sáng kiến kinh nghiệm THPT21 41

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH NAM ĐỊNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ HỒNG PHONG BÁO CÁO SÁNG KIẾN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT CÁC Q TRÌNH DAO ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ THPT Tác giả: Ths Phạm Thị Phương Thảo Chức vụ: Giáo viên Vật lí Nơi cơng tác: trường THPT chun Lê Hồng Phong Nam Định, tháng năm 2021 THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN Tên sáng kiến: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỐ VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG ÁN THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH DAO ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ THPT Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Phương pháp giảng dạy Thời gian áp dụng sáng kiến: Tháng 01 đến tháng 03 năm 2021 Tác giả Họ tên: Phạm Thị Phương Thảo Năm sinh: 1989 Nơi thường trú: 26 Nguyễn Văn Huyên, phường Cửa Bắc, tp.Nam Định Trình độ chun mơn: Thạc sĩ Chức vụ cơng tác: Giáo viên Vật lí Nơi làm việc: trường THPT chuyên Lê Hồng Phong Địa liên hệ: 26 Nguyễn Văn Huyên, phường Cửa Bắc, tp.Nam Định Điện thoại: 09444136705 Đơn vị áp dụng sáng kiến: Tên đơn vị: trường THPT chuyên Lê Hồng Phong Địa chỉ: 76 Vị Xuyên, thành phố Nam Định, tỉnh Nam Định Điện thoại: 0228 3640297 MỤC LỤC I Điều kiện, hoàn cảnh tạo SKKN II Thực trạng III Giải pháp 3.1 Tìm hiểu phần mềm Coach 3.2 Nội dung kiến thức “Dao động học” chương trình Vật lí THPT .11 3.2.1 Nội dung kiến thức “Dao động học” chương trình Vật lí 12 11 3.2.1.1 Dao động điều hòa 11 3.2.1.2 Con lắc lò xo 12 3.2.1.3 Con lắc đơn 12 3.2.1.4 Dao động tắt dần Dao động cưỡng 13 3.2.1.5 Tổng hợp hai dao động điều hòa phương tần số 14 3.2.2 Nội dung kiến thức “Dao động học” chương trình Vật lí chuyên14 3.2.2.1 Dao động điều hòa 14 3.2.2.2 Dao động tắt dần tác dụng lực ma sát nhớt 16 3.2.2.4 Dao động cưỡng 18 3.2.2.5 Tổng hợp dao động 19 3.3 Khảo sát dao động học sử dụng Coach 21 3.3.1 Khảo sát dao động lắc lò xo 22 a) Mơ hình hóa dao động lắc lò xo với Coach 22 b) Thí nghiệm khảo sát dao động lắc lò xo 23 c) Khảo sát chu kì lắc lò xo 25 3.3.2 Khảo sát dao động lắc đơn 27 a) Mơ hình hóa dao động lắc đơn với Coach 27 b) Thí nghiệm khảo sát dao động lắc đơn 28 c) Khảo sát chu kì lắc đơn 29 3.3.3 Khảo sát dao động tắt dần 31 a) Mơ hình hóa dao động tắt dần với Coach 31 b) Thí nghiệm khảo sát dao động tắt dần 32 c) Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến tắt dần lắc 34 3.3.4 Khảo sát dao động cưỡng tượng cộng hưởng 35 a) Mơ hình hóa dao động cưỡng với Coach 35 b) Khảo sát dao động cưỡng 37 c) Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới biên độ dao động cưỡng 41 d) Khảo sát tượng cộng hưởng 43 3.3.5 Khảo sát tổng hợp dao động 46 3.3.5.1 Mơ hình hóa tổng hợp hai dao động điều hòa phương, tần số 46 3.3.5.1 Khảo sát tổng hợp hai dao động điều hịa phương có tần số khác chút 47 a) Mơ hình hóa tổng hợp hai dao động điều hịa phương có tần số khác chút 47 b) Thí nghiệm kiểm chứng tổng hợp hai dao động điều hòa phương có tần số khác chút 48 IV Hiệu sáng kiến đem lại .50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC .53 Tổ chức học giải vấn đề nội dung “Dao động cưỡng bức” với học sinh lớp 11 lý – THPT chuyên Lê Hồng Phong nhằm phát huy lực tìm hiểu tự nhiên 53 I Điều kiện, hoàn cảnh tạo SKKN Bước sang kỉ XXI, giới phát triển với tốc độ mạnh mẽ mặt kinh tế xã hội đặc biệt khoa học kĩ thuật với cách mạng công nghiệp 4.0 Cùng với giới, Việt Nam có biến đổi to lớn mặt để bắt kịp xu Sự thay đổi mạnh mẽ nhanh chóng kinh tế, xã hội đặt yêu cầu cho người lao động Bên cạnh lực chuyên môn thiếu, người lao động cần có lực chung lực hành động, lực tự học sáng tạo, lực hợp tác, lực giao tiếp ngoại ngữ… Trước yêu cầu cao đầu ra, giáo dục cần có thay đổi tồn diện Một điểm xu chung chương trình giáo dục phổ thơng nhiều nước giới từ cách tiếp cận nội dung sang cách tiếp cận lực người học tức thay thiết kế chuẩn kiến thức, kĩ HS đạt trước hết xác định lực cần trang bị phát triển cho HS Vì mục tiêu cuối dạy học phát triển lực hệ thống kiến thức, biết thật nhiều mà lực cần có để sống tốt hơn, làm việc hiệu Dạy học phát triển lực không trọng đến nội dung kiến thức mà ý đến cách thức, phương pháp truyền tải kiến thức Trong dạy học phát triển lực, HS phải tham gia tích cực trình xây dựng kiến thức, từ phát vấn đề tới trao đổi, thảo luận để giải vấn đề tới kết luận kiến thức cần xây dựng Lúc này, nội dung kiến thức lúc trở thành phương tiện hình thành phát triển lực Trong chương trình Vật lí THPT nói chung chương trình Vật lí chun nói riêng có nhiều kiến thức Vật lí mà để xây dựng cần kiến thức Tốn khơng nằm chương trình phổ thơng Ví dụ q trình dao động học để quy luật chuyển động vật cần giải phương trình vi phân bậc hai mà phương trình học sinh khơng học phổ thơng Do học sinh khơng tham gia vào trình xây dựng kiến thức Tuy nhiên, ngồi cách tiếp cận tốn giải tích, nhiều q trình Vật lí tiếp cận phương pháp tính số với hỗ trợ máy tính phần mềm Vật lí mơn khoa học thực nghiệm, q trình vật lí hầu hết khảo sát thực nghiệm Tuy nhiên có số q trình diễn q nhanh chậm khó khảo sát thí nghiệm truyền thống Các thí nghiệm kết nối với máy tính thí nghiệm phân tích video hướng giải khó khăn Có nhiều phần mềm tính số phần mềm thí nghiệm kết nối với máy tính Adestation, Phywe, Coach 7… Coach ưu việt tích hợp nhiều chương trình mơ hình hóa phân tích Video, thí nghiệm kết nối máy tính II Thực trạng Khảo sát dạng dao động chương trình Vật lí THPT chun khơng chun gặp nhiều khó khăn Cụ thể xây dựng lí thuyết, ví dụ với loại dao động dễ dao động điều hòa lắc lò xo, ta có phương trình động lực học lắc lị xo là: x ''  x  (1) Việc giải phương trình HS bất khải thi nên dạy GV thường thông báo nghiệm phương trình có dạng x  A cos(t   ) ; thử lại phương trình để kết luận dao động điều hịa Đó chưa kể đến chương trình Vật lí chun cịn nghiên cứu chuyên sâu dao động tắt dần dao động cưỡng Phương trình động lực học hai loại phức tạp nhiều Học sinh có đường học thuộc nghiệm mà giáo viên thơng báo nên khó để học sinh hiểu chất chưa nói đến phát triển lực Để khắc phục khó khăn mặt tốn học, sử dụng phương pháp tính số để khảo sát lí thuyết q trình dao động học Phương pháp tính số nguyên tắc