Sử dụng phần mềm tracker video analysis nhằm hỗ trợ dạy học một số kiến thức chương động học chất điểm vật lí 10

LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Lê Ngọc Diệp, giáo viên môn Vật lý đại cương - Phương pháp dạy học tận tình giúp đỡ hướng dẫn em trình thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Khoa Tốn - Lí - Tin, Ban chủ nhiệm Khoa Tốn - Lí - Tin, Phòng Đào tạo, Phòng Quản lí khoa học Quan hệ quốc tế - Trường Đại học Tây Bắc tạo điều kiện giúp đỡ em q trình thực khóa luận Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn sinh viên tập thể lớp K55 ĐHSP Vật lí ln động viên, đóng góp ý kiến, giúp đỡ em thực hồn thiện khóa luận Do kinh nghiệm hạn chế, khóa luận khơng tránh khỏi thiếu xót, mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo bạn sinh viên để khóa luận tốt nghiệp hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sơn La, ngày 09 tháng 05 năm 2018 Tác giả Tị Hơ Lìa MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tƣợng, phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu .2 Cấu trúc đề tài PHẦN I: NỘI DUNG .3 CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH TRACKER VIDEO ANALYSIS 1.1 Cài đặt khởi động chƣơng trình Tracker Video Analysis 1.1.1 Cài đặt chương trình .3 1.1.2 Khởi động chương trình 1.2 Giới thiệu tổng quát thành phần [3], [4] 1.2.1 Thanh công cụ .8 1.2.2 Hướng dẫn sử dụng Kết luận chƣơng 15 CHƢƠNG II ỨNG DỤNG PHẦN PHẦN MỀM TRACKER VIDEO ANALYSIS ĐỂ PHÂN TÍCH VIDEO THÍ NGHIỆM MỘT SỐ KIẾN THỨC ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM 16 2.1 Tổng quan chƣơng Động học chất điểm 16 2.1.1 Nhiệm vụ chương Động học chất điểm 16 2.1.2 Chuẩn số kiến thức chương Động học chất điểm 16 2.2 Phân tích nội dung kiến thức chƣơng Động học chất điểm [1] .16 2.2.1 Các khái niệm .16 2.2.2 Các đại lượng .18 2.2.3 Các dạng chuyển động 19 2.3 Lí chọn phần mềm phân tích video dạy học số kiến thức chƣơng 24 2.4 Phân tích video thí nghiệm dạng chuyển động 24 2.4.1 Thí nghiệm chuyển động thẳng 24 2.4.2 Thí nghiệm chuyển động thẳng biến đổi 28 2.4.3 Thí nghiệm chuyển động rơi tự 31 Kết luận chƣơng 36 PHẦN III KẾT LUẬN .37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thơng báo kết luận Bộ trị tiếp tục thực Nghị TW (khóa VIII), ngày 15/04/2009 rõ: Tiếp tục đổi phương pháp dạy học, khắc phụ lối truyền thụ chiều Phương pháp dạy học tích cực, sáng tạo hợp tác, giảm thời gian giảng giải lý thuyết, tăng thời gian tự học, tự tìm hiểu cho học sinh, sinh viên; gắn bó chặt chẽ với học lý thuyết thực hành, đào tạo gắn với nghiên cứu khoa học, sản xuất đời sống [2] Trong nhà trường phổ thơng mơn vật lí gắn liền với đời sống nên việc dạy học vật lí cần làm cho học sinh có ý thức biết cách vận dụng kiến thức khoa học vào thực tiễn đời sống; Chương Động học chất điểm - Vật lí 10 có nhiều tượng quan sát trực tiếp sống, nhiên tượng thường xảy nhanh nên nghiên cứu quy luật chuyển động gặp khó khăn thu thập số liệu thực nghiệm (hay đại lượng vật lý liên quan) vận tốc tức thời, tọa độ tức thời thời điểm chuyển động Dạy học sử dụng phần mềm phân tích video giải khó khăn góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí trường phổ thơng Với mong muốn đóng