Giải bài tập chương Dao động cơ Vật lý lớp 12 trung học phổ thông bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC TRẦN VĂN THUẬN GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG "DAO ĐỘNG CƠ" VẬT LÝ LỚP 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG BẰNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÝ Mã số: 601410 Cán hướng dẫn: PGS.TS BÙI VĂN LOÁT HÀ NỘI – 2012 MỤC LỤC Lời cảm ơn………………………………………………………………… i Danh mục viết tắt……………………………………………………………ii Danh mục bảng hình…………………………………………………….iii Mục lục………………………………………………………………………iV MỞ ĐẦU Chƣơng 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP VẬT LÍ PHỔ THƠNG CĨ SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATLAP 1.1 Những vấn đề lí luận dạy giải tập Vật lí………………………… 1.1.1 Khái niệm tập Vật lí …………………………………………….5 1.1.2 Vai trị tập vật lí ………………………………………….……5 1.1.3 Phân loại tập vật lí …………………………………………………7 1.1.4 Phƣơng pháp giải tập vật lí ……………………………………….13 1.1.5 Hƣớng dẫn học sinh giải tập vật lí……………………………… 16 1.1.5.2 Hƣớng dẫn tìm tịi (Hƣớng dẫn Ơrixtic)…………………… …… 17 1.2.Vai trò, ý nghĩa việc sử dụng công nghệ thông tin dạy học….…… 19 1.2.1 Giáo dục cơng nghệ……………………………………………… 19 1.2.2 Vai trị CNTT dạy học Vật lí……………………………….20 1.2.3 Khai thác sử dụng số phần mềm để dạy học mơn Vật lí…… 21 1.2.4 Ƣu điểm hạn chế việc ứng dụng CNTT dạy học Vật lí…22 1.3 Giới thiệu phần mềm Matlab 23 1.3.1 Các kiểu liệu……………………………………………………….24 1.3.2 Các phép tính với ma trận……………………………………… … 24 1.3.3 Cú pháp……………………………………………………………….25 1.3.4 Cú pháp đặc biệt (syntactic sugar)…………………………………….26 1.3.5 Tính vẽ đồ thị………………………………………………… 26 1.4 Thực trạng việc sử dụng CNTT dạy học vật lí số trƣờng phổ thông………………………………………………………….27 1.4.1 Đối với giáo viên…………………………………………………… 27 1.4.2 Đối với học sinh………………………………………………………29 Kết luận chƣơng 30 Chƣơng 2: HỆ THỐNG BÀI TẬP VÀ HƢỚNG DẪN HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP CHƢƠNG DAO ĐỘNG CƠ VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATLAB……………………………………………………31 2.1 Phân tích nội dung kiến thức phần “Dao động ” chƣơng trình Vật lí 12 Cơ bản………………………………………………………………….……31 2.1.1 Vị trí chƣơng “Dao động ” chƣơng trình Vật lí 12 bản… 31 1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ năng…………………………………… ……… 31 2.1.3 Sơ đồ cấu trúc nội dung chƣơng………………………………………33 2.2 Tóm tắt mội dung kiến thức bản…………………………………… 35 2.2.1 Các khái niệm ……………………………………………… 35 2.2.2 Các công thức sử dụng……………………………………………… 35 2.3 Đặc điểm, cấu trúc nội dung chƣơng “Dao động ” vật lí 12 Ban 37 2.3.1 Nội dung chƣơng trình Vật lý 12 Cơ 37 2.3.2 Về phân phối chƣơng trình 38 2.4 Phân loại soạn thảo hệ thống tập chƣơng Dao động cơ…… 38 2.4.1 Phân loại tập chƣơng Dao động cơ……………………………….38 2.4.2 Soạn thảo hệ thống tập chƣơng Dao động cơ…………………… 39 2.4.3 Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng hệ thống tập soạn thảo 41 Kết luận chƣơng 2………………………………………………………… 61 Chƣơng 3: THƢ̣C NGHIỆM SƢ PHẠM ……………………………………… 61 3.1 Mục đích nhiệm vụ TNSP……………………………………….62 3.2 Đối tƣợng, thời gian phƣơng thức TNSP 62 3.2.1 Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm 62 3.3 Phân tích đánh giá thực nghiệm sƣ phạm 63 3.3.1 Phân tích định tính diễn biến học q trình TNSP 63 3.3.2 Kết TNSP lớp TN ĐC……………………………… 65 Kết luận chƣơng 3………………………………………………………………71 ́ KÊT LUẬN…………………………………………………………………73 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………76 PHỤ LỤC……………………………… ……………………………… 78 TÓM TẮT LUẬN VĂN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, với bùng nổ thông tin, số lượng thơng tin ngày tăng nhanh Máy tính tham gia vào q trình xử lí thơng tin kéo theo thay đổi nhanh chóng ngành, nghề khác nhau, thay đổi toàn diện mặt xã hội Ngành giáo dục khơng nằm ngồi ảnh hưởng đó, chí cịn bị ảnh hưởng mạnh mẽ Trước