ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC
o0o
ĐINH ĐỨC CHÍNH
DẠY HỌC BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ SÓNG
SỬ DỤNG MÔ HÌNH ĐƢỢC XÂY DỰNG
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÝ
HÀ NỘI - 2009
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC
o0o
DẠY HỌC BÀI TOÁN DAO ĐỘNG VÀ SÓNG
SỬ DỤNG MÔ HÌNH ĐƢỢC XÂY DỰNG
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÝ
Chuyên ngành: LÍ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC
(BỘ MÔN VẬT LÝ)
Mã số: 601410
Học viên: Đinh Đức Chính
Cao học Sƣ phạm Vật lý khóa 2
Cán bộ hƣớng dẫn: TS Bùi Văn Loát
HÀ NỘI - 2009
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 2
Lêi c¶m ¬n
Luc hoàn thành t s c gng ci thc hin và s
h tr to ln ca rt nhii. Tôi xin bày t lòng bit y cô
ging dy ti i hc Giáo dci Hc Quc Gia Hà Nã quan
tôi trong sut thi gian hc tp và thc hin lut nghip.
c bit tôi mun cc ti PGS.TS - thi
trc ting dn, ch bo, ging dy tôi v chuyên môn và
nghiên c tài khoa hc này.
Cui cùng, tôi xin gi li cn nhi thân yêu trong gia
ng viên, ng h tôi trong sut quá trình làm
lu.
Xin chân thành c
11 9
Học viên
Đinh Đức Chính
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 3
MỤC LỤC
M U 5
Chng 1. C S LÝ LUN V PHNG PHÁP DY HC VT LÝ S
DNG MÔ HÌNH TRNG PH THÔNG 9
1.1 Tng quan v mô hình 9
1.1.1 9
1.1.2 Cha mô hình trong Vt lý hc 10
1.1.3 Các loi mô hình Vt lý 11
1.1.4 Phng pháp mô hình trong nghiên cu Vn
ca ca nó 11
1.1.5 Phng pháp mô hình trong dy hc Vt lý 14
Chng 2. TNG QUAN V MATLAB VÀ CÁC NG DNG 16
2.1 Gii thiu chung 16
2.2 S lc v GUI 18
2.3 ng dng Matlab xây dng mô hình vt lý hc ng dng trong
ging dy 19
Chng 3. NG DNG MATLAB THIT K MT S MÔ HÌNH DY
HC TRONG PH NG VÀ SÓNG (BAO G NG
C, SÓNG C VÀ ÂM HC) 21
3.1 u hòa 21
3.1.1 Nhng v chung 21
3.1.2 Liên h giu hòa vi chuyu 28
3.1.3 V tng hu hoà 29
3.1.4 ng ca con lc lò xo 33
3.1.5 ng ca con ln 38
3.2 Sóng c hc 45
3.2.1 Nhng v chung v sóng c hc 45
3.2.2 Mô phng s truyn sóng 49
3.2.3 Giao thoa sóng c hc 51
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 4
3.2.4 Sóng dng c hc 55
3.3 Sóng âm 59
3.3.1 Các khái nim c bn 59
3.3.2 Các tính cht c bn ca âm 59
3.3.3 Hiu ng Doppler âm hc 60
3.3.4 Mô phng hiu ng Doppler âm hc 61
Chng 4. TH
63
4.1
63
4.2
63
4.3 Ph
64
4.3.1 Công tác chun b 64
4.3.2
64
4.3.3
ng th
64
4.4 Th
: 65
4.5
. 65
4.5.1
, không s ng
65
4.5.2
c xong nng, sóng c,
sóng âm 66
4.5.3
67
70
TÀI LIU THAM KHO 74
PH LC 75
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 5
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
tính và cá
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 6
…
: Dạy học bài toán dao
động và sóng sử dụng mô hình được xây dựng bằng phần mềm Matlab
2. Mục đích nghiên cứu
hình thành
3. Đối tƣợng nghiên cứu
ng
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 7
4. Giả thuyết khoa học
, và
o n.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
trung vào các mô hình lý
.
