SỰ THIẾU ỔN ĐỊNH TRONG KẾT QUẢ THỰCHÀNH ĐO HỆ SỐ MA SÁT - NGUYÊN NHÂN -GIẢI PHÁP VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT

Trong SKKN tôi chỉ tập trung vào khai thác các yếu tố thực tế dẫn đến sự thiếu ổn định của kết quả đo, một số biện pháp khắc phục và đề xuất phương án thực hiện trong bài thực hành đo hệ

TRƯỜNG THPT HÀM RỒNG

-******** -SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

SỰ THIẾU ỔN ĐỊNH TRONG KẾT QUẢ THỰC HÀNH ĐO HỆ SỐ MA SÁT NGUYÊN NHÂN -GIẢI PHÁP VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT

GIÁO VIÊN: NGUYỄN THÁI QUYẾT TRƯỜNG: THPT HÀM RỒNG TỔ: VẬT LÝ - CÔNG NGHỆ

Năm học: 2010 - 2011

PHẦN MỘT

MỞ ĐẦU

Thực hành trong bộ môn vật lý là một yếu tố quan trong trong việc hoàn thiện kỹ năng quan sát, đánh giá và xử lí số liệu Thực hành trong Vật ký khẳng định lại tính đúng đắn của lý thuyết, củng cố niềm tin vào các quy luật vật lý

Thiết bị thực hành trong nhà trường phổ thông đã được trang bị tương đối đầy đủ

và hiện đại, đủ để phục vụ nhu cầu giảng dạy cơ bản trong nhà trường Tuy nhiên vì nhiều yếu tố khách quan và chủ quan mà thí nghiệm thực hành vẫn chưa được quan tâm đúng mức, chưa trở thành yếu tố quan trọng trong giảng dạy Vật lý Trong số các yếu tố đó thì những sai lệch lớn trong các phép đo thực hành là một nguyên nhân Sai lệch giữa các lần đo trong thí nghiệm thực hành lớn tới mức nhiều giáo viên mất niềm tin vào dụng cụ, thiết bị thực hành và thường bỏ qua hoặc chỉ thực hiện thí nghiệm biểu diễn Số liệu đo đạc từ thực hành sau các lần đo khác biệt nhau quá nhiều dẫn đến học sinh khó xử lí số liệu, khó nhận xét đánh giá kết quả Khi đó mục tiêu của bài thực hành khó đạt được

Sai lệch trong thí nghiệm thực hành có nhiều nguyên nhân, do cả chủ quan lẫn

khách quan Sai lệch lớn ảnh hưởng tới tính ổn định của kết quả đo

Nguyên nhân gây ra sai số trong các phép đo đã được phân loại, liệt kê đầy đủ Trong SKKN này tôi không nhằm mục đích phân loại hay cấu trúc lại các nguyên nhân gây ra sai số, không hướng dẫn cách tính sai số Trong SKKN tôi chỉ tập trung vào

khai thác các yếu tố thực tế dẫn đến sự thiếu ổn định của kết quả đo, một số biện pháp

khắc phục và đề xuất phương án thực hiện trong bài thực hành đo hệ số ma sát của hai

bộ sách giáo khoa Vật lí 10:

- Chương trình nâng cao: "Bài 25 - Thực hành: Đo hệ số ma sát"

- Chương trình chuẩn: "Bài 16 - Thực hành: Đo hệ số ma sát"

PHẦN HAI

NHỮNG NGUYÊN NHÂN THỰC TẾ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH

CỦA KẾT QUẢ ĐO HỆ SỐ MA SÁT BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

1 Mục tiêu:

a Đối với học sinh

- Xác định hệ số ma sát trượt và hệ số ma sát nghỉ cực đại giữa hai vật

- Biết cách sử dụng dụng cụ đo: thước đo góc, đồng hồ đo thời gian hiển thị số, lực kế, mặt phẳng nghiêng

- Biết đọc, ghi các số liệu hợp lí

- Rèn luyện tính cẩn thận khi đo

- Củng cố kiến thức về ma sát, động học và động lực học chất điểm

b Đối với giáo viên:

- Thực hiện thí nghiệm trước khi hướng dẫn thực hành.

