SKKN ứng dụng phần mềm geogebra để hỗ trợ học sinh trực quan hóa bài toán sóng trên mặt nước do một nguồn gây ra và bài toán giao thoa sóng cơ trong chương sóng cơ vật lý 12

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA TRƯỜNG THPT NGA SƠN SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GEOGEBRA ĐỂ HỖ TRỢ HỌC SINH TRỰC QUAN HÓA BÀI TỐN SĨNG TRÊN MẶT NƯỚC DO MỘT NGUỒN GÂY RA VÀ BÀI TỐN GIAO THOA SĨNG CƠ TRONG CHƯƠNG SĨNG CƠ VẬT LÝ 12 Người thực hiện: Cao Thị Bình Chức vụ: Giáo viên SKKN thuộc lĩnh vực(môn): Vật lý THANH HOÁ NĂM 2021 -1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU .4 1.1 Lý chọn đề tài .4 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu .4 1.4 Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận .5 2.2 Thực trạng vấn đề trước nghiên cứu áp dụng SKKN 2.2.1 Thực trạng…………………………………………………………………….6 2.2.2 Nguyên nhân thực trạng………………………………………………….7 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .18 3.1 Kết luận 18 3.2 Kiến nghị 18 3.2.1 Đối với giáo viên……………………………………………………….…18 3.2.2 Đối với học sinh………………………………………………………… 18 3.2.3 Đối với cấp quản lí……………………………………………………19 -2- MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Bài tập sóng mặt nước nguồn gây giao thoa sóng chương sóng vật lý 12 tốn địi hỏi học sinh phải hội tụ nhiều kiến thức, kỹ vừa cần hiểu rõ chất vật lý, vừa cần có hình ảnh trực quan để phát triển tư làm tập nâng cao Trong nhiều khó khăn phức tạp thể rõ tập xác định số phần tử dao động cực đại pha với nguồn phần giao thoa sóng chương sóng vật lý 12 Với phương pháp khảo sát định tính truyền thống, định lượng tương đối tốn học việc giải tập mang tính chất hàn lâm, khô cứng, dẫn tới hiệu dạy học không cao Để nâng cao kết dạy học việc giải tốn sóng việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào giảng dạy cần thiết Hiện có nhiều phần mềm sử dụng mô tả trực quan giảng dạy vật lý Geometer's SketchPad, Cabri 3D, Toolkit Math, Geogebra Tuy nhiên, việc sử dụng nào, vận dụng cịn gặp nhiều khó khăn giáo viên phần mềm đa phần dùng riêng cho Tốn học, cịn việc áp dụng vào vật lý địi hịi nhiều kĩ khác Qua thời gian nghiên cứu tham khảo nhận thấy phần mềm Geogebra phần mềm hay để giải vấn đề Vừa phần mềm miễn phí, dựng mơ hình tĩnh động, vừa có khả xử lý đại số nhanh Vì lý khách quan chủ quan trên, viết đề tài: “ Ứng dụng phần mềm Geogebra để hỗ trợ học sinh trực quan hóa tốn sóng mặt nước nguồn gây toán giao thoa sóng chương sóng vật lý 12” 1.2 Mục đích nghiên cứu Thơng qua đề tài này, nhằm giúp giáo viên thấy việc trực quan hóa hình ảnh quỹ tích phần tử dao động pha, ngược pha với nguồn hình ảnh quỹ tích phần tử dao động cực đại, cực tiểu đem lại hiệu cao việc hỗ trợ học sinh giải tập sóng nguồn gây giao thoa sóng chương sóng vật lý 12 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu cách sử dụng phần mềm Geogebra để vẽ quỹ tích phần tử pha, điểm mà phần tử dao động cực đại chương sóng vật lý 12 1.4 Phương pháp nghiên cứu Trong q trình nghiên cứu tơi sử dụng số phương pháp sau: - Nhóm phương pháp thống kê tốn học -3- - Nhóm phương pháp lý thuyết: Phương pháp tra cứu, thu thập tài liệu, phân tích, tổng hợp so sánh - Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn: phương pháp vấn, phương pháp nghiên cứu sản phẩm học tập học sinh NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận 2.1.1 Qũy tích phẩn tử mặt nước dao động pha, ngược pha với nguồn mặt nước có nguồn sóng Từ cơng thức tính độ lệch pha phần tử M cách nguồn khoảng 2 d � d:    M pha với nguồn � d  k  � Qũy tích phần tử dao động pha với nguồn đường trịn đồng tâm nguồn O có bán kính  ,2 ,3 � 1� k �  � Qũy tích phần tử dao động M ngược pha với nguồn � d  � � 2� ngược pha đường tròn đồng tâm nguồn O có bán kính  ,  ,  2 2.1.2 Qũy tích phần tử mặt nước có biên độ dao động cực đại, cực tiểu hai nguồn dồng Phần tử M dao động cực đại � d  d1  k � quỹ tích đường hypebol nhận hai nguồn hai tiêu điểm, đỉnh hypebol liên tiếp cách  Phần tử M dao động cực tiểu (không dao động) � d  d1   k  0,5   � quỹ tích đường hypebol nhận hai nguồn làm tiêu điểm đồng thời nằm xen kẽ hypebol cực đại, đỉnh hypebol liên tiếp cách  2.1.3 Qũy tích phần tử dao động thời pha với nguồn S1 nguồn S2 tốn giao thoa sóng Gỉa sử phương trình truyền sóng hai nguồn có dạng u s1  u s  a cos  t  � phương trình sóng M nằm cách nguồn khoảng lần �  d  d1  � � d  d1  �  � ��  cos � t   lượt d1, d2 là: u M  2a.cos � � � � �   � � � � -4- � �  d  d1  � � � d  d1  2k,cos �  � �  � � � � quỹ tích M pha với nguồn � �  d  d1  � � � d  d1   2k  1 , cos �  � � �  � � � � phần tử dao động pha với nguồn đường Elíp bậc chẵn bậc lẻ nhận hai nguồn hai tiêu điểm � �  d  d1  � � � d  d1  2k,cos �  � �  � � � � quỹ tích M ngược pha với nguồn � �  d  d1  � � � d  d1   2k  1 , cos �  � � �  � � � � phần tử dao động ngược pha với nguồn đường Elíp bậc chẵn bậc lẻ nhận hai nguồn hai tiêu điểm 2.1.4 Vị trí phần tử dao động với biên độ cực đại pha ngược pha với nguồn �  d  d1  � � �1 kết hợp với điều kiện  Khi M dao động cực đại: cos � � �  � � pha ngược pha với nguồn ta kết M dao động cực đại pha với nguồn � d  d1  m � , với m n chẵn lẻ � d  d1  n � M dao động cực đại ngược pha với nguồn � d  d1  m � , với m n khác tính chất chẵn lẻ � d  d1  n � 2.2 Thực trạng vấn đề trước nghiên cứu áp dụng SKKN 2.2.1 Thực trạng Qua thực tế giảng dạy, điều tra, vấn đồng nghiệp thấy, phương pháp tập quỹ tích phần tử pha, cực đại đồng thời pha phổ biến lâu cách tiếp cận số giáo viên cịn khó khăn Bài tập cịn thụ động, thiếu sáng tạo số liệu dạng tập Việc ứng dụng phần mềm để mơ hình ảnh động, hỗ trợ giải tập quỹ tích phần tử pha, cực đại đồng thời pha cần thiết Một số giáo viên trình bày phương pháp giải tập đơn phương -5- pháp đại số dẫn đến việc xử lý kết sai, thiếu dụng cụ kiểm chứng, học sinh cảm thấy khơng hấp dẫn thú vị, khó hình dung hình ảnh trực quan để sáng tạo nhiều 2.2.2 Kết thực trạng Kết thực trạng phản ánh hai khía cạnh sau: - Chất lượng giảng dạy tập quỹ tích phần tử pha, ngược pha, cực đại đồng thời pha chưa đạt hiệu cao; chưa thể đa dạng phong phú vốn có - Kết học sinh cịn chưa tốt Bởi lẽ, chưa thu hút hứng thú học sinh, chưa kích thích tư học sinh 2.2.3 Nguyên nhân thực trạng - Giáo viên cịn ngại tìm tịi, sáng tạo Chủ yếu sử dụng phương pháp đại số đơn nên không phát huy khả học sinh từ ảnh hưởng đến kết học tập học sinh - Giáo viên chưa mạnh dạn đổi phương pháp dạy học, chủ yếu phương pháp dạy học truyền thống nên chưa tạo hứng thú, hấp dẫn học sinh 2.3 Các giải pháp sử dụng để giải vấn đề 2.3.1 Giải khó khăn mơ hình dạng quỹ tích phần tử dao động