Tuy chất lượng của thiết bị tự tạo chưa thể so sánh với các thiết bị khoa học chính thống, nhưng để học về thực nghiệm vật lý và tiến hành các phép đo với độ chính xác vừa phải , chún[r]
(1)BỒI DƯỠNG NĂNG KHIẾU VẬT LÝ CHO HỌC SINH PHỔ THƠNG BẰNG THÍ NGHIỆM
TRÊN CÁC THIẾT BỊ KHOA HỌC RẺ TIỀN TỰ TẠO Đàm Trung Đồn
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐH QG HN MỞ ĐẦU
Mục tiêu của việc mở lớp chuyên Vật lý để thúc đẩy việc phát bồi dưỡng khiếu Vật lý học sinh phổ thông trung học, hướng em phấn đấu theo đường khoa học Tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá khiếu Vật lý trực giác Vật lý Trực giác vật lý rèn luyện mà có Tuy nhiên dựa vào việc học qua sách đạt độ uyên bác định.mới có trực giác vật lý tốt Học sinh phổ thơng chưa có điều kiện nên tốt phải rèn luyện thơng qua thực nghiệm, thực nghiệm chất tương bộc lộ với đủ khía cạnh Vì nước tiên tiến, người ta coi trọng khâu thực nghiệm Vật lý trường trung học Tại APhO IPhO, để chọn học sinh có khiếu Vật lý, người ta dành 40% tổng số điểm thi cho thực hành Tiếc thay nước ta tình trạng học Vật lý chay phổ biến chưa tìm cách khắc phục
Một nhà nghiên cứu động vật hoang dã gần nhận xét: ”Voi châu Phi ngày ngà ngắn trước” Tình trạng săn bắn trộm voi lấy ngà khiến cá thể ngà ngắn có điều kịên sinh tồn tốt hơn, đẩy quần thể voi phát triển theo chiều hướng Nếu học chay giúp học sinh dễ dàng vượt qua kỳ thi để đạt danh hiệu học sinh giỏi, thủ khoa v.v, dạy chay thừa nhận hoàn thành tốt nhiệm vụ giáo viên, khơng biết quy luật chọn lọc tự nhiên đưa vật lý nước ta đến bến bờ nào?
PHẢI CHĂNG VÌ THIẾU THIẾT BỊ NÊN PHẢI DAY CHAY?
Có người cho trường phổ thơng phải dạy chay thiếu thiết bị thiết bị khơng đồng Thực trạng có thật Nhưng thiếu khơng đồng ta u cầu phải làm thí nghiệm theo cách vạch sẵn, với thiết bị quy định Thí nghiệm cách bổ ích cho học sinh đại trà, song hình thức minh họa giảng nên dễ thấy nhàm chán Để khuyến khích tinh thần sáng tạo, kích thích lịng yêu khoa học học sinh yêu thích Vật lý, cịn cần kiểu thí nghiêm khác Hội đồng khoa học quốc tế IPhO APhO cho học sinh khiếu Vật lý phải E Fermi, trong tình tiến hành thí nghiệm để rút ra điều quan tâm Vì thí nghiệm cho em phải mang sắc thái thí nghiệm chuyên sâu dùng thiết bị có tầm tay, kể thiết bị thơ sơ, với cách tiến hành độc đáo Các thi thực hành IPhO thể rõ điều Có thể kể vài ví dụ:
(2)Học sinh phổ thơng khơng thể làm thí nghiêm sai sót nhỏ nguy hiểm đến tính mạng Nhưng thí nghiệm lại an tồn, dụng cụ phát miếng gốm áp điện bật lửa gas, máng trượt vài nặng ( khoảng vài chục gam ) Học sinh phải tự đề mơ hình tượng tạo cao đập nhẹ vào miếng áp điện, tiến hành thí nghiệm
IPhO 2000: Nghiên cứu quang phổ kế cách tử phản xạ áp dụng để đo phổ quang dẫn quang trở CdS Học sinh phải dùng máy đơn sắc dùng cách tử phản xạ, đo lượng ελ dλ ánh sáng đơn sắc mà máy cung cấp theo bước sóng, để vẽ
được đặc trưng phổ quang trở dRε
λdλ
(λ) Nhưng thiết bi giao (hình 2) là
một vài đồng hồ vạn năng, vài bóng đèn 12V kèm theo nguồn điện, mảnh đĩa CD dán thước nhựa đồ thị hàm phân bố Plank vài nhiệt độ khác
Những ví dụ cho thấy người ta cố tình khơng dùng thí nghiệm đồng bộ, dụng cụ đắt tiền, sử dụng thiết bị thông thường mà hầu hết trường phổ thơng có, linh kiện tìm mua dễ dàng thị trường, nhờ tuyển đích thực học sinh có khiếu
M ¸ n g t r ỵ t B ó a , g P Z T : k h è i n g ỵ c c h i Ị u n h a u è c v Ý t K h e đ n h đ i ệ n e , g H · m c a o s u Sơđồ
thí nghiê m đo thế đánh thủng của khơng khí tai IPhO 1992
