1.5.1. Matlab và đặc điểm của Matlab
Matlab là sản phẩm của công ty phần mềm MathWorks của Hoa Kỳ, có thể chạy được dưới nhiều hệ điều hành, trên nhiều loại máy tính, từ các máy vi tính đến các siêu máy tính. Đây là phần mềm để giải các bài toán khoa học, kỹ thuật, kinh tế và tài chính trên máy tính một cách dễ dàng và tiện lợi. MatLab là phần mền thương mại lớn, nó đã được sử dụng rộng rãi tại nhiều trường đại học, viện nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Matlab hết sức tiện lợi khi cần tính tốn và xử lý trên các đối tượng có cấu trúc ma trận, là một ngơn ngữ bậc cao, có số lượng các hàm trong và ngồi rất lớn cho phép viết chương trình rất ngắn, dễ lập trình. Luận văn này chỉ đề cập đến một khía
cạnh cụ thể của Matlab ứng dụng trong giáo dục. Đó là khả năng tạo các giao diện đồ họa
Khi sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab, ta có thể dễ dàng nhận thấy những đặc điểm chính sau của ngơn ngữ lập trình này:
- Dễ xử lý các cấu trúc ma trận thực và phức, các xâu ký tự.
- Có thể xử lý các biểu thức toán và dễ dàng kết hợp với các tính tốn số. - Khả năng đồ hoạ mạnh và dễ dàng kết hợp với các tính tốn số.
- Số lượng các hàm rất lớn,chúng ln hồn thiện, bổ sung và phát triển. - Cho phép ghép nối với các hàm viết bằng ngơn ngữ C và Fortran. - Có thể dịch để chạy độc lập ngồi môi trường MatLab.
- Dễ phát triển các ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng. So sánh MatLab với các ngơn ngữ lâp trình khác, ta có thể thấy do dễ lập trình và chương trình ngắn nên hiệu suất lập trình cao hơn hẳn so với khi viết chương trình bằng Basic, Pascal, Fortran, C. Mặt khác,Matlab có thể làm việc được ở cả 2 chế độ:
- Chế độđối thoại: cho các bài tốn có cấu trúc ngắn, đơn giản và chỉ
chạy một lần.
- Chế độ lập trình: cho các bài tốn có cấu trúc lớn, phức tạp.
1.5.2. Một số câu lệnh cơ bản dùng trong Matlab
Các lệnh cơ bản dùng trong Matlab có thể kể đến là:
Lệnh Clear: Xóa tất cả các biến trong bộ nhớ Matlab Lệnh clc: Lệnh xóa cửa sổ lệnh (command window) Lệnh pause: Chờ sự đáp ứng từ phía người dùng Lệnh =: lệnh gán
Lệnh %: câu lệnh sau dấu này được xem là dịng chú thích Lệnh input: lệnh lấy vào một giá trị.
Ví dụ: x = input(‘Nhap gia tri cho x:’);
Lệnh Save: Lưu biến vào bộ nhớ
Ví dụ: Save test A B C (lưu các biến A, B, C vào file test)
Lệnh Load: load biến từ file hay bộ nhớ
Ví dụ: Load test Lệnh Rẽ nhánh: cú pháp như sau Lệnh If: IF expression statements ELSEIF expression statements ELSE statements END Lệnh Switch: SWITCH switch_expr CASE case_expr, statement,..., statement
CASE {case_expr1, case_expr2, case_expr3,...} statement,..., statement ... OTHERWISE, statement,..., statement END Lệnh lặp: cú pháp như sau: Lệnh For:
FOR variable = expr, statement,..., statement END
statements END
Lệnh Break: Thốt đột ngột khỏi vịng lặp WHILE hay FOR.
Lệnh Continue: Bỏ qua các lệnh hiện tại, tiếp tục thực hiện vòng lặp ở
lần lặp tiếp theo.