- Bao quát toàn bộ các nhóm thực hành, quản lí học sinh để đảm bảo giờ thực hành diễn ra theo đúng trình tự hợp lý

- Nắm bắt được các nguyên nhân bất thường liên quan đến quá trình thí nghiệm, hướng dẫn được học sinh xử lí sự cố để đảm bảo quá trình thí nghiệm diễn ra thuận lợi nhất

- Đánh giá được các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến kết quả đo Hướng dẫn học sinh khắc phục được các sai sót trong khi thí nghiệm

2 Cớ sở lý thuyết của phép đo:

- Hệ số ma sát:  =

N

Fms

- Vật chuyển động đều khi chịu tác dụng của các lực cân bằng

- Gia tốc của vật trượt trên mặt phẳng nghiêng: a = g(sin - tcos)

Hệ số ma sát: t = tan - gcosa  và s = at 2

2 1

3 Phương án đo:

a) Đo hệ số ma sát trượt:

Phương án 1: Đo hệ số ma sát

trượt dựa vào tính chất chuyển động

của vật trên mặt phẳng nghiêng

- Hệ số ma sát của vật trên mặt

phẳng nghiêng có thể được tính thông qua gia tốc của vật chuyển động trên mặt phẳng

nghiêng Để đo gia tốc của vật cần đo được quãng đường đi của vật, thời gian chuyển động và góc nghiêng của mặt phẳng nghiêng so với phương ngang

+ Đo quãng đường: dùng thước đo gắn với mặt phẳng nghiêng

+ Đo thời gian: Đồng hồ đo thời gian hiển thị số

+ Đo góc nghiêng: thước đo góc hoặc đo độ cao và chiều dài hình chiếu

Phương án 2: Đo hệ số ma sát trượt dựa vào điều kiện cân bằng (động) của vật.

- Một vật khi chuyển động thẳng đều chịu tác dụng của các lực cân bằng nhau

- Để đo hệ số ma sát trượt cần tác dụng lên vật trên mặt phẳng nằm ngang một lực F sao cho vật chuyển động thẳng đều Khi đo lực tác dụng cân bằng với lực ma sát

Hệ số ma sát của vật và đường đi được tính bởi:

t = PF Như vậy để đo hệ số ma sát trượt cần đo được trọng lượng của vật và lực tác dụng lên vật

+ Đo trọng lượng: dùng lực kế

+ Đo lực: dùng lực kế

b) Đo hệ số ma sát sát nghỉ cực đại

Hệ số ma sát nghỉ đạt cực đại khi vật bắt đầu chuyển từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động Vì vậy để đo hệ số ma sát nghỉ cực đại cần tác dụng lên vật một lực (song song với đường đi) có độ lớn tăng dần cho đến lúc vật bắt đầu chuyển động Khi vật bắt đầu chuyển động thì lực kéo cân bằng với lực ma sát mát nghỉ (cực đại)

Để đo hệ số ma sát nghỉ cực đại chỉ cần đặt vật trên mặt phẳng nghiêng sao cho vật đứng yên rồi tiến hành thay đổi góc nghiêng để vật bắt đầu trượt Khi đó thành phần trọng lực song song với mặt phẳng nghiêng bằng lực ma sát nghỉ cực đại Hệ số

ma sát nghỉ được xác định bởi:

n max = tan

II SAI LỆCH TỪ DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM, TỪ TIẾN TRÌNH

ĐO NGUYÊN NHÂN VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

Trong bài thực hàng này, dụng cụ đo gồm 4 dụng cụ cơ bản: thước đo độ dài, đồng hồ hiển thị đo thời gian, thước đo góc và lực kế

Thiết bị thực hành bao gồm: Vật, mặt phẳng nghiêng, mặt phẳng ngang

Tất cả các dụng cụ đo, thiết bị thực hành, phương án đo và thái độ của người đo đều ảnh hưởng đến phép đo

