Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo trình bày việc xây dựng 3 bài toán nghiên cứu về chu kì dao động nhỏ của con lắc lá, con lắc xoắn và con lắc “ lật đật” để giao cho học sinh thực hiện các nghiên cứu Vật lí ở nhà bằng cách hướng dẫn học sinh vận dụng phương pháp tương tự để giải quyết.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol 59, No 1, pp 50-57 HƯỚNG DẪN HỌC SINH THỰC HIỆN CÁC NGHIÊN CỨU Ở NHÀ THÔNG QUA VIỆC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TỰ ĐỂ MỞ RỘNG CÁC KIẾN THỨC VỀ DAO ĐỘNG CƠ Dương Xuân Quý Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt Bài báo trình bày việc xây dựng tốn nghiên cứu chu kì dao động nhỏ lắc lá, lắc xoắn lắc “ lật đật” để giao cho học sinh thực nghiên cứu Vật lí nhà cách hướng dẫn học sinh vận dụng phương pháp tương tự để giải Nhờ đó, kiến thức dao động học sinh mở rộng đồng thời phát triển học sinh lực hoạt động trí óc chân tay Từ khóa: Phương pháp tương tự, dao động cơ, chu kì dao động Mở đầu Việc dạy học mơn Vật lí trường phổ thơng nước ta cịn gặp nhiều khó khăn điều kiện sở vật chất, trang thiết bị hạn chế Việc dạy học kiến thức Vật lí cịn bó buộc khn khổ trường học sách giáo khoa mà có gắn kết với thực tiễn phong phú Đề tài đề cập đến việc tổ chức cho học sinh thực nghiên cứu Vật lí nhà, sở vận dụng phương pháp tương tự, để mở rộng kiến thức dao động Các kiến thức gắn liền với số tượng thực tế đời sống mà điều kiện thời gian không cho phép nên khơng nghiên cứu chương trình sách giáo khoa 2.1 Nội dung nghiên cứu Cơ sở lí luận Việc giao cho HS thực nghiên cứu vật lí nhà có nhiều tác dụng dạy học vật lí nói riêng giáo dục nói chung Các tác dụng bật là: - Góp phần tạo hứng thú học tập mơn Vật lí cho học sinh họ thấy mối quan hệ kiến thức vật lí sách với tượng đời sống hàng ngày - Góp phần củng cố, mở rộng, đào sâu, ôn tập, củng cố, hệ thống hóa kiến thức Ngày nhận bài: 15/4/2013 Ngày nhận đăng: 15/7/2013 Liên hệ: Dương Xuân Quý, e-mail: duongxuanquy@gmail.com 50 Hướng dẫn học sinh thực nghiên cứu nhà thơng qua việc sử dụng - Góp phần rèn luyện phương pháp nhận thức vật lí đặc thù: phương pháp thực nghiệm, phương pháp tương tự, phương pháp mơ hình mà khơng bị bó buộc vào thời gian dạy học trường - Rèn luyện, phát triển lực hoạt động, đặc biệt lực sáng tạo kĩ làm việc nhóm, khả làm việc độc lập - Rèn luyện kĩ sống: Giao tiếp, lên kế hoạch thực tổ chức làm việc Quy trình tổ chức cho HS thực nghiên cứu Vật lí nhà gồm bước sau: - Sau HS học tập xong nội dung phần kiến thức lớp, Giáo viên đặt cho HS vấn đề nghiên cứu Các vấn đề nghiên cứu liên quan đến kiến thức vừa trang bị liên quan đến kiến thức học sau Vấn đề nghiên cứu Vật lí nhà cần diễn đạt dạng toán vật lí - Thảo luận trước tồn lớp giải pháp giải vấn đề - Giám sát trình thực nhiệm vụ HS để kịp thời điều chỉnh, tháo gỡ vướng mắc đưa hướng dẫn cho việc thực nhiệm vụ cần - Tổ chức trình đánh giá việc thực nhiệm vụ trước lớp Trong khuôn khổ báo, đề