Hướng dẫn học sinh thiết kế, chế tạo thí nghiệm phần giao thoa sóng nước, giao thoa ánh sáng trong chương trình vật lý 12

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT MƯỜNG LÁT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HƯỚNG DẪN HỌC SINH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THÍ NGHIỆM PHẦN GIAO THOA SÓNG NƯỚC, GIAO THOA ÁNH SÁNG TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 12 THPT Người thực hiện: Đỗ Thị Cúc Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực: Vật lý THANH HÓA NĂM 2016 MỤC LỤC Mở đầu 1.1 Lý chọn đề tài …………………………………… ……… … 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài…………………………………… … 1.3 Đối tượng nghiên cứu…………………………………………………… 1.4 Phương pháp nghiên cứu…………………………………………… .3 Nội dung nghiên cứu 2.1 Cơ sở lý thuyết liên quan tới dụng cụ thí nghiệm………… ……… .3 2.1.1 Giao thoa sóng nước……………………………………………….……….3 2.1.1.1 Hiện tượng giao thoa………………………………… …….…… 2.1.1.2 Lý thuyết giao thoa…………………………………………… 2.1.2 Giao thoa ánh sáng……… …………………………………….… 2.1.2.1 Thí nghiệm Iâng tượng giao thoa ánh sáng……………… 2.1.2.2 Giải thích tượng…………………………………………… .5 2.1.2.3 Vị trí vân thí nghiệm Iâng……………………… 2.1.2.4 Khoảng vân……………………………………………….…… ……6 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm………………….7 2.3 Các giải pháp thực ……… .7 2.3.1 Bộ thí nghiệm giao thoa sóng nước……………………………………… 2.3.1.1 Cấu tạo………………………………………………… …………….7 2.3.1.2 Nguyên tắc hoạt động ………………………… ……….……… ….7 2.3.1.3 Lắp ráp……………………………………………… ………………8 2.3.2 Bộ thí nghiệm giao thoa ánh sáng…………………………………….… 2.3.2.1 Cấu tạo ………………………………………………….……………8 2.3.2.2 Nguyên tắc hoạt động ………………………………………… .11 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm………………………….……….… 11 Kết luận kiến nghị …………………………………………………….….…12 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….14 MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Vật lý môn khoa học thực nghiệm Các khái niệm, định luật vật lý rút từ thực nghiệm, nên việc sử dụng thí nghiệm dạy hoc vật lý thiếu trình hình thành kiến thức Thí nghiệm cung cấp cho thông tin, liệu tượng, vật cần nghiên cứu làm sở cho khái quát hóa, từ rút tính chất quy luật vật tượng tự nhiên Ngoài thí nghiệm phương tiện trực quan giúp cho học sinh nhanh chóng thu nhận thông tin xác, chân thật, tự nhiên có tính thuyết phục phương tiện khác Vai trò thí nghiệm dạy học to lớn với thời lượng 45 phút ỏi lớp dùng thí nghiệm để xây dựng khái niệm, định luật giáo viên dành 3-5 phút làm thí nghiệm biểu diễn, học sinh quan sát, trực tiếp làm thí nghiệm Thời lượng em tự tay làm thí nghệm ít, có thực hành năm học Vì lý thuyết em rõ thực hành em lại lóng ngóng, chưa mạnh dạn sử dụng thiết bị với tâm lý sợ sai, sợ hỏng, đâu, chưa biết thu thập số liệu nào, xử lý số liệu nhận xét kết Đó hạn chế! Do giáo viên nên hướng dẫn học sinh tự làm thiết bị thí nghiệm thực thí nghiệm để thấy rõ tượng diễn Ngoài ra, học sinh tự làm thiết bị thí nghiệm tích cực hóa việc học tập học sinh mà rèn luyện kỹ sử dụng thiết bị, đồ dùng sống, rèn luyện thái độ, đức tính kiên trì , kỹ làm việc nhóm Đặc biệt học sinh tự làm thiết bị thí nghiệm có tác dụng khơi dậy phát huy tính sáng tạo, đam mê nghiên cứu khoa học em Có thể coi công trình để khơi mào em nghiên cứu chế