6. Phạm vi nghiên cứu
khoa
trên 0
7. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 8
8. Đóng góp của đề tài
Góp phn làm sáng t bng phn
mm máy tính trong dy hc Vt lý ng ph thông.
Cung cp nhng hiu bin v phn mm Matlab và ng dng
ca nó.
To ra mt s mô hình có giá tr thc tin.
9. Cấu trúc luận văn
n a chn, luc chia làm các
ph:
: lý lun v y hc Vt lý s dng mô
hình ng ph thông.
: Tng quan v Matlab và các ng dng
: ng dng Matlab thit k mt s mô hình dy hc trong
phn ng và sóng (bao gc).
: Th nghim ng dng các mô hìnc xây dng bng
Matlab vào dy hc tng ph thông
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 9
Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC
VẬT LÝ SỬ DỤNG MÔ HÌNH Ở TRƢỜNG PHỔ THÔNG
1.1 Tổng quan về mô hình
1.1.1 Định nghĩa mô hình
Kin thc và s hiu bit ca các nhà khoa hc v th gic
th hin trong các mô hình. Có rt nhi mô hình, theo nh
a David W. Stockburger
[1]
Mô hình là s biu din ca ni dung
v thuc tính bn cht ca s vt hing trong th gii thc
ông, mô hình có hai dng chính. Th nht là mô hình vt lý, thí d
hình máy bay, bn thit k kin trúc ca toà nhà. Th hai là mô hình kí t, thí
d vic.
T
, V.A.
:
hình là mt h thc thc hin mt cách
vt cht, h th n ánh nhng thuc tính bn cht c i tng
nghiên cu hoc tái to nó, bi vy vic nghiên cu mô hình s cung cp cho
ta nhng thông tin mi v i t
Mô hình ch phn ánh mt s thuc tính bn cht ca s vt, hing
c nghiên cu này cho thy là mt s vt, hing có th c
phn ánh bi nhii mô hình th hin mt
vài thuc tính mà ta quan tâm và theo tng cách tip cn khác nhau ci
xây dng mô hình. Vng nht vi s vt, hing mà
nó phn ánh.
[1]
David W.Stockburger, Introductory Statistics: Concepts, Models, and Applications, Emeritus
Professor, Missouri State University.
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 10
1.1.2 Chức năng của mô hình trong Vật lý học
, mô hình hóa
.
Trong :
Mô t s vt hin tng
Gii thích các tính cht, hin ti tng
t và các hin tng mi
Mô hình trong . Mô
hình
hình
lý, làm
và quá trình
các .
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 11
1.1.3 Các loại mô hình Vật lý
Mô hình
nhau:
Mô hình
: .
thay
còn
khi quan sá
Mô hình bing là loi mô hình trng nht, không th hin
trong không gian thc mà ch Có nhing
nghiên cu cc mô hình hóa dng bing, thí d: ng
n t, photon, mô hình phân t trong thuyng hc phân t ca cht khí,
mô hình vi
1.1.4 Phương pháp mô hình trong nghiên cứu Vật lý và các giai đoạn của
của nó
Trong phng pháp mô hình, ngi ta xây dng các mô hình mang
nhng tính cht c bn ca vt th, hin tng, quá trình và mi quan h gia
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 12
chúng. Vic nghiên cu trên mô hình s thay th cho vic nghiên ci
tng thc, nhng kt qu nghiên cu trên mô hình s chuyn sang chi
tng gc nhng thông tin mi v i tng gc, d
c tính cht, hin tng mi có th có ci tng gc.
t nghiên cu Vt lý có các
:
1.1.4.1 Giai đoạn 1: Nghiên cứu những tính chất của đối tượng gốc
,
.
p hp
nhng d kiu làm c s xây dng mô hình.
