Chức năng: TBTN nguồn dao động tạo ra hai nguồn dao động (nguồn sóng) trên mặt nƣớc. Hai nguồn sóng này có thể thay đổi tần số của mỗi nguồn một cách độc lập.
TBTN nguồn dao động có cấu tạo nhƣ hình 3.1.
- Mỗi nguồn sóng (1) sử dụng cuộn dây có lõi thép kĩ thuật. Cần rung làm bằng vật liệu sắt từ ở phần gần đầu cuộn dây. Phần nối dài có chiều dài 15mm. Cuối cần rung có gắn khối bán cầu nhỏ (2). Khối bán cầu đƣợc tiếp xúc với mặt nƣớc, khi cần rung dao động, khối bán cầu sẽ tạo trên mặt nƣớc một sóng tròn.
- Hai nguồn sóng (1) giống hệt nhau, mỗi nguồn đƣợc gắn tƣơng ứng trên một thanh kim loại (3).
Cách điều chỉnh:
- Khoảng cách giữa hai nguồn sóng có thể điều chỉnh đƣợc nhờ điều chỉnh góc lệch giữa thanh kim loại (3) trong khoảng từ 10 tới 100mm.
- Tần số của hai nguồn sóng có thể điều chỉnh chính xác từ 1Hz đến 200Hz nhờ TBTN máy phát tần số kép (Sẽ mô tả ở phần 3.2.1.3).
Hình 3.1 Nguồn sóng sử dụng trong TN giao thoa sóng nƣớc c) Kết quả thử nghiệm đánh giá
- Ƣu điểm:
+ Khử bỏ đƣợc hiện tƣợng dao động ngang khi hoạt động.
+ Có thể điều chỉnh chính xác tần số dao động nhờ điều chỉnh tần số dòng điện xoay chiều cung cấp bởi máy phát tần số sẵn có trong phòng TN.
+ Có thể điều chỉnh tần số từng nguồn.
+ Có thể thay đổi và đo đƣợc khoảng cách giữa các nguồn.
+ Có thể thay đổi độ lệch pha dao động giữa các nguồn (khi cùng tần số) và sử dụng với máy phát tần số kép.
+ Đáp ứng đƣợc các yêu cầu nêu trên khi tổ chức dạy học theo logic tiến trình khoa học xây dựng kiến thức theo con đƣờng học nhƣ NCVL, phát huy tính tích cực và sáng tạo của HS mà bộ TN hiện có tại các trƣờng phổ thông không thực hiện đƣợc.
+ Chế tạo đơn giản, giá thành thấp. Hoạt động ổn định, điều chỉnh dễ dàng. - Nhƣợc điểm:
Chƣa định lƣợng đƣợc biên độ dao động (vì biên độ nhỏ). d) Đề xuất sử dụng
- Sử dụng cùng máy phát tần số có sẵn ở các trƣờng hoặc sử dụng với máy phát tần số kép (đƣợc nghiên cứu và trình bày trong LA) để mở rộng phạm vi sử dụng. Thay thế cho các nguồn sóng nƣớc hoạt động thiếu ổn định hiện có.
- Cần sử dụng với khay nƣớc với chiều dày lớp nƣớc tối thiểu từ 3 cm, thành khay nƣớc cần đặt nghiêng (nhằm giảm tối đa nhiễu sóng phản xạ từ thành và đáy khay nƣớc lên mặt nƣớc).
- Sử dụng trong tiến trình dạy học đƣợc đề xuất ở phần tiếp theo.
3.2.1.2. Thiết bị thí nghiệm máy phát tần số kép
a) Sự cần thiết phải chế tạo TBTN máy phát tần số kép
Khi nghiên cứu hiện tƣợng giao thoa sóng cơ cần có hai nguồn kết hợp có độ lệch pha theo yêu cầu, không chỉ các trƣờng hợp đặc biệt nhƣ cùng pha, ngƣợc pha, vuông pha mà còn cần có độ lệch pha bất kì nhằm đáp ứng các phƣơng án thí nghiệm do HS đề xuất, giúp HS và GV có đủ dữ kiện thực nghiệm kiểm chứng các kết quả thu đƣợc từ lí thuyết sóng. Đặc biệt, tìm điều kiện để có giao thoa sóng bằng thực nghiệm bắt buộc phải thực hiện đƣợc sự thay đổi pha dao động của nguồn theo thời gian để xác nhận chỉ có giao thoa khi hai nguồn có độ lệch pha không đổi. Hiện nay chƣa có bộ TBTN giao thoa sóng nƣớc nào đáp ứng đƣợc yêu cầu trên của QTDH. Giải pháp thay thế là sử dụng TN mô phỏng để thực hiện. Tuy nhiên, do đặc điểm và chức năng của TN mô phỏng trong dạy học không thể sử dụng làm TN khảo sát hay kiểm chứng đƣợc, nên cần có TBTN thực do chúng tôi đề xuất, nghiên cứu để thực hiện.
Vì các lí do trên, chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo bộ nguồn phát tần số kép (phần cứng) và phần mềm điều khiển ghép nối thiết bị với máy vi tính để hiển thị rõ ràng và điều khiển dễ dàng các tần số nguồn dao động, độ lệch pha giữa hai nguồn, đáp ứng đƣợc các yêu cầu của TBTN hỗ trợ QTDH.
