Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thông qua việc xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập phương án thí nghiệm cơ học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

84
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu sáng kiến "Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thông qua việc xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập phương án thí nghiệm cơ học" nhằm định hướng dạy học theo phương pháp hiện đại, phát triển năng lực giải quyết vấn đề học sinh và vận dụng lý thuyết vào thực tiễn. Giúp học sinh hiểu sâu hơn vai trò của thí nghiệm vật lý trong nghiên cứu khoa học và đời sống thực tế, tăng hứng thú và trực quan sinh động cho học sinh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thông qua việc xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập phương án thí nghiệm cơ học

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN =====  ===== SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THÔNG QUA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM CƠ HỌC LĨNH VỰC: VẬT LÝ Năm học: 2021 – 2022
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN TRƯỜNG THPT CHUYÊN PHAN BỘI CHÂU =====  ===== SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THÔNG QUA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM CƠ HỌC LĨNH VỰC: VẬT LÝ Tên tác giả : Trần Văn Nga – Trần Ngọc Thắng Tổ bộ môn : Vật Lý - Hóa Học Số điện thoại : 0913062174 - 0984155242 Năm học: 2021 - 2022
MỤC LỤC PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................... 1 1.1. Lý do chọn đề tài. ............................................................................................. 1 1.2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 1 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 2 1.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2 1.5. Đóng góp của đề tài .......................................................................................... 2 PHẦN 2: NỘI DUNG ............................................................................................. 3 I. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN .................................................................... 3 1. Cơ sở lí luận ........................................................................................................ 3 1.1. Một số vấn đề về năng lực giải quyết vấn đề ................................................... 3 1.2. Một số vấn đề cơ bản về bài tập phương án thí nghiệm. ................................. 4 3. Cơ sở thực tiễn .................................................................................................... 5 II. XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM CƠ HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG. .................................................................................................................. 6 1. Nguyên tắc chung khi giải các bài toán thiết lập phương án thí nghiệm. ........... 6 2. Một số vấn đề cơ sở đo các đại lượng cơ học trong chương trình vật lý THPT. 7 3. Hệ thống các bài tập phương án thí nghiệm trong chương trình vật lý THPT phần cơ học ……………17 4. Thực nghiệm sư phạm. ........................................................................................ 55 4.1. Khảo sát mức độ yêu thích và hiệu quả tiết dạy .............................................. 55 4.2. Kết quả kiểm tra đánh giá ................................................................................ 55 PHẦN III. KẾT LUẬN ........................................................................................... 57 1. Đề tài đã đạt được những kết quả sau đây. ......................................................... 57 2. Kiến nghị ............................................................................................................ 58 3. Hướng phát triển của đề tài ................................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 59 1
PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Lý do chọn đề tài. Như chúng ta đã biết, mục tiêu của giáo dục trong đó hoạt động cơ bản là dạy học, là hình thành và phát triển nhân cách cho học sinh. Dạy học không chỉ đơn thuần cung cấp cho học sinh những tri thức và kinh nghiệm mà loài người đã tích lũy được mà phải góp phần tích cực vào việc hình thành và phát triển nhân cách cho học sinh theo mục tiêu đào tạo. Học sinh cùng được tham gia tích cực, chủ động vào các hoạt động học tập thì các phẩm chất và năng lực cá nhân sớm được hình thành và phát triển toàn diện. Năng động và sáng tạo là những phẩm chất cần thiết trong cuộc sống hiện đại, nó phải được hình thành ngay khi còn ngồi trên ghế nhà trường. Chính vì lẽ đó, trong các môn học nói chung và môn Vật lí nói riêng, việc đổi mới phương pháp dạy học theo hướng tích cực hóa hoạt động học tập của học sinh đã được các giáo viên áp dụng từ nhiều năm nay, trong đó phương pháp tự nghiên cứu giúp học sinh tự học, tự sáng tạo được đánh giá là phương pháp có giá trị giáo dục lớn nhất. Và việc thực hiện các thí nghiệm vật lí ở nhà trường là một trong các biện pháp quan trọng nhất để nâng cao chất lượng dạy và học Vật lí. Điều này quyết định bởi đặc điểm của khoa học Vật lí vốn là khoa học thực nghiệm và bởi nguyên tắc dạy học là nguyên tắc trực quan “ học đi đôi với hành ”. Tuy nhiên, để thực hiện được các thí nghiệm thì việc đầu tiên là phải xây dựng được một phương án hợp lí, có tính khả thi và độ chính xác cao. Việc này cần dựa trên một nền tảng kiến thức vững vàng cả về lí thuyết và thực tiễn về đối tượng, hiện tượng cần nghiên cứu. Do đó, việc xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập phương án thí nghiệm sẽ giúp cho học sinh phát triển năng lực giải quyết các vấn đề về lí thuyết cũng như thực tiễn một cách hiệu quả. Nhận thức được tầm quan trọng của việc đổi mới phương pháp dạy học trong giai đoạn hiện nay và ý nghĩa của việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho HS trong dạy học vật lý; đồng thời góp phần nâng cao hơn nữa chất lượng dạy học vật lý ở trường THPT, chúng tôi chọn đề tài ngiên cứu “Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thông qua việc xây dựng và sử dụng hệ thống bài tập phương án thí nghiệm cơ học”. 1.2. Mục đích nghiên cứu Định hướng dạy học theo phương pháp hiện đại, phát triển năng lực giải quyết vấn đề học sinh và vận dụng lý thuyết vào thực tiễn. Khuyến khích khả năng tự học, tự nghiên cứu cá nhân và làm việc nhóm, phát huy tính chủ động, tích cực, tự tin sáng tạo của học sinh. Giúp học sinh hiểu sâu hơn vai trò của thí nghiệm vật lý trong nghiên cứu khoa học và đời sống thực tế, tăng hứng thú và trực quan sinh động cho học sinh. 1
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: + Hoạt động dạy và học vật lý ở trường THPT. + Bài tập xây dựng phương án thí nghiệm ở THPT. - Phạm vi nghiên cứu: + Bài tập xây dựng phương án thí nghiệm cơ học ở THPT cho chương trình đại trà và chương trình chuyên. 1.4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: + Nghiên cứu các tài liệu về lý luận và phương pháp dạy học Vật lý. + Nghiên cứu chương trình sách giáo khoa, sách bài tập và các tài liệu tham khảo. - Phương pháp điều tra: + Điều tra thực trang dạy học bài tập thí nghiệm ở trường THPT hiện nay. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: + Dùng để tổ chức thí nghiệm, đánh giá hiệu quả sư phạm nhằm kiểm tra giả thuyết khoa học của đề tài. 1.5. Đóng góp của đề tài Đề tài có tính mới, không trùng với các đề tài đã biết, định hướng theo mục tiêu đổi mới của chương trình giáo dục, đáp ứng nhu cầu và mục đích dạy học môn vật lý ở trường phổ thông. Xây dựng được hệ thống bài tập phương án thí nghiệm phần cơ học THPT theo hướng phát triển năng lực giải quyết vấn đề. Đề xuất được quy trình sử dụng hệ thống bài tập phương án thí nghiệm phần cơ học THPT theo hướng phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong dạy học vật lý. 2
