Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Thiết kế thí nghiệm từ các thiết bị sẵn có nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung Giao thoa ánh sáng và giúp học sinh tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu sáng kiến "Thiết kế thí nghiệm từ các thiết bị sẵn có nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung Giao thoa ánh sáng và giúp học sinh tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng" nhằm đề xuất và thiết kế các thí nghiệm trực quan có thể biểu diễn trên lớp một cách đơn giản, trong tiết học lý thuyết và các tiết tự chọn, ôn tập để toàn thể học sinh trong lớp đều quan sát rõ các hiện tượng giao thoa ánh sáng đơn sắc, giao thoa ánh sáng 2 thành phần đơn sắc và ánh sáng 3 thành phần đơn sắc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Thiết kế thí nghiệm từ các thiết bị sẵn có nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung Giao thoa ánh sáng và giúp học sinh tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN TRƢỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG THANH CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM TỪ CÁC THIẾT BỊ SẴN CÓ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG GIAO THOA ÁNH SÁNG VÀ GIÚP HỌC SINH TÌM HIỂU THÊM VỀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM DẠY HỌC VẬT LÍ Giáo viên: Đặng Ngọc Tú Tổ: Khoa học tự nhiên Năm học 2021 - 2022 Số ĐT cá nhân: 0914 775 456 Thanh Chƣơng, tháng 4 năm 2022 0
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN TRƢỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG THANH CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM TỪCÁC THIẾT BỊ SẴN CÓ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ DẠY HỌC NỘI DUNG GIAO THOA ÁNH SÁNG VÀ GIÚP HỌC SINH TÌM HIỂU THÊM VỀ MÀU SẮC ÁNH SÁNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM DẠY HỌC VẬT LÍ Giáo viên: Đặng Ngọc Tú Tổ: Khoa học tự nhiên Năm học 2021 - 2022 Số ĐT cá nhân: 0914 775 456 Thanh Chƣơng, tháng 4 năm 2022 1
MỤC LỤC Trang A. Mở đầu .................................................................................................................................................... 3 I. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................................ 3 II. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................................... 4 III. Cấu trúc của đề tài ......................................................................................................................... 4 B. Nội dung ................................................................................................................................................. 6 I. Cơ sở lý thuyết và thực tiễn....................................................................................................... 6 1.1. Lý thuyết về màu sắc ánh sáng............................................................................................... 6 1.2. Công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc cho máy chiếu projector ......................... 8 1.3. 12 Các thiết bị sẵn có để thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng ........................ II. Thiết kế các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng từ máy chiếu projector và máy tính ............................................................................................................................................... 12 2.1. Sử dụng các thiết bị sẵn có ..................................................................................................... 12 2.2. Chế tạo màn chắn có 2 khe hẹp ........................................................................................... 13 2.3. Tiến hành các thí nghiệm ......................................................................................................... 14 2.4. Sử dụng các thí nghiệm trong tiến trình dạy học hiện tƣợng Giao thoa ánh sáng ............................................................................................................................................. 17 III. Thực nghiệm sư phạm .............................................................................................................. 18 C. Kết luận.................................................................................................................................................. 21 Tài liệu tham khảo ................................................... ............................................................................ 23 2
