Tài liệu Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lý

Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lý Biên tập bởi: Nguyễn Xuân Thành Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lý Biên tập bởi: Nguyễn Xuân Thành Các tác giả: Nguyễn Xuân Thành phamxuanque Phiên bản trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/ecacee10 MỤC LỤC 1. Máy vi tính hỗ trợ trong việc mô phỏng các hiện tượng vật lí 2. Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí 2.1. Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí được ghép nối với máy vi tính 2.2. Máy vi tính hỗ trợ cho việc phân tích băng hình ghi các quá trình vật lí thực. 3. Sử dụng máy vi tính và phần mềm trong dạy học vật lí nhằm hỗ trợ việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực của học sinh. các ví dụ minh hoạ 3.1. Nguyên tắc chung khi sử dụng máy vi tính và phần mềm dạy học vật lí 3.2. Các ví dụ minh họa về sử dụng máy vi tính và phần mềm dạy học vật lý 4. Xê Mi Na 5. Bài tập về Sử dụng máy vi tính và phần mềm dạy học vật lý 6. Câu hỏi thảo luận Sử dụng máy vi tính và phần mềm dạy học vật lý 7. Tài liệu tham khảo Sử dụng máy vi tính và phần mềm dạy học vât lý 8. Các phần mềm dạy học vật lý Tham gia đóng góp 1/48 Máy vi tính hỗ trợ trong việc mô phỏng các hiện tượng vật lí Quan niệm về việc mô phỏng các đối tượng nghiên cứu của vật lí Mô phỏng nhờ máy vi tính (Computersimulation) theo quan điểm của lí luận dạy học hiện đại là một phương pháp nhận thức. Nó xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình (các phương trình hay các nguyên lí.. vật lí) được viết dưới dạng toán học, thông qua vận dụng các phương pháp tính toán trên mô hình nhờ máy vi tính để giải quyết các nhiệm vụ sau: - mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng, quá trình vật lí một cách trực quan và chính xác hơn để dễ quan sát và nghiên cứu. - mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lí để qua đó tìm ra các kiến thức mới (mối quan hệ, qui luật mới...) bằng con đường nhận thức lí thuyết. Sau đây sẽ trình bày lần lượt các nhiệm vụ của việc mô phỏng các hiện tượng vật lí bằng máy vi tính Mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng vật lí bằng máy vi tính một cách trực quan Đặc điểm của các hiện tượng, quá trình vật lí cần được minh hoạ nhờ máy vi tính Không phải các quá trình nào xảy ra trong tự nhiên cũng dễ quan sát. Đối với chuyển động của chiếc thuyền, đoàn tàu thì việc quan sát để xác định vị trí của chúng ứng với từng thời điểm hay quãng đường đi ứng với từng khoảng thời gian trôi qua là không khó khăn. nhưng cũng có những quá trình trong tự nhiên không thể quan sát bằng mắt thường để để xác định được các đại lượng cần thiết được vì diễn biến của quá trình xảy ra quá nhanh, hay quá chậm. Điều đó gây khó khăn trong việc nghiên cứu tìm ra qui luật của chúng. Các quá trình như vậy được nghiên cứu trong chương trình vật lí phổ thông có thể kể ra ở đây như: chuyển động rơi, chuyển động ném ngang của một vật, chuyển động của khối tâm và của các điểm của vật rắn, quá trình phân rã hạt nhân, phóng xạ...Một trong các giải phá 2/48 Khả năng mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng, quá trình vật lí bằng máy vi tính một cách chính xác và trực quan Với các chức năng ưu việt của nó, máy vi tính có khả năng mô phỏng trực quan và chính xác bằng các mô hình kí hiệu các hiện tượng hay quá trình vật lí trong tự nhiên. Tuy nhiên việc mô phỏng chính xác đến đâu còn phụ thuộc vào hai yếu tố: - Trước hết là phụ thuộc vào mức độ nhận thức của người nghiên cứu về qui luật phản ánh hiện tượng, quá trình vật lí. Các qui luật này thường được mô tả bằng các phương trình, hệ phương trình toán-lý. - Sau đó phụ thuộc vào khả năng của người lập trình, sử dụng ngôn ngữ máy tính để phản ánh lại các qui luật đó chính xác đến chừng nào. Điều quan trọng trong việc sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lí, trong việc mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lí là các nhà lí luận dạy học, các giáo viên phải có được ý tưởng rõ rệt của việc sử dụng máy vi tính để giải quyết vấn đề gì, mà thiếu nó thì không thể có hiệu quả hay sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong dạy học. p có thể hỗ trợ cho việc nghiên cứu các quá trình đó có hiệu quả hơn, là sử dụng máy vi tính để mô phỏng các quá trình đó. Ví dụ như, khi nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ (trong SGK lớp 11 hiện hành), nếu chỉ quan sát thí nghiệm về chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây hay thí nghiệm thay đổi cường độ ḍng điện ở ống dây lồng trong cuộn dây có nối với điện kế th́ học sinh rất khó có thể đưa ra dự đoán đúng về nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng. Để hỗ trợ cho việc đưa ra dự đoán đúng, có thể mô phỏng quá trì́nh diễn ra trong thí nghiệm, trong đó vẽ các đường cảm ứng từ của các nam châm (vĩnh cửu hay điện) như Hì́nh 2.1 dưới đây. Đối với học sinh yếu kém, ta có thể mô phỏng thêm cả số lượng đường cảm ứng từ xuyên qua mặt cắt ống dây ứng với từng thời điểm trong thí nghiệm. Mô phỏng sự thay đổi của số đường cảm ứng từ gửi qua ống dây nhờ máy vi tính 3/48 Hiện tượng sóng dừng trên dây trong trường hợp sóng phản xạ ngược pha với sóng tới (tại đầu dây cố định) hoặc sóng phản xạ cùng pha với sóng tới (tại đầu dây tự do) rất khó h́nh dung. Nhờ phần mềm mô phỏng ta có thể giúp học sinh “quan sát” rơ quá tŕnh sóng tới truyền đến đầu dây đó và quá tŕnh tạo ra sóng phản xạ. Mô phỏng sóng dừng được tạo bởi sóng tới và sóng phản xạ trong trường hợp hai đầu dây cố định So sánh việc mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng, quá trì́nh vật lí bằng máy vi tính và bằng máy chiếu phim dương bản (MCPDB), phim hoạt hì́nh Để có thể minh hoạ các hiện tượng, quá trình vật lí khó quan sát (diễn ra cực nhanh hay cực chậm) người ta có thể sử dụng phương pháp chiếu phim dương bản, phim hoạt hình. Phim hoạt hình cũng như máy vi tính đều có thể “giãn” hay “co” các quá trình này lại tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu các quá trình đó. Tuy nhiên, trong phim hoạt hình thì mức độ co, giãn như thế nào đã được hãng sản xuất phim chế tạo định trước. Giáo viên hay học sinh khi dùng phim đó trong tình huống dạy học cụ thể của mình có muốn thay đôỉ lại cũng không thể được. Song ở máy vi tính thì điều đó lại hoàn toàn khác. Do những phần mềm (software) được cài đặt trong máy, ngay tức khắc, ta có thể dễ dàng thay đổi mức độ co, giãn của quá trình đang nghiên cứu một cách tuỳ ý. Mô phỏng bằng máy vi tính còn có nhiều ưu điểm khác. Khi mô phỏng bằng máy vi tính giáo viên và học sinh có thể dừng quá trình lại tại thời điểm bất kì để nghiên cứu, xác định bất kì các đại lượng nào của vật (ví dụ: toạ độ, vận tốc, gia tốc, quãng đường... của chuyển động được mô phỏng). Về mặt trang thiết bị, để mô phỏng bằng máy vi tính chỉ cần có một máy vi tính như nhiều trường phổ thông đang có. Ngoài ra, cần có đĩa mềm (disk) loại 1,44 MB hay thẻ nhớ (dung lượng từ hàng chục MB cho tới vài GB) để lưu trữ các chương trình mô phỏng (nếu không muốn lưu trữ trong ổ cứng của MVT). Việc sao chép, nhân bản các chương trình này có thể tự làm rất dễ dàng và hoàn toàn không tốn kém kinh phí và thời gian. Còn đối với máy chiếu phim hoạt hình thì công việc này rất phức tạp, tốn kém và phải do người có chuyên môn làm tại xưởng. 4/48 Mô phỏng các hiện tượng, quá tŕnh vật lí để qua đó t́m ra các kiến thức mới bằng con đường nhận thức lí thuyết Khả năng có thể đi sâu vào các mối quan hệ có tính bản chất của các hiện tượng, quá trình vật lí nhờ mô phỏng bằng máy vi tính Ngoài khả năng mô phỏng một cách trực quan và chính xác các hiện tượng, quá trình vật lí, qua mô phỏng, máy vi tính còn có thể tạo điều kiện cho người nghiên cứu đi sâu vào và tìm ra các mối quan hệ có tính bản chất của các hiện tượng, quá trình vật lí. Sở dĩ thực hiện được điều đó là do các chức năng ưu việt trong việc tính toán và xử lí số liệu của MVT. Vai trò của máy vi tính ở đây là tạo ra các khả năng mới trong tính toán: khả năng rút ngắn thời gian tính toán và đặc biệt là khă năng có thể tìm ra lời giải các bài toán, (nếu không có máy vi tính thì trong điều kiện ở trường phổ thông, với công cụ toán học còn thiếu và không được bổ xung thì không có khả năng giải được). Nhờ các phần mềm (ví dụ như các chương tŕnh cơ bản như Turbo Pascal ..v..v...và các chương tŕnh ứng dụng do người nghiên cứu tự viết ra) được cài đặt sẵn trong máy có thể giúp giáo viên và học sinh thực hiện nhanh chóng và tương đối mĩ măn các tính toán lí thuyết. Thêm vào đó, máy vi tính có khả năng hiển thị các kết quả tính toán, xử lí số liệu dưới nhiều dạng trực quan khác nhau tạo điều kiện người nghiên cứu dễ phát hiện ra các mối quan hệ chứa đựng trong đó. Ta có thể hình dung khả năng này như sau: Để giải quyết một vấn đề nào đó đặt ra trong bài học vật lí, giáo viên và học sinh sử dụng một số tiên đề hay mô hình vật lí (có thể được mô tả bằng các phương trình vật lí), tiến hành các suy luận lí thuyết trên đó. Nhưng do công cụ toán học còn thiếu