SKKN Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm sóng cơ và sự truyền sóng cơ để dạy học Chương II: "Sóng cơ và sóng âm" - Vật lý Lớp 12

Nội dung tóm tắt: SKKN Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm sóng cơ và sự truyền sóng cơ để dạy học Chương II: "Sóng cơ và sóng âm" - Vật lý Lớp 12

1. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi: Sở GD&ĐT Ninh Bình Tôi (chúng tôi): Ngày Trình độ Tỷ lệ % đóng Họ và Nơi công Chức STT tháng chuyên góp vào việc tạo tên tác danh năm sinh môn ra sáng kiến Trường Đinh Thứ THPT 1 15/8/1984 Giáo viên Cử nhân 100% Cơ Kim Sơn A Là tác giả đề nghị xét công nhận sáng kiến: Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm sóng cơ và sự truyền sóng cơ để dạy học chương II: "Sóng cơ và sóng âm" - Vật lý lớp 12. - Chủ đầu tư tạo ra sáng kiến: Đinh Thứ Cơ. I. NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN 1. Giải pháp cũ a. Thí nghiệm đang sử dụng - Hiện nay trong phòng thí nghiệm của các trường phổ thông phục vụ cho dạy học nội dung Chương 2 - Vật lý 12 chỉ có hai thiết bị đó là: + Thiết bị thí nghiệm giao thoa sóng nước. + Thiết bị thí nghiệm sóng dừng trên dây có hai đầu cố định. b. Hạn chế - Chỉ cho thấy được kết quả của hiện tượng mà không thấy được quá trình diễn ra của hiện tượng do xảy ra rất nhanh. - Không quan sát được chuyển động của chi tiết từng phần tử. 1
2. - Thiết bị giao thoa sóng nước khó thực hiện nên không nhiều giáo viên sử dụng. - Giáo viên không thể biểu diễn thí nghiệm truyền sóng trên sợi dây được vì thí nghiệm rất khó thành công. 2. Giải pháp mới 2.1. Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm a. Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo - Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên sự truyền sóng cơ trên một vật đàn hồi là lò xo. - Cấu tạo: + Sợi lò xo dài 1,2m. + Các thanh nhôm (ống nhôm) đường kính 0,8cm, một loại dài 50cm và một loại dài 30cm được gắn cố định vuông góc với lò xo và cách đều nhau. + Lò xo đặt cân bằng trên giá đỡ bằng gỗ. - Yêu cầu kỹ thuật: + Độ cứng của lò xo phải đảm bảo đủ lớn để nằm cân bằng trên giá đỡ. + Độ cứng của lò xo và kích thước, khối lượng các thanh nhôm phù hợp với nhau để sóng hình thành trên các thanh và truyền được dọc theo trục lò xo. b. Nguyên vật liệu Mỗi bộ thí nghiệm gồm - Thanh nhôm: 34 cái. - Lò xo: 1 cái - Dây buộc, dây cao su để gắn cố định giữa thanh nhôm và lò xo. - Đế gỗ: 1 cái. - Trụ đỡ: 17 ốc dài 10cm và bu-lông; - Chi tiết đỡ: Được uốn từ dây kẽm có 17 cái. - Sợi chỉ mềm. c. Chế tạo bộ thí nghiệm - Dùng dây buộc, dây cao su mềm gắn cố định các thanh nhôm cách đều nhau với lò xo theo phương vuông góc với lò xo. Khoảng cách hợp lý giữa các thanh 2
3. là 3cm. - Điều chỉnh để vị trí gắn với lò xo là trọng tâm của thanh nhôm, giúp hệ thống thanh nhôm nằm cân bằng. - Dùng sợi chỉ mềm, liên kết các thanh nhôm với nhau để hệ thống nằm cân bằng tốt hơn. - Dùng bu-lông liên kết các trụ và chi tiếp đỡ với nhau, gắn với giá bằng gỗ. - Đặt lò xo lên giá đỡ. Hình ảnh bộ thí nghiệm 2.2. Ứng dụng của bộ thí nghiệm Với thiết bị dạy học này tôi có thể sử dụng để dạy học gần như tất cả các nội dung kiến thức phần sóng cơ theo sách giáo khoa Vật lý lớp 12 hiện hành như: - Quá trình truyền sóng cơ (quá trình lan truyền dao động cơ giữa các phần tử vật chất) - Các khái niệm về sóng dọc và sóng ngang. - Hình ảnh của một sóng hình sin - Quá trình phản xạ sóng cơ trên vật cản cố định. - Quá trình phản xạ sóng cơ trên vật cản tự do. - Hiện tượng sóng dừng có hai đầu cố định. - Hiện tượng sóng dừng có một đầu cố định, một đầu tự do. Ngoài ra bộ thí nghiệm có thể biểu diễn các hiện tượng khác liên quan tới sóng cơ như: Sự truyền sóng cơ qua hai môi trường khác nhau Xem thêm phần phụ lục. 3