A. MỞ ĐẦU I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong dạy học phát triển chất và năng lực học sinh, mọi hoạt động dạy học đều hƣớng đến các sự vật, hiện tƣợng, các quá trình trong thế giới tự nhiên, trong thực tiễn đời sống sản xuất và ứng dụng khoa học công nghệ. Đặc biệt trong dạy học môn Vật lí, việc tìm tòi, thiết kế các thí nghiệm trực quan với các thiết bị, vật liệu sẵn có là vô cùng quan trọng. Việc tổ chức các hoạt động dạy học chủ đề Giao thoa ánh sáng trong chƣơng trình Vật lí 12 - THPT hiện hành đã có những thí nghiệm về tán sắc ánh sáng, giao thoa ánh sáng đơn sắc, giao thoa ánh sáng trắng. Các thí nghiệm đó đã phần nào đáp ứng đƣợc yêu cầu về tính trực quan, để học sinh tìm hiểu về ánh sáng nhìn thấy, liên hệ giữa bƣớc sóng và màu sắc ánh sáng. Tuy nhiên với việc đổi mới phƣơng pháp dạy học và kiểm tra đánh giá hiện nay, cùng với xu thế đổi mới trong các kì thi, đặc biệt là kỳ thi đánh giá năng lực của các trƣờng Đại học. Yêu cầu cao hơn việc học sinh phải vận dụng sáng tạo, liên hệ các kiến thức học đƣợc với thực tiễn. Chƣơng trình môn Vật lý trong chƣơng trình giáo dục phổ thông 2018 cũng có nội dung cần đến các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng để nâng cao hiệu quả dạy học, đó là nội dung Giao thoa sóng kết hợp ở lớp 11 với các yêu cầu cần đạt: + Thực hiện (hoặc mô tả) đƣợc thí nghiệm chứng minh sự giao thoa hai sóng kết hợp bằng dụng cụ thực hành sử dụng sóng nƣớc (hoặc sóng ánh sáng); + Phân tích, đánh giá kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm, nêu đƣợc các điều kiện cần thiết để quan sát đƣợc hệ vân giao thoa; + Vận dụng đƣợc biểu thức i = D/a cho giao thoa ánh sáng qua hai khe hẹp. Mặt khác, trong các trƣờng THPT hiện nay, sẵn có các thiết bị (máy tính, máy chiếu trong các phòng học và máy chiếu lƣu động) và các vật liệu dễ tìm để có thể sử dụng cho việc thiết kế các thí nghiệm trực quan hơn về nhiện tƣợng giao thoa ánh sáng. Chính vì vậy tôi đã nghiên cứu đề tài: “Thiết kế thí nghiệm từ các thiết bị sẵn có nhằm nâng cao hiệu quả dạy học nội dung Giao thoa ánh sáng và giúp học sinh tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng”. Nội dung của đề tài sẽ trình bày việc tìm hiểu và thiết kế các thí nghiệm biểu diễn có tính trực quan cao hơn, từ các thiết bị sẵn có trong nhà trƣờng nhƣ máy vi tính, máy chiếu projector cùng các vệt liệu dễ tìm giúp cho các hoạt động dạy học chƣơng Sóng ánh sáng trong chƣơng trình Vật lí 12 – THPT hiện hành và nội dung Giao thoa sóng kết hợp trong chƣơng trình Vật lý lớp 11 mới đƣợc hiệu quả hơn. Cũng qua đó, thiết kế các nhiệm vụ học tập cho học sinh, giúp học sinh tìm hiểu thêm về ánh sáng và màu sắc ánh sáng. 3
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Trong chƣơng trình Vật lí 12 hiện hành, đã có các thí nghiệm về giao thoa ánh sáng: thí nghiệm với đèn laser và các khe hẹp có sẵn cùng với giá thí nghiệm để đo bƣớc sóng ánh sáng (chƣơng trình chuẩn); thí nghiệm với ống hình trụ, đèn sợi đốt các khe hẹp và các thấu kính hội tụ (chƣơng trình nâng cao). Tuy nhiên với các thí nghiệm này đang có các hạn chế: chỉ phù hợp với bài thực hành, các nhóm nhỏ học sinh thực hiện và đo bƣớc sóng ánh sáng sau khi đã tìm hiểu về lý thuyết giao thoa ánh sáng ở các bài trƣớc đó; các thí nghiệm chỉ với một ánh sáng đơn sắc. Trong đề tài này tôi đề xuất và thiết kế các thí nghiệm trực quan có thể biểu diễn trên lớp một cách đơn giản, trong tiết học lý thuyết và các tiết tự chọn, ôn tập để toàn thể học sinh trong lớp đều quan sát rõ các hiện tƣợng giao thoa ánh sáng đơn sắc, giao thoa ánh sáng 2 thành phần đơn sắc và ánh sáng 3 thành phần đơn sắc. Học sinh đƣợc quan sát trực tiếp về các