(3)Những thí nghiệm khơng đòi thiết bị phức tạp đồng Nhưng để dựng thí nghiệm phải giáo viên phải thành thạo phép đo thông thường, hiểu nguyên lý loại thiết bị đo bản, phải linh hoạt, sáng tạo việc thiết kế phép đo đại lượng chưa biết Nói khác đi, phải có khả dùng thứ có tầm tay để làm thí nghiệm, biết triệt để khai thác thơng tin mà thí nghiệm đem lại Đó điều mà ta cần bồi dưỡng cho học sinh khiếu Và lại điểm yếu rõ nét đội ngũ giáo viên
SO SÁNH HIỆU QUẢ ĐÀO TẠO VỚI THÍ NGHIỆM BẰNG DỤNG CỤ THƠNG THƯỜNG VÀ THÍ NGHIỆM BẰNG BỘ DỤNG CỤ ĐỒNG BỘ
Để so sánh hiệu đào tạo thí nghiệm dụng cụ thơng thường thí nghiệm dụng cụ đồng bộ, ta xét thí nghiệmquen thuộc: “ nghiên cứu chuyển động hạt hình cầu chất lưu ứng dụng để đo độ nhớt của chất lưu” Nguyên lý phép đo dựa phương trình cân lực tác dụng lên hạt hình cầu bán kính R chuyển động chất lỏng độ nhớt η với tốc độ V:
125,0 12,0 V
KΩ
TÊm t«n Nguån ®iƯn Cơc nam ch©m
Miếng nhựa uốn cong Màn chắn sáng ( vỏ hộp sũa ) Manh đĩa CD
Bóng đèn 50W 12V
Quang trở Ôm kế
S thớ nghiờm nghiờn cu quang phổ kế dùng cách tử phản xạ
(4)4 3πR
3
(ρV− ρL)g=6πRηV (1)
Từ phép đo R, V, ρV , ρL, ta suy η
Thiết bị đồng để làm thí nghiệm (hình 3a) gồm ống thủy tinh đựng dầu, hai rơle quang đặt cách khoảng d (cho trước) chạy dừng đồng hồ điện tử xác đến 1/100sec, nam châm điện để thả viên bi thép bán kính R khối lượng riêng biết, hai đèn chiếu sáng cảm biến rơle quang để xác định thời điểm viên bi ngang qua cảm biến Làm thí nghiệm với thiết bị nhàn, cần bấm nút thả cho bi rơi, đọc số đồng hồ, qua tính V để suy độ nhớt Do khơng đổi điều kiện thí nghiệm mà phép đo không hấp dẫn, học sinh học không nhiều
Thí nghiệm với đồ dùng thơng thường (hình 3b) có đồng hồ bấm giây, chai nhựa đựng dầu ăn có đánh dấu vạch chuẩn cách khoảng d, bơm tiêm chứa dung dịch nước muối nồng độ thay đổi
Học sinh trước tiên phải đo khối lượng riêng nước muối ρV dầu ρL.Dùng
bơm tiêm, nhỏ giọt nước muối dầu theo rõi rơi giọt
Star t
Sto p
đồng hồ điện tử
t msec
Laser
Laser
d
DÇu Bi thÐp N íc muèi
NC điện
(5)dầu Muốn đo độ nhớt, học sinh phải kiểm tra lại độ xác phương trình (1) cách cho R thay đổi ( nhập 2, giọt nước thành hạt to ), cho ( ρV –
ρL) thay đổi ( dùng nước muối nồng độ khác ), dùng đồ thị để kiểm tra độ
chính xác phương trình (1) cho hai đại lượng thay đổi đồng thời Ngồi học sinh cịn đánh giá ảnh hưởng hình dạng vật rơi đến độ xác cơng thức (1) ( hạt nước nhỏ gần dạng cầu, hạt to bị bẹp lại ) v.v Một thí nghiệm có ý nghĩa tiểu luận nhỏ học sinh, rõ ràng em học nhiều điều Ngoài học sinh làm thí nghiệm khơng cần trang bị đặc biệt
Quen với cách làm thế, học sinh có nhiều sáng kiến để làm thí nghiệm xác trường hợp khơng có đủ phương tiện chuẩn Ví dụ chỉ có cân xác đến 0,1g , nguồn điện accu dung lượng 0,5 ampe.giờ, phải đo điện tích nguyên tố e
bằng phương pháp điện phân Thông thường ta nghĩ đến việc điện phân dung dịch CuSO4 xác định e theo công thức e=
qμ
2 mN N số Avogadro, μ khối
lượng nguyên tử Cu, q điện lượng chạy qua bình điện phân, m khối lượng Cu đọng cực âm
Tính tốn đơn giản cho thấy lượng Cu thu vào khoảng 0,3g, sai số tỷ đối phép cân lên đến 30% Với phương tiện đo e cách xác
Nhưng khơng dùng cách đo thuờng mô tả sách giáo khoa, mà điện phân dung dịch acit, đo khối lượng dung dịch chất điện phân mà H2
sinh chiếm chỗ ( hình ), tình trạng lại hồn tồn khác Ta thấy thể tích H2 thu điện phân,
tính điều kiện tiêu chuẩn, vào cỡ 100cm3 Khối
lượng chất lỏng dời chỗ vào khoảng 100g
Như sai số tỷ đối phép cân 0,1% Và
nếu yêu cầuđo e với mức xác tỷ đối khoảng 1% học sinh cịn dùng cân đòn tự tạo để tiến hành thí nghiệm nhà.