1 Thước đo chiều dài:

Thước đo độ dài (gắn với mặt phẳng nghiêng) có độ chia nhỏ nhất quá lớn Một

số thước đo có độ chia nhỏ nhất tới 0,5cm

Do kích thước giới hạn của mỗi bộ thí nghiệm, nên sử dụng thước đo chiều dài

có giới hạn đo dưới 1000mm, có độ chia nhỏ nhất nhỏ hơn, nên chọn thước đo có độ chia nhỏ nhất đến 1mm Tuy nhiên, với mục tiêu bài thực hành đặt ra thì việc thay thế thước đo và lựa chọn thước đo khác là không quá cần thiết

Nếu chiều dài cần đo được đo bắt đầu từ vạch số 0 của thước đo thì sai số được tính cho một hoặc một nửa độ chia nhỏ nhất Nếu chiều dài cần đo được đo bắt đầu từ một vạch số nào đó (chẳng hạn 20mm) đến một giá trị thực tế (chẳng hạn 650mm) thì sai số được tính bằng hoặc bằng 2 lần độ chia nhỏ nhất

2 Lực kế:

Thường có độ chia nhỏ nhất lớn (từ 0,1 - 0,5N) Nên chọn lực kế có giới hạn đo phù hợp (nhỏ nhất) với vật trong thí nghiệm (thường vật có khối lượng 200g - 300g) Giới hạn đo nên chọn 1N - 3N và có độ chia nhỏ nhất bé nhất trong các lực kế

Một yếu tố quan trọng

thường bị bỏ quên khi sử dụng lực

kế là giáo viên quên hoặc không

hướng dẫn học sinh chỉnh chuẩn

lực kế trước khi đo Đây là yếu tố

quan trong bởi học sinh thường

giữ nguyên, đọc giá trị rồi trừ đi

giá trị sai lệch ban đầu (thường

nhỏ hơn hoặc bằng) độ chia nhỏ

nhất, thao tác này dẫn đến sai số

tăng gấp đôi

Yếu tố thứ dẫn đến sai lệch

khi sử dụng lực kế là đầu móc của lực kế thường cọ sát với phần nắp giữ định hướng

nó Hệ số ma sát ở đây không đáng kể Tuy nhiên sự thay đổi phương của lực kế so với

phương chuyển động của vật (do rung tay, lệch tay…) sẽ tạo ra áp lực lên phần này,

lực ma sát khi đó đủ để ảnh hưởng đến tính ổn định của kết quả đo

Lực kế nên treo thẳng đứng bằng dây

Trong trường hợp không treo, nên kéo

lực kế bằng dây

3 Đồng hồ đo thời gian hiển thị số:

Yếu tố hiện đại của đồng hồ đo thời

gian hiện số cũng là yếu tố phức tạp khi sử

dụng, đồng thời cũng là yếu tố gây mất ổn

định nhất của đồng hồ đo thời gian hiển thị

số

Móc của lực kế

Nắp giữ định hướng

Sự cố phổ biến của các đồng hồ đo thời gian hiển thị số là hiện tượng đồng hồ không dừng lại khi vật chuyển động qua cổng quang điện Sự cố này có ba nguyên nhân chủ yếu:

- Không kết nối đúng các cổng đồng hồ đo thời gian hiển thị số với công tắc điều khiển quá trình thí nghiệm và cổng quang điện

- Vật trượt có chiều cao không đủ để

ngắt tia hồng ngoại giữa cổng quang điện

- Các đèn hồng ngoại của cổng điện

lệch khỏi vị trí ban đầu

* Khắc phục:

- Đọc kỹ hướng dẫn sử dụng để kết nối

đúng đồng hồ đo thời gian hiển thị số với

cổng quan điện và với công tắc điều khiển

Hướng dẫn và kiểm tra học sinh kết nối

- Kiểm tra lại chế độ đo trên đồng hồ xem đã phù hợp với kiểu kết nối chưa Có hai kiểu kết nối cơ bản:

+ Loại máng nghiêng có 1 cổng quang điện: Công tắc chuyển chế độ đo của đồng hồ để ở A hoặc B, khi đó am châm điện nối với A hoặc B tương ứng Công tắc điều khiển nối với C

+ Loại máng nghiêng có 2 cổng quang điện: Công tắc chuyển chế độ đo của đồng hồ để ở A  B Công tắc điều khiển nối với C

