Chế tạo thiết bị thí nghiệm biểu diễn để sử dụng trong dạy học các kiến thức về tia hồng ngoại và tia tử ngoại ở lớp 12 THPT

CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM BIỂU DIỄN ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ TIA HỒNG NGOẠI VÀ TIA TỬ NGOẠI Ở LỚP 12 THPT Nguyễn Ngọc Hưng –Trần Ngọc Chất .........Khoa Vật lí - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội I. Đặt vấn đề           - Tia hồng ngoại (THN) và tia tử ngoại (TTN) là các bức xạ điện từ không nhìn thấy, được đề cập trong chương trình vật lí lớp 12 THPT. Sau khi học các kiến thức về THN và TTN, HS cần nêu được định nghĩa (bản chất), nguồn phát và một số tính chất, ứng dụng của từng loại bức xạ này trong đời sống và kĩ thuật.           Từ mục tiêu về mặt kiến thức cần đạt được, trong dạy học các kiến thức về THN và TTN, TN phát hiện sự tồn tại của THN và TTN ở ngoài miền ánh sáng nhìn thấy và các TN khảo sát một số tính chất của THN và TTN cần được tiến hành.           - Để tiến hành những TN nêu trên, GV và HS có thể sử dụng thiết bị thí nghiệm (TBTN) hiện có ở một số trường THPT hoặc TBTN của Trung Quốc. Tuy có thể sử dụng dưới hình thức TN của HS, TBTN hiện có ở một số trường THPT chỉ cho phép tiến hành TN phát hiện THN và TTN. Các TN khảo sát một số tính chất của THN và TTN không thể tiến hành được với TBTN này. Do chưa chọn được đầu thu bức xạ hợp lí nên TBTN còn phải có thêm bộ cung cấp điện nuôi đầu thu và bộ phận khuếch đại tín hiệu bức xạ thu được đặt ở ngoài. Trong điều kiện kinh phí còn eo hẹp chưa thể trang bị đủ số lượng TBTN để các nhóm HS trong lớp đồng loạt tiến hành TN, nếu GV sử dụng TBTN này để tiến hành TN biểu diễn thì do TBTN có kích thước nhỏ và chỉ lắp đặt được trên mặt phẳng nằm ngang nên việc quan sát TN của mọi HS trong lớp sẽ gặp khó khăn. Còn đối với TBTN của Trung Quốc, do đèn không chỉ phát ra THN và TTN cần nghiên cứu mà còn phát ra cả bức xạ nhìn thấy nên không thể tiến hành các TN khảo sát một số tính chất của THN và TTN.           - Để khắc phục những nhược điểm của các TBTN trên, cần thiết phải chế tạo TBTN có các đầu thu bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại đơn giản hơn và có đèn chỉ phát THN, đèn chỉ phát TTN. II. TBTN biểu diễn nghiên cứu THN và TTN đã chế tạo           TBTN gồm các bộ phận sau:           1. Đèn phát ánh sáng trắng (Hình 1a, Hình 1b và Hình 1c) là một bóng đèn có dây tóc thẳng, mảnh (1.1) 12V - 21W được lồng vào trong một ống nhôm (1.2) có gắn ở một đầu kính tụ quang (thấu kính hội tụ phẳng - lồi thạch anh) có thể dịch chuyển và cố định trong ống nhờ một ốc hãm (1.3).           Vỏ đèn có các lỗ thông gió để làm mát đèn khi đèn hoạt động và được gắn với một ống trụ sắt (1.4) để có thể làm thay đổi dễ dàng vị trí của đèn trong TN.   Hình 1a: Các linh kiện của đèn phát ánh sáng trắng cho quang phổ rộng Hình 1b: Đèn phát ánh sáng trắng cho quang phổ rộng khi đã được lắp hoàn chỉnh     Hình 1c: Phổ nhìn thấy của đèn             2. Đèn phát bức xạ hồng ngoại (Hình 2), mà không phát bức xạ nhìn thấy là đèn phát bức xạ hồng ngoại PHONEX (đèn dây tóc thẳng) 12V-55W (2.1) của Trung Quốc, có lắp thêm trước đèn kính tụ quang (thấu kính hội tụ phẳng - parabol - 2.2) và tấm lọc bức xạ hồng ngoại l =0,815mm (2.3). Các chi tiết này được đặt trong vỏ sắt hình hộp chữ nhật (2.4) có gắn quạt nhỏ để tản nhiệt. Góc mở của chùm THN ló ra ngoài được điều chỉnh bằng cách dịch chuyển vít giữ ống có lắp kính tụ quang dọc theo khe (2.5) trên vỏ đèn.   