Xây dựng một số bài thí nghiệm cơ học thuộc chương trình Vật lý THPT với thiết bị cảm biến Addestation

Để hiểu rõ tính năng ưu việt của các thiết bị cảm biến và rèn luyện thao tác thí nghiệm thành thạo, tôi đã tiến hành nghiên cứu và làm thí nghiệm, từ đó xây dựng bộ tài liệu hướng dẫn th

TRƯỜNG ………

KHOA …………

ĐỀ CƯƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN HOÀNG TÚ TRINH

XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM CƠ HỌC THUỘC CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ THPT VỚI THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng, 2017

TRƯỜNG ………

KHOA …………

ĐỀ CƯƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN HOÀNG TÚ TRINH

XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM CƠ HỌC THUỘC CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ THPT VỚI THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành : Sư phạm Vật lý Khóa học : 2013 – 2017

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Nhật Quang

Đà Nẵng, 2017

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện khóa luận, em luôn nhận được sự quan tâm và giúp

đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:

ThS Nguyễn Nhật Quang – người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn, đã

tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ em vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Quý thầy cô giáo trong khoa Vật Lý, cán bộ nhà trường đã giảng dạy và giúp đỡ

em trong suốt bốn năm học gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khóa luận

Dù đã cố gắng nhưng khóa luận này không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được những góp ý, đề xuất từ quý từ thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện đề tài của mình hơn

Đà Nẵng, tháng 5 năm 2017 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Tú Trinh

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 3

NỘI DUNG 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN ADDESTATION 5

1.1 Sơ lược về thiết bị cảm biến Addestation 5

1.1.1 Cảm biến là gì? 5

1.1.2 Thiết bị cảm biến Addestation 5

1.2 Bộ giải pháp Addestation trong thí nghiệm Vật lý THPT 7

1.2.1 Thiết bị xử lí dữ liệu 7

1.2.2 Các cảm biến 10

1.2.3 Các bộ dụng cụ thí nghiệm 12

1.3 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ TIÊU BIỂU SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION 15

2.1 Khảo sát thực nghiệm chuyển động thẳng 15

2.1.1 Mục đích thí nghiệm 15

2.1.2 Cơ sở lý thuyết 15

2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm 16

2.1.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 17

2.1.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 20

2.1.6 Kết luận bài 1 24

2.2 Xác định vận tốc và gia tốc rơi tự do 25

2.2.1 Mục đích thí nghiệm 25

2.2.2 Cơ sở lý thuyết 25

2.2.3 Dụng cụ thí nghiệm 25

2.2.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 26

2.2.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 28

2.2.6 Kết luận bài 2 31

2.3 Định luật II Newton 31

2.3.1 Mục đích thí nghiệm 31

2.3.2 Cơ sở lý thuyết 31

2.3.3 Dụng cụ thí nghiệm 31

2.3.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 33

2.3.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 36

2.3.6 Kết luận bài 3 40

2.4 Định luật Hooke 40

2.4.1 Mục đích thí nghiệm 40

2.4.2 Cơ sở lý thuyết 40

2.4.3 Dụng cụ thí nghiệm 41

2.4.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 42

2.4.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 43

2.4.6 Kết luận bài 4 46

2.5 Định luật bảo toàn cơ năng 47

2.5.1 Mục đích thí nghiệm 47

2.5.2 Cơ sở lý thuyết 47

2.5.3 Dụng cụ thí nghiệm 48

2.5.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 48

2.5.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 51

2.5.6 Kết luận bài 5 54

2.6 Khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò xo thẳng đứng 54

2.6.1 Mục đích thí nghiệm 54

2.6.2 Cơ sở lý thuyết 55

2.6.3 Dụng cụ thí nghiệm 56

2.6.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 57

2.6.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 59

2.6.6 Kết luận bài 6 63

2.7 Khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trường 63

2.7.1 Mục đích thí nghiệm 63

2.7.2 Cơ sở lý thuyết 63

2.7.3 Dụng cụ thí nghiệm 64

2.7.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 66

2.7.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 67

2.7.6 Kết luận bài 7 72

2.8 Xác định tốc độ truyền âm 73

2.8.1 Mục đích thí nghiệm 73

2.8.2 Cơ sở lý thuyết 73

2.8.3 Dụng cụ thí nghiệm 74

2.8.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm 74

2.8.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý 77

2.8.6 Kết luận bài 8 80

2.9 Kết luận chương 2 80

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH TỔ CHỨC DẠY HỌC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH: KHẢO SÁT CHU KÌ DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC ĐƠN VÀ ĐO GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG 81

3.1 Cơ sở lí thuyết của việc tổ chức dạy học thí nghiệm thực hành Vật lý 81

3.1.1 Phân loại thí nghiệm Vật lý ở trường phổ thông 81

3.1.2 Thí nghiệm thực hành Vật lý 81

3.2 Xây dựng tiến trình tổ chức dạy học bài thí nghiệm thực hành: Khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trường 84

3.2.1 Mục tiêu 84

3.2.2 Chuẩn bị 85

3.2.3 Thiết kế hoạt động dạy học 85

3.2.4 Nhận xét 89

3.3 Kết luận chương 3 89

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC……… ….…PL1

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ làm việc của cảm biến 5

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ thiết bị thí nghiệm Addestation 6

Hình 1.3 Các bộ phận bên ngoài aMixer MGA 7

Hình 1.4 Màn hình chính aMixer MGA 7

Hình 1.5 Chức năng của các biểu tượng trên màn hình aMixer MGA 8

Hình 1.6 Cách cắm lẫy cảm biến vào Kênh 1 của aMixer MGA 9

Hình 1.7 Sử dụng bút cảm ứng để thu thập kết quả từ aMixer MGA 9

Hình 1.8 Amixer MGA mini và giao diện của phần mềm Addestation v6.0 10

Hình 1.9 Cảm biến chuyển động 10

Hình 1.10 Cổng quang điện 10

Hình 1.11 Cảm biến lực 11

Hình 1.12 Cảm biến chuyển động quay 11

Hình 1.13 Cảm biến âm thanh 12

Hình 1.14 Cảm biến nhiệt độ 12

Hình 1.15 Bộ thí nghiệm cơ học – động lực học 12

Hình 1.16 Bộ thí nghiệm cơ học – động học 13

Hình 1.17 Bộ thí nghiệm rơi tự do 13

Hình 1.18 Bộ thí nghiệm sóng âm 13

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng đều 17

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều 19

Hình 2.3 Bố trí thí nghiệm xác định vận tốc và gia tốc rơi tự do 26

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm Định luật II Newton 34

Hình 2.5 Bố trí thí nghiệm Định luật Hooke 42

Hình 2.6 Bố trí thí nghiệm Định luật bảo toàn cơ năng 48

Hình 2.7 Con lắc lò xo thẳng đứng 55

Hình 2.8 Bố trí thí nghiệm khảo sát dao động của con lắc lò xo thẳng đứng 57

Hình 2.9 Con lắc đơn 64

Hình 2.10 Bố trí thí nghiệm khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trường 66

