Tài liệu Skkn “thiết kế một số đồ dùng dạy học môn vật lí lớp 12”.

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong quá trình giảng dạy môn vật lí lớp 12, người viết nhận thấy có một số đồ dùng dạy học có thể tự chế tạo để minh họa cho bài giảng, làm cho các kiến thức trở nên gần gũi với người học hơn, giúp họ có thêm niềm tin vào kiến thức và thêm hứng thú đối với môn vật lí. Với kiến thức còn hạn hẹp, kinh nghiệm giảng dạy môn vật lí 12 còn chưa nhiều, người viết chỉ mới thiết kế và tập hợp một số đồ dùng dạy học mang tính chất biểu diễn, chưa đi vào khảo sát định lượng và chưa phân bố đều trong các chương. Vì hầu hết các đồ dùng dạy học này đều khá đơn giản dễ làm, nên có thể giao cho các nhóm học sinh tự thiết kế hoặc mở rộng thành các cuộc thi nhỏ trong câu lạc bộ vật lí. NGƯỜI THỰC HIỆN (Kí và ghi rõ họ tên) NỘI DUNG CHÍNH “THIẾT KẾ MỘT SỐ ĐỒ DÙNG DẠY HỌC MÔN VẬT LÍ LỚP 12” 1. SÓNG DỪNG a. Mục đích chế tạo Các hình ảnh và phim về thí nghiệm sóng dừng trên dây đã có rất nhiều trên internet. Ở trang 81 của SGK 12 nâng cao cũng đã trình bày cách bố trí thí nghiệm và hình ảnh quan sát được. Hiện nay, bộ thí nghiệm sóng dừng đã được công ty sách thiết bị Nguyễn Tri Phương - TPHCM sản xuất phục vụ cho giảng dạy đại trà (Hình 1.1), đủ tiêu chuẩn để thực hiện được khá tốt nhiều thí nghiệm như tạo hiện tượng sóng dừng trên dây đàn hồi ứng với các tần số khác nhau (sóng ngang), tạo sóng dừng trên lò xo đàn hồi (sóng dọc), nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ truyền sóng trên dây vào sức căng của dây. Kích thước của bộ thí nghiệm không quá lớn và có thể chứa trong một hộp chữ nhật có chiều dài 1 mét. Hình 1.1. Bộ thí nghiệm sóng dừng của công ty sách & thiết bị Nguyễn Tri Phương Trong bộ thí nghiệm sóng dừng, bộ phận quan trọng nhất chính là nguồn dao động, nếu đã có nguồn rồi thì các công việc tìm dây đàn hồi và lắp đặt không quá nhiều khó khăn. Ở trường tôi và một số trường THPT khác trong tỉnh đã được cung cấp các nguồn dao động của nước ngoài tài trợ từ những năm 90 của thế kỉ trước (để phục vụ cho việc dạy thí nghiệm giao thoa sóng nước, sóng dừng và nghiên cứu tính chất của chuyển động thẳng biến đổi đều) nên các GV đã tận dụng để làm thí nghiệm cho HS. Dưới đây là một bộ dụng cụ đơn giản đã được thiết kế với mục đích biểu diễn hiện tượng sóng dừng một cách định tính. b. Mô tả Hình 1.2. Bộ dụng cụ mô tả sóng dừng Nguồn phát dao động được chế tạo theo mô hình động cơ máy quạt như hình 1.2, bao gồm: - một động cơ quay loại nhỏ, gắn cánh quạt bằng gỗ (ở đây tôi dùng một cây tigôn). - một thân đèn pin cũ, sử dụng pin tiểu loại 23 A – 12 V. - một công tắc để đóng ngắt mạch điện. - một sợi dây đàn hồi, chiều dài khoảng 1,5 m. c. Hoạt động Nguồn phát dao động được treo vào dây đàn hồi như hình 1.3, bật công tắc để khởi động nguồn, dịch chuyển các ngón tay cầm dây, dọc theo dây, để thay đổi chiều dài dây thích hợp sao cho có thể tạo sóng dừng một bó sóng hay hai bó sóng (hình 1.4). Hình 1.3. Sóng dừng một bó Hình 1.4. Sóng dừng hai bó d. Nhận xét - Ưu điểm: Bộ dụng cụ gây hứng thú khá mạnh cho học sinh vì nó rất gọn nhẹ, đơn giản trong chế tạo và sử dụng (các em có thể tự làm ở nhà). Có thể thay đổi chiều dài dây tùy ý để tạo nhiều bó sóng. - Nhược điểm: Một cục pin loại 23 A – 12 V chỉ giúp dụng cụ hoạt