hiện tƣợng trên mà không chỉ nghe và đọc lý thuyết. Qua đó giúp học sinh học tập, tự học có hiệu quả hơn, và có cơ hội để tìm hiểu thêm về ánh sáng và màu sắc, liên hệ các hiện tƣợng trong tự nhiên, các thiết bị ứng dụng khoa học công nghệ tạo màu sắc và hình ảnh trong thực tiễn thông qua các nhiệm vụ mà giáo viên giao: tìm hiểu thêm về màu sắc ánh sáng và các công nghệ tạo màu sắc, hình ảnh của các loại màn hình TV, máy tính, smartphone và ánh sáng từ máy chiếu projector. III. CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI A. MỞ ĐẦU B. NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TIỄN 1.1. Lý thuyết về màu sắc ánh sáng 1.2. Công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc cho máy chiếu projector 1.3. Các thiết bị sẵn có để thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng II. THIẾT KẾ CÁC THÍ NGHIỆM GIAO THOA ÁNH SÁNG TỪ MÁY CHIẾU PROJECTOR VÀ MÁY TÍNH 2.1. Sử dụng các thiết bị sẵn có: 2.2. Chế tạo màn chắn có 2 khe hẹp: 2.3. Tiến hành các thí nghiệm: 2.4. Sử dụng các thí nghiệm cho các hoạt động dạy học hiện tƣợng Giao thoa ánh sáng III. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1. Tiến hành thực nghiệm sƣ phạm 4
3.2. Kết quả thực nghiệm sƣ phạm 3.3. Nhận xét kết quả TNSP C. KẾT LUẬN 5
B. NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ THỰC TIẾN 1.1. Lý thuyết về màu sắc ánh sáng [4] Ánh sáng đến từ Mặt Trời gồm một phổ bức xạ điện từ gần nhƣ liên tục, với đa số năng lƣợng tập trung trong vùng bƣớc sóng nằm giữa 220 và 3200 nanomét. Khi chúng truyền qua bầu khí quyển của Trái Đất, đa phần sóng ánh sáng trên 2000nm (các bƣớc sóng hồng ngoại) bị hấp thụ bởi cacbon dioxit, hơi nƣớc, và ozon cho nên đa số chƣa bao giờ đến đƣợc mặt đất. Các sóng tử ngoại ngắn hơn cũng bị hấp thụ bởi lớp ozon. Hiệu ứng lọc lựa này của bầu khí quyển làm giới hạn phổ ánh sáng đến đƣợc mặt đất có bƣớc sóng giữa 320 và 2000nm. Mắt ngƣời nhạy cảm với một dải hẹp bức xạ điện từ nằm trong vùng bƣớc sóng giữa 400 và 700nm, thƣờng đƣợc gọi là phổ ánh sáng khả kiến, đó là nguồn duy nhất của màu sắc. Khi kết hợp với nhau, tất cả các bƣớc sóng có mặt trong ánh sáng khả kiến, khoảng một phần ba toàn dải phân bố phổ truyền qua đƣợc bầu khí quyển Trái Đất, hình thành nên ánh sáng trắng không màu có thể bị khúc xạ và tán sắc thành các màu thành phần của nó bằng cách sử dụng lăng kính. Các màu đỏ, lục, và lam đƣợc xem là màu cơ bản vì chúng là cơ sở cho sự nhìn và cảm nhận màu sắc của con ngƣời. Mắt ngƣời chứa các cơ quan thụ quang tế bào hình nón gắn trong một hố nhỏ ở chính giữa võng mạc đƣợc điều chỉnh nhằm phản ứng với các bƣớc sóng nằm trong ba vùng này (đỏ, lục, và lam) với các protein sắc tố chuyên biệt. Tất cả các màu của phổ ánh sáng khả kiến, từ tím tới đỏ, có thể đƣợc tạo ra bằng cách cộng hoặc trừ những kết hợp khác nhau của ba màu cơ bản này. Ánh sáng đƣợc con ngƣời nhận thức là trắng khi cả ba loại tế bào hình nón bị kích thích đồng thời bởi lƣợng ánh sáng đỏ, lục, và lam bằng nhau. Vì cộng ba màu này mang lại ánh sáng trắng, nên các màu đỏ, lục, và lam đƣợc gọi là các màu cộng cơ bản. Khi chỉ có một hoặc hai loại tế bào hình nón bị kích thích, thì vùng màu sắc cảm nhận đƣợc bị giới hạn. Ví dụ, nếu một dải hẹp ánh sáng lục (540 đến 550nm) đƣợc dùng để kích thích tất cả các tế bào hình nón, thì chỉ có tế bào nào có chứa cơ quan thụ quang lục mới phản ứng lại, tạo ra cảm giác nhìn thấy màu lục. Sự cảm nhận các màu cộng không cơ bản, ví dụ nhƣ màu vàng, có thể phát sinh theo một trong hai cách: các tế bào hình nón đỏ và lục bị kích thích đồng thời với ánh sáng vàng đơn sắc có bƣớc sóng 580nm, thì mỗi cơ quan thụ quang tế bào hình nón phản ứng hầu nhƣ ngang nhau vì sự chồng lấn phổ hấp thụ của chúng xấp xỉ nhƣ nhau trong vùng này của phổ ánh sáng khả kiến; hoặc là kích thích từng tế bào hình nón đỏ và lục với một hỗn hợp bƣớc sóng đỏ và lục riêng biệt chọn lựa từ các vùng thuộc phổ hấp thụ của cơ quan thụ quang không có sự chồng lấn đáng kể. Kết quả, trong cả hai trƣờng hợp, là sự kích thích đồng thời của các tế bào hình nón đỏ và lục, tạo ra cảm giác màu vàng, mặc dù đƣợc tạo ra bởi hai cơ chế khác nhau. 6
