LATS XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO PHẦN “CƠ HỌC” (TNU)

THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ

vectorstock.com/28062424

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection DẠY KÈM QUY NHƠN EBOOK PHÁT TRIỂN NỘI DUNG

LATS XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO PHẦN “CƠ HỌC” (TNU) WORD VERSION | 2021 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM

Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TỰ TẠO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO PHẦN “CƠ HỌC”

3.1. Đặc điểm phần “Cơ học” trong chương trình vật lí 12 nâng cao Trong chương trình vật lí 12 nâng cao THPT phần “Cơ học” gồm 3 chương: chương Động lực học vật rắn, chương Dao động cơ và chương Sóng cơ.

Sơ đồ 3.1. Cấu trúc nội dung phần “Cơ học” vật lí 12 nâng cao Trong chương trình vật lí lớp 12 nâng cao thì phần “Cơ học” có nhiều hiện tượng có tính trừu tượng cần phải được trực quan hóa trong QTDH, trong khi đó các TN và phương tiện trực quan trong phần này còn hạn chế kể cả các TBTN được cung cấp theo quy định tối thiểu của Bộ Giáo dục. Phần này cũng có liên quan đến nhiều hiện tượng trong thực tế như: vận động viên nhảy cầu biểu diễn các tư thế xoắn người trên không; người đứng trên bàn xoay đang quay thực hiện động tác dang tay ra và thu tay vào sát thân người; đồ thị dao động của con lắc lò xo; sóng truyền trên sợi dây đàn hồi, mặt nước… Vì vậy, trong DHVL trực quan là vấn đề cần quan tâm, vì chỉ có thông qua TN và phương tiện trực quan mới giúp cho HS

66

hiểu rõ và sâu sắc hơn về các kiến thức trọng tâm của bài học và nhất là những biểu hiện của nó trong thực tế cuộc sống.

Theo phân phối chương trình thì phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao gồm có 21 tiết lí thuyết, 7 tiết bài tập và 4 tiết thực hành. Trong đó, chương “Động lực học vật rắn” là chương đầu tiên trong chương trình vật lí 12 nâng cao, chương này HS sẽ tìm hiểu các kiến thức về chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định và không cố định về phương diện động học và động lực học, cụ thể là: Xác định quy luật chuyển động của vật rắn; Tìm mối liên hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động quay của vật rắn; Tìm mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực; Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định; Biểu thức dạng khác của phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định; Định luật bảo toàn momen động lượng; Động năng của vật rắn trong chuyển động quay quanh một trục cố định. Các nội dung kiến thức đó sẽ được HS vào giải các bài tập đơn giản về phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định khi biết momen quán tính của vật, định luật bảo toàn momen động lượng để và giải thích các hiện tượng liên quan trong thực tế cuộc sống như: sự thay đổi động tác của vận động viên nhảy cầu trên không và khi lao mình vào trong nước; Sự thay đổi động tác của vận động viên trượt băng nghệ thuật khi biểu diễn...

Chương “Dao động cơ” có một vị trí rất quan trọng trong chương trình vật lí phổ thông, vì chương này mở đầu cho việc nghiên cứu về dao động cơ như: dao động con lắc lò xo, con lắc đơn … và là cơ sở cho việc nghiên cứu dao động của sóng cơ, sóng điện từ. Trong chương này, HS sẽ được trang bị các kiến thức về dao động điều hòa như: phương trình dao động điều hòa, các đại lượng đặc trưng và công thức tính chu kì, tần số góc của dao động điều hòa; công thức tính chu kì dao động của con lắc lò xo, con lắc đơn và con lắc vật lí; nêu được hiện tượng cộng hưởng và điều kiện để có hiện tượng cộng hưởng… Các nội dung kiến thức đó sẽ được HS vận dụng vào việc giải các bài tập về con lắc lò xo, con lắc đơn như tính chu kì dao động, viết phương trình dao động của vật; viết được phương trình tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số. Trong chương này, các hiện tượng cũng diễn ra một cách phổ biến và có liên quan trong cuộc sống như: dao động của con lắc lò xo, dao động con lắc đơn… Những dao động đó có thể khác nhau nhưng về bản chất vật lí là hoàn toàn giống nhau, dao động của vật là dao động điều hòa.

67

Chương “Sóng cơ” là chương cuối cùng trong phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao, những nội dung kiến thức mà HS được học trong chương này như: sóng cơ, sóng dọc, sóng ngang; phương trình sóng; sóng âm và hiệu ứng Đốpple… gắn liền với những ứng dụng thực tiễn trong kĩ thuật và đời sống. Trong chương này HS vận dụng các kiến thức để giải các bài tập đơn giản như: viết phương trình sóng, tính mức cường độ âm, xác định vị trí của các điểm có biên độ dao động cực đại và cực tiểu trong miền giao thoa sóng nước, tính được tốc độ truyền sóng trên sợi dây đàn hồi đối với hai đầu cố định và một đầu cố định, một đầu tự do… và giải thích được các hiện tượng thực tế có liên quan như: sự phản xạ sóng và hiện tượng sóng dừng; hiện tượng giao thoa sóng…

Phần “Cơ học” vật lí lớp12 nâng cao gồm có 3 chương với những nội dung kiến thức của từng chương được thiết lập theo các sơ đồ cấu trúc logic sau:

Sơ đồ 3.2. Cấu trúc logic các kiến thức của chương“Động lực học vật rắn”

Sơ đồ 3.3. Cấu trúc logic các kiến thức của chương “Dao động cơ”

68

Sơ đồ 3.4. Cấu trúc logic các kiến thức của chương “Sóng cơ” Trong phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao thì số tiết thực hành như vậy là quá ít, 4 tiết so nội dung kiến thức trong chương trình vật lí phổ thông. Vì trong DHVL, thực hành TN có vai trò quan trọng trong việc tích cực hóa HĐNT của HS trong học tập, qua TN thì TTC nhận thức của HS không những được phát huy mà còn góp phần vào việc rèn luyện cho HS các kỹ năng thực hành TN. Bên cạnh đó, việc giải thích được các hiện tượng TN giúp cho HS đào sâu thêm kiến thức đã học và đặc biệt là đảm bảo niềm tin khoa học của HS đối với kiến thức vật lí. Do đó, trong DHVL ngoài việc sử dụng các TBTN đã có thì việc thiết kế, chế tạo TN để hình thành hoặc minh họa kiến thức mà HS đã thu nhận được là việc làm cần thiết, cần được quan tâm khai thác và sử dụng trong DH. Qua nghiên cứu chương trình, nội dung kiến thức trong phần “Cơ học” vật lí 12 nâng cao, chúng tôi nhận thấy rằng một số nội dung, kiến thức vật lí sau có thể thiết kế, chế tạo TN để kiểm chứng hoặc minh họa các kiến thức được suy ra bằng con đường suy luận lí thuyết.

Sơ đồ 3.5. Các nội dung kiến thức có thể minh họa bằng TNTT 69

Trong xây dựng chương trình và biên soạn nội dung kiến thức trong SGK vật lí lớp 12 nâng cao phần “Cơ học”, các tác giả SGK cũng đã chú ý đến TN, nhưng phần nhiều vẫn là các TN thực hành vật lí. Trong khi đó nhiều nội dung kiến thức vật lí trong SGK phổ thông liên quan đến các hiện tượng trong thực tế cần phải được trực quan hóa và minh họa lại trong QTDH thì thấy ít quan tâm xây dựng. Vì vậy, việc nghiên cứu tự tạo TN và sử dụng TNTT vào tổ chức HĐNT cho HS trong DHVL có vai trò quan trọng trong việc đổi mới PPDH ở trường phổ thông hiện nay nhằm phát huy TTC, tự lực và sáng tạo của HS trong quá trình học tập.

3.2. Tự tạo các thí nghiệm trong phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao Dựa vào quy trình tự tạo TN đã đề xuất trong sơ đồ 2.3, trên cơ sở nghiên cứu mục tiêu dạy học, nội dung bài học và thực trạng cơ sở vật chất, TBTN chúng tôi đề xuất phương án và tự tạo một số TN sau trong phần “Cơ học” vật lí 12 nâng cao.

3.2.1. Thí nghiệm sóng dừng 3.2.1.1. Phương án thí nghiệm đã có Hiện nay trong các nghiên cứu TN vật lí đã có một số phương án TN về sóng dừng, chẳng hạn: - TN sóng dừng với nguồn dao động là nam châm điện.

- TN sóng dừng với nguồn dao động là động cơ với vòng lệch tâm (Hình 3.1).

Các TN này đều tạo ra được hiện tượng sóng dừng, tuy nhiên có những hạn chế sau: - Biên độ nhỏ nên hạn chế về tính trực quan.

- Khó khăn trong việc thay đổi lực căng khi khảo sát sóng dừng sự phụ thuộc lực căng của sợi dây.

- TN được bố trí theo phương nằm ngang nên hạn chế khi quan sát hình ảnh sóng dừng.

Hình 3.1. Bộ nguồn dao động là động cơ với vòng lệch tâm 70

Vì vậy, chúng tôi đề xuất phương án tự tạo TN sóng dừng với mong muốn là khắc phục được những hạn chế trên nhằm nâng cao hiệu quả của việc sử dụng TN trong quá trình tổ chức hoạt động DH. 3.2.1.2. Thí nghiệm tự tạo Phương án 1: Sóng dừng với bộ rung là loa điện động  Mục đích TN - Nhận biết được đặc điểm của sóng dừng.

- Khảo sát sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm (Hình 2.10 chương 2)  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 01 loa điện động (12V-25W; 20Hz-20kHz);

- 01 dây đàn hồi dài 70cm;

- 01 biến thế (450mA; 0 - 12V);

- 01 dây dẫn điện dài (1,5m);

- 01 công tắc điều chỉnh điện áp (0 - 220V).

- 02 ròng rọc nhựa;

- 01 bảng điện nhựa (13cm x 18cm);

- 01 thước chia độ dài (0-100cm);

- 01 thanh nhôm định hình (65cm - 80cm);

- 01 miếng gỗ (14cm x 33cm);

- 01 chai keo dán 502;

- 01 phích cắm điện;

- 03 thanh sắt chữ L và các ốc, vít;

- Các gia trọng 10g, 20g và 50g;

- 05 miếng nhựa alu (14cm x 16cm);

- 01 nút cao su đường kính 2,5cm.

- 01 máy phát tần số (0- 6V; 0 - 100kHz); - 01 thanh nhôm rỗng đường kính 0,7cm và dài (5cm - 7cm);  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Làm cần rung (1): Cắt thanh nhôm rỗng có đường kính 0,7cm, dài 5cm, khoan một lỗ ở đầu thanh nhôm để luồn sợi dây. Đầu còn lại gắn vào nút cao su.

- Tạo bộ rung (2): Gắn công tắc điều chỉnh điện áp vào đầu vào của biến thế, gắn đầu ra của biến thế với loa điện từ nhờ các dây dẫn điện gọi là bộ rung. Sau đó, đem bộ rung lắp lên bảng điện nhựa và được giữ cố định nhờ vít hãm.

- Gia công con trượt (3): Cắt một miếng nhôm nhỏ kích thước (2cm x 4cm), khoan lỗ ở hai đầu, sau đó bẻ cong lại có dạng hình chữ L.

71

- Gia công thanh gắn ròng rọc (4): Cắt thanh nhôm dẹp có chiều dài 10cm, khoan lỗ ở hai đầu và một lỗ ở chính giữa của thanh, sau đó lắp bộ ròng rọc nhựa vào hai đầu của thanh nhờ ốc vặn và tán.

- Làm giá đỡ (5): Cắt thanh nhôm định hình có chiều dài 77cm, khoan hai lỗ ở đầu thanh nhôm và thanh nhôm được giữ cố định trên miếng gỗ nhờ hai thanh sắt chữ L và vít hãm. Sau lắp con trượt (3), thanh gắn ròng rọc (4) và thước đo độ dài lên thanh nhôm gọi là giá đỡ .

- Gia công hộp che (6): Cắt 05 miếng nhựa alu kích thước (14cm x 16cm), sau đó gắn chúng lại với nhau nhờ vít hãm gọi là hộp che. Trên hộp có khoan một lỗ để gắn công tắc điều chỉnh điện áp.  Lắp ráp thí nghiệm - Lắp các dụng cụ (1), (2), (5) và (6) lại với nhau, ta được TN sóng dừng với bộ rung là loa điện động (Hình 2.11a chương 2).  Tiến hành thí nghiệm  Sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây - Bố trí và tiến hành TN (xem vận dụng quy trình tự tạo TN sóng dừng ở chương 2).

- Sau khi tiến hành TN, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.1. Sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây f (Hz)

50

F (N)

0,5

l (m)

n (bụng sóng)



2l (m) n

v = .f (m/s)

0,32

2

0,32

16

0,48

3

0,32

16

0,63

4

0,315

15,75

Kết quả TN (Bảng 3.1) chứng tỏ, số bụng sóng và nút sóng phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây, khi chiều dài sợi dây thay đổi thì số bụng sóng và nút sóng cũng thay đổi.  Sóng dừng phụ thuộc vào lực căng của sợi dây - Bố trí và tiến hành TN (xem vận dụng quy trình tự tạo TN sóng dừng ở chương 2).

- Sau khi tiến hành TN, ta thu được bảng số liệu sau:

72

Bảng 3.2. Sóng dừng phụ thuộc vào lực căng của sợi dây f (Hz)

50

l (m)



2l (m) n

F(N)

n (bụng sóng)

0,5

3

0,32

0,9

2

0,46

1,2

1

0,96

0,48

Kết quả TN (Bảng 3.2) chứng tỏ, số bụng sóng, nút sóng phụ thuộc vào lực căng của sợi dây, khi lực căng của sợi dây thay đổi thì số bụng sóng, nút sóng cũng thay đổi.  Sóng dừng phụ thuộc vào tần số - Bố trí và tiến hành TN (xem vận dụng quy trình tự tạo TN sóng dừng ở chương 2).