Lệnh Return: lệnh trả về Lệnh clf: xóa hình hiện tại
Lệnh plot(signal): vẽ dạng sóng tín hiệu signal
Lệnh stairs(signal): vẽ tín hiệu signal theo dạng cầu thang. Lệnh stem(signal): vẽ chuỗi dữ liệu rời rạc
Lệnh bar(signal): vẽ dữ liệu theo dạng cột
Lệnh mesh(A): hiển thị đồ họa dạng 3D các giá trị ma trận
1.5.3. Ứng dụng Matlab xây dựng mơ hình vật lí trong giảng dạy
Khi xây dựng các mơ hình vật lý học phục vụ cho cơng tác giảng dạy tại trường Trung học phổ thơng cần phải dựa trên nhiều tiêu chí như tính khả thi. Các đối tượng, khái niệm, quy luật vận động của thực thể vật lý rất phong phú, hình thức thể hiện đa dạng và nhìn chung là có độ khó khác nhau. Việc xây dựng các mơ hình vật lý địi hỏi đầu tư nhiều trí tuệ, thời gian và công sức, không phải giáo viên nào cũng có thể đáp ứng tiêu chí này. Tiếp theo phải xét đến đó là mơ hình vật lý học được xây dựng có phù hợp với giảng dạy hay không. Để đảm bảo yêu cầu này, người xây dựng mơ hình phải dựa vào cơ sở lý luận về phương pháp dạy học mơ hình hóa, căn cứ vào nội dung dạy học và hoàn cảnh cụ thể. Từ những nhận xét trên, ta có thể thấy quy trình xây dựng một mơ hình (ảo) để ứng dụng trong giảng dạy như sau:
- Thiết kế, xây dựng mơ hình
- Thiết kế bài giảng có sử dụng mơ hình - Thực nghiệm
- Đánh giá kết quả
- Chỉnh sửa hoặc xây dựng mơ hình và bài giảng mới
Luận văn đã xây dựng một số mơ hình dưới dạng đồ họa với các tính năng cơ bản như tương tác thay đổi các số liệu, vẽ đồ thị, hình động…tương ứng với nội dung và mục đích dạy học. Mơ hình thiết kế đã được dịch thành các ứng dụng độc lập, trực quan, sinh động và có tính hệ thống…
Kết luận chƣơng 1
Trong chương này, chúng tôi đặc biệt quan tâm đến một số luận điểm lí luận như sau:
- Một số vấn đề về phương pháp dạy học vật lí theo quan điểm hiện đại. - Xu hướng đổi mới phương pháp dạy học vật lí.
- Ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong dạy học vật lí. - Cơ sở lí thuyết về phương pháp dạy học bằng mơ hình - Một vài nét về phần mềm Matlab
Tất cả những cơ sở lí luận và thực tiễn trên sẽ giúp chúng tôi vận dụng để nghiên cứu thiết kế một số mơ hình bằng phần mềm Matlab để giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao theo hướng tăng cường tính chủ động và năng lực nhận thức của học sinh.
CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ MỘT SỐ MƠ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “SĨNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÍ 12 NÂNG CAO 2.1. Nội dung sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao
Sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao được viết theo chương trình mới với tinh thần nối tiếp chương trình trung học cơ sở (THCS) mới. Một số khái niệm đã học ở THCS sẽ được tiếp tục phát triển như dòng điện xoay chiều, sự tán sắc ánh sáng… Hiện nay, một số yêu cầu bức xúc đối với việc giảng dạy ở trung học phổ thông(THPT) là đổi mới phương pháp dạy học theo tinh thần phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo của học sinh, tạo điều kiện cho học sinh hoạt động trí tuệ trong giờ học và cả ở nhà. Trong giờ học, thơng qua những hoạt động trí tuệ đa dạng như quan sát và theo dõi thí nghiệm, lập luận theo những vấn đề giáo viên đặt ra, thực hiện một số tính tốn cần thiết, học sinh có thể tự mình tìm ra một số quy luật, thiết lập được một số phương trình mà giáo viên cần truyền đạt. Trong sự đa dạng của phương pháp, giáo viên sẽ là người chủ động trong việc lựa chọn phương pháp và hình thành giáo án.
Sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao được soạn thảo trên cở sách giáo khoa thí điểm lớp 12 cho ban khoa học tự nhiên đã được dạy thí điểm trong nhiều trường THPT từ năm học 2005 – 2007. Sách giáo khoa 12 nâng cao được biên soạn bám sát chuẩn kiến thức kĩ năng, mức cần đạt quy định trong chương trình. Để tạo điều kiện cho việc giảng dạy và học tập theo sách giáo khoa Vật lí lớp 12 nâng cao, mỗi trang của sách giáo khoa đều chia làm 2 cột. Cột chính trình bày nội dung của bài học mà giáo viên phải trình bày. Trong cột này có một số đoạn in cỡ chữ nhỏ nhằm bổ sung kiến thức cho học sinh, nội dung đoạn này chỉ cần học sinh biết và không cần học sinh phải nhớ, học thuộc khi kiểm tra. Để đảm bảo thiết kế sách giáo khoa hợp lí, các minh họa gắn với cột chính được để ở cột chính hoặc cột phụ. Cột phụ là các nội dung
mà học sinh muốn tìm hiểu thêm. Các nội dung này giáo viên khơng trình bày ở lớp, khơng bắt buộc đối với học sinh và không thuộc mức độ cần đạt cho học sinh. Tùy tình hình cụ thể, giáo viên có thể gợi ý học sinh về nhà đọc thêm.Ngoài ra, ở cuối nhiều bài học có mục “Em có biết” và cuối mỗi chương có “Bài đọc thêm”, các nội dung này nằm ngoài yêu cầu về chuẩn kiến thức kĩ năng mà học sinh cần đạt.
Sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao có 10 chương và 61 bài học, trong đó có 49 bài lí thuyết, 8 bài tập và 4 bài thí nghiệm thực hành. Số tiết dành cho 49 bài lí thuyết là 71 tiết nên thời lượng dành cho mỗi bài lí thuyết là từ 1 đến 2 tiết. Giáo viên sẽ phân bố thời lượng cho mỗi bài học lí thuyết căn cứ vào khối lượng nội dung của bài và vào tình hình, điều kiện cụ thể khi dạy.
Các bài “Bài tập” giới thiệu một số dạng bài tập cơ bản cùng phương pháp giải, làm cơ sở để giáo viên tham khảo khi tổ chức dạy – học trong các tiết bài tập đã được quy định cho mỗi chương. Ngay trong khi thực hiện tiến trình giảng dạy bài học lí thuyết, thơng qua các câu hỏi C, giáo viên cũng đã yêu cầu học sinh thực hiện một số bài tập đơn giản. Ở mỗi bài học có câu hỏi, vấn đề gợi ý nhằm giúp giáo viên, học sinh mở đầu bài học. Ở đầu mỗi chương đều có hình ảnh minh họa về nội dung sẽ trình bày trong chương. Sau đó có nêu vắn tắt các vấn đề được đề cập trong chương.
Nội dung sách giáo khoa Vật lí 12 gồm 10 chủ đề: 1. Động lực học vật rắn
2. Dao động cơ 3. Sóng cơ
4. Dao động và sóng điện từ 5. Dịng điện xoay chiều 6. Sóng ánh sáng
7. Lượng tử ánh sáng
9. Hạt nhân nguyên tử 10. Từ vi mô đến vĩ mô
Vật lí 12 đã trình bày một số vấn đề hiện đại phù hợp với xu thế chung của các nước trong khu vực và trên thế giới: “Động lực học vật rắn”, “Sơ lược về thuyết tương đối hẹp”, và “Từ vi mô đến vĩ mô” nhằm giúp học sinh có một cái nhìn tổng quan về thế giới vật chất, khái quát các kiến thức đã học trong chương trình vật lí phổ thơng. Ngồi ra, cịn có một số nội dung mới trong các chương còn lại như: Hiệu ứng Đốp-ple, Nhiễu xạ ánh sáng, Hấp thụ ánh sáng, Phản xạ lọc lựa, Màu sắc các vật, Sơ lược về laze… Tuy nhiên, các nội dung này được biên soạn bám sát yêu cầu nêu trong chuẩn kiến thức kĩ năng và theo yêu cầu đổi mới, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giảng dạy và học tập. Nội dung chương trình Vật lí 12 được trình bày theo cách tiếp cận mới, logic hơn, chặt chẽ hơn, chú trọng hơn đến nội dung thực tế, kết hợp tốt kênh hình và kênh chữ (xu hướng chung là giảm kênh chữ, tăng hình ảnh minh họa) tạo điều kiện tốt cho việc đổi mới phương pháp giảng dạy của giáo viên và phương pháp học tập của học sinh, giúp học sinh phát huy năng lực tự học, tự giải quyết vấn đề.
2.2. Phân tích nội dung kiến thức chƣơng “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao
2.2.1. Tán sắc ánh sáng
- Ánh sáng được phân thành hai loại là ánh sáng đơn sắc và ánh sáng phức tạp.
