Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày việc ứng dụng vi điều khiển Arduino và công nghệ Bluetooth để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát và lực hướng tâm. Bộ thí nghiệm khảo sát được quá trình chuyển tiếp giữa lực ma sát nghỉ và ma sát trượt, đồng thời khảo sát được tính chất của lực hướng tâm.
Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CÔNG NGHỆ BLUETOOTH ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HỆ SỐ MA SÁT VÀ LỰC HƯỚNG TÂM Nguyễn Thành Phúc*, Quách Uy Lập Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: xedainhan@gmail.com TĨM TẮT Bài báo trình bày việc ứng dụng vi điều khiển Arduino công nghệ Bluetooth để chế tạo thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát lực hướng tâm Bộ thí nghiệm khảo sát trình chuyển tiếp lực ma sát nghỉ ma sát trượt, đồng thời khảo sát tính chất lực hướng tâm Với khả giao tiếp với máy vi tính thơng qua kết nối bluetooth, liệu thực nghiệm ghi nhận liên tục nhanh chóng; biểu diễn q trình chuyển tiếp lực ma sát nghỉ ma sát trượt; phụ thuộc lực hướng tâm với đại lượng khối lượng, tốc độ góc, khoảng cách Từ đó, người sử dụng tính hệ số ma sát nghỉ hệ số ma sát trượt hai bề mặt vật liệu bất kì; khảo sát biểu thức lực hướng tâm với độ sai biệt nhỏ 10% so với thí nghiệm có thị trường Bộ thí nghiệm góp phần hỗ trợ giáo viên học sinh việc dạy học kiến thức lực ma sát, lực hướng tâm chương trình Vật lí lớp 10 Trung học Phổ thơng Từ khóa: Vi điều khiển Arduino, công nghệ Bluetooth APPLICATION OF ARDUINO MICROCONTROLLER AND BLUETOOTH TECHNOLOGY FOR DESIGNING AN EXPERIMENTAL KIT EXAMINING THE COEFFICIENT OF FRICTION AND CENTRAL FORCE Nguyen Thanh Phuc*, Quach Uy Lap Ho Chi Minh City University of Education *Corresponding Author: xedainhan@gmail.com ABSTRACT This article demonstrates the application of Arduino microcontroller and Bluetooth technology into fabricating testing sets for friction coefficient and central force The experiment kit can investigate the transition between static friction and kinetic friction while investigating the properties of central force With the ability to communicate with a computer through bluetooth connectivity, data will be recorded continuously and rapidly, which demonstrates the transition between static friction and kinetic friction along with the dependence of central force on mass, angular velocity and distance Following up, the user can calculate the coefficient of resting friction and friction coefficient between two surfaces of any material together with investigating central force with an inexactness of less than 10% compared to the existing kits on the market Hence, this kit will assist teachers and students in teaching and learning the knowledge of friction and central force in 10th grade Physics Keywords: Arduino microcontroller, Bluetooth technology 516 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 TỔNG QUAN Ở thị trường nước, thí nghiệm khảo sát lực ma sát phương pháp mặt phẳng nghiêng Công ty Cổ phần Sách Thiết bị Trường học sản xuất (2018) sử dụng rộng rãi trường trung học phổ thơng.Tuy Kỷ yếu khoa học nhiên, thí nghiệm bộc lộ nhiều hạn chế sai số phép đo phụ thuộc nhiều vào người làm thí nghiệm, việc thu thập kết thời gian, khơng cho thấy q trình chuyển từ ma sát nghỉ sang ma sát trượt Hình Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát Công ty Cổ phần Sách Thiết bị Trường học