Báo cáo nghiên cứu khoa học: "Sử dụng bài tập thí nghiệm xác định điện trở của mạch điện một chiều nhằm phát triển tư duy của học sinh" Nguyễn Đình Thớc Sử DụNG BàI TậP THí NGHIệM XáC ĐịNH , TR. 70-74 70 Sử DụNG BàI TậP THí NGHIệM XáC ĐịNH ĐIệN TRở của MạCH ĐIệN MộT CHIềU NHằM PHáT TRIểN TƯ DUY CủA HọC SINH Nguyễn Đình Thớc (a) Tóm tắt. Bài tập thí nghiệm về vật lý là một phơng tiện dạy học có hiệu quả để bồi dỡng t duy học sinh. Trong thực tiễn dạy học loại bài tập này còn đợc sử dụng rất hạn chế. Trong bài báo này chúng tôi phân tích quá trình phát triển một bài tập thí nghiệm quen thuộc (đo điện trở bằng vôn kế và ampe kế) theo mục đích dạy học nhằm phát triển t duy học sinh. 1. Bài tập thí nghiệm trong dạy học vật lý Mục đích cơ bản đặt ra cho học sinh khi giải các bài tập vật lý là hiểu sâu sắc các quy luật vật lý, biết phân tích chúng và ứng dụng chúng vào thực tiễn của cuộc sống. Trong các loại bài tập vật lý thì bài tập thí nghiệm có nhiều lợi thế thực hiện cả ba mặt giáo dỡng, giáo dục và giáo dục kỹ thuật tổng hợp. Giải bài tập thí nghiệm giúp học sinh rèn luyện tính độc lập và tính tích cực đặc biệt rõ rệt trong hoạt động học tập. Những dữ kiện dùng cho việc giải các bài tập thí nghiệm là kết quả thu đợc từ thí nghiệm bằng con đờng đo lờng những đại lợng vật lý, quan sát hiện tợng vật lý trong quá trình tiến hành các thí nghiệm. Để tìm đợc câu trả lời học sinh cần phải vận dụng những kiến thức vật lý đã biết, từ việc phân tích các biểu thức, học sinh phải hiểu rõ những điều kiện nào là cần thiết để giải bài tập; thiết kế sơ đồ và lắp ráp thí nghiệm, tiến hành những phép đo cần thiết. Kết quả của lời giải có thể là kết quả của những phép đo trực tiếp hoặc gián tiếp. Sau khi có kết quả của các phép đo học sinh phải biết tính toán xử lý sai số để lựa chọn kết quả. Ưu điểm của bài tập thí nghiệm so với các bài tập tính toán trớc hết là ở chỗ không thể giải chúng một cách hình thức khi không biết đầy đủ quá trình vật lý mà bài tập đề cập đến. Hoạt động giải bài tập thí nghiệm luôn gây đợc hứng thú lớn đối với học sinh, lôi cuốn đợc sự chú ý của học sinh vào các vấn đề bài tập yêu cầu, phát huy tính tích cực tìm tòi, khám phá và sáng tạo. Những số liệu khởi đầu về mặt lý thuyết của bài toán sẽ đợc kiểm tra tính đúng đắn thông qua các kết quả thu đợc bằng con đờng thực nghiệm. Có thể giải bài tập thí nghiệm chỉ dùng thiết bị rất thông thờng, đơn giản, bề ngoài có vẻ kém hiệu lực trong việc gây hứng thú cho học sinh, song nếu biết khai thác lại có ý nghĩa to lớn trong việc phát triển t duy sáng tạo của ngời học nh Ka- pi-xa đã từng nói thiết bị dạy học càng đơn giản càng có tác dụng trong việc phát huy năng lực sáng tạo của ngời học. 2. Bài tập thí nghiệm xác định điện trở của mạch điện một chiều 2.1. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp xác định điện trở bằng vôn kế và ampe kế Nhận bài ngày 14/7/2008. Sửa chữa xong 08/12/2008. trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 4a-2008 71 Xác định điện trở cha biết R X , sử dụng định luật Ôm: A V x I U R = , (1) U V và I A là số chỉ của vôn kế và ampe kế. Ta có thể mắc vôn kế và ampe kế vào mạch điện theo một trong hai sơ đồ trên hình 1 và hình 2. Sử dụng sơ đồ hình 1. Xác định R X theo định luật Ôm sẽ có sai số phụ thuộc ảnh hởng của điện trở vôn kế bởi vì I = I R + I V . (2) Khi ngắt vôn kế khỏi mạch mà kim của ampe kế không thay đổi ta sử dụng sơ đồ hình 1 và công thức (1). Nếu khi ngắt vôn kế khỏi mạch và kim của ampe kế thay đổi thì cần phải tính đến