BÁO cáo NGHIÊN cứu KHOA học kĩ THUẬT tên dự án dự thi DỤNG cụ đo CHIỀU CAO

Cuộc thi khoa học kĩ thuật cấp Tỉnh dành cho học sinh trung học năm học 2014-2015 SỞ GIÁO DỤC – ĐÀO TẠO QUẢNG NGÃI TRƯỜNG THPT BA GIA Tên dự án dự thi DỤNG CỤ ĐO CHIỀU CAO Lĩnh vực dự thi KỸ THUẬT ĐIỆN Tác giả: Trương Văn Tín; Huỳnh Tấn Vân Giáo viên hướng dẫn: Chung Quang Tùng Quảng Ngãi, tháng 12 năm 2014 Trang MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Lời cảm ơn Tóm tắt nội dung dự án .3 Giới thiệu tổng quan vấn đề nghiên cứu .4 Giả thuyết khoa học mục đích nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 10 Kết nghiên cứu 11 Phân tích kết số liệu, thảo luận 12 Kết luận 14 Tài liệu tham khảo 15 Trang LỜI CẢM ƠN Chúng em, thành viên thực đề tài xin gởi lời biết sâu sắc đến gia đình, thầy giáo nhà trường, đặc biệt cô giáo chủ nhiệm lớp Võ Thị Kim Chi thầy giáo Chung Quang Tùng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành cơng việc nghiên cứu Cảm ơn BGH trường THPT Ba gia tạo sân chơi lành mạnh, hữu ích để chúng em phát huy khả sáng tạo tuổi trẻ học đường Đây tiền đề, hội cho chúng em giao lưu, học hỏi bạn bè, để ngày mai chúng em trở thành công dân tốt, yêu khoa học sáng tạo nên sản phẩm hữu ích phụ vụ cộng đồng, phục vụ đời sống khoa học kỹ thuật Trang TĨM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN A Lí nghiên cứu: Trong đời sống kỹ thuật việc việc xác định độ cao vật thể cần thiết thí dụ: Trong xây dựng kiến trúc người ta cần biết chiều cao cơng trình xây dựng, giao thông cần biết chiều cao cột đèn báo chướng ngại vật căng ngang đường chiều cao cầu, viễn thông cần biết chiều cao cột ăng ten, … Trong thực tế nay, dụng cụ đo chiều cao bán thị trường với giá cao (khoảng vài triệu đến vài chục triệu) Xuất phát từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu chúng em muốn tạo thiết bị đo chiều cao với giá thành rẻ, có độ xác cao, phục vụ vào đời sống khoa học kỹ thuật B Ý tưởng nghiên cứu: Dựa vào định luật truyền thẳng ánh sáng vật lý hệ thức lượng tam giác vuông để chế tạo thành công dụng cụ đo chiều cao với độ xác cao C Câu hỏi nghiên cứu: Làm để xác định chiều cao vật tòa nhà, đỉnh núi, cột anten, mà dùng thước đo thông thường được? D Lợi ích đề tài mang lại: Nhằm chế tạo thành công dụng cụ đo độ cao cách xác; giảm giá thành; dễ sử dụng; rẻ tiền; có khả sản suất hàng loạt sử dụng đời sống kỹ thuật, quan nhà nước (chỉ khoảng vài trăm ngàn), máy đo sử dụng trắc địa giá hàng chục triệu đồng E Cơng việc thực hiện: Xây dựng sở lý thuyết: Dựa vào định luật truyền thẳng ánh sáng Vật lí hệ thức lượng tam giác vng Tìm hiểu thiết bị thị trường để hỗ trợ việc thiết kế Thiết kế dụng cụ Tiến hành thí nghiệm (đo thử) Xử lý kết qua đo: tính sai số dựa vào kiến thức tốn vật lí học trường phổ thơng Tìm hiểu ngun nhân việc sai số Điều chỉnh, hoàn thiện thiết bị đo chiều cao F Kết đạt được: Đã chế tạo thành công dụng cụ đo chiều cao tiến hành đo thử Kết thu sai số dụng cụ nhỏ, áp dụng vào đời sống khoa học kỹ thuật Trang GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI - Trong đời sống kỹ thuật việc việc xác định độ cao vật thể cần thiết thí dụ: Trong xây dựng kiến trúc người ta cần biết chiều cao công trình xây dựng, giao thơng cần biết chiều cao cột đèn báo chướng ngại vật căng ngang đường chiều cao cầu, viễn thông cần biết chiều cao cột ăng ten … - Trong chương trình học phổ thơng học sinh học cách đo chiều cao vật mơn tốn sử dụng thước ngắm có gắn thước đo độ, để thấy việc đo chiều cao vật thể quan trọng - Tuy nhiên cách đo mà quan sát học thực phức tạp, thiếu xác phải xác định khoảng cách từ vật cần đo thước đặt vị trí đo, khơng phải lúc xác định khoảng cách vật mà đo ta khơng đến chân (vật cần đo bên sông, bên bờ rào…) - Để khắc phục nhược điểm thước đo góc chúng em vận dụng kiến thức vật lý tốn học học chương trình để tiến hành nghiên cứu đề tài B MỤC TIÊU Nhằm chế tạo thành công dụng cụ đo độ cao cách xác; giảm giá thành; dễ sử dụng; rẻ tiền; có khả sản suất hàng loạt sử dụng đời sống kỹ thuật, quan nhà nước (chỉ khoảng vài trăm ngàn), máy đo sử dụng trắc địa giá hàng chục triệu đồng C NỘI DUNG ĐỀ TÀI Lý luận khoa học: - Sử dụng định luật truyền thẳng ánh sáng môn Vật lý hệ thức lượng tam giác vng mơn Tốn học để nghiên cứu đề tài - Giả sử vật cần đo đoạn thẳng MN M Thước ngắm A Trang α1 B α2 N + Đặt thước ngắm vị trí thứ A, cho thước ngắm qua điểm M MN Ta có: AN = tan  (1) + Đặt thước ngắm vị trí thứ hai B, cho thước ngắm qua điểm M MN Ta có: BN = tan  (2) + Từ hình vẽ, ta có: AB = AN – BN (3) + Từ (1), (2) (3) ta suy được: AB MN = 1  tan  tan  (4) - Từ biểu thức ta thấy để đo MN ta cần đo AB, α1, α2 Cấu tạo dụng cụ đo chiều cao: Thước ngắm Động encoder Núm điều khiển Thước thủy Mạch điện tử, hình LCD Trang Nguồn Giá đỡ thiết bị Tính tốn lại lý thuyết: M Thước ngắm A α1 B α2 H 1,4 m N 1m - Giả sử vật cần đo đoạn thẳng MN - Từ hình vẽ ta có: MN = MH + HN AB 1 - Từ sở lý luận phần 1, ta tính được: MH =  tan  tan  AB 1 Ta suy ra: MN = + HN  tan  tan  Trang - Từ biểu thức ta thấy để đo MN ta cần đo AB, HN, α1, α2 (trong dụng cụ đo trên, ta chọn: AB = 1m, HN = 1,4m) Nguyên lý hoạt động: Encoder thiết bị dùng để đo tốc độ động cơ, ta ứng dụng tính để áp dụng vào đo góc quay đề tài Độ xác tuyệt đối q trình đo góc quay khơng thể Nhưng ta giảm sai số mức tối thiểu cách tăng số xung phát vòng quay lớn Dưới hình encoder thực tế, bên cạnh mắt đọc encoder Nguyên lý làm việc sau: mắt đọc encoder ta thấy có mặt, mặt phát tia hồng ngoại, mặt cịn lại thu tia hồng ngoại Bình thường có nguồn điện 5V cấp cho mắt đọc bên phát bên thu nhận có vật che chắn mắt đọc bên thu ko nhận tia hồng ngoại từ bên phát Lúc ta hiểu có trạng thái xảy bên thu nhận tín hiệu khơng nhận tín hiệu, tương ứng với mức logic 0V 5V Giản đồ xung phát sau: Trang Ở sử dụng encoder 888 xung, tức vòng quay phát 888 xung Lúc xung tương ứng với 360/888= 0,41 độ, sai số lớn xung 0,41 độ, để giảm sai số biên độ ta lấy 0,41/2 sai số lớn xung gần 0,205 độ Để tính tốn số xung vịng quay ta cần vi xử lí vi