Dạy học bài toán dao động và sóng sử dụng mô hình được xây dựng bằng phần mềm Matlab : Luận văn ThS. Giáo dục học: 60 14 10

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

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
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

1


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

Lêi c¶m ¬n

Luận văn này đƣợc hoàn thành từ sự cố gắng của ngƣời thực hiện và sự
hỗ trợ to lớn của rất nhiều ngƣời. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô
giảng dạy tại trƣờng Đại học Giáo dục, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã quan
tâm giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Đặc biệt tôi muốn cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Bùi Văn Loát - thầy là ngƣời
trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo, giảng dạy tôi về chuyên môn và phƣơng pháp
nghiên cứu đề tài khoa học này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những ngƣời thân yêu trong gia
đình, bạn bè đã luôn sát cánh động viên, ủng hộ tôi trong suốt quá trình làm
luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 11 năm 2009
Học viên
Đinh Đức Chính

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

2


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

5

Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC VẬT LÝ SỬ
DỤNG MÔ HÌNH Ở TRƢỜNG PHỔ THÔNG ............................................... 9
1.1

Tổng quan về mô hình .................................................................. 9

1.1.1

Định nghĩa mô hình ...................................................................... 9

1.1.2

Chức năng của mô hình trong Vật lý học ................................... 10

1.1.3

Các loại mô hình Vật lý .............................................................. 11

1.1.4

Phƣơng pháp mô hình trong nghiên cứu Vật lý và các giai đoạn

của của nó ................................................................................................ 11
1.1.5

Phƣơng pháp mô hình trong dạy học Vật lý ............................... 14

Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ MATLAB VÀ CÁC ỨNG DỤNG .............. 16
2.1

Giới thiệu chung ......................................................................... 16

2.2

Sơ lƣợc về GUI ........................................................................... 18

2.3

Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lý học ứng dụng trong

giảng dạy 19
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) ....................................................................... 21
3.1

Dao động điều hòa ...................................................................... 21

3.1.1

Những vấn đề chung ................................................................... 21

3.1.2

Liên hệ giữa dao động điều hòa với chuyển động tròn đều ....... 28

3.1.3

Vấn đề tổng hợp dao động điều hoà ........................................... 29

3.1.4

Dao động của con lắc lò xo......................................................... 33

3.1.5

Dao động của con lắc đơn........................................................... 38

3.2

Sóng cơ học................................................................................. 45

3.2.1

Những vấn đề chung về sóng cơ học .......................................... 45

3.2.2

Mô phỏng sự truyền sóng ........................................................... 49

3.2.3

Giao thoa sóng cơ học................................................................. 51

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

3


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

3.2.4
3.3

Sóng dừng cơ học ....................................................................... 55
Sóng âm ...................................................................................... 59

3.3.1

Các khái niệm cơ bản.................................................................. 59

3.3.2

Các tính chất cơ bản của âm ....................................................... 59

3.3.3

Hiệu ứng Doppler âm học........................................................... 60

3.3.4

Mô phỏng hiệu ứng Doppler âm học .......................................... 61

Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM ..................................................... 63
4.1

Mục đích của thực nghiê ̣m sƣ phạm ........................................... 63

4.2

Đối tƣợng của thực nghiê ̣m sƣ phạm .......................................... 63

4.3

Phƣơng pháp thực nghiê ̣m .......................................................... 64

4.3.1

Công tác chuẩn bị ....................................................................... 64

4.3.2

Hình thức tổ chức quá triǹ h thực nghiê ̣m ................................... 64

4.3.3

Tiêu chí đánh giá kế t quả hoạt động thực nghiê ̣m sƣ phạm ....... 64

4.4

Thời gian tiế n hành thực nghiê ̣m: ............................................... 65

4.5

Kế t quả thực nghiê ̣m và nhâ ̣n xét. .............................................. 65

4.5.1

Kế t quả kiể m tra phầ n kiế n th ức khác , không sử dụng ph ƣơng

pháp mô hình hóa .................................................................................... 65
4.5.2

Kế t quả kiể m tra sau khi h ọc xong nội dung Dao động, sóng cơ,

sóng âm ................................................................................................... 66
4.5.3

Nhâ ̣n xét chung ........................................................................... 67

KẾT LUẬN ................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 74
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 75

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

4

Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

MỞ ĐẦU
1.