4. II. KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CỦA SÁNG KIẾN - Bộ thí nghiệm đã được chế tạo thành công vào dịp hè năm 2013 và kịp đưa vào sử dụng cho năm học 2013 – 2014 tại trường THPT Kim Sơn A. Vì vậy tôi đã có cơ hội thử nghiệm và đánh giá hiệu quả sử dụng của bộ thí nghiệm và tiến trình dạy học đã xây dựng. Năm học 2014 - 2015 này, bộ thí nghiệm đã được phổ biến tới các giáo viên của nhóm Lý - Trường THPT Kim Sơn A và được đông đảo các thày cô sử dụng dạy học với tất cả các lớp thuộc khối 12. III. ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH THU ĐƯỢC DO ÁP DỤNG SÁNG KIẾN 1. Hiệu quả giảng dạy a. Chất lượng dạy học đại trà: Căn cứ kết quả thi bán kỳ I các năm, nội dung thi gồm 2 chương: Chương 1 và chương 2 của Vật lý 12. Tỉ lệ kiến thức của chương 2 đóng góp 50%. Năm học Giỏi Khá TB Yếu Kém 2013 - 2014 21% 38% 31% 8% 2% 2014 - 2015 28% 40% 25% 5% 2% b. Chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi: Đề thi HSG có 1/5 bài thuộc phần chương 2, chiếm tỉ lệ 20% cấu trúc đề thi. Năm học 2012 - 2013 Năm học 2013 - 2014 HSG tỉnh 1 nhất, 1 nhì, Xếp thứ 2/25 Xếp thứ 1/25 2 nhất, 1 nhì môn Vật lý 1 ba toàn tỉnh toàn tỉnh HSG Casiô 1 ba khu vực c. Chất lượng bồi dưỡng học sinh thi Đại học cao đẳng: Tỉ lệ kiến thức chương 2, vật lý 12 có 07 câu trong tổng số 50 câu hỏi trắc nghiệm của đề thi Đại học, Cao đẳng các năm, chiếm tỉ lệ 14%. Điểm thi môn Vật lý góp phần nâng cao chất lượng đỗ Đại học, cao đăng trong xếp hạng chung của nhà trường. 4
5. 2011 2012 2013 2014 Xếp loại nhà Toàn quốc: 164 Toàn quốc: 145 Toàn quốc: 65 Toàn quốc: 84 trường Tỉnh NB: 04 Tỉnh NB: 04 Tỉnh NB: 02 Tỉnh NB: 02 2. Lợi ích xã hội a. Đối học sinh: Dễ tiếp thu bài và hiểu bài nhanh hơn, gây hứng thú học tập cho học sinh. Qua đó học sinh thêm yêu thích môn học, thích tìm hiểu, khám phá kiến thức khoa học một cách tự nhiên và tự giác. Khi học sinh được học với thiết bị thí nghiệm, được quan sát hiện tượng thực tế của sóng thì kiến thức nhớ lâu hơn. b. Đối giáo viên: Qua quá trình theo dõi, tôi nhận thấy các thầy cô giáo trong trường ai cũng sử dụng bộ thí nghiệm để phục phục bài giảng của mình một cách chủ động. Điều đó chứng tỏ sự cần thiết cũng như hiệu quả của bộ thí nghiệm mang lại. Giúp tiết kiệm công sức mô tả, thời gian trình bày, tránh hiện tượng dạy chay, góp phần đổi mới phương pháp dạy học. c. Đối với phụ huynh và xã hội: Tạo được tâm lí tự tin cho phụ huynh và học sinh trước mỗi kì thi quan trọng. Gây dựng được dư luận tốt đẹp trong lòng nhân dân trong công cuộc đổi mới phương pháp dạy học hiện nay. Góp phần đưa nhà trường là địa chỉ giáo dục tin cậy nhất của địa phương. d. Đối với nhà trường THPT Kim Sơn A: Góp phần tạo được sự tin tưởng của các cơ quan lãnh đạo với chuyên môn của nhà trường, với chuyên môn của nhóm lý trường THPT Kim Sơn A. 3. Lợi ích kinh tế - Bộ thí nghiệm được thiết kế dựa trên những nguyên vật liệu dễ kiếm, dễ mua. Giáo viên và học sinh cũng có thể tự chế tạo được thí nghiệm này hoặc những thí nghiệm tương tự (có cùng nguyên tắc hoạt động) bằng nguyên vật liệu sẵn có khác. - Giá thành của mỗi bộ thí nghiệm khoảng 350.000đ bao gồm: + Nguyên vật liệu: 150.000đ + Một ngày công chế tạo: 200.000đ 5
