Để sử dụng phương pháp Graph trong hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí có những thuận lợi, khó khăn sau:
1.5.5.1. Thuận lợi
- Hiện nay có nhiều thơng tin, tài liệu cung cấp cho việc học tập của học sinh như SGK, sách bài tập, sách tham khảo, hoặc là việc học tập trực tuyến trên mạng internet có nội dung và phương pháp về giải bài tập tương đối phù hợp với sức học của các em, để các em có thể tự học ở nhà.
- Đa số các em năng động, thích tìm tịi, khám phá các vấn đề xảy ra xung quanh, ham học hỏi...
- Phương tiện dạy học phong phú, tạo cho học sinh có hứng thú trong học tập.
- Đội ngũ giáo viên u nghề, có năng lực chun mơn vững vàng, ham học hỏi, ln cầu tiến. Bên cạnh đó giáo viên còn thường xuyên được học hỏi qua các đợt học tập chuyên đề, bồi dưỡng thường xuyên đóng góp nhiều cho việc nâng cao chất lượng giảng dạy của giáo viên.
1.5.5.2. Khó khăn
Mơn Vật lí là mơn học có nội dung chương trình mơn học với lượng kiến thức lớn, bài tập nhiều nhưng phân phối thời gian dành cho những tiết luyện tập ít do đó học sinh thường cảm thấy khó khăn khi học tập bộ môn này, điều này cũng một phần là do là do:
+ Các em chưa hiểu khái niệm, các định luật vật lí sâu sắc.
+ Các kĩ năng như xác định các đại lượng, mối quan hệ giữa các đại lượng dựa trên việc phân tích hiện tượng vật lí liên quan cịn hạn chế.
+ Các cơng thức tính tốn chuyển đổi giữa các đại lượng không nắm vững nên khi gặp các bài tập định lượng không biết cách giải quyết.
+ Học sinh không nắm được những kiến thức, kĩ năng toán học cần thiết để giải bài tốn.
+ Tình trạng giáo viên ở các bộ mơn nói chung cịn ngại nghiên cứu, tìm tịi học hỏi và dám đưa cái mới, áp dụng phương pháp học tập tích cực vào quá trình giảng dạy; quản lí học sinh trong giờ dạy còn chưa tốt cũng dẫn tới tinh thần, ý thức học tập thiếu tích cực của học sinh ở nhiều mơn học nói chung và ảnh hưởng trực tiếp tới nhận thức của học sinh ở bộ mơn vật lí nói riêng.
Trước những thực trạng: kiến thức giáo khoa của các môn học nói chung và ở mơn vật lí nói riêng là lớn, hệ thống bài tập thì đa dạng mà thời lượng chữa bài tập và hướng dẫn học sinh giải bài tập không nhiều. Vậy làm thế nào để học sinh có thể lĩnh hội, khắc sâu được nội dung kiến thức và vận dụng được linh hoạt vào q trình giải bài tập vật lí và tránh được tình trạng khi giáo viên giao bài tập vật lí cho học sinh thì như đang đưa học sinh vào một "mê cung" không lối ra, tôi xin được đưa ra một số giải pháp để áp dụng Graph vào quá trình hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao.
1.6. Kết luận chƣơng 1
Bài tập vật lí có vai trò quan trọng trong việc rèn luyện cho học sinh khả năng vận dụng kiến thức vật lí giải quyết các vấn đề thực tiễn, việc giải bài tập vật lí địi hỏi những suy luận lơgíc, những phép tốn và thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và các phương pháp vật lí. Việc giải bài tập địi hỏi sự tư duy định hướng một cách tích cực.
Phương pháp Graph là phương pháp khoa học sử dụng graph để mô tả sự vật, hoạt động, cho phép hình dung một cách trực quan các mối liên hệ
giữa các yếu tố trong cấu trúc của sự vật, cấu trúc lơgíc của qui trình triển khai hoạt động (con đường từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc hoạt động) giúp con người qui hoạch tối ưu, điều khiển tối ưu các hoạt động. Graph có tác dụng mơ hình hố các đối tượng nghiên cứu và mã hoá các đối tượng đó bằng một loại “ngơn ngữ” vừa trực quan, vừa cụ thể và cô đọng.
