Tài liệu Sử dụng phần mềm tracker video analysis nhằm hỗ trợ dạy học một số kiến thức chương động học chất điểm vật lí 10

LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Lê Ngọc Diệp, giáo viên bộ môn Vật lý đại cương - Phương pháp dạy học đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đề tài của mình. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa Toán - Lí - Tin, Ban chủ nhiệm Khoa Toán - Lí - Tin, Phòng Đào tạo, Phòng Quản lí khoa học và Quan hệ quốc tế - Trường Đại học Tây Bắc đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện khóa luận. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các bạn sinh viên trong tập thể lớp K55 ĐHSP Vật lí đã luôn động viên, đóng góp ý kiến, giúp đỡ em thực hiện và hoàn thiện khóa luận. Do kinh nghiệm còn hạn chế, khóa luận không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên để khóa luận tốt nghiệp được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sơn La, ngày 09 tháng 05 năm 2018 Tác giả Tị Hơ Lìa MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................1 2. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu................................................1 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................................2 4. Cấu trúc đề tài ........................................................................................................2 PHẦN I: NỘI DUNG .....................................................................................................3 CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH TRACKER VIDEO ANALYSIS .3 1.1. Cài đặt và khởi động chƣơng trình Tracker Video Analysis ..........................3 1.1.1. Cài đặt chương trình.......................................................................................3 1.1.2. Khởi động chương trình..................................................................................6 1.2. Giới thiệu tổng quát các thành phần chính [3], [4] ..........................................8 1.2.1. Thanh công cụ.................................................................................................8 1.2.2. Hướng dẫn sử dụng ........................................................................................9 Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................................15 CHƢƠNG II. ỨNG DỤNG PHẦN PHẦN MỀM TRACKER VIDEO ANALYSIS ĐỂ PHÂN TÍCH VIDEO THÍ NGHIỆM MỘT SỐ KIẾN THỨC ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM. ...............................................................................................................16 2.1. Tổng quan về chƣơng Động học chất điểm.....................................................16 2.1.1. Nhiệm vụ của chương Động học chất điểm ..................................................16 2.1.2. Chuẩn một số kiến thức chương Động học chất điểm ..................................16 2.2. Phân tích nội dung kiến thức chƣơng Động học chất điểm [1] .....................16 2.2.1. Các khái niệm ...............................................................................................16 2.2.2. Các đại lượng ...............................................................................................18 2.2.3. Các dạng chuyển động..................................................................................19 2.3. Lí do chọn phần mềm phân tích video trong dạy học một số kiến thức của chƣơng này. ...............................................................................................................24 2.4. Phân tích video thí nghiệm về các dạng chuyển động ...................................24 2.4.1. Thí nghiệm chuyển động thẳng đều ..............................................................24 2.4.2. Thí nghiệm về chuyển động thẳng biến đổi đều ...........................................28 2.4.3. Thí