Lí do chọn đề tài
Cuộc cách mạng về công nghệ thông tin bắt đầu từ những năm cuối thế

kỷ 20 đã đem lại vô số những thành tựu góp phần to lớn phát triển mọi mặt
của xã hội loài ngƣời. Hoạt động dạy học cùng với những hoạt động khác của
xã hội đƣợc tin học hóa mạnh mẽ. Điều này không chỉ thể hiện ở việc tiến
hành xây dựng một kết cấu hạ tầng thông tin mà bản chất của nó nằm ở sự
thay đổi về nội dung, hình thức tổ chức dạy học và thay đổi tƣ duy của ngƣời
dạy và ngƣời học ở tất cả các cấp bậc giáo dục.
Việc phát triển năng lực tƣ duy, năng lực giải quyết vấn đề của học sinh
trung học phổ thông là một trong những mục tiêu của công cuộc đổi mới
phƣơng pháp dạy học. Đây là nhiệm vụ khó khăn khi nội dung dạy học khá
nặng nề và chế độ thi cử định hƣớng mục đích học tập. Học sinh tại các
trƣờng Trung học phổ thông ít có điều kiện để đƣợc rèn luyện tƣ duy khoa
học, kĩ năng thu thập, xử lý thông tin. Việc tiếp cận với tin học một cách
thƣờng xuyên sẽ dần hình thành cho học sinh kinh nghiệm về thu thập và xử
lý thông tin, nhƣng chừng đó là chƣa đủ. Vai trò tổ chức hoạt động học tập
ứng dụng công nghệ tin học đòi hỏi ngƣời giáo viên phải hiểu và sử dụng máy
tính và các phần mềm một cách thuần thục.
Dạy học Vật lý là dạy hiện tƣợng. Việc mô phỏng, mô hình hóa các
hiện tƣợng Vật lý bằng phần mềm giúp học sinh nhận thức hiện tƣợng một
cách trực quan. Dạy học Vật lý với sự hỗ trợ của mô hình tiết kiệm thời gian
tổ chức hoạt động nhận thức, tăng thời lƣợng thảo luận và giải quyết các vấn

đề thuộc bản chất hiện tƣợng.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

5


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

Hiện nay mạng xã hội ảo trở nên phổ biến và sẽ còn phát triển mạnh mẽ
trong nhiều năm tới. Việc tìm kiếm, chia sẻ thông tin trên mạng internet đã trở
nên phổ biến, điều này đòi hỏi ngƣời giáo viên thế hệ mới có những hiểu biết
sâu hơn về máy tính, mạng, kĩ thuật số... Trao đổi thông tin trong cộng đồng
mạng xã hội ảo phát triển mạnh mẽ khiến cho lƣợng thông tin của loài ngƣời
tăng lên chóng mặt. Việc lựa chọn những thông tin có ích cho công tác của
giáo viên là hết sức quan trọng. Với các giáo viên giảng dạy môn Vật lý thì họ
cần các tiện ích, phần mềm, tài liệu… về bộ môn của họ. Nhƣ vậy, các giáo
viên cần đến một công cụ nào đó có thể dễ dàng thiết kế, xây dựng mô hình
Vật lý, có cộng đồng phát triển đông đảo, đồng thời tính tƣơng thích và kế
thừa cao. Matlab là phần mềm có thể thỏa mãn đa số các yêu cầu đó.
Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả chọn đề tài: “Dạy học bài toán dao
động và sóng sử dụng mô hình được xây dựng bằng phần mềm Matlab”
làm đề tài nghiên cứu luận văn của mình.
2.

Mục đích nghiên cứu
 Sử dụng phần mềm Matlab thiết kế một số mô hình để giúp học sinh
hình thành tƣ duy logic, giải quyết vấn đề trong phần Dao động cơ,
sóng cơ và âm học đƣợc học trong trƣờng phổ thông.
 Rèn luyện tƣ duy phê phán, đối thoại và sáng tạo cho học sinh.

3.

Đối tƣợng nghiên cứu
 Các khái niệm cơ bản trong Dao động cơ học, sóng cơ, sóng âm nhƣ
dao động tuần hoàn, tần số, biên độ, năng lƣợng, bƣớc sóng, vận tốc
truyền sóng và mối quan hệ giữa chúng.

 Hoạt động của giáo viên và học sinh khi dạy và học các kiến thức trên

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

6


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

4.

Giả thuyết khoa học
Nếu có thể dùng phần mềm Matlab mô hình hóa một số khái niệm cơ

bản, các hiện tƣợng và mối quan hệ giữa các đại lƣợng trong phần Dao động
cơ học, sóng cơ và âm học và các mô hình này giúp học sinh nhận thức sâu
sắc hơn về bản chất Vật lý của vấn đề thì có thể làm cho học sinh tiếp thu kiến
thức một cách tích cực, ghi nhớ một cách logic và vận dụng sáng tạo hơn.
Việc mô hình hóa trên góp phần đẩy mạnh quá trình đổi mới phƣơng pháp
giảng dạy bộ môn Vật lý ở trƣờng phổ thông.
5.

Nhiệm vụ nghiên cứu
 Nghiên cứu cơ sở lý luận của phƣơng pháp mô hình hóa, trong đó tập
trung vào các mô hình lý tƣởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy
luật vận động, biến đổi của đối tƣợng Vật lý.
 Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần Dao động cơ học, sóng cơ và
âm học trong chƣơng trình Vật lý phổ thông.
 Nghiên cứu phƣơng pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab.
 Thực nghiệm sƣ phạm để đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp giảng
dạy sử dụng mô hình đƣợc thiết kế bằng Matlab.

6.