PHẦN 2: NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN 1. Cơ sở lí luận 1.1. Một số vấn đề về năng lực giải quyết vấn đề a. Khái niệm năng lực Hiện nay có rất nhiều cách diễn đạt khác nhau về khái niệm năng lực nhưng tất cả đều chung một nhận định: Năng lực gắn với khả năng thực hiện, nghĩa là phải biết làm chứ không dừng lại ở hiểu. Và hành động làm ở đây lại gắn với những yêu cầu cụ thể về kiến thức, kỹ năng và thái độ để đạt được kết quả. Năng lực có những đặc điểm sau: - Năng lực chỉ có thể quan sát được qua hoạt động của cá nhân ở các tình huống nhất định. - Năng lực thể hiện dưới hai dạng là năng lực chung và năng lực chuyên biệt. - Năng lực được hình thành và cải thiện liên tục trong suốt cuộc đời con người vì sự phát triển năng lực thực chất là sự thay đổi cấu trúc nhận thức và hành động của cá nhân. Vì thế, năng lực có thể bị yếu hoặc mất đi nếu không được sử dụng tích cực và thường xuyên. - Phát triển năng lực cần dựa trên cơ sở phát triển các thành phần (kiến thức, kỹ năng, thái độ...), trong đó phải được “thực hành”, huy động tổng hợp các thành phần trong các tình huống. b. Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề Vấn đề là trạng thái mà ở đó có sự mâu thuẫn hay có khoảng cách giữa thực tế và mong muốn. Giải quyết vấn đề là một quá trình trong đó người học xác định được vấn đề cần giải quyết, lựa chọn được một giải pháp tối ưu để giải quyết được một vấn đề mới lạ và đánh giá những gì xảy ra. Như vậy, năng lực giải quyết vấn đề là năng lực xác định được mục tiêu của vấn đề, đề ra được các giải pháp để giải quyết vấn đề đó, chọn được giải pháp tối ưu trong các giải pháp đã đề ra để thực hiện, đánh giá được kết quả thu được, rút kinh nghiệm khi xử lí các vấn đề khác tương tự và đề xuất được vấn đề mới khi cần thiết. Hoạt động nhận thức của con người chỉ thực sự bắt đầu khi con người gặp phải mâu thuẫn giữa trình độ hiểu biết đang có và nhiệm vụ mới phải giải quyết. Như vậy, hoạt động nhận thức của học sinh trong học tập thực chất là hoạt động giải quyết vấn đề nhận thức. c. Những dấu hiệu của năng lực giải quyết vấn đề - Có khả năng phát hiện các vấn đề cần giải quyết. - Có khả năng tự di chuyển các tri thức, kỹ năng sang một tình huống mới. Điều này thể hiện sự liên hệ, vận dụng các kiến thức đã học một cách linh hoạt. 3
- Có khả năng cân nhắc những cách tiếp cận khác nhau dưới những góc nhìn khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án tối ưu nhất để giải quyết vấn đề đặt ra. - Có khả năng đánh giá kết quả đạt được sau khi giải quyết xong vấn đề, nhận ra được ưu khuyết điểm của cách tiếp cận và cải tiến phương án để đem lại hiệu quả cao hơn. 1.2. Một số vấn đề cơ bản về bài tập phương án thí nghiệm. a. Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm là dạng bài tập bắt buộc để thực hiện bài tập thí nghiệm thực. Đây là dạng bài tập mà thí nghiệm được tiến hành trong tư duy, vì vậy nó hoàn toàn khả thi trong điều kiện thiếu thốn trang thiết bị thí nghiệm. Đây là dạng bài tập cơ sở để học sinh thực hiện các thí nghiệm thực. Nội dung của bài tập thiết kế phương án thí nghiệm là căn cứ vào yêu cầu của bài tập, học sinh vận dụng các định luật một cách hợp lí, thiết kế phương án thí nghiệm để: - Đo đạc một đại lượng vật lý nào đó. - Xác định sự phụ thuộc nào đó giữa các thông số vật lý. Các bài tập thiết kế phương án thí nghiệm có tác dụng bồi dưỡng năng lực thiết kế, hình thành trực giác khoa học, phát triển tư duy sáng tạo của học sinh và đặc biệt là phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh. Câu hỏi của loại bài tập này thường là: “Làm thế nào để đo được ... với các thiết bị...?”; “Hãy xác định đại lượng ... với các thiết bị...”; “Nêu phương án đo ... với các dụng cụ ... ”; “Nêu các phương án đo ...”. b. Các bước tiến hành xây dựng bài tập thiết kế phương án thí nghiệm - Bước 1: Tìm hiểu đề bài. Đây là bước rất quan trọng. Cần phân biệt đâu là dự kiện đã cho và đâu là cái cần tìm. Trong trường hợp cần thiết có thể tóm tắt ngắn gọn các dự kiện và yêu cầu bằng sơ đồ các kí hiệu. - Bước 2: Phân tích nội dung để làm rõ ý nghĩa của những hiện tượng đề cập trong bài tập và vai trò của các dụng cụ đã cho trong bài tập. Có thể phân tích thông qua các việc trả lời các câu hỏi như: các đại lượng cần đo có liên quan như thế nào? Cần phải sử dụng những kiến thức nào đã học? Làm thế nào để đo được? - Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm Trong bước này, ta phải vận dụng tổng hợp nhiều đơn vị kiến thức và những hiểu biết từ thực tế, xác định sự phụ thuộc cần kiểm tra, khảo sát để đề ra các phương án khả dĩ. Từ đó lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với điều kiện theo yêu cầu bài toán. 4
