ĐỀ TÀI NGHIÊM CỨU KHOA HỌC CHỦ ĐỀ MATLAB VÀ SIMULINK được hoàn thiện một cách tối ưu nhất, bố cục mạch lạc, chi tiết, cụ thể. Nội dung đầy đủ về phần mềm tới các ứng dụng. Được hoàn thiện cùng với các chuyên gia nước bạn Lào.
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2019-2020 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ PHẦN MỀM MATHEMATICA THIẾT KẾ MỘT SỐ BỘ THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG THPT Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hữu Huy, Vankham Boudthaly Người hướng dẫn khoa học: ThS Giáp Thị Thùy Trang Thái Nguyên, tháng năm 2020 Ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2019 - 2020 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ PHẦN MỀM MATHEMATICA THIẾT KẾ MỘT SỐ BỘ THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG THPT Xác nhận người hướng dẫn (ký, họ tên) Sinh viên thực (ký, họ tên) ThS Giáp Thị Thùy Trang Thái Nguyên, Nguyễn Hữu Huy Vankham Boudthaly tháng năm 2020 Ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đề tài NCKH này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Cô giáo Giáp Thị Thùy Trang, người đã nhiệt tình và tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn em suốt thời gian thực hiện đề tài Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo tổ bộ môn phương pháp giảng dạy môn Vật Lý của Khoa Vật Lý và các thầy cô Khoa đã hết lòng dạy bảo khóa 52 chúng em suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã động viên khích lệ, giúp em thời gian học tập và nghiên cứu Do khả và thời gian có hạn, mặc dù đã cố gắng rất nhiều song bản NCKH này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Em rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ dẫn, góp ý của các nhà khoa học, các thầy cô giáo Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2020 Tác giả Nguyễn Hữu Huy Vankham Boudthaly Ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ii DANH MỤC BẢNG iv MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài .2 Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATHEMATICA 1.1 Giới thiệu phần mềm Mathematica 1.2 Các công cụ Mathematica 1.2.1 Tính tốn với biến hằng số 1.2.2 Ma trận 1.2.3 Mợt số phéo tốn ma trận, vect 1.2.4 Giải ma trận tiếp tuyến .9 1.2.5 Khả tính đạo hàm hàm số 10 1.2.6 Giới hạn hàm số 10 1.2.7 Tính tích phân 10 1.2.8 Xây dựng hàm riêng 11 1.2.9 Khả vẽ đồ họa 2D, 3D Mathematica 12 1.3 Giới thiểu tổng quan phần mềm Matlab/Simulink 15 1.3.1 Cách sử dụng Matlab 16 1.3.2 Tổng quan thư viện Simulink cách sử dụng Simulink 19 1.4 Thí nghiệm nghiên cứu dạy học vật lý 28 1.4.1 Vai trò thí nghiệm nghiên cứu dạy học vật lý .28 Ii 1.4.2 Các loại thí nghiệm thường dùng nghiên cứu dạy học vật lý 29 CHƯƠNG II KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CÁC THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN.31 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu mạch cầu điện trở .31 2.1.1 Mục đích thí nghiệm .31 2.1.2 Cơ sở lý thuyết và sơ đồ thí nghiệm ảo 31 2.1.3 Tiến hành thí nghiệm ảo và in kết quả 2.1.4 Câu hỏi kiểm tra .2 2.1.5 Viết báo cáo thí nghiệm 2.2 Thí nghiệm mạch chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 2.2.1 Mục đích thí nghiệm .2 2.2.2 Cơ sở lý thuyết và sơ đồ thí nghiệm ảo 2.2.3 Tiến hành thí nghiệm ảo và in kết quả 2.2.4 Câu hỏi kiểm tra 2.2.5 Viết báo cáo thí nghiệm 2.3 Thí nghiệm chủn đợng vật bị ném xiên 2.3.1 Mục đích thí nghiệm .6 2.3.2 Cơ sở lý thuyết .6 2.3.3 Tiến hành thí nghiệm ảo và in kết quả 2.3.4 Câu hỏi kiểm tra 10 2.3.5 Viết báo cáo thí nghiệm 10 KẾT LUẬN 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO .12 Ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TN Thí nghiệm TNA Thí nghiệm ảo TNT Thí nghiệm thật THPT Trung học phổ thông MPTQ Mô phỏng trực quan GV Giáo viên HS Học sinh NCKH Nghiên cứu khoa học Hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Nội dung hình Đồ thị hàm số f(x) = X – 5x – 10 Đồ thị hàm số f1=x2+y2 và f2= -x2-y2 Đồ thị hàm số được biểu diễn dưới dạng tham số x = Cos5t, y = Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 2.1 Hình 2.2 Sin3t Khởi động Matlab Simulink icon Cửa sổ Simulink Start Page Vùng làm việc của Simulink Library Browser Cửa sổ Simulink Library Browser Tạo các khối Lưu trữ mô hình Di chuyển các khối Nối tín hiệu Đặt các thông số mô phỏng Mô phỏng mô hình Dạng tín hiệu sóng Sơ đồ mạch cầu điện trở Sơ đồ mắc mạch TNA Bên trái đối với mạch cầu cân bằng, bên Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 phải mạch cầu không cân Sơ đồ mắc mạch TNA đọc số liêu đầu vào và đầu Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng điốt Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng điốt Sơ đồ và kết quả in dao động ký của bộ chỉnh lưu nửa chu Trang Ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.8 kỳ Sơ đồ và kết quả in dao động ký của mạch chỉnh lưu cả nửa Hình 2.9 Hình 2.10 chu kỳ Quỹ đạo chuyển động của vật ném xiên Hiển thị kết quả mô phỏng trực quan DANH MỤC BẢNG STT Bảng Nội dung bảng Bảng 1.1 Các phép toán số học Bảng 1.2 Các hàm tính ma trận Bảng 1.3 Các phép tính toán ma trận Bảng 1.4 Các phép tính toán hệ phương trình tuyến tính Bảng 2.1 Giá trị các thông số của mạch cầu điện trở Bảng 2.2 Đặc điểm dòng điện vào và dòng điện qua mạch chỉnh lưu Ii Trang MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ thông tin, việc sử dụng máy tính và các phần mềm chuyên dụng đã và là xu thế tất yếu của các ngành khoa học nói chung và ngành Vật lý học nói riêng Thực tế chỉ rằng, việc sử dụng máy tính điện tử nghiên cứu, giảng dạy, học tập Vật lý đã đem lại những thành tựu vô cùng quan trọng Điều này được thể hiện việc ứng dụng máy tính rất nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác của Vật lý như: Vật lý lý thuyết, vật lý chất rắn, thiên văn học…nhằm hỗ trợ cho việc tính toán và đo đạc chính xác, xây dựng các mô hình lý thuyết, mô phỏng, dự đoán các hiện tượng và hỗ trợ thí nghiệm Với sự đời của các phần mềm, việc xử lý nhiều công việc trở nên đơn giản và tiết kiệm nhiều lần Hiện thế giới, thực nghiệm mô phỏng cung cấp cho học sinh, sinh viên có hội làm thực nghiệm nhiều lần và thời điểm thuận lợi Ở Việt Nam hiện nay, nhiều trường đại học đều sử dụng các ứng dụng máy tính để nghiên cứu và giảng dạy, đó phần mềm Matlab và