Sử dụng phần mềm toán học Mathematica hỗ trợ giảng dạy chương “Động lực học vật rắn” vật lí 12 nâng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NHỮ THỊ NGA

SỬ DỤNG PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATHEMATICA
HỖ TRỢ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN”
VẬT LÍ 12 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM VẬT LÍ
Chuyên ngành: Lí luận và phƣơng pháp dạy học bộ môn Vật lí
Mã số: 60 14 01 11

HÀ NỘI - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NHỮ THỊ NGA

SỬ DỤNG PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATHEMATICA
HỖ TRỢ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN”
VẬT LÍ 12 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM VẬT LÍ
Chuyên ngành: Lí luận và phƣơng pháp dạy học bộ môn Vật lí
Mã số: 60 14 01 11

Cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS. Tôn Tích Ái

HÀ NỘI - 2015


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của
quá trình học tập và nghiên cứu của
tôi tại Đại học Giáo dục – ĐHQG Hà
Nội. Với tình cảm chân thành, tôi xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các
thầy, các cô trong trƣờng Đại học
Giáo dục - ĐHQG Hà Nội đã quan
tâm, giúp đỡ tôi trong quá trình học
tập và thực hiện đề tài này.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Tôn Tích Ái đã
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này. Nhân
dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn đến Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội, cảm ơn
Ban giám hiệu, tổ Lí trƣờng Trung học phổ thông Lý Tử Tấn - Hà Nội, cảm
ơn các bạn học viên lớp Cao học Lí luận và phƣơng pháp dạy học Vật lí khóa 8,
các em học sinh, ngƣời thân trong gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, động
viên tôi thực hiện đề tài này.
Cuối cùng, dù rất tâm huyết và hết sức cố gắng song bản luận văn chắc
chắn còn nhiều thiếu sót. Kính mong đƣợc sự chỉ dẫn của các nhà khoa học và
các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Học viên

Nhữ Thị Nga

i

MỤC LỤC
Lời cảm ơn ......................................................................................................... i
Mục lục ............................................................................................................. ii
Danh mục hình ................................................................................................. iv
Danh mục bảng................................................................................................. vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI ............................................. 8
1.1. Những vấn đề lí luận dạy học hiện đại....................................................... 8
1.1.1. Quan điểm về dạy học hiện đại ............................................................... 8
1.1.2. Phƣơng pháp dạy học tích cực ................................................................ 8
1.1.3. Xu hƣớng đổi mới phƣơng pháp dạy học vật lí ...................................... 8
1.2. Lí luận về bài tập vật lí............................................................................... 9
1.2.1. Khái niệm bài tập vật lí ........................................................................... 9
1.2.2. Tác dụng của bài tập vật lí trong dạy học vật lí ...................................... 9
1.2.3. Sử dụng bài tập vật lí trong dạy học vật lí .............................................. 9
1.3. Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lí .................................. 9
1.3.1. Vai trò của công nghệ thông tin trong dạy học vật lí .............................. 9
1.3.2. Các kỹ năng cần phải có ......................................................................... 9
1.4. Giới thiệu phần mềm toán học Mathematica ............................................. 9
1.4.1. Các tính năng của phần mềm Mathematica ............................................ 9
1.4.2. Các lệnh cơ bản của Mathematica về tính toán bằng số ......................... 9
1.4.3. Đồ họa trong Mathematica ...................................................................... 9
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.................................................................................. 9
CHƢƠNG 2. SỬ DỤNG PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATHEMATICA
HỖ TRỢ GIẢNG DẠY CHƢƠNG ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN VẬT
LÍ 12 NÂNG CAO ........................................................................................... 9
2.1. Phân tích nội dung Chƣơng Động lực học vật rắn Vật lí 12 nâng cao ...... 9
2.1.1. Vị trí, vai trò và cấu trúc chƣơng ............................................................ 9