tình hình đó, Bộ Giáo dục Đào tạo cần thay đổi đồng thành tố trình dạy học mục tiêu, nội dung, phương pháp, hình thức tổ chức, phương tiện, kiểm tra đánh giá nhằm kích thích khả tư duy, sáng tạo, lực giải vấn đề học sinh (HS), đổi phương pháp dạy học nhằm tạo người có khả đáp ứng với yêu cầu thị trường lao động Ở nước ta, năm gần đây, thực việc nghiên cứu đổi nội dung phương pháp dạy học nhằm bồi dưỡng cho HS phương pháp nhận thức khoa học, phát triển lực giải vấn đề trình dạy học nói chung dạy Vật lý nói riêng thu hút nhiều quan tâm nhà lý luận dạy học, giáo viên phổ thông Q trình dạy học Vật lí nâng cao chất lượng học tập phát triển lực học sinh nhiều phương pháp, cách thức khác Trong giải tập vật lí với tư cách phương pháp xác định từ lâu giảng dạy Vật lí có tác dụng tích cực đến việc giáo dục phát triển lực học sinh Đó thước đo đắn, thực chất tiếp thu, vận dụng kiến thức kĩ năng, kĩ xảo học sinh Bài tập Vật lí giúp học sinh hiểu sâu sắc quy luật vật lí, tượng vật lí, biết phân tích vấn đề thực tiễn Thông qua việc giải dạng tập, học sinh vận dụng kiến thức để tự lực giải thành cơng tình cụ thể khác kiến thức trở nên sâu sắc, hoàn thiện biến thành vốn kiến thức riêng Việc sử dụng phần mềm để mơ phỏng, mơ hình hóa tượng Vật lý giúp học sinh nhận thức vấn đề, nhận thức tượng vật lý cách trực quan Việc dạy học Vật lý với hỗ trợ phần mềm tiết kiệm thời gian tổ chức hoạt động nhận thức, tăng thời gian thảo luận giải vấn đề thuộc chất tượng Với việc sử dụng phần mềm, mơ hình để dạy học Vật lý cho phép tăng cường việc tương tác người dạy người học Matlab mơi trường tính toán số phát triển The MathWorks, Matlab ngơn ngữ lập trình mạnh ngày sử dụng nhiều kỹ thuật Vật lý Nó thiết kế để giải tốn số, tích hợp tính tốn, thị lập trình mơi trường dễ sử dụng Các ứng dụng tiêu biểu Matlab hỗ trợ toán học tính tốn, mơ hình, mơ phỏng, phân tích, khảo sát hiển' thị số liệu, đồ thị Vì thế, chọn đề tài “Giải tập chương "Dao động cơ" vật lý 12 trung học phổ thông ngơn ngữ lập trình Matlab” Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlap để giải tập chương “Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 thiết kế phương án dạy học với tập Đối tƣợng nghiên cứu - Phần mềm ngơn ngữ lập trình Matlab - Các dạng tập chương “Dao động cơ” sách giáo khoa Vật lý 12 Phạm vi nghiên cứu Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap việc dạy tập chương “Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 Câu hỏi nghiên cứu Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap để giải tập chương “Dao động cơ” phương án thiết kế dạy tập nào? Giả thuyết khoa học Sử dụng ngơn ngữ Matlap lập trình tập chương “Dao động ” với độ trực quan khả khái qt hóa cao nhằm phát huy tính tích cực HS Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu, sách báo liên quan đến đề tài để xác định sở lí luận việc xây dựng bải tập Vật lý chương “Dao động ” nhằm phát huy tính tích cực nhận thức cho HS Điều tra, khảo sát tình hình dạy học tập việc ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) giảng dạy phần “Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab xây dựng dạng tập sách giáo khoa phần “Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 Thiết kế phương án dạy học phần “Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 Ban với dạng tập xây dựng Thực nghiệm sư phạm, kiểm nghiệm tính hiệu dạng tập thiết kế dạy học phần “Dao động " sách giáo khoa Vật lý 12 Phƣơng pháp nghiên cứu 8.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết Nghiên cứu tài liệu, sách báo liên quan đến đề tài nghiên cứu nhằm xác định sở lý luận đề tài 8.