sản xuất (trái) Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát hãng Pasco sản xuất (phải) Bên cạnh đó, thị trường nước, liệu kết lực ma sát theo thời gian thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát lên máy vi tính cách nhanh chóng, hãng Pasco (2018) sản xuất có khả tự động Bộ thí nghiệm biểu diễn cập nhật giá trị lực ma sát tự động trình chuyển đổi lực ma sát lên máy vi tính, tiện lợi cho việc quan nghỉ qua ma sát trượt Đồng thời sát kết thí nghiệm, nhiên giá phương pháp đĩa xoay mà chúng tơi sử thành thí nghiệm cao, vật dụng để khảo sát hệ số ma sát tư thay khó tìm kiếm nên việc sử phương pháp mới, chưa áp dụng thí nghiệm hãng Pasco dụng thí nghiệm khó khăn ngồi nước Bên cạnh đó, thí Chính vậy, thí nghiệm khảo sát nghiệm có giá thành khơng cao, hệ số ma sát nhóm chúng tơi phù hợp cho nhu cầu trang bị nghiên cứu có khả cập nhật trường phổ thơng Hình Bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm Công ty Cổ phần Sách Thiết bị Trường học sản xuất Hình thí nghiệm lực hướng bị Trường học sản xuất trang bị cho tâm Công ty Cổ phần Sách Thiết trường trung học phổ thông 517 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 (2018).Tuy nhiên, thí nghiệm cồng kềnh, kết cho thấy mối quan hệ lực hướng tâm theo khoảng cách, việc quan sát số liệu thí nghiệm khó khăn thước quay quanh trục q trình làm thí nghiệm Ngồi có thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm hãng Pasco sản xuất tương đối nhỏ gọn, cập nhật kết đo lực tự động máy tính, giúp cho việc đo đạc tiến hành thí nghiệm thuận tiện (2018) Bộ thí nghiệm có giá thành cao nên cản trở việc trang bị rộng rãi trường phổ thơng Vì vậy, thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm nhóm chúng tơi nghiên cứu có khả cập nhật kết lên máy vi tính cách nhanh chóng, thực thí nghiệm định tính định lượng lực hướng tâm Bộ thí nghiệm dùng phương pháp đĩa xoay, ứng dụng cách vận hành giao diện gần giống thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát nên việc thực thí nghiệm đơn giản thân thiện với người sử dụng Ngoài ra, việc đổi phương pháp dạy học ứng dụng khoa học - công nghệ vào giảng dạy nhu cầu cấp thiết (Dương Xuân Quý, 2010, Kỷ yếu khoa học tr 10-18) Đối với môn vật lý, việc ứng dụng thí nghiệm kết nối với máy vi tính xu tất yếu việc đổi phương pháp dạy học Cụ thể cơng trình nghiên cứu Hồng Văn Huệ (2012), Mai Hoàng Phương (2016, tr.68-75) Nguyễn Huỳnh Duy Khang (2016, tr 128-137): tác giả nghiên cứu, sử dụng vi điều khiển, cảm biến thiết kế thí nghiệm kết nối với máy vi tính; giúp cho việc đo đạc sử lí số liệu nhanh chóng dễ dàng Chính vậy, mục tiêu nghiên cứu chế tạo thí nghiệm sử dụng board mạch Arduino để điều khiển, truyền nhận liệu máy vi tính thơng qua công nghệ Bluetooth để khảo sát tự động hệ số ma sát lực hướng tâm Thực số thí nghiệm để đánh giá độ xác tính ổn định thí nghiệm thiết kế PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ VẬT LIỆU Phương pháp nghiên cứu Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm chế tạo dựa ý tưởng sau: Hình Mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát (trái) Mơ hình thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm (phải) Mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số bề mặt đĩa tròn nối với cảm biến lực sợi dây Khi đĩa tròn quay, lực ma ma sát Bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát sát xuất bề mặt vật đĩa xây dựng ý tưởng hình 