nên không thể đạt được tới đích. Do vậy, ở đây cần có sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm để có thể giải ra kết quả. Kết quả mà máy tính đưa ra không phải được phát biểu “bằng lời“ (dưới dạng văn bản), mà biểu thị dưới dạng số, biểu bảng, đồ thị hay các hình ảnh động. Từ các dạng đó cho ta biết tồn tại các mối quan hệ mới có tính qui luật trong hiện tượng, quá trình vật lí đang nghiên cứu. Như vậy, việc t́m ra các mối quan hệ mới này là trên phương diện tính toán lí thuyết. Kết quả này có được chấp nhận hay không là phải được kiểm tra bằng thực nghiệm. Điều đó cũng giống như bất ḱ việc kiểm tra bằng thực nghiệm đối với những kết luận đă suy ra theo con đường lí thuyết. Các kết luận đă được kiểm chứng bằng thực nghiệm sẽ dùng để giải thích và tiên đoán các hiện tượng liên quan. Các bước trong quá tŕnh t́m ra các kiến thức mới bằng con đường lí thuyết nhờ mô phỏng bằng MVT Trong quá trình tìm ra các kiến thức mới bằng con đường lí thuyết nhờ mô phỏng bằng MVT, các bước được tiến hành tuần tự như sau: 5/48 • Như mọi con đường nhận thức, quá trình nhận thức tìm ra kiến thức mới bằng con đường lí thuyết ở đây bắt đầu từ "vấn đề". Để giải quyết vấn đề, cần phải xây dựng những tiên đề, mô hình vật lí (hoặc sử dụng các tiên đề, mô hình vật lí đã có), chúng được viết dưới dạng các biểu thức toán học. • Sau khi đã có mô hình, nhờ máy vi tính để tiến hành các suy luận logic, tính toán lí thuyết trên mô hình đó và hiển thị các kết quả tính toán dưới dạng trực quan nhất để tạo điều kiện rút ra các kết luận về mối quan hệ mới có tính qui luật của hiện tượng hay quá trình nghiên cứu. • Kiểm tra các kết luận trên bằng thực nghiệm để xác nhận tính đúng đắn của chúng. • Sử dụng các kết luận đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm để giải thích và tiên đoán các hiện tượng liên quan. Qua đây ta thấy các bước trên cũng chính là các giai đoạn của con đường nhận thức lí thuyết. Để minh hoạ các bước trong quá trình tìm ra các kiến thức mới bằng con đường lí thuyết nhờ mô phỏng bằng máy vi tính ta dẫn ra đây một ví dụ trong việc khảo sát dao động của con lắc lò so. Ví dụ về việc sử dụng máy vi tính trong việc mô phỏng dao động của con lắc lò so để qua đó tìm ra các kiến thức mới bằng con đường nhận thức lí thuyết Dao động của con lắc lò so là một trường hợp điển hình về dao động dưới tác dụng của lực đàn hồi của một vật có khối lượng m được gắn vào lò so có khối lượng không đáng kể. Khi nghiên cứu về dao động của con lắc lò so, các mối quan hệ quan trọng sau đây cần được rút ra (trong trường hợp bỏ qua ma sát): • • • • Dao động của con lắc là một dao động điều hoà, Li độ x được mô tả theo định luật hình sin, Vận tốc góc ϖ = √ mk , hay chu kì T = √ mk Độ lệch pha giữa x,v và a. Trường hợp dao động theo phương nằm ngang ngang của con lắc lò so có khối lượng m chỉ chịu tác dụng của một lực đàn hồi (bỏ qua lực ma sát) đã được nghiên cứu trong mục Đ1 “Dao động tuần hoàn và dao động điều hoà. Con lắc lò so” (trong Sách giáo khoa Vật lí 12 CCGD). Trình tự việc nghiên cứu đó ở đây như sau: Xuất phát từ biểu thức F = - k x (1) (biểu thị mối quan hệ giữa độ dịch chuyển x của con lắc và lực đàn hồi F) và định luật 2 Niu tơn: 6/48 F = ma (2) có thể suy ra: a = - (k/m).x (3) Vì a = v’ và v = x’ nên a = x’’. Do đó ta viết được: x’’ = - x (4) Đây là phương trình vi phân hạng 2. Khó khăn nhất ở đây mà con đường trình bày theo SGK gặp phải là học sinh lớp 12 chưa thể giải tìm nghiệm x được, mà phải thông báo dạng nghiệm cho học sinh. x = Asin (wt +j ) (5) trong đó A và j là hằng số còn w = √ mk Chỉ sau khi chấp nhận dạng nghiệm đó ta mới rút ra được các qui luật về dao động theo phương nằm ngang của con lắc như sau: • Dao động của con lắc là một dao động điều hoà (trong trường hợp bỏ qua ma sát) • Li độ x được mô tả theo định luật hình sin. • Vận tốc góc w = √ mk (hay chu kì T = √ mk ) • Độ lệch pha giữa x,v và a. Có thể nhờ máy vi tính và các phần mềm trong việc mô phỏng dao động của con lắc lò so để từ đó rút ra các mối quan hệ nêu trên mà không phải buộc học sinh chấp nhận dạng nghiệm của phương trình vi phân bậc 2. Trình tự con đường đó như sau: Khi quan sát dao động của con lắc lò so có thể đặt ra vấn đề: dao động của nó tuân theo qui luật như thế nào? Chu kì dao động phụ thuộc vào các yếu tố nào ( cụ thể phụ thuộc vào m và k như thế nào)? Độ lệch pha giữa x, v và a có quan hệ với nhau như thế nào?... Để giải quyết vấn đề đó theo con đường lí thuyết trước hết ta cũng dựa trên các mô hình, nguyên lí vật lí như