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn Điều tra giáo dục: Phỏng vấn gián tiếp phiếu hỏi toạ đàm trực tiếp với đối tượng giáo viên, học sinh thực trạng dạy học vật lý trường phổ thông Quan sát sư phạm: Dự giáo viên vật lý * Thực nghiệm sư phạm Tiến hành dạy số tiết học có sử dụng phần mềm dạy học theo hướng tích hóa hoạt động nhận thức học sinh; quan sát, kiểm tra đánh giá hoạt động HS học học này, sau so sánh với lớp đối chứng; kết hợp với việc trao đổi ý kiến GV học có sử dụng phần mền thí nghiệm ảo * Thống kê toán học Sử dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu TNSP, so sánh kết học tập hai nhóm thực nghiệm đối chứng, từ rút nhận xét nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học đề tài Đóng góp đề tài Góp phần làm sáng tỏ vai trị phương pháp mơ hình hóa phần mềm máy tính dạy học Vật lý trường phổ thông Cung cấp hiểu biết phần mềm Matlab ứng dụng Tạo số mơ hình có giá trị thực tiễn 10 Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung luận văn chia thành chương Chương 1: Cơ sở lý luận thực tiễn hoạt động dạy giải tập vật lí phổ thơng có hỗ trợ ngơn ngữ lập trình Matlab Chương 2: Soạn thảo hệ thống tập tổ chức hoạt động dạy học với hệ thống tập có sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab vào chương “Dao động " Sách giáo khoa Vật lý 12 Chương 3: Thực nghiệm sư phạm CHƢƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA HOẠT ĐỘNG DẠY GIẢI BÀI TẬP VẬT LÍ PHỔ THƠNG CĨ SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATLAB 1.1 Những vấn đề lí luận dạy giải tập Vật lí 1.1.1 Khái niệm tập Vật lí [1] Theo X.E Camenetxki V.P.Oorrekhop « Trong thực tế dạy học, tập Vật lí hiểu vấn đề đặt mà trường hợp tổng qt địi hỏi suy luận logic, phép tốn thí nghiệm dựa sở định luật phương pháp vật lí » Trong tài liệu giáo khoa tài liệu phương pháp dạy học môn người ta thường hiểu tập Vật lí luyện tập lựa chọn cách phù hợp với mục đích chủ yếu nghiên cứu tượng Vật lí, hình thành khái niệm, phát triển tư Vật lí học sinh rèn kĩ vận dụng kiến thức học sinh vào thực tiễn 1.1.2 Vai trò tập vật lí [1] Thơng qua dạy học tập vật lí, người học nắm vững cách xác, sâu sắc tồn diện quy luật Vật lí, tượng Vật lí, biết cách phân tích chúng ứng dụng chúng vào vấn đề thực tiễn Bài tập Vật lí sử dụng phương tiện độc nghiên cứu tài liệu trang bị kiến thức cho học sinh Bài tập vật lí cịn hình thức củng cố, ơn tập, hệ thống hóa kiến thức phương tiện để kiểm tra kiến thức, kĩ học sinh Bài tập Vật lí cịn có ý nghĩa to lớn việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp Các tập Vật lí đề cập đến lĩnh vực khác sống, khoa học kĩ thuật, thông tin liên lạc, giao thông vận tải, sản xuất nông nghiệp Bài tập Vật lí góp phần xây dựng giới quan vật biện chứng cho học sinh, làm cho họ hiểu rõ giới tự nhiên giới vật chất, vật chất trạng thái vận động, họ mong muốn đem tài trí tuệ cải tạo thiên nhiên Giải tập vật lí khơng phải cơng việc nhẹ nhàng, địi hỏi làm việc căng thẳng, tích cực học sinh, sựu vận dụng tổng hợp kiến thức, kinh nghiệm tìm lời giải nêu tập vật lí 1.1.3 Phân loại tập vật lí [9] Các tập vật lí khác nội dung mục đích dạy học, dạy học vật lí phân loại chúng theo cách sau: - Phân loại theo nội dung - Phân loại theo phương thức cho điều kiện phương thức giải - Phân loại theo yêu cầu luyện tập kĩ năng, phát triển tư sáng tạo học sinh BÀI TẬP VẬT LÍ Phân loại theo nội dung Bài tập the o đề tài vật lí Cơ Bài tập có nội dun g lịch sử Bài tập Kĩ thu ật tổng hợp Bài tập có nội dung cụ thể trừu tƣợng Nhiệt Phân loại theo yêu cầu phát triển tƣ Điện Bài tập vật lí vui Bài tập luyệ n tập Bài tập sáng tạo Phân loại theo phƣơng thức cho điều kiện phƣơng thức giải Bài tập định tính Bài tập định lƣợn g Bài tập thí nghiệ m Bài tập đồ thị Trắc nghiêm khách quan Quang Hình 1.1 Phân loại tập vật lí 1.1.3.1 Phân loại tập theo nội dung 1.1.3.2 Phân loại theo phương thức cho điều kiện phương thức giải Theo đó, người ta phân thành dạng: tập định tính, tập định lượng, tập thí nghiệm, tập đồ thị, tập trắc nghiệm khách quan - Bài