HỌC PHẦN KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM DẠY HỌC VẬT LÍ

Chức năng cơ bản của phần mềm là nghiên cứu các quá trình cơ học biến đổi nhanh bằng cách xác định tọa độ của các vật chuyển động tại mỗi thời điểm sau đó phân tích số liệu, tính toán cá

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LI - -BÀI TIỂU LUẬN

HỌC PHẦN

KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM DẠY HỌC VẬT LI

Đề tài KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM PHÂN TICH VIDEO ANALYSE

Giảng viênhướngdẫn: Học viênthựchiện:

PGS.TS TRẦN HUY HOÀNG HUỲNH THỊ HIẾU

Lớp: LL&PPDH bộ môn Vậtli

Khóa: 24

Thừa Thiên Huế, tháng 04 năm 2017

MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thời kỳ mà khoa học công nghệ phát triển như vũ bão, kho tàng kiến thức nhân loại tăng lên một cáchnhanh chóng Bên cạnh đó, một trong những thành tựu nổi bật của cuộc cách mạng khoa họchiện nay là sự phát triển bùng nổ của tin học

Máy tính điện tử với tư cách là đối tượng của quá trình dạy học và là phương tiện dạy học hiện đại, tin học nói chung và máy tính điện tử nói riêng đang có những tác động mạnh mẽ vào quá trình dạy học không chỉ cho các nước phát triển mà ngay cả đối với Việt Nam

Việc ghi quá trình Vật lí thực vào băng hình và quay chậm lại tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc quan sát đối tượng nghiên cứu Tuy nhiên việc sử dụng băng hình này còn khó khăn, thường mất nhiều thời gian nhất trong việc thu thập

số liệu đo, thực hiện các phép tính toán trong khi phân tích và xử lý số liệu cũng như việc trình bày các kết quả xử lý đó

Để tạo điều kiện cho việc thu thập (đo đạc và ghi chép) số liệu và đặc biệt cho việc thực hiện các phép tính trong khi phân tích và xử lý số liệu cũng như cho việc trình bày các kết quả xử lý đó một cách chính xác và cực nhanh, người

ta đã đưa ra phương pháp: Phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính và các

phần mềm tương ứng Ởđâychúngtôitìm hiểuphầnmềmPhân tich video

ANALYSE

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN PHẦN MỀM ANALYSE

Đây là phần mềm được xây dựng nhằm phục vụ việc dạy và học phần cơ học trong chương trình Vật lí 1ớp 10 và lớp 12 trung học phổ thông Chức năng cơ bản của phần mềm là nghiên cứu các quá trình cơ học biến đổi nhanh bằng cách xác định tọa độ của các vật chuyển động tại mỗi thời điểm sau đó phân tích số liệu, tính toán các đại lượng, vẽ các đồ thị thực nghiệm… Sử dụng phần mềm, ta có thể nghiên cứu được các dạng chuyển động cơ học

1. Chức năng của phần mềm phân tich video

Đây là một chương trình máy tính được lập dùng để thực hiện các chức năng

cơ bản sau:

• Quay lại các tệp video

Ngoài chức năng cho chạy ở tốc độ bình thường, chương trình cho phép duyệt từng ảnh một (từng frame) Với chức năng này, học sinh có thể quan sát diến biến của quá trình xảy ra một cáh chi tiết, rõ ràng

Ví dụ như quan sát chuyển động rơi tự do, đầu tiên các em có thể quan sát chuyển động rơi một cách bình thường, sau đó cho chuyển động từng ảnh (mỗi ảnh cách nhau những khoảng thời gian như nhau) học sinh có thể sơ bộ nhận thấy chuyển động của vật là nhanh dần Tương tự như vậy đối với các hiện tượng khác như va chạm, dao động điều hòa…

• Xác định vị tri của vật tai các thời điểm trong quá trình chuyển động sau những khoảng thời gian bằng nhau.