động được hai giờ. Chưa thay đổi được tần số của nguồn phát dao động. Việc này có thể cải tiến được, bằng cách sử dụng nhiều nguồn pin, khi đó chỉ cần gạt công tắc là có thể thay đổi giá trị suất điện động của nguồn phát. Không biểu diễn được hiện tượng sóng dừng đối với trường hợp một đầu dây cố định, một đầu dây tự do. e. Đề nghị Như đã phân tích ở trên, bộ phận quan trọng nhất để tạo hiện tượng sóng dừng đó là nguồn phát dao động, vì vậy giáo viên có thể giao đề tài này cho các nhóm học sinh thực hiện để có thể phát triển tư duy sáng tạo cho họ. Ngoài việc đơn giản nhất là dùng động cơ quay thì chúng ta còn có thể sử dụng nam châm chế tạo động cơ điện như hình 1.5. Động cơ điện đơn giản này là sản phẩm của các thành viên trong câu lạc bộ Vật lí của trường. Hình 1.5. Động cơ điện sử dụng nam châm 2. SÓNG ÂM a. Mục đích chế tạo Minh họa tốc độ truyền âm trong môi trường rắn và môi trường khí. b. Kiến thức liên quan - Trong mỗi môi trường truyền sóng, sóng âm truyền với một tốc độ xác định. - Trong những điều kiê ên như nhau (nhiê êt đô ,ê áp suất …) thì tốc đô ê truyền âm giảm dần theo thứ tự môi trường: rắn, lỏng, khí. c. Mô tả Bộ dụng cụ được chế tạo dựa theo mô hình điện thoại đồ chơi như hình 2.1, bao gồm: - hai ly nước nhựa, một dùng để làm ống nói, một dùng để làm loa, được dùi thủng một lỗ nhỏ ở đáy ly. - một sợi dây dài hơn 5 m (có thể mọi loại dây, ở đây tác giả dùng dây chỉ), luồn qua hai lỗ trên hai ly, cố định lại bằng hai que tăm. Hình 2.1. Bộ dụng cụ sóng âm d. Hoạt động Nếu hai người đứng ở khoảng cách 10 m, để có thể trao đổi trực tiếp với nhau buộc bạn phải tăng âm lượng hết cỡ, nhưng với bộ dụng cụ này bạn có thể thoải mái trao đổi, với âm lượng bình thường như khi hai bạn đang đứng cạnh nhau. Để âm thanh truyền tốt nhất bạn chú ý giữ hai ly sao cho dây căng hết cỡ (hình 2.2). Điều này chứng tỏ sóng âm truyền được trong hai môi trường khí và rắn. Trong môi trường không khí có nhiều vật hấp thụ năng lượng sóng âm nên âm thanh bị mất mát năng lượng, ảnh hưởng đến cường độ âm hơn trong môi trường rắn. Nếu tăng khoảng cách ra xa hơn nữa, thì không những phải hét thật to mà còn phải đợi một lúc bạn mới nghe thấy âm thanh. Nhưng nếu sử dụng bộ dụng cụ này, bạn hầu như nghe thấy ngay lập tức. Điều đó chứng tỏ sóng âm truyền trong môi trường rắn với tốc độ lớn hơn trong không khí. Hình 2.2. Trao đổi bằng điện thoại tự chế e. Nhận xét - Ưu điểm: Bộ dụng cụ dựa trên một trò chơi thời thơ trẻ nên là một minh họa gần gũi với học sinh, có thể mở rộng để tổ chức cuộc thi truyền tin trong câu lạc bộ vật lí. Đơn giản, dễ làm. - Nhược điểm: Việc sử dụng dây chỉ rất dễ bị rối, có thể thay thế bằng dây dù. Phạm vi lớp học nhỏ nên phải bố trí một học sinh ở ngoài lớp và một học sinh ở trong lớp. 3. TỔNG HỢP ÁNH SÁNG TRẮNG a. Mục đích chế tạo Minh họa về sự tổng hợp nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau có thể tạo thành ánh sáng trắng. b. Kiến thức liên quan Ánh sáng trắng là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc, có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Điều này đã được Newton dự đoán từ thí nghiệm trước đó về sự tán sắc ánh sáng thực hiện năm 1672. Ánh sáng trắng sau khi qua lăng kính bị phân tách ra thành nhiều chùm sáng đơn sắc khác nhau. Do các chùm sáng đơn sắc khác nhau trong