Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm xác định chiết suất chất lỏng và sử dụng trong dạy học theo hướng phát triển năng lực thực nghiệm

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br /> Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 156-164<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0170<br /> <br /> THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT<br /> CHẤT LỎNG VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC THEO HƯỚNG<br /> PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM<br /> Hồ Sỹ Chương, Trương Văn Minh, Trần Minh Hùng, Nguyễn Thị Thu Thủy<br /> Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Đồng Nai<br /> Tóm tắt. Hiện nay, bộ thí nghiệm đo chiết suất chất lỏng sử dụng ở các trường phổ thông<br /> dựa trên hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Khi sử dụng bộ thí nghiệm này học sinh phải mất<br /> nhiều thời gian thao tác và kết quả đo có độ chính xác không cao. Trong báo cáo này, chúng<br /> tôi trình bày cách thiết kế, chế tạo thiết bị xác định chiết suất chất lỏng bằng phương pháp<br /> phản xạ toàn phần để đo chiết suất của nhiều loại chất lỏng trong suốt có độ chính xác<br /> cao. Đồng thời, chúng tôi cũng trình bày cách thức khai thác hiệu quả bộ thí nghiệm nhằm<br /> bồi dưỡng các kĩ năngtheo hướng phát triển năng lựcthực nghiệmcho học sinh trong dạy<br /> họcphần Quang hình học Vật lí 11.<br /> Từ khóa: Bộ thí nghiệm, chiết suất chất lỏng, khúc xạ ánh sáng, phản xạ toàn phần, năng<br /> lực thực nghiệm.<br /> <br /> 1.<br /> <br /> Mở đầu<br /> <br /> Từ những năm 1970, giáo dục dựa trên năng lực đã được chú trọng ở Mỹ. Ngày nay, nó đã<br /> trở thành xu hướng giáo dục quốc tế. Với hình thái này, giáo dục hướng tới việc đo lường chính<br /> xác kiến thức, kĩ năng và thái độ của người học sau khi kết thúc mỗi chương trình học [1].<br /> Sự thay đổi mục tiêu và hình thái giáo dục yêu cầu các phương pháp giảng dạy và đánh giá<br /> cũng cần có sự thay đổi. Ở các nước có nền giáo dục tiên tiến, các phương pháp giảng dạy theo<br /> năng lực đã được áp dụng. Giảng dạy theo năng lực có thể hiểu là hướng tiếp cận tập trung vào đầu<br /> ra của quá trình dạy và học, trong đó nhấn mạnh người học cần đạt được các mức năng lực như<br /> thế nào sau khi kết thúc một chương trình giáo dục [2]. Các năng lực thường được tập trung phát<br /> triển bao gồm năng lực xử lí thông tin, giải quyết vấn đề, phản biện, năng lực học tập suốt đời [3].<br /> Nó có thể được xem là những năng lực chung cần được phát triển cho học sinh (HS). Bên cạnh các<br /> năng lực chung đó, tùy theo từng lĩnh vực còn có các năng lực chuyên môn hay chuyên biệt.<br /> Những năm gần đây, để bắt kịp xu thế giáo dục của thế giới, giáo dục Việt Nam cũng đã có<br /> những biến chuyển tích cực từ chương trình giáo dụctiếp cận nội dung sang tiếp cận năng lực người<br /> học. Ở trường phổ thông, đối với các môn khoa học tự nhiên nói chung và môn Vật lí nói riêng,<br /> việc bồi dưỡng năng lực thực nghiệm đóng vai trò quan trọng. Điều này góp phần xóa bỏ tính hàn<br /> lâm trong giáo dục, chú trọng rèn luyện các kĩ năng cho HS. Tuy vậy, việc triển khai bồi dưỡng<br /> Ngày nhận bài: 27/7/2016. Ngày nhận đăng: 22/9/2016.<br /> Liên hệ: Hồ Sỹ Chương, e-mail: hosichuong@gmail.com<br /> <br /> 156<br /> <br /> Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm xác định chiết suất chất lỏng và sử dụng trong dạy học...