Mathematica được sử dụng một môn học bắt buộc đối với sinh viên và học viên Nhiều ứng dụng quan trọng của các phần mềm này cho thấy tính hiệu quả của nó nghiên cứu và giảng dạy Trong dạy học, máy tính trở thành phương tiện hỗ trợ đắc lực cho giáo viên và học sinh, giáo viên có thể sử dụng mô phỏng cho các bài giảng cụ thể giảng bài lý thuyết Công nghệ thông tin hay cụ thể là các phần mềm máy tính giúp bảo đảm thời gian tự nghiên cứu, tự học cho giáo viên và học sinh, đảm bảo các điều kiện khác Sự giải phóng sức lao động cho giáo viên khỏi các công việc giản đơn giúp người giáo viên có nhiều thời gian cho sự đổi mới, sáng tạo dạy học Có rất nhiều phần mềm chuyên dụng được sử dụng rộng rãi, đó Mathematica và Matlab là hai phần mềm được khai thác khá mạnh mẽ Đây là các phần mềm có giao diện thân Ii thiện, dễ hoạt động, khả xử lý số liệu nhanh và tính vẽ đồ thị có nhiều ưu việt Hai phần mềm này cho phép giải nhanh các phương trình, hệ phương trình tổng quát, phức tạp và có thể mô phỏng các thí nghiệm ảo Bài học vật lý nhiều trừu tượng, để học sinh hiểu, hứng thú, say mê học tập, nghiên cứu khoa học thì cần có các thí nghiệm trực quan không phải lúc nào giáo viên có thể làm thí nghiệm thật lớp Thực tế hiện nay, các bài giảng điện tử trở nên phổ biến bên cạnh các phương tiện dạy học truyền thống, điều kiện thiết bị thí nghiệm nhiều trường phổ thông còn thiếu và lạc hậu, thí nghiệm ảo giúp học sinh dễ dàng quan sát các hiện tượng vật lý, giúp học sinh hiểu rõ bản chất các hiện tượng đó Trong một số công trình các tác giả đã thiết kế một số bài thí nghiệm ảo, nhiều ứng dụng Mathematica và Matlab vẫn chưa được khai thác triệt để và còn nhiều thí nghiệm ảo quan trọng khác cần được nghiên cứu thêm Do đó, đề tài đặt để tiếp tục khai thác các ứng dụng Matlab và Mathematica nhằm hỗ trợ nhiều việc giảng dạy vật lý của giáo viên trường THPT Việc ứng dụng các phần mềm Mathematica và Matlab tạo các bộ thí nghiệm ảo giúp khảo sát nhiều hiện tượng Vật lý trở nên đơn giản hơn, tạo các giờ dạy-học hay Với ý nghĩa khoa học của vấn đề, chúng lựa chọn đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab phần mềm Mathematica thiết kế số thí nghiệm ảo hỗ trợ trình dạy học Vật lý trường THPT.” Mục đích đề tài Nghiên cứu về các phần mềm Mathematica, Matlab và ứng dụng các phần mềm đó thiết kế được các bộ thí nghiệm ảo hỗ trợ giáo viên dạy vật lý trường THPT Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần mềm Mathematica, Matlab và các thí nghiệm Vật lý trường THPT Ii Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích, so sánh tài liệu; Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về phần mềm Mathematica 9.0, phần mềm Matlab, các thí nghiệm vật lý; Phương pháp thực nghiệm máy tính để xây dựng các bộ thí nghiệm ảo Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và tài liệu tham khảo, đề tài bao gồm chương: Chương Tổng quan về các phần mềm Mathematica, Matlab và thí nghiệm vật lý trường THPT Chương Kết quả mô phỏng các thí nghiệm và thảo luận Ii trình dạy học đề xuất vấn đề nghiên cứu, giải quyết vấn đề (hình thành kiến thức, kĩ mới ), củng cố kiến thức và kiểm tra đánh