Thiết kế một số thí nghiệm phương pháp giảng dạy vật lý phổ thông

con lắc lị xo trang 13 Sĩng dừng trang 16 Mâm quang trang 19 Trục quang trang 21 Bảng thí nghiệm điện một chiều trang 23 Ray chuyển động trang 25 Trụ rơi tự do trang 27 Thanh quay ly tâm trang 29 Đĩa mơmen trang 31 Các ứng dụng khác trang 33 Phần 5: Kết luận và đề nghị trang 34 THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2 PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Vật lý là khoa học thực nghiệm. Việc giảng dạy vật lý cĩ dùng thí nghiệm ở nhà trường phổ thơng là một điều hết sức cần thiết. Ở các nước tiên tiến, mỗi trường trung học cĩ hệ thống thí nghiệm riêng cho các mơn do các giáo viên trung học tự soạn thảo, thơng qua duyệt của hội đồng khoa học và ban giám hiệu nhà trường và áp dụng vào giảng dạy. Vì vậy, hiệu quả giảng dạy ở mỗi trường khác nhau dẫn đến uy tín của mỗi trường cũng khác nhau trở thành niềm tự hào của mỗi giáo viên của trường đĩ. Ở nước ta hiện nay, việc giảng dạy vật lý bằng thực nghiệm ở các trường phổ thơng cịn rất hạn chế vì nhiều nguyên nhân: • Nhiều thí nghiệm trong sách giáo khoa khơng thực hiện được do thiếu phương tiện. • Phương tiện thí nghiệm được trang bị thiếu thốn, lạc hậu và kém chính xác. Khơng được cập nhật thường xuyên. Đây là tình trạng chung của các trường phổ thơng trung học, nhất là các trường ở xa thành phố. • Nhiều bài thí nghiệm khơng đủ thời gian thực hiện trong tiết dạy qui định do các yếu tố phụ như giới thiệu dụng cụ, đo đạc, xử lý kết quả. • Sinh viên chưa được quan tâm đúng mức về vấn đề học tập, rèn luyện nhằm hồn thiện và nâng cao khả năng tổ chức dạy vật lý bằng thí nghiệm. • Các thí nghiệm vật lý mà sinh viên được học tập, rèn luyện (nếu cĩ) ở trường đại học chưa thật sự xác đáng với vấn đề cần truyền đạt, nhiều thí nghiệm cịn xa vời, mơ hồ. • Đầu tư kinh phí cho phương diện này ở các trường phổ thơng cịn hạn chế, khiêm tốn. Từ các nhận định trên, ta thấy cần phải từng bước khắc phục các nguyên nhân trên để việc giảng dạy cĩ hiệu quả hơn. Loại trừ các nguyên nhân khách quan, các vấn đề mang tính chủ quan và đặc thù chuyên mơn cần được phân tích và đề nghị các hướng khắc phục. 2. Song song đĩ, trong xu thế chung hiện nay thể hiện qua hai kỳ thi tú tài và đại học gần đây nhất, yêu cầu sự hiểu biết chính xác và ứng dụng hiệu quả các kiến thức được học của học sinh là thiết yếu. Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả giảng dạy với thí nghiệm đối với giáo viên vật lý trường phổ thơng và các giáo sinh sắp tốt nghiệp là vấn đề đang đặt trước nhà trường đại học sư phạm. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3 3. Cuối cùng, việc xây dựng một bộ thí nghiệm vật lý riêng của trường ĐHAG để phục vụ cho cơng tác đào tạo sinh viên sư phạm là đáng được quan tâm thực thi. PHẦN 2: MỤC ĐÍCH 1. Mục đích: Theo kinh nghiệm, hầu hết các giáo sinh tốt nghiệp đại học ngành sư phạm vật lý cịn rất hạn chế trong việc sử dụng các phương pháp dạy học thực nghiệm và nhất là kỹ năng giảng dạy với dụng cụ thí nghiệm. Do đĩ, mục đích của đề tài nghiên cứu này là thiết kế một số dụng cụ thí nghiệm, dùng cho các giáo sinh tập sử dụng thành thạo để giảng dạy tốt hơn sau khi tốt nghiệp và hơn nữa gợi mở khả năng sáng tạo để cĩ thể tự tái tạo lại các dụng cụ khi cần và tự thiết kế các dụng cụ mới. Dựa trên chương trình vật lý phổ thơng trung học ở các cấp lớp 10, 11, 12 kết hợp với lý luận dạy học và tâm lý giáo dục các dụng cụ thí nghiệm phương pháp giảng dạy vật lý phổ thơng cần phải đạt được các yêu cầu sau: - Lột tả được tri thức cần truyền đạt. - Sát thực với chương trình đào tạo vật lý phổ thơng. - Cĩ tính truyền thống về hình thức