Thiết kế một số thí nghiệm cơ học dùng cảm biến chuyển động để hỗ trợ quá trình dạy học các chương động học chất điểm và các định luật bảo toàn vật lí 10 THPT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ THIẾT KẾ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG ĐỂ HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG “ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN” VẬT LÍ 10 THPT Mà SỐ: CS.2015.19.67 Cơ quan chủ trì: Khoa Vật lí, Đại học Sư phạm Tp.HCM Chủ nhiệm: ThS Lê Hải Mỹ Ngân Thành phố Hồ Chí Minh – 12/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ THIẾT KẾ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG ĐỂ HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG “ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 THPT Mà SỐ: CS.2015.19.67 Xác nhận quan chủ trì TRƯỞNG KHOA VẬT LÍ Chủ nhiệm đề tài TS Cao Anh Tuấn ThS Lê Hải Mỹ Ngân Thành phố Hồ Chí Minh – 12/2016 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH ThS Lê Hải Mỹ Ngân, chủ nhiệm đề tài ThS Phan Minh Tiến i MỤC LỤC DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG ii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ iii TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi SUMMARY viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG QUY TRÌNH SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM GO!MOTION VÀ PHẦN MỀM LOGGER PRO ĐỂ THIẾT KẾ CÁC THÍ NGHIỆM 1 Giới thiệu cảm biến Go!Motion Giới thiệu phần mềm Logger Lite Logger Pro Thao tác ghi nhận xử lí liệu khảo sát chuyển động cảm biến phần mềm Logger Pro 3.5 .9 Thao tác thiết lập khảo sát chuyển động thực tương thích với đồ thị xây dựng tích hợp quay video 15 Thiết lập hàm khảo sát lượng vật chuyển động sử dụng cảm biến Logger Pro 3.5 21 CHƯƠNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG CẢM BIẾN GO!MOTION KẾT NỐI MÁY TÍNH VÀ PHẦN MỀM LOGGER PRO 3.5 24 2 Các thí nghiệm khảo sát định luật bảo toàn động lượng – chương “Các định luật bảo toàn” 30 Thí nghiệm khảo sát gốc – chương “Các định luật bảo toàn” 35 Thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM Đà THIẾT KẾ 41 Các hoạt động học tập hướng dẫn đọc hiểu đồ thị xây dựng chuyển động thực tương thích đồ thị “tọa độ - thời gian” 41 Tiến trình dạy học “Động lượng Định luật bảo tồn động lượng.” 45 3 Tiến trình dạy học “Thế năng” 51 Tiến trình dạy học “Cơ năng” 53 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 58 Mục đích, đối tượng, phương pháp nội dung thực 58 Đánh giá kết thực nghiệm 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Khối lượng vận tốc hai xe trước sau va chạm 31 Bảng 2.2 Động lượng hệ hai xe trước sau va chạm 31 Bảng 2.3 Động hệ hai xe trước sau va chạm 31 Bảng 2.4 Bảng số liệu bóng rổ thời điểm với gốc khác 37 Bảng 2.5 Bảng xử lí số liệu vật rơi tự 38 Bảng 2.6 Bảng xử lí số liệu động năng, năng, lắc đơn 39 Bảng 2.7 Bảng xử lí số liệu động năng, năng, lắc lò xo 40 iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cảm biến Go!Motion (Vernier): (1) Bộ phận phát sóng siêu âm; (2) Trục xoay; (3) Cổng kết nối USB; (4)Nút điều chỉnh đối tượng khảo sát Hình 1.2 Các ưu điểm Go!Motion Hình 1.3 Nguyên lí Time of Flight (TOF) Hình 1.4 Ví dụ cách khắc phục bề mặt vật khảo sát gồ ghề Hình 1.5 Giao diện phần mềm Logger Lite kết nối cảm biến Hình 1.6 Giao diện phần mềm chưa kết nối với cảm biến Hình 1.7 Giao diện phần mềm kết nối với cảm biến Hình 1.8 Giao diện phần mềm kết nối đồng thời với hai cảm biến Hình 1.9 Hộp thoại Data Collection 10 Hình 1.10 Ví dụ thiết lập tốc độ ghi nhận liệu: hộp thoại Data Collection kết liệu từ cảm biến theo thông số thiết lập 11 Hình 1.11 Hệ trục tọa độ mặc định cảm biến ghi nhận