Trên cơ sở xác định các yêu cầu của việc xây dựng TBTN, quy trình tiến hành theo các giai đoạn sau:
- Xác định mục tiêu dạy học (HS cần đạt đƣợc kiến thức, kĩ năng và phát triển tƣ duy gì, nhƣ thế nào trong quá trình chiếm lĩnh kiến thức)
- Xác định lôgic tiến trình khoa học xây dựng kiến thức mô phỏng theo con đƣờng NCVL nhƣ đã trình bày ở trên
- Xác định nhu cầu cần có của thí nghiệm mới và các yêu cầu về khoa học, kĩ thuật, sƣ phạm, kinh tế và mĩ thuật của TBTN đáp ứng hỗ trợ tổ chức hoạt động nhận thức HS theo lôgic tiến trình khoa học xây dựng kiến thức và chức năng cần có của TN đó
- Thiết kế, chế tạo TBTN và thử nghiệm, kiểm tra trong thực nghiệm sƣ phạm. 3.2. XÂY DỰNG VÀ HOÀN THIỆN CÁC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRUYỀN THỐNG VÀ KĨ THUẬT SỐ NHẰM HỖ TRỢ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƢƠNG “SÓNG CƠ” VẬT LÍ 12
3.2.1. Xây dựng và hoàn thiện thiết bị thí nghiệm giao thoa sóng nƣớc
Hiện nay tại hầu hết các trƣờng THPT trên toàn quốc đã đƣợc trang bị bộ TN giao thoa sóng nƣớc.
Bộ TN này có các ƣu điểm:
- Đáp ứng đƣợc các yêu cầu: Cho HS quan sát đƣợc hình ảnh miền giao thoa sóng cơ trên mặt nƣớc trong trƣờng hợp hai nguồn sóng giống hệt nhau.
- Đảm bảo đƣợc yêu cầu của TN biểu diễn là đa số HS quan sát đƣợc hiện tƣợng. - GV khi sử dụng bộ TN này có thể đáp ứng đƣợc các mục tiêu (1) và (3) cho đối tƣợng HS cơ bản và dừng lại ở mức độ nhận biết về hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc.
Bộ TN này có các hạn chế:
- Đƣa ngay ra kết quả của hiện tƣợng giao thoa đơn giản nhất, là một hiện tƣợng mà HS rất khó gặp trong thực tế. Việc dẫn dắt đặt vấn đề về hiện tƣợng giao thoa giúp HS trải nghiệm và nghiên cứu nhƣ nhà khoa học không thực hiện đƣợc bởi bộ TN này.
- Từ hình ảnh giao thoa quan sát đƣợc, HS cho rằng các phần tử môi trƣờng trong miền giao thoa luôn ở trạng thái ổn định, đứng yên, có nghĩa các phần tử thuộc vân cực đại thì luôn ở vị trí cao nhất. Đây là nhận xét không đúng về bản chất của giao thoa sóng cơ.
- HS khó cảm nhận đang có sự dao động của các điểm trên vân cực đại qua việc quan sát (thực nghiệm) mà lí thuyết phần tiếp theo chứng minh và cho kết luận.
Để khắc phục các hạn chế của bộ TN, đồng thời đáp ứng đƣợc yêu cầu hỗ trợ HS nghiên cứu hiện tƣợng giao thoa nhƣ nhà vật lí, chúng tôi đã xây dựng TBTN giao thoa sóng nƣớc gồm các TBTN thành phần nhƣ sau:
- TBTN nguồn dao động - TBTN máy phát tần số kép - TBTN đèn hoạt nghiệm
Sau đây, chúng tôi sẽ lần lƣợt mô tả từng TBTN thành phần theo cùng một cấu trúc: Sự cần thiết phải chế tạo TBTN, Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của TBTN, Kết quả thử nghiệm đánh giá TBTN, Đề xuất sử dụng TBTN.
