Chương trình môn Vật lý trong chương trình giáo dục phổ thông 2018 cũng có nội dung cần đến các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng để nâng cao hiệu quả dạy học, đó là nội dung Giao thoa só
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN
TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG THANH CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM
TỪ CÁC THIẾT BỊ SẴN CÓ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG GIAO THOA ÁNH SÁNG VÀ GIÚP HỌC SINH TÌM HIỂU THÊM VỀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM DẠY HỌC VẬT LÍ
Giáo viên: Đặng Ngọc Tú Tổ: Khoa học tự nhiên Năm học 2021 - 2022
Số ĐT cá nhân: 0914 775 456
Thanh Chương, tháng 4 năm 2022
Trang 21
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN
TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG THANH CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM TỪCÁC THIẾT BỊ SẴN CÓ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG GIAO THOA ÁNH SÁNG VÀ GIÚP HỌC SINH TÌM HIỂU THÊM VỀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM DẠY HỌC VẬT LÍ
Giáo viên: Đặng Ngọc Tú Tổ: Khoa học tự nhiên Năm học 2021 - 2022
Trang 3MỤC LỤC
Trang
A Mở đầu 3
I Lý do chọn đề tài 3
II. Mục đích nghiên cứu 4
III Cấu trúc của đề tài 4
B Nội dung 6
I Cơ sở lý thuyết và thực tiễn 6
1.1 Lý thuyết về màu sắc ánh sáng 6
1.2 Công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc cho máy chiếu projector 8
1.3 Các thiết bị sẵn có để thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng 12
II Thiết kế các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng từ máy chiếu projector và máy tính 12
2.1 Sử dụng các thiết bị sẵn có 12
2.2 Chế tạo màn chắn có 2 khe hẹp 13
2.3 Tiến hành các thí nghiệm 14
2.4 Sử dụng các thí nghiệm trong tiến trình dạy học hiện tƣợng Giao thoa ánh sáng 17
III Thực nghiệm sư phạm 18
C Kết luận 21
Tài liệu tham khảo 23
Trang 4A MỞ ĐẦU
I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong dạy học phát triển chất và năng lực học sinh, mọi hoạt động dạy học đều hướng đến các sự vật, hiện tượng, các quá trình trong thế giới tự nhiên, trong thực tiễn đời sống sản xuất và ứng dụng khoa học công nghệ Đặc biệt trong dạy học môn Vật lí, việc tìm tòi, thiết kế các thí nghiệm trực quan với các thiết bị, vật liệu sẵn có là vô cùng quan trọng
Việc tổ chức các hoạt động dạy học chủ đề Giao thoa ánh sáng trong chương trình Vật lí 12 - THPT hiện hành đã có những thí nghiệm về tán sắc ánh sáng, giao thoa ánh sáng đơn sắc, giao thoa ánh sáng trắng Các thí nghiệm đó đã phần nào đáp ứng được yêu cầu về tính trực quan, để học sinh tìm hiểu về ánh sáng nhìn thấy, liên hệ giữa bước sóng và màu sắc ánh sáng Tuy nhiên với việc đổi mới phương pháp dạy học và kiểm tra đánh giá hiện nay, cùng với xu thế đổi mới trong các kì thi, đặc biệt là kỳ thi đánh giá năng lực của các trường Đại học Yêu cầu cao hơn việc học sinh phải vận dụng sáng tạo, liên hệ các kiến thức học được với thực tiễn
Chương trình môn Vật lý trong chương trình giáo dục phổ thông 2018 cũng
