Thiết kế một số mô hình bằng phần mềm matlab để giảng dạy chương sóng ánh sáng – vật lý đại cương dành cho hệ cao đẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC THÁI VĂN DẦN THIẾT KẾ MỘT SỐ MƠ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “SÓNG ÁNH SÁNG” VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG DÀNH CHO HỆ CAO ĐẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÝ HÀ NỘI - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC THÁI VĂN DẦN THIẾT KẾ MỘT SỐ MƠ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “SÓNG ÁNH SÁNG” VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG DÀNH CHO HỆ CAO ĐẲNG Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC (BỘ MÔN VẬT LÝ) Mã số: 60 14 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI VĂN LOÁT HÀ NỘI - 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn kết trình học tập nghiên cứu tác giả trường Đại học Giáo dục – ĐHQG Hà Nội Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy, Cô trường Đại học Giáo dục – ĐHQG Hà Nội quan tâm, giúp đỡ tác giả trình học tập thực đề tài Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Văn Lốt, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả q trình hồn thành luận văn Nhân dịp tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Khoa Khoa học trường Cao đẳng Công nghệ Kinh tế Công nghiệp, cảm ơn bạn học viên lớp Cao học Lý luận phương pháp dạy học bôn môn Vật lý khóa 7, em sinh viên, người thân gia đình tạo điều kiện thuận lợi, động viên tác giả thực đề tài Cuối cùng, dung tâm huyết cố gắng song Luận văn chắn chon nhiều thiếu sót Kính mong dẫn nhà khoa học bạn đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 11 năm 2013 Tác giả Thái Văn Dần i DANH MỤC VIẾT TẮT ĐC Đối chứng GV Giáo viên HS Học sinh PPDH Phương pháp dạy học PPMH Phương pháp mơ hình SV Sinh viên THPT Trung học phổ thông ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC VIẾT TẮT .ii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ .vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .6 1.1 Cơ sở phương pháp dạy học .6 1.1.1 Phương pháp dạy học .6 1.1.2 Nhu cầu xu hướng đổi phương pháp dạy học 1.1.3 Phương pháp dạy học tích cực .8 1.2 Tích cực hóa biện pháp tích cực hóa hoạt động nhận thức học sinh dạy học vật lý 12 1.2.1 Tính tích cực 12 1.2.2 Tích cực hố hoạt động nhận thức học sinh dạy học vật lý .13 1.2.3 Các biện pháp tích cực hố hoạt động nhận thức học sinh dạy học vật lý 14 1.3 Thực trạng việc dạy học Vật lý đại cương trường cao đẳng 16 1.4 Vai trò ứng dụng công nghệ thông tin dạy học .17 1.4.1 Vai trị cơng nghệ thơng tin dạy học .17 1.4.2 Ứng dụng công nghệ thông tin dạy học 18 1.5 Phương pháp mơ hình 18 1.5.1 Các chức mơ hình 19 1.5.2 Tính chất mơ hình 19 1.5.3 Các loại mơ hình sử dụng dạy học Vật lí 23 1.5.4 Phương pháp mơ hình dạy học vật lí 26 iii 1.5.5 Ưu - nhược điểm phương pháp mơ hình dạy học vật lí 27 1.6 Một vài nét phần mềm Matlab 29 1.6.1 Matlab đặc điểm Matlab 29 1.6.2 Một số câu lệnh dùng Matlab 29 1.6.3 Ứng dụng Matlab xây dựng mơ hình vật lí giảng dạy 32 Kết luận chương 33 CHƢƠNG THIẾT KẾ MỘT SỐ MƠ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “SĨNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÍ ĐẠI CƢƠNG