3.2.1.1. Thiết bị thí nghiệm nguồn dao động
a) Sự cần thiết phải chế tạo TBTN nguồn dao động
Trên thế giới, TBTN giao thoa sóng nƣớc của các hãng Pasco, Phywe; của một số nƣớc trong khu vực nhƣ Inđônêxia có kết cấu khá phức tạp, cồng kềnh. Trên nguyên tắc tạo sự dao động bằng trục cam tác động lên hai cần rung hoặc sử dụng không khí bị nén giãn, hoặc sử dụng nƣớc nhỏ giọt… Điểm chung nhau của các bộ TN này là giá thành cao, không phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam và ít đƣợc sử dụng tại Việt Nam.
Các trƣờng THPT, hầu hết đƣợc trang bị bộ TN giao thoa sóng nƣớc với nguồn cần rung sử dụng sự quay lệch tâm của một động cơ điện một chiều, khi quay với tốc độ n (vòng/giây) tƣơng ứng tạo ra dao động cƣỡng bức với tần số f = n tác động lên cần rung và tạo ra sóng lan truyền trên mặt nƣớc trong khay nƣớc của bộ TN.
Tất cả các TBTN giao thoa sóng nƣớc hiện có trên thế giới và ở Việt Nam đều tạo ra hai nguồn kết hợp bằng cách tách ra từ một nguồn. Nhƣ vậy, hai nguồn sóng này đã là hai nguồn kết hợp (cùng tần số, độ lệch pha không đổi, cùng biên độ). Khi sử dụng thiết bị này để khảo sát hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc, ngƣời học đã nhận thấy ngay hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc trong một trƣờng hợp đặc biệt, đơn giản nhất: hai nguồn cùng tần số, biên độ, pha ban đầu. Với thiết bị thí nghiệm nhƣ vậy, vô hình chung, đã có sự áp đặt ngay từ ban đầu việc tạo ra hiện tƣợng giao thoa trong điều kiện đặc biệt.
Dạy học phỏng theo con đƣờng NCVL, thì không thể ngay từ đầu trình bày trƣớc HS một quá trình quá đặc biệt đƣợc tạo bởi hai nguồn cùng tất cả tần số, biên độ và pha, nghĩa là ngay từ đầu đã định hƣớng HS phải quan sát vào chính quá trình đặc biệt này (mà trong thực tế thì hầu nhƣ không bao giờ con ngƣời gặp trong tự nhiên..v..v...).
Để tránh áp đặt sử dụng thí nghiệm mở đầu nhƣ vậy, chúng tôi đã đƣa ra ý tƣởng thiết kế hai nguồn sóng độc lập, trên cơ sở đó tạo ra hiện tƣợng giao thoa sóng gần với tự nhiên, với các tần số f1 và f2 của hai nguồn có thể đƣợc điều chỉnh khác nhau. Chỉ khi điều chỉnh f1 thay đổi sao cho f1=f2 thì quan sát thấy hiện tƣợng đặc biệt đó (sau này đƣợc gọi là Giao thoa) nghĩa là chỉ khi có hai nguồn kết hợp. Bộ TN nhƣ
vậy sẽ tạo điều kiện cho GV, HS chủ động, linh hoạt khảo sát hiện tƣợng, đáp ứng đƣợc các yêu cầu khác nhau của QTDH. Qua nghiên cứu và thử nghiệm nhiều lần, đƣa ra thực tế dạy học ở phổ thông, chúng tôi đã hoàn thiện nguồn dao động đáp ứng đƣợc các yêu cầu dạy học của TBTN.
Các yêu cầu đối với nguồn dao động
- Dao động ổn định chỉ theo phƣơng thẳng đứng (Nhằm khắc phục nhƣợc điểm của nguồn sóng hiện có tại các trƣờng THPT).
- Tần số đƣợc xác định với độ chính xác tới 1Hz.
- Cần có hai nguồn có thể điều chỉnh tần số, biên độ một cách độc lập hoặc điều chỉnh đồng thời (Hai nguồn sóng kết hợp)
- Tạo ra các sóng nƣớc ổn định nhờ tiếp xúc của đầu cần rung và mặt nƣớc. Đầu cần rung cần có hình dạng và khối lƣợng thích hợp.
- Có thể dễ dàng chế tạo hàng loạt với giá thành thấp, đƣợc sử dụng lâu dài, dễ sửa chữa. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
b) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của TBTN nguồn dao động
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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