Tài liệu Một số phương pháp giải các bài tập thực nghiệm môn vật lí ở bậc thcs

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THƯỜNG XUÂN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP THỰC NGHIỆM MÔN VẬT LÍ Ở BẬC THCS Người thực hiện: Lê Xuân Quang Chức vụ: Giáo viên Đơn vị công tác: Trường THCS Thị Trấn SKKN thuộc môn: Vật lí THANH HÓA, NĂM 2020 1 Mục lục Nội dung Tran g 1. Mở đầu 2 1.1. Lí do chọn đề tài 2 1.2. Mục đích nghiên cứu 3 1.3. Đối tượng nghiên cứu 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu 3 2. Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm 4 2.1. Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 4 2.1.1. Các khái niệm đo lường trong Vật lí 4 2.1.2. Các bước tiến hành thực hiện bài đo thực 5 nghiệm 2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến 5 kinh nghiệm 2.2.1. Thuận lợi 5 2.2.2. Khó khăn 5 2.2.3. Kết quả nghiên cứu thực trạng trước khi sử dụng 6 phương pháp 2.2.4. Đánh giá thực trạng 7 2.3. Giải pháp thực hiện 7 2.3.1. Nội dung của phương pháp 7 2.3.2. Các dạng bài tập thực nghiệm thường gặp 8 Dạng 1: Đo khối lượng 8 Dạng 2: Đo thể tích 10 Dạng 3: Xác định trọng lượng riêng, khối lượng 11 riêng Dạng 4: Đo chiều dài, đường kính, diện tích 14 Dạng 5: Đo nhiệt dung riêng 16 2.4. Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 17 2.4.1. Đánh giá hiệu quả của các giải pháp 17 2.4.2. Kết luận 19 3. Kết luận, kiến nghị 19 3.1. Kết luận 19 3.2. Kiến nghị 19 Tài liệu tham khảo 2 1. Mở đầu 1.1. Lí do chọn đề tài Vật lí là một bộ môn khoa học thực nghiệm, làm thế nào để dạy học tốt môn này ở bậc trung học cơ sở (THCS), đồng thời bắt kịp được những đổi mới trong chương trình sách giáo khoa (SGK) năm mới, đó là trăn trở của các giáo viên dạy học Vật lí hiện nay. Đặc biệt khả năng đáp ứng các yêu cầu cuộc sống, vận dụng kiến thức đã học vào các tình huống thực tiễn là những hạn chế của học sinh hiện nay. Ở bậc THPT, chương trình thi đại học dần đưa những yêu cầu về thi thực nghiệm vào các dạng đề thi đại học. Vì vậy, việc định hướng cho học sinh từ bậc THCS về thí nghiệm là rất quan trọng. Vật lí là một môn tương đối khó so với các môn học khác, đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản về Toán học; đồng thời là một môn khoa học tương đối đặc thù liên quan đến hiện tượng và các quy luật tự nhiên tương đối nhiều. Để dạy học tốt môn Vật lí, học sinh tiếp thu tốt môn học này, đòi hỏi giáo viên phải có óc quan sát nhất định, giáo dục cho học sinh cách thức làm thế nào để quan sát được các hiện tượng theo quy luật, đúc kết ra được những kết luận nhất định gắn trực tiếp với lý thuyết được học. Nhiều giáo viên phổ thông đang hướng học sinh nhầm lẫn hình thức giữa Vật lí và Toán học, tức là chỉ cung cấp cho các em các tư liệu về công thức mà không làm rõ bản chất Vật lí. Muốn dạy tốt môn Vật lí THCS, cung cấp cho học sinh cách thức quan sát được hiện tượng tốt nhất, giáo viên phải biết hình thức hóa các bài toán đó bằng các thí nghiệm có sẵn. Theo tôi được biết, hệ thống thí nghiệm của các trường phổ thông hiện nay tương đối hoàn thiện. Tuy nhiên, để dùng các thí nghiệm đó giáo dục trực quan hiệu quả cho học sinh thì có lẽ chưa nhiều giáo viên làm được. Nên mới xảy ra tình trạng có nơi các bộ thí nghiệm được mua về nhưng lại không dùng. Lý do vì chúng ta cần rất nhiều thời gian để chuẩn bị cho một bài thí nghiệm, trong khi một tiết học chỉ có 45 phút với đầy đủ từ hỏi bài cũ, giới thiệu bài mới, từ đặt vấn đề đến giải quyết vấn đề bài mới... Sử dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông không chỉ là công việc bắt buộc, mà nó còn là một trong những biện pháp quan trọng giúp nâng cao chất lượng dạy học, góp phần tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. Một trong những tác dụng của thí nghiệm Vật lí là tạo ra sự trực quan sinh động trước mắt học sinh; có tác dụng giúp việc dạy 3 học Vật lí tránh giáo điều, hình thức; góp phần giúp học sinh củng cố niềm tin khoa học, hình thành thế giới quan duy vật biện chứng cho học sinh. Tháng 7/2015, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định phát triển Vật lí ở Việt Nam, cũng có các quỹ dành cho sự phát triển đó, chúng ta cần xây dựng một đội ngũ đưa kiến thức thực tiễn vào cho học sinh. Lúc đó, học sinh sẽ có cảm giác hứng thú hơn với môn học, thay vì việc chỉ biết áp dụng các công thức tính toán mà không giải quyết được vấn đề gốc hay hiểu bản chất Vật lí như thế nào, sinh ra những hiện tượng luận nào. Sử dụng các bộ thí nghiệm trong dạy và học Vật lí ở