liệu 12 Hình 1.12 Thanh cơng cụ phần mềm Logger Pro 12 Hình 1.13 Ví dụ sử dụng cơng cụ “Statistics” tính giá trị vận tốc trung bình vật trước va chạm khảo sát định luật bảo toàn động lượng 13 Hình 1.14 Hộp thoại Curve Fit để tìm hàm số phù hợp với đồ thị 14 Hình 1.15 Hộp thoại Graph Options – mục Graph Options 14 Hình 1.16 Ví dụ dạng đường biểu diễn 15 Hình 1.17 Hộp thoại Graph Options – Mục Axes Options 15 Hình 1.18 Bảng liệu (hiển thị mặc định) 16 Hình 1.19 Hộp thoại Manual Column Options – Mục Column Definition 16 Hình 1.20 Hộp thoại Manual Column Options – Mục Column Definition 17 Hình 1.21 Đồ thị tương ứng bảng số liệu Match Data Logger Pro 3.5 17 Hình 1.22 Đồ thị vẽ phần mềm điều chỉnh hệ trục tọa độ cho phù hợp 17 Hình 1.23 Giao diện chương trình kết nối cảm biến đồ thị vẽ theo số liệu nhập vào 18 Hình 1.24 Chọn biểu diễn đồng thời hai đại lượng vị trí đồ thị 18 Hình 1.25 Ví dụ vị trí gốc tọa độ cần thiết lập để phù hợp đồ thị 19 Hình 1.26 Hộp thoại Video Capture 19 Hình 1.27 Hộp thoại Video Capture Options 20 Hình 1.28 Chuyển động thực tương thích với đồ thị xây dựng tích hợp video phần mềm Logger Pro 20 Hình 1.29 Hộp thoại Replay 21 Hình 1.30 Hộp thoại Calculated Colomn Options cho đại lượng vận tốc 21 Hình 1.31 Hộp thoại New Calculated Column – mục Column Definition 22 iv Hình 1.32 Hộp thoại User Parameters để tạo số 23 Hình 2.1 Tích hợp quay phim ghi nhận đồ thị chuyển động thẳng xe động lực 24 Hình 2.2 Thí nghiệm chuyển động thẳng biến đổi xe động lực 25 Hình 2.3 Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc theo thời gian chuyển động thẳng biến đổi 25 Hình 2.4 Thí nghiệm rơi tự tích hợp video phần mềm Logger Pro 26 Hình 2.5 Kết phân tích đồ thị gia tốc rơi tự 26 Hình 2.6 Đồ thị tương ứng với bảng số liệu Match Data thí nghiệm 27 Hình 2.7 Thí nghiệm thực tương ứng với đồ thị xây dựng thí nghiệm tích hợp quay phim 27 Hình 2.8 Đồ thị tương ứng với bảng số liệu Match Data thí nghiệm 28 Hình 2.9 Thí nghiệm thực tương ứng với đồ thị xây dựng thí nghiệm tích hợp video 29 Hình 2.10 Đồ thị tương ứng với bảng số liệu Match Data thí nghiệm 29 Hình 2.11 Thí nghiệm thực tương ứng với đồ thị xây dựng thí nghiệm tích hợp video 29 Hình 2.12 Sơ đồ thí nghiệm va chạm mềm hai xe động lực 30 Hình 2.13 Thí nghiệm va chạm mềm hai xe động lực 31 Hình 2.14 Sơ đồ thí nghiệm va chạm đàn hồi hai xe: xe chuyển động xe đứng yên 32 Hình 2.15 Đồ thị vận tốc - thời gian hệ hai xe trước sau va chạm đàn hồi 32 Hình 2.16 Bảng số liệu khảo sát thí nghiệm va chạm xe chuyển động với xe đứng yên 33 Hình 2.17 Sơ đồ bố trí thí nghiệm va chạm đàn hồi hai xe khối lượng ban đầu đứng yên 33 Hình 2.18 Thí nghiệm va chạm đàn hồi hai xe ban đầu đứng yên khối lượng tích hợp quay phim 34 Hình 2.19 Đồ thị vận tốc – thời gian hai xe va chạm đàn hồi hai xe khối lượng ban đầu đứng yên 34 Hình 2.20 Bảng số liệu khảo sát thí nghiệm va chạm đàn hồi hai xe động lực ban đầu đứng yên 35 Hình 2.21 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 35 Hình 2.22 Đồ thị vị trí vật chọn gốc mặt đất 36 Hình 2.23 Đồ thị vị trí vật chọn gốc vị trí thả vật 36 Hình 2.24 Đồ thị vị trí vật chọn gốc vị trí cách mặt đất đoạn h thả vật từ độ cao h’>h 37 v Hình 2.25 Kết thí nghiệm khảo sát vật rơi tự do: bên trái liệu động năng, vật; bên phải đồ thị biểu diễn động năng, theo thời gian 38 Hình 2.26 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát lắc đơn 38 Hình 2.27 Kết thí nghiệm lắc đơn: đồ thị biểu diễn vị trí vận tốc; đồ thị biểu diễn động năng, lắc đơn 39 Hình 2.28 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắc lị xo thẳng đứng 40 Hình 2.29 Đồ thị (a) động năng, (b) (c) lắc lị xo 40 Hình 3.1 Bài tốn đặt