có nội dung cần đến các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng để nâng cao hiệu quả
dạy học, đó là nội dung Giao thoa sóng kết hợp ở lớp 11 với các yêu cầu cần đạt:
+ Thực hiện (hoặc mô tả) được thí nghiệm chứng minh sự giao thoa hai sóng kết hợp bằng dụng cụ thực hành sử dụng sóng nước (hoặc sóng ánh sáng);
+ Phân tích, đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm, nêu được các điều kiện cần thiết để quan sát được hệ vân giao thoa;
+ Vận dụng được biểu thức i = D/a cho giao thoa ánh sáng qua hai khe hẹp Mặt khác, trong các trường THPT hiện nay, sẵn có các thiết bị (máy tính, máy chiếu trong các phòng học và máy chiếu lưu động) và các vật liệu dễ tìm để
có thể sử dụng cho việc thiết kế các thí nghiệm trực quan hơn về nhiện tượng giao thoa ánh sáng
Chính vì vậy tôi đã nghiên cứu đề tài: “Thiết kế thí nghiệm từ các thiết bị sẵn có nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung Giao thoa ánh sáng và giúp học sinh tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng” Nội dung của đề tài sẽ trình bày
việc tìm hiểu và thiết kế các thí nghiệm biểu diễn có tính trực quan cao hơn, từ các thiết bị sẵn có trong nhà trường như máy vi tính, máy chiếu projector cùng các vệt
liệu dễ tìm giúp cho các hoạt động dạy học chương Sóng ánh sáng trong chương trình Vật lí 12 – THPT hiện hành và nội dung Giao thoa sóng kết hợp trong
chương trình Vật lý lớp 11 mới được hiệu quả hơn Cũng qua đó, thiết kế các nhiệm vụ học tập cho học sinh, giúp học sinh tìm hiểu thêm về ánh sáng và màu
sắc ánh sáng
Trang 5II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Trong chương trình Vật lí 12 hiện hành, đã có các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng: thí nghiệm với đèn laser và các khe hẹp có sẵn cùng với giá thí nghiệm
để đo bước sóng ánh sáng (chương trình chuẩn); thí nghiệm với ống hình trụ, đèn sợi đốt các khe hẹp và các thấu kính hội tụ (chương trình nâng cao)
Tuy nhiên với các thí nghiệm này đang có các hạn chế: chỉ phù hợp với bài thực hành, các nhóm nhỏ học sinh thực hiện và đo bước sóng ánh sáng sau khi đã tìm hiểu về lý thuyết giao thoa ánh sáng ở các bài trước đó; các thí nghiệm chỉ với một ánh sáng đơn sắc Trong đề tài này tôi đề xuất và thiết kế các thí nghiệm trực quan có thể biểu diễn trên lớp một cách đơn giản, trong tiết học lý thuyết và các tiết tự chọn, ôn tập để toàn thể học sinh trong lớp đều quan sát rõ các hiện tượng giao thoa ánh sáng đơn sắc, giao thoa ánh sáng 2 thành phần đơn sắc và ánh sáng 3 thành phần đơn sắc Học sinh được quan sát trực tiếp về các hiện tượng trên mà không chỉ nghe và đọc lý thuyết Qua đó giúp học sinh học tập, tự học có hiệu quả hơn, và có cơ hội để tìm hiểu thêm về ánh sáng và màu sắc, liên hệ các hiện tượng trong tự nhiên, các thiết bị ứng dụng khoa học công nghệ tạo màu sắc và hình ảnh trong thực tiễn thông qua các nhiệm vụ mà giáo viên giao: tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng và các công nghệ tạo màu sắc, hình ảnh của các loại màn hình TV, máy tính, smartphone và ánh sáng từ máy chiếu projector
III CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI
A MỞ ĐẦU
B NỘI DUNG
I CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TIỄN
1.1 Lý thuyết về màu sắc ánh sáng
1.2 Công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc cho máy chiếu projector
1.3 Các thiết bị sẵn có để thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng
II THIẾT KẾ CÁC THÍ NGHIỆM GIAO THOA ÁNH SÁNG TỪ MÁY CHIẾU PROJECTOR VÀ MÁY TÍNH
Trang 63.2 Kết quả thực nghiệm sƣ phạm
3.3 Nhận xét kết quả TNSP
C KẾT LUẬN
Trang 7B NỘI DUNG
I CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ THỰC TIẾN
1.1 Lý thuyết về màu sắc ánh sáng [4]
Ánh sáng đến từ Mặt Trời gồm một phổ bức xạ điện từ gần như liên tục, với
đa số năng lượng tập trung trong vùng bước sóng nằm giữa 220 và 3200 nanomét Khi chúng truyền qua bầu khí quyển của Trái Đất, đa phần sóng ánh sáng trên 2000nm (các bước sóng hồng ngoại) bị hấp thụ bởi cacbon dioxit, hơi nước, và ozon cho nên đa số chưa bao giờ đến được mặt đất Các sóng tử ngoại ngắn hơn cũng bị hấp thụ bởi lớp ozon Hiệu ứng lọc lựa này của bầu khí quyển làm giới hạn phổ ánh sáng đến được mặt đất có bước sóng giữa 320 và 2000nm
Mắt người nhạy cảm với một dải hẹp bức xạ điện từ nằm trong vùng bước sóng giữa 400 và 700nm, thường được gọi là phổ ánh sáng khả kiến, đó là nguồn duy nhất của màu sắc Khi kết hợp với nhau, tất cả các bước sóng có mặt trong ánh sáng khả kiến, khoảng một phần ba toàn dải phân bố phổ truyền qua được bầu khí quyển Trái Đất, hình thành nên ánh sáng trắng không màu có thể bị khúc xạ và tán sắc thành các màu thành phần của nó bằng cách sử dụng lăng kính
Các màu đỏ, lục, và lam được xem là màu cơ bản vì chúng là cơ sở cho sự nhìn và cảm nhận màu sắc của con người
Mắt người chứa các cơ quan thụ quang tế bào hình nón gắn trong một hố nhỏ ở chính giữa võng mạc được điều chỉnh nhằm phản ứng với các bước sóng nằm trong ba vùng này (đỏ, lục, và lam) với các protein sắc tố chuyên biệt Tất cả các màu của phổ ánh sáng khả kiến, từ tím tới đỏ, có thể được tạo ra bằng cách cộng hoặc trừ những kết hợp khác nhau của ba màu cơ bản này Ánh sáng được con người nhận thức là trắng khi cả ba loại tế bào hình nón bị kích thích đồng thời bởi lượng ánh sáng đỏ, lục, và lam bằng nhau Vì cộng ba màu này mang lại ánh sáng trắng, nên các màu đỏ, lục, và lam được gọi là các màu cộng cơ bản
Khi chỉ có một hoặc hai loại tế bào hình nón bị kích thích, thì vùng màu sắc cảm nhận được bị giới hạn Ví dụ, nếu một dải hẹp ánh sáng lục (540 đến 550nm) được dùng để kích thích tất cả các tế bào hình nón, thì chỉ có tế bào nào có chứa cơ quan thụ quang lục mới phản ứng lại, tạo ra cảm giác nhìn thấy màu lục Sự cảm nhận các màu cộng không cơ bản, ví dụ như màu vàng, có thể phát sinh theo một trong hai cách: các tế bào hình nón đỏ và lục bị kích thích đồng thời với ánh sáng vàng đơn sắc có bước sóng 580nm, thì mỗi cơ quan thụ quang tế bào hình nón phản ứng hầu như ngang nhau vì sự chồng lấn phổ hấp thụ của chúng xấp xỉ như nhau trong vùng này của phổ ánh sáng khả kiến; hoặc là kích thích từng tế bào hình nón đỏ và lục với một hỗn hợp bước sóng đỏ và lục riêng biệt chọn lựa từ các vùng thuộc phổ hấp thụ của cơ quan thụ quang không có sự chồng lấn đáng kể Kết quả, trong cả hai trường hợp, là sự kích thích đồng thời của các tế bào hình nón đỏ