tính giá trị liên thời gian sau dựa vào số liệu thu phân tích quy luật vật lí Ví dụ nghiên cứu chuyển động, phương pháp tính số dựa phương trình động học động lực học là: v(t )  v(t  t )  at ; x(t )  x(t  t )  v.t ; F  ma Xét với Δt nhỏ, ta lập bảng giá trị x theo t từ vẽ đồ thị x(t) xác định quy luật chuyển động Phương pháp khơng thể tính tốn thủ cơng mà cần hỗ trợ phần mềm Đơn giản dùng Excel nhiều thao tác khơng hỗ trợ cho việc tìm hàm quy luật x(t) Hiện có nhiều phần mềm hỗ trợ phương pháp tính số có Coach Coach có lợi mơ hình hóa biểu thức tốn học thành kí hiệu để trực quan dễ sử dụng Đối với thực nghiệm, trường phổ thơng có hai TN liên quan đến dao động Bộ thứ TN dao động học cho phép khảo sát chu kì lắc lị xo, chu kì lắc đơn, nghiên cứu định tính dao động cưỡng tượng cộng hưởng Bộ thứ TN ghi đồ thị lắc đơn cho phép vẽ đồ thị vị trí con lắc đơn theo thời gian lại khơng cho phép khảo sát đồ chu kì lắc đơn đồ thị vẽ trực quan HS khó hình dung ngun lí vẽ đồ thị Các thí nghiệm khảo sát dao động học khó thực TN yêu cầu ghi lại vị trí vật theo thời gian ngắn, phân tích số liệu thực nghiệm thông qua vẽ đồ thị li độ theo thời gian từ tìm hàm tốn học tương ứng Chính thiếu hụt phương tiện dạy học hạn chế phát triển lực khoa học - lực hình thành qua trình học tập mơn Vật lí Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, thí nghiệm sử dụng cảm biến ghép nối với máy tính phân tích Video khắc phục khó khăn nêu Tơi lựa chọn Coach tính tích hợp Coach vừa cho phép mơ hình hóa nghiên cứu lí thuyết vừa cho phép thực thí nghiêm kết nối với máy tính phân tích thí nghiệm qua Video Kết mơ hình hay thí nghiệm Coach xử lí, trình bày cách trực quan, nhanh chóng III Giải pháp 3.1 Tìm hiểu phần mềm Coach Coach phần mềm mang đến môi trường học tập linh hoạt sáng tạo Coach tích hợp cơng cụ kĩ thuật số thu thập liệu, điều khiển, phân tích Video, mơ hình hóa, thí nghiệm kết nối với máy tính xử lí số liệu Những công cụ giống với công cụ mà nhà nghiên cứu khoa học sử dụng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp cận theo hướng tìm tòi - khám phá giáo dục Ở chế độ người dùng giáo viên, Coach có khả tạo HĐ giảng dạy học tập cho HS văn bản, hình ảnh, video trang web Các HĐ tùy chỉnh để sử dụng cho HS bậc tiểu học đến đại học Coach chế độ HĐ cụ thể Coach là: - Đo lường (Mesurement): Các HĐ đo sử dụng để thu thập liệu thông qua cảm biến (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, cảm biến lực, cảm biến dịng điện…) để hiển thị, phân tích xử lý kết đo Nguyên tắc HĐ chế độ tuân theo nguyên tắc chung thí nghiệm ghép nối với máy tính Coach thu thập liệu đo lường theo cách thiết lập đo sau nhấn nút Bắt đầu Mặc dù Coach hỗ trợ nhiều loại đo lường, loại phép đo sử dụng phổ biến đo theo thời gian, liệu thu thập khoảng thời gian liên tiếp xác định tần số lấy mẫu Chúng ta thiết lập tùy ý khoảng thời gian đo tần số lấy mẫu tùy theo mục đích thí nghiệm Lấy mẫu để nắm bắt thay đổi quan trọng tín hiệu đo Ví dụ: + Khi đo nhiệt độ, tín hiệu nhiệt độ thay đổi chậm, tần số lấy mẫu nên đặt Hz Hz (4 lần/giây) thích hợp để đo nhiệt độ + Khi đo âm tần số lấy mẫu thấp không đủ tín hiệu âm