Sử dụng một số mô hình dao động và sóng điện từ được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình matlab để giảng dạy chương “ dao động và sóng điện từ ” vật lý lớp 12 ban nâng cao

Sử dụng một số mô hình dao động và sóng điện từ được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giảng dạy chương “ Dao động và sóng điện từ ” Vật lý lớp 12 Ban nâng cao Trần Thị Thanh V

Sử dụng một số mô hình dao động và sóng điện từ được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giảng dạy chương “ Dao động và sóng điện từ ” Vật lý lớp 12 Ban nâng cao

Trần Thị Thanh Vân

Trường Đại học Giáo dục Luận văn Thạc sĩ ngành: Lí luận và phương pháp giảng dạy; Mã số: 60 14 10

Người hướng dẫn: PGS TS Bùi Văn Loát

Năm bảo vệ: 2011

Abstract: Nghiên cứu cơ sở lý luận của phương pháp mô hình hóa, trong đó tập trung

vào các mô hình lý tưởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động của đối tượng vật lý Trình bày cơ sở lý luận của các phương pháp dạy học tích cực Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần dao động và sóng điện từ trong chương trình Vật lý phổ thông Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab Thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của phương pháp giảng dạy sử dụng mô hình

được thiết kế bằng Matlab

Keywords: Phương pháp dạy học; Môn vật lý; Phổ thông trung học; Vật lý lớp 12;

Dao động; Sóng điện từ; Ngôn ngữ lập trình

Content

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Cuộc cách mạng về công nghệ thông tin bắt đầu từ những năm cuối Thế kỷ 20 đã đem lại vô số những thành tựu góp phần to lớn phát triển mọi mặt của xã hội loài người Hoạt động dạy học cùng với những hoạt động khác của xã hội được tin học hóa mạnh mẽ Điều này không chỉ thể hiện ở việc tiến hành xây dựng một kết cấu hạ tầng thông tin mà bản chất của

nó nằm ở sự thay đổi về nội dung, hình thức tổ chức dạy học và thay đổi tư duy của người dạy

và người học ở tất cả các cấp bậc giáo dục

Việc phát triển năng lực tư duy, năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học phổ thông là một trong những mục tiêu của công cuộc đổi mới phương pháp dạy học Đây là nhiệm vụ khó khăn khi nội dung dạy học khá nặng nề và chế độ thi cử còn cồng kềnh chưa định hướng mục đích học tập Học sinh tại các trường Trung học phổ thông ít có điều kiện để được rèn luyện tư duy khoa học, kĩ năng thu thập và xử lý thông tin Việc tiếp cận với tin học một cách thường xuyên sẽ dần hình thành cho học sinh kinh nghiệm về thu thập và xử lý

thông tin, nhưng chừng đó là chưa đủ Vai trò tổ chức hoạt động học tập ứng dụng công nghệ tin học đòi hỏi người giáo viên phải hiểu và sử dụng máy tính một cách thuần thục

Việc mô phỏng, mô hình hóa các hiện tượng Vật lý bằng phần mềm giúp học sinh nhận thức hiện tượng một cách trực quan Dạy học Vật lý với sự hỗ trợ của mô hình tiết kiệm thời gian tổ chức hoạt động nhận thức, tăng thời lượng thảo luận và giải quyết các vấn đề thuộc bản chất hiện tượng

Hiện nay mạng xã hội ảo trở nên phổ biến và sẽ còn phát triển mạnh mẽ trong nhiều năm tới Việc tìm kiếm, chia sẻ thông tin trên mạng internet đã trở nên phổ biến, điều này đòi hỏi người giáo viên thế hệ mới có những hiểu biết sâu hơn về máy tính, kĩ thuật mạng và kĩ thuật số Trao đổi thông tin trong cộng đồng mạng xã hội ảo phát triển mạnh mẽ khiến cho lượng thông tin của loài người tăng lên nhanh chóng Việc lựa chọn những thông tin có ích cho công tác của giáo viên là hết sức quan trọng Với các giáo viên giảng dạy môn Vật lý thì

họ cần các tiện ích, phần mềm, tài liệu liên quan về bộ môn của họ Như vậy, các giáo viên cần đến một công cụ nào đó có thể dễ dàng thiết kế, xây dựng mô hình Vật lý, có cộng đồng phát triển đông đảo, đồng thời tính tương thích và kế thừa cao Matlab là phần mềm có thể thỏa mãn đa số các yêu cầu đó, nhất là khi nó được kết hợp với các phương pháp dạy học tích cực sẽ thu được những thành công lớn

Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả chọn đề tài: “Sử dụng một số mô hình dao động và sóng

điện từ được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giảng dạy chương dao động và sóng điện từ Vật lý lớp 12 ban nâng cao” làm đề tài nghiên cứu luận văn của mình

2 Mục đích nghiên cứu

Sử dụng mô hình biểu diễn quá trình dao động và sóng được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab trong quá trình giảng dạy để giúp học sinh hình thành tư duy logic, giải quyết vấn đề

Kết hợp với các phương pháp dạy học tích cực để quá trình dạy học đạt hiệu qủa cao Rèn luyện tư duy phê phán, phân tích, đối thoại và sáng tạo cho học sinh

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Các khái niệm cơ bản trong phần dao động và sóng điện từ

Hoạt động của giáo viên và học sinh khi dạy và học các kiến thức trên

4 Giả thuyết khoa học

Việc học chay đôi khi làm cho học sinh không hiểu được bản chất của vấn đề, nắm kiến thức không sâu, tiếp thu một cách thụ động do đó không gây hứng thú cho học sinh Sử dùng phần mềm Matlab mô hình hóa một số khái niệm cơ bản, các hiện tượng và mối quan hệ giữa các đại lượng trong phần dao động và sóng điện từ và các mô hình này kết hợp với phương pháp dạy học tích cực giúp học sinh nhận thức sâu sắc hơn về bản chất Vật lý của vấn

đề, làm cho học sinh tiếp thu kiến thức một cách tích cực, ghi nhớ một cách logic và vận dụng sáng tạo hơn Việc mô hình hóa trên góp phần đẩy mạnh quá trình đổi mới phương pháp giảng dạy bộ môn Vật lý ở trường phổ thông

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý luận của phương pháp mô hình hóa, trong đó tập trung vào các

mô hình lý tưởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động của đối tượng vật lý

Nghiên cứu cơ sở lý luận của các phương pháp dạy học tích cực

Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần dao động và sóng điện từ trong chương trình Vật lý phổ thông

Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab

Thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của phương pháp giảng dạy sử dụng mô hình được thiết kế bằng Matlab

6 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu quá trình dạy học nói chung, dạy vật lý nói riêng trong trường THPT khi có sự hỗ trợ bởi phầm mền Matlab trong việc giảng dạy vật lý, cụ thể là dạy và học

vật lý trong phần dao động và sóng điện từ Với mục đích nâng cao khả năng ứng dụng công

nghệ thông tin, khả năng giải quyết vấn đề, khả năng làm việc nhóm, năng lực nhận thức của học sinh, giúp người học chủ động giải quyết vần đề khi gặp phải trong quá trình dạy học và giúp người dạy có thêm công cụ trong việc dạy vật lý

7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận:

Dựa vào tài liệu lý luận dạy học làm sáng tỏ các quan điểm trong tổ chức, điều khiển diễn biến quá trình dạy học vật lý Từ đó học sinh biết cách gải quyết những vấn đề gặp phải trong quá trình nhận thức

Dựa vào tài liệu lý luận về các phương pháp day học tích cực, lựa chọn và xây dựng pương pháp dạy học tích cực vận dụng trong phần dao động và sóng điện từ

Sử dụng phần mềm Matlab và những tài liệu liên quan trong việc thiết kế, mô phỏng các hiện tượng dao động và sóng điện từ phục vụ quá trình dạy học