2.1.2. Cơ sở lí thuyết về động lực học vật rắn ................................................ 37
ii


2.1.3. Mục tiêu cần đạt đƣợc khi dạy học chƣơng ............................................ 9
2.2. Phân loại bài tập Chƣơng Động lực học vật rắn Vật lí 12 nâng cao................ 9
2.3. Sử dụng phần mềm toán học Mathematica hỗ trợ giảng dạy Chƣơng
Động lực học vật rắn Vật lí 12 nâng cao........................................................... 9
2.3.1. Thực trạng giảng dạy Chƣơng Động lực học vật rắn tại trƣờng Trung
học phổ thông Lý Tử Tấn.................................................................................. 9
2.3.2. Xây dựng hệ thống bài tập Chƣơng Động lực học vật rắn ..................... 9
2.3.3. Lựa chọn một số bài tập Chƣơng Động lực học vật rắn có sử dụng phần
mềm toán học Mathematica .............................................................................. 9
2.3.4. Giáo viên sử dụng phần mềm Mathematica để hƣớng dẫn học sinh giải
bài tập Chƣơng Động lực học vật rắn ................................................................ 9
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2................................................................................ 81
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM .................................................. 9
3.1. Mục đích của thực nghiệm sƣ phạm .......................................................... 9
3.2. Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm................................................................ 9
3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm ........................................................... 9
3.4. Thời điểm thực nghiệm sƣ phạm ............................................................... 9
3.5. Phân tích kết quả thực nghiệm sƣ phạm .................................................... 9
3.5.1. Tiêu chí để đánh giá ................................................................................ 9
3.5.2. Diễn biến thực nghiệm sƣ phạm ............................................................. 9
3.5.3. Sơ bộ đánh giá hiệu quả của tiến trình dạy học đã soạn thảo ................. 9
3.5.4. Kiểm tra, đánh giá chất lƣợng kiến thức của học sinh ............................ 9
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.................................................................................. 9
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................. 9
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 9
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 97

iii


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại bài tập vật lí ............................................................. 9
Hình 1.2. Đồ thị Cos(xy) dƣới dạng 3D............................................................ 9
Hình 1.3. Đồ thị hàm f(x) = 5x3+6x2+2x-1 ....................................................... 9
Hình 1.4. Đồ thị 3 hàm số f(x) = 2x3 + 4x2 + 3x -1, g(x) = 5x2 + 3x -1, h(x) =
2x – 1 trên đoạn [-5,2] ....................................................................................... 9
Hình 1.5. Đồ thị hai chiều hàm x = sin2t ; y = cos3t trên đoạn ........................ 9
[-2, 2]............................................................................................................. 9
Hình 1.6. Đồ thị hàm f(x,y) = x2 + 4x + y2 – 3y + 6 trên đoạn [0,4], [-1,2]............ 9
Hình 1.7. Đồ thị theo tham số x= cos3t, y = sin3t, z =

t
EMBED Equation.3 4

trong khoảng biến thiên của t là [0,7] ................................................................ 9
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc Chƣơng Động lực học vật rắn ................................... 9
Hình 2.2. Vật rắn quay quanh một trục cố định Az, P0 là mặt phẳng cố định, P
là mặt phẳng động gắn với vật và quay cùng với vật........................................ 9
Hình 2.3. Khi vật rắn quay quanh trục cố định, các điểm trên vật có cùng tốc
độ góc. Điểm nào càng xa trục quay thì có tốc độ dài lớn hơn......................... 9
Hình 2.4. Sơ đồ các dạng bài tập theo 4 chủ đề của hệ thống các bài tập cơ
bản ................................................................................................................... 42
Hình 2.5. Hình cho bài 12 .............................................................................. 47
Hình 2.6. Hình cho bài 13 .............................................................................. 48
Hình 2.7. Hình cho bài 14 .............................................................................. 48

Hình 2.8. Hình cho bài 15 .............................................................................. 49
Hình 2.9. Hình cho bài 16 .............................................................................. 49
Hình 2.10. Hình cho bài 18 ............................................................................ 50
Hình 2.12. Hình cho bài 20 ............................................................................ 51
Hình 2.13. Hình cho bài 23 ............................................................................ 52
Hình 2.14. Hình cho bài 24 ............................................................................ 52
iv


