CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC NỘI DUNG “DAO ĐỘNG” VÀ “SÓNG” – VẬT LÍ 11 (CTGDPT 2018) NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC VẬT LÍ CỦA HỌC SINH
2.3. Xây dựng các thí nghiệm cụ thể
2.3.2. Thí nghiệm vẽ đồ thị dao động của con lắc đơn, con lắc lò xo
- [2.5] Chứng tỏ đồ thị li độ dao động của con lắc đơn, con lắc lò xo là hàm điều hòa theo thời gian.
- [2.5] Chứng tỏ đồ thị vận tốc, gia tốc của vật (trường hợp con lắc lò xo) là hàm điều hòa theo thời gian có cùng chu kì với li độ.
- [2.5] Chứng tỏ được vận tốc nhanh pha hơn li độ một góc 2
, gia tốc nhanh pha hơn vận tốc một góc
2
và vmax =. ;A amax =2.A. b) Vật tư, dụng cụ
35
Bảng 2.4. Dụng cụ và vật tư thí nghiệm vẽ đồ thị con lắc đơn, con lắc lò xo
Vật tư, dụng cụ Hình ảnh
Sử dụng bộ thí nghiệm hiện hành:
- Đế 3 chân.
- 2 trụ ɸ10 (dài 50 cm).
- Dây dù.
- 1 lò xo Đức (dài 6 cm) - 2 khớp nối
- 1 gia trọng 50g - 1 quả nặng 210g - Phần mềm Tracker - Điện thoại thông minh - Laptop
Đế 3 chân Dây dù 2 trụ ɸ10
Quả nặng 210g Gia trọng 50g 2 khớp nối
Lò xo (Đức)
Phần mềm Tracker
c) Tiến hành thí nghiệm
* Giới thiệu sơ lược phần mềm và cách cài đặt
Tracker là một công cụ mô hình hóa và phân tích video miễn phí được xây dựng trên khung Java của Open Source Physics (OSP) là một dự án được tài trợ bởi Quỹ Khoa học quốc gia và đại học Davidson (Mỹ), được thiết kế để sử dụng trong dạy học vật lí như vẽ đồ thị, giải phương trình vi phân…[15], [18].
36
Hình 2.2. Phần mềm Tracker
*Cài đặt chương trình
Ta có thể thể tải phần mềm Tracker Video Analysis và lựa chọn nhiều phiên bản từ trang web: https://physlets.org/tracker/ [18]
Hình 2.3. Giao diện website tải phần mềm Tracker Video Analysis
Các phiên bản Tracker Video Analysis từ 4.9 trở về trước để hoạt động cần cài đặt thêm java, phiên bản mới nhất 6.1.2 không cần cài đặt Java.
Sau khi đã tải xong phần mềm thì chúng ta bắt đầu tiến hành cài đặt vào máy tính theo các bước như sau: [10]
Bước 1: Chạy cài đặt chương trình Tracker và sẽ xuất hiện cửa sổ như hình:
37
Bước 2: Rồi ta chọn Next => I accept the agreement:
Bước 3: Ta chọn Next và sau đó chọn nơi cài đặt và bấm Next:
Bước 4: Sau khi chọn nơi cài đặt và chọn Next thì tích chọn Video and Experiments như hình:
Bước 5: Chọn Install để chương trình cài đặt và sau khi cài đặt xong bấm Finish.
38
* Thí nghiệm vẽ đồ thị con lắc đơn
Bước 1. Tạo giá thí nghiệm: Lắp trụ ɸ10 vào đế 3 chân vặn vít chặt, dùng khớp nối lắp thêm 1 trụ ɸ10. Dùng dây dù vắt qua trụ ɸ10 mới lắp, đồng thời vắt qua vít của khớp nối thứ 2 tạo gốc ổn định.
Bước 2. Gắn gia trọng vào dây dù và tiến hành kéo lệch một góc so với vị trí cân bằng rồi thả và dùng điện thoại quay lại.
Bước 3. Mở phần mềm Tracker Video Analysis, vào và chọn file video đã có về dao động của con lắc đơn.
39
Bước 4. Điều chỉnh kích thước đoạn video mà ta cần phân tích (vào Clip setting).
Bắt đầu từ frame 0 hoặc tùy chọn.
Bước 5. Đưa thang đo vào video (chọn / Calibtation Stick), ấn giữ nút Shift và tick chuột vào hai điểm bất kỳ trong video mà ta lấy làm thước đo quãng đường sẽ hiện ra dấu thang đo như sau. Ta có thể chỉnh kích thước thang đo bằng cách bấm vào số chỉ trên thang đo và sau đó thay chỉ số thang đo theo thước đo thực tế.
và đưa hệ quy chiếu (chọn )vào video và chỉnh gốc tọa độ cho thích hợp.