với biên độ cực đại, cực tiểu Qũy tích phần tử dao động pha ngược pha với nguồn - Cài đặt chạy chương trình Geogebra - Mơ quỹ tích phần tử dao động với biên độ cực đại, cực tiểu Biểu diễn vị trí nguồn S1 S2 Sử dụng chức Hyperbola để dựng quỹ tích với hai tiêu điểm S1 S2 - Mặc định bước sóng có giá trị 2, suy đỉnh hyperbol cách 1, từ ta dựng hyperbol có đỉnh cách -6- - Tương tự ta mơ hình quỹ tích phần tử dao động với biên độ cực tiểu đường hypebol xen kẽ - Mơ quỹ tích phần tử dao động pha ngược pha với nguồn Sử dụng cơng cụ Ellipse để mơ o quỹ tích Hai tiêu điểm Ellipse tương ứng o với hai vị trí nguồn -7- 2.3.2 Giải khó khăn mơ hình dạng quỹ tích phần tử dao động pha, ngược pha với nguồn, trường hợp sóng nguồn gây - Biểu diễn vị trí nguồn sóng O - Sử dụng cơng cụ Circle: Center & Radius để mơ quỹ tích phần tử pha với nguồn - Mặc định bước sóng có giá trị 1, nên giá trị bán kính nhận 1, 2, 3…v.v -8- - Tương tự việc mơ quỹ tích phần tử ngược pha với nguồn, ta sử dụng công cụ Circle: Center & Radius với bán kính lấy giá trị 0.5, 1.5, 2.5,… - Xuất file lấy clipboard Sau hồn thành bước phần mềm hiển thị hình ảnh quỹ tích, học sinh nhìn thấy thầy thơng qua máy chiếu cho em xem quan sát trực tiếp, cịn thầy cần lấy hình ảnh vào file word để hoàn thành giảng xây dựng giáo án ta làm sau: File  Export Garphics View as GIF Clipborad Ở có nhiều dạng xuất ảnh, xuất file pdf, xuất file up trực tiếp trang web v.v -9- 2.3.3 Các ví dụ minh họa Ví dụ 1: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải tốn xác định số phần tử sóng dao động pha với nguồn đoạn MN cho trước Trên mặt nước có nguồn sóng M, N hai vị trí mà phần tử mơi trường dao động pha với nguồn MO =  , NO =  , biết OM vng góc với ON Xác định số phần tử đoạn MN dao động pha với nguồn Hướng dẫn: - Phương pháp đại số: Đường cao hạ từ O đến MN có giá trị: 1   � h  3,12 h OM ON Trên đoạn MH, số điểm dao động pha o với nguồn: OH  k   OM � 3,13  k   4 � khơng có phần tử Trong đoạn, số điểm dao động pha o với nguồn: NH OH  k   ON � 3,13  k   5 � có phần tử dao động pha Kết luận: Có phần tử pha với nguồn nằm khoảng o MN o - Phương pháp sử dụng phần mềm để trực quan hóa tốn Sử dụng cơng cụ Circle: Center & Radius để dựng quỹ tích điểm o pha với nguồn Biểu diễn điểm M nằm đường tròn bán kính  o Sử dụng cơng cụ perpendicular để dựng o đường thẳng vng góc với ON O Sử dụng cơng cụ Intersect để tìm giao điểm N o đường thẳng đường trịn đường kính  Dựa vào hình ảnh ta thấy MN cắt đường trịn điểm  có phần o tử dao động pha với nguồn khoảng MN Ví dụ 2: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải toán xác định độ dài MN để đoạn MN có k phần tử dao động pha với nguồn Trên mặt nước có nguồn sóng M, N hai vị trí mà phần tử mơi trường dao động pha với nguồn MO =  , NO =  , biết OM vng góc với ON Xác định độ dài MN để a Trong đoạn MN có phần tử dao động pha với nguồn b Trong đoạn MN có phần tử dao động pha với nguồn c Trong đoạn MN có phần tử dao động pha với nguồn Hướng dẫn - 10 - a Trong đoạn MN có phần tử dao động pha với nguồn MN tiếp tuyến với đường trịn có bán kính  Sử dụng công cụ đo khoảng cách hai điểm ta xác định độ dài MN = 6.64  b Trong đoạn MN có phần tử dao động pha với nguồn MN tiếp tuyến với đường tròn có bán kính  Sử dụng cơng cụ đo khoảng cách hai điểm ta