Trong QTDH các kiến thức vật lí thuộc chƣơng trình vật lí THPT, có nhiều quá trình diễn ra rất nhanh nhƣ sự rơi tự do, các quá trình dao động tuần hoàn, quá trình lan truyền sóng, hiện tƣợng giao thoa sóng cơ…. Chúng đƣợc trình bày trên cơ sở các quan sát, đo đạc bằng thực nghiệm. Tuy nhiên do các quá trình này diễn ra rất nhanh nên ta khó hay không thể quan sát đƣợc tƣờng minh những trạng thái của các đối tƣợng cần nghiên cứu trong các quá trình đó, nhƣng việc này lại hết sức cần thiết để từ đó là cơ sở giúp HS khám phá bản chất các hiện tƣợng, từ trực quan sinh động, HS tiến hành các tƣ duy trừu tƣợng để khám phá bản chất vật lí của chính các quá trình này, cũng nhƣ các quá trình tƣơng tự không thể quan sát trực tiếp đƣợc nhƣ các quá trình dao động điện từ, sóng điện từ…
Trong thực tế dạy học hiện nay, việc sử dụng các dụng cụ đo gián tiếp, các phƣơng án TN giúp phản ánh đƣợc các dấu hiệu bản chất của hiện tƣợng vật lí đã đƣợc thực hiện và có nhiều tác động tích cực tới hiệu quả dạy học.
Trong QTDH chƣơng sóng cơ, việc cho HS quan sát hiện tƣợng giao thoa sóng, sóng dừng bằng thực nghiệm đã đƣợc thực hiện, tuy nhiên với các kết quả quan sát đƣợc qua các TN đang đƣợc thực hiện ở các trƣờng phổ thông mới chỉ dừng lại ở
các quan sát sơ bộ về hiện tƣợng mà chƣa cho HS thấy đƣợc các dấu hiệu bản chất của hiện tƣợng, cụ thể nhƣ sau:
* Giao thoa sóng nƣớc: HS có đƣợc các kết quả quan sát mặt nƣớc khi có hiện tƣợng giao thoa, mặt nƣớc có dạng các đƣờng hypebol có vị trí cố định trong khoảng giữa hai nguồn sóng và khẳng định đó là hiện tƣợng giao thoa. Tuy nhiên, phần kiến thức quan trọng nhất là trong miền giao thoa có các điểm luôn đang ở trạng thái dao động với biên độ không đổi, ở các điểm khác nhau có biên độ khác nhau, thay đổi từ 0 tới biên độ cực đại bằng tổng biên độ sóng từ hai nguồn thì HS không quan sát đƣợc (chỉ đƣợc thừa nhận khi sử dụng lí thuyết để giải thích cũng nhƣ khi sử dụng thí nghiệm mô phỏng bằng máy vi tính). Đây chính là nguyên nhân gây ra mâu thuẫn nhận thức giữa kết quả đƣợc rút ra theo con đƣờng lí thuyết và những quan sát đƣợc với những TBTN hiện có (kết quả đƣợc suy luận từ lí thuyết không giống nhƣ thực tế quan sát đƣợc ở các thí nghiệm). Nhƣ vậy, bắt buộc phải nghiên cứu hệ thống thiết bị thí nghiệm giải quyết vấn đề đó.
* Sóng dừng: HS quan sát đƣợc rõ ràng hiện tƣợng xuất hiện các nút, bụng bằng thực nghiệm. Tuy nhiên các phần tử dây vẫn đang dao động với các biên độ khác nhau, các kết quả quan trọng chứng tỏ trong hiện tƣợng sóng dừng không có sự truyền pha dao động, các phần dây trong khoảng hai nút liên tiếp luôn dao động cùng pha với nhau… không thể quan sát dễ dàng bằng thực nghiệm. Hiện tƣợng này đƣợc thí nghiệm mô phỏng bằng máy vi tính chỉ ra rất rõ trong những điều kiện cụ thể về tần số f, biên độ A và pha của sóng tới.
