SKKN: Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính trên phần mềm Geomete’r Sketchpad

Chia sẻ: Nhi Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Những kiến thức vật lí được xây dựng đều dựa vào thí nghiệm hoặc được kiểm tra lại bằng thí nghiệm. Tuy nhiên với điều kiện cơ sở vật chất của nhà trường còn hạn chế, việc tự thực hiện các thí nghiệm thành công là không cao. Bài SKKN về phần mềm Geomete’r Sketchpad, mời các bạn tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: SKKN: Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính trên phần mềm Geomete’r Sketchpad

Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính trên phần mềm Geomete’r Sketchpad . 1
I. Phần mở đầu Vật lí ở chương trình phổ thông chủ yếu là vật lý thực nghiệm. Những kiến thức vật lí được xây dựng đều dựa vào thí nghiệm hoặc được kiểm tra lại bằng thí nghiệm. Tuy nhiên với điều kiện cơ sở vật chất của nhà trường còn hạn chế, việc tự thực hiện các thí nghiệm thật mất khá nhiều thời gian trong khi một số thí nghiệm khả năng thành công là không cao. Ngày nay với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin chúng ta có thể xây dựng các thí nghiệm ảo hoặc tạo các mô phỏng hỗ trợ dạy học. Việc sử dụng các công cụ này trong dạy học mạng lại những hiệu quả rõ rệt và khắc phục những hạn chế của việc làm thí nghiệm thật nêu trên. Trên cơ sở đó tôi đã tiến hành Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính trên phần mềm Geomete’r Sketchpad. Geometer’s Sketchpad là phần mềm hình học có thế mạnh trong việc mô phỏng động các hình hình học được sử dụng rộng rãi trong môn toán. Tuy nhiên phần mềm cũng được sử dụng trong vật lí để tạo ra các mô phỏng đặc biệt là các mô phỏng được sử dụng ở phần quang hình học. Bố cục của đề tài gồm ba phần :  Phần mở đầu  Phần nội dung : Trình bày về quá trình xây dựng mô phỏng, sử dụng mô phỏng trong giảng dạy bài “Lăng kính” Vật lí 11.  Kết luận : Nêu những kết quả mà đề tài đã đạt được, những hạn chế của đề tài và hướng cần khắc phục trong thời gian tới. Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự quan tâm tạo điều kiện về cơ sở vật chất và thời gian của BGH, sự góp ý của các thành viên trong tổ Toán - Lí - Tin để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài của mình. Qua đây tôi xin được gửi tới các đ/c trong BGH, các đ/c trong tổ Toán - Lí - Tin lời cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho đề tài. II. Nội dung đề tài 1. Các công thức lăng kính 2 Hình 1
Các công thức liên quan giữa góc tới và góc khúc xạ  sin i1  sin i1  n sin r1 ; r1  arc  (1)  n  sin i 2  n sin r2 ; i 2  arcn sin r 2  (2) Góc chiết quang A = r1 + r2 (3) Góc lệch giữa tia ló và tia tới D = i1 + i2 - A (4) 2. Giới thiệu phần mềm 2.1. Giới thiệu phần mềm Geometer’s Sketchpad (viết tắt là GeoSpd) là phần mềm hình học nổi tiếng đã được sử dụng rộng rãi tại rất nhiều nước trên thế giới. Phần mềm thực chất là một công cụ cho phép tạo ra và biểu diễn động các hình hình học, dành cho các đối tượng phổ thông bao gồm học sinh, giáo viên, các nhà nghiên cứu. Phần mềm có chức năng chính là vẽ, mô phỏng quĩ tích, các phép biến đổi của các hình hình học phẳng. Giáo viên có thể sử dụng phần mềm này để thiết kế và biểu diễn động các hình hình học một cách nhanh chóng, chính xác và sinh động. Một đặc điểm quan trọng của phần mềm này là cho phép ta thiết lập quan hệ giữa các đối tượng hình học, phần mềm sẽ đảm bảo các quan hệ luôn được bảo toàn, mặc dù sau đó các quan hệ có thể được biến đổi bằng bất kì cách nào. Khi một thành phần của hình bị biến đổi, những thành phần khác của hình có quan hệ với thành phần thay đổi trên sẽ được tự động thay đổi theo. Ví dụ như khi thay đổi phương của tia tới (thay đổi góc tới i) thì tia khúc xạ sẽ tự động thay đổi (góc khúc xạ r thay đổi) theo quan hệ đúng như định luật khúc xạ mà ta thiết lập. Ngoài các công cụ có sẵn như công cụ điểm, thước kẻ, com pa, ta cũng có thể tự tạo ra những công cụ riêng cho mình, bằng cách ghi và lưu giữ các hình hình học dưới dạng script. 