Hướng dẫn học sinh thiết kế, chế tạo thí nghiệm phần giao thoa sóng nước, giao thoa ánh sáng trong chương trình vật lý 12

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓATRƯỜNG THPT MƯỜNG LÁT SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HƯỚNG DẪN HỌC SINH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THÍ NGHIỆM PHẦN GIAO THOA SÓNG NƯỚC, GIAO THOA ÁNH SÁNG TRONG CHƯƠNG TRÌN

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT MƯỜNG LÁT

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

HƯỚNG DẪN HỌC SINH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THÍ NGHIỆM PHẦN GIAO THOA SÓNG NƯỚC, GIAO THOA ÁNH SÁNG TRONG

CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 12 THPT

Người thực hiện: Đỗ Thị Cúc Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực: Vật lý

THANH HÓA NĂM 2016

MỤC LỤC 1 Mở đầu 1.1 Lý do chọn đề tài ……… ……… … 2

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài……… … 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu……… 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu……… 3

2 Nội dung nghiên cứu 2.1 Cơ sở lý thuyết liên quan tới các dụng cụ thí nghiệm………… ……… 3

2.1.1 Giao thoa sóng nước……….……….3

2.1.1.1 Hiện tượng giao thoa……… …….…… 3

2.1.1.2 Lý thuyết giao thoa……… 3

2.1.2 Giao thoa ánh sáng……… ……….… 4

2.1.2.1 Thí nghiệm Iâng về hiện tượng giao thoa ánh sáng……… 4

2.1.2.2 Giải thích hiện tượng……… 5

2.1.2.3 Vị trí của các vân trong thí nghiệm Iâng……… 6

2.1.2.4 Khoảng vân……….…… ……6

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm……….7

2.3 Các giải pháp thực hiện ……… 7

2.3.1 Bộ thí nghiệm giao thoa sóng nước……… 7

2.3.1.1 Cấu tạo……… ……….7

2.3.1.2 Nguyên tắc hoạt động ……… ……….……… ….7

2.3.1.3 Lắp ráp……… ………8

2.3.2 Bộ thí nghiệm giao thoa ánh sáng……….… 8

2.3.2.1 Cấu tạo ……….………8

2.3.2.2 Nguyên tắc hoạt động ……… 11

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm……….……….… 11

3 Kết luận và kiến nghị ……….….…12

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….14

1

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm Các khái niệm, định luật vật lý đều rút ra từ thực nghiệm, nên việc sử dụng thí nghiệm trong dạy hoc vật lý không thể thiếu được trong quá trình hình thành kiến thức Thí nghiệm cung cấp cho chúng

ta những thông tin, dữ liệu về các hiện tượng, sự vật cần nghiên cứu làm cơ sở cho những khái quát hóa, từ đó rút ra được những tính chất những quy luật cơ bản của sự vật hiện tượng trong tự nhiên Ngoài ra thí nghiệm còn là phương tiện trực quan giúp cho học sinh nhanh chóng thu nhận những thông tin chính xác, chân thật, tự nhiên do đó nó có tính thuyết phục hơn các phương tiện khác Vai trò của thí nghiệm trong dạy học là to lớn như vậy nhưng với thời lượng 45 phút ít ỏi trên lớp nếu dùng thí nghiệm để xây dựng các khái niệm, định luật thì giáo viên chỉ dành được 3-5 phút làm thí nghiệm biểu diễn, học sinh chỉ được quan sát, ít được trực tiếp làm thí nghiệm Thời lượng các em được tự tay làm thí nghệm rất ít, chỉ

có 3 bài thực hành trong cả năm học Vì vậy lý thuyết các em rất rõ nhưng khi thực hành các em lại lóng ngóng, chưa mạnh dạn sử dụng thiết bị với tâm lý sợ sai, sợ hỏng, không biết bắt đầu từ đâu, chưa biết thu thập số liệu thế nào, xử lý số liệu và nhận xét kết quả ra sao Đó là một hạn chế! Do đó giáo viên nên hướng dẫn học sinh tự làm thiết bị thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm để thấy rõ hiện tượng diễn ra như thế nào