tạo thiết bị, máy móc phục vụ sống Điều thấy thi sáng tạo khoa học kỹ thuật, học sinh lớp 8, lớp có sản phẩm khoa học đáng nể phục ví dụ sản phẩm “Máy vớt rác hồ điều khiển từ xa” em Vi Đức Nhật, học sinh lớp 9A trường THCS Phú Thọ, thiết bị lọc nước biển thành nước em Nguyễn Hoàng Phi Long (lớp 8/1) Hồ Văn Anh Kim (lớp 9/1) Trường THCS Điền Hòa, xã Phong Hòa, H.Phong Điền, Thừa Thiên-Huế … Có môn vật lý không lý thuyết suông mà có vai trò to lớn phát triển toàn xã hội giống cách mang khoa học kỹ thuật lần thứ mà loài người đạt Đối với giáo viên, qua việc hướng dẫn học sinh làm thiết bị thí nghiệm phát em có phẩm chất lực nhà khoa học để bồi dưỡng ,khuyến khích em sáng tạo sản phẩm để tham dự thi sáng tạo khoa học ký thuật tổ chức hàng năm Vì lý tiến hành nghiên cứu đề tài “hướng dẫn học sinh thiết kế, chế tạo thí nghiệm dùng cho giảng dạy phần giao thoa sóng nước giao thoa ánh sáng chương trình vật lý 12 THPT ” 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài Hướng dẫn học sinh thiết kế chế tạo dụng cụ thí nghiệm để em có điều kiện thực hiện, quan sát thí nghiệm kỹ hơn, đồng thời rèn luyện kỹ thực hành, làm việc nhóm kích thích tính sáng tạo để em dần đưa lý thuyết vật lý vào thực tế sống 1.3 Đối tượng nghiên cứu Các dụng cụ thí nghiệm giao thoa sóng mặt nước, kính quan sát giao thoa ánh sáng 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Thực nghiệm: tiến hành đo, lắp ráp linh kiện cần thiết cho thí nghiệm - Tổ chức thực nghiệm sư phạm trường phổ thông qua buổi học lên lớp NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lí thuyết liên quan tới dụng cụ thí nghiệm 2.1.1 Giao thoa sóng nước 2.1.1.1 Hiện tượng giao thoa Dùng hai bi nhỏ gắn vào hai nhánh đặt chạm mặt nước Khi P dao B P độnghai bi A B tạo mặt nước hai hệ sóng lan truyền theo hình tròn A đồng tâm Hai hệ thống đường tròn mở rộng đan trộn vào mặt nước Khi Hình 1.1 hình ảnh sóng ổn định, phân biệt mặt nước nhóm đường cong biên độ dao động cực đại, xen kẽ chúng nhóm đường cong khác mặt nước không dao động Hiện tượng mô tả gọi tượng giao thoa 2.1.1.2 Lí thuyết giao thoa M Giả sử A B hai nguồn dao động d1 tần số pha với sóng A chúng truyền tới điểm M theo hai đường d1, d2 Hai nguồn dao động l tần số pha độ lệch pha không d2 đổi gọi hai nguồn kết hợp sóng B mà chúng tạo gọi sóng kết hợp Trong thí nghiệm trên, hai bi không Hình 1.2 dao động độc lập mà chúng dao động tần số pha với P chúng hai nguồn kết hợp Giả sử phương trình dao động A B u = asin ωt Nếu khoảng cách l hai nguồn A B nhỏ so với đường d 1, d2, ta coi biên độ sóng truyền tới M Gọi v vận tốc truyền sóng d Thời gian để sóng truyền từ A đến M , v dao động M vào thời điểm t pha với d dao động A vào thời điểm t − v A B Vì phương trình dao động M từ A truyền đến có dạng: d d uA = aM sin ω( t − ) = aM sin ( ωt − ω ) (1) v v Tương tự phương trình sóng M từ B truyền đến là: Hình 1.3 d uB = aM sin ( ωt − ω ) v (2) Dao động M tổng hợp hai dao động (1) (2) tần số khác pha Độ lệch pha : ω ω d1 − d = d ∆ϕ = v với Vì ω = v d = d1 − d λ 2π d v = ta suy ∆ϕ = 2π T λ T Tại điểm mà hiệu đường d số nguyên lần bước sóng, d = nλ hiệu số pha 2nπ ( n = 0, 1,2 ….) , hai sóng pha nhau, biên độ sóng tổng hợp lớn gấp đôi sóng thành phần, dao động môi trường lớn Quỹ tích điểm họ đường hypebol có tiêu điểm A B, bao gồm đường trung trực đoạn AB Tại điểm mà hiệu đường d = ( 2n + 1) λ hiệu số pha ( 2n +1)π tức hai sóng ngược pha nhau, biên độ sóng tổng hợp 0, môi trường không dao động Quỹ tích điểm họ đường hypebol có tiêu điểm A B ( đường vẽ chấm chấm hình 1.3) 2.1.2 Giao thoa ánh sáng 2.1.2.1 Thí nghiệm Iâng tượng giao thoa ánh sáng Một đèn Đ chiếu sáng khe hẹp S nằm chắn M Ánh sáng đèn lọc qua kính lọc sắc F Khe S trở thành khe sáng đơn sắc Chùm tia sáng đơn S S1 sắc lọt qua khe S tiếp tục chiếu sáng hai khe S1, S2 S2 nằm song song gần chắn F M M12 Hai khe S1, S2 Đ bố trí song song với khe S M12 Đặt mắt sau chắn M12 Hình 1.4 cho đồng thời hứng hai chùm tia sáng lọt qua khe S 1, S2 vào mắt Nếu điều tiết mắt để nhìn vào khe S, ta thấy có vùng sáng hẹp xuất vạch sáng vạch tối xen kẽ cách đặn Hiện tượng gọi tượng giao thoa ánh sáng 2.1.2.2.Giải thích tượng Hiện tượng có vạch sáng vạch tối xen kẽ giải thích giao thoa hai sóng: vạch sáng ứng với chỗ hai sóng gặp tăng cường lẫn nhau: vạch tối ứng với chỗ hai sóng gặp triệt tiêu lẫn Ta gọi vạch sáng, vạch tối vân giao thoa Nếu thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng, ta giải thích tượng xảy thí nghiệm Iâng sau: S1 Đ S S2 Ánh sáng từ đèn Đ Hình 1.5 chiếu tới khe S làm cho khe S trở thành nguồn phát sóng ánh sáng, lan tỏa phía hai khe S 1,S2 Khi truyền khe S1 S2, sóng làm cho chúng trở thành hai nguồn sáng khác, phát hai sóng ánh sáng, lan tỏa phía sau Hai chùm sáng có phần chồng lên chúng dao thoa với nhau, cho vân sáng vân tối Hai sóng ánh sáng giao thoa chúng phát từ hai nguồn S 1,S2 thỏa mãn hai nguồn kết hợp: +Sóng ánh sáng hai nguồn S 1,S2 có tần số với sóng ánh sáng nguồn S phát + Khoảng cách từ S1,S2 đến S không đổi nên độ lệch pha hai sóng số Nếu dùng ánh sáng trắng hệ thống vân giao thoa ánh sáng đơn sắc khác không trùng khít với Khi giữa, vân sáng ánh sáng đơn sắc khác trùng với cho vân trắng gọi vân sáng Ở hai bên vân sáng giải màu màu cầu vồng 2.1.2.3 Vị trí vân thí nghiệm Iâng Vân sáng A M1 ảnh xác định đoạn A α1 thẳng OA = x Tại A có vân r1 α2 sáng hai sóng ánh sáng S1 hai nguồn S1, S2 gửi tới A x pha với tăng I H1 α r2 O cường lẫn Điều kiện thỏa mãn hiệu H2 đường hai sóng ánh từ S2 hai nguồn S1, S2 đến điểm A số nguyên lần bước sóng ánh sáng: Hình 1.6 S2A – S1A = kλ hay r2 – r1 = kλ với r2 = S2A, r1 = S1A k số nguyên Gọi H1, H2 hình chiếu S1,S2 đường IA; Đặt S1S2 = a a · · · sin α ; α1 = IAS α = OIA ; α = IAS ; H1A = r1 cos α1 = IA – IH = IA a H2A = r2 cos α2 = IA + IH2= IA + sin α góc α1, α2 nhỏ nên: r1 cos α1 ≈ r1 ; r2 cos α2 ≈ r2 ; : r2 - r1 = a sin α Mặt khác góc α nhỏ nên lấy sin α ≈ tg α = D với D = IO x Vậy ta có : r - r1 = a x = kλ D Vị trí vân sáng ảnh : x = kλD a với k = ± 1, ± 2, ± v v … Ở hai bên vân sáng vân sáng bậc 1, ứng với k = ± 1, đến vân sáng bậc 2, ứng với k = ± v.v Xen hai vân sáng cạnh vân tối 2.1.2.4 Khoảng vân Khoảng vân khoảng cách hai vân sáng hai vân tối cạnh i = x( k +1) − xk = (k + 1) i= λD a λD λD −k a a Muốn có khoảng vân lớn D phải lớn a phải nhỏ Từ sở lý thuyết đó, chia lớp thành nhóm, phát cho nhóm hướng dẫn cấu tạo, lắp ráp nguyên tắc hoạt động thiết bị thí nghiệm để em nghiên cứu thực nhà sau biểu diễn sản phẩm vào buổi học lên lớp 