Tài liệu thí nghiệm thực hành trường THPT môn Vật lí

Chia sẻ: NgôThanhAn NgôThanhAn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

569
lượt xem 135
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Thí nghiệm thực hành trường THPT môn Vật lí" có cấu trúc nội dung gồm các phần sau: phần 1 những vấn đề chung, phần 2 một số bài thí nghiệm thực hành môn Vật lí THPT, phần 3 tổ chức dạy học thí nghiệm thực hành trong các trường THPT chuyên nghiệp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu thí nghiệm thực hành trường THPT môn Vật lí

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 m ới 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 đ ại h ọc 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 kh ỏi còn có nh ững s ơ sót nhất định. Các tác giả mong nhận được góp ý c ủa quý thầy cô giáo và đ ộc 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 tr ường ph ổ thông là học tập gắn liền với thực tiễn thông qua các sự vật, hiện tượng vật lí trong thế gi ới tự nhiên đ ể 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 tr ường Trung h ọc ph ổ thông (THPT) là một trong những mục đích quan trọng giúp h ọc sinh (HS) hình thành nên nh ững nét nhân cách con người thông qua những kĩ năng khoa h ọc và các thao tác t ư duy logic v ật lí, đồng thời qua đó giúp HS hiểu sâu sắc hơn các khái niệm, hi ện tượng vật lí, gi ải thích đ ược 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 ki ến th ức, kĩ năng thu được từ thực tiễn và các bài gi ảng lí thuyết, gắn lí thuyết v ới th ực hành, h ọc 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 v ận 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 m ục tiêu đào t ạo nhân cách HS đ ể 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 th ức c ủa con người, thông qua thí nghiệm con người đã thu nhận được những tri thức khoa h ọc c ần thi ết nh ằm nâng cao năng lực của bản thân để có thể tác động và c ải tạo th ực ti ễn. Trong h ọc t ập thí nghiệm là phương tiện của hoạt động nhận thức của học sinh, nó giúp người h ọc trong vi ệc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết. 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” c ủa m ọi tri thức chân chính. Bởi vậy, có thể nói thí nghiệm có chức năng trong vi ệc ki ểm 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 tr ừu t ượng của các tri thức cần vận dụng, cũng như bởi tính phức tạp c ủa các thi ết b ị kĩ thu ật c ần ch ế tạo. Trong trường hợp đó thí nghiệm được sử dụng với tư cách là ph ương ti ện th ử nghi ệm cho việc vận dụng tri thức vào thực tiễn. 4
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 nh ận th ức khoa học. Chẳng hạn, đối với phương pháp thực nghiệm, thí nghi ệm luôn có m ặt ở nhi ều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn c ủa các gi ả thuyết. Trong phương pháp mô hình, thí nghiệm giúp ta thu thập các thông tin v ề đ ối t ượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình. Ngoài ra, đối với mô hình v ật chất đi ều b ắt bu ộc là ng ười ta phải tiến hành các thí nghiệm thực sự với nó. Cuối cùng, nh ờ nh ững k ết qu ả c ủa 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 gi ới 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 ti ến hành thí nghiệm, thu thập thông tin, xử lí kết quả và cách