Nghiên cứu chương trình, nội dung sách giáo khoa, sách giáo viên, sách tham khảo,

từ đó xác định chính xác nội dung, các khái niệm, các cách giải bài tập vật lý mà học sinh cần phải nắm được khi học phần dao động và sóng điện từ

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Nghiên cứu quá trình dạy học trong trường THPT nói chung và trường THPT Cổ Loa, Đông Anh Hà Nội nói riêng thông qua các hoạt động: giảng dạy, dự giờ, thảo luận với các đồng nghiệp và đánh giá kết quả học tập của học sinh Trên cơ sở kết quả thu được tiến hành

đánh giá tình hình dạy, học phần dao động và sóng điện từ của học sinh phổ thông

Nghiên cứu quá trình sử dụng máy tính trong việc ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng, giải các bài tập vật lý bằng các mô hình, phục vụ công tác giảng dạy ở trường THPT

8 Đóng góp của đề tài

Góp phần làm sáng tỏ vai trò phương pháp mô hình hóa bằng phần mềm máy tính trong dạy học Vật lý trong trường phổ thông

Cung cấp những hiểu biết cơ bản về phần mềm Matlab và ứng dụng của nó

Tạo ra một số mô hình có giá trị thực tiễn

Kết hợp được phương pháp mô hình với phương pháp dạy học tích cực để đạt hiệu quả cao trong dạy học

9 Cấu trúc luận văn

Trên cơ sở nội dung đề tài đã lựa chọn, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương sau:

Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài

Chương 2: Tổng quan về Matlab và các ứng dụng Chương 3: Sử dụng một số mô hình Matlab trong dạy học phần dao động và sóng điện

từ

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Xu hướng đổi mới phương pháp dạy học

1.1.1 Đổi mới phương pháp dạy học – xu hướng chung của thế giới

1.1.2 Định hướng đổi mới phương pháp dạy học Vật lý hiện nay

Các kết quả nghiên cứu tâm lí về khả năng lưu giữ thông tin của học sinh và của cho thấy bằng cách đọc chỉ đạt 5%, bằng nghe chỉ đạt 10%, bằng các phương tiện nghe nhìn đạt 20%, bằng thảo luận đạt 50% Thu nhận bằng kinh nghiệm thực hành đạt được 75%, khi dạy

lại cho người khác có thể đạt 90% (Nghiên cứu do National Training Laboratories tiến hành

ở Bethel, bang Maine, Hoa Kỳ)

Trên cơ sở các nghiên cứu, định hướng đổi mới phương pháp dạy học ngày nay là hướng tới người học, phát huy tính tích cực, chủ động của người học

Để đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa

và hội nhập quốc tế, nước ta cần nhanh chóng chuyển từ mô hình dạy học thụ động sang mô hình dạy học tích cực

1.1.2.1 Xây dựng cơ sở lý thuyết

1.1.2.2 Hoàn thiện phương pháp dạy học hiện có

1.1.2.3 Sáng tạo các phương pháp mới

1.2 Dạy học tích cực

1.2.1 Tính tích cực của học sinh trong dạy học Vật lý

Tính tích cực, tự giác trong quá trình dạy học Vật lý được tạo ra do mối liên hệ giữa

hoạt động của giáo viên và học sinh trong giờ học môn Vật lý , học sinh cần hiểu rằng sau mỗi định luật, một tính chất là các thông tin lớn về thực tế ứng dụng để giải thích các hiện

tượng trong đời sống hàng ngày Thông thường học sinh không có khái niệm đầy đủ về tính chất và đặc điểm của chúng, mà cần có sự điều khiển hoạt động nhận thức học tập của giáo viên cùng với thí nghiệm vật lý và ứng dụng thực tế

Hoạt động tích cực nhận thức của học sinh được xuất hiện trong các khâu của quá trình dạy học vật lý Giáo viên phát triển các hoạt động này thông qua các hình thức tổ chức hoạt động học tập khác nhau( bài giảng, trò chuyện, xêmina ) Trong điều kiện hiện đại, một trong các phương pháp phát triển tính tích cực nhận thức của học sinh là áp dụng phương pháp dạy học có ứng dụng CNTT&TT

1.2.2 Phương pháp dạy học tích cực

Phương pháp dạy học tích cực là một thuật ngữ rút gọn, được dùng ở nhiều nước, để chỉ những phương pháp giáo dục - dạy học theo hướng phát huy tính tích cực, chủ động sáng

tạo của người học “Tích cực” trong phương pháp tích cực được dùng với nghĩa là hoạt động,

chủ động trái với nghĩa là không hoạt động, thụ động chứ không dùng trái nghĩa với tiêu cực,

thuật ngữ rút gọn “phương pháp tích cực” hàm chứa cả phương pháp dạy và phương pháp học

1.2.3 Một số kĩ thuật dạy học tích cực cần được sử dụng để nâng cao chất lượng dạy học

1.2.4.1.Kĩ thuật dạy học các mảnh ghép

Là kĩ thuật tổ chức hoạt động học tập hợp tác kết hợp giữa cá nhân, nhóm và liên kết giữa các nhóm

Kĩ thuật này được sơ đồ hóa như sau:

1.2.4.2 Kĩ thuật khăn phủ bàn

Là kĩ thuật tổ chức hoạt động học tập mang tính hợp tác kết hợp giữa hoạt động cá nhân

và nhóm

vào cơ sở lý luận về phương pháp dạy học mô 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 mô hình (ảo) để ứng dụng trong giảng dạy như sau:

 Xác định mục đích dạy học

 Thiết kế, xây dựng mô hình

 Thiết kế bài giảng có sử dụng mô hình

 Thực nghiệm

 Đánh giá kết quả

 Chỉnh sửa hoặc xây dựng mô hình và bài giảng mới

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG MỘT SỐ MÔ HÌNH MATLAB TRONG DẠY HỌC PHẦN

DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ 3.1 Đặc điểm, cấu trúc, nội dung chương “dao động và sóng điện từ” vật lí 12 Ban nâng cao

3.1.1 Đặc điểm, cấu trúc chương “dao động và sóng điện từ” trong chương trình vật lí phổ thông lớp 12 chương trình nâng cao

3.1.2 Nội dung kiến thức chươn g: “Dao động và sóng điện từ”

3.1.2.1 Về mạch dao động

3.1.2.2 Về điện từ trường

3.1.2.3 Về sóng điện từ

3.1.2.4 Về nguyên tắc thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến

3.1.3 Mục tiêu về kiến thức và kĩ năng học sinh cần đạt khi học chương “Dao động và sóng điện từ”

3.1.3.1 Mục tiêu về kiến thức chương “Dao động và sóng điện từ”

3.1.3.2 Kỹ năng của học sinh khi học chương “Dao động và sóng điện từ”

3.2 Xây dựng một số mô hình Matlab để giảng dạy chương ”Dao động và sóng điện từ” vật lý 12 nâng cao

3.2.1 Mạch dao động

Mạch dao động là mạch gồm cuộn dây có độ tự cảm L mắc

nối tiếp với tụ điện có điện dung C thành một mạch kín (gọi là mạch

Hình 3.3 Mạch LC Điện tích của bản tụ :

Dòng điện trong mạch LC:

i = dt

dq

= -Qosin(t + ) = Iocos(t +  +

2



với Io = Qo

uL = C

q

= cos(t C

Qo

Hiệu điện thế hai đầu cuộn dây

Điện tích q trên bản tụ điện và cường độ dòng điện i trong mạch LC biến thiên điều hòa cùng

tần số theo thời gian; i nhanh pha

2



so với q và u L [4]

1 2 3 4 5 6 t

 400

 200

200

400

Hình 3.4 a

t

 10 000

 5000

5000

10 000 donng dien

Hình 3.4 b

1 10 8

5 10 7

5 107

1 108

hieu dien the hai dau cuon day

Hình 3.4c

Hình 3.5 Sơ đồ biểu diễn đồng thời đồ thị I và q

3.2.2 Chu kỳ và tần số dao động riêng của mạch LC

- Chu kỳ: T = 



 2

- Tần số: f =

LC 2

1 T

1



3.2.3 Năng lượng trong mạch LC

Trong quá trình dao động của mạch LC thì mạch xuất hiện năng lượng điện trường ở

tụ C và năng lượng từ trường ở cuộn dây Năng lượng điện trường trên tụ:

WC = cos ( t )

C 2

Q C 2

q2 2o 2







Năng lượng từ trường trên cuộn dây:

C 2

Q ) t ( sin 2

Q L

2 o 2

2 o 2

Năng lượng điện từ

W = WC +WL = cos ( t )

C 2

Q2o 2





C 2

Q2o 2





C 2

Q2o = hằng số (3.8) Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường có sự chuyển hóa cho nhau, nhưng tổng năng lượng điện trường và từ trường là không đổi Nhưng, trên thực tế dao động điện từ của mạch LC là dao động tắt dần Giái trị điện trở R trên mạch càng lớn thì dao động càng nhanh tắt Hình 3.6 mạch dao động có điện trở R

Sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng

quá trình dao động điện tắt dần Chạy chương

trình ta thu được kết quả trên hình 3.7

Muốn mạch dao động không bị tắt dần thì ta phải bù năng lượng cho mạch, phần năng lượng bù phải đủng và đủ phần năng lượng tiêu hao trong mỗi chu kì

3.2.3 Mạch chọn sóng LC

3.2.4 Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian

Sóng điện từ là sóng ngang Trong quá trình truyền sóng véc tơ cường độ điện trường

E , véc tơ từ trường B luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng[4]

- Trong chân không sóng điện từ truyền đi với vận tốc ánh sáng và với bước sóng , với  =

T = 1/f :chu kỳ của dao động điện từ

trong đó: c là vận tốc ánh sánh trong chân không

Mô phỏng sự lan truyền của sóng điện từ trong chân không bằng ngôn ngữ Matlab Chạy chương trình mô phỏng ta thu được kết quả như trên hình 3.14:

Trong không gian điện trường và từ trường dao động cùng pha với nhau

Sóng điện từ cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác

3.5 Truyền thông bằng sóng điện từ

3.5.1 Nguyên lý thu, phát sóng vô tuyến

3.3 Thực nghiệm sư phạm

3.3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm:

3.3.2 Lựa chọn đối tượng thực nghiệm

Việc thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại trường THPT Cổ Loa – Đông Anh – Hà nội với đối tượng là học sinh lớp 12 Ban tự nhiên

Lớp đối chứng là lớp 12A2 có 51 học sinh, dạy theo tiến trình cũ, truyền thống,

không có sự hỗ trợ của phần mềm toán học Matlab

Lớp thực nghiệm là lớp 12A3 có 53 học sinh, dạy theo tiến trình đã soạn thảo có sử

dụng phần mềm toán học Matlab để giảng dạy

Nhìn vào điểm trung bình và độ lệch chuẩn, ta có nhận xét cả hai lớp đều có học lực tương đối tốt Mặt bằng kiến thức hai lớp trên là khá tương đương

3.3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm

Quá trình thực nghiệm sư phạm, chúng tôi tiến hành song song, dạy ở lớp thực nghiệm

và lớp đối chứng trong cùng một thời gian, cùng nội dung chương " Dao động điện từ" Lớp thực nghiệm 12A3 (sĩ số 53) và lớp đối chứng 12A2(sĩ số 51) Đây là hai lớp có chất lượng học sinh là tương đương nhau

Quá trình thực nghiệm chúng tôi tiến hành phân phối thời gian học như sau: 1/2 số giờ

để học sinh tự học và thảo luận nhóm học sinh, 1/2 số giờ thảo luận giữa giáo viên và học sinh cả lớp