Đề tài Một số kinh nghiệm về giảng dạy thí nghiệm vật lí cho học sinh giỏi bậc trung học phổ thông

MỘT SỐ KINH NGHIỆM VỀ GIẢNG DẠY THÍ NGHIỆM VẬT LÍ 
CHO HỌC SINH GIỎI BẬC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 
Đỗ Xuân Phong, Giáo viên Vật Lí, 
Trường THPT chuyên Lam Sơn 
I. Mở đầu 
 Thí nghiệm Vật Lí trong trường THPT có vai trò quan trọng để hình 
thành những năng lực cơ bản cần thiết cho học sinh, giúp học sinh có thể tự tin 
và chủ động trong quá trình phát triển sau khi tốt nghiệp THPT, đáp ứng tốt hơn 
cho nhu cầu về nguồn nhân lực trong sự phát triển với tốc độ ngày càng cao của 
khoa học công nghệ. 
Thí nghiệm Vật Lí cũng có thể được xem như một bài tập tổng hợp, để 
hoàn thành bài tập này học sinh cần hiểu, vận dụng nhiều kiến thức, kĩ năng; qua 
quá trình thực hiện thí nghiệm Vật Lí, học sinh bước đầu xây dựng được tác 
phong học tập và tìm tòi sáng tạo, có cách nhìn nhận sự việc, hiện tượng một 
cách khách quan. 
Công tác giảng dạy cho học sinh tiến hành thí nghiệm Vật Lí trong trường 
THPT hiện nay tuy đã có nhiều thay đổi tích cực song vẫn còn một số tồn tại do 
nhiều nguyên nhân. Trong bài viết này, tác giả mong muốn chia sẻ cùng đồng 
nghiệp một số kinh nghiệm trong công tác tổ chức, giảng dạy cho học sinh thực 
hiện các bài thí nghiệm Vật Lí ở trường THPT. 
 2 
II. Nội dung 
 Các bài thí nghiệm Vật Lí trong trường THPT thường yêu cầu học sinh ở 
các cấp độ từ dễ đến khó: 
- Cơ sở lí thuyết rõ ràng, dễ hiểu; phương pháp đo sử dụng thiết bị đo đơn 
giản; kĩ năng thực hiện không khó; 
- Phương pháp đo cần sử dụng đồng thời nhiều thiết bị, sử dụng thiết bị đo 
chuyên dụng, đa năng; cần nhiều kĩ năng khi thực hiện; 
- Cần xây dựng cơ sở lí thuyết, lập phương án thực hiện, đòi hỏi nhiều kĩ 
năng khi tiến hành thí nghiệm. 
Một báo cáo của bài thí nghiệm Vật Lí thông thường cần trình bày các nội 
dung cơ bản sau: 
- Cơ sở lí thuyết; 
- Các thiết bị, dụng cụ, phần mềm sử dụng trong bài thí nghiệm; 
- Bố trí, lắp đặt thí nghiệm; 
- Các thao tác khi thực hiện thí nghiệm và thu thập số liệu; 
- Xử lí số liệu, đánh giá sai số; 
- Kết luận. 
 Khi tổ chức, hướng dẫn học sinh thực hiện một bài thí nghiệm Vật Lí giáo 
viên cần yêu cầu học sinh xác định rõ các nội dung trong mỗi phần theo một số 
gợi ý cơ bản sau đây. 
2.1 Cơ sở lí thuyết 
 3 
Một số bài thí nghiệm Vật Lí cơ bản trong chương trình THPT bao gồm 
các chủ đề: Dao động cơ học, dòng điện không đổi, tốc độ âm trong không khí, 
từ trường Trái đất, mạch xoay chiều, chiết suất chất lỏng, sóng ánh sáng, quang 
hình. Với những chủ đề trên đây, cơ sở lí thuyết rất rõ ràng, các nội dung về kiến 
thức không khó, học sinh có thể nắm vững sau khi nghiên cứu tài liệu, thảo luận 
dưới sự tổ chức và hướng dẫn của giáo viên. 
 Trong nội dung này, giáo viên cần xác định rõ mục đích của thí nghiệm 
Vật Lí này là gì: kiểm chứng một định luật Vật Lí, đo một đại lượng Vật Lí, 
khảo sát một hiện tượng Vật Lí? 