Phạm vi nghiên cứu
 Các kiến thức về dao động cơ học, sóng cơ và sóng âm trong sách giáo
khoa Vật lý lớp 12.
 Các thực nghiệm sƣ phạm trên 01 lớp 12

7.

Phƣơng pháp nghiên cứu
 Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận
 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
 Phƣơng pháp điều tra thăm dò.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

7


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

8.

Đóng góp của đề tài
 Góp phần làm sáng tỏ vai trò phƣơng pháp mô hình hóa bằng phần
mềm máy tính trong dạy học Vật lý trong trƣờng phổ thông.
 Cung cấp những hiểu biết cơ bản về phần mềm Matlab và ứng dụng
của nó.
 Tạo ra một số mô hình có giá trị thực tiễn.

9.

Cấu trúc luận văn
Trên cơ sở nội dung đề tài đã lựa chọn, luận văn đƣợc chia làm các

phần nhƣ sau:
 Chƣơng 1: Cơ sở lý luận về phƣơng pháp dạy học Vật lý sử dụng mô
hình ở trƣờng phổ thông.
 Chƣơng 2: Tổng quan về Matlab và các ứng dụng
 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).
 Chƣơng 4: Thử nghiệm ứng dụng các mô hình đã đƣợc xây dựng bằng
Matlab vào dạy học tại trƣờng phổ thông

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

8


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

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
Kiến thức và sự hiểu biết của các nhà khoa học về thế giới thƣờng đƣợc
thể hiện trong các mô hình. Có rất nhiều định nghĩa về mô hình, theo định
nghĩa của David W. Stockburger[1] thì “Mô hình là sự biểu diễn của nội dung
về thuộc tính bản chất của sự vật hiện tƣợng trong thế giới thực”. Cũng theo
ông, mô hình có hai dạng chính. Thứ nhất là mô hình vật lý, thí dụ nhƣ mô
hình máy bay, bản thiết kế kiến trúc của toà nhà. Thứ hai là mô hình kí tự, thí
dụ nhƣ chữ viết, chƣơng trình máy tính hay phƣơng trình toán học.
Trong Vâ ̣t lý ho ̣c , V.A. Stopho đã đinh
̣ nghiã mô hiǹ h nhƣ sau : “Mô
hình là một hệ thống đƣợc hình dung trong óc hay đƣợc thực hiện một cách
vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tƣợng
nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho
ta những thông tin mới về đối tƣợng.”
Mô hình chỉ phản ánh một số thuộc tính bản chất của sự vật, hiện tƣợng
đƣợc nghiên cứu. Điều này cho thấy là một sự vật, hiện tƣợng có thể đƣợc
phản ánh bởi nhiều mô hình khác nhau, trong đó mỗi mô hình thể hiện một
vài thuộc tính mà ta quan tâm và theo từng cách tiếp cận khác nhau của ngƣời
xây dựng mô hình. Vậy mô hình không đồng nhất với sự vật, hiện tƣợng mà
nó phản ánh.

[1]

David W.Stockburger, Introductory Statistics: Concepts, Models, and Applications, Emeritus

Professor, Missouri State University.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

9


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

1.1.2 Chức năng của mô hình trong Vật lý học
Thế giới vật chất rất phong phú và đa dạng nhƣng lại có tính thống
nhất. Rất nhiều sự vật, hiện tƣợng đã đƣợc mô hình hóa trong trí tƣởng tƣợng
của con ngƣời để từ đó khám phá ra những mối quan hệ mới mà trƣớc đó
chƣa ai biết đến. Các nhà khoa học với hƣớng tiếp cận khác nhau về những
đối tƣợng khác nhau, nhƣng trong một hoàn cảnh cụ thể thì đối tƣợng Vật lý
đƣợc phản ánh hoàn toàn giống nhau về bản chất. Phƣơng trình sóng có thể là
sự mô tả của sự lan truyền sóng âm trong không khí, cũng có thể mô tả sự
truyền sóng điện từ trong chân không... Điều đó thể hiện sự thống nhất của
vật chất.
Trong Vật lý học, mô hình có những chức năng chính nhƣ sau:
 Mô tả sự vật hiện tƣợng
 Giải thích các tính chất, hiện tƣợng có liên quan đến đối tƣợng
 Tiên đoán các tính chất và các hiện tƣợng mới
Mô hình trong Vật lý học có thể ứng dụng trong dạy học Vật lý. Mô
hình Vật lý có tính trực quan, đơn giản, tƣơng tự vật gốc, phản ánh một vài
thuộc tính cơ bản trong điều kiện lý tƣởng. Quá trình dạy học không giống
quá trình nghiên cứu khoa học về nhiều mặt. Nghiên cứu khoa học nhằm mục
đích tìm ra cái mới chƣa từng có. Dạy học nhằm đƣa kiến thức sẵn có của

nhân loại đến với ngƣời học, trong đó ngƣời học chƣa từng biết đến kiến thức
ấy. Dựa trên những nội dung hay định luật có sẵn, ngƣời tổ chức giờ học đƣa
ngƣời học đến với kiến thức bằng cách thức riêng. Nếu sử dụng mô hình Vật
lý, ngƣời tổ chức giờ học có thể làm ngƣời học nhận thức một cách trực quan
và tích cực hơn dựa trên quá trình tƣơng tác để nhận biết mối quan hệ giữa
các sự vật, hiện tƣợng hay quy luật vận động của sự vật, hiện tƣợng đó.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