giá kiến thức kĩ năng, kĩ xảo của HS - Thí nghiệm phương tiện thu nhận tri thức: Trong dạy học vật lý, thí nghiệm được sử dụng một công cụ phân tích hiện thực khách quan, từ đó HS thu nhận tri thức về đối tượng Thực tế, đối với những bài học liên quan đến các hiện tượng, nếu GV giảng dạy theo lối thông báo TN thì HS thụ động tiếp nhận kiến thức, nếu dung TN thì thông qua TN, HS không những tiếp thu kiến thức một cách tự lực, mà qua đó làm cho HS tích cực, sáng tạo hoạt động nhận thức, từ đó họ hăng hái tham gia vào công cuộc khám phá kiến thức mới thơng qua TN [2] - Thí nghiệm phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của những tri thức đã thu nhận: Trong dạy học vật lý, TN là một những phương tiện tốt để điểm tra kiến thức vật lý đã được khái quát từ lí thuyết Thực tế cho thấy, từ sự khái quát hóa lí thuyết đưa TN để kiểm tra lí thuyết không những làm cho những hoạt động nhận thức của HS tích cực mà còn tạo được niềm tin về sự đúng đắn của kiến thức mà HS đã lĩnh hợi [2] - Thí nghiệm phương tiện kích thích hứng thú học tập của học sinh, phát huy tính tích cực của HS q trình nhận thức: TN là phương tiện gây hứng thú, là yếu tố kích thích tính tò mò, ham hiểu biết của HS học tập, nhờ đó làm cho các em tích cực và sáng tạo quá trình nhận thức [2] - Thí nghiệm giúp HS hồn thiện phẩm chất góp phần vào việc phát triển toàn diện học sinh: Qua quá trình tiến hành thí nghiệm, HS được rèn luyện và hoàn thiện các kỹ khả làm việc cá nhân hoặc làm việc nhóm, tinh thần tập thể, chịu trách nhiệm với công việc của mình Ngoài ra, TN còn là điều kiện để HS rèn luyện những phẩm chất của người lao động đức tính cẩn thận kiên trì, trung thực Mặt khác, HS có hội rèn luyện kỹ thực hành, góp phần thiết thực vào việc học tập và nghiên cứu sau này [2] - Thí nghiệm phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn: Các kiến thức vật lý được giảng dạy lớp cần phải được khắc sâu vào tiềm thức của HS Theo đó, HS phải thường xuyên củng cố và được vận dụng kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, vấn đề này được thực hiện tốt nếu chúng ta biết vận dụng TN để giải quyết, TN vật lý giúp HS có điều kiện vận dụng kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, từ đó xóa bỏ dần lối " học vẹt"”, lý thuyết suông đã tồn tại nhiều năm trước [2] 1.4.2 Các loại thí nghiệm thường dùng nghiên cứu dạy học vật lý Có nhiều cách để phân loại TN nghiên cứu và dạy học vật lý, tùy vào tiêu chí khác có kết quả khác Nhưng điển hình có hai cách sau đây: - Căn cứ vào đối tượng sử dụng, TN vật lý có thể chia thành hai loại: TN biểu diễn (TN GV tiến hành là chính, có thể có sự hỗ trợ của HS), TN thực hành (TN HS tự tiến hành dưới sự hướng dẫn của GV) [2] - Căn cứ vào môi trường trình diễn TN, TN vật lý có thể chia thành hai loại: TN thật và TN máy vi tính + Đối với thí ngiệm thật (TNT), tập trung vào hai loại chính: TN trang cấp (TN Được trang bị đồng loạt, đồng bộ giữa các trường phổ thông, được Bộ Giáo dục và đào tạo cung cấp theo phân phối) và TN tự tạo (TN GV hoặc HS tự chế tạo ra) + Đối với thí nghiệm máy tính, mặc dù máy tính hỗ trợ TN dưới nhiều hình thức khác TN mô