Nâng cao chất lượng dạy học vật lí thông qua khắc phục sai lầm của học sinh khi giải bài tập phần dao động và sóng cơ học

Bộ Giáo dục đào tạo Trờng đại học vinh ** Ngun C«ng Hoàn Nâng cao chất lợng dạy học vật lý thông qua việc khắc phục sai lầm học sinh giải tập phần Dao động sóng học Chuyên ngành: Phơng pháp giảng dạy Vật lý Mà số: 5.07.02 Luận văn thạc sĩ khoa học giáo dục Ngêi híng dÉn khoa häc: PGS - TS Ngun Quang Lạc Vinh 2004 Giáo viên hớng dẫn: Ngời thực Mở đầu 0.1 Lý chọn đề tài: Phát triển Giáo dục - Đào tạo có ý nghĩa định nghiệp công nghiệp hoá, đại hoá đất nớc Nghị Hội nghị lần BCH Trơng ơng Đảng cộng sản Việt Nam khoá VIII xác định Giáo dục quốc sách hàng đầu đồng thời giao cho ngành nhiệm vụ ngày nặng nề Để hoàn thành nhiệm vụ Đảng Nhà nớc giao, năm gần ngành Giáo dục đà chủ trơng đổi phơng pháp dạy học với định hớng Tích cực hoá hoạt động học tập, phát huy tính chủ động, sáng tạo lực tự học, tự nghiên cứu học sinh Nhờ đặc điểm vật lý học mối liên hệ chặt chẽ gi÷a vËt lý víi nh÷ng tiÕn bé khoa häc kỹ thuật mà việc giảng dạy vật lý nói chung giải tập vật lý nói riêng, tạo nhiều khả để tích cực hoá t học sinh trình dạy học, bồi dỡng phơng pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh Thực tiễn việc giải tập vật lý học sinh nhiều hạn chế, em phạm nhiều sai lầm mặt kiến thức nh phơng pháp Bởi trình giảng dạy việc cung cấp kiến thức, muốn nâng cao chất lợng dạy ngời giáo viên phải thờng xuyên quan tâm, phát sai lầm học sinh, tìm nguyên nhân sai lầm biện pháp khắc phục chúng I.A.Komen Sky nghiên cứu vấn đề đà khẳng định: Bất kỳ sai lầm làm cho học sinh nh giáo viên không ý tới sai lầm đó, cách hớng dẫn học sinh tự nhận sửa chữa, khắc phục sai lầm([14] trang 5) Chính lý trình bày trên, chọn đề tài Nâng cao chất lợng dạy học Vật lý thông qua việc khắc phục sai lầm học sinh giải tập phần dao động sóng học 0.2 Mục đích đề tài: Nghiên cứu, đề xuất biện pháp phát sửa chữa sai lầm cho học sinh giải tập phần dao động sóng học nhằm góp phần nâng cao chất lợng dạy học Vật lý trờng THPT 0.3 Đối tợng phạm vi nghiên cứu: + Nội dung chơng trình Vật lý THPT, tập SGK, tập Vật lý lớp 12 phần dao động sóng học, lý luận dạy học Vật lý, phơng pháp giải tập Vật lý, quan niệm học sinh dạy học Vật lý + Hoạt động dạy học môn Vật lý giáo viên học sinh THPT phần dao động sóng học 0.4 Giả thuyết khoa học: Nếu giáo viên nắm bắt đợc sai lầm phổ biến học sinh, đồng thời biết cách phân tích để tìm nguyên nhân dẫn đến sai lầm sử dụng biện pháp dạy học thích hợp để sửa chữa sai lầm cho họ góp phần nâng cao chất lợng dạy học Vật lý trờng THPT 05 Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu sai lầm phổ biến học sinh THPT giải tập phần dao động sóng học - Phân tích nguyên nhân dẫn đến sai lầm học sinh - Nghiên cứu sở lý luận phơng pháp dạy học, sở tâm lý học - Đề xuất biện pháp thích hợp để sửa chữa sai lầm học sinh THPT giải tập phần dao động sóng học - Thực nghiệm s phạm để xem xét tính khả thi tính hiệu biện pháp đợc đề xuất 06 Phơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu sở lý luận tâm lý học, giáo dục học, lý luận dạy học liên quan đến sai lầm học sinh giải tập Vật lý - Nghiên cứu tài liệu liên quan đến phần dao động sóng học chơng trình THPT - Nghiên cứu nguyên nhân dẫn đến sai lầm học sinh giải tập Vật lý, đặc biệt ý