SGK đã tiến hành. Trong trường hợp dao động của con lắc lò so theo phương ngang bỏ qua lực ma sát, các mô hình, nguyên lí vật lí đó là các định luật: - Định luật Hook: F = - k x - Định luật 2 Niu-tơn: F = ma và các biểu thức động học như: 7/48 vt = v0 + a. Dt; xt = x0 + v. Dt; t = t0 + Dt Để có thể tiếp tục nghiên cứu dao động của con lắc lò so và từ đó rút ra các mối quan hệ có tính qui luật, ta cần đến viết chương trình (phần mềm) để mô phỏng dao động theo phương nằm ngang của con lắc dựa trên các định luật vật lí và biểu thức động học nêu trên. Chương trình cụ thể đó như thế nào là phụ thuộc người viết. Đối với các chương trình mô phỏng như vậy có thể dùng ngôn ngữ Turbo Pascal với chế độ màn hình đồ hoạ hay Visual Basic. Ví dụ về chương trình mô phỏng dao động ngang của con lắc lò so khi bỏ qua ma sát sẽ được trình bày ở dưới. Tuỳ theo mục đích nghiên cứu, khi viết chương trình ta có thể thay đổi chút ít sẽ cho phép hiển thị trên màn hình: - hình ảnh về quá trình dao động ngang của con lắc trên trục toạ độ OX, ứng với mỗi giá trị cho trước k, m, x0, v0 (các điều kiện này có thể thay đổi trên máy vi tính một cách dễ dàng, theo ý muốn của người nghiên cứu), - đồ thị về li độ x, vận tốc v và gia tốc a theo thời gian của con lắc..v..v... Từ việc quan sát các hình ảnh và đồ thị đó cho phép ta suy ra các mối quan hệ (định lượng hay bán định lượng) có tính qui luật trong dao động của con lắc. Ví dụ như: từ việc quan sát hình ảnh về quá trình dao động của con lắc trên trục toạ độ OX cho ta thấy dao dộng của nó là dao động điều hoà. Khi ta thay đổi chỉ số k và giữ nguyên các điều kiện khác, trên màn hình sẽ cho các hình ảnh dao động của con lắc với các chu kỳ T khác nhau. Từ đó có thể rút ra mối quan hệ định lượng giữa k và T, cũng tức là giữa k và w. Còn khi ta quan sát đồ thị về li độ x và vận tốc v theo thời gian của con lắc ta có thể rút ra li độ x biến đổi theo qui luật hình sin và xác định độ lệch pha giữa li độ x, vận tốc v và gia tốc a. Như vậy, các mối quan hệ này được t́m ra là hoàn toàn theo con đường lí thuyết có sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm tương ứng. Tóm lại, với sự hỗ trợ của máy vi tính và các phần mềm đă chuẩn bị sẵn, giúp học sinh nghiên cứu được các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng dao động của con lắc ngang (bỏ qua ma sát) mà không cần phải chấp nhận nghiệm phương tŕnh vi phân hạng hai. Bằng con đường tương tự như vậy, có thể nghiên cứu dễ dàng dao động của con lắc theo phương ngang có lực ma sát hay theo phương dọc (trong trường hợp bỏ qua lực ma sát hay có lực ma sát). 8/48 9/48 Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí được ghép nối với máy vi tính Trong các ứng dụng của máy vi tính vào dạy học vật lí thì việc sử dụng máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí được ghép nối với máy vi tính là một trong các ứng dụng đặc trưng nhất của nó. Hình 2.4 biểu thị một thiết bị thí nghiệm với đệm khí được ghép nối với máy vi tính để nghiên cứu chuyển động thẳng. Sơ đồ nguyên lí và chức năng của thiết bị thí nghiệm ghép nối với MVT Để hỗ trợ được các thí nghiệm vật lí thě máy vi tính cần được ghép nối với các thiết bị thí nghiệm. Dưới đây là sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính về mặt nguyên tắc. Theo sơ đồ này, việc thu thập các số liệu đo về đối tượng nghiên cứu được đảm nhiệm bởi bộ phận có tên là “bộ cảm biến”. Nguyên tắc làm việc của bộ cảm biến như sau: trong bộ cảm biến, các tương tác của đối tượng đo lên bộ cảm biến dưới các dạng khác nhau như cơ, nhiệt, điện, quang, từ..v..v.. đều được chuyển thành tín hiệu điện. Mỗi một bộ cảm biến nói chung chỉ có một chức năng hoặc chuyển tín hiệu cơ sang tín hiệu điện 10/48 hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện..v..v.. .. Vì́ vậy, ứng với từng phép đo khác nhau mà người ta phải dùng các bộ cảm biến khác nhau. Ví dụ như, để đo lực ta dùng bộ cảm biến lực (Force Sensor), tại đây các thay đổi về lực (cơ học) trong quá tŕnh tương tác sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. Để xác định vị trí và thời điểm tương ứng của vật người ta dùng bộ cảm biến chuyển động (Motion Sensor) của hăng Pasco (Mĩ), bộ cảm biến chuyển động (Movement Sensor) hay bộ cảm biến khác có tên là thiết bị chắn sáng (Light Barrier) của hăng Phywe (CHLB Đức). Tuy có cùng chung một chức năng song nguyên tắc hoạt động của các bộ cảm biến này cũng khác nhau. Tại bộ cảm biến chuyển động (Motion Sensor) của hăng Pasco (Mĩ), th́ tín hiệu của sóng siêu âm được chuyển sang