- Sau khi tiến hành TN, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.3. Sóng dừng phụ thuộc vào tần số l (m)

0,65

F ( N)

0,5



2l (m) n

f (Hz)

n (bụng sóng)

31,5

3

0,43

13,5

42

4

0,32

13,4

52

5

0,26

13,5

v = .f (m/s)

Kết quả TN (Bảng 3.3) chứng tỏ, số bụng sóng, nút sóng phụ thuộc vào tần số của máy phát, khi tần số của máy phát thay đổi thì số bụng sóng, nút sóng cũng thay đổi.

Phương án 2: Sóng dừng với bộ rung là mô-tơ điện  Mục đích TN - Nhận biết được đặc điểm của sóng dừng.

- Khảo sát sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án đề xuất TN như (Hình 3.2).

73

Con trượt Dây đàn hồi Thước chia độ dài

Bộ rung

Nguồn điện

Công tắc điện áp

Biến thế

Mô- tơ điện

Hình 3.2. Phương án tự tạo TN sóng dừng (bộ rung mô-tơ điện)  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 01 mô-tơ điện (12V); 01 công tắc điều chỉnh điện áp (0 - 220V); - 01 biến thế (450mA; 0 - 12V); 01 thước đo độ dài (0 - 100cm); - 01 thanh nhôm định hình dài (65cm - 75cm); - 01 tấm nhựa mỏng; 01 bảng điện nhựa; - 01 sợi dây đàn hồi dài 1,5m và các dây dẫn điện.

- 01 máy phát tần số (0 - 6V; 0 - 100kHz);  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Gia công tấm nhựa (1): Cắt miếng nhựa mủ kích thước (1cm x 3cm), trên tấm nhựa khoan hai lỗ nhỏ. Một lỗ lắp vào trục của mô-tơ điện, lỗ còn lại để buộc sợi dây.

- Tạo bộ rung (2): Gắn công tắc điều chỉnh điện áp vào đầu vào của biến thế, đầu ra của biến thế nối với mô-tơ điện nhờ các dây dẫn gọi là bộ rung. Sau đó, đem bộ rung lắp lên bảng điện nhựa và được giữ cố định nhờ vít hãm.

- Gia công con trượt (3): Cắt một miếng nhôm nhỏ kích thước (2cm x 4cm), khoan lỗ ở hai đầu, sau đó bẻ cong lại có dạng hình chữ L. - Làm giá đỡ (4): Cắt thanh nhôm định hình có chiều dài 68cm, khoan hai lỗ ở đầu thanh và thanh được giữ cố định trên miếng gỗ nhờ hai thanh sắt chữ L và vít hãm.

Sau đó gắn con trượt (3), thước đo độ dài lên thanh nhôm gọi là giá đỡ.

74

- Gia công hộp che (5): Cắt 05 miếng nhựa alu kích thước (14cm x 19cm), sau đó lắp chúng lại với nhau nhờ vít hãm gọi là hộp che, trên hộp có khoan một lỗ tròn để gắn công tắc điều chỉnh điện áp.  Lắp ráp thí nghiệm - Lắp các dụng cụ (1), (2), (4) và (5) lại với nhau ta được TN sóng dừng với bộ rung là mô-tơ điện (Hình 3.3a).  Tiến hành thí nghiệm 

Hiện tượng sóng dừng - Bố trí TN như (Hình 3.3a), sau đó cấp nguồn cho bộ rung.

- Bật công tắc và điều chỉnh điện áp thích hợp.

- Kết quả TN: Trên sợi dây xuất hiện những bụng sóng và những nút sóng xen

kẽ cách đều nhau (Hình 3.3b).

Hình 3.3a.b. TN sóng dừng (bộ rung mô-tơ điện) Hiện tượng trên sợi dây xuất hiện những điểm đứng yên gọi là những điểm nút, những điểm dao động với biên độ cực đại gọi là những điểm bụng. Những nút và bụng xen kẽ cách đều nhau, hiện tượng này gọi là sóng dừng.  Khảo sát sóng dừng o

Sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây - Bố trí TN như (Hình 3.3a), sau đó cấp nguồn cho bộ rung.

- Vặn công tắc và điều chỉnh điện áp thích hợp cho tới khi trên sợi dây xuất

hiện hiện tượng sóng dừng như (Hình 3.3b).

- Quan sát TN, ghi lại chiều dài của sợi dây và số bụng sóng xuất hiện trên sợi dây.

- Vặn công tắc điện áp theo chiều ngược lại, sau đó dịch chuyển con trượt để thay đổi chiều dài l của sợi dây và tiến hành TN tương tự như các bước đã nêu trên ta thu được bảng số liệu sau: 75

Bảng 3.4. Sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài sợi dây (bộ rung mô-tơ điện) f (Hz)

50

l (m)

n (bụng sóng)



2l (m) n

V = .f (m/s)

0,45

5

0,18

9

0,55

6

0,183

9,15

0,65

7

0,185

9,25

Hình 3.4. Sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây (bộ rung mô-tơ điện) Kết quả TN (Bảng 3.4) và (Hình 3.4), ta thấy khi chiều dài của sợi dây thay đổi thì số bụng sóng, nút sóng cũng thay đổi. Chứng tỏ số bụng sóng, nút sóng phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây. o

Sóng dừng phụ thuộc vào tần số - Nối bộ rung với máy phát tần số, sau đó cấp nguồn cho máy phát. Chọn điện

áp ra là 6V, thang tần số là 10Hz và tín hiệu dạng hình sin.

- Điều chỉnh tần số của máy phát cho tới khi xuất hiện sóng dừng trên sợi dây.

Sau đó ghi lại giá trị tần số, số bụng sóng xuất hiện trên sợi dây.

- Tiến hành TN, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.5. Sóng dừng phụ thuộc vào tần số (bộ rung mô-tơ điện)

l = 0,565m



2l (m) n

f (Hz)

n (bụng sóng)

34

4

0,28

9,52

40

5

0,23

9,2

50

6

0,19

9,5

76

V = .f (m/s)

Hình 3.5. Sóng dừng phụ thuộc vào tần số (bộ rung mô-tơ điện) Kết quả TN (Bảng 3.5) và (Hình 3.5), ta thấy khi tần số của máy phát thay đổi thì số bụng sóng, nút sóng cũng thay đổi. Chứng tỏ số bụng sóng, nút sóng phụ thuộc vào tần số của máy phát. o

Sóng dừng phụ thuộc vào lực căng của sợi dây - Lấy một sợi dây đàn hồi có chiều dài ban đầu l0, một đầu treo vào giá đỡ cố

định và đầu còn lại để tự do. Dùng thước, đo chiều dài ban đầu l0 của sợi dây.

- Treo gia trọng 20g vào đầu tự do của sợi dây, sau đó dùng thước đo lại chiều dài của sợi dây khi có gắn gia trọng. Lực căng F của sợi dây trong trường hợp này sẽ tỉ lệ với độ dãn l = l – l0.

- Tiến hành TN để tạo ra hiện tượng sóng dừng trên sợi dây, ghi lại giá trị chiều dài và số bụng sóng xuất hiện trên sợi dây. Sau đó vặn công tắt theo chiều ngược lại để tắt nguồn cho bộ rung.

- Để thay đổi lực căng của sợi dây, ta dịch chuyển con trượt hướng lên phía trên một đoạn l. Tiến hành TN, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.6. Sóng dừng phụ thuộc vào lực căng dây (bộ rung mô-tơ điện) f (Hz)

50

F (N)

n (bụng sóng)



2l (m) n

0

5

0,18

0,2

4

0,23

0,4

3

0,33

77

Kết quả TN (Bảng 3.6) ta thấy, khi lực căng của sợi dây thay đổi thì số bụng sóng, nút sóng cũng thay đổi. Chứng tỏ, số bụng sóng và nút sóng phụ thuộc vào lực căng của sợi dây.  Qua tiến hành cho thấy, các phương án TN trên đã khắc phục được những hạn chế của các TN hiện có: - Biên độ dao động rộng và bụng sóng lớn nên đảm bảo tính trực quan trong DH. - TN được bố trí theo phương thẳng đứng nên sẽ dễ quan sát được hình ảnh TN về sóng dừng.

- Nguồn dao động là loa điện động.

- Đối với TN sóng dừng (bộ rung là loa điện động), việc thay đổi lực căng và chiều dài của sợi dây thì dễ thao tác khi tiến hành TN. Để thay đổi lực căng của sợi dây ta treo thêm gia trọng vào đầu tự do của sợi dây và dịch chuyển con trượt để thay đổi chiều dài của sợi dây. Để khảo sát sóng dừng phụ thuộc vào tần số thì ta có thể kết nối bộ rung của TN với máy phát tần số.

- Các dụng cụ, thiết bị dễ tìm có sẵn trong cuộc sống và dễ thay thế, sửa chữa.

- Thuận tiện trong việc di chuyển và sử dụng trong QTDH.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: Hai TNTT này được sử dụng vào DH bài “Phản xạ sóng. Sóng dừng”. Khi sử dụng hai TN này vào tổ chức hoạt động DH, GV có thể tạo điều kiện cho HS tham gia vào các hoạt động sau trong QTDH: - Cho HS đề xuất dự đoán hiện tượng trước khi GV tiến hành TN để đề xuất vấn đề cần nghiên cứu.

- Hướng dẫn HS tiến hành TN để kiểm chứng số bụng sóng, nút sóng phụ thuộc vào chiều dài, lực căng của sợi dây hoặc tần số.

- Trong giai đoạn củng cố, vận dụng kiến thức GV có thể cho HS làm một bài tập vận dụng tìm số bụng sóng trên sợi dây đối với hai đầu cố định khi biết tần số, tốc độ truyền sóng trên sợi dây. Sau đó, GV có thể hướng dẫn HS tiến hành TN để kiểm tra kết quả vừa tìm được.  Giải thích sự tạo thành sóng dừng trên dây Xét dao động của một phần tử tại M trên dây cách đầu cố định B một khoảng MB = d (Hình 3.6.).

78

Sóng tới A

d B M Sóng phản xạ

Hình 3.6. Giải thích sự tạo thành sóng dừng trên sợi dây Giả sử tại thời điểm t, sóng tới đến điểm B và truyền cho nó một dao động có phương trình dao động là: u B  Acos 2 t

T

Chọn gốc tọa độ O tại B, chiều dương là chiều truyền từ B đến M. Sóng tới t d truyền từ M đến B: u M  Acos 2    T 

Sóng phản xạ tại B có li độ ngược chiều so với li độ của sóng tới u ' B   A cos 2 

t t    A cos  2     T T  

Phương trình sóng phản xạ tại M cách B một khoảng d là: d  t     u 'M  A c o s 2    T 

Dao động tại M sẽ là tổng hợp hai dao động do sóng tới và sóng phản xạ truyền đến, ta có: u  u M  u 'M  A cos 2   t  d   A cos 2   t  d    T  T  







Biến đổi tổng hai côsin thành tích, ta được:  d  t   u  A cos  2    cos  2    ;  2 T 2   

d  Với a  2A cos  2   là biên độ dao   2

động tổng hợp của hai sóng tại M, biên độ này phụ thuộc vào khoảng cách d = MB từ điểm M đến đầu cố định của dây.

- Nếu khoảng cách d  k  (một số nguyên lần nửa bước sóng) thì biên độ dao 2

động tại M bằng không và tại M có một nút sóng. u



 2

M’

4

B M

Hình 3.7. Hình dạng sóng dừng ở những thời điểm khác nhau 79

- Nếu khoảng cách d   k  

1   (một số bán nguyên lần nửa bước sóng) thì  22

biên độ dao động có giá trị cực đại, tại đó có một bụng sóng điểm M’.

Từ kết quả TN ta thấy, nếu khoảng cách từ điểm ta xét đến đầu cố định bằng một số nguyên lần nửa bước sóng thì biên độ dao động sóng tại đó bằng không và tại đó có một nút điểm M như (Hình 3.7). Nếu khoảng cách từ điểm ta xét đến đầu cố định bằng một số bán nguyên lần nửa bước sóng thì biên độ dao động sóng tại đó có giá trị cực đại, tại đó có một bụng điểm M’ như (Hình 3.7).

3.2.2. Thí nghiệm ghi đồ thị dao động điều hòa 3.2.2.1. Phương án thí nghiệm đã có Trong thực tế đã có một số phương án TN ghi đồ thị dao động điều hòa của con lắc lò xo, đó là dùng bút lông được tẩm mực (hay bình xịt phun sơn) như (Hình 3.8b) hoặc thiết bị ghi đồ thị dao động dựa trên nguyên tắc tương tác từ (Hình 3.8a) do tác giả Dương Xuân Quý thiết kế chế tạo và được trình bày trong luận án với tên đề tài Xây dựng và sử dụng TBTN thực tập theo hướng phát triển hoạt động học tích cực, sáng tạo của HS trong DH chương “Dao Động Cơ” ở lớp 12 trường THPT. Bộ TBTN này được chế tạo gồm: Khung nhôm; Hệ thống ghi dao động (Hộp kích thước 225mm x 165mm x 1mm gồm nhiều ô dầu chứa mạt sắt; Hệ thống kéo đẩy hoạt động nhờ động cơ điện một chiều; Khung giá đỡ); Bút nam châm; Nguồn điện một chiều 12V và giá đỡ có khớp nối. Các phương án TN trên đều vẽ được đồ thị dao động điều hòa của con lắc lò xo, tuy nhiên cũng có một số hạn chế sau: - Đối với phương án TN dùng bình xịt phun sơn để ghi đồ thị dao động điều hòa của con lắc lò xo thì ma sát tương đối lớn do đầu phun phải tỳ vào mặt giấy, khó khăn trong việc tẩy xóa để tiến hành TN lại. Để ghi lại hình dạng đồ thi dao động điều hòa thì băng giấy phải được bố trí thẳng đứng và có kích thước tương đối lớn, chiều dài khoảng từ 30cm đến 50cm còn chiều rộng khoảng từ 80cm đến 100cm và được quấn trên hai ống hình trụ, do đó cần không gian rộng để bố trí và thực hiện TN. - Phương án TN ghi đồ thị dao động điều hòa của con lắc lò xo dựa trên nguyên tắc tương tác từ thì các TBTN được chế tạo tương đối cồng kềnh, khó khăn trong việc vận chuyển và thực hiện TN biểu diễn. Do trong TN có sử dụng hệ thống kéo đẩy và hoạt động nhờ động cơ điện một chiều, vì vậy việc tiến hành TN phải 80

được thực hiện ở nơi có mạng điện như phòng bộ môn. Ngoài ra để chứng minh đồ thị có dạng hình sin, ta phải dùng một bản trong mỏng có kẻ các ô nhỏ (ô li) đặt lên trên bản hộp để kiểm tra giá trị li độ so với biên độ ở một số vị trí xác định. Sau đó chụp ảnh, nhập ảnh và dùng phần mềm Microsoft Exel để phân tích và xử lí số liệu, do đó cần nhiều thời gian. Vì vậy, TN này phù hợp với TN thực hành hơn là TN biểu diễn.

