Một vài kinh nghiệm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và triển khai lắp đặt một số thí nghiệm dùng cho giảng dạy phần giao thoa sóng cơ, giao thoa ánh sáng trong chương trình vật lý lớp 12

Thí nghiệm cungcấp cho chúng ta những thông tin, dữ liệu về các hiện tượng, sự vật cầnnghiên cứu làm cơ sở cho những khái quát hóa, từ đó rút ra được những tínhchất những quy luật cơ bản

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

A PHẦN MỞ ĐẦU I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Theo thời gian, sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng đạt đượcnhững thành tựu to lớn; những kiến thức khoa học ngày càng sâu và rộnghơn Khoa học kỹ thuật đã có những tác động quan trọng góp phần làm thayđổi bộ mặt của xã hội loài người, nhất là những ngành khoa học kỹ thuật cao Cũng như các môn khoa học khác, Vật lý học là bộ môn khoa học cơbản, làm cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng mới ngày nay

Sự phát triển của Vật lý học dẫn tới sự xuất hiện nhiều ngành kỹ thuật mới:

Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, tự động hoá và điều khiển học, công nghệthông tin…

Vật lý là một môn khoa học thực nghiệm Phần lớn các khái niệm, địnhluật vật lý giảng dạy ở trường phổ thông hiện nay đều rút ra từ thực nghiệm,nên việc sử dụng thí nghiệm trong dạy hoc vật lý đóng vai trò rất quan trọng,không thể thiếu được trong quá trình hình thành kiến thức Thí nghiệm cungcấp cho chúng ta những thông tin, dữ liệu về các hiện tượng, sự vật cầnnghiên cứu làm cơ sở cho những khái quát hóa, từ đó rút ra được những tínhchất những quy luật cơ bản của sự vật hiện tượng trong tự nhiên

Do đó thí nghiệm không thể thiếu được trong hoạt động nhận thức vật

lý ở trường phổ thông Ngoài ra thí nghiệm còn là phương tiện trực quan giúpcho học sinh nhanh chóng thu nhận những thông tin chính xác, chân thật và tựnhiên hơn các phương tiện khác Bởi vậy sử dụng thí nghiệm đúng đắn trongdạy học không những góp phần phát triển tư duy cho học sinh mà còn gópphần phát triển các kỹ năng trong quá trình nghiên cứu các hiện tượng, cácđịnh luật vật lý

Thí nghiệm đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động nhận thức của họcsinh Nhưng qua tìm hiểu thực tế dạy và học ở các trường phổ thông trongtỉnh thì tôi thấy: các thí nghiệm dạy học phần quang học, phần cơ học sóng,phần cảm ứng từ lớp 11, phần cơ học chất lưu lớp 10,… đang còn rất thiếuthốn Một số trường có nhưng do đã quá cũ không còn khả năng hoạt độngđược, và những thiết bị này thường là những chi tiết hoàn chỉnh, đắt tiền vàrất khó tháo rời ra từng chi tiết để quan sát

Chính khó khăn trên nên khi dạy học vật lý các giáo viên chủ yếu dùngcác tranh ảnh, hình vẽ, lời nói để mô tả thí nghiệm, từ đó dẫn tới học sinh tiếpthu bài một cách thụ động, miễn cưỡng, không phát huy được tính tích cực, tựlực, sáng tạo của học sinh trong học tập

Với sự cấp thiết như vậy, tôi chọn đề tài “MỘT VÀI KINH

NGHIỆM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ TRIỂN KHAI LẮP ĐẶT MỘT SỐ THÍ NGHIỆM DÙNG CHO GIẢNG DẠY PHẦN GIAO THOA SÓNG CƠ, GIAO THOA ÁNH SÁNG TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ LỚP 12-THPT”

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Thiết kế chế tạo dụng cụ thí nghiệm phần giao thoa sóng cơ, sóng ánhsáng, nhằm nâng cao chất lượng dạy học trong chương trình vật lý phổthông

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU, GIẢ THUYẾT KHOA HỌC:

1 Đối tượng nghiên cứu:

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

2 Giả thuyết khoa học

Các bộ thí nghiệm khi được chế tạo thành công sẽ góp phần làm tăngtính tích cực, tăng khả năng sáng tạo của học sinh trong việc học tập môn vâtlý

