Máy tạo sóng bằng que xiên và băng dính là một dải băng dính dài, trên đó gắn hàng chục que xiên nằm ngang song song, hai đầu mỗi que gắn một vật nặng nhỏ. Gõ nhẹ que đầu tiên, nó xoay và kéo que bên cạnh xoay theo, tạo thành một làn sóng chạy chậm dọc hàng que, đủ chậm để mắt theo dõi từng nhịp. Với khoảng hai mét băng dính, năm mươi que xiên và một ít kẹo dẻo hoặc đất nặn, cả lớp có thể làm trong một tiết học và thử được phản xạ, tốc độ sóng, sóng đi qua ranh giới hai môi trường.
Ý tưởng của một kỹ sư phòng thí nghiệm Bell
Mô hình này bắt nguồn từ một thiết bị trình diễn do kỹ sư John N. Shive ở Phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ) chế tạo cuối những năm 1950: một dãy thanh kim loại nằm ngang gắn vào một sợi dây xoắn ở giữa. Ông dùng nó trong một bộ phim giáo dục nổi tiếng về hành vi của sóng, quay năm 1959. Ưu điểm của mô hình là sóng chạy rất chậm, chỉ vài chục centimet mỗi giây, nên những gì thường xảy ra trong nháy mắt trên sợi dây đàn hay trong không khí đều hiện ra rõ ràng.
Phiên bản bằng que xiên, băng dính, kẹo dẻo về sau được giáo viên khắp nơi dùng vì rẻ, dễ làm và học sinh nào cũng tự tay làm được.
Chuẩn bị
| Vật liệu | Số lượng gợi ý | Ghi chú |
|---|---|---|
| Băng dính vải hoặc băng dính khổ rộng (4–5 cm) | Khoảng 5 m | Cần hai lớp, mỗi lớp khoảng 2–2,5 m |
| Que xiên tre | 50 que, dài khoảng 25–30 cm | Người lớn cắt bỏ đầu nhọn bằng kéo cắt cành trước |
| Kẹo dẻo viên nhỏ hoặc đất nặn | 100 viên cỡ hạt lạc | Gắn hai đầu que, phải cùng cỡ |
| Hai ghế tựa hoặc hai bàn | 2 | Để căng băng dính giữa chúng |
| Thước dây, bút dạ | 1 | Đánh dấu khoảng cách que |
| Đồng hồ bấm giờ (điện thoại) | 1 | Đo tốc độ sóng |
Các bước làm
- Căng lớp băng dính thứ nhất: kéo một đoạn băng dính dài khoảng 2,2 m, mặt dính hướng lên trên, căng giữa hai ghế đặt cách nhau. Dán hai đầu chặt vào lưng ghế. Băng dính nên căng vừa phải, không chùng giữa.
- Đánh dấu: dùng bút dạ chấm lên mép băng dính các điểm cách nhau đều 4 cm, chừa khoảng 10 cm ở mỗi đầu.
- Đặt que: đặt từng que xiên nằm ngang, vuông góc với băng dính, điểm giữa que trùng với đường giữa băng dính, tại mỗi điểm đã chấm. Ấn nhẹ cho que dính.
- Dán lớp thứ hai: kéo đoạn băng dính thứ hai, mặt dính hướng xuống, đặt chồng lên đúng lớp thứ nhất, kẹp các que ở giữa. Ấn kỹ giữa các que để hai lớp dính chặt vào nhau.
- Gắn vật nặng: cắm một viên kẹo dẻo hoặc vo một viên đất nặn cùng cỡ vào mỗi đầu que. Cố gắng làm các viên đều nhau để sóng chạy đều.
- Kiểm tra: đứng một đầu, ấn nhẹ một đầu que thứ nhất xuống rồi thả. Một làn sóng xoay sẽ chạy dọc hàng que tới đầu kia.
An toàn: que xiên nhọn có thể đâm vào tay hoặc mắt, nên người lớn cắt bỏ hết đầu nhọn trước khi đưa cho trẻ. Không dùng dao. Nếu dùng kẹo dẻo, không ăn kẹo đã qua tay nhiều người; đất nặn an toàn hơn cho lớp học. Trẻ nhỏ làm có người lớn đi cùng.
Thí nghiệm 1: phản xạ ở đầu cố định và đầu tự do
- Dùng tay giữ chặt que cuối cùng không cho nó xoay. Tạo một xung ở que đầu: ấn một đầu que xuống rồi thả. Quan sát xung khi dội lại: đầu que đi xuống trước hay đi lên trước?
- Bây giờ thả que cuối tự do. Tạo xung giống hệt. Xung dội lại khác gì?
Kết quả mong đợi: ở đầu cố định, xung dội lại bị lộn ngược (ấn xuống thì về là bật lên); ở đầu tự do, xung dội lại giữ nguyên chiều. Đúng như những gì xảy ra trên sợi dây thừng.
Thí nghiệm 2: vật nặng ảnh hưởng tốc độ sóng thế nào
- Tạo một xung, bấm giờ thời gian xung đi từ que đầu tới que cuối (khoảng 2 m). Tốc độ = quãng đường ÷ thời gian.
- Thêm một viên đất nặn nữa vào mỗi đầu que (hoặc thay viên to hơn), đo lại.
- So sánh: sóng nhanh lên hay chậm đi?
