Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học số

Bài viết trình bày một phương án suy luận lí thuyết với phần mềm xây dựng mô hình và một phương án khảo sát thực nghiệm với thí nghiệm ghép nối máy tính. Tính thuận tiện của các phương án này và sự phù hợp của các kết quả thu được đã chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng phương tiện dạy học số trong nghiên cứu các quá trình vật lí ở trường phổ thông, có tính đến các yếu thực.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học sốNghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học sốHNUE JOURNAL OF SCIENCEEducational Sciences, 2018, Vol. 63, Iss. 2, pp. 74-81This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vnDOI: 10.18173/2354-1075.2018-0007NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬT LÍ THỰC Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNGVỚI PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC SỐTrần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng QuyênKhoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà NộiTóm tắt. Các quá trình vật lí trong tự nhiên luôn gắn với các yếu tố thực như ma sát, haophí năng lượng, và sự biến đổi của các thông số chi phối hiện tượng. Trong dạy học theo conđường suy luận lí thuyết, việc tính đến các yếu tố thực này sẽ dẫn đến các phương trình viphân mà học sinh gặp bế tắc khi giải với kiến thức toán phổ thông hiện có. Trong khảo sátthực nghiệm trên lớp học, giáo viên khó có thể thiết kế các phương án thí nghiệm khả thi vớicác dụng cụ đo hiện có. Các phương án khảo sát này thường đòi hỏi: a) dụng cụ đo nhạy,chính xác, và thu thập được nhiều số liệu trong thời gian ngắn một cách tự động và b) côngcụ hỗ trợ học sinh biểu diễn và phân tích đồ thị thực nghiệm phức tạp. Bài báo trình bày mộtphương án suy luận lí thuyết với phần mềm xây dựng mô hình và một phương án khảo sátthực nghiệm với thí nghiệm ghép nối máy tính. Tính thuận tiện của các phương án này và sựphù hợp của các kết quả thu được đã chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng phương tiện dạyhọc số trong nghiên cứu các quá trình vật lí ở trường phổ thông, có tính đến các yếu thực.Việc này sẽ góp phần đưa các giờ học vật lí đến gần với cuộc sống hơn và phát triển năng lựctìm tòi, khám phá thế giới tự nhiên ở học sinh.Từ khóa: Dao động tắt dần, phần mềm xây dựng mô hình, phương tiện dạy học số, quá trìnhvật lí thực, thí nghiệm ghép nối máy tính.1. Mở đầuVật lí phổ thông chủ yếu là vật lí thực nghiệm [1]. Do đó, khi dạy học vật lí phổ thông cần gắnkiến thức với bối cảnh thực tế. Việc khảo sát quá trình vật lí thực không thể bỏ qua: ma sát, tỏanhiệt và sự biến đổi của các thông số tác động. Ví dụ, cần kể đến nhiệt lượng truyền ra môitrường ngoài khi nghiên cứu các quá trình trao đổi nhiệt; cần tính đến ma sát khi khảo sát cácchuyển động. Các hệ dao động luôn chịu tác dụng của lực ma sát; lực này làm suy giảm dần nănglượng và làm tắt dần dao động sau một thời gian nhất định (dao động tắt dần). Dao động tắt dầnphổ biến trong đời sống (xích đu, con lật đật, thú nhún…) và có nhiều ứng dụng trong kĩ thuật(bộ giảm xóc xe máy, thiết bị đóng cửa tự động, đệm lò xo…). Tuy vậy, giáo viên và học sinhgặp nhiều khó khăn khi khảo sát các quá trình vật lí thực vì kiến thức toán phổ thông không đủ đểkhảo sát theo con đường lí thuyết. Mặt khác, các dụng cụ thí nghiệm hiện có cũng không đáp ứngđược yêu cầu khảo sát theo con đường thực nghiệm [2]. Ví dụ dưới đây là các khó khăn cụ thểkhi khảo sát dao động tắt dần của con lắc lò xo.Ngày nhận bài: 15/10/2017. Ngày chỉnh sửa: 10/12/2017. Ngày nhận đăng: 13/12/2017.Tác giả liên hệ: Trần Bá Trình, e-mail: trinhtb@hnue.edu.vn74Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng QuyênKhảo sát theo con đường lí thuyếtĐể nghiên cứu dao động tắt dần theo con đường lí thuyết, cần sử dụng kiến thức: Lực ma sát tỉlệ thuận với độ lớn vận tốc và ngược chiều chuyển động của vật:(c là hệ số nhớt của môi trường)Áp dụng định luật II Newton:(1)Giải phương trình (1), thu được nghiệmViệc giải phương trình (1) yêu cầu kiến thức vượt quá kiến thức toán phổ thông, vì thế, họcsinh không thể thực hiện được. Do đó, phương trình dao động tắt dần không có trong chuẩn kiếnthức và sách giáo khoa Vật lí hiện hành chỉ mô tả, giải thích dao động tắt dần một cách định tínhnhư sau:- “Trong thực tế, khi kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng, rồi thả cho nó dao động, ta thấy biênđộ giảm dần. Dao động như vậy gọi là dao động tắt dần” [3].- “Lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn luôn sinh công âm làm giảm cơ năng của vật.Cơ năng giảm thì thế năng cực đại giảm, do đó, biên độ A giảm, tức là dao động tắt dần” [4].Hình 1. Đồ thị của dao động tắt dần trong các môi trường nhớt khác nhau,được phác họa trong sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao [4]Khảo sát theo con đường thực nghiệmKhảo sát dao động tắt dần trong lớp học theo con đường thực nghiệm đòi hỏi phải: ghi đượcnhiều vị trí của vật dao động theo thời gian trong khoảng thời gian ngắn; vẽ đồ thị dao động mộtcách nhanh chóng từ bộ số liệu thực nghiệm ghi được. Dựa trên đồ thị vẽ được, cần phân tích, tìmra được dạng hàm số mô tả dao động. Ở điều kiện thiết bị thí nghiệm hiện có ở trường phổ thông,giáo viên và học sinh sẽ gặp khó khăn với yêu cầu khảo sát thực nghiệm này. Do đó, khi tìm hiểukiến thức về dao động tắt dần, học sinh chỉ được quan sát hình vẽ bố trí thí nghiệm, hình pháchọa đồ thị dao động trong sách giáo khoa (Hình 1) và phải công nhận khái niệm, các lập luận vềdao động tắt dần. Như vậy, những thiếu hụt, hạn chế về phươn ...