Đề tài Phần mềm thí nghiệm ảo Vật Lý - Crocodile Physics 605

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay công nghệ thông tin được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội, công nghệ thông tin đã góp một phần không nhỏ trong công cuộc CNH-HĐH Đất nước. Trong lĩnh vực Giáo dục, các điều kiện để có thể áp dụng công nghệ thông tin tương đối đầy đủ; ở các Trường THPT về cơ sở vật chất thiết bị đã được cải thiện một cách rõ rệt, các trường đã có các phòng học sử dụng máy chiếu và việc soạn giáo án điện tử, dạy học bằng máy vi tính không còn là vấn đề xa lạ đối với giáo viên dạy Vật lý. Tuy nhiên, các bài giảng điện tử của các giáo viên thường chỉ mới dừng lại ở việc chiếu lên các dòng chữ để thay thế cho việc trình bày bảng, ứng dụng hình ảnh động của môi trường Powerpoint hoặc các phần mềm ứng dụng đơn giản. Để nâng cao hiệu quả của các bài giảng đòi hỏi giáo viên phải lồng ghép giữa trình bày lí thuyết và thực nghiệm nhằm phát huy tác dụng của thí nghiệm trong bài dạy, đây là vấn đề rất cần thiết trong dạy học Vật lý. Bên cạnh việc trình bày các thí nghiệm trực quan thì thí nghiệm ảo cũng đã mang lại hiệu quả thiết thực, đặc biệt trong các bài giảng điện tử có sử dụng máy chiếu. Hiện nay, phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo có nhiều nhưng không phải phần mềm nào cũng có thể sử dụng có hiệu quả. Và qua kinh nghiệm thiết lập thí nghiệm ảo trong việc giảng dạy Vật lý phổ thông tôi nhận thấy, phần mềm thiết lập thí nghiệm ảo tốt nhất hiện nay đó là Crocodile Physics 605. Phần mềm Crocodile Physics 605 có dao diện bằng Tiếng Anh. Mặc dù tác giả của phần mềm đã trình bày khá chi tiết về các thao tác cũng như trình tự để làm thí nghiệm nhưng do trình độ về Ngoại ngữ và Tin học của đại đa số giáo viên chúng ta còn hạn chế, nên việc sử dụng phần mềm này để thiết kế các thí nghiệm vật lý ảo trong việc giảng dạy vật lý còn gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy, trong đề tài này tôi muốn giới thiệu về tính năng của phần mềm, đồng thời hướng dẫn phương pháp chung để thiết kế thí nghiệm và trình bày một số thí nghiệm ảo Vật lý bằng phần mềm Crocodile Physics 605. PHẦN II: NỘI DUNG I. Giới thiệu phầm mềm Crocodile Physics 605 Phần mềm Crocodile Physics là phần mềm được dùng để thiết kế các thí nghiệm ảo của môn Vật lý, được lập trình trên ngôn ngữ lập trình C++, thông qua ngôn ngữ thể hiện là Tiếng Anh. Phần mềm này từ khi ra đời cho đến nay có nhiều phiên bản với các mức độ khác nhau và qua mỗi phiên bản đã được bổ sung, cải tiến và hoàn thiện dần về nội dung. Thông qua việc sử dụng phần mềm tôi thấy: phần mềm đã được tạo lập dựa trên cơ sở chính xác về mặt vật lý. Nó không chỉ mang tính mô phỏng lại các hiện tượng Vật lý một cách máy móc bằng hình ảnh đơn thuần mà qua mỗi phiên bản đó thì các hiện tượng Vật lý thể hiện bản chất vật lý được bổ sung, chỉnh sửa, hoàn thiện tương đối đầy đủ. Phiên bản Crocodile Physics 605 được cập nhật mới nhất, với các tính năng đã được đổi mới, bổ sung khá nhiều so với các phiên bản trước đó. Phần mềm thí nghiệm ảo Crocodile Physics 605 được xây dựng dựa trên khả năng thao tác nhanh của các thế hệ máy tính cá nhân hiện nay. Nó có khả năng thiết lập được hầu hết các thí nghiệm trong chương trình Vật lý phổ thông, cung cấp một số chủ đề có sẵn theo chương trình và có thể tạo ra được các chủ đề mới theo từng nội dung thí nghiệm. Khi xây dựng thí nghiệm ảo bằng phần mềm Crocodile Physics 605 chúng ta có thể đưa vào các hình ảnh được ghi lại sẵn từ ngoài chương trình, có thể sắp xếp các dụng cụ thí nghiệm trong một hoạt cảnh giống như không gian của một phòng thí nghiệm. Thiết kế thí nghiệm ảo bằng phần mềm Crocodile Physics 605 chúng ta có thể sử dụng chuột một cách dễ dàng để lựa chọn, di chuyển hay thay đổi các dụng cụ thí nghiệm. Mat khác cũng có thể di chuyển, copy một dụng cụ hoặc toàn bộ thí nghiệm đã xây dựng ra môi trường Word hoặc Powerpont để đưa hình ảnh, kết quả thí nghiệm vào bài giảng điện tử hay giáo án điện tử. II. Cách sử dụng phầm mềm Crocodile Physics 605 1. Cài đặt phần mềm Crocodile Physics 605 - Chạy file CP_605.exe từ thư mục Crocodile - Hoàn thành các bước cài đặt theo chỉ dẫn trên màn hình là bạn đã tạo được file chạy chương trình trên Desktop là: Crocodile Physics 605 Bạn có thể Download, để cập nhật phiên bản mới nhất của phầm mềm theo địa chỉ website: www.crocodile-clips.com 2. Chạy chương trình Crocodile Physics 605 Khi