2.2. Hướng dẫn cài đặt phần mềm Phiên bản mới nhất của phần mềm hiện nay là bản Geomete’r Sketchpad 5.0 có dung lượng 81,4 Mb. Mở file InstallSketchpad 3
Hình 2 Nhấn Next để tiếp tục Hình 3 Nhấn I Agree để đồng ý với các điều khoản về bản quyền Hình 4 Chọn Register a license and install on this computer và điền License, Authorization Code của phần mềm và nhấn Next. Sau đó nhấn install để phần mềm tiến hành cài đặt, cuối cùng nhấn finis để kết thúc quá trình cài đặt 4
3. Giao diện phần mềm, một số lệnh và công cụ sử dụng trong đề tài 3.1. Giao diện của phần mềm - Thực đơn chính của phần mềm Thực đơn là nơi thực hiện hầu như tất cả các lệnh và chức năng chính của phần mềm. Mỗi lệnh có một Các công cụ chính của Khu vực thể hiện các đối tượng chức phần mềm Hình 5 đồ họa trên trang thiết kế năng riêng biệt và tác động lên các đối tượng hình học đã được chọn trước đó trên màn hình làm việc của phần mềm. - Hộp công cụ chứa 9 công cụ với các chức năng riêng biệt và độc lập với nhau. - Vùng làm việc là nơi thể hiện các đối tượng đồ họa được thiết kế trên phần mềm. 3.2. Một số công cụ của phần mềm Hộp công cụ luôn hiện bên trái của màn hình làm việc chính của phần mềm. Theo thứ tự từ trên xuống gồm các công cụ: - Công cụ Chọn (Selection) có chức năng dùng để chọn và dịch chuyển các đối tượng hình học trên màn hình. Có thể chọn một hoặc nhiều đối tượng khác nhau. Nháy chuột tại vị trí trống trên trang có chức năng hủy chọn tất cả. - Công cụ Điểm (Point) có chức năng khởi tạo các đối tượng điểm. - Công cụ Compa (Compass) dùng để khởi tạo các đối tượng là đường tròn. - Công cụ Đoạn thẳng (Segment) có chức năng khởi tạo các đối tượng hình học là đoạn, tia hoặc đường thẳng. 5
- Công cụ Đa giác (Polygon) có chức năng khởi tạo các hình đa giác. - Công cụ Text có chức năng tạo nhãn cho đối tượng hình học hoặc tạo các hộp chứa chữ trên màn hình. - Công cụ Thông tin (Information) cho biết các thông tin về đối tượng. - Công cụ Tùy chọn (Custom) được sử dụng cho các công cụ đã được tạo sẵn. 3.3. Một số lệnh ở trên thực đơn chính Các lệnh trên thực đơn chính tính từ trái sang phải gồm có: - Lệnh File có chức năng mở một file mới, lưu file, in ấn… - Lệnh Edit có chức năng Copy, Paste đối tượng được chọn, quay trở lại các thao tác vừa thực hiện… - Lệnh Display có chức năng chỉnh hình thức hiển thị của các đối tượng (hiển thị đoạn thẳng được chọn ở dạng nét liền Line Style  Solid hay nét đứt Line Style  Dashed), ẩn đối tượng được chọn Hide… - Lệnh Construct có chức năng dựng các đối tượng như : đường thẳng vuông góc với đoạn thẳng Perpendicular line (dựng pháp tuyến), đường tròn Circle by Center and Point… - Lênh Transform có chức năng thực hiện các phép quay với góc cho trước Rotate (vẽ tia khúc xạ), thực hiện phép đối xứng trục Reflect … - Lệnh Measure có chức năng xác định giá trị góc từ ba điểm xác định Angle… - Lệnh Number có chức năng tính toán với lệnh Calculate… - Lệnh Graph có chức năng vẽ đồ thị. - Lệnh Windows có chức năng hiển thị cửa sổ làm việc và các file đang thực hiện. - Lệnh Help có chức năng trợ giúp và hướng dẫn sử dụng phần mềm. 4. Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính 4.1. Vẽ tam giác là tiết diện thẳng của lăng kính Để vẽ tam giác có thể dùng công cụ Đa giác (Polygon) hoặc có thể dùng công cụ Đoạn thẳng (Segment) để tiến hành vẽ (hình 6). Dùng công cụ Text Hình 6 để tạo nhãn cho ba đỉnh của tam giác 6