Hình 3.8a.b. TN ghi đồ thị dao động điều hòa 3.2.2.2. Thí nghiệm tự tạo  Mục đích TN TN minh họa đồ thị dao động của con lắc lò xo có dạng hình sin.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án đề xuất TN phải tạo ra được các dụng cụ sau: - Con trượt có gắn bút nam châm để ghi lại đồ thị dao động của con lắc lò xo.

- Giá đỡ để định hướng phương dao động của con trượt và phương dịch chuyển của bảng mạt sắt.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 02 lò xo; 01 bảng mạt sắt (14cm x 20cm); 01 thanh nam châm; - Các thanh gỗ có chiều dài (20cm - 80cm) và 01 miếng gỗ (4cm x 5cm x 12cm); - 02 móc phen; 01 bút nam châm; - 02 thanh nhôm có chiều dài (8cm - 45cm); 02 thanh nhôm dẹp có chiều dài (10cm - 20cm).  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Tạo dụng cụ ghi đồ thị dao động (1): Gia công miếng gỗ kích thước (3,5cm x 10cm), trên miếng gỗ có khoan một lỗ tròn chính giữa để gắn bút nam châm gọi là con trượt. Hai đầu của con trượt có gắn hai móc phen nhỏ và gắn với hai lò xo.

81

- Làm giá đỡ (2): Gia công các thanh gỗ có chiều dài 14cm, 15cm, 19,5cm, 77cm, sau đó lắp chúng lại với nhau nhờ các vít hãm gọi là giá đỡ. Trên giá đỡ ta lắp hai móc phen nhỏ và hai thanh nhôm kích thước (5cm x 39cm) để định hướng phương dao động cho con trượt và phía sau giá đỡ có gắn thanh nhôm kích thước 14cm để cố định phương chuyển động của bảng mạt sắt.  Lắp ráp thí nghiệm - Lắp đặt các dụng cụ (1), (2) lại với nhau ta được TN ghi đồ thị dao động của con lắc lò xo (Hình 3.9a).  Tiến hành thí nghiệm - Bố trí TN như (Hình 3.9a).

- Kéo vật lệch khỏi vị trí cân bằng một khoảng 20mm và thả cho vật dao động không vận tốc đầu. Khi vật dao động ổn định quanh vị trí cân bằng, ta kéo bảng mạt sắt dịch chuyển từ trái sang phải để ghi lại hình dạng đồ thị dao động của con lắc lò xo.

- Kết quả TN (Hình 3.9b): Đồ thị dao động của con lắc lò xo có dạng hình sin.

Hình 3.9a.b. TN ghi đồ thị dao động điều hòa của con lắc lò xo Để chứng minh đồ thị dao động thu được (Hình 3.9b) có dạng hình sin chúng tôi tiếp tục phân tích và xử lí số liệu.

- Gắn hệ trục 0xt vào đồ thị như (Hình 3.10).

- Đo biên độ A và chu kì dao động T của con lắc.

Hình 3.10. Đường biểu diễn đồ thị dao động của con lắc lò xo

82

Xác định chu kì dao động T của con lắc từ TN: chu kỳ T được xác định bằng cách đo thời gian t cần thiết để con lắc thực hiện N dao động toàn phần và được tính theo công thức T 

t . Kết TN 3 lần đo thời gian để con lắc thực hiện 5 dao động toàn phần N

lần lượt là: 1,8s; 1,92s và 2s.

Bảng 3.7. Giá trị biên độ và chu kì của con lắc lò xo được xác định từ TN Lần

1

2

3

Biên độ A (cm)

1,9

2

2

Chu kì T (s)

0,36

0,38

0,4

Xác định chu kì dao động T của con lắc lò xo theo lý thuyết: Chu kỳ dao động được xác định theo biểu thức: T  2

m , trong đó m là khối lượng của vật; k là độ k

cứng của lò xo và được tính theo công thức k 

mg . Với khối lượng của vật l  l0

m = 120g, chiều dài tự nhiên ban đầu của con lắc l = 6cm và chiều dài của lò xo khi treo gia trọng vào l0 = 9,5cm. Áp dụng công thức, ta tính được độ cứng của lò xo k = 33,6 N/m và chu kì dao động T 0,38s.

Từ kết quả TN (Bảng 3.7) cho thấy, biên độ và chu kì dao động của con lắc lò xo được xác định từ TN có giá trị gần bằng với biên độ và chu kì dao động của con lắc lò xo được xác định từ lý thuyết (sai số tương đối vào cỡ 2% - 3%) . Do đó TN trên chứng tỏ dao động của con lắc lò xo là dao động điều hòa (Dao động có dạng hình sin).  Với phương án TN được đề xuất, thiết kế và chế tạo đã khắc phục được những nhược điểm nêu trên và có những ưu điểm sau: - Không phụ thuộc vào nguồn điện.

- Việc phân tích và xử lí số liệu không phải dùng phần mểm Microsoft Exel.

- Dễ thao tác, tốn ít thời gian và dễ xóa nên có thể tiến hành TN lại nhiều lần cho HS quan sát.

- Các TBTN được chế tạo gọn nhẹ, dễ tìm trong cuộc sống, dễ lắp đặt và vận chuyển.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: TNTT được sử dụng vào DH bài “Dao động điều hòa”. Khi sử dụng TN này vào tổ chức hoạt động DH, GV có thể dùng 83

để mở đầu bài học hoặc dùng để minh họa lại kiến thức về đồ thị dao động điều hòa của con lắc lò xo.  Chứng minh dao động của con lắc lò xo là dao động điều hòa Lực tác dụng lên vật là lực đàn hồi: Fđh =  kx Theo định luật II Niutơn, ta có: F = ma = mx’’ ↔ mx’’ = kx → x’’ +

k x =0 m

Đặt 2 =

k → m

(1) x’’ + 2x = 0

(2)

Phương trình (1) và (2) gọi là phương trình động lực học của dao động và có nghiệm: x = Acos(t + ) (3). Dao động mà phương trình có dạng (3) và mô tả bằng một định luật dạng sin hay côsin đối với thời gian gọi là dao động điều hòa.

3.2.3. Thí nghiệm bảo toàn momen động lượng 3.2.3.1. Phương án thí nghiệm đã có Trong chương trình vật lí lớp 12 nâng cao, tác giả SGK đã đề cập đến TN bảo toàn momen động lượng, đó là TN về một người đứng trên bàn xoay đang quay và tay cầm 2 quả tạ, người thực hiện động tác dang tay ra và thu tay lại vào sát thân người. Tuy nhiên, qua tìm hiểu thực tế ở một số trường phổ thông trong tỉnh Đồng Tháp, chúng tôi nhận thấy rằng TN về ghế xoay chưa được GV chế tạo và sử dụng vào DH. Chính vì lí do đó, chúng tôi đã tiến hành thiết kế, chế tạo TN ghế xoay dựa trên phương án TN đã có trong SGK. Ngoài phương án TN đã có trong SGK, chúng tôi còn đề xuất được hai phương án TN để minh họa lại nội dung của định luật bảo toàn momen động lượng đó là: chuyển động quay của khung nhôm và của người gỗ xoay quanh trục.

3.2.3.2. Thí nghiệm tự tạo Phương án 1: Chuyển động của khung nhôm quay quanh trục  Mục đích TN TN minh họa định luật bảo toàn momen động lượng.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án đề xuất TN là phải chế tạo được các dụng cụ sau: 84

- Vật rắn có thể thay đổi momen quán tính.

- Giá đỡ.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - Các thanh nhôm có chiều dài (30cm - 90cm); - 02 miếng nhôm có chiều dài (2cm - 5cm), dày 1,2mm; 02 gia trọng 50g; - 01 lò xo; 01 móc khóa có đường kính 2,5cm; - 02 sợi dây đàn hồi dài (20cm - 30cm).  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Tạo miếng nhôm (1): Cắt hai miếng nhôm có kích thước (1,5cm x 3,5cm), khoan lỗ nhỏ ở hai đầu và một lỗ nhỏ ở chính giữa.

- Tạo khung nhôm (2): Cắt hai thanh nhôm có chiều dài 27cm và 25cm, sau đó lắp đặt xen kẽ chúng lại với nhau nhờ ốc vặn và tán để tạo thành khung nhôm có dạng gần giống hình thoi. Tại chỗ tiếp xúc của hai thanh nhôm cạnh trên và cạnh dưới của khung ta lắp miếng nhôm (1) vào, sau đó lắp lò xo vào giữa khung bằng cách mắc vào lỗ nhỏ ở hai đầu của miếng nhôm. Tiếp đó, ta gắn hai sợi dây đàn hồi vào hai đầu còn lại của miếng nhôm.

- Làm giá đỡ (3): Cắt các thanh nhôm có chiều dài 1,5cm, 54cm và 79cm, sau đó đem lắp đặt chúng vào thanh nhôm định hình có kích thước (3cm x 54cm) nhờ vít hãm để tạo thành giá đỡ. Trên giá đỡ có khoan hai lỗ nhỏ để giữ cho khung nhôm (2) nằm chính giữa.  Lắp ráp thí nghiệm - Lắp các dụng cụ (2) và (3) lại với nhau ta được TN như (Hình 2.2 ở chương 2).  Tiến hành thí nghiệm - Bố trí TN như (Hình 2.2.ở chương 2).

- Xoay khung nhôm quanh trục, sau đó thả cho khung tự quay quanh trục.

- Khi khung nhôm quay đều quanh trục, dùng tay kéo móc khóa hướng lên để thay đổi hình dạng của khung đối với trục quay.

- Kết quả TN: khung quay nhanh hơn so với trường hợp ban đầu. Vì khi hình dạng của khung thay đổi thì momen quán tính của vật giảm làm cho khung quay nhanh hơn.

85

 Vận dụng định luật bảo toàn momen động lượng vào giải thích hiện tượng Giả sử ở trạng thái ban đầu khoảng cách từ hệ vật đến trục quay là r1, khung quay với tốc độ góc là 1 và có momen quán tính I1  mr12 , khi đó momen động lượng của vật đối với trục quay là L1 = I1. 1 Ở trạng thái lúc sau khoảng cách từ hệ vật đến trục quay là r2, khung quay với tốc độ góc là 2 và có momen quán tính I2  mr22 , khi đó momen động lượng của vật đối với trục quay là L2 = I2. 2 Bỏ qua mọi ma sát, theo định luật bảo toàn momen động lượng: L1 = L2 I11 = I22 Suy ra: 2 

I1 mr 2 1  12 1 I2 mr2

Khi hình dạng khung thay đổi thì khoảng cách r2 < r1, suy ra 2 > 1. Kết quả TN, khung quay nhanh hơn so với trường hợp ban đầu là do tốc độ góc của vật ở trạng thái lúc sau lớn hơn tốc độ góc của vật ở trạng thái ban đầu.

Phương án 2: Ghế xoay  Mục đích TN Vận dụng định luật bảo toàn momen động lượng vào giải thích hiện tượng trong thực tế.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án TN được thiết kế, chế tạo theo phương án đã có trong sách giáo khoa vật lí lớp 12 nâng cao.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 01 tấm tôn đường kính (28cm - 34cm); 01 miếng sắt đường kính (20cm 30cm); - Các thanh sắt chữ L (12cm - 18cm) và các thanh sắt chữ V (10cm - 18cm); - 02 quả tạ 5 kg; 01 vòng bi; - 01 ống tuýt bằng sắt, đường kính 4cm, dài (8cm – 14cm).  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm

86

- Làm mặt ghế xoay (1): Gia công tấm tôn có đường kính (28cm - 30cm) và bốn thanh sắt chữ L kích thước (11cm - 15cm), sau đó đem lắp với vòng bi và được giữ cố định nhờ các mối hàn.

- Làm chân ghế (2): Gia công bốn thanh sắt chữ V kích thước (10cm - 15cm), một ống tuýt bằng sắt đường kính 4cm, dài (8cm - 12cm) và một trục quay, sau đó lắp chúng lên miếng sắt có đường kính (20cm - 25cm) nhờ các mối hàn, gọi là chân ghế.  Lắp ráp thí nghiệm

Hình 3.11. TN ghế xoay

Lắp các dụng cụ (1) và (2) lại với nhau, ta được TN ghế xoay như (Hình 3.11).  Tiến hành thí nghiệm - Người cầm hai quả tạ đứng trên ghế xoay.

- Khi hệ đang quay đều, người đứng trên ghế xoay thực hiện động tác cầm hai quả tạ dang tay ra và thu tay lại vào sát thân người (Hình 3.12).

- Kết quả TN: Khi người cầm hai quả tạ thu tay lại vào sát thân người thì ghế quay nhanh lên, còn nếu người cầm hai quả tạ dang tay ra thì ghế quay chậm lại.

Hình 3.12. HS tiến hành TN với ghế xoay Vì khi người cầm hai quả tạ dang tay ra thì momen quán tính của người và ghế tăng lên do đó ghế quay chậm lại. Ngược lại, nếu người thu tay lại vào sát thân người thì momen quán tính của hệ giảm xuống ghế sẽ quay nhanh lên.

Phương án 3: Chuyển động của người gỗ xoay quanh trục  Mục đích TN Vận dụng định luật bảo toàn momen động lượng vào giải thích hiện tượng trong thực tế.