phỏng, TN ảo, phim TN cứ vào phạm vi nghiên cứu đề tài này, tập trung khai thác loại hình thí nghiệm ảo (TNA) TNA là thí nghiệm được xây dựng từ các dụng cụ thí nghiệm, các đối tượng được tạo môi trường ảo cảu máy vi tính Trong TNA, các đối tượng, các thiết bị, các công cụ được sử dụng khá giống với các đối tượng, các thiết bị, các công cụ thực tế CHƯƠNG II KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CÁC THÍ NGHIỆM Trong chương này, chúng trình bày việc thiết kế hai bộ TNA về mạch cầu điện trở và mạch chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thư viện simulink của phần mềm matlab và thí nghiệm mô phỏng trực quan chuyển động của một vật bị ném xiên phần mềm Mathematica 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu mạch cầu điện trở 2.1.1 Mục đích thí nghiệm Sau thực hiện bài thí nghiệm này, học sinh: - Biết được cấu tạo của mạch cầu điện trở; - Nhận biết và hiểu được điều kiện cân của mạch cầu - Ứng dụng được bộ thí nghiệm ảo để khảo sát các thông số mạch, từ đó giải được nhanh đáp số của tất cả các bài tập liên quan đến mạch cầu điện trở 2.1.2 Cơ sở lý thuyết sơ đờ thí nghiệm ảo * Cơ sở lý thuyết: Sơ đồ thí nghiệm mạch cầu điện trở hình 2.1 - Mạch cầu cân khi: M I5 = � I1 I3 , I I A U5 = � VM VN VA - VM = VA - VN I1 R1 = I2 R2 R VB – VM = VB - VN I3 R3 = I4 R4 � R R1 R2 R � R3 R4 R2 R4 R B R4 N Hình 2.1 Sơ đồ mạch cầu điện trở (1), - Mạch cầu không cân I5 ≠ 0, U5 ≠ R R * Sơ đồ thí nghiệm ảo về mạch cầu điện trở hình 2.2 R1 R2 R3 R4 (2) Trong đó: là điện trở R có giá trị Display1: là phần màn hình hiện thị giá trị cường độ dòng điện đo được tương ứng với ampe A1 Là nguồn điện Hình 2.2 Sơ đồ mắc mạch TNA Bên trái đối với mạch cầu cân bằng, bên phải mạch cầu không cân bằng 2.1.3 Tiến hành thí nghiệm ảo in kết quả1 + Bố trí thí nghiệm thư viện simulink của phần mềm MATLAB có thể thấy hình 2.2, các giá trị điện trở thỏa mãn lần lượt các hệ thức (1) và (2) + Tiến hành thí nghiệm: nhấn nút Play thấy hình 2.3 (các khối hình 2.3 có ý nghĩa tương tự các khối hình 2.2) - Quan sát các kết quả cho mạch cầu không cân Display3 và Display5 - Quan sát các dòng mạch chính ở Display1 và Display4 - Quan sát các kết quả cho mạch cầu cân Display và Display2 Lập bảng số liệu: Lần đo … Bảng 2.1 Giá trị thông số của mạch cầu điện trở Mạch cầu cân bằng R1 R2 R3 R4 U (V) I (A) U5(V) ( ) ( ) ( ) ( ) 12 4.5 Mạch cầu không cân bằng R3 R4 U (V) I (A) Lần R1 R2 đo … ( ) ( ) ( ) ( ) 2 12 3.93 I5(A) 0 U5(V) I5(A) 1.17 -0.23 Hình 2.3 Sơ đờ mắc mạch TNA đọc số liêu đầu vào đầu Nhận xét kết quả thí nghiệm: 2.1.4 Câu hỏi kiểm tra - Mạch cầu điện trở có cấu tạo thế nào? Dấu hiệu nhận biết mạch cầu điện trở trạng thái cân bằng? không cân bằng? - Chứng minh mạch cầu điện trở cân các điện trở có giá trị thỏa mãn hệ thức: R1 R3 R2 R4 - Trình bày phương pháp tính cường độ dòng điện và hiệu điện thế của điện trở mạch cầu 2.1.5 Viết báo cáo thí nghiệm Theo mẫu tài liệu tham khảo [4] 2.2 Thí nghiệm mạch chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 2.2.1 Mục đích thí nghiệm Sau thực hiện bài thí nghiệm này, học sinh: - Biết được khái niệm mạch chỉnh lưu là mạch điện