Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học

10. Cấu trúc của luận văn

2.1.2. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học

Bảng 2.1. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học

Mục tiêu

Nội dung

MỤC TIÊU CHI TIẾT

Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Xác định tiêu cự của thấu kính phân kỳ

- Biết điều chỉnh khoảng cách vật, thấu kính, màn chắn phù hợp để thu được ảnh thật rõ nét trên màn chắn. - Ghi chép số liệu một cách khoa học.

- Tính được đại lượng cần đo theo công thức.

- Tính được sai số của phép đo. - Biết cách lựa chọn phương án thí nghiệm và các dụng cụ thí nghiệm thích hợp cần thiết để tiến hành xác định tiêu cự của thấu kính phân kì.

- Viết được công thức tính vị trí ảnh tạo bởi hệ thấu kính. - Lập được mối quan hệ giữa vị trí ảnh và tiêu cự thấu kính qua hệ gồm thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì. - Nhận dạng được thấu kính hội tụ, thấu kính phân kì, vật, màn chắn. - Lắp ráp được thí nghiệm thực hành. - Sử dụng an toàn nguồn điện. - Biết cách đo khoảng cách giữa các thấu kính và khoảng cách d, d’ trên giá. - Biết rút ra nhận xét và trình bày kết quả thực hành.

50

2.1.3. Nội dung bài thực hành: “Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì”

2.1.3.1. Mục đích thí nghiệm

- Mô tả được phương pháp xác định tiêu cự của thấu kính phân kì bằng cách ghép nó đồng trục với một thấu kính hội tụ để tạo ra ảnh thật của vật thật qua hệ hai thấu kính.

- Sử dụng dụng cụ thí nghiệm, lắp ráp, bố trí các linh kiện quang và kĩ năng tìm ảnh của vật cho bởi thấu kính.

2.1.3.2. Thiết kế phương án thí nghiệm

Đối với vật AB, thấu kính phân kỳ L luôn tạo ra ảnh ảo A’B’ (không hứng được trên màn ảnh M). Vì thế ta không thể biết chính xác vị trí của ảnh ảo A’B’ và do đó không đo trực tiếp được các khoảng cách d và d’ từ thấu kính phân kỳ L đến vật AB và đến ảnh A’B’ để xác định tiêu cự của thấu kính phân kì theo công thức:

1 1 1 d.d'

' f d+d'

d d  f   (1)

Để khắc phục khó khăn này, ta có thể tiến hành xác định tiêu cự của thấu kính phân kì L bằng cách ghép thấu kính phân kỳ L với thấu kính hội tụ L0 để tạo thành một hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0) và khảo sát sự tạo ảnh của vật AB qua hệ thấu kính này.

Có thể thiết kế phương án thí nghiệm như sau:

a) Phương án 1:

Thấu kính phân kì L được đặt trước thấu kính hội tụ L0 sao cho ảnh ảo ' '

1 1

A B của vật thật AB tạo bởi thấu kính phân kì L được dùng làm vật thật đối

với thấu kính hội tụ L0 và cho một ảnh thật A B2' 2' hiện rõ nét nhất trên màn ảnh M.

51

Hình 2.1. Sơ đồ thiết kế phương án 1, bài thí nghiệm Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì

- Đặt vật AB tại vị trí (1) trước thấu kính hội tụ L0 để thu được ảnh thật A’B’ rõ nét nhất trên màn M.

- Giữ cố định thấu kính L0 và màn ảnh M. Dịch vật AB tới vị trí (2) gần đèn chiếu Đ hơn. Đặt thấu kính phân kì L trong khoảng giữa vật AB và thấu kính hội tụ L0. Trường hợp này, ảnh ảo A B tạo ra bởi thấu kính phân kì L trở 1' 1'

thành vật thật đối với thấu kính hội tụ L0. Sau đó dịch chuyển thấu kính phân kì L để thu được ảnh thật A B hiện rõ nét trên màn ảnh M. Khi đó ảnh ảo 2' 2'

' ' 1 1

A B sẽ nằm đúng tại vị trí (1) của vật AB.

Như vậy, nếu đo khoảng cách d từ vị trí (2) của vật AB và khoảng cách |d’| từ vị trí (1) của vật này đến thấu kính phân kì L, ta sẽ tính được tiêu cự f của thấu kính phân kì L theo công thức (1), trong đó d > 0, d’ < 0 và f < 0.