c. Phân loại các bài toán thiết lập phương án thí nghiệm Bài toán thiết lập phương án thí nghiệm là loại bài toán không đòi hỏi phải đầu tư về vật chất nhưng yêu cầu học sinh phải có hiểu biết sâu sắc về lý thuyết và có đầu óc thực tế. Bài toán thiết lập phương án thí nghiệm còn là một bài toán liên quan chặt chẽ đến tất cả các lĩnh vực của vật lý: Cơ, nhiệt, điện, quang, …, đa dạng và phong phú. Tuy nhiên ta có thể phân loại chúng thành các dạng cơ bản sau: - Thiết lập phương án đo các đại lượng vật lý, các hằng số vật lý (với các dụng cụ cho sẵn hoặc các dụng cụ tùy chọn, hoặc trong điều kiện khống chế). - Thiết lập phương án bác bỏ một giả thuyết vật lý. - Thiết lập phương án thiết kế một dụng cụ vật lý. Với mỗi dạng bài toán khác nhau ta có thể thiết kế những phương pháp khác nhau phù hợp với thực tế và điều kiện khách quan. 1.3. Cơ sở thực tiễn Vật lý là môn khoa học thực nghiệm, phần lớn kiến thức vật lý trong chương trình trung học phổ thông liên hệ chặt chẽ với các thí nghiệm và hầu như được rút ra từ thực nghiệm. Sự phong phú về kiến thức, sự đa dạng về hình thức thí nghiệm chính là những lợi thế lớn đối với tiến trình đổi mới phương pháp dạy học bộ môn, để thực hiện tốt những yêu cầu về nội dung và phương pháp giáo dục như luật giáo dục đã quy định. Tuy nhiên, hiện nay việc đổi mới phương pháp dạy học vật lý ở các trường THPT còn chậm, các hình thức dạy học chủ yếu vẫn là “thông báo – tái hiện”, các bài tập và nhiệm vụ về thí nghiệm còn khá ít ỏi và chưa được coi trọng trong dạy học vật lý. Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển tư duy cũng như năng lực xử lý các vấn đề được đặt ra trong học tập và cuộc sống. Nguyên nhân của thực trạng trên là tính thiếu đồng bộ trong việc đổi mới phương pháp dạy học và hình thức kiểm tra đánh giá. Các kì thi cũng rất ít đề cập đến các vấn đề về thí nghiệm. Vì thế, trong quá trình giảng dạy nhiều giáo viên đã không chú ý đến rèn luyện các kỹ năng liên quan đến các vấn đề thí nghiệm. Trong khi đó, việc rèn luyện các kỹ năng giải quyết các vấn đề về thí nghiệm lại là bước đi rất cần thiết để hình thành ở học sinh năng lực giải quyết vấn đề, phát triển tư duy, sáng tạo – là hành trang quan trọng để học sinh bước vào cuộc sống. Thực tiễn dạy học cho thấy, việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh là hết sức quan trọng. Nó có tác dụng thiết thực để học sinh chủ động chiếm lĩnh kiến thức và vận dụng kiến thức đó vào thực tế, từ đó làm cho học sinh tự tin và tích cực hơn trong học tập. Dạy học không chỉ là việc truyền thụ hệ thống kiến thức cơ bản mà điều quan trọng là xây dựng ở học sinh phương pháp suy nghĩ, phong cách làm việc, cách tiếp cận và giải quyết các vấn đề thực tiễn đặt ra. Đối với môn vật lý, việc đặt học sinh vào yêu cầu giải quyết các vấn đề về thí nghiệm giúp học sinh rèn luyện các kỹ năng, thao tác tư duy so sánh, phân tích, suy luận, khái quát…đó là cơ sở để học sinh lĩnh hội các kiến thức vật lý một cách chủ động, sâu sắc, không máy móc đồng thời biết vận dụng vào thực tiễn hiệu quả. 5
II. XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG BÀI TẬP PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM CƠ HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG. 1. Nguyên tắc chung khi giải các bài toán thiết lập phương án thí nghiệm. Khi gặp bài toán này, việc tìm ra “miền xác định” của hiện tượng là quan trọng. Khi đó, học sinh phải xác định xem hiện tượng vật lý trong bài chịu ảnh hưởng của định luật nào. Tìm tất cả các công thức liên quan và xem xét khả năng ứng dụng thực tế của từng công thức. Chọn công thức đơn giản và chính xác nhất (để trong quá trình tiến hành thí nghiệm giảm được sai số nhiều nhất). Trả lời các câu hỏi như các đại lượng trong công thức sẽ được đo bằng dụng cụ nào và xác định như thế nào? Cuối cùng, ta thiết lập phương án theo hệ thống các bước: - Cơ sở lý thuyết. - Phương án tiến hành thí nghiệm. - Xử lý số liệu. - Đánh giá sai số và nhận xét (chỉ ra cách làm giảm sai số). Thường thì để có một bài thiết lập phương án hoàn hảo, học sinh phải trải qua