 Với những thí nghiệm Vật Lí ở mức độ yêu cầu cao hơn thì cơ sở lí thuyết 
thường có khá nhiều đơn vị kiến thức ở các lĩnh vực khác nhau và có mối liên hệ 
hữu cơ với nhau, học sinh cần có năng lực tư duy tốt để nắm vững các kiến thức 
này. 
2.2 Thiết bị, dụng cụ, phần mềm sử dụng trong bài thí nghiệm 
 Các thiết bị dùng trong thí nghiệm Vật Lí ở bậc THPT có thể chia thành 
các nhóm: 
Nhóm các thiết bị đo trên cơ sở chức năng đo bao gồm: 
- Đo độ dài: thước thẳng, thước dây, thước kẹp, panme; 
- Đo thời gian: đồng hồ thông dụng, thiết bị đo thời gian hiện số chuyên dụng có 
sử dụng các cổng quang học; 
- Đo khối lượng: cân điện tử; 
- Đo lực: lực kế; 
 4 
- Đo các đại lượng điện: điện kế, vôn kế, ampe kế, ôm kế, thiết bị đo đa năng 
LCR; 
 Nhóm các thiết bị cấp nguồn: bộ nguồn AC – DC, ắc quy, pin, máy phát 
âm tần, máy phát tĩnh điện, nguồn laser, máy phát sóng điện từ 
 Nhóm các dụng cụ, linh kiện: quả nặng, xe lăn, giá đỡ, khớp nối, dây dẫn, 
điện trở, tụ điện, cuộn cảm, bóng đèn, diode, transistor, gương 
 Học sinh cần nắm vững nguyên tắc hoạt động, các tính năng kĩ thuật, cách 
sử dụng của từng thiết bị, dụng cụ sẽ được dùng trong thí nghiệm cụ thể dự định 
sẽ thực hiện. Giáo viên nên dành khoảng thời gian nhất định cho học sinh nghiên 
cứu, tìm hiểu về mỗi thiết bị, dụng cụ sẽ được dùng. 
2.3 Bố trí, lắp đặt thí nghiệm 
 Việc bố trí và lắp đặt các thiết bị, dụng cụ cần bảo đảm một số nguyên 
tắc: thuận lợi trong quá trình thực hiện, hạn chế tối đa ảnh hưởng của các tác 
động bên ngoài dẫn đến sai lệch kết quả đo, bảo đảm an toàn trong quá trình tiến 
hành. 
2.4 Các thao tác khi thực hiện thí nghiệm và thu thập số liệu 
 Trong quá trình thực hiện thí nghiệm học sinh cần có ý thức xây dựng, 
hình thành các kĩ năng, thái độ được thể hiện ở các nội dung sau đây: quan sát, 
thu thập dữ liệu chính xác, kiên trì và cẩn thận, biết nguyên nhân và cách hạn 
chế sai lệch do các nguyên nhân khách quan, chủ quan khi thực hiện thí nghiệm. 
2.5 Xử lí số liệu, đánh giá sai số (Đây là nội dung tác giả đã trình bày trong 
SKKN năm học 2014 – 2015) 
Trong bài thí nghiệm Vật Lí, thông thường khi thu thập số liệu, ta thường 
có một tập hợp các giá trị của các đại lượng Vật Lí đo được; từ tập hợp số liệu 
 5 
này cần xác định mối liên hệ giữa các đại lượng và biểu diễn mối liên hệ này 
bằng đồ thị, hàm số. Trong trường hợp đơn giản, đồ thị là đường thẳng tương 
ứng với hàm số bậc nhất. Từ bảng số liệu của các đại lượng đo được cần tìm 
hàm số này. 
Ví dụ, từ bảng số liệu: 
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 
x 2 3 5 6 8 9 11 12 14 15 16 
y 15 19 21 23 27 29 33 35 37 37 39 
Bảng 1. 
Ta biểu diễn các giá trị đo được bằng đồ thị: 
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20
Hình 1. 
 6 
Giả sử từ các số liệu của Bảng 1 ta cần xác định hàm số y = a + bx và vẽ 
đồ thị tương ứng. 
Để xác định các hệ số a, b ta thực hiện các bước theo thứ tự sau: 
Xét cặp số liệu thứ i (i nhận giá trị từ 1 đến n, trong ví dụ này n = 11): ứng 
với giá trị của xi giá trị của hàm số y = a + bx là f(xi) = a + bxi; sai lệch giữa giá 
trị đo được yi và f(xi) = a + bxi là hiệu số: 
yi - f(xi) = [yi - (a + bxi)] (1) 
 Lấy tổng bình phương của các hiệu số này, ta được: 
 
2
1
( )
n
i i
i
S y a bx

   (2) 
Các hệ số a, b được xác định sao cho giá trị của tổng S là nhỏ nhất, muốn 
vậy các đạo hàm riêng của S theo a, b phải bằng không: 
0 ; 0 ;
S S
a b
 
 
  (3) 
Từ các điều kiện (3), thực hiện một vài biến đổi ta thu được giá trị của các 
hệ số: 
 7 
2
2 2
2 2
( ). . ( )
. ( ) ( )
. ( ) .
. ( ) ( )
x y x xy
a
n x x
n xy x y
b
n x x






   
 
  
 
 (4) 
 Chú ý: trong công thức (4), để đơn giản ta sử dụng quy ước: dấu tổng để 
chỉ tổng theo i từ 1 đến n, kí hiệu x, y, xy tương ứng để chỉ xi, yi, xiyi. 
Vì các hệ số a, b được xác định từ điều kiện tổng bình phương của các sai 
lệch là nhỏ nhất nên phương pháp này còn được gọi là phương pháp bình 
phương tối thiểu. 
 Trong biểu thức (4) xác định các hệ số a, b có các số hạng x2 và xy nên 
thông thường từ các số liệu x, y của Bảng 1 ta cần lập một bảng có thêm các cột 
số liệu tương ứng cho các số hạng x2 và xy: 
n X y x.x x.y 
1 2 15 4 30
2 3 19 9 57
3 5 21 25 105
4 6 23 36 138
5 8 27 64 216
6 9 29 81 261
7 11 33 121 363
8 12 35 144 420
9 14 37 196 518
10 15 37 225 555
11 16 39 256 624
sum 101 315 1161 3287
Bảng 2. 
 8 
Thay các giá trị tương ứng từ Bảng 2 vào biểu thức (4) để xác định các hệ 
số a, b ta thu được kết quả cụ thể: 
a = 13.124
b = 1.6895
 Như vậy, hàm số cần xác định có biểu thức: 
y = a + bx = 13,124 + 1,6895.x (5) 
và từ biểu thức trên ta vẽ được đồ thị: 
y = 1.6895x + 13.124
R
2
 = 0.9828
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20
Hình 2. 
Sử dụng máy tính CASIO fx-570VN PLUS để phân tích hồi quy 
tuyến tính 
Cách tính các hệ số a, b như phần trên đây đã trình bày có hạn chế là học 
sinh cần nhớ công thức, khá nhiều phép tính trung gian, dễ nhầm lẫn; sau khi 
 9 
đã hiểu nguyên tắc của phương pháp tính và thực hiện một vài lần để có một số 
kĩ năng nhất định, học sinh có thể thu được kết quả cuối cùng một cách nhanh 
chóng và ngắn gọn hơn bằng cách sử dụng máy tính cầm tay. 
Hiện nay, khá nhiều máy tính cầm tay trong danh mục các máy tính cầm 
tay được Bộ Giáo dục và Đào tạo cho phép mang vào phòng thi có thể sử dụng 
để thực hiện các tính toán này. Máy tính CASIO fx-570VN PLUS là một trong 
những model hiện đang được khá nhiều học sinh THPT sử dụng. Để sử dụng 
máy tính CASIO fx-570VN PLUS thực hiện phân tích hồi quy tuyến tính cần 
xem nội dung phần tính toán thống kê (STAT) trong tài liệu hướng dẫn kèm 
theo máy (từ trang Vn-30 đến trang Vn-34). 
Thao tác cụ thể với số liệu ở Bảng 1: 
- Ấn phím MODE: để vào bảng chọn chức năng; 
- Ấn phím số 3: để chọn chức năng tính toán thống kê (STAT); 
- Ấn phím số 2: để lựa chọn kiểu tính toán thống kê là hồi quy tuyến 
tính ( A + B.X); 
- Ấn SHIFT, ấn số 1, ấn số 2: để xuất hiện bảng gồm hai cột X và Y 
dùng nhập dữ liệu; 
- Sử dụng các phím dịch chuyển lên , xuống , sang phải , sang trái 
 để di chuyển đến ô dữ liệu tương ứng và nhập giá trị của dữ liệu; kết 
thúc nhập dữ liệu tại mỗi ô trong bảng khi ấn phím = (dấu bằng); 
- Ấn phím SHIFT, ấn số 1, ấn số 5: để hiện bảng chọn các hệ số hồi 
quy 
 10
- Ấn số 1 để cho giá trị A = 13.1237341; 
- Ấn số 2 để cho giá trị B = 1.689494163. 
