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

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 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. Nhờ đó, các kiến thức về dao động cơ của học sinh được mở
rộng đồng thời phát triển ở học sinh các năng lực hoạt động trí óc và chân tay.
Từ khóa: Phương pháp tương tự, dao động cơ, chu kì dao động.

1.

Mở đầu

Việc dạy học bộ môn Vật lí ở trường phổ thông ở nước ta hiện còn gặp rất nhiều
khó khăn do điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị còn hạn chế. Việc dạy học các kiến
thức Vật lí còn bó buộc trong khuôn khổ trường học và sách giáo khoa mà ít có sự gắn kết
với thực tiễn phong phú. Đề tài của chúng tôi đề cập đến việc tổ chức cho học sinh thực
hiện các nghiên cứu Vật lí ở nhà, trên cơ sở vận dụng phương pháp tương tự, để mở rộng
các kiến thức về dao động cơ. Các kiến thức này gắn liền với một số hiện tượng trong thực
tế đời sống mà do điều kiện thời gian không cho phép nên không được nghiên cứu trong
chương trình sách giáo khoa.

2.

2.1.

Nội dung nghiên cứu
Cơ sở lí luận

Việc giao cho HS thực hiện các nghiên cứu vật lí ở nhà có rất nhiều tác dụng trong
dạy học vật lí nói riêng và trong giáo dục nói chung. Các tác dụng nổi bật là:
- Góp phần tạo hứng thú học tập bộ môn Vật lí cho học sinh khi họ thấy được mối
quan hệ giữa kiến thức vật lí trong sách vở với những hiện tượng trong 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:

50


Hướng dẫn học sinh thực hiện các nghiên cứu ở nhà thông qua việc sử dụng...

- Góp phần rèn luyện các phương pháp nhận thức vật lí đặc thù: phương pháp thực
nghiệm, phương pháp tương tự, phương pháp mô hình mà không bị bó buộc vào thời gian
dạy học ở trường.
- Rèn luyện, phát triển các năng lực hoạt động, đặc biệt là năng lực sáng tạo cũng
như các kĩ năng làm việc nhóm, khả năng làm việc độc lập.
- Rèn luyện các kĩ năng sống: Giao tiếp, lên kế hoạch thực hiện và tổ chức làm việc.
Quy trình tổ chức cho HS thực hiện các nghiên cứu Vật lí ở nhà gồm các bước sau:
- Sau khi HS học tập xong một nội dung hoặc một phần kiến thức ở lớp, Giáo viên
đặt ra cho HS vấn đề nghiên cứu tiếp theo. Các vấn đề nghiên cứu này có thể liên quan
đến các kiến thức vừa được trang bị hoặc liên quan đến các kiến thức mới sẽ học sau đó.
Vấn đề nghiên cứu Vật lí ở nhà cần được diễn đạt dưới dạng một bài toán vật lí.
- Thảo luận trước toàn lớp về giải pháp giải quyết vấn đề.

