Sang kien kinh nghiem rat hay

Khi mỏy tớnh đó trở thành một cụng cụ đắc lực thỡ việcgiải cỏc bài tập cũng như lập trỡnh để mụ phỏng cỏc hiện tượng vật lý sẽ đem lạihiệu quả cao trong dạy học ở cỏc trường đại học, cao

Sở giáo dục và đào tạo thanh hóa

trờng THPT Thạch thành 3



-tên SKKN ứng dụng phần mềm matlap

mô phỏng các hiện tợng vật lí

Họ và tên tác giả: nguyễn tất thành

- Công nghệ

SKKN thuộc môn: Vật lí

SKKN thuộc năm học: 2007 - 2008

A Đặt vấn đề:

I lời Mở đầu

Ngày nay cụng nghệ thụng tin bựng nổ trờn toàn thế giới Việc ứng dụng tinhọc vào mọi lĩnh vực: Kỹ thuật, khoa học, nghệ thuật, văn hoỏ - xó hội trờntoàn cầu là điều tất yếu Trước những phỏt triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuậtđũi hỏi cỏc nhà giỏo dục phải đổi mới khụng những nội dung dạy học mà cũn cả

về phương phỏp dạy học Khi mỏy tớnh đó trở thành một cụng cụ đắc lực thỡ việcgiải cỏc bài tập cũng như lập trỡnh để mụ phỏng cỏc hiện tượng vật lý sẽ đem lạihiệu quả cao trong dạy học ở cỏc trường đại học, cao đẳng, cỏc trường trung họcphổ thụng hay trong nghiờn cứu vật lý

Hiện nay, có nhiều phần mềm đã đợc thiết kế, xây dựngphục vụ trong công việc giáo dục, dạy học Nhng các phần mềmnày thờng cứng nhắc, khó thay đổi đợc nội dung, các thông sốhoặc nếu có thay đổi đợc thì cũng bị giới hạn nên việc sử dụngcác phần mềm này trong dạy học cũng bị hạn chế Vì vậy tôi đãtìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng phần mềm MATLAP để môphỏng các hiện tợng vật lí phục vụ trong công tác giảng dạy

ở đây, tác giả sử dụng Matlab nh một công cụ đắc lực đểmô phỏng và tính toán các bài toán vật lý rất đa dạng, gồmnhiều phần khác nhau của vật lí học nh cơ học, nhiệt học, điệnhọc, quang học, vật lý nguyên tử, hạt nhân, thiên văn học…

ứng dụng phần mềm Matlab để giải cỏc bài toỏn vật lý sẽ trở nờn phổ biếnrộng rói Cựng với việc sử dụng Notebook trong MATLAB tạo ra cỏc giỏo ỏn điện

tử hoàn thiện hơn, phục vụ cụng tỏc dạy - học vật lý

II Thực trạng của vấn đề nghiên cứu:

1 Thực trạng

Qua một năm giảng dạy, tôi thấy học sinh học vật lí khó khăn

do ít đợc thực hành Mặt khác phơng pháp dạy học của giáo viên

vẫn cha đợc chú trọng Vì vậy việc hiểu bản chất các hiện tợngvật lí của học sinh bị hạn chế.

2 Kết quả, hiệu quả của thực trạng trên

Từ thực trạng trên khiến các em khó tiếp thu bài học và càngngại học môn vật lí hơn