tín hiệu điện, c̣n ở bộ cảm biến chuyển động (Movement Sensor) hay bộ cảm biến khác có tên là thiết bị chắn sáng (Light Barrier) của hăng Phywe (CHLB Đức) th́ các tín hiệu quang được chuyển sang tín hiệu điện. Sau khi tín hiệu điện được hình thành tại bộ cảm biến, nó sẽ được chuyển qua dây dẫn đến bộ phận tiếp theo trong hệ thống có tên là “thiết bị ghép tương thích”. Tại thiết bị ghép tương thích này, các tín hiệu điện sẽ được số hoá một cách hợp lí để đưa vào máy vi tính (bởi v́ máy vi tính chỉ làm việc với các tín hiệu đă được số hoá). Như vậy, các tín hiệu đă được số hoá này được coi là cơ sở dữ liệu và có thể lưu trữ lâu dài trong MVT. Để thu thập số liệu đo, ứng với mỗi phép đo các đại lượng khác nhau, ta thường phải dùng các bộ cảm biến khác nhau. Để số hoá các tín hiệu điện từ bộ cảm biến chuyển tới, với một bộ ghép tương thích (Interface) ta có thể số hoá các tín hiệu điện của nhiều loại bộ cảm biến khác nhau như: chuyển động, gia tốc, lực, áp suất, nhiệt độ, âm, ánh sáng..v..v.. Các bộ ghép tương thích này có thể được lắp đặt vào bên trong của MVT, ví dụ như Interface IEEE-488 của hăng Phywe CHLB Đức, Universal Laboratory Interface (ULI) của hăng Vernier (Mĩ). Song hiện nay, nhiều bộ ghép tương thích được chế tạo có nhiều tính năng ưu việt như có thể lưu trữ được dữ liệu mà không cần có MVT. Các bộ ghép tương thích này tiện lợi cho việc nghiên cứu ở những nơi xa mà không thể đem máy vi tính theo.V́ vậy kích thước của nó khá lớn (như quyển sách khá dầy) và được đặt ngoài MVT, ví dụ như Science Workshop 500 Interface, Science Workshop 700 Interface hay Science Workshop 750 Interface của hăng Pasco (Mĩ). Hình dưới là ảnh chụp Science Workshop 750 Interface. Nó vừa có chức năng của một Interface, lại vừa có chức năng của máy phát tần số (Funtion Generator) và chức năng của dao động kí điện tử ghi các dao động theo đúng thời gian thực (Real- time Oscilloscope). 11/48 Hình 2.5 Science Workshop 750 Interface Để các bộ ghép tương thích này có thể hoạt động sau khi đă lắp vŕo trong máy vi tính hay sau khi đă nối với MVT, cần phải có một phần mềm cŕi đặt. Phần mềm nŕy được cung cấp kèm theo bộ ghép tương thích khi ta mua. Cần chú ý rằng, các bộ ghép tương thích này có thể dùng cho các loại máy vi tính hoạt động trong môi trường Macintosh hoặc máy vi tính hoạt động trong môi trường MSDOS hay Windows...v...v.... Sau khi các tín hiệu đã được số hoá, có thể sử dụng máy vi tính (đã cài đặt phần mềm thích hợp) để tính toán, xử lí các tín hiệu số này theo mục đích của người nghiên cứu. Ví dụ như ta có thể lập bảng số liệu về mối quan hệ giữa các đại lượng mà bộ cảm biến đã thu thập được hay vẽ đồ thị về mối quan hệ này, hoặc xử lí tuỳ theo ý muốn nếu phần mềm cho phép. Thường thì các chuyên gia khi viết phần mềm đã lường hết tất cả các thuật toán mà người nghiên cứu có thể dùng đến để đưa nó vào nội dung của phẩn mềm cài đặt trong MVT. Hình sau là ví dụ về đồ thị quan hệ giữa quãng đường s và thời gian t (bên trái) và đồ thị quan hệ giữa quãng đường s và t2 thời gian (bên phải) trong một chuyển động nhanh dần đều được tạo nên bởi máy vi tính trong thí nghiệm với thiết bị đệm khí ghép nối với máy vi tính sử dụng phần mềm COMEX. Như vậy, sau khi máy vi tính đă tính toán, xử lí xong, tất cả các kết quả đều có thể được hiện thị dưới dạng số, bảng biểu, đồ thị trên màn h́nh hoặc in ra giấy qua máy in hoặc được lưu trữ lại trong MVT... 12/48 So sánh thí nghiệm được tiến hành với các thiết bị truyền thống với thí nghiệm được tiến hành với các thiết bị ghép nối với MVT Việc sử dụng các thí nghiệm vật lí với các thiết bị truyền thống (không ghép nối với MVT) và việc sử dụng các thí nghiệm vật lí ghép nối với máy vi tính cùng có chung tiến trình như sau: - Tiến hành thí nghiệm để có thể quan sát được (bằng mắt hay bằng các phương tiện hỗ trợ) hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu, - Thu thập số liệu đo,- Xử lí số liệu đo (thông qua tính toán, đối chiếu, so sánh...) và trình bày kết quả xử lí,- Từ các kết quả xử lí đó, tìm ra (trong thí nghiệm khảo sát) hay chứng tỏ (trong thí nghiệm minh hoạ) sự tồn tại các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu.Cùng có một tiến trình như nhau, song trong thí nghiệm được hỗ trợ bằng máy vi tính có nhiều công việc được hoàn toàn tự động theo một chương trình đã định sẵn mà không cần sự can thiệp của con người.Thí dụ như ở khâu tiến hành TN, để hiện tượng thí nghiệm xảy ra chuẩn, đúng theo ý muốn của người nghiên cứu, có phần mềm và thiết bị hỗ trợ thực hiện điều