Sau đó dùng công cụ Chọn (Selection) chọn ba điểm theo thứ tự B, A, C và sử dụng lệnh Measure  Angle để xác định góc chiết quang A của lăng kính. Trên màn hình làm việc lúc này ta thu được giá trị góc chiết quang của lăng kính, nhấn đúp chuột vào khung giá trị góc chiết quang, trong hộp Label đặt tên là “Góc chiết quang A”. Khi dùng công cụ chọn chọn một đỉnh của tam giác và di chuyển thì giá trị của góc chiết quang sẽ thay đổi. 4.2. Dựng tia tới SI có góc tới thay đổi được Để dựng tia tới có góc tới thay đổi được ta tiến hành dựng đường tròn có tâm là điểm tới I. Dùng công cụ Điểm (Point) chọn một điểm nằm trên cạnh AC, dùng công cụ Text để đặt tên cho điểm tới I. Chọn điểm tới I và dùng công cụ Compa (Compass) để vẽ hình tròn có tâm I. Sau khi dựng đường tròn tâm I sử dụng công cụ Điểm (Point) dựng một điểm trên đường tròn tâm I và đặt tên là điểm S. Dùng công cụ Chọn (Selection) chọn điểm S và I sau đó dùng lệnh Construct  Segment để vẽ đoạn thẳng SI biểu diễn cho tia tới (hình 7). Hình 7 Để dựng pháp tuyến của AC tại điểm I dùng công cụ Chọn (Selection) chọn điểm I và đoạn AC sau đó dùng lệnh Construct  Perpendicular line. Tiếp theo dùng công cụ Chọn (Selection) chọn ba điểm M, I, S và làm tương tự như trường hợp xác Hình 8 định góc chiết quang A để xác định góc tới i1 (hình 8). 4.3. Dựng tia khúc xạ IJ 7
 sin i1  Từ công thức (1) r1  arc  dùng lệnh Number   n  Calculate hộp New Calculation (hình 9) hiện ra ta tiến hành nhập biểu thức (1) để tính giá trị góc khúc xạ r1 theo góc tới i1 đã được xác định, ở đây tôi chọn chiết suất của lăng kính n  2 . Để dựng tia khúc xạ IJ ta dùng lệnh Chọn (Selection) chọn Hình 9 đường thẳng chứa đoạn MI và điểm I (nhấn đúp vào điểm I để chọn I là tâm quay) sau đó dùng lệnh Transform  Rotate để thực hiện quay đường thẳng được chọn quanh tâm I (phép quay chỉ thực hiện quay ngược chiều kim đồng hồ). Hình 10 Sau khi tạo được tia khúc xạ trong lăng kính (hình 10) ta tiến hành dựng đoạn thẳng IJ với J là giao giữa tia khúc xạ với cạnh AB, tiến hành ẩn đoạn thẳng được tạo thành trong quá trình quay bằng cách chọn đoạn thẳng đó và dùng lệnh Display  Hide Segment hoặc nhấn Ctrl+H. Ta thu được hình như sau (hình 11) Hình 11 4.4. Dựng tia ló JR Dựng pháp tuyến của AB tại J làm tương tự như dựng pháp tuyến của AC tại I (hình 12). Sau khi đã dựng được pháp tuyến tiến Hình 12 hành thực hiện phép quay như đã làm khi thực hiện dựng tia IJ, tuy nhiên phép quay chỉ thực hiện quay ngược chiều kim đồng hồ nên phải thực hiện tiếp phép đối xứng mới tạo được tia ló JR (hình 13). 8
Hình 13 Để thực hiện phép đối xứng tiến hành chọn các đối tượng gồm đoạn thẳng mới được dựng trong phép quay (đoạn có màu hồng ở hình trên) và pháp tuyến (nhấn đúp chuột vào pháp tuyến để chọn trục đối xứng). Sử dụng lệnh Transform  Reflect để thực hiện phép đối xứng ta dựng được tia ló (hình 14). Sau khi dựng xong tia ló JR tiến hành sử dụng các lệnh Display  Line Style và lệnh Hình 14 Hide để chỉnh sửa đối tượng như nét đứt, ẩn đối tượng thừa. Dùng các lệnh dựng đoạn thẳng để dựng góc lệch D. Khi hoàn thiện giao diện của mô phỏng có dạng như hình 15. Hình 15 9