Khoảng thời gian giữa 2 ảnh kế tiếp trong tệp phim được biết trước tùy vào dạng format của tệp phim Chương trình cho phép xác định vị trí của vật tại các thời điểm sau những khoảng thời gian bằng nhau khá dơn giản bằng cách sử dụng

“chuột” Để làm việc đó, trước hết là cần xác định thang đo, chọn gốc tọa độ sau

đó dùng chuột kích vào vị trí của vật ở từng cảnh trên màn hình Tọa độ của vật tại

vị trí đó sẽ được tự động điền vào bảng số liệu bên cạnh Học sinh có thể quan sát được các số liệu điền vào bảng

• Phân tich kết quả và hỗ trợ học sinh trong quá trình tư duy xây dựng kiến thức.

Với các dữ liệu thu được trong bảng, chương trình cho phép vẽ các đồ thị để rút ra kết luận về dạng chuyển động của vật cũng như tính toán các đại lượng của chuyển động như vận tốc, gia tốc…Để có thể khẳng định chính xác dạng chuyển động của vật, chương trình có các hàm chuẩn với đồ thị chuẩn để so sánh với đồ thị thực nghiệm

Với một phần mềm được xây dựng để thực hiện được các chức năng kể trên, trong dạy học chúng ta có thể sử dụng để hỗ trợ cho quá trình hoạt đọng nhận thức của học sinh một cách có hiệu quả khi nghiên cứu các quá trình cơ học có diễn biến nhanh, nhất là các chuyển động cong như chuyển động ném ngang, ném xiên, chuyển động tròn đều, dao động cơ học và quá trình va chạm giữa các vật

2. Phần mềm phân tich phim video hỗ trợ việc xây dựng các tình huống có vấn

đề, tạo hứng thú nhận thức trong dạy học các quá trình Vật li biến đổi nhanh

• Nhờ chức năng quay chậm lại các tệp phim video và khả năng có thể cho phim dịch theo từng cảnh mà học sinh có thể quan sát một cách tỉ mỉ quá trình chuyển động nhanh hay chậm của các vật Chỉ có thể thông qua quan sát như vậy học sinh mới có thể phần nào hình dung được hình như trong quá trình đó có một quy luật hay một mối liên hệ nào đó và nảy sinh nhu cầu tìm hiểu chúng Cũng qua việc quan sát như vậy cho học sinh một cảm giác rằng với khả năng của bản thân mình

có thể tự khám phá được quy luật hay mối liên hệ ấy và sẵn sàng thưc hiện nhiệm vụ

Ví dụ khi học sinh được quan sát tỉ mỉ các tệp phim ghi va chạm giữa hai vật với khối lượng và vận tốc khác nhau, học sinh có thể sơ bộ thấy được vận tốc của các vật sau va chạm hình như chịu ảnh hưởng rất lớn của khối lượng của chúng

Tất nhiên, điều đó có tác dụng kích thích trí tò mò của học sinh, mong muốn được khám phá xem sự ảnh hưởng đó như thế nào và bắt tay ngay vào công việc

• Để tạo hứng thú nhận thức cho học sinh, chúng ta có thể tổ chức cho học sinh hoạt động trong thực tế như chơi bóng trong giờ thể dục, giáo viên ghi hình để tổ chức thành tệp phim chuyển động của quả bóng cần nghiên cứu Trong giờ hoc, được phân tích chính những hoạt động trước đây của mình (hoặc bạn mình) luôn luôn có tác động lớn đến trí tò mò và mong muốn khám phá của học sinh

3. Phần mềm phân tich phim video hỗ trợ hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học các quá trình Vật li biến đổi nhanh

• Sau khi ý thức được nhiệm vụ nghiên cứu, học sinh có thể sử dụng phấn mềm để xác định tọa độ của các vật chuyển động trong tệp phim tại mỗi thời điểm và thu được một bảng số liệu Căn cứ vào bảng đó học sinh có thể sơ bộ đưa ra những nhận xét ban đầu và trước hết có thể thấy được kết quả này có phù hợp với những

dự đoán ban đầu hay không Nếu có phù hợp thì tiếp tục xử lý để đi đến kết luận, nếu không phù hợp thì căn cứ vào bảng này mà đưa ra giả thuyết tiếp theo