thay đổi nhanh Vì cần có tần suất lấy mẫu 20.000 40.000 phép đo/giây khơng thơng tin tín hiệu quan trọng khơng thu + Khi xác định vị trí dao động theo thời gian, cần tối thiểu chu kì có điểm thực nghiệm, từ người dùng tính tốn để tần số lấy mẫu phù hợp Ngồi ra, sử dụng phương pháp đo khác như: đo lường dựa kiện, với phương pháp đo liệu thu thập lần xung (sự kiện) đầu vào cảm biến , đo lường thủ cơng, có điểm liệu thu thập người dùng nhấn vào nút Bắt đầu Với phương pháp đo lường thủ cơng bạn nhập liệu từ bàn phím Để thu thập liệu từ cảm biến cần kết nối cảm biến với thiết bị chuyển đổi tương thích Coach hỗ trợ đa dạng thiết bị chuyển đổi CMA €Sense (Windows and Mac OS); €Lab (Windows and Mac OS); €Motion (Only Windows); CLAB (Windows and Mac OS); VinciLab (Windows and Mac OS)…Bắt đầu từ phiên Coach 7.3, Coach hỗ trợ Internal Microphone Phiên cho phép đo thiết bị ghi âm mặc định PC MAC Coach làm việc với tất cảm biến CMA nhiều cảm biến hãng Vernier, Texas Instruments CASIO BT (cảm biến loại BT) cảm biến loại 4, cảm biến loại ML… Với hỗ trợ đa dạng Coach thí nghiệm ghép nối máy tính, GV HS sử dụng linh hoạt vào HĐ dạy học Giao diện hoạt động thu thập số liệu Coach với cảm biến - Điều khiển (control): Các HĐ Điều khiển dùng để xây dựng vận hành chương trình đo lường điều khiển Coach cung cấp nhiều tùy chọn để thiết kế chương trình điều khiển ngơn ngữ lập trình đơn giản - Ngơn ngữ Coach HS tạo chương trình Coach cách gõ trực tiếp câu lệnh Coach vào khu vực hiển thị chương trình sử dụng câu lệnh mà Coach có sẵn Lập trình thơng qua lệnh giúp cho việc viết chương trình trở nên xác đơn giản - Phân tích Video (Video data): Theo nguyên tắc chung, HĐ phân tích Video sử dụng để thu thập liệu từ video, hình ảnh số phân tích chuyển động hình dạng đối tượng thực Những HĐ góp phần đưa quy luật, tượng trình khoa học xảy sống thực vào trình giảng dạy lớp Trong q trình phân tích hình ảnh, liệu tọa độ, liệu thời gian tọa độ hình ảnh hoạt nghiệm thu thập Chức giúp ích việc phân tích quỹ đạo x theo t có dạng đường cong Khi phân tích video, liệu tọa độ thời gian thu thập khung video ghi lại Các liệu chọn cách thủ công (nhấn chuột tay) tự động cách theo sát đối tượng di chuyển (bám điểm) – ưu điểm Coach phân tích Video Nếu chọn phương pháp phân tích Video thủ cơng, GV hay HS phải kích chuột vào vị trí vật theo khung hình (giống phần mềm phân tích Video khác) Cơng việc dễ dẫn đến sai số mang tính chủ quan (do thao tác kích chuột) nhiều thời gian Để tiết kiệm thời gian việc phân tích đơn giản hơn, Coach cho phép người dùng thu thập liệu cách tự động đánh dấu điểm (tính Point tracking) Theo thiết lập khu vực đánh dấu (gồm khu vực tìm kiếm khu vực kích hoạt), Coach tự động thu thập vị trí khu vực theo khung hình hoàn toàn tự động Như liệu thu thập khách quan, độ xác phép đo giống khung hình Để thực chức đánh dấu tự động cách thành công, Video chuẩn bị phải khớp với yêu cầu sau: Thứ nhất, vật thể đánh dấu khơng thay đổi nhiều kích thước, hình dạng màu sắc Thứ hai, điểm đánh dấu tốt nên hình trịn chúng nên có màu khác với màu vùng tìm kiếm (có thể sử dụng màu đen trắng) Cuối cùng, điểm đánh dấu phải