điện trở của vôn kế R V . Trong trờng hợp này R V >> R X . Thông thờng điện trở của vôn kế đợc ghi trên đồng hồ. Nếu không có thông tin về điện trở của vôn kế thì phải xác định điện trở vôn kế R V . Theo hình 3, để biết dòng điện I 1 và hiệu điện thế U 1 của mạch điện ta có: 1 1 V I U R = . (3) Từ (1), (2), (3) ta thu đợc: 1 1 V A V V V A V x I U U I U R U I U R = = . (4) Sử dụng sơ đồ hình 2. Trong trờng hợp R x >> R A , (R A là điện trở của ampe kế, có thể không cần tính đến điện trở của vôn kế) mắc mạch điện theo hình 2, khi đó R X đợc tính theo công thức (1). Muốn biết R X >> R A hay không thì chỉ cần ngắt ampe kế khỏi sơ đồ. Nếu kim của vôn kế thay đổi chỉ số ta cần tính đến điện trở của ampe kế. Nếu không có thông tin về điện trở của ampe kế, chúng ta phải mắc mạch điện theo sơ đồ hình 4 để xác định điện trở của ampe kế. Số chỉ của ampe kế và vôn kế cho biết I 1 và U 1 ta có 1 1 A I U R = . (5) Trở lại sử dụng sơ đồ hình 2 theo chỉ số mới của ampe kế I 2 và vôn kế U 2 ; theo định luật Ôm: 1 1 xA I U RR =+ . (6) Từ biểu thức (5), (6) ta có: Hình 3 V A K K A V R Hình 4 R x A V I V K I R, I I A V I V I R, A R x K Hình 1 Hình 2 Nguyễn Đình Thớc Sử DụNG BàI TậP THí NGHIệM XáC ĐịNH , TR. 70-74 72 1 1 2 2 A 2 2 x I U I U R I U R == . (7) Vậy V V 111 R RR E RIU + == . Suy ra 1 1 V UE RU R = . 2.2. Một số bài tập thí nghiệm Bài tập 1. Xác định điện trở R X. Cho một vôn kế và điện trở mẫu R, nguồn điện, biến trở có con chạy và dây nối cần thiết có điện trở không đáng kể. - Cơ sở lý thuyết. Trong đoạn mạch ghép nối tiếp hiệu điện thế tỷ lệ thuận với điện trở R R U U x 2 1 = . - Cách tiến hành. Bố trí mạch điện theo sơ đồ hình 5 Với điều kiện R V >> R x và R V >> R (7) Lần lợt dùng vôn kế đo hiệu điện thế U 1 ở hai đầu R X và U 2 ở hai đầu điện trở mẫu. Ta có R X = 2 1 U U R . Nếu điều kiện (7) không thoả mãn, cần phải tính đến điện trở vôn kế R V . Mắc vôn kế vào hai cực của nguồn điện, thừa nhận số chỉ của vôn kế là suất điện động E của nguồn. Mắc vôn kế theo sơ đồ hình 6a; áp dụng định luật Ôm cho mạch này ta có V V V11 R RR E RIU + == . Vậy 1 1 V UE RU R = . Biết đợc điện trở của vôn kế, sử dụng sơ đồ hình 6b để xác định R X . Ta có V Vx V22 R RR E RIU + == . Vậy 2 2V x U )UE(R R = . Bài tập 2. Xác định điện trở R X . Cho một ampe kế và điện trở mẫu R, nguồn điện và dây nối cần thiết có điện trở không đáng kể. - Cơ sở lý thuyết. Cờng độ dòng điện trong mỗi mạch nhánh tỷ lệ nghịch với điện trở mạch nhánh X2 1 R R I I = . - Cách tiến hành: + Phơng án 1: Có thể mắc ampe kế vào mạch điện theo sơ đồ hình 7; Dùng ampe kế lần lợt đo cờng độ dòng điện I 1 qua V V R x R K Hình 5 V R K V R x Hình 6b Hình 6a R x A A R Hình 7 trờng Đại học Vinh Tạp chí khoa học, tập XXXVII, số 4a-2008 73 R x và I 2 đi qua điện trở mẫu R. Từ đó tính đợc: 1 2 x I I RR = . Phơng án này đợc thực hiện với điều kiện điện trở của ampe kế R A << R, R X . + Phơng án 2: Giải quyết bài toán theo hớng sử dụng định luật Ôm cho toàn mạch, suất điện động của nguồn điện E và điện trở trong là r. Ta có thể mắc ampe kế lần lợt vào các mạch điện theo sơ đồ hình 8, 9, 10 để đo dòng điện đi qua R, R X và R + R X là I 1 , I 2 và I 3 . Theo định luật Ôm: I 1 = r R E + , I 2 = rR E x + , (8) I 3 = rRR E x ++ . (9) Từ (8) ta có: 21 x21 II )RR(II E = , 21 1x2 II RIRI r = . (10) Thay giá trị E, r từ (10) vào (9) ta đợc: R )II(I )II(I R 321 312 x = . Bài tập 3. Xác định điện trở R X . - Dụng cụ: Điện kế, đoạn dây dẫn thẳng AB đồng chất có tiết diện đều, một điện trở mẫu R, nguồn điện, biến