tập định tính: Có hai loại tập định tính là: Giải thích tượng dự đoán tượng - Bài tập định lƣợng (bài tập tính tốn): Đó tập giải phải sử dụng phương pháp Toán học, cách dựa định luật, quy tắc cơng thức Vật lí 1.2.2 Vai trị CNTT dạy học Vật lí Vai trị CNTT dạy học thật trao quyền chủ động cho HS thay đổi PPDH GV Từ vai trò định việc học người thầy chuyển sang giữ vai trò điều khiển (theo kiểu dạy học lấy HS làm trung tâm) Kiểu dạy học hướng vào HS hoạt động hóa người học thực cách tốt với giúp đỡ máy tính mạng internet Đối với ngành Vật lí, ứng dụng CNTT dạy học bước chuyển qúa trình đổi nội dung PPDH Cụ thể [14] - CNTT công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc xây dựng kiến thức - CNTT tạo môi trường để khám phá kiến thức nhằm hỗ trợ cho q trình học tập - CNTT tạo mơi trường để hỗ trợ học tập qua thực hành, qua cộng đồng qua phản ánh - CNTT giúp cho việc đánh giá định tính định lượng Vật lí xác, công 1.2.3 Khai thác sử dụng số phần mềm để dạy học mơn Vật lí Phần mềm Vật lí kể đến sau đây: Phần mềm Crocodile Physics phần mềm dùng để thiết kế thí nghiệm ảo mơn Vật lí nhà trường phổ thông; PAKMA phần mềm chuyên dụng cho mơn Vật lí phần mềm eXe để tập huấn giúp giáo viên thiết kế nội dung học tập mơn Vật lí; Working Model để thiết kế thí nghiệm mơ Vật lí… Việc sử dụng phần mềm giảng dạy hướng nghiên cứu mẻ cần quan tâm nghiên cứu để tiếp tục phát triển 1.2.4 Ưu điểm hạn chế việc ứng dụng CNTT dạy học Vật lí 1.2.4.1 Ưu điểm - Là công cụ đắc lực, hỗ trợ cho việc xây dựng kiến thức - Giúp HS dễ hiểu bài, hiểu cách sâu sắc nhớ lâu việc thu nhận thông tin từ vật tượng cách sinh động, xác đầy đủ từ nâng cao hứng thú học tập, nâng cao lòng tin học sinh vào khoa học 12 - Giúp HS tiếp cận làm việc với khoa học kỹ thuật công nghệ đại - Giúp cho học HS thêm sinh động, phong phú, hấp dẫn HS - Giúp tiết kiệm thời gian tiết học - Giải phóng người thầy khỏi khối lượng cơng việc tay chân, làm tăng khả nâng cao chất lượng dạy học 1.2.4.2 Hạn chế Tuy nhiên, khơng thể nói việc ứng dụng CNTT dạy học Vật lí khơng có hạn chế Có thể nêu số hạn chế thường gặp sau: - Chi phí đầu tư trang thiết bị, sở vật chất lớn - Đòi hỏi đội ngũ GV HS phải có trình độ tin học, ngoại ngữ tiếng Anh mức độ định - Khi sử dụng máy tính điện tử, người ta dễ đánh cảm giác chân thực thiếu cảm xúc, xúc giác ấn tượng thực 1.3 Giới thiệu phần mềm Matlab Matlab môi trường tính tốn số lập trình, thiết kế cơng ty MathWorks Matlab cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực thuật tốn, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác [12] 1.3.1 Các kiểu liệu MatLab có đầy đủ kiểu liệu đơn giản như: số nguyên, số thực, kí tự, logic (boolean) Kiểu ma trận đóng vai trị trung tâm MatLab Ví dụ ma trận hai hàng ba cột sau (hết hàng cần dấu chấm phẩy để phân tách, không thiết xuống dịng): MatLab cịn có số kiểu liệu khác cao cấp hơn: kiểu cell, kiểu struct (bản ghi) 1.3.2 Các phép tính với ma trận Các phép cộng trừ hai ma trận kích thước thực bình thường Đặc biệt với phép nhân, MatLab phân biệt hai toán tử: * dành cho phép nhân ma trận * dành cho nhân cặp phần tử tương ứng hai ma trận 13 1.3.3 Cú pháp Trước MatLab không phân biệt chữ in, chữ thường (giống Fortran) Các phiên gần lại có phân biệt (theo ngơn ngữ C) Các từ khóa viết chữ thường Lệnh gán có dạng giống nhiều ngơn ngữ lập trình khác: tên_biến =giá_trị_biểu thức Thơng thường máy in kết biến sau gán, ta không kết thúc lệnh gán dấu 1.3.4 Cú pháp đặc biệt (syntactic sugar) Để tăng tốc độ lập trình, thao tác từ dấu nhắc lệnh, MatLab cho phép nhiều kiểu cú pháp viết tắt Chẳng hạn để xem hướng dẫn lệnh plot hai câu lệnh sau tương đương 1.3.5 Tính vẽ đồ thị Vẽ đồ thị tính trau chuốt MatLab; 1.4 Thực trạng việc sử dụng CNTT dạy học vật lí số trƣờng phổ thông 1.4.1 Đối với giáo viên Qua tọa đàm, trao đổi cho thấy