơi của nước; v h và v L lần lượt là thể tích của 1g hơi nước bão hoà và 1g nước ở nhiệt độ T. Hãy lập biểu thức tính độ ẩm tỷ đối của không khí theo các thông số đo được bằng các dụng cụ nói trên (coi áp suất và thể tích của hơi nước bão hoà tuân theo phương trình trạng thái khí lí tưởng). Lập bảng cho phép suy ra độ ẩm tỷ đối của không khí (trong khoảng từ 80% đến 100%) theo các số đo mà các dụng cụ trên đo được. Cho nhiệt độ phòng là 270C. c. Nêu nguyên nhân sai số của phép đo và hướng khắc phục. Bài 4. (HSGQG 2005) Một cốc đong trong thí nghiệm có dạng hình trụ đáy tròn, khối lượng M, thể tích bên trong của cốc là V 0. Trên thành cốc, theo phương thẳng đứng người ta khắc các vạch chia để đo thể tích và đo độ cao của chất lỏng trong cốc. Coi đáy cốc và thành cốc có độ dày như nhau, bỏ qua sự dính ướt. Được dùng một chậu to đựng nước, hãy lập phương án để xác định độ dày d, diện tích đáy ngoài S và khối lượng riêng ρc của chất làm cốc. Yêu cầu: 1. Nêu các bước thí nghiệm. Lập bảng biểu cần thiết. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 33 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT 2. Lập các biểu thức để xác định d, S theo các kết quả đo của thí nghiệm (cho khối lượng riêng của nước là ρ). 3. Lập biểu thức tính khối lượng riêng ρc của chất làm cốc qua các đại lượng S, d, M, V0. 4. Dùng phương pháp đồ thị để xác định diện tích đáy ngoài S, rồi tìm độ dày d của cốc. Nêu các bước tiến hành và giải thích. Bài 5. (HSGQG 2007) Trong một thí nghiệm để đo đồng thời nhiệt dung riêng C, hệ số nhiệt điện trở α, điện trở R0 tại 00C của một điện trở kim loại có khối lượng m, người ta sử dụng các dụng cụ và linh kiện sau: - Hai hộp điện trở R v , R v đọc được các trị số điện trở; - Hai điện trở R1, R2 đã biết trị số; - Một tụ điện C t ; - Một nguồn điện xoay chiều, một nguồn điện một chiều; - Một ampe kế điện trở nhỏ có thể đo được dòng một chiều và xoay chiều; - Một điện kế có số không ở giữa bảng chia; - Một đồng hồ (đo thời gian); - Một nhiệt lượng kế có nhiệt dung riêng C 1, khối lượng m1, chứa một lượng chất lỏng khối lượng m2 có nhiệt dung riêng C2; - Các dây nối, đảo mạch. 1 2 a. Hãy thiết kế mạch điện để đồng thời đo được các tham số C, α, R0 của điện trở nói trên. Vẽ sơ đồ đo. b. Xây dựng các công thức cần thiết. c. Nêu trình tự thí nghiệm, cách xây dựng biểu bảng và vẽ đồ thị, cách khắc phục sai số. Bài 6. (HSGQG 2007) Xác định mômen lực phát động của động cơ và xác định mômen cản của trục quay Cho các dụng cụ và linh kiện: - Trục quay của động cơ điện được gắn một đĩa kim loại có khoét 2 lỗ nhỏ. Đĩa kim loại có bán kính R, khối lượng M. Các lỗ nhỏ có bán kính r, tâm của chúng cách tâm của đĩa một khoảng là a, như hình vẽ; - Một Điốt laser; - Một nguồn để nuôi động cơ; - Một photođiot được sử dụng làm phần tử cảm biến chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện; Tác giả: Nguyễn Văn Huyên r R a Trục động cơ34 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT - Một nguồn điện 5 V một chiều; - Một máy đếm tần số cho phép xác định số vòng quay; - Một biến trở; - Một đồng hồ (để đo thời gian); - Các dây nối, cái đảo mạch,... Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm Chỉ xét các quá trình động cơ chuyển động biến đổi đều. - Hãy nêu phương án đo gia tốc góc γ và giải thích. Xây dựng biểu thức tính mômen lực phát động MP của động cơ và mômen cản MC của trục quay. Từ đó đưa ra các bước thực nghiệm để đo MP và MC. - Lập các biểu bảng cần thiết. Giải thích về biểu bảng đã lập. - Xây dựng các biểu thức tính sai số của các phép đo đại lượng MP và MC. Bài 7. (HSGQG 2004) 1) Mục đích thí nghiệm: Xác định công suất định mức và điện trở trong của một động cơ điện một chiều. 