vi ết 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 l ực th ực hành của từng HS đảm bảo sự khách quan và công bằng thông qua sự theo dõi và k ết qu ả 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 v ới m ột đ ại l ượng cùng loại mà ta chọn làm đơn vị b. Phép đo gián tiếp: Trường hợp giá trị của đại lượng c ần đo đ ược tính t ừ giá tr ị c ủa 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 ti ếp, bao gi ờ ta cũng m ắc ph ải 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 ph ương pháp lí thuyết chưa hoàn chỉnh, chưa tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến k ết qu ả đo. Sai s ố h ệ th ống thường làm cho kết quả đo lệch về một phía so với giá trị thực c ủa đại l ượng c ần đo. Sai s ố hệ thống có thể loại trừ được bằng cách kiểm tra, điều chỉnh lại các d ụng c ụ đo, hoàn ch ỉnh 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 tr ước đ ược c ủa các yếu t ố gây ảnh hưởng đến kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên làm cho kết quả đo lệch về cả hai phía so v ới giá trị thực của đại lượng cần đo. Sai số ngẫu nhiên không th ể lo ại tr ừ đ ược. Trong phép đo c ần 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 6
Giả sử đại lượng cần đo A được đo n lần. Kết quả đo lần lượt là A1 , A2 ,... An . Đại n lượng A1 + A2 + .... + An ∑Ai (1) A= = i =1 n n 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: ∆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 c ủa phép đo đ ại lượng A, người ta dùng sai số toàn phương trung bình. Theo lí thuyết xác su ất, sai s ố toàn n ∑ ( ∆A ) 2 i phương trung bình là: (2) σ= i =1 n( n − 1) và kết quả đo đại lượng A được viết: A = A ± σ (3) Như vậy, giá trị thực của đại lượng A với m ột xác su ất nhất đ ịnh s ẽ n ằm 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 h ọc ∆A (sai số ngẫu nhiên) được định nghĩa như sau: n ∆A = ∑ ( ∆A ) i =1 i (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: ∆A δ= .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). 7
- Kết quả đo được viết như (5) hoặc (7). Ví dụ: Đo đường kính viên bi 4 lần, ta có kết quả sau: d1 = 8,75mm ∆d1 = 0,00mm d 2 = 8,76mm ∆d 2 = −0,01mm d 3 = 8,74mm ∆d 3 = 0,01mm d 4 = 8,77 mm ∆d 4 = −0,02mm Giá trị trung bình của đường kính viên bi là: 8,75 + 8,76 + 8,74 + 8,77 d = = 8,75mm 4 Sai số tuyệt đối trung bình tính được là 0,00 + 0,01 + 0,01 + 0,02 ∆d = = 0,01mm 4 Kết quả: d = 8,75 ± 0,01mm b) Cách xác định sai số dụng cụ ● Mỗi dụng cụ có một độ chính xác nhất định. Nếu dùng dụng c ụ này đ ể đo m ột đại l ượng vật lí nào đó thì đương nhiên sai số nhận được không thể vượt quá độ chính xác c ủa dụng c ụ 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 ho ặc độ nh ạy c ủa dụng cụ đo không cao, kết quả của các lần đo riêng lẻ trùng nhau. Trong tr ường h ợp 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. ● Khi đo các đại lượng điện bằng các dụng cụ chỉ th ị kim, sai s ố đ ược xác đ ịnh theo c ấp chính xác của dụng cụ. Ví dụ: Vôn kế có cấp chính xác là 2. Nếu dùng thang đo 200V để đo hiệu điện th ế thì sai s ố 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 s ố cu ối cùng bên ph ải không b ị thay đổi) thì sai số của phép đo có thể lấy giá trị bằng tích của c ấp chính xác và con s ố hi ển thị. Ví dụ: đồng hồ hiện số có ghi cấp sai số 1.0% rdg (kí hiệu quốc tế cho dụng c ụ đo hi ện 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 8