nằm vùng tìm kiếm nhiều tốt Đây lưu ý vô quan trọng cho GV HS sử dụng Coach để phân tích Video Ngồi phân tích Video, Coach cịn hỗ trợ phân tích hình ảnh Khi phân tích ảnh nhất, liệu tọa độ liệu thời gian hình ảnh tĩnh thu thập cách nhấp vào điểm cần quan tâm hình ảnh Với hình ảnh sai lệch phối cảnh, Coach có chức hiệu chỉnh phối cảnh khơng phải ảnh chụp với góc máy vng góc với vật cần nghiên cứu khơng gian rộng (ví dụ cầu treo, nhà cao tầng…) Giao diện hoạt động thu thập liệu Coach phân tích Video Dù phân tích Video (bằng thủ cơng hay tự động), phân tích hình ảnh người dùng chỉnh sửa thêm bớt điểm thực nghiệm Khi bảng số liệu đồ thị cập nhật đồng thời Tính cho phép hiệu chỉnh số liệu cảm thấy vị trí khơng hợp lí (do thao tác sai điểm đánh dấu chọn chưa phù hợp) - Mơ hình hóa (modeling): Mơ hình hóa tạo ba chế độ: đồ họa, phương trình văn Mơ hình đồ hoạ dễ sử dụng phong phú việc điểm dao động vật Đặc biệt nhóm suy luận tần số DĐCB giai đoạn ổn định tốt Khi nhận thấy dao động có dạng hình sin, nhóm xác định chu kì giai đoạn so sánh với giá trị gán cho mơ hình lắc lị xo thấy khơng giống nên nhóm vẽ thêm đồ thị lực cưỡng thấy vật dao động theo tần số lực cưỡng Mơ hình kết HĐ mơ hình nhóm Nhóm số “lười” suy nghĩ lập sau đọc yêu cầu nhiệm vụ nhóm sử dụng trợ giúp làm theo hướng dẫn trợ giúp Nhóm hồn thành mơ hình sớm đưa nhận xét dao động sớm Nhưng nhóm đảm bảo yêu cầu thời gian kết mà không đáp ứng q trình nhận thức Đây có lẽ thói quen học tập nhiều HS, thường quan tâm đến kết cịn khơng quan tâm tới cách thức làm việc Điều cho thấy cần quan tâm đến trình nhận thức HS, cần thay đổi nhiều giáo dục Nhận thấy điều này, GV nhắc nhở HS nhiệm vụ sau cần cố gắng hồn thành trước dùng đến trợ giúp làm việc nhóm khơng có người mà có nhiều người suy nghĩ để giải nhiệm vụ 71 Nhóm “lười” suy nghĩ để hồn thành nhiệm vụ Mơ hình kết HĐ mơ hình nhóm Nhóm số nhanh trí tận dụng ln mơ hình dao động tắt dần để bổ sung lực cưỡng Nhưng nhóm vướng mắc việc thiết lập lực cưỡng nên sử dụng hai trợ giúp hướng dẫn GV nhóm khơng xác định phải xây dựng lắc lị xo k1, m1 Sau nhóm hồn thành mơ hình 72 Nhóm nhanh trí sử dụng mơ hình dao động tắt dần xây dựng để chỉnh sửa thành mô hình DĐCB Do chỉnh sửa từ mơ hình dao động tắt dần nên việc chạy thử mơ hình cho kết nhóm dễ dàng so với nhóm khác cần gán giá trị cho lực cưỡng Tuy nhiên nhóm lại đưa nhận xét hai giai đoạn dao động mà không đặc điểm dao động giai đoạn ổn định GV gợi ý “Dao động ổn định quan tâm đến chu kì, tần số Ở giai đoạn lắc dao động với phương trình nào? Tần số sao?” Nhóm tiến hành Fix hàm giai đoạn ổn định theo gợi ý giáo viên kết luận vật dao động điều hòa với tần số ngoại lực cưỡng Mơ hình kết HĐ mơ hình nhóm Sau nhóm hồn thành xong mơ hình, GV tổng kết lại kết HĐ mơ hình u cầu nhóm phát biểu giả thuyết đề xuất phương án TN để kiểm chứng giả thuyết Các nhóm hầu hết phát biểu đủ giả thuyết, có nhóm số 73 cần GV chỉnh sửa em nhận hai giai đoạn mà chưa nhận xét đặc điểm giai đoạn thứ TN kiểm chứng giả thuyết * Xây dựng phương án TN Rút kinh nghiệm xây dựng mô hình, nhóm thảo luận sơi tích cực, tự lực suy nghĩ đưa phương án TN phù hợp Cả nhóm