Sử dụng phần mềm Working Model để thiết kế các thí nhiệm mô phỏng trong phần cơ học

Working Model được dùng để mô phỏng phân tích các kết cấu tĩnh hoặc có thể phân tích động lực học cho các hệ thống cơ học. Trong dạy học Vật lí sự hỗ trợ của phần mềm là rất cần thiết, các thí nghiệm cơ học tĩnh hoặc động được thiết kế dễ dàng. Trong các quá trình cơ học biến đổi nhanh Working Model còn cho phép ta xem ảnh hoạt nghiệm của chúng, chính điều này cho ta quan sát một cách trực quan quỹ đạo chuyển động của vật… Còn nhiều tính năng mạnh nữa nếu ta nghiên cứu sâu về Working Model.

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong dạy học vật lý, việc bồi dưỡng cho học sinh những phương pháp đặc thù như phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô hình cũng như việc gắn bài giảng với thực tiễn cuộc sống là nhiệm vụ hết sức quan trọng Song việc tổ chức dạy học bằng hoạt động và thông qua các hoạt động của học sinh lại gặp phải những khó khăn nhất định như trang thiết bị còn thiếu, không đồng bộ, khi nghiên cứu các chuyển động cơ học các đại lượng vật lý biến đổi nhanh theo thời gian thì các phương tiện truyền thống không thể hỗ trợ cho việc nghiên cứu bằng thực nghiệm một cách đầy đủ

Để phần nào giải quyết các khó khăn trên, đã có rất nhiều phần mềm hỗ trợ

mô phỏng các thí nhiệm, các hiện tượng cơ học như Crocodile Physics, Pakma, Flash Tuy nhiên các phần mềm trên thường có kho các thí nghiệm khá hạn chế hoặc khó sử đụng do nó đòi hỏi người dùng phải biết lập trình, do vậy việc tìm một phần mềm hỗ trợ cao về các hiện tượng cơ học và dễ sử dụng trở nên cần thiết, Working Model là một phần mềm đáp ứng được yêu cầu này Qua thực tế sử dụng cho thấy, phần mềm này có khả năng đáp ứng đầy đủ các tính năng cần thiết của một bộ phần mềm mô phỏng Working Model được dùng để mô phỏng phân tích các kết cấu tĩnh hoặc có thể phân tích động lực học cho các hệ thống cơ học Trong dạy học Vật lí sự hỗ trợ của phần mềm là rất cần thiết, các thí nghiệm cơ học tĩnh hoặc động được thiết kế dễ dàng Trong các quá trình cơ học biến đổi nhanh Working Model còn cho phép ta xem ảnh hoạt nghiệm của chúng, chính điều này cho ta quan sát một cách trực quan quỹ đạo chuyển động của vật… Còn nhiều tính năng mạnh nữa nếu ta nghiên cứu sâu về Working Model Do vậy tôi

chọn đề tài: “Sử dụng phần mềm Working Model để thiết kế các thí nhiệm mô

phổng trong phần cơ học” cho sáng kiến kinh nghiệm của mình.

II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Khai thác Working Model để thiết kế thí nghiệm mô phỏng vật lý phần cơ học nhằm góp phần đổi mới PPDH theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức

để từ đó mà nâng cao chất lượng dạy học môn Vật lý bậc Trung học

PHẦN NỘI DUNG

I TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM WORKING MODEL

1 Giới thiệu phần mềm Working Model

Phần mềm mô phỏng (simulation software) được sử dụng ngày càng nhiều trong dạy học phổ thông hỗ trợ cho phương pháp dạy học truyền thống kết hợp với công nghệ thông tin

Các lý do để ngày càng nhiều giáo viên Vật lí chọn phần mềm Working Model bao gồm:

– Một là, mô phỏng bằng máy tính sẽ mang lại tính an toàn và hiệu quả

trong dạy học so với thực nghiệm

– Hai là, công cụ mô phỏng giúp học sinh nắm được các khái niệm một

cách linh hoạt, dễ liện hệ thực tế hơn và có thể thay đổi các thông số cho phù hợp

