KHAI THÁC PHẦN MỀM CROCODILE PHYSICS ĐỂ XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM ẢO CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÝ LỚP 10 NÂNG CAO 1. Đặt vấn đề Chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 nâng cao THPT có 10 bài. Trong chương này, học sinh được cung cấp các kiến thức về các định luật bảo toàn cơ bản trong cơ học: định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn cơ năng. Khi thiết lập định luật bảo toàn động lượng, SGK sử dụng con đường lý thuyết. Cụ thể, định luật này được suy ra từ định luật II và định luật III Newton (xét cho trường hợp hệ kín gồm 2 vật). Sau đó, SGK có giới thiệu một thí nghiệm kiểm chứng thực hiện trên đệm không khí, rồi cung cấp cho học sinh một bảng số liệu để từ đó thấy được động lượng của hệ gồm 2 xe va chạm nhau trên đệm không khí được bảo toàn (trong phạm vi sai số chấp nhận được) Theo PPDH mới, học sinh nên được tiến hành trực tiếp thí nghiệm này để khẳng định chắc chắn hơn tính đúng đắn của định luật. Qua thực tế giảng dạy ở trường phổ thông, thí nghiệm này tiến hành rất khó khăn vì điều kiện cơ sở vật chất không đảm bảo ( rất ít trường có đệm không khí), hơn nữa, trong phạm vi một tiết dạy, không thể có đủ thời gian để thực hiện thí nghiệm này (nếu có được điều kiện để thực hiện thí nghiệm). Các thí nghiệm ảo (TNA) đã được sử dụng trong quá trình giảng dạy vật lý ở trường phổ thông và đã tạo được một mô hình hỗ trợ cho quá trình nhận thức của học sinh. Trong trường hợp này, nó sẽ thực hiện tốt nhiệm vụ kiểm chứng một định luật được thiết lập từ lý thuyết. Bài viết này giới thiệu cách thiết kế 2 TNA để phục vụ giảng dạy cho 2 bài “ Định luật bảo toàn động lương” và “Định luật bảo toàn cơ năng” 2. Thiết kế TNA kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng Bước 1: Phác thảo sơ đồ thí nghiệm. Thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng được mô tả ở SGK gồm 2 xe lăn chuyển động trên đệm không khí. Do đó, ta cần tạo được một va chạm của 2 xe lăn chuyển động trên mặt phẳng ngang không ma sát để thu thập các số liệu cần thiết nhằm kiểm chứng định luật. Bước 2: Tạo một không gian làm việc riêng cho thí nghiệm Trong thí nghiệm này, ta chỉ cần các số liệu về vận tốc của 2 xe lăn sau va chạm. Chính vì vậy, chỉ cần tạo một không gian thí nghiệm vừa đủ để 2 xe lăn chuyển động va chạm vào nhau là được. Ta chọn mục Space và kéo rê chuột sang khung làm việc để tạo một không gian tiến hành thí nghiệm ( hình 1) Bước 3:Đưa các thiết bị từ kho vào không gian làm việc. Để tiến hành thí nghiệm này, ta cần có các thiết bị và các nút hiển thị như sau: Tên Hình ảnh thể Hình ảnh thiết bị ,nút Công dụng Số Hình 1 thiết bị hiện hiển thị lượng Xe đẩy Tạo va chạm để kiểm chứng định luật 2 Hộp nhập số liệu. Nhập vào số liệu khối lượng, vận tốc và thu thập số liệu vận tốc sau va chạm để kiểm chứng định luật 4 Mặt phẳng ngang Tạo mặt phẳng ngang không ma sát. 1 Dụng cụ xe lăn và mặt phẳng ngang được lấy từ kho thiết bị cơ học (Nhóm Motion & ForceMotion) (hình 2). Nhấp chuột lên dụng cụ tương ứng và kéo rê sang phần không gian tiến hành thí nghiệm. Hộp nhập số liệu được lấy từ kho thiết bị hiển thị (Presentation) (hình 3). Ta cần có 4 hộp nhập số liệu, cần chú ý số liệu ta nhập vào là số liệu về khối lượng và vận tốc của hai xe trước va chạm. Sau khi va chạm, vận tốc của hai xe sẽ thay đổi, vì vậy, hộp nhập số liệu bây giờ lại là công cụ để hiển thị, dựa vào đó sẽ thu thập được vận tốc của hai xe sau va chạm. Từ đó kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng. Bước 4: Sắp xếp, lắp ráp các thiết bị theo sơ đồ thích hợp. Các dụng cụ nêu ra ở trên sau khi được “gắp” sang phần không gian làm việc được sắp xếp như hình trên. Mặt phẳng ngang được đặt trong phần không gian làm việc, 2 xe lăn được đặt trên mặt phẳng ngang đó, 4 hộp nhập số liệu được đặt tùy ý trong không gian làm việc (hình 4) Bước 5:Thiết lập các thuộc tính cho từng đối tượng. Hình 2 Hình 3 Hình 4 Ta cần thiết lập thuộc tính cho từng xe