phải sử dụng đến trợ giúp nhóm sử dụng trợ giúp cịn nhóm sử dụng trợ giúp để hồn thiện phương án TN Khó khăn mà tất em gặp phải làm để tạo lực cưỡng điều hịa thường bó hẹp suy nghĩ lực lực học sau xây dựng mơ hình Nhóm số xây dựng phương án TN hoàn chỉnh, việc sử dụng trợ giúp theo em dùng để kiểm tra lại phương án Nhóm chia sẻ “Lớp làm tập sóng đặt nam châm điện xoay chiều sợi dây thép để có sóng dừng dây, nhóm nghĩ đến đặt nam châm điện lắc lò xo Khi tần số lực từ lực cưỡng gấp hai lần tần số dịng điện” Điều cho thấy nhóm biết vận dụng lí thuyết học để vận dụng giải nhiệm vụ GV vào phương án nhóm điều chỉnh chút thay tương tác nam châm điện thép ta cho tương tác nam châm điện nam châm vĩnh cửu nhằm tăng lực tương tác chúng tần số dịng điện tần số DĐCB Ban đầu, nhóm suy nghĩ đến việc tác dụng lực tuần hồn có cường độ khơng đổi sau chu kì dao động giống đưa võng, GV phân tích trường hợp làm để đảm bảo lực tác dụng lần có độ lớn giống yêu cầu nhóm suy nghĩ cấu tác dụng lực Nhóm sáng tạo nghĩ cấu dạng trục quay điều khiển động để dao động điều hịa quanh trục từ làm cho lắc lò xo gắn với trục dao động theo GV gợi ý tiếp làm ghi đồ thị lắc theo thời gian, vận dụng kiến thức cũ HS đưa phương án quay Video dùng Coach để phân tích 74 a) Sơ đồ phương án TN b) Đại diện nhóm lên trình bày nhóm phương án Thảo luận thống phương án thí nghiệm Nhóm số sau vẽ sơ đồ thí nghiệm chọn phương án phân tích Video để khảo sát, nhóm số chọn cảm biến lực theo gợi ý giáo viên phiếu trợ giúp số Kết với sơ đồ TN nhóm sau: Sơ đồ TN khảo sát DĐCB nhóm Sau bốn nhóm hồn thành nhiệm vụ, lớp thảo luận để đưa phương án phù hợp GV thống hai phương án thực hành TN với cảm biến lực TN phân tích Video, giao cho nhóm tiến hành TN cảm biến cịn nhóm tiến hành TN phân tích Video GV đưa nhiệm vụ tự học cho nhóm thiết kế phương án TN khảo sát DĐCB khác so với phương án GV chuẩn bị, ví dụ thiết kế cấu lực cưỡng nhóm số * Tiến hành TN khảo sát 75 Sau GV nhận xét thống phương án TN, nhóm tiến hành TN khảo sát Nhóm tiến hành TN phân tích hình, nhóm tiến hành TN kết nối máy tính Giai đoạn khơng khí lớp học sơi hẳn Việc bố trí TN với nhóm khơng q khó khăn TN tương tự với TN dao động tắt dần Nhóm số sau hồi loay hoay với thiết bị hoàn thành TN với đồ thị thu giống với mơ hình Ngược lại nhóm số bố trí TN nhanh kết đo lại khơng thấy quy luật Chính nhóm sử dụng trợ giúp điều chỉnh lại vị trí lắc với nam châm cho tâm chúng trùng để lấy lại số liệu đồ thị Nhóm số thực với TN tương tác hình tương đối tốt Nhóm số gặp cố với máy tính khơng sử dụng phân tích Video nên phải đổi sang máy tính GV chuẩn bị dự phịng Sau đổi máy chút thời gian làm quen lại nhóm hồn thành TN Cả hai nhóm ban đầu phân tích chưa có kết tương tự mơ hình Nhờ vào kinh nghiệm dao động tắt dần, nhóm chỉnh kích thước điểm thử nghiệm, lấy mốc thời gian hợp lí cho kết tương đối phù hợp với giả thuyết Các nhóm thực TN khảo sát DĐCB a) b) 76 c) d) Kết TN nhóm a) Nhóm b) Nhóm c) Nhóm d) Nhóm * Xử lí kết so sánh kết với mơ hình lí thuyết rút kết luận Các nhóm nhận thấy từ kết TN vật dao động theo hai giai đoạn giả thuyết phát biểu Ngoài ra, theo giả thuyết nhóm