và lục, tạo ra cảm giác màu vàng, mặc dù được tạo ra bởi hai cơ chế khác nhau
Trang 8Khả năng cảm nhận những màu sắc khác yêu cầu kích thích một, hai, hoặc cả ba loại tế bào hình nón đến mức độ khác nhau với bộ bước sóng thích hợp
Nếu như các phần bằng nhau của ánh sáng lục và lam được cộng với nhau, thì màu thu được được gọi là màu lục lam Tương tự như vậy, các phần bằng nhau của ánh sáng lục và đỏ tạo ra màu vàng, và các phần bằng nhau của ánh sáng đỏ và lam mang lại màu đỏ tươi Các màu lục lam, đỏ tươi, và vàng thường được gọi là màu bù, vì mỗi phần bù thuộc các màu cơ bản trong hỗn hợp ánh sáng trắng Màu vàng (đỏ cộng với lục) là phần bù của màu lam vì khi hai màu này cộng với nhau thì ánh sáng trắng được tạo ra Tương tự, màu lục lam (lục cộng với lam) là phần
bù của màu đỏ, và màu đỏ tươi (đỏ cộng với lam) là phần bù của ánh sáng lục
Các màu bù (lục lam, vàng, và đỏ tươi) cũng còn được gọi là các màu trừ cơ bản vì mỗi màu có thể hình thành bằng cách trừ đi một trong các màu cộng cơ bản (đỏ, lục, và lam) từ ánh sáng trắng Ví dụ, ánh sáng vàng được quan sát thấy khi toàn bộ ánh sáng lam bị tách khỏi ánh sáng trắng, màu đỏ tươi được hình thành khi màu lục bị lấy đi, và màu lục lam được tạo ra khi màu đỏ bị tách mất Màu sắc quan sát thấy bằng cách trừ đi một màu cơ bản khỏi ánh sáng trắng thu được vì não cộng gộp các màu còn lại để tạo ra phần bù hoặc màu trừ tương ứng Hình 1 minh họa các vòng màu chồng lấn của cả các màu cơ bản cộng và trừ Những vùng chồng lấn cho biết những màu mới được tạo ra bằng cách cộng hoặc trừ và những kết hợp khác nhau giữa các màu cơ bản
Khi bất kì hai màu trừ cơ bản nào được cộng lại, chúng tạo ra một màu cộng
cơ bản Ví dụ, cộng màu đỏ tươi và màu lục lam với nhau tạo ra màu lam, còn cộng màu vàng và màu đỏ tươi với nhau tạo ra màu đỏ Tương tự, cộng màu vàng với màu lục lam tạo ra màu lục Khi cả ba màu trừ cơ bản được cộng lại, ba màu cộng cơ bản sẽ bị lấy khỏi ánh sáng trắng, để lại màu đen (không có bất kì màu nào) Màu trắng không thể tạo ra bằng bất cứ sự kết hợp nào của các màu trừ cơ
“Cộng” màu “Trừ” màu
Trang 9bản, đó là lí do chủ yếu vì sao không có hỗn hợp nước sơn hoặc mực in nào có thể dùng để in màu trắng
Mắt người nhạy cảm với những sự chênh lệch rất nhỏ về màu sắc và có khả năng phân biệt giữa 8-12 triệu sắc thái màu khác nhau Đa số màu sắc chứa một số phần của toàn bộ bước sóng trong phổ khả kiến Cái thực sự thay đổi từ màu này sang màu khác là sự phân bố bước sóng trong một màu cho trước Bước sóng chiếm ưu thế xác định sắc thái cơ bản của màu sắc Tỉ số của bước sóng ưu thế và những bước sóng khác xác định độ bão hòa màu của vật và xem nó trông bão hòa nhạt hay đậm Cường độ màu và hệ số phản xạ của vật được quan sát xác định độ sáng của màu (ví dụ, màu lam tối hoặc lam nhạt) Điều này được minh họa dưới đây bằng Cây màu Munsell, trong đó mỗi màu được biểu diễn bằng một vị trí riêng