Hình 2.15. Hình cho bài 25 ............................................................................ 53
Hình 2.16. Hình cho bài 29 ............................................................................ 54
Hình 2.17. Hình cho bài 31 ............................................................................ 55
Hình 2.18. Hình cho lời giải bài 12 ................................................................ 57
Hình 2.19. Hình cho lời giải bài 13 ................................................................ 58
Hình 2.20. Hình cho lời giải bài 14 ................................................................. 60
Hình 2.21. Hình mô phỏng cho bài 14 .............................................................. 9
Hình 2.22. Hình cho lời giải bài 15 ................................................................ 63
Hình 2.23. Hình mô phỏng cho bài 15 .............................................................. 9
Hình 2.24. Hình cho lời giải bài 18 ................................................................. 71
Hình 2.25. Hình cho lời giải bài 22 ............................................................... 74
Hình 2.26. Hình mô phỏng cho bài 22 .............................................................. 9
Hình 2.27. Hình cho lời giải bài 33 ................................................................. 78
Hình 3.1. Đồ thị đƣờng phân bổ tần suất W% .................................................. 9
Hình 3.2. Đồ thị đƣờng phân bố tần suất tích lũy EMBED Equation.3  i %9

v


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 : Kết quả bài kiểm tra 30 phút ........................................................... 9
Bảng 3.2: Các thông số đặc trƣng đã đƣợc xử lí sau khi tiến hành thực nghiệm
sƣ phạm của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng ....................................... 9
Bảng 3.3: Giá trị các tham số trung bình cộng ( X ), phƣơng sai (S2), độ lệch
chuẩn (s), hệ số biến thiên (V) .......................................................................... 9
Bảng 3.4: Bảng phân phối tần suất (Wi) ........................................................... 9
Bảng 3.5: Bảng phân phối tần số tích lũy ( EMBED Equation.3  i ) .......... 9

vi


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Đổi mới phƣơng pháp dạy học, ứng dụng công nghệ dạy học hiện đại
theo hƣớng chủ động, tích cực hóa hoạt động của học sinh là một trong những
hƣớng đã đƣợc xác định rõ, nhằm nâng cao chất lƣợng dạy học hiện nay. Điều
này đã đƣợc xác định trong Nghị quyết Trung ƣơng 4 Khóa VII (1 -1993),
Nghị quyết Trung ƣơng 2 Khóa VIII (12 - 1996), đƣợc thể chế tại Khoản 2,
Điều 24, Luật Giáo dục (2005): “Phƣơng pháp giáo dục phổ thông phải phát
huy tính tích cực, tự giác, chủ động của học sinh; phù hợp với đặc điểm của
từng lớp học, môn học; bồi dƣỡng phƣơng pháp tự học, rèn luyện kĩ năng vận
dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng
thú học tập cho học sinh”.
Dạy giải bài tập vật lí phổ thông là một trong những học phần bắt buộc
trong chƣơng trình đào tạo sinh viên các trƣờng sƣ phạm. Hiện nay, sách
tham khảo cho giáo viên và học sinh phổ thông về các bài tập vật lí rất nhiều,
nhƣng sách hƣớng dẫn giáo viên dạy cho học sinh kĩ năng phân tích hiện
tƣợng vật lí để giải quyết các bài tập vật lí trong chƣơng trình vật lí phổ thông
còn rất thiếu. Mà viê ̣c rèn luyê ̣n cho ho ̣c sinh biế t cách giải bài tâ ̣p mô ̣t cách
khoa ho ̣c, đảm bảo đi đế n kế t quả mô ̣t cách chiń h xác là mô ̣t viê ̣c rấ t cầ n thiế t .

Nó không những giúp học sinh nắm vững kiến thức mà còn rèn luyện kỹ năng
suy luâ ̣n logic, làm việc một cách khoa học, có kế hoạch. Với cƣơng vi ̣ là một
giáo viên dạy môn vật lí ở trƣờng Trung học phổ thông tôi rấ t quan tâm đế n vấ n
đề này.
Để nghiên cứu, khảo sát các quá trình vật lí, xử lí các bài toán vật lí đòi
hỏi phải tính toán các phép toán rất phức tạp, tốn nhiều thời gian và công sức.
Vì vậy, việc đƣa máy tính vào để nghiên cứu các quá trình tính toán trong vật
lí và sử dụng các công cụ tính toán sẽ giúp cho việc xử lí các bài toán vật lí
đƣợc nhanh chóng và thuận lợi.

