Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình mới GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn được xây dựng theo định hướng phát triển năng lực vận dụng kiến thức vật lý vào đời sống và sản xuất. Các câu hỏi trong đề không chỉ kiểm tra kiến thức trọng tâm Vật lý 12 chương trình mới mà còn yêu cầu học sinh phân tích, lập luận và giải quyết bài toán gắn với thực tế. Đề thi phù hợp với tinh thần chương trình giáo dục phổ thông 2018, chú trọng đánh giá tư duy khoa học, khả năng liên hệ và ứng dụng. Thông qua hệ thống bài tập mang tính thực tiễn – liên môn – định hướng STEM, học sinh có cơ hội rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề phức hợp. Đây là tài liệu hữu ích cho giáo viên trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lý 12 cũng như cho học sinh ôn luyện và nâng cao năng lực tự học.
Các đề thi HSG vật lý 12 chất lượng ở đây:
- Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 mới nhất theo hướng ứng dụng thực tế
- Đề thi học sinh giỏi vật lý Quảng Bình - Quảng Trị năm
- Tuyển tập đề thi học sinh giỏi vật lý các tỉnh là một kho các đề thi học sinh giỏi vật lý
I. Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Câu 1. Một quả cầu rơi trong một hồ nước - Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Từ độ cao $10\,\text{m}$ so với mặt nước của một hồ có độ sâu $5\,\text{m}$, người ta thả rơi một quả cầu có khối lượng riêng $7.5\,\text{g/cm}^3$. Bỏ qua lực cản và sự hao hụt năng lượng khi va chạm, cho khối lượng riêng của nước là $1\,\text{g/cm}^3$, gia tốc trọng trường là $g=9.8\,\text{m/s}^2$.
Thời gian để quả cầu đi từ mặt nước đến đáy hồ bằng bao nhiêu?
Tính động năng và thế năng trọng trường cho mỗi đơn vị trên mỗi khối lượng tại vị trí quả cầu được thả và tại đáy hồ (lấy mốc thế năng tại mặt nước). Tổng của hai đại lượng đó có được bảo toàn không? Vì sao?
Độ sâu lớn nhất mà một quả cầu khác có khối lượng riêng $0.3\,\text{g/cm}^3$ có thể đạt được trong cùng hồ nước là bao nhiêu?
Giả sử quả cầu có khối lượng riêng $7.5\,\text{g/cm}^3$ được thả trên một hành tinh khác có cùng khối lượng với Trái Đất nhưng bán kính chỉ bằng một nửa. Tính thời gian rơi đến mặt nước của hồ khi thả từ độ cao $10\,\text{m}$.
Câu 2.Khảo sát đặc tính Vôn – Ampe của linh kiện điện - Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Xét mạch điện ở Hình 1, gồm một nguồn điện một chiều có suất điện động không đổi, một điện trở biến đổi, một ampe kế và một vôn kế. Mạch điện này có thể được sử dụng để khảo sát mối quan hệ giữa cường độ dòng điện $I$ chạy qua và hiệu điện thế $V$ đặt vào một linh kiện điện.
Hãy vẽ hình mạch điện, ghi nhãn ampe kế bằng chữ A và vôn kế bằng chữ V.
Xác định vị trí mà đầu tiếp xúc con chạy của biến trở phải được đặt để vôn kế có giá trị bằng không. Ghi nhãn vị trí đó bằng chữ N.
Trong thí nghiệm, lần lượt mắc các linh kiện điện khác nhau vào vị trí khảo sát trong mạch và thay đổi con chạy của điện trở biến đổi để thu được các cặp giá trị $(I,V)$ tương ứng. Đồ thị sau đây thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp (V) của hai thành phần khác nhau X và Y. Thực hiện thí nghiệm theo cách trên, người ta đã khảo sát được quan hệ dòng điện – hiệu điện thế $(I\!-\!V)$ của hai linh kiện điện khác nhau, ký hiệu là X và Y. Kết quả thu được được biểu diễn trên đồ thị ở Hình 2.
Từ đồ thị, hãy xác định giá trị của cường độ dòng điện tại đó điện trở của linh kiện X và linh kiện Y là như nhau. Tính giá trị của điện trở này.
Dựa vào hình dạng đồ thị, hãy nêu và giải thích một nguyên nhân vật lý có thể dẫn đến dạng đặc tuyến $(I\!-\!V)$ của linh kiện Y.
Xét tiếp mạch điện ở Hình 3. Trong mạch này, hai linh kiện X và Y (đã được khảo sát ở trên) được mắc song song với nhau, rồi mắc nối tiếp với một phần tử Z và một nguồn điện có suất điện động $12\,\text{V}$. Có thể coi điện trở trong của nguồn là không đáng kể. Biết rằng hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi linh kiện X và Y đều bằng $5\,\text{V}$.
Tính cường độ dòng điện tổng trong mạch.
Tính giá trị điện trở của phần tử Z.
Xác định điện trở tương đương của toàn bộ mạch điện.