2) Thiết bị thí nghiệm: a) Một động cơ điện một chiều có hiệu điện thế định mức 4,5V mà ta muốn xác định công suất định mức và điện trở trong của nó. b) Một nguồn điện một chiều cho ta các hiệu điện thế 3V, 6V, 9V. c) Một số điện trở không rõ giá trị, điện trở mỗi chiếc khoảng vài ôm. Trong đó có một điện trở 2 Ω là ta biết rõ giá trị của nó. d) Một vôn kế có điện trở rất lớn và có giới hạn đo 15V. 3) Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm: Hãy nêu phương pháp xác định công suất định mức và điện trở trong của động cơ bằng các dụng cụ nói trên. a) Trình bày cơ sở lý thuyết. Viết các công thức cần thiết b) Vẽ sơ đồ mạch điện, thiết lập công thức tính. c) Trình bày phương pháp đo và cách xử lý số liệu. Bài 8. (HSGQG 2008) Trong một thí nghiệm xác định mật độ hạt êlectron tự do trong thanh kim loại, người ta sử dụng các dụng cụ và thiết bị sau: - Một nam châm vĩnh cửu hình chữ U; - Một nguồn điện một chiều; - Một biến trở; Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 35 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT - Một vôn kế có nhiều thang đo; - Một thanh kim loại bằng đồng, mỏng, đồng chất, tiết diện đều hình chữ nhật; - Thước đo chiều dài; - Cuộn chỉ; - Cân đòn (cân khối lượng); - Dây nối, khoá K. a. Xây dựng các công thức cần sử dụng. b. Vẽ các sơ đồ thí nghiệm. Nêu các bước tiến hành thí nghiệm. c. Trình bày cách xây dựng bảng biểu và đồ thị trong xử lý số liệu. Cách khắc phục sai số. (Biết khe giữa hai cực từ của nam châm hình chữ U đủ lớn để có thể đưa các dụng cụ cần thiết vào trong đó). Bài 9. (HSGQG 2004) 1) Mục đích thí nghiệm: Xác định bán kính cong của hai mặt thấu kính và chiết suất của vật liệu dùng làm thấu kính. 2) Thiết bị thí nghiệm: a) Một bàn quang, có thể đặt ở các tư thế khác nhau, cùng với giá đỡ thấu kính, giá đỡ màn ảnh b) Một nguồn sáng có thể dùng làm vật sáng. c) Một màn ảnh. d) Một số miếng kính phẳng trong suốt. e) Một thước chia độ. f) Các vật liệu thường có ở mọi phòng thí nghiệm. 3) Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm: a) Trình bày cơ sở lý thuyết. b) Trình bày phương án thí nghiệm và cách xử lý số liệu. Bài 10. (HSGQG 2007) Xác định chiết suất của tấm thuỷ tinh, hệ số phản xạ R ⊥ trong trường hợp tia tới vuông góc với bề mặt của tấm kính Nếu It là cường độ của dòng ánh sáng chiếu đến mặt phân cách của hai môi trường trong suốt, Ip là cường độ của chùm sáng phản xạ trên mặt phân cách đó, I q là cường độ chùm sáng khúc xạ, thì hệ số phản xạ của ánh sáng trên mặt phân cách đó sẽ là: R = Iq IP và hệ số truyền qua là T = It It Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 36 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Hệ số phản xạ R và hệ số truyền qua T phụ thuộc bản chất của hai môi trường, bước sóng của ánh sáng tới và góc tới. Ngay cả trong trường hợp tia tới vuông góc với bề mặt vật cũng có thành phần tia phản xạ cùng phương với tia tới. Cho các dụng cụ và linh kiện: - Một Điốt laser; - Một thước đo độ; - Một Lux kế để đo cường độ của ánh sáng; - Vài tấm thủy tinh phẳng trong đó một tấm được bôi đen một mặt (các tấm này được dùng để đo hệ số phản xạ); - Một tấm thuỷ tinh dày (được dùng để đo chiết suất); - Một kính phân cực; - Giấy vẽ đồ thị và các giá đỡ thích hợp để xây dựng thành hệ đo. Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm a. Nêu phương án, vẽ sơ đồ và giải thích cách đo chiết suất của tấm thuỷ tinh dày. b. Hãy vẽ sơ đồ phép đo hệ số phản xạ R ⊥ trong trường hợp tia tới vuông góc với bề mặt của tấm kính. Giải thích nguyên tắc của hệ đo. Thiết lập công thức tính hệ số R⊥. Tính sai số của phép đo R⊥. Coi rằng sai số tỷ đối của Lux kế là 1%. Bài 11. (HSGQG 2007) Xác định bán kính cong của hai mặt thấu kính hội tụ và chiết suất của vật liệu dùng làm thấu kính Cho các dụng cụ và linh kiện: - Một thấu kính hội tụ; - Một hệ giá đỡ dụng cụ quang học (có thể đặt ở các tư thế khác nhau); - Một nguồn Laser; - Một màn ảnh; - Một cốc thuỷ tinh đáy phẳng, mỏng, trong suốt, đường kính trong đủ rộng; - Một thước đo chiều dài chia tới milimet; - Các vật liệu khác: kẹp, nước sạch (chiết suất nn = 4/3),... Yêu cầu xây dựng phương án thí nghiệm a. Trình bày phương án thí nghiệm xác định bán kính cong của hai mặt thấu kính hội tụ và chiết suất của vật làm thấu kính. b. Xây dựng các công thức liên quan. c. Nêu những nguyên nhân gây sai số và các biện pháp khắc phục. Bµi 12. (HSGQG 2008) Xác định đặc trưng của linh kiện quang trở Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 37 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Quang trở là linh kiện trong đó sự thay đổi điện trở R theo năng thông bức xạ gửi tới Φ có dạng R = AΦ − γ với A, γ là các hằng số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, kích thước và hình dạng của quang trở. Điện trở của dây kim loại vônfram phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm số: R t = R o (1 + αt + βt 2 ) Rt và Ro là điện trở dây tóc đèn ở t oC và 0oC; α, β là các hệ số nhiệt điện trở của dây tóc vônfram: α = 4,82.10-3K-1 ; β = 6,76.10-7K-2. Cho các dụng cụ, linh kiện và thiết bị sau: - Quang trở; - Bóng đèn sợi đốt có dây tóc bằng vônfram; - Một nguồn điện một chiều; - Một biến trở; - Một ampe kế; một vôn kế; một ôm kế; - Nhiệt kế; - Dây nối, các thiết bị che chắn và các giá đỡ cần thiết. Hãy trình bày: 1. Cơ sở lý thuyết xác định hằng số γ trong công thức R = AΦ − γ . Có thể sử dụng quang trở để đo độ rọi ánh sáng được không? 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm, cách thức thu thập và xử lý số liệu. 3. Những lưu ý trong thí nghiệm, sai số của phép đo. Bµi 13. (HSGQG 2008) Xác định chiều dày màng mỏng bằng phương pháp giao thoa Trong quá trình nghiên cứu chế tạo kính chống đọng nước cho ngành công nghiệp ôtô người ta đã phủ lên bề mặt kính một lớp mỏng màng vật liệu TiO 2 chiết suất n chiều dày cỡ µm. Để xác định chiều dày của lớp màng vật liệu TiO 2 được phủ trên tấm thuỷ tinh mẫu người ta sử dụng các thiết bị và dụng cụ sau: - Giao thoa kế Young (giao thoa kế này có khoảng cách giữa hai khe sáng là a, khoảng cách từ khe đến màn là D và cho phép xác định vị trí các vân giao thoa và khoảng vân chính xác); - Hai tấm thuỷ tinh mỏng giống hệt nhau, một tấm có phủ thêm trên bề mặt một màng TiO2 trong suốt. Hãy trình bày: 1. Cơ sở lý thuyết xác định bước sóng ánh sáng dùng trong thí nghiệm và chiều dày của lớp màng vật liệu TiO2. 2. Cách tiến hành thí nghiệm, sai số mắc phải. Bµi 14. (HSGQG 2008) Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 38 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT Xác định hằng số Planck Cho các dụng cụ, linh kiện và thiết bị sau: - Quang trở; - Bóng đèn sợi đốt; - Ampe kế, vôn kế, ôm kế; - Kính lọc sắc (bước sóng λ); - Kính phân cực (có hệ số hấp thụ và phản xạ là k); - Nguồn điện một chiều, biến trở; - Nhiệt kế; - Ngắt mạch, dây nối, các tấm che chắn và giá đỡ cần thiết. Hãy: 1. Thiết lập các công thức sử dụng trong thí nghiệm để xác định hằng số Planck. 