10


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

1.1.3 Các loại mô hình Vật lý
Mô hình Vật lý thông thƣờng đƣợc chia làm hai loại có chức năng khác
nhau: mô hình vật chất và mô hình lý thuyết.
Mô hình vật chất thể hiện những đặc trƣng của vật chất về mặt kiến
trúc không gian, hình học, động lực học... và đƣợc sử dụng ở giai đoạn đầu
của nhận thức (khi cần hình thành kiến thức kinh nghiệm hoặc những biểu
tƣợng ban đầu về sự vật).
Mô hình lý thuyết là những mô hình trừu tƣợng và đƣợc chia làm hai
loại: mô hình kí hiệu và mô hình biểu tƣợng. Mô hình kí hiệu thƣờng thể hiện
dƣới dạng công thức toán học hay đồ thị. Trong đó công thức toán học thay
thế đối tƣợng nghiên cứu và đem lại thông tin cần thiết rất nhanh chóng. Đồ
thị cũng là một dạng mô hình đƣợc sử dụng thƣờng xuyên trong Vật lý học.
Các định luật Vật lý nhiều khi đƣợc xây dựng dựa vào đồ thị rồi mới suy ra
công thức liên hệ giữa các đại lƣợng. Đồ thị không chỉ đem lại thông tin về
quan hệ phụ thuộc giữa các đại lƣợng mà còn có khả năng đƣa ra thông tin
tiên đoán về quy luật vận động của sự vật, hiện tƣợng. Thí dụ, khi quan sát đồ

thị của dao động tắt dần ta có thể dự đoán biên độ dao động giảm theo quy
luật hàm mũ.
Mô hình biểu tƣợng là loại mô hình trừu tƣợng nhất, không thể hiện
trong không gian thực mà chỉ hình thành trong tƣ duy. Có nhiều đối tƣợng
nghiên cứu cần đƣợc mô hình hóa dạng biểu tƣợng, thí dụ: mô hình trƣờng
điện từ, photon, mô hình phân tử trong thuyết động học phân tử của chất khí,
mô hình vật đen tuyệt đối...
1.1.4 Phương pháp mô hình trong nghiên cứu Vật lý và các giai đoạn của
của nó
Trong phƣơng pháp mô hình, ngƣời ta xây dựng các mô hình mang
những tính chất cơ bản của vật thể, hiện tƣợng, quá trình và mối quan hệ giữa
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

11


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

chúng. Việc nghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên đối
tƣợng thực, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang cho đối
tƣợng gốc, giúp ta thu đƣợc những thông tin mới về đối tƣợng gốc, dự đoán
đƣợc tính chất, hiện tƣợng mới có thể có của đối tƣợng gốc.
Nhìn chung, phƣơng pháp mô hình trong vật nghiên cứu Vật lý có các
giai đoạn nhƣ sau:
1.1.4.1 Giai đoạn 1: Nghiên cứu những tính chất của đối tượng gốc
Bằ ng quan sát thƣ̣c nghiê ̣m, ngƣời ta xác đinh
̣ đƣơ ̣c mô ̣t tâ ̣p hơ ̣p nhƣ̃ng
tính chất của đối tƣợng nghiên cứu . Giai đoa ̣n này còn đƣơ ̣c go ̣i là t ập hợp
những dữ kiện ban đầu làm cơ sở để xây dựng mô hình.
1.1.4.2 Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình

Do kết quả của sự tƣơng tự, ngƣời ta xây dựng một mô hình sơ bộ,
chƣa đầy đủ. Mô hình này mới chỉ có trong óc ngƣời nghiên cứu. Trong giai
đoa ̣n này , trí tƣởng tƣợng và trực giác giữ một vai trò hết sức quan trọng . Nó
giúp ngƣời nghiên cứu rút ra những thuộc tính căn bản, những mối quan hệ
cần thiết để tạo ra hình mẫu trong tƣ duy. Dựa vào hình mẫu này nhà nghiên
cƣ́u xây dƣ̣ng nhƣ̃ng mô hiǹ h thâ ̣t