chạy chương trình bạn nháy đúp chuột vào File chạy của phần mềm trên Desktop là Crocodile Physics 605 hoặc chạy trực tiếp một file thí nghiệm đã được thiết lập. Khi vào chương trình lần đầu tiên bạn sẽ được yêu cầu nhập tên đăng ký và mã số sử dụng, khi đó bạn nhập lần lượt các yêu trên: Tên đăng ký là: WWW.SERIALNEWS.COM Mã số sử dụng: CP000SS-605-CUTKG Nhập xong bạn chọn Next và sau đó bạn chọn tiếp OK sẽ khởi động được chương trình với dao diện ban dầu có dạng sau đây. Khi vào chương trình từ lần thứ hai trở đi, bạn không cần phải nhập lại tên đăng ký và mã số sử dụng nữa. 3. Các menu chính của phần mềm Crocodile Physics 605 a) Các menu ngang * Các biểu tượng làm việc với File * Các biểu tượng làm việc với các Edit (lựa chọn nhanh) * Các biểu tượng làm việc với View – Scenes (cách thể hiện) * Các tuỳ chọn trợ giúp b) Các thanh công cụ chính của phần mềm c) Contents Contents là phần rất mới bao gồm các ví dụ đã được thiết kế sẵn theo các chủ đề như: mô tả chuyển động, các mạch điện, Với mỗi modun đã có các dụng cụ thí nghiệm phù hợp với chủ đề và bạn chỉ cần chọn bổ sung những dụng cụ thích hợp để thực hiện thí nghiệm. Tuy nhiên, đây mới chỉ là một số chủ đề cơ bản, để có thể thiết kế được toàn bộ các thí nghiệm phục vụ cho giảng dạy và học tập thì cần thiết phải xem các ví dụ này và sau đó bạn tự thiết kế các thí nghiệm phù hợp với bài giảng trên lớp bằng các dụng cụ được lấy trong phần Part Library. d) Parts Library Đây là thư viện các dụng cụ thí nghiệm vật lý ảo đã được sắp xếp thành từng phần Điện – Quang – Cơ – Sóng – Công cụ hỗ trợ. Với các dụng cụ thí nghiệm trong từng phần này, bạn hoàn toàn có thể tự thiết kế được các thí nghiệm vật lý trong trường phổ thông. Tuy nhiên, để thí nghiệm trở nên chuyên nghiệp hơn thì phải kết hợp sử dụng các với các công cụ hỗ trợ thí nghiệm trong foder Presentation của phần này. e) Công cụ hỗ trợ Công cụ hỗ trợ thiết kế thí nghiệm dùng chung đã được tuyển chọn và đưa vào trong thư viện các dụng cụ thí nghiệm Parts Library. Presentation bao gồm các dụng cụ hỗ trợ như thước đo, đồ thị, tranh vẽ, các nút dừng thí nghiệm hay thực hiện lại thí nghiệmgiúp cho các thí nghiệm ảo được thiết lập bằng phần mềm trở nên chuyên nghiệp hơn. III. Tính năng nổi trội của phần mềm Crocodile Physics 605 1. Khả năng mở rộng không gian thí nghiệm Tính năng mới Crocodile Physics 605 so với các phiên bản trước đó là giao diện thiết kế và thực hiện thí nghiệm có thể chuyển ra toàn bộ màn hình như hình bên. Thêm vào đó có bổ sung phần “Getting Start” trong folder “Contents” giúp cho người sử dụng học một số bước cơ bản nhất để có thể thiết kế và sử dụng phần mềm này. 2. Contents Đây là một số phần và modun xây dựng sẵn phù hợp với các chủ đề trong chương trình giảng dạy tại trường phổ thông. Trong các chủ đề này chúng ta có thể chạy trực tiếp hoặc thay đổi các dụng cụ thí nghiệm, thay đổi các điều kiện, các thông số của thí nghiệm để có thể thực hiện được các các thí nghiệm theo từng nội dung của bài học. 3. Không gian sóng 2D Các phiên bản trước của phần mềm Crocodile Physics 605 thì trong thí nghiệm về sóng chúng ta chỉ có thể quan sát các dải sóng được mô tả có dạng là các đường hình sin hay cosin, nhưng trong phiên bản này chúng ta có thể quan sát sóng ở dạng 2D, tức là có thể quan sát được hình ảnh sự lan truyền của sóng theo mọi hướng và thể hiện được cả biên độ của sóng tại mọi điểm trong môi trường. Trong hình bên bạn có thể quan sát thấy một thí nghiệm khá trực quan, giống như bạn đang quan sát hình ảnh của sóng nước theo phương thẳng đứng nhìn từ trên xuống, thấy rõ được biên độ và dạng của sóng khác nhau trên ở từng vị trí qua sát khác nhau. Hình ảnh của sóng quan sát được sống động giống như thật, tao ra được sự hứng thú học tập cho học sinh. 4. Thiết lập thí nghiệm một cách dễ dàng Dụng cụ thí nghiệm có thể lựa chọn bằng cách di chuyển chuột đến biểu tượng, giữ chuột trái và di chuyển đến vị trí thích hợp rồi thả chuột. Có thể di chuyển vị trí của dụng cụ, xoay chuyển dụng cụ một cách dễ dàng. Có thể thay đổi các thông số của các dụng cụ thí nghiệm bằng hai cách: Cách 1: Bấm chuột phải chọn Properties để thay đổi các thông số. Cách 2: Chọn Properties bên trái màn hình để thay đổi các thông số. Trong mạch điện có thể nối dây bằng cách rê chuột, khi di chuyển dụng cụ thí nghiệm thì dây nối được tự động thay đổi theo vị trí các thiết bị bị như hình bên. Khi ta đóng mạch các dụng cụ như đèn sẽ phát sáng, loa