một quá trình tiến hành thí nghiệm thực để rút ra các kinh nghiệm cũng như cách xử lý tình huống và sai số. Trong các cách xử lý số hiệu thu được, về phương pháp người ta thường đưa ra các bài toán về tuyến tính (hồi quy tuyến tính) để đơn giản và giảm sai số. Điểm mấu chốt của phương pháp này là người ta biến đổi các phương trình vật lý về dạng y = ax + b. Trong đó x là biến số độc lập biểu diễn trên trục hoành, y là biến số phụ thuộc vào biến số độc lập biểu diễn trên trục tung, a và b là các đại lượng chứa biến số mà thí nghiệm cần xác định các đại lượng đó thường được tính thông qua hệ số góc của đường thẳng y = ax + b mà ta vẽ được từ các số liệu. x x1 x2 x3 ... xn y y1 y2 y3 ... yn Để các phép tính chính xác hơn, người ta đưa ra phương pháp toán học xác định hệ số y a và b của đường thẳng trên y = ax + b a = tg n xi yi   xi  yi a n xi2  ( xi ) 2  b  y  a. x i i n Các công thức này được suy ra trên cơ O x sở toán xác suất và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm nhưng thông thường ta sử dụng các công thức đó như là một kết quả được công nhận. Trong phần cơ sở lý thuyết, người lập phương án phải nêu lên được bản chất hiện tượng vật lý chi phối thí nghiệm. Đây là phần mở đầu của thí nghiệm, có ảnh hưởng tới tất cả bài làm, vì vậy việc xác định được đúng đắn cơ sở lý thuyết cho bài thực hành là rất quan trọng. Với các dụng cụ đã cho sẵn, ta cần kiểm tra lại 6
trong phương án có thiếu (thừa) loại nào không. Nếu chưa thích hợp thì nên điều chỉnh lại. Ta có thể đặt các câu hỏi như sau cho phần cơ sở lý thuyết và sau đó đối chiếu với bài làm như: - Định luật vật lý sử dụng có là đơn giản, đủ chính xác hay không? - Phương án đặt ra khi dựa trên cơ sở lý thuyết đó có tính khả thi cao hay không? - Dụng cụ thí nghiệm thích hợp với phương án không? - Sai số khi làm như vậy có lớn không? Từ sơ cở lý thuyết đã có sẵn, ta đưa ra phương án thí nghiệm cho phù hợp với đề bài nhất. Trong phần phương án tiến hành thí nghiệm, ta phải: - Bố trí các dụng cụ (cho sẵn hoặc chọn) để tiến hành thí nghiệm. - Trình tự các thao tác thí nghiệm nhỏ, đo đạc. - Lưu lại các số liệu đo được. Sau khi thu được các số liệu của thí nghiệm, ta phải xử lý số liệu bằng các công thức của các định luật vật lý. Phần này giống với các bài tập lý thuyết: Cho các số liệu để tính toán các đại lượng. Từ giá trị của sai số tính được, ta đánh giá sai số (lớn hay bé), đưa ra nhận xét cách làm giảm sai số như: Để chính xác hơn, ta chọn dụng cụ như thế nào, mỗi thao tác thí nghiệm cần chú ý gì ... 2. Một số vấn đề cơ sở đo các đại lượng cơ học trong chương trình vật lý THPT. 2.1. Đo khối lượng riêng - Sử dụng bình thông nhau. Phương trình cân bằng áp suất tại 2 điểm A, B: PA = PB  d1gh1 = d2gh2  d2 = d1h1/h2 - Sử dụng lực kế và bình chất lỏng(nước chẳng hạn, đã biết D0): + Đầu tiên dùng lực kế đo trọng lượng P của vật ngoài không khí + Sau đó để cả hệ thống đó nhúng chìm vào nước, thấy lực kế chỉ F + Tính lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật: FA = P – F PF + Mà FA  d.V  10D0 .V  P  F  10D 0 .V  V  10D0 m P P.D0 + Khối lượng riêng của vật: D kl    V 10V P  F - Sử dụng đòn bẩy và chất lỏng (đã biết khối lượng riêng D0) + Treo quả nặng vào đầu mút A, dịch chuyển điểm treo thanh đến C để thanh cân bằng nằm ngang. Dùng thước đo đoạn AC  x . Điều kiện cân bằng của thanh là: 7
P.GC  P1. AC  P (l  x)  P1.x  P (l  x) 10 D.V .x (1) B G C A l-x x (D là khối lượng riêng của quả nặng) + Nhúng quả nặng ngập hoàn toàn trong nước, để thanh cân bằng nằm ngang, ta phải dịch chuyển điểm B G D A treo đến D. Quả nặng chịu thêm lức đẩy Ac-si-met FA. l-y y Dùng thước đo đoạn AD = y. Điều kiện cân bằng của thanh là P.GD  ( P1  FA ). AD  P(l  y )  V (10.D 10.Dn ). y (2) lx D.x (l  x ) y Lấy (1) chia (2) ta được:  D  Dn l  y ( D  Dn ). y ( y  x)l - Sử dụng ống đong và bình chất lỏng. + Từ điều kiện cân bằng của ống đo trong nước FA = P, ta `x` có phương trình: x Mg + 0Vtg + 0xStg = 0Vng + 0ySng. S  M  0 (Vt  Vn )  y =  t x   Sn  0 S n St M  0 (Vt  Vn )  y = a1x + b. Với a = ; b= Sn 0 S n +Tiến hành như trên nhưng thay nước trong ống đo bởi dầu ta được phương trình thứ hai: S t M  Vt   0 Vn y= x+ S n0 0S n S t M  Vt   0 Vn  y = a2x + b2 với a2 = x ; b2 = . S n0 0S n 2.2. Đo gia tốc trọng trường g. - Thả rơi tự do, chụp ảnh vật rơi sau các khoảng thời gian T liên tiếp. 2hg 0 - Trọng trường kế: g  RB - Con lắc đơn đo n chu kì, dùng con lắc vật lý đo kích thước lỗ rỗng. 2 I1 2 I2 - Dùng con lắc thuận nghịch: T1   2 (5) ; T2   2 1 mg.L1 2 mg.L2 4 2  L1  L2  L1  L2  g T12 L1  T22 L2 8