ở trên cây (Hình 2) Giá trị màu được biểu diễn bằng sự sắp đặt trên đường tròn, và
độ bão hòa được biểu diễn bằng khoảng cách ngang của một màu tính từ trục ở chính giữa, và độ sáng được biểu diễn bằng vị trí đứng trên thân cây
1.2 Công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc cho máy chiếu projector [6]
Trong máy chiếu, hình ảnh từ nguồn (PC, tablet, smartphone ) muốn chiếu
ra ngoài cho chúng ta xem thì chúng phải trả qua một giai đoạn biến đổi quang học kết hợp với điều khiển điện tử Hiện nay trên thực tế có ba công nghệ phổ biến để làm việc này
* Công nghệ DLP:
Hình 2: Cây màu Munsell
Trang 10Hệ thống DLP (Digital Light Processing – xử lí ánh sáng kỹ thuật số) có
tâm điểm là một con chip bán dẫn quang học mang tên DLP, được phát minh bởi tiến sĩ Larry Hornbeck của hãng Texas Instruments vào năm 1987 Ngoài các linh kiện điện tử khác, nó có một vùng hình chữ nhật chứa 2 triệu tấm gương siêu nhỏ (digital microscopic mirrors - DMD), mỗi tấm gương này nhỏ hơn 1/5 độ dày một sợi tóc người
Khi chip DLP được định hướng bởi nguồn tín hiệu hình ảnh, một nguồn sáng và một ống kính (của máy chiếu), những tấm gương này sẽ phản xạ hình ảnh lên màn hình hoặc bất kì bề mặt nào Các tấm gương trên chip DLP có hai trạng thái là ON (lật để hướng về nguồn sáng) và OFF (lật hướng ra khỏi nguồn sáng) Điều này tạo nên các pixel màu sáng và tối trên bề mặt chiếu video Tín hiệu hình ảnh sẽ ra lệnh cho những các tấm gương lật sang trạng thái ON hoặc OFF hàng nghìn lần trong mỗi giây Khi chế độ ON xuất hiện nhiều hơn OFF, nó phản xạ các pixel màu xám nhạt, còn khi OFF nhiều hơn ON, các pixel có màu xám đậm Nhờ vậy, các máy chiếu dùng DLP có thể hiển thị tối đa 1024 sắc độ xám Trước khi đến các gương siêu nhỏ, ánh sáng đi qua một bộ lọc màu hình chiếc đĩa và chỉ có 3 màu cơ bản: đỏ, lục và lam đi qua Khi ánh sáng đi qua bánh xe màu, những tia sáng màu đỏ, lục và lam sẽ xuất hiện lần lượt trên bề mặt của DMD Sự xoay chuyển của các gương cũng như tỷ lệ thời gian gương hoạt động hay không hoạt động sẽ được phối hợp để hiển thị các màu cơ bản và hệ thống xử lý hình ảnh trong não người sẽ tổng hợp màu sắc đó và cho con người cảm nhận được hình ảnh với màu sắc hết sức trung thực
* Công nghệ 3LCD:
Công nghệ 3LCD (Liquid Crystal Display - hiển thị tinh thể lỏng) được phát triển bởi Epson vào những năm 1980 Sau đó đến năm 1988, hãng bắt đầu cấp quyền sử dụng 3LCD cho các hãng bên ngoài và một năm sau đó, chiếc máy chiếu 3LCD đầu tiên ra đời: Epson VPJ-700 Hiện nay đã có các hãng Epson, Panasonic, Sony, Sharp sản xuất máy chiếu bằng công nghệ 3LCD
Trang 11Hình 4: Sơ đồ hệ thống 3LCD
