Sáng kiến kinh nghiệm Ứng dụng Matlab trong giảng dạy Vật lý lớp 12 trường THPT Trần Nguyên Hãn

 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 
 ỨNG DỤNG MATLAB TRONG 
 GIẢNG DẠY VẬT LÝ LỚP 12 
TRƯỜNG THPT TRẦN NGUYÊN HÃN 
3. Nhiệm vụ nghiên cứu 
 Với mục đích nghiên cứu trên sáng kiến tập trung vào nhiệm vụ tìm ra 
phương pháp phù hợp để có thể thay đổi tình hình. Ứng dụng công nghệ thông 
tin vào giảng dạy vật lý. Chọn phần mềm toán học để mô tả và biểu diễn. 
4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu. 
 a) Khách thể nghiên cứu: 
 - Quá trình học vật lý lớp 12 của học sinh ở các nhà trường THPT. 
 - Việc giảng dạy kiến thức chương trình vật lý 12. 
 b) Đối tượng nghiên cứu: 
 - Phần mềm Matlab, và 3 chương nêu trên trong chương trình vật lý 12. 
5. Giả thuyết khoa học. 
 - Phương pháp trực quan thực nghiệm không thu hút được học sinh, học 
sinh không khai thác được kết quả từ các thí nghiệm, gây mất tổ chức. 
 - Các bài toán vật lý trở thành thiếu căn cứ khi các phương trình không 
có lời giải, các hàm số không vẽ được đồ thị trong khả năng con người. 
6. Cấu trúc của sáng kiến 
 Sáng kiến được viết theo hình thức một sách chuyên đề gồm 3 chương, 
và 2 mục: 
 Mở đầu 
 Chương I. Cơ sở lý luận và thực tiễn 
 Chương II. Phần mềm Matlab 
 Chương III. Ứng dụng phần mềm Matlab vào giảng dạy vật lý lớp 12 
 Và cuối cùng là mục tổng kết, và kiến nghị 
 e) Tạo niềm lạc quan học tập dựa trên lao động và thành quả của bản 
thân người học. 
 f) Xác định vai trò mới của người thầy với tư cách là người thiết kế, uỷ 
thác, điều khiển và thể chế hoá. 
Cụ thể là: 
 - Thiết kế: lập kế hoạch, chuẩn bị quá trình dạy học về mặt mục tiêu, nội 
dung, phương pháp, phương tiện và hình thức tổ chức. 
 - Uỷ thác: biến ý đồ của thầy thành nhiệm vụ học tập tự nguyện tự giác 
của trò, chuyển giao cho trò không phải những tri thức có sẵn mà là những 
tình huống để trò hoạt động và thích nghi. 
 - Điều khiển: kể cả sự điều khiển về tâm lý, bao gồm sự động viên, 
hướng dẫn, trợ giúp và đánh giá. 
 - Thể chế hoá: xác nhận những kiến thức mới phát hiện, đồng nhất hoá 
những kiến thức riêng lẻ mang màu sắc cá thể, phụ thuộc hoàn cảnh và 
chương trình về mức độ yêu cầu, cách thức diễn đạt và định vị tri thức mới 
trong hệ thống tri thức đã có, hướng dẫn vận dụng và ghi nhớ hoặc giải phóng 
khỏi trí nhớ nếu không cần thiết. 
1.2 Vai trò của công nghệ thông tin trong dạy học 
 1. Công nghệ thông tin và truyền thông làm những phần việc của thầy 
giáo. 
 Có những khi, công nghệ thực hiện một chức năng nào đó tốt hơn thầy 
giáo, ví dụ như hình ảnh đồ họa mà công nghệ thông tin cung cấp chính xác 
hơn nhiều, đẹp hơn nhiều và sinh động hơn nhiều so với hình vẽ trên bảng của 
thầy giáo, máy chấm bài nhanh hơn nhiều và khách quan hơn so với giáo viên. 
