Hướng dẫn thí nghiệm Vật lý ảo trên máy tính

Trong bài viết này chúng tôi xin giới thiệu về phần mềm Crocodile Physics, cách sử dụng các công cụ chính của phần mềm để thiết kế thí nghiệm vật lý ảo và thiết kế thí nghiệm vật lý bằng phần mềm này trong SGK vật lý lớp 12. I. Giới thiệu chungDưới đây là màn hình làm việc chính của phần mềm trong đó: • Phần chính giữa là nơi lắp đặt và thực hiện thí nghiệm ảo.• Trên cùng là các thực đơn và thanh công cụ chính của phần mềm.• Bên trái là nơi có thể lấy các dụng cụ ảo để thực hiện thí nghiệm và cài đặt các thông số cho các dụng cụ này. Chúng ta có thể thấy rõ màn hình làm việc của chương trình khá trực quan, phần mềm này có thể được sử dụng để thiết kế các thí nghiệm trong chương trình vật lý cả ở bậc THCS và THPT.II. Cách sử dụng công cụ của phần mềmBên trái của khung làm việc có rất nhiều công cụ vật lý ảo để chúng ta có thể thực hiện thí nghiệm như các công cụ điện học, quang học, sóng, động lực học … Sau đây chúng ta sẽ xét đến hai phần chính trong chương trình vật lý THPT đó là sóng (Waves) và quang học (Optics)(là hai phần chính trong SGK vật lý lớp 12). 2.1. Sóng (Waves)a. Giới thiệu công cụ:Để thiết kế thí nghiệm về sóng chọn PathsWaves, trong Waves là các công cụ thí nghiệm như sóng phản xạ, giao thoa sóng, …, giáo viên chọn một công cụ rồi kéo sang màn hình chính như hình dưới đây: Để có thể cho học sinh hiểu rõ về sóng giáo viên kích chuột trái vào màn hình đen sẽ xuất hiện cửa sổ bên trái như hình dưới: Một số thông số quan trọng:- Space Properties: các thuộc tính của không gianReset Space: nút này dùng để quan sát thí nghiệm từ đầu.Space type: có thể chọn trong đây các loại sóng để quan sát như: sóng ánh sáng, sóng phát thanh, sóng nước, …- Wave Properties: các thuộc tính của sóngSource: có thể chọn kiểu nguồn sóng như sóng liên tục, một xung nhịp hay một nửa xung nhịp của sóngWaveform: chọn trong đây dạng thể hiện của sóng như sóng hình sin, dạng tam giác hay hình vuông.Color: nếu là sóng ánh sáng thì dùng color để thay đổi màu sắc.Wavelength: dùng để thay đổi bước sóng.Frequence: thay đổi tần số.Amplitude: thay đổi biên độ sóng.- Transverse wave display: có thể chọn trong đây các loại sóng hiển thị ra như sóng tới, sóng phản xạ và sóng tổng hợp của hai sóng này.- Wave form: chọn kiểu sóng dọc hoặc sóng ngang. a. Thiết kế thí nghiệm: - Mô tả thí nghiệm: Quan sát hiện tượng sóng dừng- Mục đích yêu cầu thí nghiệm: + Giáo viên bố trí được công cụ để thực hiện thí nghiệm quan sát hiện tượng sóng dừng.+ Giáo viên thực hiện từng bước thí nghiệm để cho học sinh quan sát.+ Học sinh hiểu được hiện tượng sóng dừng và rút ra kết luận về các đặc điểm cơ bản của sóng dừng.- Thực hiện thí nghiệm:Chuẩn bị công cụ: Công cụ để thực hiện thí nghiệm này được lấy trong folder Waves, tiếp theo chọn và kéo sang khung làm việc chính tại vị trí thích hợp như hình dưới đây. Như vậy công cụ đã chuẩn bị xong. Tiếp theo để thực hiện thí nghiệm kích chuột vào công cụ vừa kéo sang trong khung làm việc chính để hiện các thông số của sóng trong cửa sổ bên trái: Thực hiện thí nghiệm:Bước 1:Nhấn nút trong cửa sổ bên trái để bắt đầu quan sát hiện tượng sóng dừng.Bước 2:Khi thấy xuất hiện sóng phản xạ chỉ rõ cho học sinh thấy sóng tới, sóng phản xạ và tổng hợp sóng của nó. Bước 3:Để cho học sinh thấy được chiều truyền của từng loại sóng, đánh dấu từng mục trong , khi đó có thể theo dõi rõ từng chiều truyền của các loại sóng là sóng nguồn, sóng phản xạ và tổng hợp sóng.- Chiều truyền của sóng tới - Sóng phản xạ - Tổng hợp sóng Ghi lại đặc điểm của sóng tổng hợp.Bước 4: Để thấy rõ được quá trình tổng hợp sóng tạo nên sóng dừng, giáo viên cho hiển thị cả ba dạng sóng, sử dụng nút pause để dừng màn hình như hình dưới - Sóng được đánh dấu là sóng tới, giáo viên dùng chuột di chuyển sóng tới theo chiều truyền của nó để dễ dàng quan sát việc tổng hợp sóng tới và sóng phản xạ, và dễ dàng thấy được đặc điểm của sóng tổng hợp.