Việc sử dụng Graph trong hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí giúp học sinh thu nhận kiến thức một cách khoa học hơn, hiểu vấn đề một cách khái quát hơn.
Trên cơ sở nghiên cứu lí thuyết về Graph, đề tài nghiên cứu sử dụng vơ hướng và graph có hướng để hỗ trợ việc hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí, cụ thể là sử dụng graph vô hướng để tìm mối quan hệ giữa các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm, từ đó xây dựng graph có hướng để xác định các bước giải bài tập vật lí.
Trên cơ sở tìm hiểu tình hình dạy và học bài tập vật lí nói chung và phần giao thoa sóng cơ học, vật lí lớp 12 nâng cao nói riêng ở trường THPT Thái Phiên thành phố Hải Phịng, xác định khó khăn của giáo viên khi dạy và học sinh khi học giải bài tập vật lí, đồng thời tìm hiểu thực trạng của việc sử dụng Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí. Từ đó xây dựng phương án xây dựng Graph hỗ trợ hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí.
CHƢƠNG 2
SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP GRAPH HƢỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA SĨNG CƠ
VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO 2.1. Yêu cầu về kiến thức, kỹ năng.
2.1.1. Yêu cầu về kiến thức
Trên cơ sở nghiên cứu chương trình, nội dung và các dạng bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao, để học sinh giải tốt các bài tập vật lí phần này yêu cầu học sinh cần nắm vững các kiến thức như sau: - Nêu được các định nghĩa về sóng cơ, sóng ngang, sóng dọc, nêu được các ví dụ để phân biệt sóng ngang, sóng dọc và giải thích được ngun nhân tạo thành sóng cơ học.
- Nêu được các định nghĩa và ý nghĩa của các đại lượng đặc trưng cho sóng cơ: tốc độ truyền sóng, chu kì sóng (tần số sóng), bước sóng, biên độ sóng và năng lượng sóng.
- Lập được phương trình sóng khi biết các đại lượng đặc trưng cho qúa trình sóng và ngược lại, xác định được các đại lượng đặc trưng cho q trình sóng khi biết phương trình sóng. Nêu được tính tuần hồn theo khơng gian và thời gian truyển sóng.
- Hiểu được hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước, cụ thể là: + Nêu được hiện tượng giao thoa sóng cơ
+ Nêu được hình dạng vân giao thoa và giải thích được sự tạo thành vân giao thoa trên mặt nước.
+ Thiết lập được cơng thức xác định vị trí các điểm dao động với biên độ cực đại, cực tiểu trong miền giao thoa của hai sóng.
+ Hiểu được những ứng dụng quan trọng của hiện tượng giao thoa sóng trên mặt nước trong đời sống.
- Hiểu được hiện tượng giao thoa sóng dừng trên dây, cụ thể là:
+ Nêu được đặc điểm của sóng tới, sóng phản xạ, sóng dừng và giải thích được sự tạo thành sóng dừng trên dây đàn hồi.
+ Xác định được điều kiện để có sóng dừng trên dây đàn hồi.
+ Áp dụng được hiện tượng sóng dừng để tính tốc độ truyền sóng trên dây đàn hồi.
- Hiểu được về sóng âm, cụ thể là:
+ Nêu được nguồn gốc của âm, cảm giác về âm, cường độ âm, mức cường độ âm và đơn vị của mức cường độ âm.
+ Nêu được mối quan hệ giữa các đặc trưng vật lí và các đặc trưng sinh lí của âm.
+ Giải thích được tại sao các nhạc cụ lại phát ra âm có tần số và âm sắc khác nhau. Phân biệt được âm cơ bản và họa âm.
+ Nêu được tác dụng của hộp cộng hưởng.
2.1.2. Yêu cầu về kỹ năng
Các kĩ năng học sinh cần có khi giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12, nâng cao như sau:
- Thiết lập được phương trình sóng ở nhiều dạng theo chu kì, tần số hoặc tần số góc, xác định được các đại lượng đặc trưng cho sóng từ phương trình sóng và ngược lại.
- Tính được tốc độ truyền sóng trên dây đàn hồi từ hiện tượng sóng dừng trên dây đàn hồi.