trở có con chạy, công tắc và dây nối có điện trở không đáng kể. - Cách tiến hành. Mắc mạch điện theo sơ đồ hình 11. Điện kế G chỉ dòng điện nhỏ chạy qua đoạn mạch CD. Khi ta dịch chuyển vị trí của điểm nối D để cho điện thế ở C và D bằng nhau. Độ dài AD = l 1 và DB = l 2 . Ta có U AC = U AD và U CB = U DB . Vậy S I IRI 1 2x1 = , S I IRI 2 21 = . Từ đó rút ra 2 1x I I R R = . (11) B C G R x R I G = 0 I 1 > I 2 l 1 l 2 A D K Hình 11 A R A R x R A R x K K K Hình 8 Hình 9 Hình 10 Nguyễn Đình Thớc Sử DụNG BàI TậP THí NGHIệM XáC ĐịNH , TR. 70-74 74 Điện trở mẫu đã biết nên ta chỉ điều chỉnh điểm nối D để điện kế chỉ I = 0 sau đó đo độ dài l 1 , l 2 thay vào biểu thức (11) để tính R X . Đó chính là phơng pháp "cầu dây" phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật. 3. Kết luận Định luật Ôm có nội dung đơn giản nhng khi vận dụng giải quyết một vấn đề thực tiễn lại khá phức tạp. Để có đợc năng lực vận dụng định luật Ôm giải quyết một vấn đề cụ thể trong thực tiễn thì việc sử dụng bài tập thí nghiệm là hiệu quả nhất. Các bài tập thí nghiệm xác định điện trở của mạch điện một chiều với giả thiết dụng cụ cho khác nhau, học sinh phải thiết kế phơng án thí nghiệm để xác định giá trị điện trở với độ chính xác lớn nhất. Học sinh phát hiện điện trở của dụng cụ đo là tác nhân ảnh hởng đến kết quả xác định điện trở của mạch điện. Sau khi xác định gián tiếp điện trở cha biết R X , giáo viên yêu cầu học sinh kiểm tra kết quả trên trực tiếp bằng đồng hồ đo điện đa năng. Hiện nay ở trờng phổ thông đợc trang bị đồng hồ đo điện đa năng hiện số là dụng cụ đo điện hiện đại, hiển thị kết quả đo với 4 chữ số từ 0000 đến 1999 nhờ các tinh thể lỏng. Đồng hồ loại này có nhiều chức năng: đo hiệu điện thế một chiều và xoay chiều, đo cờng độ dòng điện một chiều và xoay chiều, đo điện trở Việc giải bài tập thí nghiệm xác định điện trở dùng ampe kế, vôn kế mang ý nghĩa phát triển t duy, đòi hỏi học sinh làm việc sáng tạọ. Sử dụng các bài tập thí nghiệm, phát hiện ra những quy luật mới mà trong sách giáo khoa không trình bày đó chính là những hoạt động sáng tạo của học sinh. TàI LIệU THAM KHảO [1] Nguyễn Đức Thâm (Chủ biên), Phơng pháp dạy học vật lý ở trờng phổ thông, NXB ĐHSP, 2002. [2] Vũ Quang (Tổng Chủ biên), Vật lí 9, NXB GD, 2006. [3] Lơng Duyên Bình (Tổng Chủ biên), Vật lí 11, NXB GD, 2007. [4] Nguyễn Thế Khôi (Tổng Chủ biên), Vật lí 11 Nâng cao, NXB GD, 2007. SUMMARY TO USE EXPERIMENTAL EXERCISES ABOUT MEASURING THE RESISTOR OF DERECT CURRENT - ELECRICAL CICUIT IN ORDER TO impruve THINGKING FOR PUPILS Experimental exercises of physics are being effected means for improving thingking of pupils. But in teaching practice, experimental exercises of physics is used very limited. In this paper, we analyse process of development the habitual experimental exercise (to measure the resistor by the amperemeter and the voltmeter) in order to improve thingking for pupils. (a) Khoa Sau đại học, trờng đại học Vinh. . Báo cáo nghiên cứu khoa học: "Sử dụng bài tập thí nghiệm xác định điện trở của mạch điện một chiều nhằm phát triển tư duy của học sinh" Nguyễn Đình Thớc Sử DụNG BàI. TậP THí NGHIệM XáC ĐịNH , TR. 70-74 70 Sử DụNG BàI TậP THí NGHIệM XáC ĐịNH ĐIệN TRở của MạCH ĐIệN MộT CHIềU NHằM PHáT TRIểN TƯ DUY CủA HọC SINH Nguyễn Đình Thớc (a) Tóm tắt. Bài. dụng trong việc phát huy năng lực sáng tạo của ngời học. 2. Bài tập thí nghiệm xác định điện trở của mạch điện một chiều 2.1. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp xác định điện trở bằng vôn kế