trường THCS là hoạt động thường xuyên của mỗi giáo viên dạy Vật lí. Song để khai thác tốt các bộ thí nghiệm này để góp phần vào nâng cao chất lượng dạy học bộ môn thì không nhiều người làm được và không thường xuyên làm được. Thực tế, môn Vật lí khi xây dựng nội dung chương trình đã có SGK, đồng thời cũng có sẵn các bộ thí nghiệm gắn liền với chủ đề của từng bài giảng, nên giáo viên gần như không phải chuẩn bị gì vì hầu như các trường đều có sẵn. Việc còn lại là giáo viên có muốn dùng để giảng dạy hay không. Dù vậy, nhưng ngoài các thí nghiệm có sẵn, giáo viên cũng cần hướng dẫn học sinh những hiện tượng luận trong tự nhiên để các em có thể tự làm được các thí nghiệm, xem như đó là một phần thành quả của học sinh trong quá trình nghiên cứu môn học. Tôi nghĩ, để quá trình giảng dạy môn Vật lí phổ thông được tốt hơn, chúng ta cần có thêm nhiều thời gian dành cho thực nghiệm, ngoài việc học trên lớp, học sinh cần có thêm một lượng giờ nhất định nào đó để hoàn thiện các bài toán về thí nghiệm, coi thí nghiệm là một phần của môn Vật lí. Xin nhấn mạnh lại, để giáo viên dạy tốt và học sinh tiếp thu tốt môn Vật lí, cần phải có thực nghiệm và đưa thực nghiệm đó vào môn học là cần thiết đối với chương trình phổ thông. Vai trò của thực nghiệm là rất quan trong đối với dạy học Vật lí ở nhà trường, với sự phát triển tư duy khoa học của học sinh. Các bài tập về thực nghiệm chưa được giáo viên đầu tư nghiên cứu, phát triển cho học sinh trong các kì thi, chuyên đề. Xuất phát từ những yêu cầu cấp thiết tôi đã chọn “một số phương pháp giải các bài tập thực nghiệm môn Vật lí ở bậc THCS” làm đề tài nghiên cứu sáng kiến kinh nghiệm của mình. 1.2. Mục đích nghiên cứu 4 Giúp học sinh nuôi dưỡng, phát triển năng lực cá nhân, khơi dậy và phát huy sớm niềm đam mê khoa học, góp phần nhỏ trong việc đào tạo nhân tài cho đất nước. - Phát triển tư duy biện chứng khoa học, hình thành niềm đam mê khoa học, giúp học sinh có nhiều kĩ năng vận dụng kiến thức Vật lí vào cuộc sống. 1.3. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu thực trạng việc giải các bài tập thực nghiệm của học sinh khối 6 và khối 8 trường THCS thị trấn Thường Xuân, huyện Thường Xuân, tỉnh Thanh Hóa từ đó đề xuất các giải pháp giải quyết vấn đề nghiên cứu. 1.4. Phương pháp nghiên cứu 4.1. Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận Nhóm phương pháp này nhằm thu thập các thông tin lý luận để xây dựng cơ sở lý luận của đề tài. Thuộc nhóm phương pháp lý luận có các phương pháp nghiên cứu cụ thể sau đây: - Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu; 4.2. Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn Nhóm phương pháp này nhằm thu thập các thông tin thực tiễn để xây dựng cơ sở thực tiễn của đề tài. Thuộc nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn có các phương pháp nghiên cứu cụ thể sau đây: - Phương pháp quan sát; - Phương pháp điều tra; - Phương pháp tổng kết kinh nghiệm giáo dục; - Phương pháp khảo nghiệm, thử nghiệm. 2. Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm 2.1. Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 2.1.1. Các khái niệm đo lường trong Vật lí a. Khối lượng (m): - Khái niệm : là lượng chất chứa trong vật. - Đơn vị đo : Đơn vị đo khối lượng là ki lô gam, kí hiệu kg. - Dụng cụ đo khối lượng : Cân b. Thể tích (V): - Khái niệm : Thể tích, hay dung tích, của một vật là lượng không gian mà vật ấy chiếm. Thể tích có đơn vị đo là lập phương của khoảng cách (khoảng cách mũ 3). - Đơn vị đo: Trong hệ đo lường quốc tế, do đơn vị đo của khoảng cách là mét, đơn vị đo của thể tích là mét khối, ký hiệu là m³. - Dụng cụ đo thể tích: Bình chia độ, những dụng cụ có tác dụng như bình chia độ. 5 c. Khối lượng riêng (D): - Khái niệm : là khối lượng của một mét khối chất. - Đơn vị đo khối lượng riêng : kg/m3 - Dụng cụ đo khối lượng riêng : đo khối lượng, đo thể tích chất. Xác định khối lượng riêng của một chất theo công thức : D= m V D là khối lượng riêng (kg/m3) m là khối lượng của vật (kg) V là thể tích của vật (m3) d. Trọng lượng riêng (d) : - Khái niệm : Trọng lượng của một mét khối chất. - Đơn vị đo : N/m3 - Dụng cụ đo : Có thể đo gián tiếp theo công thức sau : Trong đó : d= P 10. m = =10. D V V d là trọng lượng riêng (N/m3) m là khối lượng của vật (kg) V là thể tích của vật (m3) P là trọng lượng của vật (N) e. Nhiệt dung riêng (c) : - Khái niệm : Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần truyền cho 1kg chất đó để nhiệt độ tăng thêm 1 oC (1K). - Đơn vị đo : J/kg.