Tuy nhiên, không phải bất cứ trường hợp nào dùng công nghệ thông tin và 
truyền thông thay thầy giáo cũng là tối ưu. Vì vậy, người ta không đặt vấn đề 
thủ tiêu toàn bộ vai trò của người thầy trong quá trình dạy học. 
 2. Công nghệ thông tin đóng vai trò học sinh. 
 Trong trường hợp này, học sinh làm chức năng người dạy, máy tính 
điện tử - thành phần chủ chốt của công nghệ thông tin và truyền thông – đóng 
vai trò người học, tức là học sinh lập trình cho máy tính giải quyết một nhiệm 
vụ, và như vậy máy tính đã tạo cơ hội để học sinh học tập thông qua việc dạy. 
 3. Công nghệ thông tin và truyền thông làm chức năng phương tiện dạy 
học. 
 Trước khi đi vào thiêt lập các phép toán trong Matlab ta phải lưu ý một 
số kí hiệu toán học riêng dùng cho Matlab như sau: 
 Kí hiệu của các phép toán Ý nghĩa thay thế của kí hiệu 
 + Phép cộng 
 - Phép trừ 
 * Phép nhân 
 / Phép chia 
 ^ Phép lũy thừa 
 sqrt Khai căn bậc 2 
 log Logarit cơ số tự nhiên e 
 sin Lấy sin 
 cos Lấy côsin 
 tan Lấy tan 
 exp Hàm e mũ 
 Nem N.10m 
 Khi sử dụng các kí hiệu toán học trên cho các số nguyên ta viết bình 
thường như ở những phần mềm tính toán khác. Với biến dạng mảng, ma trận 
hoặc dạng thập phân thì thêm “.” trước phép nhân, chia, lũy thừa để chỉ cho 
Matlab thấy phép tính được áp dụng cho dạng ma trận hoặc dạng thập phân. 
Đối với các phép tính sqrt, log, sin, cos, tan, exp cần phải để các đối tượng vào 
trong dấu ngoặc “( )”. 
2.2.1 Matlab là một phần mềm tính toán siêu hạng 
 Matlab cho ta một công cụ để tính toán chính xác tới 10-6. Với cách đặt 
phép tính hoàn toàn theo các phép tính hệ thập phân thông thường, hơn thế 
nữa Matlab cho phép chúng ta trực tiếp sử dụng các hàm sin, cos, hàm số mũ 
... 
 Phép tính được dựng trước, Matlab tự động tính toán và cho kết quả sau 
từ ans. Với hệ thống kí tự và kí hiệu riêng matlab cho phép viết tường mình 
các phép tính. 
Ví dụ 2.2.1.1: 
h=4.*3.^7-7e-5+exp(2) 
ans = 
 8.7554e+003 
tương đương với việc chúng ta đã thực hiện phép tính: h=4.37 -7.10 -5 +e 2 và kết 
quả cho ta h=8,755.103. 
Ví dụ 2.2.1.2: Tính toán với các hàm số có sẵn. 
ans = 
 6 32 
 30 30 
» 3.*z+2.*u 
ans = 
 13 28 
 27 28 
2.2.2 Matlab là một phần mềm lập trình 
 Bằng chức năng Function có thể lấy trên menu file, chọn new chọn M-
file, Matlab cho phép người sử dụng lập trình theo ý đồ. Trong quá trình thiết 
lập các hàm số các đồng chí và các em lưu ý: Phải thiết lập đâu là đại lượng 
biến, đâu là đại lượng hàm, và phải chỉ rõ mối quan hệ toán học giữa hàm và 
biến. Trước khi sử dụng hàm số, hoặc lập hàm trên cửa sổ chính các đồng chí 
và các em phải cho khoảng biến thiên, và khai báo biến, rồi mới gọi hàm bằng 
cách viết tên hàm với biến số trong dấu ngoặc đơn “( )”. 