nhưng hiện đại về phương tiện tiến hành. - Khơng quá phức tạp để sinh viên dễ tiếp cận và sử dụng giảng dạy cĩ hiệu quả. - Chuẩn bị cho việc kế thừa, thiết kế tương thích để sẵn sàng kết nối với các phương tiện nghe nhìn hiện đại như TV, máy vi tính, máy phĩng ảnh, over head,… 2. Các thí nghiệm đề nghị xây dựng: (in nghiêng) Các thí nghiệm vật lý được trình bày tiếp theo đây là các thí nghiệm cĩ thể thực hiện được để dạy học và sẽ được biên soạn để sinh viên tham khảo. Tuy nhiện trong điều kiện thực tế chưa thể xây dựng được đầy đủ nên chỉ chọn các thí nghiệm tiêu biểu nhất để thực hiện. Các thí nghiệm in nghiêng sẽ được nghiên cứu chế tạo. Các thí nghiệm cịn lại cĩ thể cho sinh viên học và thực hiện khi làm đề tài tốt nghiệp hoặc tự thực hiện sau khi ra trường cơng tác. PHẦN CƠ HỌC: 2.1 Chuyển động thẳng đều, vận tốc: 2.2 Chuyển động trịn đều: 2.3 Gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều: 2.4 Quảng đường đi trong chuyển động thẳng biến đổi đều: 2.5 Sự rơi tự do – ống Newton: 2.6 Đo gia tốc rơi tự do: THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 4 2.7 Chuyển động trịn đều – gia tốc hướng tâm: 2.8 Tương tác trực tiếp và gián tiếp: 2.9 Sự cân bằng lực: 2.10 Định luật I Newton và Quán tính của các vật : 2.11 Định luật II Newton: 2.12 Định luật III Newton: 2.13 Lực đàn hồi – lực kế: 2.14 Lực ma sát nghỉ và ma sát trượt: 2.15 Chuyển động trên mặt phẳng nghiêng: 2.16 Chuyển động của vật ném ngang: 2.17 Lực tác dụng trong chuyển động trịn đều: 2.18 Định luật bảo tồn động lượng: 2.19 Sự cân bằng của vật: 2.20 Hợp lực đồng qui: 2.21 Hợp lực song song: 2.22 Mơmen lực – qui tắc mơmen: 2.23 Các dạng cân bằng 2.24 Dao động điều hồ: 2.25 Giao thoa sĩng cơ – Sĩng dừng: PHẦN NHIỆT HỌC 2.26 Định luật Boy – Mariotte: 2.27 Định luật Charles: 2.28 Phương trình trạng thái khí: PHẦN ĐIỆN HỌC 2.29 Định luật Ohm trên đoạn mạch: 2.30 Định luật Ohm trên tồn mạch: 2.31 Định luật cảm ứng từ: 2.32 Hiện tượng cảm ứng điện từ: 2.33 Định luật Lenz: PHẦN QUANG HỌC 2.34 Định luật phản xạ ánh sáng: 2.35 Định luật phản xạ tồn phần: 2.36 Định luật khúc xạ ánh sáng: 2.37 Thấu kính hội tụ: 2.38 Thấu kính phân kỳ: 2.39 Sự phân cực ánh sáng: 2.40 Hiệu ứng quang điện: PHẦN 3: THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 5 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU CÁC THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THƠNG: 1. Mở đầu: Các thí nghiệm vật lý phổ thơng về bối cảnh cĩ hai loại: thí nghiệm trên lớp và thí nghiệm ngoại khố. Thí nghiệm trên lớp theo mục đích được chia làm hai nhĩm: thí nghiệm khảo sát và thí nghiệm minh hoạ. Thí nghiệm ngoại khố đối với đối tượng học sinh bình thường là thí nghiệm kiểm chứng, thí nghiệm thực hành. Rất ít trường hợp cá biệt học sinh cĩ thể thực hiện thí nghiệm khảo sát – học sinh giỏi. Xét riêng các thí nghiệm cĩ thể tiến hành trên lớp, chúng ta sẽ đi sâu vào loại này vì tác dụng của nĩ rất lớn trong quá trình dạy học vật lý. 2. Tình hình chung về vấn đề dụng cụ thí nghiệm: Nhìn chung hiện nay, các dụng cụ thí nghiệm như đã dề nghị ở trên cĩ nhiều vấn đề cần được khắc phục. Nổi bật hơn cả là mối mâu thuẫn giữa sự cần thiết phổ biến và giá thành. Thứ đến là tính linh hoạt cơ động và trực quan, đủ độ chính xác. Ngồi ra, vấn đề thời lượng trong việc giảng dạy cũng phải được tính đến đối với phân bố chương trình như hiện nay. Qua tham khảo, tham quan và kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy ở trường phổ thơng, chúng ta thấy cĩ một số điểm cụ thể được trình bày tiếp theo sau. 3.1 Đối với dụng cụ giảng dạy về hiện tượng Chuyển động thẳng đều ở các trường đại học như ĐH KHTN, ĐH Cần Thơ sử dụng đệm