góp phần nhỏ việc đổi phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng dạy học trường Trung học phổ thông, lựa chọn đề tài: “Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis nhằm hỗ trợ dạy học số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10” Mục đích nghiên cứu Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis phân tích video thí nghiệm nhằm hỗ trợ dạy học số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10 Đối tƣợng, phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Phần mềm phân tích video Tracker Video Analysis - Hoạt động sử dụng phần mềm phân tích video vào dạy học chương Động học chất điểm - Vật lí 10 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Khai thác, sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis dạy học vật lí - Nội dung chương Động học chất điểm - Vật lí 10 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu liên quan - Vận dụng phần mềm Tracker Video Analysis để phân tích video thí nghiệm chuyển động thực tế máy tính Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis - Xây dựng video thí nghiệm số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10 Cấu trúc đề tài Đề tài gồm ba phần: mở đầu, nội dung kết luận Nội dung đề tài gồm hai chương: Chương 1: Giới thiệu chương trình Tracker Video Analysis Chương 2: Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis để xây dựng phân tích video thí nghiệm số kiến thức chương Động học chất điểm PHẦN I: NỘI DUNG CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH TRACKER VIDEO ANALYSIS Phầm mềm phân tích Video phương tiện dạy học đại, có nhiều ưu điểm nhiều mạnh khả thu thập nhiều số liệu, xử lý thông tin nhanh, lưu trữ hiển thị thông tin dễ dàng, có khả thực chức trình dạy học, phù hợp với thực tiễn xu phát triển chung giáo dục thời đại ngày 1.1 Cài đặt khởi động chƣơng trình Tracker Video Analysis 1.1.1 Cài đặt chương trình Ta thể tải phần mềm Tracker Video Analysis lựa chọn nhiều phiên từ trang web: https://physlets.org/tracker/ [4] Các phiên Tracker Video Analysis từ 4.9 trở trước để hoạt động cần cài đặt thêm java, phiên 5.0 không cần cài đặt Java Sau tải song phần mềm bắt đầu tiến hành cài đặt vào máy tính theo bước sau: - Bước 1: Chạy cài đặt chương trình Tracker xuất cửa sổ hình: - Bước 2: Rồi ta chọn Next => I accept the agreement: - Bước 3: Ta chọn Next sau chọn nơi cài đặt bấm Next hình: - Bước 4: Sau chọn nơi cài đặt chọn Next tích chọn Video and Experiments hình: - Bước 5: Chọn Install để chương trình cài đặt sau cài đặt xong bấm Finish 1.1.2 Khởi động chương trình Sau cài đặt chương trình lên máy vi tính ta vào chương trình ứng dụng cách sau đây: * Cách 1: Khởi động từ Star menu: vào Star menu/tracker * Cách 2: Khởi động từ Desktop: Right Click lên biểu tượng phần mềm /open Hay Double Click vào biểu tượng Tracker hình Desktop * Sau nhấp vào biểu tượng Tracker ta thấy biểu tượng chương trình: Tiếp theo ta thấy dao diện hình lên cửa sổ phần mềm Tracker Video: 1.2 Giới thiệu tổng quát thành phần [3], [4] 1.2.1 Thanh công cụ Mở File video File Tracker có Lưu thí nghiệm tiến hành Mở video từ trang Web URL xuất file Tracker ZIP Cài đặt chỉnh sửa file Video Hiển thị khung làm