cập đến việc thực tổ chức cho học sinh thực nghiên cứu Vật lí nhà thông qua việc vận dụng phương pháp tương tự dạy học kiến thức dao động Suy luận tương tự phương pháp suy luận lôgic từ giống dấu hiệu M (cấu trúc, tính chất, quy luật, thuộc tính ) xác định hai nhiều đối tượng A B (sự vật, tượng, trình), suy giống dấu hiệu khác chúng Suy luận tương tự diễn tả sau: - Nếu đối tượng A có dấu hiệu (M1 , M2 , , Mn , Mn+1 ) đối tượng B có dấu hiệu (M1 , M2 , , Mn ) suy luận rằng: Đối tượng B có tính chất Mn+1 Trong nhận thức, phương pháp sử dụng tương tự phép suy luận tương tự để thu nhận tri thức gọi phương pháp tương tự Phương pháp tương tự thực theo quy trình: - Lựa chọn đối tượng tương tự, có đối tượng cần tìm hiểu - Tập hợp liệt kê dấu hiệu đối tượng cần nghiên cứu dấu hiệu đối tượng có hiểu biết phong phú định đem đối chiếu - Tiến hành phân tích dấu hiệu giống khác chúng - Kiểm tra xem dấu hiệu giống có đồng thời dấu hiệu chất đối tượng hay không - Truyền dấu hiệu đối tượng biết cho đối tượng cần nghiên cứu suy luận tương tự - Kiểm tra thực nghiệm tính đắn kết luận rút hệ chúng (có tính chất giả thuyết) đối tượng cần nghiên cứu Nếu kết luận rút khơng đối tượng cần nghiên cứu phải trở lại bước (lựa chọn đối tượng khác để 51 Dương Xuân Quý so sánh) Trong dạy học Vật lí trường phổ thơng, cần tạo điều kiện để học sinh làm quen rèn luyện phương pháp nhận thức thông qua học tập số kiến thức khối lớp Ví dụ vận dụng phương pháp suy luận tương tự để nghiên cứu dao động điện từ sở tương tự với dao động cơ; vận dụng phương pháp tương tự để xây dựng phương án thí nghiệm giao thoa ánh sáng sở tương tự hình thức trình sóng sóng khác Vai trị việc bồi dưỡng phương pháp tương tự thể số điểm bật sau: - Tạo điều kiện cho HS rèn luyện loạt thao tác tư duy, tạo niềm tin vào mối quan hệ có tính khái qt, tồn diện vật, tượng tự nhiên - Góp phần nâng cao hiệu học, giúp học sinh phát tính sâu sắc tính hệ thống kiến thức Nó cịn giúp cho học sinh hình dung tượng q trình khơng quan sát trực tiếp - Có thể sử dụng phương pháp tương tự học để tìm kiến thức mới, để mở rộng kiến thức học Có thể tiến hành lớp, nhà, thiên nhiên, khắc phục hạn chế thời gian dạy học trường học 2.2 Vận dụng Trong dạy học kiến thức dao động trường phổ thông, việc nghiên cứu dừng lại xem xét hệ dao động lí tưởng lắc lò xo lắc đơn Do hạn chế thời gian việc nghiên cứu tường minh địi hỏi kiến thức tốn phức tạp nên học sinh không mở rộng kiến thức cho hệ dao động thực Tuy nhiên, theo chúng tơi, xây dựng tập thí nghiệm giao cho nhóm học sinh sử dụng phương pháp tương tự để mở rộng kiến thức dao động học giải phần khó khăn Trong chương trình Vật lí lớp 12 phổ thơng sử dụng phương pháp động lực học để nghiên cứu dao động nhỏ lắc: Con lắc lò xo, lắc đơn lắc vật lí Từ việc nghiên cứu tìm quy luật dao động biểu thức tính chu kì dao động Chúng ta cho học sinh vận dụng phương pháp tương tự để tìm kiến thức chu kì dao động hệ lắc khác: Con lắc lá, lắc