phát ra âm thanhthấy được chiều của dòng điện trên từng đoạn mạch, nếu dòng qua dụng cụ quá tải thì dụng cụ sẽ bị hỏng (cháy) giống như thật. Trong các thí nghiệm về cơ chuyển động của các vật có thể điều chỉnh linh hoạt, có thể thấy được phương, chiều và độ lớn của các lực tác dụng trong quá trình chuyển động, có thể thiết đặt vận tốc, gia tốctheo phương, chiều và độ lớn tuỳ ý; có thể thay đổi trường lực, điều chỉnh giá trị tuỳ ý của gia tốc trọng trường hoặc chọn trường phi trọng lượng. Trong các thí nghiệm về quan hình đường truyền của các tia sáng được thiết kế một cách chính xác, đặc biệt trong thí nghiệm về sự tán sắc của ánh sáng có thể thấy rõ được vị trí của từng màu đơn sắc; có thể di chuyển hoặc xoay chuyển nguồn sáng hoặc dụng cụ thí nghiệm, thay đổi các màu sắc khác nhau của ánh sáng hoặc thay đổi giá trị cụ thể của bước sóng. Trong thí nghiệm về sóng có thể thay đổi môi trường truyền sóng như môi trường truyền sóng ánh sáng (không khí hoặc chân không), môi trường truyền sóng âm (nước hoặc không khí), môi trường nước. Có thể quan sát được sự lan truyền của sóng, hình ảnh giao thoa sóng thể hiện sõ được rất rõ cả về biên độ của sóng và pha. Nguồn sóng có thể chọn nguồn cố định hoặc nguồn sóng chuyển động. Như hình bên ta có thể thấy hình ảnh dụng cụ thí nghiệm ảo này rất gần với vật thật. Đây có thể xem là một bước đột phá rất quan trọng góp phần đưa các thí nghiệm trực quan hơn, giúp cho học sinh dễ dàng liên hệ với thực tế và nhớ bài tốt hơn. Không gian làm thí nghiệm có thể tạo ngữ cảnh vào và ra logic của bạn trên một ảnh nền, sắp xếp các dụng cụ thí nghiệm ở các vị trí thích hợp tương ứng, như phong cảnh bên trong một phòng thí nghiệm thực tế. 5. Đồ thị của thí nghiệm Đồ thị của kết quả của thí nghiệm là phần nổi bật nhất của phần mềm. Đồ thị đã biểu diễn chính xác các số liệu thí nghiệm (có thể kiểm chứng lại kết quả theo tính toán lý thuyết là gống nhau). Đồ thị có thể thuỳ chọn theo các dạng khác nhau và có thể thay đổi dễ dàng các thang chia của các trục của thị, thay đổi được các thông số của của các trục đồ thị. Trên một đồ thị có thể biểu diễu nhiều đường với các màu sắc khác nhau để có thể so sánh được sự thay đổi của các thông số đó. IV. Thiết kế thí nghiệm vật lý ảo với phần mềm Crocodile Physics 605 Để thiết lập một thí nghiệm vật lý ảo băng phần mềm Crocodile Physics 605 chúng ta có thể tiến hành thao tác theo trình tự chung gồm 5 bước cơ bản sau đây: Bước 1: Khởi động phầm mềm Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop. Bước 2: Lưa chọn dụng cụ thí nghiệm a) Phần chuyển động: Di chuyển chuột chọn chọn Part Library, trong menu của Part Library bạn chọn Motion &Forces và di chuyển con trỏ xuống để chọn tiếp Motion. Trong Motion bạn có thể lựa chọn các dụng cụ để thiết kế thí nghiệm về chuyển động trong bảng dưới đây. Trong các dụng cụ này, bạn chọn dụng cụ nào thì di chuyển con trỏ đến biểu tượng của dụng cụ đó, bấm-giữ chuột trái và di chuyển đến vị trí cần đặt rồi thả chuột. Motion Chuyển động Space Trường không trọng lượng Grounds (Trường trọng lực) Ideal elastic ground Mặt tiếp xúc hoàn toàn đàn hồi Ideal inelastic ground Mặt tiếp xúc không đàn hồi Wooden ground Mặt tiếp xúc bằng gỗ Metal ground Mặt tiếp xúc bằng kim loại Rubber ground Mặt tiếp xúc bằng cao su Glass ground Mặt tiếp xúc bằng thuỷ tinh Ice ground Mặt tiếp xúc là mặt băng Concrete ground Mặt tiếp xúc bằng bê tông Slopes (Mặt phẳng nghiêng) Ideal elastic slope Mặt phẳng nghiêng hoàn toàn đàn hồi Ideal inelastic slope Mặt phẳng nghiêng không đàn hồi Wooden slope Mặt phẳng nghiêng bằng gỗ Metal slope Mặt phẳng nghiêng bằng kim loại Rubber slope Mặt phẳng nghiêng bằng cao su Glass slope Mặt phẳng nghiêng bằng thuỷ tinh Ice ground Mặt phẳng nghiêng là mặt băng Concrete ground Mặt phẳng nghiêng bằng bê tông Balls (Quả câu) Ideal elastic ball Quả cầu hoàn toàn đàn hồi Ideal inelastic ball Quả cầu xúc không đàn hồi Soccer ball Quả bóng đá Basket ball Quả bóng rổ Cricket ball Quả bóng Criket Golf ball Quả bóng sân Golf Tennis ball Quả bóng Tennis Billiard ball Quả bóng Bida Wooden ball Quả cầu bằng gỗ Rubber ball Quả cầu bằng cao su Metal ball Quả cầu bằng kim loại Concrete ball Quả cầu bằng bê tông Glass ball Quả cầu bằng thuỷ tinh Ice ball Quả cầu bằng nước đá Blocks (Vật nặng) Ideal elastic block Khối hộp chữ nhật hoàn toàn đàn hồi Ideal inelastic block Khối hộp chữ nhật không đàn hồi Brick Viên gạch xây Wooden block Khối