Thuyet trinh NCKH đồ chơi vật lý phổ thông

Đặt học sinh vào 1 tình huống có vấn đề - Dùng đồ chơi vật lý để minh họa một hay nhiều nguyên lý, quy luật, định luật Vật lý - Dùng đồ chơi vật lý để củng cố bài học - Dùng đồ chơi vật

KHOA VẬT LÝ – LỚP 3B BÀI THI MÔN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI

Giảng viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Nhóm 19

Phạm Tiến Phát (Nhóm trưởng) Huỳnh Thị Ngọc Bích

Đồng Thị Diễm Phương

Nguyễn Thị Phương Thảo

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Mở đầu 2

1 Thế nào là một đồ chơi vật lý phổ thông 5

1.1 Đồ chơi trong vật lý 5

1.2 Đồ chơi vật lý phổ thông 5

2 Sơ lược một số đồ chơi vật lý phổ thông 6

3 Sản phẩm từ nhóm nghiên cứu 14

Máy tạo lốc xoáy 15

3.1 Cách làm 15

3.2 Vận hành 21

3.3 Nguyên lý hoạt động 22

3.4 Những khó khăn 22

3.5 Hướng khắc phục 23

4 Kết luận và hướng phát triển 24

Tài liệu tham khảo 25

Mở đầu

Đồ chơi vật lý là công cụ cực kì hữu ích, kinh tế để minh họa các nguyên lý

vật lý một cách tinh tế, đơn giản và dễ hiểu Do đó, tác dụng của đồ chơi vật lý trong giảng dạy Vật lý và cuộc sống là không thể phủ nhận Cụ thể:

- Dùng đồ chơi vật lý để mở đầu 1 bài học – phần học Đặt học sinh vào 1 tình huống có vấn đề

- Dùng đồ chơi vật lý để minh họa một hay nhiều nguyên lý, quy luật, định luật Vật lý

- Dùng đồ chơi vật lý để củng cố bài học

- Dùng đồ chơi vật lý đơn thuần kích thích lòng ham hiểu biết, trí tò mò của học sinh để khơi dậy lòng yêu khoa học

- Dùng đồ chơi vật lý như vật trang trí, giải trí – thư giãn

- Làm đồ chơi vật lý để tăng cường khả năng thực hành của Giáo viên – Học sinh: để chỉ rõ cách thức và kinh nghiệm áp dụng các kiến thức vật lý vào thực

tế

Chúng tôi chưa tìm thấy một tài liệu chính qui cũng như website nào của Việt Nam nói về đồ chơi vật lý một cách chi tiết, cụ thể trong khi ở một số nước, đồ chơi vật lý đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, có hàng loạt trang web chuyên

về phổ biến đồ chơi vật lý như:

http://www.arvindguptatoys.com/toys.html

http://www.icefoundry.org

http://physicsbuzz.physicscentral.com/2011/02/best-physics-toys

………

Với mong muốn đóng góp phần nào vào tình hình giáo dục nước nhà, chúng

tôi thực hiện đề tài này với các mục đích chính sau:

- Luyện tập khả năng áp dụng kiến thức vật lý vào thực tế, từ mô hình hóa

- Sử dụng đồ chơi vật lý vào các hoạt động giáo dục ở Việt Nam

Với mục đích đó, chúng tôi đã, đang và sẽ thực hiện một số mục tiêu ban

đầu như sau:

- Định nghĩa “đồ chơi vật lý phổ thông” và cũng là tiêu chí để thiết kế các

đồ chơi cũng như áp dụng chúng trong suốt đề tài

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của một số đồ chơi phổ biến để chúng ta

có cái nhìn tổng quan về đồ chơi vật lý hiện nay

- Thiết kế, chế tạo 1 đồ chơi tiêu biểu được chúng tôi chọn lọc làm cơ sở để chia sẻ kinh nghiệm, kĩ thuật tính toán và một số ứng dụng sư phạm

Do đặc thù như trên, phương pháp nghiên cứu chúng tôi sử dụng chủ yếu là:

- Thu thập tài liệu để tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của các đồ chơi vật lý

từ đó đề xuất phương pháp chế tạo thích hợp ở qui mô thủ công

- Trao đổi với những người chuyên làm đồ chơi vật lý nói chung và những người đã từng làm một số đồ chơi xác định nói riêng để học hỏi kinh nghiệm Trên

cơ sở đó, chúng tôi phát triển kĩ thuật chế tạo sao cho phù hợp với hoàn cảnh xã hội

và nguồn nguyên vật liệu ở Việt Nam

Để truyền tải nội dung hợp lý, tiểu luận này được chia thành 4 chương:

Phần 1: Thế nào là một đồ chơi vật lý phổ thông

Phần 2: Sơ lược một số đồ chơi vật lý phổ thông

Phần 3: Sản phẩm thủ công từ nhóm nghiên cứu

Phần 4: Kết luận và hướng phát triển

Trong chương 1, chúng tôi trình bày những tiêu chuẩn của một đồ chơi vật

lý và đồ chơi vật lý thủ công để chúng ta có cái nhìn chuẩn hơn về đồ chơi vật lý, làm cơ sở để đánh giá các sản phẩm Chương 2 giới thiệu hàng loạt các đồ chơi vật

lý và tính muôn hình vạn trạng của chúng về hình dáng, nguyên tắc hoạt động và các quy luật vật lý chi phối chúng để chúng ta có cái nhìn tổng quan về đồ chơi vật

lý hiện nay cũng như ứng dụng của chúng trong cuộc sống và giáo dục Chương 3 là trọng tâm khi giới thiệu 1 sản phẩm từ chúng tôi: Máy tạo lốc xoáy Chương này cũng trình bày chi tiết nguyên tắc hoạt động, cách chế tạo và giải pháp kĩ thuật mà chúng tôi đã áp dụng Trong chương cuối cùng, chúng tôi tổng kết những thành

công bước đầu cũng như những thất bại và khó khăn gặp phải cùng với đề xuất khắc phục và hướng phát triển sắp tới của nghiên cứu

Thiết nghĩ, chúng ta là những nhà giáo tương lai, hy vọng đề tài của chúng tôi củng cố thêm lòng yêu nghề, sự tận tâm vì học trò và sự tự tin của các bạn khi

đứng trên giảng đường

Xin chân thành cám ơn:

- Thầy Lê Văn Hoàng đã hướng dẫn tận tình, cho nhiều góp ý quý báu

- Các thành viên trong lớp SP Vật Lý K34 đã giúp đỡ về mặt kĩ thuật, chia

sẻ nhiều kinh nghiệm và khích lệ về mặt tinh thần

Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 5 năm 2011

Nhóm tác giả

1 Thế nào là một đồ chơi vật lý phổ thông

1.1 Đồ chơi trong vật lý

Thực ra, không thể nói chính xác một vật có phải là một đồ chơi vật lý hay không Một vật có trở thành một đồ chơi vật lý hay không còn tùy vào cách thức và

đối tượng nó được giới thiệu đến Chẳng hạn như chiếc đèn kéo quân, nếu chỉ được

trưng bày trong nhà thì nó chỉ là một vật trang trí, nếu các em nhỏ xách nó tung tăng dạo phố trong Tết Trung Thu thì nó là một đồ chơi, nhưng nếu nó được một cô giáo mang lên giới thiệu trên lớp học thì nó trở thành một ví dụ để minh họa hiện tượng

đối lưu, định luật 3 Newton hoặc là một thí nghiệm định tính, thậm chí là một thí

- Có tính hấp dẫn nhất định đối với người quan sát

- Khi dùng đồ chơi vật lý để minh họa một nguyên lý nào đó thì nguyên lý

đó phải được thể hiện rõ ràng, trọng tâm, nổi bật

1.2 Đồ chơi vật lý phổ thông

Trong số các đồ chơi vật lý, phổ biến nhất là nhóm đồ chơi vật lý phổ thông, đây là nhóm đồ chơi được áp dụng rộng rãi nhất, bạn có thể dễ dàng nhìn thấy một đồ chơi vật lý phổ thông trong cửa hàng bán đồ chơi, trong bộ dụng cụ thí nghiệm phổ thông hay trong nhà một ai đó với tư cách là một vật trang trí Điều đó rất dễ hiểu vì một số đặc thù sau của đồ chơi vật lý phổ thông:

- Hoạt động dựa trên một hoặc một số nguyên lý vật lý được trình bày ở bậc phổ thông

- Kích cỡ không quá lớn, có thể vận chuyển, đóng gói dễ dàng

- Không quá khó chế tạo

- Giá thành không quá đắt

2 Sơ lược một số đồ chơi vật lý phổ thông [3]

Cổ nhất có thể nói tới bông vụ hay con quay [Hình 1]