5. Sử dụng mô phỏng trong bài Lăng kính Khi dạy bài Lăng kính ta tiến hành mở mô phỏng có giao diện hình 15, đường đi của tia sáng qua lăng kính theo đường SIJR. Thay đổi phương của tia tới (thay đổi góc tới i1) bằng cách đưa chuột lại điểm S (lúc này chuột có phương ngang) tiến hành di chuột lên xuống để thay đổi phương của tia tới cho học sinh quan sát và rút ra nhận xét về đặc điểm đường đi của tia sáng qua lăng kính. Khi tiến hành thay đổi như vậy cũng đồng thời lưu ý học sinh quan sát tới giá trị các góc tới i và góc khúc xạ r. Tìm hiểu về góc lệch cực tiểu. Khi tiến hành thay đổi phương của tia tới yêu cầu học sinh quan sát sự thay đổi giá trị của góc lệch D và rút ra nhận xét. Khi học sinh quan sát sẽ thấy góc lệch D luôn lớn hơn một giá trị nào đó (trong mô phỏng giá trị này xấp xỉ 300). Khi đó yêu cầu học sinh quan sát tiếp các cặp giá trị i1, i2 và r1, r2 tiến hành so sánh để rút ra nhận xét khi góc lệch đạt giá trị nhỏ nhất gọi là góc lệch cực tiểu thì ứng với trường hợp lúc này i1 = i2 và r1 = r2. III. Kết luận Với đề tài Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính trên phần mềm Geomete’r Sketchpad tôi đã tạo được mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính. Khi sử dụng mô phỏng này trong bài Lăng kính học sinh thấy rõ được đặc điểm đường đi của tia sáng qua lăng kính một cách trực quan, thấy được sự thay đổi của các góc tới, góc khúc xạ một cách định lượng. Mô phỏng cũng giúp học sinh thấy rõ được góc lệch cực tiểu Dmin khi tiến hành thay đổi góc tới i1 và góc lệch đạt giá trị cực tiểu khi i1 = i2, r1 = r2. Tuy nhiên với những kết quả mà đề tài đã đạt được thì mô phỏng được thiết kế trên phần mềm này còn có những hạn chế như trong mô phỏng chưa cho phép thay đổi giá trị chiết suất của môi trường lăng kính. Đến phiên bản hiện tại thì phần mềm vẫn chưa hỗ trợ cho việc xuất file ở dạng đuôi SWF để nhúng trực tiếp vào bài giảng. Nên khi sử dụng trong bài giảng được tạo trên phần mềm PowerPoint hoặc một số phần mềm tạo bài giảng khác thì vẫn phải chạy song song hai phần 10
mềm việc này gây khó khăn hơn cho việc sử dụng của giáo viên và việc theo dõi của học sinh. 11
Tài liệu tham khảo 1. Vật lí 11. Lương Duyên Bình, Vũ Quang, Nguyễn Xuân Chi, Đàm Trung Đồn, Bùi Quang Hân, Đoàn Duy Hinh. NXB Giáo dục 2007. 2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm Geometer’s Sketchpad. Công ty công nghệ tin học nhà trường 2002. 3. Tài liệu bồi dưỡng thường xuyên giáo viên trung học phổ thông chu kì III (2004 - 2007) môn Vật lí. Phạm Hữu Tòng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Xuân Quế. NXB Đại học sư phạm 2006. 4. Sử dụng máy vi tính trong dạy học Vật lí. Lê Công Triêm. NXB Giáo dục 2005. 5. Tài liệu bồi dưỡng giáo viên thực hiện chương trình sách giáo khoa lớp 11 môn Vật lí. Vũ Quang, Nguyễn Phúc Thuần (đồng chủ biên)….NXB Giáo dục 2007. 12
MỤC LỤC I. Phần mở đầu. 1 II. Nội dung đề tài. 2 1. Các công thức lăng kính. 2 2. Giới thiệu phần mềm. 2 2.1. Giới thiệu phần mềm. 2 2.2. Hướng dẫn cài đặt phần mềm. 2 3. Giao diện phần mềm, một số lệnh và công cụ sử dụng trong đề tài. 4 3.1. Giao diện của phần mềm. 4 3.2. Một số công cụ của phần mềm. 4 3.3. Một số lệnh ở trên thực đơn chính. 5 4. Xây dựng mô phỏng đường đi của tia sáng qua lăng kính. 5 4.1. Vẽ tam giác là tiết diện thẳng của lăng kính. 5 4.2. Dựng tia tới SI có góc tới thay đổi được. 6 4.3. Dựng tia khúc xạ IJ. 6 4.4. Dựng tia ló JR. 7 5. Sử dụng mô phỏng trong bài Lăng kính. 9 III. Kết luận. 10 Tài liệu tham khảo. 11 13