2.2. Kế hoạch của việc tổ chức dạy học ngoại khóa các bài tốn hộp
2.2.2. Nội dung của hoạt động ngoại khóa các bài tốn hộp đen dịng
khơng đổi cho học sinh lớp 11 THPT
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi dự kiến sẽ tổ chức hoạt động ngoại khóa về “Dịng điện khơng đổi” với hai nội dung chính như sau: * Nội dung thứ nhất
Giáo viên định hướng và giúp đỡ để học sinh tham gia thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm và tiến hành các thí nghiệm với các dụng cụ đã chế tạo được về dịng điện khơng đổi. Với nội dung này, chúng tơi dự kiến sẽ giao cho học sinh những nhiệm vụ học tập, gồm:
05 nhiệm vụ về tạo ra hộp đen chứa một phần tử (mạch chỉ chứa điện trở, mạch chỉ chứa tụ điện, mạch chỉ chứa diot, mạch chỉ chứa điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ, mạch chỉ chứa nguồn điện).
03 nhiệm vụ về chế tạo ra hộp đen chứa 2 phần tử (mạch phân áp gồm 2 điện trở R, mạch gồm 1 phần tử R và 1 tụ điện C, mạch gồm 1 phần tử R và 1 diot) có các sơ đồ như sau:
A C A C A C B D B D B D Hình 2.1 R R R
+ Ở nhiệm vụ 1:
Đây là một nhiệm vụ dễ chuẩn bị dụng cụ, dễ tiến hành, dễ giải thích kết quả. Nhưng nhiệm vụ có tác dụng khá lớn, giúp học sinh lấy được sự tự tin trong học tập, ôn tập kiến thức về mạch kín và ghi nhớ tính chất của điện trở thuần thơng qua đồ thị U –I, rèn luyện óc sáng tạo trong việc lựa chọn dụng cụ và lắp đặt thí nghiệm.
+ Ở nhiệm vụ 2:
Qua việc thực hiện nhiệm vụ này, học sinh được củng cố thêm các kiến thức về mạch điện. Học sinh cũng được rèn luyện các kĩ năng bố trí, lựa chọn dụng cụ, lắp đặt, tiến hành thí nghiệm và nhận xét kết quả thu được. Học sinh biết cách xác định phần tử trong hộp là tụ điện, từ đó khắc sâu kiến thức về tụ điện đó là chứa điện tích, phân phối điện tích một cách hợp lí và khơng cho dịng 1 chiều đi qua.
+ Ở nhiệm vụ 3: Học sinh được kiểm nghiệm tính chất của diot là cho dịng điện đi qua theo một chiều. Nếu đặt ngược que đo điện trở thì trên đồng hồ đo sẽ hiển thị giá trị điện trở rất lớn. Nếu que đo đặt đúng chiều dịng điện đi qua thì trên đồng hồ đo sẽ hiển thị một giá trị điện trở xác định.
+ Ở nhiệm vụ 4: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ, học sinh được khảo sát và so sánh tìm ra sự khác nhau giữa điện trở thuần và điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Ở nhiệm vụ 5: Học sinh nắm được nguyên lí hoạt động của nguồn là tạo ra và duy trì điện áp cho mạch tiêu thụ. Trong quá trình khảo sát hộp đen chứa nguồn điện học sinh sẽ biết cách đo điện áp của nguồn và điện trở trong của nguồn. Đây là nhiệm vụ khó hơn các nhiệm vụ trên ở chỗ ta không trực tiếp đo suất điện động và điện trở trong mà phải dùng thêm phương pháp ngoại suy.
+ Ở nhiệm vụ 6: Mạch gồm 2 điện trở thuần, học sinh phải đo đạc và xác định cấu trúc của mạch. Nhiệm vụ này giúp học sinh thành thạo hơn trong việc đo, biện luận để đưa ra cấu trúc mạch đúng.
+ Ở nhiệm vụ thứ 7: Cũng tương tự như ở nhiệm vụ trên, nhưng một trong hai phần tử được thay bằng tụ điện. Việc đo thơng số của tụ điện địi hỏi phải sử dụng các kiến thức nâng cao.
+ Ở nhiệm vụ thứ 8: Mạch gồm 1 điện trở thuần và 1 diot
Ba nhiệm vụ 6, 7, 8 giúp học sinh mở rộng tư duy hơn, từ đó trong đầu các em có thể hình thành hoặc sáng tạo ra những cấu trúc mạch khác và tìm hiểu thêm về ứng dụng của các loại mạch.
* Nội dung thứ hai
Nhiệm vụ này yêu cầu học sinh phải thiết kế được phương án thí nghiệm về hộp đen điện không đổi để xác định phần tử chứa trong hộp thuộc loại linh kiện gì?