6. - So với giá thành của bộ thí nghiệm sóng cơ được trang bị trong nhà trường vào khoảng 3.000.000đ thì bộ thí nghiệm này có giá thành chỉ hơn 10%. Nếu mỗi trường THPT và trung tâm GDTX trong toàn tỉnh đều được trang bị một bộ thí nghiệm này thì số tiền được làm lợi so với bộ thí nghiệm cũ đang được trang bị ước tính theo bảng sau: Bộ thí nghiệm cũ Bộ thí nghiệm mới Số tiền làm lợi (đang được trang bị) (của sáng kiến) 33 trường x 3.000.000đ 33 trường x 350.000đ 87.450.000đ = 99.000.000đ = 11.550.000đ Tôi xin cam đoan mọi thông tin nêu trong đơn là trung thực, đúng sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. Kim Sơn, ngày 18 tháng 9 năm 2014 Người nộp đơn ĐINH THỨ CƠ 6
7. PHỤ LỤC: ỨNG DỤNG CỦA BỘ THÍ NGHIỆM 1. Sử dụng trong dạy học đơn vị kiến thức quá trình truyền sóng cơ - Mục đích của thí nghiệm: Biểu diễn bản chất của quá trình truyền sóng: Là quá trình lan truyền dao động trong một môi trường. - Tiến hành thí nghiệm: Đặt bộ thí nghiệm trên mặt bàn nằm ngang. Dùng tay tác động lên thanh nhôm theo phương thẳng đứng để tạo một đầu sóng ở một phía của bộ thí nghiệm. Quan sát quá trình lan truyền dao động (sự truyền sóng ngang) trên các thanh nhôm dọc theo trục của lò xo. - Kết quả của thí nghiệm: + Học sinh quan sát được rõ sự lan truyền dao động giữa các thanh nhôm dọc theo trục của lò xo. Chỉ có dao động được truyền đi, còn bản thân các thanh nhôm (đóng vai trò phần tử môi trường) chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. + Giáo viên dễ dàng tạo một, hai hay nhiều đỉnh sóng, học sinh cũng hình thành các khái niệm đỉnh sóng, hõm sóng. 2. Sử dụng trong dạy học đơn vị kiến thức sóng dọc và sóng ngang - Mục đích thí nghiệm: Giúp học sinh hình thành khái niệm sóng dọc và sóng ngang. - Tiến thành thí nghiệm: + Giáo viên phân tích: Quan sát quá trình truyền sóng trong thí nghiệm trước, học sinh đã nhận biết được phương dao động của các phần tử môi trường (chính là phương dao động lên – xuống của các thanh nhôm) và phương truyền sóng (sóng được truyền dọc theo trục của lò xo). Kết quả là ta có sóng ngang được hình thành và truyền đi. Học sinh nhìn thấy quá trình truyền sóng ngang. 7
8. + Nếu ta cho các thanh nhôm dao động dọc theo trục lò xo, ta được sóng dọc. 3. Sử dụng trong dạy học đơn vị kiến thức phản xạ sóng cơ trên vật cản tự do - Mục đích thí nghiệm: Biểu diễn sự phản xạ của sóng cơ trên vật cản tự do - Tiến hành thí nghiệm: Dùng tay tác động lên thanh nhôm theo phương thẳng đứng để tạo một đầu sóng ở một phía của bộ thí nghiệm. Khi đó có sự lan truyền sóng ngang trên các thanh nhôm dọc theo trục của lò xo. - Kết quả thí nghiệm: + Khi sóng truyền tới đầu tự do của dây lò xo, quan sát sóng phản xạ thấy cùng chiều biến dạng (cùng pha) với sóng tới tại điểm phản xạ. + Quá trình phản xạ ở hai đầu có thể diễn ra nhiều lần. 4. Sử dụng trong dạy học đơn vị kiến thức phản xạ sóng cơ trên vật cản cố định - Mục đích thí nghiệm: Biểu diễn sự phản xạ sóng cơ trên vật cản cố định - Tiến hành thí nghiệm: Dùng một tay tác động lên thanh nhôm theo phương thẳng đứng để tạo một đầu sóng ở một phía của bộ thí nghiệm. Tay còn lại giữ cố định thanh nhôm ở đầu kia. - Kết quả thí nghiệm: Khi sóng truyền tới đầu cố định của dây lò xo, quan sát sóng phản xạ thấy ngược chiều biến dạng (ngược pha) với sóng tới tại điểm 8