g 0 S - Dùng cơ cấu điện dung : a  U cEl  x02 - Chất lỏng quay (Hình bên): tan   g θ 2.3. Đo momen quán tính I. - Dùng con lắc vật lý đo chu kì T → I 2.4. Đo hệ số ma sát µms - Móc lực kế vào và kéo đều vật trên sàn (ít khả thi).  2  Mg  - Vắt dây qua trụ có trọng vật: T  T e     T ( )  ln   /2   Mg  Đặt X  ; Y  ln    /2  T ( )  Bằng cách đo M.g và T ( ) ta sẽ tính được hệ số ma sát 2.5. Đo hệ số đàn hồi và suất trượt của lò xo. a. Dùng lò xo nhẹ, treo vật, đo độ biến dạng, ta được: mg K l  mg  K  l b. Đo ứng suất trượt lò xo: Xét phần tử lò xo nằm vuông góc với mặt phẳng tờ giấy. Khi phần tử này bị xoắn ứng với góc d sẽ làm lò xo giãn theo phương thẳng đứng một đoạn d  Rd với R là bán kính mỗi vòng xoắn của lò xo. Do mọi phần tử lò xo là tương đương với nhau, nên khi treo vật nặng khối lượng m vào lò  xo, lò xo giãn thêm một đoạn là L   Rd  R . 0 Xét về mặt năng lượng, ta có năng lượng tích trữ trong lò xo khi treo vật là: 1 1 K L2  C 2  KR 2 2  C 2  C  KR 2 2 2 G 4 4 NR 3 Mặt khác: C  r G  K 4 với N là số vòng của lò xo. (Ở đây chiều 2L r dài lò xo L = 2πR.N) Như vậy, bằng việc xác định được độ cứng lò xo và đếm số vòng lò xo ta sẽ xác định được suất trượt G của vật liệu làm lò xo. c. Xác định suất trượt G của vật liệu làm ống kim loại: G    F / S . l / l  Xét một ống kim loại bán kính trong R1, bán kính ngoài R2, dài L, đầu trên chốt hãm cứng, đầu dưới chịu tác dụng bởi mô men Mc vuông góc với ống. Lúc này ống kim loại sẽ bị xoắn. Gọi góc quay ở mặt dưới của ống khi chịu tác dụng của mô men Mc là . 9
Xét phần tử diện tích dS dạng vành khăn có bán kính x và bề dày dx. Phần mô men dMc ứng với làm xoay dS đi góc à do có lực tiếp tuyến tổng hợp Fx tác dụng lên cả bề mặt dS. Có /l = EE’/AE =  E ' H x x 2G 2 E Fx / dS ' G  Fx  G dS  G 2xdx  x dx  L L L l Mô men để gây xoay vành khăn là: 2G 3 dMc  Fx x  x dx A D L Để xoay cả mặt đáy ống ta cần mô men tổng hợp R2 R2 2G 3 G 4 Mc   dM   c L x dx  2L  R 2  R14   C R1 R1 G 4 Do đó hệ số xoắn C  2L  R 2  R14  Để xác định hệ số xoắn C, xét dao động của hệ gồm ống, thanh kim loại và hai vật gia trọng đặt đối xứng. Gọi khoảng cách từ hai vật gia trọng đến ống là r. Mô men quán tính của hệ thanh và hai vật gia trọng đối với trục qua khối tâm là I: 1 I  2Mr 2  md 2 12 Khi ống bị xoắn góc  ta có phương trình I” + C= 0 2 2 Hệ dao động với chu kỳ T    C/I 2.6. Đo hệ số cản của môi trường: FC   v - Thả vật rơi đều trong môi trường nhớt. - Độ cao ban đầu của m so với vị trí va chạm là h thì vận tốc của nó ngay trước lúc va chạm m M là: v1  2 gh (1) Va chạm đàn hồi giữa m và M sẽ cho ta vận tốc M ngay sau va chạm: 2m v2  v1 M m Phương trình chuyển động của vật M với vận tốc đầu v2 và chịu lực cản ma sát trượt và lực cản môi trường. Ma   Mg   v  Mdv / dt   Mg   v 10
u t du 1 Đổi biến u =  Mg+  v, giải phương trình vi phân ta có:     dt với u0= u = u0 dt t 0   Mg   t Mg  Mg+  v2,ta được v =   v2  e M  (3)     M v 2 Thời gian tấm ván chuyển động đến lúc v = 0 là: t1  ln(1  ) (4)  Mg Quãng đường tấm ván trượt được là: t1 t1  Mg   t Mg  Mv 2  Mg v 2  s   vdt     v2  e M  dt  1  ln(1  )  (5) 0 0         v 2  Mg  v x x 3 Khai triển: ln(1  2 ) thành đa thức : ln(1  x)  x   Mg 2 3 v 2 v 3 Ta được s  2  2 2 2 2g 3 Mg Như vậy việc đo khoảng cách dịch chuyển của tấm ván theo chiều cao của vật m lúc đầu ta có thể xác định được  và  2.7. Đo hệ số xoắn 2MgR - Dùng hệ trụ và ròng rọc: I    K , K   - Ống kim loại bán kính ngoài R2, trong R1: 2 4ML T G  C/I   R2  R14  tan  4 2.8. Đo tốc độ truyền âm M1 - Dùng tốc kế bóng bàn: M1  lr Đo vận tốc gió: P. = mg(l + r)(1 - cos) (*) 2 g  2 2 3 l v v v Eđ = m  (.v.t.S). = tR 2 2 2 2 v 3 m,d + Công suất gió là P = R 2 (**) 2 + Từ (*) và (**) với chú ý rằng trong thí nghiệm của chúng ta R chính bằng r của bóng bàn ta có: v3  l  r r 2 .  mg(l + r)(1 - cos) 2 2 g 4mg + Biến đổi ta được: v3  2 2 g(l + r) (1 - cos)  r - Dùng âm thoa, cột không khí. Lắp xilanh đã được lồng pittông và âm thoa lên giá đỡ sao cho 2 nhánh âm thoa nằm trong mặt phẳng chứa trục xilanh, vuông góc với trục xilanh và 1 nhánh âm thoa nằm sát đầu hở A của xilanh. - Đẩy pitông để mặt pittông sát đến đầu A của xilanh, khi đó đầu kia của xilanh trùng với vạch số 0 của thước. 11