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Thực nghiệm, tiến hành đo, lắp ráp các linh kiện cần thiết cho thínghiệm

Tổ chức thực nghiệm sư phạm ở trường phổ thông qua đợt thực tâp sư phạm

GV: NguyÔn v¨n b×nh M«n VËt lý 2

B PHẦN NỘI DUNG I.CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN TỚI CÁC DỤNG CỤ THÍ

NGHIỆM

I.1 GIAO THOA SÓNG NƯỚC

I.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 đườngcong tại đó biên độ dao động là cực đại, và xen kẽ giữa chúng là nhóm nhữngđường cong khác tại đó mặt nước không dao động

[1]

I.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 cùngpha với thanh P do đó chúng là hai nguồn kết hợp

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

d2

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

dao động tại M vào thời điểm t cùng pha với

dao động tại A vào thời điểm

Vì vậy phương trình dao động tại M từ A

Tại những điểm mà hiệu đường đi d = (2n + 1) thì hiệu số pha bằng (2n+1) tức là hai sóng ngược pha nhau, biên độ của sóng tổng hợp bằng 0, ởđây môi trường không dao động Quỹ tích các điểm này cũng là một họ cácđường hypebol có tiêu điểm tại A và B (là các đường vẽ chấm chấm)

[1]

I.2 GIAO THOA ÁNH SÁNG:

I.2.1 Thí nghiệm Iâng về hiện tượng giao thoa ánh sáng

Một đèn Đ chiếu sáng một khe hẹp S nằm trên một

Đặt mắt sau màn chắn M12 sao cho có thể đồng thời hứng được hai chùm tiasáng 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 nhữngvạch tối xen kẽ nhau một cách đều đặn

Hiện tượng này gọi là hiện tượng giao thoa ánh sáng [1]

I.2.2.Giải thích hiện tượng.

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

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 mộtphần chồng lên nhau và chúng dao thoa với nhau, cho những vân sáng vântối

Hai sóng ánh sáng này dao thoa nhau vì chúng được phát ra từ hai nguồn

S 1 Đ

S

S2

S1

M12

Hình 1.4

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

vân sáng chính giữa Ở hai bên

vân sáng chính giữa là giải màu

như màu cầu vồng

[1]

I.2.3 Khoảng vân giao thoa

Giả sử ta đặt màn chắn ảnh E

song song với màn chắn M Vân

giao thoa xuất hiện trên màn ảnh

cá dạng những đoạn thẳng sáng

tối song song với hai khe S1,S2

I.2.4 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

gửi tới A cùng pha với nhau và

tăng cường lẫn nhau Điều kiện này sẽ được thỏa mãn khi hiệu đường đi củahai sóng ánh từ hai nguồn S1, S2 đến điểm A bằng một số nguyên lần bướcsóng ánh sáng:

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  = với D = IO

a

sin2

6

I.2.5 Khoảng vân:

Khoảng vân là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối cạnhnhau

Muốn có khoảng vân lớn thì D phải lớn hoặc a phải nhỏ [1]

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT THÍ NGHIỆM

II.1: BỘ THÍ NGHIÊM GIAO THOA SÓNG NƯỚC.

II.1.1 Cấu tạo

Cần rung có gắn hai hòn bi, nguồn

điện một chiều, các thanh giá đỡ

- Ta đặt môtơ vào trong một

khớp nối của ống nhựa 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





Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

II.2: BỘ THÍ NGHIÊM GIAO THOA ÁNH SÁNG.

II.2.1 Cấu tạo: Hình dạng của kính như hình vẽ

Ống kính gồm hai ống hình trụ ghép với nhau

+ Một ống hình trụ dài khoảng 25cm làm bằng ống nhựa PVC, có đườngkính =8mm

+ Một ống hình trụ dài 20 cm, đường kính  = 42

mm

+ Ba khớp nối thẳng

II.2.2 Nguyên tắc hoạt động.

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

+ Mỗi tấm bìa cắt một khe hình chữ nhật kích thước 5  20 mm

+ Một tấm làm khe hẹp S có chắn 2 nửa lưỡi con dao cạo để tạo thành khe

hở kích thước 1 20 mm

+ Một tấm làm hai khe Iâng có kích thước 1 20 mm nhưng chính giữa haikhe ta căng một sợi dây có kích thước cỡ micromet

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 hìnhvẽ

Hình2.4: Bộ phận tạo khe sáng hẹp S

8

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

[2]III SOẠN THẢO TIẾN TRÌNH GIẢNG DẠY MỘT SỐ BÀI NHẰM KIỂM TRA TÍNH KHẢ THI CỦA ĐỀ TÀI.