Bông vụ là một khối hình chóp, phần nhọn hướng xuống đất

Khi bông vụ quay, trục quay của nó giữ phương cố định thẳng

đứng theo định luật bảo toàn momen động lượng Ma sát sẽ làm

hãm chuyển động của con quay làm nó quay chậm dần cho đến

khi khối tâm của nó mất ổn định, lệch ra khỏi trục quay, khi đó,

con quay sẽ tuế sai quanh trục ban đầu cho đến khi đổ xuống

Một số biến thể hiện đại của con quay

là con quay hồi chuyển [Hình 2], trục quay của

con quay loại này có thể định hướng tự do trong không gian Khi đó, nếu kích thích con quay định hướng theo một trục thì nó sẽ hướng theo trục đó mãi mãi bất kể ta có quay các ổ trục theo hướng nào đi chăng nữa Việc giải thích tính ổn định của trục quay có thể dễ dàng đối với học sinh phổ thông nhưng khi đi vào chi tiết mô tả chuyển

động tuế sai của con quay thì nên

dành cho sinh viên đại học

Nói đến tính hấp dẫn của

con quay, phải kể đến Đĩa bay bỏ

túi (Levitron) [Hình 3] là một con

quay bay lơ lửng giữa không

trung Đó là là một sự thu hút cao

độ đối với tất cả mọi người

Nguyên lý hoạt động của nó là sự

kết hợp các kiến thức về từ và cơ học Cấu tạo cơ bản của đồ chơi này là một cái đế nhằm ngụy trang cho một nam châm hình giếng lớn, đưa cực Bắc lên trên Levitron

là một nam châm đất hiếm (loại nam châm rất mạnh) đưa cực Bắc xuống dưới, được ngụy trang trong lớp áo một con quay Nếu chỉ thế thôi thì con quay có thể bị đẩy

Hình 1

Hình 3 Hình 2

lên nhưng ngay sau đó, nó sẽ quay mặt Nam xuống dưới và bị hút mạnh về phía đế

do tính tự ổn định của momen lưỡng cực từ Mấu chốt của trò chơi này là con quay

được cấp cho một vận tốc góc ban đầu (dùng tay quay) để trục quay của nó luôn ổn định dưới tác dụng của lực từ Khi đó, con quay luôn hướng cực Bắc xuống dưới và

bị nâng lên bởi lực từ Bằng cách nâng con quay lên một khoảng vài cm so với đế bên dưới, nó sẽ bay lơ lững giữa không trung Con quay sẽ hoạt động khá lâu (5-7 phút) do ma sát với không khí là khá nhỏ Một số hãng sản xuất Levitron còn trang

bị cho nó một cơ cấu bổ sung năng lượng sau mỗi vòng quay, khi đó, với một nguồn chẳng hạn như cục pin tiểu, con quay có thể hoạt động cả ngày

Dường như những đồ chơi càng đơn giản thì nguyên lý vận hành càng phức tạp Dưới con mắt của những học sinh – sinh viên nhanh trí, những đồ chơi đó là cả một kho thông tin bổ ích, lôi cuốn đến kì lạ Một trong số đó phải kể tới Tip-top: cái

chày [Hình 4] hay cái trứng gỗ [Hình 5] là những tip-top Tip-top nói chung có

dạng giống cái nấm, khi quay nó quanh một trục bằng đỉnh nấm thì sau một lúc, nó lại lật ngược để quay bằng chân nấm: một cái trứng chín (hoặc trứng gỗ) ban đầu ở trạng thái cân bằng thông thường của nó (nằm ngang), nếu quay đủ nhanh, quả trứng sẽ “đứng dậy” và quay quanh trục đối xứng của nó Đây cũng là một cách để phân biệt trứng sống - trứng chín thay vì quay các quả trứng và đặt nhẹ ngón tay lên chúng