- Xác định được số vân giao thoa cực đại, cực tiểu từ hiện tượng giao thoa sóng.
- Biết thu thập thơng tin: tìm, đọc, tóm tắt.
- Biết xử lí thơng tin: phân tích, so sánh, tổng hợp. - Biết truyền đạt thông tin: thảo luận, báo cáo kết quả.
- Ứng dụng được các kiến thức đã học để giải thích các hiện tượng đơn giản về sóng cơ trong đời sống.
Một trong những yếu tố khác cũng rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của việc dạy học giải bài tập vật lí là học sinh cần có thái độ học tập nghiêm túc, tự giác, cẩn thận, khách quan, trung thực, nỗ lực phấn đấu vì thành tích học tập của bản thân. Giáo viên cũng cần tạo được bầu khơng khí học tập, vui vẻ, từ đó tạo hứng thú trong giờ học vật lí, u thích tìm tịi khoa học cho học sinh.
2.2. Hƣớng dẫn học sinh giải bài tập vật lí bằng Graph
Căn cứ vào các kiểu Graph và cách xây dựng Graph cũng như tác dụng của các Graph đó, kết hợp với các bước giải BTVL nói chung, chúng tơi xây dựng quy trình hướng dẫn học sinh giải BTVL gồm 4 bước như sau:
* Bước 1. Phân tích bài tốn, xây dựng graph vơ hướng định hướng tìm lời giải.
Trong bước này, giáo viên hướng dẫn học sinh đọc và tóm tắt đầu bài, dựa vào tóm tắt đầu bài và u cầu bài tốn xác định các đỉnh.
* Bước 2. Thiết lập các phương trình, xây dựng Graph có hướng xác định các bước giải.
Căn cứ trên Graph vơ hướng, chỉ ra hướng để giải bài tốn, xây dựng graph có hướng.
* Bước 3. Giải bài tốn theo các bước đã lập.
Từ Graph có hướng dễ thấy được các phương trình cần lập, lập các phương trình và giải để tìm ra ẩn số.
Căn cứ vào Graph có hướng và kết quả tính tốn để giải bài tốn.
Ví dụ: Trong thí nghiệm giao thoa trên mặt nước có 2 nguồn kết hợp S1, S2
dao động cùng pha, cùng tần số f = 10 Hz. Tại điểm M cách S1, S2 lần lượt là d1 = 16cm, d2 = 10cm có một cực đại. Giữa M và đường trung trực S1S2 có hai cực đại khác. Tìm tốc độ truyền sóng.
* Bước 1. Phân tích bài tốn, xây dựng graph vơ hướng định hướng tìm lời giải. Tóm tắt đầu bài: f = 10Hz, d1=16cm, d2 =10cm C(M,d) -> k =2 v = ?
Mỗi đại lượng ta đặt vào một đỉnh, đồng thời căn cứ trên yêu cầu đòi hỏi xác định v, cần xác định , vậy ta đặt vào 1 đỉnh. Dựa vào các quan hệ giữa các đại lượng để xác định các cung.
Sơ đồ 2.1. Sử dụng Graph vô hƣớng để phân tích bài tốn
f d1 n d2 k c v? E1. = |d1-d2|/k+1 E2. v = .f E1 E2 G1 G2
* Bước 2. Thiết lập các phương trình, xây dựng Graph có hướng xác định các bước giải
Sơ đồ 2.2. Sử dụng Graph có hƣớng xác định bƣớc giải bài tốn
* Bước 3. Giải bài toán theo các bước đã lập.