đến phần tập dao động sóng học lớp 12 - Nghiên cứu biện pháp phát sai lầm cuả học sinh giải tập Nghiên cứu thực nghiệm: - Tổng kết kinh nghiệm thân, tham khảo ý kiến đồng nghiệp để thống kê sai lầm phổ biến đề xuất biện pháp khắc phục sai lầm học sinh giải tập phần dao động sóng học trờng THPT - Tiến hành thực nghiệm s phạm trờng THPT Phan Đình Phùng - thị xà Hà Tĩnh để xem xét tính khả thi tính hiệu biện pháp đề xuất 07 Đóng góp đề tài: - Góp phần hoàn thiện lý luận dạy học Vật lý bình diện tăng cờng tính tích cực, tự lực hoạt động nhận thức học sinh học để nâng cao hiệu dạy học Vật lý - Làm tài liệu phục vụ giảng dạy Vật lý líp 12 ë trêng THPT, lµm tµi liƯu båi dìng häc sinh giái VËt lý, dù thi häc sinh giái tØnh, häc sinh giái Quèc gia ë bËc THPT 08 Cấu trúc luận văn: * Phần mở đầu * Phần néi dung: Gåm ch¬ng Ch¬ng 1: Mét sè sai lầm phổ biến học sinh THPT giải tập phần dao động sóng học Chơng 2: Phân tích nguyên nhân dẫn tới sai lầm học sinh giải tập phần dao động sóng học - Đề xuất biện pháp dạy học nhằm sửa chữa sai lầm Chơng3: Thực nghiệm s phạm * Phần kết luận Chơng 1: Mét sè sai lÇm phỉ biÕn cđa häc sinh THPT Khi giải tập phần dao động sóng học 1.1 Quan niệm sai lầm học sinh ¶nh hëng cđa nã d¹y häc vËt lý Quan niệm học sinh hiểu biết họ kiện, tợng, trình tự nhiên nói chung vật lý nói riêng mà em đà có đợc thông qua sinh hoạt đời sống trớc họ đợc nghiên cứu học Quan niệm học sinh đợc hình thành cách tự phát, thiếu sở khoa học nên đa số quan niệm họ sai lệch với chất vật lý Các quan niệm học sinh đợc hình thành tự phát bối cảnh có tính chất thực tiễn sinh động, gây đợc dấu ấn mạnh mẽ, sâu đậm tiềm thức học sinh Mặt khác hiểu biết đơn giản, thiếu sở khoa học ấy, đôi lúc lại có ích cho việc giải thích kiện đời thờng, dù không với tri thức khoa học, song đời thờng lại dễ chấp nhận cách không cần lý lÏ Bëi vËy c¸c quan niƯm Êy cã søc bỊn kỳ lạ theo thời gian Thậm chí sau đà học tập, trởng thành, nhiều ngời lớn tuổi, quan niệm thờng xuất hiện, cần giải thích thực tiễn Hoạt động dạy học xảy song song với hoạt động đời thờng học sinh Thông qua môn học học sinh đợc tiếp xúc với tri thức khoa học, sau họ đà có quan niƯm ®êi thêng Lóc tiÕp xóc víi vËt lý học, học sinh đà va chạm với biết kiện giới tự nhiên Do trình học vật lý giao thoa cña hai nguån tri thøc Tri thøc khoa häc tri thức đời thờng Nh học sinh mang theo đầu óc quan niệm đời thờng đến trờng để học vật lý học sinh khác nhau, quan niệm khác Phần nhiều số quan niệm không phù hợp với quan niệm khoa học đợc đề cập học Những quan niệm loại gây khó khăn cho em trình nhận thức, chúng vật cản đờng nhận thức vật, tợng, nhận thức chân lý ngời học Tuy nhiên, số quan niệm học sinh có quan niệm không sai lệch nhng cha hoàn chỉnh cha thật xác Đối với quan niƯm nh thÕ sÏ cã t¸c dơng tÝch cùc dạy học Trong trờng hợp nh thầy giáo cần tổ chức, thảo luận với học sinh nhằm bổ sung phần cha đầy đủ, điều chỉnh chỗ cha xác để cho học sinh kiến thức khoa học cần lĩnh hội Những quan niƯm sai lƯch cđa häc sinh vỊ kh¸i niƯm, tợng đợc nghiên cứu học thờng gây khó khăn cho em trình nhận thức Đó trở lực dạy học vËt lý ë trêng phỉ th«ng Bëi vËy, nÕu kh«ng có biện pháp khắc phục chúng kiến thức mà em thu nhận đợc học trở nên méo mó, sai lệch với chất vật lý Kết cấu trúc t học sinh hình thành tồn hiểu biết