Một trong các phƣơng pháp nghiên cứu các quá trình cơ học diễn biến nhanh nói chung và dao động tuần hoàn có tần số lớn nói riêng là sử dụng hiệu ứng hoạt nghiệm.
Nội dung phƣơng pháp hoạt nghiệm nhƣ sau: Khi chiếu sáng vật thể đang chuyển động tuần hoàn bằng nguồn sáng không liên tục, ngắt quãng (chớp sáng), tần số chớp sáng đƣợc chọn sao cho mắt ngƣời chỉ nhìn thấy vật thể nhƣ đứng yên tại chỗ. Điều này xảy ra khi chu kì chớp sáng bằng một số nguyên lần chu kì chuyển động tuần hoàn của vật thể. Khi tần số chớp sáng đủ lớn (tƣơng ứng tần số của chuyển động tuần hoàn lớn), do ánh sáng từ đèn hoạt nghiệm chỉ chiếu đúng vào thời điểm vật ở một trạng thái (pha) trong các trạng thái (pha) khả dĩ của nó, nên mắt sẽ giữ
nguyên cảm giác nhìn thấy suốt thời gian giữa các chớp sáng và ta nhƣ thấy vật dừng lại ở trạng thái này. Khi tần số các chớp sáng của nguồn hoạt nghiệm sai khác một lƣợng nhỏ với tần số tuần hoàn của vật sẽ thấy vật ở vị trí sau mỗi lần chớp sáng dịch đi một chút ít so với vị trí của nó ở thời điểm của chớp sáng trƣớc đó. Các hình ảnh riêng lẻ hợp lại cho ta nhìn thấy nhƣ vật chuyển động chậm lại (Hình ảnh biểu kiến cho ta thấy vật chuyển động tuần hoàn với chu kì biểu kiến khá lớn so với chu kì thực). Kết quả quan sát biểu kiến nói trên dƣới các chớp sáng tuần hoàn gọi là hiệu ứng hoạt nghiệm [80]
Hoạt nghiệm có thể đƣợc dùng để chỉ ba loại cảm nhận dựa trên sự tồn tại của các hiện tƣợng nhìn:
- Đầu tiên là những thu nhận hình ảnh dừng của hành động, hoặc làm cho thế giới di chuyển trở thành đứng im. Bằng cách sử dụng hoạt nghiệm trong khi xem một quả bóng ném, mắt sẽ thấy quả bóng ở một số vị trí khác nhau dọc theo quỹ đạo của nó. Các hình ảnh khác nhƣ đổ nƣớc, sự bắn tung tóe giọt sữa, có thể đƣợc xem nhƣ là một loạt các hình ảnh tĩnh.
- Loại thứ hai của hình ảnh hoạt nghiệm là để cho một loạt các hình ảnh kế tiếp nhau xuất hiện và cho cảm giác về hình ảnh chuyển động liên tục. Ví dụ quen thuộc nhất của việc này là “lật sách” Mỗi hình ảnh vẫn còn đƣợc lƣu lại và kết hợp với hình ảnh tiếp theo. Đây là cơ sở cho tất cả các bộ phim, hoạt hình, và video.
- Cuối cùng, hình ảnh hoạt nghiệm có thể đƣợc coi nhƣ là một sự kết hợp của hai trƣờng hợp trên. Thay vì ngừng chuyển động, hoặc hoạt họa, các hình ảnh biểu kiến có thể gây ra cảm nhận chuyển động tuần hoàn để tăng tốc độ hoặc làm chậm. Nếu ta quan sát một vòi nƣớc nhỏ giọt đều đặn, có thể sử dụng hiệu ứng hoạt nghiệm để nhìn thấy từng giọt tại một vị trí xác định. Điều này sẽ cho quan sát thấy sự rơi rất chậm của các giọt nƣớc sau khi rời vòi [95]
Nhƣ vậy hiệu ứng hoạt nghiệm giúp cho ngƣời quan sát các quá trình tuần hoàn một cách dễ dàng và hoàn toàn xác định đƣợc bản chất thực của quá trình thông qua quan sát biểu kiến.
