“Nghiên cứu chế tạo một số mô hình biểu diễn dùng cho chương “Dao động cơ” của Vật lý 12, giúp nâng cao tư duy và khả năng tưởng tượng cho học sinh Trung học Phổ thông “

Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh mẽ của Khoa học kĩ thuật trên thế giới, việc đổi mới nội dung, phương pháp, hình thức và phương tiện dạy học để chuẩn bị cho thế hệ trẻ có đủ khả năng là chủ được tri thức khoa học là một việc làm hết sức cần thiết. Vì thế nền giáo dục nước ta đang từng bước đổi mới về mọi mặt để có thể đào tạo được những con người lao động có hiệu quả cao, đáp ứng được mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Trước những yêu cầu đó, những năm gần đây, ngành Giáo dục và Đào tạo đã không ngừng đổi mới, cải cách SGK và nhất là mở rộng qui mô cách phòng thí nghiệm, tổ chức các cuộc thi Sáng tạo cho học sinh nhằm phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh trong việc tìm tòi, xây dựng kiến thức mới. Tuy nhiên trên thực tế, ở các trường THPT vẫn duy trì lối dạy học giáo viên thuyết trình, thông báo, học sinh tiếp thu một cách thụ động, bắt chước. Thực tế này bắt nguồn từ một phần do giáo viên thiếu sáng tạo, một phần do các thiết bị dạy học ở các trường THPT còn thiếu, không đủ các thiết bị mô phỏng cho bài dạy. Các em học sinh chỉ tiếp xúc khi vào phòng thí nghiệm, mỗi năm học sinh chỉ thí nghiệm khoảng 10 lần, và hầu hết làm thí nghiệm để lấy kết quả là những con số. Những thiết bị dạy học khác, do nhiều lý do khách quan mà giáo viên ít mang lên lớp giảng dạy trực tiếp cho học sinh, thành ra bài giảng khô khan, kém sinh động. Trong SGK lớp 12, chương Dao động cơ là một chương khó và trừu tượng với học sinh, tuy nhiên cũng có nhiều thí nghiệm hay, thú vị và trực quan. Để góp thêm ý tưởng cho việc thiết kế bài giảng sinh động, thu hút học sinh, em đã nghiên cứu và làm ra 2 mô hình liên quan đến chương Dao động cơ, có thể hỗ trợ cho giáo viên khơi dậy trí tưởng tượng của học sinh, khiến cho học sinh tập trung vào bài giảng hơn, hào hứng hơn và nhớ bài lâu hơn. Vì vậy em đã chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo một số mô hình biểu diễn dùng cho chương “Dao động cơ” của Vật lý 12, giúp nâng cao tư duy và khả năng tưởng tượng cho học sinh Trung học Phổ thông “

Trang 1

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS NGUYỄN NHẬT QUANG

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của Khoa Vật lý _ Trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng, cùng với sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn TS.Nguyễn Nhật Quang, em đã thực hiện

xong đề tài có tên “Nghiên cứu chế tạo một số mô hình biểu diễn dùng cho

chương “Dao động cơ” của Vật lý 12, giúp nâng cao tư duy và khả năng tưởng tượng cho học sinh Trung học Phổ thông”

Để hoàn thành khóa luận này, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Nhật Quang đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến, hỗ trợ và chỉnh sửa đề tài của em, cũng như sự giảng dạy tận tình của tất cả các thầy cô giáo khác ở trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng Em xin chân thành cảm ơn Khoa Vật lý _ Trường Đại học Sư phạm

Đà Nẵng đã tạo điều kiện nghiên cứu và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đề tài Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài nghiên cứu một cách hoàn chỉnh nhất, song do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực tế chế tạo cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thể thấy được Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dạy của quý thầy cô giáo và các bạn cùng lớp để khóa luận hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Trang 2