xác định độ dài MN = 8.04  c Trong đoạn MN có phần tử dao động pha với nguồn MN tiếp tuyến với đường trịn có bán kính  Sử dụng công cụ đo khoảng cách hai điểm ta xác định độ dài MN = 8.77  - 11 - Ví dụ 3: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải toán xác định khoảng cách lớn MN S1S2 để đoạn MN có k phần tử dao động với biên độ cực đại Trên mặt nước có hai nguồn đồng S1 S2 cách 8cm Sóng mặt nước có bước sóng 2cm M N hai điểm đối xứng qua đường trung trực S1S2 Biết MN = 4cm Xác định khoảng cách lớn MN S 1S2 để đoạn MN có phần tử dao động với biên độ cực đại Hướng dẫn: Biểu diễn hai vị trí nguồn S1S2 o Sử dụng cơng cụ Hyperbola dựng quỹ tích phần tử cực đại nhận hai o nguồn hai tiêu điểm Sử dụng công cụ o để dựng hai điểm MN đối xứng với J, JN = JM = 2cm - 12 - o o Di chuyển điểm J, đoạn thẳng MN di chuyển theo, điểm cắt với đường cực đại xuất Ta thấy MN có phần tử dao động cực đại khoảng cách IJ lớn M N thuộc đường cực đại bậc Sử dụng công cụ đo khoảng cách độ dài IJ = 6,67cm ta xác định - 13 - Ví dụ 4: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ trực quan hóa tốn xác định số phần tử dao động cực đại đường bao quanh S1S2 (đường trịn, đường elip) Trên mặt nước có hai nguồn đồng S1 S2 cách  Xác định số phần tử dao động cực đại nằm a Đường trịn đường kính S1S2 b Đường elip nhận S1S2 hai tiêu điểm Hướng dẫn: Tương tự cách dựng quỹ tích ví dụ trước, ta kết hợp sử dụng công cụ Circle: Center & Radius; Hyperbola; Ellipse; Intersect để biểu diễn phần tử cực đại, qua xác định số phần tử cực đại nằm đường bao quanh o Kết có 14 phần tử dao động với biên độ cực đại - 14 - Ví dụ 5: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải toán xác định số phần tử dao động cực đại pha đường tròn đường tròn nhận S 1S2 làm đường kính Trên mặt nước có hai nguồn đồng S1 S2 cách  Xác định số phần tử dao động cực đại dao động pha với nguồn: a Nằm đường tròn đường kính S1S2 b Nằm đường trịn đường kính S1S2 Hướng dẫn: - Phương pháp đại số: a Trên đường trịn đường kính S1S2 � d1  d  m � , m n tính chất M cực đại pha với nguồn � � d1  d  n � � d  k � � �1 d  k ' � M thuộc đường tròn � d 22  d12  S1 S2  16 � k  k '2  16 (1) Xét cung phần tư thứ đường trịn ta có 2 �d1  4 � k  (2) Từ (1) (2) ta thấy không tồn k’ nguyên Kết luận khơng có phần tử đường trịn dao động cực đại pha với nguồn b Trong đường trịn đường kính S1S2 � d1  d  m � , m n tính chất M cực đại pha với nguồn � � d  d  n  �1 � d  k � � �1 d  k ' � M đường tròn � d 22  d12  S1 S2  16 � k  k '2  16 � 2 �d1  4 � k  2,3 � Xét cung phần tư thứ đường trịn ta có �  d  2 � k ' �2 � - Nếu k = 2k’ = 1, - Nếu k = 3k’ = 1, Mặt khác d1+d2>S1S2 k + k’ >  tồn cặp giá trị k = 3, k’ =2 Do tính chất đối xứng suy tồn đường trịn có phần tử dao động cực đại pha với nguồn - 15 - - Phương pháp sử dụng phần mềm: Sử dụng cơng cụ ví dụ trước ta dựng quỹ tích phần o tử dao động pha với nguồn, phần dao động với biên độ cực đại Từ hình ảnh thu được, ta xác định đường tròn khơng có phần tử cịn đường trịn có giao điểm đường cực đại bậc elip lẻ bậc 1 số phần tử thỏa mãn 4 Hiệu SKKN Để đánh giá hiệu sáng kiến kinh nghiệm tiến hành thực nghiệm sư phạm hai lớp có chất lượng ngang lớp 12A sĩ số 40 lớp 12C sĩ số 42 trường THPT Nga Sơn, lớp thực nghiệm lớp 12C lớp đối chứng lớp 12A Lớp đối chứng 