– Ba là, trong quá trình giảng dạy với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng

làm cho bài giảng sinh động và hiệu qua các hiện tượng được mô phỏng.Working Model là một trong những phần mềm thoã mãn đầy đủ các tính năng cần thiết của

một bộ phần mềm mô phỏng Working Model có thể phân tích thiết kế, đo đạc các

đại lượng vật lý ở bất kỳ đối tượng nào trong hệ thống, xem kết quả xuất hiện dưới dạng vectơ, giá trị số hay đồ thị Ngoài ra nó còn cung cấp các công cụ liên kết các đối tượng Tạo các vật thể và khai báo các đặc trưng như khối lượng, lực, chiều dài, mô phỏng quá trình tiếp xúc, va chạm, ma sát…tạo các đoạn phim ngắn

Hình 1: Giao diện phần mềm Working Model.

2 Cách thức làm việc của Working Model

a Thao tác với các đối tượng trong Working Model

Thao tác với các đối tượng trong Working Model chủ yếu được thực hiện với chuột

b Working Model là môi trường soạn thảo thông minh

Working Model cho phép người sử dụng dùng chuột thao tác với mô hình

mà không phá vỡ hoặc vi phạm các liên kết và ràng buột giữa các đối tượng Mô hình có thể dễ dàng kéo rê và dịch chuyển trong vùng làm việc của nó

Môi trường soạn thảo của Working Model được thiết kế phục vụ cho việc thực hiện các thao tác bằng cách click và drag chuột ở mức nhiều nhất có thể

c Cách thức làm việc của Working Model dùng

Tất cả các chuyển động được tạo ra trong môi trường Working Model đều được dựa trên các nguyên lí động lực học cơ bản như phương trình định luật II Niutơn, các phương trình động học…

Working Model còn thiết lập một số mô hình ma sát và các kết quả thực nghiệm mô tả các tính chất không đàn hồi và va chạm

3 Cách sử dụng Working Model để thực hiện các mô phỏng

Trên giao diện thiết kế của Working có rất nhiều công cụ dùng để thiết kế các mô phỏng Chức năng cũng như cách sử dụng của các công cụ này tôi sẽ giới thiệu thông qua việc hướng dẫn thiết kế các chương trình đơn giản Từ các chương trình đơn giản này người dùng có thể tạo ra được các sản phẩm phức tạp hơn tùy vào sự sáng tạo của mình

a Thả các vật xuống va chạm với mặt sàn nằm ngang

Thiết kế mô hình như hình vẽ

Bước 1: Khởi động Working Model

Bước 2: Chọn công cụ vẽ hình chữ nhật Rectangle từ toolbar body, nhấp và

kéo vẽ hinh chữ nhật

Bước 3: Nhấp Run thì thấy hình chữ nhật rơi xuống, để cố định ta nhấp

Reset Chọn biểu tượng hình neo (Anchor) từ toolbar body, nhấp vào hình chữ nhật Nhấp Run thì hình chữ nhật đã được cố định

Bước 4: Chọn công cụ vẽ hình tròn (Circle) từ toolbar body, nhấp và kéo vẽ

hình tròn Chọn hình tròn vừa vẽ và chọn Edit\Copy, tiếp tục chọn Edit\Paste ta được hai hình tròn giống nhau, lặp lại thao tác đó ta có 3 hình tròn giống nhau Nhấp vào hình tròn và rê các hình tròn vào vị trí giống như hình vẽ

Bước 5: Ban đầu 3 hình tròn có màu giống nhau, để đổi màu ta nhấp chọn

hình tròn sau đó chọn Window\Apperance\Frame sau đó chọn màu thích hợp Nhấp Run ta sẽ thấy ba vật rơi xuống va chạm đàn hồi với sàn

Bước 6: Để thay đổi tính chất vật liệu ta nhấp chọn vật và nhấp đúp chuột,

hộp Properties hiện ra, chọn Material để thay đổi tính chất vật liệu, chọn elastic để thay đổi độ nẩy, chọn mass để thay đổi khối lượng …

Như vậy ta đã thiết kế được một chương trình mô phỏng đơn giản bằng Working Model

b Hai vật va chạm nhau trên mặt phẳng nằm ngang

*Thiết kế mô hình như hình vẽ

Bước 1: Chọn và vẽ các đối tượng tương tự như trên Nhấp Run thấy không

có hiện tượng gì xảy ra vì vận tốc mặc định ban đầu bằng không

Bước 2: Nhấp đúp vào vật 1 chọn vx = 1m/s, chọn vật 2 với vx = –1m/s, nhấp đúp hình chữ nhật chọn stat.fric = 0 và kin.fric = 0 (hệ số ma sát bằng không)