- Giám sát quá trình thực hiện nhiệm vụ của HS để kịp thời điều chỉnh, tháo gỡ các
vướng mắc cũng như đưa ra những hướng dẫn cho việc thực hiện nhiệm vụ nếu cần.
- Tổ chức quá trình đánh giá việc thực hiện nhiệm vụ trước lớp.
Trong khuôn khổ bài báo, chúng tôi đề cập đến việc thực tổ chức cho học sinh thực
hiện các nghiên cứu Vật lí ở nhà thông qua việc vận dụng phương pháp tương tự trong dạy
học kiến thức về dao động cơ.
Suy luận tương tự là một phương pháp suy luận lôgic từ sự giống nhau về các dấu
hiệu M (cấu trúc, tính chất, quy luật, thuộc tính. . . ) xác định của hai hoặc nhiều đối tượng
A và B (sự vật, hiện tượng, quá trình), suy ra sự giống nhau về các dấu hiệu khác của
chúng. Suy luận tương tự có thể được diễn tả như sau:
- Nếu đối tượng A có các dấu hiệu (M1 , M2 , . . . , Mn , Mn+1 ) và đối tượng B có
các dấu hiệu (M1 , M2 , . . . , Mn ) thì có thể suy luận rằng: Đối tượng B cũng có tính chất
Mn+1 .
Trong nhận thức, phương pháp sử dụng sự tương tự và phép suy luận tương tự để
thu nhận tri thức mới được gọi là phương pháp tương tự. Phương pháp tương tự được thực
hiện theo quy trình:
- Lựa chọn các đối tượng tương tự, trong đó có đối tượng cần tìm hiểu.
- Tập hợp và liệt kê các dấu hiệu về đối tượng cần nghiên cứu và các dấu hiệu về
đối tượng đã có những hiểu biết phong phú định đem đối chiếu.
- Tiến hành phân tích những dấu hiệu giống nhau và khác nhau giữa chúng.
- Kiểm tra xem các dấu hiệu giống nhau có đồng thời là các dấu hiệu bản chất của
các đối tượng này hay không.
- Truyền các dấu hiệu của đối tượng đã biết cho đối tượng cần nghiên cứu bằng suy
luận tương tự.
- Kiểm tra bằng thực nghiệm tính đúng đắn của các kết luận được rút ra hoặc hệ quả
của chúng (có tính chất giả thuyết) ở đối tượng cần nghiên cứu. Nếu kết luận rút ra không
đúng đối với đối tượng cần nghiên cứu thì phải trở lại bước 1 (lựa chọn đối tượng khác để
51

Dương Xuân Quý

so sánh).
Trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông, cần tạo điều kiện để học sinh được làm
quen và rèn luyện phương pháp nhận thức này thông qua học tập một số kiến thức ở các
khối lớp. Ví dụ vận dụng phương pháp suy luận tương tự để nghiên cứu dao động điện từ
trên cơ sở tương tự với dao động cơ; vận dụng phương pháp tương tự để xây dựng phương
án thí nghiệm về giao thoa ánh sáng trên cơ sở tương tự hình thức giữa quá trình sóng cơ
và các sóng khác...
Vai trò của việc bồi dưỡng phương pháp tương tự được thể hiện ở một số điểm nổi
bật sau:
- Tạo điều kiện cho HS được rèn luyện một loạt các thao tác tư duy, tạo được niềm
tin vào mối quan hệ có tính khái quát, toàn diện của các sự vật, hiện tượng trong tự nhiên.
- Góp phần nâng cao hiệu quả của các giờ học, giúp học sinh phát hiện ra tính sâu
sắc và tính hệ thống của kiến thức. Nó còn giúp cho học sinh hình dung được các hiện
tượng và quá trình không quan sát trực tiếp được.
- Có thể sử dụng phương pháp tương tự ở trong giờ học để tìm ra các kiến thức mới,
hoặc để mở rộng kiến thức đã học. Có thể tiến hành ở lớp, ở nhà, ở thiên nhiên, khắc phục
được hạn chế về thời gian trong dạy học ở trường học.

2.2.

Vận dụng

Trong dạy học các kiến thức về dao động cơ ở trường phổ thông, việc nghiên cứu
chỉ dừng lại xem xét các hệ dao động lí tưởng là con lắc lò xo và con lắc đơn. Do hạn chế
về thời gian cũng như việc nghiên cứu tường minh đòi hỏi các kiến thức toán phức tạp
nên học sinh không được mở rộng kiến thức cho các hệ dao động thực. Tuy nhiên, theo
chúng tôi, có thể xây dựng các bài tập thí nghiệm và giao cho các nhóm học sinh sử dụng
phương pháp tương tự để mở rộng các kiến thức về dao động đã học giải quyết một phần