40
Bước 6. Chọn dấu hiệu trên thanh công cụ và sau đó chúng ta chọn Point Mass đối với các vật chuyển động.
Sau khi chọn Point Mass chúng ta ấn giữ nút Shift và dùng chuột tick vào vật tại các vị trí khác nhau của vật đang chuyển động mà ta đang phân tích theo quãng đường. Chú ý chỉnh khối lượng m về giá trị thật (VD trong hình m = 0.05 kg)
41
Ta có thể thay đổi các đại lượng khác theo các trục trên đồ thị bằng cách tick chuột vào điểm “x(m)” và “t(s)” trên đồ thị.
Chuột phải vào đồ thị li độ-thời gian (x-t) chọn Analyze, tiếp tục vào Analyze chọn Curve Fitter khớp hàm với dạng đồ thị tương ứng là Sinusoid (Dạng Sin). (Lưu ý: Trong trường hợp hàm chuẩn không khớp với hàm thực tế thì cần bôi đen hai cột x-t, y-t tương ứng).
*Thí nghiệm vẽ đồ thị con lắc lò xo
Thực hiện tương tự như với các bước của con lắc đơn, ta tiến hành lắp đặt như hình (Chú ý tâm hệ trục tọa độ tại trung điểm của quãng đường quả nặng dịch chuyển)
Bước 1. Lắp các thiết bị tạo thành con lắc đơn như hình 2
Bước 2. Kéo quả nặng xuống dưới 1 đoạn khoảng 3 cm so với vị trí cân bằng rồi thả cho vật dao động, dùng điện thoại quay lại dao động của vật.
Bước 3. Mở phần mềm Tracker Video Analysis, chọn file video đã có về dao động của con lắc lò xo.
Bước 4. Điều chỉnh kích thước đoạn video mà ta cần phân tích (nhấn Clip setting). Bắt đầu từ frame 0 hoặc tùy chọn.
42
Bước 5. Đưa thang đo và hệ tọa độ vào video: Chọn / Calibtation Stick, dùng chuột kéo 2 đầu của thước trùng với điểm biên của vật dao động trong video; click chuột trái vào ô giá trị chiều dài trên thước để nhập giá trị đúng với thực tế (2 lần giá trị biên).
Bước 6. Đưa hệ tọa độ vào video: Chọn trên thanh công cụ, sau đó dùng chuột để di chuyển gốc tọa độ O đến vị trí cân bằng của vật nặng.
Bước 7. Chọn dấu hiệu trên thanh công cụ, sau đó chọn Point Mass đối với các vật chuyển động.
Bước 8. Chọn các đại lượng cần khảo sát (vẽ đồ thị): Click chuột vào nút Columns để lựa chọn các đại lượng cần khảo sát: li độ theo phương thẳng đứng (y), vận tốc theo phương thẳng đứng (vy); gia tốc theo phương thẳng đứng (ay). Nhấn chuột vào nút Plot/chọn số đồ thị cần hiển thị (giả sử là 3).
Bước 9. Nhấn giữ nút Shift và click chuột trái vào 1 vị trí đã đánh dấu trên vật (chính giữa vật hoặc mép vật) liên tiếp, mỗi lần click thì sẽ có bộ giá trị y-t, vy – t; ay – t trong bảng số liệu và tương ứng với một điểm trên đồ thị (như hình 4).
Bước 10. Click chuột phải vào đồ thị li độ-thời gian (x-t) chọn Analyze, tiếp tục vào Analyze chọn Curve Fitter khớp hàm với dạng đồ thị tương ứng là Sin). Khi đó, phần mềm sẽ xác định các thông số của hàm sin.
d) Kết quả thí nghiệm, xử lí kết quả và kết luận.
• Đồ thị của con lắc đơn
Đồ thị 2.1. Đồ thị li độ-thời gian (x-t) con lắc đơn
- Biên độ là khoảng cách từ VTCB O đến vị trí cao nhất (A = 9 cm), chu kì T = 1s, f = 1/T = 1 Hz, tần số góc 𝜔 = 𝐵 = 6,289 = 2𝜋 (rad/s)
43
- Từ đồ thị có thể thấy rằng 𝜔 =2𝜋
𝑇.
Đồ thị li độ theo phương ngang - thời gian (x-t) của con lắc đơn dao động có dạng hình sin có biểu thức là: x=9sin(2t−16,1)cm.