nghiệm chuyển động rơi tự do ................................................................31 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................................36 PHẦN III. KẾT LUẬN ...............................................................................................37 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................39 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thông báo kết luận của Bộ chính trị về tiếp tục thực hiện Nghị quyết TW (khóa VIII), ngày 15/04/2009 cũng đã chỉ rõ: Tiếp tục đổi mới phương pháp dạy và học, khắc phụ cơ bản lối truyền thụ một chiều. Phương pháp dạy học tích cực, sáng tạo hợp tác, giảm thời gian giảng giải lý thuyết, tăng thời gian tự học, tự tìm hiểu cho học sinh, sinh viên; gắn bó chặt chẽ với học lý thuyết và thực hành, đào tạo gắn với nghiên cứu khoa học, sản xuất và đời sống [2]. Trong nhà trường phổ thông môn vật lí gắn liền với đời sống nên việc dạy học vật lí cần làm cho học sinh có ý thức và biết cách vận dụng các kiến thức khoa học vào thực tiễn đời sống; Chương Động học chất điểm - Vật lí 10 có nhiều hiện tượng có thể quan sát trực tiếp trong cuộc sống, tuy nhiên các hiện tượng thường xảy ra nhanh nên khi nghiên cứu quy luật chuyển động sẽ gặp khó khăn trong thu thập số liệu thực nghiệm (hay các đại lượng vật lý liên quan) như là vận tốc tức thời, tọa độ tức thời tại từng thời điểm chuyển động... Dạy học sử dụng phần mềm phân tích video sẽ giải quyết được khó khăn này và góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường phổ thông. Với mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong việc đổi mới phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng dạy và học ở trường Trung học phổ thông, tôi lựa chọn đề tài: “Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis nhằm hỗ trợ dạy học một số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10”. 2. Mục đích nghiên cứu Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis phân tích các video thí nghiệm nhằm hỗ trợ dạy học một số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10. 3. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Phần mềm phân tích video Tracker Video Analysis. - Hoạt động sử dụng phần mềm phân tích video vào dạy và học chương Động học chất điểm - Vật lí 10. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Khai thác, sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis trong dạy học vật lí. - Nội dung chương Động học chất điểm - Vật lí 10. 3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu những tài liệu liên quan. - Vận dụng phần mềm Tracker Video Analysis để phân tích các video thí nghiệm chuyển động thực tế trên máy tính. 1 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis. - Xây dựng các video thí nghiệm về một số kiến thức chương Động học chất điểm - Vật lí 10. 5. Cấu trúc đề tài Đề tài gồm ba phần: mở đầu, nội dung và kết luận. Nội dung đề tài gồm hai chương: Chương 1: Giới thiệu chương trình Tracker Video Analysis Chương 2: Sử dụng phần mềm Tracker Video Analysis để xây dựng và phân tích các video thí nghiệm một số kiến thức chương Động học chất điểm 2 PHẦN I: NỘI DUNG CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH TRACKER VIDEO ANALYSIS Phầm mềm phân tích Video là một phương tiện dạy học hiện đại, có nhiều ưu điểm và nhiều thế mạnh như khả năng thu thập được nhiều số liệu, xử lý thông tin nhanh, lưu trữ và hiển thị thông tin dễ dàng, nó có khả năng thực hiện các chức năng của quá trình dạy học, phù hợp với thực tiễn và xu thế phát triển chung của giáo dục trong thời đại ngày nay. 1.1. Cài đặt và khởi động chƣơng trình Tracker Video Analysis 1.1.1. Cài đặt chương trình Ta có thể thể tải phần mềm Tracker Video Analysis và lựa chọn nhiều phiên bản từ trang web: https://physlets.org/tracker/ [4]. Các phiên bản Tracker Video Analysis từ 4.9 trở về trước để hoạt động cần cài đặt thêm java, phiên bản mới nhất 5.0 không cần cài đặt Java. Sau khi chúng ta đã tải song phần mềm thì chúng ta bắt đầu tiến hành cài đặt vào máy tính theo các bước như sau: - Bước 1: Chạy cài đặt chương trình Tracker 3 và sẽ xuất hiện cửa sổ như hình: - Bước 2: Rồi ta chọn Next => I accept the agreement: - Bước 3: Ta chọn Next và sau đó chọn nơi cài đặt và bấm Next như hình: 4 - Bước 4: Sau khi chọn nơi cài đặt và chọn Next thì tích chọn Video and Experiments như hình: - Bước 5: Chọn Install để chương trình cài đặt và sau khi cài đặt xong bấm Finish. 5 1.1.2. Khởi động chương trình Sau khi đã cài đặt chương trình lên máy vi tính ta có thể vào chương trình ứng dụng bằng các cách sau đây: * Cách 1: Khởi động từ Star menu: vào Star menu/tracker. * Cách 2: Khởi động từ Desktop: Right Click lên biểu tượng phần mềm /open. Hay Double Click vào biểu tượng Tracker trên màn hình Desktop. 6 * Sau khi nhấp vào biểu tượng Tracker ta sẽ thấy biểu tượng chương trình: Tiếp theo ta sẽ thấy trên dao diện màn hình hiện lên cửa sổ của phần mềm Tracker Video: 7 1.2. Giới thiệu tổng quát các thành phần chính [3], [4] 1.2.1. Thanh công cụ Mở File video hoặc File Tracker đã có. Lưu bài thí nghiệm đang tiến hành. Mở video từ trang Web URL. xuất file Tracker ZIP. Cài đặt chỉnh sửa file Video. Hiển thị hoặc mất đi các khung làm việc phụ diễn ra trên màn hình của khung chính. Hiển thị khung đánh dấu tự động dạng đường đi khi vật đang chuyển động tại các vị trí khác nhau trên quãng đường. Xác định quãng đường di chuyển của vật. Xác định gốc tọa độ của vật chuyển động. Tạo dấu hiệu của đồ thị. Điều chỉnh phóng to (nhỏ) kích thước của Video. Điều chỉnh vết dấu dài (ngắn) đường chuyển động của vật. Đánh dấu số thứ tự tại các điểm có hướng khác nhau của vật chuyển động. Vẽ đường đi của vật chuyển động trong Video. Bỏ dấu điểm tại các hướng khác nhau của vật chuyển động. Biểu diễn vector vận tốc tại các hướng khác nhau của vật chuyển động. Biểu diễn vector gia tốc tại các hướng khác nhau của vật chuyển động. Tăng chiều dài vector vận tốc và gia tốc. Nhân vector theo khối lượng. Phóng to( nhỏ) tất cả trong khung làm việc chính. Đánh dấu hoặc viết chữ trên màn hình video mà ta đang phân tích. 8 Nút Note về nội dung phân tích. Nút trở về bước trước đó (Undo). Khung biểu diễn đồ thị của vật chuyển động. Khung biểu diễn số liệu của các đại lượng vật lý liên quan đến chuyển động của vật. 1.2.2. Hướng dẫn sử dụng 1.2.2.1. Mở File Video đã có trong máy tính vào phần mềm Bấm chuột vào đối tượng hoặc bấm vào File/Open File trên mục menu để mở file mà chúng ta cần phân tích đối với các loại File video (mov, aiv, mp4, flv, wmv...), các file Tracker (.trk), hoặc là file Zipped Tracker (.zip), các loại file hình ảnh (.jpg, .gif, .png).. Ngoài ra chúng ta có thể mở file video bằng cách bấm vào File/Video import. Khi chúng ta tiến hành như trên sẽ xuất hiện cửa số của các file video đã có như sau: 9 1.2.2.2. Mở File Video từ trang web vào phần mềm Chọn File/Open URL trên mục menu sau đó đánh trang web mà chúng ta đã biết vào khung URL để mở file video từ trang web. Cách lựa chọn khác là ta có thể chọn vào đối tượng hoặc là chọn File/Open Library Browser trên mục menu để tìm kiếm các video hoặc các file tracker. 