Nhắc đến cơ học cổ điển,

không thể không nhắc tới định luật

bảo toàn động lượng và định luật bảo

toàn cơ năng Các con lắc dù núp

dưới hình dáng nào luôn là những tín

đồ của định luật bảo toàn năng lượng

Sách giáo khoa luôn chọn những con

lắc như một ví dụ điển hình của định

luật bảo toàn cơ năng Con lắc luôn có một vị trí cân bằng mà tại đó, thế năng của

nó là cực tiểu, động năng là cực đại, khi rời vị trí cân bằng, thế năng tăng dần, động năng giảm Cho đến vị trí biên, động năng bằng 0, thế năng là cực đại Thú vị nhất

và hay thấy trưng bày trên bàn làm việc của các vị giám đốc là con lắc Newton

[Hình 6]: đó là một hệ 5 con lắc giống nhau hoàn toàn, đặt sát nhau Khi kéo một

con lắc ra và buông tay thì khi va chạm, con lắc ngoài cùng sẽ văng lên trong khi những con lắc ở giữa hầu như đứng yên Cứ thể, quá trình lặp lại rất lâu chỉ với 1lần kích thích Con lắc Newton là một minh họa rõ nét cho định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn cơ năng trong trường hợp va chạm tuyệt đối đàn hồi Động lượng

và động năng được truyền nguyên vẹn qua các con lắc

Phức tạp hơn là những đồ chơi thuộc nhóm “không trơn tru” bởi vì một biểu hiện của chúng là kết hợp của vài quá trình con Học sinh phải rất chú ý và suy nghĩ sâu sắc mới ngộ ra được vấn đề Đầu tiên, phải kể đến trò diễn viên nhào lộn,

con gõ kiến, vịt con tập đi [Hình 7] Các trò này gồm những quá trình sau: ban đầu,

hệ để mất cân bằng sao cho trọng lực kéo vật xuống vị trí kế tiếp, tại đó, một cơ chế gây mất cân bằng momen làm vật tiếp tục bị lật xuống vị trí kế tiếp và cứ thế, toàn

bộ quá trình được lặp lại

Hình 6

Hình 7

Slinky [Hình 8] là một ví

dụ phổ biến của định luật bảo toàn

cơ năng Khi mới ra đời, Slinky gây

ra một cơn sốt trên toàn thế giới:

người người mua slinky, nhà nhà

mua slinky Slinky có thể đi xuống

cầu than, có thể nhảy từ tay này

sang tay kia,… và là một ví dụ tốt cho Định luật Hooke, sự lan truyền của sóng dọc, sóng dừng,…

Các đồ chơi biết bay luôn có một sự hấp dẫn nhất định chẳng hạn như máy bay trực

thăng bong bóng, xe phản lực và tên lửa nước [Hình 9] Chúng hoạt động trực tiếp

dựa trên định luật 3 Newton Không khí phụt ra từ bong bong qua một cái kèn phát

ra tiếng kêu vui tai đồng thời đẩy bong bóng xuống Khi đó, cánh quạt của trực thăng sẽ quay do va đập với không khi và đẩy bong bong bay lên Tên lửa nước đã trở nên quá phổ biến, rất nhiều website bàn về kĩ thuật làm tên lửa nước, phóng tên lửa nước và các trường học, các hiệp hội thường xuyên tổ chức các cuộc so tài bắn tên lửa nước Tuy làm việc với tên lửa nước quả thật rất thú vị và phấn khích bởi tốc

độ, sự mạnh mẽ, những tia nước và áp lực của nó nhưng cũng tiềm ẩn những nguy

hiểm như va chạm khi rơi, nổ thân tên lửa,… nên phải rất cẩn thận và đảm bảo tốt các quy định về an toàn khi chơi tên lửa nước Xe phản lực sẽ được chúng tôi bàn kĩ

ở chương sau

Như trên đã trình bày, chúng ta đã thấy những đồ chơi “khô” hoặc bay

được, có nhiều đồ chơi vật lý lại rất “mát” vì chúng chứa đầy nước Đó là những đồ

Hình 8

Hình 9

chơi minh họa cho sự nổi, định luật Archimède,…Chúng ta sẽ chú ý đến trò Anh

thợ lặn dễ thương [Hình 10] Anh thợ lặn có một bong bóng bên trong (và bong

bóng này nên tiếp xúc với nước) và khá lơ lửng khi thả trong nước Nếu áp suất trong nước tăng lên thì thể tích bong bóng giảm làm lực đẩy Archimède lên anh thợ lặn giảm, anh ta sẽ lặn xuống, ngược lại, anh ta sẽ nổi lên Một cách để điều khiển

áp suất này là để anh thợ lặn trong chai kín đầy nước và bóp thân chai, khi đó, anh thợ lặn sẽ trồi lên ngụp xuống trông rất dễ thương