hộp chữ nhật bằng gỗ Metal block Khối hộp chữ nhật bằng kim loại Rubber block Khối hộp chữ nhật bằng cao su Glass block Khối hộp chữ nhật bằng thuỷ tinh Ice block Khối hộp chữ nhật băng Concrete block Khối hộp chữ nhật bằng bê tông Cart Xe lăn Rod Thanh gắn thẳng Spring Lò xo b) Phần sóng: Di chuyển chuột chọn chọn Part Library trong menu của Part Library bạn chọn Waves. Trong Waves bạn có thể lựa chọn các dụng cụ để thiết kế thí nghiệm về sóng trong bảng dưới đây. Các dụng cụ này nếu bạn chọn dụng cụ nào thì chỉ cần di chuyển con trỏ đến biểu tượng của dụng cụ đó, bầm-giữ chuột trái và di chuyển đến vị trí cần đặt rồi thả chuột. Waves Các sóng 1D Các sóng quan sát được theo một mặt cắt Wave propagation space Sự truyền sóng trong môi trường Wave penetration space Sự truyền sóng qua hai môi trường Wave reflection space Sự tổng hợp của sóng tới và sóng phản xạ đầu tự do Wave interference space Sự giao thoa của hai sóng truyền ngược chiều nhau Wave pinned space Sự tổng hợp của sóng tới và sóng phản xạ đầu cố định. Wave plucking space Sự truyền sóng trên dây căn hai đầu cố định 2D Các sóng quan sát được theo mọi phương truyền của sóng Elictromagnetic wave space Môi trường truyền sóng Sound wave space Môi trường truyền sóng âm Water wave space Môi trường truyền sóng nước Sources Nguồn sóng Point source Nguồn điểm Line source Nguồn có dạng là đoạn thẳng Moving point source Nguồn điểm có thể chuyển động Reflectors Mặt phản xạ Plane reflector Mặt phản xạ phẳng Obstacles Vùng cản trở sóng Block Dạng hình chữ nhật Sloped block Dạng hình thang Trialgle Dạng hình tam giác Circle Dạng hình tròn Slits Khe hở Single slits Khe hở đơn Double slits Khe hở đôi Measurement Đo lường Detector Vị trí đặt thiết bị đo Bước 3: Di chuyển, lắp ghép, thiết đặt thông số và xoá dụng cụ thí nghiệm Sau khi đã lựa chọn được các dụng cụ bạn có thể di chuyển, lắp ghép, thay đổi thông số, hoặc xoá các dụng cụ theo phương pháp sau: Khi cần di chuyển dụng cụ bạn cần di chuyển con trỏ đến dụng cụbấm-giữ chuột trái và di chuyển đến vị trí cần chuyển đến rồi thả chuột. Khi cần kết nối các dụng cụ bạn cần di chuyển các các dụng cụ để các điểm nối lại trùng nhau (điểm nối của các vật ở tâm). Khi cần thiết lập các thông số của dụng cụ bạn cần di chuyển con trỏ đến dụng cụ, bấm chuột phải và chọn Properties thì trong menu dọc Properties sẽ hiện ra các tuỳ chọn về các thông số dụng cụ để bạn thay đổi. Khi cần xoá dụng cụ bạn cần di chuyển con trỏ đến dụng cụ bấm chuột trái rồi bấm Delete hoặc bấm chuột phải và di chuyển chọn Delete trong menu. Nếu bạn muốn xoá nhiều dụng cụ trước khi đặt lệnh xoá bạn lựa chọn các dụng cụ cần xoá trước. Bước 4: Chọn hình thức thể hiện thông số của thí nghiệm Sau khi lắp đặt các dụng cụ thí nhiệm bạn cần phải lựa chọn các công cụ hỗ trợ để thể hiện các thông số của thí nghiệm, phần này rất quan trọng của thí nghiệm. Bởi nếu bạn đã thiết lập thí nghiệm thành công nhưng không đưa ra được kết quả thì việc thiết lập thí nghiệm của ban sẽ không mang lại kết quả gì. Trong Presentation bao gồm các công cụ hỗ trợ như thước đo, đồ thị, tranh vẽ, các nút dừng thí nghiệm hay thực hiện lại thí nghiệm Khi thiết lập thí nghiệm chúng ta cần thiết phải biết cách biểu diễn kết quả thí nghiệm bằng đồ thị hoặc bằng số đo cụ thể. Phương pháp biểu diễn kết quả thí nghiệm bằng đồ thị Di chuyển con trỏ đến biểu tượng của đồ thị (Graph) trong Presentation, giữ chuột và chuyển đến nơi cần đặt, thả chuột rồi thiết lập thông số cho đồ thị bằng cách bấm chuột phải, di chuyển chuột và chọn Properties sẽ hiện lên danh mục các tuỳ chọn của đồ thị trong Properties bao gồm: Trances (các đường đồ thị): có thể lựa chọn thêm, bớt đi số đường biểu diễn trong đồ thị; kiểu của các đường đồ thị bao gồm: màu sắc, cách vẽ, độ dày nét vẽ và mức độ rộng hẹp. Y-axis (trục tung 0y): có thể có thể lựa chọn độ rộng (Range) gồm mức thấp nhất và cao nhất, bớt đi số đường biểu diễn đường kẻ (Gridliner) về khoảng cách giữa các đường kẻ. X-axis (trục hoành 0x): có thể có thể lựa chọn đại lượng đo (Measure) gồm: toàn bộ thông số của thí nghiệm (Golban property), một số thông số của thí nghiệm Local part property), (specific part property) thông số riêng của thí nghiệm. Có thể có thể lựa chọn độ rộng (Range) gồm mức thấp nhất và cao nhất, bớt đi số đường biểu diễn đường kẻ (Gridliner) về khoảng cách giữa các đường kẻ. Visual settings (thiết lập màu sắc của đồ thị): có thể lựa chọn màu sắc cho các