Luận văn Hướng dẫn sử dụng phần mềm Interactive Physics (IP) thiết kế thí nghiệm ảo Vật lý

I. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM INTERACTIVE PHYSICS 1. Giới thiệu chung Interactive physics (ip) là phần mềm mô phỏng động học, động lực học vật rắn trong không gian hai chiều, ip là phần mềm của “design simulation technologies”. Đây là một phần mềm cho phép tương tác với người làm thí nghiệm, phần mềm cung cấp đầy đủ những công cụ cần thiết để thiết kế một bài thí nghiệm vật lí và dựa trên những thanh công cụ có sẵn, người làm thí nghiệm có thể tương tác vào đó để tạo ra những công cụ cần thiết cho bài thí nghiệm của mình. Interactive là một phần mềm phổ biến, có nhiều phiên bản hiện nay. 2. Hướng dẫn cài đặt Các bước cài đặt Interactive Physics 2005 B1: Cho đĩa CD IP vào ổ CDRoom của máy tính, chạy file ipdemo.exe để cài đặt và làm theo hướng dẫn. B2: Xuất hiện hộp thoại “Welcome to the Interactive Physics Setup Wizard”, chọn “Next” B3: Khi đến hộp thoại (hình bên), Chọn “SI units (e.g, km, kg, N), bấm “Next” để tiếp tục cài đặt. B4: Khi Hộp thoại Choose Folder xuất hiện thư mục nơi sẽ cài đặt phần mềm vào đó. Mặc định là C:Program FilesInteractive Physics. Nếu không muốn thay đổi thì bấm OK để tiếp tục. B5. Quá trình cài đặt diễn ra. 3. Cách khởi động phần mềm Interactive Physics 2005 Cách 1: Nhấp chuột vào biểu tượng trên màn hình Desktop Cách 2: Từ Start menu: chọn StartProgramsinteractivephysics2005 interactivephysics2005 4. Sơ lượt phần mềm Interactive Physics 2005 a. Giao diện phần mềm b. Các phần chính của InteractivePhysics2005 Các thanh công cụ cung cấp các đối tượng để xây dựng mô hình thí nghiệm và lệnh thực hiện mô phỏng gồm có: Công cụ Body Points Joints Constraint Simple (thể hiện thanh Toolbar đơn giản): Body là các đối tượng có dạng tròn, vuông, chữ nhật, đa giác, hình cong dùng để làm mô hình, hoặc có thể kết hợp chúng lại để tạo hình theo yêu cầu của hiện tượng khi đó ta liên kết chúng bằng các công cụ như joints, rigid joint... Với công cụ Joint giúp liên kết các loại khớp như khớp bản lề, khớp trượt, khớp cứng…, công cụ Point giúp đặt các điểm lên đối tượng để tạo thành khớp nối với đối tượng khác, vẽ đường dẫn,… Công cụ JointSplit: để tạo và phá liên kết các đối tượng với nhau. Run Control: Gồm ba nút điều khiển Run, Stop và Reset. Nhấn nút Run để bắt đầu mô phỏng, Stop để tạm dừng và Reset để đưa về trạng thái đầu tiên. Công cụ edit: Gồm các nút chọn đối tượng, xoay đối tượng, nhập chữ, phóng to, thu nhỏ… Hệ thống Menu: hệ thống menu của Interactive Physics2005 được mô tả như hình vẽ, với chức năng từng hệ thống menu như sau + File: chứa các thao tác với các tệp tin như các ứng dụng Windows thông thường như mở, lưu, xuất tập tin,… + Edit: cho phép sao chép, dán, cắt đối tượng. + World: xác lập môi trường mô phỏng như gia tốc trọng trường, sức cản không khí, độ chính xác… + View: các cách hiển thị vật thể (lưới, màu nền…), đơn vị đo… + Object: cách tương tác của các đối tượng, thứ tự trước sau của các đối tượng, font đối với đối tượng chữ… + Define: hiện hoặc ẩn các véc tơ (vận tốc, gia tốc…) trên đối tượng, các nút tùy chỉnh,… + Measure: hiển thị kết quả mô phỏng của từng đối tượng… + Script: tạo lệnh điều khiển. + Windows: hiển thị thuộc tính của đối tượng, hình dáng đối tượng… + Help: trợ giúp. II. HƯỚNG DẪN CÁC THAO TÁC CƠ BẢN KHI SỬ DỤNG PHẦN MỀM INTERACTIVE PHYSICS2005 Để tiến hình mô phỏng thí nghiệm trong Interactive Physics2005 trước tiên ta phải thực hiện các thao tác sau: 1. Tạo môi trường Worldspace Từ “menu World” vào “Gravity” để chọn giá trị độ lớn, chiều của trọng lực Từ “menu View” vào “Workspace” để thiết lập không gian thiết kế như hiển thị (hoặc ẩn) đi thước “Ruler”, ô lưới “Grid lines”, trục tọa độ “X,Y Axes”, cách thanh công cụ “Toolbars” bằng cách chọn (hoặc bỏ chọn) vào các ô check tương ứng Cũng từ “menuView” vào “numbers and units” để thiết lập đơn vị, có thể chọn hệ đơn vị ở mục “unit System”. Ở chế độ mặc định thì các đơn vị thuộc hệ SI, tùy các thiết kế mô phỏng hoặc mục đích thì có chọn lại các đơn vị trong “more choice”. Sau khi thiết lập bấm “Ok” để chấp nhận Từ “menu World” chọn “Accuracy” để xác lập độ chính xác của mô phỏng. Trong hộp thoại “Simulation Accuracy” hãy thay đổi thông số trong “Animation Step”.. Muốn thay đổi các thông số khác thì bấm vào nút “more choice”. Thiết lập xong thì bấm “Ok” để đồng ý. 2. Thiết lập đối tượng thí nghiệm Để tạo đối tượng ta dùng công cụ Body: Muốn vẽ một vật thể có dạng đặc biệt, chẳng hạn hình khối chữ nhật, click trái chuột vào công cụ Rectangle có biểu tượng đồng thời kéo và thả vào Worldspace của phần mềm. Chương trình sẽ tự cấp các thông số ví dụ như khối lượng, tọa độ, hệ số ma sát, hệ số đàn hồi… cho vật. Đối với các vật thể khác ta tiến hành tương tự. Muốn vẽ vật bất kì, click trái chuột vào công cụ Polygon có biểu tượng (hoặc công cụ Cuver Polygon ), sau đó trong Worldspace lần lượt click trái chuột ra vùng làm việc để tạo các đỉnh của vật đó. Để kết thúc, bấm Enter (hoặc double chuột trái). Muốn dùng một đối tượng nào đó làm giá đỡ thì phải cố định đối tượng đó lại bằng cách click trái chuột vào công cụ Anchor có biểu tượng rồi click trái chuột vào đối tượng cần cố định. Muốn xóa đối tượng thì click chuột để chọn đối tượng sau đó bấm phím Delete trên bàn phím. Khi tạo một đối tượng thì phần mềm tự động cấp cho đối tượng đó các thuộc tính, muốn thay đổi thuộc tính của đối tượng nào, ta double chuột (hoặc Ctrl+I) vào đối tượng đó, bảng thuộc tính của đối tượng sẽ hiện ra. Thay đổi các chỉ số theo ý muốn, chẳng hạn nếu muốn thay đổi thuộc tính vận tốc của một vật thì click trái chuột vào ô “Vx (hoặc Vy)” để thay đổi và bấm “Enter” để xác nhận, sau đó tắt hộp thoại “Properties” bằng cách click chuột vào ô có biểu tượng . Tương tự cho các thuộc tính khác. Để di chuyển đối tượng, click trái chuột vào đối tượng, đồng thời giữ và kéo đối tượng đến vị trí mới rồi buông ra. Muốn quay đối tượng, click trái chuột vào công cụ có biểu tượng trên thanh công cụ “edit”, sau đó chỉ chuột vào vật, click trái chuột, giữ và kéo để quay rồi thả ra. Hoặc thay đổi thông số ø trong bảng thuộc tính của đối tượng. Để tắt tính năng quay, click trái chuột vào biểu tượng trong thanh công cụ “edit”. 3. Tạo giao diện mới ngoài giao diện mặc nhiên của đối tượng Click lên đối tượng, từ menu Window chọn Appearance (Ctrl +J), xuất hiện cửa sổ Appearance. Từ cửa sổ này, ta có thể chọn lại tên, màu nền, mẫu nền, cho ẩn đối tượng, hoặc hiện tên, tâm, điện tích, quỹ đạo tâm khi chuyển động. Có thể tạo giao diện mới cho vật từ một ảnh bitmap (.bmg): Click chuột phải vảo ảnh bitmap chọn Open WithPaint, trong Paint vào menu Edit chọn Select All rồi chọn Copy; Sau đó, vào menu Edit trong Interactive Physics2005 ta chọn Paste. Trong WorkSpace chọn ảnh và đối tượng (giữ phím Shift), từ menu Object click vào lệnh Attach Picture, ảnh bitmap sẽ dán vào đối tượng (tách đối tượng và ảnh: chọn Detach Picture) Đưa 1 đối tượng về phía trước hay về phía sau 1 đối tượng khác: sử dụng lệnh Move to Front, Send to Back từ menu Object. Ghi chú trong WorkSpace: click vào icon A để gõ text; vào menu Object để chọn Font(font, fontstyle, size). 4. Chọn hoặc bỏ chọn hệ quy chiếu gắn với đối tượng Trước tiên chọn đối tượng muốn làm hệ quy chiếu rồi từ “menu View” vào “New Reference Frame”. Muốn hiển thị hệ trục tọa độ đối với hệ quy chiếu này thì trong hộp thoại “New Reference Frame” mới xuất hiện, ta click vào ô check “Show X,Y axes”. Để hủy bỏ hệ quy chiếu này, cũng từ menu View click “Home” hay bấm tổ hợp phím “Ctrl+O” 5. Thiết lập hộp thoại tùy chỉnh cho đối tượng Để thay đổi một thuộc tính nào đó khi làm thí nghiệm thì sử dụng đến hộp thoại “Input”. Trước tiên hãy chọn đối tượng, sau đó từ “menu Define” vào “New Control” và chọn thuộc tính cần thay đổi như trong hình 6 6. Hiển thị (hoặc ẩn) các đại lượng vectơ cho đối tượng Muốn hiển thị các đại lượng véctơ, ví dụ véctơ vận tốc… trước tiên chọn đối tượng cần hiển thị, sau đó từ “menu Define” vào “Vectors” và chọn đại lượng véctơ cần hiển thị như hình 7. 7. Hiển thị các đồ thị cần thiết cho đối tượng Trước tiên chọn đối tượng, sau đó vào “menu Measure” và chọn đại lượng cần hiển thị như hình 8. 8. Xuất ra tệp tin video Đặc biệt Interactive Physics hỗ trợ việc xuất ra tệp tin video. Từ “menu File” vào “Export”. Trong cửa sổ Export, chọn vị trí lưu tập tin xuất ra trong ô. Trong ô có chữ Untitled1, ghi tên của tệp tin sẽ xuất ra. Trong ô Export type, chọn định dạng xuất ra là Video for Window(.avi). Trong ô Frame First chọn frame bắt đầu xuất ra, Frame Last chọn frame kết thúc quá trình xuất ra. Sau đó bấm vào nút Export để bắt đầu quá trình xuất ra tệp tin video. Hình 9: Xuất ra tệp tin video CHƯƠNG II: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM INTERACTIVE PHYSICS THIẾT KẾ CÁC THÍ NGHIỆM PHẦN “CƠ HỌC” VẬT LÍ 10 1. Bài chuyển động thẳng biến đổi đều Thí nghiệm dùng để giảng dạy phần: đồ thị biểu diễn sự biến đổi vận tốc theo thời gian cho chuyển động nhanh dần đều, chậm dần đều; đồ thị tọa độ của chuyển động thẳng biến đổi đều, tính gia tốc từ đồ thị. a. Mục đích thí nghiệm Từ thí nghiệm chuyển động của một vật trên mặt phẳng nằm ngang, cho học sinh quan sát chuyển động của vật, quan sát đồ thị vận tốc theo thời gian, tọa độ theo thời gian. Từ đó, rút ra các nhận xét và kết luận. b. Mô hình thí nghiệm c. Hướng dẫn thiết kế B1: Mở phần mềm Interactive Physics, tạo và lưu tập tin “chuyen dong thang bien doi deu.ip” B2 : Vẽ vật và sàn. Dùng công cụ Rectangle có biểu tượng để vẽ vật và mặt sàn. Dùng công cụ Anchor để giữ cố định mặt sàn. Khi vẽ xong thì đặt vật lên mặt sàn, sao cho khi bấm nút Run vật không nhúc nhích gì là được. Bấm Reset để tiến hành thiết kế tiếp tục. B3: Cung cấp lực cho vật. Click trái chuột vào công cụ dùng công cụ Force , sau khi vẽ xong cho tác dụng vào khối tâm của vật. Nhập giá trị cho lực bằng cách double chuột vào biểu tượng trên Worldspace, bảng thuộc tính xuất hiện thì tại mục Fx ta nhập giá trị của lực. Ví dụ Lưu ý: Để cho thiết kế thí nghiệm được đẹp và phù hợp với trình độ kiến thức hiện thời của học sinh thì phải ẩn lực tác dụng này. Bằng cách chọn tác dụng lên vật, từ menu Window vào Appearance, bỏ dấu check tại ô Show khi hôp thoại Appearance. B4: Thay hình ảnh của vật Để mô hình thí nghiệm chân thực, ta thay vật thành hình ảnh một chiếc xe, bằng cách: Chọn một ảnh một chiếc xe Bitmap (.bmp), click chuột phải vào ảnh này và chọn Open withPaint. Trong Paint, tại menu Edit chọn Select All, rồi tiếp tục cũng tại menu Edit chọn Copy. Trong không gian thiết kế Interactive Physics, vào menu Edit và chọn Paste. Khi đó, hình ảnh chiếc xe sẽ xuất hiện trong Workspace. Click chuột trái vào vật đồng thời giữ phím Shift và click chuột trái vào ảnh, vào menu Object chọn Attach Picture. B5: Hiển thị các đại lượng. Để cho mô phỏng thí nghiệm này được rõ ràng nên cho hiển thị vận tốc ban đầu và gia tốc. Click trái chuột vào vật: + Từ menu Define vào New Control chọn Initial X Velocity để hiển thị thoại tùy chỉnh vận tốc ban đầu. + Từ menu Measure vào AccelarationX Accelaration để hiển thị gia tốc của vật. B6: Hiển thị đồ thị vận tốc và tọa độ theo thời gian. Click trái chuột vào vật, từ menu Measure chọn X Position và X Velocity. Click trái chuột vào từng đồ thị, từ menu Windown vào Appearance để thay đổi tên, màu; từ menu Object vào Font để chọn lại Font và kích thước cho từng đồ thị. d. Tiến hành thí nghiệm Vào Properties của vật, cho hệ số ma sát giữa vật và sàn là bằng không. Chuyển động thẳng nhanh dần đều Cho giá trị vận tốc ban đầu là 10ms, lực tác dụng là 20N + Bấm nút Run trên thanh công cụ Edit để tiến hành thí nghiệm. Bấm nút Stop để dừng lại. Bấm Reset để trở về trạng thái ban đầu. + Kết quả: Cho lực tác dụng là 20N. Vận tốc ban đầu là 10ms. + Bấm nút Run trên thanh công cụ Edit để tiến hành thí nghiệm. Bấm nút Stop để dừng lại. Bấm Reset để trở về trạng thái ban đầu. + Kết quả: Chuyển động thẳng chậm dần đều Cho vận tốc ban đầu là 10ms, độ lớn của lực là 20N. + Bấm nút Run trên thanh công cụ Edit để tiến hành thí nghiệm. Bấm nút Stop để dừng lại. Bấm Reset để trở về trạng thái ban đầu. + Kết quả: Cho vận tốc ban đầu là 10ms, độ lớn của lực là 20N. + Bấm nút Run trên thanh công cụ Edit để tiến hành thí nghiệm. Bấm nút Stop để dừng lại. Bấm Reset để trở về trạng thái ban đầu. + Kết quả: e. Kết quả của thí nghiệm Học sinh quan sát thí nghiệm và đưa ra các kết luận sau: Chuyển động của vật là chuyển động thẳng biến đổi đều. Đồ thị tọa độ theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều là một nhánh Parapol. Vận tốc biến đổi tuyến tính theo thời gian, trong những khoảng thời gian như nhau thì vận tốc thay đổi một lượng như nhau. Hệ số góc của của đường thẳng trong đồ thị vận tốc theo thời gian chính bằng gia tốc của vật. Khi gia tốc và vận tốc cùng dấu (cùng âm, hoặc cùng dương) thì vật chuyển động nhanh dần đều; ngược lại, khi gia tốc và vận tốc ngược dấu thì vật chuyển động chậm dần đều. + Khi gia tốc dương, vận tốc dương: Đồ thị tọa độ là một nhánh parapol có bề lõm hướng lên phía trên, đồ thị vận tốc là đường tuyến tính tăng về độ lớn nằm trong góc phần tư thứ nhất. + Khi gia tốc âm, vận tốc âm: Đồ thị tọa độ là một nhánh parapol có bề lõm hướng xuống, đồ thị vận tốc là đường tuyến tính tăng về độ lớn nằm trong góc phần tư thứ tư. + Khi gia tốc dương, vận tốc âm: Đồ thị tọa độ là một nhánh parapol hướng xuống có bề lõm hướng sang phải, đồ thị vận tốc là một đường tuyến tính giảm về độ lớn nằm trong góc phần tư thứ tư. + Khi gia tốc âm, vận tốc dương: Đồ thị tọa độ là một nhánh parapol hướng lên có bề lõm hướng sang phải, đồ thị vận tốc là một đường tuyến tính giảm về độ lớn nằm trong góc phần tư thứ nhất. f. Những lưu ý khi tiến hành thí nghiệm Khi tiến hành thí nghiệm này, chúng ta cần lưu ý một số điểm sau : Để tránh trường hợp sự biến đổi vận tốc một cách phức tạp ở thời điểm ban đầu thì khi tiến hành thí nghiệm chúng ta nên loại bỏ ma sát, bằng cách mở bảng thuộc tính của vật và tại hai mục Stat.fric và Kin.fric sửa lại là 0. Đặt vật lên sàn sao cho vật và sàn không chồng lên nhau, bằng cách phóng to cửa sổ thiết kế bằng công cụ Zoom in . Sau khi đặt vật xong, trả về lại bình thường bằng công cụ Zoom out . Có thể thay đổi hình ảnh hiển thị của hộp thoại tùy chỉnh bằng cách double chuột trái vào hộp tùy chỉnh, hộp Properties xuất hiện, tại mục Type ta chọn hình ảnh hiển thị chẳng hạn Data table. Dùng công cụ WindowAppearance để thay đổi màu sắc, tên,…Font để thay đổi kích thước cho các đồ thị và hộp thoại tùy chỉnh. Điều chỉnh độ chia của đồ thị để học sinh quan sát trực quan và rõ ràng hơn sự biến đổi của tọa độ và vận tốc theo thời gian. Tránh trường hợp vật rơi ra ngoài mặt sàn bởi vì chiều dài mặt sàn vẽ có giới hạn và chủ động hơn trong bài giảng, nên điều chỉnh thời gian dừng lại thí nghiệm, bằng cách từ menu World vào Pause Control. Tại cửa sổ Pause Control, ta click trái chuột vào New Condition và sửa thời gian cho chạy thí nghiệm, ví dụ như 5s tại ô Pause When.