hoặc các mô hình kí hiệu. Trong trƣờng

hơ ̣p mô hin
̀ h lý tƣởng , ngƣời ta thƣờng đem đố i chiế u mô hình trong tƣ duy
với nhƣ̃ng vâ ̣t, nhƣ̃ng hiê ̣n tƣơ ̣ng mà ngƣời ta quen biế t.
1.1.4.3 Giai đoạn 3: Thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lý thuyết
Sau khi xây dƣ̣ng mô hiǹ h, ngƣời ta áp dụng các phƣơng pháp lý thuyết
hoặc thực nghiệm khác nhau tác động lên mô hình và thu đƣợc kết quả và các
thông tin mới. Đối với mô hình vật chất ngƣời ta làm thí nghiệm thực trên mô
hình, đối với mô hình lý tƣởng thì tiến hành các thao tác logic trong óc, tức là
áp dụng những phép tính hay những phép suy luận logic trên các ký hiệu.
Ngƣời ta coi viê ̣c này nhƣ làm mô ̣t thí nghiê ̣m đă ̣c biê ̣t go ̣i là thí nghiê ̣m lý
tƣởng. Thí nghiệm lý tƣởng tuy không có thật nhƣng có vai trò rất lớn trong
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

12


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

khoa ho ̣c . Theo Heisenbërg: Thí nghiệm đó đƣơ ̣c sáng ta ̣o ra để giải thích
nhƣ̃ng vấ n đề đă ̣c biê ̣t quan tro ̣ng , bấ t kể là thƣ̣c tế ta có thể thƣ̣c hiê ̣n đƣơ ̣c
thí nghiệm đó hay không . Dĩ nhiên, điề u quan tro ̣ng là thí nghiê ̣m đó có thể

thƣ̣c hiê ̣n đƣơ ̣c về nguyên tắ c mă ̣c dù kỹ thuật thực nghiệm của nó có thể rất
phƣ́c ta ̣p.
Trong phƣơng pháp mô hình lý tƣởng, ngƣời ta có thể dự đoán đƣợc sự
vận động của mô hình trong những điều kiện xác định theo những quy luật
riêng. Kết quả cần thu đƣợc đó là những hệ quả của quá trình tƣơng tác hoặc
mức độ cụ thể trong từng phép thử với các điều kiện khác nhau. Vật lý hiện
đại phát triển đã cho thấy rằng mô hình đem lại kết quả nhanh chóng hơn và
tƣơng đối chính xác. Điều này giúp cho quá trình tạo ra một phát minh hay
sáng chế rút ngắn bớt thời gian, giảm chi phí và cũng đồng nghĩa với việc
giảm bớt khó khăn trong lao động khoa học.
Thí nghiệm lý tƣởng thực chất là một thao tác logic , chƣ́ không phải là
mô ̣t phƣơng pháp nghiên cƣ́u khách quan , nhƣ̃ng kế t quả trê n mô hiǹ h phải
đƣơ ̣c chuyể n về đố i tƣơ ̣ng nghiên cƣ́u (đố i tƣơ ̣ng gố c ) xem có phù hơ ̣p hay
không.
1.1.4.4 Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiểm tra
Thực tiễn là tiêu chuẩn để kiểm nghiệm những sản phẩm của tƣ duy.
Bản thân mô hình là một sản phẩm của nhận thức nên cần phải kiểm tra sự
đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu đƣợc từ mô hình với những
kết quả thu đƣợc từ đối tƣợng gố c. Nếu có sự sai lệch thì phải điều chỉnh mô
hình, có những trƣờng hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thay bằng mô hìn

h

khác.
Ví dụ : Mô hình đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa li độ và thời gian
trong dao động tắt dần cho thấy biên độ dao động giảm dần theo thời gian
nhƣng không hoàn toàn tuân theo hàm mũ. Từ đó đặt ra câu hỏi rằng mô hình

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

13


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

xây dựng đã phù hợp chƣa, hay lý thuyết đƣợc xây dựng cần đƣợc tiếp tục
hoàn chỉnh?
Những mô hình đã đƣợc kiểm nghiệm trong thực tế là những mô hình
phản ánh một số mặt của thực tế khách quan. Nó có thể bị thay đổi, hoàn
chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi ngƣời ta có thêm những thông tin chính xác
hơn về đối tƣợng.
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 cứu khoa học Vật lý, mô hình và phƣơng pháp mô hình
có chức năng nhận thức, nó giúp ta phát hiện ra những đặc tính mới, hiện
tƣợng mới, quy luật mới. Nếu xem xét quá trình học tập của học sinh dƣới
góc độ một hoạt động nhận thức thì mô hình cũng có chức năng nhƣ trong
nghiên cứu khoa học Vật lý.
Trong khi dạy học, học sinh nhiều khi không đủ khả năng xây dựng mô
hình để thay thế vật gốc trong nghiên cứu nhƣng giáo viên có thể sử dụng mô
hình để thay thế với mục đích sƣ phạm nhƣ một phƣơng tiện trực quan nhằm
làm cho học sinh hiểu rõ một vấn đề nào đó.
Trong nghiên cứu khoa học Vật lý, mô hình vật chất có vai trò rất hạn
chế vì nó mang đến rất ít thông tin mới khi thao tác trên mô hình, tuy nhiên nó
lại có tác dụng rất quan trọng trong dạy học, nó có thể giúp học sinh hiểu
đƣợc những hiện tƣợng không quan sát trực tiếp đƣợc.
Các mô hình lý tƣởng tuy rất có tác dụng trong hoạt động nhận thức
nhƣng nhiều khi đòi hỏi ở học sinh một trình độ tƣ duy trừu tƣợng cao, một
cơ sở thực nghiệm phong phú và kinh nghiệm bản thân dồi dào mới có thể
xây dựng đƣợc các mô hình. V.G.Razumôxki khi bàn về phƣơng pháp mô

hình trong dạy học cũng nhận định rằng: “Ở giai đoạn xây dựng mô hình, vì
việc tìm ra những đối tƣợng trừu tƣợng thích hợp có thể thay thế cho quá