SVTH: NGUYỄN NGỌC TRÂM KHA Page 2

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh mẽ của Khoa học kĩ thuật trên thế giới, việc đổi mới nội dung, phương pháp, hình thức và phương tiện dạy học để chuẩn bị cho thế hệ trẻ có đủ khả năng là chủ được tri thức khoa học là một việc làm hết sức cần thiết Vì thế nền giáo dục nước ta đang từng bước đổi mới về mọi mặt để có thể đào tạo được những con người lao động có hiệu quả cao, đáp ứng được mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.Trước những yêu cầu đó, những năm gần đây, ngành Giáo dục và Đào tạo đã không ngừng đổi mới, cải cách SGK và nhất là mở rộng qui mô cách phòng thí nghiệm, tổ chức các cuộc thi Sáng tạo cho học sinh nhằm phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh trong việc tìm tòi, xây dựng kiến thức mới Tuy nhiên trên thực tế, ở các trường THPT vẫn duy trì lối dạy học giáo viên thuyết trình, thông báo, học sinh tiếp thu một cách thụ động, bắt chước Thực tế này bắt nguồn từ một phần do giáo viên thiếu sáng tạo, một phần do các thiết bị dạy học ở các trường THPT còn thiếu, không đủ các thiết

bị mô phỏng cho bài dạy Các em học sinh chỉ tiếp xúc khi vào phòng thí nghiệm, mỗi năm học sinh chỉ thí nghiệm khoảng 10 lần, và hầu hết làm thí nghiệm để lấy kết quả là những con số Những thiết bị dạy học khác, do nhiều lý do khách quan

mà giáo viên ít mang lên lớp giảng dạy trực tiếp cho học sinh, thành ra bài giảng khô khan, kém sinh động

Trong SGK lớp 12, chương Dao động cơ là một chương khó và trừu tượng với

học sinh, tuy nhiên cũng có nhiều thí nghiệm hay, thú vị và trực quan Để góp thêm

ý tưởng cho việc thiết kế bài giảng sinh động, thu hút học sinh, em đã nghiên cứu và

làm ra 2 mô hình liên quan đến chương Dao động cơ, có thể hỗ trợ cho giáo viên

khơi dậy trí tưởng tượng của học sinh, khiến cho học sinh tập trung vào bài giảng hơn, hào hứng hơn và nhớ bài lâu hơn Vì vậy em đã chọn nghiên cứu đề tài

“Nghiên cứu chế tạo một số mô hình biểu diễn dùng cho chương “Dao động cơ”

của Vật lý 12, giúp nâng cao tư duy và khả năng tưởng tượng cho học sinh Trung học Phổ thông “

Trang 3

2.Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu chế tao 2 mô hình biểu diễn phần dao động và sóng Một mô hình biểu diễn dạng đồ thị của phương trình dao động điều hòa, một mô hình biểu diễn

sự phụ thuộc của chu kì T vào chiều dài của sợi dây trong bài “Con lắc đơn” Cả 2

mô hình này không theo thí nghiệm mẫu nào trong Sách giáo khoa, tuy nhiên có thể giúp giáo viên nhấn mạnh được kiến thức của bài “Dao động điều hòa” và bài “Con

lắc đơn” Đây là 2 bài khá trọng tâm trong chương trình Vật lý 12

3.Đối tượng nghiên cứu

- Hoạt động học tập, nhận thức của học sinh và hoạt động giảng dạy của giáo viên trong việc tổ chức dạy học bài “Dao động điều hòa” và “Con lắc đơn” cũng

như các bài học tiếp theo của Vật lý 12 có nội dung liên quan

- 2 nội dung kiến thức của chương Dao động cơ:

+ Đồ thị (li độ) của dao động điều hòa

+ Sự phụ thuộc của chu kì con lắc đơn vào chiều dài của sợi dây

4.Giả thuyết khoa học

Nếu nghiên cứu, chế tạo được bộ mô hình biểu diễn dao động và sóng thì sẽ khắc phục được những hạn chế của các bộ thí nghiệm hiện có và nâng cao hiệu quả giảng dạy, học tập chương Dao động điều hòa Vật lý 12, nhất là tăng khả tăng tư duy tưởng tượng cho học sinh về hình ảnh của sóng trong không gian, ngoài ra còn có

thể sử dụng cho phần Hàm số lượng giác của Toán lớp 11

5.Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của đồ thị dao động điều hòa, của chu kì con lắc đơn để mô hình hóa lý thuyết

- Nghiên cứu các thí nghiệm chương Dao động cơ, Vật lý 12 và phương pháp dạy học theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức

- Chế tạo 2 mô hình biểu diễn đồ thị phương trình li độ của dao động điều hòa và

mô hình biểu diễn sự phụ thuộc của chu kì T vào chiều dài sợi dây

- Phân tích, so sánh giữa mô hình và lý thuyết để đưa vào bài giảng một cách thích hợp

Trang 4

6 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu các sách, bài báo, tạp chí chuyên ngành, các luận án, luận văn liên quan