DÀNH CHO HỆ CAO ĐẲNG 34 2.1 Phân tích nội dung kiến thức chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí đại cương dành cho hệ cao đẳng 34 2.1.1 Hàm sóng ánh sáng 34 2.1.2 Nhiễu xạ ánh sáng 35 2.1.3 Giao thoa ánh sáng .39 2.2 Kiến thức, kĩ sinh viên cần có sau học chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí đại cương dành cho hệ cao đẳng 43 2.3.1 Kiến thức 43 2.2.2 Kĩ 43 2.3 Một số mô hình thiết kế phần mềm Matlab để giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí đại cương dành cho hệ cao đẳng 44 2.3.1 Mô hình nhiễu xạ ánh sáng 44 2.3.2 Mơ hình giao thoa ánh sáng 49 2.4 Thiết kế số giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” - Vật lí đại cương dành cho hệ cao đẳng 50 2.4.1 Bài: Nhiễu xạ ánh sáng (2 tiết) .50 2.4.2 Bài: Giao thoa ánh sáng 56 Kết luận chương 64 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 65 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 65 iv 3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 65 3.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm: 66 3.4 Thời gian thực nghiệm sư phạm: 66 3.5 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 66 3.6 Các bước tiến hành thực nghiệm 67 3.7 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm 67 3.7.1 Mục đích kiểm tra, đánh giá 67 3.7.2 Nhận xét tiến trình dạy học 67 3.7.3 Đánh giá kết thực nghiệm 67 Kết luận chương 76 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 81 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số câu lệnh dùng Matlab 29 Bảng 1.2 Nhóm hàm đồ họa 31 Bảng 1.3 Nhóm hàn tính tốn 31 Bảng 1.4 Các lệnh điều khiển phép tính tốn 32 Bảng 3.1 Bảng thống kê điểm số Xi kiểm tra .69 Bảng 3.2 Bảng phân phối tần suất 69 Bảng 3.3 Bảng phân phối tần suất tích lũy 70 Bảng 3.4 Xử lí kết để tính tham số 70 Bảng 3.5 Bảng thông số thống kê 71 vi DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1 Các loại mơ hình sử dụng dạy học Vật lý 26 Hình 2.1 Nguyên lý Huyghens -Fresnel 35 Hình 2.2 Thí nghiệm nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp 36 Hình 2.3 Thí nghiệm giao thoa ánh sáng 40 Hình 2.4 Giao diện hình 44 Hình 2.5 Nhiễu xạ sóng phẳng đơn sắc qua khe hẹp .45 Hình 2.6 Nhiễu xạ sóng phẳng đơn sắc qua khe hẹp vơ 45 Hình 2.7 Nhiễu xạ sóng phẳng đơn sắc qua hai khe 46 Hình 2.8 Nhiễu xạ sóng phẳng đơn sắc qua khe 46 Hình 2.9 Nhiễu xạ sóng phẳng đơn sắc qua khe 47 Hình 2.10 Nhiễu xạ sóng phẳng đơn sắc qua khe 47 Hình 2.11 Nhiễu xạ ánh sáng qua vòng nhẫn 48 Hình 2.12 Nhiễu xạ ánh sáng đơn sắc qua lỗ trịn 48 Hình 2.13 Giao thoa ánh sáng khe Young .49 Hình 2.14 Giao diện xác định vị trí vân giao thoa 49 Hình 3.1 Phân bố điểm hai lớp đối chứng thực nghiệm 72 Hình 3.2 Phân bố tần suất nhóm đối chứng thực nghiệm 72 Hình 3.3 Phân phối suất tích lũy 73 vii MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Ngày nay, đứng trước xu phát triển giới, đất nước ta đòi hỏi cần bước hồn thành cách mạng cơng nghiệp hóa đại hóa Đẩy mạnh phát triển kinh tế, xã hội hội nhập với giới, lúc hết ngành giáo dục đào tạo Đảng Nhà nước quan tâm, trọng Với mục tiêu cung cấp nguồn nhân lực, đội ngũ người lao động, cán khoa học kỹ thuật có trình độ kỹ thuật cao, có lực tư sáng tạo Chính giáo dục cần có chiến lược phát