Sử Dụng Phương Pháp Graph Hướng Dẫn Học Sinh Giải Bài Tập Phần Giao Thoa Sóng Cơ, Vật Lí Lớp 12 Nâng Cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC HÀ THỊ MINH PHƯỢNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GRAPH HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA SÓNG CƠ, VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO LUẬN VĂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

HÀ THỊ MINH PHƯỢNG

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GRAPH HƯỚNG DẪN HỌC SINH

GIẢI BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA SÓNG CƠ,

VẬT LÍ LỚP 12 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành:

LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC (BỘ MÔN

VẬT LÝ)

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM KIM CHUNG

HÀ NỘI – 2012

v

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn……… i

Danh mục viết tắt……… ii

Danh mục bảng biểu……… iii

Danh mục sơ đồ, hình vẽ……… iv

Mục lục……… v

MỞ ĐẦU……… 1

Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU………

5 1.1 Bài tập vật lí và vai trò trong dạy học vật lí ……… 5

1.1.1 Bài tập vật lí ……… 5

1.1.2 Phân loại bài tập vật lí ……… 6

1.2 Phương pháp giải bài tập vật lí ……… 8

1.2.1 Các bước giải bài tập vật lí……… 8

1.2.2 Xây dựng lập luận trong giải bài tập tính toán ……… 10

1.3 Phương pháp Graph trong dạy học vật lí ……… 13

1.3.1 Graph……… 13

1.3.2 Phân loại Graph……… 14

1.3.3 Các bước lập graph giải bài tập vật lí……… 16

1.3.4 Giải bài tập vật lí bằng Graph……… 17

1.4 Một số nguyên tắc sử dụng graph trong DH vật lí ở trường THPT 20 1.5 Thực trạng việc sử dụng phương pháp Graph trong dạy học vật lí 21 1.5.1 Mục đích điều tra tìm hiểu……… 21

1.5.2 Nội dung tìm hiểu……… 21

1.5.3 Phương pháp điều tra tìm hiểu……… 22

1.5.4 Kết quả điều tra tìm hiểu……… 22

1.5.5 Nhận xét chung……… 26

1.6 Kết luận chương 1……… 27

vi

Chương 2: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GRAPH HƯỚNG DẪN

HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA SÓNG CƠ VẬT

LÍ LỚP 12 NÂNG CAO ……… 29

2.1 Yêu cầu về kiến thức, kỹ năng ……… 29

2.1.1 Yêu cầu về kiến thức ……… 29

2.1.2 Yêu cầu về kỹ năng ……… 30

2.2 Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí bằng Graph……… 31

2.3 Xây dựng hệ thống bài tập và Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ……… 33

2.3.1 Kiến thức, kĩ năng cần thiết để giải bài tập chương Sóng cơ… 33

2.3.2 Các dạng bài tập và phương pháp giải các dạng bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí 12 nâng cao……… 41

2.4 Xây dựng tiến trình dạy học giải bài tập vật lí bằng Graph……… 54

2.5 Kết luận chương 2……… 57

Chương 3: THỰC NGHIỆP SƯ PHẠM……… 59

3.1 Mục đích, nhiệm vụ, đối tượng thực nghiệm sư phạm……… 59

3.1.1 Mục đích của thực nghiệm……… 59

3.1.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm……… 59

3.1.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm……… 59

3.2 Cách thức tiến hành thực nghiệm sư phạm ……… 60

3.3 Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ……… 61

3.3.1 Phân tích định tính diễn biến các giờ học trong quá trình TNSP 61

3.3.2 Phân tích bài kiểm tra……… 65

3.3.3 Hiệu quả của phương pháp Graph đối với việc hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí……… 69

3.4 Kết luận chương 3……… 70

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ……… 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 74

PHỤ LỤC……… 76

Phương pháp Graph giúp xây dựng lôgíc tiến trình giải bài tập với tốc

độ nhanh, hiệu quả Trong chương trình vật lí lớp 12 nâng cao, chương “Sóng cơ” có vai trò quan trọng trong việc tạo nền tảng kiến thức về các hiện tượng vật lí có bản chất sóng, việc dạy và học phần này hiệu quả, sẽ giúp cho học sinh học các phần sau hiệu quả hơn

Từ những lí do trên tôi chọn đề tài “Sử dụng phương pháp Graph

hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Sử dụng phương pháp Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao nhằm nâng cao kĩ năng giải bài tập cho học sinh

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông hiện hành, các dạng bài tập vật lí phần giao thoa sóng cơ Hệ thống hoá các dạng bài tập và phương pháp giải các bài tập phần này

- Vận dụng phương pháp Graph để xây dựng các dạng Graph giúp học sinh giải các bài tập hiệu quả

- Xây dựng tiến trình dạy học hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí bằng Graph

- Thực nghiệm sư phạm

2

4 Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng phương pháp Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao

5 Giả thuyết nghiên cứu

Sử dụng phương pháp Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao sẽ giúp học sinh tích cực, chủ động trong việc hệ thống hóa kiến thức và nâng cao hiệu quả của quá trình giải bài tập

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Nghiên cứu lí luận

- Nghiên cứu cơ sở lí luận để làm sáng tỏ vai trò của phương pháp Graph trong dạy học vật lí

- Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông hiện hành, nội dung sách giáo khoa cơ bản và nâng cao, các giáo trình, tài liệu hướng dẫn về phần giao thoa sóng cơ và những tài liệu tham khảo có liên quan để xác định mức độ nội

dung kiến thức và yêu cầu HS cần nắm vững

6.2 Nghiên cứu thực tiễn

- Điều tra thực tiễn việc sử dụng phương pháp Graph trong quá trình dạy của giáo viên và học của học sinh khi giải bài tập, phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao tại trường trung học phổ thông

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, khuyến nghị, tài liệu tham khảo, phụ lục, luận văn được trình bày trong 3 chương:

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

Chương 2: Sử dụng phương pháp Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Bài tập vật lí là những bài luyện tập được lựa chọn một cách phù hợp với mục đích, hình thành các kiển thức, phát triển tư duy vật lí và rèn luyện

kỹ năng vận dụng kiến thức của học sinh vào thực tiễn

1.1.2 Phân loại bài tập vật lí

Các loại bài tập vật lí như sau:

- Bài tập định tính

- Bài tập tính toán

- Bài tập thí nghiệm

- Bài tập đồ thị

1.2 Phương pháp giải bài tập vật lí

1.2.1 Các bước giải bài tập vật lí

Những bước giải bài tập như sau:

+ Tìm hiểu đầu bài

+ Phân tích hiện tượng

+ Xây dựng lập luận

+ Biện luận

1.2.2 Xây dựng lập luận trong giải bài tập tính toán

Trong phạm vi đề tài luận văn, ta xét đến phương pháp xây dựng lập luận giải bài tập tính toán Có hai phương pháp xây dựng lập luận: phương pháp phân tích và phương pháp tổng hợp

1.3.2 Phân loại Graph

1.3.2.1.Graph vô hướng

Graph vô hướng G = (V, E) gồm tập V ≠ Ø mà các phần tử của nó gọi

là các đỉnh và một tập E mà các phần tử của nó gọ i là các cạnh

1.3.2.2 Graph có hướng

Graph có hướng G = (V, E) gồm tập V ≠ Ø mà các phần tử gọi là các đỉnh và một tập E mà các phần tử của nó gọ i là các cạnh, đó là các cặp sắp thứ tự của các phần tử thuộc V

1.3.3 Các bước lập graph giải bài tập vật lí

* Bước 1: Xác định các đỉnh của graph

* Bước 2: Thiết lập các cung

* Bước 3: Hoàn thiện graph (bố trí các đỉnh và các cung)

1.3.4 Giải bài tập vật lí bằng Graph

Quy ước: Cái đã cho – kí hiệu chữ hoa: A,B,C ) và cái phải tìm (X), thông qua các cái chưa biết (chữ thường: a,b,c)

Hai dạng Graph vô hướng và Graph có hướng, cụ thể như sau:

+ Mô hình hóa giải bài tập vật lí bằng Graph vô hướng:

* Bước 1: Xác định các đỉnh của graph

Tóm tắt, phân tích đầu bài toán, xác định các đại lượng đã cho và đại lượng cần tìm Đặt vào các đỉnh

* Bước 2: Thiết lập các cung

Dựa vào các mối quan hệ giữa các đỉnh của gra ph, nối chúng lại để diễn tả mối liên hệ giữa các đỉnh

* Bước 3: Hoàn thiện graph

5

Xếp các đỉnh theo 1 lôgíc khoa học

Sơ đồ 1.1 Mô hình hóa giải bài tập vật lí bằng Graph vô hướng

+ Mô hình hóa giải bài tập vật lí bằng Graph có hướng

Graph có hướng cho thấy các bước giải cụ thể

Sơ đồ 1.2 Mô hình hóa giải bài tập vật lí bằng Graph có hướng 1.4 Một số nguyên tắc sử dụng graph trong DHVL

- Tránh tính hình thức trong việc lập và sử dụng grap h

- Tránh lạm dụng graph

1.5 Thực trạng việc sử dụng phương pháp Graph trong DHVL

1.5.1 Mục đích điều tra tìm hiểu

Tìm hiểu tình hình dạy và học bài tập vật lí phần giao thoa sóng cơ học, vật lí lớp 12 nâng cao ở trường THPT Thái Phiên thành phố Hải Phòng làm

cơ sở thực hiện đề tài

6

1.5.2 Nội dung tìm hiểu

- Thực trạng trang thiết bị phục vụ bộ môn vật lí và phong trào chung của nhà trường

- Tình hình dạy của giáo viên

- Tình hình học tập của học sinh

- Tìm hiểu thực trạng của việc ứng dụng Graph vào dạy học bài tập vật lí

1.5.3 Phương pháp điều tra tìm hiểu

- Gặp gỡ lãnh đạo nhà trường, trao đổi

- Dự giờ, gặp và trao đổi với tổ trưởng bộ môn và giáo viên bộ môn

- Nghiên cứu giáo án của các giáo viên trong tổ khi dạy về giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao

- Trao đổi trực tiếp với học sinh lớp 12 của trường

- Nghiên cứu vở bài tập của học sinh về phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao

- Dự giờ, quan sát học sinh học trên lớp khi học về phương pháp giải bài tập phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao

1.5.4 Kết quả điều tra tìm hiểu

Về hoạt động dạy của giáo viên, qua tìm hiểu cho thấy: sự tiếp thu kiến thức phần giao thoa sóng cơ, vật lí lớp 12 nâng cao của học sinh chỉ ở mức ghi nhớ máy móc, chưa nắm vững được các khái niệm cơ bản trong phần này; vận dụng một cách khó khăn các trường hợp tương tự khi đã có sự thay đổi

1.6 Kết luận chương 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 đòi hỏi những suy luận lôgíc, những phép toán và thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và các phương pháp vật lí Việc giải bài tập đòi 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 lôgíc của qui trình triển

7

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 mô hình hoá các đối tượng nghiên cứu và mã hoá các đối tượng đó bằng một loại “ngôn 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

vô 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 Phòng, 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

8

CHƯƠNG 2

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP GRAPH HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP PHẦN GIAO THOA SÓNG CƠ VẬT LÍ LỚP 12 NC 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, đề tài xác định yêu cầu về kiến thức cơ bản để học sinh giải tốt các bài tập vật lí phần này

2.1.2 Yêu cầu về kỹ năng

Nghiên cứu các dạng bài tập phần này, đề tài xác định yêu cầu về kĩ năng để học sinh giải tốt các bài tập vật lí

2.2 Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí bằng Graph

Chúng tôi xây dựng quy trình hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí gồm 4 bước như sau:

* Bước 1 Phân tích bài toán, xây dựng graph vô hướng định hướng tìm lời giải

* Bước 2 Thiết lập các phương trình, xây dựng Graph có hướng xác định các bước giải

* Bước 3 Giải bài toán theo các bước đã lập

* Bước 4 Trình bày lời giải

Căn cứ vào Graph có hướng và kết quả tính toán để giải bài toán

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 Tìm tốc độ truyền sóng

* Bước 1 Phân tích bài toán, xây dựng graph vô hướng định hướng tìm lời giải

Tóm tắt đầu bài:

f=10Hz, d 1 =16cm, d 2 =10cm

C(M,d) -> k =2

v = ?

9

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 hướng để phân tích bài toán

* 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 hướng xác định bước giải bài toán

* Bước 3 Giải bài toán theo các bước đã lập

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 trung trực S1S2 và M có k cực đại , suy ra n = k +1

f d1

E1

E2 G1

10

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 hướng 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 môn Vật lí lớp 12 trung học phổ thông (nâng cao),

những kiến thức, kĩ năng cơ bản phần sóng cơ như sau:

1 Xác định bước sóng

2 Thiết lập phương trình sóng

3 Xác định độ lệch pha giữa 2 điểm cách nguồn một khoảng x 1 , x 2

4 Xác định điều kiện và các đặc điểm giao thoa sóng:

a Xác định điều kiện giao thoa

b Xác định phương trình sóng tại một điểm

5 Xác định điều kiện và các đặc điểm giao thoa sóng trên dây – hiện tượng

sóng dừng

a.Xác định điều kiện để có sóng dừng và đặc điểm sóng dừng

b Thiết lập phương trình sóng dừng trên sợi dây

6 Xác định các đặc điểm của sóng âm

a Xác định cường độ âm

b Xác định mức cường độ âm

c Xác định tần số âm được phát ra bởi nhạc cụ

2.3.2 Các dạng bài tập và phương pháp giải các dạng bài tập phần giao

thoa sóng cơ, vật lí 12 nâng cao

Trên cơ sở phân tích trên, đề tài soạn hệ thống bài tập theo các dạng đã

xác định và xây dựng các graph để hướng dẫn giải bài tập

Ví dụ đối với dạng “Viết phương trình sóng tại M cách S1, S2 lần lượt là

d1, d2”, bài tập và graph cũng như lời giải như sau:

11

Bài 1: Trên mặt nước có hai nguồn kết hợp S1,S2 cách nhau 12 cm dao động với phương trình u = 2.cos80πt cm Viết phương trình sóng tại M cách S1,S2lần lượt là 10cm và 6 cm, biết tốc độ truyền sóng trên mặt nước v = 0,8 m/s

* Bước 1 Phân tích bài toán, xây dựng graph vô hướng

d=12cm, u = 2.cos80πt cm

M: d1=10, d2=6cm, v = 0,8 m/s

uM = ?

Sơ đồ 2.3 Graph vô hướng bài toán 1

* Bước 2 Xây dựng Graph có hướng

Sơ đồ 2.4 Graph có hướng bài toán 1

* Bước 3 Giải bài toán

E2: u M = 2a.cos d.cos( t (d1 d2))

* Bước 4 Trình bày lời giải

Ta có công thức: uM = 2a.cos d.cos( t (d1 d2))

2.4 Xây dựng tiến trình dạy học giải bài tập vật lí bằng Graph

Dựa trên tư tưởng “bài toán con đường ngắn nhất” của lý thuyết graph

trong dạy học, nhằm thực hiện bài toán theo hướng tối ưu hoá, tức là xác định

các phương án khác nhau để triển khai bài học Phát huy trí tưởng tượng

không gian; biết quy lạ về quen; rèn luyện tư duy lôgic cho học sinh Sử dụng

Graph hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí có tổ chức cho học sinh sử dụng

cả ở trên lớp và tự học ở nhà:

- Ở trên lớp, thực hiện các hoạt động dưới sự tổ chức của giáo viên để tự lập

được graph nội dung (hệ thống hoá khái niệm), qua đó hiểu bản chất vấn đề,

chiếm lĩnh tri thức nội dung học tập

- Ở nhà, học sinh tự học bằng graph để ghi nhớ nội dung bài học và có thể

vận dụng linh hoạt trong các trường hợp cần thiết

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 bài tập vật lí nói chung, chúng

tôi xây dựng tiến trình hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí gồm các hoạt

động như sau:

* Hoạt động 1: Ôn tập (kiểm tra bài cũ)

Trong hoạt động này, giáo viên hướng dẫn học sinh ôn lại các kiến thức

liên quan đến các dạng bài tập Giáo viên có thể sử dụng Graph để hệ thống

hóa các kiến thức liên quan

* Hoạt động 2: Giao bài tập

Giáo viên nêu đề bài và hướng dẫn học sinh tìm hiểu đề bài, phân tích

hiện tượng Trong hoạt động này giáo viên nêu đề bài còn học sinh tự suy