8. Những đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
2.6. Kết luận chương 2
Việc đề xuất và thực hiện các cải tiến chiếm nhiều thời gian nhất trong tổng thời gian làm luận văn của tôi, bởi vì tất cả những ý kiến đưa ra không phải lúc nào cũng đúng, cũng đảm bảo yêu cầu đối với thiết bị thí nghiệm thực hành. Có những cải tiến đã có nhiều người làm, đã được trình bày trong nhiều quyển sách tham khảo và tôi chỉ học tập làm theo, cụ thể là những cải tiến sau:
1. Tăng độ chính xác của phép đo hệ số ma sát trượt.
2. Xác định hệ số ma sát trượt giữa gỗ - gỗ với giá đỡ và kẹp đa năng. 3. Thiết kế chữ L trong suốt thay thế cho số 1 chắn sáng.
Hoàn thành được nội dung của chương này là cả một sự nỗ lực rất lớn của bản thân, cho dù những cải tiến này không có gì đặc biệt lớn lao và chưa được kiểm nghiệm trong thực tế ở phạm vi rộng nhưng ít nhất nó cũng khích lệ việc nghiên cứu tìm giải pháp khắc phục những khó khăn trong quá trình làm thí nghiệm thực hành. Những thành công bước đầu của những cải tiến ở một số thí nghiệm thực hành đã tạo cho tôi thêm niềm tin trong việc tiếp tục suy nghĩ những cải tiến mới ở các thí nghiệm thực hành khác.
Do quá trình làm luận văn kéo dài và cũng xác định ngay từ đầu là những cải tiến thực hiện với mục đích giúp cho các thí nghiệm thực hành được tiến hành đơn giản và hiệu quả hơn, không đề cập tới tiết dạy học các thí nghiệm thực hành đã cải tiến này đạt hiệu quả ra sao nên tôi không tiến hành thực nghiệm sư phạm mà chỉ đánh giá kết quả cải tiến bằng các số liệu chủ quan của mình và những ý kiến đóng góp từ GV và HS. Chính vì vậy mà tôi không thể khẳng định chắc chắc rằng người khác tiến hành lại các cải tiến cũng sẽ thu được những kết quả khả quan như tôi đã thu được. Tuy nhiên, tôi vẫn khẳng định các cải tiến là có hiệu quả.
CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ TRUNG
HỌC PHỔ THÔNG 3.1. Đo hệ số ma sát trượt giữa giấy và thép
Đặc điểm của bộ thiết bị hiện tại cho phép đo hệ số ma sát trượt giữa các bề mặt khác nhau. Trong thí nghiệm này, tôi sử dụng một đoạn giấy khổ A3 và ép vào bề mặt máng, đảm bảo mặt giấy phẳng lì để không làm gia tốc của vật thay đổi.
Hình 3.1 – Bộ thiết bị sau khi thay bề mặt nhôm bằng giấy khổ A3.
Các kết quả đo đạc được trình bày trong bảng 3.1 và 3.2 bên dưới:
Bảng 3.1 - Kết quả đoµt dùng 1 cổng quang với chế độ MODE A
- Quãng đường: s = 600,0 ± 0,5 (mm) - Góc nghiêng: α = 300± 0,50 - Đường kính khối trụ: d = 29,90 ± 0,02 (mm)
- Lấy g = 9,79 m/s2(gia tốc g ở TPHCM theo SGK cơ bản) Lần ∆t (s) v = d/∆t (m/s) 2 t v tan 2gs cos µ = α − α ∆µt 1 0,027 1,107 0,4569 0,0028 2 0,027 1,107 0,4569 0,0028 3 0,028 1,068 0,4652 0,0055 TB 0,4597 0,0037 Sai số tỉ đối 0,8%
Bảng 3.2 - Kết quả đoµt dùng 2 cổng quang với chế độ MODE A↔B.