sai lệch quan niệm này, em nhìn nhận giải thích kiện, tợng trình tự nhiên theo cách riêng mình, đồng thời sai lầm giải tập vật lý xuất Vì vậy, bỏ qua quan niệm sai trái học sinh, xử lý chúng cách hời hợt Tốt tạo điều kiện cho quan niệm học sinh đợc bộc lộ nhiều lần, cho quan niệm vận hành nhiều lần đợc, từ mà giúp học sinh vợt qua từ bỏ quan niệm sai, chấp nhËn mét c¸ch tù gi¸c tri thøc khoa häc C¸ch làm tạo thuận lợi cho va chạm hai nguån tri thøc: Tri thøc khoa häc vµ tri thức đời thờng Sự cọ xát làm cho học sinh nhận chân lý khoa học cách sâu sắc học sinh phải tự điều chỉnh quan niệm họ cho phù hợp với chất vật lý, vứt bỏ quan niệm trái với chân lý Nh việc điều tra, phát quan niệm học sinh dạy cho học sinh kiến thức đòi hỏi có tính khách quan có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao chất lợng dạy häc vËt lý ë trêng phỉ th«ng Trong thùc tiƠn dạy học hiểu sử dụng thuật ngữ sai lầm phổ biến học sinh giải tập với ý nghĩa là: điều trái với yêu cầu khách quan (yêu cầu tập) trái ngợc với tri thức khoa học (Khái niệm, định luật, quy tắc), dẫn tới không đạt đợc yêu cầu việc giải tập Những sai lầm xuất với tần số cao lời giải nhiều học sinh Với cách hiểu xin đợc nêu lên số sai lầm phổ biến học sinh THPT giải tập phần dao động sóng học sai lầm thí dụ lời giải sai, đợc phân tích nguyên nhân sai lầm lời giải, giúp đồng nghiệp tham khảo để xử lý tình học sinh giải sai 1.2 Sai lầm lập phơng trình dao động: Những sai lầm lập phơng trình dao động thờng không ý đến dấu vận tốc ban đầu nên lấy nghiệm sai dẫn đến xác định sai giá trị pha ban đầu ; xác định sai vị trí cân không hiểu cách xác định li độ ban đầu x0 vận tốc ban đầu v o dẫn đến xác định sai biên độ dao động A pha ban đầu ; sử dụng sai đơn vị đo, thừa thiếu đơn vị ®o ThÝ dơ 1: Mét vËt dao ®éng ®iỊu hoµ đoạn thẳng dài 20cm thực đợc 150 dao động/phút Lúc t = vật qua vị trí có li độ cm hớng VTCB Viết phơng trình chuyển động vật ? Phơng trình dao động có dạng: x = Asin ( t + ) Với biên độ: A = l 10 (  = cm); 150 2,5 rad/s 60 Khi t = th× x0 = cm => x0 = Asin  = (cm) => sin  = => = Phơng trình dao động là: x = 10sin (2,5.t + ) (cm) ! Sai lầm lời giải hiểu sai khái niệm tần số góc nên xác định sai giá trị lấy nghiệm phơng trình sin = đà không ý đến dấu vận tốc ban đầu v0 nên lấy nghiệm sai Lời giải là: Vật dao động điều hoà nên phơng trình dao động có dạng x = Asin (  t +  ) Víi biên độ: A = l 10 ( cm) Tần sè gãc:  =  f =  n t 2  Khi t = th× x0 = Asin  = (cm)  =  150 =  (rad/s) 60 => sin  = =>  = 5 Theo t = x0 > vật chuyển động hớng VTCB => v0 < mµ: v = x’ =  Acos (  t +  ) => v0 =  Acos đó: , A > Vì v0 < suy ra: cos < VËy lấy nghiệm = Phơng trình dao động ®óng lµ: x = 10 sin (5  t + 5 ) (cm) ThÝ dơ 2: Mét lß xo có khối lợng không đáng kể, đầu gắn vào điểm A cố định, đầu lại gắn với vật cã khèi lỵng m = 300g VËt chØ cã thĨ chuyển động không ma sát dọc theo cứng Ax nghiêng góc = 300so với phơng nằm ngang nh Hình Đẩy vật xuống dới vị trí cân tới vị trí cho lò xo bị nén đoạn cm, thả nhẹ cho vật dao động không vận tốc ban đầu Coi vật dao động điều hoà x HÃy viết phơng trình dao động vật m Biết dao động 30 mJ k Chọn gốc toạ độ vị trí cân bằng, A chiều dơng hớng từ A đến x, gốc thời gian lúc bắt đầu dao động Chọn g = 10m/s2 Hình Vật dao động điều hoà nên phơng trình có dạng: x = Asin ( t +  ) ? Khi t = th× x0 = A sin = - cm  v0 =  A cos  = => A = cm;  = - vµ E = m2A2 =>  = nªn x = 3sin ( 20 t 2E m A = 2.30.10  0,3.(3.10  ) = 20 -  ) (cm) ! Sai lÇm cđa lời giải coi VTCB vật dao động vị trí lò xo không biến dạng nên xác định sai giá trị x0 Ngoài giải tập nhiều học sinh không ý đổi đơn vị cho phù hợp nên tính sai giá trị Lời giải là: Vật dao động điều hoà nên phơng trình có dạng: x = A sin (t + ) Do ảnh hởng trọng lực vật nên vị trí cân lò xo bị nén đoạn l = mg sin  0,3.10 sin 30 (m)   k k 2k T¹i thêi điểm ban đầu (t = 0) vật có toạ độ x0 = - ( l - l ) = - (0,03 - 2k ) = - a VËy điều kiện ban đầu dao động là: x0 = Asin  = - a => A = a ;  = -  v0 =  Acos  = Mặt khác: E = kA2 = 2 k ( 0,03 - 2k )2 = 30.10-3 (J) giải ta đợc: k = 150 N/m (loại nghiệm k = 50 N/m x0 > 0) => A = a = 0,02 (m) = (cm) Tần số góc: = Do đó: k 150  m 0,3 x = 2.sin ( 10 t- = 10  (rad/s) ) (cm) ThÝ dụ 3: Cho hệ nh hình 2, lò xo có độ cứng k = 100N/m, vật có khối lợng m1 = m2 = 1kg Hai vật vị trí cân bằng, ngời ta đốt đứt dây nối vật Sau dây đứt vật m1 dao động điều hoà Viếtphơng trình dao động m1 Chọn chiỊu d¬ng híng xng, lÊy g = 10m/s2; mèc thêi gian đốt dây m1 ! Sai lầm phổ biÕn cđa häc sinh ë bµi tËp nµy m2 lµ hiểu sai khái niệm vị trí cân vật dao + động nên xác định sai điều kiện ban đầu Hình x0 = Asin = v0 =  Acos  = 0, v× vËy häc sinh bế tắc lời giải giải sai kết Thí dụ 4: Cho hệ nh hình Lò xo cã ®é cøng k = 100N/m; vËt cã khèi lợng m = 50g vắt qua ròng rọc sợi dây mảnh khối lợng không đáng kể, không giÃn Bỏ qua khối lợng ròng rọc lò xo, bỏ qua ma sát lực cản, lấy g = 10m/s2 Nâng vật lên theo phơng thẳng đứng tới vị trí cho lò xo không biến dạng Tại thời điểm t = thả vật không vận tốc ban đầu cho dao động Biết vật dao động điều hoà; hÃy viết phơng trình dao động vật với trục toạ độ có phơng đứng, chiều dơng xuống, gốc toạ độ trùng với VTCB vật ? Vật dao động điều hoà nên phơng trình dao ®éng cã d¹ng x = A.sin (  t +  ) 100 0,05 k  m TÇn sè gãc: = = 20 (rad/s) Vật nằm vị trí cân lò xo giÃn đoạn k l = 2T0= 2mg => l = k  l m 2mg 2.0,05.10  0,01 k 100 (m) l = cm Theo bµi Khi t = lò xo không biến dạng vận tốc không Hình => x0 = Asin = - l = - (cm) x v0 =  Acos  = =>  = -  ; A = cm Phơng trình dao động lµ: x = 1.sin ( 20 5.t   ) (cm) ! Sai lầm lời giải ngộ nhận công thức tính tần số góc = k m nh lắc lò xo mà không ý đến tác dụng ròng rọc động làm thiệt hai lần đờng vật m mà coi độ dịch chuyển đầu dới lò xo độ dịch chuyển vật nặng m Lời giải là: Khi vật vị trí c©n b»ng: P + T0 = => T0 = P = mg Khi lò xo giản đoạn l mµ k l = 2T0 = 2.mg 2mg 2.0,05.10  0,01 k 100 l = l = 1cm (1) (m) Khi vËt cã li ®é x trình vật dao động   => mg - T = ma = m.x” P + T = ma (2) 10 ... học sinh tự nhận sửa chữa, khắc phục sai lầm( [14] trang 5) Chính lý trình bày trên, chọn đề tài Nâng cao chất lợng dạy học Vật lý thông qua việc khắc phục sai lầm học sinh giải tập phần dao động. .. chơng trình Vật lý THPT, tập SGK, tập Vật lý lớp 12 phần dao động sóng học, lý luận dạy học Vật lý, phơng pháp giải tập Vật lý, quan niệm học sinh dạy học Vật lý + Hoạt động dạy học môn Vật lý giáo... dạy học liên quan đến sai lầm học sinh giải tập Vật lý - Nghiên cứu tài liệu liên quan đến phần dao động sóng học chơng trình THPT - Nghiên cứu nguyên nhân dẫn đến sai lầm học sinh giải tập Vật