9. phản xạ. 5. Sử dụng trong dạy học đơn vị kiến thức sóng dừng có một đầu cố định, một đầu tự do - Mục đích thí nghiệm: Biểu diễn sóng dừng có một đầu cố định, một đầu tự do. - Tiến hành thí nghiệm: Dùng tay tác động lên thanh nhôm theo phương thẳng đứng để tạo sóng ở một phía của bộ thí nghiệm. Khi đó có sự lan truyền sóng ngang trên các thanh nhôm dọc theo trục của lò xo. Điều chỉnh tần số dao động 9
10. của tay để thu được hình ảnh sóng dừng. Ban đầu rung tay với tần số nhỏ, sau đó tăng dần, khi hình thành sóng dùng thì tay rung đều. Bằng cách này có thể tạo được sóng dừng trên bộ thí nghiệm với nhiều tần số khác nhau. - Kết quả thí nghiệm: Quan sát được sự hình thành sóng dừng: Có những thanh nhôm dao động với biên độ cực đại (bụng sóng), có những thanh nhôm dao động với biên độ rất nhỏ coi như đứng yên (nút sóng). Đầu gắn với nguồn sóng coi như một nút, đầu tự do là một bụng sóng. - Học sinh có thể tham gia làm thí nghiệm này để trải nghiệm cảm giác tìm được tần số phù hợp để xảy ra sóng dừng. 6. Sử dụng trong dạy học đơn vị kiến thức sóng dừng có hai đầu cố định - Mục đích thí nghiệm: Biểu diễn sóng dừng có hai đầu cố định. - Tiến hành thí nghiệm: + Giữ cố định thanh nhôm ngoài cùng ở một đầu của bộ thí nghiệm. + Dùng tay tác động lên thanh nhôm theo phương thẳng đứng để tạo sóng ở một phía của bộ thí nghiệm. Khi đó có sự lan truyền sóng ngang trên các thanh nhôm dọc theo trục của lò xo. Điều chỉnh tần số dao động của tay để thu được hình ảnh sóng dừng. Ban đầu rung tay với tần số nhỏ, sau đó tăng dần, khi hình thành sóng dùng thì tay rung đều. Bằng cách này có thể tạo được sóng dừng trên bộ thí nghiệm với nhiều tần số khác nhau. - Kết quả thí nghiệm: Quan sát được sự hình thành sóng dừng: Có những 10
11. thanh nhôm dao động với biên độ cực đại (bụng sóng), có những thanh nhôm dao động với biên độ rất nhỏ coi như đứng yên (nút sóng). Đầu gắn với nguồn sóng coi như một nút, đầu cố định là một nút sóng. - Học sinh có thể tham gia làm thí nghiệm này để trải nghiệm cảm giác tìm được tần số phù hợp để xảy ra sóng dừng. 7. Biểu diễn sự truyền sóng qua hai môi trường khác nhau - Mục đích thí nghiệm: Biểu diễn sự truyền sóng qua hai môi trường khác nhau. - Tiến hành thí nghiệm: + Nối hai đầu của hai bộ thí nghiệm, mỗi bộ thí nghiệm có tốc độ truyền sóng khác nhau. + Tạo một đầu sóng ở một đầu bộ thí nghiệm - Kết quả thí nghiệm: Sóng truyền qua chỗ nối của hai bộ thí nghiệm (nơi giao nhau của hai môi trường truyền sóng khác nhau) sẽ thấy một phần sóng truyền qua, một phần sóng phản xạ lại môi trường cũ. Do tần số sóng không đổi, nhưng tốc độ truyền sóng của hai môi trường khác nhau nên ta quan sát được bước sóng trong hai môi trường khác nhau (hiện tượng khúc xạ sóng, sau này học sinh có thêm cơ sở để khẳng định bản chất sóng của ánh sáng). 11