Ví dụ 2.2.2.1: 
function [mean,stdev] = stat(x) 
n = length(x); 
y=x.^n; 
plot(x,y); 
z=ginput(1); 
mean=z(1) 
stdev=z(2) 
 Với cách lập trình như vậy hàm số có tên là stat biến số là x – có thể 
nhận bất kì giá trị nào, cho phép người lập trình thiết lập quan hệ hàm số y với 
biến số x, vẽ mối quan hệ của y theo x, xuất ra số phức z có tọa độ là mean và 
stdev. Khi muốn sử dụng hàm đã lập, người sử dụng chỉ cần cho giá trị của 
biến x và gọi tên hàm. 
» x=-2:0.005:2; 
» y=(x.^4)./2-x.^2+3/2; 
plot(x,y,'LineWidth',2) 
grid on 
» ginput 
» ans = 0.0000 1.5132 
» ginput 
» ans = 
 -1.0046 1.0263 
 1.0046 1.0132 
Hàm số có cực đại là 1,5132 tại x=0. 
Hàm số có hai cực tiểu là 1 khi x=±1; 
Ví dụ 2.2.3.3: khảo sát hàm số đa biến: 
» [x,y]=meshgrid(-
3:0.05:3); 
» u=4.*sin(pi.*x-8)-y./4; 
» mesh(x,y,u) 
Vẽ được đồ thị hàm số 
hai biến x,y trong hệ tọa 
độ Oxy. Mà nếu dùng 
các công cụ khác khó có 
thể có kết quả như ý. 
 Ngoài ra nhờ câu lệnh ginput, người sử dụng Matlab có thể đưa ra các 
giá trị của hàm số ứng với giá trị của biến số trực tiếp trên đồ thị mà không 
phải dựng lại phép toán. 
Ví dụ 2.2.2.4: Truy xuất tọa độ của 1 điểm trên đồ thị hàm đơn biến. 
gian, tìm ly độ của vật plot(t,x,'*-'); 
dao động tại thời điểm t. ginput(1) 
x=A.cos(ωt+φ) ; v=-A.*w.*sin(w.*t+fi); 
v=-Aw .sin(ωt+φ) ; figure(2) 
 plot(t,v,'-o'); 
a=-ω2 A.cos(ωt+φ) ; 
 a=-(A.*w.^2).*cos(w.*t+fi); 
 figure(3) 
 plot(t,a,'+-'); 
 W=0.5.*m.* v.^2; 
 figure(4) 
 plot(t,W,'a'); 
 xlabel('thoigian(s)') 
 ylabel('dong nang(J)') 
Nhập số liệu và kết quả Kết quả hình: 
số: 
- Nhập số liệu: 
» m=0.2; 
» A=2; 
» w=6.*pi; 
» t=0:.002:1; 
» fi=2.*pi./3; 
» lydo1(m,A,w,fi,t); 
x1 = 1.2515 
t1 = 0.1728 
Nội dung kiến thức 2 Lập trình bằng Matlab 
Khảo sát dao động của function daodong=lydo2(k,m,A,fi,t); 
con lắc lò xo có độ cứng w=sqrt(k./m); 
k, có khối lượng m, pha x=A.*cos(w.*t+fi); 
ban đầu j, biên độ A. figure(1) 
 k plot(t,x,'*-'); 
ω= ;
 m ginput(1) 
x=A.cos(ωt+φ); v=-A.*w.*sin(w.*t+fi); 
v=-Aω.sin(ωt+φ); figure(2) 
 2
a=-ω A.cos(ωt+φ); plot(t,v,'-o'); 
 a=-(A.*w.^2).*cos(w.*t+fi); 
 figure(3) 
w = 31.4159 
A = 0.3002 
fi = -0.0318 
ans = 0.2419 0.0725 
Nội dung kiến thức 4 Lập trình bằng Matlab 
Khảo sát dao động của function daodong=lydo4(k,m,x0,v0,t); 