lật đật lắc xoắn 2.2.1 Nghiên cứu dao động lắc a) Đề xuất vấn đề nghiên cứu Trong đời sống ta gặp tượng vật đàn hồi (một thực vật, nhà cao tầng, cứng ) có đầu cố định Khi chịu tác động vật dao động Sự dao động có tn theo quy luật khơng quy luật nào? Xét toán: Một mảnh đồng chất chiều dài lo cố định đầu, đầu để tự Khi cân tác động vào để vật dao động nhỏ Xác định phụ thuộc chu kì dao động váo thơng số hệ 52 Hướng dẫn học sinh thực nghiên cứu nhà thông qua việc sử dụng b) Hướng dẫn học sinh giải vấn đề - Tổ chức thảo luận trước lớp để đề xuất giải pháp dựa việc phân tích để học sinh nhận thấy tương tự mặt hình thức hai hệ dao động: Đều có dao động sở biến dạng đàn hồi; từ giới thiệu bước phương pháp tương tự giao cho học sinh nhà thực nhiệm vụ Trước hết hướng dẫn để học sinh đề xuất dấu hiệu giống dao động hai hệ dao động - Lập bảng liệt kê dấu hiệu tương tự dao động hai hệ Bảng So sánh tương tự dao động lắc lò xo lắc Con lắc Dấu hiệu Con lắc lò xo Con lắc Các điểm vật dao động Sự chuyển động sau Vật dao động quanh vị trí cân quanh vị trí cân tương tác động ứng Đặc điểm bên ngồi Thanh cứng chịu biến dạng Lị xo bị biến dạng kéo nén dao động uốn Có chu kì ổn định phụ Đặc điểm chu kì dao thuộc vào yếu tố hệ Có chu kì ổn định m động Biểu thức T = 2π k - Từ bảng so sánh đưa dự đốn: Chu kì T lắc A α hệ số tỉ lệ, A đại lượng có có dạng T = 2πα B đơn vị khối lượng (kg) B đại lượng có đơn vị độ cứng (N/m) Vấn đề đặt phải kiểm nghiệm đắn suy luận tương tự Muốn vậy, phải thực phép suy luận logic để đưa biểu thức kiểm nghiệm trực tiếp sau: Với hai lắc ta có: A1 B2 T1 = T2 B1 A2 - Phương án thí nghiệm xây dựng sau: + Chọn mỏng đàn hồi nhựa kim loại, đầu (đầu dưới) cố định, phần phía kích thích cho dao động Dùng đồng hồ bấm giây để xác định chu kì dao động + Thay đổi chiều dài mỏng để tạo lắc khác so sánh chu kì cặp lắc để kiểm tra tính đắn suy luận Hình Con Với nhựa có chiều dài l0 = 1m ứng với độ cứng k0 lắc khối lượng m0 (Hình 1) Từ tạo lắc khác (bằng cách thay đổi vị trí cố định thép) có thơng số tương ứng: (l1 = 50cm ta có A1 ∼ m1 = m0 /2, B1 ∼ k1 = 2k0 ); (l2 = 60cm, ta có A2 ∼ m2 = 53 Dương Xuân Quý 3m0 /5, B2 ∼ k2 = 5k0 /3); (l3 = 70cm, ta có A3 ∼ m3 = 7m0 /10, B3 ∼ k3 = 10k0/7); (l4 = 80cm, ta có A4 ∼ m4 = 4m0 /5, B4 ∼ k4 = 5k0 /4) Các tỉ số tương ứng theo suy luận tương tự là: T2 T3 T1 = 0, 7; = 0, 74; = 0, 77 T2 T3 T4 (Các nhóm học sinh chọn lắc tùy ý để kiểm nghiệm) T1tn T2tn T3tn Các phép đo cho kết quả: = 0, 73; = 0, 67; = 0, T2tn T3tn T4tn - Hướng dẫn học sinh thảo luận báo cáo kết 2.2.2 Nghiên cứu dao động lắc lật đật a) Đề xuất vấn đề nghiên cứu: Trong đời sống gặp trường hợp vật rắn có phần mặt ngồi có dạng mặt cầu mặt trụ đặt tựa mặt phẳng nằm ngang Khi tác động vào vật thực dao động với trục quay tức thời điểm tiếp xúc mặt cầu với mặt đỡ (ví dụ lật đật) Xét tốn: Một vật có dạng bán cầu (bán trụ, nửa mặt trụ mỏng) gọi lắc lật đật kích thích cho dao động Xác định phụ thuộc chu kì