Sử dụng máy tính như dụng cụ đo trong thí nghiệm vật lí với sự hỗ trợ của visual basic

Lời cảm ơn Đầu tiên em chân thành cảm ơn ®Õn Ban chđ nhiƯm khoa VËt Lý ®· t¹o ®iỊu kiện cho em đợc làm quen với việc nghiên cứu khoa học Cám ơn Thầy Cô giáo Khoa ®· båi dìng kiÕn thøc cho em thêi gian học tập khoa Vật lý Để hoàn thành Luận văn em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy giáo hớng dẫn TS Võ Thanh Cơng đà giúp em có đợc ý tởng luận văn đà giúp em hoàn thành luận văn Cũng qua em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo phản biện ThS Nguyễn Thành Công ý kiến đóng góp bổ ích cho luận văn Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo tổ Vật lý Đại cơng ý kiến góp ý cho luận văn Xin chân thành cảm ơn bạn sinh viên khoa Vật lý đà động viên cổ vũ em hoàn thành luận văn Tuy nhiên đà cố gắng nhng lần làm đề tài chắn Luận văn không tránh khỏi sai sót, em mong đợc góp ý ý kiến thầy cô giáo bạn Chân thành cảm ơn ! -1- Phần mở đầu a.Giới thiệu luận văn: Lý luận dạy học quan niệm trình dạy học phải đảm bảo số nguyên tắc định, trớc hết nguyên tắc trực quan Tính trực quan dạy học thờng đợc thực thông qua phơng tiện dạy học Vật lý môn khoa häc thùc nghiÖm bëi vËy thÝ nghiÖm vËt lý cã vai trò quan trọng việc tăng tính trực quan, nâng cao chất lợng dạy học vật lý Để làm đợc thí nghiệm vật lý cần phải có trang thiết bị thí nghiệm Hiện nhà trờng nói chung phòng thí nghiệm thờng không đồng bộ, thiết bị thí nghiệm cũ nát, h hỏng, thiÕu rÊt nhiỊu Do vËy, khã cã thĨ tiÕn hµnh thí nghiệm dạy học vật lý Kinh phí ngành giáo dục nói chung nhà trờng nói riêng hạn hẹp nên khả đầu t vào phòng ốc, thiết bị thí nghiệm hạn chế Để mua thí nghiệm thực đòi hỏi khoản chi phí lớn, để làm nhiều thí nghiệm cần đến kinh phí khổng lồ Đây vấn đề khó giải đợc nhà trờng Trong giáo viên lại cha có kỹ thuật tốt để khai thác tính năng, phơng pháp sử dụng thiết bị cho hiệu Từ lý dẫn đến dạy vật lý phổ thông chủ yếu dạy chay, giáo viên dùng phơng pháp thuyết trình học sinh lắng nghe tởng tợng, hiệu dạy học cha cao Để khắc phục tợng cần có số giải pháp thực thi tự chế tạo thiết bị thí nghiệm vừa có chất lợng cao, vừa rẻ tiền vừa dễ tự chế tạo Ngày với việc phát triển mạnh mẽ ngành công nghệ thông tin đà kéo theo phát triển ngành kỹ thuật khác có ngành kỹ thuật điện tử công nghệ tự động hoá Với hỗ trợ lĩnh vực đó, thiết bị đồ dùng dạy học có nhiều thay đổi số lợng chất lợng áp dụng số kết công nghệ thông tin kỹ thuật điện tử vào chế tạo thiết bị dạy học mục đích luận văn b Mục đích nghiên cứu luận văn: Luận văn Sử dụng máy tÝnh nh dơng ®o thÝ nghiƯm vËt lý với hỗ trợ Visual Basic có số nhiệm vụ nh sau: Nghiên cứu thành phần thiết bị đo kỹ tht sè c¸c thÝ nghiƯm vËt lý -2- Nghiên cứu đặc tính trình tự động hoá thí nghiệm vật lý Sử dụng phần mềm