khó khăn trên.
Trong chương trình Vật lí lớp 12 phổ thông sử dụng phương pháp động lực học để
nghiên cứu về sự dao động nhỏ của 3 con lắc: Con lắc lò xo, con lắc đơn và con lắc vật
lí. Từ việc nghiên cứu tìm ra được quy luật dao động và biểu thức tính chu kì dao động.
Chúng ta có thể cho học sinh vận dụng phương pháp tương tự để tìm ra kiến thức về chu
kì dao động của các hệ con lắc khác: Con lắc lá, con lắc lật đật và con lắc xoắn.
2.2.1. Nghiên cứu dao động của con lắc lá
a) Đề xuất vấn đề nghiên cứu
Trong đời sống ta có thể gặp hiện tượng một vật đàn hồi (một cây thực vật, một ngôi
nhà cao tầng, một thanh cứng. . . ) có một đầu cố định. Khi chịu tác động thì vật dao động.
Sự dao động có tuân theo quy luật nào không quy luật đó là như thế nào? Xét bài toán:
Một thanh mảnh đồng chất chiều dài lo được cố định một đầu, đầu kia để tự do. Khi thanh
cân bằng thì tác động vào thanh để vật dao động nhỏ. Xác định sự phụ thuộc của chu kì
dao động váo các thông số của hệ.
52


Hướng dẫn học sinh thực hiện các nghiên cứu ở nhà thông qua việc sử dụng...

b) Hướng dẫn học sinh giải quyết vấn đề
- Tổ chức thảo luận trước cả lớp để đề xuất giải pháp dựa trên việc phân tích để học
sinh nhận thấy sự tương tự về mặt hình thức giữa hai hệ dao động: Đều có dao động trên
cơ sở sự biến dạng đàn hồi; từ đó giới thiệu các bước của phương pháp tương tự và giao
cho học sinh về nhà thực hiện các nhiệm vụ tiếp theo. Trước hết hướng dẫn để học sinh đề
xuất được các dấu hiệu giống nhau về sự dao động của hai hệ dao động.
- Lập bảng liệt kê các dấu hiệu tương tự về dao động của hai hệ.
Bảng 1. So sánh sự tương tự giữa dao động của con lắc lò xo và con lắc lá
Con lắc
Dấu hiệu
Con lắc lò xo

Con lắc lá
Các điểm trên vật dao động
Sự chuyển động sau Vật dao động quanh vị trí cân
quanh vị trí cân bằng tương
tác động.
bằng.
ứng.
Đặc điểm bên ngoài
Thanh cứng chịu biến dạng
Lò xo bị biến dạng kéo nén.
của sự dao động.
uốn.
Có chu kì ổn định và chỉ phụ
Đặc điểm chu kì dao thuộc vào các yếu tố của hệ.
Có chu kì ổn định.
m
động.
Biểu thức T = 2π
k
- Từ bảng so sánh có thể đưa ra dự đoán: Chu kì T của con lắc
A
trong đó α là hệ số tỉ lệ, A là đại lượng có
lá có dạng T = 2πα
B
đơn vị khối lượng (kg) và B là đại lượng có đơn vị độ cứng (N/m).
Vấn đề đặt ra là phải kiểm nghiệm sự đúng đắn của suy luận tương
tự trên. Muốn vậy, phải thực hiện phép suy luận logic để đưa ra biểu
thức kiểm nghiệm được trực tiếp như sau: Với hai con lắc lá ta sẽ có:
A1 B2
T1

=
.
T2
B1 A2
- Phương án thí nghiệm được xây dựng như sau:
+ Chọn các thanh mỏng đàn hồi bằng nhựa hoặc kim loại, một
đầu (đầu dưới) cố định, phần phía trên có thể kích thích cho dao động.
Dùng đồng hồ bấm giây để xác định chu kì dao động.
+ Thay đổi chiều dài thanh mỏng để tạo ra các con lắc khác
nhau và so sánh chu kì của từng cặp con lắc để kiểm tra tính đúng đắn
của suy luận trên.
Hình 1. Con
Với một thanh nhựa có chiều dài l0 = 1m ứng với độ cứng k0 và
lắc lá
khối lượng m0 (Hình 1). Từ đây có thể tạo ra các con lắc khác (bằng
cách thay đổi vị trí cố định trên lá thép) có các thông 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 sẽ là:
T2
T3
T1
= 0, 7;
= 0, 74;