<br /> <br /> năng lực này cho HS ở trường phổ thông vẫn gặp nhiều khó khăn. Một trong các khó khăn đó là<br /> do năng lực của giáo viên (GV) còn hạn chế và các thiết bị thí nghiệm (TN) hỗ trợ chưa nhiều.<br /> Trong bài viết này, chúng tôi trình bày việc thiết kế, chế tạo bộ TN xác định chiết suất chất<br /> lỏng mới, có nhiều ưu điểm dựa trên phương pháp phản xạ toàn phần. Từ đó chúng tôi đề xuất một<br /> số định hướng áp dụng bộ thí nghiệm này vào dạy học phần Quang hình học Vật lí lớp 11 theo<br /> định hướng phát triển năng lực thực nghiệm cho HS.<br /> <br /> 2.<br /> 2.1.<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu<br /> Nghiên cứu, chế tạo bộ thí nghiệm đo chiết suất chất lỏng bằng phương<br /> pháp phản xạ toàn phần<br /> <br /> Cơ sở lí thuyết<br /> Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng toàn bộ ánh sáng bị phản xạ ngược trở lại môi<br /> trường cũ khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau.<br /> Hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ có thể xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết<br /> quang sang môi trường kém chiết quang hơn và góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn, với<br /> sin(igh ) =<br /> <br /> n2<br /> n1<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Thiết kế thiết bị thí nghiệm<br /> <br /> Hình 1. Bản thiết kế bộ thí nghiệm<br /> Thiết bị được thiết kế như hình 1. Gọi chiết suất chất lỏng là n. Khi tia sáng đi từ trong chất<br /> lỏng đến mặt phân cách với không khí thì có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Chiếu tia<br /> laser (đỏ) vào mặt bên, trên thước tại A, tia laser bị khúc xạ tại A rồi đến bề mặt chất lỏng tại C.<br /> Tại C một phần ánh sáng bị khúc xạ ra không khí (đến gặp thành bên trái tại D), một phần phản xạ<br /> đến gặp mặt bên tại E.<br /> 157<br /> <br /> Hồ Sỹ Chương, Trương Văn Minh, Trần Minh Hùng, Nguyễn Thị Thu Thủy<br /> <br /> Giả sử hiện tượng phản xạ toàn phần bắt đầu xảy ra tại C, tia khúc xạ CD đi sát mặt phân<br /> cách. Khi đó ta chứng minh được:<br /> s<br /> <br /> <br /> h1 + h2 2<br /> n= 1+<br /> (2)<br /> d<br /> Như vậy, chỉ cần điều chỉnh góc của đèn laser chiếu tới mặt bên sao cho hiện tượng phản xạ<br /> toàn phần bắt đầu xảy ra, khi đó ta đo d, h1 , h2 và áp dụng công thức (4) thìsẽ tính được chiết suất<br /> của chất lỏng.<br /> Sai số của thiết bị<br /> Từ công thức (2), bình phương và lấy vi phân toàn phần hai vế ta được<br /> <br /> <br /> h1 + h2<br /> h1 + h2<br /> dn<br /> =<br /> d(d)<br /> (3)<br /> dh1 + dh2 −<br /> n<br /> d2 n2<br /> d<br /> Thay dấu vi phân “d” thành dấu sai số “∆” và lấy giá trị tuyệt đối các vi phân riêng phần<br /> thì công thức (3) trở thành<br /> <br /> <br /> h1 + h2<br /> ∆n<br /> h1 + h2<br /> ∆h<br /> +<br /> ∆h<br /> +<br /> δ=<br /> =<br /> ∆d<br /> (4)<br /> 1<br /> 2<br /> n<br /> d<br /> d2 + (h1 + h2 )2<br /> Đặt A =<br /> <br /> h1 + h2<br /> thì A ≥ 0, khi đó<br /> d<br /> δ=<br /> <br /> Do<br /> <br /> A<br /> 1<br /> (∆h1 + ∆h2 + A∆d)<br /> d (1 + A2 )<br /> <br /> (5)<br /> <br /> 1<br /> (∆h1 + ∆h2 + A∆d)<br /> 2d<br /> <br /> (6)<br /> <br /> A<br /> 1<br /> ≤ nên<br /> 2<br /> (1 + A )<br /> 2<br /> δ≤<br /> <br /> Các chất lỏng thông thường có chiết suất trong khoảng từ 1,26 (Fluorine refrigerant R-22)<br /> đến 1,737 (Methylene iodine) [4]. Do đó, với chất lỏng thông thường thì 0, 767 ≤ A ≤ 1, 420. Từ<br /> đó<br /> 1<br /> δ≤<br /> (∆h1 + ∆h2 + 1, 42∆d)<br /> (7)<br /> 2d<br /> Ở bộ thí nghiệm này, độ rộng d được thiết kế là 300mm, các thước có độ chia nhỏ nhất là<br /> 1mm. Do vậy khi đo h1 , h2 và d luôn gặp phải các sai số hệ thống của thước đo ∆h1 , ∆h2 , ∆d là<br /> 0.5mm. Thay các số liệu trên vào (7) và không tính đến các sai số ngẫu nhiên ta được sai số tương<br /> đối hệ thống của dụng cụ là<br /> δ ≤ 0, 3%<br /> (8)<br /> <br /> Như vậy sai số tương đối hệ thống lớn nhất của dụng cụ là 0,3%. Sai số này càng bé khi d<br /> càng lớn. Hay nói cách khác, để tăng độ chính xác thì cần tăng độ rộng d của thiết bị khi chế tạo.<br /> Nếu d đạt 800mm thì sai số tương đối hệ thống lớn nhất chỉ 0,1%. Trong thực tế, khi đo h1 , h2 và<br /> dcòn gặp phải sai số ngẫu nhiên nên ∆h1 , ∆h2 , ∆d có thể đạt 1mm. Sai số tương đối khi đó gần<br /> 158<br /> <br /> Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm xác định chiết suất chất lỏng và sử dụng trong dạy học...<br /> <br /> bằng 0.6%. Điều cần lưu ý là khi tăng độ rộng d thì cần tăng công suất của chùm laser, bởi vì với<br /> quãng đường đi càng xa trong môi trường chất lỏng thì cường độ chùm laser bị hấp thụ và tán xạ<br /> càng lớn.<br /> Chế tạo thiết bị thí nghiệm<br /> Tiến hành chế tạo thiết bị theo thiết kế (hình 1). Vật liệu được lựa chọn phải đảm bảo trong<br /> suốt, nhẹ, bền và dễ gia công như mica. Nguồn sáng được sử dụng là loại đèn laser bán dẫn, bước<br /> sóng 650nm, công suất 5mW, đường kính chùm tia 2mm. Để điều chỉnh sao cho hiện tượng phản<br /> xạ toàn phần bắt đầu xảy ra ở bề mặt chất lỏng một cách dễ dàng và chính xác, chúng tôi đã chế tạo<br /> một giá kẹp đèn laser có thể trượt dọc theo khe nhỏ thẳng đứng và có thể quay quanh trục thẳng<br /> góc với khe. Để điều chỉnh thăng bằng, dụng cụ được thiết kế 4 vít ở chân đế. Để cân chỉnh mức<br /> chất lỏng ngang bằng với vạch số 0 ở hai thước đo, dụng cụ được thiết kế một van xả ở sát đáy<br /> bình, van có thể điều chỉnh tốc độ xả một cách dễ dàng.<br /> Hình 2 mô tả một số hình ảnh thực của bộ thí nghiệm sau khi đã hoàn thiện. Hình (a) là<br /> hình ảnh tổng thể của bộ thí nghiệm. Hình (b) là hình ảnh tia tới, tia khúc xạ và tia phản xạ tại mặt<br /> thoáng chất lỏng. Hình (c) là vị trí tia ló trên thước ở thành trái. Hình (d) là vị trí tia tới trên thước<br /> ở thành phải.<br /> <br /> Hình 2. Một số hình ảnh thực tế của bộ thí nghiệm<br /> <br /> 2.2.<br /> <br /> Năng lực và năng lực thực nghiệm Vật lí<br /> <br /> Năng lực<br /> Có nhiều khái niệm khác nhau về năng lực. Theo cách hiểu thông thường, năng lực là sự<br /> kết hợp của tư duy, kĩ năng và thái độ có sẵn hoặc ở dạng tiềm năng có thể học hỏi được của một<br /> cá nhân hoặc tổ chức để thực hiện thành công nhiệm vụ [5]. Hay năng lực là “khả năng vận dụng<br /> những kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng, thái độ và sự đam mê để hành động một cách phù hợp và<br /> có hiệu quả trong các tình huống đa dạng của cuộc sống” [6].<br /> Năng lực chung/cốt lõi<br /> Theo định nghĩa của các nước có nền kinh tế phát triển (OECD), năng lực cốt lõi bao gồm<br /> những năng lực nền tảng như năng lực đọc hiểu, năng lực tính toán, năng lực giải quyết vấn đề,<br /> năng lực giao tiếp. . . Năng lực chung, cốt lõi là năng lực cơ bản cần thiết làm nền tảng để phát<br /> triển năng lực chuyên biệt.