SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT HOẰNG HOÁ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM HỆ THỐNG KIẾN THỨC TRỌNG TÂM CHƯƠNG SĨNG CƠ - VẬT LÍ LỚP 12 Người thực hiện: Nguyễn Văn Trào Chức vụ: Tổ trưởng chun mơn SKKN thuộc mơn: Vật lí THANH HÓA NĂM 2017 MỤC LỤC Trang A MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Vật lí mơn học khó, học sinh muốn học tốt cần phải hiểu chất tượng vật lí, hệ thống kiến thức trọng tâm vận dụng để giải tập Mặt khác tập vật lí đa dạng phong phú Trong phân phối chương trình số tiết ơn tập lại khơng nhiều so với nhu cầu cần hệ thống kiến thức học sinh Chính thế, giáo viên giảng dạy cần phải định hướng cho học sinh hệ thống lại kiến thức trọng tâm chương học cách tốt nhằm giúp em có kiến thức tổng hợp, phân loại giải dạng tập chủ đề vật lí học, tạo cho học sinh niềm say mê, hứng thú yêu thích mơn học Trong đề thi trung học phổ thông Quốc gia, đề thi học sinh giỏi năm gần đây, câu hỏi chủ đề sóng đa dạng phong phú Gặp câu hỏiliên quan đến chủ đề học sinh thường lúng túng việcvận dụng kiến thức, phân loại tìm cho phương pháp giải nhanh hiệu Do thời gian làm ảnh hưởng đến thời gian làm câu hỏi khác kết thi khơng cao Vì việc hệ thốngkiến thức trọng tâm áp dụng kiến thức để đưa phương pháp giải tập cho học sinh sau học xong chươnglà cần thiết.Hiện chưa có nhiều tài liệu sâu nghiên cứu hệ thống kiến thức trọng tâm chủ đề sóng Qua thực tế 17 năm giảng dạy trường trung học phổ thông hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng từ phân loại đưa phương pháp giải dạng tậpvề chủ đề Vì tơi chọn đề tài sáng kiến kinh nghiệm để nghiên cứu là: “Hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng - vật lí lớp 12” II Mục đích nghiên cứu Mục đích đề tài giúp em học sinh hệ thống lại kiến thức trọng tâm chương sóng chương trình vật lí 12 từ em phân loại đưa phương pháp giải tập sóng cách nhanh nhất, xác đạt hiệu cao III Đối tượng nghiên cứu Đề tài “Hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng - vật lí lớp 12” tập trung nghiên cứu hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng bao gồm kiến thức trọng tâm sóng học, giao thoa sóng, sóng dừng sóng âm chương trình vật lý lớp 12 THPT IV Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lí luận - Nghiên cứu sở lí luận để làm sáng tỏ vai trò việc hệ thống kiến thức trọng tâm dạy học vật lí, áp dụng để giải dạng tập sóng nói riêng tập vật lí nói chung Nghiên cứu thực tiễn - Nghiên cứu nội dung sách giáo khoa tìm hiểu chương trình vật lí lớp 12 THPT, nghiên cứu tài liệu tham khảo có liên quan để xác định dạng tập sóng Từ xác định kiến thức tốn học có liên quan để vận dụng giải tập sóng chương trình vật lý 12 nhanh xác Thực nghiệm sư phạm - Tiến hành giảng dạy song song với việc tìm hiểu học sinh lớp 12 trường THPT Hoằng Hoá – Hoằng Hoá – Thanh Hoá Trên sở phân tích định tính định lượng kết thu trình thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi tính hiệu biện pháp đề tài sáng kiến đưa - Thời gian tiến hành thực nghiệm sư phạm: Từ tháng 08 năm 2015 đến tháng 05 năm 2017 - Địa điểm: Trường THPT Hoằng Hoá – Hoằng Hoá – Thanh Hoá V Những điểm sáng kiến kinh nghiệm - Đề tài“Hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng - vật lí lớp 12” hệ thống đầy đủ kiến thức trọng tâm sóng bao gồm kiến thức lý thuyết công thức quan trọng - Từ kiến thức trọng tâm giúp em học sinh phân loại đưa phương pháp giải phù hợp để giải số dạng tập thường gặp sóng học, giao thoa sóng, sóng dừng sóng âm chương trình vật lý lớp 12 THPT Từ giúp học sinh có kiến thức tổng hợp sóng để vận dụng vào giải câu hỏi tập sóng đề thi B NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM I Cơ sở lí luận sáng kiến kinh nghiệm Việc dạy học vật lí nhà trường phổ thơng khơng giúp học sinh hiểu sâu sắc đầy đủ kiến thức vật lí phổ thơng mà giúp em vận dụng kiến thức giải nhiệm vụ tập vật lí vấn đề xãy sống Để đạt điều đó, học sinh phải có kiến thức vật lý định phải thường xuyên rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo sống ngày Kỹ vận dụng kiến thức vật lí vào việc giải tập giải thích tượng xãy thực tế đời sống ngày thước đo độ sâu sắc vững vàng kiến thức vật lí mà học sinh học [ ] Vật lí mơn khoa học giúp học sinh nắm qui luật vận động giới vật chất tập vật lí giúp học sinh hiểu rõ qui luật vận động ấy, biết phân tích vận dụng quy luật vào thực tiễn Mặc dù giáo viên trình bày tài liệu cách rõ ràng, mạch lạc, hợp lơgíc, phát biểu định luật,làm thí nghiệm theo u cầu có kết xác điều kiện cần chưa đủ để học sinh nắm vững sâu sắc kiến thức vật lí Vì việc hệ thống kiến thức trọng tâm cho cho học sinh sau học chủ đề vật lí việc làm cần thiết quan trọng Từ kiến thức trọng tâm chủ đề vật lí hệ thống, học sinh vận dụng để phân loại đưa phương pháp giải tập vật lí, giải tình cụ thể nảy sinh đời sống ngày [ 7] II.Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Qua thực tế khảo sát học sinh lớp trực tiếp giảng dạy học sinh khối lớp trường nhận thấy việc hệ thống kiến thức trọng tâmsau học xong chủ đề vật lí học sinh trung học phổ thơng hạn chế Khi gặp dạng tập vật lí học sinh thường lúng túng q trình phân tích, phân loại dạng tập sử dụng kiến thức vật lí để giải tốn Các tài liệu tham khảo có thường giải số tập cụ thể, học sinh khơng áp dụng cho dạng tập dạng tương tự Các năm gần đây, để phân loại học sinh đề thi thường xuyên xuất số câu hỏi khó sóng Khi gặp dạng tập đòi hỏi học sinh phải sử dụng nhiều kiến thức toán học kết hợp với chất vật lí đưa cách giải nhanh xác Xuất phát từ thực trạng tơi viết đề tài “Hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng – vật lí lớp 12” nhằm hệ thống kiến thức chương sóng từ giúp em có kiến thức tổng hợp, phân loại đưa phương pháp giải