Thiết kế bài thí nghiệm ảo về mạch cầu và mạch chỉnh lưu trên phần mềm matlab 8.0 nhằm hỗ trợ tiến trình dạy và học ở trường thpt

Bài viết sử dụng các công cụ có sẵn trong thư viện simulink của phần mềm MATLAB để thiết kế hai bộ thí nghiệm ảo (TNA) nhằm hỗ trợ tiến trình dạy và học ở trường trung học phổ thông (THPT). Hai bộ TNA: bộ thí nghiệm mạch cầu điện trở và bộ thí nghiệm chỉnh lưu dòng điện đã được thiết kế.

ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 225(06): 464 - 470 THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM ẢO VỀ MẠCH CẦU VÀ MẠCH CHỈNH LƯU TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 8.0 NHẰM HỖ TRỢ TIẾN TRÌNH DẠY VÀ HỌC Ở TRƯỜNG THPT Giáp Thị Thùy Trang*, Phan Đình Quang Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Trong báo này, sử dụng cơng cụ có sẵn thư viện simulink phần mềm MATLAB để thiết kế hai thí nghiệm ảo (TNA) nhằm hỗ trợ tiến trình dạy học trường trung học phổ thông (THPT) Hai TNA: thí nghiệm mạch cầu điện trở thí nghiệm chỉnh lưu dòng điện thiết kế Ưu điểm hai TNA thiết kế đơn giản, dễ thực thí nghiệm quan sát lớp Những ưu điểm mở hi vọng lớn việc thay thí nghiệm thực mà thường cồng kềnh, tốn nhiều thời gian công sức chuẩn bị trước lên lớp Hơn nữa, TNA hỗ trợ giáo viên (GV) thực nhiều thí nghiệm với điều kiện vật lý khác thời gian ngắn, điều giúp GV có hội truyền tải nhiều kiến thức đến người học Từ khóa: Vật lý tin học; thí nghiệm ảo; MATLAB; simulink; mạch cầu điện trở; dòng điện chỉnh lưu Ngày nhận bài: 26/11/2019; Ngày hoàn thiện: 02/3/2020; Ngày đăng: 31/5/2020 DESIGN VIRTUAL EXPERIMENT ABOUT RESISTOR BRIDGE CIRCUIT AND RECTIFIED CURRENT CIRCUIT BY MATLAB 8.0 SOFTWARE TO SUPPORT TEACHING AND LEARNING PROGRAM AT HIGH SCHOOL Giap Thi Thuy Trang*, Phan Dinh Quang TNU - University of Education ABSTRACT In this paper, we use the tools available in the simulink library in MATLAB software to design two sets of virtual experiment which support the teaching and learning process in high school Two sets of virtual experiment: a resistor bridge circuit and a rectified current circuit were designed The advantage of the two sets of virtual experiment is simple in design, easy to conduct experiments and observe in the classroom These advantages open up great hopes for replacing real experiments that are often cumbersome, time-consuming and laborious to prepare before class Moreover, virtual experiments also support teachers to be able to perform many experiments with different physical conditions in a short time This will help teachers have the opportunity to convey a lot of knowledge to learners Keywords: Computational Physics; virtual experiment; MATLAB; simulink; resistor bridge circuit; rectified current Received: 26/11/2019; Revised: 02/3/2020; Published: 31/5/2020 * Corresponding author Email: giapthuytrang@dhsptn.edu.vn 464 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Giáp Thị Thùy Trang Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Đặt vấn đề Theo yêu cầu chương trình giáo dục phổ thơng mới, q trình dạy - học mơn Vật lý địi hỏi phải thực nhiều thí nghiệm, thí nghiệm vật lý đóng vai trị quan trọng phát triển lực người học [1]-[3] Tuy nhiên, thực thí nghiệm thực lớp người giáo viên thường gặp nhiều khó khăn sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm, khơng gian thời