chùm sáng trắng sau khi khúc xạ qua lăng kính, bị lệch các góc khác nhau, trở thành tách rời nhau, tạo thành quang phổ của ánh sáng trắng. c. Mô tả Nhiều thí nghiệm chứng tỏ có thể tạo ánh sáng trắng dựa trên cơ sở chồng chập các chùm sáng đơn sắc với đủ bảy màu cơ bản đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm và tím. Ở đây, chúng tôi thực hiện điều này dựa trên mô hình đĩa Newton. Đây là một đĩa có thể làm bằng bìa cứng được chia thành nhiều hình quạt nhỏ. Mỗi hình quạt được tô màu cầu vồng theo thứ tự như trên. Đĩa có thể quay quanh tâm của chính nó nhờ tay quay. d. Hoạt động Quay đĩa Newton quanh tâm nhanh dần, ban đầu còn nhìn rõ đủ các m àu phân bố trên đĩa, khi đĩa quay đủ nhanh, do hiện tượng lưu ảnh, m ắt sẽ nhìn thấy đĩa có màu trắng do sự chồng chập của các màu đơn sắc khác nhau trên võng mạc. Hình 3.3: Các sản phẩm tổng hợp ánh sáng trắng theo mô hình đĩa Newton (Ảnh tư liệu Câu lạc bộ Vật lí , THPT Lương Thế Vinh). e. Nhận xét  Ưu điểm: Cấu trúc bộ dụng cụ đơn giản, có thể thay thế tay quay bằng mô-tơ được thu hồi từ các động cơ điện cũ trong đồ chơi dành cho trẻ em. Có thể thay đổi tốc độ quay của đĩa bằng cách mắc nối tiếp mô-tơ với biến trở nhằm khảo sát quá trình tổng hợp ánh sáng trắng chịu sự chi phối của tốc độ quay nhanh hay chậm. Kết quả ghi nhận, đĩa quay càng nhanh thì ánh sáng tổng hợp càng gần với màu trắng. Có thể thay đổi sự phối màu đơn sắc khác nhau trên đĩa nhằm khảo sát ảnh hưởng của sự chồng chập từ các màu đơn sắc khác nhau, việc chọn tỉ lệ % của màu đơn sắc cũng ảnh hưởng nhiều đến quá trình tổng hợp, kết quả có thể thu nhận được các màu đa sắc khác nhau mà không phải là màu trắng.  Nhược điểm: Thực tế thí nghiệm chỉ thu được ánh sáng màu ngà ngà, không phải màu trắng như mong muốn. Như đã nói ở trên, với cách tổng hợp này, để thu nhận được ánh sáng trắng từ các màu đơn sắc khác nhau không đơn giản vì quá trình này chịu nhiều yếu tố chi phối như tốc độ quay của đĩa, màu đơn sắc được chọn và tỉ lệ % của màu trên đĩa phải phù hợp để ánh sáng đa sắc thu nhận được là màu trắng. Điều này đòi hỏi người thực hiện sản phẩm phải qua nhiều bước thử - sai trước khi nhận được ánh sáng tổng hợp là ánh sáng trắng. 4. CƠ HỌC VẬT RẮN a. Mục đích chế tạo Mô tả lại một hiện tượng vật lí dựa theo một bài toán mẫu trong sách Cơ sở vật lí (tập 2) của David Halliday, trang 75. b. Kiến thức liên quan Trích bài toán mẫu 12-9 (Cơ sở vật lí (tập 2) của David Halliday, trang 75): Một sinh viên ngồi trên một cái ghế có thể quay dễ dàng quanh một trục thẳng đứng. Ban đầu, anh sinh viên ở trạng thái nghr và cầm một cái bánh xe đạp mà vành được đổ chì cho nặng và có quán tính quay I đối với trục giữa chừng 1,2 kg.m2. Bánh xe quay với tốc độ góc ban đầu ωi là 3,9 vòng/s ; nhìn từ trên xuống, thì bánh xe quay ngược chiều kim đồng hồ. Trục của bánh xe thẳng đứng và momen động lượng Li hướng thẳng đứng lên trên. Bây giờ, anh sinh viên lật ngược cái bánh xe lại, kết quả là anh ta cùng với ghế quay quanh trục ghế. Anh sinh viên quay với tốc độ góc bao nhiêu và theo chiều nào? (Cho quán tính quay I0 của hệ: sinh viên + ghế + bánh xe, đối với trục ghế là 6,8 kg.m2) → Sử dụng định luật bảo toàn mômen động lượng để giải toán (chi tiết vui lòng xem sách của David Halliday) c. Mô tả Hình 4.2. Bộ dụng cụ thí nghiệm bảo toàn