điều khiển, để đếm lưu số xung Ở sử dụng vi điều khiển 16f887 hãng microchip Tốc độ xử lí lệnh nhanh chíp 0,2 micro giây, với tốc độ nhanh cho phép ta đếm xử lí hết ko bỏ xót xung Trong đề tài ta sử dụng thạch anh dao động với tần số micro Hz, với tốc độ xử lí lệnh micro giây Sử dụng chức ngắt PIC (vi điều khiển) để đếm xung encoder, ngắt RB để sử dụng nút bấm Ưu điểm ngắt cho phép dừng chương trình để xử lí đếm xung mà khơng cần phải đợi trong vịng lặp While(1){}; Các bước sử dụng thiết bị đo chiều cao: Bước 1: Chọn vị trí cho ngắm đỉnh cao vật cần đo cách dễ dàng Bước 2: Điều chỉnh thước ngắm đỉnh vật cần đo nằm đường thẳng (ngắm thử) Bước 3: Đặt phận ngắm vị trí A, điều chỉnh thước ngắm nằm ngang (dùng thước thủy) Bước 4: Bật nguồn ấn nút reset Bước 5: Bấm nút mạch điện tử, để thực lần đo góc thứ  Bước 6: Vặn núm điều khiển để nâng thước ngắm, cho thước ngắm qua đỉnh cao vật Bước 7: Di chuyển phận ngắm vị trí B Bước 8: Bấm nút mạch điện tử, để thực lần đo góc thứ  Bước 9: Vặn núm điều khiển để nâng thước ngắm, cho thước ngắm qua đỉnh cao vật Bước 10: Bấm nút 3, để xuất kết chiều cao vật cần đo Trang A B GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nhằm chế tạo thành công dụng cụ đo độ cao cách xác; giảm giá thành; dễ sử dụng; rẻ tiền; có khả sản suất hàng loạt sử dụng đời sống kỹ thuật, quan nhà nước (chỉ khoảng vài trăm ngàn), máy đo sử dụng trắc địa giá hàng chục triệu đồng - Những nguyên nhân mà nhóm nghiên cứu chúng tơi dự đốn ảnh hưởng đến độ xác thiết bị: + Thiết bị đo góc + Thước ngắm + Độ xác việc ngắm Trang PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu sở lý thuyết đề tài dựa vào kiến thức toán học vật lý - Tham khảo tài liệu nghiên cứu KHKT trang web liên quan đến đề tài nghiên cứu - Dựa vào phương pháp thực nghiệm (đo đạc) để điều chỉnh, hoàn thiện thiết bị đo - Phương pháp tính sai số phép đo: Giả sử đại lượng cần đo A đo n lần Kết đo A1 , A2 , An Đại n lượng Ai A1  A2   An  i 1 A  n n gọi giá trị trung bình đại lượng A n lần đo Số lần đo lớn, giá trị trung bình A gần với giá trị thực A Các đại lượng: A1  A  A1 A2  A  A2 An  A  A n gọi sai số tuyệt đối lần đo riêng lẻ Trang 10 Sai số tuyệt đối trung bình số học A (sai số ngẫu nhiên) định nghĩa sau: n A =   A  i i 1 n Kết đo lúc viết dạng: A = A  A Ngồi sai số tuyệt đối, người ta cịn sử dụng sai số tỉ đối định nghĩa sau:  = A 100 0 A Kết đo viết sau: A A  0 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sau chế tạo thành công dụng cụ đo chiều cao, nhóm chúng tơi tiến hành đo đạc số vật thể, kết thu sau: * Đo độ cao cột cờ nhà trường: + Vị trí thứ Lần đo Kết (m) 6,87 6,74 6,80 Lần đo Kết (m) 6,90 6,87 6,75 Lần đo Kết (m) 6,85 6,92 6,81 + Vị trí thứ hai + Vị trí thứ ba * Đo độ cao điểm nằm tầng tịa nhà: + Vị trí thứ Lần đo Kết (m) 14,29 14,15 14,10 Trang 11 + Vị trí thứ hai Lần đo Kết (m) 14,18 14,17 14,22 Lần đo Kết (m) 14,31 14,18 14,21 + Vị trí thứ ba PHÂN TÍCH KẾT QUẢ SỐ LIỆU, THẢO LUẬN Tính sai số phép đo: a Đo độ cao cột cờ nhà trường * Vị trí