Sử dụng tiếng anh cho vật lý trong phân dạng bài tập phần dao động điều hoà

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ  QUÁCH THỊ LAN HƢƠNG SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÍ TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN DAO ĐỘNG ĐIỀU HỊA KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Vật lí đại cƣơng HÀ NỘI, 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ  QUÁCH THỊ LAN HƢƠNG SỬ DỤNG TIẾNG ANH CHO VẬT LÍ TRONG PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN DAO ĐỘNG ĐIỀU HỊA KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Vật lý đại cƣơng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS Hoàng Văng Quyết HÀ NỘI, 2018 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài khoá luận kết thúc khoá học, với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, tạo điều kiện cho em có môi trƣờng học tập tốt suốt thời gian nghiên cứu, học tập trƣờng Em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy giáo - ThS Hoàng Văn Quyết ngƣời giúp đỡ, bảo tận tình cho em suốt trình nghiên cứu trực tiếp hƣớng dẫn em hồn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp Đồng thời, em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy cô khoa Sƣ phạm Vật lý, bạn bè giúp đỡ, tạo điều kiện cho em suốt q trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp lần “Sử dụng tiếng anh cho vật lý phân dạng tập phần dao động điều hoà” đề tài hay hấp dẫn Tuy nhiên thời gian có hạn bƣớc đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học nên đề tài em không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong nhận đƣợc góp ý thầy cô giáo bạn sinh viên để khố luận em đƣợc hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên Quách Thị Lan Hƣơng LỜI CAM ĐOAN Dƣới hƣớng dẫn ThS Hoàng Văn Quyết khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý đại cƣơng với đề tài “Sử dụng tiếng Anh cho Vật Lý phân dạng tập phần dao động điều hòa” đƣợc hồn thành nhận thức thân, khơng trùng với khóa luận khác Trong nghiên cứu khóa luận, tơi kế thừa thành tựu nhà khoa học với sụ trân trọng, biết ơn Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên Quách Thị Lan Hƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Khách thể nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc khoá luận NỘI DUNG CHƢƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ TRONG CƠ HỌC 1.1 Một số khái niệm mở đầu 1.2 Khái niệm dao động điều hoà 1.3 Các phƣơng pháp biểu diễn dao động tuần hoàn 1.4 Tổng hợp dao động điều hòa 1.5 Nguyên nhân gây dao động điều hoà 11 1.6 Năng lƣợng dao động điều hoà 18 CHƢƠNG PHÂN DẠNG BÀI TẬP DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ TRONG CƠ HỌC 22 2.1 Demonstrate harmonic oscillator system 22 2.2 Find the quantity characteristics of the harmonic oscillator 25 2.3 The energy of harmonic oscillation 30 2.4 Synthetic harmonic oscillator 35 2.5 Exercises on the graph of the harmonic oscillator 37 KẾT LUẬN 45 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đất nƣớc ta bƣớc vào thời kỳ công nghiệp hóa, đại hóa; bên cạnh thời cơ, thuận lợi tạo nhiều khó khăn, thách thức đòi hỏi Ngành Giáo dục – Đào tạo phải có đổi bản, mạnh mẽ, đồng mặt Trong đặc biệt trọng đổi phƣơng pháp phƣơng tiện dạy học Nghị TW2 khóa VIII rõ “Đổi mạnh mẽ phƣơng pháp giáo dục – đào tạo, khắc phục lối truyền thụ chiều, rèn luyện thành nếp tƣ sáng tạo ngƣời học, bƣớc áp dụng phƣơng pháp tiên tiến phƣơng tiện đại vào trình dạy học, đảm bảo điều kiện thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh…” Trƣớc yêu cầu đó, năm gần Ngành Giáo dục – Đào tạo liên tục thực nhiều sách đổi cải cách Cụ thể từ năm 2010, việc dạy môn khoa học tự nhiên tiếng Anh đƣợc Chính phủ phê duyệt Đề án 959 phát triển hệ thống trƣờng THPT chuyên giai đoạn 2010 - 2020 dự kiến đến năm 2020 sách song ngữ đƣợc đƣa vào dạy đại trà Trên thực tế giảng dạy trƣờng phổ thông, việc sử dụng tiếng Anh môn khoa học tự nhiên nói chung mơn Vật lý nói riêng điều cần