ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN


PHAN TRỌNG NGHĨA

XÂY DỰNG HỆ GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP ĐIỆN
HỌC TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÍ LỚP 9

LUẬN VĂN THẠC SĨ, KHÓA LUẬN CAO HỌC
CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60.48.01.01

Tp. HCM, tháng 02 năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN


PHAN TRỌNG NGHĨA

XÂY DỰNG HỆ GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP ĐIỆN
HỌC TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÍ LỚP 9

LUẬN VĂN THẠC SĨ, KHÓA LUẬN CAO HỌC
CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60.48.01.01

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS ĐỖ VĂN NHƠN


PHAN TRỌNG NGHĨA

MSSV:

CH1301042

Khóa:

Cao học khóa 8- Đợt 1

Giảng viên hƣớng dẫn
Giảng viên:

PGS. TS ĐỖ VĂN NHƠN

Cơ quan công tác: Trƣờng ĐH Công Nghệ Thông Tin
Địa chỉ email:

[email protected]

Điện thoại:

0908.107.799


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Đỗ Văn Nhơn, Thầy
đã nhiệt tâm, tận tình chỉ dạy, hƣớng dẫn và truyền đạt những kiến thức vô cùng bổ
ích giúp khóa luận này đƣợc hoàn thành.

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................... 6
1.1

GIỚI THIỆU ............................................................................................. 6

1.2

ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 6

1.3

MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ CÓ ............................................................ 7

1.4

MỤC TIÊU .............................................................................................. 12

1.5

PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................................................... 16

1.6

TÍNH KHOA HỌC VÀ TÍNH MỚI ..................................................... 16

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 18
2.1

2.2


2.2.4

Mạng ngữ nghĩa ................................................................................ 24

2.2.5

Frame ................................................................................................ 26

2.2.6

Mạng các đối tƣợng tính toán ........................................................... 28

2.2.7

Mô hình tri thức các đối tƣợng tính COKB (Computational Objects

Knowledge Base) .......................................................................................... 31
CHƢƠNG 3: BIỂU DIỄN TRI THỨC CHO ĐIỆN HỌC MỘT CHIỀU –
THUẬT GIẢI ......................................................................................................... 36


3.1

THU THẬP TRI THỨC ......................................................................... 36

3.2

VẬN DỤNG MÔ HÌNH TRI THỨC ĐỂ BIỂU DIỄN TRI THỨC


MÔ HÌNH BÀI TOÁN ........................................................................... 55

3.5

THUẬT GIẢI SUY LUẬN ..................................................................... 57
3.5.1

Một số thuật giải suy luận tìm lời giải cho bài toán .......................... 57

3.5.2

Một số ví dụ ...................................................................................... 63

CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐIỆN HỌC
TRONG CHƢƠNG TRÌNH VẬT LÍ LỚP 9 ....................................................... 68
4.1

4.2

PHẠM VI ỨNG DỤNG .......................................................................... 68
4.1.1

Mục tiêu ............................................................................................ 68

4.1.2

Đối tƣợng phục vụ ............................................................................ 68

4.1.3



4.3.2

Kết quả thử nghiệm .......................................................................... 83

4.3.3

Nhận xét và đánh giá ........................................................................ 98

CHƢƠNG 5 – KẾT LUẬN .................................................................................. 100
5.1

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC........................................................................ 100

5.2

HẠN CHẾ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 101
5.2.1

Hạn chế ........................................................................................... 101

5.2.2

Hƣớng phát triển ............................................................................. 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO


Khóa luận thạc sĩ


Hình 2.1.5: Hệ cơ sở tri thức .................................................................................... 21
Hình 2.2.4: Tri thức đƣợc biểu diễn bằng mạng ngữ nghĩa ..................................... 25
Hình 2.2.5: Quan hệ giữa các đối tƣợng hình học phẳng......................................... 28
Hình 2.2.6.1: Biểu diễn một đối tƣợng tính toán ..................................................... 29
Hình 2.2.6.2: Một ví dụ mạng các đối tƣợng tính toán ............................................ 30
Hình 3.1.3: Một đoạn mạch hỗn hợp đơn giản ........................................................ 44
Hình 3.3.3: Sơ đồ tổ chức cơ sở tri thức theo mô hình COKB rút gọn. .................. 55
Hình 3.5.1: Lƣu đồ thuật toán tổng quát trên mô hình COKB rút gọn .............Error!
Bookmark not defined.

5
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
Vật lí là môn khoa học tự nhiên, rất quan trọng trong thực tế, nó có ứng dụng vô
cùng quan trọng trong các ngành kinh tế chủ chốt của các quốc gia, là cơ sở của các
ngành công nghiệp nhƣ: chế tạo máy, điện, hạt nhân…Vật lí học có những đóng
góp quan trọng qua sự tiến bộ các công nghệ mới đạt đƣợc do những phát kiến lý
thuyết trong Vật lí. Ví dụ, sự tiến bộ trong hiểu biết về điện từ học hoặc Vật lí hạt
nhân đã trực tiếp dẫn đến sự phát minh và phát triển những sản phẩm mới, thay đổi
đáng kể bộ mặt xã hội ngày nay, nhƣ ti vi, máy vi tính, laser, internet, các máy móc
dân dụng, hay vũ khí hạt nhân; những tiến bộ trong nhiệt động lực học dẫn tới sự
phát triểncách mạng công nghiệp; và sự phát triển của ngành cơ học thúc đẩy sự
phát triển phép tinh vi tích phân.

trọng, có số lƣợng bài tập, bài kiểm tra của các môn này rất nặng về tƣ duy giải
toán, không phải học sinh nào cũng có thể giải hết các bài tập một các dễ dàng.
Vì vậy học sinh cần một công cụ hỗ trợ gợi ý tìm các công thức để đƣa ra lời
giải của bài toán và từ những phần mềm nhƣ vậy sẽ gợi ý giúp học sinh dễ dàng
luyện tập nâng cao kĩ năng giải toán trong các kì thi hơn. Từ đó đã tạo động cơ
thực hiện nghiên cứu xây dựng một chƣơng trình hỗ trợ giải một số bài toán Vật lí
điện học lớp 9 trong chƣơng trình Trung học Cơ sở.

1.3 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ CÓ
Mặc dù Vật lí là 1 ngành học đã có từ lâu đời nhƣng các nghiên cứu về xây
dựng hệ thống tri thức cho lĩnh vực này còn khá mới mẻ. Kết quả của quá trình tìm
tòi trên mạng và các tài liệu chính thức, hiện tại chỉ có 1 vài công trình nghiên cứu
đã hoàn thiện và đang đƣợc tiếp tục phát triển
1.3.1 Phần mềm hỗ trợ học môn Vật lí “Vật lí quanh em” của các thành viên
nhóm Active software. [15]
 Ƣu điểm của phần mềm
 Giao diện gần gũi và sử dụng ngôn ngữ tiếng Việt nên rất dễ dàng sử
dụng.

7
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

Hình 1.3.1.1: Giao diện phần mềm “Vật lí quanh em”
 Kiến thức phong phú, đa dạng bao trùm hầu hết kiến thức bộ môn Vật lí từ
cấp học THCS đến THPT nhƣ: Cơ học, nhiệt học, quang học, điện học, hạt nhân

 Giải thích các hiện tƣợng Vật lí bằng hình ảnh sinh động. Ví dụ chúng ta
có thể nhập vào tham số chiếc xe chạy với vận tốc bao nhiêu, chƣơng trình sẽ cho
chúng ta thấy đƣợc chiếc xe chuyển động nhƣ thế nào với vận tốc đó…

9
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

 Hạn chế của phần mềm


Điểm hạn chế lớn nhất của phần mềm này là ngôn ngữ bằng tiếng Anh,

do vậy rất khó để các em học sinh nƣớc ta (đặc biệt là các em ở lứa tuổi THCS) có
thế hiểu đƣợc các đối tƣợng, các ví dụ và giải thích hiện tƣợng…


Chƣơng trình không có chức năng giải các bài tập.

1.3.3 Việc nghiên cứu biểu diễn tri thức giải các bài tập điện một chiều đã đƣợc
học viên Hồ Nhật Tiến thực hiện trong luận văn “Nghiên cứu mô hình biễu diễn tri
thức, ứng dụng xây dựng hệ giải bài toán điện học” – ĐH Công Nghệ Thông Tin
– ĐH Quốc Gia TP.HCM. [6]
 Vấn đề luận văn đã làm đƣợc:



Chƣa có chức năng cập nhật tri thức.

10
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

 Hƣớng cải tiến của đề tài:
Căn cứ và những hạn chế của luận văn trên và bổ sung tri thức mới, tác giả
đề xuất hƣớng cải tiến nhƣ sau


Cải tiến mô hình biểu diễn tri thức các đối tƣợng tính toán



Bổ sung thêm những bài tập có tính chất phức tạp đƣợc thu thập từ

những bài tập nâng cao và các bài tập ở những đề thi học sinh giỏi, thi vào trƣờng
chuyên lớp10.


Bổ sung tri thức giải các bài tập trên thiết bị.



Bổ sung chức năng vẽ lại sơ đồ đoạn mạch thỏa điều kiện đề bài

bổ sung thêm sự kiện, bổ sung thêm luật suy diễn trên các đối tƣợng đó để tiến hành
giải thêm một một số dạng bài tập trong điện học một chiều Vật lí lớp 9

11
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

1.4 MỤC TIÊU
Xây dựng ứng dụng giải một số dạng bài tập trong chƣơng trình Vật lí lớp 9
nhằm hỗ trợ các em học sinh lớp 9 trong việc học tập môn học này. Các dạng bài
tập tập trung ở 6 dạng, trong đó dạng 1 (Dạng bài tập liên quan đến thiết bị hoặc
trên đoạn mạch có thiết bị) là một điểm mới của khóa luận so với các luận văn
trƣớc. Các dạng bài tập cụ thể nhƣ sau:
 Dạng 1: Dạng bài tập liên quan đến thiết bị hoặc trên đoạn mạch có thiết bị.
Thiết bị có thể là: bóng đèn, vôn kế, ampe kế, bàn là, bếp điện, ấm đun.
Input: Các dạng bài toán cho biết mức độ hoạt động của thiết bị nhƣ: cho
biết độ sáng của bóng đèn, cho biết vôn kế hoạt động thế nào, cho biết ampe kế hoạt
động thế nào, cho biết bếp điện hoạt động thế nào, cho biết bàn là hoạt động thế
nào, cho biết ấm đun hoạt động thế nào; Các bài toán tính hiệu điện thế trên đối
tƣợng thiết bị, các bài toán tính cƣờng độ dòng điện trên đối tƣợng thiết bị, các bài
toán tính công suất trên đối tƣợng thiết bị, các bài toán tính công suất định mức trên
đối tƣợng thiết bị, các bài toán tính hiệu điện thế định mức trên đối tƣợng thiết bị,
các bài toán tính cƣờng độ dòng điện định mức trên đối tƣợng thiết bị.
Trên đoạn mạch, thiết bị có thể mắc nối tiếp hoặc song song với các đối
tƣợng: điện trở, biến trở, thiết bị, dây dẫn.
Output: Lời giải cho mục tiêu của bài toán phù hợp với suy nghĩ của con

Ví dụ 2: Trên bóng đèn dây tóc Đ1 có ghi 220V – 100W, trên bóng đèn dây tóc
Đ2 có ghi 220V – 75W. Mắc song song hai bóng này vào hiệu điện thế 220V. Tính
công suất đoạn mạch song song này và cƣờng độ dòng điện mạch chính?
Input: Thiết bị đèn Đ1, đèn Đ2,UdmĐ1=220V, PdmĐ1=100W, UdmĐ2=220V,
PdmĐ2=75W
Output: Lời giải tìm kết quả công suất P của đoạn mạch song song và cƣờng độ
dòng điện mạch chính I.
 Dạng 2: Dạng bài tập vận dụng định luật Ohm, điện trở dây dẫn giải các bài
tập trên đoạn mạch có điện trở.
Input: Các bài toán tính điện trở, các bài toán tính hiệu điện thế, các bài toán
tính cƣờng độ dòng điện.
Output: Lời giải cho mục tiêu của bài toán phù hợp với suy nghĩ của con
ngƣời.
Ví dụ:

R1

A
K

M

N

+ Hình 1.4.2: Mạch điện một điện trở

Cho mạch điện có sơ đồ nhƣ hình trên, điện trở R1=10Ω, hiệu điện thế giữa
hai đầu đoạn mạch là UNM=12V. Tính cƣờng độ dòng điện I1 chạy qua R1?
Input: Đoạn mạch MN, R1 = 10Ω, hiệu điện thế UNM=12V
Output: Lời giải tìm kết quả cƣờng độ dòng điện I1.


R1
A1

A
+

A

R2

A2

B
-

V

Hình 1.4.3: Mạch điện có 2 điện trở song song

14
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

Cho mạch điện có sơ đồ nhƣ hình trên. Trong đó R1=15Ω, R2=10Ω, vôn kế
chỉ 12V.

Input: Đoạn mạch AB, R1=5Ω, R2=7Ω, R3=1Ω, R4=5Ω, R5=3Ω, I3=0,5A.
Output: Lời giải tìm cƣờng độ dòng điện qua từng điện trở và UAB.

15
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

 Dạng 6: Dạng bài tập liên quan đến dây dẫn, sự phụ thuộc của điện trở vào
chiều dài, tiết diện và vật liệu làm dây dẫn. Đối tƣợng của dạng bài tập này là dây
dẫn.
Input: Các bài toán tìm điện trở dây dẫn, các bài toán tìm chiều dài dây dẫn,
các bài toán tìm tiết diện dây dẫn, các bài toán tìm số vòng quấn dây dẫn.
Output: Lời giải cho mục tiêu của bài toán phù hợp với suy nghĩ của con
ngƣời.
Ví dụ: Điện trở của một dây dẫn bằng nhôm tiết diện 10µm x 10µm là 1kΩ.
Biết rằng điện trở suất của nhôm là =2,8.10-8 Ωm
a) Hỏi độ dài của dây dẫn là bao nhiêu?
b) Một điện trở 1000Ω đƣợc tạo bằng cách quấn sợi dây dẫn quanh một lõi
thủy tinh đƣờng kính 3mm. Hỏi số vòng cần quấn?
Input: Dây dẫn D, s=10µm x 10µm, R=1000Ω, =2,8.10-8 Ωm,
dlõi thủy tinh=3mm
Output: Lời giải tìm chiều dài dây dẫn l, số vòng quấn N.

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU



17
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ TRI THỨC
2.1.1 Khái niệm tri thức
Tri thức có nhiều ý nghĩa tùy theo văn cảnh, nhƣng lúc nào cũng có liên quan
với những khái niệm nhƣ hiểu biết, ý nghĩa, thông tin, giảng dạy, giáo dục, giao
tiếp, diễn tả, học hỏi, suy luận, nhận thức và kích thích trí óc. Tri thức bao gồm ba
tiêu chí là: khả tín, xác thực, và chứng minh đƣợc.
Tri thức là các thông tin, các tài liệu, các cơ sở lý luận, các kỹ năng khác
nhau, đạt đƣợc bởi một tổ chức hay một cá nhân thông qua các trải nghiệm thực tế
hay thông qua sự giáo dục đào tạo; các hiểu biết về lý thuyết hay thực tế về một đối
tƣợng, một vấn đề, có thể lý giải đƣợc về nó.
Tóm lại, tri thức là nói về đối tƣợng thực hiện đƣợc những hành động một
cách hiệu quả. Tri thức là sự hiểu biết của con ngƣời trong một phạm vi, lĩnh vực
nào đó, đƣợc xem xét theo các mục tiêu hay các vấn đề nhất định có khả năng giúp
con ngƣời làm việc có hiệu quả. [3]
Tri thức là một hệ thống phức tạp, đa dạng và trừu tƣợng bao gồm nhiều
thành tố với những mối liên hệ tác động qua lại nhƣ:
 Các khái niệm (concepts), với những mối liên hệ cơ bản nhất định
(relationships).
 Các quan hệ (relations): là một quan hệ 2 ngôi R trên một tập X nhƣ phản
xạ, đối xứng, phản xứng,bắc cầu; Quan hệ thứ tự; Quan hệ tƣơng đƣơng.
 Các hàm (functions)

Làm thế nào để phân biệt thông tin vào máy tính là dữ liệu hay tri thức?
Giữa tri thức và dữ liệu có một số đặc trƣng khác nhau, chúng ta xem xét hai đặc
trƣng sau:
 Tự giải thích nội dung: Tri thức có thể tự giải thích nội dung còn dữ liệu
19
Phan Trọng Nghĩa


Khóa luận thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn

không thể tự giải thích đƣợc mà chỉ có ngƣời lập trình mới hiểu đƣợc nội dung ý
nghĩa các dữ liệu đó.
Ví dụ: dữ liệu là số 7, tri thức của số 7 là số lẻ, là số nguyên tố, là số
dƣơng…
 Tính cấu trúc: Một trong những đặc trƣng cơ bản của hoạt động nhận
thức con ngƣời đối với thế giới xung quanh là khả năng phân tích cấu trúc các đối
tƣợng. Ở mức đơn giản nhất là cấu trúc: là một bộ phận của toàn thể, là một giống
của một loài cây nào đó, là phần tử của một lớp nào đó.
Tri thức đƣa vào máy cũng cần có khả năng tạo đƣợc phân cấp giữa các khái
niệm và quan hệ giữa chúng.
 Tính liên hệ: ngoài các quan hệ về cấu trúc của mỗi tri thức thì giữa các
đơn vị tri thức còn có nhiều mối liên hệ khác.
Vídụ: các khái niệm: chó, sủa, động vật, bốn chân, đuôi

động vật

sủa