Trong nhiệm vụ này, học sinh phải tiến hành đo, sử dụng dữ liệu và tính chất vật lí của từng loại linh kiện, từ đó dự đốn, vẽ đồ thị hoặc biện luận để tìm ra phần tử chứa trong hộp.
Nhiệm vụ này cũng tạo cho các em khả năng khám phá ra các mạch điện độc đáo, sáng tạo. Giúp các em lấy được sự tự tin và đam mê trong công việc.
Các nhiệm vụ này giúp học sinh củng cố và mở rộng kiến thức về định luật Ơm cho tồn mạch, mắc các nguồn thành bộ; rèn luyện kĩ năng tính tốn, dự đốn kết quả thí nghiệm, vận dụng kiến thức về mạch điện kín để thiết kế phương án thí nghiệm.
2.2.2.1. Thử nghiệm chế tạo hộp đen
Để tổ chức hoạt động ngoại khóa về “Dịng điện khơng đổi” đạt hiệu quả cao trong việc phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh thì trước tiên, chúng tơi tiến hành chế tạo các thí nghiệm dự kiến sẽ giao cho học sinh để xác định những khó khăn mà học sinh có thể gặp phải khi thực hiện. Từ đó, chúng tơi dự kiến phương pháp hướng dẫn cụ thể để học sinh vượt qua khó khăn, hồn thành được nhiệm vụ.
+ Hộp nhựa hoặc ống nhựa để chứa linh kiện điện; + Nắp hộp có lỗ để dây dẫn đi qua hoặc ổ cắm; + Gía đỡ linh kiện điện trong hộp.
a. Hộp đựng linh kiện điện
Qua việc khảo sát các loại vỏ hộp trong đời sống, đồng thời dựa vào kích thước các linh kiện điện trong bộ thí nghiệm thực hành ở phịng thí nghiệm như là điện trở, tụ điện, diot…. Chúng tôi lựa chọn ống nhựa có đường kính 2 cm, dài khoảng 6 – 10cm và sử dụng ổ điện hộp nhựa hình chữ nhật có kích thước: rộng 5cm, dài 10cm làm hộp đựng linh kiện. Đây là loại hộp dễ kiếm, việc chế tạo hộp rất đơn giản nhờ các dụng cụ: cưa mini, kéo và keo dính.
Thao tác chế tạo hộp:
- Dùng cưa cưa hai đầu ống nhựa để tạo một đoạn ống ngắn chứa được 1 linh kiện điện.
- Lựa chọn loại đầu ống phù hợp để lắp vào đoạn ống trên để tạo thành một hộp kín
- Ở mỗi đầu nắp tạo một lỗ tròn nhỏ bằng cách dùng que kim loại hơ nóng rồi xuyên qua.
Chú ý: Khi cưa phải nhẹ tay và đều lực để hai đầu ống càng nhẵn càng đẹp. Lúc này ta có hộp đựng linh kiện điện như trong hình:
Hình 2.2 Ảnh chụp hộp và nắp hộp
Hoặc chúng ta có thể sử dụng những ổ điện hình chữ nhật để tạo nên một hộp đen chứa nhiều cấu trúc mạch khác nhau, mỗi cấu trúc mạch tương ứng với những đầu ra nhất định bên ngoài vỏ hộp.
b. Những thao tác tháo lắp các bộ phận của hộp đen
+ Bước 1: Sử dụng những đoạn dây dẫn có độ dài khoảng 15cm, tước bỏ một phần vỏ nhựa bên ngoài, để lộ ra lõi đồng bên trong.
+ Bước 2: Dùng mỏ hàn để hàn 2 lõi đồng của hai dây dẫn nêu trên với hai đầu của điện trở hoặc tụ điện, diot, điện trở phụ thuộc nhiệt độ, nguồn điện… + Bước 3: Luồn hai đầu dây còn lại qua lỗ đã được chọc thủng ở hai đầu hộp đen nhỏ, lắp hai đầu trên vào đoạn ống nhựa đã được cắt
Hình 2.3. Ảnh chụp hộp đen chứa một phần tử
Với ba bước trên, ta đã hoàn thành loại hộp đen điện chứa 1 phần tử theo yêu cầu của các nhiệm vụ 1, 2, 3, 4, 5 ở phần dưới. Đối với hộp đen hình chữ nhật chứa một vài cấu trúc mạch ta làm như sau:
+ Bước 1: Vẽ sơ đồ cấu trúc mạch theo yêu cầu của bài
+Bước 2: Hàn dây dẫn và một đầu của linh kiện vào các vị trí chốt cắm theo sơ đồ cầu trúc mạch đã vẽ ở trên.