thiết trở nên cấp bách hết song gặp nhiều khó khăn, khó khăn lớn rào cản ngơn ngữ học sinh học kiến thức khoa học với nhiều từ vựng chuyên ngành tiếng Anh Vậy việc tìm biện pháp giúp học sinh vƣợt qua trở ngại học môn Vật lý tiếng Anh điều cần thiết Từ nhu cầu thực tế tơi định chọn “Sử dụng tiếng anh cho Vật lý việc phân dạng tập phần dao động điều hòa” làm để tài khóa luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu đề tài Phân dạng tập phần dao động điều hòa học Tiếng Anh Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: Các kiến thức phần dao động điều hòa tiếng Anh cho chuyên ngành Vật lý - Phạm vi: Xét Vật lý cổ điển Nhiệm vụ nghiên cứu - Xây dựng hệ thống từ vựng phần dao động điều hòa - Trình bày logic khoa học lý thuyết phần dao động điều hòa - Phân dạng tốn tiếng Anh Khách thể nghiên cứu Quá trình sử dụng tiếng Anh cho Vật lý phân dạng tập phần dao động điều hoà Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu - Phƣơng pháp tổng hợp Cấu trúc khố luận Ngồi phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo, khoá luận gồm chƣơng: Chƣơng 1: Cơ sở lí luận dao động điều hoà học Chƣơng 2: Phân dạng tập dao động điều hòa học NỘI DUNG CHƢƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ TRONG CƠ HỌC 1.1 Một số khái niệm mở đầu - Hiện tƣợng tuần hoàn tƣợng diễn lặp lặp lại nhƣ cũ sau khoảng thời gian xác định - Quá trình tuần hồn q trình liên tục biến thiên số đại lƣợng đặc trƣng cho q trình biến đổi nhƣ vận tốc, gia tốc, áp suất, nhiệt độ, khoảng cách, đƣợc lặp lại nhƣ cũ sau khoảng thời gian xác định - Dao động: Trong số trình tuần hoàn, đại lƣợng biến thiên đặc trƣng cho trình thay đổi giá trị xung quanh giá trị trung bình xác định đƣợc gọi dao động tuần hoàn Mỗi lần đại lƣợng biến thiên trình lặp lại giá trị nhƣ cũ ta nói thực đƣợc dao động - Chu kì dao động: Chu kì dao động đƣợc kí hiệu chữ T khoảng thời gian xác định, khơng đổi để q trình biến đổi thực đƣợc dao động Nếu ft T   ft  đại lƣợng biến đổi tuần hồn theo thời gian với chu kì T ta ln ln có hệ thức: ft T   ft  Tuỳ theo chất trình lặp lại, ngƣời ta phân biệt loại dao động: dao động cơ, dao động điện từ, dao động điện cơ, v.v ,Ở đây, nghiên cứu dao động Lý thuyết dao động học có ý nghĩa đƣợc áp dụng mở rộng lĩnh vực khác vật lý học Tùy trƣờng hợp mà trình dao động đóng vai trò tích cực đóng vai trò tiêu cực 1.2 Khái niệm dao động điều hồ Chúng ta xét thí dụ sau: Một chất điểm P chuyển động đƣờng tròn bán kính R với vận tốc góc khơng đổi  Trên đƣờng tròn chọn điểm C làm gốc tọa độ chiều quay dƣơng chiều ngƣợc chiều kim đồng hồ Tại thời điểm ban đầu t  , điểm P vị trí Po đƣợc xác định góc  Tại thời điểm t vị trí P đƣợc xác định góc Hình 1.1 t    Ta chiếu chuyển động điểm P xuống đƣờng kính qua C Chọn gốc tọa độ đƣờng kính đó, tâm O đƣờng tròn Tại thời điểm t vết chiếu P P‟ Đặt OP '  x , ta có: x  R cos t    (1.1) Đó phƣơng trình chuyển động điểm P ' đƣờng kính C 'C Nếu ta chiếu chuyển động điểm P xuống đƣờng kính vng góc với C 'C ta đƣợc P '' Phƣơng trình chuyển động P '' là: x  R sin t    Từ (1.1) ta có: (1.2)   2 x  R cos t     R cos   t            Căn vào định nghĩa chu kì ta thấy chuyển động P ' đƣờng kính C 'C dao động tuần hồn với chu kì T  2  T thời gian để P quay đƣợc vòng đƣờng tròn P ' trở lại vị trí cũ đƣờng kính C 'C Từ (1.1) ta có vận tốc gia tốc P ' là: v  x   R sin t    a  x   R x cos t    Tƣơng tự với (1.2) ta đƣợc kết tƣơng tự, tọa độ, vận tốc, gia tốc dƣợc biểu diễn phƣơng trình dạng sin cosin Dao động tuần hoàn nhƣ đƣợc gọi dao động điều hoà Một dao động tuần hoàn mà đại lƣợng biến đổi đƣợc biểu diễn phƣơng trình dạng sin cosin đƣợc gọi dao động điều hoà - Tọa độ x P ' đƣợc gọi li độ dao động - Lƣợng t   cho phép xác định li độ, vận tốc, gia tốc P ' thời điểm t đƣợc gọi pha dao động điều hoà - Lƣợng  cho phép xác định li độ, vận tốc, gia tốc thời điểm ban đầu t = (trạng thái ban đầu dao động) đƣợc gọi pha ban đầu dao động điều hoà - R giá trị cực đại li độ ứng với sin t    cos