Nếu các con số cuối cùng không hiển thị ổn định (nhảy số), thì sai số c ủa 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 cu ối cùng không ổn định (nhảy số): 215 V, 216 V, 217 V, 218 V, 219 V (số hàng đ ơn v ị không ổn đ ịnh). Trong trường hợp này lấy giá trị trung bình U = 217 V. Sai s ố phép đo c ần ph ải k ể 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 t ới 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 s ố 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 ). 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 f ( x, y , z ) 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 A = f ( x, y , x) , 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). 1 2 Ví dụ: Một vật ném xiên góc α có độ cao h = v0 sin αt − gt 2 Trong đó: v0 = 39,2 ± 0,2m / s α = 30 ± 10 9
t = 2,0 ± 0,2 s g = 9,8m / s 2 22 Ta có: h = 39,2.sin 300.2 − 9,8. = 19,6m 2 dh = v0 sin α .dt + v0 cosα .dα + sin α .t.dv0 − g .t.dt = ( v0. sin α − gt ).dt + v0 .t cosα .dα + sin α .t.dv0 ∆h = v 0 .sin - gt . ∆t + v 0 .t.cos. . ∆α + sin α .t . ∆v0 2π = 39,2.sin 30 − 9.8.2 .0,2 + 39,2.2. cos 30 .+ sin 300.2 .0,2 = 1,38m 0 0 360 Sử dụng quy ước viết kết quả ở IV ta có: h = 19,6 ± 1,4m 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: a. Lấy logarit cơ số e của hàm A = f ( x, y, z ) b. 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. c. Lấy giá trị tuyệt đối của biểu thức đứng trước dấu vi phân d và chuyển dấu d thành ∆ ta ∆A có δ = A d. Tính ∆A = A . δ 4π 2 l Ví dụ: Gia tốc trọng trường được xác định bằng biểu thức: g = T2 ở đây: l = 500 ± 1mm T = 1,45 ± 0,05s g = 9,78 ± 0,20m / s 2 Khi đó: ln g = ln ( 4 π 2 l ) – ln( T 2 ) dg d (4π 2 l ) d (T 2 ) dg d (4π 2 ) 4π 2 dl dT = - ⇔ = + -2 g 4π l 2 T 2 g 4π l2 4π l 2 T ∆g ∆l ∆T  ∆l 2∆T  ⇔ = +2 ⇒ ∆g = g  +  g l T  l T  Bài tập rèn luyện Hãy tính công thức sai số tuyệt đối và sai số tương đối của các đại lượng đo gián tiếp sau: 10
v0 = v0 ± ∆v0 at 2  S = v0t + với t = t ± ∆t 2 a = a ± ∆a  m = m ∆m mv 2 h = h ∆h E = mgh + với 2 v = v ∆v g = constant 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. Ví dụ: Không thể viết m = 2,83745 ± 0,0731g mà phải viết m = 2,84 ± 0,07 g  0,07  hoặc là ta tính δ =  .100% = 2,464 = 2,464%  2,84  Ta có thể viết m = (2,84 ± 2,5.2,84%) g . Nếu sai số lấy đến 1 chữ số có nghĩa thì m = (2,84 0, 07) g Chú ý rằng khi viết kết quả cuối cùng, sai số toàn phần sẽ bằng t ổng sai s ố ng ẫu nhiên và sai số hệ thống: ∆TP = ∆ NN + ∆ HT Ví dụ: Khi dùng thước kẹp để đo đường kính một sợi dây nhỏ, gi ả sử ta đo 5 l ần, sai s ố ngẫu nhiên tính được là ∆d = 0,05mm . Thước kẹp có độ chính xác δ = 0,02mm thì sai số toàn phần sẽ là ∆TP = 0,05 + 0,02 = 0,07 mm . 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 c ủa d ụng c ụ đo). Trong tr ường 11