momen động lượng Bộ dụng cụ thí nghiệm được mô phỏng theo ý tưởng của bài toán mẫu trên, tuy nhiên ở đây tác giả không dùng ghế quay mà sử dụng một bàn quay đơn giản hơn, cùng với hai vật rắn có dạng đĩa tròn đặc (màu đen) và dạng vành bánh xe có khối lượng lần lượt là:… . Khối lượng của hai vật rắn càng lớn thì quán tính càng quay, thí nghiệm càng dễ thực hiện. d. Hoạt động - Một học sinh A ban đầu đứng thăng bằng ở trạng thái nghỉ trên bàn quay, hai tay giữ chặt trục quay của đĩa tròn đặc theo phương thẳng đứng như hình 4.3. - Một học sinh B đến quay thật mạnh đĩa tròn. Trong khi đĩa tròn đang quay, học sinh A vẫn ở trạng thái nghỉ. - Học sinh A lật ngược đĩa tròn lại, kết quả là học sinh A cùng với bàn quay quanh trục của bàn. - Để dừng lại, học sinh A chỉ cần lật ngược đĩa tròn lại lần nữa để đưa về vị trí ban đầu. - Nếu lực quay đủ mạnh, chỉ cần làm nghiêng trục của đĩa tròn là cũng đủ để học sinh A và bàn cùng quay. - Tiến hành thí nghiệm tương tự đối với vành tròn bánh xe còn lại. Hình 4.3. Sử dụng đĩa tròn đặc Hình 4.4. Sử dụng vành tròn bánh xe e. Nhận xét - Ưu điểm: Mặc dù trong chương trình vật lí 12 cơ bản không có chương Cơ học vật rắn, nhưng một số học sinh khi được thực hiện thí nghiệm này đều tỏ ra khá ngạc nhiên và hứng thú tự tìm hiểu kĩ hơn về lí thuyết. Bàn xoay có ma sát nhỏ nên quay tốt. Các vật rắn đảm bảo đủ nặng để có quán tính quay lớn. - Nhược điểm: Việc chế tạo bộ dụng này không đơn giản như các bộ dụng cụ đã đề cập phía trên, đặc biệt là cái bàn quay phải thật chắc chắn, cân bằng tốt, ma sát nhỏ. Các đĩa tròn có khối lượng khá lớn nên mau gây mỏi tay khi cầm ở tư thế đã mô tả. Chỉ là một thí nghiệm định tính, chưa đo đạc định lượng các số liệu cụ thể. Phần kiến thức này chủ yếu dành cho học sinh các lớp chuyên lí. KẾT LUẬN Bốn đồ dùng dạy học được thiết kế ở trên liên quan đến kiến thức sóng dừng, sóng âm, tổng hợp ánh sáng trắng và cơ học vật rắn, mặc dù chỉ dừng ở mức độ thí nghiệm biểu diễn nhưng đã phần nào đem lại sự hấp dẫn cho giờ học. Các thiết kế này hoàn toàn có thể được cải tiến để hoàn thiện hơn. Hoặc có thể thay đổi hình thức thiết kế, thay vì giáo viên đóng vai trò trung tâm thì giờ đây giáo viên sẽ nhường vai trò cho đó các nhóm học sinh, để họ chủ động trong thiết kế, giáo viên trở thành người đưa ý tưởng và hướng dẫn nếu cần. Nhờ vậy, học sinh sẽ phát triển thêm nhiều kĩ năng sống ngoài những giờ học lí thuyết trên lớp. Đó cũng là mục tiêu chính của giáo dục: “Giúp người học phát triển toàn diện”. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lương Duyên Bình, Vũ Quang, Nguyễn Thượng Chung, Tô Giang, Trần Chí Minh, Ngô Quốc Quýnh (2008), Vật lý 12, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 2. Nguyễn Thế Khôi, Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Đức Hiệp, Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình Thiết, Vũ Đình Túy, Phạm Quý Tư, Vật lý 12 nâng cao, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 3. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Cơ sở vật lí – tập hai – cơ học II, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 4. Powerpoint Hướng dẫn sử dụng thí nghiệm vật lí 12 của công ty sách & thiết bị Nguyễn Tri Phương, TPHCM. 5. Một số trang web: (http://www.daviddarling.info/encyclopedia/N/Newtons_color_disk.html)