Tài liệu Vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các tình huống (vật lý 9) ) tái chế đồ bỏ đi làm đồ dùng học tập

CUỘC THI VẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC - Sở Giáo dục và Đào tạo thành phố Hà Nội - Phòng Giáo dục và Đào tạo huyện Gia Lâm - Trường THCS Kim Sơn - Địa chỉ: Xã Kim Sơn, Huyện Gia Lâm, Thành phố Hà Nội - Điện thoại: 0436921542 - Email: [email protected] - Tên tình huống: “Sử dụng gương phẳng để tăng ánh sáng trong nhà” - Môn học chính được HS vận dụng trong giải quyết tình huống: Môn Vật Lý - Các môn học tích hợp: Địa Lí, Lịch Sử, Ngữ Văn, Tin Học. - Thông tin về học sinh: Họ và tên: Nguyễn Đức Minh Ngày sinh: 31/12/2000 Lớp: 9A 1. Nội dung tình huống: Hiện nay, tình trạng cạn kiệt tài nguyên đang được rất nhiều người quan tâm. Trong đó, điện là nguồn năng lượng quan trọng nhưng con người lại đang sử dụng rất lãng phí. Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giải quyết tình trạng này. Trong số đó, sử dụng gương phẳng để tăng ánh sáng tự nhiên trong nhà là một biện pháp rất đơn giản và thiết thực trong cuộc sống. 2. Mục tiêu giải quyết tình huống: - Giúp các bạn học sinh có hiểu biết thêm về gương phẳng: Khái niệm về gương phẳng và cách sử dụng gương phẳng để tăng ánh sáng trong nhà. - Giúp các bạn học sinh hiểu lợi ích của việc sử dụng gương phẳng để bảo vệ và tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên. 3. Tổng quan về các nghiên cứu liên quan: - Vấn đề thiếu năng lượng điện đang là một vấn đề nóng nhận được sự quan tâm của các cấp các ngành. - Được cập nhật thường xuyên, liên tục trên nhiều kênh thông tin; báo, đài, ti vi, mạng xã hội,… - Là nội dung đề tài trong các môn học: Vật Lý, Công nghệ,… - Là chủ đề cho nhiều đề tài nghiên cứu khoa học, các bài luận án,… 4. Giải pháp giải quyết tình huống: Vận dụng kiến thức liên môn - Vật lí: Kiến thức về gương phẳng, cấu tạo, nguyên lí. - Địa lí: Vị trí, hướng ánh sáng thích hợp để đặt gương. - Lịch sử: Ê-đi-xơn đã từng sử dụng gương phẳng để tăng ánh sáng trong phòng phẫu thuật. - Ngữ văn: Xuất hiện trong các truyện thiếu nhi: Nàng Bạch Tuyết và bảy chú lùn, Harry Potter, Alice ở xứ sở thần tiên,… - Tin học: Vận dụng tìm kiếm số liệu, hình ảnh trên mạng,… 5. Thuyết minh tiến trình giải quyết tình huống: Nhìn lại quá khứ, có lẽ những chiếc gương và những thấu kính thô sơ là nguyên tố quang học cổ nhất được con người sử dụng để khai thác sức mạnh của ánh sáng. Không nghi ngờ gì nữa, những người ở trong hang động thời tiền sử đã bị thôi miên bởi sự phản xạ của họ trong ao hoặc những vật chứa nước phẳng lặng khác, nhưng những chiếc gương nhân tạo cổ nhất vẫn không được phát hiện, mãi cho đến những đồ tạo tác hình kim tự tháp Ai Cập có niên đại khoảng 1900 năm trước Công nguyên được xác định. Những cái gương trong thời kì Hy Lạp – La Mã và thời Trung đại gồm các kim loại có độ bóng cao, như đồng thiếc, thiếc, hoặc bạc, rập khuôn trong những cái đĩa hơi lồi, đã phục vụ nhân loại hơn một thiên niên kỉ. Mãi cho đến cuối thế kỉ thứ 12 hoặc đầu thế kỉ thứ 13 thì việc sử dụng thủy tinh có mặt sau tráng kim loại mới được phát triển để tạo ra gương soi, nhưng sự tinh tế của kĩ thuật này phải mất thêm vài trăm năm nữa. Vào thế kỉ 16, những người thợ thủ công thành Venice đã chế tạo được những chiếc gương đẹp cấu tạo từ một bản thủy tinh phẳng phủ một lớp mỏng hỗn hống thủy ngân – thiếc. Hơn vài trăm năm sau, các chuyên gia người Đức và Pháp đã phát triển việc chế tạo gương thành một nghệ thuật tinh tế, và những chiếc gương được gia công sắc sảo đã trang hoàng các đại sảnh, phòng tiệc, phòng làm việc và phòng ngủ của giới quý tộc châu Âu. Cuối cùng, vào giữa những năm 1800, nhà hóa học hữu cơ người Đức Justus von Liebig đã nghĩ ra một phương pháp làm lắng bạc kim loại lên một mặt thủy tinh được khắc trước bằng cách khử hóa học dung dịch bạc nitrat. Khám phá này là một tiến bộ lớn cho công nghệ dùng cho ngành công nghiệp gương trong một thời gian dài và báo trước một thời kì mới trong đó các gương có thể được chế tạo từ bất cứ thứ gì làm từ thủy tinh. Những chiếc gương gia dụng và thương mại hiện đại còn cải tiến thêm một bước nữa, và luôn được chế tạo bằng cách thổi một lớp mỏng nhôm hoặc bạc lên phía sau bản thủy tinh trong lúc đặt trong chân không. Các dụng cụ khoa học và quang học yêu cầu công nghệ chế tạo tinh vi hơn, bao gồm cho lắng chân không nhiều lớp màng mỏng chất liệu chuyên dụng, đánh bóng đến độ chính xác cao và có lớp phủ chống trầy xước. Phản xạ ánh sáng là một tính chất vốn có và có tầm quan trọng cơ sở của các gương và được định lượng bằng tỉ số giữa lượng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt và lượng ánh sáng tới bề mặt, tỉ số này gọi là hệ số phản xạ. Các gương có cấu trúc và thiết kế khác nhau thì hệ số phản xạ của chúng cũng khác nhau nhiều, từ gần 100% đối với các gương có độ bóng cao phủ kim loại phản xạ các bước sóng khả kiến và hồng ngoại, tới gần 0% đối với các chất liệu hấp thụ mạnh. Ảnh hình thành bởi gương có thể là thực hoặc ảo, phụ thuộc vào vị trí tương đối của vật đối với gương, và có thể đoán trước chính xác về kích thước và vị trí từ những phép toán dựa trên cơ sở hình học. Ảnh thật hình thành khi các tia tới và tia phản xạ giao nhau phía trước gương, còn ảnh ảo xuất hiện tại điểm mà phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ hội tụ phía sau gương. Gương phẳng tạo ra ảnh ảo, vì điểm hội tụ, nơi phần kéo dài của tia tới và tia phản xạ giao nhau, nằm ở phía sau bề mặt phản xạ. Ở mặt trước hoặc mặt sau của gương phẳng có thể phủ một lớp chất phản xạ thích hợp. Các gương gia dụng phổ biến được phủ ở mặt sau sao cho mặt phản xạ được bảo vệ bởi thủy tinh, nhưng các gương thiết kế cho những ứng dụng khoa học quan trọng hoặc trong các hệ quang cụ thường được phủ ở mặt trước, và được gọi là gương mặt trước. Các đặc trưng ảnh của gương phẳng có thể xác định bằng việc tính vị trí và khoảng cách của vật đến mặt gương (xem hình 2). Đối với tất cả gương phẳng, vật và ảnh ảo nằm ở khoảng cách bằng nhau tính từ mặt phản xạ, và mỗi tia sáng sẽ tuân theo định luật phản xạ (tia tới và tia phản xạ chạm tới và hợp với trục quang những góc bằng nhau). Ảnh tạo bởi gương phẳng xuất hiện bằng kích thước với vật, và thẳng đứng (cùng chiều). Các nhà trang trí nội thất thường sử dụng các tính chất quang học của gương phẳng để tạo ra sự rọi sáng sao cho căn phòng trông rộng gấp hai lần kích thước thực của nó. Như minh họa trong hình 2, nhà quan sát hình dung một vật phản xạ bởi gương nằm ở phía sau gương, vì mắt nội suy các tia sáng phản xạ theo đường thẳng đến điểm hội tụ. Sự thay đổi duy nhất ở vật, điểu hiển nhiên khi khảo sát sự phản xạ, là nó quay đi 180 độ xung quanh mặt phẳng gương, một hiệu ứng thường được gọi là sự đảo ảnh. Như vậy, ảnh gương của một vật không đối xứng, ví dụ như bàn tay người, sẽ bị đảo ngược (trong thực tế, ảnh gương của bàn tay trái sẽ trông như bàn tay phải). Sự hoán đổi từ hệ tọa độ thuận sang hệ tọa độ nghịch trong không gian vật gọi là sự nghịch đảo, và nhiều mặt phẳng gương có thể được dùng để tạo ra số nghịch đảo chẵn hoặc lẻ. Gương phản chiếu ánh sáng rất tốt. Vì vậy hãy treo vài tấm gương lớn trong phòng, ánh sáng của gương sẽ phản chiếu từ bức tường này đến bức tường khác. Cách đặt gương tối ưu tốt nhất cho việc phản chiếu ánh sáng là treo hoặc dựa gương đối diện với cửa sổ. Sắp đặt như thế sẽ tăng gấp đôi lượng