Khả năng cảm nhận những màu sắc khác yêu cầu kích thích một, hai, hoặc cả ba loại tế bào hình nón đến mức độ khác nhau với bộ bƣớc sóng thích hợp. Nếu nhƣ các phần bằng nhau của ánh sáng lục và lam đƣợc cộng với nhau, thì màu thu đƣợc đƣợc gọi là màu lục lam. Tƣơng tự nhƣ vậy, các phần bằng nhau của ánh sáng lục và đỏ tạo ra màu vàng, và các phần bằng nhau của ánh sáng đỏ và lam mang lại màu đỏ tƣơi. Các màu lục lam, đỏ tƣơi, và vàng thƣờng đƣợc gọi là màu bù, vì mỗi phần bù thuộc các màu cơ bản trong hỗn hợp ánh sáng trắng. Màu vàng (đỏ cộng với lục) là phần bù của màu lam vì khi hai màu này cộng với nhau thì ánh sáng trắng đƣợc tạo ra. Tƣơng tự, màu lục lam (lục cộng với lam) là phần bù của màu đỏ, và màu đỏ tƣơi (đỏ cộng với lam) là phần bù của ánh sáng lục. “Cộng” màu “Trừ” màu Hình 1: “Cộng và trừ” màu cơ bản theo Kenneth R.Spring, Michael Davidson Các màu bù (lục lam, vàng, và đỏ tƣơi) cũng còn đƣợc gọi là các màu trừ cơ bản vì mỗi màu có thể hình thành bằng cách trừ đi một trong các màu cộng cơ bản (đỏ, lục, và lam) từ ánh sáng trắng. Ví dụ, ánh sáng vàng đƣợc quan sát thấy khi toàn bộ ánh sáng lam bị tách khỏi ánh sáng trắng, màu đỏ tƣơi đƣợc hình thành khi màu lục bị lấy đi, và màu lục lam đƣợc tạo ra khi màu đỏ bị tách mất. Màu sắc quan sát thấy bằng cách trừ đi một màu cơ bản khỏi ánh sáng trắng thu đƣợc vì não cộng gộp các màu còn lại để tạo ra phần bù hoặc màu trừ tƣơng ứng. Hình 1 minh họa các vòng màu chồng lấn của cả các màu cơ bản cộng và trừ. Những vùng chồng lấn cho biết những màu mới đƣợc tạo ra bằng cách cộng hoặc trừ và những kết hợp khác nhau giữa các màu cơ bản. Khi bất kì hai màu trừ cơ bản nào đƣợc cộng lại, chúng tạo ra một màu cộng cơ bản. Ví dụ, cộng màu đỏ tƣơi và màu lục lam với nhau tạo ra màu lam, còn cộng màu vàng và màu đỏ tƣơi với nhau tạo ra màu đỏ. Tƣơng tự, cộng màu vàng với màu lục lam tạo ra màu lục. Khi cả ba màu trừ cơ bản đƣợc cộng lại, ba màu cộng cơ bản sẽ bị lấy khỏi ánh sáng trắng, để lại màu đen (không có bất kì màu nào). Màu trắng không thể tạo ra bằng bất cứ sự kết hợp nào của các màu trừ cơ 7
bản, đó là lí do chủ yếu vì sao không có hỗn hợp nƣớc sơn hoặc mực in nào có thể dùng để in màu trắng. Mắt ngƣời nhạy cảm với những sự chênh lệch rất nhỏ về màu sắc và có khả năng phân biệt giữa 8-12 triệu sắc thái màu khác nhau. Đa số màu sắc chứa một số phần của toàn bộ bƣớc sóng trong phổ khả kiến. Cái thực sự thay đổi từ màu này sang màu khác là sự phân bố bƣớc sóng trong một màu cho trƣớc. Bƣớc sóng chiếm ƣu thế xác định sắc thái cơ bản của màu sắc. Tỉ số của bƣớc sóng ƣu thế và những bƣớc sóng khác xác định độ bão hòa màu của vật và xem nó trông bão hòa nhạt hay đậm. Cƣờng độ màu và hệ số phản xạ của vật đƣợc quan sát xác định độ sáng của màu (ví dụ, màu lam tối hoặc lam nhạt). Điều này đƣợc minh họa dƣới đây bằng Cây màu Munsell, trong đó mỗi màu đƣợc biểu diễn bằng một vị trí riêng ở trên cây (Hình 2). Giá trị màu đƣợc biểu diễn bằng sự sắp đặt trên đƣờng tròn, và độ bão hòa đƣợc biểu diễn bằng khoảng cách ngang của một màu tính từ trục ở chính giữa, và độ sáng đƣợc biểu diễn bằng vị trí đứng trên thân cây. Hình 2: Cây màu Munsell 1.2. Công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc cho máy chiếu projector [6] Trong máy chiếu, hình ảnh từ nguồn (PC, tablet, smartphone...) muốn chiếu ra ngoài cho chúng ta xem thì chúng phải trả qua một giai đoạn biến đổi quang học kết hợp với điều khiển điện tử. Hiện nay trên thực tế có ba công nghệ phổ biến để làm việc này. * Công nghệ DLP: 8