1.1.4.2 Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình
Do kt qu ca s tng t, ngi ta xây dng mt mô hình s b,
ch. Mô hình này mi ch có trong óc ngi nghiên cu. Trong giai
, . Nó
giúi nghiên cu rút ra nhng thun, nhng mi quan h
cn thi to ra hình m Da vào hình mu này nhà nghiên
hoc các mô hình kí hiu.
,
,
.
1.1.4.3 Giai đoa
̣
n 3: Thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lý thuyết
, ngi ta áp dng các phng pháp lý thuyt
hoc thc nghic kt qu và các
thông tin mi vi mô hình vt cht ngi ta làm thí nghim thc trên mô
i vi mô hình lý tng thì tin hành các thao tác logic trong óc, tc là
áp dng nhng phép tính hay nhng phép suy lun logic trên các ký hiu.
.
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 13
. Theo Heisenbërg:
,
. ,
.
Trong phng pháp mô hình lý tng, ngi ta có th d c s
vng ca mô hình trong nhu kinh theo nhng quy lut
riêng. Kt qu cc ng h qu ca hoc
m c th trong tng phép th vu kin khác nhau. Vt lý hin
i phát triy rng mô hình i kt qu
i chính xác. u này giúp cho quá trình to ra mt phát minh hay
sáng ch rút ngn bt thi gian, gim chi phí i vic
gim bt ng khoa hc.
,
,
(
)
không.
1.1.4.4 Giai đoa
̣
n 4: Thực nghiệm kiểm tra
Thc tin là tiêu chu kim nghim nhng sn phm c
Bn thân mô hình là mt sn phm ca nhn thc nên cn phi kim tra s
n ca nó bi chiu kt qu c t mô hình vi nhng
kt qu c t i t. Nu có s sai lch thì phu chnh mô
hình, h
.
: Mô hình th th hin mi quan h gi và thi gian
ng tt dn cho thy ng gim dn theo thi gian
t ra câu hi rng mô hình
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 14
xây dý thuyc xây dng cn c tip tc
hoàn chnh?
Nhc kim nghim trong thc t là nhng mô hình
phn ánh mt s mt ca thc t khách quan. Nó có th b i, hoàn
chnh thêm hoc b bác b khi ngi ta có thêm nhng thông tin chính xác
hn v i tng.
1.1.5 Phương pháp mô hình trong dạy học Vật lý
1.1.5.1 Vai trò của mô hình trong dạy học Vật lý
Trong nghiên cu khoa hc Vt lý, mô hình và phng pháp mô hình
có chn thc, nó giúp ta phát hin ra nhc tính mi, hin
tng mi, quy lut mi. Nu xem xét quá trình hc tp ca hc sinh di
mt hong nhn th trong
nghiên cu khoa hc Vt lý.
Trong khi dy hc, hc sinh nhi kh ng mô
thay th vt gc trong nghiên cu nhng giáo viên có th s dng mô
thay th vi m phm nh mt phng tin trc quan nhm
làm cho hc sinh hiu rõ mt v
Trong nghiên cu khoa hc Vt lý, mô hình vt cht có vai trò rt hn
ch n rt ít thông tin mi khi thao tác trên mô hình, tuy nhiên nó
li có tác dng rt quan trng trong dy hc, nó có th giúp hc sinh hiu
c nhng hin tng không quan sát trc tic.
Các mô hình lý tng tuy rt có tác dng trong hong nhn thc
nhng nhii hc sinh m t duy tru tng cao, mt
c s thc nghim phong phú và kinh nghim bn thân di dào mi có th
xây dc các mô hình. V.G.Razumôxki khi bàn v phng pháp mô
hình trong dy hnh rng: n xây dng mô hình, vì
vic tìm ra nh i tng tru tng thích hp có th thay th cho quá
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 15
trình, hin tng nghiên cu là rt khó, nên thông thng thì hc sinh không
th làm vi lc ca h n này b hn ch
1.1.5.2 Các mức độ sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học Vật lý
Mức độ 1:
Giáo viên trình bày các s kin thc t mà hc sinh không th gii thích
c bng kin tha ha ra mô hình mà các nhà khoa hc
ng và vn d gii thích các hin tng trên.