3(trái) Lực ma sát đo thơng qua việc đo Mơ hình bao gồm đĩa tròn lực căng dây nhờ cảm biến lực Hệ số gắn với động cơ, vật giữ ma sát bề mặt vật đĩa tính 518 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 thông qua giá trị lực ma sát Vi điều khiển Arduino tích hợp Hệ thống điều khiển trung tâm có vai trị thu nhận giá trị cảm biến lực điều khiển động Mơ hình thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm Bộ thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm xây dựng ý tưởng Hình (phải) Dựa ý tưởng sử dụng đĩa quay, đặt vật đĩa, vật có xu hướng văng lực qn tính ly tâm Độ lớn lực với lực hướng tâm Lực hướng tâm xác định việc đo lực căng dây nhờ cảm biến lực đặt tâm đĩa quay Vì tính chất đĩa quay liên tục nên việc truyền liệu từ cảm biến lực tới Hệ thống điều khiển trung tâm thông qua công nghệ truyền nhận không dây Bluetooth KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thiết kế, xây dựng thí nghiệm đo hệ số ma sát đồng thời khảo sát tính chất lực hướng tâm chuyển động tròn kết nối với máy tính thơng qua giao tiếp Bluetooth Hệ thống điều khiển trung tâm phần quan trọng nghiên cứu này, sử dụng thí nghiệm đo hệ số ma sát thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm Hệ thống trung tâm bao gồm hình LCD để hiển thị kết Kỷ yếu khoa học thí nghiệm, nút nhấn để điều chỉnh thơng số làm thí nghiệm cổng USB để kết nối với cảm biến ngoại vi KẾT LUẬN Từ thí nghiệm ta thấy Bluetooth cho thấy tiện lợi giao tiếp vi điều khiển máy tính, việc thu thập liệu truyền nhận cách nhanh chóng, đơn giản Bộ thí nghiệm cho kết tốt việc khảo sát đối tượng với sai số nhỏ 10% Tuy nhiên, thiết kế khí chưa tốt dẫn đến đĩa xoay không đều, làm cho sai số đo vận tốc góc cịn lớn Bộ thí nghiệm dùng để dạy thí nghiệm phần động lực học chương trình vật lý phổ thơng Với ưu điểm bật tự động hóa truyền nhận liệu khơng dây (khoảng cách máy tính nhận liệu cảm biến 10m môi trường vật cản) Tuy nhiên thí nghiệm cho kết khơng ổn định lặp lai nhiều lần làm xước mặt phẳng quay nên kết khác Bộ thí nghiệm chế tạo rút ngắn thời gian đo đạc thu nhận số liệu bên cạnh người thao tác dễ thực thí nghiệm tự động hóa Nếu khắc phục nhược điểm cải tiến, thí nghiêm ứng dụng Bluetooth sử dụng rộng rãi không phịng thí nghiệm hay đại học mà ứng dụng tiết học lớp trường phổ thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO HỒNG VĂN HUỆ, PHÙNG VIỆT HẢI, NGUYỄN THỊ THANH HƯƠNG (2012) Nghiên cứu chế tạo cảm biến thí nghiệm ghép nối với máy vi tính dạy học vật lí trường phổ thơng Đề tài Khoa học Công nghệ cấp bộ, Trường Đại học Tây Nguyên MAI HỒNG PHƯƠNG, NGƠ MINH NHỰT (2016) Thiết kế cảm biến kết nối khơng dây với máy vi tính kiểm chứng định luật II III Newton Tạp chí Khoa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, 61, 68-75 519 ... NGHIÊN CỨU VÀ VẬT LIỆU Phương pháp nghiên cứu Bộ thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm chế tạo dựa ý tưởng sau: Hình Mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số ma sát (trái)... hình thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm (phải) Mơ hình thí nghiệm khảo sát hệ số bề mặt đĩa trịn nối với cảm biến lực sợi dây Khi đĩa trịn quay, lực ma ma sát Bộ thí nghiệm khảo sát lực ma sát sát... trị lực ma sát Vi điều khiển Arduino tích hợp Hệ thống điều khiển trung tâm có vai trị thu nhận giá trị cảm biến lực điều khiển động Mơ hình thí nghiệm khảo sát lực hướng tâm Bộ thí nghiệm khảo