triển để phù hợp với xu thời đại đáp ứng nhu cầu xã hội tương lai Ngành giáo dục đào tạo đứng trước nhiệm vụ quan trọng đất nước Trong thời gian gần ngành khơng ngừng đổi chương trình, sách giáo khoa nội dung, phương pháp nhằm nâng cao chất lượng dạy học Trong việc đổi phương pháp giảng dạy đóng vai trị quan trọng, đổi theo tinh thần phát huy tính động, sáng tạo, tích cực, tự lực người học tăng cường ứng dụng công nghệ thông tin vào trình giảng dạy nhà trường đổi tất cấp học, bậc học Với phát triển bùng nổ công nghệ thông tin khoa học kĩ thuật giai đoạn việc sử dụng ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào dạy học cần thiết, góp phần không nhỏ việc đổi phương pháp giảng dạy, đem lại hiệu cao cho hoạt động giáo dục Hiện phần mềm hỗ trợ dạy học xuất ngày nhiều đa dạng với tính cải tiến, dễ sử dụng phần mềm Maltab, phần mềm Flash, phần mềm Crocodile, phần mềm Mathematical… Trong số phần mềm Matlab phần mềm sử dụng phổ biến rộng rãi hỗ trợ hiệu cho việc giảng dạy trường đại học, cao đẳng, trường trung học phổ thông Sử dụng Matlab công cụ đắc lực, để mô tượng tính tốn tập TÀI LIỆU THAM KHẢO Tơn Tích Ái, phương pháp số, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2001 Nguyễn Ngọc Bảo (1995), Phát triển tính tích cực, tính tự lực học sinh trình dạy học, tài liệu bồi dưỡng thường xuyên chu kỳ 19931996 cho giáo viên THPT Lƣơng Duyên Bình, Vật lý đại cương (tập 2, dùng cho sinh viên trường cao đẳng), NXB Giáo dục, 2007 Lƣơng Dun Bình, Dƣ Trí Công, Nguyễn Hữu Hổ, Vật lý đại cương (tập 3, dùng cho sinh viên trường đại học kĩ thuật), NXB Giáo dục, 2004 Chu Văn Nguyên, Hoàng Đại Phong, Thái Văn Dần, Bài giảng vật lý đại cương (lưu hành nội bộ, dùng cho sinh viên trường Cao đẳng công nghệ kinh tế công nghiệp), 2008 Phạm Kim Chung, giảng phương pháp dạy học, 2011 Đặng Văn Đúc, Nguyễn Thị Thu Hằng, phương pháp dạy học theo hướng tích cực, NXB Đại học Sư Phạm Hà Nội, 2003 Lê Viết Dƣ Khƣơng, Matlab – Một công cụ tin học mạnh trợ giúp hữu hiệu việc giảng dạy nghiên cứu nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật – tuyển tập báo cáo hội thảo “Phát triển công cụ tin học trợ giúp cho giảng dạy, nghiên cứu ứng dụng toán học”, Hà Nội, 4/1909, tr 55 – 74 Bùi Văn Loát, Thái Khắc Đinh, phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm hạt nhân, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2011 10 Nguyễn Thị Mỹ Lộc, Đinh Thị Kim Thoa, Trần Văn Tính, tâm lí học giáo dục, NXB Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, 2009 11 Nguyễn Trọng Sửu (chủ biên), hướng dẫn thực chương trình, sách giáo khoa lớp 12 mơn Vật Lí (Tài liệu dùng lớp bồi dưỡng giáo viên thực chương trình sách giáo khoa lớp 12), NXB Giáo dục, 2009 79 12 Phạm Hữu Tòng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Xuân Quế, tài liệu bồi dưỡng thường xuyên giáo viên trung học phổ thông chu kì III (2004 – 2007) mơn Vật lí, NXB Đại học Sư Phạm, 2003 13 Đỗ Hƣơng Trà, kiểu tổ chức dạy học đại dạy học Vật lí trường phổ thơng, NXB Đại học Sư Phạm, 2011 14 Tài liệu bồi dưỡng giáo viên, đổi việc sử dụng phương tiện dạy học dạy học Vật lí, Đại học Sư Phạm Hà Nội, 8/2010 15 Phạm Viết Vƣợng, Giáo dục học đại cương, NXB Đại học Quốc gia Nà Nội, 2009 80 PHỤ LỤC