• Từ các dữ liệu thu được, phầm mềm cho phép học sinh nhanh chóng vẽ được đồ thị biểu diễn mối liên hệ đang nghiên cứu Đồ thị này có tác dụng rất lớn trong việc giúp cho học sinh có một cái nhìn khái quát về quy luật biến đổi của các đại lượng,

từ đó có thể khẳng định hay bác bỏ giả thuyết và đưa ra kết luận

• Để định hướng hoạt động của học sinh, khi xây dựn phần mềm chúng ta có thể lồng ghép những câu hỏi gợi ý, giúp cho học sinh có thê giải quyết được những khó khăn gặp phải trong quá trình làm việc độc lập với máy vi tính

Với việc sử dụng phần mềm phân tích video, chúng ta có thể tổ chức cho học sinh tham gia vào hoạt động chiểm lĩnh kiến thức trong quá trình học tập những chuyển động cơ học có diễn biến nhanh và phức tạp mà các phương tiện dạy học khác không giải quyết được Nhất là các quá trình có nhiều hơn một vật chuyển động như sự va chạm đàn hồi, tổng hợp dao động hoặc khi muốn so sánh hai chuyển động biến đổi nào đó Đây là ưu thế đặc biệt của máy vi tính và phần mềm phân tích video Do một tệp phim ghi quá trình chuyển động của chúng có

thể được quay lại nhiều lần nên phần mềm có thể lần lượt xác định tọa độ của từng vật tại mỗi thời điểm , thông qua đó mà học sinh có thể dễ dàng phân tích, so sánh

và rút ra kết luận

Với khả năng cho phép thu thập dữ liệu và xử lí rất nhanh một khối lượng lớn, nhanh chóng vẽ được đồ thị thực nghiệm nên máy vi tính và phần mềm phân tích phim không những hỗ trợ cho học sinh nghiên cứu được những chuyển động

và quá trình Vật lí phức tạp, mà điều đặc biệt quan trọng là thông qua việc sử dụng phần mềm này chúng ta có thể tổ chức cho học sinh hoạt động chiếm lĩnh kiến thức theo đúng phương pháp thực nghiệm, một phương pháp nhận thức đặc thù của bộ môn Vật lí Điều này, các phương tiện dạy học trước đây chưa thực hiện được một cách đầy đủ do điều kiện thời gian của tiết học Ví dụ, khi nghiên cứu chuyển động thẳng biến đổi đều, từ việc đưa ra định nghĩa gia tốc, xây dựng công thức đường đi, đến việc vẽ đồ thị vận tốc và đồ thị tọa độ trong sách giáo khoa hiện hành tất cả đều bằng suy luận lý thuyết Các đồ thị đó đều là các đồ thị lí thuyết Sử dụng phần mềm phân tích phim video trong nghiên cứu, chúng ta có thể rèn luyện cho học sinh xây dựng những kiến thức đó theo phương pháp khác, phương pháp thực nghiệm Bằng phần mềm, học sinh xác định được tọa độ của các vật chuyển động,

vẽ đồ thị thực nghiệm, thông qua đồ thị đó để phân tích nhằm kiểm tra giả thuyết

và đưa ra kiến thức mới liên quan tới chuyển động đó

Với sự hỗ trợ của phần mềm phân tích phim video và các dạng tệp phim quay cảnh thực trong dạy học Vật lí, học sinh được nghiên cứu các dạng chuyển động và quá trình cơ học thực, rất gần gũi với mình trong cuộc sống hàng ngày Điều này không chỉ tránh được tìn trạng giáo điều trong dạy học hiện nay mà tác dụng lớn hơn là học sinh được xuất phát từ những hiện tượng quen thuộc quan sát được trong cuộc sống hàng ngày để xây dựng nên kiến thức của mình, những kiến thức đó sẽ được bền vững hơn và việc vận dụng chúng trong các tình huống thực tiễn về sau sẽ dễ dàng và có hiệu quả hơn

Các tệp phim sử dụng trong dạy học về các dạng chuyển động nhanh như rơi tự do, ném ngang, ném xiên, va chạm…có thể được ghi trực tiếp trong thực tế

do chính các em học sinh thực hiện khi chơi bóng sẽ có tác dụng rất lớn không chỉ trong việc tạo hứng thú nhận thức, mong muốn tự mình khám phá cái quy luật chuyển động mà mình thường thực hiện khi chơi bóng hàng ngày mà chính cái ấn tượng lúc chơi sẽ giúp đỡ đắc lực cho các em giải quyết được nhiệm vụ đặt ra trong giờ học