= 0, 77.
T2
T3
T4
(Các nhóm học sinh có thể chọn các con lắc tùy ý để kiểm nghiệm).
T1tn
T2tn
T3tn
Các phép đo cho các kết quả:
= 0, 73;
= 0, 67;
= 0, 7.
T2tn
T3tn
T4tn
- Hướng dẫn học sinh thảo luận báo cáo kết quả.
2.2.2. Nghiên cứu dao động của con lắc lật đật
a) Đề xuất vấn đề nghiên cứu:
Trong đời sống có thể gặp trường hợp các vật rắn có một phần mặt ngoài có dạng
là các mặt cầu hoặc mặt trụ đặt tựa trên các mặt phẳng nằm ngang. Khi tác động vào vật
thì nó sẽ thực hiện dao động với trục quay tức thời là điểm tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt
đỡ (ví dụ như con lật đật). Xét bài toán: Một vật có dạng bán cầu (bán trụ, nửa mặt trụ
mỏng) gọi là con lắc lật đật được kích thích cho dao động. Xác định sự phụ thuộc của chu
kì dao động váo các thông số của hệ.
b) Hướng dẫn học sinh giải quyết vấn đề
Tương tự trường hợp con lắc lá các suy luận tương tự sẽ được thực hiện như sau:
- Đưa ra bảng liệt kê các dấu hiệu tương tự về chuyển động của con lắc vật lí và con
lắc lật đật.
Bảng 2. So sánh sự tương tự giữa dao động của con lắc vật lí và con 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 trên vật dao động
quanh vị trí cân bằng của nó

Vật chuyển động quay quanh
trục tức thời. Các điểm trên
vật dao động quanh vị trí cân
bằng của nó

Đặc điểm bên ngoài
của sự dao động

Vật dao động do trọng lực tác
dụng, không bị biến dạng khi
dao động

Vật dao động do trọng lực tác
dụng, không bị biến dạng khi
dao động

Đặc điểm chu kì dao
động

Có chu kì ổn định và chỉ phụ
thuộc vào các yếu tố của hệ.
I
Biểu thức T = 2π
mgd

Có chu kì ổn định.

54


Hướng dẫn học sinh thực hiện các nghiên cứu ở nhà thông qua việc sử dụng...

- Từ bảng so sánh có thể đưa ra dự đoán: Chu
A
kì T của con lắc lá có dạng T = 2πα
trong
B
đó α là hệ số tỉ lệ, A là đại lượng có đơn vị của
mô men quán tính (kg.m2 ) và B là đại lượng có đơn
vị (kg.m2 /s2 ). Vấn đề đặt ra là phải kiểm nghiệm
sự đúng đắn của suy luận tương tự trên. Muốn vậy,
Hình 2. Con lắc lật đật
phải thực hiện phép suy luận logic để đưa ra biểu
T1
A1 B2

=
. Nếu chọn các vật rắn có dạng hình
thức kiểm nghiệm được trực tiếp là
T2
B1 A2
T1
R1
học đối xứng cầu hoặc trụ thích hợp thì A ∼ m.R2 còn B ∼ m.R nên
=
. Tỉ số
T2
R2
này không phụ thuộc vào khối lượng của vật. Suy luận cần được thí nghiệm kiểm nghiệm.
- Phương án thí nghiệm được xây dựng như sau:
Tạo 4 vật rắn dạng bán trụ mỏng (Hình 2) được tạo từ các 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, nếu theo lí thuyết thì
T2
T3

