BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRƯỜNG THPT MÔN VẬT LÍ (Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI, THÁNG 9 NĂM 2011 Chủ trì biên soạn tài liệu 1. VỤ GIÁO DỤC TRUNG HỌC 2. CHƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN GIÁO DỤC TRUNG HỌC Nhóm tác giả biên soạn tài liệu NGUYỄN TRỌNG SỬU (Chủ biên) HỒ TUẤN HÙNG NGUYỄN VĂN KHÁNH TRẦN MINH THI 2 LỜI NÓI ĐẦU Nhằm triển khai Đề án phát triển hệ thống trường THPT chuyên giai đoạn 2010 - 2020, với mục tiêu nâng cao chất lượng dạy học trong các trường THPT chuyên và phát triển chuyên môn cho giáo viên môn chuyên Vật lí, Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức biên soạn tài liệu “Thí nghiệm thực hành trường THPT môn Vật lí”. Để đáp ứng yêu cầu đổi mới dạy học tăng cường dạy thí nghiệm thực hành và thi chọn học sinh giỏi vật lí THPT, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã mời các chuyên gia, giảng viên các trường đại học tham gia biên soạn. Cấu trúc tài liệu gồm có: Phần 1. Những vấn đề chung Phần 2. Một số bài thí nghiệm thực hành môn Vật lí THPT Mỗi bài thực hành được biên soạn và hướng dẫn cho GV, HS một cách chi tiết, có phần câu hỏi mở rộng để khai thác sâu hơn kiến thức, kỹ năng và phát huy tính sáng tạo của HS THPT chuyên. Phần 3. Tổ chức dạy học thí nghiệm thực hành trong các trường THPT chuyên Mặc dù tài liệu được viết rất công phu, Tiểu ban thẩm định môn Vật lí đọc góp ý và biên tập nội dung nhưng khó tránh khỏi còn có những sơ sót nhất định. Các tác giả mong nhận được góp ý của quý thầy cô giáo và độc giả khi sử dụng tài liệu. Trân trọng cám ơn Tiểu ban thẩm định và bạn đọc. CÁC TÁC GIẢ 3 Phần thứ nhất NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG A. THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 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 (gọi tắt là thí nghiệm) Vật lí trong trường Trung học phổ thông (THPT) là một trong những mục đích quan trọng giúp học sinh (HS) 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 HS 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 HS tin tưởng vào các chân líkhoa học. Hơn nữa, thí nghiệm Vật lí trong trường THPT, giúp HS 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. B. CHỨC NĂNG CỦA THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI GIÁO VIÊN KHI DẠY HỌC I. CHỨC NĂNG CỦA THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH Theo quan điểm lí luận nhận thức thì thí nghiệm có những chức năng cụ thể sau đây: 1. Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức Thí nghiệm là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người, thông qua thí nghiệm con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao năng lực của bản thân để có thể tác động và cải tạo thực tiễn. Trong học tập thí nghiệm là phương tiện của hoạt động nhận thức của học sinh, nó giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết. 4 2. Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức Trong khoa học phương pháp thực nghiệm được coi là “hòn đã thử vàng” của mọi tri thức chân chính. Bởi vậy, có thể nói thí nghiệm có chức năng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của tri thức đã thu nhận. 3. Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn Trong quá trình vận dụng kiến thức vào thực tiễn, vào việc thiết kế và chế tạo các thiết bị kĩ thuật, người ta gặp phải những khó khăn nhất định do tính khái quát và trừu tượng của các tri thức cần vận dụng, cũng như bởi tính phức tạp của các thiết bị kĩ thuật cần chế tạo. Trong trường hợp đó thí nghiệm được sử dụng với tư cách là phương tiện thử nghiệm cho việc vận dụng tri thức vào thực tiễn. 4. Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức Thí nghiệm luôn đóng một vai trò rất quan trọng trong các phương pháp nhận thức khoa học. Chẳng hạn, đối với phương pháp thực nghiệm, thí nghiệm luôn có mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết. Trong phương pháp mô hình, thí nghiệm giúp ta thu thập các thông tin về đối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình. Ngoài ra, đối với mô hình vật chất điều bắt buộc là người ta phải tiến hành các thí nghiệm thực sự với nó. Cuối cùng, nhờ những kết quả của các thí nghiệm được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình, qua đó để có thể kiểm tra tính đúng đắn của mô hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nó. II. YÊU CẦU ĐỐI VỚI GIÁO VIÊN KHI HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH Giáo viên khi hướng dẫn HS thực hành cần đảm bảo các yêu cầu sau đây: 1. Soạn bài, chuẩn bị đầy đủ dụng cụ, thiết bị thí nghiệm, mẫu báo cáo thực hành, vật liệu tiêu hao cho các bài thực hành trước khi hướng dẫn cho HS làm thí nghiệm thực hành. 2. Kiểm tra HS và củng cố lại cơ sở lí thuyết của bài thực hành, phán đoán các tình huống xảy ra trong quá trình làm thí nghiệm thực hành. 3. Phân nhóm thực hành hợp lí, hướng dẫn cách lắp đặt thí nghiệm, các bước tiến hành thí nghiệm, thu thập thông tin, xử lí kết quả và cách viết báo cáo và trình bày thí nghiệm. 4. Theo dõi các nhóm thực hành, hướng dẫn HS thảo luận, khai thác, xử lí kết quả thí nghiệm, xử lí các tình huống đề xuất trong quá trình thực hành. Đánh giá năng lực thực hành của từng HS đảm bảo sự khách quan và công bằng thông qua sự theo dõi và kết quả báo cáo thực hành. 5. Hướng dẫn HS về an toàn, vệ sinh môi trường, bảo quản thiết bị thí nghiệm. 5 Phần thứ hai MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH MÔN VẬT LÍ THPT Bài thực hành mở đầu TÍNH SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU I. Mục đích - Rèn luyện kỹ năng tính giá trị trung bình và sai số của đại lượng vật lí được đo trực tiếp. - Vận dụng thành thạo các phương pháp tính sai số của đại lượng đo gián tiếp. - Từ bảng số liệu thực nghiệm, học sinh cần nắm vững phương pháp xử lí số liệu để tính giá trị trung bình và sai số của đại lượng đo gián tiếp. - Nắm vững và thành thạo quy tắc làm tròn số và viết kết quả đo đại lượng vật lí. II. Cơ sở lí thuyết 2.1. Định nghĩa phép tính về sai số Các khái niệm a. 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 b. Phép đo gián tiếp: Trường hợp 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, thì phép đo đó là phép đo gián tiếp Phân loại sai số 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: 6 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. 