87

 Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án đề xuất TN là phải tạo ra được vật rắn có thể thay đổi momen quán tính.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - Các thanh gỗ có chiều dài (25cm - 30cm); 01 người gỗ; - 01 móc khóa tròn đường kính 2,5cm; 01 móc phen.  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm Gia công các thanh gỗ có chiều dài 23cm và 27cm, sau đó lắp các thanh gỗ lại với nhau nhờ vít hãm để tạo thành giá đỡ.  Lắp ráp thí nghiệm Lắp người gỗ lên giá đỡ nhờ móc khóa tròn và móc phen (Hình 3.13b).  Tiến hành thí nghiệm - Dùng tay kéo móc khóa hướng lên sao cho người gỗ ở tư thế dang hai tay và hai chân như (Hình 3.13a), sau đó xoay người gỗ quay quanh trục.

- Khi dây đã căng, ngừng xoay và thả cho người gỗ tự quay quanh trục. Sau đó thả móc khóa xuống để cho người gỗ thu hai tay và hai chân lại.

Hình 3.13a.b. Tiến hành TN với người gỗ Kết quả TN: Khi người gỗ thu hai tay và hai chân lại thì momen quán tính của người giảm xuống, khi đó người gỗ sẽ quay nhanh hơn.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: Ba TN này được sử dụng khi DH bài “Momen động lượng. Định luật bảo toàn momen động lượng”. GV có thể sử dụng các TN này ở các giai đoạn sau trong QTDH: - Đối với phương án TN 1, GV có thể sử dụng TN này để mở đầu bài học nhằm đề xuất vấn đề cần nghiên cứu: tại sao khi hình dạng của khung thay đổi thì khung quay nhanh hơn?

88

- Đối với phương án TN 2, GV sử dụng vào giải quyết câu C3 trang 16 SGK vật lí 12. GV hướng dẫn HS thực hiện TN, yêu cầu HS quan sát hiện tượng TN và vận dụng kiến thức mới vào giải thích hiện tượng.

- Đối với phương án TN 3, GV sử dụng trong giai đoạn củng cố, vận dụng kiến thức. Trong giai đoạn này, GV chia lớp ra thành 2 nhóm, mỗi nhóm một TN về chuyển động của người gỗ xoay quanh trục, sau đó GV hướng dẫn HS cách tiến hành TN, yêu cầu HS quan sát hiện tượng và vận dụng kiến thức mới vào giải thích hiện tượng.

3.2.4. Thí nghiệm momen động lượng của vật rắn đối với trục quay 3.2.4.1. Phương án thí nghiệm đã có Chuyển động quay của vật rắn đối với trục quay (Hình 3.14) đã được HS biết đến qua các trò chơi dân gian “Con quay”. Để làm cho vật quay phải quấn dây, cần không gian rộng để thực hiện nên khi sử dụng vào trong DH sẽ không thuận tiện.

Hình 3.14. Con quay dân gian

3.2.4.2. Thí nghiệm tự tạo  Mục đích TN

TN minh họa momen động lượng của vật rắn đối với trục quay.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án TN đề xuất là phải tạo ra được chuyển động quay của vật rắn quanh trục và các vật có hình dạng (momen quán tính) khác nhau.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 02 khối gỗ (6cm x 8cm x 10cm); 01 chai keo dán 502; - 01 đinh nhọn (2mm) và 01 giấy đề can (20cm x 80cm); - 01 tay quay; 01 chốt quay (đồ chơi trẻ em)  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm Gia công khối gỗ có dạng hình nón và hình trụ như (Hình 3.15).  Lắp ráp thí nghiệm - Gắn đinh nhọn vào mặt dưới của hình nón và hình trụ.

- Gắn chốt quay vào mặt trên của hình nón, hình trụ và được giữ cố định nhờ keo dán.

89

 Tiến hành thí nghiệm - Gắn tay quay vào chốt quay như (Hình 3.15).

- Xoay tay quay theo chiều cùng chiều với kim đồng hồ như (Hình 3.16a).

Hình 3.15. TN con quay - Con quay, tay quay được đặt thẳng đứng và gần với mặt sàn. Sau đó ấn nút trên tay quay để thả cho con quay chuyển động như (Hình 3.16b).

Hình 3.16ab. Tiến hành TN với con quay - Kết quả TN cho thấy: Con quay hầu như không di chuyển khi trục quay thẳng đứng (Hình 3.17a).

Khi con quay đang chuyển động quanh trục thẳng đứng, dùng tay làm cho con quay lệch khỏi trục quay và thả ra ta thấy con quay không đổ xuống mà vừa quay, vừa chuyển động quanh trục thẳng đứng như (Hình 3.17b). Lí do là con quay có một momen động lượng đối với trục đối xứng của nó, chuyển động quay quanh trục thẳng đứng là do tác dụng của trọng lực tạo ra một momen lực làm biến đổi momen động lượng của con quay, làm trục quay của nó chuyển động

Hình 3.17a.b. Chuyển động của con quay 90

 Phương án TN do chúng tôi đề xuất đã khắc phục được hạn chế trên, việc tạo ra chuyển động quay của con quay không cần quấn dây và không gian rộng để thực hiện.

Trong TN này, chuyển động quay của vật rắn được tạo ra nhờ trục xoắn của lò xo trong tay quay.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: TNTT này được sử dụng khi DH bài “Momen động lượng. Định luật bảo toàn momen động lượng”. GV có thể dùng TN này để mở rộng kiến thức cho HS về sự tiến động của vật rắn đối với trục quay.

3.2.5. Thí nghiệm giao thoa sóng nước 3.2.5.1. Phương án thí nghiệm đã có Hiện nay đã có một số TN hiện tượng giao thoa sóng nước. Các TN này được chế tạo với các nguồn dao động là nam châm điện hay mô-tơ điện (Hình 3.18). Các TN này đều cho hình ảnh về hiện tượng giao thoa sóng, tuy nhiên nhiều bộ TN sau thời gian sử dụng máy phát tần số bị hỏng, không có phụ kiện thay thế nên không tiến hành TN được. Ngoài ra, nó còn có một số hạn chế nhất định sau: giá thành mỗi bộ TN tương đối cao; nguồn dao động gắn trên thành bể nên dễ làm nhiễu hiện tượng giao thoa, không cho hình ảnh giao thoa rõ nét.

Hình 3.18. TN giao thoa sóng nước 3.2.5.2. Thí nghiệm tự tạo  Mục đích TN TN minh họa về sự giao thoa sóng nước và sự nhiễu xạ của sóng.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án TN đề xuất là phải tạo ra được các dụng cụ sau: - Bộ rung để tạo ra dao động, ổn định trong thời gian dài và có thể thay đổi được biên độ sóng; - Bể tạo sóng, cần rung có dạng chữ L và chữ Y. 91

 Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 01 loa điện động (4 - 5W); 01 công tắc điều chỉnh điện áp (0 – 220V); - 01 biến thế (450mA; 0 - 12V); 01 bóng đèn màu 220V; - 04 thanh sắt tròn dài (10cm - 20cm); Máy phát tần số (0 - 6V; 0 - 100kHz); - Các thanh gỗ có chiều dài (15cm - 30cm); 01 tấm thiếc (14cm x 20cm); 01 miếng gỗ kích thước (12cm x 20cm x 1,5cm); - 01 van xe đạp; 01 ống nhựa dẻo tròn đường kính (0,5cm), dài (15cm - 20cm); - 01 tấm gương phẳng (29cm x 34cm), dày 30mm; 02 miếng mica (28cm x 32cm), dày 25mm.  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Tạo bộ rung (1): Gắn công tắc điều chỉnh điện áp vào đầu vào của biến thế, đầu ra của biến thế gắn với loa điện động nhờ các dây dẫn điện, trên màng dao động của loa có gắn một nút mủ và ốc vặn dùng để cố định cần rung gọi là bộ rung. Sau đó đem bộ rung lắp lên miếng gỗ kích thước (12cm x 17,5cm).

- Làm bể tạo sóng (2): Gia công các thanh gỗ có chiều dài 29,5cm, 31cm, 15cm và 57cm; Gia công miếng mica đục kích thước (28cm x 29,5cm), tấm gương phẳng kích thước (29,5cm x 25,5cm) và miếng mica trong có kích thước (13cm x 19cm), trên miếng mica trong có gắn van xe đạp và ống nhựa dẻo, sau đó lắp chúng lại với nhau nhờ vít hãm gọi là bể tạo sóng.

- Làm hộp che (3): Cắt các miếng thiếc có chiều dài lần lượt 12cm, 15cm và 18,5cm, sau đó lắp chúng lại với nhau nhờ vít hãm để tạo thành hộp che. Phía trong hộp che có gắn bòng đèn màu 220V. - Tạo cần rung (4): Gia công hai cần rung có dạng chữ L và chữ Y.  Lắp ráp thí nghiệm Lắp ráp các dụng cụ (1), (2), (3) và (4) lại với nhau, ta được TN về giao thoa sóng nước như (Hình 3.19).  Tiến hành thí nghiệm  Hiện tượng giao thoa sóng

Hình 3.19. TN giao

- Bố trí TN như (Hình 3.19).

thoa sóng nước

92

- Đổ nước vào bể tạo sóng. Sau đó, đặt dụng cụ kích thích tạo sóng (cần rung chữ Y) lên bộ rung, cố định cần rung bằng vít hãm. Điều chỉnh sao cho đầu của cần rung vừa tiếp xúc với mặt nước.

- Cấp nguồn cho bộ rung. Sau đó, bật công tắc và điều chỉnh điện áp cho tới khi quan sát được hiện tượng giao thoa của hai sóng mặt nước trên bể tạo sóng như (Hình 3.20a).

- Có thể thay đổi hệ vân giao thoa của hai sóng nước bằng cách nối với máy phát tần số như (Hình 3.20b).

Hình 3.20a.b. Hiện tượng giao thoa sóng nước - Kết quả TN: trên bể tạo sóng xuất hiện những điểm xác định ở đó chúng luôn luôn tăng cường lẫn nhau hoặc có những điểm ở đó chúng luôn luôn triệt tiêu nhau.

Như vậy, hiện tượng giao thoa là hiện tượng hai sóng kết hợp khi gặp nhau thì có những điểm ở đó chúng luôn luôn tăng cường lẫn nhau gọi là điểm cực đại giao thoa, hoặc có những điểm ở đó chúng luôn luôn triệt tiêu nhau gọi là điểm cực tiểu giao thoa. 

Thí nghiệm về sự nhiễu xạ của sóng - Thay cần rung có dạng chữ Y bằng cần rung có

dạng chữ L, cố định cần rung bằng vít hãm và điều chỉnh sao cho cần rung vừa tiếp xúc với mặt nước. Sau đó, đặt miếng chắn sóng nước có khe hẹp lên bể tạo sóng.

- Cấp nguồn cho bộ rung. Sau đó vặn công tắc và điều chỉnh điện áp cho tới khi quan sát được hiện tượng nhiễu xạ của sóng trên bể như (Hình 3.21).

Hình 3.21. Hiện tượng nhiễu xạ của sóng

- Kết quả TN: Sóng khi gặp vật cản thì đi lệch khỏi phương truyền thẳng của sóng và đi vòng qua vật cản hiện tượng đó gọi là sự nhiễu xạ của sóng.

93

 Giải thích về sự giao thoa sóng Để đơn giản, ta xét trường hợp hai nguồn dao động S1 và S2 có cùng tần số, cùng pha và biên độ không thay đổi trong quá trình truyền sóng.

Xét một điểm M trên mặt nước cách S1 một đoạn

M

S1M = d1 và cách S2 một đoạn S2M = d2 như (Hình 3.22).

d1

d2

Các nguồn S1 và S2 dao động theo phương trình: u1= u2= Acost = Acos 2 t

S1

T

Phương trình dao động do nguồn S1 và S2 truyền tới M: d   t u 1M  A c o s 2    1  T   

S2 Hình 3.22. Đường truyền của hai sóng từ hai nguồn dao động S1 và S2 đến M

 t d  u 2 M  A cos 2    2  T  

Tại M hai dao động có độ lệch pha:  = 2  d 2  d1  

Dao động tổng hợp tại M: uM = u1M + u2M = Acos 2  t  d1   Acos 2  t  d 2  T



T



Biến đổi tổng hai côsin thành tích, ta được:  d d uM = 2Acos  2 1  cos 2  t  d1  d 2  

T

2 

Biên độ dao động tổng hợp tại M: A M  2A cos

  d 2  d1    2A cos 2 

 Ta xét vị trí cực đại và cực tiểu giao thoa - Nếu hai dao động cùng pha  = 2k thì biên độ dao động cực đại  =

2  d2  d1  = 2k 

Suy ra: d2 – d1 = k ; với (k = 0, ±1, ±2…)

Những điểm mà hiệu đường đi của hai nguồn sóng truyền tới bằng số nguyên lần bước sóng thì biên độ dao động tổng hợp cực đại.

- Nếu hai dao động ngược pha  = (2k + 1) thì biên độ dao động cực tiểu

94

 =

2  d2  d1  = (2k + 1) 

Suy ra: d2 – d1 = (k+ )  ; với (k = 0, ±1, ±2…)

Những điểm mà hiệu đường đi của hai nguồn sóng truyền tới bằng số bán nguyên lần bước sóng thì biên độ dao động tổng hợp cực tiểu.

Kết quả TN hoàn toàn phù hợp với kết quả suy ra từ lý thuyết: Trên bể tạo sóng xuất hiện những điểm xác định ở đó chúng luôn luôn tăng cường lẫn nhau (biên độ dao động tổng hợp cực đại), hoặc có những điểm ở đó chúng luôn luôn triệt tiêu nhau (biên độ dao động tổng hợp cực tiểu) như (Hình 3.20).  Phương án TN giao thoa sóng nước được đề xuất và chế tạo dưới đây đã khắc phục được những hạn chế trên và có ưu điểm sau: - Có tính kinh tế (chi phí thấp).

- Cho hình ảnh TN rõ nét do loa ít rung động hơn động cơ.

- Các dụng cụ dễ tìm có sẵn trong cuộc sống nên dễ thay thế khi hỏng.