cấp quản lí giáo dục đánh giá việc ứng dụng CNTT dạy học quan trọng cần thiết Hầu hết đơn vị tiêu số tiết học ứng dụng CNTT kì học để tất GV phải nỗ lực tiếp cận việc ứng dụng CNTT dạy học 1.4.2 Đối với học sinh HS phổ thơng có tư phát triển, động, dễ dàng tiếp cận với mới, tiến Sự phát triển mạnh mẽ khoa học cơng nghệ có CNTT ảnh hưởng lớn đến tâm lí HS Qua thực tế thăm dị cho thấy đa số HS có tâm lí sẵn sàng đón nhận việc ứng dụng CNTT dạy học CHƢƠNG HỆ THỐNG BÀI TẬP VÀ HƢỚNG DẪN HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP CHƢƠNG DAO ĐỘNG CƠ VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATLAB 14 2.1 Phân tích nội dung kiến thức phần “Dao động ” chƣơng trình Vật lí 12 Cơ 2.1.1 Vị trí chương “Dao động ” chương trình Vật lí 12 Nhiệm vụ quan học nghiên cứu cách xác định vị trí vật thời điểm khác Cần phải xác định trạng thái ban đầu vật (vị trí ban đầu, vận tốc ban đầu), yếu tố ảnh hưởng đến dao động vật đại lượng chi phối dao động 1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ Theo hướng dẫn Bộ Giáo dục Đào tạo, chuẩn kiến thức, kĩ phần “Dao động ” 2.1.3 Sơ đồ cấu trúc nội dung chương 2.2 Tóm tắt mội dung kiến thức 2.2.1 Các khái niệm [7] 2.2.2 Các công thức sử dụng 2.2.2.a Dao động lắc lò xo 2.2.2.b Dao động lắc đơn 2.2.2.c Dao động tắt dần 2.2.2.d Tổng hợp dao động 2.3 Đặc điểm, cấu trúc nội dung chƣơng “Dao động ” vật lí 12 Ban 2.3.1 Nội dung chương trình Vật lý 12 Cơ Khung phân phối chương trình Vật lý 12 nâng cao (Cả năm: 35 tuần - 70 tiết) HKI: 19 tuần x tiết = 38 tiết HKII: 18 tuần x tiết = 36 tiết 2.3.2 Về phân phối chương trình 2.4 Phân loại soạn thảo hệ thống tập chƣơng Dao động 2.4.1 Phân loại tập chương Dao động Có nhiều cách phân loại tập vật lí: theo nội dung, theo phương thức cho điều kiện phương thức giải, theo yêu cầu định tính hay định lượng 15 việc nghiên cứu vấn đề, theo yêu cầu luyện tập kĩ hay yêu cầu phát triển tư duy, sáng tạo học sinh q trình dạy học Chúng tơi tuyển chọn tập vật lí theo yêu cầu giảng dạy phát triển lực học tập học sinh theo cách phân loại theo nội dung, tập chương Dao động chia thành dạng lớn sau: Dạng 1: Xác định đặc điểm dao động - Viết phương trình dao động điều hoà - Lực đàn hồi - Lực hồi phục Dạng 2: Tìm thời điểm - Khoảng thời gian - Vận tốc trung bình - Quãng đường - Đồ thị dao động điều hồ Dạng 3: Bài tốn động - - dao động điều hoà đồ thị động năng, năng, Dạng 4: Dao động tắt dần - cưỡng - cộng hưởng dao động Dạng 5: Tổng hợp hai hay nhiều dao động phương, tần số 2.4.2 Soạn thảo hệ thống tập chương Dao động Bài tập 1: Phương trình dao động vật x = 6cos(4t +  ), với x tính cm, t tính s a) Vẽ đồ thị li độ, vận tốc, gia tốc theo thời gian b) Xác định li độ, vận tốc gia tốc vật t = 0,25s Bài tập 2: Một vật dao động điều hoà quỹ đạo dài 40cm Khi vị trí x = 10cm vật có vận tốc 20 cm/s a) Viết phương trình dao động vật, chọn gốc thời gian lúc vật qua vị trí cân theo chiều dương b) Tính vận tốc gia tốc cực đại vật Bài tập 3: Một vật có khối lượng m = 200g treo vào lị xo có độ cứng k = 50N/m Kéo vật xuống VTCB đoạn 3cm truyền cho vận tốc 20 3cm / s phương Tìm lực đàn hồi lớn nhất, nhỏ trình dao động lắc 16 Câu 4: Một lắc đơn gồm cầu khối lượng m = 500g treo sợi dây dài l = 1m nơi có gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2 Bỏ qua sức cản khơng khí ma sát điểm treo Tính chu kì lắc dao động với biên độ nhỏ Kéo lắc lệch khỏi vị trí cân góc   60 thả khơng vận tốc đầu Tính: a) Vận tốc cực đại cầu b) Vận tốc cầu lắc lệch góc   30 β=80 so với phương thẳng đứng Bài tập 5: Một chất điểm dao động điều hòa trục tọa độ Ox với chu kì T=1s Nếu chọn gốc tọa độ O VTCB sau chất điểm bắt đầu dao động 2,5s, tọa độ x=5 cm, theo chiều âm trục Ox vận tốc đạt giá trị 10 cm/s a Viết phương trình dao động chất điểm b Gọi M N hai vị trí biên Gọi P trung điểm đoạn OM, Q trung điểm