hợp phép đo chỉ thực hiện một lần thì sai số toàn phần được lấy chính là sai số h ệ th ống (do dụng cụ đo). 2.5. Xử lí số liệu và biểu diễn kết quả bằng đồ thị 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. Ph ương 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: a. Trên giấy kẻ ô, ta dựng hệ tọa độ decac vuông góc. Trên trục hoành đặt các giá tr ị x, trên trục tung đặt các giá trị y tương ứng. Chọn tỉ lệ xích hợp lí để đồ thị choán đủ trang giấy. b. 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. c. Đường biểu diễn y = f (x) là một đường y cong trơn trong đường bao sai số được vẽ sao + cho nó đi qua hầu hết các hình chữ nhật và các ∆y ++ điểm A1 , A2 ...... An nằm trên hoặc phân bố về hai + phía của đường cong (hình 1). + + d. Nếu có điểm nào tách xa khỏi đường cong thì phải kiểm tra lại giá trị đó bằng thực x 0 nghiệm. Nếu vẫn nhận được giá trị cũ thì phải ∆x đo thêm các điểm lân cận để phát hiện ra điểm Hình 1. Dựng đồ thị kì dị e. Dự đoán phương trình đường cong có thể là tuân theo phương trình nào đó: - 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 đ ịnh các h ệ s ố a, b, …n. Các hệ số này sẽ được tính khi làm khớp các phương trình này v ới đ ường cong th ực nghiệm 12
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 m ột trục chia đ ều, một trục khác có thang chia theo logarit để biểu diễn các hàm mũ, hàm logarit (y = lnx; y = a x …). III. Nội dung thực hành 1. Tính sai số của đại lượng đo gián tiếp Hãy tính sai số của các đại lượng đo gián tiếp sau: − µgh a, p = p e RT với p 0 = p 0 ± ∆p 0 0 T = T ± ∆T h = h ± ∆h g , µ , R là các hằng số γ V  b, p = p1  1  với p1 = p1 ± ∆p1 V  V1 = V1 ± ∆V1 V = V ± ∆V γ là hằng số 1 c, α = ( c1m1 + c 2 m2 ).( t1 − θ ) − c 2θ + c 2 t 2 m với m = m ± ∆m t1 = t1 ± ∆t1 m1 = m1 ± ∆m1 t 2 = t 2 ± ∆t 2 ; c1 là hằng số m2 = m2 ± ∆m2 θ = θ ± ∆θ ; c2 là hằng số 2. Xử lí số liệu và tính toán đại lượng đo gián tiếp Đặt vấn đề Để xác định lực hướng tâm, người ta bố trí thí nghiệm bằng việc sử dụng một số dụng cụ như sau: - 01 động cơ điện dùng nguồn điện 220 V xoay chiều. - 01 máng nằm ngang nhẵn, được gắn vuông góc với tr ục thẳng đứng (trục quay). Do trục quay được liên kết với động cơ  m nên máng nằm ngang có thể quay tròn xung quanh trục thẳng đứng. F - 01 xe lăn trên máng, có khối lượng m được nối với trục r quay bằng môt sợi dây mềm, nhẹ, không dãn. Khi máng quay xung quanh trục thẳng đứng, xe lăn sẽ chuyển động ra làm căng s ợi dây và cùng với máng quay quanh trục H×nh - 01 cổng quang học để đo vận tốc góc của máng. 1 13
- 01 giá đỡ có gắn lực kế lò xo, một sợi dây mềm và một ròng r ọc có kh ối l ượng nh ỏ không đáng kể. - 01 hộp gia trọng để gắn lên xe - 01 cân chính các để xác định khối lượng xe và các gia trọng. - 01 thước đo chiều dài có độ chia tới mm để đo khoảng cách của xe tới trục quay Khi xe cùng máng quay xung quanh trục thẳng đứng, ta đo đ ược r, ω từ đó tính được lực hướng tâm: F = mω 2 r trong đó các đại lượng m, r, ω là các đại lượng đo trực tiếp được với 5 lần đo như trong bảng thống kê sau: Chú ý: Cổng quang là máy đếm tần số hoặc đo chu kì dùng tế bào quang đi ện. M ỗi lần máng ngang đi qua cổng quang thì được đếm một lần. Khi sử dụng núm gạt trên c ổng quang thì có thể chọn được chế độ đếm thích hợp để đo chu kì T (xem cách sử dụng trong bài thí nghiệm 1 và bài thí nghiệm 7). Bảng thống kê các đại lượng đo trực tiếp L ần m (g) f (vg/s) r (cm) F (N) đo (Khối lượng xe và (tần số đo bằng số (khoảng cách F = mω 2 r gia trọng) vòng quay/s) từ xe tới trục) 1 199 2600 35,5 2 201 2604 36,0 3 198 2597 35,8 4 200 2596 36,4 5 199 2603 35,9 Yêu cầu: a. Hãy tính giá