Các giá trị thu được của các hệ số hoàn toàn phù hợp với cách tính ở phần 1. 
Sử dụng phần mềm để phân tích hồi quy tuyến tính 
Bài thí nghiệm xây dựng đường đặc trưng Vôn - Ampe (đặc trưng IV) của 
sợi đốt (dây tóc) bóng đèn 12 V - 5 W được chọn để lấy số liệu minh họa cho xử 
lí số liệu ở phần này. Đây là một trong số các bài thí nghiệm tôi đã trực tiếp thực 
hiện trong khóa tập huấn do Bộ Giáo dục và Đào tạo tổ chức từ ngày 04/5/2015 
đến 09/5/2015 tại Đồ Sơn, Hải Phòng. 
Với một đoạn mạch thuần trở, điện trở R của mạch không đổi thì hiệu 
điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch là một hàm số của cường độ dòng điện I qua 
mạch: 
 U = f(I) = R.I (6) 
Khi đo cường độ dòng điện qua điện trở, hiệu điện thế giữa hai đầu điện 
trở ta được tập hợp các cặp giá trị (Ii, Ui) 
Sơ đồ mạch cần lắp: 
 11
Hình 3. 
Hình 4. 
 12
Trong thực tế khi dùng nguồn một chiều có tích hợp các đồng hồ đo hiệu 
điện thế, cường độ dòng điện thì học sinh chỉ cần nối bóng đèn vào 2 chốt cắm 
lối ra của nguồn mà không cần sử dụng bất kì thiết bị đo nào bên ngoài. 
 Điều chỉnh biến trở để tăng dần công suất tiêu thụ điện trên bóng đèn và 
thu thập số liệu. Bảng số liệu đo được: 
I (A) U (V) I (A) U (V) I (A) U (V) 
0.084 0.375 0.18 2.4 0.28 5.5
0.087 0.42 0.19 2.6 0.29 5.9
0.089 0.47 0.2 2.9 0.3 6.1
0.094 0.56 0.22 3.4 0.3 6.2
0.122 1.107 0.23 3.7 0.35 8.1
0.148 1.641 0.23 3.8 0.36 8.9
0.152 1.744 0.24 4.1 0.38 9.6
0.15 1.7 0.25 4.4 0.4 10.3
0.16 2 0.26 4.8 0.42 11.4
0.17 2.2 0.27 5.3 
Bảng 3. 
 Ứng với mỗi cặp giá trị đo được của cường độ dòng điện qua đèn, hiệu 
điện thế giữa hai cực của đèn, tính được R (điện trở tương ứng của sợi đốt) và P 
(công suất tiêu thụ điện trên đèn): 
Stt I (A) U (V) R (Ω) P (W) 
1 0.084 0.375 4.464 0.032
2 0.087 0.42 4.828 0.037
3 0.089 0.47 5.281 0.042
4 0.094 0.56 5.957 0.053
5 0.122 1.107 9.074 0.135
6 0.148 1.641 11.088 0.243
7 0.152 1.744 11.474 0.265
8 0.15 1.7 11.333 0.255
9 0.16 2 12.500 0.320
10 0.17 2.2 12.941 0.374
 13
11 0.18 2.4 13.333 0.432
12 0.19 2.6 13.684 0.494
13 0.2 2.9 14.500 0.580
14 0.22 3.4 15.455 0.748
15 0.23 3.7 16.087 0.851
16 0.23 3.8 16.522 0.874
17 0.24 4.1 17.083 0.984
18 0.25 4.4 17.600 1.100
19 0.26 4.8 18.462 1.248
20 0.27 5.3 19.630 1.431
21 0.28 5.5 19.643 1.540
22 0.29 5.9 20.345 1.711
23 0.3 6.1 20.333 1.830
24 0.3 6.2 20.667 1.860
25 0.35 8.1 23.143 2.835
26 0.36 8.9 24.722 3.204
27 0.38 9.6 25.263 3.648
28 0.4 10.3 25.750 4.120
29 0.42 11.4 27.143 4.788
Bảng 4. 