con lắc lò xo có độ cứng w=sqrt(k./m) 
k, có khối lượng m, vận 
 A=sqrt(v0.^2/w.^2+x0.^2) 
tốc ban đầu v0, ly độ 
ban đầu x0. fi=asin(-v0./(A.*w)) 
 k
ω= ; x=A.*cos(w.*t+fi); 
 m
 figure(1) 
 v2
A=0 +x2 ;
 ω2 0 plot(t,x,'*-'); 
 v
sinφ=- ; 
 Aω xlabel('thoigian(s)') 
 v 
φ=arcsin(- ); ylabel('lydo(m)'); 
 Aω
x=A.cos(ωt+φ); ginput(1) 
v=-Aω.sin(ωt+φ); v=-A.*w.*sin(w.*t+fi); 
a=-ω2 A.cos(ωt+φ);
 figure(2) 
 plot(t,v,'-o'); 
 xlabel('thoigian(s)') 
 ylabel('vantoc(m/s)'); 
 a=-(A.*w.^2).*cos(w.*t+fi); 
 figure(3) 
 figure(2) 
 plot(t,v,'-o'); 
 a=-(A.*w.^2).*cos(w.*t+fi); 
 figure(3) 
 plot(t,a,'+-'); 
 figure(4) 
 plot(t,x,v,a); 
Nhập số liệu và kết quả Kết quả hình: 
số: 
» b=1.5; 
» w=5.*pi; 
» fi=0; 
» t=0:.002:2; 
» lydo5(b,w,fi,t) 
ans = 0.3548 2.3684 
Nội dung kiến thức 6 Lập trình bằng Matlab 
Tổng hợp hai dao động function tonghop=lydo6(w,A1,A2,fi1,fi2,t); 
cùng phương cùng tần x1=A1.*cos(w.*t+fi1); 
số. x2=A2.*cos(w.*t+fi2); 
x1 =A 1 .cos(ωt+φ 1 ) x=x1+x2; 
x2 =A 2 .cos(ωt+φ 2 ) figure(1) 
 plot(t,x,'*-') 
 ylabel('lydotonghop(cm)') 
 xlabel('thoigian(s)') 
 x10=A1.*cos(fi1); 
 x20=A2.*cos(fi2); 
 x0=x10+x20; 
 A=max(x) 
 fi0=acos(x0./max(x)) 
Nhập số liệu và kết quả Kết quả hình: 
số: 
» w=5.*pi; 
» A1=3; 
» A2=4; 
» fi1=0; 
 Như các đồng chí đã biết sóng cơ học là các dao động được lan truyền 
trong môi trường vật chất. Tại một thời điểm t=t0 nhất định thì các phần tử vật 
chất được sắp xếp theo một dạng hình sin trong không gian. Vậy chúng ta hãy 
cùng nhau khảo sát hình dạng, li độ cũng như bước song bằng phần mềm 
Matlab. 
Nội dung kiến thức 8 Lập trình bằng Matlab 
Khảo sát li độ, bước sóng. function songco=song(A,w,x,L,t); 
Tính vận tốc truyền sóng u=A.*cos(w.*t+2.*pi.*x./L); 
 x figure(1) 
uM =A.cos(ω 1 t-2π ) 
 λ plot(x,u,'*-'); 
 M=ginput(1);x1=M(1); 
 N=ginput(1);x2=N(1); 
 L=x2-x1 
 v=L.*w./(2.*pi); 
Nhập số liệu và kết quả số: Kết quả hình: 
» A=5; 
» w=4.*pi; 
» x=0:.002:3; 
» L=0.6; 
» t=2; 
» song1(A,w,x,L,t) 
N = 0.7327 0.1462 
L = 0.5945 
v =1.1889 
Nội dung kiến thức 9 Lập trình bằng Matlab 
Mặt dao động. Sóng có vận function songco=song2(A,w,x,y,v,t); 
tốc v, tần số f, tại thời điểm t. u=A.*cos(w.*(t+sqrt(x.^2+y.^2)./v)); 
 x2+ y 2
u =A.cos(ω t-2π ) 
 M 1 λ figure(1) 
 meshc(x,y,u); 
 figure(2) 
 meshz(x,y,u);