3.2.6. Thí nghiệm khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn 3.2.6.1. Phương án thí nghiệm đã có Hiện nay, TN khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn đều được trang bị ở các trường phổ thông, tuy nhiên qua thời gian sử dụng các chân cắm ở phía sau đồng hồ đo thời gian hiện số bị gãy, đồng hồ đo thời gian bị hỏng khó sửa chữa, tìm dụng cụ thay thế. Ngoài ra cũng đã có phương án TN khác về khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn là dùng đồng hồ bấm giây để đo thời gian dao động của con lắc, với phương án TN này thì kết quả TN cho sai số tương đối lớn do nhiều nguyên nhân gây ra, chẳng hạn như sự không hoàn thiện của các giác quan, ảnh hưởng của môi trường… Vì vậy chúng tôi nghiên cứu đề xuất phương án tự tạo TN khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn nhằm khắc phục hạn chế trên.

3.2.6.2. Thí nghiệm tự tạo  Mục đích TN Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài l của dây treo, góc lệch  và khối lượng m của quả nặng đối với chu kì dao động của con lắc đơn.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm 95

Phương án đề xuất TN là phải tạo ra được các dụng cụ sau: - Đồng hồ hiện số để đo thời gian dao động của con lắc.

- Tạo con lắc đơn, làm giá đỡ để treo con lắc và thay đổi chiều dài của con lắc.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 01 miếng gỗ (25cm x 35cm); 02 thanh gỗ có chiều dài (15cm - 28cm ); - 01 hộp sáp nặn; 01 bảng điện nhựa; 01 sợi dây nylon dài (15cm - 50cm); - 01 thước đo độ dài (0 - 100cm); 01 thước kẻ bằng nhựa dài 20cm; - 05 miếng nhựa alu kích thước (15cm x 30cm); 01 ròng rọc bằng nhựa; - 01 vi điều khiển 89S52; 01 điện trở IC ổn áp 7805; 06 led 7 đoạn; - 10 transistor các loại; 08 tụ điện các loại; 20 điện trở các loại; 01 IC LM324; - 01 Led thu phát hồng ngoại; 01 thạch anh 12MHz; 01 cầu Diode; 02 nút nhấn; - 04 điện trở các loại; 04 giắc cắm các loại; 01 biến áp 12 - 220V, 3A.  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Tạo con lắc đơn (1): Vo tròn sáp nặn có dạng hình quả cầu, trong quả cầu có lắp một sợi dây chì có dạng hình chữ V. Sau đó buộc một đầu của sợi dây nylon vào, đầu còn lại để tự do.

- Làm giá đỡ (2): Gia công miếng gỗ có kích thước (20cm x 25cm) và hai thanh gỗ có chiều dài 15cm và 28cm, trên thanh gỗ chiều dài 15cm có gắn ròng rọc. Sau đó, đem lắp ráp chúng lại với nhau bằng ốc, tán và vít hãm để tạo thành giá đỡ.

- Gia công hộp che (3): Cắt 05 miếng nhựa alu có kích thước (12cm x 28cm), sau đó lắp chúng lại với nhau

Hình 3.23. Đồng hồ đo thời gian hiện số

nhờ vít hãm.

- Thiết kế đồng hồ đo thời gian (4): Lắp đặt các dụng cụ, linh kiện điện tử lại với nhau như (Hình 3.23), ta được đồng hồ đo thời gian hiện số. + Các sơ đồ mạch của đồng hồ đo thời gian hiện số được thiết kế theo các hình (Hình 3.24a.b; Hình 3.25a.b) Mạch xử lí trung tâm (Hình 3.24a): Vi xử lý nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại và switch chọn mode hoạt động, sau đó xử lý tín hiệu và cho hiển thị lên Led 96

7 đoạn. Vi xử lý làm việc ở hai chế độ (mode): là đếm số dao động và đo thời gian dao động trong một chu kỳ với sai số là 10ms.

Mạch hiển thị (Hình 3.24b): Có nhiệm vụ hiển thị số dao động hoặc thời gian dao động trong mỗi chu kỳ. Để giảm số bit điều khiển, ta dùng phương pháp quét với tần số quét 100Hz nên mắt thường không nhìn thấy nhấp nháy.

VCC

19

C16 .1uF

18

8

D19

CM1

b6

CON8

ALE/PROG EA/VPP

30 31

RST

9

ALE

VCC

a b c d e f g p 7 6 4 2 1 9 10 5

a b c d e f g p 7 6 4 2 1 9 10 5

a b c d e f g p 7 6 4 2 1 9 10 5

a b c d e f g p

a b c d e f g p

a b c d e f g p

a b c d e f g p

a b c d e f g p

a b c d e f g p

CON8

SW5

C14 10uF

a b c d e f g p 7 6 4 2 1 9 10 5

a b c d e f g p 7 6 4 2 1 9 10 5

1 2 3 4 5 6 7 8

7 6 4 2 1 9 10 5

a b c d e f g p

J4 10 11 12 13 14 15 16 17

J3

RST

330RX8 1 2 3 4 5 6

b1 b2 b3 b4 b5 b6

J4

R30 10K

1 2 3 4 5 6 7 8

a b c d e f g p

Hình 3.24a.b. Sơ đồ mạch xử lí trung tâm và mạch hiển thị Mạch nguồn ổn áp (Hình 3.25a): Mạch này có nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều 12V từ biến áp thành điện áp một chiều 5V ổn định để cung cấp cho toàn bộ TN. Vì công suất tiêu thụ của bộ TN nhỏ hơn 5W nên ta quyết định chọn IC ổn áp 7805 là hợp lý nhất. Ngoài ra mạch nguồn còn có các tụ lọc nhằm tăng chất lượng cho điện áp 5V một chiều.

Mạch cảm biến hồng ngoại (Hình 3.25b): Dùng để phát hiện có vật cản đi ngang giữa Led phát hồng ngoại và Led thu hồng ngoại. Khi không có vật cản thì tín hiệu gửi về vi xử lý là mức logic 0 (tương ứng với điện áp 0VDC). Khi có vật cản thì tín hiệu gửi về vi xử lý là mức logic 1 (tương ứng với điện áp 5VDC).

2 1

4

+

-

2200uF

1

104

VCC

1

R19

C29 10uF

220 IR

BR/5A

D9

R17 3.3K 3 +

D10 LED

U2A 1

2 -

J5 1 2

LM324 CON2

R20 10K

3

JACK_2

R18 220

4

7805

3

11

J47

C31

VOUT

J43

2

C30

VIN

2

2

U20 1

GN D

VCC

D59

CM2

3

8

D18

CM2

3

b5

CM1

9 8 7 6 5 4 3 2

A564 R38 4.7K

8

D17

CM1

b4

CM2

3

8

D16

CM2

3

8

b3

CM1

CM1

CM2

3

8 CM2

3

D15

A564 R37 4.7K

20

XTAL2

b2

A564 R36 4.7K

29

Y2

C15 33p

CM1

40

4.7K R29 PSEN

P3.0/ RXD P3.1/ TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/ T0 P3.5/ T1 P3.6/ WR P3.7/ RD

XTAL1

D14

A564 R35 4.7K

HEADER 8

VCC

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

b1

VCC

A564 R34 4.7K

HEADER 6

C13 33p

11.0592

CON8

1 2 3 4 5 6 7 8

9 8 7 6 5 4 3 2

1 2 3 4 5 6 7 8

P2.0/ A8 P2.1/ A9 P2.2/ A10 P2.3/ A11 P2.4/ A12 P2.5/ A13 P2.6/ A14 P2.7/ A15

1 2 3 4 5 6 7 8

1

VCC

J3

A564 R33 4.7K

J12 21 22 23 24 25 26 27 28

9 8 7 6 5 4 3 2

4.7K R28

P0.0/ AD 0 P0.1/ AD 1 P0.2/ AD 2 P0.3/ AD 3 P0.4/ AD 4 P0.5/ AD 5 P0.6/ AD 6 P0.7/ AD 7

4.7K R27

AT89C51

1

CON8

39 38 37 36 35 34 33 32

9 8 7 6 5 4 3 2

1 2 3 4 5 6 7 8

VCC

U8

1

VCC

J1

GND

4.7K R26

VCC

1

VCC

Hình 3.25a.b. Sơ đồ mạch nguồn ổn áp 5V và mạch cảm biến hồng ngoại 97

 Lắp ráp thí nghiệm Lắp các dụng cụ (1), (2), (3) và (4) lại với nhau, ta được TN khảo sát chu kì dao động con lắc đơn như (Hình 3.26).  Tiến hành thí nghiệm  Khảo sát ảnh hưởng chiều dài l của dây treo đối với chu kì dao động của con lắc - Bố trí TN như (Hình 3.26). Sau đó, kéo con lắc

Hình 3.26. TN khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn

lệch khỏi tâm của cổng quang điện một khoảng a = 1cm ( tan   a  1  0,075 l

13, 2

→ α = 4,30), rồi thả cho con lắc dao động không vận tốc đầu.

- Sau hai, ba lần dao động, ta ấn nút reset (nút xanh trên đồng hồ) để chuyển về trạng thái sẵn sàng đo “0.00”. Sau đó, đọc và ghi lại giá trị chu kỳ dao động của con lắc đơn.

- Dịch chuyển dây treo để thay đổi chiều dài l của con lắc. Sau đó, dịch chuyển cổng quang điện sao cho tâm của con lắc nằm chính giữa cổng quang điện.

- Tiến hành TN tương tự các bước nêu trên, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.8. Chu kì dao động của con lắc phụ thuộc vào chiều dài l của sợi dây l (cm)

T (s)

13,2

0,73

21

0,92

23

0,96

Hình 3.27. Chu kì dao động của con lắc đơn khi chiều dài của con lắc thay đổi

98

Từ kết quả TN (Bảng 3.8) và (Hình 3.27) ta thấy, khi thay đổi chiều dài l của con lắc thì chu kì dao động của con lắc cũng thay đổi. Chứng tỏ chu kì dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào chiều dài l của sợi dây. 

Khảo sát ảnh hưởng khối lượng m đối với chu kì dao động của con lắc - Bố trí TN như (Hình 3.26). Giữ nguyên giá trị độ dài l của dây treo và góc

lệch  trong suốt quá trình tiến hành TN. - Kéo con lắc lệch khỏi tâm của cổng quang điện một khoảng a=1,5cm, rồi thả cho con lắc dao động không vận tốc đầu.

- Sau hai, ba lần dao động, ta ấn nút reset để chuyển về trạng thái sẵn sàng đo “0.00”. Sau đó, đọc và ghi lại giá trị chu kỳ dao động của con lắc đơn.

- Thay quả nặng có khối lượng 10g bằng quả nặng có khối lượng 20g và 30g.

- Tiến hành TN tương tự các bước nêu trên, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.9. Chu kì dao động của con lắc không phụ thuộc vào khối lượng m

l = 21cm

m (g)

T (s)

10

0,92

20

0,92

30

0,92

 = 4,10

Hình 3.28. Chu kì dao động của con lắc đơn khi khối lượng m của con lắc thay đổi Từ kết quả TN (Bảng 3.9) và (Hình 3.28), ta thấy chu kì dao động của con lắc không thay đổi khi ta thay khối lượng m của con lắc. Chứng tỏ chu kì dao động của con lắc đơn không phụ thuộc vào khối lượng m của con lắc.  Khảo sát ảnh hưởng góc lệch α đối với chu kì dao động của con lắc - Bố trí TN như (Hình 3.26).

99

- Điều chỉnh chiều dài của con lắc sao cho tâm của quả nặng nằm chính giữa cổng quang điện.

- Kéo con lắc lệch khỏi tâm của cổng quang điện một khoảng a=1cm, rồi thả cho con lắc dao động không vận tốc đầu.

- Sau hai, ba lần dao động, ta ấn nút reset để chuyển về trạng thái sẵn sàng đo “0.00”. Sau đó, đọc và ghi lại giá trị chu kỳ dao động của con lắc đơn.

- Tiến hành TN tương tự các bước nêu trên, ta thu được bảng số liệu sau: Bảng 3.10. Chu kì dao động của con lắc không phụ thuộc vào góc lệch 

l = 21cm

a (cm)



T (s)

1

2,70

0,92

1,5

4,10

0,92

2

5,40

0,92

Từ kết quả TN (Bảng 3.10) ta thấy, chu kì dao động của con lắc không thay đổi khi ta thay đổi góc lệch α. Chứng tỏ chu kì dao động của con lắc đơn không phụ thuộc vào góc lệch α.  Phương án tự tạo TN khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn do chúng tôi đề xuất và chế tạo đã góp phần vào việc khắc phục hạn chế trên. Các dụng cụ TN được thiết kế gọn nhẹ thuận tiện cho việc vận chuyển và sử dụng trong QTDH.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: TNTT này được sử dụng vào DH bài “Con lắc đơn. Con lắc vật lí”. Khi sử dụng TNTT này vào tổ chức DH, GV có thể dùng để mở đầu bài học hoặc dùng để kiểm chứng chu kì dao động của con lắc đơn phụ thuộc vào chiều dài l của dây treo, không phụ thuộc vào khối lượng m của quả nặng và góc lệch α.

3.2.7. Thí nghiệm momen quán tính của vật rắn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay 3.2.7.1. Phương án thí nghiệm đã có Trong thực tế, đã có một số phương án TN được thiết kế, chế tạo về momen quán tính của vật rắn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay như: - TN về sự lăn không trượt của hai hình trụ rỗng như (Hình 3.29a).

100

- TN về sự lăn không trượt của hình trụ đặc và rỗng như (Hình 3.29b).

Hình 3.29a.b. TN momen quán tính Hai phương án TN trên khi sử dụng vào DH sẽ ít gây được sự bất ngờ và kích thích được tính tò mò của HS trong học tập. Vì khi quan sát TN, HS sẽ dễ dàng thấy được sự khác nhau về hình dạng của hai vật.

3.2.7.2. Thí nghiệm tự tạo Phương án 1: Chuyển động của hai hộp tròn trên mặt phẳng nghiêng  Mục đích TN TN minh họa momen quán tính của vật rắn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án thiết kế, chế tạo TN phải tạo ra được các dụng cụ sau: - Hai vật có khối lượng, kích thước và hình dạng như nhau nhưng sự phân bố khối lượng ở hai vật phải khác nhau.