- Dùng búa gõ vào âm thoa đồng thời từ từ kéo pitông về phía đầu B gần A nhất sao cho âm nghe được to nhất. Đọc và ghi kết quả độ dài l của cột không khí trong xilanh nhờ thước gắn trên pittông. - Lặp lại thí nghiệm này tối thiểu 3 lần và tính l   i ; l  max min l l l n 2 B A - Tiếp tục gõ âm thoa và dịch pittông về phía đầu B của xilanh để lại ghe được âm to nhất lần thứ hai. Lặp lại thí nghiệm này tối thiểu 3 lần và tính l  '  li' ; l  ' l'max  l'min n 2 - Tính   2(l'  l);    2 l'  l    f  v  .f ; v  v.     f  f và f được ghi trên âm thoa Kết quả: v  v  v - Dùng các dây, chai nhựa và âm thoa. + Nâng chai 2 có đáy hở lên sao cho mực nước của chai một ngang bằng với miệng nút của chai 2. + Nối loa điện với máy phát âm tần, úp miệng loa (cách khoảng 1cm) vào trên đáy chai. + Điều chỉnh tần số ở máy phát âm tần có giá trị f nào đó. + Hạ dần chai 1, sao cho mực nước ở chai 2 cũng hạ thấp dần. Mực nước ở chai hai hạ đến chứng mực nào đó (khi đó cột khí trong chai 2 có độ cao l) thì ta nghe thấy âm to nhất. Tiếp tục hạ dần chai 1 để mực nước chai 2 hạ dần, thì nghe thấy tiếng nhỏ hơn. + Bằng cách như vậy, tiếp tục hạ mực nước ở chai 2 đến một mực khác (khi đó cột khí trong chai 2 có độ cao 3l) thì lại nghe thấy tiếng âm to nhất. Hạ tiếp mực nước chai 2 thì lại nghe nhỏ hơn. 12
+ Nếu tiếp tục hạ mực nước ở chai 2 đến một mực khác (khi đó cột khí trong chai 2 có độ cao 5l) thì lại nghe thấy tiếng âm to nhất. Hạ mực nước ở chai 2 tiếp thì lại nghe thấy nhỏ hơn. Nhận xét: + Lần đầu tiên khi nghe thấy tiếng âm to nhất (khi đó cột khí trong chai 2 có độ cao l), thì lúc đó tại mặt nước ở chai 2 tạo thành một nút sóng và trên đáy hở của chai là 1 một bụng sóng. Khoảng cách l có giá trị bằng bước 4 sóng. + Lần thứ ba khi nghe thấy tiếng âm to nhất (khi đó cột khí trong chai 2 có độ cao 5l), thì lúc đó tại mặt nước ở chai 2 cũng tạo thành một nút sóng và trên dấy hở của chai là một bụng sóng. + Khoảng cách giữa độ cao hai mực xảy ra âm to nhất này (1l và 5l) có độ lớn chính bằng bước sóng do máy phát âm tần phát ra, tức là bằng 4l. - Đo v bằng hiệu ứng Đople: Sau thời gian t xe có vận tốc v  at , lúc này tần số thu được là va va f  f0  f0 va  v v a  at 1 1 a 1 do đó  (1  t) , đồ thị Y = theo X = t có dạng đường thẳng Y = AX + B f f0 va f a với A   f0 va 2.9. Đo hệ số nhớt µ của chất khí và của chất lỏng. a. Đo µ của chất khí: - Lực cản tổng cộng tác động lên dòng khí chảy trong ống hình trụ có bán kính dv đáy r là: f ms  .2rL dr - Lực kéo chất khí ở trong ống hình trụ bán kính r là do bởi sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống là (T/2 fkéo = (p - p2)r2 -Khi dòng chảy ổn định, lực kéo và lực cản cân bằng: fms + fkéo = 0 dv  .2rL  (p  p 2 )r 2  0 dr r2 (p  p 2 ) (p  p 2 ) v r dv dv   rdr     rdr  dr 2L 0 dr R 0 2L (p  p 2 ) v (R 0 2  r 2 ) 4L -Thể tích của chất khí chảy qua ống trong một đơn vị thời gian 13
(p  p 2 ) (p  p 2 )R 0 4 (p  p 2 )d 4 R0 R0 dV dt   0 v.2rdr   0 4L (R 0 2  r 2 ).2rdr  8L  128L -Như vậy ta thấy lượng khí chảy qua ống luôn phụ thuộc vào sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống và là hàm phụ thuộc vào áp suất chất khí. dn dV Trong một đơn vị thời gian số phân tử khí đi qua ống ứng với là dt dt dn p dV p  p 2 (p  p 2 )d 4 dn.RT  pdV    dS dt RT dt 2RT 128L r R dn (p  p 2 )d 2 2 4 p d 2 4  do p 2 2  p 2 dt 256LRT 256LRT -Mặt khác ta có lượng mol khí đi qua ống mao quản chính là lượng mol khí thoát ra từ bình có thể tích V. Do đó: RT dp   dn V p R0 p2 r dp RT dn RT p 2d 4 p 2d 4 Hay:    dt V dt V 256LRT 256LV L d 4 d 4 p t dp dp p2  256LV dt   p2  0 256LV dt  p0 1 1 d 4   t p p0 256LV - Như vậy ta thấy áp suất trong bình có thể tích V sẽ thay đổi theo thời gian t và 1 1 d 4 1 sự thay đổi theo t có dạng đường thẳng:  t p p 256LV p0 -Người ta chứng