phù hợp với dạng tập, giúp học sinh khắc sâu kiến thức vận dụng để giải tượng vật lí nảy sinh thực tế đời sống III Các biện pháp thực Các kiến thức trọng tâm sóng học 1.1 Định nghĩa phân loại sóng học * Định nghĩa: Sóng dao động lan truyền môi trường + Khi sóng truyền có pha dao động phần tử vật chất lan truyền phần tử vật chất dao động chỗ xung quanh vị trí cân cố định [ 1] ; [ 2] *Phân loại sóng cơ: + Sóng ngang: sóng có phương dao động phần tử mơi trường vng góc với phương truyền sóng [ 1] ; [ 2] Ví dụ: sóng mặt nước, sóng sợi dây cao su sóng ngang + Sóng dọc: sóng có phương dao động phần tử môi trường trùng với phương truyền sóng [ 1] ; [ 2] Ví dụ: sóng âm, sóng lò xo đàn hồi sóng dọc 1.2 Những đại lượng đặc trưng sóng hình sin + Chu kì, tần số sóng: Chu kì T tần số f sónglà chu kì tần số dao động chung phần tử mơi trường có sóng truyền qua chu kì tần số nguồn sóng + Bước sóng λ: quãng đường mà sóng truyền chu kỳ dao động v λ = vT = f + Bước sóng λ khoảng cách hai điểm gần phương truyền sóng dao động pha [ 1] ; [ 2] 2λ λ A E B λ Phương truyền sóng H F D C I J G λ + Tốc độtruyền sóng v : tốc độ truyền pha dao động môi trường + Biên độ sóng A: Biên độ sóng điểm biên độ dao động phần tử mơi trường điểm có sóng truyền qua + Năng lượng sóng W: Năng lượng sóng điểm lượng dao động phần tử mơi trường điểm có sóng truyền qua Năng lượng sóng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng điểm [ 1] ; [ 2] x 1.3 Phương trình sóng M Giả sử nguồn O mơi trường phương trình sóng có dạng: x uO =AOcos(ωt) M mơi trường phương trình sóng có dạng : uM=AMcosω(t-∆t) O Nếu bỏ qua mát lượng q trình truyền sóng biên độ sóng O M nhau: AO = AM = A x t x − Khi uM =Acosω(t - v ) =Acos 2π( T λ ) Tổng quát: Tại điểm O: uO = Acos(ωt + ϕ) Tại điểm M cách O đoạn x phương truyền sóng * Sóng truyền theo chiều dương trục Ox thì: uM = AMcos(ωt + ϕ - ω x v) = AMcos(ωt + ϕ - 2π x λ ) 2π x λ ) * Sóng truyền theo chiều âm trục Ox thì: uM = AMcos(ωt + ϕ + ω x v) = AMcos(ωt + ϕ + 1.4 Độ lệch pha a Độ lệch pha điểm nằm phương truyền sóng cách khoảng d ∆ϕ = 2πd λ ∆ϕ = 2kπ = - Nếu dao động pha 2π d ⇒ d = kλ λ => Hai điểm phương truyền sóng mà dao động pha cách nhaulà kλ - Nếu dao động ngược pha ∆ϕ = ( 2k + 1)π =>Hai điểm phương truyền sóng mà dao động ngược pha cách λ (2k+1) ∆ϕ = - Nếu dao động vng pha (2k + 1)π =>Hai điểm phương truyền sóng mà dao động vuông pha cách λ (2k+1) b.Độ lệch pha điểm môi trường vào hai thời điểm khác ∆ϕ = ω (t2 − t1 ) = ω.