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Học sinh trường THPT Mường Lát nói riêng học sinh trường THPT nói chung làm thực hành thí nghiệm nên lóng ngóng, chưa mạnh dạn sử dụng thiết bị với tâm lý sợ sai, sợ hỏng, đâu, chưa biết thu thập số liệu nào, xử lý số liệu nhận xét kết Các em có hội trải nghiệm thí nghiệm vật lí điều làm cho môn Vật lý vốn hấp dẫn, gần gũi với thực tế lại trở thành lý thuyết suông Thêm vào thí nghiệm giao thoa sóng mặt nước trường THPT Mường Lát hỏng nên giáo viên làm thí nghiệm biểu diễn cho học sinh quan sát Để khắc phục điều hướng dẫn em thiết kế dụng cụ đơn giản để quan sát giao thoa sóng nước Đối với thiết bị thí nghiệm giao thoa ánh sáng có sẵn phòng thí nghiệm khoảng vân quan sát nhỏ thí nghiệm cồng kềnh không tiện cho việc di chuyển để quan sát nguồn sáng Với thí nghiệm giao thoa ánh sáng mà hướng dẫn học sinh làm gọn nhẹ, vân giao thoa quan sát rõ nét thực với nguồn sáng 2.3 Các giải pháp thực Bằng vật liệu sẵn có quen thuộc hướng dẫn học sinh cách chế tạo, lắp ráp nguyên tắc hoạt động thiết bị thí nghiệm 2.3.1: Bộ thí nghiêm giao thoa sóng nước 2.3.1.1 Cấu tạo Bộ phận gồm có: Một đế gỗ kích thước 15102 cm Trên đế gỗ có đục lỗ để đặt giá đỡ.( Hình a ) (c) (a) (b) Một mô tơ nhỏ (lấy từ quạt thổi lửa) đĩa tròn gắn vào trục mô tơ (Hình b) Cần rung làm từ cứng nhẹ có gắn hai bi (d) (e) hình 2.1 Nguồn điện chiều làm từ hai cục pin tiểu pin quạt tích điện, giá đỡ làm ống nhựa PVC 2.3.1.2 Lắp ráp - Dùng đế gỗ kích thước 15102 cm đễ gỗ ta đục lỗ tròn để đặt ống nhựa làm giá đỡ - Lấy chọn cúp nối ống nước hình chữ “T” đặt vừa môtơ vào cúp nối Rồi đặt lên giá đỡ phía - Nguồn chiều nối với môtơ Trên trục môtơ ta gắn đĩa tròn Trên đĩa ta tạo rãnh cưa cách - Đĩa đặt tiếp xúc với đầu cần rung để đĩa quay làm cho cần rung dao động - Ở cần rung ta gắn trục Mô tơ điện Cần rung vuông góc với cần rung, trục đặt vào hai giá đỡ lại - Ta gắn hai bi nhựa vào thép uốn hình chữ U gắn vào đầu cần rung Vậy ta có thí nghiệm giao thoa sóng hoàn chỉnh 2.3.1.3 Nguyên tắc hoạt động Lấy khay nước đặt trước cần rung cho hai bi vừa chạm vào mặt nước Nối mô Nguồn điện Đế gỗ tơ với nguồn điện làm mô tơ quay, đĩa có cưa quay theo làm cần rung dao động chấm vào mặt nước Sóng nước lan đan Hình 2.2 xen tạo nên hình ảnh giao thoa Sơ đồ lắp ráp phận 2.3.2 Bộ thí nghiệm giao thoa ánh sáng 2.3.2.1 Cấu tạo: Hình dạng kính hình vẽ 25 cm 20 cm Đèn Khe Iang Ống kính gồm hai ống nước ghép đồng trục với nhau: Hình 2.3 + Ống thứ dài khoảng 25cm làm ống nhựa PVC, có đường kính φ = 48mm + Ống thứ hai dài 20 cm, đường kính φ = 42 mm + Ba khớp nối thẳng + Khe hẹp S hai khe Iang 2.3.2.2 Lắp ráp Dùng hai mảnh bìa cứng không cho ánh sáng truyền qua ta cắt thành hai hình tròn có đường kính 48 mm, 42 mm + Mỗi hình tròn ta cắt khe hình chữ nhật kích thước  20 mm hình vẽ (a),(b) (b) (a) (c) + Hình tròn lớn làm khe hẹp S có chắn nửa lưỡi lam để tạo thành khe hở kích thước 1 20 mm + Hình tròn nhỏ làm hai khe Iâng có kích thước 1 20 mm có chắn nửa lưỡi lam hai khe ta căng sợi dây tóc hình (c) Để tạo ống kính ta dùng khớp nối để nối hai ống lại với nhau, khe hẹp S khe Iâng đặt vào hai khớp nối lại gắn vào ống hình vẽ 2.4 60 mm 48 mm Tấm nhựa có khe hẹp giới hạn hai nửa dao lam kích thước khe  mm Hình2.4: Bộ phận tạo khe