* Xây dựng kế hoạch TN ảo: Xác định được mục tiêu của TN, đề xuất và lựa chọn phương án TN, các dụng cụ cần thiết trong quá trình làm TN, thời điểm sử dụng TN… Sau đó mới chuyển sang thiết kế TN.
* Thiết kế TN
Bước 1: Khởi động phần mềm Crocodile Physics, tạo một không gian làm việc riêng cho TN.
Bước 2: Đưa các thiết bị cần sử dụng từ kho vào không gian làm việc. Bước 3: Sắp xếp, lắp ráp các thiết bị theo sơ đồ của TN.
Bước 4: Thiết lập các thuộc tính cần thiết cho từng đối tượng.
Bước 5: Kiểm tra lại sơ đồ, chạy thử TN trên cơ sở đó phải hiệu chỉnh lại các thuộc tính cần thiết cho các đối tượng. Sau đó tiến hành TN, quan sát, đo đạc và xử lý số liệu.
Sau đây chúng tôi xin đưa ra một số ví dụ về việc sử dụng phần mềm Crocodile Physics thiết kế TN ảo.
Ví dụ 1: TN minh hoạ định luật Ôm cho toàn mạch
Mục đích của TN: minh hoạ lại định luật Ôm đối với toàn mạch sau khi HS xây dựng định luật đó bằng con đường lý thuyết.
Hình 2.30: Màn hình khởi động Crocodile Physics Hình 2.31: Màn hình làm việc Bước 2: Lựa chọn các thiết bị từ kho đưa vào không gian làm việc.
Với TN này các thiết bị cần dùng là: một nguồn điện, một điện trở R, Ampe kế, Khoá K và các dây nối. Ta đưa các thiết bị đó từ kho ra màn hình làm việc như sau: (Hình 2.32)
Hình 2.32: Lựa chọn thiết bị Hình 2.33: Lắp ráp thiết bị Bước 3: Lắp ráp TN như hình 2.33
Bước 4: Thiết lập thông số cho Pin: Suất điện động E=1,5V; điện trở trong r = 1Ω; điện trở mạch ngoài R = 4Ω
Bước 5: Tiến hành TN, đọc số liệu và xử lý số liệu (Hình 2.34)
Có thể tiến hành TN với các giá trị khác nhau của điện trở ngoài bằng cách sử dụng các điện trở ngoài khác nhau (thay đổi thông số của điện trở R). Ngoài ra có thể tiến hành TN với các bộ TN khác, có thể thiết lập lại các thông số TN cho các thiết bị hoặc thay đổi bộ nguồn... TN có thể thực hiện nhiều lần với các bộ thông số thiết bị khác nhau mà không mất nhiều thời gian.
Hình 2.34: Sơ đồ mạch điện và kết quả của một lần làm thí nghiệm
2.3.4. Một số TN đã được xây dựng nhờ phần mềm Crocodile Physics
2.3.4.1. TN 1: Minh hoạ định luật Ôm đối với toàn mạch
Định luật Ôm đối với toàn mạch, HS xây dựng được bằng con đường suy luận lý thuyết. Để làm tăng độ tin cậy cho HS về kết quả đó thì có thể cho HS làm TN minh hoạ cho kết quả đó.
a) Mục tiêu: Thông qua TN ảo để minh hoạ định luật Ôm cho toàn mạch.
b)Dụng cụ TN
Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c) Tiến trình và kết quả TN:
+ Lựa chọn các thiết bị cần thiết như: Nguồn điện, ampe kế, điện trở R. + Mắc sơ đồ mạch điện như hình vẽ.
+ Đọc các giá trị của E, r, ampe kế, điện trở R từ đó kiểm nghiệm lại công thức định luật Ôm cho toàn mạch
Hình 2.35. Sơ đồ TN minh hoạ định luật Ôm cho toàn mạch
Để kiểm tra biếu thứcI rER
+
U = E – I.r . Thay đổi các giá trị của R và ghi số liệu vào bảng kết quả sau: Lần làm TN U (V) I(A) Lần 1 2,96 0,0395 Lần 2 2,99 0,0133 Lần 3 2,97 0,0297 Lần 4 2,78 0,2220
Bảng 2.18. Bảng số liệu của U theo I trong mạch kín
Dựa vào bảng số liệu hãy vẽ đồ thị của U theo I, nếu đồ thị thu được là một đường
thẳng thì biểu thức R r E I +
= được nghiệm lại là đúng. Như vậy biểu thức định luật Ôm cho toàn mạch thu được từ lý thuyết là đáng tin cậy.