- Mặt phẳng nghiêng để tạo ra sự chuyển động của hai vật.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 02 hộp tròn; 01 tấm ván có chiều dài (60cm - 90cm), dày 1cm; - Các thanh gỗ có chiều dài (4cm - 20cm), dày 0,8cm; giấy đề can (1m - 1,5m); - 01 lực kế 5N; 01 chai keo dán 502; - 01 thước thẳng dài 40cm; 02 chân đế.  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm

Hình 3.30. Sự phân bố các thanh gỗ bên trong hộp

- Gia công các thanh gỗ có chiều dài 16cm, sau đó đem lắp đặt vào bên trong hai hộp tròn như (Hình 3.30) và được giữ cố định nhờ keo dán 502.

101

- Làm mặt phẳng nghiêng: Gia công tấm ván phẳng có kích thước (45cm x 65cm), sau đó lắp hai chân đế vào phía dưới tấm ván để tạo mặt phẳng nghiêng.  Tiến hành thí nghiệm - Kiểm tra khối lượng của hộp tròn 1 và hộp tròn 2 bằng lực kế .

- Bố trí TN như (Hình 3.31a).

- Sau đó thả cho hai hộp tròn lăn không trượt xuống mặt phẳng nghiêng.

- Kết quả TN: Hộp tròn 1 lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2 (Hình 3.31b).

Hình 3.31a.b. TN momen quán tính (hai hộp tròn)  Giải thích chuyển động về sự lăn không trượt của hai hộp tròn trên mặt phẳng nghiêng Phân tích các lực tác dụng lên hai hộp tròn khi lăn không trượt trên mặt phẳng nghiêng (Hình 3.32).

 N  Pt

 Fms

(+)

 P

Hình 3.32. Hợp lực tác dụng lên hộp tròn Áp dụng phương trình động lực học vật rắn quay quanh trục cho hai hộp tròn:





Hộp tròn 1: M1  I11





Hộp tròn 2: M2  I22

(1) (2)

Chiếu phương trình (1) và (2) lên chiều dương đã chọn, ta được: MPt - MFms = I1.1

(3)

102

MPt - MFms = I2.2

(4)

Momen của các phản lực bằng 0, nên MFms = 0. Từ (3) và (4) suy ra: 1  1 

M Pt I1 M Pt I1





M Pt

(5)

I 0  md12 M Pt

(6)

I 0  md12

Trong đó: I0 là momen quán tính của hộp tròn đối với trục quay của hộp; m là khối lượng của các thanh gỗ. d1, d2 là khoảng cách từ các thanh gỗ đến trục quay của hộp tròn 1 và hộp tròn 2.

Từ (Hình 3.30) ta thấy momen quán tính I 2 lớn hơn momen quán tính I 1 (I 2 > I1 ). Từ biểu thức (5) và (6) suy ra  1 >  2. Kết quả TN: Hộp tròn 1 lăn xuống chân mặt nghiêng trước hộp tròn 2 (Hình 3.31b).

Phương án 2: Chuyển động của đĩa tròn, vành tròn trên mặt phẳng nghiêng  Mục đích TN TN minh họa momen quán tính của vật rắn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án TN đề xuất phải tạo ra được các dụng cụ sau: - Hai vật có dạng đĩa tròn và vành tròn, khối lượng bằng nhau.

- Mặt phẳng nghiêng để tạo ra sự chuyển động của hai vật.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - 01 khối gỗ có kích thước (15cm x 15cm x 10cm).

- Một thanh sắt có chiều dài (24cm - 30cm), dày 3,8cm.

- 01 tấm ván kích thước (35cm x 100cm x 0,5cm); 01 mét giấy đề can;  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Gia công khối gỗ, thanh sắt có dạng đĩa tròn và vành tròn, có đường kính 11,8cm; khối lượng 500g (Hình 3.33).

Hình 3.33. Đĩa tròn và vành tròn

- Gia công tấm ván có kích thước (27cm x 70,5cm x 0,5cm).  Tiến hành thí nghiệm 103

- Kiểm tra khối lượng của đĩa tròn, vành tròn bằng lực kế.

- Bố trí TN như (Hình 3.34a).

- Thả cho hai vật lăn không trượt xuống mặt phẳng nghiêng. Quan sát chuyển động của hai vật khi lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng.

- Kết quả TN: Đĩa tròn (vật màu đỏ) lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước vành tròn (vật màu xanh) (Hình 3.34b).

Hình 3.34a.b. TN momen quán tính (đĩa tròn, vành tròn) Momen lực do trọng lực tác dụng lên hai vật trong trường này là như nhau, tuy nhiên momen quán tính của đĩa tròn nhỏ hơn momen quán tính của vành tròn, do đó gia tốc góc của đĩa tròn lớn hơn gia tốc góc của vành tròn.  Phương án TN về chuyển động của hai hộp tròn trên mặt phẳng nghiêng được đề xuất và thiết kế, chế tạo đã khắc phục được hạn chế trên, sự phân bố khối lượng của vật đối với trục quay được che lấp bởi vỏ của hộp tròn. Vì vậy khi sử dụng vào DH để mở đầu bài học sẽ tạo ra được sự bất ngờ, kích thích hứng thú học tập cho HS. Phương án TN về chuyển động của đĩa tròn, vành tròn trên mặt phẳng nghiêng được thiết kế, chế tạo dựa trên sự tham khảo các phương án TN đã có nhưng với các nguyên vật liệu, dụng cụ dễ tìm và sẵn có trong cuộc sống hằng ngày.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: Hai TNTT này được sử dụng khi DH bài “Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định”. GV có thể sử dụng các TN này ở các giai đoạn sau trong QTDH: - Phương án TN 1: GV có thể sử dụng trong giai đoạn đề xuất vấn đề, vì những lí do sau: khối lượng của vật bằng nhau, kích thước, hình dạng giống nhau và được thả lăn không trượt ở cùng độ cao xuống chân mặt phẳng nghiêng. Vì vậy khi tiến hành TN, phần đông HS đều cho rằng hai vật sẽ lăn xuống chân mặt phẳng

104

nghiêng cùng lúc nhưng kết quả TN lại trái với dự đoán của các em HS, do đó sẽ tạo ra sự mâu thuẫn trong nhận thức và kích thích hứng thú học tập cho HS. - Phương án TN 2: GV có thể sử dụng trong giai đoạn củng cố, vận dụng kiến thức mới để giải thích hiện tượng TN. 3.2.8. Thí nghiệm hiện tượng cộng hưởng 3.2.8.1. Phương án thí nghiệm đã có Trong thực tế TN về hiện tượng cộng hưởng đều được trang bị ở các trường phổ thông nhưng có giá thành tương đối cao. Dựa vào phương án TN đã có trong SGK vật lí 12 nâng cao, chúng tôi đã tiến hành đề xuất và tự tạo TN về hiện tượng cộng hưởng từ các nguyên vật liệu, dụng cụ dễ tìm trong cuộc sống.

3.2.8.2. Thí nghiệm tự tạo  Mục đích TN TN minh họa hiện tượng cộng hưởng.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Dựa trên phương án TN đã trình bày trong SGK vật lí lớp 12 nhưng với các nguyên vật liệu, dụng cụ tự tạo.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm - Các thanh nhôm có chiều dài (20cm - 40cm); - 01 hộp sáp nặn; 01 cuộn dây chỉ; - 01 sợi dây chì dài (20cm).  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Tạo con lắc đơn (1): Vo tròn sáp nặn có dạng hình quả cầu, trong quả cầu có lắp một sợi dây chì có dạng hình chữ V. Sau đó buộc một đầu của sợi chỉ vào, đầu còn lại để tự do.

- Làm giá đỡ (2): Gia công các thanh nhôm có chiều dài lần lượt là 30cm, 3cm và 10cm, sau đó lắp chúng lại với nhau bằng vít hãm để tạo thành giá đỡ.  Lắp ráp thí nghiệm Lắp đặt các dụng cụ (1) và (2) lại với nhau ta được TNTT về hiện tượng cộng hưởng (Hình 3.35).

105

 Tiến hành thí nghiệm - Bố thí TN như (Hình 3.35).

- Chiều dài của các con lắc màu vàng, màu hồng, màu xanh lá, màu xanh dương lần lượt là 23cm, 19cm, 15cm, 10cm và con lắc chủ (màu nâu sẫm).

- Tất cả các con lắc này đều treo trên cùng một trục quay nằm ngang gắn trên giá đỡ.

Hình 3.35. TN hiện tượng cộng hưởng

- Lúc đầu giữ các con lắc đứng yên. Sau đó kéo con lắc chủ lệch khỏi vị trí cân bằng, rồi thả cho nó dao động không vận tốc đầu. Quan sát dao động của các con lắc còn lại với con lắc có cùng độ dài với con lắc chủ.

- Sau đó thay đổi chiều dài của con lắc chủ và điều chỉnh để độ dài của nó (tính từ tâm quả nặng đến điểm treo trên trục quay) bằng độ dài của một trong số ba con lắc còn lại (màu vàng, màu xanh lá, màu xanh dương).

- Sau đó giữ các con lắc màu vàng, màu hồng, màu xanh lá, màu xanh dương đứng yên và cho con lắc chủ dao động.

- Quan sát dao động của các con lắc còn lại với con lắc có cùng độ dài với con lắc chủ.

- Kết quả TN (Hình 3.36a.b): Các con lắc màu vàng, màu hồng, màu xanh lá, màu xanh dương cũng dao động theo nhưng dao động của con lắc cùng độ dài với con lắc chủ dần trở thành dao động có biên độ lớn nhất.

Hình 3.36a.b. Hiện tượng cộng hưởng của con lắc đơn Dao động của con lắc có cùng độ dài với con lắc chủ là dao động với biên độ lớn nhất, giá trị này đạt được khi tần số góc của ngoại lực bằng với tần số riêng của hệ dao động tắt dần. Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng.  Phương án TN được thiết kế, chế tạo so với bộ TN được trang bị ở các trường phổ thông hiện nay là chi phí thấp, các dụng cụ dễ tìm kiếm có sẵn trong cuộc sống, dễ 106

lắp đặt nhưng kết quả TN vẫn đảm bảo về mặt khoa học. Để chế tạo TN này thành công theo phương án đề xuất thì việc chế tạo phải đáp ứng được các yêu cầu sau: Ma sát ở ổ trục phải nhỏ, dây treo của con lắc phải nằm ngay tâm của quả nặng, có thể thay đổi chiều dài của con lắc chủ.  Khả năng sử dụng TN này trong DH: TNTT này được sử dụng khi DH bài “Dao động cưỡng bức. Cộng hưởng”. GV có thể sử dụng TNTT này để mở đầu bài học hoặc củng cố, vận dụng kiến thức mới.

3.2.9. Thí nghiệm sự phản xạ sóng 3.2.9.1. Phương án thí nghiệm đã có Trong thực tế đã có một số phương án TN về sự phản xạ sóng như: - Sóng truyền trên một lò xo đàn hồi có một đầu cố định như (Hình 3.37a).

- Sóng truyền trên các thanh kim loại được bố trí nằm ngang trên giá đỡ như (Hình 3.37b).

Hai TN này đều tạo ra được hiện tượng về sự phản xạ sóng. Tuy nhiên, qua tìm hiểu trong thực tế bộ TN như (Hình 3.37b) chưa được trang bị ở các trường phổ thông trong tỉnh Đồng Tháp và có giá thành tương đối cao.

Hình 3.37a.b. TN sự phản xạ sóng 3.2.9.2. Thí nghiệm tự tạo  Mục đích TN TN minh họa về sự phản xạ sóng.  Đề xuất, lựa chọn phương án thí nghiệm Phương án TN đề xuất là phải tạo ra được các dụng cụ sau: - Sóng truyền trên sợi dây.

- Giá đỡ có hai đầu cố định.  Chuẩn bị các vật liệu, dụng cụ thí nghiệm

107

- Các thanh gỗ có kích thước (1,2cm x 1,2cm x 80cm) và các miếng gỗ kích thước (10cm x 80cm), dày 1cm; - 14 thanh thước kẻ nhựa dẻo có chiều dài 24cm; - 01 cuộn băng keo màu; giấy đề-can (20cm x 80cm); - 02 kẹp giấy.  Gia công, chế tạo dụng cụ thí nghiệm - Tạo sóng truyền trên dây bằng thước kẻ nhựa dẻo (1): Lần lượt dán giấy đề-can lên 14 thanh thước kẻ nhựa dẻo có kích thước 24cm. Sau đó cắt một miếng băng keo màu có chiều dài 80cm, bố trí đặt thẳng trên mặt phẳng ngang và được giữ cố định. Sau đó, lần lượt lắp đặt các thanh thước lên băng keo màu, khoảng cách giữa các thanh thước là 2cm, tiếp đó ta dán một miếng băng kéo màu có chiều dài 80cm để cố định các thanh thước lại.

- Làm giá đỡ (2): Gia công các thanh gỗ có chiều dài lần lượt là 72cm, 20cm và 10cm và 2 miếng gỗ có kích thước (10cm x 15cm ), sau đó lắp đặt chúng lại với nhau nhờ vít hãm để tạo thành giá đỡ.  Lắp ráp thí nghiệm - Lắp đặt các dụng cụ (1) và (2) lại với nhau ta được TN về sự phản xạ sóng như (Hình 3.38a).  Tiến hành thí nghiệm - Bố trí TN như (Hình 3.37a).

- Dùng tay tác dụng liên tục vào một đầu của thanh thước kẻ nhựa.

- Quan sát dao động của thước khi đến đầu cố định và sau khi gặp đầu cố định.

- Kết quả TN: Trên thước xuất hiện một sóng truyền tới đầu cố định gọi là sóng tới. Sau đó, dao động được truyền ngược lại tạo thành sóng phản xạ (Hình 3.38b).