∆ t ∆ϕ = k π = - Nếu dao động pha 2π ∆t ⇒ ∆t = kT T ∆ϕ = (2k + 1)π = - Nếu dao động ngược pha - Nếu dao động vng pha ∆ϕ = 2π (2k + 1) T ∆t ⇒ ∆t = T (2k + 1)π 2π (2k + 1) T = ∆t ⇒ ∆t = [ 5] T Các kiến thức trọng tâm giao thoa sóng 2.1 Định nghĩa giao thoa sóng: Giao thoa tổng hợp hai hay nhiều sóng kết hợp khơng gian, có chổ cố định mà biên độ sóng tăng cường bị giảm bớt [ 1] ; [ 2] 2.2 Điều kiện giao thoa: Hai sóng phát từ hai nguồn sóng kết hợp phương, tần số có độ lệch pha không đổi theo thời gian 2.3 Giao thoa với hai nguồn dao động pha ( Δφ = k2π ) Giả sử hai nguồn dao động pha phương trình: uS1= uS2 = acosωt Xét điểm M cách hai nguồn d1, d2 ; khoảng cách hai nguồn l (m) Phương trình sóng M S1 S2 truyền đến có dạng S1 S2 uM1 = acos(ωt uM2 = acos(ωt - ω ω d1 v d2 v ) = acos(ωt ) = acos(ωt - 2π d1 λ ) 2π d2 λ ) + Phương trình sóng giao thoa M là: uM = uM1+ uM2= 2a cos π ( d − d1 ) π ( d + d1 ) cos(ω t − ) λ λ + Độ lệch pha hai dao động thành phần M là: ∆ϕ = ϕ1 − ϕ = Biên độ dao động tổng hợp M là: 2π (d − d1 ) λ AM = 2a cos(π d − d1 ) λ * Điểm M thuộc đường cực đại giao thoa : Δφ = φ1 - φ = k2π ⇒ =>d – d2 = kλ(k∈Z) Khi AM(max)= 2a *Số đường cực đại (gợn lồi) khoảng S1S2(khơng tính hai nguồn): − l l d1=d2=> M thuộc trung trực S1S2là đường cực đại bậc + Khi k= ±1, ±2 => M thuộc đường cực đại (gợn lồi) bậc bậc 2… * Điểm M thuộc đường cực tiểu giao thoa khi: Δφ = φ1 - φ = (2k+1)π λ (2k+1) =(k+0,5)λ(k∈Z) d1 – d2 = Khi AM(min)= *Số đường cực tiểu (gợn lõm) khoảng S1S2(khơng tính hai nguồn): − l l − 0,5 < k < − 0,5 λ λ + Khi k = n M thuộc đường cực tiểu (gợn lõm) thứ n +1 [ 5] ; [ 6] 2.4 Giao thoa với hai nguồn dao động ngược pha: ∆ϕ = (2k + 1)π S1 S2 Biên độ dao động: A M = 2A cos(π d -d1 π + ) λ λ (2k+1) * Điểm dao động cực đại: d1 – d2 = = (k+0,5)λ(k∈Z) Số đường số điểm (khơng tính hai nguồn): l l − − 0,5 < k < − 0,5 λ λ k = n gợn lồi bậc n +1 * Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d1 – d2 = kλ (k∈Z) Số đường số điểm (khơng tính hai nguồn): − l l x x A M = 2A cos(ω ) = 2A cos(2π ) [ 1] ; [ 2] vλ Chú ý : Các điểm có biên độ (khơng kể điểm bụng điểm nút) cách khoảng λ/4 Nếu A biên độ sóng nguồn biên độ dao động điểm Ai = A 3.6 Vận tốc truyền sóng dây: phụ thuộc vào lực căng dây F mật độ khối lượng đơn vị chiều dài µ 13 v= Ta có: F μ ; Với μ= m l [ 3] ; [ 8] 4.Các kiến thức trọng tâm sóng âm 4.1 Định nghĩa sóng âm: Sóng âm sóng truyền môi trường vật chất +Tai người nghe âmcó tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz + Những sóng học tần số nhỏ 16Hz gọi sóng hạ âm + Những sóng học tần số lớn 20000Hz gọi sóng siêu âm + Sóng âm, sóng hạ âm, sóng siêu âm sóng học lan truyền mơi trường vật chất chúng có tần số khác tai người cảm thụ sóng âm khơng cảm thụ sóng hạ âm sóng siêu âm [ 1] ; [ 2] 4.2 Môi trường truyền âm vận tốc âm + Sóng âm truyền môi trường vật chất đàn hồi rắn, lỏng khí khơng truyền chân khơng + Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi, mật độ môi trường nhiệt độ môi trường + Khi sóng âm truyền từ mơi trường sang mơi trường khác vận tốc bước sóng thay đổi tần số khơng thay đổi 4.3 Năng lượng âm Sóng âm mang lượng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng 4.4 Các đặc tính sinh lý âm + Độ cao âm:phụ vào tần số âm Âm cao (hoặc thanh) có tần số lớn, âm thấp (hoặc trầm) có tần số nhỏ + Độ to âm: phụ thuộc vào đặc trưng vật lý mức cường độ âm tần số + Âm sắc: Giúp ta phân biệt âm nguồn khác phát Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm phụ thuộc vào biên độ tần số âm 14 + Ngưỡng nghe: Âm có cường độ bé mà tai người nghe được, thay đổi theo tần số âm + Ngưỡng đau: Âm có cường độ lớn đến mức tai người nghe có cảm giác đau tai, ù tai với tần số ( Imax= 10 W/m2) + Miền nghe giới hạn từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau 4.5.Cường độ âm + Cường độ âm I lượng sóng âm truyền qua đơn vị diện tích, đặt vng góc với phương truyền âm, đơn vị thời gian W P = S.t S ( W/m2 ) Với W (J), P (W) lượng, công suất phát âm nguồn ; S (m 2) I= diện tích mặt vng góc với phương truyền âm + Nếu sóng âm sóng cầu S diện tích mặt cầu S=4πR2 4.6 Mức cường độ âm I I L(dB) = 10.lg L(B) = lg I0 I0 Hoặc Với I0 = 10-12 W/m2 f = 1000Hz:I0 gọi cường độ âm chuẩn Chú ý : Với sóng cầu ta có cơng thức vận dụng sau: L (B); r (m); I (W/m2) I1 r 2 = I r1 + Cường độ âm tỉ lệ nghịch với bình phương bán kính: + Hiệu mức cường độ âm: I1 r 22 r lg = lg = lg I2 r1 r1 [ 5] ; [ 6] L – L2 = 4.7 Hai nguồn nhạc âm + Dây đàn có hai đầu cố định hai nút sóng:Để có sóng dừng dây chiều dài dây thoả mãn điều kiện λ v v l = k λ = fk = k ( k ∈ N*) f => 2l - Với f k tần số dây đàn phát 15 f1 = v 2l - Với k = ⇒âm phát âm có tần số Với k = 2,3,4… có hoạ âm bậc (tần số f = 2f1), bậc (tần số f3 =3f1) … + Ống sáomột đầu bịt kín ( nút sóng), đầu để hở (là bụng sóng).Để có sóng dừng ống sáo chiều dài dây thoả mãn điều kiện λ v v l = (2k + 1) λ = f k = (2k + 1) ( k ∈ N) f => 4l f1 = v 4l - Với k = ⇒Ống sáo phát âm có tần số - Với k = 1,2,3… có hoạ âm bậc (tần số 3f1), bậc (tần số 5f1)… IV Hiệu sáng kiến kinh nghiệm Khi áp dụng đề tài trình giảng dạy vật lí trường trung học phổ thơng Hoằng Hố 4, thấy học sinh nắm bắt vận dụng nhanh kiến thức trọng tâm sóng vào việc giải dạng tập vật lí sóng học, giao thoa sóng, sóng dừng sóng âm Kết năm trực tiếp giảng dạy chương trình vật lí 12 cụ thể sau: Trước thực sáng kiến kinh nghiệm * Kết đạt năm học 2015-2016 sau: - Kết tổng kết cuối năm lớp giảng dạy Lớp 12B3 12B5 Sĩ số 51 48 21 Giỏi 41,18 40 % 83,33 Kết học tập môn Vật lý Khá Trung bình 30 58,82 0 % 16,67 0 Yếu 0 % % - Kết thi học sinh giỏi cấp tỉnh + Có học sinh đạt giải mơn vật lí có giải ba giải khuyến khích + Có học sinh đạt giải máy tính casiơ mơn vật lí Trong giải nhì, giải ba giải khuyến khích 16 Sau thực sáng kiến kinh nghiệm * Kết đạt năm học 2016-2017 sau: - Khảo sát lớp 12 Trường THPT Hoằng Hoá Lớp Sĩ số 12A1 12A4 43 44 Giỏi 39 90,7% 38 86,4% Kết học tập môn Vật lý Khá Trung bình 9,3% 0% 13,6% 0% Yếu 0 0% 0% - Kết thi học sinh giỏi cấp tỉnh mơn vật lí tổ: Có học sinh đạt giải đó: + có học sinh đạt giải mơn vật lí ca si cấp tỉnh có giải nhì giải ba + Có