Câu 3. Trao đổi nhiệt - Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Vào mùa đông, khi một người bước vào tòa nhà qua một cánh cửa, không khí được trao đổi giữa bên trong và bên ngoài. Trong bài toán này, chúng ta sẽ ước tính sự mất mát năng lượng nhiệt trong quá trình này dựa trên loại cửa thông thường (hoặc cửa xoay), lập luận bằng các mô hình rất đơn giản. Trong cả hai trường hợp, mỗi khi có người sử dụng cửa, một lượng thể tích $V$ không khí ở nhiệt độ bên trong $T_{int}$ được trao đổi ra bên ngoài và được thay thế bằng cùng một lượng thể tích không khí lạnh ở nhiệt độ bên ngoài $T_{ext}$, với $T_{ext} \lt T_{int}$.
Nếu nhiệt độ $T_{int}$ của căn phòng không đổi, hãy xác định năng lượng nhiệt $Q$ mà hệ thống sưởi phải cung cấp mỗi khi cửa được sử dụng. Giả sử nhiệt dung riêng của không khí là $c$ và khối lượng riêng của nó là $ρ$.
Hãy xem xét rằng nhiệt dung riêng của không khí là $c = 1.0 \times 10^3 \, \text{J}/(\text{kg} \cdot \text{K})$ và khối lượng riêng của nó là $\rho = 1.3 \, \text{kg}/\text{m}^3$, và nhiệt độ bên ngoài và bên trong là $T_{ext} = 273 \, \text{K}$ và $T_{int} = 295 \, \text{K}$.
Cửa Thông Thường
Giả sử rằng thời gian cửa mở là $\tau = 3.0 \, \text{s}$, và bất cứ khi nào có người mở cửa để vào hoặc ra, không khí lạnh đi vào qua một khu vực $S = 1.8 \, \text{m}^2$ với tốc độ $v = 2.0 \, \text{m}/\text{s}$.
Nếu muốn nhiệt độ bên trong $T_{int}$ của căn phòng luôn được duy trì không đổi, hãy xác định năng lượng nhiệt $Q$ mà hệ thống sưởi ấm $Q_{heater}$ phải cung cấp mỗi khi cửa được sử dụng. Giả sử nhiệt dung riêng của không khí là $c$ và khối lượng riêng của nó là $\rho$.
Xác định thể tích không khí lạnh $V_r$ đi vào phòng trong suốt thời gian $\tau$. Tính giá trị của nó.
Tính năng lượng nhiệt $Q$ phải được cung cấp để duy trì nhiệt độ bên trong $T_{int}$ của căn phòng không đổi mỗi khi cửa mở. Biểu thị kết quả bằng $\text{J}$ và bằng $\text{kW} \cdot \text{h}$.
Cửa Xoay
Bây giờ chúng ta hãy xem xét một cánh cửa xoay như được minh họa trong bức ảnh ở Hình 4 và được sơ đồ hóa trong Hình 5. Bán kính của cửa là $r = 1.0 \, \text{m}$ và chiều cao của nó là $h = 2.30 \, \text{m}$. Hãy xem xét ba hình trụ hình quạt được thể hiện bằng màu trắng trong Hình 5 có cùng nhiệt độ với bên ngoài.
Giả sử cửa chỉ xoay một góc để cho một người đi qua, như được chỉ ra bằng các mũi tên trong Hình 2. Tính thể tích $V'$ không khí lạnh đi vào bên trong khi cửa xoay góc đó.
Xác định năng lượng nhiệt $Q'$ cần thiết để duy trì nhiệt độ bên trong của căn phòng. Biểu thị kết quả bằng $\text{J}$ và bằng $\text{kW} \cdot \text{h}$.
Câu 4. Con lắc đơn dao động điều hòa - Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Một con lắc đơn dao động điều hòa tại nơi có $g=10\approx π^2\ \mathrm{m/s^2}$. Sự phụ thuộc của vận tốc $v$ vào thời gian $t$ của một con lắc được biểu diễn bằng đồ thị như hình 7.
Tính tần số dao động
Biết quãng đường vật nhỏ đi được từ thời điểm $t_1=0.3\ \text{s}$ đến thời điểm $t_2=0.6\ \text{s}$ là $2.28\ \text{cm}$. Lập phương trình dao động của con lắc.
Câu 5. Đo bước sóng laser - Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Bản chất của ánh sáng đã là chủ đề tranh luận từ thời cổ đại. Trong thời gian gần đây, hai cách giải thích trái ngược nhau đã xuất hiện: Isaac Newton (1643-1727) cho rằng ánh sáng được cấu tạo từ các hạt, trong khi Christiaan Huygens (1629-1695) bảo vệ bản chất sóng của nó. Năm 1807, Thomas Young đã trình bày thí nghiệm được gọi là thí nghiệm khe đôi. Thí nghiệm này, mặc dù đơn giản, đã chứng minh một cách không thể bác bỏ bản chất sóng của ánh sáng. Kết luận của thí nghiệm vững chắc đến mức hầu như không có nghi ngờ gì về cách giải thích này trong suốt thế kỷ 19. Sự ra đời của giả thuyết lượng tử vào năm 1900 bởi Max Planck và việc ứng dụng nó sau đó vào năm 1905 để giải thích hiệu ứng quang điện bởi Albert Einstein đã buộc phải xem xét lại bản chất của ánh sáng; nhưng đó lại là một câu chuyện khác...