đó. Phần mềm và các thiết bị này thường được sử dụng trong các thí nghiệm cần tạo ra các hiện tượng quá trình phức tạp. Khâu thu thập số liệu đo là khâu hết sức quan trọng trong thực nghiệm. Thường thì, ở các thí nghiệm không ghép nối MVT, trong quá trình quan sát ta đã phải đo, đếm hay đánh dấu sẵn rồi. Trong mỗi lần thí nghiệm thường phải đo từ 2 đại lượng trở lên và lại phải đo nhiều giá trị khác nhau. Rồi cùng một thí nghiệm lại phải tiến hành nhiều lần, đo nhiều lần. Nói chung, thời gian và công sức thu thập số liệu là rất đáng kể và ở nhiều thí nghiệm công việc này là khó khăn đối với giáo viên và học sinh. Song ở các thí nghiệm được hỗ trợ của máy vi tính các số liệu đã được tự động thu thập nhờ bộ cảm biến rồi truyền đến bộ ghép tương thích đưa vào máy vi tính. Do được tự động hoá hoàn toàn nên việc thu thập số liệu đo này ở thí nghiệm ghép nối với máy vi tính xảy ra cực kì nhanh, trong vài chục giây, ta có thể có ngay các số liệu đó trên màn hình MVT. Trên các số liệu đó, cũng nhờ máy vi tính và phần mềm, ta có thể phân tích, xử lí số liệu (theo các chương trình do phần mềm định sẵn). ý định phân tích, xử lí số liệu như thế nào là hoàn toàn do người nghiên cứu (giáo viên hay học sinh) đặt ra. Còn các phép tính toán cụ thể 13/48 như: cộng, trừ, nhân, chia, bình phương, khai căn..., lập các biểu bảng, vẽ các đồ thị về các mối quan hệ giữa các đại lượng đang nghiên cứu đều do máy vi tính thực hiện. Các kết quả tính toán, các biểu bảng cũng như các đồ thị này cũng được hiển thị ngay trên màn h́nh máy vi tính . Quá tŕnh tính toán, lập biểu bảng hay vẽ đồ thị này máy vi tính chỉ làm trong trong vài chục giây tới một vài phút. Kết quả hiển thị trên màn h́nh là hoàn toàn chính xác và rất khoa học, đẹp đẽ. C̣n trong thí nghiệm không được hỗ trợ bằng máy vi tính việc lập biểu bảng, tính toán hay vẽ đồ thị trong quá tŕnh xử lí số liệu một cách “thủ công” thường chiếm rất nhiều thời gian và nhiều khi cũng rất khó khăn. Có thể đưa ra ví dụ cụ thể sau để so sánh ưu nhược điểm giữa thí nghiệm có hỗ trợ của máy vi tính và không có hỗ trợ của MVT. Trong thí nghiệm nghiên cứu chuyển động biến đổi đều của một vật theo thời gian, ta cần xác định gia tốc a của vật đó. Để xác định a, ta có thể: • "đo quăng đường đi s của vật từ lúc khởi hŕnh đến cuối thời gian t, vŕ đo t, ta tính được giá trị tuyệt đối của gia tốc a = 2s/ t2 (khi vận tốc ban đầu bằng 0)" hoặc • "đo hiệu số những quăng đường đi được (s trong những khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau t, và tính a = Ds / t2 “. Như vậy, để xác định gia tốc a của chuyển động của vật th́ trước hết ta phải đo (thu thập số liệu đo), sau đó phải tính gia tốc a từ số liệu đă thu thập (xử lí số liệu đo). Các phép đo ở đây (đo chiều dài quăng đường và đo thời gian) trong thí nghiệm không được hỗ trợ bằng máy vi tính đ̣i hỏi khá nhiều thời gian. Ví dụ, trong cách thứ 2, để xác định gia tốc a trước hết ta cần đo s1 và s2 là các quăng đường đi được trong khoảng thời gian 1t, 2t, rồi đo giá trị của t. Sau đó ta tính a qua biểu thức trên (qua Ds và t). Đo được các đại lượng như vậy và tính gia tốc a như vậy cũng mất khá nhiều thời gian. Hơn nữa, để giá trị gia tốc a là tin cậy ta phải đo nhiều lần rồi tính sai số. Như vậy, chỉ với một việc xác định giá trị của gia tốc a thôi, với phương pháp đo (thu thập số liệu) và tính (xử lí số liệu) như trên đòi hỏi rất nhiều thời gian so với lượng thời gian cho phép trong một tiết học. Và trên thực tế, việc làm như vậy ít được sử dụng trong bài lên lớp mà đưa vào trong nội dung bài thực hành. Còn khi sử dụng thí nghiệm được hỗ trợ bằng máy vi tính, thì các công việc như: thu thập số liệu đo về quãng đường và thời gian, xử lí số liệu đo để tính ra gia tốc a và trình bày kết quả xử lí đó trên bảng số liệu hay trên các loại đồ thị đều được tự động hoàn toàn và hết sức nhanh chóng. Tổng số thời gian làm việc này chỉ mất độ vài ba phút. Sở dĩ có thể làm được như vậy là nhờ các thiết bị vi tính và phần mềm hỗ trợ đảm nhiệm. Để thu thập các thông số về chuyển động của đối tượng đo, ở đây có một bộ phận đảm nhiệm, gọi là bộ cảm biến chuyển động, hay thiết bị chắn sáng. Bộ phận này làm nhiệm vụ ghi và lưu trữ các tín hiệu (dưới dạng điện) về các vị trí của vật và thời điểm tương ứng với các vị trí đó. Các tín hiệu điện này từ bộ cảm biến được truyền theo dây dẫn đến thiết bị ghép tương thích (Interface). Tại thiết bị ghép tương thích này, các tín hiệu đó sẽ được số hoá để đưa vào MVT. Tại MVT, ta chỉ 14/48 cần ra lệnh "lưu trữ" là các