Tiến thêm bược nữa, với thiết bị thơng thường có tầm tay mà học sinh tồn quyền sử dụng, em bố trí thí nghiệm theo nguyên lý đại, làm tăng đáng kể chất lượng thí nghiệm Ví dụ phải đo nhiệt độ nóng chảy Parafin mà trong tay có lượng nhỏ chất này Theo cách truyền thống, phải vẽ đồ thị biểu diễn nhiệt độ T parafin theo thời gian trình đun nóng nóng chẩy ( Hình 5a), điểm nóng chảy đoạn ngang đồ thị T(t) Rất khó tìm đoạn ngang thí nghiệm Nếu dùng điốt bán dẫn làm nhiệt kế, bố trí thí nghiệm kiểu đo nhiệt vi sai (hình 5b) ta tìm điểm nóng chảy dễ dàng đồ thị V21(V1)
Từ ví dụ ta thấy hiệu giáo dục thí nghiệm làm đồ dùng thơng thường cao Do dụng cụ rẻ tiền tự tạo nên thí nghiệm em khơng bị ức chế, tồn quyền làm chủ thí nghiệm
+ _
H2
(6)Các em dám mạnh dạn thay đổi cách bố trí thí nghiệm, điều kiện thí nghiệm , nhờ học hỏi nhiều sáng kiến nảy nở
TỰ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHOA HOC RẺ TIỀN
Chế tạo thiết bị khoa học rẻ tiền điểm mấu chốt cách giảng dạy Vật lý thực nghiệm nói Ngày tự tạo thiết bị cách dễ dàng kỹ thuất đo đại lượng phương pháp điện phát triển, loại cảm biến mua dễ dàng thị trường , sử lý tín hiệu lắp ráp nhanh chóng vi mạch chuẩn, thiết bị hiển thị ( mVkế số) giá rẻ không ngờ ( 50.000đ ) Tuy chất lượng thiết bị tự tạo chưa thể so sánh với thiết bị khoa học thống, để học thực nghiệm vật lý tiến hành phép đo với độ chính xác vừa phải , chúng hồn tồn đáp ứng Nếu dùng cảm biến , vi mạch thiết bị hiển thị chất lượng cao, thì thiết bị tự tạo thiết bị chủ lực hệ đo mà nhà nghiên cứu thực nghiệm phải tự chuẩn bị cho mình muốn thu kết độc đáo Vì cho học sinh làm quen với thiết bị cần thiết
Để minh họa lấy máy so màu tự tạo đường cong chuẩn của với dung dịch xanh methylen làm ví dụ (hình 5)
t
V21~T2-T1
V1
V1 V21
DÇu Parafin
§iè t T2 T1 Parafin
(a) §o theo cách th ờng Hình (3) (b) Đo nhiƯt vi sai
Bót Laser Quang trë CdS
Pin 3V Hộp thuỷ tinh dựng chất có màu Ơm kế 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Nồng độ C 10-2g/ l LnR(MΩ)
2.0
1/0
-1.0
0.0
-2.0
-3.0
(7)Ở Australia, người ta phát triển phát triển thiết bi tương tự đơn giản , chứng tỏ thíêt bị hồn tồn dùng phịng thí nghiệm sinh hóa thay cho thiết bị đắt tiền Chỉ tính riêng ý nghĩa kinh tế của thiết bị khiến người ta xửng sốt
Giá mua thiết bị so mầu tiêu chuẩn chất lượng trung bình : 1500-3500USD Vật tư cần để làm thiết bị so màu tự tạo thay máy đo chuẩn khơng cần độ xác cao giá mua vật tư Hànội nay:
Một đồng hồ vạn số 3,5 digit (50.000 đg ) Một bút laser (20.000đ) Một quang trở CdS ( 10.000đg) Ống nước PVC (2000đg) Một ống nhựa dán ống nước ( 3000đg) Một đôi pin giá để pin (15.000đg) Một đọan 6cm nhôm hộp ( thường dùng làm cửa nhơm kính ) ( 1000đg) Một thước nhựa Plexyglass (3000đg) Kính suốt : 10cm2 Một miếng giấy ráp ( 1000đg) Tổng cộng : Ít 10 USD.
Cơng cụ phải dùng : cưa; rũa.; kéo thứ cái; diêm nến
Thời gian cần để làm thiết bị , đo vẽ đường cong chuẩn ( tác giả tự làm từ A đến Z nhà) : khoảng 1,5 ngày.
KẾT LUẬN