Chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm quang học trong dạy học vật lý (03/12/2021)
Đây là giải pháp của nhóm tác giả Nguyễn Văn Nghĩa, Ngô Thị Như Quỳnh - Trường Đại học Đồng Nai đạt giải Ba Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật lần thứ IX (2019-2021)
Hiện nay, trong danh mục đồ dùng thí nghiệm Vật lí ở trường phổ thông đã có một số bộ thí nghiệm về quang học, tuy nhiên qua thời gian sử dụng đã bộc lộ nhiều thiếu sót, hạn chế.
Nguồn sáng sử dụng bằng đèn pin, bằng bóng đèn dây tóc, tính đơn sắc không có, do đó việc tạo ra một dải sáng hẹp để coi như tia sáng là rất khó, bên cạnh đó nếu thí nghiệm vào những tiết học buổi trưa có ánh sáng ngoài mạnh dẫn đến quan sát không rõ, nên quá trình khảo sát các hiện tượng quang học là rất khó đối với học sinh, nhất là đối với thí nghiệm định lượng. Cũng có một vài nguồn laze nhưng phải sử dụng với nguồn điện lấy ra từ các máy biến thế, gây phiền phức cho giáo viên khi dạy học ở từng lớp học.
Các bài dạy mở đầu về phần Quang hình ở lớp 7 có một số khái niệm mà học sinh rất khó hình dung như: tia sáng, đường đi của tia sáng, các loại chùm sáng…Nhưng khi sử dụng đèn pin thì HS không thể hình dung, quan sát được, do đó các khái niệm, hiện tượng cung cấp cho HS một cách gượng ép, làm giảm hứng thú học tập của các em.
Các dụng cụ quang có sẵn rất khó để hướng dẫn cho HS về khái niệm và đặc điểm của thấu kính như quang tâm, tiêu cự, trục chính…do đó trong các tiết dạy về thấu kính, chủ yếu là GV áp đặt các khái niệm này cho HS, điều đó ảnh hưởng đến chất lượng của việc chiếm lĩnh và ghi nhớ, vận dụng kiến thức của các em.
Nội dung triển khai
Cấu tạo chính của Bộ thí nghiệm Quang học tự tạo gồm: hộp mica chứa khói, 5 đèn laser, chân đế, nguồn điện.
|
|
|
Cấu tạo tổng thể của bộ thí nghiệm
|
|
|
|
|
Chân đế
|
Các đèn Laser
|
+ Hộp chưa khói: Được ghép lại từ 3 tấm mica, 1 tấm mica đen. Trên tấm mica đen được khắc thước để HS có thể xác định được các khoảng cách. Kích thước hộp 300x100x150mm.
+ 5 đèn laser: Là loại laser phát ánh sáng đỏ bước sóng 650nm, điện áp 3V, công suất nhỏ 5mW. Các đèn này được gắn trên một tấm mica nhỏ, nối qua các công tắc đến nguồn điện. Trong đó 3 đèn ở giữa được cố định tạo ra 3 chùm tia sáng nhỏ (coi như là tia sáng) song song nhau, 2 đèn phía ngoài có thể xoay để thay đổi hướng đi của tia sáng tùy theo yêu cầu thực hiện.
+ Chân đế: Mặt dưới được làm bằng gỗ, mặt trên là tấm mica có khoét lỗ ở giữa để có thể di chuyển thấu kính dễ dàng.
+ Nguồn điện: Sử dụng 02 bộ nguồn, mỗi bộ nguồn gồm 2 pin tiểu 1,5V ghép nối tiếp.
Bộ thí nghiệm Quang học không nhằm thay thế hoàn toàn các dụng cụ thí nghiệm có sẵn, mà có thể dùng kết hợp với một số thiết bị có sẵn để phục vụ trong quá trình dạy học.
|
|
|
|
Tia sáng truyền thẳng trong không khí
|
Thí nghiệm với TKPK
|
|
|
|
|
Các loại chùm sáng
|
|
|
|
|
Thí nghiệm xác định quang tâm
|
Thí nghiệm với TKHT
|
Hoạt động: Tìm hiểu thấu kính và phân loại thấu kính
- Bước 1: GV phát các TK cho mỗi nhóm, yêu cầu HS quan sát, thao tác với TK (dùng 2 ngón tay vuốt từ giữa ra ngoài rìa) để đưa ra nhận xét đặc điểm của TK. Sau đó gọi HS trả lời.
- Bước 2: GV tiến hành các TN để HS rút ra nhận xét.
+ GV cho HS quan sát bộ TN, yêu cầu HS nêu tên gọi và công dụng các dụng cụ.
+ TN1: Chiếu 3 tia sáng song song qua TK rìa dày (lõm), yêu cầu HS quan sát và trả lời chùm tia ló như thế nào? Từ đó rút ra TK lõm là TKPK.
+ TN2: Chiếu 3 tia sáng song song qua TK rìa mỏng (lồi), yêu cầu HS quan sát và trả lời chùm tia ló như thế nào? Từ đó rút ra TK lồi là TKHT.
