9. Cấu trúc của đề tài
2.3. Hướng dẫn sử dụng các thí nghiệm mô phỏng bằng phần mềm Crocodile
Crocodile Physics trong dạy học vật lí THPT
Với sự hỗ trợ của phần mềm Crocodile Physics, chúng ta có thể thiết kế được các thí nghiệm mô phỏng thuộc các phần cơ, điện, quang, sóng và sử dụng vào dạy học. Sau đây là một số thí nghiệm mô phỏng mà chúng tôi đã sưu tầm, cải tiến, thiết kế mới và ứng dụng vào tổ chức một số hoạt động dạy học vật lí ở một số bài, một số mục.
• Phần cơ học
+ Phần động học chất điểm lớp 10
- Thí nghiệm về đồ thị toạ độ của chuyển động thẳng đều (hình 2.3): Với thí nghiệm mô phỏng này, ta có thể ứng dụng để đưa vào giảng dạy phần:
+ Định nghĩa của chuyển động thẳng đều: Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, từ đó HS tự rút ra định nghĩa.
+ Phương trình chuyển động thẳng đều: Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, dùng đồ thị rút ra dạng tuyến tính của phương trình chuyển động thẳng đều,
sau đó dùng toán học để xây dựng phương trình chi tiết. Hoặc có thể sau khi dùng toán học xây dựng phương trình chi tiết xong, ta sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng lại lí thuyết.
+ Đồ thị toạ độ: Sau khi cho HS vẽ đồ thị toạ độ theo bảng số liệu ở sách giáo khoa, GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng để kiểm tra kết quả làm bài của HS. Đối với sách giáo khoa cơ bản, ta chọn các thông số như sau: v = 5 km/h; x0 = 10 km. Đối với sách giáo khoa nâng cao, ta chọn các thông số v = 0 và x0 = 0.
- Thí nghiệm về đồ thị vận tốc thời gian của chuyển động thẳng đều (hình 2.4): Với thí nghiệm mô phỏng này ta có thể đặt vấn đề vào bài mới, xây dựng định nghĩa về chuyển động thẳng đều và dạy mục đồ thị vận tốc trong sách giáo khoa nâng cao.
- Thí nghiệm về khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều: Thí nghiệm mô phỏng này là ví dụ về chuyển động thẳng nhanh dần đều và chậm dần đều. Sử dụng thí nghiệm này để dạy mục 2, 3 (sách giáo khoa nâng cao) và các mục vận tốc của chuyển động thẳng nhanh dần đều, vận tốc của chuyển động thẳng chậm dần đều (sách giáo khoa cơ bản). Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, dùng đồ thị rút ra dạng tuyến tính của phương trình vận tốc, sau đó dùng toán học để xây dựng phương trình chi tiết. Hoặc có thể dùng toán học để xây dựng phương trình chi tiết trước rồi sau đó dùng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng.
- Thí nghiệm về đồ thị toạ độ thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều: Ứng dụng để dạy bài phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều (sách giáo khoa nâng cao, phần 1) và mục 5 trang 20, mục 6 trang 21 (sách giáo khoa cơ bản). Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, dùng đồ thị rút ra dạng tuyến tính của phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều (dạng parabol). Sau đó dùng toán học xây dựng phương trình chi tiết. Hoặc có thể sau khi xây dựng phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều xong, ta sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng.
Hình 2.7. Đồ thị tọa độ - thời gian của chuyển động thẳng biến đổi đều
- Thí nghiệm về sự rơi tự do: Ứng dụng để dạy phần 1 (sách giáo khoa nâng cao) và phần 2 (sách giáo khoa cơ bản). Thí nghiệm mô phỏng này dùng để kiểm chứng, thay cho thí nghiệm về ống Niu-Tơn trong sách giáo khoa. Khi quan sát thí nghiệm mô phỏng này, HS có thể thấy rất rõ sự rơi của các vật trong chân không và trong không khí, trong khi đó nếu sử dụng thí nghiệm thực thì do hiện tượng xảy ra nhanh nên HS khó quan sát.
- Thí nghiệm về khảo sát sự rơi tự do: Dùng thí nghiệm mô phỏng này để dạy mục 2 (sách giáo khoa nâng cao) và mục những đặc điểm của chuyển động rơi tự do (sách giáo khoa cơ bản). Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, yêu cầu HS rút ra đặc điểm của chuyển động rơi.
+ Phần động lực học chất điểm lớp 10
- Thí nghiệm về tổng hợp lực: Sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để dạy mục tổng hợp lực, có thể đưa vào như là ví dụ hình 9.4 (sách giáo khoa cơ bản) và hình 13.2 (sách giáo khoa nâng cao). Khi cho mô hình thí nghiệm hoạt động, HS quan sát được là tổng hợp lực của hai lực thành phần làm cho vật chuyển động theo phương ngang. Cũng có thể dùng thí nghiệm mô phỏng này để dạy phần phân tích lực.
- Thí nghiệm về định luật I Niu-Tơn: Ứng dụng dạy mục định luật I Niu- Tơn. Sau khi xây dựng được nội dung của định luật, dùng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng. Hoặc có thể cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng rồi sau đó GV đặt vấn đề vào bài mới:Tại sao trong thí nghiệm này người thì đứng yên còn máy bay thì chuyển động thẳng đều? Từ đó dẫn dắt HS tìm hiểu nguyên nhân của hiện tượng trên. Việc tìm hiểu được nguyên nhân cũng có nghĩa HS có thể phát biểu được nội dung của định luật.
- Thí nghiệm về định luật II Niu-Tơn: Ứng dụng dạy phần định luật II Niu- Tơn. Sau khi HS phát biểu được nội dung của định luật, ta dùng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng. Cũng có thể dùng thí nghiệm mô phỏng này để dạy mục khối lượng và mức quán tính: Cùng một lực tác dụng vào vật, vật nào có khối lượng lớn hơn thì khó thay đổi vận tốc hơn hay có mức quán tính lớn hơn.
- Thí nghiệm về định luật III Niu-Tơn: Ứng dụng để dạy mục định luật III Niu-Tơn. Sau khi phát biểu được nội dung của định luật, ta dùng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng. Cũng có thể dùng thí nghiệm mô phỏng này để dạy mục lực và phản lực bằng cách sau khi cho HS quan sát mô phỏng, GV giới thiệu lực và phản lực trên thí nghiệm, từ đó yêu cầu HS nêu đặc điểm của lực và phản lực.
Hình 2.11. Định luật III Niu-Tơn
- Thí nghiệm về lực đàn hồi của lò xo: Ứng dụng để giới thiệu về lực đàn hồi, qua đó HS phát biểu được định nghĩa lực đàn hồi. Có thể sử dụng thí nghiệm mô phỏng này thay thế thí nghiệm trong sách giáo khoa cơ bản. Sau khi làm thí nghiệm với các lò xo giống nhau, HS quan sát và thấy được mối liên hệ giữa trọng lượng của vật (độ lớn của lực đàn hồi) với độ dãn của lò xo. Đối với sách giáo khoa nâng cao, ta dùng thí nghiệm mô phỏng này để thay thế các thí nghiệm 19.3 (phương, chiều của lực đàn hồi); thí nghiệm 19.4 (hệ thức giữa lực đàn hồi và độ biến dạng); thí nghiệm 19.5 (ý nghĩa của hệ số đàn hồi).
- Thí nghiệm về lực ma sát: Ứng dụng dạy phần ma sát nghỉ và ma sát trượt. Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, tăng giá trị của lực kéo thì lực ma sát nghỉ cũng tăng lên (lúc này vật nằm yên trên mặt phẳng nghiêng). GV đặt vấn đề: “Tại sao có lực tác dụng vào vật nhưng vật vẫn đứng yên?”, “Lực nào xuất hiện cân bằng với lực kéo này?”. Từ đó GV dẫn dắt để HS phát biểu được khái niệm lực ma sát nghỉ và nêu được đặc điểm của lực ma sát nghỉ.
Khi dạy về ma sát trượt, GV cũng cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng trên nhưng tiếp tục tăng dần giá trị của lực kéo cho đến khi vật chuyển động. Làm thí nghiệm mô phỏng trong hai trường hợp vật có khối lượng khác nhau. Từ sự quan sát này, GV hướng dẫn HS tìm hiểu lực ma sát trượt.
- Thí nghiệm về chuyển động của vật ném xiên: Ứng dụng dạy bài chuyển động của vật bị ném (sách giáo khoa nâng cao). Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, yêu cầu HS nhận xét về quỹ đạo của vật bị ném xiên. Sau đó dùng toán học thiết lập hệ thức liên hệ giữa y và x. Hoặc có thể sau khi thiết lập được biểu thức (18.8), ta sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng quỹ đạo là một parabol. Ngoài ra thí nghiệm mô phỏng này có thể sử dụng để dạy mục 2 và mục 3 (tầm bay cao và tầm bay xa) như sau: sau khi HS thành lập được các công thức (18.10) và (18.12), HS biện luận giá trị của H và L theo α, sau đó cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng để kiểm tra kết quả của HS.
- Thí nghiệm về chuyển động của vật ném ngang: Có thể sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để thay thế cho thí nghiệm kiểm chứng trong sách giáo khoa. Khi cho mô hình thí nghiệm hoạt động, HS thấy được viên bi chuyển động ném ngang và viên bi chuyển động rơi tự do chạm đất cùng một lúc.
+ Phần tĩnh học lớp 10
- Thí nghiệm về cân bằng của vật rắn: Sử dụng dạy mục điều kiện cân bằng và mức vững vàng của cân bằng trong bài “Các dạng cân bằng của một vật có mặt chân đế” (sách giáo khoa cơ bản).
Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng về vật nằm cân bằng trên mặt phẳng nghiêng, yêu cầu HS nhận xét về giá của trọng lực so với mặt chân đế (trên thí nghiệm thì giá của trọng lực xuyên qua mặt chân đế). Tăng dần góc nghiêng cho
đến khi giá của trọng lực không xuyên qua mặt chân đế nữa thì vật bị đỗ. Từ sự quan sát này HS tự rút ra được điều kiện cân bằng của một vật có mặt chân đế.
Khi dạy về phần mức vững vàng của cân bằng, GV đặt vấn đề: “Mức vững vàng của cân bằng được xác định bởi những yếu tố nào?”. Sau khi HS đưa ra các dự đoán, GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng với ba vật có khối lượng giống nhau nhưng diện tích mặt chân đế khác nhau thì mức vững vàng khác nhau để kiểm chứng lại các dự đoán của HS.
+ Phần các định luật bảo toàn lớp 10
- Thí nghiệm về định luật bảo toàn động lượng: Sử dụng dạy bài định luật bảo toàn động lượng, có thể dùng thí nghiệm này để thay thế thí nghiệm kiểm chứng hình 31.1 (sách giáo khoa nâng cao). Đối với ban cơ bản, sau khi HS phát biểu được nội dung của định luật bảo toàn động lượng, ta sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng lí thuyết vừa trình bày. Khi cho thí nghiệm mô phỏng hoạt động, HS quan sát trên đồ thị thấy được động lượng của hệ trước va chạm bằng động lượng của hệ sau va chạm.
- Thí nghiệm về va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi: Sử dụng thí nghiệm này để giới thiệu cho HS nhận biết được va chạm đàn hồi và không đàn hồi, từ đó HS phân biệt được va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi. Đối với ban cơ bản, khi dạy mục va chạm mềm, GV có thể cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, yêu cầu HS phát biểu định nghĩa va chạm mềm, sau đó dùng toán học lập công thức. Hoặc có thể sau khi lập công thức xong, ta có thể sử dụng thí nghiệm mô phỏng để kiểm chứng.
- Thí nghiệm về chuyển động bằng phản lực: Ứng dụng để giới thiệu về chuyển động bằng phản lực.
- Thí nghiệm về bảo toàn cơ năng của con lắc đơn: Sử dụng để dạy mục I, bài cơ năng (sách giáo khoa cơ bản) và mục 1a, bài định luật bảo toàn cơ năng (sách giáo khoa nâng cao). Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, yêu cầu HS nhận xét về sự biến thiên giữa động năng và thế năng, sau đó HS dùng các kiến thức đã học thiết lập biểu thức định luật bảo toàn cơ năng dưới sự hướng dẫn của GV. Hoặc có thể sau khi thiết lập được biểu thức của định luật, ta sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng.
- Thí nghiệm về bảo toàn cơ năng của con lắc lò xo: Sử dụng dạy mục 1b (sách giáo khoa nâng cao). Cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, yêu cầu HS nhận xét về sự biến thiên của động năng và thế năng. Sau đó, dưới sự hướng dẫn của GV, HS dùng các kiến thức đã học thiết lập biểu thức của định luật. Hoặc có thể sau khi thiết lập được biểu thức của định luật, ta sử dụng thí nghiệm mô phỏng này để kiểm chứng.
+ Phần dao động cơ lớp 12
- Thí nghiệm về chuyển động tròn đều và dao động điều hoà: Sử dụng dạy mục II trong bài “Dao động điều hoà” (sách giáo khoa cơ bản). GV cho HS làm việc theo nhóm để viết phương trình toạ độ của điểm P và rút ra nhận xét về dao động của điểm P (của điểm Q đối với câu hỏi C1). Sau khi HS phát biểu được định nghĩa và viết được phương trình dao động điều hoà, GV yêu cầu HS nêu mối liên hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hoà. Sau đó GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng để kiểm chứng lại các nhận xét của HS, đồng thời từ thí nghiệm mô phỏng này để giúp HS nhận biết được đồ thị của vật dao động điều hoà.
Hình 2.12. Chuyển động tròn đều và dao động điều hòa
- Thí nghiệm về con lắc lò xo: Sử dụng để dạy mục I, II trong bài “Con lắc lò xo” (sách giáo khoa cơ bản). Trong mục I, GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng về con lắc lò xo nằm ngang và thẳng đứng, sau đó yêu cầu HS nêu cấu tạo và điểm khác biệt về vị trí cân bằng trong hai trường hợp này. Trong mục II, sau khi HS lập được biểu thức tính gia tốc và chứng tỏ được dao động của con lắc lò xo là
dao động điều hoà, GV thực hiện thí nghiệm mô phỏng về đồ thị của dao động điều hoà để kiểm chứng. Hoặc cũng có thể cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng về đồ thị của dao động điều hoà, HS quan sát và nhận xét được dao động của con lắc lò xo là dao động điều hoà. Sau đó GV yêu cầu HS kiểm chứng về mặt lí thuyết.
Thí nghiệm này còn có thể dùng làm thí nghiệm mở đầu và để dạy mục 5 trang 31 (sách giáo khoa nâng cao).
- Thí nghiệm về con lắc đơn: Sử dụng dạy mục I, II trong bài “Con lắc đơn” (sách giáo khoa cơ bản). Trong mục I, GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng về con lắc đơn, yêu cầu HS nêu cấu tạo của con lắc đơn. Trong mục II, sau khi HS chứng minh được dao động của con lắc đơn là một dao động điều hoà, GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng để kiểm chứng.
- Thí nghiệm về vận tốc và gia tốc trong dao động điều hoà: Sử dụng để dạy mục IV (sách giáo khoa cơ bản) và mục 7, 8 (sách giáo khoa nâng cao) trong bài “Dao động điều hoà”. HS làm việc theo nhóm để thiết lập được biểu thức của vận tốc và gia tốc, rút ra được nhận xét và biện luận để tìm được các giá trị cực đại của vận tốc, gia tốc. Sau đó GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng để kiểm chứng. Ngoài ra có thể sử dụng đồ thị của vận tốc và gia tốc trong thí nghiệm mô phỏng này để làm bài tập vận dụng, củng cố.
Hình 2.13. Vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa
- Thí nghiệm về năng lượng trong dao động điều hoà: Sử dụng để dạy phần khảo sát dao động của con lắc lò xo về mặt năng lượng và khảo sát dao động của
con lắc đơn về mặt năng lượng (sách giáo khoa cơ bản), dạy bài “Năng lượng trong dao động điều hoà” (sách giáo khoa nâng cao). GV cho HS quan sát thí nghiệm mô phỏng, yêu cầu HS rút ra nhận xét định tính về sự biến đổi của động năng và thế năng của vật dao động điều hoà, HS dựa vào đồ thị của động năng và thế năng để nhận xét về cơ năng của vật. Sau đó HS dùng kiến thức đã học để khảo sát về mặt định lượng.
Hình 2.14. Năng lượng trong dao động điều hòa
- Thực hành khảo sát thực nghiệm các định luật dao động của con lắc đơn (sách giáo khoa cơ bản): Trước khi HS làm thí nghiệm thực hành trên lớp, GV dùng thí nghiệm mô phỏng này để giới thiệu cách tiến hành thí nghiệm cho HS. Hoặc là sau khi HS làm xong thí nghiệm trong bài thực hành, GV dùng thí nghiệm