vấn đề 41 vi BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP.HCM CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc -Tp HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2016 TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: THIẾT KẾ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG ĐỂ HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG “ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 THPT - Mã số: CS.2015.19.67 Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Hải Mỹ Ngân - E-mail: nganlhm@hcmup.edu.vn Cơ quan chủ trì đề tài: Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM Cơ quan cá nhân phối hợp thực hiện: Ths Phan Minh Tiến, Giảng viên trường Đại học Sư phạm Tp.HCM - Thời gian thực hiện: 09/2015 – 09/2016 Tel: 0938257289 Mục tiêu - Thiết kế số thí nghiệm học chương “Động học chất điểm” “Các định luật bảo tồn” chương trình Vật lí 10 ban có sử dụng cảm biến siêu âm - Thiết kế tiến trình dạy học có sử dụng thí nghiệm xây dựng ứng dụng tiến trình vào thực nghiệm sư phạm trường Trung Học Thực Hành Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh Kết đạt - Xây dựng tập tài liệu hướng dẫn quy trình sử dụng cảm biến Go!Motion (hoặc loại cảm biến chuyển động khác) kết hợp với phần mềm Logger Pro để khảo sát chuyển động thực - Thiết kế thí nghiệm ghép nối máy tính chương “Động học chất điểm” thí nghiệm ghép nối máy tính cho chương “Các định luật bảo toàn” - Thiết kế số hoạt động đọc hiểu đồ thị kết hợp sử dụng cảm biến chức tích hợp quay phim thí nghiệm thực để giảng dạy - Thiết kế tiến trình dạy học cho chương “Các định luật bảo toàn” kết hợp sử dụng thí nghiệm thực Đồng thời thực nghiệm sư phạm với tiến trình để đánh giá sơ khởi vii Sản phẩm - Sản phẩm công bố: 01 báo khoa học tạp chí nước Lê Hải Mỹ Ngân, Trương Hồng Ngọc, Phan Minh Tiến (2016), “Cảm biến chuyển động Go!Motion việc ứng dụng vào dạy học chương “Các định luật bảo tồn”, Vật lí 10 THPT”, Tạp chí khoa học ĐH Sư phạm TP HCM - (đã nhận đăng) Sản phẩm đào tạo: hướng dẫn 01 khóa luận tốt nghiệp bảo vệ thành công Trương Hồng Ngọc (2014), “Thiết kế số thí nghiệm dùng cảm biến chuyển động hỗ trợ dạy học chương “Động học chất điểm” “Các định luật bảo tồn”, Vật lí 10 THPT”, khóa luận tốt nghiệp ngành Sư phạm, trường ĐH Sư phạm TP.HCM Xác nhận quan chủ trì TRƯỞNG KHOA VẬT LÍ Chủ nhiệm đề tài TS Cao Anh Tuấn ThS Lê Hải Mỹ Ngân 49 cô lập hay hệ kín Hay ngoại lực tác dụng lên hệ cân với - Bổ sung cho HS trường hợp: 𝐹𝐹⃗ ≠ 𝑣𝑣à ∆𝑡𝑡 ≠ 0, ngoại lực nhỏ  𝐹𝐹⃗ ≠ ∆𝑡𝑡 ≈ 0: thời gian tương tác nhỏ, gần tức thời so với nội lực hệ - Yêu cầu HS suy định luật bảo toàn động lượng trường hợp tổng quát Hoạt động 4: Thiết kế phương án thí nghiệm (theo nhóm) tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng kết rút từ suy luận lí thuyết - Giới thiệu chức ưu điểm - Đề xuất phương án TN với việc sử cảm biến chuyển động thí nghiệm xe động lực - Đặt câu hỏi học 4: Làm để kiểm chứng định luật bảo tồn động lượng thí nghiệm trên? dụng TN xe động lực cảm biến: - Xét hệ gồm xe chuyển động va chạm với Tính động lượng hai xe trước sau tương tác Xác định vận tốc hai xe trước sau va chạm cảm biến khối lượng ta biết - Thu hẹp phạm vi kiểm tra kết cách xét trường hợp riêng sau: + Ta có cảm biến Vậy làm cách để xác định vận tốc - Với cảm biến ta xác vật sau tương tác hay không? định vận tốc xe trước sau va chạm mà thơi Ta thực TN cho xe đến va chạm với xe đứng yên Sau va chạm, cho xe dính chặt vào + Sau thực hiện, ta thu điều chuyển động mà từ ta kiểm chứng định - Dùng lí thuyết định luật bảo toàn luật bảo toàn động lượng? động lượng để suy vận tốc hai - Áp dụng suy luận đề để vật sau tương