t    đƣợc gọi biên độ dao động điều hoà Nhƣ li độ biến thiên khoảng  R  x  R - Trong dao động điều hoà, li độ, vận tốc, gia tốc biến thiên với chu kì chung T  2  Ngƣời ta gọi lƣợng T  2  chu kì dao động điều hồ Nghịch đảo chu kì T đƣợc gọi tần số dao động điều hoà Thứ nguyên tần số:    T 1 Đơn vị tần số (trong hệ đơn vị SI) Hec; kí hiệu: Hz Hec tần số dao động thời gian giây 1Hz  1s 1 Hai dao động đƣợc biểu diễn phƣơng trình: x1  A1 cos 1t  1  Solution: a) Let us locate the system when the threads are deviated through an angle_, during the oscillations of the system (Fig) From the conservation of mechanical energy of the system: mL2   mgl (1  cos ')  constant (1) 12 Fig 2.9 Where L is the length of the rod,  is the angular deviation of the rod from its equilibrium position i.e   Differentiating Eqn (1) w.r.t time mL2 2.   mgl sin  ' '  12 So, L2   gl ' '  12 (for small  ' , sin  '   ' ) But from the Fig L L   l ' or  '   2l So, ' Putting these values of  ' and L  2l d ' in Eqn (2) we get dt d 2 3g   dt l Thus the sought time period T 2 o b) The sought oscillation energy 32  2 l 3g E  U extreme  mgl  mgl (1  cos  )  mgl 2sin  mgl  2 2 (because for small angle sin   ) Exercise 2.3.3: A 0.50kg cube connected to a light spring for which the force constant is 20.0 N/m oscillates on a horizontal, frictionless track a) Calculate the total energy of the system and the maximum speed of the cube if the amplitude of the motion is 3.00 cm b) What is the velocity of the cube when the displacement is 2.00 cm? c) Compute the kinetic and potential energies of the system when the displacement is 2.00 cm Solution: a) We obtain 1 E  K  U  kA2   20.0 N / m   3.00  102 m   9.00  103 J 2 When the cube is at x=0, we know that U  and E  mvmax ; therefoce; mvmax  9.00  103 J vmax 18.0  103 J   0.190m / s 0.500kg b) v  k A  x2   m 20.0 N / m  (0.030m)   0.020m    0.500kg   0.141m / s The positive and negative signs indicate that the cube could be moving to cither the right or the left at this instant 33 c) Using the result of (b), we find that 1 K  mv   0.500kg  0.141m / s   5.00  103 J 2 1 U  kx   20.0 N / m  0,020m   4.00  103 J 2 Note that K  U  E Exercise 2.3.4: A 1.15kg mass oscillates according to the equation x(t )  0.65cos(7.4t ) where x is in meters and t in seconds Determine: a) The amplitude, b) The frequency, c) The total energy, d) The potential energies when x = 0.26 m Answer: a) A = 0.650m b) F=1.18Hz c) E=13.3J d) U=2.1J Exercise 2.3.5: A 2.00-kg object is attached to a spring and placed on a horizontal, smooth surface A horizontal force of 20.0 N is required to hold the object at rest when it is pulled 0.200 m from its equilibrium position (the origin of the x axis) The object is now released from rest with an initial position of xi = 0.200 m, and it subsequently undergoes simple harmonic oscillations Find a) The force constant of the spring, b) The frequency of the oscillations 34 c) The maximum speed of the object Where does this maximum speed occur? d) The maximum acceleration of the object Where does it occur? e) The total energy of the oscillating system Answer: F a b   50rad / s so c x  20.0 N  100 N / m 0.200m k vmax  1.41m / s at d amax  10.0m / s at f  1.13Hz x0 x  A e E  2.00 J 2.4 Synthetic harmonic oscillator Exercise 2.4.1: Using graphical means, find an amplitude a of oscillations resulting from the superposition of the following oscillations of the same direction:    (a) x1  3.0cos  t   , x2  8.0sin(t  ) ; 3    (b) x1  3.0cos t , x2  5.0cos  t   , x3  6.0sin t 4  Solution: a) We take a graph paper and choose an axis (x-axis) and an origin Draw a vector of magnitude inclined at an angle  with the x-axis Draw another vector of magnitude inclined at an angle   (since     sin  t    cos  t   ) with the X-axis The magnitude of the resultant 6 3   35 of both these vectors (drawn from the origin) obtained using paral-lelogram law is the resultant, amplitude Clearly R  32  82  2.3.8.cos 