Hình 2: Đèn phát bức xạ hồng ngoại           3. Đèn phát bức xạ tử ngoại (Hình 3), mà không phát bức xạ nhìn thấy là đèn ống chứa hơi thủy ngân 4W (3.1) được đặt trong vỏ nhựa hình trụ kín hai đầu (3.2). Giữa ống nhựa này có lồng vuông góc một ống có tấm lọc bức xạ tử ngoại l =0,365mm (3.3) để TTN phát ra ngoài là ít hại. Một ống chứa kính tụ quang (thấu kính hội tụ phẳng - lồi - 3.4) được lắp ở đầu ống phát bức xạ tử ngoại và dịch chuyển được dọc theo ống phát bức xạ để điều chỉnh góc mở của chùm TTN ló ra ngoài.           Vì dùng nguồn nuôi 6V nên một mạch điện nâng hiệu điện thế lên 150V cung cấp điện cho đèn ống chứa hơi thủy ngân đã được đặt trong vỏ đèn. Do đèn không phát ra bức xạ nhìn thấy khi hoạt động nên một đèn LED (3.5) đã được lắp ở ngoài vỏ đèn để báo hiệu sự hoạt động của đèn.   Hình 3: Đèn phát bức xạ tử ngoại             4. Lăng kính thạch anh tam giác đều (chiết suất n=1,4586, trong suốt với các bức xạ có l > 0,15mm) có đế nam châm để gắn được lên bảng sắt, dùng cho những TN khảo sát các tính chất của THN và TTN.           5. Gương phẳng có đế nam châm gắn được lên bảng sắt, được dùng để khảo sát hiện tượng phản xạ của THN và TTN.           6. Bảng chia độ có đế nam châm gắn được lên bảng sắt, được dùng để khảo sát mối liên hệ giữa góc tới và góc phản xạ khi chiếu THN, TTN vào gương phẳng.           7. Màn thu bức xạ (Hình 4) là tấm nhựa (7.1) phủ sơn trắng không bị phát quang khi có TTN chiếu vào và một phôtôđiôt (7.2) trượt được dọc theo khe (7.3) trên tấm nhựa. Tín hiệu được lấy ra ngoài từ mạch điện gồm phôtôđiôt mắc nối tiếp với một pin AA - 1,5V. Màn thu bức xạ có đế nam châm để gắn được lên bảng sắt.   Hình 4: Màn thu bức xạ             8. Đầu thu bức xạ (Hình 5) là quang điện trở (8.1) được mắc nối tiếp với pin 9V nhằm làm tăng độ nhạy của tín hiệu ra, được đặt ở đầu một ống trụ nhựa (8.2). Để định hướng đầu thu, một ống trụ nhựa khác (8.3) có đường kính trong chỉ bằng một nửa đường kính trong của ống nhựa này được lắp vào phía trước quang điện trở. Bức xạ thu được sẽ được đưa ra ngoài qua hai giắc cắm. Đầu thu bức xạ có đế nam châm để gắn được lên bảng sắt.   Hình 5: Đầu thu bức xạ           9. Đầu thu nhiệt là nhiệt kế 100oC, có thể cắm vuông góc với trục của một ống trụ nhựa, được dùng để khảo sát tác dụng nhiệt của THN. Ống nhựa này có đế nam châm để gắn được lên bảng sắt.           10. Bảng sắt dài 850mm ´ 450mm được phủ sơn tĩnh điện không bị phát quang khi có TTN chiếu vào, nhưng vẫn tán xạ bức xạ nhìn thấy. Bảng được dùng để bố trí trên nó các bộ phận có đế nam châm của TBTN và được lắp thẳng đứng trên giá đỡ.           Với các bộ phận trên, TBTN cho phép tiến hành 6 TN sau nghiên cứu THN và TTN:           - TN phát hiện sự tồn tại của THN và TTN trong quang phổ của ánh sáng trắng.           - TN khảo sát sự truyền thẳng và tác dụng gây ra hiệu ứng quang điện trong của THN, TTN.           - TN khảo sát sự phản xạ của THN và TTN.           - TN khảo sát sự khúc xạ của THN và TTN.           - TN khảo sát tác dụng nhiệt của THN.           - TN khảo sát tác dụng làm phát quang của TTN.           Ngoài những bộ phận đã mô tả, TBTN này còn có những bộ phận khác: lăng kính thủy tinh Flin tam giác đều, khe hẹp để tiến hành các TN khảo sát hiện tượng tán sắc ánh sáng khi chiếu ánh sáng trắng qua lăng kính, khảo sát tính chất của ánh sáng đơn sắc và khảo sát hiện tượng tổng hợp các ánh sáng đơn sắc thành ánh sáng trắng. III. Các TN nghiên cứu THN và TTN được tiến hành với TBTN đã chế tạo           3.1. TN 1: Phát hiện sự tồn tại của THN và TTN trong quang phổ của ánh sáng trắng           - Bố trí thí nghiệm như Hình 6a   Hình 6a: Bố trí thí nghiệm phát hiện tia hồng ngoại và tia tử ngoại             - Gắn lên bảng (10) đèn phát ánh sáng trắng (1) được nối với nguồn điện 12V và dịch chuyển vị trí kính tụ quang của đèn sao cho ảnh của dây tóc bóng đèn vuông góc với bảng.           - Đặt lên bảng lăng kính thạch anh (4) ngay trước đèn, gắn màn thu bức xạ (7) vào mép phải của bảng và nối hai đầu đưa tín hiệu ra vào miliampe kế.           - Điều chỉnh vị trí đặt lăng kính và màn thu bức xạ trên bảng sao cho thu được dải sáng nhiều màu sắc nét trên màn thu. Khi đó, kim chỉ của miliampe kế lệch nhiều hơn so với khi không chiếu sáng màn thu (không bật đèn)  (Hình 6b).   Hình 6b: Thí nghiệm phát hiện tia hồng ngoại và tia tử ngoại             - Dịch chuyển phôtôđiôt dọc theo khe trên màn thu trong miền các bức xạ nhìn thấy thì kim chỉ của miliampe kế vẫn lệch nhiều hơn so với khi màn thu không được chiếu sáng (Hình 6c).     Hình 6c: Phôtôđiôt được dịch chuyển trong miền bức xạ nhìn thấy             - Tiếp tục dịch chuyển phôtôđiôt ra ngoài miền ánh sáng màu đỏ thì thấy: Góc lệch của kim miliampe kế tăng mạnh hơn so với khi dịch chuyển phôtôđiôt trong miền các bức xạ nhìn thấy. Kết quả quan sát này chứng tỏ sự tồn tại của bức xạ không nhìn thấy (THN) cạnh miền ánh sáng màu đỏ và cường độ của bức xạ này lớn hơn cường độ của các bức xạ nhìn thấy.           - Nếu dịch chuyển phôtôđiôt ra ngoài miền ánh sáng màu tím thì góc lệch của kim miliampe kế giảm đi nhiều so với khi phôtôđiôt nằm trong miền các bức xạ nhìn thấy, nhưng vẫn lớn hơn so với khi không bật đèn. Điều này chứng tỏ sự tồn tại của bức xạ không nhìn thấy (TTN) cạnh miền ánh sáng màu tím và cường độ của bức xạ này nhỏ hơn cường độ của các bức xạ nhìn thấy.           Kết quả của các TN đã tiến hành chứng tỏ sự tồn tại của THN và TTN trong quang phổ của ánh sáng trắng.           3.2. TN 2: Khảo sát sự truyền thẳng và tác dụng gây ra hiệu ứng quang điện trong của THN, TTN           - Gắn đèn phát bức xạ hồng ngoại (2) được nối vào nguồn điện 12V lên bảng (10). Dịch chuyển kính tụ quang của đèn dọc theo khe vào gần đèn nhất để chùm THN phát ra gần song song nhau.           - Đặt đầu thu bức xạ (8) lên bảng và dịch chuyển hướng đầu thu theo các phương khác nhau trong mặt phẳng bảng, thì thấy: kim của miliampe kế lệch nhiều nhất khi hướng của đầu thu (trục của vỏ đầu thu) trùng với hướng của đèn phát bức xạ hồng ngoại. Điều này chứng tỏ: THN truyền thẳng và làm giảm điện trở của quang điện trở khi có THN chiếu vào.           - Thay đèn phát bức xạ hồng ngoại bằng đèn phát bức xạ tử ngoại (3) được nối vào nguồn điện 6V và lặp lại các bước TN trên. Việc tạo ra chùm TTN gần song song nhau được thực hiện bằng cách dịch chuyển ống chứa kính tụ quang thạch anh của đèn sao cho chùm sáng phát quang trên tờ giấy trắng đặt trên bảng gần song song. Kết quả TN cũng cho thấy: TTN truyền thẳng và làm giảm điện trở của quang điện trở khi có TTN chiếu vào (Hình 7).   Hình 7. TN về tác dụng gây ra hiệu ứng quang điện trong của TTN             3.3. TN 3: Khảo sát sự phản xạ của THN và TTN           - Đặt đèn phát bức xạ hồng ngoại (2) được nối với nguồn điện 12V lên bảng (10) và dịch chuyển kính tụ quang của đèn để chùm THN phát ra gần song song nhau.           - Gắn bảng chia độ (6) lên bảng, đặt gương phẳng (5) vào tâm bảng chia độ và gắn đầu thu bức xạ (8) lên bảng.           - Hướng đèn phát bức xạ hồng ngoại vào gương với một góc tới nào đó và dịch chuyển hướng đầu thu bức xạ ứng với các góc hợp bởi hướng của đầu thu bức xạ và pháp tuyến là khác nhau, sẽ thấy: kim chỉ của miliampe kế lệch nhiều nhất khi hướng của đầu thu lập với pháp tuyến một góc đúng bằng góc hợp bởi hướng của đèn phát bức xạ và pháp tuyến (Hình 8). Kết quả quan sát này chứng tỏ: THN cũng có tính chất phản xạ và sự phản xạ của THN cũng tuân theo định luật phản xạ ánh sáng.   Hình 8. TN khảo sát sự phản xạ của THN             - Lặp lại các bước TN trên cho TTN bằng cách dùng đèn phát bức xạ tử ngoại (3) được nối với nguồn điện 6V. Việc tạo ra chùm tia tới gần song song nhau được thực hiện bằng cách dịch chuyển kính tụ quang thạch anh của đèn. Kết quả quan sát được cũng đi tới kết luận như đối với THN.           3.4. TN 4: Khảo sát sự khúc xạ của THN và TTN           - Đặt lên bảng (10) đèn phát bức xạ hồng ngoại (2) được nối với nguồn điện 12V và dịch chuyển kính tụ quang của đèn để chùm THN phát ra gần song song nhau.           - Gắn bảng chia độ (6) lên bảng và đặt lăng kính thạch anh (4) vào tâm của bảng chia độ.           - Khi hướng đèn phát bức xạ chiếu vào lăng kính và dịch chuyển đầu thu bức xạ (8) được đặt trên bảng theo các phương khác nhau ở phía sau lăng kính thì thấy: kim chỉ của miliampe kế lệch nhiều nhất khi hướng của đầu thu bức xạ lập với hướng của đèn phát bức xạ một góc (góc lệch) nào đó. Điều này chứng tỏ: THN bị khúc xạ sau khi đi qua lăng kính.           - Lặp lại các bước TN với đèn phát bức xạ tử ngoại (3), ta cũng thu được kết quả trên và còn thấy: góc lệch của TTN qua lăng kính thạch anh lớn hơn góc lệch của THN qua lăng kính đó (Hình 9).   Hình 9. TN khảo sát sự khúc xạ qua lăng kính của TTN             3.5. TN 5: Khảo sát tác dụng nhiệt của THN           - Đặt đèn phát bức xạ hồng ngoại (2) được nối vào nguồn điện 12V lên bảng (10) và dịch chuyển kính tụ quang của đèn sang phải 3mm để chùm THN phát ra hội tụ tại vị trí cách đèn 6cm.           - Khi gắn lên bảng đầu thu nhiệt (9) sát vào đầu đèn phát bức xạ thì sẽ thấy: nhiệt độ tại vị trí hội tụ chùm THN lúc đầu tăng nhanh, sau đó tăng chậm hơn và sẽ giữ ổn định khi đạt tới một giá trị nào đó (Hình 10).   