trị trung bình và sai số của các đại lượng đo trực ti ếp m, r, ω trong 5 lần đo b. Hãy thiết lập công thức tính giá trị trung bình và sai s ố c ủa đ ại l ượng đo gián ti ếp F (từ công thức xác định lực hướng tâm) c. Hãy tính giá trị trung bình trong 5 lần đo và sai số trung bình c ủa l ực h ướng tâm. Yêu cầu dùng quy tắc làm tròn số trong các phép tính và kết quả cuối cùng của đại lượng F. e. Hãy tính sai số tương đối của đại lượng F Câu hỏi mở rộng Dùng lực kế để liên kết xe với trục quay, người ta có thể đo ki ểm nghi ệm đ ược l ực hướng tâm tác dụng lên xe lăn, khi máng quay đều. Hãy tìm hiểu kĩ tính năng c ủa các d ụng c ụ trong bài để đưa ra cách bố trí lực kế cho phép đọc được độ lớn c ủa l ực h ướng tâm trên l ực kế, mà sai số của phép đo nhỏ nhất. Hãy vẽ sơ đồ bố trí thí nghiệm và giải thích 14
Gợi ý: Trước khi làm bài toán này, nên tìm hiểu kĩ các dụng cụ 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 ............................................................................................................................. b. Các phương pháp tính giá trị trung bình và sai số của đại lượng đo gián tiếp........................................................................................................................ c. Quy tắc làm tròn số liệu. .............................................................................................................................. d. Cách tính sai số tương đối .............................................................................................................................. 3. Trình bày các nội dung 3.1. Bài toán tính sai số của đại lượng đo gián tiếp: Tính sai số của ba đại lượng đo gián tiếp γ − µgh V  1 p = p0 e RT , p = p1  1  , α = ( c1 m1 + c 2 m2 ).( t1 − θ ) − c 2θ + c 2 t 2 V  m Chú ý: Thực hiện theo cả 2 phương pháp tính sai số c ủa đại lượng đo gián ti ếp. Sau đó rút ra ưu, nhược điểm của 2 phương pháp đó. 3.2. Bài toán xử lí số liệu và tính toán đại lượng đo gián tiếp Bảng thống kê các đại lượng đo trực tiếp L ần m (g) f (vg/s) r (cm) F (N) đo (khối lượng xe và (tần số đo bằng số (khoảng cách F = mω 2 r gia trọng) vòng quay/s) từ xe tới trục) 1 199 2600 35,5 2 201 2604 36,0 3 198 2597 35,8 4 200 2596 36,4 5 199 2603 35,9 15
- Tính các giá trị trung bình và sai số của các đại lượng đo trực tiếp: ω, m, r , ∆ω , ∆m, ∆r từ các số liệu trong bảng Tính giá trị trung bình và sai số của lực hướng tâm F + Biểu thức giá trị trung bình: F = + Biểu thức sai số của đại lượng đo gián tiếp: ∆F =  ∆F Sai số tương đối δ = = F Viết kết quả F = F ± ∆F =  (chú ý quy tắc làm tròn số) Nhận xét kết quả............................................................................................... ................................................................................................................................... 4. Trả lời câu hỏi mở rộng Dùng lực kế để liên kết xe với trục quay, người ta có thể đo kiểm nghiệm được lực hướng tâm tác dụng lên xe lăn, khi máng quay đều............................................ ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 16