độ hoặc J/kg.K - Dụng cụ đo : Đo một cách gián tiếp. g. Độ dài (l) : - Khái niệm : là khái niệm cơ bản chỉ trình tự của các điểm dọc theo một đường nằm trong không gian và đo lượng (nhiều hay ít) mà điểm này nằm trước hoặc sau điểm kia. Trong ngôn ngữ thông dụng, chiều dài là một trường hợp của khoảng cách. - Đơn vị đo : mét (m) - Dụng cụ đo : Thước 2.1.2. Các bước tiến hành thực hiện bài đo thực nghiệm a. Bước 1 : Cơ sở lí thuyết của phép đo : - Phân tích cách thức thực hiện phép đo các đại lượng thực nghiệm. - Tìm mối liên hệ giữa các dụng cụ đã cho và các đại lượng vật lí có liên quan. - Biến đổi, tìm ra công thức tính đại lượng thực nghiệm. b. Bước 2 : Các bước tiến hành thí nghiệm : Trong đó : 6 - Thực hiện các bước thí nhiệm để đo các đại lượng vật lí trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến đại lượng cần đo. - Chú ý đến việc tiến hành thí nghiệm theo đúng cách đo, chú ý đến cách thực hiện để đem lại hiệu quả cao, phép đo chính xác. - Áp dụng công thức để tính giá trị đại lượng cần đo. c. Bước 3 : Đánh giá sai số của phép đo : - Sai số liên quan đến dụng cụ đo. - Sai số liên quan đến người đo. - Sai số liên quan đến việc tính toán. 2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.2.1. Thuận lợi Học sinh THCS nói chung và học sinh THCS Thị trấn nói riêng có những thuận lợi trong quá trình giảng dạy, giúp thầy và trò hoàn thành tốt nhiệm vụ năm học được thể hiện ở những mặt sau : - Được sự quan tâm của nhà trường, phân công giảng dạy đúng chuyên môn, được tham gia các lớp tập huấn chuyên môn do Phòng và Sở GDĐT tổ chức. - Giáo viên có trình độ chuyên môn vững vàng, nhiệt tình trong công tác. - Học sinh chấp hành khá tốt nội qui nhà trường, được trang bị đầy đủ SGK. - Về cơ sở vật chất được quan tâm đầu tư xây dựng theo hướng kiên cố hóa; trường, lớp khang trang, thoáng mát tạo điều kiện tốt cho việc học tập, sinh hoạt và vui chơi giải trí. 2.2.2. Khó khăn Tuy có nhiều thuận lợi nhưng trên địa bàn của huyện miền núi khó khăn, điều kiện dạy và học còn gặp rất nhiều khó khăn, nhất là đối với môn học tự nhiên như môn Vật lí. Các khó khăn ảnh hưởng rất nhiều đến việc nâng cao chất lượng dạy và học của nhà trường, thể hiện ở những mặt sau : - Do nhiều lý do nên giáo viên vẫn còn dạy học theo lối truyền thống, truyền thụ kiến thức theo lối một chiều, chưa mạnh dạn trong việc đổi mới phương pháp dạy học (PPDH). Một số giáo viên có ý thức đổi mới PPDH nhưng chỉ mang tính đối phó khi có thao giảng, dự giờ, kiểm tra. - Trong quá trình dạy học còn nặng về truyền thụ lý thuyết, ít vận dụng kiến thức vào thực tiễn cuộc sống, ít cho học sinh thực hành thí nghiệm mà chủ yếu là thí nghiệm biểu diễn của giáo viên. 7 - Một bộ phận học sinh có ý thức tự học còn thấp, năng lực tiếp thu bài chưa tốt để có thể học tập tốt nội dung giáo viên truyền thụ và có thể trả lời tốt các câu hỏi của giáo viên. Vẫn còn một số học sinh thiếu tôn trọng đối với giáo viên, tỏ thái độ không tốt khi được giáo viên nhắc nhở. - Phương pháp học tập của học sinh chưa phù hợp với đặc thù bộ môn, thụ động trong học tập, tái hiện một cách máy móc dập khuôn những gì giáo viên giảng, lười suy nghĩ tìm tòi sáng tạo. - Còn nhiều học sinh chưa chú tâm vào việc thực hiện nhiệm vụ của giáo viên giao trên lớp, làm bài tập ở nhà, lười suy nghĩ, lười chép bài hoặc chép qua loa cho có lệ. Đa số học sinh không học bài cũ, không nghiên cứu bài mới trước khi đến lớp. - Nhiều học sinh mất căn bản về kiến thức toán học nên khi gặp những bài toán khó có liên quan nhiều đến kiến thức toán học thì các em lại không làm bài được. Từ đó dẫn đến chất lượng học tập Vật lí của các em thấp. - Một bộ phận gia đình học sinh chưa quan tâm nhiều đến việc học tập của các em, thiếu sự phối hợp với nhà trường trong việc giáo dục con em mình. 2.2.3. Kết quả nghiên cứu thực trạng trước khi sử dụng phương pháp Để nghiên cứu thực trạng vấn đề nghiên cứu, tôi đã tiến hành khảo sát trên học sinh bậc THCS ở trường THCS Thị trấn Thường Xuân, kết quả đạt được như sau : Kết quả học tập của học sinh đối với bài thực hành thí nghiệm đầu năm học 2019-2020. Kết quả Điểm bài kiểm tra thực hành. Kết quả Điểm bài kiểm tra thực hành. Khối 6 – Sĩ số: 94 Giỏi Khá Trung bình SL Tỉ lệ SL Tỉ lệ SL Tỉ lệ 12 12,7 % 23 24,4 % 28 29,7 % Khối 8 - Sĩ số: 95 Giỏi Khá Trung bình SL Tỉ lệ SL Tỉ lệ SL Tỉ lệ 15 15,7 % 20 21,1 % 35 36,8 % Yếu, kém SL Tỉ lệ 31 32,2 % Yếu, kém SL Tỉ lệ 25 26,4 % Kết quả thống kê các kĩ năng của học sinh đạt được trong bài thực hành thí nghiệm. Khối 6, sĩ số 94 học sinh; khối 8, sĩ số 95 học sinh. Mức độ thực hiện Kết quả đạt được 8 Số lượn các kĩ năng cơ bản g trong các bài thực hoàn hành Vật lí thàn h rất tốt Kĩ năng đọc các giá trị của thiết bị thực 27 hành Kĩ năng bố trí các thiết bị thí nghiệm 30 trong bài thực hành. Kĩ năng hoàn thành báo cáo thí nghiệm 30 thực hành Kĩ năng giải quyết các tình huống thực tiễn 33 đối với môn Vật lí. Kĩ năng hợp tác và 66 làm việc nhóm Tỉ lệ (%) Số lượn g chưa hoàn thàn h Tỉ lệ (%) 60 31, 7 60 31, 7 21, 1 59 31, 2 60 31, 7 45 23, 8 52 27, 5 62 32, 7 17, 4 40 21, 1 60 31, 7 56 29, 8 34, 9 32 17, 1 40 21, 1 51 26, 9 Tỉ lệ (%) Số lượn g hoàn thàn h Tỉ lệ (%) Số lượng hoàn thành một phần 14, 4 42 22, 2 16 40 16 2.2.4. Đánh giá thực trạng Bài tập thực nghiệm luôn là một vấn đề khó trong dạy học Vật lí không phải riêng cho bậc THCS, mà nó là một vấn đề nan giải cho các cấp học, đặc biệt hơn ở những chương trình học phát triển năng lực người học. Vốn Vật lí là môn học khó, học sinh ngại học, giáo viên thì ngại dạy vì kèm theo rất nhiều thí nghiệm, kĩ năng mềm và phải cập nhật liên tục. Đặc biệt hơn giáo dục miền núi đang gặp nhiều khó khăn nhất là những trang bị cho người học trong giai đoạn mới. Hầu hết học sinh bậc THCS không tự mình nối được một bảng điện, hay không thể dùng các kiến thức đã được học về phục vụ cuộc sống hằng ngày. Đây là một thực trạng rất đáng lo ngại trong giai đoạn hiện nay, khi kĩ năng đang cần hơn và giúp con người thành công hơn là kiến thức hàn lâm. Thực trạng trên theo tôi nguyên nhân nằm ở những vấn đề cơ bản như sau: - Học sinh chưa được học tập theo hướng tích cực, chất lượng các bài thực hành còn thấp, đặc biệt là học sinh khối 6 chưa có tư duy về khoa học thực nghiệm. - Bản thân học sinh vẫn còn thiếu sáng tạo, chưa thấy rõ vai trò của các môn học thực nghiệm trong nhà trường. - Chương trình học còn hạn chế, thiếu tính mở, nhà trường vẫn chỉ dựa vào sách giáo khoa để đánh giá quá trình dạy học nên làm hạn chế tính sáng tạo của giáo viên. Qua các bài học vẫn chưa trang bị đầy đủ các kĩ năng cho học sinh. - Chất lượng, số lượng thiết bị thiếu thốn, xuống cấp do nhiều năm đầu tư và thiếu sự đầu tư, bổ sung thường xuyên. 9 2.3. Giải pháp thực hiện 2.3.1. Nội dung của phương pháp Phương pháp đo các bài thực nghiệm được phân loại, sắp xếp theo trật tự logic nhất định. Các đại lượng đo trực tiếp được sắp xếp cho học sinh làm quen, thực hành trước khi tiến hành đo các đại lượng gián tiếp. Mỗi dụng cụ có cách sử dụng khác nhau, được sản xuất theo từng thời kì lịch sử nên việc cập nhật cách sử dụng là rất quan trọng đối với giáo viên. Hơn nữa các bài thực hành cần có phòng chức năng, cần sự chuẩn bị trước về dụng cụ nên các nhà trường cần được bổ sung đầy đủ các bộ phụ trách thí nghiệm. Theo chương trình Vật lí bậc THCS có thể phân loại, sắp xếp chúng thành các dạng cơ bản như sau: 2.3.2. Các dạng bài tập thực nghiệm thường gặp Dạng 1: Đo khối lượng Có thể dùng các phương pháp sau: l1 l2 - Dùng cân. O - Dùng lực kế. - Hoặc dùng điều kiện cân bằng của đòn bẩy. * Cách đo khối lượng bằng đòn bẩy - Biến đổi phương, chiều và độ lớn của lực. - Đòn bẩy cân bằng khi các lực tỉ lệ nghịch với cánh tay đòn. F l1 = P l2 Trong đó: l1 ,l2 là cánh tay đòn của P và F (cánh tay đòn là khoảng cách từ điểm tựa đến phương của lực) * Cách đo khối lượng bằng lực kế - Lực đàn hồi xuất hiện khi lò xo biến dạng. - Độ lớn của lực đàn hồi tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo. - Cách đo khối lượng bằng lò xo: + Treo vật vào lực kế đặt trong không khí, lực kế chỉ: P (trọng lượng) + Nhúng vật vào chất lỏng có lực đẩy acsimet: F A + Độ lớn của lực đàn hồi là: F đh=P−F A Biết được hai đại lượng ta có thể xác định được khối lượng của vật. * Bài tập minh hoạ Bài tập 1: Đo khối lượng khối gỗ. Dụng cụ gồm: Giá thí nghiệm; Đòn bẩy, có chia chiều dài theo milimet; Lực kế có giới hạn đo nhỏ hơn trọng lượng của khối gỗ. Giải: 10 Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Phân tích: Khối lượng có thể đo trực tiếp bằng cân hoặc lực kế, nhưng do dụng cụ không có cân. Mặt khác, lực kế có giới hạn đo nhỏ hơn trọng lượng của khối gỗ, không thể đo khối lượng một cách trực tiếp. - Dụng cụ đo có đòn bẩy, vậy có thể dùng đòn bẩy để đo khối lượng một cách gián tiếp. l1 l2 Bước 2: Các bước tiến hành: O - Móc khối gỗ vào một đầu đòn bẩy, móc lực kế vào đầu còn lại, sao cho cánh tay đòn phía lực kế dài hơn bên phía Hình 1 trọng lực (hình 1) - Thanh cân bằng nằm ngang khi: l F l1 = → P=F . 