thí nghiệm mơ phỏng bằng chương trình EJS [24]
Khởi động phần mềm EJS
Trên màn hình, xuất hiện đồng thời 2 cửa sổ:
- Cửa sổ: EJS console 5.0 beta: đây là giao diện điều khiển để thiết lập các tùy chọn của phần mềm (Hình 2.1)
Hình 2.1 Cửa sổ thiết kế tùy chọn
- Cửa sổ EJS 5.0 beta: đây là cửa sổ làm việc gồm một thanh cơng cụ bên phải và ba phần để thiết kế TNMP: Description, Model, View (Hình 2.2)
Hình 2.2. Cửa sổ làm việc 2.3.1. Mơ tả mơ hình
Description (mơ tả): giới thiệu sơ bộ về hình dạng của mơ hình, sự vận động và các qui luật VL chi phối vận động đĩ. Trong đĩ nêu rõ các phương trình định luật VL, các cơng thức xác định các đại lượng VL. Trong mục này cĩ đầy đủ các thanh cơng cụ cần thiết để soạn thảo văn bản cùng các cơng thức tốn học như trong Microsof Word. (Hình 2.3)
Mơ tả nội dung Tạo vận động Tạo giao diện
Hình 2.3. Trang mơ tả cho vật chuyển động nhanh dần đều
2.3.2. Xây dựng mơ hình tốn học
2.3.2.1. Khai biến và trạng thái đầu của mơ hình
Nhấn vào nút “Model” để bắt đầu tạo mơ hình cho đối tượng. Nút đầu tiên mặc định cho bước này là khai biến “Variables”, khai biến bằng cách xác định tên của biến (name), kiểu (type), kích thước (dimension) và giá trị ban đầu (initial value) của nĩ. Ngồi ra cịn khai báo các hằng số trong mơ phỏng. ( Hình 2.4)
Hình 2.4. Trang thiết kế cho vật chuyển động nhanh dần đều
Cụ thể, ta đặt hai loại biến khác nhau. Mỗi biến được viết trên một trang riêng lần lượt như sau:
a. Biến động lực và các giá trị ban đầu
Tạo trang biến đầu tiên với tên “bien” và nhập các số liệu biến động lực dưới đây vào bảng biến này như hình 2.5
b. Biến sử dụng trong tạo vạch xác định vị trí vật.
Vị trí vật sau mỗi giây được đánh dấu bằng một vạch để dễ dàng định tính tính chất của chuyển động. Ta tạo trang biến thứ hai với tên “taovach” và nhập các số liệu dưới đây vào bảng biến này. Kết quả như hình 2.6.
Hình 2.6. Bảng biến cho vạch xác định trong chuyển động thằng nhanh dần đều
2.3.2.2. Lập phương trình vận động của vật
Nhấn vào nút “Evolution”. Nhấp vào phần thứ hai của giao diện “Evolution” là trang ODES để nhập các phương trình vi phân. Nhập t vào ơ Indep.Var, nhập dt vào ơ Increment. Chọn giá trị 100 trong thanh FPS bên trái. Bỏ dấu kiểm ở dịng Autoplay. Chọn thuật tốn Cash-Karp trong ơ Solver. Nhập phương trình vận động của vật và phương trình đếm số giây trong quá trình vật vận động. (Hình 2.7)
Hình 2.7. Bảng phương trình vận động của vật
2.3.2.3. Nhập mã lập trình java cho mơ hình
Trong quá trình vật chuyển động, vị trí của vật sau mỗi giây được đánh dấu bằng một vạch trên mặt đất, ngồi ra khi chuyển động hết chiều ngang của màn hình thì vật tự động dừng lại. Để làm được điều này ta sử dụng mã lập trình java trong thiết kế mơ mình. Nhấn vào nút “Fixed relations”, tạo bảng mới tên là “tao vach – dung xe”, nhập mã java như hình 2.8.