Ngoài ra, học sinh tự làm thiết bị thí nghiệm không những tích cực hóa việc học tập của học sinh mà còn rèn luyện kỹ năng sử dụng các thiết bị, đồ dùng trong cuộc sống, rèn luyện thái độ, đức tính kiên trì , kỹ năng làm việc nhóm Đặc biệt

là học sinh tự làm thiết bị thí nghiệm còn có tác dụng khơi dậy và phát huy tính sáng tạo, đam mê trong nghiên cứu khoa học của các em Có thể coi đó là công trình để khơi mào các em nghiên cứu và chế tạo ra các thiết bị, máy móc phục vụ cuộc sống Điều này có thể thấy trong các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật, các học sinh lớp 8, lớp 9 cũng đã có những sản phẩm khoa học rất đáng nể phục

ví dụ nhưsản phẩm “Máy vớt rác trên hồ bằng điều khiển từ xa” của em Vi Đức Nhật, học sinh lớp 9A trường THCS Phú Thọ, thiết bị lọc nước biển thành nước ngọt của em Nguyễn Hoàng Phi Long (lớp 8/1) và  Hồ Văn Anh Kim (lớp 9/1) Trường THCS Điền Hòa, xã Phong Hòa, H.Phong Điền, Thừa Thiên-Huế … Có như vậy thì bộ môn vật lý mới không là lý thuyết suông mà có vai trò to lớn đối với sự phát triển của toàn xã hội giống như cuộc cách mang khoa học kỹ thuật lần thứ nhất mà loài người đã đạt được

Đối với giáo viên, qua việc hướng dẫn học sinh làm thiết bị thí nghiệm sẽ phát hiện được những em có phẩm chất và năng lực của nhà khoa học để bồi dưỡng ,khuyến khích các em sáng tạo các sản phẩm để tham dự cuộc thi sáng tạo khoa học ký thuật tổ chức hàng năm

Vì những lý do đó tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “hướng dẫn học sinh thiết

kế, chế tạo thí nghiệm dùng cho giảng dạy phần giao thoa sóng nước và giao thoa ánh sáng trong chương trình vật lý 12 THPT ”.

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Hướng dẫn học sinh thiết kế chế tạo dụng cụ thí nghiệm để các em có điều kiện thực hiện, quan sát thí nghiệm kỹ hơn, đồng thời rèn luyện kỹ năng thực hành, làm việc nhóm và kích thích tính sáng tạo để các em dần đưa lý thuyết vật lý vào thực tế cuộc sống

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các dụng cụ thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước, kính quan sát giao thoa ánh sáng

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thực nghiệm: tiến hành đo, lắp ráp các linh kiện cần thiết cho thí nghiệm

- Tổ chức thực nghiệm sư phạm ở trường phổ thông qua buổi học ngoài giờ lên lớp

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lí thuyết liên quan tới các dụng cụ thí nghiệm

2.1.1 Giao thoa sóng nước

2.1.1.1 Hiện tượng giao thoa

Dùng hai hòn bi nhỏ gắn vào hai nhánh

đặt chạm mặt nước Khi thanh P dao

độnghai hòn bi A và B sẽ tạo ra trên mặt

nước hai hệ sóng lan truyền theo hình tròn

đồng tâm Hai hệ thống đường tròn mở rộng

ra và đan trộn vào nhau trên mặt nước Khi

hình ảnh sóng đã ổn định, chúng ta phân biệt

được trên mặt nước một nhóm những đường cong tại đó biên độ dao động là cực đại, và xen kẽ giữa chúng là nhóm những đường cong khác tại đó mặt nước không dao động Hiện tượng được mô tả như vậy gọi là hiện tượng giao thoa

2.1.1.2 Lí thuyết giao thoa

Giả sử A và B là hai nguồn dao động

cùng tần số và cùng pha với nhau và sóng

của chúng cùng truyền tới một điểm M theo

hai đường d1, d2 Hai nguồn dao động cùng

tần số và cùng pha hoặc độ lệch pha không

đổi được gọi là hai nguồn kết hợp và sóng

mà chúng tạo ra được gọi là sóng kết hợp

Trong thí nghiệm trên, hai hòn bi không

dao động độc lập nhau mà chúng luôn dao

động cùng tần số và cùng pha với thanh P do đó chúng là hai nguồn kết hợp

3

P A B

Hình 1.1

A

B

M

l

d1

d2

Hình 1.2

Giả sử phương trình của các dao động tại A và B cùng là u = asin t Nếu khoảng cách l giữa hai nguồn A và B nhỏ so với các đường đi d1, d2, ta có thể coi biên độ các sóng truyền tới M là bằng nhau