1.2.2.3. Cài đặt Video Chọn trên thanh công cụ. Sau đó cửa sổ cài đặt video sẽ hiện lên và có thể cung cấp cho chúng ta chỉnh sửa các đoạn video, chúng ta có thể thấy Start Frame và End Frame để chỉ rõ đoạn video mà ta cần phân tích. Nếu video rất dài và gồm rất nhiều đoạn mà chúng ta cần phân tích thì chúng ta cần phải tăng Step size để tự động bỏ qua những đoạn ngắn trong video 10 1.2.2.4. Hiệu chỉnh thang đo Ta chọn trên mục menu và sau đó chọn calibration stick. Ấn giữ nút Shift và tick chuột vào hai điểm bất kỳ trong video mà ta lấy làm thước đo quãng đường sẽ hiện ra dấu thang đo như sau. Ta có thể chỉnh kích thước thang đo bằng cách bấm vào số chỉ trên thang đo và sau đó thay chỉ số thang đo theo thước đo thực tế. Sau đó chúng ta chỉnh sửa thang đo bằng cách kéo vào quãng đường thực tế của vật trong video. Ta có thể thay đổi kích thước của thang đo bằng cách 1.2.2.5. Tạo gốc tọa độ trong hệ quy chiếu 11 Chọn dấu hiệu trên thanh công cụ để hiện ra hệ tọa độ. Sau đó chỉnh trục tọa độ theo hướng chuyển động của vật như hình. 1.2.2.6. Tạo dấu hiệu theo đường chuyển động của vật Chọn dấu hiệu trên thanh công cụ và sau đó chúng ta chọn Point Mass đối với các vật chuyển động. Sau khi chọn Point Mass chúng ta ấn giữ nút Shift và dùng chuột tick vào vật tại các vị trí khác nhau của vật đang chuyển động mà ta đang phân tích theo quãng đường. 12 Sau khi chúng ta chọn Point Mass xong thì đồ thì của chúng ta sẽ xuất hiện và đồ thị sẽ tự động vẽ cho mình về dạng chuyển động của vật. Nút phóng to đồ thị Đồ thị có thể nhấp để thay đổi các đại lượng khác theo trục dọc Đồ thị có thể nhấp để thay đổi các đại lượng khác theo trục ngang Ta có thể thay đổi các đại lượng khác theo các trục trên đồ thị bằng cách tick chuột vào điểm “x(m)” và “t(s)” trên đồ thị. 1.2.2.7. Sử dụng khung phát chạy Video 13 Khung phát chạy video cũng giống như trình phát chạy video bình thường, nhưng ở đây ta có thể kéo toàn bộ công cụ chạy vào cuối bên trái để chuyển đổi nó đến một cửa sổ nổi nếu muốn. Khung chạy video từ trái qua phải bao gồm:  Thời gian/đếm bước/khung đọc.  Phần trăm tỉ lệ chạy và kiểm soát.  Nút reset.  Nút chạy/dừng.  Điều khiển khung bắt đầu và kết thúc.  Nút trở lại.  Điều khiển kích thước các bước.  Nút nhảy qua bước.  Nút chạy lặp lại. Click chuột vào khung đếm bước của vật chuyển động và chọn display: Frame number (được đo từ đầu video), Time (thời gian trong giây được đo từ thời gian bắt đầu) hoặc Step number (được đo từ khung bắt đầu). Click vào số lần đọc và số đếm lại hoặc đặt thời gian tại khung hiện tại bằng cách chọn như hình sau là có thể thay đổi số đếm hoặc thời gian tại tất cả các khung trong video. Ta sử dụng để thay đổi tốc độ chạy mong muốn của video. Click vào nút Reset để video trở lại vị trí bắt đầu 0, hoặc ta có thể trở lại vị trí 0 bằng cách bấm vào nút Home trên bàn phím. Để di chuyển ngay đến cuối video ta bấm vào nút End trên bàn phím. Click vào nút chạy/dừng để chạy video; Click lần nữa để dừng video đang chạy. Ta có thể kéo nhanh qua video đến khung mong muốn như sau: Kéo dấu hiệu hình tam giác đen ở dưới để bắt buộc cho video chạy trong đoạn xác định. 14 Click vào nút để nhảy qua một bước chạy hoặc là ta có thể bấm vào nút PageUp trên bàn phím. Ngược lại Click vào nút để qauy trở lại bước đầu một bước hoặc là bằng cách bấm vào nút PageDown trên bàn phím. Để điều khiển kích thước các bước chạy ta chỉ cần thay đổi bằng cách chọn các số chạy. Để video chạy lặp lại nhiều lần ta chọn nút Loop. Kết luận chƣơng 1 Bước đầu của đề tài ta đã được thực hiện. Các thông tin cơ bản về việc tải, cài đặt và hướng dẫn sử dụng phần mềm phân tích video “Tracker Video Analysis” đã được hoàn tất. Đây là công cụ cần thiết cho việc hỗ trợ dạy học một số thí nghiệm vật lý và đã được thực hiện ở chương tiếp theo. 15 CHƢƠNG II. SỬ DỤNG PHẦN PHẦN MỀM TRACKER VIDEO ANALYSIS ĐỂ PHÂN TÍCH VIDEO THÍ NGHIỆM MỘT SỐ KIẾN THỨC ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM. 2.1. Tổng quan về chƣơng Động học chất điểm 2.1.1. Nhiệm vụ của chương Động học chất điểm Phần động học chất điểm là một phần của cơ học nghiên cứu về các chuyển động đơn giản nhất trong tự nhiên (chuyển động cơ học). Trong đó người ta nghiên cứu các xác định vị trí của các vật trong không gian tại những thời điểm khác nhau và mô tả tính chất chuyển động của các vật bằng các phương trình toán học, nhưng chưa xét đến nguyên nhân chuyển động 2.1.2. Chuẩn một số kiến thức