gian Do đó, việc nghiên cứu thiết kế thí nghiệm ảo (TNA) bước tiến đáng kể góp phần nâng cao chất lượng dạy học môn vật lý 225(06): 464 - 470 + Tạo khối: từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột vào kéo cửa sổ mơ hình + Lưu trữ mơ hình lệnh: Save (File → Save) nhấp vào icon Save + Dịch chuyển khối: đơn giản cách nhấp vào khối kéo thả + Nối tín hiệu: Đưa chuột tới ngõ khối (dấu “>”), chuột có dạng “+” Kéo rê chuột tới ngõ vào khối khác thả để kết nối tín hiệu Mặt khác, với phát triển cách mạng công nghiệp 4.0, ứng dụng cơng nghệ máy tính góp phần quan trọng cơng đổi tồn diện giáo dục, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển xã hội nhân loại Với đời nhiều phần mềm với tính ưu việt, nhiều cơng việc giảng dạy trước phải thực trực tiếp chân tay, thay máy tính [4], [5] Ở Việt Nam, có nhiều trường trung học phổ thơng (THPT) sử dụng cơng nghệ thơng tin, ứng dụng máy tính để thực thiết kế TNA hỗ trợ q trình dạy học [4]-[8] Trong thư viện simulink khai thác mạnh mẽ Nhưng nay, chưa thấy TNA mạch cầu điện trở chỉnh lưu dòng điện xuất Do đó, mục đích báo thiết kế hai TNA mạch cầu điện trở chỉnh lưu dịng diện nhằm hỗ trợ tiến trình dạy học giáo viên (GV) THPT + Mô mơ hình: Dùng lệnh Start (Menu Simulation → Start) nhấp chuột vào icon Start Phương pháp nghiên cứu Để thiết kế TNA, trước hết cần hiểu số thao tác khai thác thư viện simulink Matlab 8.0 [6], [7] - Nhận biết hiểu điều kiện cân mạch cầu + Thao tác vào giao diện simulink: Click vào biểu tượng Simulink icon; Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink enter + Tạo mơ hình cách: Click vào icon New model gõ Ctrl-N; Menu File → New → Model http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn + Xem tín hiệu từ Scope: nhấp đơi vào khối Scope: Trước mơ mơ hình Simulink, cần đặt thông số mô cách chọn menu Simulation → Configuration Parameters Ở cửa sổ Configuration Parameters, đặt số thơng số Start time, Stop time (second – giây) phương pháp giải Solver, Solver options,… sau nhấn nút OK Kết thảo luận Trong mục này, tiến hành thiết kế hai TNA thư viện simulink [6] 3.1 Thí nghiệm nghiên cứu mạch cầu điện trở 3.1.1 Mục đích thí nghiệm Sau thực thí nghiệm này, học sinh: - Biết cấu tạo mạch cầu điện trở; - Ứng dụng thí nghiệm ảo để khảo sát thơng số mạch, từ giải nhanh đáp số tất tập liên quan đến mạch cầu điện trở 3.1.2 Cơ sở lý thuyết sơ đồ thí nghiệm ảo * Cơ sở lý thuyết: Sơ đồ thí nghiệm mạch cầu điện trở hình 465 Giáp Thị Thùy Trang Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN I5 =  I1 = I , I = I M U5 =  VM = VN R3 R1 A B R5 R4 R2 225(06): 464 - 470 VA - VM = VA - VN  I1 R1 = I2 R2 VB – VM = VB - VN  I3 R3 = I4 R4  N R R1 R2 R =  = R3 R4 R2 R4 (1) - Mạch cầu không cân I5 ≠ 0, U5 Hình Sơ đồ mạch cầu điện trở ≠ 0 R1 R3  R2 R4 (2) - Mạch cầu cân khi: Hình Sơ đồ mắc mạch TNA Bên trái mạch cầu cân bằng, bên phải mạch cầu khơng cân * Sơ đồ thí nghiệm ảo mạch cầu điện trở hình Trong đó: Là điện trở R có giá trị () Display1: phần hình hiển thị giá trị cường độ dòng điện đo tương ứng với ampe A1 Là nguồn điện Các khối khác sơ đồ hình có ý nghĩa tương tự ba khối 3.1.3 Tiến hành thí nghiệm ảo in kết 466 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Giáp Thị Thùy Trang Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 464 - 470 + Bố trí thí nghiệm thư viện simulink phần mềm MATLAB thấy hình 2, giá trị điện trở thỏa mãn hệ thức (1) (2) + Tiến hành thí nghiệm: nhấn nút Play thấy hình (các khối hình có ý nghĩa tương tự khối hình 2) Hình Sơ đồ mắc mạch TNA đọc số liệu đầu vào đầu - Quan sát kết cho mạch cầu không cân Display3 Display5 - Quan sát dịng mạch Display1 Display4 - Quan sát kết cho mạch cầu cân Display Display2 3.1.4 Kết thí nghiệm Lập bảng số liệu: Bảng Giá trị thông số mạch cầu điện trở Mạch cầu cân Lần đo R1 ( ) R2 ( ) R3 ( ) R4 ( ) U (V) I (A) U5(V) I5(A) 1 12 4.5 0 … Mạch cầu không cân Lần đo R1 ( ) R2 ( ) R3 ( ) R4 ( ) U (V) I (A) U5(V) I5(A) 2 12 3.93 1.17 -0.23 … Nhận xét kết thí nghiệm: 3.1.5 Câu hỏi kiểm tra Mạch cầu điện trở có cấu tạo nào? Dấu hiệu nhận biết mạch cầu điện trở trạng thái cân bằng? không cân bằng? http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 467 Giáp Thị Thùy Trang Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN - Chứng minh mạch cầu điện trở cân điện trở có giá trị thỏa mãn hệ thức: R1 R3 = R2 R4 - Trình bày phương pháp tính cường độ dòng điện hiệu điện điện trở mạch cầu 3.1.6 Viết báo cáo thí nghiệm Theo mẫu tài liệu tham khảo [8] 3.2 Thí nghiệm nghiên cứu mạch chỉnh lưu dịng điện 3.2.1 Mục đích thí nghiệm Sau thực thí nghiệm này, học sinh: - Biết khái niệm mạch chỉnh lưu mạch điện bao gồm linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều - Biết cấu tạo hiểu nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ chu kỳ - Phân biệt mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ mạch chỉnh lưu chu kỳ; mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng đi-ốt mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng đi-ốt - Biết mạch chỉnh lưu sử dụng nguồn cung cấp dòng điện chiều, mạch tách sóng tín hiệu vơ tuyến điện thiết bị vô tuyến… 3.2.2 Cơ sở lý thuyết sơ đồ thí nghiệm ảo 225(06): 464 - 470 *Cơ sở lý thuyết chỉnh lưu nửa chu kỳ (hình 4): - Trong nửa chu kỳ đầu: A cực dương, B cực âm, dòng điện qua đi-ốt đến tải R B - Trong nửa chu kỳ sau: B cực dương, A cực âm, đi-ốt không cho dịng điện qua Vì nửa chu kỳ đầu có dịng điện chiều qua R nên mạch chỉnh lưu có hiệu suất truyền cơng suất thấp lắp mạch nguồn pha *Cơ sở lý thuyết chỉnh lưu chu kỳ (hình 5): - Trong nửa chu kỳ đầu: A cực dương, B cực âm, dòng điện truyền từ A qua đi-ốt số 1, đến tải R, qua đi-ốt số B - Trong nửa chu kỳ sau: B cực dương, A cực âm, dòng điện truyền từ B qua đi-ốt số 2, đến tải R, qua đi-ốt số A Mạch chỉnh lưu chu kỳ có hiệu suất cao mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Tuy nhiên mạch điện khơng có điểm biến áp nên cần đến đi-ốt thay cần hai đi-ốt hình 3.2.3 Tiến hành thí nghiệm ảo in kết Hình cho thấy sơ đồ thí nghiệm ảo mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, mạch chỉnh lưu chu kỳ kết đầu xuất dao động ký chỉnh lưu ảo nửa chu kỳ Kết dao động ký phù hợp tốt với kết nhận từ thí nghiệm thực A B Hình Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 468 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Giáp Thị Thùy Trang Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN A 225(06): 464 - 470 B Hình Mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng đi-ốt Hình Mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng đi-ốt 3.2.4 Kết thí nghiệm Lập bảng số liệu: Bảng Đặc điểm dòng điện vào dòng điện qua mạch chỉnh lưu Lần