,
.
Mức độ 2:
Hc sinh s dng các mô hình mà giáo viên cung c gii thích mt
s hin tn gin tng t vi hin tt.
Mức độ 3:
Hc sinh s d d n tng
mi.
Mức độ 4:
Hc sinh di d hng dn ca giáo viên tham gia vào c n
ca phm va mô hình và s dng
gii quyt nhim v nhn thc.
Mức độ 5:
Hc sinh t lc xây d gii quyt nhim v nhn thc
ca mình.
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 16
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ MATLAB VÀ CÁC ỨNG DỤNG
2.1 Giới thiệu chung
Matlab là m ng tính toán s c phát trin bi The
t trong nhng phát
trin các ng dng. MATLAB là nó có
toán l g nh
tính . Matlab
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 17
cho phép
Tên ca phn mm MATLAB bt ngun t thut ng
c vit b cung cp truy nhp
d dàng ti phn mm ma trc phát trin bi các d án LINPACK và
c vit bng ngôn ng n nêu
trên và phát trin thêm nhic ca tính toán khoa hc và các ng dng
k thut.
Hình 1: Phổ tần số của âm thanh thu đƣợc từ tiếng quát giận dữ
. Hình 1
Matlab.
(GUI Graphic user
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 18
interface)
a
Matlab.
2.2 Sơ lƣợc về GUI
GUI- giao di ha là dng th hi ha bao gm các
dng c, thit bi dùng thc hin công vi
thc thi các công vic ci dùng không cn vin
hay tng dòng lnh c th, nói cách khác là h không cn bit
chi tit các thao tác bên trong ca tng công vic c th.
Nhng thành ph n ca GUI bao gm Menu, Toolbar, Push
t GUI có th th
hin d lii dng bng ho th, các thành phn có th c nhóm li
vi nhau tùy ý.
t thí d n v GUI:
Hình 2: Chƣơng trình đồ họa Matlab tiêu biểu
GUI trên bao gm mt h trc t; mt Pop-up Menu bao gm 3 la
chng vi 3 hàm ca Matlab là peaks, membrane và sinc; ba nút
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 19
bm cung cp các la chn v th khác nhau: surf, mesh, contour. Khi
i dùng bm m th s th hin d lic la chn trong
Pop-up Menu vi cách v tng.
Matlab h tr công c to mt ng dng chc lp trên
nn Windows. Có nhiu bi to ng d
là vài dòng lnh hay c mt project ln.
Cách ph bin nh to ra standalone application là dùng Deploytool trong
dc mt project ta cn có các file .m và file
.fig. Tuy nhiên, vic tích hp mng tài nguyên ln các hàm trong, hàm
ngoài trong mc ln dùng ti) làm cho
quá trình thchm chp.