bao gồm các linh kiện điện điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều - Biết được cấu tạo và hiểu được nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ và cả chu kỳ - Phân biệt được mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ và mạch chỉnh lưu cả chu kỳ; mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng điốt và mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng điốt - Biết được mạch chỉnh lưu sử dụng các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện và các thiết bị vô tuyến… 2.2.2 Cơ sở lý thuyết sơ đờ thí nghiệm ảo *Cơ sở lý thút chỉnh lưu nửa chu kỳ (hình 2.4): - Trong nửa chu kỳ đầu: A là cực dương, B là cực âm, dòng điện qua điốt đến tải R và về B - Trong nửa chu kỳ sau: B là cực dương, A là cực âm, điốt không cho dòng điện qua Vì chỉ nửa chu kỳ đầu có dòng điện một chiều qua R nên mạch chỉnh lưu này có hiệu suất truyền công suất thấp và có thể lắp các mạch nguồn một pha *Cơ sở lý thuyết chỉnh lưu cả chu kỳ (hình 2.5): - Trong nửa chu kỳ đầu: A là cực dương, B là cực âm, dòng điện truyền từ A qua điốt số 1, đến tải R, qua điốt số và về B - Trong nửa chu kỳ sau: B là cực dương, A là cực âm, dòng điện truyền từ B qua điốt số 2, đến tải R, qua điốt số và về A Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ có hiệu suất cao mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Tuy nhiên mạch điện không có điểm giữa của biến áp nên cần đến điốt thay vì cần hai điốt hình 2.6 A B Hình 2.4 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ A B Hình 2.5 Mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng điốt Hình 2.7 Sơ đồ kết in dao động ký của chỉnh lưu nửa chu kỳ Hình 2.6 Mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng điốt Hình 2.8 Sơ đồ kết in dao động ký của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kỳ 2.2.3 Tiến hành thí nghiệm ảo in kết Hình 2.7 và 2.8 cho thấy sơ đồ thí nghiệm ảo về mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, mạch chỉnh lưu cả chu kỳ và kết quả đầu xuất hiện dao động ký của bộ chỉnh lưu ảo một nửa và cả chu kỳ Kết quả dao động ký là phù hợp khá tốt với kết quả nhận được từ bộ thí nghiệm thực Lập bảng số liệu: Bảng 2.2 Đặc điểm dòng điện vào dòng điện qua mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Lần đo Tín hiệu vào Tín hiệu Biên độ Chu kỳ Biên độ Chu kỳ … Mạch chỉnh lưu chu kỳ Lần đo Tín hiệu vào Tín hiệu Biên độ Chu kỳ Biên độ Chu kỳ … Nhận xét kết quả thí nghiệm: 2.2.4 Câu hỏi kiểm tra - Trình bày khái niệm về mạch chỉnh lưu dòng điện - Trình bày cấu tạo của điốt, từ đó giải thích tại dòng điện qua điốt chỉ theo một chiều - So sánh các mạch chỉnh lưu cả chu kỳ: mạch dùng điốt và mạch dùng điớt 2.2.5 Viết báo cáo thí nghiệm Theo mẫu tài liệu tham khảo [4] 2.3 Thí nghiệm chủn đợng vật bị ném xiên 2.3.1 Mục đích thí nghiệm Trực quan hóa chủn đợng của một vật bị ném xiên, từ đó thấy được quỹ đạo chuyển động, tầm bay cao, tầm bay xa của vật và xác định được vị trí của vật tại một thời điểm bất kỳ Khảo sát được các đặc trưng tướng ứng với giá trị bất kỳ của vận tốc ban đầu và góc ném 2.3.2 Cơ sở lý thuyết Từ mặt đất, người ta ném một hòn