tác Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: thực thí nghiệm - Tiến hành thí nghiệm (TN) 𝑚𝑚1 �����⃗ 𝑣𝑣′1 + 𝑚𝑚2 �����⃗ 𝑣𝑣′2 = 𝑚𝑚1 𝑣𝑣 ���⃗1 + 𝑚𝑚2 ����⃗ 𝑣𝑣2 - Giới thiệu cho HS biết TN vừa - Xét hai xe động lực lúc TN đơn giản sau tương 50 tác hai xe dính chặt vào m1=m2, suy v2=v1/2 Nhờ cảm chuyển động với vận tốc Trong biến ta xác định đồ thị vận trường hợp khác GV cung cấp thêm cảm biến có cách tốc hai xe tương tác Cịn hướng chuyển động quan sát trực để kiểm chứng định luật bảo tồn động lượng hay khơng mà sau tương tiếp từ TN đồ thị vận tốc vẽ máy tính tác hai xe khơng dính chặt vào khơng? - Lắng nghe phương án HS lựa chọn phân tích phương án thực Nếu HS không đưa phương án GV hướng dẫn cho cách tiến hành TN trường hợp: + TH1: Xe đến va chạm đàn hồi với xe đứng yên, hai xe khối lượng + TH2: Xe đến va chạm đàn hồi với xe đứng yên, xe có khối lượng lần xe + TH3: hai xe khối lượng đừng yên đặt gần Sau tương tác hai chuyển động ngược chiều - Trước thực TN, GV cho HS dự đoán kết trường hợp thực kiểm nghiệm - Suy nghĩ đưa phương án kiểm chứng Hoạt động 5: Tổng kết bổ sung kiến thức động lượng định luật bảo toàn động lượng - Trả lời vấn đề: Nếu ta xét hệ gồm hai vật mà gồm nhiều vật tương tác với tương tác với vật ngồi hệ trạng thái vật hệ vật thay đổi xảy tương tác? - Định nghĩa lại động lượng - Phát biểu viết hệ thức định luật bảo toàn động lượng - Khi xét tương tác vật hệ kín động lượng bảo tồn - Nếu vật tương tác với vật ngồi hệ động lượng khơng bảo tồn tổng động lượng vật trước chúng tương tác sai khác tổng động lượng sau tương tác lượng tích tất ngoại lực tác dụng lên hệ khoảng 51 thời gian xảy tương tác 3 Tiến trình dạy học “Thế năng” 3 Mục tiêu • Trong q trình dạy học, học sinh có thể: - So sánh độ lớn gia tốc rơi tự vị trí địa lí khác để lấy ví dụ trọng trường - Phát vấn đề tìm đại lượng vật lý đặc trưng cho khả thực công vật cao, lò xo bị biến dạng - Tham gia vào thí nghiệm để nhận thức vai trò gốc • Sau học, học sinh có thể: - Định nghĩa trọng trường, trọng trường - Định nghĩa viết công thức trọng trường, đàn hồi Chọn gốc xác định vật trường hợp chọn - gốc khác Vận dụng công thức định lí để giải tốn - 3 Tiến trình dạy học Hoạt động giáo viên Hoạt động học sinh Hoạt động 1: Đặt vấn đề - Đặt câu hỏi: Tại thả búa máy - Do búa chịu tác dụng lực hấp dẫn từ độ cao h so với mặt đất, đầu trái đất, lực hút chúng phía búa chúng lại rơi xuống mặt đất trái đất mà không bị bay vũ trụ? - Lực hấp dẫn mà trái đất tác dụng lên búa ta biết trọng - Trọng trường mơi trường có tác lực Và vật đặt xung quanh trái dụng trọng lực đất chịu tác dụng trọng lực - Biểu xuất Ta nói xung quanh trái đất chúng trọng lực tác dụng lên vật có khối ta có tồn trọng trường Vậy lượng m đặt vị trí trọng trường gì? Biểu cho khoảng khơng gian có trọng trường thấy tồn trọng trường? 𝑃𝑃�⃗ = 𝑚𝑚𝑔𝑔⃗ - Cơng thức tính trọng lực giải thích m:khối lượng vật ý nghĩa đại lượng 𝑔𝑔⃗: gia tốc rơi tự - Vecto 𝑔𝑔⃗ gọi gia tốc trọng trường khoảng không gian 52 rộng vecto gia tốc trọng trường điểm song song, chiều độ lớn khoảng khơng gian trọng trường - Giới thiệu cho HS gia tốc trọng trường Hà Nội, Mặt trăng Hoạt động 2: Xây dựng đại lượng - Cho HS xem phim hoạt động búa máy nhận xét - Thả đầu búa xuống rơi xuống chạm vào cọc làm cọc lún sâu vào đất - Có thể lượng đặc trưng cho - Ta nói đầu búa mang khả sinh công mà trường lượng khơng? Vì sao? hợp đầu búa sinh cơng làm - Dạng lượng mà vật có cọc lún xuống vật độ cao so với mặt đất ta gọi - Thế trọng trường dạng trường hay lượng mà vật có chịu tác hấp dẫn trọng trường dụng trọng trường gì? Ta thấy trọng trường dạng lượng mà vật có chịu tác dụng trọng trường hay nói cách khác trọng trường