lăn một bằng cách nhấp chuột vào ký hiệu , sau đó nhấp vào núm và kéo rê chuột đến xe lăn như hình ảnh bên cạnh. Thao tác này có nghĩa là đã “gán” hộp nhập số liệu này cho xe lăn 1. ( hình 5) Vấn đề tiếp theo là cần phải thiết lập thuộc tính của hộp nhập số liệu đó là gì? Trong TNA này, ta cần nhập vào giá trị khối lượng của xe lăn 1 Nhấp chuột vào chữ Property, một loạt các thuộc tính sẽ hiện ra, nhấp chọn tiếp Mass (khối lượng) như hình dưới đây (hình 6) Tiến hành tương tự cho hộp nhập số liệu thứ hai, thuộc tính của hộp nhập số liệu thứ hai là Velocity (x) ( Vận tốc theo phương x) Hai hộp nhập số liệu còn lại, lần lượt thiết lập thuộc tính khối lượng và vận tốc theo phương x cho xe lăn 2. Bước 6: Tiến hành thí nghiệm, quan sát, đo đạc Lần lượt nhập các số liệu về vận tốc và khối lượng của xe lăn 1 và xe lăn 2 ở các hộp nhập số liệu tương ứng. Và nhấn nút Pause/Play trên thanh công cụ để tiến hành thí nghiệm. Khi dạy bài này, khi tiến hành làm thí nghiệm, học sinh sẽ quan sát và có thể điền vào bảng số liệu như sau: Trước va chạm Sau va cham Nhận xét m 1 v 1 m 2 v 2 P t m 1 v’ 1 m 2 v’ 2 P s Dựa vào bảng số liệu trên, kết hợp tính toán các em có thể dễ dàng kiểm chứng được định luật bảo toàn động lượng. 3. Khai thác TNA sẵn có trong phần mềm Crocodile Physics để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng (trường hợp cơ năng con lắc đơn được bảo toàn) Hình 5 Hình 6 Một đặc điểm của phần mềm Crocodile Physics là đã có các ví dụ được thiết kế sẵn theo từng chủ đề. Trong phần này, chúng tôi xin giới thiệu cách khai thác ví dụ sẵn có của phần mềm để vận dụng vào bài dạy cụ thể. Mở chương trình Crocodile Physics lên, chọn mục Contents ở giao diện ban đầu của chương trình. Hay trong cửa sổ làm việc chính của chương trình, chọn mục Contents. Sau đó vào phần Energy and Motion để tìm hiểu các TNA đã thiết lập sẵn cho phần năng lượng và cơ học. TNA về sự bảo toàn năng lượng của con lắc đơn nằm trong phần Other ExampleChange in Energy 2 Khi nhấp chuột vào đó, sẽ hiện ra TNA đã được thiết kế sẵn như hình bên cạnh. Trong TNA này, các dụng cụ gồm có một con lắc, và 2 đồ thị biểu diễn thế năng và động năng. Cùng với một đoạn văn bản giới thiệu TNA này bằng tiếng Anh. (hình 7) Ta sẽ thiết kế thêm hai hộp hiển thị số liệu để TNA này trực quan hơn. Trước hết, chọn lệnh Save as để lưu lại TNA này với một tên khác. Sau đó, chọn Parts Library, chọn tiếp công cụ hiển thị Presentation để “gắp” ra hộp hiển thị Number. Tiếp đến, chọn thuộc tính Properties cho hai hộp hiển thị này lần lượt là Kinetic Energy (Total) (Động năng) và Gravitational Potential Energy (Thế năng) như hai hình dưới đây (hình 8 và hình 9) Có thể tiến hành thay đổi số liệu khối lượng của quả nặng và tốc độ của quả nặng. Sau đó học sinh sẽ quan sát đồ thị, ghi nhận các số liệu về thế năng và động năng ở từng thời điểm khác nhau để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng cho trường hợp con lắc đơn. 3. Kết luận: Hình 7 Hình 8 Hình 8 Hình 9 Qua thực tế giảng dạy ở trường THPT, chúng tôi nhận thấy rằng, khi sử dụng các TNA nói trên để giảng dạy, đa số học sinh thích thú khi quan sát, thu thập số liệu và xử lý số liệu. Từ đó, ghi nhớ sâu sắc hơn các định luật mà chương trình đề cập. Cũng từ cách thiết lập TNA dựa trên phần mềm Crocodile Physics như đã giới thiệu ở trên, mỗi giáo viên có thể sáng tạo ra các TNA để phục vụ cho mục đích của mình. Trong phần Cơ học vật lý lớp 10, có rất nhiều phần có thể sử dụng TNA để kiểm chứng, cũng có thể dùng TNA để xây dựng kiến thức mới… Trong điều kiện thực tế giảng dạy ở nước ta, việc sử dụng TNA là điều cần thiết và mang lại những hiệu quả thiết thực. . bảo toàn động lương” và “Định luật bảo toàn cơ năng” 2. Thiết kế TNA kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng Bước 1: Phác thảo sơ đồ thí nghiệm. Thí nghiệm. chương này, học sinh được cung cấp các kiến thức về các định luật bảo toàn cơ bản trong cơ học: định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn cơ năng.