Bước 3: Nhấp Run, hai vật va chạm nhau trên mặt phẳng nằm ngang.

c Vật trượt trên mặt phẳng nghiêng

Bước 1: Chọn công cụ vẽ hình chữ nhật, và vẽ một hình chữ nhật nhỏ hơn

đặt trên hình chữ nhật lớn như hình vẽ

Bước 2: Sau đó nhấp chọn cả 2 và sử dụng công cụ Rotate tool để quay

thành hệ thống vật đặt trên mặt phẳng nghiêng (hình vẽ)

Công cụ Rotate tool

Bước 3: Chọn Run thì thấy vật trượt trên mặt phẳng nghiêng

Bước 4: Để xem biểu diễn lực tác dụng lên vật chọn vật cần biểu diễn lực\

chọn define\ vectors\ Gravitational Force(trọng lực) ; lặp lại thao tác đó chọn Contact Force(phản lực), Frictional Force(lực ma sát)…

Bước 5: Chọn Run để xem biểu diễn lực trong quá trình vật trược trên mặt

phẳng nghiêng

d Vật dao động điều hoà

Bước 1: Sử dụng công cụ vẽ hệ lò xo như hình dưới

Bước 2: Chọn công cụ Anchor (neo) để cố định điểm treo Chọn Run để

xem lò xo dao động

Bước 3: Để xem đồ thị của vật dao động điều hoà ta làm như sau: Nhấp vật

cần xem đồ thị Chọn Measure\ Position\ All

e Dao động của con lắc dơn

Bước 1: Chọn công cụ vẽ con lắc đơn như hình vẽ, dây treo con lắc dùng

công cụ Rol

Bước 2: - Sau khi liên kết xong, nhấp Run để xem con lắc dao động

- Nếu muốn xem đồ thị dao động thao tác tương tự như con lắc

lò xo Chú ý muốn xem đồ thị dao động của vật nào thì nhấp chọn vật đó

Bước 3: Để xem ảnh hoạt nghiệm của

con lắc đơn trong quá trình dao động ta chọn:

World\ Tracking\ Every frame hoặc Every 2

frame\ Every 4 frame…

III CÁC SẢN PHẨM CỤ THỂ ĐÃ THIẾT KẾ ĐƯỢC

Trình tự thể hiện của các mục kiến thức đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và bám sát nội dung SGK, mục tiêu chương trình Tuy nhiên, GV không nhất thiết phải sử dụng các sản phẩm này mà có thể điều chỉnh mô phỏng thêm, bớt các mục theo một ý tưởng riêng mình

Hình 2: Thí nhiệm sự phụ thuộc thời gian rơi tự do vào độ cao của vật

Hình 3: Thí nhiệm kiểm chứng định luật II Newton

Hình 4: Thí nhiệm mô phỏng chuyển động của vật bị ném ngang

Hình 5: Thí nhiệm sự phụ thuộc tầm xa của vật ném xiên.

Hình 6: Thí nhiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng

Hình 7: Thí nhiệm về dao động điều hòa của con lắc lò xo.

Hình 8: Mô phỏng đồ thị của vật dao động điều hòa.

IV THIẾT KẾ BÀI GIẢNG CÓ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM WORKING MODEL

Để thiết kế bài giảng với phần mềm Working Model, trước hết phải tạo ra các sản phẩm thí nghiệm mô phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm, đây là một công việc không dễ dàng vì còn mới mẻ, đòi hỏi đầu tư ý tưởng, chuẩn bị công phu và sau nữa phải thực hiện đúng quy trình thiết kế: Xác định mục tiêu cả bài học và mục tiêu của từng bước, giai đoạn, của từng hoạt động Xác định được những hoạt động chủ yếu trong tiến trình dạy học

Sản phẩm bài dạy sử dụng sản phẩm thiết kế

từ Working Model vào bài giảng

Phương pháp tọa độ - Chuyển động của một vật bị ném ngang

1 Mục tiêu

a Kiến thức

Làm quen với phương pháp nghiên cứu các kiến thức vật lý theo PP thực nghiệm

Diển đạt được các khái niệm: Chuyển động thành phần ,chuyển động tổng hợp, phân tích chuyển động