Để kiểm tra tính khả thi của đề tài, tức là tính ứng dụng được trong dạyhọc của các dụng cụ thí nghiệm tôi đã tiến hành soạn thảo hai bài tương ứngvới hai bộ thí nghiệm tôi đã chế tạo được

3- Thái độ: Tuân thủ các bước sử dụng máy

4- Những năng lực cốt lõi cần được chú trọng: Tư duy, kĩ

năng thực hành, lắp ráp thiết bị

5- Trọng tâm bài học: Điều kiện để có giao thoa, công thức

xác định vị trí của cực đại, cực tiểu

Cần rung

Nguồn điện Đế gỗ

Mô tơ điện

B CHUẨN BỊ

Gv: phần mềm mô phỏng hiện tượng giao thoa sóng cơ, máy

chiếu đa năng

HS: ôn lại bài cũ

Gv: yêu cầu hs trả lời C 1

I-HIỆN TƯỢNG GIAO THOA CỦA 2 SÓNG NƯỚC

-Những đường cong dao động vớibiên độ cực tiểu

đứng yên ( 2

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

triệt tiêu lẫn nhau)-Các gợn sóng có hình các đườnghypebol gọi là các vân giaothoa

Gv: M dao động với biên

độ cực đại khi nào ?

(Hai dao động cùng pha

Gv:Y/c HS diễn đạt điều

kiện những điểm dao

động với biên độ cực đại

Gv: Những điểm đứng

II- CỰC ĐẠI VÀ CỰC TIỂU 1-Dao động của một điểm trong vùng giao thoa :

-Cho 2 nguồn S1 và S2 có cùng f ,cùng pha :

Phương trình dao động tại 2nguồn :

1 2

2 cos cos t

a) Vị trí các cực đại giao thoa :

M dao động với Amax khi :

 k = 0  d1 = d2

Quỹ tích là đường trung trực

GV: NguyÔn v¨n b×nh M«n VËt lý 12

yên là những điểm nào?

Gv: Y/c HS diễn đạt điều

kiện những điểm

(HS Khá-Giỏi)

của S 1 S 2

b) Ví trí các cực tiểu giao thoa :

M dao động với AM = 0 khi :

1 2

b) Có hiệu số pha không đổi theothời gian

 Hai nguồn kết hợp phát ra 2 sóng kết hợp.

[1]

4.Củng cố luyện tập.

-Nêu công thức xác định vị trí các cực đại và các cực tiểu

giao thoa ?

-Điều kiện để có giao thoa ?

Câu 5 (trang 45 sgk) chọn D ; Câu 6 chọn D

Câu 7 : Trên khoảng S1S2 có 12 điểm đứng yên tức là có 11

khoảng 2



vậy 11 2

 = 11cm Vậy v   f = 2.26=52cm/s

5 Hướng dẫn học sinh làm bài tập ở nhà.

- Trả lời câu hỏi 1,2,3,4 ,

- Bài tập 8 trang 45 SGK và sách bài tập

- Đọc trước bài sóng dừng

- 2 -1 0 1 2

- 2 -1 1 2

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

* Mức độ nhận biết: - Mô tả được thí nghiệm về nhiễu xạ ánh sáng và thí

nghiệm Y-âng về giao thoa ánh sáng

- Nhớ được giá trị tượng trưng của bước sóng ứng với vài màu thông dụng:

đỏ, vàng, lục…

- Nêu được điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng

* Mức độ thông hiểu: - Viết được các công thức cho vị trí của các vân

sáng, tối theo khoảng vân i

* Mức độ vận dụng: - áp dụng được các công thức xác định khoảng vân, vị

trí vận sáng và vân tối để giải các bài tập liên quan

2 Kĩ năng: Quan sát, thu thập được thông tin từ thí nghiệm về hiện tượng

giao thoa ánh sáng

3 Thái độ: Tích cực thảo luận để giải quyết yêu cầu của gv đưa ra.

4 Những năng lực cốt lõi cần được chú trọng: phát hiện, giải quyết vấn đề,

làm việc hợp tác

5 Trọng tâm bài học: Hiện tượng giao thoa ánh sáng, công thức định vị trí

B CHUẨN BỊ

1 Giáo viên: Làm thí nghiệm Y-âng với ánh sáng đơn sắc

2 Học sinh: Ôn lại bài 8: Giao thoa sóng.

C CÁC HOẠT ĐỘNG DẠY - HỌC

Gv: Mô tả hiện tượng nhiễu xạ ánh

sáng

Hs: ghi nhận kết quả thí nghiệm và

thảo luận để giải thích hiện tượng

- O càng nhỏ D’ càng lớn so với D

Dành hs khá giỏi: Nếu ánh sáng

truyền thẳng thì tại sao lại có hiện

tượng như trên?

Hs: thảo luận để trả lời

I Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

- Hiện tượng truyền sai lệch so với

sự truyền thẳng khi ánh sáng gặp vậtcản gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánhsáng

- Mỗi ánh sáng đơn sắc coi như mộtsóng có bước sóng xác định

II Hiện tượng giao thoa ánh sáng

1 Thí nghiệm Y-âng về giao thoa

GV: NguyÔn v¨n b×nh M«n VËt lý

14

Gv: Mô tả bố trí thí nghiệm Y-âng

Gv : tiến hành thí nghiệm biểu diễn

Hs: quan sát , thảo luận và nhận xét

Dành HS yếu kém: Giải thích tại sao

lại xuất hiện những vân sáng, tối trên

M?

Dành hs khá giỏi: Để tại A là vân

sáng thì hai sóng gặp nhau tại A phải

thoả mãn điều kiện gì?

Dành hs yếu kém: Làm thế nào để

xác định vị trí vân tối?

- Lưu ý: Đối với vân tối không có

khái niệm bậc giao thoa

Gv: Nêu định nghĩa khoảng vân và

yêu cầu học sinh tìm công thức tính

khoảng vân dựa trên định nghĩa





c Tại O là vân sáng bậc 0 của mọibức xạ: vân chính giữa hay vân trungtâm, hay vân số 0

4 Ứng dụng:

- Đo bước sóng ánh sáng

Nếu biết i, a, D sẽ suy ra được :

ia D

 

§

Trêng THPT Th¹ch Thµnh 3  S¸ng kiÕn kinh nghiÖm

giao thoa ánh sáng có ứng dụng để

làm gì?

Câu hỏi chung: Hãy cho biết quan hệ

giữa bước sóng và màu sắc ánh

sáng?

Hs: đọc Sgk để tìm hiểu

- Hai giá trị 380nm và 760nm được

gọi là giới hạn của phổ nhìn thấy

được chỉ những bức xạ nào có bước

sóng nằm trong phổ nhìn thấy là giúp

được cho mắt nhìn mọi vật và phân

biệt được màu sắc

- Quan sát hình 25.1 để biết bước

sóng của 7 màu trong quang phổ

III Bước sóng và màu sắc

1 Mỗi bức xạ đơn sắc ứng với mộtbước sóng trong chân không xácđịnh

2 Mọi ánh sáng đơn sắc mà ta nhìnthấy có: (380 - 760) nm

3 Ánh sáng trắng của Mặt Trời làhỗn hợp của vô số ánh sáng đơn sắc

có bước sóng biến thiên liên tục từ 0đến

[1]

Củng cố luyÖn tËp

- Nêu điều kiện để có giao thoa ánh sáng

- Viết công thức xác định khoảng vân i, vị trí vân sáng và vị trí vân tối

Hướng dẫn về nhà

- Các em cần hiểu rõ hiện tượng giao thoa ánh sáng

- Giải thích được các hiện tượng quan sát thấy trong thực tiễn như váng dầu,

bong bóng xà phòng

- Nêu được ý nghĩa hiện tượng giao thoa ánh sáng

- Trả lời các câu hỏi trong SGK

III KIỂM NGHIỆM

Nội dung sáng kiến trên đã được kiểm nghiệm qua thực tế giảng dạy tạitrường cho thấy nó phù hợp với việc đổi mới phương pháp dạy học hiện nay

So sánh giảng dạy hai lớp 12 trường THPT Thạch Thành 3

Điểm kiểm tra trước và sau tác động của lớp thực nghiệm: Lớp 12A2

STT Họ tên học sinh Điểm trước tác động Điểm sau tác động