• Đồ thị của con lắc lò xo
Đồ thị li độ - thời gian (y-t)
Đồ thị vận tốc - thời gian (vy-t)
Đồ thị gia tốc - thời gian (ay-t)
Đồ thị 2.2. Đồ thị li độ, vận tốc, gia tốc theo thời gian trong dao động của con lắc lò xo
44
- Biên độ là khoảng cách từ VTCB O đến vị trí cao nhất (A = 2,804 cm), chu kì T = 0,5s, f = 1/T = 2 Hz, tần số góc 𝜔 = 𝐵 = 11,22 (rad/s). Có thể thấy rằng 𝜔 ≈ 2𝜋
𝑇. - Từ biểu thức khớp hàm ta thấy: A = 2,8 cm, vmax = 0,306 (m/s) 0,028.11,23 = .A;
amax = 3,35 (m/s2) 0,028.11,232 = A.2.
- Đồ thị li độ - thời gian, vận tốc – thời gian, gia tốc – thời gian của con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng có dạng hình sin (là hàm điều hòa theo thời gian), biến thiên cùng chu kì (cùng tần số góc là 11, 23 rad/s – hệ số B trong biểu thức khớp hàm ở 3 đồ thị như nhau.
- Tại cùng một thời điểm (thể hiện qua đường nét đứt dóng thẳng), vận tốc nhanh pha hơn li độ một góc
2
, gia tốc nhanh pha hơn vận tốc một góc 2
.
e) Ý tưởng sử dụng TN trong dạy học để phát triển NL Vật lí của HS - Các biểu hiện của NL vật lí có thể phát triển
+ [2.5] Chứng tỏ đồ thị li độ dao động của con lắc đơn, con lắc lò xo là hàm điều hòa theo thời gian.
+ [2.5] Chứng tỏ đồ thị vận tốc, gia tốc của vật (trường hợp con lắc lò xo) là hàm điều hòa theo thời gian có cùng chu kì với li độ.
+ [2.5] Chứng tỏ được vận tốc nhanh pha hơn li độ một góc 2
, gia tốc nhanh pha hơn vận tốc một góc
2
và vmax =. ;A amax =2.A. - Cách thức tổ chức
Chuyển giao nhiệm vụ
- GV giao nhiệm vụ về nhà vào tiết trước: cài đặt và tìm hiểu cách sử dụng của phần mềm Tracker.
- Yêu cầu học sinh thực hiện thí nghiệm theo nhóm, tiến hành thí nghiệm với con lắc lò xo để học sinh quan sát được hình ảnh đồ thị như hình 5.
- Từ các đồ thị như hình 5, yêu cầu học sinh thực hiện theo nhóm 8 người để thảo luận, trả lời câu hỏi trong phiếu học tập.
- Các nhóm thao tác tương tự thu được đồ thị li độ - thời gian (x-t) của con lắc đơn.
Phiếu học tập
+ CH1: Cho biết ba đồ thị trên có dạng hàm số nào theo thời gian? Tại sao?
+ CH2: So sánh mối quan hệ về tần số góc, biên độ, độ lệch pha giữa vận tốc và li độ, giữa gia tốc và vận tốc.
Thực hiện nhiệm vụ - HS thực hiện nhiệm vụ theo nhóm, thảo luận để trả lời hai câu hỏi trên.
45
- GV quan sát, hỗ trợ các nhóm gặp khó khăn.
Báo cáo, trình bày, kết luận
- GV gọi các nhóm mang kết quả lên bảng trình bày, các nhóm khác nhận xét.
- GV nhận xét phần trình bày của các nhóm.
Dự kiến kêt quả:
Trả lời 1: Ba đồ thị có dạng hàm số sin theo thời gian vì phía dưới đồ thị có biểu thức hàm sin
Trả lời 2: Tần số góc của ba đại lượng là bằng nhau (bằng 11,23 rad/s); vận tốc nhanh pha hơn li độ một góc
2
, gia tốc nhanh
pha hơn vận tốc một góc 2
; về biện độ vmax = 0,306 (m/s) 0,028.11,23 = .A; amax = 3,35 (m/s2) 0,028.11,232 = A.2. - Đồ thị x-t của con lắc đơn
Chốt kiến thức Trên cơ sở kết quả, GV khái quát hóa biểu thức của ba đại lượng trong dao động điều hòa:
Li độ: x= Acos( t+ )
Vận tốc: . os( )
v=A c t+ +2
Gia tốc: a=2A c. os( t+ + )= −2x
Bình luận: Phần mềm Tracker bộc lộ nhiều ưu điểm có thể vẽ đồ thị tương đối tốt mà không cần kết nối thêm cảm biến hay phải sử dụng bộ thí nghiệm hiện hành.