tín hiệu số này được lưu trữ vào bộ nhớ của MVT. Bây giờ, ta có thể chọn các phương án xử lí các tín hiệu số theo ý muốn, ví dụ như: lập bảng về quãng đường và thời gian (s và t), về vận tốc và thời gian (v và t), về gia tốc và thời gian (a và t)..v..v... Qua bảng này ta có thể xác định ngay được vận tốc, gia tốc của vật tại từng thời điểm. Hơn nữa, phần mềm trong máy tính cho phép ta từ các số liệu thu được vẽ các đồ thị s và t, đồ thị v và t, đồ thị a và t..v..v..Mỗi một công việc này chỉ mất có độ vài giây, cho ngay kết quả trên màn hình.Việc hiển thị các kết quả trên màn hình cũng rất rõ ràng, khoa học và tiện lợi với các màu sắc làm nổi bật những dấu hiệu cần quan tâm . Ta có thể cho hiện thị bất kì đồ thị nào trong các đồ thị trên lên màn hình, sau đó có thể phóng to, thu nhỏ lại được. Hơn nữa, cùng một lúc có thể hiện thị nhiều đồ thị bên cạnh nhau trên màn hình. Để tất cả học sinh trong lớp có thể quan sát được, ta có thể dùng các thiết bị chiếu tất cả những gì có trên màn hình máy vi tính lên màn màu trắng hay đưa hình ảnh ở máy tính lên ti vi có màn ảnh rộng. Một vài thiết bị đó hiện nay đang được dùng kèm máy vi tính là: thiết bị chiếu hình ghép nối với máy vi tính (PC-Projector) CPD 300 Kindermann của CHLB Đức, hay loại LCD Projector như: VPL-X1000, VPLS900 và VPL-SC50... của hãng Sony Nhật và nhiều loại khác nữa..Từ việc so sánh trên, cho ta thấy thí nghiệm được hỗ trợ bằng máy vi tính có một số ưu điểm sau:- có tính trực quan cao hơn trong việc tŕnh bày số liệu đo, hiển thị kết quả (ví dụ như các kết quả đo hiển thị trên màn h́nh bằng số có kèm theo đơn vị đo, bảng số liệu và đồ thị được đưa ra rơ ràng, với mọi mầu sắc thích hợp...)- tiết kiệm rất nhiều thời gian do thu thập cũng như xử lí số liệu hoàn toàn tự động, - cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu thực nghiệm trong thời gian rất ngắn (đó là một yều cầu quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm,- độ chính xác cao của các số liệu đo cũng như kết quả tính toán cuối cùng do sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại (ví dụ trong các phép đo thời gian, độ dài, độ chính xác đến 0,001 s ; 0,001 m, còn tính vận tốc chính xác đến 0,001 m/s (chính xác đến 1 phần nghìn đơn vị),- tiết kiệm thời gian lắp đặt thí nghiệm (vì nói chung các thiết bị vi tính và các thí nghiệm ghép nối với chúng có ít chi tiết hơn),- để có thể sử dụng được các thí nghiệm có ghép nối với thiết bị vi tính thì không đòi hỏi ở người sử dụng biết kiến thức đặc biệt về kĩ thuật vi tính, và không cần biết về ngôn ngữ lập trình.Mặc dù thí nghiệm được ghép nối với máy vi tính có nhiều ưu điểm, song hiện nay ở nước ta chủ yếu mới sử dụng trong các trường đại học, còn chưa được sử dụng ở đa số các trường phổ thông. Theo chúng tôi việc sử dụng nó còn chưa rộng rãi do còn có một số khó khăn sau: - người sử dụng cần có thời gian làm quen máy vi tính (chủ yếu là làm quen với việc mở một chương tŕnh ứng dụng đă được cài đặt trong máy và làm quen với bàn phím)mặc dù hiện nay máy vi tính không đắt tiền lắm (tất cả các trường phổ thông THCS và PTTH ở thành phố đều có nhiều), song đắt tiền là các thiết bị khác như các bộ cảm biến, các thiết bị ghép tương thích và thiết bị thí nghiệm tương ứng.Song điểm hết sức quan trọng là ở chỗ ở Việt nam còn quá ít các nghiên cứu về lí luận cũng như thực tiễn về vấn 15/48 đề này để có những đánh giá đúng mức và đưa ra các kinh nghiệm cụ thể trong việc sử dụng thí nghiệm có hỗ trợ của máy vi tính kết hợp với các phương tiện dạy học khác khi dạy học từng phần, từng chương và từng bài cụ thể trong chương trình vật lí phổ thông. Để việc sử dụng các thiết bị vi tính ghép nối với các thí nghiệm một mặt phát huy được tính ưu việt của máy vi tính như kể trên, mặt khác đảm bảo rèn luyện các kĩ năng và phương pháp đo lường cơ bản đối với các đại lượng cơ bản của vật lí trong điều kiện hiện nay, một trong các vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu cũng như giáo viên là từng bước nghiên cứu về việc sử dụng phối hợp hai loại thí nghiệm để đạt được hiệu quả dạy học cao nhất. Vì các tính năng ưu việt của việc sử dụng thí nghiệm ghép nối với các thiết bị vi tính, vì thực tế trên thế giới hiện nay, các thiết bị thí nghiệm nghiên cứu (không chỉ riêng trong vật lí mà còn trong tất cả các ngành khoa học) đều ghép nối với thiết bị vi tính, cho nên trong nhà trường phổ thông cần từng bước tạo điều kiện cho học sinh- những người chủ tương lai của đất nước trong thời kỳ công nghiệp hoá và hiện đại hoá - làm quen dần với các thí nghiệm có ghép nối với các thiết bị vi tính bên cạnh các thí nghiệm với các thiết bị đo và cách xử lí số liệu truyền thống. 