Từ các số liệu ở Bảng 4 có thể thấy rõ: 
- Tại nhiệt độ phòng (khi công suất tiêu thụ điện trên đèn khá nhỏ, nhiệt độ 
sợi đốt lớn hơn nhiệt độ phòng không đáng kể) điện trở của sợi đốt khá 
thấp và có giá trị cỡ 4,5 Ω; 
- Khi công suất tiêu thụ điện trên đèn tăng, điện trở của sợi đốt cũng tăng; 
điều này hoàn toàn phù hợp với tính chất của vật liệu làm sợi đốt; 
- Khi công suất tiêu thụ trên đèn xấp xỉ công suất định mức, điện trở của 
sợi đốt có giá trị cỡ 27,1 Ω; tăng cỡ 6 lần so với điện trở của sợi đốt ở 
nhiệt độ phòng. Từ số liệu này có thể giải thích hiện tượng bóng đèn sợi 
 14
đốt thường bừng sáng, cháy hỏng tại thời điểm khi bật công tắc vì cường 
độ dòng điện qua bóng đèn ở giai đoạn này khá lớn so với cường độ dòng 
điện định mức. 
Từ các số liệu về cường độ dòng điện qua bóng đèn và hiệu điện thế giữa hai 
cực của bóng đèn ở Bảng 3 ta lập bảng liên hệ giữa y (ln U2 = ln U.U) và x (ln 
R): 
I U U.U R ln R ln U.U 
0.15 1.7 2.89 11.33 2.428 1.061
0.16 2 4 12.5 2.526 1.386
0.17 2.2 4.84 12.94 2.56 1.577
0.18 2.4 5.76 13.33 2.59 1.751
0.19 2.6 6.76 13.68 2.616 1.911
0.2 2.9 8.41 14.5 2.674 2.129
0.22 3.4 11.56 15.45 2.738 2.448
0.23 3.7 13.69 16.09 2.778 2.617
0.23 3.8 14.44 16.52 2.805 2.67
0.24 4.1 16.81 17.08 2.838 2.822
0.25 4.4 19.36 17.6 2.868 2.963
0.26 4.8 23.04 18.46 2.916 3.137
0.27 5.3 28.09 19.63 2.977 3.335
0.28 5.5 30.25 19.64 2.978 3.409
0.29 5.9 34.81 20.34 3.013 3.55
0.3 6.1 37.21 20.33 3.012 3.617
0.3 6.2 38.44 20.67 3.029 3.649
0.35 8.1 65.61 23.14 3.142 4.184
0.36 8.9 79.21 24.72 3.208 4.372
0.38 9.6 92.16 25.26 3.229 4.524
0.4 10.3 106.1 25.75 3.248 4.664
0.42 11.4 130 27.14 3.301 4.867
Bảng 5. 
Sử dụng Excel ta có đồ thị và kết quả: 
 15
y = 4.3559x - 9.5383
R
2
 = 0.9985
0
1
2
3
4
5
6
2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4
Hình 5. 
 Từ kết sự phụ thuộc y = 4.3559x - 9.5383 ta nghiệm lại định luật Stefan-
Boltzman về bức xạ của vật đen tuyệt đối: thông lượng bức xạ tỉ lệ thuận 
với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối. 
 Kĩ năng xử lí số liệu trong bài thí nghiệm Vật Lí là một trong những nội 
dung quan trọng của một bài thí nghiệm. Đối với học sinh THPT chuyên Vật Lí, 
đặc biệt là những học sinh tham dự các kì thi Học sinh giỏi Quốc gia, sự thành 
công của một bài thí nghiệm Vật Lí có sự đóng góp khá quan trọng của việc xử 
lí số liệu sau khi đã thu thập số liệu một cách chính xác. 
 2.6 Kết luận 
 Sau mỗi bài thí nghiệm, căn cứ vào yêu cầu cụ thể, học sinh cần trình bày 
tóm tắt những kết quả quan trọng nhất, các nhận xét về những điểm cần lưu ý 
trong quá trình thực hiện thí nghiệm. 
Thanh Hóa, ngày 12 tháng 12 năm 2015