khí để khử trọng lực và ma sát, tạo ra trạng thái tự do cho vật chuyển động, đây là một dụng cụ kỹ thuật rất cao và hiện đại. Tuy nhiên, áp dụng ở thực tế các trường phổ thơng ttrung học thì vấn đề lơn nhất là giá thành rất cao, hơn nữa kích thước rất cồng kềnh và nặng nề, hầu như khơng thể di chuyển được nên chỉ thích hợp trong một phịng cố định, lớp ít học sinh và khơng phục vụ được đồng thời cho nhiều lớp cùng học một đề tài. Giải quyết được vấn đề về tính cơ động và giá thành, trong Bộ thí nghiệm cơ học lớp 10 PTTH ( Phạm Đình Cương r P THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 6 – Paul Verhagen) do Viện khoa học giáo dục VN phát hành đã sử dụng chuyển động thẳng đứng của động tử trong ống chất lỏng. Ở đây, trọng lực được khử bằng lực ma sát nhớt. Vấn đề cịn lại là tính thuyết phục bởi các số liệu đo được và thời gian thực hiện thí nghiệm. Ở một số trường ĐHSP khác, thí nghiệm này được thực hiện trên đường ray, ma sát được khử bằng đối trọng qua rịng rọc, với động tử cĩ mang trên lưng một băng giấy hoặc thước gỗ. Thời gian được đánh dấu bằng một con lắc với cọ vẽ lên thước gỗ. Dụng cụ như vậy rất rườm rà và khơng thể mang lên lớp học và triển khai trong thời gian cho phép, mặt khác khả năng thực hiện thành cơng rất thấp. Để cĩ thể hồn thiện hơn dụng cụ thí nghiệm cho đề tài này, giải pháp được đề xuất là sử dụng động tử chạy trên đường ray thẳng, ngắn gọn, ma sát được khử bằng độ nghiêng hoặc đối trọng theo bố trí cổ điển. đồng thời, để cĩ được số đo tin cậy trong khoảng dịch chuyển ngắn, các số liệu thời gian được ghi nhận bằng cảm biến quang và đồng hồ kỹ thuật số. Cảm biến được dùng là loại hồng ngoại để thí nghiệm khơng bị ảnh hưởng bởi mơi trường. 3.2 Với đề tài Gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều và Quảng đường đi trong chuyển động thẳng biến đổi đều, . Đây là một vấn đề rất khĩ khăn. Trịng bộ thí nghiệm cơ học lớp 10 PTTH ( Phạm Đình Cương – Paul Verhagen), tác giả sử dụng máy atwood, máy này cấu tạo khá phức tạp và địi hỏi nhiều cơng sức chuẩn bị trước khi dạy nên hạn chế khá lớn, nhất là vấn đề thời gian. Ở một số trường đại học sư phạm, đề tài này sử dụng đường ray nghiêng với các cảm biến cơ học, nhằm xác định tỉ lệ của đường di theo cấp số nguyên lẻ, kiểm chứng cơng thức s = at2/2 . Các cảm biến cơ khí đã tỏ ra khiếm khuyết. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 7 Đường ray nghiêng với các cảm biến cơ học Do đĩ, ở ĐHAG, nhờ dùng các cảm biến quang hồng ngoại, độ chính xác được nâng cao cho phép xác định được khoảng dich chuyển trong mỗi giây để so sánh với nhau qua đĩ làm rõ vận tốc tăng những lượng bằng nhau sau mỗi giây dịch chuyển là điều cần truyền đạt trong chuyển động thẳng biến đổi đều. 3.3 Đề tài chuyển động trịn đều và quán tính ly tâm. Dụng cụ truyền thống ở nội dung này là một bộ gồm ít nhất hai vơ lăng bằng gang đũc trên một giá đở, truyền động bằng dây đai, rất nặng nề. Chuyển động quay được tạo ra bởi một tay quay do người sử dụng thực hiện. Đối tượng chuyển động là quả nặng ly tâm liên kết với trục bằng một lị xo đàn hối tốt. Mâm quay ly tâm Khĩ khăn gặp phải khi sử dụng dụng cụ này là sự cồng kềnh, giáo viên phải quay nên giảm tập trung vào truyền đạt và kém thuyết phục hơn cả là vấn đề vận tốc quay khơng đo được. Để khắc phục các khĩ khăn nêu trên, cảit iến cần thực hiện là dụng cụ gọn nhẹ, quay bằng động cơ đủ chậm để trực quan và tốc độ quay đo được. Ở phạm vi đề tài nghiên cứu này, các dụng cụ điện tử như bộ điều tốc, máy đo tần số đâ giúp thực hiện mong muốn đĩ. 3.4 Đề tài Sự rơi tự do: Dụng cụ truyền thống của nội dung này là ống Newton để truyền đạt định luật rơi một cách định tính. Để truyền đạt về kiến thức gia tốc rơi, trong bộ bộ thí nghiệm cơ học của Viện khoa học giáo dục VN dùng vật rơi thẳng đứng với băng giấy đánh dấu bằng bảng rung 100 Hz. Dụng cụ này thể hiện rất tốt tính nhanh dần đều và kết quả cho thấy chấp nhận đươc. Tuy nhiên, nhiều trường chưa được trang bị. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG Dụng cụ đo gia AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 8 Để nâng cao hiệu quả, cũng với cấu trúc như thế, nhà cung cấp là Cơng ty Thắng Lợi cĩ thiết kế thêm hệ thống đồng hồ tự ghi bằng điện tử. Tuy nhiên dụng cụ lại thuộc bộ thí nghiệm Vật lý đại cương nên giá thánh quá cao và khơng nằm trong diện cung cấp cho các trường phổ thơng trung học. Khắc phục tính trạng trên, ở ĐHAG tích hợp tất cả các ưu điểm của thiết bị gồm hệ tự ghi điện tử và cảm biến vị trí quang học, nâng độ cao làm thí nghiệm lên 1,50m và bố trí sao cho thí nghiệm tiến hành nhanh nhất để tiết kiệm thời gian. 3.5 Đĩa mơmen được thiết kế với hình thức truyền thống như trước đây, tuy nhiên kích thước đươc chế tạo khá lớn để tăng độ trực quan. Trong đĩ vấn đề tạo cân bằng phiếm định và bảo đảm sự linh động của trục quay đã được quan tâm khắc phục. 3.6 Dao động tự do là một dụng cụ rất được nhiều người quan tâm. Thơng thường chỉ được thiết kế cho thí nghiệm vật lý đại cương. Dụng cụ truyền thống gồm quả lắc và một đồng hồ bấm giây cầm tay. Tuy nhiên, để sử dụng vào giảng dạy phổ tthơng, nĩ hạn chế ở chỗ độ trực quan thấp do kích thước nhỏ, sai số lớn và hiển thị kết quả đo với kích cở rất nhỏ (đồng hồ tay).Mặt khác, việc thực hiện mất nhiều thời gian trong giờ dạy nên khĩ triển khai và gần như khơng khả thi. Nhằm hiện đại hĩa và gia tăng độ trực quan, giảm thời gian thực hiện trong giờ dạy vấn đề quản lý số chu kỳ dao động và giới hạn sai số đo thời gian ở mức 0.01 giây được thực hiện tự động và kết hợp tất cả lên một hệ thống để giảm số thao tác thí nghiệm. 3.7 Sự tổng hợp sĩng – sĩng dừng, THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 9 Dụng cụ ở một trường ĐH sư phạm Ở nội dung này, thí nghiệm dùng dịng điện xoay chiều tần số 50 Hz điều khiển bảng rung truyền dao động trên dây đàn hồi, Yếu điểm của nĩ là chỉ cĩ một tần số dao động. Gần đây, ở các trường phổ thơng, các giáo viên cĩ sáng kiến sử dụng máy phát âm tần kết hợp với máy đo tần và bảng rung dùng nam châm điện. Đĩ là một thành cơng lớn, chỉ cĩ hạn chế ở chỗ thiết bị rất hiếm và giá thành cao, đồng thời kết nối rườm rà. Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, dụng cụ tạo sĩng dừng được thiết kế với giá thành chấp nhận được (khoản 500 000đ đối với bộ tạo dao động cơ học) kết hợp với máy đo tần số kỹ thuật số. Tất cả được liên kết sẵn gọn, nhẹ dễ sử dụng. 3.8 Định luật khúc xạ và phản xạ dùng dụng cụ là Mâm quang. cĩ kích thước nhỏ và dùng nguồn sáng cổ điển. Yếu điểm của nĩ là nguồn sáng loại này khĩ tạo thành chùm sáng mỏng (hình tượng tia sáng). Ở đây, mâm được cải tiến với các ưu điểm: thẳng đứng, trực quan và dùng nguồn sáng laser. 3.9 Các định luật quang hình dùng trục quang học. Dụng cụ này, yếu tố quan trọng là vật sáng phải phát ra chùm phân kỳ đủ mạnh để đến được màn hứng. Trong CÁC CẢI TIẾN NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ TÍNH XÁC THỰC CỦA CÁC THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THƠNG: 1. Thiết bị đo lường: Hiện nay, trên hầu hết các trường ĐH sư phạm và các trường PTTH mà tơi được biết, các thiết bị đo lường trong các thí nghiệm đại cương và phương pháp cịn hạn chế về độ chính xác, kém hiện đại và kích thước hiển thị nhỏ, thiếu trực quan đối với số đơng học sinh. Một số tham số đo khơng thực hiện được trực tiếp làm các thí nghiệm chưa lột tả được nội dung khoa học. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 10 Khác với các trường, tơi mạnh dạn đề nghị một số thay đổi về phương tiện đo lường. Hồn thiện các hệ thống đo truyền thống đồng thời chế tạo mới một số thiết bị đo để đo các tham số mà trước đây chưa đo được trực tiếp (việc này dựa trên các tiến bộ về kỹ thuật điện tử gần đây nhất) đồng thời tăng kích thước các hệ thống hiển thị để phục vụ số đơng học sinh, bảo đảm quan sát tốt ở khoảng cách từ 5m đến 7 m. 2. Tin học hố thí nghiệm: Song song với việc cải tiến thiết bị, các thí nghiệm được xây dựng phải được chuẩn hố các chỉ tiêu kỹ thuật, các số liệu đo đạc được chuẩn bị tương thích để trong tương lai cĩ thể dễ dàng lập trình kết nối với máy vi tính để ghi nhận, xử lý cũng như trình bày trên màn hình, TV, projector, overhead… Như vậy, bộ thí nghiệm được xây dựng sẽ khơng ngừng được nâng cao. Các phát triển về phương diện này cũng cĩ thể dành cho các sinh viên khá giỏi làm đề tài tốt nghiệp. PHẦN 4: THỰC HIỆN A. Ý TƯỞNG VÀ DỰ KIẾN SẢN PHẨM: Như đã trình bày trong phần đề cương, tác giả chọn ra một số các đề tài tiêu biểu. Việc chọn thực hiện này dựa trên tình hình thiết bị ở các trường phổ thơng trung học, khả năng thực thi và phù hợp trong điều kiện hiện tại về kỹ thuật, phương tiện, vật tư. Trong đĩ, các thiết bị phục vụ cho chương trình 11 phổ thơng trung học rất phổ biến nên khơng cần phải đầu tư nhiều. Song song đĩ, chương trình vật lý 10 rất quan trọng vì là nền tảng của cả chương trình vật lý phổ thơng trung học, là kiến thức khai tâm cho học sinh. Đồng thời chương trình vật lý 12 lại đĩng vai trị quyết định để học sinh tốt nghiệp tú tài, thi đại học và ứng dụng trong đời sống nên cả hai cần được quan tâm đầu tư. Vì vậy, các đề tài được chọn gồm: Chương trình lớp 10 Chuyển động thẳng đều, vận tốc: Gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều: Quảng đường đi trong chuyển động thẳng biến đổi đều: Sự rơi tự do: Chuyển động trịn đều – gia tốc hướng tâm: Định luật I Newton và Quán tính của các vật : Định luật II Newton: THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 11 Định luật III Newton: Chuyển động của vật ném ngang: Lực tác dụng trong chuyển động trịn đều: Định luật bảo tồn động lượng: Mơmen lực – qui tắc mơmen: Chương trình lớp 11 Định luật Ohm trên đoạn mạch: Các mạch điện một chiều. Chương trình lớp 12 Dao động điều hồ: Giao thoa sĩng cơ – Sĩng dừng: Định luật phản xạ ánh sáng: Định luật phản xạ tồn phần: Định luật khúc xạ ánh sáng: Thấu kính hội tụ: Thấu kính phân kỳ: Các sản phẩm sẽ thực hiện phải nhằm mục đích giảng dạy các nội dung đã được chọn và được thiết kế theo hướng sao cho mỗi mẫu sản phẩm dùng được cho nhiều nội dung giảng dạy để tiết kiệm thời gian đầu tư của giáo sinh trong khi học tập cũng như giảng dạy sau này. B. SẢN PHẨM: Các sản phẩm được lần lượt giới thiệu theo thứ tự chương trình từ vật lý 12 đến vật lý 10. Trong đĩ, mỗi sản phẩm được mơ tả khái quát về kích thước, ngoại hình, quá trình nghiên cứu ,chế tạo, cách sử dụng khi giảng dạy và các ưu khuyết điểm. Ngồi ra vai trị của tri thức trong chương trình, nếu cần cũng được nhấn mạnh. Sản hầu hết các sản phẩm được thực hiện đều theo ngoại hình truyền thống giúp cho người khai thác dễ tiếp cận. Các cải tiến cần thiết đều được tự động hĩa. Để thiết kế và thực hiện được các máy mĩc hiện đại, cần vận dụng kiến thức từ nhiều lĩnh vực: cơ khí, điện, điện tử, kỹ thuật số và hơn hết là các kinh nghiệm tích lũy được trong giảng dạy ở trường phổ thơng trung học. Mặt khác vấn đề giá thành cũng được quan tâm sao cho thấp hơn ngoại nhập và thấp hơn sản phẩm của các đơn vị khác. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 12 I. Sản phẩm: CON LẮC ĐƠN VÀ CON LẮC LỊ XO 1. Cơng dụng: Thiết bị này nhằm truyền đạt các kiến thức hết sức cơ bản và quan trọng về dao động điều hồ. Kiến thức này đi xuyên suốt chương trịnh vật lý 12. . Đối với thí nghiệm con lắc đơn, nĩ xác lập sự bất biến của đại lượng chu kỳ đối với một hệ dao động xác định. Mặt khác nĩ cịn thể hiện được sự phụ thuộc chính xác của các đại lượng dao động vào độ dài dây treo và gia tốc trọng trường theo quan hệ: g lT π2= và do đĩ nĩ cịn được dùng để đo gia tốc trọng trường. Đối với thí nghiệm con lắc lị xo, nĩ tái hiện lại tồn bộ quá trình thực hiện dao động như sách giáo khoa mơ tả, đồng thời tính được các đại lượng dao động phù hợp với lý thuyết. 2. Mơ tả: Gồm một giá treo, một nam châm điện, một bộ nguồn DC, một mắt thần điện tử để quan sát và ghi nhận chuyển động của động tử một cách chính xác, một máy đếm kỹ thuật số sẽ đảm nhận việc đếm số chu kỳ dao động từ 01 đến 99 chu kỳ và một máy đo thời gian. Kích thước: Dài: 60cm Rộng: 30 cm Cao: 120 cm 3. Thiết kế và lắp ráp: 3.1 Linh kiện cần dùng: – Một máy đo thời gian hiển thị số. – Một máy đếm số chu kỳ dao động hiển thị số. – Các quả nặng hình cầu bằng nhựa, sắt,… – Giá treo con lắc. – Nguồn điện 12vDC. – Cảm biến quang hồng ngoại. 3.2 Thiết kế: Thiết bị này, trước đây chưa cĩ ở trường phổ thơng và là ước mơ của các giáo viên vật lý tâm huyết. Gần đây, thí nghiệm này được vài giáo viên thử chế tạo. Tuy nhiên, hạn chế ở chỗ độ trực quan thấp do kích thước nhỏ, sai số rất lớn và hiển thị kết quả đo với kích cở rất nhỏ (đồng hồ tay) nên hạn chế sự tham gia của học sinh vào thí nghiệm và bài học. Mặt khác, việc thực hiện mất nhiều thời gian trong giờ dạy nên khĩ triển khai và gần như khơng khả thi. Đi tìm hướng giải quyết các khĩ khăn trên, cần giải quyết vấn đề quản lý số chu kỳ dao động và giới hạn sai số đo thời gian ở mức 0.01 giây. Để quản lý số chu kỳ dao động, tác giả sử dụng kỹ thuật đếm lùi quang học trong các máy đếm tiền kết hợp với mạch số chia 2, phần đánh dấu vị trí cân bằng dùng cảm biến quang hồng ngoại (mắt thần). Phần đo thời gian, sử dụng Chip thời gian với sai số thấp thiết kế thành máy đo thời gian kỹ thuật THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 13 số cĩ thể khởi động và dừng ở hai chế độ, điều khiển tay và điều khiển xung điện. Kết quả đo phải được duy trì lâu dài. Để ổn định và đồng bộ dao động với máy đo thời gian, một bộ kích hoạt bằng nam châm điện được lắp đặt. Cuối cùng liên kết tất cả lên một hệ cơ sao cho hiện tượng bắt đầu và kết thúc chỉ với một động tác bấm nút. 3.3 Lẳp ráp: Kết nối các bộ phận như sơ đồ. Trong đĩ, điều chỉnh sao cho quả nặng dao động luơn di ngang qua cảm biển hơng ngoại, chú ý đèn chỉ thị lắp ở đây phải chớp sáng mỗi khi động tử đi qua. Nối dây tín hiệu khởi động và dừng bộ đếm vào sau máy đo thời gian, Sơ đồ lắp ráp: Nguồn 12 vDC clear set start 8 8 8 Mode clear start quả nặng 8: 8 8 : 88 Nam châm Cảm biến Máy đếm chu kỳ Máy đếm thời gian 4. Áp dụng: Chọn trước các độ dài dây treo sao cho chu kỳ dao động dễ ước lượng: thí dụ 16cm, 25cm, 49cm, 64 cm, 81cm, 100cm,.. đánh dấu sẵn trên dây. Thực hiện thí nghiệm con lắc đơn, đưa động tử về vị trí của nam châm điện. đặt bộ phận đếm chu kỳ con số mong muốn, chuyển bộ đo thời gian sang chế độ đếm .01 s và xố về zero. Ấn nút bắt đầu, nam châm điện sẽ khởi động quá trình dao động, bộ đếm chu kỳ sẽ tự động khởi động máy đo thời gian. Mắt thần quan sát quá trình THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 14 này và báo cho bộ đếm mỗi khi động tử đi ngang vị trí cân bằng 2 lần. Bộ đếm chu kỳ đếm lùi từ số đã định trước và dừng máy đo thời gian khi chu kỳ giảm đến zero. Thu thập kết quả đo theo hai cách: Theo số chu kỳ đo từ vài chu kỳ đến vài chục chu kỳ trên một độ dài dây treo. Theo độ dài dây treo ở một số chu kỳ bằng nhau. Kết quả mỗi lần đo được lưu trữ trực quan cho đến khi một lần đo mới được tiến hành. Tồn bộ các thao tác thí nghiệm cho một lần đo chỉ mất khoảng 100 giây nên khơng hao phí nhiều thời gian lên lớp. Đối với con lắc lị xo, chỉ sử dụng máy đo thời gian và điều khiển bằng tay. 5. Nhận xét: 5.1. Ưu điểm: • Kích thước trực quan, cho phép học sinh tham gia cùng tiến hành thí nghiệm. • Thay đổi các tham số thí nghiệm rất dễ dàng. • Nhanh, khơng hao phí nhiều thời gian lên lớp. • Chính xác, thuyết phục. • Bảo đảm tất cả học sinh đều quan sát tốt. • Giá thành thấp 5.2. Khuyết điểm: Đối với thí nghiệm con lắc lị xo, quá trình đo đạc chưa thực hiện được tự động hố, mà giáo viên phải thực hiện việc khởi động và dừng máy đo thời gian. Lý do là cơ cấu mắt thần ghi nhận vị trí quả nặng theo chiều dọc chế tạo chưa thành cơng. Hình dụng cụ con lắc đơn THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 15 Con lắc lị xo THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 16 II. Sản phẩm: SĨNG DỪNG 1. Cơng dụng: Dụng cụ này nhằm truyền đạt hiện tượng tổng hợp sĩng cơ học một chiều từ hai nguồn kết hợp. Xác lập mối quan hệ giữa tần số dao động và kích thước các bĩ sĩng 2 λ=l , quan hệ giữa chiều dài dây L với số k nút sĩng và bụng sĩng . Nội dung này trong phân bố chương trình 12 chỉ truyền đạt trong vẻn vẹn tối đa 15 phút nên vấn đề thời gian rất quan trọng. Nhiều giáo viên chỉ cho chép cơng thức mà thơi. 2. Mơ tả: Gồm một giá đỡ cĩ lắp nguồn dao động cơ (bản rung), một dây đàn hồi được căng bằng kẹp hoặc quả nặng, một máy phát dao động cơ cĩ tần số điều chỉnh được từ 15 Hz đến 150 Hz (tần số cơ) và một máy đo tần số kỹ thuật số. Kích thước: Dài: 120cm Rộng: 10 cm Cao: 20 cm 3. Thiết kế và lắp ráp: 3.1. Linh kiện cần dùng: – Giá đỡ dài 120 cm cĩ lắp rịng rọc nhỏ ở một đầu. – Nguồn dao động cơ. – Một máy phát dao động cơ. – Máy đo tần số hiển thị số. – Dây đàn hồi mảnh dài hơn 120cm. 3.2 Thiết kế: Dụng cụ này, ở trường phổ thơng, rất hiếm chỉ do các giáo viên tự chế tạo bằng bảng rung dao động theo điện xoay chiều 50Hz và đạt được một số yêu cầu rất hạn chế. Đĩ là chỉ thực hiện được hiện tượng với một số lực căng xác định và khơng cĩ chỉ thị tần số nên hiệu quả kém, thời gian tiến hành dài, khơng đủ yêu cầu phân bố thời gian theo chương trình. Để nghiên cứu tăng hiệu quả, bảng rung được điều khiển bằng một máy dao động tần số cơ thiết kế từ Chip dao động cơ học, kết hợp với máy đo tần số hiển thị số 7 đoạn. Ở dụng cụ mới này, các nhược điểm nêu trên được khắc phục hồn tồn. Mặt khác ứng dụng mới là cĩ thể dùng lực căng qua rịng rọc với các quả nặng xác định để học sinh thực hành ngoại khố. 3.3 Lẳp ráp: Kết nối như sơ đồ, ngõ ra máy phát dao động được nối với nguồn dao động cơ và máy đo tần số như sơ đồ. Căng dây đàn hồi lên giá. Trong trường hợp khơng cần chính xác cao, phía đầu dây cố dịnh chỉ cần kẹp lên khung tựa. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 17 Sơ đồ: Máy phát dao động cơ Máy đo tần số 0.000 Chỉnh tần Nguồn dao động Giá đỡ 4. Áp dụng bài tập: Giáo viên căng dây đàn hồi ở một mức vừa phải và bật nguồn dao động. Kiểm sốt tần số bằng máy đo và điều chỉnh tần số trên máy phát để cĩ sĩng dừng. Học sinh quan sát được các bụng và nút sĩng. Giáo viên giảng giải cho học sinh. Thay đổi tần số, đếm số nút và bụng để khẳng định các kiến thức đã giảng giải. Cần làm rõ vai trị của số k phải là số nguyên. 