T4
T1tn
T1tn
T3tn
định được
= 1;
= 0, 95,
= 0, 8.
T2tn
T3tn
T4tn
Từ kết quả thí nghiệm có thể rút ra kết luận là chu kì dao động của con lắc lật đạt tỉ
lệ với căn bậc hai của bán kính và không phụ thuộc vào khối lượng của vật.
2.2.3. Nghiên cứu dao động của con lắc xoắn
a) Đề xuất vấn đề nghiên cứu
Trong đời sống có thể gặp trường hợp: Một vât mỏng nhẹ có một đầu cố định, đầu
kia gắn một vật rắn. Khi tác động vào vật rắn để vật mỏng bị biến dạng xoắn rồi để tự vật
chuyển động. Khi đó vật thực hiện dao động quanh vị trí cân bằng. Xét bài toán đơn giản:
Một vật rắn có dạng thanh gắn vào đầu dưới của một mảnh nhựa mỏng, nhẹ, đàn hồi sao
cho thanh luôn nằm ngang. Tác động vào vật rắn để mảnh nhựa biến dạng xoắn thì sau
đó vật rắn dao động. Xác định sự phụ thuộc của chu kì dao động vào các thông số của hệ.
b) Hướng dẫn học sinh giải quyết vấn đề:
Tương tự như với trường hợp con lắc lá, các suy luận tương tự sẽ được thực hiện
như sau:
- Đưa ra bảng liệt kê các dấu hiệu tương tự về chuyển động của con lắc lò xo và con
55


Dương Xuân Quý

lắc xoắn.
Bảng 3. So sánh sự tương tự giữa dao động của con lắc lò xo và con 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 bằng
xác định.

Vật rắn chuyển động quay
quanh trục đối xứng của
mảnh nhựa.

Đặc điểm bên ngoài
của sự dao động

Vật dao động do lực đàn hồi
kéo nén tác dụng tạo ra lực
hồi phục luôn có xu hướng
đẩy vật về bị trí cân bằng.

Vật rắn dao động do lực đàn
hồi xoắn có xu hướng tạo ra

mô men lực đẩy vật dao động
quay quanh vị trí cân bằng.

Đặc điểm chu kì dao
động

Có chu kì ổn định và chỉ phụ
thuộc vào các yếu tố của hệ.
m
&Có
Biểu thức T = 2π
k
chu kì ổn định.

- Từ bảng so sánh có thể đưa ra dự đoán: Chu kì T của con lắc
A
trong đó α là hệ số tỉ lệ, A là đại lượng
lá có dạng T = 2πα
B
có đơn vị của mô men quán tính (kg.m2 ) và B là đại lượng có đơn vị
(kg.m2 /s2 ). Vấn đề đặt ra là phải kiểm nghiệm sự đúng đắn của suy
luận tương tự trên. Muốn vậy, phải thực hiện phép suy luận logic để
T1
A1 B2
đưa ra biểu thức kiểm nghiệm được trực tiếp là
=
. Nếu
T2
B1 A2
chọn các vật rắn có dạng thanh hình trụ thích hợp thì tỉ số này không

phụ thuộc vào khối lượng của vật.
- Phương án thí nghiệm được xây dựng như sau:
+ Chọn hai vật trụ (1) đồng chất l1 = 50cm, m1 = 290g; l2 =
25cm, m2 = 145g có A ∼ ml2 . Hai mảnh này có thể gắn vào hai
Hình 3. 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 đây có thể tạo ra các con
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 là
T1
T2
T1
= 2, 8;
= 1, 4;
= 1, 4.
đúng thì
T2
T3
T4
+ Phép đo thực nghiệm được các kết quả là:
56


Hướng dẫn học sinh thực hiện các nghiên cứu ở nhà thông qua việc sử dụng...

T1tn
T1tn
T2tn
= 2, 9;

= 1, 5;
= 1, 4.
T2tn
T3tn
T4tn

3.

Kết luận

Việc tạo điều kiện để học sinh vận dụng phương pháp suy luận tương tự để tiến
hành các nghiên cứu Vật lí ở nhà tạo điều kiện cho học sinh hiểu sâu sắc kiến thức Vật lí
đồng thời phát triển được các năng lực hoạt động. Cách làm này mang tính khả thi cao vì
không phụ thuộc nhiều vào thời gian trên lớp. Cần có những nghiên cứu vận dụng cho các
phần kiến thức Vật lí khác ở 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 ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm.
[3] Dương Xuân Quý, 2010. Thiết kế chế tạo một số thiết bị thí nghiệm sử dụng trong dạy
học về dao động cơ ở 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