Sẽ có tác dụng cao hơn nữa khi nghiên cứu các dạng chuyển động phức tạp nếu chúng ta bố trí thí nghiệm trực tiếp trước ống kinhscamera nối với náy vi tính ngay trên lớp Một chuyển động diễn ra rất nhanh được camera ghi lại và ngay tại chỗ ta có một tệp phim của chuyển động đó Với thí nghiệm vừa tiến hành (có thể

do giáo viên hoặc do học sinh được trực tiếp tiến hành), do chuyển động quá nhanh nên cả lớp khồn thể quan sát một cách rõ ràng Tệp phim vừa ghi sẽ được quay chậm lại và nhích theo từng cảnh để học sinh quan sát lại Sau đó, sử dụng phần mềm phân tích phim video để tiếp tục nghiên cứu Với phương pháp thí nghiệm như vậy, chúng ta có thể nghiên cứu được những quá trình nhanh và phức tạp mà với các phương tiện khác không làm được

Sau giờ học, với một hệ thống các tệp phim video được giáo viên lựa chọn

và giao cho, học sinh có thể sử dụng phần mềm để tiếp tục các hoạt động của mình trong việc củng cố, mở rộng và nâng cao kiến thức về các hiện tượng, quá trình nghiên cứu trên lớp

 Hướng dẫn sử dụng phần mềm phân tich video analyze

Kích chuột vào biểu tượng trên mà hình để khởi động chương trình, màn hình xuất hiện giao diện như hình bên:

Kích chuột vào “ ENTER” vào “chương trình” chọn nội dung cần nghiên cứu trong cửa sổ được tải xuống như hình dưới:

- Kích chuột vào núm “Mở tệp AVI”, trong cửa sổ vừa mở ra chọn tệp phim(2) cần phân tích đã được lưu trữ trong đĩa cứng hoặc trong đĩa CD-ROM

- Sử dụng các núm điều khiển ngay dưới màn hình (1) để cho tệp phim chạy ở tốc độ bình thường hoặc cho nhích từng cảnh để quan sát hiện tượng

- Kích chuột vào núm “Thước” để nhập thước đo chuẩn Nhập chiều dài đó vào cửa

sổ vừa được mở ra và nhấn “ENTER”

- Sau đó đưa chuột vào màn hình rồi kích lần lượt vào điểm đầu và điểm cuối của đoạn thẳng chuẩn đã cho (Chú ý hình dạng của chuột lúc này có dạng 3 hình vuông xếp chồng nhau)

- Kích chuột vào núm “Mốc tọa độ” sau đó rê chuột vào màn hình để chọn gốc tọa

độ (lúc này chuột có hình +)

- Kích chuột vào núm “Đánh dấu” sau đó kích chuột vào màn hình kích liên tục vào trọng tâm của vật.Tọa độ các vị trí của vật sẽ tự động điền vào bảng

- Sau đó, tùy vào nội dung nghiên cứu, ta sẽ tiến hành các bước tiếp theo cụ thể như sau:

1. Khái niệm gia tốc: tiến hành xác định tọa độ của hai vật chuyển động trong cùng một tệp phim bằng cách khởi động phần mềm và nhập thước chuẩn như trên Kích chuột vào núm “Đánh dấu” để xác định tọa độ của vật 1, ghi vào bảng 1 Kích chuột vào bảng 2, sau đó kích chuột vào núm “Đánh dấu” lần nữa để xác định tọa

độ của vậy 2 ghi vào bảng 2

Kích chuột vào “vận tốc 1” và “vận tốc 2” các bảng ghi két quả tính vận tốc của vật 1 và vật 2 hiện ra

Để vẽ các đồ thịvận tốc – thời gian, kích chuột vào , V

Tùy theo phương chuyển động của các vật mà chọn đồ thị phù hợp Từ 2 đồ thị vận tốc là 2 đường thẳng suy ra các vật cđ NDĐ, công thức vận tốc có dạng = + at