minh được: vận tốc trung bình của các phần tử chất lưu thực trong ống được xác định bởi công thức: v   P1  P2  R . Trong đó  phụ thuộc vào bản 2 8 l chất của chất lưu và nhiệt độ được Các vạch chia để Các vạch chia để B gọi là hệ số ma sát nhớt (hệ số nhớt) đo độ cao mức đo thể tích chất lỏng V của chất lưu. - Bỏ qua ma sát nhớt của nước H1 tronh bình, ta có phương trình liên A Hình b tục: vS A  vB S B với vB là vận tốc hạ l mực nước trong bình. C S B vB  PA  PC  R 2R  ghR 2 víi P 2 v   C Hình a SA 8nl 8nl = P0; h là độ cao cột nước trong bình ở thời điểm t bất kì. dh   ghR 2 S A 8 nlS B dh -Từ phương trình liên tục ta có: vB    dt  dt 8nlS B  gS A R 2 -Thời gian T1 cần thiết để mực nước trong bình tụt từ độ cao H xuongs H 1 được xác định bởi công thức: T   dt  8 lS ln H . T1 n B 1 0  gS A R 2 H1 Thực hiện đối với dầu thực vật. 14
Tương tự như trên, gọi hệ số nhớt của dầu thực vật là  x 8 xlS B Lập tỉ số thu được: T2   x 1   x  T2  21 T2 H T2   dt   gS 0 A R 2 ln H 1 T1 1 2 T11 - Fms   A dv dr - Sử dụng trụ xoay: Khảo sát chuyển động của chất lỏng trong cốc khi trụ quay đều với tốc độ  . Mômen gây bởi lực ma sát tác dụng lên bề mặt lớp d(r) chất lỏng hình trụ bán kính r là T  2r 3h nên dr T  1 1 r T (r)   2r hdr  4h  R R1 3 2 1   r2  Tốc độ quay (R1) = 0và R2) = 0 nên 4hR12 R 22 T 2 0 R 2  R12 Khi rôto quay sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng e trên động cơ. Công suất điện chuyển thành công suất cơ và sinh ra momen quay P = ie =T với i là dòng điện chạy trong mạch. Mômen cơ là: T  ie  i  38 Khi động cơ quay ổn định, mômen cản gây bởi lực ma sát nhớt của dung dịch: i 4hR12 R 22 152hR12 R 22    i   38 R 22  R12 R 22  R12 Như vậy bằng việc thay đổi biến trở, xác định các cặp giá trị giữa dòng điện trong mạch và tốc độ quay của động cơ ta sẽ xác định được độ nhớt  d 4 hR12 R22 0   r  i  dt R22  R12 - Sử dụng chất lỏng và áp kế nước chữ U: Tốc độ chảy trong ống: Tốc độ chảy dừng của dòng chất lỏng trong ống tại điểm cách trục ống một đoạn r được xác định bởi: 1 p 2 u r   r  A ln r  B (R 2  r  R1 ), 4 x 15
Rồi giảm dần đến 0 ở sát các thành ống do lực nội ma sát giữa các dòng chảy. Ống trụ đồng trục Chất lỏng cần Chất lỏng ra xác định độ nhớt Van khoá Lưu lượng kế Áp kế nước chữ U p Ở đây,  là hệ số nhớt của chất lỏng, là độ chênh lệch áp suất trên một đơn vị x L độ dài của ống, A và B là các hệ số được xác định từ các điều kiện biên. p  Q D L ; tan    D - Sử dụng dao động tắt dần con lắc lò xo: m Chu kỳ dao động của con lắc lò xo trong không khí To  2 (1) k Cho quả cầu dao động trong chất lỏng, lò xo thẳng đứng. x' k 1 6 r mx ''   kx  6 rx '  x ''  o 2 x  0 với o2  ;  (2)  m  m Nghiệm của (2) có dạng x  A.e  t .sin t (3)  3 r  2 1 Đặt (3) vào (2) ta tìm được  2  o2     o 2    4 2  m  2 2 và chu kỳ T  y( )  3 r  k  3 r  2 2   2 o     m  m  m  (4) β Hệ số nhớt:   2m 1 2 1  2 3 To T x (Q) (5) Vg (   0 ) 2 R 2 g (   0 ) +Thả bi rơi đều trong chất lỏng, ta được:  =  . 6 Rv 9 v 16
3. Hệ thống các bài tập phương án thí nghiệm trong chương trình vật lý THPT phần cơ học Bài 1: Dùng một thước có chia độ đến milimét đo 5 lần khoảng cách d giữa hai điểm A và B đều cho cùng một giá trị là 1,345m. Lấy sai số dụng cụ là một độ chia nhỏ nhất. Kết quả đo được viết thế nào? Giải: - Theo đề bài: d1 = d2 = d3 = d4 = d5 = 1,345m - Giá trị trung bình: d1  d 2  d 3  d 4  d 5 d  1,345m 5 - Sai số tuyệt đối của từng lần đo là: d1 = d2 = d3 = d4 = d5 = d1  d  0 - Sai số tuyệt đối trung bình (sai số ngẫu nhiên) là: d1  d 2  d 3  d 4  d 5 d  0 5 - Theo đề bài, lấy sai số dụng cụ là một độ chia nhỏ nhất, mà thước đo có chia độ đến milimét nên sai số dụng cụ là: d’ = 1mm = 0,001m Sai số tuyệt đối của phép đo là: d  d  d '  0  0,001  0,001m Kết quả đo được viết: d  d  d  (1,345  0,001)m Bài 2: Một học sinh dùng panme có sai số dụng cụ là 0,01mm để đo đường kính d của một viên bi, thì thu được kết quả cho bởi bảng số liệu dưới đây: Lần đo 1 2 3 4 5 d(mm) 6,47 6,48 6,51 6,47 6,52 Biểu thức đường kính của viên bi được viết thế nào? Giải: - Giá trị trung bình của đường kính viên bi là: d1  d 2  d 3  d 4  d 5 d 5 6,47  6,48  6,51  6,47  6,52   6,49mm 5 - Sai số tuyệt đối của từng lần đo là: 17