học sinh đạt giải kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh môn văn hố có giải nhì, giải ba + Có 12 học sinh giỏi cấp trường gồm giải nhất, giải nhì, giải ba giải khuyến khích + Có học sinh đạt 27 điểm trở lên nhiều học sinh đạt điểm cao mơn vật lí kỳ thi trung học phổ thơng quốc gia năm 2016 C KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 17 Trong đề tài với khả hạn chế thời gian không cho phép, giới hạn đề tài khơng q 20 trang, tơi hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng chương trình vật lí 12 Qua thực tế giảng dạy, thấy giới thiệu đề tài cho học sinh em tự tin việc lựa chọn kiến thức phù hợpvới dạng tập đưa cách giải nhanh cho kết xác chương sóng Đề tài phát triển bổ sung mở rộng hệ thống kiến thức đưa dạng tập tương ứng áp dụng cho tất dạng tập chương sóng nói riêng chủ đề vật lí khác chương trình vật lí phổ thơng năm Tuy có nhiều cố gắng kinh nghiệm giảng dạy hạn chế nên tin đề tài có thiếu sót Tơi mong nhận xét góp ý chân thành hội đồng khoa học ngành, đồng chí đồng nghiệp em học sinh để đề tài hoàn chỉnh Tôi xin chân thành cảm ơn ! XÁC NHẬN CỦA Thanh Hóa, ngày 25 tháng 05 năm 2017 HIỆU TRƯỞNG Tôi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Nguyễn Văn Trào 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ 1] Vật lí 12 Lương Dun Bình (Tổng chủ biên), Vũ Quang (Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2011) [ 2] Sách giáo viên vật lí 12 Lương Duyên Bình(Tổng chủ biên), Vũ Quang (Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2011) [ 3] Vật lí 12 nâng cao Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2012) [ 4] Sách giáo viên vật lí 12 nâng cao Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (Chủ biên) Nxb Giáo dục Việt Nam (2012) [ 5] Bí ơn luyện thi đại học mơn vật lí ( Chu Văn Biên) Nxb Đại Học Quốc Gia Hà Nội( 2016) [ 6] Tuyển chọn dạng toán hay lạ khó mơn vật lý ( Chu Văn Biên) Nxb Đại Học Quốc Gia Hà Nội( 2016) [ ] Luận văn thạc sỹ “ Xây dựng sử dụng hệ thống tập vật lí tiến trình dạy học chương sóng sóng âm vật lí 12, góp phần nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức cho học sinh ” ( Đào Ngọc Dũng) Đại học Thái Nguyên [ 8] Các đề thi tuyển sinh thi học sinh giỏi thi THPT Quốc gia năm gần 19 ... nghiệm - Đề tài Hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng - vật lí lớp 12 hệ thống đầy đủ kiến thức trọng tâm sóng bao gồm kiến thức lý thuyết công thức quan trọng - Từ kiến thức trọng tâm giúp em... thống kiến thức trọng tâm chương sóng - vật lí lớp 12 tập trung nghiên cứu hệ thống kiến thức trọng tâm chương sóng bao gồm kiến thức trọng tâm sóng học, giao thoa sóng, sóng dừng sóng âm chương. .. nắm vững sâu sắc kiến thức vật lí Vì việc hệ thống kiến thức trọng tâm cho cho học sinh sau học chủ đề vật lí việc làm cần thiết quan trọng Từ kiến thức trọng tâm chủ đề vật lí hệ thống, học sinh