' 1 A ' 1 B ' 2 A ' 2 B ' 0 F ' 0 F ' A ' B 0 L B A (1) M 0 L L A B ' F ' d d

52

b) Phương án 2:

Thấu kính phân kì L được đặt ở sau thấu kính hội tụ L0 tạo thành một hệ thấu kính đồng trục sao cho ảnh thật rõ nét A B ngược chiều và nhỏ hơn 1' 1'

vật AB cho bởi thấu kính hội tụ L0 phải nằm ở phía sau thấu kính phân kì L, đóng vai trò vật ảo và nằm trong tiêu cự vật của thấu kính phân kì. Khi đó, trên màn ta thu được ảnh thật rõ nét A B của vật 2' 2' A B cho bởi thấu kính 1' 1'

phân kì.

Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế phương án 2, bài thí nghiệm Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì

- Đặt vật AB trước thấu kính hội tụ L0 để thu được ảnh thật A B1' 1' rõ nét nhất trên màn M.

- Giữ cố định vật AB và thấu kính L0. Đặt thấu kính phân kì vào trước màn. Trong trường hợp này, ảnh thật A B tạo ra bởi thấu kính hội tụ L1' 1' 0 trở thành vật ảo đối với thấu kính phân kì. Để thu được ảnh thật qua thấu kính phân kì L0 thì vật ảo A B1' 1' phải nằm trong khoảng tiêu cự vật của thấu kính phân kì L0. Sau đó dịch màn ra xa thấu kính phân kì để thu được ảnh thật

' ' 2 2

A B hiện rõ nét trên màn ảnh M.

Như vậy, nếu đo khoảng cách |d| từ vị trí vật ảo A B và khoảng cách d’ 1' 1'

' 1 A ' 1 B ' 2 A ' 2 B M ' d d ' F 0 F 0 L L A B

53

từ vị trí của màn M đến thấu kính phân kì L, ta sẽ tính được tiêu cự f của thấu kính phân kì L theo công thức (1), trong đó d < 0, d’ > 0 và f < 0.

2.1.3.3. Lựa chọn Dụng cụ thí nghiệm

- Giá quang học có gắn thước thẳng dài 70cm; 05 đế trượt để cắm đèn, vật, hai thấu kính và màn ảnh.

- 01 thấu kính hội tụ L0. - 01 thấu kính phân kì L.

- 01 đèn Đ chiếu sáng 12V – 21W.

- Vật AB có dạng hình số 1 nằm trong lỗ tròn của tấm nhựa.

- Màn ảnh M.

- 01 nguồn điện U (AC-DC: 0-3-9-12V/3 A). - Bộ hai dây dẫn có đầu phích cắm.

2.1.3.5. Các bước tiến hành thí nghiệm

a) Thao tác thí nghiệm theo phương án 1:

Hình 2.3. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

54

Hình 2.4. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì

- Thao tác 1: Cắm phích lấy điện của đèn Đ vào lỗ cắm của nguồn điện

xoay chiều. Vặn núm xoay của nguồn đến vị trí 12 V, bật công tắc để đèn Đ phát sáng.

- Thao tác 2: Đặt vật AB, thấu kính hội tụ L0 và màn ảnh M lên giá quang học, vuông góc với chiều dài của giá:

+ Vật AB đến vị trí (1) cách đèn Đ khoảng 10 đến 15 cm. Ghi vị trí (1) của vật AB vào Bảng thực hành phương án 1;

+ Thấu kính hội tụ L0 và màn ảnh M ở gần sát phía sau vật AB. Điều chỉnh đèn Đ sao cho vòng tròn sáng do nó phát ra chiếu vừa kín mặt lỗ tròn chứa vật AB và truyền qua vùng chính giữa thấu kính L0;

+ Dựa vào điều kiện tạo ảnh thật của thấu kính hội tụ đối với vật để phối hợp dịch chuyển thấu kính hội tụ và màn xa dần vật AB cho tới khi thu được ảnh thật A’B’ lớn hơn vật, hiện rõ nét trên màn M.

- Thao tác 3: Giữ cố định vị trí của thấu kính hội tụ L0 và màn M. Dịch vật AB rời xa thấu kính hội tụ L0 thêm 5cm, đến vị trí (2). Đặt thấu kính phân kì L vào khoảng giữa vật AB và thấu kính hội tụ L0, ghép thành một hệ hai thấu kính đồng trục (L, L0) trên giá quang học.

