Giao thoa sóng là hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định, luôn luôn hoặc tăng cường nhau, hoặc làm yếu nhau. Hiện tượng giao thoa là hiện tượng đặc trưng của sóng.
Đối với bộ thí nghiệm này nhóm thực hiện đề tài vẫn thiết kế bộ dao động bằng động cơ điện 1 chiều, vì những ưu điểm của nó đã phân tích ở mục 2.2.2. Ở đây có sự biến chuyển động quay của động cơ điện thành chuyển động tịnh tiến của cần rung, nếu chuyển động quay là đều thì các phần tử nước tại cần rung khi chạm vào mặt nước sẽ dao động điều hòa.
Nhóm đề tài dự kiến thiết kế bộ khung và giá đỡ là 2 phần riêng biệt. Bộ khung đỡ được làm bằng những thanh nhôm rỗng, giúp rút ngắn thời gian lắp đặt thiết bị, mặt khác tạo sự ổn định nhưng vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ cho bộ thí nghiệm. Giá đỡ bộ dao động làm bằng thanh inox, được thiết kế thêm đường ray dọc ở giữa để dễ dàng di chuyển bộ tạo dao động cho phù hợp với mực nước chứa trong bể.
Để quan sát hiện tượng rõ ràng hơn, chúng em lắp một gương phẳng phía dưới bể tạo sóng, hợp với phương ngang một góc 45o. Khi dùng đèn pin chiếu xuống bể tạo sóng, gương sẽ phản xạ hình ảnh thu được lên màn mờ.
Sau khi đưa ra ý tưởng thiết kế, chúng em đã tiến hành chế tạo và bộ thí nghiệm đã đạt được những yêu cầu đề ra.
(2)
Hình 2.15: Mô hình thiết kế bộ thí nghiệm tạo sóng trên mặt nước.
Bộ khung. (3) Giá đỡ. (5) Cần rung. Gương. (4) Bộ tạo rung.
(1) )
(3) (5)
2.3.4. Cấu tạo và cách chế tạo.
a. Cấu tạo.
− Bộ khung: khung đỡ, giá đỡ máy phát dao động.
− Nguồn: máy phát tần số, đèn chiếu sáng.
− Một số bộ phận khác. b. Cách chế tạo.
− Bể tạo sóng: là một bể nước làm bằng thủy tinh trong suốt kích thước 30cm x 30cm x 4cm, độ sâu chất lỏng có thể từ 2 đến 3cm.
− Đèn chiếu sáng: là một đèn pin siêu sáng có kích thước nhỏ.
− Giá đỡ: là một thanh inox nặng có kích thước 42cm x 2cm x 2cm, dùng để lắp nguồn một chiều (bộ tạo dao động) chắc chắn,không bị rung từ đó quan sát hình ảnh giao thoa rõ nét hơn.
− Cần rung: là thanh nhôm tròn, nhẹ, dùng tạo sóng trên mặt nước (cần một nguồn, cần hai nguồn, cần tạo sóng song song).
− Gương phản xạ: là một gương phẳng, kích thước 30cm x 37cm được đặt nghiêng góc 45 so với mặt phẳng ngang và nằm bên trong giá đỡ nhằm tạo ảnh0
của quá trình sóng trên mặt chất lỏng.
− Màn hứng: là một màn nhựa mờ, mỏng, có kích thước 24cm x 24cm dùng quan sát hiện tượng sóng theo phương thẳng đứng, đảm bảo tính khoa học và tính sư phạm.
− Khung đỡ: là một khung nhôm kích thước 30cm x 30cm x 34cm để đỡ gương phản xạ, màn mờ, đèn chiếu sáng và bể tạo sóng.
− Thanh chắn: thanh nhôm hình chữ L hoặc thanh nhôm uốn cong có khe nhiễu xạ.
− Các bộ phận khác: ốc vít, dây nối, công tắc...