Các yêu cầu đối với đèn hoạt nghiệm
- Điều chỉnh đƣợc thời gian sáng tắt; - Hoạt động ổn định, giá thành thấp. b) Cấu tạo của TBTN đèn hoạt nghiệm
Phƣơng án 1: Đƣợc sử dụng từ năm 1832, phát minh bởi Joseph Plateau (Bỉ).[1 ] Nguồn sáng là đèn sợi đốt, chắn trƣớc đèn là đĩa hoạt nghiệm, là một đĩa tròn trên đó có các khe cùng kích thƣớc, cách đều nhau các góc xác định trên một vành tròn. Khoảng cách giữa các khe và kích thƣớc mỗi khe cùng với tốc độ quay của đĩa cho kết quả chùm sáng qua khe chiếu sáng vật thể trong các thời gian liên tiếp bằng nhau, gián đoạn. Đĩa chắn sáng đƣợc gắn vào một moto điện một chiều có thể thay đổi đƣợc tốc độ quay, qua đó điều
chỉnh đƣợc thời gian của mỗi chớp sáng và thời gian che sáng. Phƣơng án này có ƣu điểm là dễ chế tạo, tuy nhiên có nhƣợc điểm khó điều chỉnh và đo chính xác thời gian chớp sáng, tần số chớp sáng…
Phƣơng án 2: Chúng tôi lựa chọn phƣơng án sử dụng nguồn sáng là đèn LED siêu sáng sẵn có
trên thị trƣờng, đèn hoạt động nhờ một nguồn hoạt nghiệm đƣợc sử dụng vi điều khiển (Tín hiệu cung cấp đã đƣợc số hóa), có thể điều chỉnh đƣợc tần số, thời gian đèn sáng (Ts) và thời gian giữa hai chớp sáng liên tiếp (thời gian tắt sáng Tt ).
Toàn bộ mạch đƣợc lắp ráp và đặt trong hộp nhỏ, có 6 nút điều chỉnh tần số qua thời gian đèn sáng, đèn tắt. Hình ảnh hoàn chỉnh của bộ thiết bị nhƣ hình 3.4.
Bộ chỉ thị bằng màn hình tinh thể lỏng của bộ nguồn hoạt nghiệm cho biết các thông số:
Ts: Thời gian đèn sáng của mỗi chớp sáng [ms] Tt: Thời gian đèn tắt sau mỗi chớp sáng [ms]
Tần số chớp sáng: f – Đƣợc xác định bằng số chớp sáng trong 1 giây, sai số 0.05%.
1
http://en.wikipedia.org/wiki/Stroboscope
c) Kết quả thử nghiệm và đánh giá
Khi sử dụng LED làm đèn hoạt nghiệm, lựa chọn loại LED trắng, vùng phát sáng chọn loại 1 nền có diện tích phát sáng nhỏ (không sử dụng loại gồm nhiều phần tử phát sáng), công suất lựa chọn từ 5-10W. Với tần số chớp sáng lớn, cần tăng công suất nguồn cho đèn để đảm bảo cƣờng độ sáng theo yêu cầu của quan sát hiện tƣợng nghiên cứu.
Nguồn đèn hoạt nghiệm đƣợc chế tạo riêng nhƣ đã trình bày, có tần số tối đa là 99Hz. Nếu sử dụng máy phát tần số kép với chức năng nguồn đèn hoạt nghiệm, tần số chớp sáng tối đa là 200Hz.