55

Dựa vào điều kiện tạo ảnh ảo của thấu kính phân kì đối với vật thật để dịch chuyển thấu kính phân kì L cho tới khi thu được ảnh thật A B2' 2' hiện rõ nét nhất trên màn ảnh M.

Ghi vào Bảng thực hành phương án 1 giá trị của:

+ Khoảng cách d từ vị trí (2) của vật AB đến thấu kính phân kì L; + Khoảng cách |d’| từ vị trí (1) của vật AB đến thấu kính phân kì L. - Thực hiện 5 lần các thao tác 2 và 3 ở trên ứng với cùng vị trí (1) đã chọn của vật AB.

- Xác định tiêu cự f của thấu kính phân kì L theo công thức d.d' d+d'

f  ,

chú ý qui ước về dấu đại số của các đại lượng d, d’ và f.

Bảng 2.2. Bảng số liệu bài thực hành số 1 - phương án 1

Vị trí (1) của vật AB cách đèn ... (mm) Lần đo d (mm) |d’| (mm) f (mm) f (mm) 1 2 3 4 5 Trung bình f = ... (mm) f = ... (mm)

56

b) Thao tác thí nghiệm theo phương án 2:

Hình 2.5.Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

Hình 2.6. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì

- Thao tác 1: Cắm phích lấy điện của đèn Đ vào lỗ cắm của nguồn điện

xoay chiều. Vặn núm xoay của nguồn đến vị trí 12 V, bật công tắc để đèn sáng.

- Thao tác 2: Đặt vật AB, thấu kính hội tụ L0 và màn ảnh M lên giá quang học, vuông góc với chiều dài của giá, dựa vào điều kiện tạo ảnh thật của thấu kính hội tụ đối với vật để phối hợp dịch chuyển thấu kính hội tụ và màn xa dần vật AB cho tới khi thu được ảnh thật A B1' 1' nhỏ hơn vật, hiện rõ nét trên màn M. Đánh dấu vị trí (1) của ảnh A B trên băng quang học. 1' 1'

- Thao tác 3: Giữ cố định vị trí của vật và thấu kính hội tụ L0. Đặt thấu kính phân kì L vào khoảng giữa thấu kính hội tụ và màn, cách màn khoảng

57

35mm. Dịch dần màn ra xa thấu kính phân kì tới vị trí (2) thu được ảnh A B rõ 2' 2'

nét nhất trên màn.

Ghi vào Bảng thực hành phương án 2 giá trị của:

+ Khoảng cách |d| từ vị trí (1) của vật ảo A B đến thấu kính phân kì L; 1' 1'

+ Khoảng cách d’ từ vị trí (2) của ảnh A B đến thấu kính phân kì L. 2' 2'

- Thực hiện 5 lần các thao tác 2 và 3 ở trên ứng với cùng vị trí đã chọn của vật AB và thấu kính hội tụ L0; giá trị của d gần với giá trị của d ở trên.

- Xác định tiêu cự f của thấu kính phân kì L theo công thức d.d' d+d'

f  ,

chú ý qui ước về dấu đại số của các đại lượng d, d’ và f.

Bảng 2.3. Bảng số liệu bài thực hành số 1 - phương án 2

Lần đo |d| (mm) d’ (mm) f (mm) f (mm) 1 2 3 4 5 Trung bình f = ... (mm) f = ... (mm)

2.1.4. Những khó khăn khi làm thực hành phần Quang hình học

Trong khi giảng dạy bài thực hành phần Quang hình học, tôi cũng xin ý kiến thêm của giáo viên dạy Vật lí trong nhà trường cùng học sinh khối 11 và thu nhận được một số khó khăn như sau:

- Về giáo viên:

58 trí ảnh rõ nét.

+ Hướng dẫn học sinh làm thí nghiệm vô cùng khó khăn. Gần như học sinh chỉ là bắt chước giáo viên và làm theo, chưa có thời gian tự tìm tòi, tự tìm hiểu để đưa ra phương án thí nghiệm.

-Về học sinh:

+ Không được sử dụng thí nghiệm nhiều vì dụng cụ ít, không xử lí được các tình huống xảy ra.

+ Xác định sai vị trí cho ảnh rõ nét trên màn nên không đưa ra được kết quả cần tính.

+ Không được chuẩn bị làm thử thí nghiệm trước ở nhà, trên lớp giáo viên không có thời gian hướng dẫn nhiều, lớp lại đông.