d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Bài TN này có thể được sử dụng cùng với các TN thực để minh hoạ cho các kết quả thu được, hoặc có thể được sử dụng sau khi HS đã được học các nội dung về định luật Ôm cho toàn mạch với mục đích dùng để ôn tập, củng cố lại kiến thức thu được. (có thể được sử dụng ở nhà, ở lớp học, …)
2.3.4.2. TN 2: Minh hoạ định luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa nguồn
a) Mục đích: Thông qua TN ảo để minh hoạ cho định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa nguồn.
b)Dụng cụ TN: Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c) Tiến trình và kết quả TN:
+ Lựa chọn các thiết bị cần thiết như: Nguồn điện, ampe kế, điện trở R, hiệu điện thế U.
+ Mắc sơ đồ mạch điện như hình vẽ.
+ Đọc các giá trị của E, r, ampe kế, điện trở R, hiệu điện thế U từ đó kiểm nghiệm lại công thức định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa nguồn.
Hình 2.36. Sơ đồ minh hoạ định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa nguồn d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Bài TN này có thể được sử dụng cùng với các TN thực để minh hoạ cho các kết quả thu được, hoặc có thể được sử dụng sau khi HS đã được học các nội dung về định
luật Ôm cho đoạn mạch có chứa nguồn với mục đích dùng để ôn tập, củng cố lại kiến thức thu được. (có thể được sử dụng ở nhà, ở lớp học, …)
2.3.4.3. TN 3: Minh hoạ định luật Ôm đối với đoạn mạch có chứa máy thu
a) Mục tiêu của TN : Thông qua TN ảo để minh hoạ cho định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa máy thu.
b)Dụng cụ TN
Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c)Tiến trình và kết quả TN:
+ Lựa chọn các thiết bị cần thiết như: Nguồn điện, ampe kế, điện trở R, hiệu điện thế U.
+ Mắc sơ đồ mạch điện như hình vẽ.
+ Đọc các giá trị của E, r, ampe kế, điện trở R, hiệu điện thế U từ đó có thể kết hợp với thí nghiệm thực kiểm nghiệm lại công thức định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa
máy thu I Ur RE
+− −
= đã được xây dựng bằng con đường lý thuyết.
Hình 2.37. Sơ đồ TN minh hoạ cho định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa máy thu d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Bài TN này có thể được sử dụng cùng với các TN thực để minh hoạ cho các kết quả thu được, hoặc có thể được sử dụng sau khi HS đã được học các nội dung về định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa máy thu, nguồn với mục đích dùng để ôn tập, củng cố lại kiến thức thu được. (có thể được sử dụng ở nhà, ở lớp học, …)
2.3.4.4. TN 4: Minh hoạ cho định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa nguồn và máy thu
a) Mục tiêu của TN : Thông qua TN ảo để minh hoạ cho định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa cả nguồn và máy thu.
b)Dụng cụ TN: Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
+ Lựa chọn các thiết bị cần thiết như: Nguồn điện, máy thu, ampe kế, điện trở R, hiệu điện thế U.
+ Mắc sơ đồ mạch điện như hình vẽ 2.38.
+ Đọc các giá trị của E, r, E’, r’, ampe kế, điện trở R, hiệu điện thế U từ đó có thể kết hợp với thí nghiệm thực kiểm nghiệm lại công thức định luật Ôm cho đoạn mạch có
chứa nguồn và máy thu
Rr r r U E E I + + − − = ' ''
mắc nối tiếp đã được xây dựng bằng con đường lý thuyết.