2.3 Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lý học ứng dụng
trong giảng dạy
Vic xây dng các mô hình vt lý hc phù hp vi công tác ging dy
tng Trung hc ph thông phi da trên nhiu tiên
phi k ng, khái nim, quy lut vng
ca thc th vt lý rt phong phú, hình thc th hing và nhìn chung là
khó khác nhau. Vic xây dng các mô hình v nhiu
trí tu, thi gian và công sc, không ph ng
tiêu chí này. Tiêu chí tip theo pht lý hc xây
dng có phù hp vi ging d m bo yêu ci
xây dng mô hình phi d lý lun v y hc mô
vào ni dung dy hc và hoàn cnh c th. T nhng nhn
xét trên, ta có th thy quy trình xây dng mt mô hình ( ng dng
trong ging d
nh my hc
Thit k, xây dng mô hình
Thc nghim
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 20
t qu
Chnh sa hoc xây dng mô hình mi
Lung mt s i d ha vi các tính
i các s liu), v th ng
ng vi ni dung và my hc. Ngoài ra phi k
n th mnh riêng cc thit kc dch thành
các ng dc lp (standalone applications), trng, tính h
thng Nhm này làm cho lubit mang
tính tích cc so vi mt s tài ng dng Matlab trong ging d
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 21
Chƣơng 3. ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ
HÌNH DẠY HỌC TRONG PHẦN DAO ĐỘNG VÀ SÓNG
(BAO GỒM DAO ĐỘNG CƠ, SÓNG CƠ VÀ ÂM HỌC)
3.1 Dao động điều hòa
3.1.1 Những vấn đề chung
3.1.1.1 Từ dao động cơ học đến dao động điều hòa
Dao động cơ học:
Khi có gió nhng trên cành cây. Qu lc cng h
i. Trên mt h gn sóng, mu g nh
bng bnh, nhp nhô trên mc. Chiy mnh rung
ng trên mTrong các ví d trên, vt ch chuyng trong mt vùng
không gian hi mt v trí cân bn
c gng. Hình 3 là d th mô t ng ca
mt vt quanh v trí cân bng.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Dao dong co hoc
t(s)
x(cm)
Hình 3: Dao động
y dao động là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp
đi lặp lại nhiều lần quanh một vị trí cân bằng. V trí cân bng là v
trí ca vng yên: V trí ca con lng h không chy, ca
vt khi mt h phng lng, c
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 22
Dao động tuần hoàn:
Quan sát mt qu lng h ta thy, sau nhng khong thi gian bng
lc li trí cân bng theo chiu t trái sang phi.
ng tun hoàn. Khong th qu lc lp li trng thái
u gi là chu k T. ng
T
f
1
cho ta bit s lng trong
mt giây gi là tn s ng. ng tun hoàn ng mà
trng thái chuyc lp lng khong thi gian bng
nhau. Dng cng tun hoàn th hi th Hình 4.
Dao động điều hòa:
Dn là mc mô t bnh lut
dng sin hoc cosin. ng ca con lc lò xo không ma sát, ca con lc
i góc lch nh và không ma sát là nhng ví d v u hòa.
:
tAx sin.
(3.1)
(3.1) :
2sin.sin. tAtAx
(3.2)
0 5 10 15 20 25 30
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Dao dong tuan hoan
t(s)
x(cm)
Hình 4: Dao động tuần hoàn
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 23
t)
Hình 5. Trên Hình 5
.
0 1 2 3 4 5 6 7
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Dao dong dieu hoa
t
x(t), v(t), a(t)
Ly do x(t)
Van toc v(t)
Gia toc a(t)
Hình 5: Ly độ, vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa
:
2
sin. tAx
(3.3)
Qua (3.3) :
2
t
2
T
là
:
k
m
T
2
2
(3.4)
trong Hình 6.
Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 24
Hình 6: Sự biến đổi của vận tốc và ly độ theo thời gian
3.1.1.2 Từ Dao động tắt dần đến hiện tượng cộng hưởng cơ học
Dao động tắt dần:
Trong thc t, khi khng ca mt h, ta không th b qua
các lc ma sát. Do đó năng lượng của hệ dao động không phải là hằng số
mà giảm dần theo thời gian, kết quả là biên độ của dao động giảm dần theo
thời gian. Đó là những dao động thực, hay ta nói đó là những dao động tắt
dần.
Khi con lng trong không khí, sc cn ca không khí làm
cho nó tt dn. c c, nên phi ch mt thi gian khá lâu
nó mi tt hn. Tu theo lc ma sát là ln hay nh ng s ngng nhanh
hay chm. Nu xét trong thi gian ngn có th u hoà.
:
)cos(.
taex
t
(3.5)
:
a:
:
/2m:
2/122
0
)(
ww
:
ω
0
: tn s ng khi không có ma sát.