cần kiểm chứng tần số dao động nên tiến hành fix hàm giai đoạn ổn định so sánh tần số dao động giai đoạn với tần số dao động riêng tần số ngoại lực cưỡng để kiểm nghiệm Nội dung nhóm hồn thành nhanh chóng GV bất ngờ hai nhóm làm với cảm biến lực đưa đồ thị lực theo thời gian thành đồ thị tọa độ theo thời gian đề phù hợp với mơ hình Sau đó, nhóm tiến hành so sánh kết với mơ hình lí thuyết Đến cịn nhóm hồn thành mà khơng cần trợ giúp Do nhóm sử dụng mơ hình từ dao động tắt dần nên số thơng số hệ lắc lị xo độ cứng lò xo, khối lượng vật, hệ số cản nhóm sát với thực tế Các em điều chỉnh lại giá trị lực cưỡng để tần số cưỡng mơ hình với tần số thực nghiệm, điều chỉnh giá trị ban đầu lực cưỡng để khớp mơ hình kết TN Điều lần cho thấy em nhóm biết cách vận dụng kiến thức học trước suy nghĩ logic từ giá trị thực tế áp dụng vào mô hình để hồn thành nhiệm vụ Các nhóm sử dụng trợ giúp em thay đổi giá trị mô hình để khớp với thực nghiệm Với trợ giúp 1, nhóm xác định phải thay đổi giá trị mơ hình để phù hợp với giá trị thực tế hệ lắc lò xo đến lực cưỡng Nhóm số 2, đo em không lấy mốc tọa độ trùng với giá trị cảm biến nên so sánh mơ hình lí thuyết giá trị thực nghiệm em có chênh lệch nhiều, dù sử dụng đến trợ giúp mà không hoàn thành nhiệm vụ GV kiểm tra gợi ý “Hàm fix đồ thị thực nghiệm có phải hàm x = Acos(Ωt) khơng?” 77 Nhóm nhanh chóng kiểm tra đưa phương án “Trên đồ thị thực nghiệm hàm có dạng x = 0.008 * sin(8.43*time - 2.077) - 0.003(m) nên mơ hình khơng so sánh với giá trị li độ x mà phải so sánh giá trị li độ xtn = x – 0.003 (m)” Sau suy luận này, nhóm khớp mơ hình lí thuyết với thực nghiệm a) b) c) d) So sánh mơ hình lí thuyết kết thực nghiệm a) Nhóm b) Nhóm c) Nhóm d) Nhóm Cả nhóm nhận thấy lí thuyết thực nghiệm hồn tồn trùng nên giả thuyết nhóm đưa xác rút kết luận: “Khi vật chịu tác dụng lực cưỡng tuần hoàn, vật DĐCB theo hai giai đoạn: giai đoạn đầu không ổn định, giai đoạn sau ổn định với tần số dao động tần số ngoại lực” GV thông báo: “Dao động gọi DĐCB thông thường quan tâm đến giai đoạn ổn định Tại giai đoạn biết vật dao động với tần số ngoại lực cưỡng bức, theo em có cần nghiên cứu giai đoạn nữa?” Các nhóm đưa yếu tố cần quan tâm biên độ pha ban đầu GV giao nhiệm vụ buổi học nghiên cứu biên độ DĐCB, pha ban đầu giao cho HS nhà nghiên cứu 5.2 Hoạt động Khảo sát biên độ dao động cưỡng (tiết 2) * Đặt vấn đề Đầu giờ, GV dành vài phút yêu cầu HS nhắc lại số kiến thức DĐCB tiết trước nhiệm vụ buổi hôm Như lớp tiến hành khảo sát biên độ DĐCB * Giải vấn đề 78 Suy luận lí thuyết Để hồn thành nhiệm vụ 2, nhóm giải toán biên độ DĐCB phụ thuộc vào yếu tố nào? Các nhóm khơng ngồi đốn mị mà có tư lí thuyết Nhóm số 1, hoàn thành nhiệm vụ tương đối dễ dàng, nhóm số dùng đến trợ giúp Điều hợp lí HS quay tốn lí thuyết quen thuộc mà em học, kinh nghiệm giải tập giúp em hoàn thành tốt nhiệm vụ thời gian ngắn Giáo viên trình chiếu đáp án nhóm, đại diện nhóm số – nhóm hồn thành nhanh lên trình bày suy luận nhóm Các nhóm trí cao với kết thu a) b) Suy luận lí thuyết tìm biên độ DĐCB a) Đáp án biên độ DĐCB nhóm b) Đại diện nhóm lên trình bày suy luận GV u cầu HS dự đốn biên độ DĐCB phụ thuộc vào đại lượng Đại diện nhóm trả lời + Nhóm 1: Phụ thuộc lực cưỡng bức, tần số DĐCB, tần số dao động riêng, khối lượng vật ma sát + Nhóm 2: Phụ thuộc lực cưỡng bức, tần số DĐCB, tần số dao động riêng ma sát + Nhóm 3: Phụ thuộc biên độ lực cưỡng bức, tần số DĐCB, khối lượng vật ma sát + Nhóm 4: Phụ thuộc lực cưỡng bức, tần số DĐCB, tần số dao động riêng, khối lượng vật 79 Đại diện nhóm cho ý kiến biên độ DĐCB GV phân tích tiếp “Nếu nhìn vào biểu thức ý kiến nhóm rấy xác Tuy nhiên muốn em nhìn rộng chút Biểu thức xây dựng với lắc lò xo Vậy có với hệ DĐCB” Nhóm số đưa ý kiến hợp lí: “Đối với lắc đơn khơng có khối lượng m mà thay vào chiều dài lắc l” Với ví dụ này, GV tổng kết lại: “Như vậy, biên độ dao động lắc phụ thuộc vào yếu tố: biên độ ngoại lực cưỡng bức, tần số DĐCB ma sát vật môi trường” Thực nghiệm kiểm tra giả thuyết Tương đối quen thuộc với tiến trình nghiên cứu, nhóm thảo luận nhanh trình bày trước lớp phương án khảo sát biên độ DĐCB Điều đáng mừng giáo viên nhận thấy em xác định khảo sát đại lượng phụ thuộc vào nhiều biến cần khảo sát với biến biến khác giữ khơng đổi Ví dụ khảo sát biên độ lực cưỡng phụ thuộc biên độ ngoại lực cưỡng cần cố định thơng số khác lắc: hệ dao động, ma sát, tần số ngoại lực Tức tư thực nghiệm hình thành Các nhóm tiến hành TN khảo sát biên độ DĐCB Mặc dù đổi phương án thực hành với nhóm quan sát rút kinh nghiệm từ tiết trước nên nhóm cho kết thực hành tương đối xác 80 Kết khảo sát biên độ DĐCB nhóm Kết khảo sát biên độ DĐCB nhóm Hình 4.1 Kết khảo sát biên độ DĐCB nhóm Kết khảo sát biên độ DĐCB nhóm Có thể thấy nhóm phân tích đồ thị để suy biên độ DĐCB trường hợp khảo sát nhằm kiểm nghiệm giả thuyết phát biểu Riêng nhóm số có cách phân tích kết riêng so sánh trực tiếp biên độ đồ thị * Kết luận Sau tiến hành TN phân tích kết tất nhóm rút kết luận: “Biên độ củavật DĐCB phụ thuộc vào biên độ ngoại lực cưỡng bức, tần số cưỡng bức, ma sát vật môi trường” 81 5.3 Hoạt động 3: Khảo sát tượng cộng hưởng * Đặt vấn đề GV cho HS xem video cầu Tahoma Narrows – cầu treo bắc qua eo biển Tacoma Narbow bị sụp đổ vào tháng 11 năm 1940 sau tháng xây dựng tác động gió Tại cầu lại bị sập? HS hào hứng xem Video đưa nhiều đốn, có em nhớ tới HTCH cho tần số dao động gió tần số dao động riêng cầu làm lắc lư khủng khiếp sau nhiều dẫn đến cố GV tiếp tục đặt vấn đề: “Khi tần số DĐCB tần số dao động riêng có tượng gì? Hay nói cách khác HTCH điều kiện xảy cộng hưởng” * Giải vấn đề Suy luận lí thuyết Các nhóm thảo luận, nhóm số phân tích, từ Video cho thấy cầu dao động mạnh trước sập, chứng tỏ biên độ dao động cầu lớn Dự đoán biên độ DĐCB đạt giá trị cực đại tần số dao động tần số dao động riêng Theo suy luận này, nhóm tiến hành khảo sát biên độ dao động theo tần số DĐCB Đây toán đơn giản mặt tốn học, nhóm hồn thành cách tương đối dễ dàng Hồn thành nhanh nhóm số 1, nhóm 3, 4, Các nhóm thảo luận, khảo sát lí thuyết biên độ theo tần số ngoại lực GV trình chiếu kết nhóm chúng hồn tồn đồng Tuy nhiên, tần số dao động để biên độ đạt giá trị cực đại ΩCH = 02  2 ≠ ω0, khác với kiến thức HS học: “biên độ cưỡng cực đại tần số dao động tần số dao động riêng” [6] Nhóm cho β