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

14


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

trình, hiện tƣợng nghiên cứu là rất khó, nên thông thƣờng thì học sinh không
thể làm việc đó, tính tự lực của họ trong giai đoạn này bị hạn chế”.
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 sự kiện thực tế mà học sinh không thể giải thích
đƣợc bằng kiến thức cũ của họ, sau đó đƣa ra mô hình mà các nhà khoa học
đã xây dựng và vận dụng mô hình để giải thích các hiện tƣợng trên.
Học sinh có phần thụ động tiếp thu thông tin về các mô hình, chỉ cần họ
biế t phân biê ̣t mô hin
̀ h với thƣ̣c tế và làm quen với cách sƣ̉ du ̣ng mô hiǹ h để
giải thích thực tế.
Mức độ 2:
Học sinh sử dụng các mô hình mà giáo viên cung cấp để giải thích một
số hiện tƣợng đơn giản tƣơng tự với hiện tƣợng ban đầu đã biết.
Mức độ 3:
Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đƣa ra để dự đoán hiện tƣợng
mới.
Mức độ 4:
Học sinh dƣới dự hƣớng dẫn của giáo viên tham gia vào cả 4 giai đoạn
của phƣơng pháp mô hình, do đó nắm vững tính năng của mô hình và sử dụng

đƣợc mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức.
Mức độ 5:
Học sinh tự lực xây dựng mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức
của mình.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

15


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

Chƣơng 2.TỔNG QUAN VỀ MATLAB VÀ CÁC ỨNG DỤNG

2.1

Giới thiệu chung
Matlab là một môi trƣờng tính toán số đƣợc phát triển bởi The

MathWorks. Đây là một trong những ngôn ngữ lập trình rất mạnh để phát
triển các ứng dụng. Có lẽ cách dễ nhất để hìng dung về MATLAB là nó có
đầy đủ các đặc điểm của máy tính cá nhân: giống nhƣ các máy tính cơ bản, nó
làm tất cả các phép tính toán học cơ bản nhƣ cộng, trừ, nhân, chia; giống nhƣ
máy tính kỹ thuật, nó bao gồm: số phức, căn thức, số mũ, logarithm, các phép
toán lƣợng giác nhƣ sine, cosine, tang; nó cũng giống nhƣ máy tính có khả
năng lập trình, có thể lƣu trữ, tìm kiếm lại dữ liệu, cũng có thể tạo, bảo vệ và
ghi trình tự các lệnh để tự động tính toán khi giải quyết các vấn đề. Matlab
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

16

Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

cho phép so sánh logic, điều khiển thực hiên lệnh để đảm bảo tính đúng đắn
của phép toán. Giống nhƣ các máy tính hiện đại nhất, Matlab có thể biểu diễn
dữ liệu dƣới nhiều dạng nhƣ: biểu diễn thông thƣờng, ma trận đại số, các hàm
tổ hợp và có thể thao tác với dữ liệu thƣờng cũng nhƣ đối với ma trận.
Tên của phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix
Laboratory”. Đầu tiên nó đƣợc viết bằng FORTRAN để cung cấp truy nhập
dễ dàng tới phần mềm ma trận đƣợc phát triển bởi các dự án LINPACK và
EISPACK. Sau đó nó đƣợc viết bằng ngôn ngữ C trên cơ sở các thƣ viện nêu
trên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các ứng dụng
kỹ thuật.

Hình 1: Phổ tần số của âm thanh thu đƣợc từ tiếng quát giận dữ

Lĩnh vực áp dụng của Matlab có thể chia kể đến: nghiên cứu các quá
trình (vật lý, hóa học), tự động hóa, điện tử, viễn thông, toán học, mô phỏng,
thiết kế giao diện, thiết kế các phần mềm cụ thể… Matlab hỗ trợ ngƣời dùng
vô số tài nguyên các hàm, công cụ để nghiên cứu, vì vậy trong thực tế Matlab
đƣợc ứng dụng rất rộng rãi. Hình 1 là đồ thị phân tích phổ tần số sóng âm thu
đƣợc từ tiếng quát giận dữ của một ai đó. Đây là một trong vô vàn ứng dụng
hữu ích của Matlab.
Luận văn này chỉ đề cập đến một khía cạnh cụ thể của Matlab ứng dụng
trong giáo dục, đó là khả năng tạo các giao diện đồ họa (GUI – Graphic user
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

17

Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

interface) dùng để xây dựng các mô hình vật lý học. Ngoài ra cũng phải kể
đến sự kế thừa các tính năng nổi trội khác, ví dụ nhƣ khả năng dịch các ứng
dụng độc lập, kế thừa kho tàng các công cụ, hàm và khả năng đồ họa của
Matlab.