Visual basic để sử dụng máy tính nh thiết bị đo thí nghiệm vật lý Sử dụng phần mềm Visual basic để xử lý số liệu đo thí nghiệm vật lý Tự tạo số sản phẩm minh hoạ ý tởng c Nội dung luận văn : Với mục đích luận văn phần mở đầu kết luận đợc chia làm hai chơng: Chơng I: Sư dơng m¸y vi tÝnh nh mét thêi kÕ Trong chơng đa giải pháp sử dụng máy tính nh kế đại có nhớ với dung tích lớn.Thì kế đợc sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0 Các bớc chi tiết để viết phần mềm cách sử dụng đà đợc mô tả chi tiết chơng Một sản phẩm minh hoạ kế đợc trình bày Chơng trình đợc chọn mức tối giản dễ hiểu Hy vọng chơng hỗ trợ cho sinh viên tự viết sử dụng thành thạo phần mềm Chơng II: Một số thí nghiệm với hỗ trợ máy tính Với kết đà thu đợc chơng trên, chơng đa mét sè thÝ nghiƯm cã sư dơng kÕt qu¶ Ba thí nghiệm chọn là: Khảo sát tợng tích nạp tụ điện Dao động lắc kép Con lắc thuận nghịch Các thí nghiệm đà đợc mua theo dự án mức B đại học Tuy nhiên, tiến hành sử dụng số vấn đề cần lu ý: Đồng hồ bấm giây kỹ thuật số hÃng Leybol sử dụng rờm rà, nhiều nút sử dụng khó sử dụng Các thí nghiệm cha đợc kết nối với máy tính Để cải tiến thí nghiệm này, đà phân tích kỹ lại thí nghiệm từ đa điểm cần khắc phục Sử dụng máy tính nh kế có nhớ cải tiến lớn cho thí nghiệm Không sử dụng máy tính nh dụng cụ đo, chơng sử dụng máy tính để vẽ đồ thị xác định số thời gian cho trình tích nạp tụ điện qua điện trở -3- Tơng tự nh vËy thiÕt bÞ cã thĨ sư dơng cho thÝ nghiƯm khảo sát dao động lắc kép lắc thuận nghịch d ý nghĩa thực tiễn luận văn: Luận văn Sử dụng máy tính nh dụng cụ đo thí nghiệm vật lý với hỗ trợ Visual Basic đề tài áp dụng cho giáo viên phổ thông sinh viên vật lý chế tạo dụng cụ đo áp dụng giảng dạy Hy vọng, kết đà đạt đợc luận văn đợc giáo viên Trung học Phổ thông (THPT), sinh viên áp dụng nâng cấp giáo viên tự thiết kế phần mềm tơng tự thí nghiệm ảo nâng cao chất lợng giảng dạy thực hành vật lý Chơng I Sư dơng m¸y vi tÝnh nh mét thêi kÕ Đo thời gian phép đo thờng gặp thí nghiệm vật lý Trong phòng thí nghiệm vật lý kế thờng dùng đồng hồ bấm giây học đồng hồ bấm giây hiển thị hình LCD (tinh thể lỏng) mini Các loại đồng hồ dễ hỏng nhớ, nên không thật tiện lợi làm thí nghiệm Trong chơng này, đề xớng giải pháp sử dụng máy vi tính nh đồng hồ bấm giây có nhiều chức năng, độ xác cao liên thông với nhiều phần mềm khác để xử lý số liệu thí nghiệm Có nhiều phơng pháp khác thực công việc Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp chọn giải pháp với phần mềm Visual Basic Giải pháp giúp giáo viên, sinh viên tự làm đợc không đòi hỏi phải có đầu t nhiều kiến thức công nghệ thông tin Để làm đợc việc đó, trớc hết xin trình bày chi tiết vấn đề liên quan 1.1 Các thành phần dự án visual basic -4- H 1.1 Thành phần Form Một dự án lớn dần trở nên phức tạp, chí