+ Nhà trường được cung cấp 6 bộ thí nghiệm thực hành phần Quang hình học nên có những học sinh còn chưa được sử dụng hay chạm vào thí nghiệm, vì một nhóm có đến 6 – 8 người mà chỉ có một bộ thí nghiệm.

Vậy là với cách học và cách dạy như hiện nay đã làm cho giáo viên thực sự rất vất vả trong 2 tiết thực hành và học sinh thì không thu lượm được nhiều kiến thức cũng như không có đủ thời gian để rèn kĩ năng thực hành.

2.2. Đề xuất các giải pháp xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành phần Quang hình học Vật lí ảo hỗ trợ thực hành phần Quang hình học

2.2.1. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ quá trình tự học, tự nghiên cứu ở nhà của học sinh tự học, tự nghiên cứu ở nhà của học sinh

Ứng dụng công nghệ thông tin theo hướng tăng tính tích cực tự lực, sáng tạo, tự học, tự nghiên cứu của học sinh nhằm rèn luyện kĩ năng thí nghiệm với các ứng dụng cụ thể như xây dựng các bài giảng điện tử, học sinh sử dụng bài giảng điện tử khai thác nguồn tài nguyên như tài liệu học tập dạng pdf, file Word, html, ppt...; phần mềm thí nghiệm ảo dưới dạng Java Applet, Swf...,

59

các Video, âm thanh minh họa hiện tượng vật lí hoặc các bài giảng, giúp học sinh nghiên cứu bài thực hành trước khi đến phòng thí nghiệm.

Ví dụ, khi dùng phần mềm ở nhà học sinh có thể tìm hiểu dụng cụ cần thiết của thí nghiệm, có thể tự tiến hành thí nghiệm bằng phần mềm, biết trước những việc sẽ làm trong giờ thực hành. Hơn nữa còn giúp học sinh có thời gian suy nghĩ phát hiện ra phương án mới. Nhấn chuột vào các dụng cụ sẽ cho phép học sinh chọn dụng cụ khi làm thí nghiệm.(hình 2.7)

Hình 2.7. Màn hình lựa chọn dụng cụ thí nghiệm

Ngày nay, với sự phát triển của CNTT, nhiều phần mềm hỗ trợ đóng gói tư liệu như Reload editor, VNUCE, Adobe Presenter … Các phần mềm này cho phép đóng gói các tư liệu học tập thành các trang Web, có thể đưa ra các đĩa CD hoặc đóng gói theo chuẩn SCORM, cho phép chạy trên các Flatform như Moodle, Ilias, WebCT, Blackboard thuận lợi, dễ dàng mà không đòi hỏi kiến thức, kĩ năng CNTT cao. Học sinh ở nhà chỉ cần có máy tính là có thể tự tìm hiểu và học tập một cách dễ dàng.

60

2.2.2. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ làm quen với các thiết bị thí nghiệm thực và xây dựng quy trình thao tác tiến hành thực hành thí nghiệm thực

Phim và băng video quay các thí nghiệm vật lí đã được sử dụng như các phương tiện trực quan nhằm giới thiệu về các thí nghiệm vật lí thực cùng kinh nghiệm trong tiến hành thí nghiệm. Những phương tiện này cũng đem lại hiệu quả cho giáo viên, học sinh khi dạy và học, nhưng việc điều khiển là rất hạn chế bởi quá trình chạy và dừng chúng. Khi đã chạy đoạn phim hoặc video thì mọi thông tin đều thực hiện theo kịch bản của đoạn phim. Khả năng quan trọng nhất của người giáo viên có kinh nghiệm là chọn các đoạn phim cần thiết, thực tế việc lựa chọn này chiếm rất nhiều thời gian trong khi nhu cầu của giáo viên và học sinh là những nội dung cần thiết phải được đưa ra ngay lập tức khi nhấn nút điều khiển, điều này thì những phim, video thông thường không thực hiện được.

Trong các phương tiện truyền thống, thí nghiệm vật lí thực được giới thiệu như các video kĩ thuật số, các đoạn video được số hóa và chạy trên máy vi tính giúp điều khiển các đoạn video dễ dàng hơn, tuy nhiên khi các đoạn video chạy thì các thông tin đưa ra được điều khiển bởi thiết bị chứ không phải từ người học hay người dạy.

Thí nghiệm tương tác trên màn hình là kiểu phương tiện mới nhằm giới