Phụ lục 1: PHIẾU HỌC TẬP (Sử dụng Nhiễu xạ ánh sáng) Câu 1: Trong nhiễu xạ ánh sáng qua khe hẹp, phát biểu sau sai: A Khi bề rộng khe nhỏ vân tối B Điều kiện M điểm tối khi: k = ±1, ±2, C Điều sin ϕ = (2 k +1) D Cường độ sáng cực đại lớn gấp hàng trăm lần cực đại Câu 2: Trong nhiễu xạ nhiều khe hẹp, có N = khe có cực đại phụ nằm hai cực đại liên tiếp: A.6 B.7 C.8 D.9 Câu 3: Một ảnh đặt cách nguồn sáng điểm đơn sắc = 0, 5µm khoảng 2m Chính khoảng có đặt lỗ trịn đường kính 0,2cm Hỏi hình nhiễu xạ ảnh có tâm sáng hay tối? 81 Phụ lục 2: PHIẾU HỌC TẬP (Sử dụng Giao thoa ánh sáng) Câu 1: Trong thí nghiệm Young giao thoa ánh sáng với hai khe S1, S2, đặt mặt song song trước S1, đường ánh sáng A Hệ vân giao thoa khơng thay đổi B Hệ vân giao thoa dời phía S1 C Hệ vân giao thoa dời phía S2 D Vân trung tâm lệch phía S2 Câu 2: Trong thí nghiệm Young giao thoa ánh sáng, vị trí vân tối xác định cơng thức: A C y =(k+ t yt = (2 k +1) Câu 3: Một nguồn sáng đơn sắc có λ = 0,6µm chiếu vào hai khe S1, S2 hẹp song song cách 1mm cách nguồn sáng Đặt ảnh song song cách hai khe 1m Khoảng cách hai vân sáng liên tiếp là: A 0,7mm B 0,6mm C 0,5mm D 0,4mm Câu 4: Trong thí nghiệm Iâng giao thoa ánh sáng, biết D = m, a = mm, λ = 0,6 µm Vân sáng thứ ba cách vân trung tâm khoảng là: A 4,2 mm B 3,6 mm C 4,8 mm D mm 82 Phục lục 3: ĐỀ KIỂM TRA 45 PHÚT Câu 1: Trong công thức sau cơng thức xác định vị trí vân sáng giao thoa ánh sáng ys =k A y C =k s Câu 2: Trong thí nghiệm sau thí nghiệm sử dụng để thực việc đo bước sóng ánh sáng? A Thí nghiệm tán sắc ánh sáng Niu-tơn B Thí nghiệm tổng hợp ánh sáng trắng C Thí nghiệm giao thoa khe Young D Thí nghiệm ánh sáng đơn sắc Câu Trong thí nghiệm Young giao thoa ánh sáng (hai khe chiếu sáng ánh sáng đơn sắc), khoảng cách hai khe a = 1,5mm, khoảng cách từ hai khe đến D = 2m, khoảng cách hai vân sáng liên tiếp 1mm Bước sóng ánh sáng là: A λ = 0,4µm B λ = 0,58µm C λ = 0,75µm D λ = 0,64µm Câu 4: Trong cơng thức sau công thức cường độ sáng nhiễu xạ ánh: I = I max cos2 β A C I = I  sin α  max  α  B D I = I max cosβ II  sin α 2  max  α  Câu 5: Thực giao thoa ánh sáng với khe Young S1 S2 biết S1S2 = 1mm Ánh sáng có bứơc sóng l = 0,6mm Màn quan sát cách khe D = 2m a) Tính khoảng vân b) Tính khoảng cách từ vân trung tâm đến vân tối thứ c) Tại vị trí cách vân trung tâm 7,8mm vân sáng hay vân tối? 83 Phụ lục PHIẾU ĐIỀU TRA (Dành cho thầy cô giáo) Câu 1: Thầy (cơ) có nhận xét nội dung chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý đại cương dành cho hệ cao đẳng? Câu 2: Trong q trình dạy, thầy (cơ) có tiến hành thí nghiệm? (Kể tên thí nghiệm mà thấy (cô) tiến hành) Câu 3: Thầy (cơ) có nhận xét thái độ sinh viên trình học chương “Sóng ánh sáng” Câu 4: Thầy (cơ) có nhận xét mức độ nhận thức sinh viên sau học chương “Sóng ánh sáng” Câu 5: Thầy (cơ) só sai lầm mà sinh viên mắc phải trình học chương “Sóng ánh sáng” 84 Câu 6: Thầy (cô) hiểu mô hình, sử dụng mơ hình phương pháp mơ hình dạy học? Câu 7: Trong q trình dạy, thầy (cơ) có sử dụng CNTT không? Thấy (cô) cho biết tần suất sử dụng CNTT trình giảng dạy mình? Xin chân thành cảm ơn quý thầy (cô) tham gia! 85 Phụ lục CÁC CÂU LỆNH MATLAB ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN clear all;close