Gọi v là vận tốc truyền sóng

Thời gian để sóng truyền từ A đến M là

v

d1

, dao động tại M vào thời điểm t cùng pha với

dao động tại A vào thời điểm t d v1

Vì vậy phương trình dao động tại M từ A

truyền đến có dạng:

uA = aM sin ( t  d v1 ) = aM sin (t  d v1 ) (1)

Tương tự như vậy phương trình sóng tại M từ B truyền

đến là:

uB = aM sin (t  d v2 )

(2) Dao động tại M là tổng hợp của hai dao động (1) và (2) cùng tần số nhưng khác pha Độ lệch pha :

 = d

v d d v



2 1

với d d1  d2

Vì  = 2T và v T ta suy ra  = 2 d

Tại những điểm mà hiệu đường đi d bằng một số nguyên lần bước sóng, d = n thì hiệu số pha bằng 2n ( n = 0, 1,2 ….) , hai sóng cùng pha nhau, biên độ của sóng tổng hợp lớn gấp đôi mỗi sóng thành phần, dao động của môi trường ở đây là lớn nhất Quỹ tích các điểm như vậy là một họ các đường hypebol có tiêu điểm tại

A và B, bao gồm cả đường trung trực của đoạn AB

Tại những điểm mà hiệu đường đi d = ( 2n + 1) 2 thì hiệu số pha bằng ( 2n +1) tức là hai sóng ngược pha nhau, biên độ của sóng tổng hợp bằng 0, ở đây môi trường không dao động Quỹ tích các điểm này cũng là một họ các đường hypebol

có tiêu điểm tại A và B ( là các đường vẽ chấm chấm trên hình 1.3)

2.1.2 Giao thoa ánh sáng

2.1.2.1 Thí nghiệm Iâng về hiện tượng giao thoa ánh sáng

Một đèn Đ chiếu sáng một khe hẹp S nằm trên một màn chắn M

Hình 1.3

Ánh sáng của ngọn đèn được lọc qua một kính lọc sắc F Khe S trở thành một khe sáng đơn sắc

Chùm tia sáng đơn

sắc lọt qua khe S tiếp tục

chiếu sáng hai khe S1, S2

nằm song song và rất gần

nhau trên một màn chắn

M12 Hai khe S1, S2 được

bố trí song song với khe S

Đặt mắt sau màn chắn M12

sao cho có thể đồng thời

hứng được hai chùm tia sáng lọt qua các khe S1, S2 vào mắt Nếu điều tiết mắt để nhìn vào khe S, ta sẽ thấy có một vùng sáng hẹp trong đó xuất hiện những vạch sáng và những vạch tối xen kẽ nhau một cách đều đặn Hiện tượng này gọi là hiện tượng giao thoa ánh sáng

2.1.2.2.Giải thích hiện tượng

Hiện tượng có những vạch sáng vạch tối xen kẽ nhau chỉ có thể giải thích bằng sự giao thoa của hai sóng: những vạch sáng ứng với những chỗ hai sóng gặp nhau tăng cường lẫn nhau: những vạch tối ứng với những chỗ hai sóng gặp nhau triệt tiêu lẫn nhau Ta gọi những vạch sáng, vạch tối này là những vân giao thoa

Nếu thừa nhận ánh sáng có tính chất sóng, ta sẽ giải thích hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm Iâng như sau:

Ánh sáng từ đèn Đ

chiếu tới khe S

làm cho khe S trở

thành nguồn phát sóng ánh sáng, lan tỏa về phía hai khe S1,S2 Khi truyền các khe

S1 và S2, sóng này sẽ làm cho chúng trở thành hai nguồn sáng khác, phát ra hai sóng ánh sáng, lan tỏa tiếp theo về phía sau Hai chùm sáng này có một phần chồng lên nhau và chúng dao thoa với nhau, cho những vân sáng vân tối

Hai sóng ánh sáng này giao thoa nhau vì chúng được phát ra từ hai nguồn S1,S2

thỏa mãn là hai nguồn kết hợp:

+Sóng ánh sáng do hai nguồn S1,S2 có cùng tần số với sóng ánh sáng do nguồn

S phát ra

5

Hình 1.5

S

S 2

S 1

Đ

S

S2

S1

M12

Hình 1.4

+ Khoảng cách từ S1,S2 đến S là không đổi nên độ lệch pha của hai sóng này là một hằng số

Nếu dùng ánh sáng trắng thì hệ thống vân giao thoa của các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ không trùng khít với nhau Khi đó ở chính giữa, vân sáng của các

ánh sáng đơn sắc khác nhau trùng với nhau cho một vân trắng gọi là vân sáng

chính giữa Ở hai bên vân sáng chính giữa là giải màu như màu cầu vồng.