- Chùm ánh sáng phức tạp khi chiếu qua lăng kính sẽ tách ra thành nhiều chùm ánh sáng có màu sắc khác nhau – chùm ánh sáng đơn sắc, khi đi qua lăng kính vẫn giữ nguyên màu sắc. Tia đỏ lệch ít nhất và tia tím lệch nhiều nhất. Nguyên nhân của hiện tượng này là do trong cùng một môi trường, các ánh sáng đơn sắc khác nhau truyền đi với vận tốc khác nhau hay
- Sự phân tách một chùm sáng phức tạp thành các chùm ánh sáng đơn sắc khác nhau gọi là sự tán sắc ánh sáng.
- Ánh sáng trắng (ánh sáng Mặt Trời, ánh sáng hồ quang điện, ánh sáng đèn điện dây tóc…) là hỗn hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu từ đỏ đến tím. Ánh sáng trắng là một trường hợp của ánh sáng phức tạp hay ánh sáng đa sắc.
Hiện tượng tán sắc ánh sáng được ứng dụng trong máy quang phổ để phân tích một chùm sáng đa sắc, do các vật sáng phát ra, thành các thành phần đơn sắc; giải thích nhiều hiện tượng quang học trong khí quyển như cầu vồng, hiện tượng cực quang…
2.2.2. Nhiễu xạ ánh sáng
- Nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng, quan sát được khi ánh sáng truyền qua các lỗ nhỏ hoặc gần mép những vật trong suốt hoặc không trong suốt.
- Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng, lỗ nhỏ hoặc khe nhỏ được chiếu sáng có vai trị như một nguồn phát sáng.
- Mỗi chùm sáng đơn sắc có một bước sóng và tần số xác định.
Trong chân không bước sóng của ánh sáng đơn sắc được tính theo cơng thức:
Trong đó c=300000km/s là tốc độ ánh sáng trong chân không, f là tần số ánh sáng.
Trong mơi trường có chiết suất n, bước sóng ánh sáng đơn sắc được
2.2.3. Giao thoa ánh sáng
Thí nghiệm I-âng cho thấy ánh sáng có tính chất sóng và giúp ta xác định được bước sóng của ánh sáng.
Đèn Đ phát ánh sáng trắng, qua kính lọc sắc F chiếu sáng khe S làm cho S trở thành nguồn phát sóng ánh sáng, truyền đến hai khe S1, S2. Hai khe S1, S2 được chiếu sáng bởi cùng một nguồn sáng S nên trở thành hai nguồn kết hợp có cùng tần số và có độ lệch pha khơng đổi theo thời gian nên trong vùng khơng gian hai sóng gặp nhau có hiện tượng giao thoa. Các vạch sáng tối gọi là các vân giao thoa. Các vạch sáng gọi là vân sáng, các vạch tối gọi là vân tối.
Điều kiện để có hiện tượng giao thoa ánh sáng là hai chùm sáng giao nhau phải là hai chùm kết hợp (cùng bước sóng và có độ lệch pha khơng đổi theo thời gian)
Vị trí của các vân giao thoa
Vị trí vân sáng: D x k a , (k = 0,±1,±2,±3…), k được gọi là bậc của vân sáng
x = 0 ta có vân sáng ứng với k = 0 gọi là vân sáng trung tâm k = ±1 gọi là vân sáng bậc 1; k = ±2 gọi là vân sáng bậc 2;…
Vị trí vân tối: A B O L E S1 S2 S F ĐĐ
1 ( ) 2 D x k a , (k = 0,±1,±2,±3…)
Xen giữa hai vân sáng cạnh nhau là một vân tối, các vân sáng và các vân tối cách đều nhau.
- Khoảng vânlà khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc hai vân tối) liên tiếp nhau và kí hiệu là i.
Trong đó: a là khoảng cách hai khe sáng (mm), D là khoảng cách từ hai
khe đến màn (m), λ là bước sóng ánh sáng dùng trong thí nghiệm (µm). - Đo bước sóng ánh sáng bằng phương pháp giao thoa
Từ công thức: i D a suy ra ia D
Nếu đo chính xác D, a và i thì ta xác định được bước sóng ánh sáng λ. Đó là nguyên tắc của phép đo ánh sáng bằng phương pháp giao thoa. Mỗi phép đo ln chứa một sai số [9], độ chính xác của việc xác định bước sóng phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định i. Để khoảng vân i tăng, người ta
thường chọn giá trị D lớn và a nhỏ. - Bước sóng và màu sắc ánh sáng:
Mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng (tần số) xác định.
Trong chân khơng (trong khơng khí), ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,38 µm (ánh sáng tím) đến 0,76 µm (ánh sáng đỏ).