đường kẻ đồ thị (Apperance) gồm: màu của các đường kẻ chính (Major grid), các đường kẻ phụ (Minor grid), trục hoành 0x (X-axis), trục tung 0y (Y-axis) Sau khi tuỳ chọn kiểu các thông số của đồ thị bạn di chuyển chuột vào vùng kẻ của đồ thị sẽ xuất menu gồm: mở rộng kích thước trục hoành, mở rộng kích thước trục tung, phóng to, thu nhỏ đồ thị và khởi động lại đồ thị. Phương pháp biểu diễn kết quả thí nghiệm bằng số Di chuyển con trỏ đến biểu tượng thể hiên bằng số (Number) trong Presentation, giữ chuột và chuyển đến nơi cần đặt rồi thả chuột. Bước 5: Chạy thí nghiệm và chuyển các thông số thí nghiệm ra ngoài Để chạy chương trình trước hết bạn cần thay đổi thông số của đường biểu diễn trên đồ thị và thể hiện bằng số theo cách di chuyển chuột vào vòng tròn kí hiệu, thông số sẽ xuất hiện dòng chữ (Click and drag to choose a part), bạn rê chuột đến dụng cụ cần kết nối để đo, khi đó chữ mờ Property sẽ đậm lên màu đen và có viền đỏ. Bạn tiếp tục di chuyển chuột vào chữ Property con chuột sẽ đổi sang kí hiệu bàn tay và nổi lên chữ Property khi đó bạn bấm chuột vào chữ Property sẽ hiện lên một loạt danh mục các tuỳ chọn ban di chuyển chuột để lựa chon mục thể hiện thích hơp bao gồm: 1 Acceleration (magniude) Độ lớn gia tốc 2 Acceleration (x) Gia tốc theo trục hoành 3 Acceleration (y) Gia tốc theo trục tung 4 Angle of rotation Góc quay 5 Anglar acceleration Gia tốc góc 6 Anglar velocity Vận tốc góc 7 Density Gia tốc trọng trường 8 Displacement (x) Độ lệch theo phương ngang 9 Displacement (y) Độ cao 10 Distance Khoảng cách 11 Drag coefficient Hệ số trượt 12 Driving force (magniude) Độ lớn của lực kéo 13 Driving force (x) Lực tác dụng theo phương thẳng đứng 14 Driving force (y) Lực tác dụng theo phương ngang 15 Elasticity Khả năng đàn hồi 16 Gravitatinal potential enery Thế năng trong trường 17 Kinetic enery (rotational) Động năng chuyển động quay 18 Kinetic enery (total) Động năng toàn phần 19 Kinetic enery (translational) Động năng chuyển động tịnh tiến 20 Kinetic fiction Hệ số ma sát trượt 21 Mass Khối lượng 22 Moment of inertia Mô men quán tính 23 Momentum (x) Động lượng theo trục hoành 24 Momentum (y) Động lượng theo trục tung 25 Net force (translational) Độ lớn hợp lực 26 Radius Bán kính 27 Speed Vận tốc 28 Static friction Masát nghỉ 29 Torque Mômen quay 30 Velocity (magniude) Độ lớn vận tốc 31 Velocity (x) Vận tốc theo trục hoành 32 Velocity (y) Vận tốc theo trục tung 33 Volume Âm lượng 34 Weight Trọng lượng Sau khi bạn chọn được thông số của đường biểu diễn trên đồ thị và thể hiện bằng số thích hợp bạn dừng thí nghiệm, khởi động lại đồ thị và chạy lại thí nghiệm với tốc độ được chọn từ 1 ® 10 trong menu ngang ta sẽ quan sát được trình tự của thí nghiệm, các đường biểu diễn của các thông số cần khảo sát trên đồ thị và đọc được các thông số đó trên công cụ hiển thị số. Nếu thấy kết quả chưa hợp lí bạn có thể dừng lại (nút dừng trên menu ngang hoặc lấy ra từ Presentation), thay đổi các thông số, khởi động lại đồ thị và chạy lại thí nghiệm để thu được kết quả thích hợp, bầm nút tạm dừng để qua sát tính toán kế quả hoặc chuyển kết quả thí nghiệm ra môi trường Word hoăc Powerpoint. V. Một số ví dụ về thiết kế kế thí nghiệm ảo sử dung phần mềm Crocodile Physics 605 Với các tính năng ưu việt của phần mềm Crocodile Physics 605, chúng ta có thể thiết lập được rất nhiều thí nghiệm ảo trong chương trình Vật lý phổ thông, tuy nhiên chúng ta cần lựa chọn các thí nghiệm về các vấn đề mà trình bày lý thuyết suông không thể hiện rõ nét được. Trong đề tài này tôi trình bày cách thiết lập một số thí nghiệm vật lý trong chương trình Vật Lý THPT từ phần mềm Crocodile Physics 605. Qua đó có thể thấy được về các tác dụng của việc sử dụng các thí nghiệm Vât lý ảo bằng phần mềm. 1. Thí nghiệm xác định chu kỳ dao động của con lắc lò xo và gia tốc trọng trường (Bài 13: Thực hành – SGK Vật lý 12 mới) Bên cạnh các thí nghiệm trực quan thì thí nghiệm ảo đã được các tác giả viết sách giáo khoa mới đưa vào hướng dẫn làm thí nghiệm trong Bài 13 Thực hành – SGK Vật Lý 12 (mới). Tuy nhiên, các tác giả đã hướng dẫn làm thí nghiệm này theo phiên bản cũ của phần mềm. Vì vậy trong bài thí nghiệm này tôi trình bày cách thiết lập thí nghiệm xác định chu kỳ dao động bằng phiên bản Crocodile Physics 605. Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trình bạn rê chuột và chọn Force & Acceleration bạn di chuyển con trỏ xuống để chọn tiếp Other Examples. Trong danh sách các thí nghiệm sẵn có bạn chọn tiếp Springs - Force. Trên màn hình sẽ cho ta một con lắc lò xo gồm vật nặng có khối lượng m = 1kg, lò xo có độ cứng k = 100N/m, chiều dài l0 = 40cm, dao động trong trường trọng lực với g = 9,81kgm/s2. Trong phần đồ thị chỉ vẽ được độ lớn của hợp lực tác dụng vào con lắc, chúng ta cần Copy thêm đồ thị để biểu diễn các đại lượng đặc trưng của dao động điều hoà là toạ độ và vận tốc của dao động bằng cách di chuyển chuột vào đồ thị, bấm chuột phải chọn copy sau đó bấm chuột phải chọn tiếp để chọn hai lần Paste ta sẽ có thêm hai đồ thị. Tuy nhiên, các đồ thị đang có cùng thông số biểu diễn là độ lớn của hợp lực. Thay đổi các thông số của đồ thị toạ độ của thí nghiệm bằng cách di chuyển chuột vào đồ thị, bấm chuột phải chọn Properties, thay đổi lại biểu diễn của các trục bao gồm: trục tung với kích thước khoảng từ 0,44 đến 1m, trục hoành từ 1 đến 5 giây. Thay đổi thông số biểu diễn bằng cách di chuyển chuột vào dòng chữ mô tả thông số của đồ thị, bấm chuột trái di chuyển chuột và chọn Displacement (y). Thay đổi các thông số của đồ thị vận tốc của thí nghiệm bằng cách di chuyển chuột vào đồ thị, bấm chuột phải chọn Properties, thay đổi lại biểu diễn của các trục bao gồm: trục tung với kích thước khoảng từ -1,5(m/s) đến 1.5(m/s), trục hoành từ 1 đến 5 giây. Thay đổi thông số biểu diễn bằng cách di chuyển chuột vào dòng chữ mô tả thông số của đồ thị, bấm chuột trái di chuyển chuột và chọn Velocity (y). Vào mục các công cụ hỗ trợ thí nghiệm bạn chọn tiếp biểu tượng thể hiện thông số của thí nghiệm cho các đại lượng, liên kết với quả cầu của con lắc và tuỳ chọn thông số mô tả bao gồm lực (Net force), tung độ (Momentum (y)) và vận tốc (Velocity (y)). Dừng thí nghiệm khởi động lại các đồ thị và cho con lắc dao động trở lại chúng ta sẽ thu được hình ảnh của thí nghiệm, các kết quả và các đồ thị như hình bên. Trên cơ sở của các kết quả trên các đồ thị của thí nghiệm cho học sinh quan sát lại thí nghiệm với các thay đổi các giá trị cuả gia tốc trọng trường, khối lượng của vật và các độ cứng khác nhau của lò xo để học sinh so sánh các kết quả. Cho học sinh qua sát thật kỹ thí nghiệm, sử dụng các kết quả để làm báo cáo thí nghiệm theo các nội dung sau đây: mục đích của thí nghiệm, cơ sở lí thuyết, tiến trình thí nghiệm, kết quả của thí nghiệm, so sánh với giá trị của trường cho trong thí nghiệm, nhận xét ưu nhược điểm của phép đo và cách tính kết quả. 2. Thí nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ sóng cơ học a) Giao thoa sóng Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trinh bạn rê chuột và chọn Waves, di chuyển con trỏ xuống để chọn tiếp vào biểu tượng 2D (mô tả sóng theo 2 chiều), bạn chọn môi trường truyền sóng là nước, chọn tiếp nguồn sóng và thiết đặt thông số của sóng rồi cho khởi động sóng ta thu được hình ảnh của sóng nước, chọn biểu diễn biên độ bằng đồ thị tại các vị trí thích hợp trên một đường thẳng chúng ta thu được dạng của sóng và đồ thị biểu diễn biên độ có dạng như hình bên. Qua thí nghiệm chúng ta thấy được sự lan truyền của sóng trên mặt nước, sự thay đổi của biên độ sóng theo khoảng cách tới nguồn sóng giảm theo dạng hàm số mũ. Dừng sóng làm sạch môi trường chọn tiếp nguồn sóng thứ hai và khởi động hai, chọn biểu diễn biên độ bằng đồ thị tại các vị trí thích hợp trên một đường thẳng. Trong thí nghiệm này tôi chọn tại ba đường: một đường thẳng cắt hai nguồn, một đường tại vị trí gần hai nguồn và một đường ở xa hai nguồn sóng, ta thu được các hình ảnh giao thoa của sóng nước có dạng như hình bên. Qua thí nghiệm chúng ta thấy được vị trí của những điểm dao động với biên độ cực đại, vị trí của những điểm dao động với biên độ cực tiểu trong môi trường. Trong vùng giao thoa giữa hai sóng những điểm dao động với biên độ cực đại và những điểm dao động với biên độ cực tiểu có thể vẽ ra các họ đường Hypebol như hình biểu diễn trong Sách giáo khoa. Các điểm nằm trên đường thẳng nối hai nguồn sóng xen kẽ đều đặn, và chúng dao động ngược pha với nhau, dao động của các vị trí bụng sóng có biên độ gần như nhau. b) Nhiễu xạ sóng Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trinh bạn rê chuột và chọn Waves, bạn di chuyển con trỏ xuống để chọn tiếp vào biểu tượng 2D (mô tả sóng theo 2 chiều), bạn chọn tiếp môi trường truyền sóng là nước, chọn tiếp nguồn sóng và thiết đặt thông số của sóng, chọn màn chắn đơn và điều chỉnh kích thước màn thích hợp rồi cho khởi động sóng ta thu được