TBTN đèn hoạt nghiệm đƣợc chế tạo đáp ứng đƣợc các yêu cầu nghiên cứu các hiện tƣợng tuần hoàn của sóng cơ, nhìn rõ ràng, an toàn, điều chỉnh dễ dàng.
d) Đề xuất sử dụng
Để sử dụng TBTN đèn hoạt nghiệm trong dạy học, bƣớc đầu tiên cần cho HS nắm đƣợc phƣơng pháp hoạt nghiệm là gì, ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp hoạt nghiệm trong nghiên cứu các quá trình vật lí. Phần hƣớng dẫn này GV có thể thông qua yêu cầu giải một số bài tập tính toán chu kì biểu kiến của dao động điều hòa đƣợc quan sát bởi các chớp sáng hoạt nghiệm khi đã biết chu kì chớp sáng, chu kì dao động của vật, qua đó HS làm quen với việc xác định kết quả chuyển động thực của vật qua các kết quả thu đƣợc bởi việc quan sát biểu kiến, đo chu kì biểu kiến.
TBTN đèn hoạt nghiệm trong nghiên cứu các hiện tƣợng Sóng cơ: Với bài giao thoa sóng nƣớc, sau khi suy luận lí thuyết rút ra các kết luận, cần sử dụng thí nghiệm mô phỏng về hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc này, cho thấy sự dao động với những biên độ khác nhau của những phần tử môi trƣờng ở những vị trí khác nhau. Sau đó hiện tƣợng giao thoa đƣợc quan sát bằng phƣơng pháp hoạt nghiệm nhằm chứng tỏ những gì chỉ ra ở kết luận (suy ra từ suy luận lí thuyết), đƣợc trực quan hóa ở thí nghiệm mô phỏng, đều đƣợc quan sát thấy ở thí nghiệm thật nhờ phƣơng pháp hoạt nghiệm. Với bài sóng dừng, sau khi quan sát hiện tƣợng qua TN, xây dựng mô hình lí thuyết về sóng dừng từ suy luận lí thuyết và sử dụng thí nghiệm mô phỏng về sóng dừng trong điều kiện f, A, pha ban đầu cụ thể để HS thấy dao
động của những phần tử nằm từ nút và bụng. Sau đó, cần cho HS quan sát sợi dây dƣới ánh sáng của đèn hoạt nghiệm, qua đó kiểm chứng kết luận đƣợc rút ra từ suy luận lí thuyết về sự dao động của từng phần dây và nêu đƣợc bản chất của hiện tƣợng sóng dừng.
3.2.1.4. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm giao thoa sóng nước
TBTN giao thoa sóng nƣớc gồm 3 TBTN thành phần (TBTN nguồn dao động, TBTN máy phát tần số kép, TBTN đèn hoạt nghiệm) đƣợc sử dụng phối hợp để tiến hành đƣợc 8 TN:
- Thí nghiệm 1: Khảo sát độ lệch pha giữa các dao động, ý nghĩa của độ lệch pha với các dao động khác nhau.
- Thí nghiệm 2: Khảo sát đặc trƣng vật lí và sinh lí của sóng âm: Độ cao, độ to. - Thí nghiệm 3: Khảo sát giao thoa sóng nƣớc.
- Thí nghiệm 4: Kiểm chứng hệ quả của lí thuyết giải thích hiện tƣợng giao thoa. - Thí nghiệm 5: Khảo sát điều kiện để có hiện tƣợng giao thoa.
- Thí nghiệm 6: Xác định bƣớc sóng, tốc độ truyền sóng dựa trên hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc.
- Thí nghiệm 7: Khảo sát sự dao động của các phần tử mặt nƣớc trong hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc.
- Thí nghiệm 8: Sử dụng máy phát tần số kép với chức năng nguồn phát đèn hoạt nghiệm trong khảo sát dao động của phần tử dây khi có sóng dừng.
Sau đây chúng tôi sẽ lần lƣợt mô tả cụ thể từng TN theo cấu trúc: Mục đích TN, dụng cụ TN, bố trí dụng cụ TN, tiến hành TN, quan sát hiện tƣợng, thu thập số liệu, phân tích xử lí thông tin, số liệu rút ra kết luận.
Hình 3.5 Giao diện modul khảo sát độ lệch pha giữa các dao động
Thí nghiệm 1: Khảo sát độ lệch pha giữa các dao động, ý nghĩa của độ lệch pha với các dao động khác nhau
Mục đích TN: Khảo sát độ lệch pha giữa các dao động, ý nghĩa của độ lệch pha với các dao động khác nhau.