Hình 2.8. Bảng khai báo mã java tạo vạch và dừng vật
2.3.3. Xây dựng mơ hình hình ảnh
Ta cĩ ý định xây dựng hình ảnh vật là một chiếc xe CĐNDĐ với vận tốc ban đầu bằng 0, chuyển động trên mặt đường nằm ngang
- Hình ảnh vật được mơ tả là chiếc xe, cùng với nĩ là các nút điều khiển: Play (chạy), Reset (về trạng thái đầu).
- Hình ảnh đồ thị trong hệ trục tọa độ Descartes là 2 đồ thị:
• Đồ thị 1: với trục hồnh là t và trục tung là v ứng với đồ thị vận tốc – thời gian.
• Đồ thị 2: với trục hồnh là t và trục tung là x ứng với độ thị tọa độ – thời gian (Phương trình chuyển động của vật)
Như vậy trong View của ta sẽ cĩ 2 Frame, trong đĩ một Frame dành hình ảnh vật, một Frame dành cho hai đồ thị.
a. Tạo hình ảnh vật chuyển động
Trên trang View, nhấp vào biểu tượng Frame , hiện ra đũa thần và nhấn đầu đũa này vào gốc cây (Simulation View). Sau khi đặt tên cho khung là “Frame_chuyen_dong” thì một khung mới hiện ra bên cạnh. Khung này sẽ dùng để chứa hình vật chuyển động và các nút điều khiển. Trong khung này ta sẽ đặt 2 Panel, một cho hình vật và một cho các nút điều khiển
Vì hình ảnh xe chuyển động được xây dựng từ các tọa độ x và y trong hệ Descartes nên ta chọn nút DrawingPanel 2D để tạo nĩ. Nhấp vào biểu tượng để hiện ra cây đũa, nhấp nĩ vào “Frame_chuyen_dong”, đặt tên là “hinhVAT” và đặt nĩ ở center. Khi đĩ trên khung hình sẽ hiện ra một hệ tọa độ dưới dạng lưới.
Nhấp đúp vào yếu tố “hinhVAT” trên cây để hiện ra bảng tài nguyên của nĩ. Nhập các dữ kiện vào như hình 2.9
Hình 2.9. Bảng tài nguyên của panel chứa hình vật
Các dữ liệu này cho thấy ta ẩn các trục tọa độ x,y, xác định các giá trị cực đại của x và y và chọn loại hình trục là descartes. Trong bảng này cịn nhiều thuộc tính khác nhưng ta chỉ cần nhập những thuộc tính cơ bản nhất như trên.
Để tạo vật là chiếc xe ơ tơ khơng cĩ sẵn trong thư viện hình ảnh của chương trình nên ta chèn hình file hình ảnh chiếc ơ tơ đã chuẩn bị từ trước và lưu trong thư mục “Source” của chương trình EJS. Nhấn vào biểu tượng “Image 2D” trong bảng yếu tố để hiển thị cây đũa, sau đĩ nhấp đầu đũa này vào yếu tố để tạo vật.
Đặt tên cho yếu tố này là “XE”. Nhấp đúp vào nĩ để nhập tài nguyên như bảng hình 2.10.
Hình 2.10. Bảng tài nguyên cho vật
Tương tự ta tạo thêm hình ảnh nhà cửa và mặt trời để trang trí cho mơ hình vào Frame “hinhVAT”. Bảng tài nguyên của chúng như hình 2.11 và 2.12.
Hình 2.11. Bảng tài nguyên cho nhà
Để tạo mặt đất, ta nhấp vào biểu tượng “Shape 2D” , đặt đầu đũa vào yếu tố “hinhVAT” . Đặt tên cho yếu tố này là “MAT_DAT”. Nhấp đúp vào nĩ để nhập các thơng số vào bảng tài nguyên như hình 2.13.
Hình 2.13. Bảng tài nguyên cho hình ảnh mặt đất
Ta tạo thêm vạch đánh dấu vị trí ban đầu của vật bằng cách nhấp vào biểu tượng “Shape 2D” , đặt đầu đũa vào yếu tố “hinhVAT” . Đặt tên cho yếu tố này là “VACH_XUAT_PHAT”. Nhấp đúp vào nĩ để nhập các thơng số vào bảng tài nguyên như hình 2.14.
Hình 2.14. Bảng tài nguyên cho vạch đánh dấu vị trí ban đầu của vật
Để tạo vạch đánh dấu vị trí của vật sau mỗi giây, ta nhấp vào biểu tượng “ShapeSet” , đặt đầu đũa vào yếu tố “hinhVAT” . Đặt tên cho yếu tố này là “TAO_VACH”. Nhấp đúp vào nĩ để nhập các thơng số vào bảng tài nguyên như hình 2.15.
Hình 2.15. Bảng tài nguyên cho vạch đánh dấu vị trí của vật
b. Tạo nút điều khiển
Để tạo hệ thống nút điều khiển, ta phải đưa một panel thứ hai vào Frame “Frame_chuyen_dong”. Nhấp vào biểu tượng để hiển thị cây đũa, rồi nhấp đầu đũa vào “Frame_chuyen_dong”. Đặt tên cho panel mới là “panel_DIEU_KHIEN”, đặt ở vị trí down của Frame. Các tài nguyên của panel này mặc định, nếu muốn chỉnh sửa thì nhấp đúp vào nĩ để hiện thị bảng tài nguyên và chỉnh các thuộc tính theo ý muốn của mình.
Trong panel này ta đặt các nút điều khiển: chạy – dừng, lặp lại, thanh thay đổi giá trị của gia tốc; và các ơ chỉ giá trị thời gian, gia tốc.
Để tạo nút Chạy – Dừng ta nhấp vào biểu tượng “TwoStateButton” để hiển thị cây đũa. Nhấp đầu đũa vào “Panel_DIEU_KHIEN”, đặt tên cho nĩ là “CHAY_DUNG” và đặt ở phía trái của panel. Nút này cho phép điều khiển hai trạng thái vận động và dừng vận động khi chạy mơ hình. Sau đĩ nhấp đúp vào yếu tố này để điền các thơng số vào bảng như hình 2.14.
Một số thơng số là mặc định nhưng cĩ thể chỉnh sửa lại. Thí dụ muốn thay đổi màu sắc của nút thì nhấn vào “Backround On” và “Backround off” để chọn màu.
Để tạo nút “Lặp lại” ta nhấp vào biểu tượng “button” để hiển thị cây đũa. Nhấp đầu đũa vào “Panel_DIEU_KHIEN”, đặt tên cho nĩ là “LAP_LAI” và đặt ở phía phải. Nút này cho phép điều khiển mơ hình trở lại trạng thái đầu. Sau đĩ nhấp đúp vào yếu tố này để điền các thơng số vào bảng như hình 2.15.
Hình 2.15. Bảng tài nguyên cho nút điều khiển “Lặp lại”
Để tạo thanh thay đổi giá trị gia tốc ta nhấp vào biểu tượng “Slider” để hiển thị cây đũa. Nhấp đầu đũa vào “Panel_DIEU_KHIEN”, đặt tên cho nĩ là “CHINH_GIA_TOC” và đặt ở phía phải. Nút này cho phép thay đổi giá trị gia tốc khi trượt thanh, ở đây ta chọn giá trị gia tốc biến thiên từ 0 đến 9m/s2. Để tiện theo dõi giá trị, ta chèn ơ hiện giá trị gia tốc ngay bên phải thanh trượt, bằng cách nhấp vào biểu tượng “Parsedtextfield” . Sau đĩ nhấp đúp vào các yếu tố này để điền các thơng số vào bảng như hình 2.16 và 2.17
Hình 2.16. Bảng tài nguyên cho thanh chỉnh giá trị gia tốc
Hình 2.17. Bảng tài nguyên cho ơ hiện giá trị gia tốc
Để tạo ơ hiện giá trị thời gian ta biểu tượng “Label” để hiển thị cây đũa. Nhấp đầu đũa vào “Panel_DIEU_KHIEN”, đặt tên cho nĩ là “THOI_GIAN” và đặt ở phía phải. Sau đĩ nhấp biểu tượng “Parsed text file” để hiện giá trị thời gian, rồi đúp vào các yếu tố này để điền các thơng số vào bảng như hình 2.18 và 2.19
Hình 2.19. Bảng tài nguyên cho ơ hiện giá trị thời gian
Như vậy ta đã tạo được mơ hình hình ảnh vật chuyển động với các tài nguyên cơ bản nhất. Hình 2.20 và hình 2.21 cho thấy mơ hình chuyển động này tương ứng với các yếu tố xây dựng nĩ.
Hình 2.21. Hình ảnh mơ phỏng thí nghiệm chuyển động.
2.3.4. Tạo hình ảnh đồ thị
Ta lập hai đồ thị của vật chuyển động: vận tốc – thời gian, và tọa độ – thời gian
Trước hết, ta tạo đồ thị vận tốc, thời gian. Ta tạo “Frame_DO_THI” và đặt vào bên dưới của “FrameVAT”. Như vậy, ta sẽ cĩ hai Frame độc lập, Fame hình vật và Frame đồ thị sẽ hiện lên thành 2 cửa sổ, nếu muốn cĩ chung hình ảnh vật rơi với đồ thị trong cùng một khung hình thì ta tạo Panel đồ thị bên dưới Panel điều khiển.
Trên trang View, nhấp vào biểu tượng Frame , hiện ra đũa thần và nhấn đầu đũa này vào gốc cây (Simulation View). Sau khi đặt tên cho khung là “Frame_DO_THI” thì một khung mới hiện ra bên cạnh. Trong khung này ta sẽ đặt hai Panel, mỗi Panel là một đồ thị. Nhấp vào biểu tượng “PlottingPanel” để hiện ra cây đũa, nhấp nĩ vào “Frame_DO_THI”, đặt tên là “DO_THI_VAN_TOC” và đặt nĩ ở bên trái bằng cách chọn “Left”. Nhấp đúp vào yếu tố “DO_THI_VAN_TOC” trên cây để hiện ra bảng tài nguyên của nĩ. Nhập các dữ kiện vào như hình 2.22
Hình 2.22. Bảng tài nguyên cho panel chứa đồ thị vận tốc (v) và thời gian (t)
Chọn loại đường đồ thị “Trail” , đặt tên “DUONG_V_T”, nhập các tài nguyên như bảng hình 2.23.
Hình 2.23. Bảng tài nguyên dạng đồ thị vận tốc theo thời gian
Tương tự ta thiết lập đồ thị tọa độ của vật theo thời gian. Sau khi hồn thành ta đã tạo được đồ thị vật chuyển động với các tài nguyên cơ bản như hình 2.24
Hình 2.24. Đồ thị và các yếu tố xây dựng
Kết luận
Như vậy, việc tạo mơ hình cơ bản đã xong. Để chạy thử, ta nhấn nút run
trên thanh tác vụ. Nếu sau vài giây nĩ chuyển màu đỏ thì mơ hình đã thành cơng và ta cĩ thể sử dụng. Nếu nĩ vẫn giữ nguyên màu xanh thì mơ hình đã sai ở đâu đĩ. Xem thơng báo ở phần Output phía dưới giao diện EJS và xem lỗi ở phần nào để sửa chữa.Sau khi hồn thành, mơ hình chuyển động của vật được thể hiện như
hình 2.25.
Hình 2.25. Hình ảnh mơ hình vật chuyển động NDĐ
Sau khi hồn thành việc thiết kế, ta ấn nút Save as a new file để lưu file thiết kế và nút để xuất file chạy độc lập.
2.4. Các TNMP được thiết kế bằng EJS cho chương “Động học chất điểm” Vật lí 10
Sau khi nghiên cứu về EJS chúng tơi đã thiết kế 13 thí nghiệm như sau:
- TNMP về việc chọn hệ quy chiếu của vật khi vật chuyển động theo phương ngang và phương thẳng đứng.
- TNMP về chọn hệ quy chiếu của vật khi vật chuyển động trong mặt phẳng. - TNMP về chuyển động thẳng đều của vật.
- TNMP về việc so sánh sự tăng tốc của các xe trong cùng một đơn vị thời gian. - TNMP về chuyển động nhanh dần đều.
- TNMP về chuyển động chậm dần đều.
- TNMP về thả rơi tờ giấy và viên giấy được vo trịn trong khơng khí. - TNMP về thả rơi tờ giấy và viên bi trong khơng khí.
- TNMP về sự rơi của các vật trong chân khơng.
- TNMP về quỹ đạo và gia tốc của vật chuyển động trịn đều.
- TNMP về tính tương đối của quỹ đạo khi mặt trăng chuyển động so với trái đất. - TNMP về tính tương đối của quỹ đạo khi mặt trăng chuyển động so với mặt trời. - TNMP về tính tương đối của vận tốc khi xe chuyển động trên đường.
2.5. Thiết kế một số giáo án cĩ sử dụng thí nghiệm mơ phỏng bằng chương trình EJS
2.5.1. Bài 3. CHUYỂN ĐỘNG THẲNG BIẾN ĐỐI ĐỀU
I. MỤC TIÊU:
1. Kiến thức:
- Viết được cơng thức, định nghĩa, vẽ vectơ biểu diễn vận tốc tức thời và nếu các ý nghĩa vật lí của các đại lượng trong cơng thức.
- Nêu được định nghĩa về chuyển động thẳng biến đổi đểu, nhanh dần đều, chậm dần đều.
- Hiểu được gia tốc là đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi nhanh, chậm của vận tốc, các định nghĩa, đặc điểm và cơng thức vectơ gia tốc.
- Viết được cơng thức tính và nêu được đặc điểm về phương, chiều, độ lớn của gia tốc trong chuyển động thẳng nhanh dần đều, chậm dần đều.
- Hiểu được mối quan hệ giữa dấu và chiều của gia tốc và vận tốc để biết rõ khi nào là chuyển động nhanh dần đều, khi nào chuyển động chậm dần đều.
- Viết được cơng thức tính quãng đường đi được và phương trình chuyển động của chuyển động thẳng nhanh dần đều và chậm dần đều, nĩi đúng dấu của các đại lương trong cơng thức và phương trình đĩ.
- Xây dựng được cơng thức tính gia tốc theo vận tốc và quãng đường đi trong chuyển động thẳng biến đổi đều.
2. Kỹ năng:
- Biết cách vẽ đồ thị biểu diễn vận tốc theo thời gian.
- Vận dụng để xác định gia tốc, vận tốc, quãng đường, viết phương trình chuyển động và giải các bài tập đơn giản về chuyển động thẳng nhanh dần đều.
3. Thái độ:
- Tập trung quan sát, lắng nghe và tích cực trả lời, tham gia giải bài tập.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY
Sử dụng phương pháp nêu và giải quyết vấn đề, phương pháp đàm thoại và phương pháp TN.
III. CHUẨN BỊ:
+ GV: Bài giảng điện tử với những hình ảnh minh họa bằng EJS và phiếu học tập để trong quá trình học, HS cĩ thể viết bài đầy đủ và trả lời một số câu hỏi trong bài.
+ HS: Tham khảo bài mới, kiến thức liên quan.
IV. SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH XÂY DỰNG CÁC KIẾN THỨC
Đơn vị kiến thức 1: Xây dựng khái niệm gia tốc
Khi các xe tăng tốc, vận tốc chúng thay đổi theo thời gian, với khái niệm vận tốc ta chưa giải thích được
Vấn đề: Đại lượng nào đặc trưng cho tốc độ thay đổi
vận tốc nhanh hay chậm của vật? được xác định bằng cơng thức nào?
Xét một thí dụ về sự thay đổi vận tốc của vật trong những khoảng thời gian bằng