2   64  48   73  24  49 Thus R = Units b) One can follow the same graphical method here but the rusult can be obtained more quickly by breaking into sines and cosines and adding :     Resultant x     cos t     sin t 2 2    A cos t    2    30  60   36 Then A      6     25  2     = 70  15  70  21.2 So A= 6.985  units Note- In Using graphical method convert all oscillations to either sines or cosines but not use both Exercise 2.4.2: The superposition of two harmonic oscillations of the same direction results in the oscillation of a point according to the law x   cos2.1t cos50.0t , where t is expressed in seconds Find the angular frequencies of the constituent oscillations and the period with which they beat Solution: We write: A cos 2.1t cos50.0t  36 a  cos52.1t  cos 47.9t  Thus the angular frequencies of constituent oscillations are 52.1s 1 and 47.9s 1 To get the beat period note that the variable amplitude  cos2.1t becomes maximum (positive or negative), when 2.1t  n Thus the interval between two maxima is  2.1  1.5s nearly Exercise 2.4.3: A point participates simultaneously in two harmonic oscillations of the same direction: x1  a cos t and x2  acos 2t Find the maximum velocity of the point Answer: vmax  2.74a Exercise 2.4.4: Two points oscillate quality conditioner on the same axes coordinates Ox, considered during two points oscillate not bumping into each other The equation of oscillations of a two-point      x1  4cos  4t   cm ; x2  cos  4t   cm turn is; In the process, the 3 12    largest distance between two bodies is ? Answer: 4cm Exercise 2.4.5: Two harmonic motion, same frequency oscillator equation   x1  A1 cos  t   cm 3  ;   x2  A2 cos  t   cm 2  Synthetic oscillator equation of the two ranges is: x  6cos t    cm Amplitude A1 be changed A1 change to A2 large value Find A2 max ? Answer: 12cm 2.5 Exercises on the graph of the harmonic oscillator Exercise 2.5.1: The diagram below shows the velocity of a 2.00kg mass on a horizontal spring What is the maximum amplitude of the object's displacement? What is 37 the maximum acceleration? Draw the reference circle What is the phase constant? Write down the equation of the displacement as a function of time What is the spring constant? What is the total energy? When exactly will the mass have maximum positive velocity (point A)? Fig 2.10 Solution: The equation for the velocity of an object undergoing SHM has the form v  t   vmax sin t  0  , where vmax   A and   2 T Examining the graph, we see that the period is T=0.1s, so   20 s 1 Also the maximum velocity is m/s From this we determine that A vmax    0.0796m Furthermore, the maximum acceleration is 20 amax   A  vmax  100 m / s To draw the reference circle note that the t = velocity is positive (moving to the right) which only occurs when the object is in quadrants III and IV Next note that the given vt graph has the velocity going to a maximum, which occurs when the object passes through equilibrium Thus the object is in the third quadrant 38 Fig 2.11 We use the velocity equation, v  t   vmax sin t  0  , at t=0 to find the phase constant 0 We already found   20 s 1 Again we look at the value of the graph at t = which is v(0) = 2.40 m/s So we have 2.40  5sin 0  , or sin 0   0.48 There are two angles on the unit circle that satisfy this, 0    28.69o and 0  151.31o The second angle is in the third quadrant as is necessary As a positive angle this is 0  208.7o  3.643rad Our equation is x(t) = (0.0796 m)cos(20πt + 3.643) The spring constant is given by 2  K m , so K  (20 s 1 )2  2.00kg   7896 N / m The total energy is Etotal  kA2  25 J To find when the object is at point A, maximum velocity to the right, note that the object must be at point of the reference circle So the object needs to rotate to 270o from 208.7o Since rotating 360o takes one period which here is 0.1 s, t A  61.3  0.1s  0.0170s 360 39 Exercise 2.5.2: For the graph of a harmonic oscillator a) Feature: the amplitude, angular