việc phụ diễn hình khung Hiển thị khung đánh dấu tự động dạng đường vật chuyển động vị trí khác quãng đường Xác định quãng đường di chuyển vật Xác định gốc tọa độ vật chuyển động Tạo dấu hiệu đồ thị Điều chỉnh phóng to (nhỏ) kích thước Video Điều chỉnh vết dấu dài (ngắn) đường chuyển động vật Đánh dấu số thứ tự điểm có hướng khác vật chuyển động Vẽ đường vật chuyển động Video Bỏ dấu điểm hướng khác vật chuyển động Biểu diễn vector vận tốc hướng khác vật chuyển động Biểu diễn vector gia tốc hướng khác vật chuyển động Tăng chiều dài vector vận tốc gia tốc Nhân vector theo khối lượng Phóng to( nhỏ) tất khung làm việc Đánh dấu viết chữ hình video mà ta phân tích 2.3 Lí chọn phần mềm phân tích video dạy học số kiến thức chƣơng Trong chuyển động học có số chuyển động diễn nhanh, khó đo đạc phương tiện, thiết bị phòng thí nghiệm Để khắc phục khó khăn ta sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis để khảo sát chuyển động Đối tượng nghiên cứu tượng, q trình vật lí thực ghi lại (quay chụp lại) dạng gốc đưa vào máy tính, cơng cụ phần mềm máy tính, qua người học thao tác hình để tương tác với đối tượng nghiên cứu, làm biến đổi đối tượng nghiên cứu theo mục đích, trình tự nghiên cứu riêng nhận kết tương ứng Việc ứng dụng phần mềm Tracker dạy học hồn tồn có sở khoa học, phù hợp với thực tiễn xu phát triển chung giáo dục thời đại Phần mềm phân tích video phương tiện dạy học đại, có nhiều ưu điểm, có nhiều ưu điểm, nhiều mạnh khả thu thập nhiều số liệu, xử lý thông tin nhanh, lưu chữ hiển thị thơng tin dễ dàng, có khả thực chức trình dạy học Tuy nhiên phần mềm thay toàn thiết bị dạy học khác mà hỗ trợ giáo viên q trình dạy học Khi sử dụng phần mềm cần phải xuất phát từ yêu cầu sư phạm cụ thể trình dạy học Để đạt hiệu giáo viên cần phải lựa chọn kiến thức dạy phù hợp với phần mềm Trong nhà trường học sinh xem trọng tâm Quá trình dạy học tập trung chủ yếu vào học sinh, làm cho học sinh trở thành chủ thể đích thực q trình nhận thức Để làm cần đổi mạnh mẽ nội dung phương pháp dạy học theo hướng phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo học sinh 2.4 Phân tích video thí nghiệm dạng chuyển động 2.4.1 Thí nghiệm chuyển động thẳng 2.4.1.1 Mục đích thí nghiệm - Mơ xác chuyển động thẳng chất điểm - Vẽ độ thị tọa độ - thời gian, vận tốc - thời gian chuyển động thẳng 2.4.1.2 Các bước tiến hành * Bước 1: Mở phần mềm Tracker Video Analysis vào có chuyển động thẳng 24 chọn file video * Bước 2: Điều chỉnh kích thước đoạn video mà ta cần phân tích (vào setting) Bắt đầu từ frame 13 * Bước 3: Đưa thang đo vào video (chọn đo cho thích hợp / Calibtation Stick) chỉnh thang * Bước 4: Đưa hệ quy chiếu vào video chỉnh góc tọa độ cho thích hợp 25 Clip * Bước 5: Tạo dấu hiệu đồ thị (vào Greate / Point Mass) * Bước 6: Tiến hành cho vật hoạt động: - Ấn giữ nút Shift sau Click chuột vào trọng tâm vật theo vị trị mà vật dừng lại đến hết quãng đường mà ta cần phân tích - Nhấn để để thí nghiệm trở lại vị trí ban đầu - Nhấn để chạy lại thí nghiệm * Kết quả: + Tọa độ - thời gian 26 + Vận tốc - thời gian 2.4.1.3 Kết luận * Thí nhiệm mơ tả xác chuyển động thẳng chất điểm: chuyển động thẳng chuyển động thẳng, chất điểm có vận tốc tức thời