7


Để làm điều này, ngôn ngữ lập trình giải tích Mathematica nổi lên với
ƣu điểm vƣợt trội về giao diện thân thiện, về khả năng đồ thị siêu việt và khả
năng xử lí số liệu nhanh đã trở thành một công cụ đắc lực cho các nhà khoa
học, các kỹ sƣ, các chuyên gia sinh học, giáo viên, các nhà tài chính,… Đó
cũng chính là một trong các lí do để giúp tôi chọn tên đề tài “Sử dụng phần
mềm toán học Mathematica hỗ trợ giảng dạy chương “Động lực học vật rắn”
Vật lí 12 nâng cao”
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và sử dụng phần mềm Mathematica hỗ trợ giải một số bài
tập thuộc Chƣơng Động lực học vật rắn Vật lí 12 nâng cao nhằm góp phần
nâng cao chất lƣợng dạy học.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các quan điểm hiện đại về dạy học, nghiên cứu cơ sở lí
luận về giải bài tập vật lí, nghiên cứu phần mềm toán học Mathematica.
- Nghiên cứu nội dung chƣơng trình các kiến thức Chƣơng Động lực
học vật rắn và các tài liệu liên quan nhằm xác định đƣợc mức độ nội dung các
kỹ năng mà học sinh cần nắm vững.

- Tìm hiểu thực tế giảng dạy kiến thức Chƣơng Động lực học vật rắn
ở trƣờng Trung học phổ thông nói chung và trƣờng Trung học phổ thông Lý
Tử Tấn – Hà Nội nói riêng.
- Đƣa ra một số bài tập Chƣơng Động lực học vật rắn có sự hỗ trợ của
phần mềm toán học Mathematica.
4. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
- Khách thể nghiên cứu là lí thuyết và bài tập Chƣơng Động lực học
vật rắn Vật lí 12 nâng cao.
- Đối tƣợng nghiên cứu là ngôn ngữ lập trình Mathematica.
5. Giả thuyết khoa học
Nếu học sinh có kiến thức cơ bản về tin học và kiến thức vật lí Động
lực học vật rắn sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao, giáo viên dạy bài tập vật lí

8


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tôn Tích Ái. Phương pháp số, Nhà xuất bản ĐHQG Hà Nội, 2001.
[2]. Tôn Tích Ái. Phần mềm toán cho kỹ sư, Nhà xuất bản ĐHQG Hà Nội,
2005.
[3]. Tôn Tích Ái. Sử dụng phần mềm Mathematica trong vật lý phổ thông,
Nhà xuất bản ĐHQG Hà Nội, 2001.
[4]. Vũ Cao Đàm, Giáo trình phương pháp nghiên cứu khoa học, NXB Giáo
Dục.
[5]. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (chủ biên),
Nguyễn Đức Hiệp, Nguyễn Ngọc Hƣng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình
Thiết, Vũ Đình Tuý, Phạm Quý Tƣ. Vật lý 12 nâng cao, Nhà xuất bản giáo
dục, 2008.
[6]. Phạm Xuân Quế. Sử dụng máy tính hỗ trợ việc xây dựng mô hình trong
dạy học vật lý, Tạp chí Nghiên cứu Giáo dục, số 4/2000.

[7].Nguyễn Đức Thâm (Chủ biên), Nguyễn Ngọc Hƣng – Phạm Xuân
Quế, Phương pháp dạy học Vật lí ở trường phổ thông, Nhà xuất bản Đại học
Sƣ phạm,2003.
[8]. Đỗ Hƣơng Trà (Chủ biên), Phạm Gia Phách. Dạy học bài tập vật lý ở
trường phổ thông. Nhà xuất bản Đại học sƣ phạm, 2009.
[9]. L.I Rêznicôp, A.V. Piôrƣskin, P.A. Znamenxky, Những cơ sở của
phương pháp giảng dạy vật lý, Nhà xuất bản giáo dục, 1972.

9