Hệ thống DLP (Digital Light Processing – xử lí ánh sáng kỹ thuật số) có tâm điểm là một con chip bán dẫn quang học mang tên DLP, đƣợc phát minh bởi tiến sĩ Larry Hornbeck của hãng Texas Instruments vào năm 1987. Ngoài các linh kiện điện tử khác, nó có một vùng hình chữ nhật chứa 2 triệu tấm gƣơng siêu nhỏ (digital microscopic mirrors - DMD), mỗi tấm gƣơng này nhỏ hơn 1/5 độ dày một sợi tóc ngƣời. Khi chip DLP đƣợc định hƣớng bởi nguồn tín hiệu hình ảnh, một nguồn sáng và một ống kính (của máy chiếu), những tấm gƣơng này sẽ phản xạ hình ảnh lên màn hình hoặc bất kì bề mặt nào. Các tấm gƣơng trên chip DLP có hai trạng thái là ON (lật để hƣớng về nguồn sáng) và OFF (lật hƣớng ra khỏi nguồn sáng). Điều này tạo nên các pixel màu sáng và tối trên bề mặt chiếu video. Tín hiệu hình ảnh sẽ ra lệnh cho những các tấm gƣơng lật sang trạng thái ON hoặc OFF hàng nghìn lần trong mỗi giây. Khi chế độ ON xuất hiện nhiều hơn OFF, nó phản xạ các pixel màu xám nhạt, còn khi OFF nhiều hơn ON, các pixel có màu xám đậm. Nhờ vậy, các máy chiếu dùng DLP có thể hiển thị tối đa 1024 sắc độ xám. Trƣớc khi đến các gƣơng siêu nhỏ, ánh sáng đi qua một bộ lọc màu hình chiếc đĩa và chỉ có 3 màu cơ bản: đỏ, lục và lam đi qua. Khi ánh sáng đi qua bánh xe màu, những tia sáng màu đỏ, lục và lam sẽ xuất hiện lần lƣợt trên bề mặt của DMD. Sự xoay chuyển của các gƣơng cũng nhƣ tỷ lệ thời gian gƣơng hoạt động hay không hoạt động sẽ đƣợc phối hợp để hiển thị các màu cơ bản và hệ thống xử lý hình ảnh trong não ngƣời sẽ tổng hợp màu sắc đó và cho con ngƣời cảm nhận đƣợc hình ảnh với màu sắc hết sức trung thực. Hình 3: Sơ đồ hệ thống DLP Bộ lọc màu quay liên tục * Công nghệ 3LCD: Công nghệ 3LCD (Liquid Crystal Display - hiển thị tinh thể lỏng) đƣợc phát triển bởi Epson vào những năm 1980. Sau đó đến năm 1988, hãng bắt đầu cấp quyền sử dụng 3LCD cho các hãng bên ngoài và một năm sau đó, chiếc máy chiếu 3LCD đầu tiên ra đời: Epson VPJ-700. Hiện nay đã có các hãng Epson, Panasonic, Sony, Sharp sản xuất máy chiếu bằng công nghệ 3LCD. 9
Hình 4: Sơ đồ hệ thống 3LCD Bắt đầu từ nguồn sáng trắng phát ra từ bóng đèn máy chiếu, qua 3 tấm kính lọc sắc khác nhau, ánh sáng trắng đƣợc tách ra 3 chùm sáng với 3 dải tần số ánh sáng thành phần khác nhau: đỏ , xanh lục, xanh lam. Sau đó mỗi chùm sáng đi qua 3 tấm LCD khác nhau. Mỗi tấm LCD có hàng trăm ngàn điểm ảnh nhỏ li ti, số điểm ảnh này chính là độ phân giải của máy chiếu, càng nhiều điểm ảnh thì độ phân giải càng cao. Mỗi điểm ảnh này chứa các phân tử tinh thể lỏng, các tinh thể lỏng này sẽ đóng mở hoặc cho ánh sáng qua với mức độ nhiều hay ít nhờ điện áp điều khiển đặt vào nó, điện áp này đƣợc đƣa ra bởi 3 con chip, mỗi chip điều khiển 1 tấm LCD. Sau đó 3 thành phần màu đƣợc “tái hợp” tại một lăng kính lƣỡng sắc, rồi hội tụ tại hệ thống thầu kính hội tụ và chiếu lên màn. Ở trên là sơ đồ mô tả công nghệ 3LCD, ba tấm nền LCD đƣợc sử dụng ở phần trung tâm của hệ thống, bởi thế nó mới có cái tên là 3LCD. Quy trình tạo ra hình ảnh của công nghệ này có thể chia làm ba giai đoạn: - Tạo màu từ chùm sáng trắng: Ánh sáng từ nguồn sẽ đi ra một gƣơng lƣỡng sắc, tại đây ánh sáng sẽ bị tách thành hai chùm: một chùm đỏ và một chùm pha giữa lam với lục. Khi đi đến gƣơng lƣỡng sắc thứ hai, ánh sáng tiếp tục bị tách thành lam và lục. Vậy là chúng ta đã có ba chùm cơ bản: đỏ, lục, lam. - Tạo hình ảnh bằng các LCD: Ba chùm sáng nói trên sẽ tiếp tục đi đến một khu vực trung tâm có lăng kính và ba tấm LCD bao xung quanh. Mỗi pixel trên LCD sẽ đƣợc bao phủ bởi các tinh thể lỏng và khi chúng ta thay đổi điện áp, những pixel sẽ dần đen lại cho đến khi nó đen hoàn toàn hoặc sáng dần cho đến khi trong suốt (để toàn bộ ánh sáng đi qua tạo ra màu trắng). Còn để tạo ra nhiều sắc độ xám khác nhau, ngƣời ta sẽ tinh chỉnh điện áp để có đƣợc mức độ trong suốt tƣơng ứng trên các tinh thể. Quá trình này giống nhƣ trên các đồng hồ điện tử, lúc pin còn đầy thì các kí tự rõ ràng và đen đậm, nhƣng khi pin yếu thì chúng nhạt dần. Nhƣ vậy, 10
độ sáng của từng pixel sẽ đƣợc điều khiển một cách chính xác để tạo ra hình ảnh theo yêu cầu. - Kết hợp hình ảnh và chiếu ra ngoài: sau khi màu đƣợc lọc bởi các LCD, chùm sáng sẽ đƣợc kết hợp lại bằng lăng kính lƣỡng sắc ở giữa để tạo hình ảnh cuối cùng, sau đó đƣa ra hệ thống thấu kính rồi chiếu ra ngoài cho chúng ta xem. * Công nghệ LCoS: Công nghệ LCoS (Liquid crystal on silicon – tinh thể lỏng trên silicon) cũng sử dụng cách thức phản xạ ánh sáng giống nhƣ DLP, tuy nhiên nó sử dụng các tinh thể lỏng thay cho nhiều tấm gƣơng siêu nhỏ. Những tinh thể này đƣợc đặt trực tiếp lên bề mặt của một chip silicon vốn đƣợc tráng một lớp nhôm cộng thêm