NỘI DUNG
CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN
1.1 Một số vấn đề về năng lực giải quyết vấn đề a Khái niệm năng lực
Năng lực được hiểu là khả năng thực hiện, không chỉ dừng lại ở việc hiểu biết Để đạt được kết quả, hành động thực hiện phải liên quan đến những yêu cầu cụ thể về kiến thức, kỹ năng và thái độ.
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 của con người được hình thành và cải thiện liên tục trong suốt cuộc đời, phản ánh sự thay đổi trong cấu trúc nhận thức và hành động Nếu không được sử dụng một cách tích cực và thường xuyên, năng lực có thể bị yếu đi hoặc mất đi.
Để phát triển năng lực, cần tập trung vào việc nâng cao các thành phần như kiến thức, kỹ năng và thái độ, trong đó việc thực hành là rất quan trọng Sự huy động tổng hợp các thành phần này trong các tình huống thực tế sẽ giúp hình thành năng lực giải quyết vấn đề hiệu quả.
Vấn đề xảy ra khi có sự mâu thuẫn giữa thực tế và mong muốn, và việc giải quyết vấn đề là quá trình xác định, lựa chọn giải pháp tối ưu và đánh giá kết quả Năng lực giải quyết vấn đề bao gồm khả năng xác định mục tiêu, đề xuất giải pháp, chọn lựa giải pháp tốt nhất, đánh giá kết quả và rút kinh nghiệm cho các vấn đề tương tự Hoạt động nhận thức của con người bắt đầu khi có mâu thuẫn giữa kiến thức hiện có và nhiệm vụ mới, do đó, hoạt động học tập của học sinh thực chất là quá trình giải quyết vấn đề nhận thức.
- Có khả năng phát hiện các vấn đề cần giải quyết
Khả năng tự di chuyển tri thức và kỹ năng sang các tình huống mới thể hiện sự linh hoạt trong việc áp dụng kiến thức đã học Điều này cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa các kiến thức, giúp người học vận dụng hiệu quả trong thực tiễn.
Có khả năng xem xét nhiều phương pháp khác nhau từ các góc độ khác nhau, giúp lựa chọn giải pháp tối ưu nhất để giải quyết vấn đề.
Có khả năng đánh giá kết quả sau khi giải quyết vấn đề, nhận diện ưu nhược điểm trong cách tiếp cận và cải tiến phương án nhằm nâng cao hiệu quả.
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 một phần quan trọng để thực hiện thí nghiệm thực Loại bài tập này diễn ra trong tư duy, giúp học sinh có thể thực hành ngay cả khi thiếu thiết bị thí nghiệm Đây là nền tảng cần thiết để học sinh thực hiện các thí nghiệm thực tế hiệu quả.
Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm yêu cầu học sinh áp dụng các định luật một cách hợp lý để xây dựng kế hoạch thí nghiệm Nội dung của bài tập tập trung vào việc vận dụng kiến thức để thiết kế các phương án thí nghiệm hiệu quả, nhằm đạt được kết quả mong muốn.
- 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 không chỉ giúp học sinh nâng cao năng lực thiết kế mà còn hình thành trực giác khoa học và phát triển tư duy sáng tạo Đặc biệt, những bài tập này còn góp phần quan trọng vào việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.
Bài tập thiết kế phương án thí nghiệm thường xoay quanh các câu hỏi như: “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 ”, và “Nêu các phương án đo ” Để thực hiện bài tập này, cần tuân theo các bước xây dựng phương án thí nghiệm một cách rõ ràng và logic.
Bước đầu tiên trong quá trình giải quyết bài toán là tìm hiểu đề bài, đây là một bước cực kỳ quan trọng Cần phải phân biệt rõ ràng giữa các dữ kiện đã cho và yêu cầu cần tìm Nếu cần thiết, bạn có thể tóm tắt ngắn gọn các dữ kiện và yêu cầu bằng sơ đồ hoặc các ký hiệu để dễ dàng hình dung hơn.
Bước 2 trong quá trình phân tích nội dung là làm rõ ý nghĩa của các hiện tượng được đề cập trong bài tập, cũng như vai trò của các dụng cụ đã cho Để thực hiện điều này, cần trả lời các câu hỏi như: các đại lượng cần đo có mối liên hệ ra sao? Những kiến thức đã học nào cần được áp dụng? Và phương pháp nào sẽ được sử dụng để thực hiện việc đo?
- Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm
Trong bước này, cần tổng hợp kiến thức và hiểu biết thực tế để xác định sự phụ thuộc cần kiểm tra Việc khảo sát giúp đề ra các phương án khả dĩ, từ đó lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với yêu cầu bài toán Đồng thời, cần phân loại các bài toán thiết lập phương án thí nghiệm để đạt hiệu quả cao nhất.
