Chương 2. Thiết kế, chế tạo và sử dụng một số thí nghiệm về Dao động cơ có kết nối với điện thoại thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông
2.1. Mạch logic kiến thức phần dao động cơ trong chương trình GDPT hiện hành và chương trình GDPT mới (khái quát hóa nội dung kiến thức phần dao động cơ trong chương trình GDPT hiện hành và chương trình
Nội dung dạy học của chương “Dao động cơ” vật lí 12 trung học phổ thông gồm các mảng sau: Dao động điều hòa; Con lắc lò xo; Con lắc đơn; Dao động tắt dần; Dao động duy trì; Dao động cưỡng bức; Cộng hưởng dao động; Tổng hợp dao động; Thực hành khảo sát thực nghiệm các quy luật dao động của con lắc đơn. Nội dung chi tiết của các kiến thức được mô tả trong bảng sau (Bộ giáo dục và đào tạo, 2016):
Bảng 2.1. Bảng nội dung kiến thức chương dao động cơ
Kiến thức Nội dung cụ thể
Dao động điều hòa
- Khái niệm dao động điều hòa;
- Các đặc trưng của dao động điều hòa: biên độ, chu kì, pha, pha ban đầu, đồ thị dao động;
- Quy luật biến đổi vận tốc, gia tốc trong dao động điều hòa;
- Các dấu hiệu nhận biết dao động điều hòa.
Con lắc lò xo - Cấu tạo con lắc lò xo;
- Tính điều hòa trong dao động của con lắc lò xo;
- Đặc tính tự do trong dao động của con lắc lò xo;
- Sự bảo toàn cơ năng của con lắc lò xo.
Con lắc đơn - Cấu tạo con lắc đơn;
- Tính điều hòa trong dao động của con lắc đơn;
- Đặc tính tự do trong dao động của con lắc đơn;
- Sự bảo toàn cơ năng của con lắc đơn.
Dao động tắt dần - Khái niệm dao động tắt dần;
Dao động cưỡng bức
- Sự phụ thuộc tốc độ tắt dần vào sức cản môi trường;
- Các trường hợp dao động không bị tắt dần: Dao động duy trì và dao động cưỡng bức;
- Sự phụ thuộc của biên độ dao động cưỡng bức vào tần số ngoại lực cưỡng bức, sự cộng hưởng.
Dao động tổng hợp
- Nguyên tắc tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số;
- Phương pháp giản đồ quay Fresnel áp dụng trong tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số.
Thực hành khảo sát dao động của con lắc đơn
- Thực nghiệm kiểm chứng các quy luật dao động của con lắc đơn, cụ thể là chu kì không phụ thuộc vào cách kích thích, khối lượng vật nặng và tỉ lệ với căn bậc hai của chiều dài.
Nội dung các kiến thức được chương trình vật lí 12 lựa chọn trình bày như trên là vừa sức với năng lực nhận thức của học sinh THPT, đồng thời có sự sắp xếp theo logic nhận thức. Có thể thấy logic đó thể hiện ở việc kiến thức của chương được chia thành hai mảng rõ rệt. Đầu tiên, chương trình tìm hiểu các kiến thức cơ bản của một loại dao động lí tưởng là dao động điều hòa, trong đó minh họa bằng hai chuyển động thực tế là dao động của con lắc lò xo và của con lắc đơn. Hai ví dụ minh họa này vừa giúp học sinh hiểu rõ hơn về dao động điều hòa vừa giúp học sinh nhận thấy rằng:
“Chu kì dao động của các cơ hệ chỉ phụ thuộc cấu tạo của hệ, gọi là chu kì riêng của hệ”. Sau khi đã có được kiến thức này, chương trình giới thiệu đến học sinh các dao động trong thực tế. Sự khác nhau đầu tiên mà cũng là cơ bản giữa dao động trong thực tế với dao động điều hòa lí tưởng đó là “sự tắt dần”. Mọi dao động trong thực tế luôn bị tắt dần do ma sát. Tuy nhiên, một số trường hợp trong thực tế, dao động lại không bị tắt dần (như con lắc đồng hồ), thậm chí còn dao động ngày càng mạnh lên (dao động của cây cầu Tacoma năm 1940). Điều này dẫn đến nhu cầu cần tìm hiểu để có được kiến thức: “Các dao động không bị tắt dần có thể rơi vào hai trường hợp:
Một là đang được duy trì bởi ngoại lực tuần hoàn, hai là đang bị cưỡng bức bởi ngoại lực điều hòa. Người ta quan tâm nhiều đến dao động bị cưỡng bức, bởi nhẽ, đó là dao động “bị động” và vì vậy con người phải đối phó và phòng tránh. Kết quả nghiên cứu
dao động cưỡng bức dẫn đến kết quả là kiến thức về sự cộng hưởng cơ. Trong thực tế, một cơ hệ hoàn toàn có thể bị cưỡng bức bởi hai hay nhiều nguồn dao động điều hòa, khi đó, dao động của vật ta gọi là dao động tổng hợp và việc nghiên cứu quy luật của dao động tổng hợp là rất cần thiết. Với khả năng của học sinh, chương trình chỉ giới thiệu sự tổng hợp của hai dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số. Cuối cùng, để củng cố niềm tin, cũng là logic nhận thức đặc thù của vật lí, chương trình thiết kế một nội dung thực hành cho HS là “Khảo sát thực nghiệm các quy luật dao động của con lắc đơn”. Nội dung khảo sát thực nghiệm là các quy luật chu kì con lắc đơn không phụ thuộc khối lượng, không phụ thuộc cách kích thích, tỉ lệ với chiều dài con lắc đơn. Nội dung dạy học này vừa giúp HS rèn luyện phương pháp thực nghiệm, kỹ năng thực hành, vừa giúp kiến thức lý thuyết được xây dựng ở các phần trước được kiểm chứng.