Trình bày được nội dung chính của phương pháp động lực học

Chỉ ra các đặc điểm quan trọng của chuyển động ném ngang

Phát biểu được định nghĩa và nêu được điều kiện để có thể phân tích một lực thành hai lực thành phần đồng quy

b Kỹ năng

Áp dụng được định luật II Newton để lập các phương trình chuyển động thành phần của chuyển động vật bị ném ngang

Dùng cách tổng hợp hai chuyển động thành phần để được chuyển động tổng hợp (chuyển động thực) Giải được một số dạng bài tập về chuyển động (SGK)

Vẽ được (định tính) quỹ đạo của vật bị ném ngang và các xác định vectơ gia tốc, vận tốc tại mọi điểm trên quỹ đạo

Xử lý các thông tin rút ra từ thí nghiệm mô phỏng chuyển động của vật ném ngang để rút ra kết luận chuyển động

c Thái độ

Qua thí nghiệm kiểm chứng phát hiện ra đặc điểm lý thú của chuyển động vật bị ném ngang là thời gian rơi bằng thời gian rơi tự do ở cùng độ cao mà không phụ thuộc vào vận tốc ném ngang Củng cố niềm tin vào tính đúng đắn của phép phân tích và tổng hợp chuyển động

2 Chuẩn bị của giáo viên và học sinh

GV: MVT và thí nghiệm mô phỏng về chuyển động của vật ném ngang HS: SGK, quả bóng bàn, banh nhựa, đồng hồ bấm giây, thước

3 Tổ chức hoạt động nhận thức

Khái niệm về chuyển động vật bị ném ngang được xây dựng dựa vào nhu cầu nhận thức hay một khó khăn nhận thức mà có thể vượt qua được đó là loại chuyển động thường gặp Quỹ đạo của nó là một đường cong, phẳng mà trong toán học gọi là đường parabol trong khi đó vốn kiến thức đã biết của HS chỉ là chuyển động thẳng biến đổi và sự rơi tự do

Khi thiết kế bài giảng, GV dùng phần mềm minh họa để thay thế chuyển động cong, phẳng của một vật bằng hai chuyển động thẳng tương đương từ hai hình chiếu của vật trên hai trục tọa độ Dercates nhằm tăng cường tính trực quan trong dạy học, hỗ trợ cho quá trình nhận thức của HS

Trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS ở phần xác định tính chất của mỗi chuyển động thành phần: GV tiến hành chia lớp thành 4 nhóm (hai nhóm sẽ xác định tính chất của mỗi chuyển động thành phần, hai nhóm sẽ viết phương trình chuyển động).Với sự hỗ trợ của WM, GV có thể phân công nhiệm vụ

và hướng dẫn ngay trên màn hình MVT, giúp cho HS tiếp thu kiến thức được dễ dàng

Khi xác định chuyển động tổng hợp từ các chuyển động thành phần chẳng hạn thời gian rơi, vận tốc tức thời GV hướng dẫn cho HS thực hiện phép tổng hợp hai chuyển động thành phần

Sau khi dạy toàn bộ nội dung kiến thức, cuối tiết học GV cho HS làm một số bài tập vận dụng liên quan đến thực tế nhờ vào phần mềm WM

4 Tiến trình dạy học

a Phương pháp tọa độ: Trình bày như PPDH truyền thống

b Chuyển động vật bị ném ngang

GV cho HS làm thí nghiệm ném ngang (bóng và banh đạt trên mép bàn) để quan sát quỷ đạo, dùng thước đo tầm xa và đồng hồ để đo thời gian rơi

Trong thí nghiệm thực khi GVvà HS cùng tiến hành, HS chỉ quan sát quỹ đạo bằng định tính vì thời gian của quá trình rất ngắn, các đại lượng như vận tốc tức thời, trọng lực… không thể biểu diển một cách tường minh

GV: Tổ chức lớp bằng cách chia lớp học thành 4 nhóm Yêu cầu HS dự đoán quỹ đạo trước khi tến hành thí nghiệm thực và yêu cầu các nhóm thảo luận để cho biết phương chiều, độ lớn của vectơ vận tốc tức thời, vectơ trọng lực tại một số thời điểm trước khi tién hành thí nghiệm mô phỏng