E1 : 1 1 2 1 2 1 2 k d d n d d n d d E2. v = λ f = 2.10 = 20 cm/s
* Bước 4. Trình bày lời giải
Ta có giữa đường trung trực S1S2 và M có k cực đại , suy ra n = k +1. Điều kiện cực đại:
1 1 2 1 2 1 2 k d d n d d n d d =2 cm. v = λ f = 2.10 = 20 cm/s
2.3. Xây dựng hệ thống bài tập và Graph hƣớng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ
2.3.1. Kiến thức, kĩ năng cần thiết để giải bài tập chương Sóng cơ
Theo chương trình mơn Vật lí lớp 12 THPT (nâng cao), những kiến thức, kĩ năng cơ bản phần sóng cơ như sau:
G1(f,d1,d2) G2 (c,k) n ĐK cực đại n= k+1 = |d1-d2|/k+1 v? v = λ f
1. Xác định bước sóng
Bước sóng là quãng đường mà sóng truyền đi được trong một chu kì dao động. Như vậy, có thể hiểu bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên cùng một phương truyền sóng mà dao động tại hai điểm đó là cùng pha. Để xác định bước sóng có thể sử dụng biểu thức: = vT = v. f trong đó: : bước sóng (m); T: chu kỳ của sóng (s); f: tần số của sóng (Hz);
v: tốc độ truyền sóng (có đơn vị tương ứng với đơn vị của ).
Như vậy, để xác định bước sóng cần xác định vận tốc truyền sóng v và tần số f của sóng, ở đây đơn vị bước sóng và đơn vị của vận tốc phải tương ứng, học sinh có thể tính đúng giá trị bước sóng nhưng cũng có thể xác định sai đơn vị đo của nó.
2. Thiết lập phương trình sóng
Phương trình sóng là phương trình dao động của một phần tử vật chất khi có sóng truyền qua.
Tại điểm M cách O một đoạn x trên phương truyền sóng. Giả sử phương trình sóng tại nguồn O là:
u0 A.cos( t )
* Nếu sóng truyền theo chiều dương của trục Ox thì phương trình dao động tại M là uM = AMcos(t + - x
v
) = A
Mcos(t + - 2x ).
* Nếu sóng truyền theo chiều âm của trục Ox thì phương trình dao động tại M là uM = AMcos(t + + x v ) = AMcos(t + + 2x ). O x M x
Như vậy, để thiết lập được phương trình sóng, học sinh cần xác định được khoảng cách từ điểm cần xác định tới nguồn, bước sóng, và phương trình dao động của nguồn.
3. Xác định độ lệch pha giữa 2 điểm cách nguồn một khoảng x1, x2
Độ lệch pha giữa 2 điểm cách nguồn một khoảng x1, x2 đượcxác định theo công thức: x1 x2 2 x1 x1
v
Nếu 2 điểm đó nằm trên một phương truyền sóng và cách nhau một khoảng
x thì: x 2 x
v
Như vậy, muốn xác định được độ lệch pha giữa 2 điểm cách nguồn một khoảng x1, x2 nào đó đã biết thì cần xác định được bước sóng hoặc tần số góc và vận tốc, trong đó đơn vị của x, x1, x2, và v phải tương ứng với nhau.
4. Xác định điều kiện và các đặc điểm giao thoa sóng
Hiện tượng giao thoa của sóng là hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định luôn luôn hoặc tăng cường nhau, hoặc làm yếu nhau. Tại vùng gặp nhau của hai sóng S1, S2 , quan sát thấy những gợn lồi và gợn lõm xen kẽ nhau, trong đó:
+ gợn lồi là tập hợp các điểm dao động với biên độ cực đại. + gợn lõm là tập hợp các điểm dao động với biên độ cực tiểu. + cực đại giao thoa là nơi mà hai sóng tăng cường lẫn nhau. + cực tiểu giao thoa là nơi mà hai sóng triệt tiêu lẫn nhau.
Những yêu cầu đặt ra với học sinh như sau:
a. Xác định điều kiện giao thoa
Điều kiện để có hiện tượng giao thoa là hai sóng phải xuất phát từ hai nguồn dao động có các điều kiện sau:
- cùng phương dao động.
b. Xác định phương trình sóng tại một điểm
Giao thoa của hai sóng phát ra từ hai nguồn sóng kết hợp S1, S2 cách nhau một khoảng l, phương trình sóng tại hai nguồn lần lượt là:
1 Acos(2 1)
u ft và u2Acos(2 ft2).
Xét điểm M cách hai nguồn lần lượt d1, d2, phương trình sóng tại M do hai sóng từ hai nguồn truyền tới lần lượt là:
1 1 1 2 Acos(2 ) M d u ft và 2 2 2 2 Acos(2 )