2.2

Sơ lƣợc về GUI
GUI- giao diện ngƣời dùng đồ họa là dạng thể hiện đồ họa bao gồm các

dụng cụ, thiết bị, trong đó cho phép ngƣời dùng thực hiện công việc tƣơng
tác. Để thực thi các công việc của mình, ngƣời dùng không cần viết các đoạn
chƣơng trình hay từng dòng lệnh cụ thể, nói cách khác là họ không cần biết
chi tiết các thao tác bên trong của từng công việc cụ thể.
Những thành phần cơ bản của GUI bao gồm Menu, Toolbar, Push
Button, Radio Button, List box, Slider,… Trong Matlab, một GUI có thể thể
hiện dữ liệu dƣới dạng bảng hoặc đồ thị, các thành phần có thể đƣợc nhóm lại
với nhau tùy ý.
Dƣới đây là một thí dụ đơn giản về GUI:

Hình 2: Chƣơng trình đồ họa Matlab tiêu biểu

GUI trên bao gồm một hệ trục tọa độ; một Pop-up Menu bao gồm 3 lựa
chọn tƣơng ứng với 3 hàm của Matlab là peaks, membrane và sinc; ba nút
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

18

Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

bấm cung cấp các lựa chọn vẽ đồ thị khác nhau: surf, mesh, contour. Khi
ngƣời dùng bấm một nút thì đồ thị sẽ thể hiện dữ liệu đƣợc lựa chọn trong
Pop-up Menu với cách vẽ tƣơng ứng.
Matlab hỗ trợ đầy đủ công cụ để tạo một ứng dụng chạy độc lập trên
nền Windows. Có nhiều biện pháp để tạo ứng dụng, nhƣng theo cách nào
cũng phải có matlab code, dù đó chỉ là vài dòng lệnh hay cả một project lớn.
Cách phổ biến nhất để tạo ra standalone application là dùng Deploytool trong
Matlab compiler. Để dịch đƣợc một project ta cần có đầy đủ các file .m và file
.fig. Tuy nhiên, việc tích hợp một lƣợng tài nguyên lớn các hàm trong, hàm
ngoài trong một chƣơng trình độc lập (trong khi chƣa cần dùng tới) làm cho
quá trình thực thi các chƣơng trình này khá chậm chạp.

2.3

Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lý học ứng dụng
trong giảng dạy
Việc xây dựng các mô hình vật lý học phù hợp với công tác giảng dạy

tại trƣờng Trung học phổ thông phải dựa trên nhiều tiêu chí. Tiêu chí đầu tiên
phải kể đến đó là tính khả thi. Các đối tƣợng, khái niệm, quy luật vận động
của thực thể vật lý rất phong phú, hình thức thể hiện đa dạng và nhìn chung là
có độ khó khác nhau. Việc xây dựng các mô hình vật lý đòi hỏi đầu tƣ nhiều
trí tuệ, thời gian và công sức, không phải giáo viên nào cũng có thể đáp ứng
tiêu chí này. Tiêu chí tiếp theo phải xét đến đó là mô hình vật lý học đƣợc xây
dựng có phù hợp với giảng dạy hay không. Để đảm bảo yêu cầu này, ngƣời
xây dựng mô hình phải dựa vào cơ sở lý luận về phƣơng pháp dạy học mô

hình hóa, căn cứ vào nội dung dạy học và hoàn cảnh cụ thể. Từ những nhận
xét trên, ta có thể thấy quy trình xây dựng một mô hình (ảo) để ứng dụng
trong giảng dạy nhƣ sau:
 Xác định mục đích dạy học
 Thiết kế, xây dựng mô hình
 Thực nghiệm
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

19


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

 Đánh giá kết quả
 Chỉnh sửa hoặc xây dựng mô hình mới
Luận văn đã xây dựng một số mô hình dƣới dạng đồ họa với các tính
năng cơ bản nhƣ tƣơng tác (thay đổi các số liệu), vẽ đồ thị, hình động
(animation)... tƣơng ứng với nội dung và mục đích dạy học. Ngoài ra phải kể
đến thế mạnh riêng của các mô hình đã đƣợc thiết kế, đó là đƣợc dịch thành
các ứng dụng độc lập (standalone applications), trực quan, sinh động, tính hệ
thống... Những đặc điểm này làm cho luận văn có đôi chút khác biệt mang
tính tích cực so với một số đề tài ứng dụng Matlab trong giảng dạy trƣớc đây.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