đoạn ON Hãy tính vận tốc trung bình chất điểm đoạn đường từ P tới Q Lấy   10 c Thời gian ngắn vật từ vị trí x 1=5cm đến vị trí có gia tốc a=2 m/s2 d Quãng đường vật từ thời điểm t1=0,25s đến thời điểm t2=1,45s e Xác định thời điểm vật qua vị trí x= cm lần thứ lần thứ 2010 Bài tập 6: Một lắc dao động điều hoà với tần số 60Hz, khối lượng m = 400g, kéo vật khỏi vị trí cân đoạn 3cm phía dương trục toạ độ thả Chọn gốc toạ độ vị trí cân Chọn t = lúc thả vật Cho g = 10 =2 a) Vẽ đồ thị toạ độ, vận tốc, gia tốc theo thời gian b) Xác định toạ độ, vận tốc, động năng, vật thời điểm t = 1s c) Vẽ đồ thị Wđ(t), Wt(t), W hệ trục toạ độ 17 Bài tập 7: Một lắc đơn có chiều dài 50cm, khối lượng 200g dao động nơi có g=10m/s2 với biên độ góc 0,12rad, chọn gốc thời gian lúc vật biên dương a Tìm dao động lắc b Tính động lắc vị trí góc 0,06 rad c Vẽ đồ thị Wđ(t), Wt(t), W hệ toạ độ Bài tập 8: Cho hệ hình vẽ: K = 100N/m, m = 200g, hệ số ma sát m mặt phẳng nằm ngang   0, 05 Ban đầu đưa vật rời khỏi VTCB khoảng 4cm thả nhẹ Lấy g  10   m  s  a Vẽ đồ thị biểu diễn giảm biên độ theo thời gian b.Tính độ giảm biên độ chu kì c Hỏi đến dừng lại vật thực dao động Bài tập 9: Một vật thực đồng thời hai dao động điều hịa, phương, tần số có phương trình: x1 = 3cos(4πt + 2 ) (cm) ; x2 = 3cos4 π t (cm) a Tìm phương trình dao động tổng hợp vật b Vẽ đồ thị vận tốc gia tốc vật theo thời gian 2.4.3 Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng hệ thống tập soạn thảo Mỗi giáo viên có phương pháp dạy khác cho nội dung kiến thức Sản phẩm lập trình nhờ sử dụng phần mềm Matlap chương Dao động công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc dạy – học Để sử dụng hợp lí, có hiệu cao sử dụng giáo viên phải kết hợp cách linh hoạt thao tác lớp sử dụng sản phẩm Giáo viên sử dụng sản phẩm kết hợp với thuyết trình, phát vấn, thảo luận nhóm, yêu cầu học sinh tự học, tự nghiên cứu để xây dựng kiến thức tập Vật lý Trong dạng tập, lập trình tổng qt có gặp tập tương tự, cần nhập số liệu sản phẩm tự cho kết dạng đồ thi tương ứng Ví dụ minh họa: Dạng toán “Dao động cơ”CHƢƠNG 18 THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1 Mục đích nhiệm vụ thực nghiệm sƣ phạm 3.2 Đối tƣợng phƣơng thức thực nghiệm sƣ phạm 3.2.1 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 3.2.2 Phương thức thực nghiệm sư phạm Quá trình thực nghiệm sư phạm, tiến hành song song, dạy lớp thực nghiệm lớp đối chứng thời gian, nội dung "một số tập dao động " Lớp thực nghiệm 12A (sĩ số 53) lớp đối chứng 12B(sĩ số 48) 3.3 Phân tích đánh giá kết thực nghiệm sƣ phạm 3.3.1 Phân tích định tính diễn biến học trình TNSP Qua trình thực nghiệm sư phạm hệ thống tập soạn thảo có áp dụng hoạt động hướng dẫn tổ chức hoạt động giải tập theo hướng tích cực hóa hoạt động học sinh giúp cho học sinh nắm vững kiến thức góp phần phát huy tính tích cực, lực tự chủ, lực sáng tạo 3.3.2 Kết thực nghiệm sư phạm lớp TN ĐC * Phân tích số liệu * Trung bình cộng: Tham số đặc trưng cho vị trí đại lượng nghiên cứu Với điểm kiểm tra, thông số đánh giá kết học tập trung bình lớp học Trung bình cộng xác định theo cơng thức sau: X  n X n i i i Trong ni số học sinh có điểm Xi * Phương sai (S2), độ lệch chuẩn (S): Tham số đo mức độ phân tán số liệu quanh giá trị trung bình cộng: S n (X  i i  X )2 n 1 Với n thể tích mẫu Độ lệch chuẩn xác định theo công thức sau: S  S2 19 Giá trị S nhỏ chứng tỏ số liệu phân tán, mà tập trung xung quanh giá trị trung bình với mức độ cao * Hệ số biến thiên (V): Trong trường hợp hai bảng số liệu có giá trị trung bình cộng khác nhau, người ta so sánh mức độ phân tán số liệu hệ số biến thiên Nhóm có hệ số biến thiên V nhỏ có chất lượng đồng Hệ số biến thiên V xác định theo công thức sau: V S 100% X Nếu V < 30%: Độ dao động nhỏ, kết đáng tin cậy Nếu V > 30%: Độ dao động lớn, kết không đáng tin cậy * Sai số