1 P l2 l2 P - Khối lượng của vật là: m= 10 - Dựa trên điều kiện cân bằng, ta phải xê dịch vị trí của khối gỗ sao cho cách vị trí trọng tâm O xa hơn so với lực kế. - Chú ý: Dù thanh có khối lượng hay không thì phép đo vẫn đúng khi ta đặt điểm tựa là trọng tâm O của thanh. Bước 3: Đánh giá sai số: - Sai số do người quan sát không nhìn vuông góc với vạch chia của đòn bẩy, vạch chia của lực kế. - Sai số do không chọn điểm tựa là trọng tâm của thanh, trọng lượng của thanh sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Bài tập 2: Đo khối lượng cây thước. Dụng cụ: Quả cân, cái nêm để tạo điểm tựa và thước cần đo khối lượng. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Phân tích: Khối lượng có thể đo trực tiếp bằng cân hoặc lực kế, nhưng do dụng cụ không có cân, không có lực kế, không thể đo khối lượng một cách trực tiếp. - Dụng cụ đo không có đòn bẩy, nhưng thước cần đo khối lượng có thể dùng làm đòn bẩy, vậy có thể dùng đòn bẩy để đo khối lượng một cách gián tiếp. Bước 2: Các bước tiến hành: l1 l2 - Đặt thước trên nêm, xê dịch thước O G . sao cho thước nằm thăng bằng, đánh dấu Hình 2 vị trí trọng tâm của thước tại G (điểm đặt trọng lực của thước). 11 - Đặt 1 quả cân lên một đầu thước, xê dịch thước để xác định vị trí điểm tựa O sao cho thước nằm ngang thăng bằng. - Dùng thước đo khoảng cách từ O đến quả cân là l1, đo khoảng cách từ O đến G là l2 (hình 2). - Thanh cân bằng nằm ngang khi: Pt l 1 P l = → mt = t =mc . 1 P c l2 10 l2 Trong đó: mt , mc lần lượt là khối lượng của thước và của quả cân. Bước 3: Đánh giá sai số: - Sai số do người quan sát không nhìn vuông góc với vạch chia của đòn bẩy, vạch chia của lực kế. - Do khi đo khoảng cách từ các điểm tựa, không đo từ tâm của quả cân đến các vị trí đánh dấu. * Bài tập vận dụng Bài 1: Đo khối lượng của chiếc bút bi (gần đúng). Cho các dụng cụ: - Cân thăng bằng và quả cân 10 g. - Bao diêm đầy chứa các que diêm có khối lượng rất gần bằng nhau. Bài 2: Em hãy xác định trọng lượng của một vật nhưng chỉ có một lực kế lò xo có giới hạn nhỏ hơn nhiều so với trọng lượng của vật. Hãy suy nghĩ xem cần có thêm dụng cụ đơn giản nào để có thể dùng với lực kế xác định trọng lượng của một vật nói trên. Bài 3: Xác định khối lượng trung bình của một hạt thóc. Với dụng cụ gồm: một ống nghiệm chia độ, một bình hình trụ đựng nước, một nắm thóc. Bài 4: Một lọ thuỷ tinh chứa đầy thuỷ ngân, được nút chặt bằng nút thuỷ tinh. Hãy nêu phương án xác định khối lượng thuỷ ngân trong lọ mà không mở nút ra. Biết khối lượng riêng của thuỷ ngân và thuỷ tinh lần lượt là D 1 và D2. Cho các dụng cụ: cân, bình chia độ và nước. Bài 5: Hãy tìm phương án xác định khối lượng của một thanh sắt nhỏ. Dụng cụ: Đèn cồn; Bình đun; Cốc; Chậu nước; Nhiệt kế; Bình có chia độ; Nhiệt lượng kế bằng đồng có khối lượng đã biết (có thể dùng bảng nhiệt dung riêng của các chất ở các sách giáo khoa Vật lí). Dạng 2: Đo thể tích * Phương pháp: - Dùng bình chia độ. - Dùng bình tràn. - Dùng một số dụng cụ kết hợp khác. * Bài tập minh hoạ: 12 Bài tập 1: Cho các dụng cụ gồm: Cân, hộp quả cân, cốc nước có khối lượng riêng D đã biết, một cốc cần xác định thể tích. Hãy trình bày cách tiến hành xác định thể tích bên trong của cốc. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Phân tích: Thể tích bên trong của cốc chính là thể tích của nước chứa đầy trong cốc, thay vì đo thể tích bên trong của cốc ta tiến hành đo thể tích của nước chứa đầy trong cốc. - Nhận xét: Dụng cụ cho bao gồm: cân, quả cân, vì vậy việc đo thể tích trực tiếp là không thể thực hiện được. Ta phải đo thông qua phương pháp gián tiếp. - Thể tích của cốc nước đầy: V= m m2−m1 = (*) D D Trong đó: m2, m1 lần lượt là khối của cốc chứa nước đầy và khối lượng của cốc không chứa nước. Bước 2: Các bước tiến hành: - Dùng cân và hộp quả cân xác định khối lượng cốc là m 1. - Đặt cốc thẳng đứng, đổ đầy nước vào cốc, dùng cân xác định xác định khối lượng của cốc chứa đầy nước là m 2. - Thay khối lượng riêng của nước là D, khối lượng m 1 và m2 vừa xác định vào công thức (*), ta xác định được thể tích bên trong của cốc theo công thức (*). Bước 3: Đánh giá sai số: - Để chính xác ta phải đặt cốc thẳng đứng, rót nước vừa tràn cốc. - Cần chú ý điều chỉnh cân cho thật thăng bằng để đảm bảo độ chính xác cao của thí nghiệm. Bài tập 2: Trình bày cơ sở lí thuyết và cách tiến hành thí nghiệm xác định thể tích của chiếc đục. Cho dụng cụ gồm: 1 thước gỗ thẳng, cứng loại 500 mm, 1 quả cân tuỳ chọn trong hộp quả cân, một chiếc đục thép, 1 sợi dây, 1 bình nước. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Điều kiện cân bằng của đòn bẩy: P0 l m l = → m= 0 0 . P l0 l - Lực đẩy Acsimet: F A=d . V =10. D .V - Điều kiện cân bằng khi có lực đẩy Acsimet: P−F A l 0 Pl−P0 l 0 Pl−P0 l 0 = → F A= →10. D .V = ' ' P0 l l l 13 ' V= ' P l −P0 l 0 ml −m0 l 0 m l ' −l = = ( ' ) ' ' Dn l 10 Dn l Dn l Bước 2: Các bước tiến hành: - Đặt thước gỗ trên bàn sao cho nửa thước nhô ra ngoài bàn. Đặt quả cân có trọng lượng P 0 lên đầu thước trên mặt bàn và dịch về phía trọng tâm thước đến khi thấy thước bắt đầu hơi nghiêng. Đo l0 và l, biết m0 ta tính được khối lượng m của chiếc đục thép bằng công thức: m= m0 l0 l - Giữ nguyên P0 và l0. Nhúng ngập chiếc đục vào nước chứa trong bình hình trụ, điều chỉnh vị trí theo chiếc đục sao cho thước bắt đầu chớm nghiêng được. - Xác định hợp lực của trọng lực P của chiếc đục và lực đẩy Acsimet: F = P - FA. - Điểm đặt ở cách trục quay một khoảng l’. - Áp dụng công thức: V = m l ' −l ( ) để xác định thể tích của Dn l ' đục. Bước 3: Đánh giá sai số: - Việc xác định vị trí cân bằng của thước và vị trí thước bắt đầu nghiêng là rất quan trọng trong việc xác định độ chính xác của thí nghiệm. Vì vậy cần thực hiện thận trọng và từ từ. - Chú ý trong việc đo chiều dài của cánh tay đòn để thí nghiệm chính xác. * Bài tập vận dụng: Bài 1: Hãy đo thể tích của quả cân với các dụng cụ sau: Lực kế, quả cân, cốc nước có khối lượng riêng Dn. Bài 2: Xác định thể tích và bán kính của viên bi. Cho dụng cụ gồm: Bình chia độ, dầu hoả, một số viên bi xe đạp cần xác định thể tích và bán kính. Biết thể tích V của vật hình cầu và bán 4 3 kính R của nó liên hệ với nhau theo công thức V = 3 π . R . Dạng 3: Xác định trọng lượng riêng, khối lượng riêng * Phương pháp: Bước 1: Xác định thể tích. - Dùng bình chia độ hoặc ống nghiệm có chia thể tích để xác định. - Hoặc dùng ống nghiệm kết hợp với thước đo chiều dài để xác định. Bước 2: Xác định trọng lượng 14 - Dựa vào lực kế. - Hoặc dựa vào điều kiện cân bằng và lực đẩy Ác si mét. Bước 3: Vận dụng công thức tính khối lượng riêng và trọng lượng riêng m - Khối lượng riêng: D= V P 10. m - Trọng lượng riêng : d= V = V =10. D * Bài tập minh hoạ: Bài tập 1: Trình bày phương án thí nghiệm xác định khối lượng riêng của một mẫu kim loại được đặt bên trong một cục sáp của hai cục sáp cho trước, biết khối lượng sáp trong hai cục sáp là như nhau. Không được lấy mẫu kim loại ra khỏi cục sáp. Được phép dùng: cân và bộ quả cân, giá đỡ, dây treo, cốc đựng nước không có độ chia, nước trong cốc đã biết khối lượng riêng. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Xác định khối lượng mẫu kim loại: Cân khối lượng của mỗi cục sáp được các giá trị là: m1, m2. Khối lượng kim loại là: m = m2 – m1 (giả sử m2 > m1) - Xác định thể tích kim loại: + Dùng dây treo buộc cục sáp có khối lượng m 1 trên một đòn cân, phía bên kia đặt các quả cân, đồng thời để cục sáp ngập trong cốc nước. Thêm các quả cân sao cho cân thăng bằng, khi đó trọng lượng các quả cân là P1. Ta có: P1 +10. ρ0 . V 1=10. m1 + Làm tương tự với cục sáp thứ hai. Trọng lượng các quả cân là P2. Ta có: P2 +10. ρ0 . V 2=10. m2 - Thể tích các mẫu sáp: V 1= 10. m1−P 1 10. m2 −P 2 V 2= và (Trong đó ρ0 là khối lượng riêng 10. ρ 0 10. ρ0 của nước) - Thể tích của mẫu kim loại là: V = V2 – V1 - Khối lượng riêng của kim loại là: ρ= 10(m2 −m1) m = (*) D 10 ( m 2−m 1 )−(P2−P1) Bước 2: Các bước tiến hành: - Dùng cân để xác định khối lượng m1, m2. - Dùng cân kết hợp với điều kiện cân bằng của vật xác định thể tích mẫu sáp từ đó xác định thể tích mẫu kim loại. 15 - Xác định khối lượng riêng của mẫu kim loại theo công thức (*). Bước 3: Đánh giá sai số: - Bài tập này đo qua nhiều bước trung gian, chú ý các đại lượng đo để giảm thiểu sai số. - Chú ý phải nhúng chìm sáp vào nước để kết quả thí nghiệm chính xác. Bài tập 2: Xác định khối lượng riêng của dầu và dung dịch đồng sunfat bằng một số phương pháp. Phương pháp nào cho kết quả chính xác nhất? Khối lượng riêng của nước bằng 1000 kg/m3. - Dụng cụ và vật liệu: Ống đo, cốc nước, dầu, dung dịch đồng sunfat, ống nhỏ giọt, ống thủy tinh thẳng và hình chữ U, thước đo. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: Cách 1: Rót dầu và nước vào bình thông nhau như hình vẽ, ta có phương trình cân bằng áp suất tại 2 điểm A, B: PA = PB  d1h1 = d2h2  d2 = d1h1/h2 Phương pháp này thích hợp cho chất lỏng không trộn được vào nhau. Như vậy không so sánh được khối lượng riêng của nước và đồng sunfat. Để xác định khối lượng riêng của đồng sunfat ta rót dầu và dung h1 dịch đồng sunfat vào bình thông nhau. A B Cách 2: Khảo sát điều kiện cân bằng của đòn bẩy. h2 Vật đo có thể là cái thước đặt trên bút chì. Trên thước, một đầu đặt một cốc nhỏ, đầu kia cũng đặt một cốc nhỏ nhưng chứa một lượng nước đã biết m1. Do thanh cân bằng ta có: m1 l 2 m.10.l1 = (m + m1).10.l2  m= l −l 1 2 Lập cân bằng các cốc có thể tích V của nước và dầu bằng nhau: (m + d1V).10.l’1 = (m + d2V).10.l’2 ' ' m(l 1 −l 2 )+ d 1 V ' Vl 2  d2 = Cách 3: Phương pháp trên nhưng không cần đo l1 khối lượng các cốc, nếu ta lập cân bằng các cốc l2 chứa chất lỏng trên đòn cân có cách tay đòn bằng nhau. Muốn thể ta rót những lượng chất lỏng khác nhau xác định bởi độ cao h 1, h2: d1.S.h110 = d2.S.h2.10  d2 = d1h1/h2. Bước 2: Các bước tiến hành: - Cách 1: Áp dụng điều kiện cân bằng của bình thông nhau, dùng cho chất lỏng không hoà vào nhau. Đo chiều cao các cột chất lỏng ở hai nhánh của bình. 16 - Cách 2: Dựa và điều kiện cân bằng của đòn bẩy. Đo chiều dài l1, l2 bằng thước. - Cách 3: Cũng dựa vào điều kiện cân bằng của đòn bẩy nhưng ở một cách khai thác mới. Cho chiều dài cánh tay đòn giống nhau và chiều cao cột chất lỏng h1, h2. Bước 3: Đánh giá sai số: - Có thể nâng cao độ chính xác nếu đầu tiên ta xác định khối lượng của đồng sunfat đối với khối lượng riêng của nước và sau đó xác định khối lượng riêng của dầu đối với khối lượng riêng của đồng sunfat. - Chú ý để chất lỏng không bị hoà lẫn vào nhau, kết quả sẽ không chính xác. Tốt hơn nên thực hiện theo cách 2, cách 3. * Bài tập vận dụng: Bài 1: Trình bày phương án thí nghiệm xác định khối lượng riêng D x của một vật rắn (không thấm nước, không tan trong nước và không tác dụng hoá học với nước). Cho các dụng cụ và vật liệu sau: - Vật rắn nhỏ cần xác định khối lượng riêng; - Một lực kế (có giới hạn đo phù hợp); - Một cốc nước (biết khối lượng riêng của nước là Dn); - Một quả nặng bằng kim loại; Dây buộc. Bài 2: Cho các dụng cụ gồm: + Một ống thủy tinh hình chữ U; một thước có độ chia nhỏ nhất đến mm. + Một lọ nước, một lọ dầu; cho biết khối lượng riêng của nước. Hãy trình bày và giải thích một phương án thí nghiệm để xác định khối lượng riêng của dầu? Bài 3: Một miếng cao su hình nón bán kính R có bề dày đồng nhất bằng h, nếu thả vào nước thì chìm. Cho một ống nhựa rỗng hình trụ thành mỏng, bán kính r (r < R); một bình nước và một thước đo chiều dài. Hãy trình bày một phương án thí nghiệm để xác định khối lượng riêng của miếng cao su nói trên. Bài 4: Hãy xác định khối lượng riêng của một viên sỏi. Cho các dụng cụ sau : lực kế, sợi dây (khối lượng dây không đáng kể), bình có nước. Biết viên sỏi bỏ lọt và ngập trong bình nước, trọng lượng riêng của nước là d0. Bài 5: Một thanh gỗ thẳng dài có thể quay quanh trong một trục lắp cố định ở một giá thí nghiệm, một thước chia tới milimet, một bình hình trụ lớn đựng nước (đã biết khối lượng riêng của nước), một bình hình trụ lớn đựng dầu hoả, một lọ nhỏ rỗng, một lọ chứa đầy cát có nút đậy kín bằng cao su, hai sợi dây. Hãy trình bày một phương án thí nghiệm xác định khối lượng riêng của dầu hoả. Bài 6: Trình bày cơ sở lí thuyết và cách tiến hành thí nghiệm đo khối lượng riêng của cát khô (với độ chính xác cao nhất có thể). Cho dụng cụ gồm: Tấm gỗ phẳng kích thước 60mm x 500mm x 5mm; 2 vỏ lon bia giống nhau bỏ nắp; 1 bình chia độ; 1 chai nước; 1 cốc đựng cát khô. Bài 7: Cho các dụng cụ sau: Một bình lớn đựng nước có trọng lượng riêng d n, thước milimet, một tờ giấy, một ống nghiệm thường được sử dụng trong các thí nghiệm hóa học, cốc đựng nước đường cần đo khối lượng riêng. 17 a) Lập phương án đo khối lượng riêng của nước đường với các dụng cụ trên. b) Viết biểu thức khối lượng riêng của nước đường theo các số liệu đo được. Dạng 4: Đo chiều dài, đường kính, diện tích * Phương pháp: Đo chiều dài: - Dụng cụ đo: Thước. - Giới hạn đo (GHĐ) là độ dài lớn nhất ghi trên thước. - Độ chia nhỏ nhất (ĐCNN) là độ dài của hai vạch chia liên tiếp trên thước. Đo diện tích: - Trường hợp 1: Vật có hình dạng đặc biệt. Vật có hình dạng như tam giác vuông, hình vuông, hình chữ nhật: Dùng công thức tính diện tích: + Hình chữ nhật: S = a.b (a: Chiều dài, b: Chiều rộng). + Hình vuông: S = a2 (a: Chiều dài cạnh của hình vuông). + Hình tam giác vuông: S = a.b (a, b: cạnh của hình 2 vuông). - Trường hợp 2: Đo diện tích hình phẳng dùng giấy kẻ ô vuông. + Đặt vật muốn đo lên giấy kẻ ô vuông, mỗi ô vuông có diện tích 1 cm2. Dùng bút chì kẻ đường viền trên bề mặt kẻ ô vuông. + Diện tích của vật bằng tổng số ô vuông. - Trường hợp 3: Xác định diện tích bằng cân. Vật có khối lượng phân bố đều, có bề dày không đổi. S 0 m0 m = → S=S 0 . S m m0 Trong đó: S0 là diện tích miếng bìa lớn hơn vật; m 0: khối lượng mảnh bìa; m là khối lượng của vật có diện tích S. * Bài tập minh hoạ: Bài tập 1: Đo diện tích của chiếc lá. Dụng cụ: cân, kéo, tờ giấy bìa có diện tích đã biết. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Xác định khối lượng của miếng bìa sau khi cắt bằng diện tích chiếc lá, có khối lượng m. - Xác định khối lượng mảnh bìa bằng cân, có khối lượng m 0. 18 S0 m0 m - Áp dụng công thức: S = m → S=S 0 . m ta xác định được diện 0 tích chiếc lá. Bước 2: Các bước tiến hành: - Đặt miếng bìa ban đầu lên cân, chỉ khối lượng m0. - Đặt chiếc lá vào miếng bìa, vạch dấu và cắt miếng bìa theo chiếc là, sao cho chúng có thể tích bằng nhau. Sau đó, đặt miếng bìa vừa cắt lên cân, cân chỉ khối lượng m. - Ta có diện tích của chiếc là bằng diện tích tấm bìa vừa cắt. S 0 m0 m = → S=S 0 . . S m m0 Bước 3: Đánh giá sai số: - Thí nghiệm chính xác hay không phụ thuộc vào việc cắt miếng bìa. Do chiếc lá có khối lượng bé nên không thể đo trực tiếp, hơn nữa ta nên chọn chất liệu miếng bìa dễ cắt và có diện tích ban đầu thuận lợi cho tính toán. - Sai số còn do chọn cân. * Bài tập vận dụng: Bài 1: Xác định đường kính sợi chỉ. Cho dụng cụ: 1 bút chì, 1 sợi chỉ, 1 thước chia tới milimet. Bài 2: Cho các dụng cụ sau: - Hai khối trụ đồng chất hình dạng bên ngoài giống hệt nhau, có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của nước. Một khối đặc, một khối rỗng ở giữa (kín hai đầu), lỗ rỗng hình trụ có trục trùng với trục của khối, chiều dài mỗi lỗ bằng chiều dài của khối. - Một thước đo thẳng. - Một bình nước có khối lượng riêng là D. Hãy trình bày và giải thích một phương án thực nghiệm để xác định: a) Khối lượng riêng của chất cấu tạo nên các khối trên. b) Bán kính lỗ rỗng của trụ rỗng. Bài 3: Xác định đường kính của một sợi dây đồng. Cho dụng cụ: 1 bút chì, 1 sợi chỉ, 1 thước chia tới milimét. Bài 4: Xác định đường kính, chu vi quả bóng bàn. Cho dụng cụ: 1 sợi chỉ, 1 thước chia tới milimét, 1 băng giấy, 2 hộp diêm. Bài 5: Xác định đường kính của một cây bút chì. Cho dụng cụ: 1 bút chì, 1 sợi chỉ, 1 thước chia tới milimét. Bài 6: Xác định diện tích nước Việt Nam trên bản đồ Việt Nam có ghi tỉ lệ xích so sánh kết quả đạt được với diện tích ghi trên sách địa lí. Giải thích về sự sai lệch giữa hai số liệu trên? Cho dụng cụ: Thước có chia tới milimét, một cái kéo, một bản đồ Việt Nam in trên tờ giấy có ghi rõ tỉ lệ xích. Dạng 5: Đo nhiệt dung riêng * Phương pháp: 19 - Dùng nhiệt kế, nhiệt lượng kế xác định nhiệt độ lúc đầu và lúc cân bằng nhiệt. - Vận dụng phương trình cân bằng nhiệt Qtoả =Q thu. - Xác định nhiệt dung riêng bằng phương trình cân bằng nhiệt. * Bài tập minh hoạ: Bài tập 1: Xác định nhiệt dung riêng của dầu hỏa bằng các dụng cụ sau: cân (không có quả cân); nhiệt kế, nhiệt lượng kế (biết ruột nhiệt lượng kế có nhiệt dung riêng là ck); nước (biết nhiệt dung riêng c n), dầu hỏa; bếp điện; hai cốc đun giống nhau. Giải: Bước 1: Cơ sở lí thuyết: - Đặt cốc rỗng và ruột nhiệt lượng kế lên đĩa cân A, đặt cốc rỗng còn lại lên đĩa cân B, rót nước vào cốc ở đĩa cân B cho đến khi cân bằng. ⇒ mk = mn. - Bỏ ruột nhiệt lượng kế xuống, rót dầu vào cốc rỗng bên đĩa A cho đến khi cân thăng bằng, lúc đó: md + mcốc = mn + mcốc => md = mn = mk. - Lắp ruột nhiệt lượng kế vào vỏ nhiệt lượng kế, rót dầu từ cốc vào nhiệt lượng kế, đo được nhiệt độ của dầu, nhiệt lượng kế và nước, đó chính là nhiệt độ phòng t0. - Đặt cốc đun có nước lên bếp điện, đun nóng nước. Tắt bếp, khuấy đều nước, nhiệt độ bắt đầu giảm chậm. Khi nước trong cốc đến nhiệt độ t n đã chọn, đổ nước vào nhiệt lượng kế có chứa dầu. Đậy nắp, khuấy đều, đo nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp là t. - Từ phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa = Qthu ⇒md cx + mk ck).(t - t0) = mncn.(tn - t) Hay (cx + ck).( t - t0 ) = cn(tn – t)  cx  cn (tn  t )  ck t  t0 (*), với các giá trị đo được và đã cho như trên ta xác định được cx. Bước 2: Các bước tiến hành: - Đo khối lượng của nhiệt lượng kế, của dầu và của cốc bằng nhau, bằng cách đặt lên cân để cân thăng bằng. - Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước, dầu và nhiệt độ cân bằng. - Sử dụng phương trình cân bằng nhiệt để tính nhiệt dung riêng theo công thức (*). Bước 3: Đánh giá sai số: - Cần chú ý khi độ nhiệt độ của dầu và nước, phải khuấy đều để nhiệt độ chính xác. - Có hao phí ra môi trường vì vậy cần thực hiện nhiều lần và lấy giá trị trung bình. * Bài tập vận dụng: