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. Trong vật ...
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.
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...).
- 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 pháp: phân tích các băng ghi h́nh nhờ máy vi tính và các phần mềm tương ứng. Nguyên tắc của phương pháp này là như sau: V́ máy vi tính và các phần mềm chỉ làm việc, tính toán với các cơ sở dữ liệu đă được số hoá nên trước hết băng ghi h́nh về quá tŕnh vật lí thật đang chứa những tín hiệu dạng Analog phải được chuyển thành các tín hiệu dưới dạng số.
Quá trình chuyển các tín hiệu dưới dạng Analog sang dạng tín hiệu số gọi là quá trình số hoá. Việc số hoá này được tiến hành nhờ một Card số (digital board) được cài đặt trong máy vi tính. Như vậy sau khi số hóa, các tín hiệu về quá trình vật lí này được lưu trữ trong máy vi tính dưới dạng các tín hiệu số. Những tín hiệu hình đã được số hoá này với tư cách là các số liệu, dữ kiện có thể được các máy vi tính thông thường (hiện đang dùng trong các trường phổ thông Việt nam) dễ dàng sử dụng để phân tích, xử lí tính toán. Để các máy vi tính này có thể làm được điều đó, cần cài đặt một phần mềm trong máy để giúp việc đọc các tín hiệu đã được số hoá (đã lưu trữ tong đĩa mềm hay ổ cứng), hiển thị lại quá trình vật lí trên màn hình, thu thập, xử lí các số liệu (lập bảng, vẽ đồ thị về các mối quan hệ của các đại lượng, tiến hành các tính toán khác..v..v..).
Các giai đoạn của phương pháp phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính trong dạy học vật lí
Để sử dụng phương pháp phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính trong dạy học vật lí thì trước hết phải có các tín hiệu về quá trình vật lí thực cần nghiên cứu (ví dụ: chuyển động ném xiên, chuyển động rơi tự do, chyển động của vận động viên nhảy xa...) đã được lưu trữ dưới dạng số hoá trong máy vi tính. Trong máy vi tính cần cài đặt phần mềm dùng để xử lí các tín tiệu số hoá này. Các phần mềm viết cho phương pháp này đang được sử dụng rộng rãi trong trường phổ thông cũng như đại học trên thế giới có thể kể đến là: Videopoint, CUPLE (Mĩ), Galileo, DIVA (CHLB Đức)..v..v... Sau đây trình bày các giai đoạn của phương pháp phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính trong dạy học vật lí, với sự minh hoạ bằng phần mềm Galileo.
Quan sát quá trình vật lí cần nghiên cứu
Giai đoạn đầu tiên của việc nghiên cứu là phải tổ chức quan sát quá trình vật lí cần nghiên cứu. Nhờ các tín hiệu về quá trình vật lí đã được số hoá và phần mềm trong máy vi tính, giáo viên hoặc học sinh có thể quay lại quá trình vật lí thực trên màn hình của máy vi tính để nghiên cứu nó một cách kĩ càng trong bài giảng.
Với chức năng của phần mềm, trước hết ta có thể cho hình chuyển động như trong thực tế, sau đó có thể cho nó chuyển động chậm lại, chuyển động từng giai đoạn hay đứng yên tuỳ theo mục đích nghiên cứu. Ví dụ như, trong phần mềm Galileo, cửa sổ ở góc trên, bên trái của màn hình (ở Hình dưới đây ) với các nút: Play, Review, Pause,.... cho phép ta làm việc đó.
Xác định vị trí toạ độ và thời điểm tương ứng của vật chuyển động thông qua lập bảng số liệu về quan hệ giữa toạ độ và thời gian trong chuyển động và vẽ đồ thị y, x theo t
Số liệu quan trọng nhất cần có khi nghiên cứu quá trình động học là số liệu về quan hệ giữa toạ độ (kí hiệu là x, trong chuyển động thẳng và x, y trong chuyển động cong) và thời gian trong chuyển động (bảng quan hệ x hay x,y và t). Nhờ phần mềm, có thể đặt trục toạ độ thích hợp vào màn hình trong đó đang có hình ảnh về quá trình chuyển động đang nghiên cứu. Sau đó, người nghiên cứu dùng chuột để xác định và đánh dấu vị trí toạ độ của vật chuyển động và thời điểm tương ứng, bằng cách kích chuột vào trọng tâm của vật. Sau mỗi lần kích chuột, tại cửa sổ bên phải màn hình, một cặp giá trị toạ độ x, y của vật được điền vào bảng số liệu và một vị trí của vật trên trục toạ độ được đánh dấu. Đồng thời vật dịch chuyển đến vị trí tiếp theo trên màn hình. Với việc kích chuột liên tiếp như vậy, ta lập được bảng số liệu và vẽ được đồ thị. (Thường thì thời gian làm việc này thường chỉ cần khoảng một phút). Hình dưới đây có bảng số liệu và đồ thị của quả bóng rổ (được coi là vật bị ném xiên) đã xây dựng.
Bảng số liệu x, y theo t và đồ thị tương ứng được xây dựng nhờ phần mềm.
Phân tích, xử lí số liệu và trình bày kết quả của việc phân tích, xử lí
Dựa trên bảng số liệu về toạ độ và thời gian này, người nghiên cứu sẽ suy nghĩ xem liệu quá trình vật lí đang nghiên cứu chứa đựng các qui luật như thế nào. Để làm được điều đó, thông thường ta phải tiến hành nhiều phép tính toán tiếp theo, lập các bảng hay vẽ đồ thị về các mối quan hệ như v-t, a-t, x-v....Tất cả công việc đó đều có thể nhờ phần mềm thực hiện ngay trong một giây ( dẫu phải tiến hành hàng trăm, nghìn phép tính...). Các kết quả này được trình bày chính xác, đẹp đẽ trên màn hình dưới dạng bảng hay đồ thị tuỳ theo mong muốn của ta. Các bảng hay các đồ thị này, sẽ giúp ta tìm ra các qui luật tiềm ẩn trong đó. Ví dụ, nhờ phần mềm, ta có thể vẽ được đồ thị x- t hay y- t (Hình sau).
Đưa ra dự đoán (giả thuyết) về qui luật chuyển động và kiểm tra tính đúng đắn của dự đoán, điều chỉnh dự đoán để tìm ra qui luật
Nhìn vào bảng số liệu và dạng đồ thị x-t cũng như y-t thu được ta thấy:
• Đồ thị x-t có dạng đường thẳng, ta dự đoán rằng x lŕ hŕm bậc nhất của t,
• Đồ thị y-t có dạng đường Parapol, ta dự đoán rằng chuyển động theo phương y là chuyển động có gia tốc vŕ y lŕ hŕm bậc hai của t,
Sau khi dự đoán x là hàm bậc nhất của t và y là hàm bậc hai của t, ta có thể kiểm tra ngay dự đoán đó là đúng hay sai bằng cách nhờ phần mềm vẽ thử ngay từng đồ thị bậc nhất x = x0 + vx0.t và đồ thị bậc hai y = y0 + vy0.t + ay0t2 ứng với các giá trị ban đầu x0 , vx0 , y0 , vy0 và giá trị ay0 nào đó. Hình 2.10 dưới đây là các đồ thị mà ta thử vẽ với các giá trị x0 = 0 ; vx0 = 6,0 ; y0 = 0 ; vy0 = 5,0 và ay0 = -7,80. Các đồ thị này là đường liền nét.
Vẽ các đồ thị x = x(t) với các giá trị: x0 = 0 ; vx0 = 6,0
và y = y (t) với y0 = 0; vy0 = 5,0; ay0 = -7,80
Trên hình 2.10, ta thấy các đồ thị lí thuyết (đường liền nét) và đồ thị thực nghiệm (đường chấm chấm) chưa trùng nhau. Điều đó chứng tỏ đồ thị lí thuyết mới vẽ với các giá trị trên chưa phản ánh đúng qui luật chuyển động của vật theo phương x cũng như theo phương y.
Để có thể těm được qui luật chuyển động thành phần theo các phương ox và oy, ta phải thay đổi các giá trị ban đầu (tức lŕ các giá trị x0, vx0 hay y0, vy0) và giá trị ay0
sao cho đồ thị lí thuyết trùng sát nhất với đồ thị thực nghiệm. Khi đó, chỉ cần đọc các giá trị x0, vx0 và y0 , vy0 và giá trị ay0 , ta sẽ biết được qui luật của chuyển động của vật.
Hình dưới đây cho thấy nhờ phần mềm, ta đã chọn được các giá trị mới thích hợp của x0, vx0 cũng như y0 , vy0 và giá trị ay0 để cho đồ thị lí thuyết (ứng với các giá trị mới này) trùng khít nhất với đồ thị thực nghiệm.
Ở hình dưới đây cho thấy giá trị của x0 = 0 và vx0 = 3,78 m/s (đối với thành phần chuyển động theo phương ox) và y0 = 0; vy0 = 6,60 m/s và ay0 = -9,80 m/s2 (đối với thành phần chuyển động theo phương oy).
Như vậy, nhờ phần mềm ta đă t́m ra qui luật chuyển động theo phương ngang và phương thẳng đứng của vật cũng như gia tốc trọng trường tại nơi ném vật. Nhờ máy tính có thể vẽ đồ thị y= y (x) với các giá trị đă xác định được ở trên.
So sánh ưu nhược điểm của phương pháp phân tích băng ghi h́nh nhờ máy vi tính với các phương pháp đang được dùng trong pḥng thí nghiệm hiện nay
Qua trình bày ở trên cho thấy, phương pháp phân tích băng ghi hình nhờ máy vi tính có các ưu điểm cơ bản sau:
- Cho phép nghiên cứu bằng thực nghiệm (thí nghiệm tiến hành dưới dạng khảo sát) các quá trình vật lí thực tạo ra trong phòng thí nghiệm hay xảy ra trong cuộc sống hàng ngày.
- Các quá trình vật lí thực có thể dễ dàng quan sát tại bất kì thời điểm nào, góc độ nào và quan sát nhiều lần trên màn hình với các mục đích khác nhau.
- Việc thu thập số liệu (bao gồm việc xác định toạ độ tại bất kì thời điểm nào cũng như các quãng đường của chuyển động của vật) nhờ phần mềm hoàn toàn dễ dàng,
- nhanh chóng và tương đối chính xác.
- Việc phân tích, xử lí các số liệu thu thập được (tính toán, lập bảng, biểu diễn các mối quan hệ trên đồ thị...) cũng như việc trình bày kết quả xử lí là hoàn toàn dễ dàng, chính xác, nhanh chóng và đẹp.
- Phạm vi các quá trình vật lí được nghiên cứu rộng hơn, không những các dạng chuyển động thẳng mà dạng chuyển động phức tạp bất kì nào trên mặt phẳng (chuyển động ném xiên, chuyển động tròn, chuyển động của tên lửa bay từ bệ phóng, chuyển động của các vận động viên nhảy xa, nhảy cao, nhảy cầu bơi..v..v.). Ưu điểm này tạo điều kiện xoá bỏ sự ngăn cách giữa nhà trường và thế giới bên ngoài, cho phép đưa các hiện tượng có trong thực tiễn trong đời sống sinh động hàng ngày vào bài giảng, gây hứng thú học tập cho học sinh.
- Cùng một khối lượng nội dung nghiên cứu th́ thời gian cần thiết trong phương pháp này mất rất ít so với các phương pháp khác do tất cả các thao tác tính toán, lập bảng, vẽ đồ thị một cách máy móc, thuần tuư đă được máy tính tự động thực hiện.
Học sinh được giải phóng khỏi các công việc máy móc (cộng, trừ, nhân chia, điền các con số vào bảng, hay đánh dấu vào các trục toạ độ để vẽ đồ thị...). Do đó họ dành được nhiều thời gian cho các hoạt động quan trọng trong quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm như: đưa ra giả thuyết, tìm cách kiểm tra giả thuyết đó... Ví dụ như: từ quan sát hiện tượng rơi tự do, từ bảng số liệu về quan hệ giữa toạ độ (hay quãng đường) với thời gian học sinh dự đoán rằng chuyển động đang nghiên cứu là chuyển động nhanh dần đều. Họ sẽ đưa ra một trong các phương án kiểm tra dự đoán bằng cách xác định gia tốc tức thời tại thời điểm bất kỳ. Ngay sau đó họ có thể nhờ máy vi tính (sau vài giây) đưa ra một bảng quan hệ giữa gia tốc tức thời và thời gian, trên cơ sở đó có thể khẳng định hay bác bỏ ngay dự đoán của mình.- Trang thiết bị nghiên cứu theo phương pháp này không tốn kém.Với các thiết bị máy vi tính đang được trang bị ở trường phổ thông Việt nam hiện nay đều có thể triển khai nghiên cứu các quá tŕnh vật lí theo phương pháp này. Mặc dù có khá nhiều ưu điểm cơ bản song ở phương pháp này có một số khó khăn chủ yếu về kĩ thuật.
- Các băng ghi hình về các hiện tượng, quá trình vật lí cần phải được số hoá mới sử dụng được theo phương pháp này.- Với công nghệ hiện nay, muốn lưu trữ một quá trình xảy ra trong một phút thì trong máy cần có dung lượng ở ổ cứng khoảng 1GB.- Giáo viên và học sinh cần làm quen với việc sử dụng các phần mềm này. Hiện nay, nhà trường phổ thông của rất nhiều nước trên thế giới đã và đang sử dụng máy vi tính trong việc phân tích các băng hình ghi các quá trình vật lí thực để nghiên cứu, tìm ra qui luật của nó.