hình ảnh nhiễu xạ của sóng nước, phía sau khe màn chắn có dạng như hình bên. Dừng sóng làm sạch môi trường truyền, điều chỉnh hẹp lại khe màn chắn, chọn biểu diễn biên độ bằng đồ thị tại các vị trí trên một đường thẳng đi qua nguồn sóng và khởi động lại nguồng sóng ta thu được hình ảnh nhiễu xạ của sóng nước qua một khe hẹp gần giống như sóng được phát ra tại khe hẹp và biên độ rất nhỏ có dạng như hình bên. 3. Thí nghiệm về sóng dừng Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trinh bạn rê chuột và chọn Parts Library, di chuyển chuột để chọn Waves, chọn tiếp biểu tượng 1D, bạn chọn tiếp các loại sóng không bị giới hạn, có sự thay đổi môi trường truyền, sóng có sự phản xạ trở lại tự do, sóng truyền đến từ hai phía theo chiều ngược nhau, sóng dừng trên một sợi dây đàn hồi hai đầu cố định cố định và sóng truyền trên một sợi dây căng ngang khi kích thính giống như gảy đàn. Qua sát các song truyền trên các sóng với các kích thích trên chúng ta thấy: Khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì vận tốc bước sóng và biên độ sóng thay đổi, hai đầu tự do thì sóng luôn luôn có sóng dừng với bất kỳ khoảng cách nào, hai sóng truyền trong một môi trường dao động cùng pha thì sóng tổng hợp cũng cùng pha và biên độ bằng tổng các biên độ, hai đầu tự do sẽ xuất hiện sóng dừng khi khoảng cách hai đầu dây bằng một số nguyên lần nửa bước sóng, khi sợi dây rất căng thì khoảng cách hai đầu dây bằng một nửa bước sóng. Các dạng sóng trên có thể thay đổi môi trường truyền và nguồn sóng dễ dàng bao gồm: sóng nước, sóng âm, sóng trên sợi dây đàn hồi và sóng điện từ với các bước sóng khác nhau. 4. Thí nghiệm về hiệu ứng Doopler Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trình bạn rê chuột và chọn Waves trong Contents, bạn di chuyển chuột để chọn Doopler shift, bạn chọn tiếp mô hình người, di chuyển đến vị trí cần khảo sát âm thanh, sau đó di chuyển chuột đến biểu tượng hiển thị thông tin để giữ chuột và đưa đến vị trí của người nghe để thể hiện tần số âm mà người quan sát nghe được. Tiếp tục di chuyển chuột đến biểu tượng biểu thị thông tin ra đồ thị để liên kết với người nghe để biểu diễn sự phụ thuộc của tần số theo thời gian trên đồ thị. Chọn thông số cần biểu mô tả là Frequecy (tần số), đạt vận tốc chuyển động chô ôtô, khởi động chuyển động của ôtô và phát âm của còi xe ta sẽ thu được hình ảnh của thí nghiệm và đồ thị như hình bên. Qua thí nghiệm chúng ta thấy được biên độ của sóng khi lan truyền đi sẽ giảm dần, những điểm ở phía trước xe ôtô có tần số sóng lớn hơn và bước sóng nhỏ hơn tần số và bước sóng của nguồn phát ra, những điểm ở phía sau xe ôtô có tần số sóng nhỏ hơn và bước sóng lớn hơn tần số và bước sóng của nguồn phát ra. Qua đó thể hiện được hiệu ứng Doopler khi nghe còi của xe ôtô trong khi xe đi qua trước mắt người quan sát. Trong khi tần số của còi xe phát ra là 1000Hz nhưng ở các vị trí khác nhau nghe được có giá trị từ 1540 đến 740,83. Các kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với thực tế. 5. Thí nghiệm khảo sát đặc tính khuyếch đại của Tranzito Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trình bạn rê chuột và chọn Parts Library, chọn Electronics chọn tiếp Analog. Trong Analog lựa chọn các dụng cụ thiết đặt thông số và lắp ghép thành mạch khuyếch đại như hình vẽ với các thông số của dụng cụ được chọn đúng như mạch điện trong Bài 25 – SGK Vật Lý 11 (Sơ đồ khảo sát đặc tính khuyếch đại của Tranzito) Di chuyển chuột xuống chọn Presentation để chọn đồ thị và lên kết đến điểm cần khảo sát, chon cách thể hiện các trục toạ độ, đại lượng cần vẽ đồ thị. Đóng khoá K1 quan sát chiều dòng điện trong mạch lối vào và đường biểu diễn đồ thị, làm sạch đồ thị; đóng khoá K2 quan sát chiều dòng điện trong mạch lối vào và lối ra đường biểu diễn đồ thị ta thu được đồ thị biểu diễn hiệu điện thế theo thời gian có dạng như hình bên. 6. Thí nghiệm dòng điện trong mạch R-L-C nắc nối tiếp Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trình bạn rê chuột và chọn Parts Library, chọn Electronics, chọn tiếp Analog. Trong Analog lựa chọn các dụng cụ thiết đặt thông số và lắp ghép thành mạch khuyếch đại như các hình vẽ. Di chuyển chuột xuống chọn Presentation để chọn đồ thị và liên kết đến điểm cần khảo sát, chon cách thể hiện các trục toạ độ thời gian và trục điện áp và dòng điện của mỗi mạch, xoá sạch đồ thị và khởi động lại mạch ta sẽ thu được đồ thị biểu diễn hiệu điện thế và cường độ dòng điện theo thời