Hình 10. TN khảo sát tác dụng nhiệt của THN             3.6. TN6: Khảo sát tác dụng làm phát quang của TTN           - Đặt lên bảng (10) đèn phát bức xạ tử ngoại (3) được nối vào nguồn điện 6V. Khi không chiếu TTN vào tờ tiền pôlime 50000 đồng đặt nghiêng góc với bảng lên màn thì không nhìn thấy con số bảo mật của tờ tiền.           - Nếu chiếu TTN vào giữa tờ tiền, do TTN làm phát quang chất làm con số bảo mật ở giữa tờ tiền nên con số bảo mật "50000" hiện lên. IV. Kết luận           Với đèn phát ánh sáng cho quang phổ rộng, các đèn chỉ phát bức xạ hồng ngoại hoặc bức xạ tử ngoại và các đầu thu bức xạ đơn giản, hợp lí, TBTN đã chế tạo cho phép bố trí và tiến hành dễ dàng, thành công một số TN nghiên cứu THN và TTN với kết quả rõ ràng, dễ quan sát. TBTN đã được đưa vào dự án sản xuất thử nghiệm để cung cấp cho các trường THPT và tạo điều kiện thuận lợi để soạn thảo tiến trình dạy học các kiến thức về THN và TTN theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm. Tiến trình dạy học này đã được thực nghiệm sư phạm ở 3 lớp 12 trường THPT chuyên Hà Nam và trường THPT Nguyễn Tất Thành (Hà Nội). Kết quả thực nghiệm sư phạm bước đầu đã cho thấy hiệu quả của TBTN này đối với việc kích thích hứng thú học tập, lôi cuốn sự tham gia tích cực vào bài học và nâng cao chất lượng các kiến thức về THN và TTN của HS.           Tài liệu tham khảo           1. Nguyễn Đức Thâm - Nguyễn Ngọc Hưng - Phạm Xuân Quế: Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông. NXB ĐHSP, 2002.           2. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) - Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) - Nguyễn Ngọc Hưng - Nguyễn Đức Thâm - Phạm Đình Thiết - Vũ Đình Túy - Phạm Qúy Tư - Lê Trọng Tường : Vật lí 12 (SGK thí điểm Ban KHTN - Bộ 1). NXB Giáo dục, 2005.           3. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) - Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) - Nguyễn Ngọc Hưng - Nguyễn Đức Thâm - Phạm Đình Thiết - Vũ Đình Túy - Phạm Qúy Tư - Lê Trọng Tường : Tài liệu bồi dưỡng giáo viên dạy chương trình và SGK lớp 12 thí điểm. Viện NCSP Trường ĐHSP Hà Nội, 2005. Tóm tắt           Bài báo trình bày việc chế tạo thiết bị thí nghiệm để tiến hành một số thí nghiệm về tia hồng ngoại và tia tử ngoại. Thiết bị thí nghiệm này khắc phục được những nhược điểm của các thiết bị thí nghiệm hiện có và tạo điều kiện thuận lợi để soạn thảo tiến trình dạy học các kiến thức vật lí về tia hồng ngoại và tia tử ngoại ở lớp 12 trung học phổ thông theo phương pháp thực nghiệm.   Summary To manufacture and use the set of perform experiment equipments on infra-red and ultra-violet, in teaching physics at 12th classes The article presents the manufacturer of experiment equipment to perform in several infra-red and ultra-violet experiments. This experiment equipment has avoided several shortcomings of current available equipments and takes it convenient to compile tenors of infra-red and ultra-violet teaching under experiment method in the curriculum of the 12th form of Vietnamese high schools.