Bài thực hành số 1 KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG VÀ XÁC ĐỊNH GIA TỐC RƠI TỰ DO I. Mục đích - Đo thời gian rơi t của vật trên những quãng đường s khác nhau. - Vẽ và khảo sát đồ thị s ∼ t2, rút ra tính chất của chuyển động rơi tự do. - Xác định gia tốc rơi tự do. II. Cơ sở lí thuyết Theo định nghĩa, sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng c ủa tr ọng l ực. Các v ật khác nhau khi rơi tự do sẽ rơi nhanh như nhau. Thực tế, các thí nghi ệm v ề s ự r ơi đ ều đ ược ti ến 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 tr ường h ợp này ảnh h ưởng c ủa không khí không đáng kể, vật chỉ chuyển động dưới tác dụng c ủa tr ọng l ực, nên có th ể coi là vật rơi tự do. Khi một vật có vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển động thẳng nhanh d ần đều v ới gia tốc a, thì quãng đường s đi được sau khoảng thời gian t (tính từ lúc vật bắt đầu chuyển động) được xác định bằng công thức: 1 2 s= at 2 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa s và t2 có dạng một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có hệ số góc: a tan α = 2 III. Dụng cụ và lắp đặt 1. Dụng cụ 1. Giá đỡ thẳng đứng, có dây dọi ở mặt sau. Mặt bên c ủa giá có k ẻ v ạch dùng đ ể làm thước đo. Giá được gắn trên đế 3 chân có vít điều chỉnh thăng bằng. 2. Nam châm điện được gắn ở đầu trên của giá để giữ vật sắt non. 3. Hộp công tắc, một đầu 5 chân được nối với ổ A c ủa đồng h ồ đo th ời gian hi ện s ố và đầu kia được nối với nam châm điện. 4. Cổng quang điện, gắn trên giá và di chuyển được. Mặt bên có c ửa sổ trong su ốt đ ể xác định vị trí của cổng trên thước của giá. 5. Đồng hồ đo thời gian hiện số. 17
6. Vật sắt non hình trụ. 7. Giá hứng vật rơi. 8. Ke vuông 3 chiều để đo vị trí của vật. 2. Lắp đặt Sơ đồ lắp đặt trình bày trên hình 1.1. Nam châm điện được lắp trên đỉnh của giá thí nghiệm. Nguồn điện cấp cho nam châm được nối qua hộp công tắc và tiếp đến ổ A trên đồng hồ đo thời gian. Cổng quang điện E lắp phía dưới và di chuyển được (khi di chuyển cần nới lỏng ốc hãm phía sau), dây điện của cổng được nối với ổ B trên đồng hồ đo thời gian. Điều chỉnh chân đế, sao cho quả dọi nằm đồng tâm và chính giữa lỗ tròn phía sau giá. - Bật công tắc nguồn đồng hồ, nếu lắp đúng thì nam châm sẽ có từ tính. Lúc đó nếu đặt vật khảo sát dưới nam châm thì vật sẽ bị hút dính chặt vào nam châm. Bấm công tắc, nam châm bị ngắt điện, vật được nhả ra và rơi xuống. Đồng hồ phải đếm thời gian Hình 1.1. Bộ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự khi bấm công tắc cho vật rơi. Khi do vật rơi đi qua cổng quang đồng hồ phải ngừng đếm. Tuy nhiên đồng hồ có thể không ngừng đếm trong các trường hợp sau: + Nếu công tắc kép không có hỗ trợ mạch sửa dạng xung b ằng m ạch đi ện t ử, thì thao tác bấm không nhanh (tức nhả tay ra muộn hơn khi vật đã đi qua cổng quang) sẽ làm đ ồng h ồ chạy không ngừng. + Vật đi qua cổng quang nhưng không chắn được tia sáng, có th ể giá không thẳng đứng hay nam châm bị lệch tâm. 18