sáng hẹp S L = 20 cm Hình 2.5: Ống kính 10 42 mm 48 mm Hai khe Iâng dài 10 mm Rộng 0,01 mm Khoảng cách hai khe: 0,001 mm Hình 2.6: Bộ phận tạo hai khe Iâng Có thể thay đổi khoảng cách hai khe Iâng khe hẹp S Hình 2.7 : Sơ đồ lắp ráp phận kính giao thoa 11 2.3.2.3 Nguyên tắc hoạt động Khi chiếu chùm tia sáng vào khe hẹp S, đặt mắt sau ống kính ta thấy hệ thống vân giao thoa ánh sáng đó, thay đổi khoảng cách hai đầu ống để điều chỉnh khoảng vân giao thoa cho dễ quan sát 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm Tôi tổ chức buổi học ngoại khóa, yêu cầu nhóm lên giới thiệu sản phẩm Do thiết bị không phức tạp nên nhóm đêu đưa sản phẩm Các em hào hứng với sản phẩm mà làm Các em thuyết trình cách lắp ráp thực thí nghiệm thành công với thiết bị Cụ thể là: Với thiết bị giao thoa sóng nước, gợn lồi, lõm mặt nước quan sát rõ Đối với thiết bị quan sát tượng giao thoa ánh sáng sản phẩm là: 12 Dụng cụ quan sát giao thoa ánh sáng Đặt mắt vào kính giao thoa ánh sáng ta quan sát rõ vạch sáng, tối xen kẽ Thiết bị ưu điểm thí nghiệm SGK không cần quan sát quan sát tượng giao thoa với nguồn sáng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Tuy đồ dùng thí nghiệm trường học đầy đủ việc thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm hoạt động mang tính sáng tạo giáo viên học sinh, giúp học sinh nắm kiến thức, kích thích say mê học tập, yêu thích môn học, ham học hỏi, phát triển lực tư duy, rèn luyện tính độc lập, chủ động trình sáng chế, cải tiến đồ dùng dạy học Mặt khác, việc sử dụng phương tiện thí nghiệm tự làm mang lại hiệu kinh tế, phấn đa dụng cụ thí nghiệm nầy chế tạo từ nguyên liệu rẻ tiền dễ kiếm xung quanh 3.2.Kiến nghị Trước thực tế giảng dạy nhà trường, có số kiến nghị sau: - Các đồng nghiệp nên trao đổi kinh nghiệm với nhiều thông qua mạng giáo dục - Xây dựng phòng học môn để em có đủ dụng cụ, không gian thực hành thí nghiệm ( trường THPT Mường Lát chưa có) 13 - Hàng năm sáng kiến có chất lượng, đạt giải đề nghị Sở Giáo dục chuyển đến đơn vị công bố rộng rãi mạng để giáo viên tham khảo, học hỏi Để cho đề tài đem lại hiệu thiết thực, mong góp ý đồng nghiệp quan tâm Ban giám hiệu XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ Thanh Hóa, ngày 25 tháng năm 2016 Tôi xin cam đoan SKKN viết, không chép nội dung người khác Đỗ Thị Cúc 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Cương Thí nghiệm Vật lý trường trung học phổ thông Đào Văn Phúc – Dương Trọng Bái – Nguyễn Thượng Chung – Vũ Quang Vật lí Lớp 12 NXB Giáo dục – 2002 Phạm Hữu Tòng Lý luận dạy học Vật Lý trường trung học phổ thông NXB Giáo dục – 1998 Lương Duyên Bình Vật lý đại cương 15 ... tài hướng dẫn học sinh thiết kế, chế tạo thí nghiệm dùng cho giảng dạy phần giao thoa sóng nước giao thoa ánh sáng chương trình vật lý 12 THPT ” 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài Hướng dẫn học sinh. .. viên làm thí nghiệm biểu diễn cho học sinh quan sát Để khắc phục điều hướng dẫn em thiết kế dụng cụ đơn giản để quan sát giao thoa sóng nước Đối với thiết bị thí nghiệm giao thoa ánh sáng có sẵn... phòng thí nghiệm khoảng vân quan sát nhỏ thí nghiệm cồng kềnh không tiện cho việc di chuyển để quan sát nguồn sáng Với thí nghiệm giao thoa ánh sáng mà hướng dẫn học sinh làm gọn nhẹ, vân giao thoa