2. Trình bày các bước tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu. 3. Nêu các điểm cần chú ý trong quá trình thí nghiệm. Biết nhiệt độ của dây sợi đốt T của đèn thay đổi theo điện trở bóng đèn R B có dạng hàm số T = aRB 0.83 với a là hệ số chưa biết. Gợi ý: Quang trở là linh kiện có điện trở R thay đổi theo năng thông bức xạ Φ theo quy luật R = AΦ −γ với A, γ là các hằng số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, kích thước và hình dạng của quang trở. Thực nghiệm cần xác định hằng số γ. Năng suất phát xạ đơn sắc bước sóng λ của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T: f (λ, T) = 2π λ3 hc e hc λk B T −1 với c = 3.108m/s và kB = 1,38.10-23 J.K-1, h là hằng số Planck. Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 39 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT III. KẾT LUẬN Qua quá trình giảng dạy, tôi thấy rằng phương pháp thực nghiệm đặc biệt hiệu quả trong việc tiếp thu kiến thức vật lí, truyền sự đam mê, khả năng tìm tòi sáng tạo của học sinh. Đây thực sự là phương pháp trong tương lai của môn vật lí. Phương pháp thực nghiệm là phương pháp chính của nền giáo dục các nước phát triển, gắn liền với đời sống thường ngày. Giúp giải quyết nhiều vấn đề đặt ra của giáo dục, chẳng hạn học không phải để thi mà học để nắm vững tri thức của cuộc sống, phục vụ cuộc sống. Phương pháp thực nghiệm có thể áp dụng cho mọi trường trung học phổ thông, các đối tượng khác nhau từ học sinh bình thường đến học sinh giỏi tỉnh, học sinh giỏi quốc gia, quốc tế. Nam Định, tháng 8 năm 2014 TÁC GIẢ Nguyễn Văn Huyên Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 40 HỘI THẢO CÁC TRƯỜNG CHUYÊN Thí nghiệm Vật lí trong trường THPT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chuyên đề bồi dưỡng giáo viên chuyên 2011. [2]. Đề thi học sinh giỏi quốc gia các năm. [3]. Physics Laboratory Manual for Engineering Undergraduates Dr. P. K. Giri Department of Physics Indian Institute of Technology Guwahati [4]. Республиканская физическая олимпиада Экспериментальный тур Tác giả: Nguyễn Văn Huyên 41 [...]... TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT Tn s õm thu c theo thi gian t k t thi im xe bt u chuyn ng (chn lm mc thi gian ng vi t = 0) c cho trong bng sau: t (s) 3 6 9 12 15 f (Hz) 608 626 645 666 690 1 Gi thit trong thi gian truyn õm t xe n ngi quan sỏt, vn tc ca xe thay i khụng ỏng k Cn c vo bng s liu thu c trờn hóy xỏc nh vn tc truyn õm va 2 Khụng b qua s thay i vn tc ca xe trong thi gian truyn õm... nhit ca nc trong bỡnh Tỏc gi: Nguyn Vn Huyờn 32 HI THO CC TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT 2) Thit b thớ nghim: a) Mt ng nghim nh, dung tớch khong 30 cm3 b) Nhit k thu ngõn chia n 0,10C c) Bỳt d vit c lờn thu tinh d) ng h bm giõy 3) Yờu cu xõy dng phng ỏn thớ nghim: a) Trỡnh by c s lý thuyt Vit cỏc cụng thc cn thit b) Trỡnh by mt phng ỏn thớ nghim xỏc nh nhit ca nc trong bỡnh, trong hai... bt u theo dừi s gim nhit ca vt (bng 2) Hóy xỏc nh nhit dung riờng ca vt theo n v j/g.k Xem rng nhit bờn trong vt nh nhau ti mi in trong quỏ trỡnh ngui i bng 1 Tỏc gi: Nguyn Vn Huyờn bng 2 19 HI THO CC TRNG CHUYấN S ph thuc ca nhit cõn bng vo cụng sut t Cụng sut t (w) Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT S ph thuc nhit vo thi gian ngui Nhit cõn bng (oc) Thi gian (s) Nhit (oc) Thi