5. Nhận xét: 5.1. Ưu điểm: • Luơn thành cơng ở mọi độ căng của dây. • Kích thước trực quan, đặt được ở mọi hướng. • Thay đổi các tham số thí nghiệm rất dễ dàng. • Nhanh, khơng hao phí nhiều thời gian lên lớp. • Chính xác, thuyết phục. • Bảo đảm tất cả học sinh đều quan sát tốt. • Gọn nhẹ, dễ mang chuyển. • Giá thành thấp. 5.2. Khuyết điểm: Biên độ dao động ở các tần số khác nhau chưa hồn tồn bằng nhau do sự cộng hưởng cơ khí của bảng rung. Sơ đồ: THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 18 Máy phát dao động cơ Máy đo tần số 0.000 Chỉnh tần Nguồn dao động Giá đỡ 6. Áp dụng bài tập: Giáo viên căng dây đàn hồi ở một m Kiểm sốt tần số bằng máy đo và điều dừng. Học sinh quan sát được các bụ cho học sinh. Thay đổi tần số, đếm số thức đã giảng giải. Cần làm rõ vai trị của số k phải là s 7. Nhận xét: 5.1. Ưu điểm: • Luơn thành cơng ở mọi độ căng củ • Kích thước trực quan, đặt được ở • Thay đổi các tham số thí nghiệm rấ • Nhanh, khơng hao phí nhiều thời g • Chính xác, thuyết phục. • Bảo đảm tất cả học sinh đều quan • Gọn nhẹ, dễ mang chuyển. • Giá thành thấp. 5.2. Khuyết điểm: Biên độ dao động ở các tần số khá sự cộng hưởng cơ khí của bảng rung. THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG ức vừa phải và bật nguồn dao động. chỉnh tần số trên máy phát để cĩ sĩng ng và nút sĩng. Giáo viên giảng giải nút và bụng để khẳng định các kiến ố nguyên. a dây. mọi hướng. t dễ dàng. ian lên lớp. sát tốt. c nhau chưa hồn tồn bằng nhau do AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 19 III. Sản phẩm: MÂM QUANG THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 20 1. Cơng dụng: Dụng cụ dùng để dạy các định luật phản xạ ánh sáng, khúc xạ ánh sáng và hiện tượng phản xạ tồn phần. Là các định luật cơ sở của quang hình học trong chương trình vật lý 12. 2. Mơ tả: Dụng cụ gồm một bảng trịn chia độ đặt thẳng đứng. Ở giữa tâm của mâm cĩ một giá đở hình đĩa bằng nam châm vĩnh cửu. Gương phẳng và các khối mơi trường quang cần khảo sát cĩ đế sắt để cĩ thể hút chặt vào mặt đĩa. Hai thanh hướng trục xoay được quanh trục đủ chính xác, trên một thanh cĩ nguồn sáng laser hình tia và thanh cịn lại chứa màn hứng tia lĩ. Kích thước: Dài: cm Rộng: 55 cm Cao: 55 cm 3. Thiết kế và lắp ráp: 3.1. Linh kiện cần dùng: – Bảng chia độ – Nguồn sáng. – Màn hứng – Gương phẳng, khối mơi trường trong suốt hình bán trụ. 3.2 Thiết kế: Dụng cụ này trước đây đã cĩ ở một vài trường phổ thơng, nhưng cĩ dạng nằm ngang, kích thước nhỏ (25 cm - bằng kim loại đúc) dùng nguồn sáng đèn thơng thường nên khĩ tạo thành tia mảnh nên học sinh rất khĩ quan sát và tham gia. Để gia tăng độ trực quan, kích cở của mâm được chế tạo lên đường kính 52 cm, dùng vật liệu nhẹ để đạt được một yêu cầu quan trọng là treo được thẳng đứng trên bảng đen. Một cải tiến đáng kể nữa là sử dụng nguồn sáng laser để tạo ra tia sáng mỏng, giúp học sinh củng cố khái niệm tia sáng và tiếp thu các định luật được trình bày. 3.3 Lẳp ráp: THÍ NGHIỆM VẬT LÝ PHỔ THÔNG AGU – ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 21 4. Áp dụng bài tập: Định luật phản xạ ánh sáng: Giáo viên đặt gương phẳng dán sát lên đĩa nam châm, điều chỉnh phương vị chính xác, giới thiệu các mốc phương vị: pháp tuyến, tên gọi qui ước của các gĩc với học sinh. Chọn vị trí nguồn sáng, mở nguồn sáng tia. Xoay thanh hướng trục chứa màn hứng để tìm tia lĩ, ghi nhận các gĩc và nhận xét sơ bộ. Thực hiện tương tự với vài gĩc tới khác và kết luận thành định luật. Khúc xạ ánh sáng: Giáo viên đặt khối mơi trường quang hình trụ lên đĩa, thực hiện tương tự như trên nhiều lần để đi đến kết luận định luật khúc xạ. Hiện tượng phản xạ tồn phần: Tăng gĩc tới, tìm gĩc khúc xạ nhiều lần cho đến khi đạt được._.