frequency, frequency, cycle b) Initial phase c) Writen: equations fluctuate d) The velocity equation e) After the consecutive priod by each other and by how much, the kinetic energy back by potential energy Fig 2.12 Solution: a) We have A  10cm At t  0; x  5cm ; x is decreasing x  A cos   cos   x      A Use the relationship between harmonic oscillations and the circular motion Because x is decreasing so we choose    Time away from x  come x  40 Fig 2.13 Was t    T  s  T  0.5s 12 24 2  4 ; f  Hz T b) A ccording to a question I have      c) x  10cos  4 t   3    d) v  x.'  40 sin  2 t   3  e) The kinetic energy equals the potential energy at the position 1 A W  Wd  Wt  2Wt  kA2  kx  x   2 Time away from x1  come x2   t A A : T  s  0.125s Fig 2.14 Exercise 2.5.3: Here (Fig 2.15) is a displacement-time graph of an object moving with simple harmonic motion What is the frequency of the SHM? 41 Fig 2.15 Answer: f  0.40Hz Exercise 2.5.4: For the graph of a harmonic oscillator a) Feature: the amplitude, angular frequency, frequency, cycle b) Initial phase c) Written: equations fluctuate d) The velocity equation e) Acceleration equation f) After the consecutive period by each other and by how much, the kinetic energy back by potential energy Fig 2.16 Answer: 42 a) A  10cm;  2 ; f  1Hz b)       c) x  10cos  2 t   3    d) v  20 sin  2 t   3  e) a   x f) t  0.25s Exercise 2.5.5: Fig 2.18 shows two examples of SHM, labeled A and B For each, what is a) the amplitude, b) the frequency, and c) the period? d) Write the equations for both A and B Fig 2.18 Answer: a) AA  2.5m AB  3.5m c) TA  4.0Sec b) f A   0.25Hz TA ; TB  2.Sec ; fB   0.50 Hz TB d) xB  3.5cos  t  m    xA  2.5cos  t    m  2 2 43 Exercise 2.5.6: The diagram below shows the motion of a 2.00−kg mass on a horizontal spring Draw the reference circle Find the phase constant Write down the equation of the displacement as a function of time Fig 2.19 Answer: The reference circle looks like Fig 2.20 The equation of the displacement is x  0.10cos 10 t  3.864  44 KẾT LUẬN Khóa luận „„Sử dụng tiếng anh cho vật lý phân dạng tập phần dao động điều hòa” hồn thành thu đƣợc kết sau: -Trình bày đƣợc sở lí luận dao động điều hồ học cách khoa học, logic, chặt chẽ để có kiến thức từ giải tập dao động điều hòa -Trình bày đƣợc phân dạng tập dao động điều hòa học tiếng Anh, gồm có dạng có tập mẫu tập tự giải có đáp số: + Dạng 1: Demonstrate harmonic oscillator system + Dạng 2: Find the quantity characteristics of the harmonic oscillator + Dạng 3: The energy of harmonic oscillation + Dạng 4: Synthetic harmonic oscillator + Dạng 5: Exercises on the graph of the harmonic oscillator Do thời gian hiểu biết hạn chế nên khóa luận khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận đƣợc đóng góp từ q thầy bạn để để tài đƣợc hoàn thiện 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Đình Trọng, Dao động sóng, Nhà xuất đại học sƣ phạm Hà Nội – 2013 Phạm Viết Trinh - Nguyễn Văn Khánh – Lê Văn, Bài tập Vật lý đại cương, tập 1, Nhà xuất giáo dục - 1982 Hana Dobrovolny, Lecture note for Physics 10154: General Physics, Department of Physics & Astronomy, Texas Christian University, Fort Worth, TX, December - 2012 I.E.Irodov, Problems in General Physics, Mir Publishers Moscow 1981 Đặng Mộng Lân – Ngô Quốc Quýnh, Xuất Khoa học Kỹ thuật – 1991 46 n vật lý nh – Vi t, Nhà ... logic khoa học lý thuyết phần dao động điều hòa - Phân dạng tốn tiếng Anh Khách thể nghiên cứu Quá trình sử dụng tiếng Anh cho Vật lý phân dạng tập phần dao động điều hoà Phƣơng pháp nghiên cứu... 1.4 Tổng hợp dao động điều hòa 1.5 Nguyên nhân gây dao động điều hoà 11 1.6 Năng lƣợng dao động điều hoà 18 CHƢƠNG PHÂN DẠNG BÀI TẬP DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ TRONG CƠ HỌC ... cô khoa Sƣ phạm Vật lý, bạn bè giúp đỡ, tạo điều kiện cho em suốt q trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp lần Sử dụng tiếng anh cho vật lý phân dạng tập phần dao động điều hoà đề tài hay