Hình 2.11 Bố trí thí nghiệm xác định tốc độ truyền âm 75

Đồ thị 2.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị lực F và gia tốc a 37

Đồ thị 2.2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị lực F và d 0 – d 44

Đồ thị 2.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị gia tốc a và d 0 – d 60

Đồ thị 2.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chu kì T vào chiều dài l 69

Đồ thị 2.5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của bình phương chu kì dao động vào chiều dài l 70

Bảng 2.1 Khảo sát chuyển động thẳng đều 20

Bảng 2.2 Khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều 22

Bảng 2.3 Thời gian và vận tốc rơi tự do 28

Bảng 2.4 Thời gian và lực trong chuyển động của xe trượt 36

Bảng 2.5 Vận tốc và gia tốc trong chuyển động của xe trượt 37

Bảng 2.6 Định luật Hooke 43

Bảng 2.7 Giá trị độ cứng của lò xo 44

Bảng 2.8 Khảo sát tại vị trí cao nhất sau lần nảy thứ nhất 51

Bảng 2.9 Khảo sát tại vị trí ngay sau khi nảy và trước khi chạm đế 51

Bảng 2.10 Khảo sát tại vị trí bất kì 52

Bảng 2.11 Khảo sát dao động con lắc lò xo thẳng đứng 59

Bảng 2.12 Khảo sát ảnh hưởng của biên độ góc lên chu kì dao động của con lắc đơn 68

Bảng 2.13 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng lên chu kì dao động của con lắc đơn .68

Bảng 2.14 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài lên chu kì dao động của con lắc đơn 69

Bảng 2.15 Xác định tốc độ truyền âm 77

Bảng 2.16 Tốc độ truyền âm trong không khí ở một số nhiệt độ nhất định 78

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ở nước ta, giáo dục luôn được xem là quốc sách hàng đầu Trong những năm

trở lại đây, “Đổi mới giáo dục – Nâng cao chất lượng dạy học ” đã trở thành khẩu hiệu

mà tất cả mọi người đều biết đến Bởi lẽ nếu ta cứ tiếp tục duy trì một nền giáo dục

nặng nề về lý thuyết thì nguy cơ tụt hậu so với các nước tiên tiến khác là tất yếu Các

nhà lãnh đạo luôn trăn trở để đưa ra những giải pháp đổi mới toàn diện trong nội dung,

phương pháp dạy học và quy chế kiểm tra đánh giá, nhằm đào tạo một thế hệ con

người lao động mới đáp ứng được yêu cầu của thời đại mới – thời đại hội nhập toàn

cầu

Trong phạm vi môn khoa học tự nhiên như Vật lý, thí nghiệm có vai trò quan

trọng trong việc giúp cho học sinh hình thành kiến thức theo con đường thực nghiệm;

từ đó hình thành cho các em thế giới quan khoa học, đúng đắn về các hiện tượng tự

nhiên, tạo hứng thú tìm tòi khám phá, đam mê khoa học Tuy vậy, tình trạng nhiều

thiết bị xuống cấp, gây ra sai số ở nhiều trường như hiện nay làm cho hiệu quả của các

bài thí nghiệm không được đánh giá cao Việc ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT)

vào trong dạy học thí nghiệm Vật lý cho phép ta nâng cao tính hiệu quả và tính chính

xác của các bài thí nghiệm Nhưng ứng dụng CNTT như thế nào vào các bài thí

nghiệm vẫn đang là một thách thức đối với giảng dạy

Trong thí nghiệm phổ thông, ứng dụng CNTT thường được thực hiện bằng cách

dùng các phần mềm để thiết kế thí nghiệm ảo như Violet, Crocodile, Working

Model,v.v… hoặc là sử dụng các video thí nghiệm mẫu thu thập được trên mạng Các

thí nghiệm ảo thực hiện trên các phần mềm có ưu điểm là giống như bài giảng điện tử,

giúp cho học sinh dễ hình dung về các hiện tượng xảy ra hơn Tuy nhiên, với tiêu chí

“ Bạn nghe, bạn quên – Bạn thấy, bạn nhớ – Bạn làm, bạn hiểu” thì thí nghiệm ảo

không thể nào thay thế được những trải nghiệm, kĩ năng thực tế sinh động như khi

thực hiện thí nghiệm thật Và thiết bị thí nghiệm dùng cảm biến có lẽ chính là chiếc

chìa khóa mở ra triển vọng cho việc ứng dụng CNTT trong dạy học thí nghiệm

Để hiểu rõ tính năng ưu việt của các thiết bị cảm biến và rèn luyện thao tác thí

nghiệm thành thạo, tôi đã tiến hành nghiên cứu và làm thí nghiệm, từ đó xây dựng

bộ tài liệu hướng dẫn thực hành một số bài thí nghiệm tiêu biểu trong chương trình

Vật lý THPT bằng thiết bị cảm biến Addestation Đó là lý do tôi chọn đề tài

“Xây dựng một số bài thí nghiệm cơ học thuộc chương trình Vật lý THPT với thiết

bị cảm biến Addestation” để nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Biên soạn được hướng dẫn sử cho các thiết bị thí nghiệm cảm biến

Addestation

- Xây dựng được các bài thí nghiệm tiêu biểu trong chương trình Vật lý THPT

có sử dụng các thiết bị cảm biến Addestation

- Tiến hành thí nghiệm và đưa ra kết quả thí nghiệm mẫu; nhận xét, rút kinh

nghiệm trong quá trình thí nghiệm

- Xây dựng được một tiến trình giảng dạy một tiết thực hành thí nghiệm cụ thể

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để thực hiện được mục đích nghiên cứu, đề tài cần phải thực hiện các nhiệm vụ

nghiên cứu sau:

 Nghiên cứu tính năng của thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation và mục đích

sử dụng các thiết bị này trong dạy học Vật lý phổ thông

 Biên soạn hướng dẫn sử dụng cho các thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan đến các bài thí nghiệm mà đề tài thực hiện

 Đề xuất phương án tiến hành thí nghiệm, dự đoán kết quả đạt được và biên soạn các bài thí nghiệm

 Tiến hành thí nghiệm nhiều lần để thu thập và xử lý số liệu, đối chiếu các kết quả thực tế với các kết quả đã dự đoán

 Rút ra nhận xét, kết luận và kinh nghiệm trong quá trình thí nghiệm

 Soạn tiến trình tổ chức dạy học một bài thí nghiệm thực hành cụ thể sử dụng thiết bị cảm biến Addestation

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là các bài thí nghiệm Vật lý trong chương trình THPT có sự hỗ trợ của các thiết bị cảm biến Addestation

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

+ Phần thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lý THPT

+ Bộ thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation của hãng Addest, Singapore

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Nghiên cứu tài liệu hướng dẫn sử dụng thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation

 Nghiên cứu lý thuyết trong chương trình Vật lý THPT và tìm phương án tiến hành các bài thí nghiệm tương ứng với các lý thuyết đó

 Nghiên cứu phương pháp dạy học thí nghiệm thực hành trong chương trình Vật

lý THPT

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

 Tiến hành thí nghiệm, thu thập và xử lý kết quả

 So sánh đối chiếu với kết quả mong đợi, rút ra nhận xét và kinh nghiệm trong quá trình thực hành

6 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Nằm trong mục tiêu đổi mới phương pháp dạy và học, vấn đề nghiên cứu về các thiết bị hỗ trợ dạy học thí nghiệm luôn được các nhà giáo dục nước ta quan tâm và khuyến khích Nhiều công trình nghiên cứu, sách báo, sáng kiến kinh nghiệm liên

quan đến việc thiết kế thí nghiệm trong chương trình Vật lý THPT như Xây dựng các

thí nghiệm ảo phần cơ học chất điểm theo sách giáo khoa Vật lí lớp 10 THPT, Nguyễn

Vũ Quốc Hưng, Nguyễn Xuân Thành (Đại học Sư phạm Hà Nội); Thiết kế, chế tạo

một số thiết bị thí nghiệm sử dụng trong dạy học về dao động cơ ở lớp 12, Dương

Xuân Quý,Tạp chí Giáo dục; Xây dựng một số dụng cụ thí nghiệm đơn giản để sử

dụng trong dạy học các kiến thức phần cơ học thuộc chương trình vật lí ở trường phổ thông, Nguyễn Văn Biên ( Đại học Sư phạm Hà Nội),v.v… đã trở thành tài liệu tham

khảo thiết thực để giáo viên tổ chức tiết học thí nghiệm một cách hiệu quả hơn

Với sự bùng nổ mạnh mẽ của CNTT như ngày nay, ở các nước tiên tiến, người

ta đã nhanh chóng ứng dụng thiết bị công nghệ hiện đại vào giảng dạy để nâng cao hiệu quả và dần dần nó như đã trở thành xu hướng tất yếu Bộ thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation từ lâu đã được sử dụng phổ biến trong dạy học các môn khoa học tự nhiên như Vật lý, Hóa học, Sinh học tại nhiều nước trên thế giới: Singapore, Malaysia, Trung Quốc, Ấn Độ, Irắc, Australia, Mỹ, Đức, … Tại Singapore, thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation chiếm 90% thị phần Ở Việt Nam, thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation cũng đã có mặt tại nhiều trường Đại học Sư phạm hàng đầu, được giới

thiệu ở nhiều hội thảo tập trung lớn của các bộ môn Lý, Hóa, Sinh tại ba miền. Việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị này vào trong dạy học sẽ mở ra một cơ hội phát triển mới cho dạy học thí nghiệm tại các trường phổ thông ở Việt Nam

Tuy nhiên, cho đến nay ở Việt Nam chưa có đề tài nào tập trung xây dựng các bài thí nghiệm thuộc chương trình Vật lý THPT với thiết bị thí nghiệm cảm biến Addestation

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN ADDESTATION

1.1 Sơ lược về thiết bị cảm biến Addestation

1.1.1 Cảm biến là gì?

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu

thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học

kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác.[5]

Hình 1.1 Sơ đồ làm việc của cảm biến

Đặc trưng điện S là hàm của đại lượng cần đo m: S = f(m)

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

- Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma,

hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc,

từ trường, trọng trường,v.v…

- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,v.v…[5]

1.1.2 Thiết bị cảm biến Addestation

Thiết bị cảm biến Addestation là một giải pháp thí nghiệm của Singapore, cho phép hiển thị kết quả đo ở nhiều dạng, phân tích, lưu lại giá trị đo trong quá trình thí

nghiệm và kết nối máy tính thông qua các cảm biến và bộ kết nối

1.1.2.1 Mục đích sử dụng

Bộ thiết bị được thiết kế chuyên dụng cho các ứng dụng giáo dục, phục vụ chức năng nghiên cứu nâng cao, đòi hỏi độ chính xác cao của các thí nghiệm chuyên sâu của học sinh và giáo viên

Đại lượng cần đo

1.1.2.2 Cấu trúc của bộ thiết bị

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ thiết bị thí nghiệm Addestation

- Dụng cụ thí nghiệm: thiết bị thí nghiệm truyền thống được chọn lọc hoặc thiết kế

riêng để tạo ra tín hiệu đầu vào phù hợp với cảm biến

- Cảm biến: là các phần tử thu nhận các tín hiệu sinh ra trong quá trình thí nghiệm

và truyền trực tiếp về máy tính hoặc thông qua Bộ kết nối (aMixer)

- Bộ kết nối (aMixer): là bộ phận biến đổi tín hiệu

- Máy tính: là công cụ điều khiển và hiển thị kết quả thí nghiệm

- Phần mềm Addestation: là phần mềm chuyên dụng để điều khiển, xử lý và hiển

thị kết quả thí nghiệm

- Máy chiếu và màn chiếu: là công cụ hỗ trợ để đưa hình ảnh thí nghiệm tới nhiều

người

1.1.2.3 Ưu điểm của thiết bị

- Các thiết bị, dụng cụ nhỏ gọn hơn rất nhiều so với thiết bị truyền thống, giúp dễ dàng thiết lập và thực hiện thí nghiệm Kết quả thí nghiệm luôn định lượng rõ ràng, chính xác và có tính ổn định cao

- Ở thiết bị thí nghiệm truyền thống, với mỗi một đại lượng thì sẽ có bộ dụng cụ đo

và hiển thị thông tin khác nhau Nhưng với Addestation thì chỉ cần thay đổi cảm biến còn bộ kết nối, máy tính là như nhau, do đó giúp quá trình lắp đặt đơn giản, gọn nhẹ hơn

- Các tín hiệu đặc trưng của thí nghiệm được truyền trực tiếp và hiển thị liên tục trên màn hình máy tính, thể hiện được sự biến thiên (chiều biến thiên và độ lớn) của các đại lượng ngay trong quá trình tiến hành thí nghiệm; giúp học sinh hiểu rõ bản chất vấn đề, dễ dàng liên hệ và kiểm chứng lý thuyết

- Phần mềm Addestation được thiết kế có giao diện tiếng Việt thân thiện giúp giáo viên và học sinh dễ dàng tiếp cận, thực hành thí nghiệm Màn hình cảm ứng của thiết

bị hiển trị giúp học sinh có thể tương tác trực tiếp trên đồ thị để thu thập số liệu tại điểm bất kì Đặc biệt phần mềm còn có các công cụ phân tích toán học ( ví dụ: vi phân, hồi quy tuyến tính, tốc độ quay, v.v… ) cho kết quả thu được

- Có thể kết nối thiết bị trình chiếu để mọi người cùng theo dõi, hoặc lưu giữ kết quả thí nghiệm thành các file dữ liệu để sử dụng cho mục đích tra cứu, giảng dạy (minh họa cho bài giảng lý thuyết) Việc lưu giữ kết quả thí nghiệm một phần giúp học sinh có thể thu thập lại khi phát hiện sai sót, một phần giúp giáo viên kiểm tra tính chân thực của các bài báo cáo thí nghiệm, tránh triệt để được tình trạng số liệu ảo

- Dễ dàng thực hiện được những thí nghiệm mà thiết bị dạy học tối thiểu không thực hiện được hoặc khó thực hiện như sự dẫn nhiệt, khảo sát dòng điện qua chỉnh lưu,

sự phóng nạp tụ điện hay các mạch logic

1.2 Bộ giải pháp Addestation trong thí nghiệm Vật lý THPT

Trong thí nghiệm Vật lý THPT, Addestion cung cấp bộ giải pháp gồm 3 bộ phận:

thiết bị xử lí dữ liệu, các cảm biến và các bộ dụng cụ thí nghiệm

1.2.1 Thiết bị xử lí dữ liệu

Thiết bị xử lí dữ liệu có thể là thiết bị cầm tay aMixer MGA hoặc thiết bị kết nối máy tính aMixer MGA mini và phần mềm Addestation

1.2.1.1 Thiết bị cầm tay aMixer MGA

Amixer MGA ( aMixer Meter Graph Analysis) là thiết bị thu nhận, xử lý và hiển

thị dữ liệu đo được của các cảm biến trên màn hình cảm ứng

Hình 1.3 Các bộ phận bên ngoài aMixer MGA Hình 1.4 Màn hình chính aMixer MGA

Amixer MGA xử lí kết quả và hiển thị trực tiếp ra màn hình dưới dạng đồ thị của các đại lượng đặc trưng theo thời gian Có 2 thanh công cụ ở phía dưới màn hình, ta chỉ cần chạm nhẹ vào các biểu tượng để sử dụng các tính năng của chúng

Hình 1.5 Chức năng của các biểu tượng trên màn hình aMixer MGA

Chọn cảm biến Lựa chọn chế độ đo, thang đo của các cảm biến đang

kết nối với aMixer MGA Chọn điểm cần

phân tích

Sử dụng chức năng này tích chọn điểm trên đồ thị để thu được tọa độ của điểm đó Chức năng này còn cho phép ta chọn một vùng đồ thị nào đó để phân tích Ghi file dữ

Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dữ liệu kênh 1

và kênh 2 ( dữ liệu của các kênh được nhập bằng tay)

Đánh dấu Thu giá trị tung độ của một điểm khi nhập giá trị

điểm đặt biệt hoành độ và ngược lại

Thống kê dữ liệu

Hiển thị giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, giá trị cực đại, cực tiểu, độ lệch thời gian của dữ liệu trong vùng

đồ thị được chọn

Phân tích dữ liệu

Sử dụng phương pháp đạo hàm và hồi quy tuyến tính

để phân tích đồ thị thu được thành đồ thị mới ( dùng khi cần thu giá trị vận tốc, vận tốc góc, phương trình đường biểu diễn quan hệ giữa hai đại lượng)

Để sử dụng thiết bị aMixer MGA, ta bật công tắc và cắm lẫy của cảm biến vào các khe ở đầu aMixer MGA, thiết bị sẽ tự động nhận cảm biến Sử dụng bút cảm ứng bên hông MGA để lựa chọn chế độ đo phù hợp và bắt đầu thực hiện phép đo Trên đồ thị thu được, khi ta chọn bất kì điểm nào thì tọa độ điểm đó sẽ xuất hiện cho ta giá trị tức thời của các đại lượng tại thời điểm đó Tùy vào mục đích thí nghiệm ta sử dụng các chức năng từ thanh công cụ để hỗ trợ việc ghi kết quả

Hình 1.6 Cách cắm lẫy cảm biến vào Kênh 1

của aMixer MGA

Hình 1.7 Sử dụng bút cảm ứng để thu

thập kết quả từ aMixer MGA

Amixer MGA có thể kết nối với máy tính thông qua dây cáp với điều kiện máy tính phải được cài đặt phần mềm Addestation

1.2.1.2 Thiết bị kết nối máy tính aMixer MGA mini

Là thiết bị thu nhận tín hiệu từ các cảm biến và truyền về máy tính thông qua cổng USB để đo đạc kết quả và xử lý tín hiệu trên máy tính bằng phần mềm Addestation Tương tự như aMixer MGA, thiết bị aMixer MGA mini có thể xử lý kết quả và hiển thị cùng lúc dữ liệu thu nhận từ 4 kênh cảm biến và hiển thị trên màn hình máy tính

Hình 1.8 Amixer MGA mini và giao diện của phần mềm Addestation v6.0

1.2.2 Các cảm biến

Addest cung cấp nhiều loại cảm biến khác nhau nhằm phục vụ nhu cầu nghiên cứu rộng rãi: cảm biến chuyển động, cảm biến dòng điện, cảm biến điện thế, cảm biến ánh sáng, cảm biến từ trường, cảm biến áp suất khí,v.v… Ở đây tôi sẽ chỉ giới thiệu một

số cảm biến được sử dụng trong đề tài

1.2.2.1 Cảm biến chuyển động

Cảm biến này dùng để đo khoảng cách từ mặt cảm biến đến vật Bộ chuyển đổi siêu âm phát xung sóng siêu âm và nhận lại sóng

phản xạ từ vật cản Dựa trên thời gian từ lúc phát

đến lúc nhận, cảm biến chuyển động sẽ tính toán

khoảng cách giữa nó và vật cản

Cảm biến này có 2 thang đo : 0,15 ~ 1,6m

hoặc 0,4 ~ 10m, chỉ cần gạt công tắc bên hông

cảm biến lên hoặc xuống để lựa chọn thang đo

tương ứng

1.2.2.2 Cổng quang điện

Cổng quang điện hoạt động dựa trên việc phát/ thu tia hồng ngoại giữa đầu phát và

đầu thu

Nếu không có vật cản trên đường truyền tia hồng

ngoại, đầu thu sẽ nhận đầy đủ tín hiệu và cổng

quang điện sẽ sinh ra một điện áp 5 V

Nếu có vật nào đó ở giữa đầu phát và đầu thu, tia

hồng ngoại sẽ bị chặn và cổng quang điện sẽ không

sinh điện áp Khi kết nối cổng quang điện với thiết

Hình 1.9 Cảm biến chuyển động

Bộ chuyển đổi siêu âm

Công tắc

Hình 1.10 Cổng quang điện

bị aMixer MGA, đồ thị điện áp – thời gian thu được sẽ cho phép ta đo thời gian, xác định vận tốc, gia tốc của vật

1.2.2.3 Cảm biến lực

Cảm biến này được sử dụng để đo lực: lực kéo

và lực đẩy Ta có thể sử dụng cảm biến như một lực

kế lò xo cầm tay hoặc gắn trên xe đẩy để nghiên cứu

các bài toán động học Khi treo vật hoặc gây tác

động lên móc cảm biến, cảm biến lực sẽ đo trực tiếp

giá trị đại số của lực tác dụng lên móc cảm biến này

Cảm biến này có 2 thang đo : 10N hoặc 50N,

chỉ cần gạt công tắc bên hông cảm biến lên hoặc xuống để lựa chọn thang đo tương ứng

1.2.2.4 Cảm biến chuyển động quay

Cảm biến được dùng để đo tọa độ dài hoặc góc,

và thu được vận tốc dài hoặc góc, gia tốc Nó còn

cho biết cả hướng chuyển động

Cảm biến này được thiết lập để hoạt động ở độ

chính xác cao hoặc thấp tùy theo yêu cầu của người

dùng Ta chỉ cần gạt công tắc bên hông cảm biến ở

vị trí “Hi” (cao) hoặc “Lo” (thấp) để thiết lập độ

Để sử dụng cảm biến này, ta thường gắn vật cần đo vào ròng rọc 3- bước, chuyển động của vật sẽ làm cho ròng rọc 3- bước quay và cảm biến sẽ thu thập giá trị góc quay của ròng rọc

Hình 1.11 Cảm biến lực

Hình 1.12 Cảm biến

chuyển động quay Ròng rọc 3-bước

1.2.2.5 Cảm biến âm thanh

Cảm biến âm thanh sử dụng một đầu thu

micro- phone nối vào Bộ khuếch đại tín hiệu trước

khi kết nối với thiết bị aMixer MGA Cảm biến

này dùng để phát hiện ra các âm thanh, phân tích

và ghi lại đồ thị dao động âm

Phạm vi tần số hoạt động: 20 – 20 000 Hz, tần

số đáp ứng 50 – 13 000 Hz

1.2.2.6 Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ có đầu đo là thép không rỉ,

hoạt động trong phạm vi 20 ~ 120 C0 với độ chính

0, 03 C

nhiệt kế là khả năng lưu trữ giá trị đo đạc vào máy

tính, từ đó giúp việc phân tích dễ dàng hơn

1.2.3 Các bộ dụng cụ thí nghiệm

Các bộ dụng cụ thí nghiệm được thiết kế riêng biệt ứng với từng phần kiến thức Cơ học, Quang học, Nhiệt học và Điện từ học nhằm giúp giáo viên có thể áp dụng vào bài dạy một cách linh hoạt, mặc khác phát huy khả năng tự học, tự tìm tòi nghiên cứu sáng tạo của học sinh Ở đây tôi sẽ chỉ giới thiệu một số bộ cảm biến được sử dụng trong

- Các định luật bảo toàn: định

luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn cơ năng

Hình 1.13 Cảm biến âm thanh

Hình 1.14 Cảm biến nhiệt độ

Hình 1.15 Bộ thí nghiệm cơ học – động lực học

Chức năng: Nghiên cứu khảo sát

- Chuyển động rơi tự do

- Xác định gia tốc trọng trường

- Định luật bảo toàn cơ năng

1.2.3.4 Bộ thí nghiệm sóng âm

Chức năng: Nghiên cứu khảo sát

- Sự truyền sóng âm và phản xạ âm

- Các đặc trưng của âm thanh: tần số âm,

vận tốc truyền âm, độ to, âm sắc, độ cao

- Cộng hưởng âm, giao thoa, nhiễu xạ sóng

âm

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương này, tôi đã nghiên cứu và trình bày một cách tổng quát về thiết bị thí

nghiệm cảm biến Addestation Bên cạnh việc giới thiệu bộ thiết bị thí nghiệm cảm

biến Addestation là gì, cách sử dụng cơ bản của các thiết bị, tôi đã đi sâu phân tích

những ưu điểm vượt trội của giải pháp thí nghiệm này so với các dụng cụ thí nghiệm

truyền thống Trong đó, ưu điểm nổi bật nhất là hiển thị được giá trị tức thời của các

đại lượng đo trên đồ thị và người làm thí nghiệm có thể tương tác trực tiếp trên đồ thị

để thu thập số liệu tại một điểm bất kì Tuy bộ thí nghiệm đơn giản và dễ sử dụng,

nhưng để áp dụng vào trong những giờ học với thời gian hạn hẹp đòi hỏi người làm thí

nghiệm phải trang bị cho mình những hiểu biết cơ bản và cách sử dụng bộ thiết bị này

Hình 1.16 Bộ thí nghiệm cơ học – động học

Hình 1.17 Bộ thí nghiệm rơi tự do

Hình 1.18 Bộ thí nghiệm sóng âm

Trên cơ sở nghiên cứu kĩ lưỡng bộ thí nghiệm, tôi đã tiến hành xây dựng một số bài thí nghiệm tiêu biểu trong chương trình Vật lý THPT sử dụng thiết bị cảm biến Addestation

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ TIÊU

BIỂU SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢM BIẾN ADDESTATION

2.1 Khảo sát thực nghiệm chuyển động thẳng

2.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Thu được đồ thị toạ độ - thời gian của xe chạy

- Nghiên cứu chuyển động thẳng dựa vào đồ thị tọa độ - thời gian Nghiệm lại các

lí thuyết đã học ở phần chuyển động thẳng đều và chuyển động thẳng biến đổi đều

- Rèn luyện kĩ năng sử dụng bộ thí nghiệm cơ – động lực học và xử lí số liệu thu

được từ thiết bị cảm biến Addestation

2.1.2 Cơ sở lý thuyết

Chuyển động cơ là sự dời chỗ của vật theo thời gian Khi kích thước của vật nhỏ so

với phạm vi chuyển động thì vật được xem như một chất điểm

Để nghiên cứu chuyển động của chất điểm, ta cần chọn hệ quy chiếu bao gồm vật

mốc gắn với hệ tọa độ, gốc thời gian, đồng hồ

Khi quỹ đạo chuyển động của chất điểm là đường thẳng, ta có:

2.1.4 Lắp đặt và tiến hành thí nghiệm

2.1.4.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát chuyển động thẳng đều

Bước 1: Gắn thanh sắt vào cảm biến chuyển động, sử dụng khối cố định và kẹp để

gắn cảm biến chuyển động vào một đầu đường dẫn Gắn khối cản vào đầu còn lại của đường dẫn Gắn tấm chắn lên xe trượt

Hình 2.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng đều

Bước 2: Bật công tắc aMixer MGA Cắm lẫy cảm biến chuyển động vào kênh 1

của MGA Trên màn hình lựa chọn cảm biến, chọn “Cảm biến chuyển động (0.15m – 1.6m)” và nhấn “ Chạy” Gạc công tắc bên hông cảm biến chuyển động sang nấc

1.6m

Bước 3: Đặt xe cách cảm biến chuyển động khoảng 25cm Nhấn nút trên MGA

để bắt đầu đo, màn hình sẽ hiển thị một đường nằm ngang Đẩy nhẹ cho xe chuyển

động ra xa cảm biến

Lưu ý: Sau 2 phút không sử dụng thì MGA sẽ bật chế độ tắt màn hình để tiết kiệm

chế độ này, tuyệt đối không tắt đi bật lại MGA

Bước 4: Nhấn nút trên MGA để ngừng

thu thập khi xe chạm vào tấm cản Màn hình hiển

thị đồ thị li độ - thời gian của xe trượt Phác họa

lại vào phiếu kết quả

Bước 5: Nhấn vào biểu tượng rồi nhấn

vào đường đi lên để phóng to đồ thị vùng xe

chuyển động

Trường hợp phóng to quá mức ta dùng biểu tượng để thu nhỏ, nếu đồ thị lệch

Chú ý: Khi làm việc với đồ thị, ta rút cảm biến ra khỏi MGA để tiết kiệm pin

Bước 6: Nhấn vào biểu tượng rồi nhấn vào vị

trí ứng với thời điểm xe bắt đầu chuyển động Màn

hình xuất hiện dấu “ +” Sử dụng các phím nút mũi

trí chính xác Ghi lại giá trị x 0 và t 0 vào bảng 2.1

Bước 7: Nhấn vào biểu tượng để xóa các

thông số

Bước 8: Đo giá trị li độ x tại 5 thời điểm khác nhau khi xe chuyển động và ghi vào

bảng 2.1

Bước 9: Nhấn vào biểu tượng Trong mục “

Phương pháp phân tích”, chọn “ Vi phân (động học)”

và nhấn chạy Đồ thị vận tốc – thời gian (màu đỏ) sẽ

xuất hiện Phác họa lại vào phiếu kết quả

Bước 10: Nhấn vào biểu tượng , chọn trục X

Điền giá trị t 1 vào ô “Nhập giá trị” và nhấn “Chạy” ,

ta sẽ thu được giá trị vận tốc v 1 tương ứng Ghi giá trị

này vào bảng 2.1 Thực hiện tương tự để đo vận tốc

tại các thời điểm còn lại

Bước 11: Nhấn vào biểu tượng và nhập tên để lưu đồ thị vào thẻ SD Sau đó

2.1.4.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều

Bước 12: Dùng khối gỗ kê một đầu đường dẫn để tạo máng nghiêng Đặt xe trượt ở

sát tấm cản

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều

Bước 13: Nhấn nút trên MGA để bắt đầu đo

Cung cấp vận tốc ban đầu cho xe chuyển động đi lên

Khi xe đập trở xuống và đập vào tấm cản, nhấn nút

trên MGA để ngừng thu thập Màn hình hiển thị

đồ thị li độ - thời gian của xe trượt Phác họa lại vào

phiếu kết quả

Chú ý: Vận tốc ban đầu phải thích hợp để khi đi

lên xe không đập vào đầu thanh sắt

Bước 14: Đo tọa độ x 0 và thời điểm t 0 khi vật bắt đầu chuyển động

Bước 15: Đo tọa độ tại 3 thời điểm t1 , t2 , t3 khi xe đi lên và ghi vào bảng 2.2

Bước 16: Đo giá trị x 4 và t 4 tại vị trí đáy của đồ thị

Bước 17: Đo tọa độ tại 3 thời điểm t5 , t6 , t7 khi xe đi xuống và ghi vào bảng 2.2

Bước 18: Thực hiện tương tự thí nghiệm 1 để đo giá trị vận tốc tại các thời điểm trên

và ghi vào cột vận tốc v trong bảng số liệu 2.2

Bước 19: Từ đồ thị vận tốc, nhấn vào biểu tượng , chọn “ Vi phân ( Động học)”

Đồ thị gia tốc – thời gian màu xanh nước biển) sẽ xuất hiện Phác họa lại đồ thị này vào

phiếu kết quả Nhấn vào và kéo rê bút trên vùng đồ thị khi xe chuyển động, khung

được vào cột gia tốc trung bình a của bảng 2.2

Bước 20: Lưu đồ thị Tắt aMixer MGA và thu dọn các dụng cụ

2.1.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý

2.1.5.1 Bảng số liệu

a) Thí nghiệm 1: Khảo sát chuyển động thẳng đều

Phác họa đồ thị:

Đồ thị li độ - thời gian Đồ thị vận tốc thời gian

Bảng 2.1 Khảo sát chuyển động thẳng đều

Thời điểm ban đầu: t0 = 3,38 (s)

Như vậy, khi ta đẩy nhẹ cho xe trượt chuyển động trên đường dẫn nằm ngang, vận tốc của xe có thể xem như không đổi Phương trình x x0 v t( t0) được kiểm nghiệm, đồ thị biểu diễn phương trình này là đường thẳng xiên góc, hoàn toàn phù hợp với kết quả thu được trên MGA Nếu bỏ qua các sai số do ma sát, chuyển động của xe trượt trong trường hợp này là chuyển động thẳng đều

b) Thí nghiệm 2: Khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều

Phác họa đồ thị

Đồ thị li độ - thời gian Đồ thị vận tốc - thời gian

Đồ thị gia tốc - thời gian

Bảng 2.2 Khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều

Thời điểm ban đầu: t0 = 2,65 (s)

Phần đồ thị khi xe chuyển động có dạng là một parabol Nhánh bên trái parabol ứng với khoảng thời gian xe chuyển động đi lên, đáy parabol tại vị trí xe đổi chiều chuyển động, nhánh bên phải parabol ứng với khoảng thời gian xe chuyển động đi xuống Đồ thị vận tốc có dạng là đường thẳng nằm xiên , đồ thị gia tốc là một đường nằm ngang

Khi xe đi lên, vận tốc mang giá trị âm và có độ lớn giảm dần , gia tốc có giá trị

dương và xem như không đổi, tích giá trị a.v < 0 nên ta có thể kết luận chuyển động

của xe lúc này là chậm dần đều Tại vị trí xe đổi chiều, vận tốc xấp xỉ bằng 0 Khi xe

đi xuống, vận tốc mang giá trị dương và có độ lớn tăng dần, gia tốc xem như không

đổi, tích giá trị a.v > 0 nên chuyển động của xe lúc này là nhanh dần đều

Như vậy, nếu bỏ qua các sai số do ma sát, chuyển động của xe trượt trong trường hợp này là chuyển động thẳng biến đổi đều

c) Câu hỏi thực nghiệm

1 Trong các thí nghiệm trên, hệ quy chiếu được chọn như thế nào?

Hệ quy chiếu gắn với vật mốc là cảm biến, gốc tọa độ tại mặt cảm biến, trục Ox trùng với thanh đường dẫn, chiều dương đi từ cảm biến đến vật Gốc thời gian tại lúc

lúc vật bắt đầu chuyển động

2 Giải thích sự sai số ( nếu có) giữa giá trị lý thuyết và giá trị thực tế

Trong quá trình thí nghiệm sai số chủ yếu do lực ma sát giữa xe trượt với đường dẫn và lực cản của không khí lên tấm chắn; sóng siêu âm do cảm biến chuyển động phát ra và thu lại nếu bị nhiễu cũng làm kết quả li độ bị ảnh hưởng Ngoài ra nguyên nhân chủ quan ở người làm thí nghiệm sẽ gây ảnh hưởng đến kết quả đo đạc của cảm biến chuyển động

2.1.5.2 Nhận xét

a) Nhận xét bài thí nghiệm

Về phương pháp, thí nghiệm khảo sát thực nghiệm chuyển động thẳng dùng thiết

bị Addestation cũng tương tự với các thí nghiệm trong chương Động học chất điểm Vật lí lớp 10; đó là tiến hành phép đo để xác định tọa độ của vật tại các thời điểm khác nhau Với các thiết bị ở trường phổ thông hiện nay, học sinh sẽ vẽ đồ thị tọa độ - thời gian dựa vào số liệu đo đạc được, tính giá trị vận tốc, gia tốc theo công thức rồi rút ra nhận xét dựa vào các kết quả này Công việc này tiêu tốn nhiều thời gian, đôi khi gây

ra sai số lớn Còn đối với thiết bị Addest, học sinh sẽ thu được đồ thị tọa độ – thời gian, vận tốc – thời gian, gia tốc – thời gian một cách tương đối chính xác, việc xác định các giá trị tức thời trở nên dễ dàng hơn rất nhiều nhờ có thiết bị xử lí aMixer MGA

Trong quá trình thí nghiệm, sai số chủ yếu đến từ các nguyên nhân sau:

- Lắp đặt thí nghiệm chưa chính xác: Mặt cảm biến chưa vuông góc với trục thanh dẫn, quên chưa gạt nút cảm biến đến vị trí thang đo thích hợp

- Sóng phản xạ về cảm biến bị nhiễu:

+ Giữa cảm biến và xe còn có vật khác ( chẳng hạn sách vở, dây nối của cảm biến, …) nằm trong phạm vi hình nón của sóng siêu âm phát ra làm cho sóng phản xạ trở về cảm biến bị nhiễu nên đồ thị thu được không chính xác

+ Phòng thí nghiệm có một nguồn khác phát ra sóng siêu âm cùng dải tần số với sóng siêu âm do cảm biến phát ra, làm cho cảm biến đo đạc không chính xác nữa

- Do chủ quan người làm thí nghiệm: Thời gian ta truyền vận tốc cho xe không đủ nhỏ làm ảnh hưởng đến việc khảo sát tính chất chuyển động; không cẩn thận khi thu thập các giá trị từ đồ thị của aMixer MGA

Để khắc phục được sai số của phép đo, ta cần chú ý:

- Lắp đặt thí nghiệm theo đúng yêu cầu, kiểm tra nút gạt cảm biến, mặt cảm biến trước khi tiến hành thu dữ liệu

- Đảm bảo không có vật nào khác trong vùng giữa vật và cảm biến; trong quá trình thí nghiệm, không được để tay vào vùng giữa cảm biến và xe trượt; tắt tất cả các thiết

bị có thể gây nhiễu như động cơ, máy quạt, máy lạnh

- Đẩy xe và thả tay thật nhanh để sự tăng tốc ban đầu là không đáng kể; khi thu

thập giá trị tại các thời điểm thì nên phóng to đồ thị, sử dụng linh hoạt các nút

trên MGA để di chuyển đến vị trí chính xác

- Kiểm tra, vệ sinh xe trượt và đường dẫn trước khi thí nghiệm để giảm tối đa ma sát

Nhược điểm: Dễ bị nhiễu, do đó, trong quá trình thí nghiệm phải đảm bảo không

có thiết bị phát sóng siêu âm khác có cùng dải tần số với sóng siêu âm của cảm biến, không có vật cản khác giữa vật đang xét và mặt cảm biến

2.1.6 Kết luận bài 1

Qua nghiên cứu bộ thí nghiệm Cơ – Động học, các lí thuyết liên quan đến chuyển động thẳng và thực hiện thí nghiệm nhiều lần, tôi đã xây dựng được hướng dẫn thí nghiệm bài “Khảo sát thực nghiệm chuyển động thẳng” Bài thí nghiệm này không những giúp cho học sinh thu được kết quả là đồ thị li độ, vận tốc, gia tốc theo thời gian

mà còn giúp các em củng cố, hiểu rõ hơn kiến thức của phần chuyển động thẳng Hơn

nữa, việc rèn luyện cho học sinh thao tác thí nghiệm, ghi dữ liệu từ thiết bị xử lí

aMixer MGA sẽ dần nâng cao năng lực thực hành thí nghiệm của các em Do đó, bài

thí nghiệm này nên được đưa vào giảng dạy ở chương “Động học chất điểm” trong

Sự rơi tự do là sự rơi của một vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực Ở cùng một nơi

trên Trái Đất và ở gần mặt đất, các vật rơi tự do đều có cùng một gia tốc g

Khi vật rơi tự do không có vận tốc đầu ( v = 0 khi t = 0 ) thì:

- Vận tốc của vật tại thời điểm t : vgt (2.1)

2

s gt

(2.2) Như vậy, nếu ta đo được quãng đường và thời gian vật rơi hoặc vận tốc tức thời và

thời gian, ta sẽ xác định được vận tốc và gia tốc của vật rơi tự do

2.2.3 Dụng cụ thí nghiệm

+ 1cổng quang điện có cán nhựa

+1 thước nhựa có vạch đen

Bước 2: Kẹp cổng quang điện vào trụ đỡ Đảm bảo rằng cổng quang điện song

song với mặt bàn Lót tấm vải trên sàn, ngay dưới cổng quang điện

Hình 2.3 Bố trí thí nghiệm xác định vận tốc và gia tốc rơi tự do

Bước 3: Nhấn vào biểu tượng trên màn

hình hoặc nút trên MGA để bắt đầu thu thập

dữ liệu Giữ thước nhựa thẳng đứng và đặt thước

sao cho vạch đen thấp nhất trên thước nhựa nằm

ngay bên trên cổng quang điện Thả tay cho thước

nhựa rơi qua cổng quang điện

Chú ý: Không để thước nhựa chạm vào cổng quang điện.

Bước 4: Nhấn vào biểu tượng lần nữa

hoặc nút trên MGA để ngừng thu thập Trên

màn hình xuất hiện đồ thị với đường dọc đậm

Bước 5: Nhấn vào biểu tượng rồi nhấn

nhiều lần vào giữa đường dọc, ta sẽ thấy xuất hiện

7 vùng trũng

Chú ý: Trường hợp phóng to quá mức ta dùng

hoặc phải theo mong muốn

Bước 6: Nhấn vào biểu tượng rồi nhấn nhiều lần vào giữa vùng trũng 1 để phóng to đồ thị vùng này

Bước 7: Nhấn vào biểu tượng rồi nhấn vào

cạnh đi xuống của vùng trũng 1 Màn hình xuất

hiện dấu “+” Sử dụng các phím nút mũi tên

trên MGA để di chuyển dấu “+” đến vị trí

chính xác Giá trị x trên màn hình cho biết thời

gian bắt đầu của vùng trũng 1

Bước 8: Nhấn vào cạnh đi lên của vùng trũng 1

và giá trị x lúc này cho biết thời gian kết thúc của

vùng trũng Giá trị “ Độ lệch thời gian” cho biết

khoảng thời gian từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc

vùng trũng Ghi giá trị này vào Bảng 2.3

Bước 9: Nhấn vào điểm bất kì trên đồ thị Giá

trị “Thời điểm trung bình” xuất hiện cho ta biết

thời điểm trung bình giữa lúc bắt đầu và kết thúc

vùng trũng 1 Ghi giá trị này vào Bảng 2.3

Bước 10: Nhấn vào biểu tượng để xóa các thông số và sử dụng biểu tượng

để thu nhỏ đồ thị Lặp lại các bước 6 – 8 đối với các vùng trũng còn lại Riêng các vùng trũng từ 2 đến 6 không cần đo giá trị “ Thời điểm trung bình”

Bước 11: Nhấn vào biểu tượng và nhập tên để lưu đồ thị vào thẻ SD Tắt aMixer MGA và thu dọn các dụng cụ

d v t

- Dựa vào Bảng 2 trang 31 SGK Vật lí 10 Nâng cao thì ta thấy ở Việt Nam, gia tốc

g ở độ cao ngang mực nước biển có độ lớn khoảng 9,787 m/s2 Như vậy giá trị ta đo

được tương đối gần với giá trị lý thuyết Giá trị g đo được nhỏ hơn một chút so với lý

thuyết là do thí nghiệm được thực hiện ở phòng thí nghiệm có độ cao hơn mực nước biển, trong điều kiện có lực cản của không khí và sai số chủ quan do quá trình thao tác thí nghiệm

* Câu hỏi thực nghiệm

1 Giải thích vì sao lại xuất hiện 7 vùng trũng trên đồ thị?

Mỗi vạch đen trên thước nhựa sẽ cản đường truyền của tia hồng ngoại khi đi qua

cổng quang điện, tạo nên một vùng trũng ( vùng có điện thế bằng 0 V) Thước có 7

vạch đen sẽ tạo ra 7 vùng trũng trên đồ thị

2 Giải thích công thức tính vận tốc và gia tốc

3 Nhận xét và giải thích xu hướng của vận tốc dựa vào kết quả thu được

Vận tốc có xu hướng tăng dần theo thời gian Kết quả này phù hợp với kết luận rơi

tự do là chuyển động nhanh dần đều và công thức tính vận tốc v = gt

4 Giải thích nguyên nhân sai số ( nếu có)

Thứ nhất, do thí nghiệm được thực hiện ở nơi có độ cao nhất định so với mực nước biển Càng lên cao thì gia tốc rơi tự do càng giảm nên giá trị tại nơi thí nghiệm sẽ nhỏ hơn so với giá trị ở SGK

Thứ hai, lực cản của không khí sẽ làm cho vận tốc tức thời giảm so với khi chỉ chịu

tác dụng của trọng lực Do đó, g sẽ nhỏ hơn so với giá trị lý thuyết

Cuối cùng, nguyên nhân gây ra sai số cũng có thể do chủ quan người làm thí nghiệm Việc đặt thước không đúng vị trí hoặc thước chưa rơi thẳng đứng đều ảnh

hưởng đến kết quả gia tốc g

2.2.5.2 Nhận xét

a) Nhận xét bài thí nghiệm

Ở chương trình Vật lí THPT hiện nay, phương pháp đo gia tốc rơi tự do chủ yếu

2

s gt , đo thời gian vật rơi trên một quãng đường s xác định kể

từ thời điểm t = 0, từ đó xác định giá trị của g Chuyển động rơi tự do xảy ra rất nhanh,

việc nhấn và nhả công tắc kép nếu không được thực hiện nhanh thì sẽ gây sai lệch lớn trong giá trị thời gian đo được Còn đối với bộ thí nghiệm rơi tự do của Addest, ta dùng cách đo vận tốc của các dải đen tại thời điểm chúng đi qua cổng quang điện Phương pháp này khá đơn giản, dễ xử lí số liệu, cho kết quả chính xác

Tuy nhiên, trong quá trình thí nghiệm vẫn có xảy ra sai số do chủ quan người thực hiện thí nghiệm:

- Đặt thước không đúng: Đặt thước không vuông góc với cổng quang điện, để thước chạm vào cổng quang điện, thả thước rơi không thẳng đứng

- Các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến thí nghiệm: Gió, lực cản không khí, v.v… làm ảnh hưởng đến sự rơi

Vì thế, để hạn chế sai số, cần lưu ý:

- Đặt thước vuông góc với cổng quang điện, thẳng đứng

- Thực hiện thí nghiệm trong phòng kín, tắt quạt để tránh ảnh hưởng đến quá trình thí nghiệm

b) Nhận xét về bộ dụng cụ đo

Ưu điểm: Đây là bộ dụng cụ thí nghiệm hiện đại của Addestation , cho kết quả với

độ chính xác cao, thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng và an toàn với học sinh

Nhược điểm: Kết quả phụ thuộc nhiều vào thao tác thả thước

2.2.6 Kết luận bài 2

Qua nghiên cứu bộ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do, các lí thuyết liên quan đến sự

rơi tự do và thực hiện thí nghiệm nhiều lần, tôi đã xây dựng được hướng dẫn thí

nghiệm bài “ Xác định vận tốc và gia tốc rơi tự do” Bài thí nghiệm xác định vận tốc

và gia tốc rơi tự do dùng thiết bị cảm biến Addestation đơn giản, thiết bị dễ sử dụng,

phù hợp để học sinh phối hợp hoạt động nhóm Đây là một phương án thí nghiệm hay,

khác hẳn so với phương án thí nghiệm trong sách giáo khoa hiện nay Qua bài thí

nghiệm, ngoài việc xác định được vận tốc, gia tốc của rơi tự do, học sinh còn được bổ

sung kiến thức trong tính toán thực nghiệm và rèn luyện thao tác thu thập số liệu với

aMixer MGA Vì vậy, bài thí nghiệm này nên được bổ sung thành một phương án thí

nghiệm trong khảo sát chuyển động rơi tự do của Vật lý 10

2.3 Định luật II Newton

2.3.1 Mục đích thí nghiệm

- Thu được lực tác động lên xe trượt và gia tốc của nó

- Khảo sát mối quan hệ giữa lực tác động lên vật và gia tốc của nó Từ đó kiểm

chứng lại định luật II Newton và tính khối lượng của xe trượt

2.3.2 Cơ sở lý thuyết

Từ quan sát và thí nghiệm, Newton đã xác định được mối liên hệ giữa lực, khối

lượng và gia tốc, nêu lên thành định luật II Newton: Gia tốc của một vật luôn cùng

hướng với lực tác dụng lên vật Độ lớn của vectơ gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của

vectơ lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật

F

a m

 ( 3.1) hoặc là Fma ( 3.2) Nếu ta xét một vật có khối lượng không đổi thì gia tốc sẽ cùng hướng với lực tác

dụng lên vật và có độ lớn tỉ lệ thuận với độ lớn của lực tác dụng lên vật

Ở bài này, ta sẽ sử dụng thiết bị cảm biến để đo giá trị lực tác dụng lên xe trượt và

v v a

t t





 với v i ,v f là vận tốc của xe tại

các thời điểm t i , t f và khảo sát mối quan hệ giữa hai đại lượng lực và gia tốc

2.3.3 Dụng cụ thí nghiệm