không đổi * Vẽ đồ thị: + Đồ thị tọa độ - thời gian thẳng xiên góc xuất phát từ điểm (x0, 0) + Đồ thị vận tốc - thời gian đường thẳng song song với trục thời gian chuyển động thẳng * Từ dạng đồ thị suy dạng phương trình chuyển động: 27 - Tọa độ x: x - Vận tốc: v x0 x v.t x0 t const * Từ đồ thị ta tìm hệ số góc đường thẳng: tan x x0 t v Trong chuyển động thẳng đều, hệ số góc đường biểu diễn tọa độ theo thời gian có giá trị vận tốc 2.4.2 Thí nghiệm chuyển động thẳng biến đổi 2.4.2.1 Mục đích thí nghiệm - Mơ xác chuyển động thẳng biến đổi chất điểm - Vẽ độ thị tọa độ - thời gian, vận tốc - thời gian chuyển động thẳng biến đổi 2.4.2.2 Các bƣớc tiến hành * Bước 1: Mở phần mềm Tracker Video Analysis vào có chuyển động thẳng biến đổi chọn file video * Bước 2: Điều chỉnh kích thước đoạn video mà ta cần phân tích (vào setting) Bắt đầu từ frame 32 video 28 Clip * Bước 3: Đưa thang đo vào video (chọn đo cho thích hợp / Calibtation Stick) chỉnh thang * Bước 4: Đưa hệ quy chiếu vào video chỉnh góc tọa độ cho thích hợp * Bước 5: Tạo dấu hiệu đồ thị (vào Greate / Point Mass) 29 * Bước 6: Tiến hành cho vật hoạt động: - Ấn giữ nút Shift sau Click chuột vào trọng tâm vật theo vị trị mà vật dừng lại đến hết quãng đường mà ta cần phân tích - Nhấn để để thí nghiệm trở lại vị trí ban đầu - Nhấn để chạy lại thí nghiệm * Kết quả: + Toạ độ - thời gian 30 + Vận tốc - thời gian 2.4.2.3 Kết luận * Thí nhiệm mơ tả xác chuyển động biến đổi chất điểm: chuyển động biến đổi chuyển động thẳng, gia tốc tức thời khơng đổi * Vẽ đồ thị: + Đồ thị tọa độ - thời gian phần Parabol + Đồ thị vận tốc - thời gian thẳng xiên góc xuất phát từ điểm (v0,o) * Từ dạng đồ thị suy dạng phương trình chuyển động: + Vận tốc: v v0 at + Từ công thức tính vận tốc ta tìm phương trình chuyển động thẳng biến đổi có dạng: x x0 v0t at 2.4.3 Thí nghiệm chuyển động rơi tự 2.4.3.1 Mục đích thí nghiệm - Mơ xác tượng rơi tự vật - Vẽ dạng đồ thị tọa độ - thời gian, vận tốc - thời gian vật chuyển động, từ rút kết luận 2.4.3.2 Các bƣớc tiến hành * Bước 1: Mở phần mềm Tracker Video Analysis vào có chuyển động rơi tự 31 chọn file video * Bước 2: Điều chỉnh kích thước đoạn video mà ta cần phân tích (vào setting) Bắt đầu từ frame 102 video * Bước 3: Đưa thang đo vào video (chọn đo cho thích hợp 32 Clip / Calibtation Stick) chỉnh thang * Bước 4: Đưa hệ quy chiếu vào video chỉnh góc tọa độ cho thích hợp * Bước 5: Tạo dấu hiệu đồ thị (vào Greate / Point Mass) 33 * Bước 6: Tiến hành cho vật hoạt động: - Ấn giữ nút Shift sau Click chuột vào trọng tâm vật theo vị trị mà vật dừng lại đến hết quãng đường mà ta cần phân tích - Nhấn để để thí nghiệm trở lại vị trí ban đầu - Nhấn để chạy lại thí nghiệm * Kết quả: + Toạ độ - thời gian 34 Ta thấy hàm fit y A 4.7 B 3.10 At 0, nhỏ C Bt 5.10 nên ta rút hàm fit là: y y s g t với giá trị A 4.7 g + Vận tốc - thời gian 35 C ứng với giá trị 0.0005 nhỏ At phù hợp với lý thuyết Ta có hàm fit v B 3.10 At B ứng với giá trị A 0.3 nhỏ ta rút hàm fit: v lý thuyết nêu v gt với giá trị A g 9.5 At phù hợp với 2.4.3.3 Kết luận * Thí nghiệm cho thấy mơ xác tượng rơi tự Như vậy, rơi tự rơi vật chịu tác dụng trọng lực chuyển động thẳng nhanh dần với gia tốc a g 9, m/s2 * Vẽ đồ thị: + Đồ thị tọa độ - thời gian phần đường Parabol + Vận tốc - thời gian đường thẳng xiên góc chuyển động rơi tự * Từ dạng hai dạng đồ thị suy công thức: - Vận tốc vật thời điểm t v g.t - Quãng đường vật sau thời gian t x: s gt - Ta đo gia tốc vật hai cách: + Cách 1: Dùng công thức phần chuyển động nhanh dần để xác định gia tốc rơi tự g: Lấy giá trị tìm g: g tan đo khoảng thời gian chuyển động hai vận tốc v v0 t + Cách 2: Dùng công thức: g (hệ số góc đường thẳng) 2s t2 Kết luận chƣơng Ở chương nghiên cứu tổng kết nội dung kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10 Sử dụng video thực quay đưa vào phần mềm để phân tích nêu cụ thể bước tiến hành sử dụng phần mềm phân tích video Kết luận rút từ đường thực nghiệm tọa độ thời gian, vận tốc - thời gian rút phương trình chuyển động, đặc điểm dạng chuyển động nghiên cứu 36 PHẦN III KẾT LUẬN Khóa luận trình bày vấn đề phần mềm phân tích video “Tracker Video Analysis” Đồng thời trình bày chi tiết việc sử dụng phần mềm để phân tích số video thực thí nghiệm vật lý thuộc phần kiến thức tiêu biểu chượng trình vật lý 10 chượng Động học chất điểm: chuyển động thẳng đều, chuyển động thẳng nhanh dần đều, rơi tự Phần mềm vẽ đồ thị thuộc nhiều đại lượng vật lí giúp cho việc phân tích tượng trở nên dễ hiểu Hướng nghiên cứu đề tài sử dụng phần mềm phân tích video Tracker Video Analysis phân tích video Cơ học Quang học, Dao động Sóng chương trình vật lí Sử dụng phần mềm phân tích video Traker Video Analysis cho dễ quan sát tượng vật lí xảy nhanh, giúp đo đạc số liệu thời điểm mà khó dùng thiết bị thí nghiệm để đo, qua giúp tiết kiệm chi phí, thời gian so với thí nghiệm thực thuận tiện cho việc sử dụng hỗ trợ giảng dạy lớp để phát huy tính tích cực sáng tạo học sinh Tuy nhiên, sử dụng phần mềm phân tích video “Tracker Video Analysis” phầm mềm hỗ trợ việc giảng dạy, đặc biệt ý phần mềm thay tồn thiết bị thí nghiệm khác 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (2010), Vật lí 10, NXB Giáo dục Bộ Chính trị (2009), Nghị TW (khóa VIII): phương hướng phát triển giáo dục đào tạo đến năm 2020, ngày 15/04/2009 Peter Hockicko, Jozef Kúdelčík in Igor Jamnický (2011), KEGA 075-008ŽU-4/2010 "Rozvoj kľúčových kompetencií študentov vysokých škơl technických odborov vo fyzikálnom vzdelávaní", Katedra fyziky, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita, web https://fyzika.uniza.sk/sk/zaklady/ Douglas Brown (2018), Tracker Video Analysis and Modeling Tool, web https://physlets.org/tracker/ 38 ... tài: Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis nhằm hỗ trợ dạy học số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10 Mục đích nghiên cứu Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis phân tích video. .. động sử dụng phần mềm phân tích video vào dạy học chương Động học chất điểm - Vật lí 10 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Khai thác, sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis dạy học vật lí - Nội dung chương. .. nghiệm nhằm hỗ trợ dạy học số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10 Đối tƣợng, phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Phần mềm phân tích video Tracker Video Analysis -