2.2. Phương pháp xác định sai số của phép đo trực tiếp a) Phương pháp chung xác định giá trị trung bình và sai số ngẫu nhiên Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần. Kết quả đo lần lượt là ., , 21 n AAA Đại lượng n A n AAA A n i i n ∑ = = +++ = 1 21 (1) được gọi là giá trị trung bình của đại 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: n n AAA AAA AAA −=∆ −=∆ −=∆ 22 11 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. Theo lí thuyết xác suất, sai số toàn phương trung bình là: ( ) ( ) 1 1 2 − ∆ = ∑ = nn A n i i σ (2) và kết quả đo đại lượng A được viết: σ ±= AA (3) Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với một xác suất nhất định sẽ nằm trong khoảng từ σ − A đến σ + A , nghĩa là: A - σ ≤≤ A σ +A Khoảng [( A - σ ),( σ +A )] 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 nhiên) được định nghĩa như sau: 7 A∆ = ( ) n A n i i ∑ = ∆ 1 (4) 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 = 0 0 100. A A∆ (6) Kết quả đo được viết như sau: 0 0 δ ±= AA (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). Ví dụ: Đo đường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau: mmd 75,8 1 = mmd 00,0 1 =∆ mmd 76,8 2 = mmd 01,0 2 −=∆ mmd 74,8 3 = mmd 01,0 3 =∆ mmd 77,8 4 = mmd 02,0 4 −=∆ Giá trị trung bình của đường kính viên bi là: d = mm75,8 4 77,874,876,875,8 = +++ Sai số tuyệt đối trung bình tính được là d∆ = mm01,0 4 02,001,001,000,0 = +++ Kết quả: mmd 01,075,8 ±= b) Cách xác định 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. 8 ● 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 VU 4200.2 0 0 ==∆ . Nếu kim chỉ thị vị trí 150 V thì kết quả đo sẽ là: VU 4150 ±= ● 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: 0 0 ΔU = 1 .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 = 2 n 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) 2.3. Phương pháp xác định sai số gián tiếp a) Phương pháp chung Giả sử đại lượng cần đo A phụ thuộc vào các đại lượng x, y, z theo hàm số ),,( zyxfA = Trong đó x, y, z là các đại lượng đo trực tiếp và có giá trị 9 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 ). 2 b) Cách xác định cụ thể Sai số A∆ được tính bằng phương pháp vi phân theo một trong hai cách sau: Cách 1 Cách này sử dụng thuận tiện khi hàm ),,( zyxf là một tổng hay một hiệu (không thể lấy logarit dễ dàng). Cách này gồm các bước sau: a. Tính vi phân toàn phần của hàm ),,( xyxfA = , sau đó gộp các số hạng có chứa vi phân của cùng một biến số. b. 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∆ . c. Tính sai số tỉ đối (nếu cần). Ví dụ: Một vật ném xiên góc α có độ cao 2 0 2 1 sin gttvh −= α Trong đó: smv /2,02,39 0 ±= 0 130 ±= α st 2,00,2 ±= 2 /8,9 smg = Ta có: mh 6,19 2 2 .8,92.30sin.2,39 2 0 =−= dttgdvtdvdtvdh sin.cos.sin 000 −++= αααα ( ) 00.0 sin.cos sin dvtdtvdtgtv αααα ++−= h∆ = gt sin v 0 . +∆t .t.cos.v 0 . +∆ α t.sin α . 0 v∆ = m38,12,0.2.30sin 360 2 .30cos.2.2,392,0.2.8.930sin.2,39 000 =++− π Sử dụng quy ước viết kết quả ở IV ta có: mh 4,16,19 ±= Cách 2 Sử dụng thuận tiện khi hàm ),,( zyxf là dạng tích, thương, lũy thừa Cách này cho phép tính sai số tỉ đối, gồm các bước: 10 [...]... kết quả thực hiện của 3 người? Kết quả nào sẽ hợp lí hơn khi dùng cùng một bộ dụng cụ và cùng môi trường thí nghiệm 4 Hãy nêu điều kiện lí tưởng của nam châm và vật khảo sát để thu được kết quả thí nghiệm là chính xác nhất? 5 Bài thí nghiệm có thể dùng MODE A (hoặc MODE B) để khảo sát được không? Nếu có thì cách tiến hành thế nào? Kết quả có chính xác không? Tại sao? VII Báo cáo thực hành THỰC HÀNH KHẢO... hộp công tắc để vật rơi, nhả nhanh tay trước khi vật rơi qua cổng E Đọc thời gian của vật rơi trên đồng hồ và ghi vào bảng số liệu 1.1 Lặp lại thí nghiệm một số lần để xác định giá trị trung bình của đại lượng đo và sai số của nó c Tiếp tục chọn các quãng đường S2, S3,… thực hiện thí nghiệm tương tự như trên và đọc thời gian tương ứng, ghi vào bảng số liệu 1.1 d Sau khi tiến hành thí nghiệm xong, tắt... ………………………………………………………………………………… Giải thích ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Bài thực hành số 2 TỔNG HỢP LỰC 28 I Mục đích: - Dùng qui tắc hình bình hành để tổng hợp hai lực đồng qui, sau đó kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm - Dùng qui tắc tổng hợp hai lực song song cùng chiều để xác định lực tổng hợp, sau đó kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm - Rèn luyện kĩ năng thực hành, giải các bài toán... đã cho, đặc biệt công dụng và cách sử dụng cổng quang được nêu trong bài thí nghiệm 1 và 7 IV Báo cáo thực hành THỰC HÀNH TÍNH SAI SỐ VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU Họ và tên: Lớp: Nhóm: Ngày làm thực hành: Viết báo cáo theo các nội dung sau: 1 Mục đích ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… 2 Tóm tắt lí thuyết a Giá trị trung bình và sai số của đại lượng đo trực tiếp ... ………………………………………………………………………………… Trong cùng một điều kiện thí nghiệm, kết quả hợp lí hơn là ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Câu 4 Để thu được kết quả thí nghiệm là chính xác nhất, điều kiện lí tưởng của nam châm và vật khảo sát là ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Câu 5 Bài thí nghiệm …… ……dùng MODE A (hoặc MODE B) để khảo sát Cách tiến hành là 27 …………………………………………………………………………………... tính đồng thời với việc ngắt điện thì lõi nam châm điện và vật hình trụ phải làm bằng vật liệu từ mềm lí tưởng Nếu không đạt được việc nam châm nhả vật ngay lập tức thì có thể sẽ xảy ra trường hợp đồng hồ đã đếm trước khi vật rơi 22 Mặt khác, mặt tiếp xúc giữa vật và lõi nam châm phải đảm bảo sao cho khi nhả vật thì khi rơi phương trục chính của vật trùng với phương thẳng đứng Nếu các điều kiện kĩ thuật... ghi vào bảng số liệu 1 - Thực hiện lặp lại hai lần bước thí nghiệm này để nhận được các giá trị R 2, R3 Ghi lại các giá trị R2, R3 tương ứng vào bảng số liệu, tính giá trị trung bình R và sai số ∆R   Bước 3 Tiến hành hai bước thí nghiệm trên ứng với các cặp lực mới F1 và F2 có phương, chiều và độ lớn khác  - So sánh các kết quả tổng hợp lực R thu được bằng tính toán và bằng thí nghiệm kiểm chứng,... thêm hai lần, tìm a 2 và a3 tương ứng và ghi vào bảng số liệu 2 32 - Tính các giá trị a và ∆a So sánh kết quả từ thực nghiệm với kết quả tính theo lí thuyết Bước 3 Tiến hành hai bước thí nghiệm trên trong trường hợp thay đổi số quả nặng treo tại A và B và độ dài AB cũng thay đổi  - So sánh các kết quả hợp lực P thu được bằng tính toán và bằng thí nghiệm kiểm chứng, rút ra kết luận V Các vấn đề cần chú... do vật không chắn được chùm hồng ngoại Vật rơi theo phương thẳng đứng, đúng vào giá hứng và cắm thẳng đứng vào bột dẻo ở trong giá Khi vật không rơi thẳng đứng, sai số sẽ tăng lên Vì vật rơi trong không khí nên phải chọn vị trí cổng quang thích hợp để giảm sai số IV Tiến hành thí nghiệm a Xác định vị trí ban đầu của vật bằng thước ke 3 chiều Để lựa chọn một vạch thích hợp nhất định, ta điều chỉnh vị... nhau Thực tế, các thí nghiệm về sự rơi đều được tiến hành trong không khí nên chỉ gần đúng là rơi tự do Thả một vật (trụ thép, viên bi…) từ độ cao s trên mặt đất, vật sẽ rơi rất nhanh theo phương thẳng đứng (phương song song với dây dọi) Trong trường hợp này ảnh hưởng của không khí không đáng kể, vật chỉ chuyển động dưới tác dụng của trọng lực, nên có thể coi là vật rơi tự do Khi một vật có vận tốc ban