Hình 2.38. Sơ đồ TN minh hoạ cho định luật Ôm cho đoạn mạch có chứa nguồn và máy thu mắc nối tiếp
d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Bài TN này có thể được sử dụng cùng với các TN thực để minh hoạ cho các kết quả thu được, hoặc có thể được sử dụng sau khi HS đã được học các nội dung về định luật Ôm cho các loại đoạn mạch với mục đích dùng để ôn tập, củng cố lại kiến thức thu được. (có thể được sử dụng ở nhà, ở lớp học, …)
2.3.4.5. TN 5: Đo suất điện động và điện trở trong của nguồn điện (TN thực hành)
a) Mục tiêu của TN: Đo suất điện động và điện trở trong của một nguồn.
b)Dụng cụ TN
Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c) Tiến trình và kết quả TN:
- Lựa chọn dụng cụ TN cần thiết gồm một pin 1,5 V, một biến trở, một điện trở bảo vệ đề phòng đoản mạch R0 = 1Ω, một am pe kế và một vôn kế.
- Sắp xếp dụng cụ đã chọn rồi mắc mạch như hình vẽ 2.39. - Bắt đầu làm TN bằng cách:
+ Đóng khoá K ghi giá trị của U, I đo được nhờ vôn kế và ampe kế.
+ Di chuyển con chạy của biến trở, ghi các cặp giá trị của U và I tương ứng với từng vị trí.
- Cần dịch chuyển hai vị trí để có hai cặp số liệu U, I. Ví dụ trên hình 2.40 ta đọc được số chỉ của vôn kế là 1,45V và của ampe kế là 25,8mA
- Lập hệ phương trình: ( ) ( 0) 2 2 0 1 1 R r I U R r I U + − Ε = + − Ε =
- Giải hệ phương trình, tính giá trị trung bình với sai số của E và r.
Hình 2.39: Sơ đồ mạch điện đo E, r Hình 2.40: Đóng K, thực hiện các phép đo
Phương án 2: - Cần dịch chuyển nhiều vị trí để có nhiều cặp số liệu U, I.
Hình 2.41: Dạng đồ thị biểu diễn U theo I
Lập bảng số liệu, vẽ đồ thị U = f(I) theo các cặp giá trị để nghiệm lại công thức U = E – I.r
- Xác định toạ độ U0 và Im của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị U = f(I) cắt trục tung và trục hoành (Hình 2.41):
I = 0 U0 = E =………… (V)
I = 0 Im = RE+r
0 =……. (Ω)
Phương án 3: Có thể viết công thức I R RE r
++ + = 0 dưới dạng: 1 1(R R0 r) E I = + + Hay ) ( 1 b x E y = + (*) ; Với E y = 1 ; x = R; E a = 1 ; b = R0 + r.
- Thay đổi các giá trị của biến trở R, đọc các giá trị tương ứng của R và I. - Tính các giá trị tương ứng của y và x.
I I m Uo U O
- Vẽ đồ thị y = f(x) biểu diễn gián tiếp quan hệ giữa cường độ dòng điện I trong mạch kín phụ thuộc điện trở R của biến trở để nghiệm lại định luật Ôm đối với toàn mạch theo công thức (*);
- Xác định toạ độ y0 và xm của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị y = f(x) cắt trục tung và trục hoành. (hình 2.42)
Y= 0 xm = -b X= 0 y0 = b/E
Từ đó suy ra giá trị của suất điện động E và
điện trở trong r của pin. Hình 2.42
d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Hình thức 1: Nếu không có thiết bị thật, có thể cho HS tiến hành hoàn toàn trên bài TN này để tìm suất điện động và điện trở trong của chiếc pin ảo.
Hình thức 2: Nếu có thiết bị thật, có thể cho HS thao tác với bài thực hành ảo, lựa chọn các thông số thích hợp của các dụng cụ; tiến hành TN lấy kết quả. Sau đó tiến hành trên TN thật với các thông số thích hợp của các thiết bị thực tránh được tình trạng làm hỏng nó do cháy nổ. Hoặc cho HS sử dụng phần mềm này sau khi đã được học bài thực hành để tự ôn tập, kiểm tra lại các kết quả thu được, nhằm khắc sâu được kiến thức thu được.
2.3.4.6. TN 6: Khảo sát đường đặc trưng vôn – ampe của dây tóc bóng đèn
a) Mục tiêu TN: Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng điện qua bóng đèn vào hiệu điện thế hai đầu của nó. Từ đó rút ra được nhận xét về sự thay đổi của điện trở bóng đèn vào nhiệt độ.
b)Dụng cụ TN: Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c) Tiến hành và kết quả TN: Lựa chọn các thiết bị cần thiết bao gồm: 1Bóng đèn dây tóc, 1 vôn kế, 1 ampe kế, dây nối.