chứa dự án có kiểu dự án khác Tuy nhiên, nhìn từ quan điểm lập trình, dự án có ba thành phần chính: Form, Module thành phần toàn cục Form Form nơi đặt thành phần điều khiển ứng dụng, tạo giao diện cho ứng dụng Các cửa sổ ứng dụng đợc thiết kế từ Khi tạo dự án, ta thấy Form có dạng nh hình H1.1 Module Thành phần chứa mà thực thi ứng dụng Mà đợc thể qua thủ tục hàm ứng dụng Mỗi thủ tục hàm thực theo chức riêng Chúng ta tự định nghĩa hàm thủ tục chơng trình Các phần mà chơng trình không nhìn thấy đợc ta chạy chơng trình Module có dạng nh sau: -5- H.1 Cửa sổ thành phần Module Thành phần toàn cục Thành phần truy cập đến tất module Form dự án Để có thành phần toàn cục ta khai báo từ khoá Public Tuy nhiên ta nên sử dụng thành phần toàn cục tốt Trong thực tế ta sử dụng thành phần toàn cục cần liên kết thông tin Form 1.2 Thiết kế kế với Visual Basic Trong phần trình bày giải pháp sử dụng máy vi tÝnh nh mét th× kÕ, cã thĨ sư dơng nhiều thí nghiệm vật lý Sau cài đặt xong Visiual basic 6.0 thành công, ta tạo dự án (project) máy vi tính hoạt động nh ®ång hå -6- H 1.3 C¸ch khëi ®éng Visual Basic NhÊn nót Start cđa Windows > chän all programs > chọn Microsoft Visual Basic 6.0 nh hình H.1.3 Hộp thoại “New Project” xt hiƯn nh h×nh H.1.4 H 1.4 Hép thoại chọn dự án Chọn Standard exe Trên hình xuất Form Nhấn chọn nút điều khiển Label1 hộp công cụ vẽ lên Form1 (nhấn giữ chuột theo hớng từ xuống dới, từ trái sang phải) Trong cửa sổ Properties-Label1 bên phải hình, tìm dòng Caption xoá bỏ chuỗi Label1 thay vào dòng chữ 0.00 Tìm dòng Alignment chọn vị trí cho Label1 Tìm dòng Font nhấn chọn nút ( ), hộp danh sách Size hộp thoại vừa xuất hiện, chọn bấm kích thớc cỡ chữ theo ý muốn Tìm dòng Forecolor nhấn chuột phía phải hộp thoại xuất cửa số pallete system chọn pallete, chọn màu chữ theo ý muốn Trong ví dụ chọn font cỡ chữ 36 màu chữ số màu đỏ (red) Tiếp theo, nhấp đôi chuột lên điều khiển Timer Điều khiển Timer1 xuất Form1 Điều khiển không nhìn thấy đợc chạy chơng trình Trong cửa sổ Properties-Timer1 bên phải hình, tìm dòng Interval nhập vào giá trị theo ý muốn (phụ thuộc thời gian đếm giây hay phần trăm giây) Vào dòng Enable xoá dòng True thay vào False Lúc Form1 có dạng -7- H 1.5 Form1 với điều khiển Label1 Timer1 Vào hộp công cụ nhấp đôi chuột lên điều khiển CommandButton nút command1 xuất Form1 Vào Properties chọn Caption xoá dòng command1 thay vào dòng Start Nhấp đôi chuột lần lên điều khiển CommandButton nút command2 xuất Form1 Vào Properties chọn Caption xoá dòng command2 thay vào dòng Stop Trên Form1 có dạng nh sau: H1.6 Thành phần Form đồng hồ số Bây ta bắt đầu viết phần mềm cho Form: Đầu tiên ta khai báo biến: T1 Tg số thập phân (currency) Nhấn chuột vào nút Start Trên cửa sỉ th¶o m· lƯnh ta viÕt nh sau: Private Sub Command1_Click() Timer1.Enabled = True T1 = Timer -8- End Sub Nhấp chuột vào nút Stop Trên cửa sổ thảo m· lÖnh ta viÕt nh sau: Private Sub Command2_Click() Timer1.Enabled = False End Sub Nhấp chuột vào đồng hồ Trên cửa sổ thảo mà lệnh ta soạn câu lệnh: Private Sub Timer1_Timer() Tg = Timer - T1 Label1.Caption = Tg End Sub Nh công việc ta đà hoàn thành Sử dụng đồng hồ nh sau: Chọn phím Start chạy chơng trình Vào Open project chọn th mục đà chọn Vào công cụ nhấp chuột vào nút Play Trên hình xuất đồng hồ nh hình vẽ H 1.7 Màn hình tổng quan Visual Basic Nhấp chuột vào nút START đồng hồ bắt đầu hoạt động Nhấp chuột vào nút STOP đồng hồ dừng lại -9- Chú ý: Ta trang trí đồng hồ cách chọn màu toàn cảnh Cách làm tơng tự: Tìm dòng Backcolor nhấn chuột phía phải hộp thoại xuất cửa sổ pallete system chọn pallete, chọn màu chữ theo ý muốn Chơng II Một số thí nghiệm với hỗ trợ máy tính Sử dụng công nghệ thông tin vào đời sống xu hớng phát triển nay, có việc đa sản phẩm công nghệ thông tin vào dạy học Trong chơng trình bày giải pháp sử dụng phần mềm Visual Basic vào giảng dạy thực hành vật lý Với hỗ trợ phần mềm tự tạo lấy dụng cụ đo, máy tính đóng vai trò vi xử lý đồng thời thực mạnh đồ hoạ xử lý kết nhiệm vụ khác Việc áp dụng phần mềm Window vào thí nghiệm vật lý việc làm cần thiết Trong phép đo thí nghiệm vật lý, thời gian thông số Tuy nhiên, thực phép đo thời gian ta thờng gặp số khó khăn nh sau: Thời gian đo nhanh Cần lu lại thời gian đo Đo thời gian nhiều chuyển động lúc vv Để khắc phục khó khăn trên, đa giải pháp dùng máy vi tính nh kế có nhớ xử lý kết Để minh hoạ vấn đề đà trình bày trên, sau xin trình bày số thí nghiệm đợc hỗ trợ với phần mềm Visual Basic I THí nghiệm 1: Khảo sát tợng tích phóng tụ điện với hỗ trợ máy tính Thí nghiệm khảo sát tợng tích phóng tụ điện thí nghiệm đợc sử dụng phòng thí nghiệm khoa Vật lý Đại học Vinh Trong thí nghiệm này, thờng phải đo đồng thời hai thông số lúc thời gian điện áp má tụ, nên lần làm thí nghiệm phải có hai sinh viên tham gia Trêng §H Vinh võa míi mua mét bé cđa h·ng Leybol Trong thí nghiệm có sử dụng đồng hồ bấm giây kỹ thuật số Mặc dù đồng hồ có lắp thêm nhớ nhng khó sử dụng hệ thống công tắc bấm dụng cụ đo Để khắc phục khó khăn sử dụng máy tính nh đồng hồ bấm giây có nhớ đồng thời thiết bị xử lý số liệu thực nghiệm đà thu đợc nh: - 10 - Public Sub Vediemhinhtrondac1(ByVal x As Integer, ByVal y As Integer, color As Long) Picture1.FillStyle = Picture1.FillColor = color Picture1.Circle (x, y), 4, color ' x,y la toa do, la ban kinh pixel, color la mau End Sub Private Sub Timer1_Timer() step = Timer - tg Label1.Caption = step End Sub II ThÝ nghiƯm 2: §o gia tèc träng trờng lắc thuận nghịch Thí nghiệm Đo gia tốc trọng trờng lắc thuận nghịch thí nghiệm thờng đợc sử dụng phòng thí nghiệm đại cơng Trong thí nghiệm đồng