một số lớp hóa chất khác có tính phản xạ cao. Nếu so sánh với máy chiếu 3LCD, LCoS cũng sử dụng tinh thể lỏng nhƣng là để phản xạ ánh sáng chứ không phải cho phép ánh sáng đi xuyên qua. Nói cách khác, có thể coi LCoS là sự kết hợp giữa 3LCD và DLP. Hình 5: Sơ đồ hệ thống LCoS Hình 5 là sơ đồ đƣờng đi của ánh sáng trong hệ thống LCoS. Ánh sáng từ đèn sẽ đi đến các gƣơng lƣỡng sắc, tại đây nó sẽ đƣợc tách màu ra và đi tiếp đến các tấm LCoS. Ở những tấm tinh thể lỏng này, màu sắc sẽ đƣợc tạo ra tùy theo độ sáng, sắc độ của hình ảnh. Sau đó, các chùm màu lại tiếp tục đƣợc đi qua một lăng kính ở giữa để tổng hợp thành hình ảnh trƣớc khi chiếu ra cho chúng ta xem. Tóm lại: dù là công nghệ nào thì chúng ta cũng thấy hình ảnh và màu sắc đều được tạo ra từ 3 màu cơ bản: đỏ, lục và lam. Nghĩa là ánh sáng phát ra từ máy chiếu dù là đang chiếu hình ảnh gì thì cũng chỉ có các thành phần trong trong 3 màu cơ bản là đỏ, lục và lam. 11
1.3. Các thiết bị sẵn có để thiết kế thí nghiệm giao thoa ánh sáng Trên cơ sở đã trình bày, chúng ta có thể kết hợp máy chiếu với máy tính để tạo ra các các nguồn sáng cho thí nghiệm giaoa thoa ánh sáng nhƣ sau: - Hình ảnh chỉ có 1 màu trên máy tính (đỏ hoặc lục hoặc lam), khi kết nối máy chiếu và chiếu lên màn ảnh có thể xem là chùm sáng 1 màu đơn sắc; - Hình ảnh trên máy tính có 2 trong 3 màu cơ bản (đỏ, lục, lam), khi kết nối máy chiếu và chiếu lên màn ảnh có thể xem là chùm sáng 2 màu đơn sắc. - Hình ảnh trên máy tính có 3 màu cơ bản (đỏ, lục, lam), khi kết nối máy chiếu và chiếu lên màn ảnh có thể xem là chùm sáng 3 màu đơn sắc. Điều kiện kết hợp cho hiện tƣợng giao thoa ánh sáng tƣơng tự nhƣ thí nghiệm lịch sử của Young, ánh sáng đƣợc tạo từ một nguồn sáng trắng có kích thƣớc khá nhỏ và các màu đơn sắc đƣợc tạo ra từ kính lọc sắc. Ở các máy chiếu phổ thông hiện nay, nguồn sáng là bóng đèn UHP sử dụng hơi thủy ngân với các điện cực có kích thƣớc khá nhỏ, nhƣng có công suất lớn, phát ánh sáng có cƣờng độ cao nên dễ dàng quan sát trên màn ảnh. Trong tƣơng lai, với sự phát triển của công nghệ LED và LASER, giá thành phù hợp để đƣợc sử dụng cho máy chiếu phổ thông, mỗi màu cơ bản đƣợc phát ra trực tiếp từ các nguồn độc lập, đƣợc tạo ra với độ đơn sắc cao hơn, khi đó tính kết hợp đƣợc đảm bảo tốt hơn và các thí nghiệm này sẽ có kết quả rõ ràng và trực quan hơn. II. THIẾT KẾ CÁC THÍ NGHIỆM GIAO THOA ÁNH SÁNG TỪ MÁY CHIẾU PROJECTOR VÀ MÁY TÍNH 2.1. Sử dụng các thiết bị sẵn có: Thực hiện thí nghiệm cần: máy chiếu đang hoạt động đƣợc và máy tính (PC hoặc LAPTOP kết nối máy chiếu) Nhƣ ở trên đã trình bày, ánh sáng từ máy chiếu sẽ đƣợc sử dụng là nguồn sáng cho thí nghiệm. Việc tạo ra nguồn sáng gồm một, hai hay ba thành phần đơn sắc cần có máy tính (PC hoặc LAPTOP). Khi cần ánh sáng đơn sắc màu đỏ, ta chiếu hình ảnh chỉ có màu đỏ, có thể tạo ra một hình chữ nhật và tạo màu đỏ cho nó trong Word hoặc PowerPoint. Khi cần ánh sáng có 2 đơn sắc (màu đỏ và màu lam), ta chiếu hình ảnh gồm 2 hình chữ nhật đƣợc tô màu tƣơng ứng đặt cạnh nhau (trong Word hoặc PowerPoint). Khi cần ánh sáng có 3 đơn sắc (màu đỏ, lục và màu lam), ta chiếu hình ảnh gồm 3 hình chữ nhật đƣợc tô màu tƣơng ứng đặt cạnh nhau trong Word hoặc PowerPoint (Hình 6). Hoặc 1 hình ảnh màu trắng nghĩa là 3 màu cơ bản đã trộn lẫn. 12
Hình 6: Hình ảnh để tạo nguồn sáng có 3 thành phần. 2.2. Chế tạo màn chắn có 2 khe hẹp: Có nhiều phƣơng pháp để tạo ra màn chắn có 2 khe hẹp (khe Young): dùng lƣỡi dao cạo (lƣỡi lam) bẻ dọc, dán lên tấm bìa cho hai mép song song gần nhau rồi dùng dây đồng nhỏ dán chính giữa; hay đơn giản dùng dao rọc giấy vạch 2 đƣờng song song gần nhau trên một tấm bìa mỏng… Ở đây chúng tôi sẽ trình bày cách tạo màn chắn có các khe hẹp từ tấm nhôm mỏng và dây đồng có đƣờng kính 0,40 mm. - Dây đồng đƣợc lấy từ các cuộn dây của cuộn cảm trong các thiết bị điện tử đã hỏng (rất sẵn có và rẻ). - Cắt một đoạn thanh nhôm hình hộp rỗng kích thƣớc 40mm x 20mm, khoét 2 mặt diện tích lớn thành 2 khe rộng. (Hình 7) Hình 7 Hình 8 - Dùng dây đồng quấn liên tiếp sát nhau che kín hai khe rộng ở hai phía đối diện. Dùng keo 502 dán cố định các sợi dây đồng ở 2 mặt diện tích nhỏ (Hình 8) - Sau đó cắt hộp nhôm thành 2 phần theo đƣờng chính giữa 2 mặt bên, gấp mép cắt vào phía trong. Nhƣ vậy ta có 2 màn chắn, bây giờ ở mỗi tấm ta tách 2 dây đồng 2 bên dây chính giữa ta sẽ có màn chắn có 2 khe hẹp. Khoảng cách giữa 2 khe hẹp chính là đƣờng kính dây. (Bằng cách này có thể tạo đƣợc cách tử nhiều xạ khi tách bỏ và để lại các sợi dây đồng xe kẽ nhau). 13