dạng lượng tương tác trái đất vật - Thông báo: Thế vật xác định công thức W t = mgz Hoạt động 3: Vai trò gốc - Đặt vấn đề: biểu thức tính - Thế trọng trường vật phụ năng, z đại lượng thể vị trí thuộc vào vị trí nên gốc khác vật trọng trường Tuy nhiên z vị trí vật khác xác định từ vị trí vật đến nên giá trị thay đổi Thế trọng trường khơng, đâu, có phải ln ln độ cao so với mặt đất hay không? lớn nhỏ không phụ thuộc - Thông báo gốc vào vị trí ta chọn làm gốc - Đặt vấn đề: Liệu có thực phụ thuộc vào gốc hay 53 không? - Tiến hành thí nghiệm với cảm biến máy tính - Tiến hành treo cảm biến lên giá đỡ + Giới thiệu cảm biến chuyển động + Sau đặt bóng cảm biến dụng cụ thu vị trí Tiến hành chọn gốc mặt vận tốc vật, ưu nhược điểm đất, vị trí thả vật, vại trí cách vị cảm biến, phần mềm kèm theo lưu ý trí thả vật đoạn h’ với HS cảm biến ta chọn + Đặt cảm biến bàn, mặt cảm biến gốc vị trí cách hướng lên Đặt bóng bàn cách cảm đặt vật ví đố nhấn tổ hợp phím biến đoạn h Ta tung bóng “Ctrl+0” + Gợi ý dụng cụ TN giả lên theo phương thẳng đứng sau đỡ bóng rổ bóng rơi xuống ta chụp lại Để khảo sát việc chọn gốc ta + Yêu cầu HS đưa phương án TN - Tổng kết lại lựa chọn phương chọn gốc vị trí tung vật, vị trí cách vị trí tung vật h’>h mặt đất án TN hợp lí thực - Lập sẵn hàm năng, lúc đồ thị ta chọn để khảo sát (Wt, t) - Kết luận: + Giá trị phụ thuộc vào gốc + Thông thường ta chọn gốc mặt đất Tiến trình dạy học “Cơ năng” Mục tiêu • Trong trình dạy học, học sinh có thể: - phát vấn đề “quy luật biến đổi động năng”; - dự đốn mơ hình: q trình chuyển động vật chịu tác dụng trọng lực lực đàn hồi có chuyển hóa động tức vật bảo toàn; - thiết lập biểu thức liên hệ động vật chịu tác dụng trọng lực lực đàn hồi • Sau học, học sinh có thể: - phát biểu viết thức định luật bảo toàn năng; - vận dụng định luật bảo toàn để suy định lí biến thiên trường hợp lực không 54 Tiến trình dạy học Hoạt động giáo viên Hoạt động học sinh Hoạt động 1: Đặt vấn đề Trong trước, biết Tiếp nhận vấn đề: Tìm quy luật biến dạng lượng phụ thuộc đổi động vào vị trí tương đối vật so với mặt đất phụ thuộc vào độ biến dạng vật so với trạng thái chưa biến dạng Khi vật chuyển động vật có động Các em biết động hai mặt đại lượng lượng chung Vậy ta xét chuyển động vật vật thay đổi có theo quy luật khơng? Hoạt động 2: Sự bảo toàn vật chuyển động trọng trường - Thơng báo kí hiệu, biểu thức tính đơn vị vật chuyển động trọng trường + Kí hiệu: W + Biểu thức: W = W đ + W t + Đơn vị: J - Yêu cầu học sinh làm ví dụ, vận dụng kiến thức học chương Động Làm tập hướng dẫn học chất điểm, chương Động lực học giáo viên chất điểm công thức tính Bài giải: * Chọn gốc mặt đất để giải, hướng dẫn giáo chiều dương từ xuống viên * Cơ vật A: Bài toán: Một vật nặng khối lượng WA = Wt + Wd = Wt = mgH 100g rơi tự không vận tốc đầu từ độ cao 1,5 m Tính * Cơ vật B: bóng điểm A, B C thời điểm WB = Wt + Wd = Wd = mvB2 t hình vẽ A A B B A B Từ công thức độc lập thời gian: v − v02 = 2aS 55 Xét điểm B, ta có: vB2 = gH , vào biểu thức B ta được: WB = mgH - Yêu cầu học sinh nhận xét vật vị trí khác q trình rơi tự - Kết luận: Khi vật chuyển động trọng trường chịu tác dụng trọng lực vật đại lượng bảo toàn W = Wd + Wt = const hay mv + mgz = const * Cơ C W = Wtc + Wdc C = mvC + mghC Từ công thức rơi tự vC = gt    sC = gt Lại có hC= H − sC Suy C 1 mg 2t + mg ( H − gt ) 2 = mgH WC = Trong ví dụ ta nhận thấy vật không đổi trình vật rơi tự tác dụng trọng lực (điểm C bất kỳ) Hoạt động 3: Thí nghiệm khảo sát vật rơi tự - Giới thiệu cảm biến chuyển động - Đưa ví dụ: chuyển động nhanh dần bóng rơi tự dùng cảm biến thu lại để HS làm quen với việc dùng đồ thị khảo sát chuyển động - Gợi ý yêu