2.3.5. Hướng dẫn tiến hành một số thí nghiệm với thiết bị. Thí nghiệm 1: Mô tả sóng nước đồng tâm một nguồn
a. Bố trí thí nghiệm (hình 2.17).
− Gắn bộ tạo rung vào giá đỡ.
− Lắp cần rung vào bộ tạo rung.
− Đổ nước vào bể tạo sóng, độ cao của nước từ 2cm đến 3cm.
− Nối bộ tạo rung với máy phát tần số, đặt hiệu điện thế trong khoảng từ 4V đến 6V.
− Cắm phích cắm vào nguồn điện AC 220V.
Lưu ý: Trong quá trình lắp ráp thiết bị thí nghiệm, cần chú ý lắp các chi
tiết của bộ thí nghiệm cho chắc chắn, không lệch lạc nếu không sẽ dẫn đến việc khó quan sát hiện tượng.
b. Tiến hành thí nghiệm.
− Bước 1: Lắp cần rung một nguồn vào bộ tạo rung.
− Bước 2: Điều chỉnh tần số ở máy phát tần số bắt đầu từ tần số 0Hz đến vùng tần số cao.
− Bước 3: Tìm ra các giá trị tần số để quan sát hiện tượng sóng đồng tâm rõ ràng nhất.
− Bước 4: Quan sát hiện tượng sóng đồng tâm 1 nguồn (hình 2.18).
c. Áp dụng.
Thí nghiệm này giúp học sinh quan sát trực tiếp sự lan truyền sóng trên mặt nước cụ thể là phần kiến thức trong bài 14: Sóng cơ. Phương trình sóng (SGK Vật lý 12 Nâng cao, trang 70).
Thí nghiệm2: Mô tả sóng song song trên mặt nước.
a. Bố trí thí nghiệm như ở thí nghiệm 1. b. Tiến trình thí nghiệm.
− Bước 1: Lắp cần rung song song vào bộ tạo rung.
− Bước 2: Điều chỉnh tần số ở máy phát chức năng, bắt đầu từ tần số 0Hz đến vùng tần số cao.
− Bước 3: Tìm ra các giá trị của tần số để quan sát hiện tượng sóng song song rõ ràng nhất.
− Bước 4: Quan sát hiện tượng sóng song song (hình 2.19).
Thí nghiệm 3: Mô tả sự phản xạ của sóng trên mặt nước.
a. Bố trí thí nghiệm như ở thí nghiệm 1. b. Tiến hành thí nghiệm.
− Bước 1: Lắp cần rung một nguồn vào bộ tạo rung.
− Bước 2: Đặt thanh nhôm chữ L vào khay thủy tinh.
− Bước 3: Điều chỉnh tần số ở máy phát tần số bắt đầu từ tần số 0Hz đến vùng tần số cao.
− Bước 4: Tìm ra các giá trị tần số để quan sát hiện tượng sóng phản xạ rõ ràng nhất.
− Bước 5: Quan sát hiện tượng sóng phản xạ (hình 2.20).
c. Áp dụng.
Góp phần củng cố cho phần kiến thức sự phản xạ của sóng trong bài 15 “Giao thoa sóng” (SGK Vật lý 12 Nâng cao, trang 79).
Thí nghiệm 4: Mô tả hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước. a. Bố trí thí nghiệm như ở thí nghiệm 1.
b. Tiến hành thí nghiệm.
− Bước 1: Lắp cần rung hai nguồn vào bộ tạo rung.
− Bước 2: Bật công tắc máy phát tần số cho cần rung dao động.
− Bước 3: Điều chỉnh tần số dao động, tìm ra các giá trị của tần số để quan sát hiện tượng giao thoa rõ ràng nhất.
− Bước 4: Quan sát sự xuất hiện giao thoa sóng mặt nước (hình 2.22). c. Áp dụng.
Giúp học sinh quan sát trực tiếp hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước, góp phần bổ trợ cho phần kiến thức sự giao thoa của 2 sóng trên mặt nước trong bài 14: Giao thoa sóng (SGK Vật lý 12 Nâng cao, trang 84).