đá coi là chất điểm với vận tốc v0 theo phương hợp với mặt phẳng ngang một góc α Bỏ qua mọi ma sát và sức cản của không khí Lấy gia tốc trọng trường là g Khảo sát chuyển động của hòn đá theo góc α với các yêu cầu sau: Quỹ đạo của hòn đá; Độ cao cực đại và tầm xa của hòn đá; Vận tốc của hòn đá tại thời điểm t bất kì Quỹ đạo chuyển động ném xiên Chọn hệ quy chiếu gắn với trái đất Hệ tọa độ Oxy hình 2.9 Bỏ qua mọi lực cản của không khí đó vật ném chỉ chịu tác dụng của trọng lực Chọn gốc thời gian t0 là lúc bắt đầu ném ta có Tại thời điểm t = 0; x0 = 0; y0 = 0; v0 x v0 cos ; v0 y v0 sin Theo phương Ox vật không chịu tác dụng của ngoại lực: Vật chuyển động thẳng đều ur Theo phương Oy vật chịu tác dụng của trọng lực P : Vật chuyển động thẳng biến đổi đều Giả sử, sau khoảng thời gian Δt = t – t = t vật chuyển động đến vị trí A (xem hình 2.9) vx v0 x v0 cos , v y v0 y a y t v0 sin gt , Tọa đợ của điểm A: Hình 2.9 Quỹ đạo chuyển động của vật ném xiên x vx t (v0 cos )t � t y v0 y t ayt 2 x , v0 cos (v0 sin )t gt , Quỹ đạo của chuyển động là: gx y x tan 2v0 cos (1) Phương trình này có dạng đồ thị của hàm số f(x) = -ax2 + bx là một đường parabol có đỉnh phía Tầm bay cao: Là độ cao cực đại mà vật đạt tới Khi vật lên tới đỉnh I của Quỹ đạo Tầm bay cao: H v0 sin 2g (2) Tầm bay xa: Là khoảng cách giữa điểm ném và điểm rơi (cùng mặt đất) Tầm bay xa: L v0 sin 2 g (3) 2.3.3 Tiến hành thí nghiệm ảo in kết Chúng sử dụng các công thức (1), (2) và (3) và để xây dựng chương trình mô phỏng trực quan cách sử dụng phần mềm Mathematica 9.0 với hai câu lệnh thực hiện MPTQ động là Manipulate, ParametricPlot: Code phương án 1: v0max=1000; Manipulate[ParametricPlot[{v0*Cos[Anpha]*,v0*Sin[Anpha]* 1/2*g*^2}, {,0,t},PlotRange{0,2*v0^2*Sin[Anpha]*Cos[Anpha]/g},FrameTru e,AxesFalse,ImageSize{500,500},PlotStyleDirective[Thick,Gra yLevel[0]],AspectRatio.5],{v0,0,v0max},{Anpha,0,Pi/2}, {g,8,10},{{t,0.00000000001},0,2*v0*Sin[Anpha]/g}] Giá trị v0max=1000 chỉ có ý nghĩa gán giá trị cực đại cho vận tốc ném, hoàn toàn không ảnh hưởng đến chương trình code và có thể thay giá trị khác được Code phương án 2: Manipulate[ParametricPlot[{v0*Cos[Anpha]*,v0*Sin[Anpha]* 1/2*g*^2}, {,0,t},PlotRange{0,2*v0^2*Sin[Anpha]*Cos[Anpha]/g},FrameTru e,AxesFalse,ImageSize{500,500},PlotStyleDirective[Thick,Gra yLevel[0]],AspectRatio.5],{v0},{Anpha,0,Pi/2},{g,8,10}, {{t,0.00000000001},0,2*v0*Sin[Anpha]/g}] v Trong phương án này, giá trị của được người dùng nhập trực tiếp text Phương pháp sử dụng chương trình mơ trực quan Bước 1: Nhập các giá trị ban đầu, (tùy mục đích của GV) giả sử cho: v0 100, , g 10m / s Bước 2: Bấm nút chạy dưới điều chỉnh thời gian t Khi đó, màn hình thấy được quá trình chuyển động của vật bị ném xiên hình 2.10A Bước 3: Nếu muốn xác định vị trí (tung độ, hoành độ) của vật một thời điểm t1 nào (A) (B) Hình 2.10 Hiển thị kết mơ phỏng trực quan đó, người học chỉ cần nhập trực tiếp giá trị của t text, sau đó Enter Trên màn hình thấy đồ thị tĩnh của chuyển động, với điểm cuối cùng chính là vị trí của vật tại thời điểm t1 hình 2.10B Như vậy, chúng ta thấy các thao tác GV có thể thay đổi số liệu đầu vào và cho