Hình 3.38a.b. TNTT sự phản xạ sóng

108

Nếu tay ta tác dụng vào đầu của thước một cách liên tục và thực hiện một dao động điều hòa thì ta thấy xuất hiện một sóng truyền tới đầu cố định (bên trái Hình 3.38b) gọi là sóng tới. Sau đó, dao động truyền ngược lại tạo thành sóng phản xạ. Sóng phản xạ có cùng tần số và bước sóng với sóng tới, nếu đầu phản xạ cố định thì sóng phản xạ ngược pha với sóng tới.  Phương án TN về sự phản xạ sóng được chúng tôi thiết kế, chế tạo dựa trên các nguyên vật liệu, dụng cụ có sẵn và dễ tìm trong cuộc sống như: thước kẻ nhựa dẻo, giấy đề can, thanh gỗ… Ưu điểm của TN này là chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo về mặt khoa học, thuận tiện trong việc di chuyển và sử dụng trong QTDH.  Khả năng sử dụng TN trong DH: TNTT này được sử dụng khi DH bài “Phản xạ sóng. Sóng dừng”. Khi sử dụng TNTT này vào tổ chức HĐNT cho HS, GV hướng dẫn HS tiến hành TN, quan sát hiện tượng TN và rút ra những nhận xét về dao động của thước khi truyền tới đầu cố định và sau khi gặp đầu cố định.  Giải thích sự phản xạ sóng Giả sử tay ta tác dụng lên thước và thực hiện một dao động điều hòa.

Sóng tới A

M N Sóng phản xạ

Hình 3.39. Sự phản xạ sóng Giả sử tại thời điểm t, sóng tới đến điểm M (Hình 3.39) và truyền cho nó một dao động có phương trình dao động là: u M  A cos 2

t T

(*)

Sóng phản xạ tại M có li độ ngược chiều so với li độ của sóng tới u 'M   A cos 2

t t    A cos  2    T  T 

(**)

Từ phương trình (*) và (**), ta thấy sóng tới và sóng phản xạ ngược pha nhau.

Kết quả TN hoàn toàn phù hợp với lí thuyết.

109

3.3. Tiến trình tổ chức dạy học một số kiến thức phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao với sự hỗ trợ của thí nghiệm tự tạo Căn cứ vào sơ đồ 2.4. Quy trình sử dụng TNTT tổ chức HĐNT cho HS trong DHVL đã đề xuất trong chương 2, chúng tôi tiến hành thiết kế tiến trình DH một số kiến thức trong phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao.

3.3.1. Tiến trình tổ chức dạy học bài “Phản xạ sóng. Sóng dừng” 3.3.1.1. Tiến trình xây dựng kiến thức ĐỀ XUẤT VẤN ĐỀ - GV giới thiệu dụng cụ TN: bộ rung, giá đỡ,… và cách bố trí TN. - Nêu các bước tiến hành TN: Cấp nguồn cho bộ rung; Bật công tắc và điều chỉnh điện áp thích hợp; Quan sát hiện tượng xuất hiện trên sợi dây; Sau đó ta thay đổi chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số của máy phát quan sát hiện tượng xuất hiện trên sợi dây.

- Yêu cầu HS nêu dự đoán hiện tượng trước khi tiến hành TN: + Sợi dây sẽ dao động; + Xuất hiện sóng truyền trên sợi dây; + Hiện tượng xuất hiện trên sợi dây thay đổi; + Hiện tượng xuất hiện trên sợi dây không thay đổi; - Tiến hành TN cho HS quan sát.

- Kết quả TN: trên sợi dây xuất hiện những điểm dao động với biên độ cực đại (bụng sóng) xen kẽ những điểm dao động với biên độ cực tiểu (nút sóng); Số bụng sóng và nút sóng thay đổi khi chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số của máy phát thay đổi.

- GV gợi ý và hướng dẫn HS phát biểu vấn đề cần nghiên cứu: vì sao trên sợi dây lại xuất hiện hiện tượng đó (những bụng sóng và nút sóng xen kẽ cách đều nhau) và hiện tượng đó gọi là gì? Điều kiện để có hiện tượng đó trên sợi dây là gì và phụ thuộc vào những yếu tố nào?

110

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ  Dùng TN hình thành kiến thức: + Hướng dẫn HS tiến hành TN về sự phản xạ sóng. + Yêu cầu HS quan sát hiện tượng xảy ra khi dao động của thước đến đầu cố định

và sau khi gặp đầu cố định. + Rút ra kết luận kiến thức mới: Sóng phản xạ có cùng tần số và cùng bước sóng với sóng tới, nếu đầu phản xạ cố định thì sóng phản xạ ngược pha với sóng tới.  Kiểm chứng kết quả tìm được từ suy luận lý thuyết bằng TN: - Đề xuất giải pháp: + Phương trình sóng tới tại đầu cố định B: uB  Acos2

t T

(1)

+ Phương trình sóng tại M cách B một khoảng MB = d: u M  A cos 2  t  d  T 

(2)

+ Phương trình sóng phản xạ tại B: u 'B  Acos 2 t  A cos  2 t    T T

(3)

+ Phương trình sóng phản xạ tại M: u 'M  Acos 2  t  d    T 

(4)













+ Từ (3) và (4), ta tìm được phương trình dao động tại M do sóng tới và sóng phản xạ truyền đến: u  u M  u 'M  Acos 2  t  d   Acos 2  t  d    T  T  





(5)



+ Biên độ dao động tổng hợp tại M: a  2A  2d       

2

Nếu khoảng cách d k thì biên độ dao động tại M bằng không và tại M 2

có một nút sóng.

Nếu khoảng cách d   k  1   thì biên độ dao động có giá trị cực đại, tại đó có 2 2 



một bụng sóng. + Điều kiện để có sóng dừng trên dây đối với hai đầu cố định - Nội dung kiến thức cần tiến hành TN để kiểm tra: Hiện tượng sóng dừng; Sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số của máy phát.

- Bố trí và tiến hành TN kiểm tra.

- Rút ra kết luận về kết quả TN: + Hiện tượng trên sợi dây đàn hồi xuất hiện những điểm đứng yên xen kẽ với những điểm dao động với biên độ cực đại gọi là hiện tượng sóng dừng. + Số bụng sóng, nút sóng thay đổi khi ta thay đổi chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số của máy phát.

111

CỦNG CỐ, VẬN DỤNG KIẾN THỨC - GV cho HS làm bài tập vật lí sau: Tìm số bụng sóng, biết tốc độ truyền trên một sợi dây đàn hồi có hai đầu định dài 60 cm là 15 m/s, biết tần số dao động là 50 Hz. - GV định hướng HS giải bài tập, số bụng sóng được tính theo công thức n  2lf v

- GV sử dụng TN sóng dừng để kiểm tra kết quả của bài toán: biết v=15m/s, điều chỉnh chiều dài của sợi dây l= 60cm và tần số f = 50Hz, quan sát số bụng sóng xuất Sơ đồ 3.6. Tiến trình tổ chức HĐNT cho HS khi DH bài “Phản xạ sóng. Sóng dừng” 3.3.1.2. Tiến trình dạy học kiến thức  Mục tiêu 1. Về kiến thức - Giải thích được sự tạo thành sóng dừng.

- Nêu được điều kiện để có sóng dừng trên sợi dây đàn hồi đối với hai đầu cố định và một đầu cố định, một đầu tự do.

2. Về kỹ năng - Bố trí và thực hiện được TN khảo sát sóng dừng.

- Vận dụng phương trình sóng để giải thích được hiện tượng sóng dừng.

- Tính được tốc độ truyền sóng trên sợi dây đàn hồi.

3. Về thái độ - Rèn luyện ý thức tự giác, chủ động trong học tập và lòng ham hiểu biết thông qua hoạt động cá nhân, hợp tác nhóm.

- Hình thành lòng yêu thích môn học thông qua việc quan sát TN, các mô hình, các ứng dụng thực tiễn.  Chuẩn bị 1. Giáo viên - TN về sự phản xạ sóng.

- TN khảo sát sóng dừng trên sợi dây.

2. Học sinh - Các đại lượng đặc trưng của sóng.

- Phương trình sóng tại một điểm bất kì trên phương truyền sóng.

112

 Tổ chức hoạt động dạy học 1. Ổn định lớp.

2. Kiểm tra bài cũ (5 phút).

3. Tiến trình lên lớp.

Hoạt động 1 (5 phút): Đề xuất vấn đề Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- Giới thiệu các dụng cụ TN và cách bố trí TN như (Hình bên).

- Nêu các bước tiến hành TN: cấp nguồn cho bộ rung; Bật công tắc và điều chỉnh điện áp thích hợp; Quan sát hiện tượng xuất hiện trên sợi dây; Sau đó ta thay đổi chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số của máy phát quan sát hiện tượng xuất hiện trên sợi dây.

- Yêu cầu HS nêu dự đoán hiện tượng - HS nêu dự đoán hiện tượng: + Sợi dây sẽ dao động qua lại;

trước khi tiến hành TN.

+ Xuất hiện sóng truyền trên sợi dây; + Hiện tượng xuất hiện trên sợi dây thay đổi; + Hiện tượng xuất hiện trên sợi dây không thay đổi.

- HS quan sát TN.

- GV tiến hành TN cho HS quan sát.

- GV gợi ý, hướng dẫn HS phát biểu vấn - HS tiếp nhận vấn đề. đề: vì sao trên sợi dây lại xuất hiện hiện tượng đó (những bụng sóng và nút sóng xen kẽ cách đều nhau) và hiện tượng đó 113

gọi là gì ? Điều kiện để có hiện tượng đó trên sợi dây là gì và phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Hoạt động 2 (10 phút): Tìm hiểu sự phản xạ sóng Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- Giới thiệu các dụng cụ và cách bố trí TN như (Hình bên).

- GV hướng dẫn HS tiến hành TN: Dùng - HS tiến hành TN theo sự hướng dẫn tay tác dụng liên tục vào một đầu của của GV. thước và xem như là thực hiện một dao động điều hòa.

- GV yêu cầu HS quan sát dao động của - Quan sát TN, trả lời: Xuất hiện sóng thước khi đến đầu cố định và sau khi tới truyền đến đầu cố định. Sau đó, dao động ngược lại tạo thành sóng

gặp đầu cố định ?

- GV nhận xét và chính xác hóa nội phản xạ. dung kiến thức.

- HS thu kiến thức mới.

Hoạt động 3 (20 phút): Tìm hiểu sóng dừng Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- Định hướng, giúp đỡ HS:

- Suy nghĩ, trả lời:

+ Viết phương trình sóng tới, phương trình sóng phản xạ và phương trình tổng hợp hai dao động do sóng tới và sóng phản xạ truyền đến M. + Sau đó, áp dụng công thức lượng giác để tìm phương trình dao động tổng hợp tại điểm M trên sợi dây và cách đầu cố định một khoảng d.

114

 t d u M  A cos 2     T   t d  u ' M  A cos 2       T    d  t    u  A cos  2    cos  2     2 T 2   

+ Để biết tại điểm M trên dây là nút hay

- Nếu khoảng cách d  k

bụng thì ta xét khoảng cách từ điểm M

 thì biên độ 2

trên dây đến đầu cố định của dây, sau đó dao động tại M bằng không và tại M thế vào biên độ của phương trình dao có một nút.

- Nếu khoảng cách d   k  1   thì

động tổng hợp hai sóng.



22

biên độ dao động có giá trị cực đại, tại đó có một bụng.

- HS phát biểu kết luận vấn đề: Trên

- Yêu cầu HS rút ra kết luận vấn đề.

dây xuất hiện những điểm đứng yên xen kẽ với những điểm dao động với biên độ cực đại.

- HS tiếp thu kiến thức mới.

- Chính xác hóa nội dung kiến thức.

- Yêu cầu HS cho biết điều kiện để có sóng dừng đối với sợi dây có hai đầu cố định và sợi dây có một đầu cố định, một

- Suy nghĩ trả lời: + Đối với dây có hai đầu cố định, chiều dài của sợi dây bằng một số nguyên lần nữa bước sóng.

đầu tự do?

 =n  2

+ Đối với dây có một đầu cố định một đầu tự do. Chiều dài bằng một số lẻ lần một phần tư bước sóng.  =  2n 1  4

- GV nhận xét và chính xác hóa nội dung - HS tiếp thu kiến thức mới. kiến thức.

- GV sử dụng TNTT để minh họa hiện - HS quan sát TN tượng sóng dừng và kiểm chứng sóng dừng phụ thuộc vào chiều dài, lực căng của sợi dây và tần số.

- GV yêu cầu HS đọc ví dụ về ứng dụng - Vận dụng kiến thức để tính tốc độ hiện tượng sóng dừng để tính tốc độ truyền sóng trên dây. truyền sóng trên dây.

115

Hoạt động 4 (5 phút): Củng cố, vận dụng kiến thức Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- GV cho HS làm bài tập vật lí sau: tốc - HS làm bài tập với sự định hướng và độ truyền trên một sợi dây đàn hồi có hai giúp đỡ GV. đầu định dài 60 cm là 15 m/s, biết tần số dao động là 50 Hz. Tìm số bụng sóng.

- GV định hướng và giúp đỡ HS trong quá trình giải bài tập.

- GV sử dụng TNTT sóng dừng để kiểm tra kết quả được suy ra từ bài tập vật lí đã cho (Hình bên).

3.3.2. Tiến trình tổ chức dạy học bài “Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định” 3.3.2.1. Tiến trình xây dựng kiến thức ĐỀ XUẤT VẤN ĐỀ - GV giới thiệu dụng cụ TN: hai hộp tròn, lực kế, mặt phẳng nghiêng, thước thẳng bằng gỗ và cách bố trí TN. - Nêu các bước tiến hành TN: Kiểm tra khối lượng của hai hộp tròn bằng lực kế; Sau đó thả cho hai vật lăn không trượt xuống mặt phẳng nghiêng. Quan sát chuyển động của hai vật khi lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng.

- Yêu cầu HS nêu dự đoán hiện tượng trước khi tiến hành TN: + Hai hộp tròn sẽ lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng cùng lúc; + Hộp tròn 1 sẽ lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2; + Hộp tròn 2 sẽ lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 1.

- Tiến hành TN cho HS quan sát.

- Kết quả TN: Hộp tròn 1 lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2.