20


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

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 nhẹ, bông hoa lay động trên cành cây. Quả lắc của đồng hồ
treo tƣờng đung đƣa sang trái, sang phải. Trên mặt hồ gợn sóng, mẩu gỗ nhỏ
bồng bềnh, nhấp nhô trên mặt nƣớc. Chiếc dây đàn ghi ta khi gẩy mạnh rung
động trên mặt đàn. Trong các ví dụ trên, vật chỉ chuyển động trong một vùng
không gian hẹp, không đi quá xa khỏi một vị trí cân bằng nào đó. Chuyển
động nhƣ vậy đƣợc gọi là dao động. Hình 3 là dạng đồ thị mô tả dao động của
một vật quanh vị trí cân bằng.
Dao dong co hoc
1
0.8
0.6
0.4

x(cm)

0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6

-0.8
-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t(s)

Hình 3: Dao động

Nhƣ vậy dao động là chuyển động có giới hạn trong không gian, lặp

đi lặp lại nhiều lần quanh một vị trí cân bằng. Vị trí cân bằng thƣờng là vị
trí của vật khi nó đứng yên: Vị trí của con lắc khi đồng hồ không chạy, của
vật khi mặt hồ phẳng lặng, của dây đàn không rung.
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

21


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

Dao động tuần hoàn:
Quan sát một quả lắc đồng hồ ta thấy, sau những khoảng thời gian bằng
nhau nào đó thì quả lắc lại đi qua vị trí cân bằng theo chiều từ trái sang phải.
Đó chính là dao động tuần hoàn. Khoảng thời gian để quả lắc lặp lại trạng thái
ban đầu gọi là chu kỳ T. Đại lƣợng f 

1
cho ta biết số lần dao động trong
T

một giây gọi là tần số dao động. Nhƣ vậy, dao động tuần hoàn là dao động mà
trạng thái chuyển động đƣợc lặp lại nhƣ cũ sau những khoảng thời gian bằng
nhau. Dạng của dao động tuần hoàn thể hiện trên đồ thị Hình 4.
Dao dong tuan hoan
2
1.5
1

x(cm)

0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2

0

5

10

15

20

25

30

t(s)

Hình 4: Dao động tuần hoàn

Dao động điều hòa:
Dao động điều hoà đơn giản là một dao động đƣợc mô tả bằng định luật
dạng sin hoặc cosin. Dao động của con lắc lò xo không ma sát, của con lắc
đơn với góc lệch nhỏ và không ma sát là những ví dụ về dao động điều hòa.
Phƣơng trình của dao động điều hòa có dạng:

x  A. sint   

(3.1)

Ta biết rằng hàm sin là một hàm tuần hoàn với chu kỳ 2П. Vì vậy biểu
thức (3.1) có thể viết dƣới dạng sau:
x  A. sint     A. sint  2   

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

(3.2)

22


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

Đồ thị dao động điều hoà đơn giản x=A.sin(ωt) đƣợc biểu diễn đơn
giản nhƣ trên đồ thị Hình 5. Trên Hình 5 đƣa ra đồ thị mô tả sự biến đổi của
ly độ, vận tốc, gia tốc theo thời gian.
Dao dong dieu hoa
100
Ly do x(t)
Van toc v(t)
Gia toc a(t)

80
60

x(t), v(t), a(t)

40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100

0

1

2

3

4

5

6

7

t

Hình 5: Ly độ, vận tốc và gia tốc trong dao động điều hòa

Phƣơng trình (3.2) có thể viết dƣới dạng sau:
  2  
x  A. sin   t 
 
  
 

(3.3)

Qua phƣơng trình (3.3) ta thấy: Li độ của dao động ở thời điểm
 2 
2
t 
 cũng bằng li độ ở thời điểm t. Và khoảng thời gian T 
đƣợc gọi
 



là chu kỳ của dao động điều hoà.
Đối với con lắc lò xo ta có:
T

2



 2

m

k

(3.4)

Ngƣời quan sát sau khi phân tích đƣợc mối quan hệ giữa các đại lƣợng
ly độ, vận tốc, gia tốc có thể kiểm chứng dựa trên mô hình trong Hình 6.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

23


Luận văn Thạc sĩ Sư phạm Vật lý – Trường Đại học Giáo dục - ĐHQGHN

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 thực tế, khi khảo sát dao động của một hệ, ta không thể bỏ qua
các lực 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 lắc lò xo dao động trong không khí, sức cản của không khí làm
cho nó tắt dần. Nhƣng sức cản đó là nhỏ, nên phải chờ một thời gian khá lâu
nó mới tắt hẳn. Tuỳ theo lực ma sát là lớn hay nhỏ dao động sẽ ngừng nhanh
hay chậm. Nếu xét trong thời gian ngắn có thể xem nó là dao động điều hoà.
Phƣơng trình biểu diễn dao động tắt dần có dạng:
x  ae t .cos(t   )

(3.5)

Trong đó:
 a: biên độ dao động.
 α: hệ số ma sát.
 λ= α /2m: hệ số tắt dần.
 w  (w02  2 )1/ 2 : hằng số tắt dần.
 ω0: tần số dao động khi không có ma sát.
Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2

24