Dán 2 miếng băng dán màu xanh để che phần các sợi đồng hai bên và để dán lên trƣớc ống kính máy chiếu (Hình 9). Hình 9: Màn chắn có 2 khe hẹp Sử dụng dây đồng càng nhỏ thì ta có các khe càng hẹp và khoảng cách giữa 2 khe càng nhỏ, tuy nhiên cƣờng độ sáng yếu nên khó quan sát. Dùng băng dán (đen hoặc xanh) để gắn màn chắn có 2 khe hẹp vào vị trí trƣớc ống kính máy chiếu 2.3. Tiến hành các thí nghiệm: Trƣớc khi tiến hành các thí nghiệm, cần tạo 4 slide trên Powerpoint gồm: 1 hình chữ nhật màu đó; hai hình chữ nhật màu đỏ và lam; 3 hình chữ nhật đỏ, lục, lam; và một slide trống (để trắng). Lƣu ý, khi tiến hành các thí nghiệm cần đóng kín phòng, tắt các bóng đèn chiếu sáng để dễ quan sát kết quả. Thí nghiệm 1: Giao thoa ánh sáng 1 thành phần đơn sắc. - Chiếu hình ảnh chỉ có màu đỏ từ máy tính qua máy chiếu lên màn hình; - Gắn màn chắn có hai khe hẹp vào vị trí trƣớc ống kính máy chiếu; - Quan sát hình ảnh thu đƣợc ta thấy nhƣ hình 10. Khi chưa gắn khe Young Khi gắn khe Young Hình 10: Hình ảnh thí nghiệm 1 14
- Nhận xét: trên màn xuất hiện các vạch có độ sáng cực đại (vân sáng) xen kẽ các vạch có độ sáng cực tiểu (vân tối). - Ở đây không xuất hiện các vân hoàn toàn tối là do 3 nguyên nhân chính: + Nguồn sáng không hoàn toàn là nguồn điểm, dẫn đến điều kiện kết hợp của 2 sóng từ hai khe là không hoàn toàn đƣợc đảm bảo nhƣ trong lý thuyết; + Ánh sáng ở đây không hoàn toàn đơn sắc mà là một giải bƣớc sóng trong vùng màu đỏ. + Hai khe có bề rộng không nhỏ, nên các vạch sáng có bề rộng và vùng cƣờng độ thấp hơn đã chiếm chỗ vị trí đáng ra là của vạch tối. Tuy vậy, với việc xuất hiện những vạch sáng hơn và những vạch kém sáng hơn một cách rõ rệt cũng đủ đáp ứng đƣợc yêu cầu về một thí nghiệm định tính cho hiện tƣợng giao thoa ánh sáng trong dạy học ở THPT. Thí nghiệm 2: Giao thoa ánh sáng 2 thành phần đơn sắc. - Chiếu hình ảnh 2 hình chữ nhật cạnh nhau, một hình màu đỏ và một hình màu lam; - Gắn màn chắn có hai khe hẹp vào vị trí trƣớc ống kính máy chiếu; - Qua sát hình ảnh thu đƣợc ta thấy nhƣ hình 11 Khi chưa gắn khe Young Khi gắn khe Young Hình 11:Hình ảnh thí nghiệm 2 - Nhận xét: Trên màn có 2 hệ vân giao thoa ứng với ánh sáng màu đỏ và màu lam. Khoảng vân màu đỏ lớn hơn khoảng vân màu lam. Thí nghiệm 3: Giao thoa ánh sáng 3 thành phần đơn sắc. - Chiếu hình ảnh 3 hình chữ nhật cạnh nhau, có màu lần lƣợt là đỏ, lục, lam. - Gắn màn chắn có hai khe hẹp vào vị trí trƣớc ống kính máy chiếu; - Quan sát hình ảnh thu đƣợc ta thấy nhƣ hình 12 15
Khi chưa gắn khe Young Khi gắn khe Young Hình 12: Hình ảnh khi chưa chắn và khi chắn màn có 2 khe hẹp - Nhận xét: Trên màn có 3 hệ vân giao thoa ứng với ánh sáng màu đỏ, màu lục và màu lam. Khoảng vân màu đỏ lớn nhất khoảng vân màu lam nhỏ nhất. Thí nghiệm 4: Giao thoa ánh sáng trắng (chồng chất của 3 thành phần cơ bản). - Chiếu hình ảnh màu trắng từ máy tính qua máy chiếu lên màn hình. - Gắn màn chắn có hai khe hẹp vào vị trí trƣớc ống kính máy chiếu; - Qua sát hình ảnh thu đƣợc ta thấy nhƣ hình 13 Khi chưa gắn khe Young Khi gắn khe Young Hình 13:Hình ảnh khi chưa chắn và khi chắn màn có 2 khe hẹp - Nhận xét: Quan sát kỹ, thấy trên màn có 3 hệ vân giao thoa ứng với ánh sáng màu đỏ, màu lục và màu lam trong cùng một vùng giao thoa. Có một vị trí ở giữa là một vạch sáng trắng, hai bên là 3 hệ vân giao thoa với vị trí vân sáng lần lƣợt từ lam, lục đến đỏ. Khoảng vân màu đỏ lớn nhất khoảng vân màu lam nhỏ nhất. Càng ra xa có sự chồng lấn các hệ vân nên chúng ta quan sát đƣợc hệ vân có màu phức tạp. 16