Mắc mạch điện như hình . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế U, đọc số chỉ của ampe kế và vôn kế tương ứng, ghi kết quả vào bảng số liệu. Sau đó thay đổi hiệu điện thế đặt vào đoạn mạch, đọc và ghi kết quả vào bảng số liệu và tính giá trị R tương ứng. Lần TN lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 lần 5 U (V) 2,040 3,040 4,040 5,040 6,040 x y Y0 xm 0
I (A) 0,311 0,391 0,460 0,520 0,524
R=U/I 6,559 7,775 8,783 9,692 10,527
Bảng 2.19. Bảng số liệu U, I của dây tóc bóng đèn
Hình 2.43: Thí nghiệm về đường đặc trưng vôn-ampe của dây tóc bóng đèn
Kết quả được biểu thị ở bảng số liệu cho thấy điện trở dây tóc bóng đèn tăng khi U tăng.
Mặt khác, khi hiệu điện thế tăng độ sáng của đèn tăng, chứng tỏ nhiệt độ dây tóc bóng đèn tăng. Từ đó có thể kết luận: điện trở của dây tóc bóng đèn tăng khi nhiệt độ tăng.
d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Bài TN này có thể được sử dụng cùng với các TN thực để minh hoạ cho các kết quả thu được, hoặc có thể được sử dụng sau khi HS đã được học các nội dung của bài học với mục đích dùng để ôn tập, củng cố lại kiến thức thu được.
2.3.4.7. TN 7: Khảo sát đường đặc trưng vôn – ampe của điện trở khi nhiệt độ không đổi
a) Mục tiêu TN: Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ dòng điện qua điện trở vào hiệu điện thế hai đầu của nó. Từ đó rút ra được nhận xét về sự thay đổi của điện trở vào nhiệt độ.
b)Dụng cụ TN: Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c)Tiến hành TN và kết quả TN: Lựa chọn các thiết bị cần thiết bao gồm: 1điện trở, 1 vôn kế, 1 ampe kế, dây nối.
Mắc mạch điện như hình 2.44 . Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế U, đọc số chỉ của ampe kế và vôn kế tương ứng, ghi kết quả vào bảng số liệu. Sau đó thay đổi hiệu điện thế đặt vào đoạn mạch, đọc và ghi kết quả vào bảng số liệu và tính giá trị R tương ứng.
Lần TN lần 1 lần 2 lần 3 lần 4 lần 5
U (V) 2,19 3,39 4,19 4,69 5,19
I (A) 4,39 6,39 8,39 9,39 10,4
R=U/I 499 499 499 499 499
Bảng 2.20. Bảng số liệu U, I của điện trở khi nhiệt độ không đổi
Kết quả được biểu thị ở bảng số liệu cho thấy điện trở là không đổi. Như vậy nếu nhiệt độ được giữ không đổi thì dòng điện qua dây dẫn tuân theo định luật Ôm.
Hình 2.44: Mạch điện khảo sát đường đặc trưng vôn ampe của điện trở khi không phụ thuộc vào nhiệt độ
d, Đánh giá hiệu quả và đề xuất các hình thức sử dụng bài TN ảo này:
Bài TN này có thể được sử dụng cùng với các TN thực để minh hoạ cho các kết quả thu được, hoặc có thể được sử dụng sau khi HS đã được học các nội dung của bài học với mục đích dùng để ôn tập, củng cố lại kiến thức thu được.
2.3.4.8. TN 8: Khảo sát đặc tính chỉnh lưu của điốt bán dẫn (TN thực hành)
a) Mục tiêu TN: Khảo sát đặc tính chỉnh lưu của điốt bán dẫn
b)Dụng cụ TN: Sử dụng phần mềm TN ảo Crocodile Physics.
c) Tiến hành và kết quả TN: Lựa chọn các thiết bị cần thiết bao gồm:
2 điện trở , 1 điốt bán dẫn, 1 máy phát dao động hình sin, dao động ký ảo hai chùm tia, dây nối, khoá K.
Phương án 1: Dùng dao động kí ảo
Mắc mạch điện như hình 2.45 (2.45’). Đóng K ta thu được hai tín hiệu trên màn hình dao động ký ảo: Tín hiệu màu đỏ ứng với hiệu điện thế trước khi đưa vào điốt, tín