Bài toán thiết lập phương án thí nghiệm không yêu cầu đầu tư vật chất nhưng đòi hỏi học sinh phải có kiến thức lý thuyết vững vàng và khả năng tư duy thực tiễn Nó liên quan chặt chẽ đến các lĩnh vực vật lý như cơ, nhiệt, điện, quang, và rất đa dạng Tuy nhiên, bài toán này có thể được phân loại thành các dạng cơ bản khác nhau.
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 giải quyết bài toán vật lý, việc xác định "miền xác định" của hiện tượng là rất quan trọng Học sinh cần nhận diện định luật chi phối hiện tượng và tìm ra tất cả các công thức liên quan, đồng thời xem xét khả năng ứng dụng thực tế của từng công thức Nên chọn công thức đơn giản và chính xác nhất để giảm thiểu sai số trong quá trình thí nghiệm Cần trả lời các câu hỏi về các đại lượng trong công thức, bao gồm dụng cụ đo và phương pháp xác định Cuối cùng, thiết lập phương án thực hiện theo hệ thống các bước rõ ràng.
- Phương án tiến hành thí nghiệm
- Đánh giá sai số và nhận xét (chỉ ra cách làm giảm sai số)
Để xây dựng một phương án hoàn hảo, học sinh cần trải qua quá trình thực nghiệm, từ đó rút ra kinh nghiệm quý giá về cách xử lý tình huống và sai số.
Trong các phương pháp xử lý số liệu thu được, hồi quy tuyến tính được sử dụng để đơn giản hóa và giảm thiểu sai số Phương pháp này biến đổi các phương trình vật lý thành dạng y = ax + b, trong đó x là biến số độc lập trên trục hoành, y là biến số phụ thuộc trên trục tung, còn a và b là các đại lượng cần xác định qua hệ số góc của đường thẳng Để nâng cao độ chính xác, người ta áp dụng các phương pháp toán học để xác định hệ số a và b cho đường thẳng y = ax + b.
Các công thức này được phát triển dựa trên toán xác suất và phương pháp xử lý dữ liệu thực nghiệm Tuy nhiên, chúng thường được coi là kết quả đã được công nhận.
Trong phần cơ sở lý thuyết của thí nghiệm, người lập phương án cần trình bày rõ bản chất của hiện tượng vật lý liên quan, vì đây là phần mở đầu có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ bài thực hành Việc xác định chính xác cơ sở lý thuyết là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của thí nghiệm Ngoài ra, trước khi tiến hành, cần kiểm tra lại các dụng cụ đã được cung cấp.
Trong phương án, cần xác định xem có thiếu hoặc thừa loại nào không Nếu phát hiện sự không phù hợp, nên điều chỉnh lại cho hợp lý Để làm điều này, có thể đặt các câu hỏi liên quan đến phần cơ sở lý thuyết và sau đó đối chiếu với bài làm để đảm bảo tính chính xác và đầy đủ.
- 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 thập số liệu từ thí nghiệm, việc xử lý dữ liệu theo các công thức của định luật vật lý là cần thiết Quá trình này tương tự như giải bài tập lý thuyết, trong đó ta sử dụng số liệu để tính toán các đại lượng Dựa vào giá trị sai số tính được, ta có thể đánh giá mức độ sai số và đưa ra nhận xét về cách giảm thiểu sai số Để nâng cao độ chính xác, cần lựa chọn dụng cụ phù hợp và chú ý đến từng thao tác trong quá trình thí nghiệm.
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:
- 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
+ Khối lượng riêng của vật: D kl m P P.D 0
- Sử dụng đòn bẩy và chất lỏng (đã biết khối lượng riêng D0)
Treo quả nặng vào đầu mút A và dịch chuyển điểm treo thanh đến C để thanh cân bằng nằm ngang Sử dụng thước để đo đoạn AC = x Điều kiện cân bằng của thanh được thiết lập dựa trên vị trí và trọng lực tác động.
(D là khối lượng riêng của quả nặng)
Để giữ quả nặng nằm ngang khi nhúng hoàn toàn trong nước, cần dịch chuyển điểm treo đến D, lúc này quả nặng sẽ chịu thêm lực đẩy Ac-si-met FA.