Dụng cụ TN: Sử dụng máy phát tần số kép ghép nối máy tính, hiển thị trên màn hình.
Bố trí lắp đặt TN: Máy phát tần số kép ghép nối máy tính qua cổng USB, bật nguồn máy phát tần số, khởi động phần mềm ghép nối, chọn tab “Tính khoảng cách” bằng chuột trái, quan sát hình ảnh đồ thị trên màn hình.
Tiến hành TN:
Dựa vào hình ảnh đồ thị, sử dụng chuột trái ấn giữ di chuyển các con trỏ trên màn hình đồ thị, đạt vị trí đầu (X1,Y1), cuối (X2,Y2) và nhả nút để cố định vị trí cần đo các tọa độ x (phƣơng ngang – Cho biết giá trị thời điểm t (ms)) tọa độ y (phƣơng thẳng đứng – Cho biết li độ tín hiệu điện áp kênh 1, 2 tính theo Vôn (V)). Các giá trị đo đƣợc hiển thị trên màn hình khung bên phải, khoảng các các điểm đầu cuối hiển thị ở cuối bảng.
Quan sát hiện tƣợng, thu thập số liệu: Ghi nhận hình ảnh đồ thị (Hình 3.4).. Từ đồ thị cần đo 2 giá trị: + Khoảng cách theo phƣơng X giữa hai đỉnh liên tiếp của mỗi đồ thị (Xác định một tín hiệu dao động điều hòa) từ đó xác định đƣợc chu kì T của mỗi dao động; Khoảng thời gian giữa hai trạng thái cùng pha của hai dao động từ đó biết đƣợc t.
Phân tích xử lí thông tin, số liệu rút ra kết luận: Có thể sử dụng với tác dụng mô phỏng hai dao động cùng tần số, đƣợc hiển thị dƣới dạng đồ thị. Để xác định độ lệch pha dựa vào đồ thị, HS cần đề xuất đƣợc phƣơng án đo. Từ lí thuyết, HS có thể dự đoán cách đo: Xác định các vị trí trên đồ thị sao cho các dao động cùng trạng thái nhƣng ở những thời điểm khác nhau, đo khoảng cách giữa hai vị trí đó tính đƣợc độ lệch thời gian t giữa hai trạng thái, từ đó tính đƣợc 2 f t . GV chú ý cho HS cách đo khoảng cách đơn giản nhất là từ tọa độ của đỉnh hình sin ứng với hai đồ thị dao động gần nhau nhất. Để kiểm tra kết quả đo, HS chỉ cần chuyển sang chế độ Độ lệch pha trên màn hình. Để vận dụng trong thực tế, HS quan sát sự nhấp nháy của hai bóng đèn trên mặt máy phát tần số kép. Nên cho HS tập dƣợt trong các trƣờng hợp có độ lệch pha thƣờng gặp, đƣợc sử dụng trong nghiên cứu các kiến thức phần sóng cơ, dòng điện xoay chiều: Cùng pha, ngƣợc pha, vuông pha, lệch pha 2π/3. Mục tiêu đạt đƣợc: HS có năng lực nhận biết các trƣờng hợp lệch pha cơ bản và cách tính độ lệch pha thông qua đồ thị, cảm nhận đƣợc độ lệch pha cơ bản qua quan sát sự nhấp nháy giữa hai bóng đèn sử dụng tín hiệu dao động điện khảo sát.
Thí nghiệm 2: Khảo sát các đặc trưng vật lí và sinh lí của sóng âm
Mục đích TN: Khảo sát các đặc trƣng vật lí và sinh lí của sóng âm.
Dụng cụ TN: Sử dụng máy phát tần số kép ghép nối máy tính, hiển thị trên màn hình, hai loa điện động.
Bố trí lắp đặt TN: Nối loa điện động với đầu ra 1 hoặc 2 kênh, máy phát tần số kép đƣợc ghép nối với máy tính qua cổng USB, khởi động phần mềm ghép nối.