Các yêu cầu với máy phát tần số kép
- Tạo ra hai tín hiệu điện áp xoay chiều (hai kênh riêng biệt) hình sin có thể điều chỉnh và định lƣợng đƣợc tần số, biên độ từng kênh một cách độc lập hoặc đồng thời.
- Tín hiệu đƣợc hiển thị tần số trên thiết bị. Có đèn báo chớp sáng mô tả trực quan tín hiệu điện áp cung cấp.
- Tạo ra hai tín hiệu điện áp xoay chiều cùng tần số, có độ lệch pha có thể điều chỉnh đƣợc nhanh chóng (Cùng pha, vuông pha, ngƣợc pha) và điều chỉnh giá trị theo từng độ.
- Tần số, độ lệch pha đƣợc điều chỉnh, hiển thị trên màn hình qua phần ghép nối máy tính giúp cả lớp quan sát đƣợc dễ dàng.
b) Cấu tạo máy phát tần số kép
Hình 3.2 là sơ đồ khối cấu tạo của máy phát tần số kép.
Hình 3.2 Sơ đồ khối cấu tạo của máy phát tần số kép
Các thành phần cấu tạo nên máy phát tần số kép đƣợc đóng gọn trong hộp nhựa chuyên dụng, đáp ứng quy chuẩn an toàn. Các nút điểu chỉnh nhẹ, dễ dàng, có hƣớng dẫn bằng tiếng Việt rõ ràng trên mặt máy.
Để thuận lợi cho việc sử dụng của GV, trên cơ sở các máy vi tính cài đặt các hệ điều hành khác nhau tại các trƣờng THPT, chúng tôi đã lựa chọn phƣơng án ghép nối máy tính thông qua cổng chuyển đổi COM/USB, tƣơng thích với tất cả các hệ điều hành Windows (Windows XP, Windows 7, Windows 8: 32 hoặc 64bit). Giao diện hiển thị của phần mềm ghép nối, điều khiển đƣợc thiết kế hƣớng đến phục vụ
Vi mạch điều khiển trung tâm
Led hiển thị 7 thanh, Công tắc, Nút chỉnh
Mạch tạo nguồn ổn áp điều chỉnh vô cấp ( có bảo vệ quá dòng)
Tạo ra nguồn điện áp có biên độ, tần số và góc pha điều chỉnh đƣợc Kết nối tín hiệu với máy tính
qua cổng USB
tốt nhất cho việc quan sát thu thập số liệu của HS và việc thiết kế tiến trình dạy học đa dạng (Cho nhiều nội dung, nhiều tình huống thực dạy) dành cho GV.
Phần mềm điều khiển thiết bị đƣợc lập trình riêng biệt, đƣợc thử nghiệm và cải tiến liên tục đáp ứng yêu cầu dạy học (Hiện nay là phiên bản 1.0.05). Phần mềm đƣợc hƣớng dẫn đầy đủ bằng tiếng Việt, thuận lợi cho các GV khi cài đặt.
Hình 3.3 gồm hai phần: Máy phát tần số kép (bên trái) đƣợc ghép nối truyền thông với máy tính, hiển thị trên màn hình là giao diện phần mềm điều khiển máy phát tần số kép.
c) Kết quả thử nghiệm và đánh giá
Máy phát tần số kép đã đƣợc chế tạo có các tính năng đúng nhƣ thiết kế: Tạo ra dao động điện tuần hoàn với tần số phát tùy ý nhảy bậc từ 1 tới 200Hz, biên độ điện áp tối đa 24V, cƣờng độ dòng điện hiệu dụng tối đa đạt tới 1A. Máy phát đƣợc thiết kế bộ phận bảo vệ tự động ngắt khi quá tải và khôi phục lại dễ dàng.
Đặc biệt đầu ra có hai kênh có thể điều chỉnh hoàn toàn độc lập, hoặc có thể hoạt động ở chế độ nguồn kết hợp, ở chế độ này ngƣời sử dụng có thể điều chỉnh tần số của hai kênh, điều chỉnh độ lệch pha dao động giữa hai kênh tùy ý từ 00
tới 3600 hoặc điều chỉnh nhanh các mức cùng pha, vuông pha, ngƣợc pha. Việc điều khiển đƣợc hiển thị rõ ràng trên mặt máy phát và đồng thời hiển thị rõ ràng trên màn hình máy tính đƣợc ghép nối với máy phát.
d) Đề xuất sử dụng
- Sử dụng cùng TBTN nguồn dao động (3.2.1.1).
- Cần sử dụng với khay nƣớc với chiều dày lớp nƣớc tối thiểu từ 3 cm, thành khay nƣớc cần đặt nghiêng (nhằm giảm tối đa nhiễu sóng phản xạ từ thành và đáy khay nƣớc lên mặt nƣớc).
Hình 3.3 Hình ảnh máy phát tần số kép đã đƣợc ghép nối máy tính
3.2.1.3. Thiết bị thí nghiệm đèn hoạt nghiệm
a) Sự cần thiết phải chế tạo đèn hoạt nghiệm
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.