- Nghiên cứu vai trò của thí nghiệm Vật lý trong dạy học Vật lý

- Nghiên cứu nội dung chương Dao động cơ, Vật lý 12 và các tài liệu khác có liên quan

b Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

- Thăm dò, trao đổi ý kiến với các giáo viên trường THPT để nắm bắt được tình hình dạy học chương Dao động điều hòa, Vật lý 12 bằng các thiết bị thí nghiệm sẵn

Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương II: MÔ HÌNH BIỂU DIỄN ĐỒ THỊ LI ĐỘ CỦA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA (MÔ HÌNH BIỂU DIỄN HÌNH SIN)

Chương III: DÃY CON LẮC ĐƠN BIỂU DIỄN SỰ PHỤ THUỘC CỦA

CHU KỲ T VÀO CHIỀU DÀI CỦA SỢI DÂY

Chương IV: MỘT SỐ MÔ HÌNH KHÁC

Chương V:KẾT QUẢ

PHẦN KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 5

NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Dao động điều hòa Phương trình li độ của dao động điều hòa

1.1.1 Dao động điều hòa

♦ Dao động cơ học

- Dao động cơ học là sự chuyển động của một vật quanh một vị trí xác định gọi là vị trí cân bằng

♦ Dao động tuần hoàn

- Dao động tuần hoàn là dao động mà trạng thái của vật được lặp lại như cũ, theo hướng cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau xác định (Chu kì dao động)

♦ Dao động điều hòa

- Dao động điều hòa là dao động mà li độ của vật được biểu thị bằng hàm cos hay sin theo thời gian

1.1.2 Phương trình dao động điều hòa

♦ Phương trình li độ:

- Phương trình dao động :

Các đại lượng đặc trưng cho dao động điều hòa :

+ x : li độ dao động hay độ lệch khỏi vị trí cân bằng (cm, m )

+ A : Biên độ dao động hay li độ cực đại Đơn vị tính (cm, m )

+ ω : tần số góc của dao động , đại lượng trung gian cho phép xác định chu kỳ và tần số dao động Đơn vị tính (rad/s)

+ φ : pha ban đầu của dao động (t = 0), giúp xác định trạng thái dao động của vật ở thời điểm ban đầu Đơn vị tính (rad)

+ (ωt + φ) : pha dao động tại thời điểm t, giúp xác định trạng thái dao động của vật ở thời điểm bất kỳ t Đơn vị tính (rad)

Xuất phát từ phương trình dao động trên, cho φ=0 để đơn giản, ta vẽ đường biểu diễn của x theo t Từ đồ thị này ta thấy rằng, dao động điều hòa là chuyển động tuần hoàn Đồ thị li độ của dao động điều hòa có dạng sóng sin (hoặc cos)

Trang 6

1.2.Con lắc đơn

1.2.1.Cấu tạo

- Gồm một sợi dây không giãn có độ dài , khối lượng không đáng kể, một đầu

cố định, đầu còn lại được gắng vào một vật có khối lượng m Con lắc dao động với biên độ góc nhỏ (α < 100)

- Điều kiện dao động điều hoà: Bỏ qua ma sát, lực cản và α0 << 100 rad hay

S0 <<

1.2.2 Phương trình dao động

Trong quá trình dao động con lắc đơn chịu

tác dụng của các lực: trọng lực P, lực căng dây

T Các lực được phân tích như hình vẽ

Áp dụng định luật II Newton ta có :

Chiếu phương trình lên phương chuyển

động ta được:

với a = s”

Trang 7

1.2.3 Chu kỳ và tần số của con lắc đơn

Vậy con lắc đơn dao động vơi góc lệch nhỏ là một dao động điều hòa với tần số

góc ω, có chu kỳ T và tần số f như sau:

Như vậy, chu kì của con lắc đơn không phụ thuộc vào khối lượng, hình dạng hay chất liệu của vật nặng mà chỉ phụ thuộc vào chiều dài sợi dây treo vật nặng Nếu chiều dài thay đổi, chu kì sẽ thay đổi Khi con lắc đơn có chiều dài lớn thì chu kì dao động lớn, khi con lắc đơn có chiều dài nhỏ thì chu kì dao động nhỏ hơn

Trang 8

CHƯƠNG II

MÔ HÌNH BIỂU DIỄN ĐỒ THỊ LI ĐỘ CỦA DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA (MÔ HÌNH BIỂU DIỄN HÌNH SIN) 2.1 Giới thiệu mô hình