học sinh quan sát các dạng Quỹ đạo khác của chuyển động ném xiên trường hấp dẫn 2.3.4 Câu hỏi kiểm tra - Quỹ đạo chuyển động của một vật bị ném xiên trường hấp dẫn có hình dạng thế nào? Những yếu tố nào quyết định đến tầm bay xa và tầm bay cao của vật? - Hình chiếu chuyển động của vật phương nằm ngang và phương thẳng đứng là loại chuyển động nào? Tại sao? - Khi góc ném vật không đổi thì tầm bay cao và tầm bay xa phụ thuộc thế nào vào vận tốc ban đầu v0 của vật? - Khi vận tốc ban đầu v0 của vật không đổi thì tầm bay cao và tầm bay xa phụ thuộc thế nào vào góc ném vật ? 2.3.5 Viết báo cáo thí nghiệm Theo mẫu tài liệu tham khảo [4] KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài của chúng đã thu được một số kết quả chính sau: Đã tìm hiểu tổng quan về các phần mềm Mathematica, Matlab và các thí nghiệm Vật lý trường THPT Đã khai thác thành công thư viện simulink của phần mềm matlab để thiết kế hai bộ thí nghiệm ảo, một là mạch cầu điện trở và hai là mạch chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng một chiều Từ đó, cung cấp cho GV dạy các trường THPT hai bộ TNA mà nó có khả thay thế thí nghiệm thực giảng dạy lớp Đặc biệt, kết quả của đề tài cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích, giúp GV có thể tự thiết kế các bộ TNA cho một số bài học khác Đã khai thác phần mềm Mathematica 9.0, thiết kế thành công chương trình mô phỏng trực quan chuyển động của một vật ném xiêm trọng trường, giúp học sinh quan sát các Quỹ đạo khác của vật ném xiên, nhằm hỗ trợ GV quá trình dạy học kiến thức vật lý bậc THPT, GV có đủ thời gian thực hiện các nhiệm vụ mong muốn khác thời gian cho phép của tiết học Một phần kết của đề tài công bố báo: Giáp Thị Thùy Trang, Nguyễn Hữu Huy, Vankham Boudthaly, Nguyễn Thanh Bình, Dương Thị Hà, “Mô phỏng trực quan chuyển động ném xiên của chất điểm bằng phần mềm mathematica 9.0 nhằm hỗ trợ trình dạy học trường trung học phổ thông”, Tạp chí thiết bị giáo dục 11/2019, pp 192-194 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Dũng, Nguyễn Chính Cương, Giáp Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Thu Hà, Tính số mơ phỏng số tốn Vật lí, NXB Đại học Q́c gia Hà Nợi, 2020 [2] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, Phương pháp dạy học Vật lý trường phổ thông, NXB Đại học sư phạm, 2002 [3] W.Y Yang, W Cao, TS Chung, and J Morris, Applied Numerical Methods Using MATLAB, John Wiley & Sons, Inc., ISBN, 0-471-69833-4, 2005 [4] Vũ Thị Hồng Hạnh, Đặng Thị Hương, Giáo trình thí nghiệm vật lý đại cương , NXB Đại học Thái Nguyên, 2017 ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2019 - 2020 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ PHẦN MỀM MATHEMATICA THIẾT... tổng quan phần mềm Matlab/ Simulink 15 1.3.1 Cách sử dụng Matlab 16 1.3.2 Tổng quan thư viện Simulink cách sử dụng Simulink 19 1.4 Thí nghiệm nghiên cứu dạy học vật lý 28... nghiên cứu dạy học vật lý .28 Ii 1.4.2 Các loại thí nghiệm thường dùng nghiên cứu dạy học vật lý 29 CHƯƠNG II KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CÁC THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN.31 2.1 Thí nghiệm nghiên cứu mạch