- Cho vật trượt thử qua cổng quang để khởi động và ngắt đồng hồ đo thời gian hiển thị số Nếu đồng hồ vẫn chạy mà không dừng thì đưa 3 ngón tay qua cổng quang sao cho tay ngắt được chùm tia hồng ngoại Nếu đồng hồ dừng chạy thời gian thì thay bằng vật khác có chiều cao lớn hơn

- Nếu đồng hồ vẫn không dừng lại sau hai bước khắc phục trên thì có thể đèn hồng ngoại của cổng quang đã bung khỏi lớp keo gắn làm cho chùm tia hồng ngoại bị lệch Tiến hành tháo cổng quang điều chỉnh lại đèn hồng ngoại về đúng vị trí và kiểm tra trước khi lắp

- Để đồng hồ ở sai số nhỏ nhất 0,001s

4 Thước đo góc:

Là dụng cụ khá đơn giản để tiến hành đo nên thước

đo góc cũng ít được chú ý nhiều nhất

Các thước đo góc trong phòng thí nghiệm Vật lý

đều có đơn vị chia nhỏ nhất là 10 độ

Vấn đề đối với thước đo góc không nằm ở độ chia

nhỏ nhất mà ở cách sử dụng Thường thì thước đo góc

được gắn trên mặt phẳng nghiêng để quá trình đo được dễ dàng Tuy nhiên có hai loại thước đo góc được gắn với mặt phẳng nghiêng:

- Loại không thể tháo rời: loại này có vạch mốc 00 đã được tối ưu để song song với bề mặt của mặt phẳng nghiêng

- Loại có thể tháo rời: loại này thường được gắn với mặt phẳng nghiêng bằng một mấu nhỏ Mấu này không ổn định và khó gắn chặt Có thể bị thay đổi, xê dịch khi vật trượt và va chạm với mặt phẳng nghiêng

Để đảm bảo thước đo góc chỉ giá trịnh chính xác và ổn định, ngay từ thao tác đầu tiên cần đặt thước sao cho vạch số mốc 00 của thước đo góc song song với mặt phẳng nghiêng (thành mặt phẳng nghiêng - máng) và chắc chắn rằng các chốt, mấu giữ máng đã được vít chặt và không dịch chuyển trong quán trình đo

Không dịch chuyển đế giữ mặt phẳng nghiêng (máng) khi tiến hành đo để không làm thay đổi góc nghiêng.

5 Vật nặng

Cũng như thước đo góc, vật nặng là đối tượng rất ít được quan tâm Lực ma sát trượt của môt vật đối với một bề mặt không phụ thuộc vào diện tích của bề mặt nhưng chịu ảnh hưởng lớn của độ nhám bề mặt Thường các vật nặng trong bài thí nghiệm này là các vật hình trụ Các vật này đều có đặc điểm giống nhau: bề mặt xung quanh rất nhẵn và tương đối ổn định Trong khi đó hai mặt đáy - 2 mặt quan trọng của bài thực hành này lại không như thế Các vết cắt gia công để lại trên hai đáy các gợn kim

loại hình tròn không ổn định về hình dạng Chính sự không ổ định này mà khi đặt vật ở

các hướng khác nhau thì thời gian chuyển động cũng khác nhau Sự khác biệt này có thể hiện rất rõ khi các vết gia công lệch về một phía

Có thể giảm bớt sai số bằng cách mài gia công lại hai mặt đáy để bề mặt được đồng đều hơn

Một yếu tố khác dẫn đến quá trình đo bị sai lệch nhiều hơn là học sinh thường vô

tình đảo hai mặt của vật nặng sau mỗi phép đo thời gian Đây được xem là yếu tố quan

trọng đối với vặt nặng vì hai bề mặt không giống nhau

Hãy chắc chắn rằng hệ số ma sát được đo chỉ cho một mặt của vật nặng Để hạn

chế sai sót này, nên sơn đánh dấu (có thể dùng

bút xóa) một mặt

6 Mặt phẳng nghiêng:

Do yếu tố thời lượng dành cho các tiết

thực hành không nhiều, đồng thời các mặt

phẳng nghiêng (máng) ít được khai thác sử

dụng nên trên bề mặt máng thường bám bụi

bẩn Bụi bẩn có thể ví như một lớp cát mỏng

Máng nghiêng (loại 1 cổng quang điện)