Lưu ý: Bước này phải thực hiện cẩn thận, tránh trường hợp các dây dẫn chồng chéo lên nhau hoặc hàn nhầm vị trí.
+ Bước 3: Đánh kí hiệu các chốt cắm bên ngồi vỏ hộp, sau đó lắp hồn chỉnh hộp. Với ba bước như trên, ta đã hoàn thành hộp đen chứa ba cấu trúc mạch theo yêu cầu của bài tập 6,7,8 bên dưới.
Hình 2.4: Ảnh chụp cấu trúc và hộp đen chứa hai phần tử
2.2.2.2. Nội dung và các bước giải theo phương pháp hộp đen các bài tập hộp đen phần Dịng điện khơng đổi.
a. Nội dung
Trong dạy học Vật lí ở trường phổ thơng, giáo viên có thể xây dựng các bài toán hộp đen cho học sinh giải quyết. Thơng thường bài tốn hộp đen được giáo viên xây dựng sẽ có một hộp đen chứa một hệ Vật lí nào đó mà học sinh
chưa biết cấu trúc, chức năng hoặc thông số. Với một số thông tin cho trước như: giới hạn phạm vi kiến thức, số lượng phần tử cấu tạo nên hộp đen...Học sinh phải vận dụng kiến thức, kĩ năng tổng hợp để tìm ra được cấu trúc, chức năng hoặc thơng số cơ bản của hộp đen[12].Chẳng hạn, trong phần dòng điện khơng đổi, chúng ta có thể xây dựng một bài tốn hộp đen điện có nội dung như sau:
Bài toán: Cho một hộp đen điện chứa hai phần tử, mỗi phần tử này
thuộc những linh kiện điện là: Điện trở thuần R, tụ điện C, bóng đèn hoặc diot. Hai phần tử này nối với nhau ở trong hộp và với chốt cắm A, B, C, D dùng để ghép với các thiết bị bên ngồi nguồn, đồng hồ đo....như hình . Sử dụng biến áp nguồn, loại từ 0 đến 12 V hoặc tương đương và hai đồng hồ đo đa năng hiện số có các chức năng đo điện trở, điện áp, dịng 1 chiều...
Hãy xác định cấu trúc của mạch điện trong hộp đen?.
Hình 2.5
Chú ý: Khi sử dụng đồng hồ đo, để đảm bảo an toàn cho đồng hồ, khơng dùng chế độ đo dịng điện khi chưa biết chắc chắn ở đoạn mạch có điện trở hay khơng
Trong bài tốn trên, cấu trúc bên trong của hộp đen học sinh hoàn toàn chưa được biết đến. Bài toán cũng như một nhiệm vụ yêu cầu học sinh dựa trên những kiến thức của mình để xác định cấu trúc của hộp đen. Tuy nhiên, ở bài toán này, để học sinh tìm được đáp án chính xác cho cấu trúc của mạch điện, giáo viên đã cho thông tin về số lượng phần tử chứa trong hộp là 02 phần tử, và 2 phần tử này chỉ nằm trong 4 loại linh kiện đó là điện trở thuần R, tụ điện C và diot. Mục đích của việc giới hạn số phần tử này là để học có thể dễ
A B
C D
dàng phân biệt những phần tử có tính chất khác biệt như điện trở thuần R với tụ điện C hoặc điện trở thuần R và diot. Mặt khác, độ khó của bài thể hiện ở chỗ hai phần tử có những đặc trưng vật lý khá giống nhau như điện trở thuần và bóng đèn hoặc tụ điện và diot được đưa vào trong số các linh kiện để địi hỏi học sinh tìm ra được đặc điểm riêng nhất của từng loại linh kiện. Với giới hạn kiến thức nằm trong phần dịng điện khơng đổi, việc sử dụng biến áp nguồn và đồng hồ đo đa năng giúp học sinh làm quen với các dụng cụ mà khơng bị lẫn hoặc khó hình dung.
