Trong rất nhiều các khó khăn thì sự phức tạp thể hiện rất rõ ở các bài tập xác định số phần tử dao động cực đại và cùng pha với nguồn trong phần giao thoa sóng chương sóng cơ vật lý 12..
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA
TRƯỜNG THPT NGA SƠN
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GEOGEBRA ĐỂ HỖ TRỢ HỌC SINH TRỰC QUAN HÓA BÀI TOÁN SÓNG TRÊN MẶT NƯỚC DO MỘT NGUỒN GÂY RA VÀ BÀI TOÁN GIAO THOA SÓNG CƠ TRONG CHƯƠNG SÓNG CƠ
VẬT LÝ 12
Người thực hiện: Cao Thị Bình Chức vụ: Giáo viên
SKKN thuộc lĩnh vực(môn): Vật lý
THANH HOÁ NĂM 2021
Trang 2MỤC LỤC
1 MỞ ĐẦU 4
1.1 Lý do chọn đề tài 4
1.2 Mục đích nghiên cứu 4
1.3 Đối tượng nghiên cứu 4
1.4 Phương pháp nghiên cứu 4
2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 5
2.1 Cơ sở lý luận 5
2.2 Thực trạng vấn đề trước khi nghiên cứu áp dụng SKKN 6
2.2.1 Thực trạng……….6
2.2.2 Nguyên nhân của thực trạng……….7
2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 7
3 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 18
3.1 Kết luận 18
3.2 Kiến nghị 18
3.2.1 Đối với giáo viên……….…18
3.2.2 Đối với học sinh……… 18
3.2.3 Đối với các cấp quản lí………19
Trang 31 MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài.
Bài tập sóng trên mặt nước do một nguồn gây ra và giao thoa sóng trong chương sóng cơ vật lý 12 là một trong các bài toán đòi hỏi học sinh phải hội tụ rất nhiều kiến thức, kỹ năng vừa cần hiểu rõ bản chất vật lý, vừa cần có hình ảnh trực quan để phát triển tư duy làm các bài tập nâng cao
Trong rất nhiều các khó khăn thì sự phức tạp thể hiện rất rõ ở các bài tập xác định số phần tử dao động cực đại và cùng pha với nguồn trong phần giao thoa sóng chương sóng cơ vật lý 12 Với các phương pháp khảo sát định tính truyền thống, hoặc định lượng tương đối của toán học thì việc giải bài tập mang tính chất hàn lâm, khô cứng, dẫn tới hiệu quả dạy học không cao
Để nâng cao kết quả dạy và học trong việc giải các bài toán về sóng cơ thì việc ứng dụng công nghệ thông tin vào giảng dạy là cần thiết Hiện nay có nhiều phần mềm được sử dụng mô tả trực quan trong giảng dạy vật lý như Geometer's SketchPad, Cabri 3D, Toolkit Math, Geogebra Tuy nhiên, việc sử dụng như thế nào, vận dụng ra sao còn gặp nhiều khó khăn ở các giáo viên vì các phần mềm đa phần dùng riêng cho Toán học, còn việc áp dụng vào trong vật lý thì đòi hòi nhiều kĩ năng khác Qua thời gian nghiên cứu và tham khảo tôi nhận thấy rằng phần mềm Geogebra là phần mềm rất hay để giải quyết các vấn đề trên Vừa là phần mềm miễn phí, dựng mô hình tĩnh và động, vừa có khả năng xử lý đại số rất nhanh
Vì các lý do khách quan và chủ quan trên, tôi đã viết đề tài: “ Ứng dụng
phần mềm Geogebra để hỗ trợ học sinh trực quan hóa bài toán sóng trên mặt nước do một nguồn gây ra và bài toán giao thoa sóng trong chương sóng cơ vật
lý 12”
1.2 Mục đích nghiên cứu
Thông qua đề tài này, nhằm giúp giáo viên thấy được việc trực quan hóa hình ảnh quỹ tích các phần tử dao động cùng pha, ngược pha với nguồn cũng như hình ảnh quỹ tích các phần tử dao động cực đại, cực tiểu sẽ đem lại hiệu quả cao trong việc hỗ trợ học sinh giải bài tập sóng do một nguồn gây ra và giao thoa sóng cơ trong chương sóng cơ vật lý 12
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Đề tài của tôi sẽ nghiên cứu về cách sử dụng phần mềm Geogebra để vẽ quỹ tích các phần tử cùng pha, các điểm mà phần tử tại đó dao động cực đại trong chương sóng cơ vật lý 12
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng một số phương pháp cơ bản sau:
- Nhóm phương pháp thống kê toán học
Trang 4- Nhóm các phương pháp lý thuyết: Phương pháp tra cứu, thu thập tài liệu, phân tích, tổng hợp so sánh
- Nhóm các phương pháp nghiên cứu thực tiễn: phương pháp phỏng vấn, phương pháp nghiên cứu sản phẩm học tập của học sinh
2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
2.1 Cơ sở lý luận 2.1.1 Qũy tích các phẩn tử trên mặt nước dao động cùng pha, ngược pha với nguồn khi trên mặt nước chỉ có một nguồn sóng.
Từ công thức tính độ lệch pha giữa phần tử M cách nguồn một khoảng bằng d:
M cùng pha với nguồn Qũy tích các phần tử dao động cùng pha với nguồn là các đường tròn đồng tâm tại nguồn O có bán kính bằng
M ngược pha với nguồn Qũy tích các phần tử dao động ngược pha là các đường tròn đồng tâm tại nguồn O có bán kính bằng
2.1.2 Qũy tích các phần tử trên mặt nước có biên độ dao động cực đại, cực tiểu khi hai nguồn dồng bộ.
Phần tử M dao động cực đại quỹ tích là các đường hypebol nhận hai nguồn là hai tiêu điểm, đỉnh của các hypebol liên tiếp cách nhau bằng Phần tử M dao động cực tiểu (không dao động) quỹ tích là các đường hypebol nhận hai nguồn làm tiêu điểm đồng thời nằm xen kẽ các hypebol cực đại, các đỉnh của các hypebol liên tiếp cách nhau
2.1.3 Qũy tích các phần tử dao động thời cùng pha với nguồn S 1 hoặc nguồn S 2
trong bài toán giao thoa sóng cơ.
Gỉa sử phương trình truyền sóng tại hai nguồn có dạng
phương trình sóng tại M nằm cách 2 nguồn các khoảng lần lượt d1, d2 là:
Trang 5M cùng pha với nguồn khi quỹ tích
các phần tử dao động cùng pha với nguồn là các đường Elíp bậc chẵn hoặc bậc lẻ nhận hai nguồn là hai tiêu điểm
M ngược pha với nguồn khi quỹ tích
các phần tử dao động ngược pha với nguồn là các đường Elíp bậc chẵn hoặc bậc lẻ nhận hai nguồn là hai tiêu điểm
2.1.4 Vị trí các phần tử dao động với biên độ cực đại và cùng pha hoặc ngược pha với nguồn
Khi M dao động cực đại: kết hợp với điều kiện cùng
pha hoặc ngược pha với nguồn ta được kết quả
M dao động cực đại và cùng pha với nguồn khi
với m và n cùng chẵn hoặc cùng lẻ
M dao động cực đại và ngược pha với nguồn khi
với m và n khác tính chất chẵn lẻ
2.2 Thực trạng vấn đề trước khi nghiên cứu áp dụng SKKN 2.2.1 Thực trạng
Qua thực tế giảng dạy, điều tra, phỏng vấn đồng nghiệp tôi thấy, mặc dù phương pháp bài tập quỹ tích các phần tử cùng pha, cực đại đồng thời cùng pha đã khá phổ biến lâu nay nhưng cách tiếp cận của một số giáo viên còn khó khăn Bài tập ra còn thụ động, thiếu sự sáng tạo về số liệu cũng như các dạng bài tập
Việc ứng dụng các phần mềm để mô phỏng hình ảnh động, hỗ trợ giải bài tập
về quỹ tích các phần tử cùng pha, cực đại đồng thời cùng pha là một sự cần thiết
Một số giáo viên khi trình bày phương pháp giải bài tập chỉ đơn thuần là phương
Trang 6pháp đại số dẫn đến việc xử lý kết quả đôi khi còn sai, thiếu dụng cụ kiểm chứng, học sinh cảm thấy không hấp dẫn thú vị, khó hình dung được các hình ảnh trực quan
để có thể sáng tạo nhiều hơn
2.2.2 Kết quả thực trạng
Kết quả của thực trạng trên được phản ánh ở hai khía cạnh sau:
- Chất lượng giảng dạy bài tập quỹ tích các phần tử cùng pha, ngược pha, cực đại đồng thời cùng pha chưa đạt hiệu quả cao; chưa thể hiện được sự đa dạng phong phú vốn có của nó
- Kết quả ở học sinh còn chưa tốt Bởi lẽ, nó chưa thu hút sự hứng thú của học sinh, chưa kích thích sự tư duy của học sinh
2.2.3 Nguyên nhân của thực trạng
- Giáo viên còn ngại tìm tòi, sáng tạo Chủ yếu sử dụng phương pháp đại số đơn thuần nên dần dần không phát huy được khả năng của học sinh từ đó ảnh hưởng đến kết quả học tập của học sinh
- Giáo viên chưa mạnh dạn đổi mới phương pháp dạy học, chủ yếu vẫn là các phương pháp dạy học truyền thống nên chưa tạo ra hứng thú, sự hấp dẫn đối với học sinh
2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề
2.3.1 Giải quyết khó khăn khi mô phỏng hình dạng quỹ tích các phần tử dao động với biên độ cực đại, cực tiểu Qũy tích các phần tử dao động cùng pha hoặc ngược pha với nguồn.
- Cài đặt và chạy chương trình Geogebra
- Mô phỏng quỹ tích các phần tử dao động với biên độ cực đại, cực tiểu Biểu diễn vị trí 2 nguồn S1 và S2
Sử dụng chức năng Hyperbola để dựng quỹ tích với hai tiêu điểm S1 và S2
- Mặc định bước sóng có giá trị bằng 2, suy ra đỉnh của hyperbol cách nhau 1,
từ đó ta dựng các hyperbol có đỉnh cách nhau 1
Trang 7- Tương tự ta mô hình được quỹ tích các phần tử dao động với biên độ cực tiểu
là các đường hypebol xen kẽ
- Mô phỏng quỹ tích các phần tử dao động cùng pha hoặc ngược pha với
nguồn
o Sử dụng công cụ Ellipse để mô phỏng quỹ tích
o Hai tiêu điểm của Ellipse tương ứng với hai vị trí nguồn
Trang 82.3.2 Giải quyết khó khăn khi mô phỏng hình dạng quỹ tích các phần tử dao động cùng pha, ngược pha với nguồn, trong trường hợp sóng do 1 nguồn gây ra.
- Biểu diễn vị trí nguồn sóng tại O
- Sử dụng công cụ Circle: Center &
Radius để mô phỏng quỹ tích các phần
tử cùng pha với nguồn
- Mặc định bước sóng có giá trị bằng 1, nên các giá trị bán kính nhận là 1, 2, 3…v.v
Trang 9- Tương tự đối với việc mô phỏng quỹ tích các phần tử ngược pha với nguồn,
ta sử dụng công cụ Circle: Center & Radius với các bán kính lấy giá trị 0.5, 1.5, 2.5,…
- Xuất file hoặc lấy clipboard
Sau khi đã hoàn thành bước 3 thì phần mềm sẽ hiển thị hình ảnh quỹ tích, nếu chỉ để cho học sinh nhìn thấy thì các thầy cô thông qua máy chiếu cho các em xem quan sát trực tiếp, còn nếu các thầy cô cần lấy hình ảnh này vào file word để hoàn thành bài giảng hoặc xây dựng giáo án thì ta làm như sau:
File Export Garphics View as GIF hoặc Clipborad
Ở
đây có rất nhiều dạng xuất ảnh, xuất ra file pdf, xuất ra file up trực tiếp trên các
trang web v.v
Trang 102.3.3 Các ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải quyết bài toán xác định số phần tử sóng dao động cùng pha với nguồn trong đoạn MN cho trước.
Trên mặt nước có một nguồn sóng M, và N là hai vị trí mà phần tử môi
trường tại đó dao động cùng pha với nguồn MO = 4 , NO = 5 , biết OM vuông góc với ON Xác định số phần tử trong đoạn MN dao động cùng pha với nguồn
Hướng dẫn:
- Phương pháp đại số:
o Đường cao hạ từ O đến MN có giá trị:
o Trên đoạn MH, số điểm dao động cùng pha
có phần tử nào
o Trong đoạn, số điểm dao động cùng pha
một phần tử dao động cùng pha
o Kết luận: Có một phần tử cùng pha với nguồn nằm trong khoảng giữa MN
- Phương pháp sử dụng phần mềm để trực quan hóa bài toán
o Sử dụng công cụ Circle: Center & Radius để dựng quỹ tích các điểm cùng pha với nguồn
o Biểu diễn điểm M nằm trên đường tròn bán kính 4
o Sử dụng công cụ perpendicular để dựng đường thẳng vuông góc với ON tại O
o Sử dụng công cụ Intersect để tìm giao điểm N giữa đường thẳng và đường tròn đường kính 5
o Dựa vào hình ảnh ta thấy MN cắt đường tròn 4 tại 1 điểm có 1 phần
tử dao động cùng pha với nguồn trong khoảng giữa MN
Ví dụ 2: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải quyết bài toán xác định độ dài của MN
để trong đoạn MN có k phần tử dao động cùng pha với nguồn.
Trên mặt nước có một nguồn sóng M, và N là hai vị trí mà phần tử môi trường tại đó dao động cùng pha với nguồn MO = 4 , NO = 5 , biết OM vuông góc với
ON Xác định độ dài MN để
a Trong đoạn MN có 2 phần tử dao động cùng pha với nguồn
b Trong đoạn MN có 4 phần tử dao động cùng pha với nguồn
Trang 11a Trong đoạn MN có 2 phần tử dao động cùng pha với nguồn khi MN tiếp tuyến với đường tròn có bán kính 3 Sử dụng công cụ đo khoảng cách giữa hai điểm ta xác định được độ dài MN = 6.64
b Trong đoạn MN có 4 phần tử dao động cùng pha với nguồn khi MN tiếp tuyến với đường tròn có bán kính 2 Sử dụng công cụ đo khoảng cách giữa hai điểm ta xác định được độ dài MN = 8.04
c Trong đoạn MN có 6 phần tử dao động cùng pha với nguồn khi MN tiếp tuyến với đường tròn có bán kính Sử dụng công cụ đo khoảng cách giữa hai điểm ta xác định được độ dài MN = 8.77
Trang 12Ví dụ 3: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải quyết bài toán xác định khoảng cách lớn nhất giữa MN và S 1 S 2 để trên đoạn MN có k phần tử dao động với biên độ cực đại.
Trên mặt nước có hai nguồn đồng bộ S 1 S 2 cách nhau 8cm Sóng trên mặt nước có bước sóng bằng 2cm M và N là hai điểm đối xứng qua đường trung trực của S 1 S 2 Biết MN = 4cm Xác định khoảng cách lớn nhất giữa MN và S 1 S 2 để trên đoạn MN có 3 phần tử dao động với biên độ cực đại.
Hướng dẫn:
o Biểu diễn hai vị trí nguồn S1S2
o Sử dụng công cụ Hyperbola dựng quỹ tích các phần tử cực đại nhận hai nguồn là hai tiêu điểm
o Sử dụng công cụ
để dựng hai điểm MN đối xứng với J, JN = JM = 2cm
Trang 13o Di chuyển điểm J, đoạn thẳng MN sẽ di chuyển theo, và các điểm cắt với các đường cực đại sẽ xuất hiện Ta thấy trên MN có 3 phần tử dao động cực đại và khoảng cách IJ lớn nhất khi M và N thuộc đường cực đại bậc 1
o Sử dụng công cụ đo khoảng cách ta xác định
được độ dài IJ = 6,67cm
Trang 14Ví dụ 4: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ trực quan hóa bài toán xác định số phần tử dao động cực đại trên đường bao quanh S 1 S 2 (đường tròn, đường elip).
Trên mặt nước có hai nguồn đồng bộ S 1 S 2 cách nhau 4 Xác định số phần tử dao động cực đại nằm trên
a Đường tròn đường kính S 1 S 2
b Đường elip nhận S 1 S 2 là hai tiêu điểm
Hướng dẫn:
Tương tự cách dựng quỹ tích ở các ví dụ trước, ta kết hợp sử dụng các công
cụ Circle: Center & Radius; Hyperbola; Ellipse; Intersect để biểu diễn các phần tử cực đại, qua đó xác định được số phần tử cực đại nằm trên các đường bao quanh.
Trang 15Ví dụ 5: Ứng dụng phần mềm hỗ trợ giải quyết bài toán xác định số phần tử dao động cực đại và cùng pha trên đường tròn hoặc trong đường tròn nhận S 1 S 2 làm đường kính.
Trên mặt nước có hai nguồn đồng bộ S 1 S 2 cách nhau 4 Xác định số phần tử dao động cực đại và dao động cùng pha với nguồn:
a Nằm trên đường tròn đường kính S 1 S 2
b Nằm trong đường tròn đường kính S 1 S 2
Hướng dẫn:
- Phương pháp đại số:
a Trên đường tròn đường kính S 1 S 2
M cực đại và cùng pha với nguồn m và n cùng tính chất
Xét trên cung phần tư thứ nhất của đường tròn ta có (2)
Từ (1) và (2) ta thấy không tồn tại k’ nguyên
Kết luận không có phần tử nào trên đường tròn dao động cực đại và cùng pha với nguồn.
b Trong đường tròn đường kính S 1 S 2
M cực đại và cùng pha với nguồn m và n cùng tính chất
M trong đường tròn Xét trên cung phần tư thứ nhất của đường tròn ta có
- Nếu k = 2k’ = 1, 2
- Nếu k = 3k’ = 1, 2 Mặt khác d1+d2>S1S2 k + k’ > 4 chỉ tồn tại 1 cặp giá trị k = 3, k’ =2
Do tính chất đối xứng suy ra trên toàn bộ đường tròn có 4 phần tử dao động cực đại
và cùng pha với nguồn
Trang 16- Phương pháp sử dụng phần mềm:
o Sử dụng các công cụ ở các ví dụ trước ta dựng được quỹ tích các phần
tử dao động cùng pha với nguồn, và các phần dao động với biên độ cực đại Từ hình ảnh thu được, ta xác định được ngay trên đường tròn không có phần tử nào còn trong đường tròn có các giao điểm của đường cực đại bậc 1 và elip lẻ bậc 1 số phần tử thỏa mãn là 4.
4 Hiệu quả của SKKN
Để đánh giá hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm tôi đã tiến hành thực nghiệm
sư phạm ở hai lớp có chất lượng ngang nhau là lớp 12A sĩ số 40 và lớp 12C sĩ số 42 của trường THPT Nga Sơn, trong đó lớp thực nghiệm là lớp 12C và lớp đối chứng
là lớp 12A
Lớp đối chứng 12A tiến hành dạy chuyên đề bài tập bình thường về sóng do một nguồn gây ra, giao thoa sóng cơ và lớp thực nghiệm 12C tiến hành dạy cùng với các cách khắc phục như trình bày ở trên thì khi khảo sát kết quả khi làm bài tập đồ thị của hai lớp như sau
+ Lớp đối chứng 12A, đa phần các em làm bài với hiệu quả còn thấp
+ Lớp thực nghiệm 12C, các em tỏ ra rất tự tin khi giải quyết bài tập sóng do một nguồn gây ra và giao thoa sóng cơ, phản xạ trắc nghiệm nhanh
Kết quả cụ thể của bài khảo sát như sau:
Lớp
Phản xạ nhanh bài toán sóng trên mặt nước do một nguồn
gây ra
Phản xạ nhanh bài toán giao thoa sóng
Tổng số HS
Phản xạ đúng
Phản
xạ sai
Tỉ lệ đúng
Phản xạ đúng
Phản
xạ sai
Tỉ lệ đúng