Mô hình biểu diễn đồ thị li độ của dao động điều hòa là một đồ dùng dạy học dùng để

hỗ trợ việc thể hiện đồ thị hình sin (hoặc cos) chạy trong không gian một cách liên tục

Ở bài giảng của giáo viên về phần Đồ thị (li độ) của dao động điều hòa, sau khi

thiết lập được phương trình dao động là x=Acos(ωt+φ), các giáo viên sẽ lập bảng biến thiên của x theo t (SGK Vật lý 12 Nâng cao, trang 31, Bảng 6.1) Dựa vào bảng biến thiên, lập hệ trục tọa độ Oxt, trục hoành biểu diễn thời gian t, trục tung biểu diễn

li độ x

Để biểu diễn sự tuần hoàn của đồ thị, giáo viên sẽ vẽ đồ thì trong khoảng 2 chu kì,

để cho học sinh thấy sau một khoảng chu kì T, trạng thái được trở lại như ban đầu Dao động điều hòa chính là chuyển động tuần hoàn Tuy nhiên, giáo viên không có

đủ thời gian, không gian bảng để vẽ đồ thị sau thời gian 3T, 4T… để mô tả sự tuần hoàn này, mà chỉ có thể giảng cho học sinh hiểu rằng: “Nếu các em tiếp tục vẽ đồ thị, thì sau mỗi chu kì, đồ thị lặp lại như ban đầu Chúng ta sẽ có một đồ thị hình sin (hoặc cos) kéo dài mãi, có dạng như sóng”

Trang 9

Vì vậy, để giúp giáo viên thể hiện sự tuần hoàn của đồ thị hình sin, em đã nghiên cứu và chế tạo mô hình biểu diễn như sau:

Mô hình biểu diễn đồ thị của phương trình dao động điều hòa

2.2 Cấu tạo của mô hình

Đầu tiên, cắt 16 đoạn tre nhỏ có độ dài bằng nhau Trên mỗi thanh dùng băng keo màu đỏ để đánh dấu Vị trí đánh dấu sẽ có tăng dần đều so với đầu thanh

Trang 10

Gắn các thanh theo đúng thứ tự lên 2 đĩa tròn,

mỗi cái đĩa tròn được làm bằng bìa đày, đã đục sẵn

16 lỗ Khoảng cách giữa các lỗ đều bằng nhau Giữa

đĩa tròn được đục một lỗ lớn để xuyên trục qua Sau

khi gắn các thanh vào trục thì các điểm màu đỏ trên

thanh tre đã tạo thành một hình sin với chiều dài

tương ứng với 1 chu kì

Như vậy, với các thanh tre, đĩa tròn, một thanh tre lớn dùng làm trục ở giữa, ta đã

có được bộ phận chính của mô hình với hình dáng giống như một cái lồng sóc

Trang 11

Giá đỡ bằng gỗ của mô hình mô phỏng

2.3.Cách lắp đặt mô hình:

Ban đầu, các bộ phận của mô hình được tháo rời như thế này

Trang 12

Xuyên thanh tre lớn vào giữa lồng sóc để làm trục quay

Lắp trục của mô hình vào 2 khe của giá đỡ

Trang 13

Và bây giờ chúng ta đã có một dụng cụ hoàn chỉnh, sẵn sang cho sử dụng

2.4 Cách sử dụng mô hình

Đặt tay lên đĩa và đẩy lui nhẹ cho đĩa quay, khi đó các điểm bắt đầu chuyển động, tạo thành hiệu ứng hình ảnh giống như dạng sóng sin

Trang 14

Các điểm này sẽ chạy liên tục, hình dạng sóng lên xuống tuần hoàn liên tục cho đến khi lồng sóc chuyển động chậm dần rồi dừng lại do ma sát

Ngoài ra, mô hình còn có một phiên bản khác, có thể trong cùng một mô hình, vừa biểu diễn đồng thời đồ thị hình sin và cos cùng lúc, để cho học sinh thấy được

rằng hàm sin và hàm cos lệch pha một đoạn

2



, khi đó đồ thị của chúng tương tự

nhau nhưng chỉ lệch pha

2



, điều này cũng giúp học sinh dễ hiểu hơn khi giải ra nghiệm của phương trình dao động điều hòa là hàm sin nhưng hầu hết các bài tập đều chuyển về hàm cos, khi đó chúng đều gọi chung là hàm dạng sin và không ảnh hưởng đến tính chất dao động của vật, giúp cho giáo viên có thể ứng dụng mô hình vào môn Toán lớp 11