Ánh sáng đơn sắc từ một bút laser chiếu tới hai khe $S_1$ và $S_2$ song song rất gần nhau, cách nhau một khoảng $d$ (xem Hình 8). Hai khe này trở thành các nguồn sáng thứ cấp và dao động cùng pha. Trên một màn chắn đặt cách hai khe một khoảng $x$ (với $x \gg d$), ánh sáng từ hai khe tới màn. Nếu ánh sáng có bản chất sóng thì tại những vị trí trên màn mà hiệu đường đi quang học bằng một số nguyên lần bước sóng $(\lambda)$ sẽ xảy ra giao thoa tăng cường. Do đó ta có: $$ \sin\theta_m=\frac{m\lambda}{d}.\tag{1} $$ Mặt khác, giữa vị trí của một cực đại sáng bất kỳ trên màn $(y_m)$ (đo từ cực đại trung tâm) và khoảng cách từ hai khe tới màn $(x)$ tồn tại hệ thức: $$ \tan\theta_m=\frac{y_m}{x}.\tag{2} $$ Vì các khoảng cách $y_m$ rất nhỏ so với khoảng cách $x$ nên có thể coi $\sin\theta_m \approx \tan\theta_m$. Với xấp xỉ này, từ các biểu thức (1) và (2) ta có thể viết: $$ \frac{y_m}{x}=\frac{m\lambda}{d}.\tag{3} $$ Theo biểu thức (3), nếu biểu diễn đồ thị vị trí các cực đại giao thoa $(y_m)$ trên trục tung theo bậc tương ứng $(m)$ trên trục hoành, ta sẽ thu được một tập hợp các điểm có thể được xấp xỉ bằng một đường thẳng, với hệ số góc bằng $\lambda x/d$. Khi biết hệ số góc này và các giá trị $x$ và $d$, ta có thể xác định được bước sóng $\lambda$.
Một khi đã vẽ được đường thẳng khớp nhất với dữ liệu thực nghiệm, để xác định hệ số góc có thể chọn hai điểm $A$ và $B$ trên đường thẳng đủ cách xa nhau (xem hình bên trái), với tọa độ lần lượt là $A=(m_A,y_{m,A})$ và $B=(m_B,y_{m,B})$. Khi đó, hệ số góc của đường thẳng là $$\frac{\lambda x}{d}=\frac{y_{m,A}-y_{m,B}}{m_A-m_B}.\tag{4}$$ Người ta đã lắp đặt bộ thí nghiệm như mô tả trong các Hình 10 và 11. Một bút laser chiếu sáng một hệ hai khe đặt trên một khung nhỏ, với khoảng cách giữa hai khe là $d = 52\,\mu\text{m}$. Khoảng cách (tính bằng xentimét) từ hai khe đến màn quan sát $(x)$, nơi thấy các vân giao thoa, được thể hiện trong Hình 12.
Hãy xác định bước sóng của laser theo các bước sau:
Trên màn có một thước đo, nơi các vân giao thoa được chiếu lên (xem Hình 12). Vân bậc $m=0$ nằm tại vị trí $0$ của thước, còn các vân bậc $\pm 1$, $\pm 2$,… nằm đối xứng hai phía. Hãy đo các khoảng cách liên tiếp $y_m$ mà bạn có thể nhận biết và ghi kết quả vào một bảng như minh họa bên dưới.
| $m$ | $y_m\ \text{(cm)}$ |
|---|---|
| 0 | ... |
| 1 | ... |
| 2 | ... |
| … | … |
Vẽ đồ thị các giá trị $y_m$ (trục tung) theo $m$ (trục hoành) và kẻ đường thẳng phù hợp nhất với các điểm thực nghiệm.
Từ hai điểm trên đường thẳng mà bạn đã chọn và áp dụng biểu thức (4), hãy tính giá trị hệ số góc của đường thẳng.
Với hệ số góc vừa tìm được và các giá trị $x$ (xem Hình 11) cùng $d$, hãy xác định bước sóng của ánh sáng.
I. Đáp án chi tiết Đề thi học sinh giỏi Vật lý 12 chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn
Hay tự giải một cách nghiêm túc, sau đó tham khảo cách giải, kết quả tại đây.
KẾT LUẬN
Đề thi Học sinh giỏi Vật lý 12 theo chương trình GDPT 2018 gắn với các tình huống thực tiễn góp phần đánh giá đúng năng lực học sinh, phát triển tư duy khoa học và khả năng vận dụng kiến thức Vật lý vào đời sống. Đây là tài liệu tham khảo thiết thực cho công tác bồi dưỡng học sinh giỏi, phù hợp với định hướng đổi mới dạy học và kiểm tra – đánh giá hiện nay.