- Nhấn mạnh trường hợp sóng tổng hợp bằng 0 tại mọi điểm khi sóng tới và sóng phản xạ ngược pha nhau: - Và trường hợp sóng tổng hợp được tăng cường khi sóng tới và sóng phản xạ cùng pha: Bước 5: Di chuyển chuột theo chiều truyền sóng để cho học sinh thấy được những đặc điểm cơ bản của sóng tổng hợp (đặc điểm các nút, các bụng sóng và khoảng cách giữa chúng): Điểm gần như không dao độngĐiểm dao động với biên độ cực đạiGiáo viên giúp học sinh tổng hợp lại đặc điểm của sóng dừng (sóng tổng hợp).Kết luận: Từ việc quan sát thí nghiệm giáo viên giúp học sinh hiểu được hiện tượng sóng dừng và các đặc điểm cơ bản của sóng dừng.2.2. Quang học (Optics)a. Giới thiệu công cụ: Quang học là một trong ba phần chính trong chương trình SGK vật lý lớp 12, trong phần mềm có đầy đủ các dụng cụ ảo để có thể thực hiện gần như toàn bộ các thí nghiệm trong chương trình phổ thông. Dưới đây là các công cụ chính gồm có: - Để có thể thực hiện được thí nghiệm trước hết kích chuột vào Optics cửa sổ trên hiện ra, kích chuột trái vào biểu tượng ô vuông đen Optical space (công cụ đầu tiên của quang học), kéo rê sang màn hình làm việc chính và chọn vị trí thả chuột màn hình hiện lên một hình chữ nhật màu đen, đây chính là nơi thực hiện thí nghiệm ảo như hình dưới: - Tiếp theo muốn thực hiện thí nghiệm cần phải chọn nguồn sáng hoặc các tia sáng (vật quan sát) trong folder Light Sources hoặc Ray Diagrams như hình dưới: - Thực hiện thí nghiệm với dụng cụ ảo nào vào folder đó chọn dụng cụ, chọn được dụng cụ kích trái vào dụng cụ đó kéo rê sang cửa sổ làm việc chính để thực hiện thí nghiệm, ví dụ chọn một thấu kính hội tụ và một gương cầu lồi như hình dưới: - Có thể thay đổi các thông số của các dụng cụ khi kích chuột trái vào dụng cụ đó, như hình dưới kích chuột trái vào thấu kính hội tụ ta có thể thay đổi tiêu cự, góc quay của thấu kính, cho hiển thị các tiêu điểm: - Bố trí nguồn sáng, tia sáng với các dụng cụ hợp lý để thực hiện thí nghiệm, hình dưới bố trí một nguồn sáng trắng, một lăng kính để quan sát hiện tượng tán sắc của ánh sáng trắng khi đi qua lăng kính b. Thiết kế thí nghiệm- Mô tả thí nghiệmThí nghiệm: Quan sát ảnh của một vật qua hai loại thấu kính là hội tụ và phân kỳ (SGK vật lý lớp 12 trang 136-137).Mục đích, yêu cầu của thí nghiệm: - Giáo viên bố trí được các công cụ thực hiện thí nghiệm quan sát ảnh của một vật qua thấu kính.- Giáo viên thực hiện từng bước thí nghiệm- Học sinh rút ra kết luận về đặc điểm ảnh của một vật qua thấu kính hội tụ và phân kỳ.bThiết kế thí nghiệmChuẩn bị công cụ: Để thực hiện được thí nghiệm này thì công cụ cần thiết là một hoặc hai vật, hai thấu kính và mắt để quan sát. - Trước hết kéo ô chữ nhật màu đen sang khung làm việc chính: - Chuẩn bị hai thấu kính một hội tụ và một phân kỳ: vào folder Lenses, chọn cả hai thấu kính trong folder này kéo sang khung làm việc như hình dưới: - Lấy 2 vật để quan sát: vào folder Ray Diagrams, chọn Near object marker, chọn hai vật muốn quan sát như hình dưới: - Mắt quan sát chọn trong folder Ray DiagramsEye.bThực hiện thí nghiệm: Trong khung chính đã có đủ các công cụ để thực hiện thí nghiệm, bắt đầu tiến hành thí nghiệm với hai loại thấu kính trên, ban đầu là thấu kính phân kỳ:- Đặt tiêu cự của thấu kính là 10cm.- Đặt vật tại vị trí thích hợp.- Di chuyển thấu kính phân kỳ lại gần, ra xa vật để có thể quan sát được sự xuất hiện ảnh của thấu kính, quan sát được đặc điểm ảnh thu được. Đặt vật cách thấu kính 22cm quan sát ảnh thu được Ghi lại các đặc điểm trên của ảnh.- Đặt thấu vật cách thấu kính 8cm quan sát ảnh thu được: - Giáo viên giúp học sinh tổng hợp lại đặc điểm ảnh của vật thu được quan thấu kính phân kỳ.Làm tương tự với thấu kính hội tụ, ghi lại đặc điểm của ảnh thu được.- Cũng để tiêu cự của thấu kính hội tụ là 10cm- Đặt vật cách thấu kính 22cm, cho học sinh quan sát ảnh thu được và ghi lại đặc điểm của ảnh thu được: Giáo viên di chuyển thấu kính lại thật gần vật để có thể quan sát sự xuất hiện ảnh ảo của thấu kính hội tụ này, đặt vật cách thấu kính 6cm cho học sinh quan sát ảnh thu được: Ghi lại đặc điểm của ảnh mới thu được ở trên.So sánh đặc điểm của ảnh thu được qua hai thấu kính khác nhau hội tụ và phân kỳ. Yêu cầu: trong quá trình di chuyển thấu kính giáo viên lưu ý cho học sinh:- Sự xuất hiện các ảnh khi đặt thấu kính ở vị trí thích hợp- Đặc điểm của ảnh thu được (thật, ảo, xa, gần…)- Qua thí nghiệm học sinh rút ra kết luận về ảnh của vật qua hai loại thấu kính, so sánh sự giống và khác nhau của các ảnh thu được với hai loại thấu kính đó.