hồ bấm giây đợc sử dụng để đo chu kỳ dao động Dĩ nhiên, ta tăng số lần đo lấy trung bình kết đo xác Các đồng hồ bấm giây thông thờng nhớ trong, lu lại kết chu kỳ đà ghi Sau giải pháp khắc phục khó khăn Trong giải pháp kết đợc máy tính xử lý Trớc hết xin trình bày lại thí nghiệm A Mục đích thí nghiệm: Khảo sát dao động lắc thuận nghịch Xác định gia tốc trọng trờng B Cơ sở lý thuyết: Con lắc thuận nghịch hay lắc vật lý vật rắn khối lợng m dao động quanh hai trục cố định nằm ngang đặt điểm O1 O2 đờng thẳng qua trọng tâm G lắc, cho chu kỳ dao động lắc trục O1, O2 có giá trị - 18 - vị trí cân bằng, đờng thẳng O1GO2 lắc trùng với phơng thẳng đứng Khi kéo lắc lệch khỏi vị trí cân góc lệch a nhỏ, buông thành phần P1 trọng lực P tác dụng lên lắc mômen lực m1 bằng: m1=- P1.l1= - mgl1.sina Hay m1» -mgl1.a (2.2.1) Víi g lµ gia tèc träng trờng, l1 khoảng cách từ điểm O1 đến trọng tâm G, dấu (-) cho biết mômen lực m1 kéo lắc quay ngợc chiều với góc lệch a áp dụng phơng trình chuyển O1 a P1 động quay lắc quanh trục qua ®iĨm O1, ta cã: 1  G O2 m1 P P2 (2.2.2) I1 d a2 gia tốc góc I1 mômen quán tính lắc đối dt với trục quay ®i qua ®iĨm O1 Thay (2.2.1) vµo (2.2.2), ta nhËn đợc phơng trình vi phân dao động điều hoà: d 2a   12 a 0 dt Víi   mgl1 I1 (2.2.3) NghiƯm cđa ph¬ng trình (2.2.3) có dạng: a a cos(1.t ) (2.2.4) Trong a0 biên độ, tần số góc pha ban đầu thời điểm t = Từ (2.2.4), ta suy chu kú dao ®éng T1 (theo chiỊu thn) cđa l¾c b»ng: T1  2 1 2 - 19 - I1 mgl1 (2.2.5) Nếu đảo ngợc lắc, cho nã dao ®éng quanh trơc ®i qua ®iĨm O2 tính toán tơng tự nh trên, ta tìm đợc chu kỳ dao động T2 (theo chiều nghịch) l¾c b»ng: T2  2 I2 2 2 mgl2 (2.2.6) Với L2 khoảng cách từ điểm O2 đến trọng tâm G I2 mômen quán tính lắc trục quay qua điểm O2 Gọi IG mômen quán tính lắc trục quay qua trọng tâm G song song với hai trục qua O1 O2, theo định lý Huyghen - Stênơ ta có: I I G  ml12 (2.2.7) Hay I I G ml22 (2.2.8) Từ công thức (2.2.5) - (2.2.7) suy ra: T12l1 g  T22l2 g 4 (l12  l22 ) g 4 (l1  l2 )(l1  l2 ) T12l1  T22l2 (2.2.9) Trong trêng hỵp, chọn giá trị thích hợp l1 l2 cho T1 ằ T2=T, công thức (2.2.9) sÏ trë thµnh : g 4 L T2 Víi L=l1+l2 khoảng cách hai điểm O1 O2 - 20 - (2.2.10) ... trình tự động hoá thí nghiệm vật lý Sử dụng phần mềm Visual basic để sử dụng máy tính nh thiết bị đo thí nghiệm vật lý Sử dụng phần mềm Visual basic để xử lý số liệu đo thí nghiệm vật lý Tự tạo số... tiễn luận văn: Luận văn Sử dụng máy tính nh dụng cụ đo thí nghiệm vật lý với hỗ trợ Visual Basic đề tài áp dụng cho giáo viên phổ thông sinh viên vật lý chế tạo dụng cụ đo áp dụng giảng dạy Hy vọng,... chơng hỗ trợ cho sinh viên tự viết sử dụng thành thạo phần mềm Chơng II: Một số thí nghiệm với hỗ trợ máy tính Với kết đà thu đợc chơng trên, chơng đa số thí nghiệm có sử dụng kết Ba thí nghiệm