thứ Lần đo Kết (m) 6,87 6,74 6,80 - Giá trị trung bình lần đo: A = 6,80 m - Sai số tuyệt đối trung bình: A = 0,043 m - Sai số tỉ đối:  = A 100 0 A = 0,6% * Vị trí thứ hai Lần đo Kết (m) 6,90 6,87 6,75 - Giá trị trung bình lần đo: A - Sai số tuyệt đối trung bình: A = 0,06 m - Sai số tỉ đối:  = * Vị trí thứ ba Trang 12 = 6,84 m A 100 0 A = 0,877% Lần đo Kết (m) 6,85 6,92 6,81 - Giá trị trung bình lần đo: A = 6,86 m - Sai số tuyệt đối trung bình: A = 0,04 m - Sai số tỉ đối:  = A 100 0 A = 0,58% b Đo độ cao điểm nằm tầng tịa nhà: * Vị trí thứ Lần đo Kết (m) 14,29 14,15 14,10 - Giá trị trung bình lần đo: A = 14,18 m - Sai số tuyệt đối trung bình: A = 0,073 m - Sai số tỉ đối:  = A 100 0 A = 0,51% * Vị trí thứ hai Lần đo Kết (m) 14,18 14,38 14,22 - Giá trị trung bình lần đo: A = 14,26 m - Sai số tuyệt đối trung bình: A = 0,08 m - Sai số tỉ đối:  = A 100 0 A = 0,56% * Vị trí thứ ba Lần đo Kết (m) 14,31 14,18 14,21 - Giá trị trung bình lần đo: A = 14,23 m - Sai số tuyệt đối trung bình: A = 0,05 m - Sai số tỉ đối:  = A 100 0 A = 0,35% Thảo luận từ kết phép đo: - Để kiểm tra tính xác thiết bị, chúng tơi tiến hành đo lại thước mét, kết thu được: + Độ cao cột cờ nhà trường: 6,84 m + Độ cao điểm nằm tầng tòa nhà: 14,2 m - Từ kết lần đo với vị trí khác thiết bị kết đo thước mét nhận thấy sai số thiết bị đo khơng đáng kể, chấp nhận Trang 13 - Nguyên nhân sai số sai số dụng cụ đo sai số mắt ngắm - Hướng khắc phục: chế tạo thiết bị ngắm có độ xác cao KẾT LUẬN - Qua kết đo được, nhóm nghiên cứu chúng tơi nhận thấy để đo cách xác độ cao vật việc chọn vị trí đo quan trọng, ta cần chọn vị trí đo cho nhìn thấy rõ điểm cao vật Ngoài ta cần đo chiều cao vật nhiều lần với nhiều vị trí khác nhau, sau tính giá trị trung bình n lần đo giá trị gần với chiều cao thực vật cần đo - Từ kết đo được, nhóm nghiên cứu chúng tơi nhận thấy thiết bị đo chiều cao mà chế tạo có khả ứng dụng thực tế cho quan nhà máy cần đến việc đo độ cao đưa sản xuất đại trà Khơng phải bỏ kinh phí q lớn để mang máy chuyên dụng mà đáp ứng yêu cầu khoa học xác - Bản thân chúng em học sinh chưa đào tạo qua lớp kỹ thuật, nên việc thiết kế, lắp ráp dụng cụ thí nghiệm chúng em khơng trách sai sót Rất mong góp ý chân thành từ phía Ban giám khảo./ Trang 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tài liệu hướng dẫn nghiên cứu khoa học nhà xuất giáo dục Việt Nam - SGK vật lý 10 - Tham khảo trang web linh kiện điện tử Trang 15 ... tắt nội dung dự án .3 Giới thi? ??u tổng quan vấn đề nghiên cứu .4 Giả thuyết khoa học mục đích nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 10 Kết nghiên cứu ... cụ đo chiều cao tiến hành đo thử Kết thu sai số dụng cụ nhỏ, áp dụng vào đời sống khoa học kỹ thuật Trang GIỚI THI? ??U VÀ TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI - Trong đời sống kỹ thuật. .. thông cần biết chiều cao cột ăng ten … - Trong chương trình học phổ thơng học sinh học cách đo chiều cao vật mơn tốn sử dụng thước ngắm có gắn thước đo độ, để thấy việc đo chiều cao vật thể quan