12A tiến hành dạy chun đề tập bình thường sóng nguồn gây ra, giao thoa sóng lớp thực nghiệm 12C tiến hành dạy với cách khắc phục trình bày khảo sát kết làm tập đồ thị hai lớp sau + Lớp đối chứng 12A, đa phần em làm với hiệu thấp + Lớp thực nghiệm 12C, em tỏ tự tin giải tập sóng nguồn gây giao thoa sóng cơ, phản xạ trắc nghiệm nhanh Kết cụ thể khảo sát sau: Lớp 12A (Đối chứng) Phản xạ nhanh tốn sóng mặt nước nguồn gây Tổng Phản Phản Tỉ lệ số xạ xạ sai HS 44 25 19 56,8% Phản xạ nhanh tốn giao thoa sóng Phản xạ Phản xạ sai Tỉ lệ 22 22 50% - 16 - 12C (Thực nghiệm) 42 35 83% 32 10 76% Nhìn vào kết ta thấy khác rõ ràng chất lượng hai lớp đối chứng thực nghiệm Ngoài ra, năm học 2020– 2021, tổ phân công trực tiếp triển khai nội dung triển khai phần mềm ứng dụng việc dạy học vật lý trước tổ, kết nhận thấy đồng nghiệp hăng say tiếp thu, sau tự tin giảng dạy học sinh chủ đề sóng soạn thảo vấn liên quan Đó yếu tổ thể tính hiệu sáng kiến đem lại KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Về phía học sinh: Thơng qua hệ phần mềm em hình dung rõ ràng dạng quỹ tích, hình ảnh trực quan chắn với kết tìm thơng qua việc biến đổi tốn học Qua tự tin giải tốn sóng Về phía giáo viên: Phần mềm giúp giáo viên tự tin triển khai tất ý tưởng Sáng tạo dạng tập mà khơng sợ sai xót Việc minh chứng kết toán làm tiền đề cho việc giảng dạy đạt hiệu cao Như vậy, lần cho phép khẳng định rằng: việc sử dụng phần mềm Geogebra để áp dụng rộng rãi chắn mang lại nhiều tác dụng, góp phần nâng cao chất lượng, hiệu giảng dạy tập sóng nguồn gây tập giao thoa sóng chương sóng vật lý 12 3.2 Kiến nghị 3.2.1 Đối với giáo viên Giáo viên cần thường xuyên học hỏi nâng cao trình độ, trao đổi với đồng nghiệp đơn vị đồng nghiệp ngành để phát triển thân nhiều Trong trình dạy học giáo viên cần phải thường xuyên sử dụng phương pháp dạy học tích cực, khai thác ứng dụng phần mềm điều cần thiết thời đại bùng nổ công nghệ thông tin Cần rèn luyện cho học sinh ý thức tự học, tự nghiên cứu, nâng cao khả sáng tạo thông qua việc sử dụng phần mềm dạy học 3.2.2 Đối với học sinh Khắc phục phương pháp học bị động, thiếu sáng tạo Khơng có nhìn đa chiều số tốn sóng - 17 - 3.2.3 Đối với cấp quản lí Cơ sở vật chất phục vụ cho việc giảng dạy học cần đầu tư nâng cấp, mở rộng Phòng học phải có đủ thiết bị máy chiếu, máy tính giáo viên khai thác ứng dụng công nghệ thông tin vào dạy học Xác nhận thủ trưởng đơn vị Thanh Hoá ngày 19, tháng 05 năm 2021 Tôi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Cao Thị Bình - 18 - Tài liệu tham khảo Sách giáo khoa vật lý 12 - Nhà xuất giáo dục Các toán vật lý sóng tham khảo trang web Cẩm nang sử dụng phần mềm Geogebra - 19 - ... Geogebra để hỗ trợ học sinh trực quan hóa tốn sóng mặt nước nguồn gây tốn giao thoa sóng chương sóng vật lý 12? ?? 1.2 Mục đích nghiên cứu Thơng qua đề tài này, nhằm giúp giáo viên thấy việc trực quan. .. thấy phần mềm Geogebra phần mềm hay để giải vấn đề Vừa phần mềm miễn phí, dựng mơ hình tĩnh động, vừa có khả xử lý đại số nhanh Vì lý khách quan chủ quan trên, viết đề tài: “ Ứng dụng phần mềm Geogebra. .. thoa sóng chương sóng vật lý 12 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu cách sử dụng phần mềm Geogebra để vẽ quỹ tích phần tử pha, điểm mà phần tử dao động cực đại chương sóng vật lý 12 1.4 Phương