dao động váo thơng số hệ b) Hướng dẫn học sinh giải vấn đề Tương tự trường hợp lắc suy luận tương tự thực sau: - Đưa bảng liệt kê dấu hiệu tương tự chuyển động lắc vật lí lắc lật đật Bảng So sánh tương tự dao động lắc vật lí lắc lật đật Dấu hiệu Con lắc Con lắc vật lí Con lắc lật đật Sự chuyển động sau tác động gây dao động nhỏ Vật chuyển động quay quanh trục cố định với góc quay nhỏ Các điểm vật dao động quanh vị trí cân Vật chuyển động quay quanh trục tức thời Các điểm vật dao động quanh vị trí cân Đặc điểm bên dao động Vật dao động trọng lực tác dụng, không bị biến dạng dao động Vật dao động trọng lực tác dụng, không bị biến dạng dao động Đặc điểm chu kì dao động Có chu kì ổn định phụ thuộc vào yếu tố hệ I Biểu thức T = 2π mgd Có chu kì ổn định 54 Hướng dẫn học sinh thực nghiên cứu nhà thông qua việc sử dụng - Từ bảng so sánh đưa dự đốn: Chu A kì T lắc có dạng T = 2πα B α hệ số tỉ lệ, A đại lượng có đơn vị mơ men quán tính (kg.m2 ) B đại lượng có đơn vị (kg.m2 /s2 ) Vấn đề đặt phải kiểm nghiệm đắn suy luận tương tự Muốn vậy, Hình Con lắc lật đật phải thực phép suy luận logic để đưa biểu T1 A1 B2 = Nếu chọn vật rắn có dạng hình thức kiểm nghiệm trực tiếp T2 B1 A2 T1 R1 học đối xứng cầu trụ thích hợp A ∼ m.R2 cịn B ∼ m.R nên = Tỉ số T2 R2 không phụ thuộc vào khối lượng vật Suy luận cần thí nghiệm kiểm nghiệm - Phương án thí nghiệm xây dựng sau: Tạo vật rắn dạng bán trụ mỏng (Hình 2) tạo từ đoạn ống nhựa PVC để dễ gia công + Vật 1: R1 = 4, 5cm chiều dài phần tiếp xúc với mặt bàn d1 = 4cm + Vật 2: R2 = 4, 5cm chiều dài phần tiếp xúc với mặt bàn d2 = 2cm + Vật 3: R3 = 5, 3cm chiều dài phần tiếp xúc với mặt bàn d3 = 4cm + Vật 4: R4 = 6, 8cm chiều dài phần tiếp xúc với mặt bàn d4 = 4cm Dùng đồng hồ bấm giây để đo chu kì dao động T1 T3 T1 = 1; = 0, 92; = 0, 78 Thực tế đo đạc xác Như vậy, theo lí thuyết T2 T3 T4 T1tn T1tn T3tn định = 1; = 0, 95, = 0, T2tn T3tn T4tn Từ kết thí nghiệm rút kết luận chu kì dao động lắc lật đạt tỉ lệ với bậc hai bán kính khơng phụ thuộc vào khối lượng vật 2.2.3 Nghiên cứu dao động lắc xoắn a) Đề xuất vấn đề nghiên cứu Trong đời sống gặp trường hợp: Một vât mỏng nhẹ có đầu cố định, đầu gắn vật rắn Khi tác động vào vật rắn để vật mỏng bị biến dạng xoắn để tự vật chuyển động Khi vật thực dao động quanh vị trí cân Xét tốn đơn giản: Một vật rắn có dạng gắn vào đầu mảnh nhựa mỏng, nhẹ, đàn hồi cho nằm ngang Tác động vào vật rắn để mảnh nhựa biến dạng xoắn sau vật rắn dao động Xác định phụ thuộc chu kì dao động vào thông số hệ b) Hướng dẫn học sinh giải vấn đề: Tương tự với trường hợp lắc lá, suy luận tương tự thực sau: - Đưa bảng liệt kê dấu hiệu tương tự chuyển động lắc lò xo 55 Dương Xuân Quý lắc xoắn Bảng So sánh tương tự dao động lắc lò xo lắc xoắn Dấu hiệu Con lắc Con lắc lò xo Con lắc xoắn Sự chuyển động sau tác động gây dao động nhỏ Vật dao động vị trí cân xác định Vật rắn chuyển động quay quanh trục đối xứng mảnh nhựa Đặc điểm bên dao động Vật dao động lực