Để công việc đạt hiệu quả tốt hơn, tôi đã mạnh dạn cải tiến nội

1 Giới thiệu phần mềm MATLAP

Matlab (MATrix LABoratory) là một bộ chơng trình phầnmềm lớn của công ty MathWork, là ngôn ngữ có tính năng caotrong tính toán khoa học, kỹ thuật Bộ lệnh rất mạnh của Matlabcho phép giải quyết các bài toán với các đối tợng khác nhau là đạilợng vô hớng, vector, các hệ phơng trình tuyến tính, phi tuyến,hay các xâu kí tự… với kết quả nhanh chóng và chính xác.Matlab cho phép xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách linhhoạt, đơn giản và chính xác trong không gian hai chiều cũng nh

ba chiều, giúp ngời sử dụng có thể quan sát kết quả một cáchtrực quan và đa ra giải pháp tốt nhất Đợc tích hợp cùng với một sốngôn ngữ lập trình thông dụng khác nh C, C++, Fortran, Java…làm cho những ứng dụng của Matlab có thể đợc chuyển đổi dễdàng sang những ngôn ngữ đó

Matlab đã và đang đợc sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực

từ các lĩnh vực kỹ thuật chuyên ngành nh điện, điện tử, điềukhiển tự động cho đến các ngành xử lí toán chuyên dụng nhthống kê, kế toán ở nhiều nớc trên toàn thế giới

- C¸c phÐp to¸n b×nh thêng cã thÓ thùc hiÖn ngay ë cöa sæ

chÝnh vµ kÕt qu¶ sÏ hiÖn ë dßng díi sau phÐp tÝnh

Cöa

sæ chÝnh

HiÖn kÕt qu¶

Cöa sæ lËp tr×nh, l u v¨n b¶n

H×nh

¶nh m«

pháng

- Nếu muốn lu nội dung phép toán (hay một chơng trình)thì làm trong cửa sổ lập trình Nó sẽ đợc lu lại ở dạng m-file Nộidung file có thể chỉnh sửa tùy ý.

- Các hình vẽ, mô phỏng sẽ đợc hiện ra ở cửa sổ hình(Figure)

MATLAB có thể mô tả trong không gian hai hoặc ba chiều ởcửa sổ hình có thể phóng to, thu nhỏ hình ảnh, có thể tạmdừng hình, xoay hình ảnh dới các góc nhìn khác nhau và có thểchuyển hình ảnh sang các dạng ảnh có đuôi thông thờng nh-: gif, bitmap, JPEG …

plot3(x,y,z, ‘k’)

vẽ đồ thị 3 chiều với x, y và z là các mảng số, ‘k’ là kiểu màu, kiểu đ- ờng nét.

trục tọa độ

lần lợt là st1, st2,

c) Các lệnh điều khiển và các phép toán:

While <đk>

<lệnh>

end

Vòng lặp với bớc không xác định Máy thực hiện lệnh <lệnh> khi nào điều kiện

<đk> còn đúng và thoát khỏi khi <đk> sai

II Các giải pháp để tổ chức thực hiện

1 Mô phỏng hiện tợng cơ học

Bài: Chuyển động của vật bị nộm

VD1: Từ một đỉnh thỏp cao H người ta nộm một hũn đỏ xuống đất với vận tốc v theo phương hợp với mặt phẳng ngang một gúc α Với α = 0, 30˚, 45˚, 60˚, 90˚.

Bỏ qua sức cản của khụng khớ.

Nhập độ cao H = 30m, v = 10 m/s (với H và v khụng bị giới hạn)

Ta được đồ thị như hỡnh vẽ:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

5 10 15 20 25

a Vẽ đồ thị x, y, v x , v y theo thời gian và quỹ đạo của vật từ khi ném đến khi chạm đất.

b Nếu không có ma sát thì vật sẽ đi xa hơn bao nhiêu?

c Vẽ quỹ đạo của vật khi có ma sát và khi không có ma sát trên cùng một hình?

d Xác định thời điểm và vị trí khi vật đạt tới độ cao cực đại

5 10 15 20

t y1(t)

0 5 10

t

vy1(t)

0 10 20 0

10 20

x

Quy dao khi co ma sat

của vật từ khi ném đến khi chạm đất.

Quỹ đạo của vật khi có ma sát và khi không có ma sát.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0

2 4 6 8 10 12 14

16 quy dao cua qua bong tu khi nem den khi cham dat

VD3: Ném một quả bóng có khối lượng 0.1kg ở độ cao 10m với vận tốc ban đầu 25m/s, góc ném nghiêng với phương nằm ngang một góc bằng 30° theo phương vuông góc với một bức tường cao thẳng đứng, cách vị trí ném 15m Biết rằng lực

ma sát tỉ lệ với vận tốc, hệ số tỉ lệ bằng 0.1 kg/s và gia tốc trường hấp dẫn bằng 9.8m/s 2 , quả bóng va chạm đàn hồi với tường

a Xác định thời điểm quả bóng khi chạm tường?

b Xác định độ cao của quả bóng khi chạm tường?

c Góc nảy của quả bóng khi chạm tường?

d Xác định thời điểm quả bóng chạm đất

e Khi chạm đất, quả bóng cách tường một khoảng bằng bao nhiêu?

f Tính và vẽ quỹ đạo của quả bóng từ khi ném tới khi chạm đất?

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

va cham mem m1=1;m2=2;v2=0;v1=25; cham mau vang tren do thi la diem va cham

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.8 Dao dong dieu hoa

Ep(t) Et(t)

Bài: Hệ dao động

VD1: Xột dao động điều hoà của một con lắc lũ xo với hệ số đàn hồi k=1.5, khối lượng m=1kg Từ vị trớ ban đầu của con lắc là x 0 = 1cm, ta thả cho con lắc dao động Hóy:

a Biểu diễn đồ thị của toạ độ và vận tốc của con lắc theo thời gian

b Biểu diễn đồ thị của động năng, thế năng và năng lượng theo thời gian

c Biểu diễn mặt phẳng năng lượng

d Biểu diễn đường đẳng trị năng lượng trờn mặt phẳng pha

VD2: Cho một hệ 100 dao động tử tuyến tớnh là những hạt cú khối lượng bằng nhau m=1, gắn với nhau bằng cỏc lũ xo cú hệ số đàn hồi bằng nhau k=10, khoảng cỏch giữa cỏc hạt a=1, cỏc dao động tử chịu tỏc dụng của lực ma sỏt tỷ lệ với vận tốc của hạt với

hệ số tỉ lệ γ=0.1 Tại t=0 cỏc hạt đứng yờn x i (0)=0, v i (0)=0 Ngoại lực tỏc dụng lờn hạt thứ nhất bằng F c =b cos(w e t), với b=0.5, w e =1.

a Tớnh và vẽ ly độ của cỏc dao động tử thứ 1, 45, 80, 100 theo thời gian

b Tớnh và vẽ vận tốc của cỏc dao động tử thứ 1, 45, 80, 100 theo thời gian

c Tớnh và vẽ ly độ của hệ dao động tử khi t=10, 40, 80, 100

d Tớnh và vẽ vận tốc của hệ dao động tử khi t=10, 40, 80, 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.1

0 0.1 do thi van toc cua he dao dong tu khi t=10s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.05

0 0.05 do thi van toc cua he dao dong tu khi t=40s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.05

0 0.05 do thi van toc cua he dao dong tu khi t=80s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.05

0 0.05 do thi van toc cua he dao dong tu khi t=100s

Et1(t) Ed1(t) E1(t)

0 5 10

Et2(t) Ed2(t) E2(t)

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 -0.5

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Bài: Cho con lắc có độ dài l dao động

Dao dong tat dan

Hành tinh chuyển động dưới tỏc dụng Hệ sao kộp chỉ hấp dẫn lẫn nhau của lực hấp dẫn giữa mặt trời và hành tinh

2 Mô phỏng hiện tợng nhiệt

B

à i: Tính toán áp suất và nhiệt độ của hệ động học phân tử và

biểu diễn các đại lợng trên đồ thị theo thời gian.

Kết quả ta thu đợc nh sau:

B

ài: Biểu diễn số hạt trong hộp lúc ban đầu và sau khi hệ tiến tới

trạng thái cân bằng Vẽ đồ thị biểu diễn số hạt ở nửa trái của hộp theo thời gian.

Kết quả ta thu đợc là:

Ban đầu các hạt đợc phân bố Sau một khoảng thời gian hệ tiến tới cân bằng,

ở về phía bên trái của hộp số hạt ở nửa trái sẽ ổn định.

Kiểm tra tính xác suất giữa lí thuyết theo phân bố

Maxcell_Boltmann:

(v) =

Bµi: §êng søc cña hÖ c¸c ®iÖn tÝch ®iÓm

-4 -3.75 -3.5-3.25-3 -2.75 -2.5 -2.25 -2

-1.75

-1.5 -1.25

-1 -0.75

-0.5

-0.25

0

0.25 0.5

0.75 1

1.25 1.5

1.75 2 2.25 2.5 2.75

3.5 3.75 4

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-3

-3 -2.5

-2.5 -2

-2 -1.5

-2.5 -2

-2 -1.5

-1.5 -1

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

H×nh biểu diễn hệ gồm ba điện tích

điểm đặt trên cùng một đường thẳng Cho

điện tích thứ nhất có điện tích –q ở vị trí

z=d/2 và điện tích thứ hai có điện tích –q

ở vị trí z= -d/2 Điện tích thứ ba ở gốc toạ

độ và có điện tích 2q

H×nh biểu diễn hệ gồm 3 điện tích điểm

đặt ở ba đỉnh của một tam giác Cho điện tích thứ nhất có điện tích là –q ở toạ độ ( d/2, 0, -d/2); điện tích thứ hai có điện tích

là –q ở toạ độ (-d/2, 0, -d/2); Điện tích thứ

ba ở gốc toạ độ và có điện tích là 2q

H×nh biểu diễn hệ gồm bốn điện tích điểm đặt ở bốn đỉnh của một hình vuông Cho hai điện tích âm –q ở toạ độ (d/2, 0, - d/2) và (-d/2, 0 ,0 d/2), còn hai điện tích dương q ở toạ độ (d/2, 0, d/2) và (-d/2, 0, -d/2).

Mặt đẳng thế và điện trường của hai điện

tích điểm: Điện tích âm biểu thị bằng

màu xanh ở vị trí (-.5,0), điện tích dương

biểu thị bằng màu đỏ ở vị trí (.5,0)

Bµi: Xác định điện trường vµ ®iÖn thÕ tại những điểm bên trong(r<R) và

ngoài (r>R) quả cầu Biểu diễn bằng đồ thị kết quả đó.

Bµi: Trường điện sinh bởi một điện tích chuyển động đều.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -20

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

X-axis

Bài

: Thế từ vectơ của sợi dây thẳng dài

Khảo sát một sợi dây dẫn có chiều dài 2L, dòng i 0 chạy qua.

a) Xác định thế từ véctơ dọc theo đường thẳng đi qua tâm của đường dây dẫn Giả sử L đủ dài sao cho có thể bỏ qua hiệu ứng của các đầu dây.

b) Vẽ trường véctơ B do dây dài vô cùng trong trường hợp hai và ba chiều.

-1 -0.5 0 0.5 1 -1 -0.5 0 0.5 1

0.5 1 1.5 2 2.5

y x

Bài : Khảo sỏt một hạt tớch điện chuyển động trong từ trường đều khụng đổi và

điện trường biến đổi theo thời gian Cho điện trường hướng dọc theo trục x và cú dạng E x = E 0 cos( ) Từ trường B khụng đổi và hướng dọc theo trục z, Tại thời điểm t = 0 hạt đứng yờn tại gốc toạ độ.

4 Mô phỏng hiện tợng quang học:

Bài : Sự khúc xạ qua một hoặc hai lớp bản mỏng.

Bài : Vật sáng AB đợc đặt song song với màn và cách màn một

khoảng cố định L Một thấu kính hội tụ có trục chính qua điểm

A và vuông góc với màn đợc di chuyển giữa vật và màn Mô

Bài : Mô phỏng sự lan truyền của sóng điện từ.

Bài : Một nguồn sáng đơn sắc phát ra ánh sáng có bớc sóng  = 0,6 m Chiếu ánh sáng trên vào hai khe hở hẹp song song cách nhau a = 1mm và cách đều nguồn sáng Trên một màn ảnh đặt song song và cách mặt phẳng chứa hai khe một đoạn D = 1m,

ta thu đợc một hệ thống vân giao thoa Mô phỏng hình ảnh giao thoa.

Bài : Mô phỏng hình giao thoa nếu số khe là 2; 3; 4 hoặc

5 biết khoảng cách các tia bằng 10 lần bớc sóng.

Khảo sát hệ vân khi khoảng cách a giữa hai khe thay đổi a

= 1; 2; 3; 4 mm.

Phổ cờng độ các vân giao

thoa qua hai khe hở hẹp

song song.

Bài : Mô phỏng hệ vân nhiễu xạ đặt trớc lỗ tròn truyền sáng bán kính r.

Bài : Mô phỏng hệ vân nhiễu xạ với số khe N = [1, 2, 3, 5]

Bài : Vẽ đồ thị năng lợng bức xạ theo công thức Planck

Planck coi lợng tử năng lợng ứng với tần số  và có trị số bằng h.

Công thức này đợc nghiệm đúng với mức chính xác cao ở mọi nhiệt

độ thực nghiệm và mọi bớc sóng đo đợc.

Vẽ đồ thị năng lợng bức xạ với T = 300K; 400K; 500K

5 Ngoµi ra trong bµi gi¶ng ®iÖn tö cßn cã thÓ sö dông

1 KÕt qu¶ nghiªn cøu (TÝnh hiÖu qu¶ so víi kÕt qu¶ cò)

+ Tríc khi ¸p dông ph¬ng ph¸p míi:

Học sinh hiểu bài, hiểu bản

+ Sau khi áp dụng phơng pháp mới:

Học sinh hiểu bài, hiểu bản

Với cụng cụ Matlab, chỳng ta khụng chỉ thu được cỏc kết quả nhanh chúng vàchớnh xỏc, mà cũn cú thể vẽ dễ dàng cỏc đồ thị và hỡnh ảnh chuyển động của cỏcvật một cỏch trực quan, sinh động, trong khi việc vẽ cỏc đồ thị bằng tay tốn rấtnhiều cụng sức và thời gian

Với đề tài này, chỳng ta cú thể phỏt triển để Matlab để tạo nờn một cụng cụ choviệc giảng dạy và học tập vật lý của học sinh

2 Kiến nghị, đề xuất

Mỏy múc chỉ là phương tiện giỳp cho bài giảng hay hơn, sinh động hơn song

nú khụng là tất cả Hiệu quả tiết học vẫn tập trung vào vai trũ của người thầy.Người thầy khụng chỉ là người truyền thụ kiến thức mà cũn phải biết cỏch dẫn dắt

HS tham gia tớch cực bài giảng như thế nào và kết quả là phải xem HS lĩnh hộiđược tri thức bao nhiờu Để ỏp dụng được vào việc soạn giảng bằng giỏo ỏn điện

tử thỡ đũi hỏi phải cú đốn chiếu Projecter, mỏy vi tớnh, ỏp dụng đồng loạt thỡ mỗilớp học cũng đều phải được trang bị

Để ứng dụng phương phỏp giảng dạy mới này đạt hiệu quả đớch thực thỡ nờn

ỏp dụng dần dần từ cấp học nhỏ đến lớn Điều đú sẽ giỳp cỏc em cú thể tiệm cậnđược phương phỏp giảng dạy mới, đồng thời cỏc GV nờn cú phiếu học tập phỏtcho cỏc em HS để hệ thống lại bài học