Hoạt động: Khảo sát thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì
GV sẽ tiến hành TN với thấu kính hội tụ để giúp HS xác định các khái niệm của thấu kínhhội tụ, sau đó hướng dẫn HS về sự tương tự các khái niệm đó với thấu kính phân kì mà không cần phải tiến hành lại.
- Bước 1: Xác định quang tâm O, trục chính
+ GV vẽ kí hiệu một thấu kính hội tụ trên bảng, chưa vẽ trục chính.
+ GV tiến hành TN với 2 tia sáng, trong đó có 1 tia trùng với trục chính chiếu qua quang tâm thì truyền thẳng, một tia chiếu không vuông góc với thấu kính. GV sẽ điều chỉnh điểm tới ở thấu kính để HS quan sát và rút ra được có một điểm mà tia sáng truyền thẳng. Sau đó chốt lại cho HS điểm đó là quang tâm O, và mọi tia tới qua quang tâm đều truyền thẳng. GV sẽ kí hiệu điểm O lên hình vẽ.
+ GV thông báo đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với thấu kính gọi là trục chính của thấu kính. Sau đó vẽ trục chính lên bảng. Sau đó thông báo về trục phụ: Các đường thẳng qua quang tâm O là trục phụ của thấu kính.
- Bước 2: Xác định tiêu điểm, tiêu diện, tiêu cự, độ tụ
+ GV tiến hành TN với 3 tia sáng song song, GV sẽ dịch chuyển thấu kính hội tụ ra xa và lại gần nguồn sáng. Yêu cầu HS cho biết đặc điểm các tia ló như thế nào? => HS có thể trả lời: Các tia sáng hội tụ tại một điểm. Từ đó GV chốt lại cho HS điểm đó gọi là tiêu điểm chính của thấu kính và kí hiệu lên hình vẽ trên bảng.
+ Sau đó GV đổi các đèn laser chiếu từ phía bên kia của thấu kính, chiếu 3 tia tới song song cho HS quan sát và nhận xét: Khi chiếu các tia sáng song song ở mặt bên kia thì các tia ló cũng hội tụ tại một điểm. GV chốt lại cho HS điểm đó
cũng gọi là tiêu điểm chính của thấu kính và kí hiệu lên hình vẽ trên bảng.
+ GV giới thiệu cho HS, trong hai tiêu điểm chính, có một tiêu điểm ảnh chính (kí hiệu F’) và một tiêu điểm vật chính (kí hiệu F)
+ Sau đó GV giới thiệu cho HS về các trục phụ, tiêu điểm phụ. Tập hợp các tiêu điểm tạo thành tiêu diện.
- Bước 3: Xác định tiêu cự, độ tụ
+ GV yêu cầu HS quan sát lại TN ánh sáng hội tụ tại một điểm. Sau đó dựa trên TN giới thiệu cho HS khoảng cách từ quang tâm O đến tiêu điểm F gọi là tiêu cự của TKHT, kí hiệu: 
, quy ước f>0 với thấu kính hội tụ.
+ Sau đó GV thông báo về độ tụ: D, 
, đơn vị là dp.
Sau khi đã hoàn thành khảo sát đối với thấu kính hội tụ, GV có thể thông báo cho HS thấu kính phân kình cũng có những khái niệm tương tự thấu kính hội tụ, lưu ý tiêu cự có giá trị âm. Hoặc có thể hướng dẫn HS thực hiện khảo sát.
Kết quả thực hiện
Với cấu tạo đơn giản và chi phí thấp (khoảng 150.000 đồng), nhưng có tính đa năng, áp dụng được cho nhiều bài học, nên giải pháp có thể áp dụng rộng rãi cho cho các phổ thông cũng như các trường sư phạm. Hiện tại, bộ thí nghiệm trên đã được tác giả sản xuất và áp dụng ở 03 trường phổ thông tại thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.
- Giá thành của bộ thí nghiệm rất rẻ so với các bộ thí nghiệm mua từ các công ty thiết bị giáo dục, do đó giúp tiết kiệm được ngân sách của nhà nước. Cấu tạo của bộ thí nghiệm đơn giản, vật liệu gần gủi dễ tìm nên giáo viên nào cũng có thể làm được.
- Tính đa năng thể hiện ở việc bộ thí nghiệm được chế tạo tích hợp để có thể khảo sát được nhiều hiện tượng quang học. Có thể kết một số thiết bị khác trong quá trình dạy học.
- Nhỏ gọn dễ sử dụng trong dạy học, độ chính xác cao, có thể khảo sát cả định tính và định lượng các hiện tượng quang học, nâng cao kĩ năng lắp ráp, dự đoán kết quả- tiến hành thí nghiệm của HS, SV.
- Tạo hứng thú cho HS, tiết học Vật lí trở nên sôi nổi, hoàn thành tốt mục tiêu bài học trên cả ba lĩnh vực.
Ánh Nguyệt