gian t có dạng như các hình bên. Từ các đường biểu diễn biểu diễn cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong các mạch ta thấy được: trong mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở thuần thì dòng điện biến thiên điều hoà cùng tần số (chu kỳ) và cùng pha với hiệu điện thế; trong mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần thì dòng điện biến thiên điều hoà cùng tần số nhưng chậm pha p/2 với hiệu điện thế; trong mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện thì dòng điện biến thiên điều hoà cùng tần số nhưng nhanh pha p/2 với hiệu điện thế. Trong mạch điện xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp thì dòng điện biến thiên điều hoà cùng tần số và có độ lệch pha với hiệu điện thế phụ thuộc vào các giá trị cụ thể của các dụng cụ trong mạch. 7. Thí nghiệm khẳng định điều kiện tương điểm Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trình bạn rê chuột và chọn Contents, chọn Optics, chọn Other Examples. Trong các ví dụ này bạn chọn tiếp Caustic curve sẽ nhận được hệ gồm một nguồn sáng song song, một gương cầu lõm. Khi nguồn sáng còn rộng thì điểm hội tụ của chùm tia phản xạ không rõ ràng còn khi điều chỉnh bề rộng nguồn sáng nhỏ thì điểm hội tụ của chùm tia phản xạ là rất rõ, chứng tỏ khi góc mở gương nhỏ thì ảnh quan sát được sẽ rõ nét. VI. Một số thí nghiệm ứng dụng trong đời sống hàng ngày 1. Sơ đồ mạch đóng ngắt điện cầu thang Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trinh bạn rê chuột và chọn Contents, chọn Circuits, chọn Other Examples Trong các ví dụ này bạn chọn tiếp Landing light sẽ nhận được sơ đồ mạch điện đóng ngắt điện cầu thang như hình bên. Bạn có thể đóng ngắt công tắc để kiểm tra sự phát sáng của đèn. 2. Sự truyền sóng truyền hình Khởi động máy xong, bạn nháy đúp chuột biểu tượng của file Crocodile Physics 605 trên Desktop để vào chương trình, sau khi vào chương trinh bạn rê chuột và chọn Contents, chọn Waves, chọn Other Esamples Trong các ví dụ này bạn chọn tiếp Diffraction around hill chúng ta sẽ thấy được sự truyền sóng truyền hình (sóng cực ngắn) truyền theo đường thẳng nếu gặp núi chắn thì vùng thấp phía sau không thu được sóng. PHẦN III: KẾT LUẬN Qua việc tìm hiểu và ứng dụng phần mền, tôi thấy tác dụng của phần mềm Crocodile Physics 605 đã đáp ứng được một số các yêu cầu cơ bản sau: Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo Crocodile Physics với phiên bản Crocodile Physics 605 chúng ta có thể thiết lập hầu hết các thí nghiệm trong chương trình Vật lý phổ thông. Các thí nghiệm này có thể được xây dựng một cách nhanh chóng và cho kết quả chính xác cao. Với các ưu thế của phần mềm về khả năng thiết kế nhanh chóng, các thí nghiệm vật lý ảo có thể được thiết kế trực tiếp ngay trên lớp, có sự tham gia của tập thể học sinh đối với người đã thành thạo và có sự chuẩn bị trước. Còn khi mới tiếp cận chúng ta nên lựa chọn phương pháp thiết lập thí nghiệm trước khi lên lớp và có thể kết nối với file thí nghiệm từ môi trường của bài giảng Powerpoint. Bên cạnh các thí nghiệm Vật lý phổ thông bạn có thể tìm hiểu các thí nghiệm về các phần tử phi tuyến ứng dụng các mạch điện tử phức tạp, các thí nghiệm mang tính ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Phần mềm thí nghiệm ảo vật lý Crocodile Physics 605 đã có nhiều ứng dụng thiết thực trong việc thiết lập các thí nghiệm ảo trong dạy học môn Vật lý. Tuy vậy, phần mềm cũng còn thiếu một số phần không kém quan trọng như: phần điện trường, từ trường và cảm ứng từ. Hy vọng rằng trong các phiên bản tới thì các phần còn thiếu sẽ được đưa vào, giúp chúng ta có một bộ thí nghiệm ảo đầy đủ hơn. Phiên bản Crocodile Physics 605 tôi mới chỉ được tiếp cận và tìm hiểu chỉ trong thời gian ngắn. Vì vậy, trong đề tài này, bước đầu tôi mới chỉ giới thiệu các công cụ sử dụng chính của phần mềm, các bước thiết lập thí nghiệm ảo phần chuyển động, sóng và một số thí nghiệm điển hình. Các nội dung còn lại sẽ được thực hiện trong thời gian sắp tới để đề tài được bổ sung, hoàn chỉnh và ứng dụng được dễ dàng hơn trong từng tiết dạy. Tôi rất mong nhận được sự tham gia tích cực về các ý kiến góp ý của các quý thầy cô và các đồng nghiệp. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về: Nguyễn Văn Phúc, Giáo viên Trường THPT Nghi Lộc III Số điện thoại: 0912 334 899, Email: vanphucch11@yahoo.com Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngày 15 tháng 07 năm 2008 Người viết Nguyễn Văn Phúc