Ta cũng có thể sơ đồ hóa cấu trúc logic kiến thức như sau:
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ kiến thức chương dao động cơ
Câu hỏi đặt ra sẽ là, với những nội dung dạy học cùng với logic kiến thức như vậy thì những nội dung nào cần và có khả năng xây dựng và sử dụng TNKNĐTTM trong dạy học bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho HS? Chúng tôi cho rằng, hầu hết Dao động
tự do
các nội dung dạy học trên đều cần và có khả năng xây dựng TNKNĐTTM trong dạy học nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của HS, cụ thể là các nội dung sau:
Nội dung dạy học “Dao động điều hòa” được phân bố trong 2 tiết học, đề cập đến việc hình thành các khái niệm dao động, dao động tuần hoàn, dao động điều hòa, chu kì, tần số, biên độ, pha dao động, pha ban đầu, vị trí cân bằng, li độ; các quy luật về li độ, vận tốc, gia tốc của dao động điều hòa; mối quan hệ giữa các đại lượng li độ, vận tốc, gia tốc; đồ thị dao động điều hòa; mối quan hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều. Những kiến thức này là những kiến thức mới đối với HS, và là kiến thức nền tảng cho các bài sau. Việc xây dựng khái niệm dao động điều hòa theo sách giáo khoa vật lí 12 xuất phát từ hình chiếu của chuyển động tròn đều trên một trục tọa độ đi qua tâm. Cách làm này giúp HS vừa hình dung được dao động (thông qua chuyển động qua lại tâm đường tròn của hình chiếu), vừa giúp HS thấy được quy luật thay đổi theo thời gian tuân theo hàm cosin của tọa độ. Tuy nhiên cách này bắt đầu từ một chuyển động tròn, chứ không phải bắt đầu từ một dao động, ít nhiều làm giảm sự tập trung tư duy của HS vào yếu tố dao động. Vận tốc và gia tốc của dao động điều hòa là các hàm biến đổi điều hòa theo thời gian, điều này dễ dàng thấy được qua việc sử dụng công thức xác định vận tốc v = x’ và xác định gia tốc a = v’. Nhưng thực tế nhiều HS chưa nắm được vì sao có 2 công thức đó nên đây cũng là một khó khăn trong tổ chức dạy học bài này. Như vậy có thể thấy, nội dung dạy học bài học này hiện nay không có thực hiện thí nghiệm, cũng không xây dựng khái niệm dao động điều hòa từ sự phân tích một dao động thực tế. Vì thế, nếu tổ chức dạy học bài này theo gợi ý của SGK thì không thể dùng TNKNĐTTM để hỗ trợ dạy học. Tuy nhiên, hoàn toàn có thể thiết kế lại nội dung dạy học bài này sao cho đạt được mục đích dạy học trên, HS vẫn hiểu được bản chất của dao động điều hòa, nhờ sử dụng TNKNĐTTM. Quy trình tổ chức dạy học bài này theo hướng như vậy có thể hình dung như sau: Nhắc lại các kiến thức về chuyển động cơ đã học năm lớp 10, nhất là các kiến thức về hệ quy chiếu, vận tốc, gia tốc, phương trình chuyển động và việc mô tả chuyển động bằng đồ thị → Giới thiệu một số dao động trong thực tế → Hình thành các khái niệm dao động, vị trí cân bằng, biên, chu kì, tần số → Mô tả dao động bằng đồ thị chuyển động, hình thành khái niệm li độ, biên độ → Giới thiệu thiết bị
TNKNĐTTM giúp xác định đồ thị chuyển động của vật → Sử dụng thiết bị TNKNĐTTM kiểm chứng quy luật một số chuyển động: Rơi tự do, chuyển động thẳng đều, dao động con lắc lò xo, dao động con lắc đơn → Định nghĩa dao động điều hòa → Tìm hiểu quy luật vận tốc, gia tốc dao động điều hòa, và mối quan hệ giữa chúng → Xác lập quan hệ dao động điều hòa với chuyển động tròn đều. Một tiến trình hoạt động dạy học cụ thể hơn sẽ được chúng tôi trình bày ở phần bên dưới.
Nội dung dạy học “Con lắc lò xo” và “Con lắc đơn” là hai nội dung dạy học có sự tương đồng. Đây là hai nội dung dạy học giới thiệu hai cơ hệ trong thực tế, ở những điều kiện lí tưởng sẽ dao động điều hòa. Điều kiện lí tưởng đó là không có ma sát đối với con lắc lò xo và thêm điều kiện dao động nhỏ đối với con lắc đơn. Nội dung trọng tâm là giới thiệu con lắc lò xo, con lắc đơn, chứng tỏ chúng dao động điều hòa, chỉ ra đặc điểm đặc biệt về chu kì dao động của cả hai dao động này, tìm hiểu sự chuyển hóa năng lượng trong quá trình chúng dao động. Với nội dung dạy học như vậy, trong điều kiện các TN truyền thống không thể giúp kiểm chứng tính chất “điều hòa” của 2 dao động nên SGK chọn con đường chứng minh lý thuyết, cụ thể là khảo sát động lực học, dẫn ra phương trình động lực học, từ đó kết luận 2 dao động là điều hòa, sau đó tiến hành tìm hiểu các kiến thức về năng lượng dựa trên những năng lượng cơ học đã được học ở lớp 10. Với gợi ý tổ chức như vậy, các thiết bị TN truyền thống chỉ có tác dụng quan sát dao động, sau đó nếu được thì có thể kiểm chứng quy luật của chu kì dao động, qua đó khẳng định lý thuyết là đúng. Đây cũng là lí do vì sao SGK vật lí 12 thiết kế bài thực hành cuối chương là khảo sát quy luật dao động của con lắc đơn, trong đó tập trung khảo sát quy luật của chu kì dao động, coi như là bằng chứng thực nghiệm của việc con lắc lò xo và con lắc đơn dao động điều hòa. Ở đây, cũng có hai vấn đề cần đề cập đến:
- Một là muốn chứng minh dao động con lắc điều hòa, cần căn cứ vào đâu? SGK đã căn cứ vào phương trình động học có dạng x’’ + ω2x = 0. Điều này là đúng, nhưng theo trình bày trong SGK, dấu hiệu này không được nhắc đến ở bài trước đó, tức là HS không có được tâm thế chủ động khi đi khảo sát động lực học các loại chuyển động này. Thực tế cho thấy khi tổ chức dạy nội dung này, chúng tôi thường phải đặt câu hỏi “Dấu hiệu nào cho biết một vật dao động
điều hòa?” trước khi đặt vấn đề chứng minh dao động con lắc là điều hòa. Vấn đề này sẽ hoàn toàn được khắc phục nếu ở bài 1, GV đã đề cập đến, hoặc được tổ chức như ý tưởng sử dụng TNKNĐTTM như chúng tôi mô tả ở đoạn trên, vì ở đó HS đã có tâm thế sử dụng đồ thị li độ để kiểm chứng một dao động nào đó có điều hòa hay không.
- Hai là, dao động của con lắc trong thực tế làm tại lớp học không thể là dao động điều hòa do ma sát với không khí. Tuy nhiên, ma sát không khí thường là rất nhỏ nên vật dao động trong thời gian ngắn gần như là điều hòa, hoàn toàn có thể dùng TN để kiểm chứng dao động điều hòa của con lắc.
Với sự phân tích như vậy, chúng ta thấy cả hai nội dung dạy học này đều là những nội dung dạy học cực kì thích hợp cho việc tổ chức dạy học với TNKNĐTTM nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của HS. Một ý tưởng như vậy có thể được mô tả qua dòng chảy tổ chức hoạt động hai nội dung dạy học này như sau: Giáo viên giới thiệu cấu tạo con lắc, thực hiện cho con lắc dao động → Đặt vấn đề nghiên cứu: Dao động của con lắc có phải điều hòa không? → Tiến hành phân tích 2 cách để biết một vật dao động điều hòa hay không: Khảo sát thực nghiệm hoặc dùng thiết bị TNKNĐTTM vẽ đồ thị dao động → Tiến hành chứng minh con lắc dao động điều hòa bằng cả hai cách
→ Kết luận con lắc dao động điều hòa, nhấn mạnh điều kiện và tính chất chu kì không phụ thuộc điều kiện bên ngoài → Khảo sát năng lượng con lắc.
Cũng cần chú ý rằng, con đường chứng minh con lắc dao động điều hòa bằng thực nghiệm đơn giản và HS có thể bồi dưỡng năng lực thực nghiệm nhưng không thể dẫn ra công thức tính chu kì, vì vậy ở ý tưởng trên, chúng tôi sử dụng cả hai cách chứng minh. Thứ hai, vì cả hai nội dung dạy học là con lắc lò xo và con lắc đơn đều có nhiều đặc điểm tương đồng, nên nếu sử dụng TNKNĐTTM trong dạy học như ý tưởng trên, hoàn toàn có thể phân chia lại phần nội dung 2 bài học này thành: Bài
“Con lắc lò xo và con lắc đơn” với trọng tâm là giới thiệu hai con lắc và chứng minh hai con lắc dao động điều hòa và bài “Cơ năng của con lắc lò xo và con lắc đơn” tìm hiểu về biến đổi cơ năng của hai con lắc và vận dụng các kiến thức về con lắc. Tổ chức như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian ở các khâu đặt vấn đề, giải quyết vấn đề vì có quá nhiều sự tương đồng ở cả hai nội dung này, đồng thời HS sẽ tập trung, hứng
thú tham gia giải quyết vấn đề, bồi dưỡng năng lực thực nghiệm. Hoặc có thể tận dụng phần nghiên cứu quy luật bằng đồ thị nhờ TNKNĐTTM đã thực hiện ở chương 1 để lược bỏ bớt nội dung chứng minh dao động con lắc lò xo và con lắc đơn điều hòa bằng thực nghiệm, dành thời gian chứng minh động lực học, sau đó ngay lập tức kiểm tra quy luật chu kì sau khi khảo sát động lực học.
Nội dung dạy học “Dao động tắt dần” mở ra mảng kiến thức mới, đó là đề cập đến các dao động trong thực tế. Cụ thể nội dung dạy học này bao gồm các khái niệm về dao động tắt dần, dao động duy trì, dao động cưỡng bức, cộng hưởng dao động và các đặc điểm của chúng. Nội dung dạy học này theo SGK không sử dụng TN để minh họa và giúp HS hiểu sâu các kiến thức. Tuy nhiên nhận thấy đây là kiến thức liên quan đến thực tế, là cơ hội sử dụng TN bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của HS, chúng tôi cho rằng hoàn toàn có thể sử dụng TNKNĐTTM vào hỗ trợ dạy học nội dung này. Các nội dung có thể sử dụng TNKNĐTTM vào hỗ trợ dạy học nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho HS là: Dao động tắt dần (quan sát dao động tắt dần, quan sát đồ thị dao động để thấy biên độ dao động giảm dần theo thời gian); Dao động cưỡng bức (quan sát đồ thị dao động để thấy chu kì dao động tăng theo chu kì cưỡng bức; Cộng hưởng dao động (quan sát đồ thị dao động để thấy biên độ tăng nhanh đến cực đại khi tần số tiến về tần số riêng của hệ dao động. Các TNKNĐTTM như vậy và ý tưởng sử dụng chúng hỗ trợ tổ chức hoạt động dạy học nội dung này sẽ được chúng tôi trình bày ở các phần tiếp theo.
Nội dung dạy học “Thực hành khảo sát các quy luật dao động điều hòa của con lắc đơn” đề cập đến các khảo sát thực nghiệm kiểm chứng các quy luật dao động của con lắc đơn, đó là quy luật chu kì không phụ thuộc cách kích thích (biên độ) và tỉ lệ thuận với căn bậc hai của chiều dài con lắc và tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của gia tốc trọng trường tại điểm làm thí nghiệm. SGK tổ chức dạy học nội dung này dưới hình thức bài thực hành tại phòng TN của HS, sử dụng các thiết bị TN truyền thống để thực hiện, cụ thể là cổng quang điện hoặc đồng hồ để đo chu kì. Tuy nhiên, hoàn toàn có thể sử dụng TNKNĐTTM để dạy học nội dung này. Đó là sử dụng TNKNĐTTM để thay thế các TN truyền thống, vừa giúp HS tiết kiệm thời gian đo đạc số liệu, vừa bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho học sinh.