trên đường dốc, làm cho quá trình chuyển động diễn ra nhanh hơn, nói cách khác là hệ

số ma sát giảm

Vấn đề ở chỗ, sau vài phép đo thì lớp bụi này bị bong ra, làm tính chất bề mặt tiếp xúc bị thay đổi Dương nhiên sự thay đổi này dẫn đến sự thiếu ổn định của các kết quả đo

Để hạn chế ảnh hưởng, vệ sinh và bảo dưỡng định kỳ cho máng và ngay trước khi thực hành Đồng thời để vật nặng trượt trên máng nhiều lần trước khi tiến hành đo Một yếu tố khác chưa được

quan tâm nhiều là bề mặt của máng

nghiêng thường bị lệch, khi vật

nặng trượt trên máng bị va đập vào

thành máng làm sai lệch kết quả đo

Nguyên nhân thường bắt nguồn từ

chốt đỡ đầu trên của máng Nguyên

nhân khác bắt nguồn từ trụ thép 6

gắn với đế không thẳng đứng, khi

đế không được lấy thăng bằng Để khắc phục nhược điểm này cần vít chặt khớp đa năng Gióng phương thẳng đứng của trụ thép 6 thẳng

đứng bằng dây rọi và điều chỉnh bằng các vít ở 3 chân

đế Khi điều chỉnh vít chỉ nên điều chỉnh 2 trong 3 vít

vì bề mặt bàn thí nghiệm hầu như đã gần có phương

ngang

Mặt phẳng nghiêng (máng) được sử dụng trong

hai thí nghiệm: đo hệ số ma sát trượt và hệ số ma sát

nghỉ cực đại

a) Đo hệ số ma sát trượt

Tiến hành các biện pháp khắc phục ở trên

b) Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại

Để đo hệ số ma sát nghỉ cực đại thì một đầu của

máng phải được tự do để có thể thay đổi góc nghiêng

7 Mặt phẳng ngang (đo hệ số ma sát trượt

-phương án 2)

Theo hướng dẫn của SGK, để đo hệ số ma sát

trượt cần vật nặng bằng gỗ (hình ảnh) và mặt phẳng

ngang là một tấm ván Hai dụng cụ này là điều kiện

tốt để tiến hành đo đạc

Tuy nhiên việc học sinh chuẩn bị hai dụng cụ

này nhiều khi không thuận lợi và điều kiện phòng

thí nghiệm không đủ để bảo quản gỗ trong thời gian

Máng nghiêng (loại 2 cổng quang điện)

Đế và vít điều chỉnh

Khớp đa năng

dài Vì vậy mặt phẳng ngang có thể được thay thế bằng chính mặt phẳng nghiêng trong

bộ thí nghiệm Vật nặng được cũng chính là vật nặng trong thí nghiệm trên mặt phẳng nghiêng

Với cách bố trí như thế, tính chất bề mặt trong hai phương án đo không thay đổi

Vì tính chất bề mặt không thay đổi nên kết quả đo dễ dàng được đối chiếu với nhau, đồng thời học sinh có thể so sánh được sai số trong hai phương án đo để lựa chon phương án đo hợp lý nhất

Vấn đề còn lại là làm thể nào để kéo vật nặng hình trụ chuyển động (thay cho kéo tấm ván với vật nặng bằng gỗ) mà vật không xoay, lăn, lệch Giải pháp đơn giản là dùng dây (nhẹ) buộc ngang vật năng, đồng thời để móc lực kế

Như phần lực kế đã trình bày, nên kéo lực kế bằng một dây khác để đảm bảo không ảnh hưởng nhiều đến phương của lực kế

Có thể nhận thấy rằng việc kéo vật chuyển động bằng tay trực tiếp lên lực kế như vậy chịu ảnh hưởng rất nhiều của yếu tố tâm lý Chính vì

thế mà số chỉ của lực kế trong phép đo này thiếu đi sự

ổn định, dẫn đến thiếu chính xác Để ổn định tâm lý khi

kéo chuyển động cần tránh kéo trực tiếp bằng tay lên lực

kế Có thể hạn chế bằng cách vắt sợi dây nối với lực kế qua ròng rọc (chỉ dùng được cho các lực kế rất nhẹ) Cũng có thể hạn chế bằng cách hướng dẫn học sinh đếm nhẩm đều đặn theo các đoạn quãng đường bằng nhau mà đầu dây đi được (VD: 1cm, 2cm, 3cm…ứng với 1, 2, 3…) Kết quả của việc đánh lạc hướng tâm lý sẽ cho kết quả đo ổn định hơn

8 Phương pháp đo:

Sách giáo khoa đề xuất hai phương án đo hệ số ma sát trượt và một phương án đo

hệ số ma sát nghỉ cực đại

a) Đo hệ số ma sát trượt:

Phương án 1:

Có thể dẽ dàng nhận thấy sự phức tạp của phương án này trong bố trí, đo đạc và

xử lí số liệu Nhưng đây là phương án cho kết quả tốt nhất

Máng nghiêng có hai loại: 1 cổng quang điện và 2 cổng quan điện

+ Loại 2 cổng quang điện (Sách nâng cao): bố trí theo hướng dẫn của SGK, trong đó vật nặng phải được đặt sát với khe hồng ngoại của cổng A (hoặc B)

+ Loại 1 cổng quang điên và 1 nam châm (sách chương trình chuẩn): Vật được gắn với nam châm điện (tương đương cổng A)

Đề xuất: sử dụng loại 1 cổng quang điện.

Phương án 2:

Như đã phân tích, phương án này ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố tâm lý, thái độ của học sinh tham gia thực hành nên kết quả thiếu ổn định Nhưng đây lại là phương án đo đơn giản nhất, xử lí số liệu cũng đơn giản nhất

Đề xuất:

- Lựa chọn một trong hai phương án tùy theo đối tượng học sinh:

+ Lựa chọn theo học lực: học lực Khá Giỏi: phương án 1 ; học lực Trung bình -Yếu: phương án 2

+ Lựa chọn theo ban: Bạn KHTN - phương án 1 ; Ban KHXH - phương án 2

Ghi chú:

- SGK Vật lí 10 - Chương trình chuẩn không đề cập đến phương án 2 Giáo viên giảng dạy có thể đề xuất phương án để đơn giản quá trình đo và xử lí số liệu của học sinh

b) Đo hệ số ma sát nghỉ cực đại:

SGK Vật lí 10 (chương trình nâng cao và chương trình chuẩn) đều sử dụng mặt phẳng nghiêng để đo hệ số ma sát nghỉ cực đại Tuy nhiên phương pháp đo rất khác

biệt:

-Chương trình nâng cao: Đo góc nghiêng

thông qua đo độ cao h của đỉnh mặt phẳng

nghiêng và chiều dài hình chiếu c của mặt

phẳng nghiêng Phương pháp này cho kết quả chính xác nhất nhưng cũng khó đo nhất

Có mấy nguyên nhân chủ yếu:

+ Thứ nhất - thước đo thường không có vạch số 0 ở sát đầu thước mà thường cách vài milimet (để tính c khi đo được h)

+ Thứ hai - khó xác định phương thẳng đứng khi đặt thước (để đo h, c)

+ Thứ 3 - tay giữ mặt phẳng nghiêng (máng) thường bị rung

- Giải pháp:

+ Thứ nhất - sử dụng thước dây

+ Thứ hai - gắn vào đỉnh mặt phẳng nghiêng một dây rọi để xác định phương thẳng đứng

+ Thứ ba - nâng đầu mặt phẳng nghiêng bằng dây vắt qua ròng rọc

- Chương trình chuẩn: Đo góc nghiêng băng thước đo độ Với phương pháp này, góc nghiêng được đo khá đơn giản, số liệu rõ rãng Tuy nhiên phương pháp đo này thường cho kết quả chỉ chính xác đến 10 vì độ chia nhỏ nhất của thước thường là 10 (trường