cầu HS thiết kế thí - Đề xuất phương án: đặt cảm biến lên nghiệm để khảo sát vật cách mặt đất đoạn h Đặt chuyển động trọng trường banh cảm biến thả - Cho HS dự đoán trước dạng đồ thị thu - Lập hàm động năng, năng, thực TN mà HS đưa để khảo sát - Thực TN thu đồ thị - Đồ thị có dạng động vật để đối chứng với dự đốn ban có dạng hình sin đầu kết luận đường thẳng 56 Hoạt động 4: Sự chuyển hóa động - Đàm thoại với học sinh lượng Lắng nghe giơ tay trả lời câu hỏi bóng bàn suốt q trình chuyển động Xét vị trí thả bóng động Tại vị trí thả động năng trọng trường khơng, có giá trị cực đại mgh (h độ cao từ vị trí thả đến nào? mặt sàn chọn làm gốc năng) Trong trình rơi tự (nếu bỏ qua Trong trình rơi tự do, động lực cản khơng khí) động bóng bàn ngày tăng (vì trọng trường bóng bàn vận tốc tăng) cịn trọng trường ngày giảm (vì độ cao so với sàn nào? Xét vị trí bóng chạm mặt sàn giảm) động trọng trường Tại vị trí bóng chạm mặt sàn trọng trường không nào? Xét q trình bóng bàn chuyển động cực đại động lên động Khi bóng bàn chuyển động lên trọng trường tăng cịn trọng trường biến đổi nào? - Biểu diễn động động lại giảm xuống vật lúc lên đồ thị Từ đó, GV HS phân tích để rút ● Học sinh lắng nghe ghi nhận hệ quả: Trong trình chuyển động vật trọng trường: + Nếu động giảm tăng (động chuyển hóa thành năng) giảm động tăng ( chuyển hóa thành động năng) + Tại vị trí động cực đại cực tiểu cực đại động cực tiểu Hoạt động 4: Sự bảo toàn vật chuyển động tác dụng lực đàn hồi - Thông báo cho HS vật chịu tác dụng lực đàn hồi 57 - Cho HS làm TN cảm biến Tương tự phần trọng chuyển động để kiểm chứng lực, khác hàm nên ta trường hợp chịu tác dụng cần thay đổi hàm đàn hồi lực đàn hồi có bảo tồn hay khơng khảo sát tương tự trường hợp chịu tác dụng trọng lực 58 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM Mục đích, đối tượng, phương pháp nội dung thực 1 Mục đích thực nghiệm Trên sở tiến trình dạy học soạn thảo chương “Các định luật bảo toàn”, trình thực nghiệm sư phạm nhằm: - Kiểm tra đánh giá đắn giả thuyết khoa học đề tài Kiểm tra tính khả thi hiệu TN học thiết kế vào dạy học để tạo hứng thú phát huy tính tích cực HS thơng qua tiến trình dạy học xây dựng Đối tượng thực nghiệm Học sinh lớp 10A1 lớp 10CT trường Trung học Thực hành, Đại học Sư phạm TP.HCM Phương pháp thực nghiệm Quá trình thực nghiệm sư phạm tiến hành theo trình tự sau: - Trao đổi với giáo viên môn trường Trung học Thực hành ĐHSP TP HCM thực trạng dạy học chương “Động học chất điểm” “Các định luật bảo tồn”– vật lí 10 trường năm gần - Trình bày với thầy cô tổ môn cảm biến chuyển động TN thiết kế với hổ trợ cảm biến, tính khả thi áp dụng vào q trình dạy học - Xin ý kiến đóng góp thầy tiến trình dạy học với hổ trợ cảm biết chuyển động, từ chỉnh sửa, hồn thiện tiến trình dạy học Dạy theo tiến trình soạn thảo đối tượng thực nghiệm Trong trình giảng dạy, người dạy theo dõi phản ứng HS tiếp xúc với thí nghiệm - 4 Nội dung thực nghiệm Thực nghiệm dạy học kiến thức: động lượng – định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo tồn vật lí 10, ban để khảo sát TN xây dựng chương “Các định luật bảo toàn” dạy học để hỗ trợ phát huy tính tích cực HS 59 Đánh giá kết thực nghiệm Tự rút kinh nghiệm người thực dạy 4.2.1.1 Bài 23: Động lượng Định luật bảo toàn động lượng Khi tiến hành dạy kết hợp sử dụng dùng cảm biến, người dạy nhận thấy đa số HS hứng thú làm quen với dụng cụ thí nghiệm cảm biến phần mềm vẽ đồ thị Tuy thí nghiệm tiến hành để kiểm chứng nhanh, phút để thực vẽ đồ thị làm thí nghiệm thực tế, nhược điểm khơng định vị thiết bị cần khảo sát nên nhiều thời gian để điều cảm biến cho thu tín hiệu tốt nhất, cảm biến bị lệch chút đồ thị thu khơng