So sánh độ dốc của 2 đồ thị, kết hợp với chuyển động thực của 2 vật trong tệp phim để suy ra ý nghĩa của hằng số a và đưa ra khái niệm của gia tốc chuyển động

2. Các dạng chuyển động:

Sau khi xác định tọa độ của vật chuyển động cần nghiên cứu, tính vận tốc của vật ta thu được bảng số liệu

Vẽ đồ thị vận tốc, V để nhận xét về sự biến đổi vận tốc theo thời gian

Kích chuột vào “Đồ thị tọa độ” để vẽ đồ thị tọa độ theo thời gian Sử dụng các hàm chuẩn để xác định dạng của đồ thị thực nghiệm

Để xác định gia tốc của chuyển động, kích chuột vào “Gia tốc” sau đó kích vào , a trong cửa sổ vừa mở ra

3. Định luật bảo toàn động lượng:

Mở tệp phim ghi sự va chạm giữa hai vật, nhập thước đo chuẩn, mốc tọa độ, khối lượng của các vật, kích vào núm “Đánh dấu” kích chuột vào trọng tâm của vật

1 để ghi tọa độ theo thời gian của nó trước va chạm và bảng “trước va chạm”

Sau đó kích vào “Trước va chạm” để chuyển sang bảng “Sau va chạm” kích vào “Đánh dấu” lần nữa để ghi tọa độ của vật 1 sau va chạm vào bảng “Sau va chạm” vừa mở ra

Kích đúp vào bảng của vật 2, kích tiếp vào “Đánh dấu” để chuyển sang ghi tọa độ của vật 2 trước và sau va chạm

Kích vào “Phân tích kết quả thí nghiệm” từ các số liệu trong bảng, dự đoán đại lượng nào đó có thể được bảo toàn trong va chạm, đánh công thức tính đại lượng đó vào cửa sổ rồi nhấn “ENTER”

Kết quả tính được cho trong bảng phía dưới Sau khi đã xác định được động lượng bảo toàn, kích vào “Tổng các kết quả thí nghiệm” Trong cửa sổ mở ra kích vào “Kết quả” ta thu được kết quả động lượng của hệ

Kích vào “Vec tơ động lượng”, các vec tơ đông lượng của các vật và của hệ trước và sau va chạm hiện ra cùng với lược đồ chuyển động của chúng

4. Định luật bảo toàn cơ năng

Mở tệp phim cần NC Nhập vào khối lượng của vật, thước chuẩn, mốc tọa

độ (Nên chọn ở gốc thế năng) Xác định tọa độ của vật theo thời gian hoàn toàn tương tự như trên Kích lần lượt vào , V , KE (động năng), PE (thế năng), E (cơ năng), thu được bảng các giá trị tương ứng tại mỗi thời điểm

Vẽ các đồ thị động năng, thế năng và cơ năng: kích vào “Đồ thị năng lượng – động năng, thế năng, cơ năng” Dựa vào đồ thị nhận xét sự biến đổi động năng, thế năng và cơ năng của vật

5. Khảo sát dao động điều hòa

Mở tệp phim ghi một vật dao động, nhập thước, gốc tọa độ rồi xác định tọa

độ theo thời gian của vật dao động

Kích vào “<<<” để chuyển màn hình Kích vào “Phân tích kết quả” thu được bảng phân tích số liệu Kích chuột vào một giá trị x nào đó để chọn giá trị đó làm

Kích vào núm “Vẽ” để vẽ đồ thị tọa độ thời gian (Tọa độ thực nghiệm theo bảng số liệu) Nhập khối lượng của vật dao động, kích vào “Phương trình dao động” đồ thị hàm sin với A, ω, φ vừa tính được Đồ thị này (đỏ) gần trùng khít với

đồ thị thực nghiệm (xanh) Kích vào “Động năng” và “Thế năng” để vẽ các đồ thị

đó

6. Tổng hợp dao động

Mở tệp phim ghi đồng thời hai vật dao động điều hòa cùng phương Nhập thước, chọn gốc tọa độ là VTCB của chúng Kích vào “Đánh dấu” để ghi tọa độ