đàn hồi kéo nén tác dụng tạo lực hồi phục ln có xu hướng đẩy vật bị trí cân Vật rắn dao động lực đàn hồi xoắn có xu hướng tạo mô men lực đẩy vật dao động quay quanh vị trí cân Đặc điểm chu kì dao động Có chu kì ổn định phụ thuộc vào yếu tố hệ m &Có Biểu thức T = 2π k chu kì ổn định - Từ bảng so sánh đưa dự đốn: Chu kì T lắc A α hệ số tỉ lệ, A đại lượng có dạng T = 2πα B có đơn vị mơ men quán tính (kg.m2 ) B đại lượng có đơn vị (kg.m2 /s2 ) Vấn đề đặt phải kiểm nghiệm đắn suy luận tương tự Muốn vậy, phải thực phép suy luận logic để T1 A1 B2 đưa biểu thức kiểm nghiệm trực tiếp = Nếu T2 B1 A2 chọn vật rắn có dạng hình trụ thích hợp tỉ số khơng phụ thuộc vào khối lượng vật - Phương án thí nghiệm xây dựng sau: + Chọn hai vật trụ (1) đồng chất l1 = 50cm, m1 = 290g; l2 = 25cm, m2 = 145g có A ∼ ml2 Hai mảnh gắn vào hai Hình Con mảnh nhựa (2) mỏng, đàn hồi: L1 = 46cm, L2 = 23cm tương ứng với lắc xoắn B theo tỉ lệ L1 : L2 = B2 : B1 (Hình 3) Từ tạo lắc: L1 l1 (chu kì T1 ); L1 l2 (chu kì T2 ); L2 l1 (chu kì T3 ); L2 l2 (chu kì T4 ) + Dùng đồng hồ bấm giây để đo chu kì dao động nhỏ Nếu suy luận lí thuyết T1 T2 T1 = 2, 8; = 1, 4; = 1, T2 T3 T4 + Phép đo thực nghiệm kết là: 56 Hướng dẫn học sinh thực nghiên cứu nhà thông qua việc sử dụng T1tn T1tn T2tn = 2, 9; = 1, 5; = 1, T2tn T3tn T4tn Kết luận Việc tạo điều kiện để học sinh vận dụng phương pháp suy luận tương tự để tiến hành nghiên cứu Vật lí nhà tạo điều kiện cho học sinh hiểu sâu sắc kiến thức Vật lí đồng thời phát triển lực hoạt động Cách làm mang tính khả thi cao khơng phụ thuộc nhiều vào thời gian lớp Cần có nghiên cứu vận dụng cho phần kiến thức Vật lí khác trường phổ thông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), 2008 Vật lí 12 (nâng cao) Nxb Giáo dục, Hà Nội [2] Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2002 Phương pháp dạy học vật lí trường phổ thông Nxb Đại học Sư phạm [3] Dương Xuân Quý, 2010 Thiết kế chế tạo số thiết bị thí nghiệm sử dụng dạy học dao động lớp 12 Tạp chí Giáo dục, (số đặc biệt, 3/2010), tr 57 - 59 ABSTRACT Home study guide for students of mechanical vibration This paper presents a guide to ways in which students can, at home, learn about small oscillations of the pendulum cycle leaf torsion pendulum and pendulum hustle This approach increases students’ mental acticity while expanding their knowledge 57 ... nhóm học sinh sử dụng phương pháp tương tự để mở rộng kiến thức dao động học giải phần khó khăn Trong chương trình Vật lí lớp 12 phổ thơng sử dụng phương pháp động lực học để nghiên cứu dao động. .. dụng phương pháp suy luận tương tự để nghiên cứu dao động điện từ sở tương tự với dao động cơ; vận dụng phương pháp tương tự để xây dựng phương án thí nghiệm giao thoa ánh sáng sở tương tự hình thức. .. đầu, đầu để tự Khi cân tác động vào để vật dao động nhỏ Xác định phụ thuộc chu kì dao động váo thơng số hệ 52 Hướng dẫn học sinh thực nghiên cứu nhà thông qua việc sử dụng b) Hướng dẫn học sinh