gian (s) Nhit (oc)... TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT 0 22.1 a S dng bng s liu, hóy v th tc ph thuc cao trờn giy k ụ vuụng b T th, xỏc nh tc ca vt cao 12.5 một so vi mt t Hng dn Bi 2 Khi ngi lỏi xe mun dng xe bng cỏch hóm phanh gp thỡ khong dng cú th coi l tng ca khong phn ng v khong hóm, trong ú khong phn ng bng tc ban u nhõn vi thi gian phn ng, khong hóm bng on ng m xe i c trong thi gian hóm Cho bng... tng tuyn tớnh nờn ta cú th ly nhit dõy dn trong mi khong l nhit trung bỡnh ghi khong ny v khong tip theo (vớ d khong 1 l (25,2+26,4)/2 = 25,8: Trong mt khong = 3 phỳt no ú, vớ d khong th nht c1.(t 1 - t2)= p. - (t1 -t0) vi c1 l nhit dung ca bỡnh v nc cha trong nú khi cha cú mu kim loi t1 l nhit ca bỡnh sau mi khong 3 phỳt = 180s t2 l nhit ca bỡnh trong khong 3 phỳt trc trc l thi gian (180s)... cho phộp suy ra m t i ca khụng khớ (trong khong t 80% n 100%) theo cỏc s o m cỏc dng c trờn o c Cho nhit phũng l 270C c Nờu nguyờn nhõn sai s ca phộp o v hng khc phc Bi 4 (HSGQG 2005) Mt cc ong trong thớ nghim cú dng hỡnh tr ỏy trũn, khi lng M, th tớch bờn trong ca cc l V 0 Trờn thnh cc, theo phng thng ng ngi ta khc cỏc vch chia o th tớch v o cao ca cht lng trong cc Coi ỏy cc v thnh cc cú dy nh... lớ trong trng THPT Nờn lm theo cỏch 2 cú chớnh xỏc cao hn Bi 5 Khi bt mỏy tng õm nhng cha núi vo micrụ, ngi ta nghe thy ting lo so loa Ting lo so ú gi l ting n, gõy ra do bin ng ngu nhiờn ca in ỏp li ra ca mỏy.Cú 2 loi ting n chớnh mỏy tng õm 1 n nhit, cú in ỏp ut khụng ph thuc tn s, gõy ra do chuyn ng nhit ca in t 2 n nhp nhỏy, cú in ỏp u f t l vi 1/ f (f l tn s) , gõy ra do tip xỳc khụng tt trong. .. in cc - nh lut Faraday th hai tớnh n giỏ tr ca ng lng in húa: 1 1 1 = F' S S (2) trong ú: a: l khi lng nguyn t z : l húa tr c: l h s t l nh nhau vi mi cht t C = 1 thỡ: F K= A F Z Th (3) vo (1) ta cú: M = A F.Z (3) (4) i lng F gi l s Faraday Tỏc gi: Nguyn Vn Huyờn 23 HI THO CC TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT i lng A/Z gi l ng lng kilogam ca mt cht Theo (4) ta thy rng s Faraday F cú ln...HI THO CC TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT +2 Dng cỏc du ch thp hoc cỏc hỡnh ch nht cú tõm l cỏc im A1 ( x1 , y1 ) , A2 ( x2 , y2 ) An ( xn , yn ) v cú cỏc cnh tng ng l ( 2x1 ,2y1 ) , ( 2xn ,2yn ) Dng ng bao sai s cha cỏc hỡnh ch nht hoc cỏc du ch thp +3 ng biu din y = f (x) l mt ng cong trn trong ng bao sai s c v sao cho nú i qua hu ht cỏc hỡnh ch nht v cỏc... CC TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trong trng THPT Nu gii h (1) v (8): 1,2 c1 = 1260 - 1044 0,8 c1 = 1260 - 2286; ta cú c1 = 3105= 820,2j/k Cú sai lch l do s liu phõn tỏn Ta ly trung bỡnh 770j/k tng t, tớnh c2 890 j/k ( c2 = c1 +cx; cx l nhit dung ming kim loi.) cx = c2-c1 120j/k (ỏp s phõn tỏn t 100j/k n 130 j/k) Bi 3 Xỏc nh chu kỡ bỏn ró C sau mt gi ta o c s phõn ró trong mt phỳt ca mt lng cht phúng ... CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trng THPT III KT LUN .40 TI LIU THAM KHO 41 Tỏc gi: Nguyn Vn Huyờn HI THO CC TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trng THPT I T VN Vt lớ l mt khoa... qu cao lm cỏc bi thi HSG quc gia v Olympic Vt lớ Vỡ vy, coi trng thớ nghim Vt lớ trng THPT, c bit l cỏc trng THPT Chuyờn l nh hng lõu di v vng chc cho mc tiờu o to nhõn cỏch HS hỡnh thnh cỏc nng... trựng Trong trng hp ú, ta phi da vo nhy ca dng c xỏc nh sai s Sai s A thng c ly bng na giỏ tr ca chia nh nht ca dng c Tỏc gi: Nguyn Vn Huyờn HI THO CC TRNG CHUYấN Thớ nghim Vt lớ trng THPT