2.1.2.3 Vị trí của các vân trong thí nghiệm Iâng

Vân sáng A trên màn

ảnh được xác định bằng đoạn

thẳng OA = x Tại A có vân

sáng khi hai sóng ánh sáng do

hai nguồn S1, S2 gửi tới A

cùng pha với nhau và tăng

cường lẫn nhau Điều kiện

này sẽ được thỏa mãn khi hiệu

đường đi của hai sóng ánh từ

hai nguồn S1, S2 đến điểm A

bằng một số nguyên lần bước

sóng ánh sáng:

S2A – S1A = k

hay r2 – r1 = k

với r2 = S2A, r1 = S1A và k là một số nguyên

Gọi H1, H2 là hình chiếu của S1,S2 trên đường IA; Đặt S1S2 = a

 OIA ;   1 IAS 1;   2 IAS2 ; H1A = r1 cos 1 = IA – IH = IA - sin

2

a

H2A = r2 cos 2 = IA + IH2= IA + sin

2

a

vì các góc 1, 2 rất nhỏ nên:

r1 cos 1 r1 ; r2 cos 2 r2 ; do đó : r2 - r1 = a sin  Mặt khác vì góc  rất nhỏ nên có thể lấy sin tg  = D x

với D = IO

Vậy ta có : r2 - r1 = aD x = k

Vị trí vân sáng trên màn ảnh là : x =

a

D

k

với k = 0 1, 2, 3 v v …

Ở hai bên vân sáng chính giữa là các vân sáng bậc 1, ứng với k = 1, rồi đến các vân sáng bậc 2, ứng với k =1 v.v Xen giữa hai vân sáng cạnh nhau là một vân tối

2.1.2.4 Khoảng vân

M1 2

O

A

H2

H1

S2

S1

r1

x

2

1

r2

Hình 1.6

Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối cạnh nhau.

i x( 1)k x k (k 1) D k D



i D

a





Muốn có khoảng vân lớn thì D phải lớn hoặc a phải nhỏ

Từ cơ sở lý thuyết đó, tôi chia lớp thành 4 nhóm, phát cho mỗi nhóm 1 bản hướng dẫn về cấu tạo, lắp ráp và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị thí nghiệm

để các em nghiên cứu và thực hiện ở nhà sau đó biểu diễn sản phẩm vào buổi học ngoài giờ lên lớp

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Học sinh tại trường THPT Mường Lát nói riêng và học sinh ở các trường THPT nói chung được làm thực hành thí nghiệm rất ít nên còn lóng ngóng, chưa mạnh dạn sử dụng thiết bị với tâm lý sợ sai, sợ hỏng, không biết bắt đầu từ đâu, chưa biết thu thập số liệu thế nào, xử lý số liệu và nhận xét kết quả ra sao Các em

ít có cơ hội trải nghiệm các thí nghiệm vật lí điều đó làm cho môn Vật lý vốn hấp dẫn, gần gũi với thực tế lại trở thành lý thuyết suông

Thêm vào đó thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước tại trường THPT Mường Lát đã hỏng nên các giáo viên không thể làm thí nghiệm biểu diễn cho học sinh quan sát Để khắc phục điều này tôi đã hướng dẫn các em thiết kế một dụng cụ khá đơn giản để quan sát giao thoa sóng nước Đối với thiết bị thí nghiệm giao thoa ánh sáng có sẵn trong phòng thí nghiệm thì khoảng vân quan sát được rất nhỏ và thí nghiệm cồng kềnh không tiện cho việc di chuyển để quan sát các nguồn sáng bất kì Với thí nghiệm giao thoa ánh sáng mà tôi hướng dẫn học sinh làm dưới đây rất gọn nhẹ, các vân giao thoa quan sát được rõ nét và thực hiện được với nguồn sáng bất kỳ