+ Cổng quang bị sự cố, với trường hợp này ta có th ể kiểm tra b ằng cách l ấy bàn tay chắn giữa cổng quang mà đồng hồ vẫn đếm thì nguyên nhân là do cổng quang. Nếu đ ồng h ồ ngừng đếm thì lí do có thể 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 chi ều. Để lựa ch ọn m ột vạch thích hợp nhất định, ta điều chỉnh vị trí của nam châm (nới lỏng tai hồng và dịch chuyển). b. Chọn quãng đường khảo sát S 1 (ví dụ 20 mm). Nhấn nút Reset trên đồng hồ để đưa số chỉ về 0,000. Nhấn nút trên hộp công tắc để vật rơi, nh ả nhanh tay tr ước khi v ật r ơi qua cổng E. Đọc thời gian của vật rơi trên đồng hồ và ghi vào bảng số li ệu 1.1. Lặp l ại 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 công tắc đi ện c ủa đồng h ồ ở phía sau (nút đ ỏ có ghi ON, OFF). - Từ bảng số liệu tính toán giá trị của các đại lượng đặc trưng cho chuyển đ ộng r ơi t ự do. - Vẽ đồ thị tìm sự phụ thuộc s = s(t2) và v = v(t). - Tìm các giá trị: g = g ± ∆g và v = v ± ∆v . V. Một số điểm cần chú ý Nguyên lí của hệ thống khảo sát chuyển động rơi c ủa m ột vật trong không khí đ ược trình bày trên hình 1.2. Khi khóa K mở (nhấn nút trên hộp công tắc), đồng hồ đo th ời gian b ắt đ ầu đ ếm. Th ời điểm đó tương ứng với vật khảo sát bắt đầu rơi. Nếu chùm hồng ngoại tại cổng E bị ngắt, thì đồng hồ ngừng đếm. Điều này xảy ra khi vật hình trụ đi đến cổng E và bắt đầu chắn chùm hồng ngoại. Như vậy, hệ thống trên hình 1.1 có thể xác định thời gian mà vật đi được quãng đường từ thời điểm bắt đầu rơi đến thời điểm cổng E bị chắn sáng. Chuyển mạch trên đồng hồ MODE dùng để chọn kiểu làm việc cho đồng h ồ. Ở bài này ta dùng MODE A↔B (là kiểu bắt đầu đếm từ vị trí nối với cổng A và ngừng đếm tại v ị trí nối với cổng B). Nhấn RESET ở công tắc để đưa số chỉ c ủa đ ồng h ồ v ề 0,000. Đ ặt núm chọn thang đo ở vị trí 9,999s. 19
K Đến N A V Đến B E D1 D2 Hình 1.2. Nguyên lí khảo sát chuyển động rơi tự do. A, B: các ổ cắm 5 1. Một số nguyên đồng gây đo thố i gian; E: cổng quang điện; V: vật rơi tự do; N: chân của nhân hồ sai s ờ nam châm điện; K: công tắc. - Thời gian bấm công tắc khác nhau của các lần thí nghiệm dẫn đến sai số sẽ khác nhau. Trong thực hành, thời gian bấm công tắc không phải bằng không mà m ất m ột kho ảng nhất định. Với loại công tắc không có hỗ trợ của mạch điện tử, thì tính ngắt hay đóng t ức th ời của công tắc phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của công tắc và cách bấm c ủa m ỗi người. Đ ể kiểm nghiệm điều đó, ta chỉ cần cắm chốt của công tắc vào c ổng A (hay B), chuy ển m ạch về MODE A (hay MODE B), sau đó bấm công tắc, thời gian hi ển thị trên đ ồng h ồ là th ời gian công tắc ngắt điện. Do không đạt được tính đóng ngắt t ức th ời nên ta cũng không đ ạt đ ược tính tức thời của xung đếm. Đó là một trong các nguyên nhân sai s ố d ụng c ụ và ít nhi ều có tính chủ quan (phụ thuộc vào kỹ năng bấm công tắc của người thực hiện thí nghiệm). - Tính không đồng thời của công tắc kép và nam châm. Trong thí nghiệm này, chỉ dùng một cổng quang điện, do vậy công tắc là d ụng c ụ t ạo xung bắt đầu đếm, còn cổng quang tạo xung ngừng đếm. Thời điểm bắt đầu đếm, cũng là thời điểm vật hình trụ rời khỏi nam châm (nam châm được ngắt đi ện). Đ ể thực hiện đ ồng thời hai nhiệm vụ đó, công tắc được thiết kế dạng kép, nghĩa là với m ột thao tác bấm, công tắc phải vừa ngắt mạch nam châm ngay vừa đồng th ời t ạo ra xung đ ếm, hình 1.3. Hai s ự kiện này phải đồng bộ thì kết quả thí nghiệm mới chính xác. Tức là khi ta ngắt đi ện nam châm bằng cách nhấn công tắc thì vật phải được nhả ra đồng th ời v ới vi ệc đ ồng h ồ b ắt đ ầu đếm thời gian. Lối ra tạo xung đếm cho đồng hồ Lối ra cấp điện cho nam châm 20 Hình 1.3. Nguyên lí cấu tạo công tắc kép