Bắt đầu từ nguồn sáng trắng phát ra từ bóng đèn máy chiếu, qua 3 tấm kính lọc sắc khác nhau, ánh sáng trắng được tách ra 3 chùm sáng với 3 dải tần số ánh sáng thành phần khác nhau: đỏ , xanh lục, xanh lam Sau đó mỗi chùm sáng đi qua
3 tấm LCD khác nhau Mỗi tấm LCD có hàng trăm ngàn điểm ảnh nhỏ li ti, số điểm ảnh này chính là độ phân giải của máy chiếu, càng nhiều điểm ảnh thì độ phân giải càng cao
Mỗi điểm ảnh này chứa các phân tử tinh thể lỏng, các tinh thể lỏng này sẽ đóng mở hoặc cho ánh sáng qua với mức độ nhiều hay ít nhờ điện áp điều khiển đặt vào nó, điện áp này được đưa ra bởi 3 con chip, mỗi chip điều khiển 1 tấm LCD Sau đó 3 thành phần màu được “tái hợp” tại một lăng kính lưỡng sắc, rồi hội
tụ tại hệ thống thầu kính hội tụ và chiếu lên màn
Ở trên là sơ đồ mô tả công nghệ 3LCD, ba tấm nền LCD được sử dụng ở phần trung tâm của hệ thống, bởi thế nó mới có cái tên là 3LCD Quy trình tạo ra hình ảnh của công nghệ này có thể chia làm ba giai đoạn:
- Tạo màu từ chùm sáng trắng: Ánh sáng từ nguồn sẽ đi ra một gương lưỡng sắc, tại đây ánh sáng sẽ bị tách thành hai chùm: một chùm đỏ và một chùm pha giữa lam với lục Khi đi đến gương lưỡng sắc thứ hai, ánh sáng tiếp tục bị tách thành lam và lục Vậy là chúng ta đã có ba chùm cơ bản: đỏ, lục, lam
- Tạo hình ảnh bằng các LCD: Ba chùm sáng nói trên sẽ tiếp tục đi đến một khu vực trung tâm có lăng kính và ba tấm LCD bao xung quanh Mỗi pixel trên LCD sẽ được bao phủ bởi các tinh thể lỏng và khi chúng ta thay đổi điện áp, những pixel sẽ dần đen lại cho đến khi nó đen hoàn toàn hoặc sáng dần cho đến khi trong suốt (để toàn bộ ánh sáng đi qua tạo ra màu trắng) Còn để tạo ra nhiều sắc độ xám khác nhau, người ta sẽ tinh chỉnh điện áp để có được mức độ trong suốt tương ứng trên các tinh thể Quá trình này giống như trên các đồng hồ điện tử, lúc pin còn đầy thì các kí tự rõ ràng và đen đậm, nhưng khi pin yếu thì chúng nhạt dần Như vậy,
Trang 12độ sáng của từng pixel sẽ được điều khiển một cách chính xác để tạo ra hình ảnh theo yêu cầu
- Kết hợp hình ảnh và chiếu ra ngoài: sau khi màu được lọc bởi các LCD, chùm sáng sẽ được kết hợp lại bằng lăng kính lưỡng sắc ở giữa để tạo hình ảnh cuối cùng, sau đó đưa ra hệ thống thấu kính rồi chiếu ra ngoài cho chúng ta xem
* Công nghệ LCoS:
Công nghệ LCoS (Liquid crystal on silicon – tinh thể lỏng trên silicon) cũng
sử dụng cách thức phản xạ ánh sáng giống như DLP, tuy nhiên nó sử dụng các tinh thể lỏng thay cho nhiều tấm gương siêu nhỏ Những tinh thể này được đặt trực tiếp lên bề mặt của một chip silicon vốn được tráng một lớp nhôm cộng thêm một số lớp hóa chất khác có tính phản xạ cao Nếu so sánh với máy chiếu 3LCD, LCoS cũng sử dụng tinh thể lỏng nhưng là để phản xạ ánh sáng chứ không phải cho phép ánh sáng đi xuyên qua Nói cách khác, có thể coi LCoS là sự kết hợp giữa 3LCD
Tóm lại: dù là công nghệ nào thì chúng ta cũng thấy hình ảnh và màu
sắc đều được tạo ra từ 3 màu cơ bản: đỏ, lục và lam Nghĩa là ánh sáng phát ra
từ máy chiếu dù là đang chiếu hình ảnh gì thì cũng chỉ có các thành phần trong trong 3 màu cơ bản là đỏ, lục và lam