trung bình cộng (  ):  S n So sánh chất lượng lớp thực nghiệm lớp đối chứng ta xét trường hợp sau: Khi hai bảng số liệu có X ta tính độ lệch chuẩn S, nhóm có độ lệch chuẩn S bé nhóm có chất lượng tốt Khi hai bảng số liệu có X khác nhau, so sánh mức độ phân tán số liệu hệ số biến thiên V Nhóm có V nhỏ nhóm có chất lượng đồng nhóm có X lớn có trình độ cao (chất lượng tốt hơn) * Thống kê kết kiểm tra:(lớp 12A; 12B trường THPT Phúc Thành nhóm thực nghiệm đối chứng) Bảng 3.1 Bảng thống kê điểm số (lớp 12A; 12B trường THPT Phúc Thành ) Lớp 12A Thực nghiệm 12B Đối chứng Điểm số Điểm trung 10 bình Số HS 53 0 1 14 17 15 7,92 48 0 1 12 10 13 6,60 Bảng 3.2 Xử lí kết (lớp 12A; 12B trường THPT Phúc Thành) 20 Lớp 12A (thực nghiệm) X i  X  X i  X 2 fiN Xi X fiN -5,92 35.04 -4,92 X Lớp 12B (đối chứng) X i  X  X i  X 2 fiC  X X  35.04 Xi fiC -4,6 21,16 21.16 24,2 24,2 -3,6 12,96 12,96 -3,92 15.36 15.36 -2,6 6,76 0 -2,92 8.52 12 -1,6 2,56 30,72 -1,92 3,68 7,37 -0,6 0,36 2,52 14 -0,92 0,85 11,9 10 0,4 0,16 1,6 17 0,08 0,064 0,109 13 1,4 1,96 25,48 15 1,08 1,17 17,5 2,4 5,76 23,04 2,08 4,32 8.64 0 3,4 11,56  48 i  53 i Bảng 3.3 Các tham số đặc trƣng Tham số X S2 S V Lớp 12A(thực nghiệm) 7,92 2.31 1,51 19,06% Lớp 12B(đối chứng) 6,6 2,49 1,57 23,78% Đối tượng Bảng 3.4 Bảng tần suất tần suất lũy tích (lớp 12A; 12B trường THPT Phúc Thành ) Lớp 12A(thực nghiệm) Điểm Xi Tần số fiN Tần suất N(i)%=fiN/NN 1,89 1,89 Lớp 12B(đối chứng) Tần suất Tần lũy tích số N()% fiC 1,89 3,77 21 2.08 Tần suất lũy tích C()% 2,08 2,08 4,16 Tần suất C(i)%=fiC/NC 1,89 5,66 0 4,16 0 5,66 12 25 29,17 3,77 9,43 14,5 43,75 14 26,4 35,85 10 20,8 64,6 17 32,1 67,9 13 27,08 91,67 15 28,3 96,23 8.33 100,00 10 3,77 100,00 0 100,00  53 100,00 48 100,00 50 45 40 Tần suất 35 30 25 20 15 10 5 10 Thực nghiệm 1.89 1.89 1.89 3.77 26.4 32.1 28.3 3.77 Đối chứng 2.08 2.08 25 14.5 20.8 27.08 8.33 Điểm số Hình 3.1 Đƣờng phân bố tần suất (lớp 12A; 12B trường THPT Phúc Thành ) 22 100 Tần suất lũy tích 80 60 40 20 Thực nghiệm 1.89 3.77 5.66 5.66 Đối chứng 4.16 4.16 29.17 43.75 64.6 91.67 100 2.08 10 9.43 35.85 67.9 96.23 100 100 Điểm số Hình 3.2 Đƣờng phân bố tần suất lũy tích (hội tụ lùi i () %) (lớp 12A; 12B trường THPT Phúc Thành ) Nhận xét: Từ kết thực nghiệm sư phạm ta thấy: - Điểm trung bình cộng học sinh lớp thực nghiệm cao lớp đối chứng - Tỉ lệ % HS đạt điểm khá, giỏi lớp thực nghiệm cao lớp đối chứng - Tỉ lệ % HS đạt điểm yếu, lớp thực nghiệm thấp lớp đối chứng - Hệ số phân tán STN < SĐC, chứng tỏ điểm số lớp thực nghiệm phân tán lớp đối chứng Như chất lượng lớp thực nghiệm đồng - Hệ số biến thiên giá trị điểm số lớp thực nghiệm nhỏ lớp đối chứng nghĩa là: độ phân tán điểm số quanh điểm trung bình lớp thực nghiẹm nhỏ lớp đối chứng - Đồ thị đường phân bố tần suất lớp thực nghiệm nằm bên phải đồ thị phân bố tần suất lớp đối chứng Đồ thị tần suất tích lũy lớp thực nghiệm ln nằm đồ thị tần suất tích lũy lớp đối chứng 23 ́ KÊT LUẬN Kế t quả đa ̣t đƣơ ̣c của đề tài Dựa mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu giả thuyết khoa học đặt ra, đề tài thực công việc sau: - Nghiên cứu sở lý luận phương pháp mơ hình hóa, tập trung vào mơ hình lý tưởng, mơ hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động, biến đổi đối tượng Vật lý - Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần Dao động chương trình Vật lý phổ thơng - Nghiên cứu phương pháp xây dựng mơ hình phần mềm Matlab - TNSP để đánh giá hiệu phương pháp giảng dạy sử dụng mơ hình thiết kế Matlab Kết công việc đạt sau: Đề tài nêu rõ đươ ̣c ̣ thố ng sở lý luâ ̣n về sử du ̣ng phương pháp da ̣y học sử dụng mơ hình , đặc biệt mơ hình lý tưởng , kí hiệu, đồ thị xây dựng phần mềm Matlab da ̣y ho ̣c Vâ ̣t lý ở trường phổ thông Nghiên cứu đầy đủ nội dung dạy học phần Dao động chương trình Vật lý phổ thơng trung học Xây dựng thành cơng