đo Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Tín hiệu vào Tín hiệu Biên độ Chu kỳ Biên độ Chu kỳ … Lần đo Mạch chỉnh lưu chu kỳ Tín hiệu vào Biên độ Chu kỳ Tín hiệu Biên độ Chu kỳ … Hình Sơ đồ kết in dao động ký chỉnh lưu nửa chu kỳ http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 469 Giáp Thị Thùy Trang Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 464 - 470 Hình Sơ đồ kết in dao động ký mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Nhận xét kết thí nghiệm: 3.2.5 Câu hỏi kiểm tra - Trình bày khái niệm mạch chỉnh lưu dịng điện - Trình bày cấu tạo đi-ốt, từ giải thích dịng điện qua đi-ốt theo chiều - So sánh mạch chỉnh lưu chu kỳ: mạch dùng đi-ốt mạch dùng đi-ốt 3.2.6 Viết báo cáo thí nghiệm Theo mẫu tài liệu tham khảo [8] Kết luận Trong báo này, khai thác thành công thư viện simulink phần mềm MATLAB để thiết kế TNA Bài báo đạt số kết nghiên cứu sau: - Đã thiết kế thành công hai TNA là, mạch cầu điện trở hai mạch chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng chiều - Bài báo cung cấp cho GV dạy trường THPT hai TNA mà có khả thay thí nghiệm thực giảng dạy lớp Đồng thời, kết báo cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích, giúp GV tự thiết kế TNA cho số học khác Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ chương trình Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái 470 Nguyên cho Đề tài cấp Cơ sở năm 2019, mã số: CS-2019-02 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCESS [1] Ministry of Education and Training, Physics 10 Education Publishing House Limited Company, Hanoi, 2014 [2] D T Nguyen (chief author), N H Nguyen, and X Q Pham, Teaching Methods Physics in high school University of Education Publishing House, Hanoi, 2003 [3] T A Ton, Math software for engineers Vietnam National University Press, Hanoi, 2005 [4] D T Nguyen, and N H Nguyen, Organizing cognitive activities for students in teaching study Physics Vietnam National University Press, Hanoi, 1999 [5] T T T Tran, “Using Mathematica and the Laplace transform to solve the knife problem movement of two pendulum systems in series,” Journal Educational Equipment, no 97, pp 34-36, 2013 [6] C C Nguyen, and T D Nguyen, Curriculum methodology and computing major University of Education Publishing House, Hanoi, 2012 [7] W Y Yang, W Cao, T S Chung, and J Morris, Applied Numerical Methods Using MATLAB John Wiley & Sons, Inc., ISBN, 0471-69833-4, 2005 [8] T H H Vu, and T H Dang, General curriculum experimental physics Thainguyen University Publishing House, Thainguyen, 2017 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... chưa thấy TNA mạch cầu điện trở chỉnh lưu dòng điện xuất Do đó, mục đích báo thiết kế hai TNA mạch cầu điện trở chỉnh lưu dịng diện nhằm hỗ trợ tiến trình dạy học giáo viên (GV) THPT + Mô mơ hình:... đồ thí nghiệm ảo mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, mạch chỉnh lưu chu kỳ kết đầu xuất dao động ký chỉnh lưu ảo nửa chu kỳ Kết dao động ký phù hợp tốt với kết nhận từ thí nghiệm thực A B Hình Mạch chỉnh. .. hoạt động mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ chu kỳ - Phân biệt mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ mạch chỉnh lưu chu kỳ; mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng đi-ốt mạch chỉnh lưu chu kỳ dùng đi-ốt - Biết mạch chỉnh lưu sử