16/48 Máy vi tính hỗ trợ cho việc phân tích băng hình ghi các quá trình vật lí thực. Một trong các ứng dụng hết sức quan trọng của máy vi tính trong dạy học vật lí là hỗ trợ cho việc phân tích băng hình ghi các hiện tượng, quá trình vật lí thực cần nghiên cứu. Những khó khăn khi nghiên cứu các hiện tượng, quá trình vật lí trong phòng thí nghiệm hay trong tự nhiên Trong vật lí, có những quá trình do xảy ra quá nhanh hoặc xảy ra trong không gian rộng khó quan sát, khó đo đạc bằng các phương tiện, thiết bị đo thông thường trong phòng thí nghiệm (ví dụ như chuyển động rơi tự do, chuyển động ném xiên hay chuyển động của tên lửa phóng khỏi bệ...) thì việc nghiên cứu nó ở trường phổ thông là hết sức khó khăn. Để giải quyết các khó khăn đó, trên thực tế ngoài việc sử dụng máy vi tính để mô phỏng chúng như đã trình bày ở trên, người ta còn sử dụng một số phương pháp khác ở trường phổ thông như: - phương pháp đánh tia lửa điện của bộ thí nghiệm Việt nam hay bộ thí nghiệm J- 2155 của Trung quốc. - phương pháp dùng thì kế hiện số và các cửa chắn quang điện (trong bộ thí nghiệm J-2125-1 của Trung quốc hay các bộ thí nghiệm của hãng Phywe, Leybold của CHLB Đức, các bộ thí nghiệm của hãng Pasco của Mĩ...). 17/48 - phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm (tuy nhiên trên thực tế thì thiết bị chụp ảnh hoạt nghiệm không được trang bị ở trường phổ thông).Về nguyên tắc thì trong các các phương pháp này ta cần ghi và đo trên băng giấy hay trên phim ảnh các quãng đường đi được trong những khoảng thời gian cố định bằng nhau (trong phương pháp đánh tia lửa điện và phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm) hoặc đo được các quãng đường đi được trong khoảng thời gian tuỳ ý (trong phương pháp dùng thì kế hiện số và các cửa chắn quang điện) của chuyển động. Tuy nhiên, với các thiết bị sử dụng theo các phương pháp này thì lĩnh vực nghiên cứu chỉ giới hạn trong các loại chuyển động thẳng (trừ phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm) và giới hạn trong không gian của phòng thí nghiệm. Hơn nữa, khi sử dụng các phương pháp này, việc thu thập số liệu đo (bao gồm việc xác định toạ độ của vật cũng như các quãng đường trên băng giấy hay phim ảnh) là khó chính xác, mất thời gian. Thêm vào đó, từ các số liệu đo được, để phân tích, xử lí nó (tính toán, lập bảng, biểu diễn các mối quan hệ trên đồ thị...) cũng đòi hỏi khá nhiều thời gian. Chính vì lí do đó, trong thực tế dạy học phổ thông hiện nay khi sử dụng các phương pháp này thì các thí nghiệm thường được tiến hành dưới dạng thí nghiệm minh hoạ. Để khắc phục các hạn chế kể trên, một trong các phương pháp mới được đưa ra là: phương pháp phân tích các băng ghi hěnh nhờ máy vi tính vŕ các phần mềm tương ứng. Phương pháp này đang được sử dụng nhiều trong các trường học ở các nước phát triển như Mĩ, CHLB Đức... Phương pháp phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính Trong phương pháp này, để tạo điều kiện có thể nghiên cứu kĩ và chính xác các quá tŕnh vật lí, trước hết, các quá tŕnh vật lí thật này (ví dụ như chuyển động ném xiên) được ghi vào băng h́nh nhờ một máy Videocamera có gắn thêm một thước đo toạ độ và một đồng hồ đo thời gian. Sau đó, h́nh ảnh trong băng ghi h́nh được quay lại trên Tivi hay chiếu lại trên màn ảnh to. Nhờ chức năng có thể quay h́nh chuyển động chậm lại và làm h́nh đứng im lại của máy (chức năng Stand by) cho phép ta quan sát cẩn thận quá tŕnh vật lí thực và xác định chính xác từng cặp giá trị của toạ độ và thời điểm tương ứng của vật. Hơn nữa, nhờ chức năng quay lại băng ghi h́nh của máy, ta có thể quan sát quá tŕnh vật lí đang nghiên cứu nhiều lần với các mục đích khác nhau. Như vậy với việc ghi quá tŕnh vật lí thực vào băng h́nh và quay chậm lại, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc quan sát đối tượng nghiên cứu. Tuy nhiên, khi sử dụng băng h́nh này, c̣n một khó khăn gặp phải để giải quyết nó thường mất nhiều thời gian nhất trong khi nghiên cứu thực nghiệm vật lí là quá tŕnh thu thập số liệu đo, thực hiện các phép tính toán trong khi phân tích và xử lí số liệu cũng như việc tŕnh bày các kết quả xử lí đó. Để tạo điều kiện cho việc thu thập số liệu (đo đạc và ghi chép số liệu), và đặc biệt là việc thực hiện các phép tính toán trong khi phân tích và xử lí số liệu cũng như việc tŕnh bày các kết quả xử lí đó một cách chính xác và cực nhanh, người ta đă đưa ra phương 18/48