2.3 Các giải pháp thực hiện

Bằng các vật liệu sẵn có quen thuộc tôi đã hướng dẫn học sinh cách chế tạo, lắp ráp và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị thí nghiệm

2.3.1: Bộ thí nghiêm giao thoa sóng nước

2.3.1.1 Cấu tạo

Bộ phận gồm có:

Một đế gỗ kích thước 15102 cm

Trên đế gỗ có đục lỗ để đặt các thanh

giá đỡ.( Hình a )

Một mô tơ nhỏ (lấy từ cái quạt thổi

lửa) và một đĩa tròn gắn vào trục mô

tơ (Hình b)

Cần rung làm từ thanh cứng nhẹ có

gắn hai hòn bi

7

(a)

(e) (d)

hình 2.1

Nguồn điện một chiều làm từ hai cục pin tiểu hoặc pin trong cái quạt tích điện, các thanh giá đỡ làm bằng ống nhựa PVC

2.3.1.2 Lắp ráp

- Dùng đế gỗ kích thước 15102 cm

trên đễ gỗ ta đục 3 lỗ tròn để đặt các ống nhựa làm thanh giá

đỡ

- Lấy chọn một cúp nối ống nước hình chữ “T” đặt vừa

môtơ vào trong cúp nối này Rồi đặt lên thanh giá đỡ phía

trong

- Nguồn một chiều được nối với môtơ Trên trục môtơ ta

gắn một đĩa tròn Trên đĩa ta tạo các rãnh như răng cưa cách

đều nhau

- Đĩa được đặt tiếp xúc với một đầu của cần rung để khi đĩa quay nó sẽ làm cho cần rung dao động

- Ở chính giữa cần rung ta gắn một trục

vuông góc với cần rung, trục này đặt vào hai

thanh giá đỡ còn lại

- Ta gắn hai hòn bi bằng nhựa vào một thanh

thép uốn hình chữ U rồi gắn vào đầu cần rung

Vậy là ta có bộ thí nghiệm giao thoa sóng hoàn

chỉnh

2.3.1.3 Nguyên tắc hoạt động

Lấy một khay nước đặt trước cần rung sao

cho hai hòn bi vừa chạm vào mặt nước Nối mô

tơ với nguồn điện sẽ làm mô tơ quay, đĩa có

răng cưa sẽ quay theo làm cần rung dao động

chấm vào mặt nước Sóng nước sẽ lan ra đan

xen nhau tạo nên hình ảnh giao thoa

2.3.2 Bộ thí nghiệm giao thoa ánh sáng.

2.3.2.1 Cấu tạo: Hình dạng của kính như hình

vẽ

Ống kính gồm hai ống nước ghép đồng trục với nhau:

Cần rung

Mô tơ điện

Hình 2.2

Sơ đồ lắp ráp các bộ phận

+ Ống thứ nhất dài khoảng 25cm làm bằng ống nhựa PVC, có đường kính  = 48mm

+ Ống thứ hai dài 20 cm, đường kính  = 42 mm

+ Ba khớp nối thẳng

+ Khe hẹp S và hai khe Iang

2.3.2.2 Lắp ráp

Dùng hai mảnh bìa cứng không cho ánh sáng truyền qua ta cắt thành hai hình tròn có đường kính lần lượt là 48 mm, và 42 mm

+ Mỗi hình tròn ta cắt một khe hình chữ nhật kích thước 5  20

mm như hình vẽ (a),(b)

+ Hình tròn lớn làm khe hẹp S có chắn 2 nửa lưỡi lam để tạo thành khe hở kích thước 1 20 mm

+ Hình tròn nhỏ làm hai khe Iâng có kích thước 1 20 mm có chắn 2 nửa lưỡi lam nhưng chính giữa hai khe ta căng một sợi dây tóc như hình (c)

Để tạo ống kính ta dùng khớp nối để nối hai ống lại với nhau, các khe hẹp S và khe Iâng đặt vào trong hai khớp nối còn lại rồi gắn vào các ống như hình vẽ 2.4

9

Tấm nhựa có khe hẹp giới hạn bằng hai nửa dao lam kích thước khe 4  1 mm

Hình2.4: Bộ phận tạo khe sáng hẹp S

Hình 2.5: Ống kính

L = 20 cm