- TN phải cho kết quả rõ ràng về hiện tƣợng nghiên cứu. Nghiên cứu định lƣợng phải cho kết quả chính xác, phù hợp với sai số cho phép đối với TN ở trƣờng phổ thông.
- TBTN hoạt động ổn định, độ bền cao. Vật liệu chế tạo thiết bị dễ kiếm, dễ chế tạo. - Quy trình chế tạo TBTN phải chính xác, dễ dàng chế tạo hàng loạt với sản phẩm đồng đều, đƣợc áp dụng các thành tựu công nghệ mới.
- Cần có các biện pháp và giải pháp đảm bảo sự an toàn cho ngƣời sử dụng và cho TBTN khi sử dụng trong dạy học theo quy định.
3.1.1.2. Yêu cầu về mặt sư phạm
- TBTN phải có cấu tạo đơn giản nhất, gọn nhẹ, ít hỏng, thuận tiện trong sử dụng. Dễ sửa chữa, bảo quản, vận chuyển.
- Phạm vi sử dụng rộng, có tính liên thông trong các TN
- TN với TBTN cần thời gian ngắn trong lắp ráp, hiệu chỉnh, thực hiện lấy số liệu… - Có thể sử dụng để tiến hành các TN ở nhiều giai đoạn khác nhau của QTDH: làm nảy sinh vấn đề cần nghiên cứu, hình thành kiến thức mới, củng cố (trong đó có TN thực hành), kiểm tra đánh giá.
thuyết khác độc lập với lí thuyết trên
- Tạo điều kiện cho các hoạt động sáng tạo của HS, nhất là đáp ứng yêu cầu của các phƣơng án TN khác nhau do HS đề xuất trong giai đoạn giải quyết vấn đề.
- Phù hợp với tâm sinh lí HS THPT
3.1.1.3. Yêu cầu về kinh tế
- TBTN chế tạo với giá thành không cao, vật liệu chế tạo dễ tìm, giá rẻ, công nghệ chế tạo không quá phức tạp.
- TBTN có thể cho phép tiến hành nhiều TN.
3.1.1.4. Yêu cầu về thẩm mĩ
TBTN đƣợc thiết kế đẹp, kích thƣớc hài hòa, màu sắc hợp lí, nổi bật bộ phận cần quan sát.
3.1.1.5. Các yêu cầu đối với thiết bị thí nghiệm biểu diễn và thực tập
TBTN cần đƣợc chế tạo thành bộ, bộ phận quan trọng nhất có thể sử dụng với nhiều phép đo với cùng mục đích TN hoặc thực hiện nhiều TN khác nhau trong cùng một thời gian. Cùng một bộ TBTN có thể cho phép tiến hành nhiều TN trong cùng phạm vi một chƣơng hoặc các phần chƣơng trình vật lí phổ thông. Ví dụ bộ TBTN giao thoa sóng cơ có các bộ phận cơ bản nhƣ khay nƣớc, giá gƣơng, màn hứng ảnh có thể dùng chung trong các TN phần sóng cơ, còn các bộ phận nguồn dao động, máy phát tần số kép có thể sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong dạy học các đơn vị kiến thức nhƣ: Quá trình truyền sóng, khảo sát sự thay đổi bƣớc sóng theo tần số, khảo sát đặc trƣng của hiện tƣợng giao thoa sóng cơ: Khảo sát sự dao động của từng phần tử trong vùng giao thoa, xác định bƣớc sóng, tốc độ truyền sóng. Máy phát tần số kép có thể sử dụng trong nghiên cứu ý nghĩa và ứng dụng của độ lệch pha giữa các đại lƣợng biến thiên điều hòa sau khi ghép nối với máy tính, có thể sử dụng làm nguồn cho đèn hoạt nghiệm…
TBTN cần đáp ứng đƣợc các yêu cầu đa dạng của HS với vai trò là ngƣời nghiên cứu, thực hiện đƣợc các phƣơng án TN với giá trị đo dải rộng mà vẫn hoạt động ổn định. Ví dụ máy phát tần số kép có thể điều chỉnh đƣợc độ lệch pha giữa hai nguồn với các giá trị bất kì từ 1 tới 360o, tần số thay đổi từ 1-200Hz, khoảng cách các nguồn sóng điều chỉnh định lƣợng để thay đổi số vân giao thoa trong miền giao thoa. Nguồn âm trong TBTN khảo sát hiện tƣợng Đốpple có thể thay đổi tần số khi khảo sát các trƣờng hợp khác nhau…
TBTN cần đƣợc chế tạo đơn giản, bằng vật liệu có độ bền cao để sử dụng tần suất lớn khi sử dụng với vai trò TBTN thực tập. Các TBTN sử dụng dòng điện xoay chiều cần có các bộ phận bảo vệ an toàn của thiết bị trƣớc các tình hƣớng quá áp, quá dòng (chập, quá tải…).
TBTN cần đáp ứng đƣợc yêu cầu cao nhất về an toàn cho ngƣời sử dụng. Ví dụ với bộ TBTN khảo sát hiện tƣợng Đốpple, xe chạy với tốc độ cao cần chạy trên giá có kích thƣớc không quá lớn, thiết kế chắc chắn, đai truyền gọn gàng.
TBTN cần có sự lắp ghép cần đƣợc chế tạo dễ dạng lắp ráp, dễ dạng thu thập số liệu. Với TBTN ghép nối máy tính cần đƣợc cài đặt phần mềm, ghép nối phần cứng nhanh chóng tiện lợi. Ví dụ phần ghép nối máy tính của TN khảo sát sóng cơ, khảo sát hiện tƣợng Đốpple đều đƣợc ghép nối qua cổng USB.
3.1.2. Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí
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.
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