trơn, mượt xác Điều làm xuất khoảng thời gian chết học Ở lần đầu thực hiện, thao thác người thực chưa thành thạo bàn để dụng cụ ngắn hanh trượt nên phải ghép bàn lại nhiên bàn bị chênh nên làm thí nghiệm phải tiến hành làm 2-3 lần 4.2.1.2 Bài 26: Thế - Về bản, tiết dạy đảm bảo nội dung kiến thức cần thiết Bằng cách nêu lên vấn đề hai vật tương tác với HS tìm hiểu trọng trường đàn hồi cách dễ dàng nêu ví dụ sống dạng lượng - GV cho HS giải toán để suy biểu thức vật chịu tác dụng trọng trường tiến hành làm thí nghiệm HS thấy tầm quan trọng việc chọn gốc giải toán Do HS lớp nên GV tiến hành giới thiệu cảm biến, phần mềm bóng rổ để khảo sát Để giúp HS nắm hoạt động cảm biến, GV làm thí nghiệm biểu diễn để cảm biến thu nhận vẽ lên đồ thị để HS làm quen GV hướng dẫn HS cách chọn gốc vị trí mong muốn Và tiến hành khảo sát việc chọn gốc vị trí khác Sau GV cho HS nhận xét đồ thị thu HS hứng thú làm thí nghiệm thấy tầm quan trọng việc chọn mốc đến giá trị - Sang phần tìm hiểu biểu thức trọng trường Khi tính cơng trọng lực, kiến thức toán học em chưa học đến phần tích phân, vi phân việc thành lập biểu thức tính cơng trọng lực mang tính chất thừa nhận Vì GV từ trường hợp đơn giản rơi tự đến mặt phẳng nghiêng khái quát lên đường cong nên em dễ tiếp nhận 60 4.2.1.3 Bài 27: Cơ − Trong phần vật chịu tác dụng trọng trường, yêu cầu HS đưa phương án thí nghiệm, HS chưa quen nên GV tiến hành gợi ý giúp HS đưa phương án GV mời HS lên bảng vẽ đồ thị thu tiến hành làm thí nghiệm 1-2 HS đưa ý tưởng động giảm, tăng, không đổi chưa vẽ xác đồ thị GV vừa giải thích vừa vẽ bảng HS ý đưa đồ thị động năng, năng, vật − GV tiến hành làm thí nghiệm kiểm chứng HS theo dõi chăm chú; sau thực thí nghiệm xong kết đồ thị phù hợp với đồ thị dự đốn HS thích thú khơng khí lớp học sơi nhiều Sau GV cho HS kết luận vật vật chịu tác dụng trọng lực; HS sôi giơ tay trả lời − Trong phần vật chịu tác dụng lực đàn hồi, GV cho HS viết biểu thức năng, GV lưu ý cho HS trường hợp đàn hồi, cịn động khơng đổi Sau đó, GV khẳng định cho HS lực đàn hồi bảo toàn GV cho HS thảo luận chứng minh thực nghiệm điều GV khẳng định GV cung cấp cho HS dụng cụ: giá đỡ, lò xo, vật nặng, cảm biến, máy tính Khi giao nhiệm vụ, HS tự thảo luận với sôi đưa phương án kiểm chứng HS đưa phương án: “Đặt lò xo nằm ngang, để cảm biến đặt đầu, kéo cho lò xo dao động” Tuy nhiên, GV giải thích cho HS: đặt nằm ngang vật chịu tác dụng lực ma sát vật khơng bảo tồn GV gợi ý HS treo lò xo giá đỡ thẳng đứng Sau xây dựng phương án kiểm chứng, GV cho HS dự đoán đồ thị Do tương tự phần vật chịu tác dụng trọng lực nên GV kêu HS lên vẽ HS vẽ xác Sau GV mời HS lên thực TN để kiểm chứng Các em sôi giơ tay lên xin làm TN Do thao tác chưa quen nên HS tác dụng lực kéo lị xo q mạnh, lị xo dao động lệch phương thẳng đứng nên kết thu không xác GV tiến hành làm TN thao tác vội, đồ thị thu khơng trơn mượt tiến hành phòng TN GV chuẩn bị trước đồ thị nên GV chiếu cho HS xem đồ thị làm thao tác chuẩn, HS hứng thú GV cho HS chốt lại kết vật chịu tác dụng lực đàn hồi 61 2 Ý kiến giáo viên mơn • Cơ Nguyễn Đức Thanh Tuyền – giáo viên mơn vật lí trường THTH– ĐHSP TP.HCM dự “Động lượng – Định luật bảo toàn động lượng”, lớp 10A1: - Các tiết học chương “Các định luật bảo toàn”, thường tiến hành theo phương pháp giảng giải Giáo viên thường sử dụng suy luận toán học để rút kiến thức “Động lượng – Định luật bảo toàn động lượng” “Cơ năng” Nhiều lúc giáo viên muốn tiến hành thí nghiệm để kiểm định luật, ví dụ định luật bảo tồn động lượng, khơng dụng cụ đo thời gian sau hai vật tương tác với máy gõ nhịp cổng quang cồng kềnh, khó bố trí thí nghiệm, tốn thời gian xử lí số liệu - Tiết học “Động lượng – Động lượng”với hỗ trợ cảm biến chuyển động sôi động, học sinh thích thú tham gia vào học Vì em chưa tiếp xúc với thí nghiệ kết nối với máy tính, kiến thức em học kiểm chứng lớp - Về thí nghiệm với hổ trợ cảm biến chuyển động, kết nối với máy tính: nhỏ gọn, dễ thiết lập thí nghiệm, dễ biểu diễn kết Tuy nhiên, người thực tiết dạy thiếu kinh nghiệm đứng lớp nên chưa quản lí lớp tốt lớp có sỉ số đơng 40 học sinh, chưa phát huy hết ưu điểm thí nghiệm thiết kế • Cơ Nguyễn Hồng Trúc – giáo viên mơn vật lí trường THTH–ĐHSP TPHCM dự “Thế năng”, lớp 10CT: - Lớp học sơi nổi, hầu hết học sinh thích thú với tiết học có thí nghiệm kết nối với máy tính, tất học sinh dễ dàng theo dõi q trình làm thí nghiệm theo dõi kết thí nghiệm hiển thị - Qua học hỗ trợ cảm biến chuyển động, học sinh dễ dàng thấy vai trò việc chọn gốc việc tính giá trị - Người thực tiết dạy có phong cách đứng lớp tốt, thực bước lên lớp, câu hỏi gợi mở tốt Tuy nhiên, nên nói chậm lại, hạn chế giảng giải nhiều, đặt thêm câu hỏi để học sinh tự trả lời phần cần diễn giảng 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài góp phần đào tạo sinh viên khoa vật lí trường ĐHSP TP HCM, giúp sinh viên tiếp cận với thiết bị đại (máy tính, cảm biến phần mềm Bên cạnh đó, đề tài cung cấp cho giáo viên, học sinh, sinh viên có nguồn tài liệu tham khảo qui trình sử dụng, kỹ thao tác với thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính thao tác sử dụng phần mềm quay phim (video) trực tiếp kết hợp ghi nhận với thí nghiệm thực dạy - học vật lí trường đại học sư phạm trung học phổ thông Đề tài thiết kế số thí nghiệm thực tạo số tài liệu tham khảo để hỗ trợ việc phát triển khả đọc đồ thị cho học sinh chương “Động học chất điểm” 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Dun Bình (chủ biên), Nguyễn Xn Chi, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Vũ Quang, Bùi Gia Thịnh (2010), Sách giáo khoa Vật lí 10 ban bản, Nxb Giáo dục Lê Hoàng Anh Linh (2013), Thiết kế thí nghiệm học dùng cảm biến sonar sử dụng dạy học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông, Luận văn thạc sĩ giáo dục học, Đại học Sư phạm Tp.HCM, Tp.HCM Mai Hoàng Phương (2014), “Xây dựng sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học phần Động học Động lực học lớp 10 Trung học phổ thông”, Đề tài cấp sở mã số CS.2014.19.64, Đại học Sư phạm TP.HCM Nguyễn Duy Nhật (2015), “Thiết kế số thí nghiệm kết nối máy vi tính nhằm hỗ trợ dạy học số kiến thức chương “Động học chất điểm”, Vật lí 10”, Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Sư phạm Tp.HCM, Tp.HCM Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2003), Phương pháp dạy học Vật lý trường phổ thông, Nxb Đại học Sư phạm Phạm Xuân Quế (2007), “Ứng dụng công nghệ thông tin tổ chức hoạt động nhận thức vật lý tích cực, tự chủ sáng tạo”, Nxb Đại học Sư phạm Trương Hồng Ngọc (2014), “Thiết kế số thí nghiệm dùng cảm biến chuyển động hỗ trợ dạy học chương “Động học chất điểm” “Các định luật bảo tồn”, Vật lí 10 THPT”, khóa luận tốt nghiệp ngành Sư phạm, Đại học Sư phạm TP.HCM ... Tên đề tài: THIẾT KẾ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG ĐỂ HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG “ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 THPT - Mã số: CS.2015.19.67... tiêu - Thiết kế số thí nghiệm học chương ? ?Động học chất điểm? ?? ? ?Các định luật bảo tồn” chương trình Vật lí 10 ban có sử dụng cảm biến siêu âm - Thiết kế tiến trình dạy học có sử dụng thí nghiệm. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ THIẾT KẾ MỘT SỐ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG ĐỂ HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG