Xây dựng hệ thống bài tập và hướng dẫn hoạt động giải bài tập giao thoa sóng chương “sóng cơ học” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi môn vật lí THPT

Hệ thống bài tập và hướng dẫn hoạt động giải bài tập giao thoa sóng chương “Sóng cơ học” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí 12 THPT.... Nhằm mụcđích phục vụ cho việc giảng dạy của GV và

MỤC LỤC

1 MỞ ĐẦU 2

- Lí do chọn đề tài 2

2 NỘI DUNG 3

2.1 Cơ sở lý luận về dạy giải bài tập Vật lí trung học phổ thông 3

2.1.1 Khái niệm về bài tập Vật lí 3

2.1.2 Vai trò, tác dụng của bài tập Vật lí 3

2.1.3 Tư duy trong giải bài tập Vật lí

3 2.1.4 Phương pháp giải bài tập Vật lí

3 2.1.5 Hướng dẫn học sinh giải bài tập Vật lí 4

2.1.6 Vai trò của hệ thống bài tập Vật lí

4 2.2 Thực trạng hoạt động bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí tại trường THPT Thạch Thành I 5

2.3 Hệ thống bài tập và hướng dẫn hoạt động giải bài tập giao thoa sóng chương “Sóng cơ học” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí 12 THPT 5

2.4 Hiệu quả việc thực hiện sáng kiến kinh nghiệm 18

3 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 19

3.1 Kết luận 19

3.2 Kiến nghị 19

1 MỞ ĐẦU

- Lí do chọn đề tài

Đào tạo học sinh giỏi ở bậc Trung học Phổ thông (THPT) là một quá trìnhmang tính khoa học đòi hỏi phải có chiến lược lâu dài và có phương pháp phùhợp Đây là nhiệm vụ quan trọng của tất cả các trường THPT đòi hỏi nhà trườngphải quan tâm sát sao đến việc đầu tư chuyên môn nhằm phát hiện và bồi dưỡngnăng lực, kĩ năng tư duy cho học sinh Bài tập Vật lí không những có tác dụngrèn luyện kỹ năng vận dụng, đào sâu và mở rộng kiến thức đã học một cách sinhđộng, phong phú; mà thông qua việc giải bài tập học sinh được ôn tập, rèn luyệnmột số kỹ năng cần thiết về Vật lí, rèn luyện tính tích cực, tự lực, trí thông minhsáng tạo Cũng thông qua bài tập Vật lí giáo viên kiểm tra, đánh giá việc nắmvững kiến thức và kĩ năng vận dụng kiến thức Vật lí của học sinh

Thời gian gần đây, dạng bài toán về giao thoa song trong chương “Sóng

cơ học” thường được chọn đưa vào các đề thi đại học, thi học sinh giỏi các cấp,thu hút sự quan tâm của đội ngũ giáo viên và sự chú ý của học sinh Nhằm mụcđích phục vụ cho việc giảng dạy của GV và nghiên cứu của học sinh trong các

kì thi ĐH và thi HSG các cấp, tôi mạnh dạn đưa ra sáng kiến kinh nghiệm với đề

tài " Xây dựng hệ thống bài tập và hướng dẫn hoạt động giải bài tập giao thoa sóng - chương “Sóng cơ học” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lí THPT" nhằm góp phần nâng cao chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi, nâng caochất lượng giảng dạy Vật lí ở THPT hiện nay

- Mục đích nghiên cứu

Xây dựng hệ thống bài tập và phương pháp hướng dẫn hoạt động giải bàitập giao thoa sóng chương“ Sóng cơ học” vật lí 12 THPT nhằm bồi dưỡng họcsinh giỏi Vật lí

- Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp nghiên cứu lý luận

Nghiên cứu cơ sở lí luận để làm sáng tỏ vai trò của việc xây dựng hệthống và hướng dẫn giải bài tập về giao thoa sóng - chương “Sóng cơ học” vật lí

12 THPT

Nghiên cứu chương trình Vật lí phổ thông, nội dung sách giáo khoa Vật lí

12 nâng cao và những tài liệu tham khảo có liên quan để xác định mức độ, nộidung và yêu cầu về kiến thức, kĩ năng giải bài tập

Lựa chọn các dạng bài tập trong sách giáo khoa, sách bài tập, sách thamkhảo phù hợp với nội dung, kiến thức của chương

+ Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

Điều tra việc thực tiễn công tác bồi dưỡng HSG của học sinh THPTThạch Thành I những ưu điểm và nhược điểm từ đó đưa ra những phương pháp

cụ thể

Tập hợp và nghiên cứu nội dung sách giáo khoa Vật lý lớp 12 nâng cao,các đề thi HSG, đề thi vào đại học và cao đẳng, các tài liệu tham khảo khác đểtuyển chọn và xây dựng hệ thống bài tập

2 NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý luận về dạy giải bài tập Vật lí trung học phổ thông

2.1.1 Khái niệm về bài tập Vật lí

Bài tập Vật lí được hiểu một vấn đề đặt ra đòi hỏi phải giải quyết nhờnhững suy luận logic, những phép toán và thí nghiệm dựa trên cơ sở các địnhluật, các thuyết Vật lí

2.1.2 Vai trò, tác dụng của bài tập Vật lí

- Bài tập Vật lí có thể được sử dụng như là phương tiện nghiện cứu tài liệu mới khi trang bị kiến thức cho học sinh nhằm đảm bảo cho học sinh lĩnh hội được kiến thức một cách sâu sắc và vững chắc

- Bài tập Vật lí là một phương tiện để học sinh rèn luyện khả năng vận dụng kiến thức, liên hệ lí thuyết với thực tế, học tập với đời sống.

- Bài tập Vật lí là một phương tiện có tầm quan trọng đặc biệt trong việc rèn luyện tư duy, bồi dưỡng phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh

- Bài tập Vật lí là một phương tiện ôn tập, củng cố kiến thức đã học một cách sinh động và có hiệu quả.

- Thông qua việc giải bài tập Vật lí có thể rèn luyện cho học sinh những đức tính tốt như tinh thần tự lập, tính cẩn thận, tính kiên trì, tinh thần vượt khó.

- Bài tập Vật lí là một phương tiện để kiểm tra đánh giá kiến thức, kĩ năng của học sinh một cách chính xác.

2.1.3 Tư duy trong giải bài tập Vật lí

Quá trình giải bài tập Vật lí là quá trình tìm hiểu điều kiện của bài tập,xem xét hiện tượng Vật lí được đề cập và dựa trên kiến thức Vật lí để đưa tớimối liên hệ có thể có của những cái đã cho và cái phải tìm, sao cho có thể thấyđược cái phải tìm có mối liên hệ trực tiếp hay gián tiếp với cái đã cho

Tóm lại, để tìm được lời giải của một bài tập Vật lí là phải trả lời được câu hỏi:

- Để giải bài tập này, cần xác lập những mối liên hệ cơ bản nào?

- Sự xác lập những mối liên hệ cơ bản cụ thể này dựa trên sự vận dụngnhững kiến thức gì? Vào điều kiện cụ thể gì của bài tập?

Trả lời được những câu hỏi đó còn giúp giáo viên có sự định hướngtrong phương pháp dạy học về bài tập một cách đúng đắn, hiệu quả

2.1.4 Phương pháp giải bài tập Vật lí

Phương pháp giải bài tập Vật lí nhìn chung thường trải qua 4 bước:

* Bước 1: Tìm hiểu đề bài:

Trong giai đoạn này cần đảm bảo được những yêu cầu sau:

+ Đọc đúng đề bài

+ Mô tả hiện tượng Vật lí nêu trong đề bài( có thể vẽ hình)

+ Xác định xem trong lớp hiện tượng Vật lí đã cho có những đại lượng Vật

lí nào đã cho, đại lượng nào cần tìm

* Bước 2: Xây dựng lập luận

* Bước 3: Luận giải

Từ các mối liên hệ cơ bản đã xác lập, tiếp tục luận giải, tính toán rút ra kếtquả

* Bước 4: Biện luận

Để có thể xác nhận kết quả vừa tìm được cần kiểm tra lại việc giải theo mộthoặc một số cách sau:

- Kiểm tra xem đã trả lời hết các câu hỏi chưa, đã xét hết các trường hợpchưa

- Kiểm tra tính toán có đúng không?

- Kiểm tra thứ nguyên của các đại lượng có phù hợp không?

- Xem xét kết quả về ý nghĩa thực tế có phù hợp không?

- Giải bài tập theo cách khác xem có cho cùng kết quả không?

- Kiểm tra nghiệm của bài toán bằng thứ nguyên và bằng các trường hợpđặc biệt

- Sau khi giải hoàn thành xong bài toán có thể thay đổi giữ kiện và pháttriển nên thành một bài toán mới và tự giải

Khi đã hình thành phương pháp giải bài tập Vật lí, thì việc hướng dẫn hoạt động giải bài tập Vật lí là bước tiếp theo

2.1.5 Hướng dẫn học sinh giải bài tập Vật lí

* Những công việc cần làm để hướng dẫn học sinh giải một bài tập Vật lí

cụ thể:

- Giải bài tập đó theo phương pháp giải bài tập Vật lí một cách tỉ mỉ Tìmcác cách giải bài tập đó( nếu có)

- Xác định mục đích sử dụng bài tập này

- Xác định những kiến thức áp dụng để giải bài tập

- Phát hiện được những khó khăn mà học sinh có thể gặp khi giải bài tập

- Soạn câu hỏi hướng dẫn học sinh vượt qua khó khăn

* Các mức độ yêu cầu khi hướng dẫn giải bài tập Vật lí

Mức độ 1: Mức độ đơn giản, yêu cầu HS nắm được kiến thức cơ bản nhất.Học sinh vật dụng các kiến thức đã chứng minh để tìm ra theo yêu cầu GVhướng dẫn một phần đầu của bài tập

Mức độ 2: Học sinh vận dụng giải các bài tập và giải thích hiện tượng đơngiản GV hướng dẫn học sinh giải bài tập và giải thích hiện tượng sơ qua để họcsinh suy nghĩ và tìm hiểu

Mức độ 3: Cần có sự tư duy của học sinh để có thể giải được bài tập cùngvới sự gợi ý của giáo viên Giáo vên hướng dẫn học sinh dưới dạng gợi ý, đặt racác câu hỏi gợi mở định hướng suy nghĩ của học sinh

Mức độ 4: Các bài tập khó yêu cầu học sinh phải có kiến thức nâng cao,sâu sắc và biến đổi để giải được các bài tập trong hệ thống bài tập GV luônquan sát theo dõi hoạt động của học sinh và gợi ý theo định hướng của bài đểtránh sự hiểu nhầm của học sinh và tránh tâm lý ngại với những bài khó

2.1.6 Vai trò của hệ thống bài tập Vật lí

Cơ sở lý thuyết của hệ thống bài tập là sự sắp xếp hệ thống bài tập theomột trật tự logic kiến thức và phát triển tư duy của học sinh Các bài tập đượcphát triển từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp, tạo thành một hệ bài tập cóthể phát triển thành nhiều bài khác

Hệ thống bài tập giúp người học hệ thống hóa kiến thưc và phát triển kỹnăng, tư duy Vật lí một cách mạnh mẽ Dưới góc độ hoạt động nhận thức vàphát triển tư duy của học sinh giỏi Vật lí thì hệ thống bài tập có vai trò như mộtkim chỉ nam cho các hoạt động phát triển sáng tạo của học sinh.

Trong quá trình học tập của học sinh thì HS chưa có khả năng sắp xếpkiến thức và mức độ phát triển theo yêu cầu của bài tập nên hệ thống bài tập đãgiúp các em có nhận thức chung về bài tập Vật lí, có tư duy sáng tạo ở mức độcao

2.2 Thực trạng hoạt động bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí tại trường THPT Thạch Thành I

a Thuận lợi

Giáo viên khi giảng dạy bài tập Vật lí cho HSG đã giúp các em có tư duy

và trình độ học vấn được nâng cao Bài tập Vật lí giúp HSG tăng cường sự sángtạo trong mỗi bài học Vật lí từ đó củng cố kiến thức và phát huy năng khiếu Vật

lí, đồng thời nâng cao kiến thức cho GV

Các thầy cô đã có sử dụng hệ thống các bài tập hay và khó Các thầy cô đã

sử dụng các biện pháp bồi dưỡng học sinh giỏi mới và có hiệu quả

Học sinh khi tham gia giải bài tập Vật lí hăng say và có niềm yêu thíchmôn học, niềm khao khát được khám phá các hiện tượng Vật lí mới Ở đó khảnăng tiếp thu kiến thức tự nhiên được khơi dậy làm cho kiến thức trở thành dụng

cụ không thể thiếu trong cuộc sống cũng như trong học tập

b Khó khăn, tồn tại trong hoạt động giải bài tập trường THPT Thạch Thành I.

Học sinh giải các bài tập mà không chú ý tới biện pháp giải mà chỉ ápdụng các công thức một cách vô cảm Học sinh tập trung giải cho thật nhiều bàitập mà không chú ý đến phương pháp nên nhớ máy móc nhiều dẫn đến khả nănghuy động kiến thức không nhanh và nhiều Khi giải bài tập học sinh vẫn chưaphát triển được bài tập mà mới chỉ dừng lại việc đáp ứng yêu cầu của bài toánđặt ra nên đôi khi yêu cầu khác đi một chút là các em gặp sự lúng túng trongviệc điều khiển kiến thức

2.3 Hệ thống bài tập và hướng dẫn hoạt động giải bài tập giao thoa sóng chương “Sóng cơ học” nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi vật lí 12 THPT.

2.3.1 Bài toán liên quan đến phương trình giao thoa sóng.

+ Xét tại M cách hai nguồn A và B lần lượt là d d1 , 2

+ Phương trình dao động tại M do A và B gửi tới lần lượt là:

u  A cos  t mm, u  Bcos    t / 3 mm Tốc độ truyền sóng là 0,5m/s Coi biên

độ sóng không đổi khi truyền Khi A = B = 2mm Tìm phương trình sóng tổng

hợp tại M trên mặt chất lỏng cách O1, O2 lần lượt là 6cm và 8cm

cos 3

Hướng dẫn hoạt động giải:

- Để làm bài toán này, GV phân tích đề cho học sinh thấy đây là bài toán thuộc

dạng nào Do đó, trước khi tiến hành hướng dẫn học sinh làm bài, GV yêu cầu

HS làm hai bài tập để nắm sâu lý thuyết giao thoa Sau đó, học sinh sẽ tự lựclàm được bài tập trên

Bài tập 1.1: Cho hai nguồn sóng kết hợp đặt tại hai điểm S1; S2 trên mặt nước.Phương trình sóng tại mỗi nguồn:

Tốc độ truyền sóng hai nguồn như nhau Điểm M thuộc miền giao thoa cách hainguồn lần lượt d1 và d2 Tìm điều kiện d1 và d2 để M dao động cùng pha vớinguồn đặt tại S1

- GV định hướng HS làm bài tập 1.1 và 1.2 với câu hỏi sau:

CH1: Phần tử vật chất tại M nhận được đồng thời hai sóng thành phần do hainguồn truyền tới Yêu cầu HS viết phương trình sóng thành phần từ đó suy raphương trình sóng tổng hợp tại M

2.3.2 Bài toán liên quan đến cực đại, cực tiểu.

* Bài toán tìm số cực đại cực tiểu trên đoạn MN (cùng phía với đường thẳng chứa 2 nguồn):

Từ công thức cực đại, cực tiểu: 2 1

Số điểm cực đại trên MN là số giá trị k nguyên thỏa mãn k M  k k N

Số điểm cực tiểu trên MN là số giá trị k bán nguyên thỏa mãn k M  k k N

1/ Xét các điểm trên đoạn thẳng nối S1 với S2

a Tính khoảng cách giữa hai điểm liên tiếp có biên độ cực đại

b Trên S1S2 có bao nhiêu điểm dao động với biên độ cực đại

2/ Xét điểm M cách S1 khoảng 12cm và cách S2 khoảng 16 cm Xác định số đường cực đại đi qua đoạn S2M

l d d

1 2

1 2

 d k l

2

1 2 1

1   

Khoảng cách giữa hai điểm liên tiếp cực đại thứ k và thứ (k+1) là :

2

1 )





 = -3,67 vậy có 4 điểm cực đại trên MS2

Hướng dẫn hoạt động giải:

1.- GV yêu cầu HS xác định đặc điểm vị trí dao động cực đại liên tiếp trên S1S2.2.- Yêu cầu HS tính giá trị k tương ứng tại M, S1, S2

Bài tập 2

Trên mặt nước tại hai điểm S1,S2 ( S1S2 = 12cm) người ta đặt hai nguồnsóng cơ kết hợp, dao động điều hoà theo phương thẳng đứng với phương trình u1

= 6cos40t và u2 = 8cos(40t ) (u1 và u2 tính bằng mm, t tính bằng s) Coi biên

độ sóng không đổi khi truyền đi Điểm M1 nằm trên cực đại thứ 3 tính từ trungtrực S1S2

1 Tính tốc độ truyền sóng biết M1 cách S1, S2 lần lượt d1 = 4,2cm; d2 = 9cm

2 Gọi M2 là điểm đối xứng với M1 qua trung điểm của S1S2 Tính số điểm cóbiên độ dao động bằng 2 37 mm trên M1M2

3 Giữ nguyên tần số sóng và vị trí các điểm M1, S1 Dịch chuyển S2 dọc theophương S1S2 ra xa S1 Xác định khoảng dịch chuyển nhỏ nhất để M1 nằm trêndãy cực tiểu

2 1

4 1

5 33,12 k 2,28

+ Gọi độ dịch chuyển là a

+ Điều kiện M1 dao động với biên độ cực tiểu: d '2 d1 (k ' 0,5) 

+ Để a nhỏ nhất thì M1 phải nằm trên cực tiểu thứ 3 tính từ trung trực S1S2, tức k’ = 3

+ Thay vào biểu thức trên có d2’ = 9,8cm

Hướng dẫn hoạt động giải bài tập

Đây là bài tập nhằm kiểm tra về cách tính biên độ của sóng tổng hợp tại 1 điểmtrong miền giao thoa và điều kiện về pha dao động

1 ?Nêu điều kiện để 1 điểm trong miền giao thoa dao động với biên độ cực đại

khi hai nguồn dao động cùng pha?

Yêu cầu HS giải pt và tìm ẩn bài toán

GV: Sau khi có điều kiện của N, trình bày cách tìm số điểm trên M1M2

3.GV: Gọi độ dịch chuyển là a, viết điều kiện để M1 nằm trên dãy cực tiểu Sau

đó dựa vào hình vẽ tính a

sóng dao động tần số 25 Hz theo phương thẳng đứng với các phương trình

u A cos t mm, u Bcos   t / 3 mm Tốc độ truyền sóng là 0,5m/s.Coi biên độ sóng không đổi khi truyền

a Xác định số đường cực đại trong khoảng hai nguồn

b Khi A = 2mm, B = 4mm Xác định số điểm dao động với biên độ 2 7mmtrên đoạn O1 M

Hướng dẫn giải

1  v/ f  2cm

cos 3

1 2

3

) (

2

1 2 1

Kết hợp (3) và (4) ta được 9 điểm dao động với biên độ 2 7mm trên đoạn O1M

2.3.3 Bài toán liên quan đến độ lệch pha.

Bài tập 1: Trong thí nghiệm giao thoa sóng trên mặt nước, hai nguồn kết hợp A

và B (trên mặt nước) có phương trình là u A  u B  a cos(40 t )cm; t(s)  Cho AB =

18 cm, tốc độ sóng truyền trên mặt nước là v = 120 cm/s; coi biên độ sóngkhông suy giảm khi sóng lan truyền Gọi O là trung điểm của AB, tìm điểm Mnằm trên đường trung trực của AB gần O nhất và dao động cùng pha với nguồnA

Độ lệch pha giữa M với hai nguồn là 2 O

Hướng dẫn hoạt động giải:

- Để làm bài toán này, trước tiên GV phân tích đề cho học sinh thấy đây là bài

toán được kết hợp bởi hai bài toán đơn giản Do đó, trước khi tiến hành hướngdẫn học sinh làm bài, GV đưa ra hai bài tập để học sinh nắm sâu được lý thuyết

về giao thoa Sau đó, học sinh sẽ tự lực làm được bài tập trên

Bài tập 1.1: Cho hai nguồn sóng kết hợp đặt tại hai điểm S1; S2 trên mặt nước.Phương trình sóng tại mỗi nguồn:

- GV định hướng HS làm bài tập 1.1 và 1.2 với các câu hỏi sau:

CH1: Phần tử vật chất tại M nhận được đồng thời hai sóng thành phần do hainguồn truyền tới Yêu cầu HS viết phương trình sóng thành phần từ đó suy raphương trình sóng tổng hợp tại M

CH2: Điều kiện để 2 phần tử vật chất dao động cùng pha?

- Sau khi làm xong hai bài tập trên Yêu cầu HS phân tích đề bài để thấy rõ phải

làm gì để tìm được điểm khoảng cách nhỏ nhất từ M đến O