Tính thử
Giả sử lần đầu đo được xung đi hết 2 m mất 5 giây, tốc độ sóng là 2 ÷ 5 = 0,4 m/s. Sau khi gắn viên nặng gấp đôi, đo được 7 giây, tốc độ còn 2 ÷ 7 ≈ 0,29 m/s. Tỉ lệ giữa hai tốc độ khoảng 0,29 ÷ 0,4 ≈ 0,71, gần bằng 1 ÷ √2. Lý thuyết cũng dự đoán như vậy: que càng "lì" (vật nặng ở đầu càng lớn) thì càng chậm đáp ứng, sóng chạy chậm theo căn bậc hai. Con số thực tế của từng nhóm sẽ khác nhau, đó là bình thường; cái cần thấy là xu hướng.
Thí nghiệm 3 và 4: ranh giới, chặn sóng dội, sóng dừng
Sóng qua ranh giới hai môi trường
Làm hai máy tạo sóng: một máy que có vật nặng nhỏ, một máy que có vật nặng lớn. Nối đầu hai máy với nhau bằng băng dính. Tạo xung ở máy nhẹ và quan sát chuyện xảy ra ở chỗ nối: một phần xung đi tiếp sang máy nặng (chậm lại), một phần dội ngược lại. Đổi chiều, tạo xung ở máy nặng: phần dội lại bây giờ có chiều khác hẳn.
Đây chính là điều xảy ra khi ánh sáng đi từ không khí vào kính (một phần phản xạ, một phần khúc xạ), hay khi âm thanh gặp một bức tường. Học sinh thấy tận mắt điều mà sách chỉ vẽ bằng mũi tên.
Chặn sóng dội và tạo sóng dừng
- Chặn sóng dội: đặt một miếng khăn ẩm gấp đôi đè nhẹ lên vài que cuối. Khăn hút năng lượng, sóng tới đó tắt dần thay vì dội lại. Đây là nguyên lý của các tấm tiêu âm trong phòng thu.
- Sóng dừng: giữ chặt que cuối, rồi lắc nhịp nhàng que đầu lên xuống. Thử thay đổi nhịp cho tới khi cả dãy que tách thành những múi đứng yên, có những que gần như không xoay. Đó là sóng dừng, giống trên sợi dây thừng.
Gợi ý cho giáo viên
- Chia nhóm 4–5 học sinh, mỗi nhóm một máy. Thời gian làm khoảng 20–25 phút, còn lại để thí nghiệm và ghi kết quả.
- Cho mỗi nhóm một phiếu ghi: thời gian xung đi hết máy, chiều xung dội lại với đầu cố định và đầu tự do, nhận xét khi đổi vật nặng.
- Quay video chậm bằng điện thoại để cả lớp xem lại trên màn chiếu.
- Cuối buổi, gỡ đất nặn để dùng lại, que và băng dính có thể giữ cho lần sau.
- Không chấm điểm theo nhóm nào làm sóng "đẹp hơn"; điều cần đánh giá là ghi chép và lý giải.
Góc nhìn hôm nay
Máy tạo sóng que xiên là ví dụ hay về việc biến một khái niệm trừu tượng thành thứ chạm tay vào được. Sau khi làm, học sinh hiểu sâu hơn những câu tưởng khô khan trong sách: tốc độ sóng do môi trường quyết định, sóng phản xạ ở đầu cố định bị đảo chiều, năng lượng có thể bị hấp thụ. Bộ phim gốc của John Shive về hành vi của sóng vẫn được lưu giữ và chia sẻ trên nhiều kênh giáo dục, rất đáng xem cùng cả lớp. Nguồn tham khảo thêm: phần sóng cơ trong sách vật lý phổ thông và các bài thí nghiệm trên Physics Classroom.
Câu hỏi thường gặp
Máy tạo sóng que xiên hoạt động thế nào?
Các que xiên gắn ngang trên một dải băng dính, hai đầu có vật nặng. Khi một que xoay, băng dính bị xoắn và kéo que kế bên xoay theo, cứ thế tạo ra làn sóng xoay chạy chậm dọc hàng que.
Cần bao nhiêu que xiên để làm máy tạo sóng?
Khoảng 40–50 que cho dải băng dính dài 2 m, đặt cách nhau đều khoảng 4 cm. Nhiều que hơn thì máy dài hơn và quan sát sóng rõ hơn, nhưng cần chỗ rộng hơn.
Vì sao gắn vật nặng lớn thì sóng chạy chậm?
Vật nặng ở đầu que làm que khó xoay hơn, phản ứng chậm hơn khi bị que bên cạnh kéo. Vì vậy sóng truyền chậm lại, và lý thuyết dự đoán tốc độ giảm theo căn bậc hai của độ nặng.
Ai nghĩ ra máy tạo sóng này?
Mô hình dãy thanh ngang trên dây xoắn được kỹ sư John N. Shive của Phòng thí nghiệm Bell chế tạo cuối những năm 1950 và dùng trong một bộ phim giáo dục năm 1959. Phiên bản que xiên và băng dính là cách làm đơn giản hoá cho lớp học.
Thí nghiệm này hợp với lớp mấy?
Học sinh trung học cơ sở và trung học phổ thông đều làm được, khi học về sóng cơ. Học sinh tiểu học cũng có thể làm cùng người lớn để quan sát, với điều kiện que đã được cắt hết đầu nhọn.