Một số đồ chơi lại kết hợp các nguyên lý của sự nổi với sự đối lưu của nhiệt

học Chẳng hạn như vật trang trí nổi tiếng: đèn dung nham [Hình 11] Đó là một

bình thủy tinh trong suốt, đầy nước hoặc rượu, kín hơi, chứa một chất lỏng sệt như sáp dưới đáy bình Chất sáp này được nung nóng bởi một bóng đèn dây tóc dưới

đáy bình làm cho nó trở nên lỏng hơn và giảm khối lượng riêng, khi đó, sáp lỏng

nổi lên với màu sắc sặc sỡ Khi chạm đỉnh bình, chất lỏng nguội dần cho đến khi nó nặng hơn nước và chìm xuống Cứ thế, từng đợt dung nham cứ phun trào lên xuống, lấp lánh bắt mắt Chế tạo đèn dung nham đòi hỏi một dây chuyền công nghiệp hơn

Hình 10

là thủ công vì để làm thứ sáp đó, phải có một kiến thức

hóa học không tồi để không gây tai nạn nghiêm trọng

Lại có những đồ chơi thuần nhiệt như là

bập-bênh nhiệt [Hình 12] Cấu tạo gồm một bập-bập-bênh, một

vòng kim loại, một lò xo gắn vào một quả cầu và một

cây nến Nến cháy nung nóng lò xo làm nó giãn ra, đẩy

quả cầu qua một bên làm hệ mất cân bằng đồng thời

đẩy lò xo xa cây nến, khi lò xo nguội, nó co lại làm

quả cầu về vị trí cũ, bập-bênh lại nghiêng về trạng thái

ban đầu Cứ thế, từng chu kì cứ lặp đi lặp lại chậm dần

cho đến khi nến tắt Bập-bênh nhiệt chính là một động

cơ nhiệt đơn giản mà nguồn nóng là cây nến, nguồn

lạnh là không khí và tác nhân nhiệt là lò xo

Một động cơ nhiệt nổi tiếng khác là

Bánh xe phát xạ [Hình 13] Đồ chơi này quả

thật chỉ có thể làm được với một số kĩ thuật

và công nghệ nhất định chỉ có ở quy mô công nghiệp vì nó đòi hỏi một sự chính xác cao và một môi trường chân không tốt Nhiều sinh viên nhầm tưởng sự giải thích cho trò chơi này là sự chênh lệch của “áp suất ánh sáng” lên những miếng kim loại có màu khác nhau

Hình 11

Hình 12

Hình 13

(màu bạc và màu đen) Thực ra, mấu chốt của vấn đề là lớp không khí ở gần bề mặt tấm đen có nhiệt độ cao hơn không khí bên mặt trắng, nên nó gây ra một lực đẩy làm chong chóng quay Khi tô 2 phía của tấm kim loại bằng những màu ít tương phản hơn thì chong chóng sẽ quay chậm hơn và nó sẽ quay ngược lại nếu ta đặt trong môi trường lạnh hơn chẳng hạn tủ lạnh

Một ví dụ thú vị khác cho sự muôn màu muôn vẻ của những động cơ nhiệt

là trò chơi Chú chim uống nước [Hình 14] Thân chim là một bình chứa một chất

dễ bay hơi như CH2Cl2 Ở nhiệt độ phòng, nước ở đầu chim bay hơi làm nhiệt đổ ở

đầu giảm đi đôi chút Hiện tượng tương tự xảy ra ở thân chim đối với chất dễ bay

hơi Sự mất cân bằng nhiệt độ đó gây ra một sự chênh áp đẩy chất lỏng lên Đồng nghĩa với việc đó là khối tâm của chim cũng nâng lên theo, khi vượt qua điểm cân bằng thì chim cúi xuống uống nước Hành động này làm bão hòa nước trong phần

đầu của chim nên chất lỏng tụt xuống, chim lại ngẩng đầu lên Như vậy, động cơ

nhiệt này đã biến thế năng hóa học thành động năng mà không cần một phản ứng hóa học nào cả

Những đồ chơi về điện và từ luôn có một sức hút kì lạ đối với mọi lứa tuổi,

có lẽ sức hút ấy đến từ những thứ không thể thấy được như dòng điện và từ trường

Thậm chí một cái động cơ điện [Hình 15] quay tíu tít cũng làm cho lũ trẻ ồ lên ngạc

Hình 14