số mơ hình ảo phục vụ công tác giảng dạy với hỗ trợ phần mềm Matlab Thơng qua việc sử dụng mơ hình tổ chức dạy học thầy giáo, HS có hội tốt để rèn luyện tư đối thoại, phê phán, sáng tạo, tăng tính tích cực, chủ động HS Việc dạy học sử dụng mơ hình xây dựng phần mềm Matlab giúp HS ghi nhớ, khắc sâu kiến thức cách dễ dàng Đóng góp của đề tài Dựa kết cơng việc thực hiện, đánh giá đóng góp đề tài sau: - Dạy học mô hình hóa không phải là phương pháp giảng dạy hoàn toàn mới có nhiều luận văn cao học ứng dụng phần m 24 ềm máy tính thiết kế mơ hình với mức độ khác Mỗi phần mềm lại có mạnh riêng dựa mục đích sử dụng Luận văn sử dụng Matlab làm tảng xây dựng mơ hình vật lý học vận dụng tương đối hiệu tài nguyên phần mềm Hầu hết mơ hình xây dựng dạng ứng dụng độc lập, cho phép người dùng vận dụng cách dễ dàng, khơng cần có nhiều kĩ phần mềm, khơng phải cài đặt chương trình gốc Matlab - Các mơ hình thiết kế ứng dụng giảng dạy nhiều hình thức: giảng dạy lý thuyết, minh họa lý thuyết, tập, thảo luận Đặc biệt, có nhiều mơ hình thiết kế đơn giản, mơ tả q trình dạng hình động (hoạt hình), tương tác - Một số mơ hình GV sử dụng giảng dạy thực tế công cụ hữu hiệu để đạt mục đích dạy học Tính phù hợp mơ hình xây dựng thể cách rõ nét có nhiều mơ hình vật lý học chia sẻ từ nhiều nguồn khác Các học Từ kế t quả nghiên cứu của đề tài, rút học: - Phương pháp mô hình dạy học Vật lý là phương pháp có thể giúp rèn luyện nâng cao tư logic, xác sáng tạo người học - Phương pháp mơ hình u cầu người dạy người học phải phối hợp thật chặt chẽ nghiêm túc q trình xây dựng kiến thức , khơng , trọng tâm khơng kịp hình thành khắc sâu cho HS phạm vi thời gian quy ̣nh của chương trình - Dạy học với hỗ trợ mơ hình phần mềm nói chung yêu cầu phải chuẩn bị đầy đủ thiết bị cơng nghệ phát huy hết hiê ̣u quả phương pháp mơ hình giảng dạy - Việc ứng dụng Matlab giảng dạy không Việt Nam mà nước ứng dụng phổ biến Matlab thể mạnh không việc thiết kế, xây dựng mơ hình mà lĩnh vực ứng dụng trở nên phong phú coi chuẩn mực tính tốn Các trường Đại học 25 khoa học kĩ thuật số coi Matlab phương tiện dạy lập trình thay cho công cụ trước Pascal, Turbo C - Phải hồn thiện mơ hình cịn nhiều thiếu sót, coi việc thường xuyên tham khảo, phát triển mơ hình nhiệm vụ thường xun Hạn chế Khi sử du ̣ng phương pháp mô hinh , thời gian là mô ̣t bước cản khá lớn ̀ phải triển khai thiết bị công nghệ xử lý cố liên quan đến thiết bị Do việc chuẩn bị cần đầu tư nhiều cơng sức Các mơ hình phần mềm ứng dụng giảng dạy nhiều gây tập trung vào trọng tâm học tính sinh động Luận văn chưa thiết kế mơ hình cho nội dung dạy học chi tiết Có hai nguyên nhân dẫn đến việc này, thứ nội dung dạy học phù hợp với mơ hình riêng, thứ hai nhiều ý tưởng mơ hình xuất khn khổ thời gian giới hạn trình độ khiến người viết khơng thực Các mơ hình xây dựng cịn nhiều thiếu sót cần phải tiếp tục sửa chữa, hồn thiện Một số cơng việc cần làm việc cải thiện tốc độ thực thi chương trình phần mềm Do điề u kiê ̣n thời gian và khuôn khổ của luâ ̣n văn nên phầ n thực nghiê ̣m sư pha ̣m không thực phạm vi rộng , mang tính minh họa cụ thể mà chưa mang tính khái quát 26 ... tài ? ?Giải tập chương "Dao động cơ" vật lý 12 trung học phổ thông ngơn ngữ lập trình Matlab? ?? Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlap để giải tập chương ? ?Dao động ” sách giáo khoa Vật. .. ngôn ngữ lập trình Matlap việc dạy tập chương ? ?Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 Câu hỏi nghiên cứu Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap để giải tập chương ? ?Dao động cơ? ?? phương án thiết kế dạy tập. .. khoa Vật lý 12 Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab xây dựng dạng tập sách giáo khoa phần ? ?Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12 Thiết kế phương án dạy học phần ? ?Dao động ” sách giáo khoa Vật lý 12