<br /> 159<br /> <br /> Hồ Sỹ Chương, Trương Văn Minh, Trần Minh Hùng, Nguyễn Thị Thu Thủy<br /> <br /> Năng lực chuyên biệt/chuyên môn<br /> Năng lực chuyên biệt hay chuyên môn là năng lực đặc trưng ở những lĩnh vực nhất định, ví<br /> dụ như năng lực toán học, năng lực ngôn ngữ [7]. Năng lực chung cốt lõi và năng lực chuyên biệt<br /> không tách rời mà quan hệ chặt chẽ với nhau. Có nhiều quan điểm xây dựng chuẩn các năng lực<br /> chuyên biệt trong dạy học từng môn. Các năng lực chuyên biệt có thể được xây dựng bằng cách<br /> cụ thể hóa các năng lực chung hoặc dựa trên đặc thù môn học [8]. Nếu dựa vào đặc thù môn học,<br /> người ta sẽ căn cứ theo nội dung, phương pháp nhận thức và vai trò của môn học đối với thực tiễn<br /> để đưa ra hệ thống năng lực. Có nhiều nước trên thế giới tiếp cận theo cách này. Đơn cử như ở<br /> CHLB Đức, hệ thống năng lực được phát triển theo chuẩn năng lực chuyên biệt môn Vật lí đối với<br /> HS 15 tuổi của gồm: năng lực giải quyết vấn đề, năng lực hợp tác, năng lực thực nghiệm, năng lực<br /> quan sát, năng lực tự học, năng lực sáng tạo. . . [9].<br /> Năng lực thực nghiệm<br /> Trong từ điển Tiếng Việt khái niệm năng lực thực nghiệm được định nghĩa như sau:“Năng<br /> lực thực nghiệm là khả năng vận dụng những kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng, thái độ và hứng thú<br /> để hành động một cách phù hợp và có hiệu quả trong các tình huống đa dạng của cuộc sống”. Từ<br /> đó có thể định nghĩa năng lực thực nghiệm vật lí là khả năng vận dụng các kiến thức, kĩ năng thực<br /> hành trong lĩnh vực vật lí cùng với thái độ tích cực để giải quyết các vấn đề đặt ra trong thực tiễn<br /> [10].<br /> Để bồi dưỡng năng lực thực nghiệm vật lí thì GV cần trang bị cho HS các kiến thức cần<br /> thiết, rèn luyện các kĩ năng thực nghiệm vật lí và hình thành thái độ tích cực cho HS. Ở đây, chúng<br /> tôi tập trung vào việc phát triển các kĩ năng thực nghiệm. Từ đó góp phần phát triển năng lực thực<br /> nghiệm cho HS.<br /> Hệ thống các kĩ năng thực nghiệm vật lí<br /> Căn cứ vào những thành tố làm nền tảng của năng lực thực nghiệm [8], chúng tôi đề xuất<br /> hệ thống các kĩ năng thực nghiệm vật lí như sau:<br /> Kĩ năng<br /> Kĩ năng lập kế<br /> hoạch TN<br /> Kĩ năng tìm<br /> hiểu, chế tạo<br /> dụng cụ TN<br /> Kĩ năng bố trí<br /> TN<br /> Kĩ năng thu<br /> thập số liệu, kết<br /> quả TN<br /> Kĩ năng xử lí số<br /> liệu, nhận xét,<br /> đánh giá<br /> <br /> 160<br /> <br /> Bảng 1. Hệ thống các kĩ năng thực nghiệmvật lí<br /> Biểu hiện<br /> Xác định đúng vấn đề, mục đích TN, đề xuất và lựa chọn được phương<br /> án TN khả thi, xây dựng được tiến trình làm TN và chuẩn bị trước các<br /> bảng biểu, đồ thị cần thiết.<br /> Quan sát và mô tả được hình dạng bên ngoài của dụng cụ, tìm hiểu cấu<br /> tạo, công dụng, và cách thức sử dụng dụng cụ. Đọc, hiểu các kí hiệu, số<br /> liệu kĩ thuật và giới hạn sử dụng trên dụng cụ.<br /> Sắp xếp, lắp ráp, bố trí các dụng cụ một cách trật tự, hợp lí để việc đo<br /> đạc diễn ra đúng quy trình và bảo đảm an toàn trong khi làm TN.<br /> Thực hiệnquan sát, đo đạc và thao tác với dụng cụ TN một cách nhanh<br /> chóng và chính xác. Đọc và ghi chép các số liệu cần thiết.<br /> Rút ra được các mối quan hệ, phụ thuộc hàm số giữa các đại lượng, tính<br /> toán sai số phép đo và làm tròn kết quả TN, vẽ đồ thị... Nhận xét về kết<br /> quả phép đo và sai số thu được. Đánh giá toàn bộ tiến trình làm TN, đề<br /> xuất phương án làm giảm sai số phép đo.<br /> <br />