b. Các bước giải
Việc giải quyết các vấn đề đặt ra trong bài tập hộp đen không thể thực hiện một cách tùy tiện theo kiểu thử sai mà giáo viên cần trang bị cho học sinh một quy trình nghiên cứu có kế hoạch, có hệ thống, tức là phương pháp giải bài tập hộp đen. Trong dạy học Vật lí ở trường phổ thơng, quy trình hướng dẫn học sinh giải bài tập hộp đen cần đi theo các bước:
- Xác định hộp đen thuộc hệ vật lí nào
- Xác định đầu vào, đầu ra, cách thức tác động đầu vào và cách thức để thu thập thơng tin ở đầu ra
- Tìm cách thay đổi đầu vào, quan sát và ghi chép thông tin ở đầu ra để đưa vào bảng biểu thị mối quan hệ giữa các thông tin tác động ở đầu vào và thông tin phản ứng ở đầu ra. Dựa vào bảng biểu thị thu được để ra dự đoán về cấu trúc hoặc chức năng của hộp đen, từ đó suy luận logic để rút ra hệ quả có thể kiểm tra bằng thực nghiệm nhờ tác động và ghi nhận thơng tin ở đầu ra, từ đó đưa ra xác nhận hoặc phủ định tính đúng đắn của các dự đoán
- Thực hiện thêm các phép đo để xác đinh cụ thể thông số hoặc chức năng của hộp đen.
Dưới đây là lời giải bài toán hộp đen đưa ra ở trên, cụ thể: - Xác định hộp đen là một hệ điện
- Có thể tác động lên hệ này bằng việc đặt vào hai chốt cắm nào đó một điện áp từ nguồn điện hoặc hai đầu đo của đồng hồ đo điện đa năng và xác định phản ứng của hệ thơng qua dịng điện chạy qua mạch hoặc trị số của điện trở hiện trên đồng hồ đo
- Thực hiện các phép đo từng đoạn mạch để đưa ra dự đoán về cấu trúc và thông số của hộp đen, kết quả được ghi ở bảng sau:
TT Phép đo Kết quả đo Dự đoán Phép đo bổ sung và dự đoán tiếp 1 Đặt đồng hồ ở chế độ đo điện trở, đo cặp A,C 120Ω Điện trở hoặc nguồn điện Chuyển đồng hồ đo sang chế độ đo điện áp để đo thì thấy chỉ số 0 chứng tỏ chỉ có điện trở cỡ 120Ω giữa A và C 2 Đặt đồng hồ ở chế độ đo điện trở, đo cặp C,D 122Ω Điện trở hoặc nguồn điện Chuyển đồng hồ sang chế độ đo điện áp để đo thì thấy chỉ số 0 chứng tỏ chỉ có điện trở cỡ 120Ω giữa C và D 3 Đặt đồng hồ ở chế độ đo điện trở, đo cặp D,B Giá trị gần bằng 0 Dây dẫn hoặc diot mắc thuận
Đảo vị trí hai que đo, vẫn thấy giá trị gần bằng 0 nên B,D là dây dẫn 4 Đo cặp B,A 245 Hai điện trở trên ghép nối tiếp Chuyển đồng hồ đo sang chế độ đo điện áp để đo thì thấy chỉ số 0. Như vậy dự đoán đúng
Từ bảng số liệu và các dự đoán ở từng phép đo đã đưa ra để nhận định về cấu trúc mạch điện như hình.
A C
B D Hình 2.6
- Đưa ra một hệ quả để kiểm tra nhận định vừa rút ra: Với mạch điện có cấu trúc như trên. Nếu đặt vào hai chốt A và B một điện áp U thì điện áp ở hai chốt C và D phải là U/2. Sử dụng máy biến áp nguồn, cấp điện áp khơng đổi trung bình là 8,6 V cho hai chốt A và B thì điện áp trung bình đo được ở hai đầu C và D là 4,2 V. Tỉ lệ điện áp đo được là phù hợp với suy luận.
- Từ tất cả các phép đo trên đi tới kết luận: Hộp đen chứa một mạch điện gồm 2 điện trở mắc như hình 2.6 với các trị số = 120Ω, = 120Ω.
2.2.2.3. Xây dựng các nhiệm vụ hoạt động ngoại khóa về hộp đen
Như đã trình bày ở trên, khi tiến hành xây dựng hoạt động ngoại khóa về hộp đen, chúng tôi dự kiến sẽ chia thành hai nhóm nhiệm vụ đó là: Nhóm nhiệm vụ thiết kế và chế tạo hộp đen và nhóm nhiệm vụ khảo sát cấu trúc của hộp đen.
+ Nhóm nhiệm vụ thứ nhất
Học sinh được làm quen với phương pháp hộp đen và tiếp nhận với nhiệm vụ thiết kế hộp do giáo viên đưa ra. Tùy theo sĩ số và đặc điểm từng lớp học, giáo viên sẽ chia lớp thành 6 đến 7 nhóm với những yêu cầu cụ thể như sau:
- Cho một số dây dẫn điện nỗi sẵn với giắc cắm, một vài linh kiện điện, hãy thiết kế và lắp đặt các mạch điện chứa một hoặc hai phần tử.
- Dùng vôn kế và ampe kế kiểm tra đảm bảo cách mạch điện đã được lắp đặt hoạt động bình thường.