- GV gợi ý và hướng dẫn HS phát biểu vấn đề cần nghiên cứu: vì sao hai hộp tròn có cùng khối lượng, hình dạng, kích thước bằng nhau và được thả lăn ở cùng một độ cao nhưng hộp tròn 1 lại lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2?

116

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Kiểm chứng kết quả tìm được từ suy luận lí thuyết bằng TN: - Đề xuất giải pháp: biểu thức momen quán tính I = mr2 (1); phương trình động lực học của vật rắn M = I. (2). Sau đó thế (1) vào (2) ta sẽ tìm được mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen quán tính của vật.

- Nội dung kiến thức cần tiến hành TN để kiểm tra: Momen quán tính của vật phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay.

- Bố trí và tiến hành TN. - Rút ra kết luận về kết quả TN: Do momen quán tính của hộp tròn 2 lớn momen quán tính của hộp tròn 1 nên gia tốc góc của hộp tròn 2 nhỏ hơn gia tốc góc của hộp tròn 1.

CỦNG CỐ, VẬN DỤNG KIẾN THỨC - GV hướng dẫn HS tiến hành TN về chuyển động của đĩa tròn, vành tròn được thả ở cùng một độ cao lăn không trượt xuống chân mặt phẳng nghiêng.

- HS tiến hành TN theo sự hướng dẫn của GV. - GV yêu cầu HS quan sát và giải thích hiện tượng TN: Vì sao đĩa tròn, vành tròn có cùng khối lượng và kích thước được thả ở cùng độ cao nhưng đĩa tròn lại lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước vành tròn?

- GV yêu cầu HS vận dụng kiến thức mới vào giải thích hiện tượng.

Sơ đồ 3.7. Tiến trình tổ chức HĐNT cho HS khi DH bài “Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định” 3.3.2.2. Tiến trình dạy học kiến thức  Mục tiêu 1. Về kiến thức - Phát biểu được momen quan tính là gì. Viết được biểu thức momen quán tính của một vật rắn đối với một trục quay.

- Viết được biểu thức phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định M = I.

2. Về kỹ năng - Thực hiện được TN và giải thích được hiện tượng TN. - Vận dụng phương trình động lực học của vật rắn giải bài toán cơ bản về 117

chuyển động của vật rắn.

3. Về thái độ - Rèn luyện ý thức tự giác, chủ động trong học tập và lòng ham hiểu biết thông qua hoạt động cá nhân, hợp tác nhóm.

- Hình thành lòng yêu thích môn học thông qua việc quan sát TN, các mô hình, các ứng dụng thực tiễn.  Chuẩn bị 1. Giáo viên TN momen quán tính của vật rắn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay.

2. Học sinh Ôn lại kiến thức vật lí ở lớp 10: Momen lực, phương trình động lực học của chất điểm.  Tổ chức hoạt động dạy học 1. Ổn định lớp; 2. Kiểm tra bài cũ (5phút); 3. Tiến trình lên lớp.

Hoạt động 1 (5 phút): Đặt vấn đề Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- GV giới thiệu các dụng cụ và cách bố trí TN như (Hình bên).

- Nêu các bước tiến hành TN: Kiểm tra khối lượng của hai hộp tròn bằng lực kế; Sau đó thả cho hai vật lăn không trượt xuống mặt phẳng nghiêng. Quan sát chuyển động của hai vật khi lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng.

- Yêu cầu HS nêu dự đoán hiện tượng - HS dự đoán hiện tượng TN: trước khi tiến hành TN.

+ Hai hộp tròn sẽ lăn xuống chân mặt 118

phẳng nghiêng cùng lúc; + Hộp tròn 1 lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2; + Hộp tròn 2 lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 1.

- Tiến hành TN cho HS quan sát.

- HS quan sát TN.

- Kết quả TN: Hộp tròn 1 lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2.

- GV gợi ý, hướng dẫn HS phát biểu vấn đề: Vì sao hai vật có cùng khối lượng, hình dạng kích thước bằng nhau và được thả lăn ở cùng một độ cao nhưng hộp tròn 1 lại lăn xuống chân mặt phẳng nghiêng trước hộp tròn 2?

Hoạt động 2 (8 phút): Tìm hiểu mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực Hoạt động GV

Hoạt động HS

- Nhắc lại biểu thức momen lực và cho M = F.d; trong đó F là lực tác dụng lên biết các đại lượng trong biểu thức?

trục quay, d là tay đòn của lực.

- GV nhận xét.

- Khi nào vật đứng yên, khi nào vật - Vật đứng yên khi lực tác dụng có giá quay?

qua trục quay hoặc giá song song với trục quay.

- Vật quay khi giá không qua trục quay. Tác dụng quay phụ thuộc khoảng cách từ giá tới trục quay và cường độ lực.

- Nhận xét.

- Trả lời câu hỏi C1: Khi dùng tay đẩy

- Gọi HS đọc và trả lời câu hỏi C1.

hoặc kéo cánh cửa, để làm cánh cửa quay càng mạnh, ta có thể tăng dần độ

119

lớn của lực hoặc thay đổi sao cho phương của lực vuông góc với cửa và giá của lực càng xa trục quay.

- Yêu cầu HS đọc nội dung bài toán - Đọc nội dung bài toán. trong SGK (Hình 2.1).

- Trong chuyển động của vật rắn quay - Thành phần lực tiếp tuyến làm biến quanh trục, thành phần lực nào làm biến đổi tốc độ góc, thành phần lực pháp đổi tốc độc góc và thành phần lực nào tuyến không làm biến đổi tốc độ góc. không làm biến đổi tốc độc góc?

 - Trả lời câu hỏi C2: Thành phần Fn

- Gọi HS đọc và trả lời câu hỏi C2

có tác dụng làm chất điểm chuyển động trên đường tròn nhưng không ảnh hưởng đến sự biến thiên thay đổi tốc độ góc.

- Biểu thức momen lực tác dụng lên vật

M = Ft.r

(a)

Ft = m.at

(b)

at = r

(c)

M = mr2 

(d)

rắn cách O một khoảng r?

- Biểu thức lực tiếp tuyến tác dụng lên vật rắn?

- Nhắc lại công thức liên hệ giữa gia tốc dài và gia tốc góc?

- GV yêu cầu HS thay các biểu thức (b), (c) vào (a).

- Biểu thức (d) được viết lại như sau:

Nếu ta xét vật rắn gồm nhiều chất điểm có khối lượng mi ở cách trục quay những khoảng ri khác nhau thì biểu thức (d) được viết lại như thế nào?

Vì các chất điểm của vật rắn có cùng gia tốc góc nên biểu thức (e) có thể viết lại như sau:

120





M i  mi ri 2  (e)

  M   Mi    mi ri2   i  i 

Hoạt động 3 (17 phút): Tìm hiểu momen quán tính Hoạt động của GV

Hoạt động của HS - Trả lời câu C3: Vật rắn nào có

- Gọi HS đọc và trả lời câu hỏi C3.

m r

i i

2

lớn thì gia tốc góc nhỏ, nghĩa là

i

trong chuyển động quay, vật đó có quán tính lớn.

- Nhận xét.

- Chính xác hóa nội dung kiến thức:

- Tiếp thu kiến thức mới và ghi nhớ.

Momen quán tính I đối với một trục là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật rắn trong chuyển động quay quanh trục ấy.

I   mi ri 2 i

Độ lớn của Momen quán tính không chỉ phụ thuộc vào khối lượng của vật rắn mà còn phụ thuộc cả vào sự phân bố khối xa hay gần trục quay.

Momen quán tính có đơn vị là kg.m2.

- Yêu cầu HS đọc SGK tìm hiểu công - Ghi nhớ kiến thức. thức tính momen quán tính của một số vật đồng chất.

Hoạt động 4 (3 phút): Phương trình động lực học của vật rắn Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- Kết hợp biểu thức (2.6) và (2.7) SGK, M = I. hãy viết phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định.

- Nhận xét và kết luận kiến thức.

- Ghi nhớ kiến thức.

121

- GV sử dụng TNTT kiểm chứng kiến thức được suy ra bằng con đường suy luận lý thuyết.

Hoạt động 5 (7 phút): Củng cố, vận dụng kiến thức Hoạt động của GV

Hoạt động của HS

- GV sử dụng TNTT như (Hình bên) và hướng dẫn HS tiến hành TN.

- Yêu cầu HS quan sát hiện tượng TN - HS quan sát hiện tượng TN, vận dụng và vận dụng kiến thức mới vào giải kiến thức mới vào giải thích hiện thích hiện tượng.

tượng.

3.3.3. Tiến trình tổ chức dạy học bài “Momen động lượng. Định luật bảo toàn momen động lượng” 3.3.3.1. Tiến trình xây dựng kiến thức ĐỀ XUẤT VẤN ĐỀ - Giới thiệu các dụng cụ TN: Giá đỡ, khung nhôm, 02 gia trọng và cách bố trí TN. - Nêu các bước tiến hành TN: Treo hai gia trọng 50g vào khung nhôm; Xoay khung nhôm quay quanh trục của khung; Sau đó thả cho khung nhôm tự quay quanh trục, khi khung nhôm quay đều, kéo móc khóa hướng lên để thay đổi hình dạng của khung; Quan sát khung sẽ quay như thế nào?

- Yêu cầu HS nêu dự đoán hiện tượng trước khi tiến hành TN: Khung sẽ quay nhanh hơn so với trường hợp ban đầu; Khung sẽ quay chậm hơn so với trường hợp ban đầu; Không thay đổi.

- Tiến hành TN cho HS quan sát.

- Kết quả TN: Khung quay nhanh hơn so với trường hợp ban đầu.

- GV gợi ý và hướng dẫn HS phát biểu vấn đề cần nghiên cứu: vì sao khi hình dạng của khung thay đổi thì khung lại quay nhanh hơn so với trường hợp ban đầu?

122

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Kiểm chứng kết quả tìm được từ suy luận lí thuyết bằng TN: - Đề xuất giải pháp: phương trình động lực học của vật rắn quay M = I (1) ; công thức gia tốc góc 



d dt

(2). Thế (2) vào (1) ta được

M 

dL dt

, với L = I. Nếu M=

0 thì L = const; trường hợp I không đổi thì  = 0 và I thay đổi thì I11= I22.

- Nội dung kiến thức cần tiến hành TN để kiểm tra: định luật bảo toàn momen động lượng, trong trường hợp M = 0 và I thay đổi thì I11= I22.

- Bố trí và tiến hành TN để kiểm tra.

- Rút ra kết luận về kết quả TN: khi hình dạng của khung thay đổi (gần trục quay) thì momen quán tính I giảm, tốc độ góc  tăng và ngược lại nếu momen quán tính I tăng thì tốc độ góc  giảm. Kết quả TN khung quay nhanh hơn so với trường hợp ban đầu.

CỦNG CỐ, VẬN DỤNG KIẾN THỨC - GV hướng dẫn HS tiến hành TN với ghế xoay, yêu cầu HS quan sát TN và vận dụng kiến thức mới để giải quyết câu C3 trong SGK trang 16.

- GV chia lớp học ra thành 2 nhóm, mỗi nhóm một TNTT về chuyển động của người gỗ xoay quanh trục, hướng dẫn HS cách tiến hành TN và vận dụng kiến thức mới vào giải thích hiện tượng vừa quan sát.

Sơ đồ 3.8. Tiến trình tổ chức HĐNT cho HS khi DH bài “Momen động lượng. Định luật bảo toàn momen động lượng” 3.3.3.2. Tiến trình dạy học kiến thức (xem phụ lục)  Kết luận chương 3 Sau khi tiến hành phân tích nội dung chương trình vật lí lớp 12 nâng cao, chúng tôi đã thiết lập được sơ đồ cấu trúc nội dung phần “Cơ học” và sơ đồ các nội dung kiến thức có thể thiết kế, chế tạo và sử dụng TNTT để kiểm chứng hoặc minh họa kiến thức cho HS trong DH phần này.

Vận quy trình tự tạo TN đã đề xuất trong chương 2, chúng tôi đã tiến hành tự tạo được 9 TN trong phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao, đó là: TN sóng dừng; TN ghi đồ thị dao động điều hòa; TN bảo toàn momen động lượng; TN khảo sát chu kì 123

dao động của con lắc đơn; TN momen quán tính phụ thuộc của vật rắn vào sự phân bố khối lượng đối với trục quay; TN momen động lượng của vật rắn đối với trục quay; TN giao thoa sóng; TN về hiện tượng cộng hưởng và TN về sự phản xạ sóng.

Dựa vào quy trình sử dụng TNTT tổ chức HĐNT cho HS trong DHVL đã đề xuất trong chương 2, chúng tôi đã tiến hành thiết kế được 7 tiến trình DH trong phần “Cơ học” vật lí lớp 12 nâng cao theo hướng tích cực hóa HĐNT nhận thức của HS. Để việc sử dụng TNTT tổ chức HĐNT cho HS trong DHVL đạt hiệu quả, phát huy TTC nhận thức của HS trong học tập thì các tiến trình DH được thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Tạo ra được sự mâu thuẫn trong nhận thức của HS thông qua TNTT hoặc một hiện tượng trong thực tế nhằm kích thích lòng ham hiểu biết, hứng thú học tập và đồng thời tạo điều kiện cho HS bộc lộ những quan niệm sai lệch của mình để GV tìm cách khắc phục và sửa chữa.

- Tạo ra được không khí lớp học thân thiện để HS mạnh dạn trong việc đề xuất dự đoán hiện tượng, giải quyết nhiệm vụ học tập (quan sát, tiến hành TN và giải thích hiện tượng) và vận dụng kiến thức đã học vào thực tiễn. Các hoạt động đó đều góp phần vào việc tích cực hóa HĐNT của HS trong học tập.

- Vận dụng, phối hợp các PPDH tích cực một cách có hiệu quả và đa dạng hóa các cách thức tổ chức DH: cá nhân, nhóm…

Các TNTT được xây dựng và các tiến trình DH đó sẽ được chúng tôi triển khai trong đợt TNSP ở một số lớp khối 12 tại một số trường phổ thông trong tỉnh Đồng Tháp được chọn làm TNSP.

124