2.3.6. Ưu điểm và nhược điểm của thiết bị.
a. Ưu điểm:
− Bộ thí nghiệm mô tả được nhiều hiện tượng như: sóng đồng tâm một nguồn, sóng song song, sóng phản xạ, sóng nhiễu xạ, giao thoa sóng trên mặt nước.
− Đối với từng phương án thí nghiệm chỉ ra rõ ràng thí nghiệm đó có thể áp dụng vào bài nào trong chương trình Vật lý lớp 12.
− Bộ thí nghiệm đảm bảo tính sư phạm, tính thẩm mỹ.
− Học sinh có thễ dễ dàng quan sát được hiện tượng khi tiến hành thí nghiệm.
− Học sinh dễ tưởng tượng ra cơ cấu hoạt động của bộ thí nghiệm.
− Có thể lắp đặt, điều chỉnh và tiến hành dễ dàng, hình ảnh quan sát rõ.
− Bộ thí nghiệm được chế tạo từ những vật liệu đơn giản dễ kiếm nên giá thành hợp lý.
b. Nhược điểm:
− Do thời gian nghiên cứu có hạn nên thiết bị mới chỉ dùng lại ở mức độ định tính.
− Do chế tạo theo chuyển động qua các cơ cấu cơ học nên sau một thời gian sử dụng phải cho dầu vào các cơ cấu chuyển động để chúng chuyển động trơn chu hơn.
KẾT LUẬN
Đề tài đã đạt được một số kết quả sau:
• Tổng hợp các kiến thức về lý luận dạy học Vật lý có liên quan đến nội dung đề tài.
• Thiết kế, chế tạo được 02 bộ thí nghiệm: “Khảo sát sóng dừng trên dây”
và “ Tạo sóng trên mặt nước” đều hoạt động ổn định và đảm bảo được những yêu cầu của một bộ thí nghiệm tự tạo và có những ưu điểm nổi bật như:
− Ở bộ thí nghiệm “Khảo sát sóng dừng trên dây” nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế thêm màn chắn màu trắng đặt sau bộ thí nghiệm, nhuộm dây đàn hồi thành màu đen để tạo sự tương phản giữa màn chắn với dây giúp quan sát hiện tượng dễ dàng hơn.
− Giá thành của bộ thí nghiệm tự tạo hợp lý hơn so với những thiết bị đã có trên phòng thí nghiệm do vật liệu sử dụng đều rẻ tiền, dễ kiếm.
− Các chi tiết của bộ thí nghiệm tự tạo dễ thay thế khi hỏng hóc.
− Thực hiện được nhiều phương án thí nghiệm tương tự với bộ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra, bộ “Khảo sát sóng dừng trên dây”còn khảo sát được sóng dừng trên sợi dây đồng, có thể thay đổi chiều dài sợi dây trong quá trình tiến hành thí nghiệm.
• Soạn thảo được tiến trình thí nghiệm cụ thể đối với mỗi phương án mà đề tài nêu ra.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Khải (2012), Lý luận dạy học Vật Lý ở trường phổ thông, NXB Giáo dục, Hà Nội.
[2]. Nhiều tác giả, Đổi mới phương pháp dạy học và những bài dạy minh họa vật lý lớp 11 (Tài liệu tập huấn đổi mới phương pháp dạy học năm 2012).
[3].Nguyễn Thế Khôi (2010), Vật Lý 12 nâng cao, NXB Giáo dục, Hà Nội. [4]. Nguyễn Quang Linh (2009), Thiết kế, chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm về giao thoa sóng nước nhằm phát huy tính tích cực của học sinh trong dạy học bài Giao thoa sóng – Vật lý 12 (nâng cao), luận văn thạc sỹ khoa học giáo dục. [5]. Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2011), Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông, NXB ĐH Sư Phạm, Hà Nội.
[6]. Nguyễn Quang Trung (2012), Đề xuất phương án và xây dựng thí nghiệm tự tạo hỗ trợ dạy học vật lý.