GV: Cho cả lớp quan sát đoạn phim mô phỏng vật bị ném ngang (hình 1) Mục đích của đoạn mô phỏng này là để HS nhận thấy quỹ đạo của vật bị ném ngang và phương, chiều của vectơ vận tốc, trọng lực của vật tại từng thời điểm điều mà phương pháp dạy học truyền thống không thể làm được

Với thí nghiệm được thiết kế trên WM có thể giúp cho GV giải quyết được một phần khó khăn mà bài giảng truyền thống chưa khắc phục được và sẽ dành nhiều thời gian cho tổ chức hoạt động nhận thức của HS

Hình 9

Sau khi quan sát các TN , GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi trong phiếu học tập :

Qũi đạo của vật là đường parabol

Vectơ vận tốc tức thời có phương, chiều và độ lớn thay đổi.

GV: Trình bày phép phân tích chuyển động, đây là khái niệm mới đối với HS Thay thế chuyển động cong của vật bằng các chuyển động thẳng của hình chiếu vật đó trên hai trục tọa độ (chuyển động thành phần)

Yêu cầu từng nhóm lên bảng để chọn hệ tọa độ và xác định các hình chiếu theo trục Mx, My của vật M tại một vài điểm trên quỹ đạo cong parabol

GV trình chiếu lên màn hình MVT phép phân tích chuyển động

Hình 10

TN mô phỏng phân tích chuyển động của vật bị ném ngang để HS nhìn thấy một cách trực quan về phân tích chuyển động của vật (hình 2)

Khi vật chuyển động, thì hình chiếu của nó trên các trục tọa độ cũng chuyển động theo đó là chuyển động thành phần của chuyển động thực và thay vì xét trực tiếp chuyển động thực bằng cách xét các chuyển động thành phần được gọi là phép phân tích chuyển động Lưu ý HS khi xét tại mỗi thời điểm trong một

hệ quy chiếu nhất định thì vật chỉ có một giá trị xác định Vật không thể đồng thời

ở vị trí này và ở vị trí kia, tức là vật không thể đồng thời tham gia hai chuyển động khác nhau

Bên cạnh phân tích chuyển động thực, qua thí nghiệm mô phỏng cho Hs thấy được ta có thể phân tích vectơ vận tốc tức thời tại các thời điểm thành hai vectơ thành phần (theo phương ngang và theo phương thẳng đứng)

Để xác định tính chất của chuyển động thành phần Áp dụng:

Phương trình định luật II Newton dưới dạng hình chiếu (HS có thể tự thực hiện) Qua thí nghiệm mô phỏng để HS thấy phương, chiều và độ lớn các vectơ Vx, Vy: Chuyển động của Mx là chuyển động thẳng đều (quán tính)

Chuyển động của My là chuyển động rơi tự do (chỉ có trọng lực)

Với giả thiết như phần thí nghiệm mô phỏng yêu cầu các nhóm: Vẽ qũi đạo vật ném ngang (lập bảng) chuyển động tổng hợp Từ vectơ vận tốc của chuyển động thành phần hãy biểu diễn hướng và tính độ lớn của vectơ vận tốc của chuyển động tổng hợp tại thời điểm vật chạm đất Tính thời gian chuyển động của vật ném ngang và so sánh với thời gian rơi tự do của vật ở cùng độ cao Tầm ném xa

c Thí nghiệm kiểm chứng

Hình 11: Dùng thí nghiệm mô phỏng để kiểm chứng kết quả

Sau khi học xong bài học, học sinh sẽ dùng máy tính, kiểm tra các kết quả đạt được trong tiết học thông qua thí nhiệm kiểm chứng Trong thí nhiệm này, học sinh được thay đổi các thông số của thí nghiệm để kiểm tra và củng cố kiến thức của mình

Trên đây là một sản phẩm bài dạy ví dụ mà tôi đã thiết kế trong quá trình làm đề tài Và chắc chắn các thí nhiệm trên còn có thể ứng dụng vào rất nhiều bài học khác tùy vào mục đích sử dụng và sự sáng tạo của người giáo viên