Trang 15

Đồ thị hàm sin

Đồ thị hàm cos

Trang 16

Hai đồ thị hàm sin và cos được vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ

Từ cơ sở lý thuyết trên, em đã nghiên cứu và chế tạo mô hình mô phỏng hàm sin

và cos Biểu diễn trên mô hình, đường màu đỏ đại diện cho đường sin, đường màu xanh lá cây đại diện cho đường cos (trong trường hợp đặt lồng sóc vào giá đỡ bị ngược hướng, có thể đổi thành màu xanh lá là đường sin và màu đỏ là đường cos)

Mô hình đã thiết kế cho đường cos chạy chậm hơn đường sin

2



Mô hình hoàn chỉnh khi hai đường chạy cùng lúc như hình sau:

Mô hình hàm sin và cos

Trang 17

Khi quay lồng sóc sẽ tạo ra 2 đường có dạng sin, một đường nhanh pha hơn (màu đỏ)

Tạo ra hiệu ứng sin và cos đẹp mắt

Trang 18

CHƯƠNG III DÃY CON LẮC ĐƠN BIỂU DIỄN SỰ PHỤ THUỘC CỦA

CHU KỲ T VÀO CHIỀU DÀI CỦA SỢI DÂY

3.1 Giới thiệu mô hình

Mô hình dãy con lắc đơn bao gồm 12 con lắc đơn có độ dài sợi dây tăng dần đều, con lắc trước lớn hơn con lắc sau một đoạn nhất định, khoảng cách giữa các con lắc gần nhau, mắc tách biệt nhau, tạo thành một dãy các con lắc đơn trên một giá đỡ Hình dạng và khối lượng của vật nặng tương đối như nhau

Theo kiến thức trong Sách giáo khoa, sau khi rút ra được công thức tính chu kì

g

 , học sinh có thể rút ra nhận xét là : trên cùng một nơi của Trái Đất, tức là gia tốc trọng trường g không đổi, thì chu kì T của con lắc đơn chỉ phụ thuộc vào chiều dài của sợi dây mà không phụ thuộc vào hình dạng và khối lượng của vật nặng,

vì vậy khi thay đổi chiều dài của con lắc đơn thì chu kì T sẽ thay đổi Chu kì T tỉ lệ thuận với chiều dài sợi dây Khi chiều dài sợi dây tăng, chu kì T tăng, khi chiều dài sợi dây giảm, chu kì T giảm

Trang 19

Dựa vào lý thuyết trên, em đã nghiên cứu và chế tạo ra một mô hình dạy học, có hiệu ứng hình ảnh đẹp mắt dựa vào sự thay đổi chu kì T phụ thuộc vào sự thay đổi chiều dài của sợi dây con lắc đơn

Mô hình này có thể giúp giáo viên nhấn mạnh lý thuyết cần giảng trên, đồng thời với hiệu ứng hình ảnh đẹp mắt, mô hình giúp cho giáo viên giảng bài hiệu quả hơn, thu hút học sinh hơn, làm cho học sinh nhớ bài lâu hơn, và nhất là làm tăng khả năng tưởng tượng cho học sinh, giúp cho học sinh phát triển tư duy

3.2 Cấu tạo của mô hình

Các quả nặng được làm từ viên bi đá, có đường kính khoảng 2cm, được dán với

đầu nối bằng kim loại, có lỗ để móc dây

Trang 20

Các quả nặng được nhúng sơn để trông đồng đều và bắt mắt hơn

Giá treo có đục các lỗ với các khoảng cách bằng nhau để treo dây vào, gồm

có 4 chân và một giá nằm ngang,, được làm từ ống nước nhựa được uốn tạo hình Bên trong ống đổ đầy cát trắng và keo đóng rắn để tăng độ nặng, cứng cho giá đỡ Các ống có thể tháo rời và ghép lại, tiên dụng khi cất giữ, di chuyển và lắp ráp, có

Trang 21

thể thay thế chiều cao của giá treo bằng cách thay 4 chân có chiều dài khác, trong trường hợp muốn giá treo cao hơn hoặc thấp hơn

Một thanh gỗ có chiều dài dài hơn dãy con lắc đơn, dùng làm bộ phận đẩy các con lắc ra cùng một biên độ

3.3 Cách lắp ráp mô hình

Ban đầu, các bộ phận của mô hình được tháo rời như trên

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	3,18 MB