all;clc; f1=figure(1);set(f1,'unit','normal','Position', [0.25 0.2 0.45 0.64], 'Color',[0.8 0.8 0.8],'name','Diffraction and Interference of Light Model')%,'menubar','none','toolbar','none','number','off'); axes('position',[0.305 0.11 0.675 0.815]); axis([-100 100 -100 100]); grid on hp = uipanel('Title','SIMULATION','FontSize',12, 'BackgroundColor',[0.894118 0.941176 0.901961], 'Position',[0.00658858 0.0207054 0.2 0.965402]); h10=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','text','string','Diffraction', 'BackgroundColor',[0 1], 'Position',[0.03 0.858537 0.15 0.0853659]); h11=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','popupmenu','string',{'1 Gap(normal)','1 Gap(special)','2 Gaps','3 Gaps','4 Gaps','5 Gaps'}, 'BackgroundColor',[0.757 0.867 0.776], 'Position', [0.03 0.75 0.15 0.05],'callback',@sokhe); h12=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','push','string','Horizontal Ring', 'BackgroundColor',[0.757 0.867 0.776], 'Position', [0.03 0.65 0.15 0.05],'callback','r2'); h13=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','push','string','Round-hole', 'BackgroundColor',[0.757 0.867 0.776], 86 'Position', [0.03 0.55 0.15 0.05],'callback','r3'); h14=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','text','string','Interference', 'BackgroundColor',[0 1], 'Position',[0.03 0.4 0.15 0.0853659]); h15=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','push','string','2 Gaps', 'BackgroundColor',[0.757 0.867 0.776],'Position',[0.03 0.3 0.15 0.05],'callback','gthoa'); h16=uicontrol('unit','normal','FontName','Times New Roman', 'FontSize',[8],'style','push','string','Exit', 'BackgroundColor',[0.953 0.871 0.733],'Position', [0.03 0.1 0.15 0.05],'callback','ex'); function gthoa f2=figure(2);set(f2,'unit','normal','Position',[0.35 0.21 0.345 0.595], 'Color',[0.8 0.8 0.8],'name','Interference of Light for Gaps','menubar','none','toolbar','none','number','off'); a=10^(-3); D=1; lam=0.6*10^(-6); t=-0.2:0.001:0.2; u1=2*cos(2*pi*t/0.05); utt=abs(u1); subplot(2,1,1); plot(t,utt); I=abs(u1.^2); Imax=max(I); I=I/Imax; 87 II=repmat(I,2,1); subplot(2,1,2); pcolor(t,1:2,II); xanh=gray;xanh(:,[1,3])=0; set(gcf,'colormap',xanh); shading interp;shg;xlabel('mm'); end clear all;close all;clc lamda=600*1e-9; L=200; A=1; q=2*pi/lamda n=1 D=lamda/200; a=50000*lamda; q=2*pi/lamda; M=101; d=D/(M-1); c=0; y=-20:0.1:20; yl=[-(n-1)/2:(n-1)/2].*a; for nn=1:length(yl) yk1=[-(M-1)/2:(M-1)/2].*d+repmat(yl(nn),1,M); yk(:,nn)=yk1(:); end; yk=yk(:); rrk=inline('sqrt((y-yk).^2+L^2)','y','yk','L'); for k=1:length(yk) c=c+A./rrk(y,yk(k),L).*exp(-i*q*rrk(y,yk(k),L)); 88 end; I=abs(c.^2); Imax=max(I); I=I/Imax; II=repmat(I,2,1); subplot(2,1,1); plot(y,I); xlabel('mm'); axis([-20 20 1.3]) subplot(2,1,2); pcolor(y,1:2,II); xanh=gray;xanh(:,[1,3])=0; set(gcf,'colormap',xanh); shading interp;shg;xlabel('mm') function r2 f2=figure(2);set(f2,'unit','normal','Position',[0.39 0.21 0.3 0.595], 'Color',[0.8 0.8 0.8],'name','Diffraction of Light for Horizontal Ring', 'menubar','none','toolbar','none','number','off'); lamda=600*1e-9; L=200; A=1; q=2*pi/lamda R=5*lamda; dn=R/50; Rm=50;dm=Rm/100; [xk,yk]=meshgrid(-R:dn:R); xk=xk(:);yk=yk(:); k=find((xk.^2+yk.^2)