Dùng thước đo đoạn AD = y Điều kiện cân bằng của thanh là
- Sử dụng ống đong và bình chất lỏng
+ Từ điều kiện cân bằng của ống đo trong nước FA = P, ta có phương trình:
Mg + 0Vtg + 0xStg = 0Vng + 0ySng
+Tiến hành như trên nhưng thay nước trong ống đo bởi dầu ta được phương trình thứ hai: y 0
2.2 Đo gia tốc trọng trường g
- Thả rơi tự do, chụp ảnh vật rơi sau các khoảng thời gian T liên tiếp
- Con lắc đơn đo n chu kì, dùng con lắc vật lý đo kích thước lỗ rỗng
- Dùng con lắc thuận nghịch: 1 1
- Dùng cơ cấu điện dung : a U g 0 S cEl
- Chất lỏng quay (Hình bên):
- Dùng con lắc vật lý đo chu kì T → I
2.4 Đo hệ số ma sỏt à ms
- Móc lực kế vào và kéo đều vật trên sàn (ít khả thi)
- Vắt dây qua trụ có trọng vật: T T e Đặt
Bằng cách đo M.g và 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:
Đo ứng suất trượt lò xo liên quan đến việc xem xét phần tử lò xo nằm vuông góc với mặt phẳng giấy Khi phần tử này bị xoắn với góc dθ, lò xo sẽ giãn theo phương thẳng đứng một đoạn dλ = R dθ, trong đó R là bán kính mỗi vòng xoắn của lò xo Do các phần tử lò xo tương đương nhau, khi treo vật nặng có khối lượng m vào lò xo, lò xo sẽ giãn thêm một đoạn ΔL = θ ∫ R dθ = R θ.
Xét về mặt năng lượng, ta có năng lượng tích trữ trong lò xo khi treo vật là:
với N là số vòng của lò xo (Ở đây chiều dài lò xo L = 2πR.N)
Bằng cách xác định độ cứng lò xo và đếm số vòng lò xo, chúng ta có thể tính được suất trượt G của vật liệu làm lò xo Đối với vật liệu làm ống kim loại, suất trượt G được tính theo công thức 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
Xét phần tử diện tích dS có dạng vành khăn với bán kính x và bề dày dx, phần mô men dMc tương ứng với việc xoay dS một góc α Lực tiếp tuyến tổng hợp Fx tác dụng lên bề mặt dS, với tỷ lệ Δλ/l = EE’/AE = γx².
Mô men để gây xoay vành khăn là:
Để xoay cả mặt đáy ống ta cần mô men tổng hợp
Hệ số xoắn C được xác định bằng công thức C = π * 2L * G * (R2^4 - R1^4), trong đó L là chiều dài, G là mô đun đàn hồi, và R1, R2 là bán kính của ống Để tính toán hệ số xoắn này, cần xem xét dao động của hệ thống bao gồm ống, thanh kim loại và hai vật gia trọng được đặt đối xứng, với khoảng cách từ các 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:
Khi ống bị xoắn góc ta có phương trình I ” + C= 0
Hệ dao động với chu kỳ 2 2
2.6 Đo hệ số cản của môi trường: F C 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 là: v 1 2 gh (1)
Va chạm đàn hồi giữa m và M sẽ cho ta vận tốc M ngay sau va chạm:
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 m M
' l Đổi biến u = Mg+ v, giải phương trình vi phân ta có:
Mg+ v2,ta được v = Mg v 2 e M t Mg (3)
Thời gian tấm ván chuyển động đến lúc v = 0 là: t 1 M ln(1 v 2 )
Quãng đường tấm ván trượt được là:
Mg Mg Mg s vdt v e dt 1 ln(1 ) v 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
- Dùng hệ trụ và ròng rọc: , 2 MgR
- Ống kim loại bán kính ngoài R2, trong R1:
2.8 Đo tốc độ truyền âm
- Dùng tốc kế bóng bàn: Đo vận tốc gió: P r
2 (**) + Từ (*) và (**) với chú ý rằng trong thí nghiệm của chúng ta R chính bằng r của bóng bàn ta có:
+ Biến đổi ta được: v 3 4mg 2 2 g( + r) (1 - cos ) r l
Lắp đặt âm thoa và cột không khí yêu cầu đặt xilanh với pittông đã lắp vào giá đỡ, đảm bảo rằng hai nhánh âm thoa nằm trong mặt phẳng chứa trục xilanh và vuông góc với trục này Một nhánh âm thoa cần được đặt sát đầu hở A của xilanh để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
- Đẩy pitông để mặt pittông sát đến đầu A của xilanh, khi đó đầu kia của xilanh
Sử dụng búa để gõ vào âm thoa, đồng thời kéo pitông về phía đầu B gần A nhất cho đến khi âm thanh nghe to nhất Ghi lại kết quả độ dài l của cột không khí trong xilanh bằng thước gắn trên pittông.
- Lặp lại thí nghiệm này tối thiểu 3 lần và tính i max min l l l l ; l n 2
- 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
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