ánh sáng trong phòng. Đây cũng là thủ thuật tuyệt vời khi mua đồ nội thất, bạn nên chọn những sản phẩm có gắn gương (như tủ quần áo có gương…) hoặc những đồ có bề mặt làm bằng kim loại dễ phản chiếu ánh sáng. Chiếu sáng tự nhiên là sự thực hành của việc đặt cửa sổ hoặc mở khác và phản xạ bề mặt để ánh sáng tự nhiên trong ngày cung cấp ánh sáng nội bộ hiệu quả. Đặc biệt chú trọng đến chiếu sáng tự nhiên trong khi thiết kế một tòa nhà khi mục đích là để tối đa hóa sự thoải mái trực quan hoặc giảm sử dụng năng lượng. Tiết kiệm năng lượng có thể đạt được từ việc sử dụng giảm nhân tạo (điện) ánh sáng hoặc từ thụ động năng lượng mặt trời sưởi ấm hoặc làm mát. Nhân tạo chiếu sáng sử dụng năng lượng có thể được giảm bằng cách chỉ đơn giản là cài đặt ít đèn điện bởi vì ánh sáng ban ngày hiện tại, hoặc bằng cách mờ chuyển mạch đèn điện tự động đáp ứng với sự hiện diện của ánh sáng ban ngày, một quá trình được gọi là ánh sáng ban ngày thu hoạch. Chiếu sáng tự nhiên là một thuật ngữ kỹ thuật cho nhiều thế kỷ, địa lý và văn hóa phổ biến cơ bản thiết kế độc lập khi "khám phá" của các kiến trúc sư thế kỷ 20. Số lượng của ánh sáng ban ngày nhận được trong một không gian nội bộ có thể được phân tích bằng cách thực hiện một yếu tố ánh sáng ban ngày tính. Ngày nay, việc sử dụng máy tính và phần mềm công nghiệp độc quyền như Radiance có thể cho phép một kiến trúc sư hoặc kỹ sư để nhanh chóng update tính toán phức tạp để xem xét lợi ích của một thiết kế đặc biệt. Không có ánh sáng mặt trời trực tiếp trên các bức tường phía cực của một tòa nhà từ thu phân xuân phân. Theo truyền thống, ngôi nhà được thiết kế với các cửa sổ tối thiểu về phía cực nhưng cửa sổ nhiều hơn và lớn hơn về phía xích đạo. Cửa sổ phía xích đạo nhận được ít nhất một số ánh sáng mặt trời trực tiếp vào bất kỳ ngày nắng ấm của năm (ngoại trừ ở các vĩ độ nhiệt đới trong mùa hè) để họ có hiệu quả tại chiếu sáng tự nhiên các khu vực của các ngôi nhà liền kề với các cửa sổ. Mặc dù vậy, trong thời gian giữa mùa đông, tỷ lệ mắc cao là hướng ánh sáng và bóng tối sâu phôi. Điều này có thể được cải tạo một phần thông qua khuếch tán ánh sáng và thông qua phần nào phản chiếu bề mặt nội bộ. Ở vĩ độ khá thấp trong mùa hè, cửa sổ mặt phía đông và phía tây và đôi khi những khuôn mặt về phía cực nhận ánh sáng mặt trời nhiều hơn so với các cửa sổ phải đối mặt với đối với đường xích đạo. Kết luận: Qua những kết quả về nghiên cứu lý thuyết và triển khai ứng dụng và thực tiễn, em thấy rằng việc sử dụng gương phẳng của người dân rất có ý nghĩa trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, người dân vẫn chưa sử dụng gương đúng cách để tận dụng ánh sáng tự nhiên một cách hiệu quả nhất. Vì vậy, chúng ta cần tìm hiểu cách sử dụng sao cho không chỉ hữu ích với đời sống mà còn bảo vệ môi trường. 6. Ý nghĩa của việc giải quyết tình huống: Ứng dụng tính năng của gương phẳng để tăng ánh sáng, tiết kiệm là vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm và chú ý của xã hội, bài thuyết minh về ứng dụng của gương phẳng trong đời sống đã giúp các bạn học sinh có được nhận thức đầy đủ bao quát hơn về vấn đề khoa học này, tăng niềm yêu thích môn học tự nhiên (đặc biệt là môn Vật lý). Việc kết hợp các kiến thức liên môn như Lịch sử, Địa lý, Ngữ văn và môn Vật lý rất quan trọng, giúp cho bài viết bao quát, đầy đủ hơn. Từ đó tạo nên sức thu hút hơn nhất là đối với các bạn học sinh yêu khoa học. Như vậy kiến thức liên môn tạo điều kiện cho học sinh chủ động, tích cực, sáng tạo, giáo dục thêm những hiểu biết về khoa học, giúp học sinh ý thức hơn việc học phải đi đôi với hành, rèn luyện các kĩ năng giải quyết các tình huống nảy sinh trong cuộc sống. Người viết Nguyễn Đức Minh