2.4. Sử dụng các thí nghiệm trong tiến trình dạy học hiện tƣợng Giao thoa ánh sáng Việc sử dụng các thí nghiệm trên vào quá trình dạy học chƣơng Sóng ánh sáng sẽ tùy vào việc phân bổ các tiết học và việc xây dựng chủ đề dạy học trong từng nhà trƣờng. Tuy nhiên từng thí nghiệm sẽ đƣợc sử dụng hiệu quả cho từng hoạt động dạy học trong một số tiết. Tại trƣờng THPT Thanh Chƣơng 3 việc dạy thử nghiệm và thực nghiệm sƣ phạm và áp dụng đề tài đƣợc thực hiện nhƣ sau: 2.4.1. Sử dụng thí nghiệm 1. Thí nghiệm 1 đƣợc sử dụng làm thí nghiệm biểu diễn cho hoạt động khởi động trong bài Giao thoa ánh sáng: - Chiếu hình ảnh màu đỏ (hoặc lục, lam) lên màn ảnh; - Cho học sinh quan sát hình ảnh trên mà chiếu khi chƣa chắn khe hẹp và quan sát màn chắn có 2 khe hẹp; - Cho 1 học sinh dán màn 2 khe vào trƣớc ống kính máy chiếu để chắn chùm sáng từ máy chiếu lên màn ảnh; - Yêu cầu học sinh quan sát và giải thích sự xuất hiện các vạch sáng cực đại và các vạch sáng cực tiểu. Học sinh sẽ gặp khó khăn trong việc giải thích, từ đó, giáo viên nêu liên hệ với cực đại và cực tiểu trong hiện tƣợng giao thoa sóng cơ trên mặt nƣớc để gợi ý cho hoạt động tìm hiểu kiến thức mới về lý thuyết giao thoa sóng ánh sáng. 2.4.2. Sử dụng thí nghiệm 2 và 3: Thí nghiệm 2 đƣợc sử dụng cho phần minh họa sau khi học sinh đã tìm hiểu lý thuyết về giao thoa ánh sáng, đã biết công thức khoảng vân. - Giáo viên hỏi: trong 3 loại ánh sáng đơn sắc đỏ, lục và lam thì ánh sáng nào có bƣớc sóng lớn nhất, nhỏ nhất ? Học sinh trả lời. Vậy hãy so sánh khoảng vân giao thoa của 3 loại ánh này ? Học sinh thảo luận và trả lời. Giáo viên lần lƣợt chiếu các hình ảnh thí nghiệm 2 và 3, học sinh quan sát, nhận xét về khoản vân của 3 hệ vân, nhận thấy hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. 2.4.3. Sử dụng thí nghiệm 4. Thí nghiệm 4 đƣợc sử dụng vào tiết bài tập hoặc tự chọn. Sau khi học về giao thoa ánh sáng, bƣớc sóng và máu sắc ánh sáng, giáo viên giao nhiệm vụ ở nhà cho các nhóm học sinh: Tìm hiểu cơ chế cảm nhận màu sắc của con ngƣời và các công nghệ tạo hình ảnh và màu sắc của các loại màn hình TV, máy tính, smartphone, máy chiếu. (có thể coi đây là dự án học tập tích hợp liên môn Vật lý, Công nghệ và Sinh học). 17
Gợi ý: học sinh có thể tìm hiểu từ Internet. Sau đó làm báo cáo theo nhóm và trình chiếu, thuyết trình trƣớc lớp. Sau khi các nhóm trình bày, giáo viên phân tích, tổng hợp và nhận xét, đánh giá. Sau đó tiến hành thí nghiệm 4 để học sinh quan sát, nhận xét về hình ảnh quan sát đƣợc. Giáo viên thực hiện thêm các thí nghiệm chiếu các hình ảnh màu vàng (chồng chất của hai màu cơ bản là đỏ và lam); hình ảnh màu vàng (chồng chất của màu đỏ và lục); màu lục lam (chồng chất của hai màu lục và lam). Cho học sinh quan sát và nhận xét, liên hệ thực tiễn. III. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1. Tiến hành thực nghiệm sƣ phạm - Trong năm học 2021 - 2022, chúng tôi tiến hành thực nghiệm sƣ phạm (TNSP) ở 2 lớp khối 12, chọn 1 lớp thực nghiệm (TN), 1 lớp đối chứng (ĐC). Các lớp cùng nhóm có số học sinh tƣơng đƣơng nhau, có năng lực học tập tƣơng đƣơng nhau theo. Ở lớp TN tôi đƣa vào các thí nghiệm mới trong các hoạt động dạy học, giao thêm nhiệm vụ học tập ở nhà. Ở các lớp ĐC chúng tôi tổ chức các hoạt động dạy học phù hợp với các phƣơng tiện và học liệu sẵn có, có giao thêm nhiệm vụ học tập ở nhà. Ở cuối chƣơng Sóng ánh sáng chúng tôi tiến hành cho HS làm bài kiểm tra 1 tiết theo hình thức trắc nghiệm khách quan và chấm điểm, thu thập số liệu. Bên cạch đó tôi cũng quan sát, theo dõi tinh thần, thái độ, ý thức của HS khi nhận và thực hiện các nhiệm vụ học tập trong từng tiết học. Tôi chọn các lớp sau: lớp TN: 12A3 và lớp ĐC 12A2. 3.2. Kết quả thực nghiệm sƣ phạm Sau khi kiểm tra chấm điểm, tôi thống kê điểm và các đại lƣợng thống kê nhƣ sau: Bảng 3.1. Thống kê điểm số của các lớp TN và ĐC Số Điểm Lớp HS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 KT 12A3 36 0 0 0 0 1 3 9 11 8 3 1 12A2 36 0 0 0 1 3 10 14 6 2 0 0 Một số đại lượng thống kê (f = ∞) t Lớp TB ( x ) Si2 v(%) m S2 t (tính) (p=0.01,f) TN 7.0 1.91 19.77 0.23 1.64 3.92 2.58 ĐC 5.8 1.34 19.99 0.20 18
Đồ thị đường luỹ tích Tỷ lệ % theo điểm số TN 12A3 ĐC 12A2 Thống kê điểm theo loại Giỏi Khá TB Yếu, kém Loại Điểm 9, 10 Điểm 7, 8 Điểm 5,6 điểm