chương Động học chất điểm Đối với chương Động học chất điểm, chương trình vật lí phổ thông đặt ra yêu cầu về chuẩn kiến thức mà học sinh cần đặt về chuyển động thẳng đều, chuyển động biến đổi đều và chuyển động rơi tự do là: - Nêu được chuyển động, chất điểm, hệ quy chiếu, mốc thời gian, vận tốc là gì. - Nhận biết được đặc điểm về vận tốc chuyển động thẳng đều. - Nêu được vận tốc tức thời là gì. - Nêu được ví dụ về chuyển động thẳng biến đổi đều (nhanh dần đều, chậm dần đều). v của một chuyển động biến đổi đều. t - Viết được công thức tính gia tốc a - Nêu được đặc điểm của vecto gia tốc trong chuyển động thẳng nhanh dần đều, chậm dần đều. - Viết được công thức tính vận tốc v x x0 v0t v0 at , phương trình chuyển động 1 2 at . Từ đó suy ra công thức tính đường đi. 2 - Nêu được sự rơi tự do là gì và viết được công thức tính vận tốc và đường đi của chuyển động rơi tự do. Nêu được đặc điểm về gia tốc rơi tự do. 2.2. Phân tích nội dung kiến thức chƣơng Động học chất điểm [1] 2.2.1. Các khái niệm 2.2.1.1. Chuyển động cơ Chuyển động là một khái niệm cơ bản của cơ học. Chuyển động của một vật là sự chuyển dời vị trí của vật đó đối với các vật khác trong không gian và thời gian. Sách giáo khoa nâng cao đưa ra một số hình ảnh chuyển động thực tế, từ đó trình bày khái niệm: Chuyển động cơ là sự dời chỗ của vật theo thời gian. 16 2.2.1.2. Chất điểm Chất điểm là một vật có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách, những kích thước mà ta đang khảo sát. Ví dụ: khi xét chuyển động của viên đạn trong không khí, chuyển động của trái đất quanh mặt trời...ta có thể xem viên đạn, trái đất là chất điểm. 2.2.1.3. Tọa độ Chuyển động đơn giản nhất của chất điểm là chuyển động trên một đường thẳng. Vị trí của chất điểm được xác định bằng khoảng cách x tới một điểm O nào đó được chọn làm gốc tọa độ. M x 0 x 2.2.1.4. Quỹ đạo Quỹ đạo là tập hợp tất cả các vị trí của một chất điểm chuyển động hay là đường mà chất điểm chuyển động vạch ra trong không gian. 2.2.1.5. Hệ quy chiếu Hệ quy chiếu là một hệ tọa độ, dựa vào đó vị trí của mọi điểm trên các vật thể và vị trí của các vật thể khác được xác định, đồng thời có một đồng hồ đo thời gian để xác định thời điểm của các sự kiện. 2.2.1.6. Vật mốc Vật mốc là vật mà ta chọn (cùng với một hệ tọa độ) dùng để xác định vị trí của một vật khác trong không gian và thời gian. 2.2.1.7. Gốc thời gian Gốc thời gian là thời điểm bắt đầu đo thời gian. Muốn đo khoảng thời gian, người ta dùng đồng hồ. 17 2.2.2. Các đại lượng 2.2.2.1. Vận tốc Vận tốc là một đại lượng đặc trưng cho phương, chiều và sự nhanh chậm của chuyển động. Vậy vận tốc là một đại lượng vecto và tốc độ chỉ độ lớn của vận tốc. * Vận tốc trung bình Vận tốc trung bình của chất điểm trong thời gian r , t vtb t được định nghĩa là r là vecto độ dời của chất điểm. Vận tốc trung bình có hướng trùng với vectơ độ dời và biểu thị sự thay đổi vị trí t. của chất điểm trong khoảng thời gian Trong chuyển động thẳng, giá trị của vận tốc trung bình được tính theo công thức: vtb x t x2 t2 x1 t1 Như vậy giá trị của vận tốc trung bình có thể âm hoặc dương, dấu của vận tốc trung bình thể hiện chiều chuyển động của chất điểm. Nếu vận tốc trung bình nhận giá trị dương có nghĩa là chất điểm chuyển động cùng chiều với chiều dương và ngược lại. * Vận tốc tức thời Vận tốc tức thời của một chuyển động là vận tốc của nó tại một thời điểm nào đó trên quỹ đạo của chuyển động của nó. Việc xác điểm vận tốc của chất điểm tại một thời điểm bất kỳ trên quỹ đạo lại có ý nghĩa hơn vận tốc trung bình, vì đó vẫn là vận tốc thực của chuyển động. Để có biểu thức tính vận tốc tức thời ta có nhận xét như sau: nếu M2 M1 và do đó vtb 0 thì vt . Nghĩa là vận tốc trung bình trên đoạn đường ngắn M1M 2 được xem là vận tốc tại điểm M 1 hay vt . Nó như vậy có nghĩa là: vt t lim vtb t 0 lim t 0 s t dr dt vt dr . dt z M1 M2 o y x 18