- Các số liệu: α = 300, OA = 20 cm, s = 60 cm
- Lấy g = 9,79 m/s2(gia tốc g ở TPHCM theo SGK cơ bản)
Lần t (s) ( )2 2 A B 2 OB OA a t → − = tan cos = − t a g µ α α ∆µt 1 0,495 0,875 0,4741 0,0002 2 0,495 0,875 0,4741 0,0002 3 0,493 0,882 0,4733 0,0006 4 0,495 0,875 0,4741 0,0002 5 0,494 0,878 0,4737 0,0002 TB 0,4739 0,0003 Sai số tỉ đối 0,06% Một số nhận xét:
- Số liệu thu được đạt độ ổn định khá lớn, sai số của phép đo nhỏ.
- Sau một thời gian sử dụng, bề mặt của máng nhôm xuất hiện những vết xước làm cho sự không đồng đều độ nhám bề mặt tăng lên, chuyển động của vật khi đó sẽ bị ảnh hưởng. Để bộ thiết bị vẫn sử dụng được thì GV cần chuyển yêu cầu trong SGK thành đo hệ số ma sát trượt giữa giấy và thép. Cũng có thể chia đôi các nhóm cho tiến hành song song hai thí nghiệm, từ sự so sánh kết quả HS sẽ khắc sâu kiến thức
hệ số ma sát phụ thuộc bản chất hai bề mặt tiếp xúc. Cách làm này còn đạt yêu cầu về tính kinh tế, mỗi mẩu giấy có thể sử dụng trong một đợt thí nghiệm với 10 lớp.
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng đến kết quả đo hệ số ma sát trượt theo phương pháp động lực học. trượt theo phương pháp động lực học.
Với thí nghiệm thực hành này, có ý kiến cho rằng nên tiến hành với các góc nghiêng trong khoảng 300 đến 350
. Vậy lời khuyên trên xuất phát từ lí do nào vì theo lí thuyết, với mọi góc nghiêng lớn hơn góc giới hạn thì vật đều trượt. Để tìm lời giải thích, trước tiên tôi thực hiện đo hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt thép – nhôm và thép – giấy bằng bộ thiết bị dùng hai cổng quang với các góc nghiêng khác nhau. Số liệu đo đạc được ghi lại trong các bảng 3.3 và 3.4 bên dưới.
Bảng 3.3 - Các số liệu thực nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt thép – nhôm với các góc nghiêng khác nhau
Vật đặt tại O cách cổng quang 1 một đoạn bằng 20 cm (OA = 20 cm, OB = 60 cm). Lấy g = 9,79 m/s2(gia tốc g ở Thành phố Hồ Chí Minh theo SGK cơ bản).
Góc α tA → B tA→B a µt 450 0,237 0,235 0,238 0,237 0,235 0,2364 3,8357 0,4459 400 0,281 0,272 0,276 0,275 0,275 0,2758 2,8181 0,4633 350 0,325 0,317 0,309 0,314 0,346 0,3222 2,0649 0,4427 300 0,445 0,395 0,423 0,436 0,424 0,4246 1,1890 0,4371 250 0,594 0,521 0,526 0,621 0,547 0,5618 0,0677 0,4587
Bảng 3.4 - Các số liệu thực nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt thép – giấy với các góc nghiêng khác nhau
Vật đặt tại O cách cổng quang 1 một đoạn bằng 1 cm (OA = 1 cm, OB = 41 cm). Lấy g = 9,79 m/s2(gia tốc g ở Thành phố Hồ Chí Minh theo SGK cơ bản).
Góc α tA → B tA→B a µt
450 0,395 0,408 0,412 0,391 0,400 0,4012 3,6274 0,4760 400 0,423 0,441 0,455 0,447 0,457 0,4446 2,9538 0,4452 350 0,459 0,456 0,478 0,480 0,509 0,4764 2,5726 0,3794
300 0,501 0,505 0,505 0,492 0,491 0,4988 2,3468 0,3006 250 0,586 0,586 0,586 0,588 0,584 0,5860 1,7003 0,2747
Một số nhận xét:
- Giá trị µt của hai bề mặt tiếp xúc nhôm và thép theo SGK cơ bản là 0,47. Do trên thị trường có nhiều loại thép khác nhau nên kết quả trên chấp nhận được. Hiện tôi không có số liệu về giá trị µt của hai bề mặt tiếp xúc giấy và thép nên không thể kiểm định kết quả đo của mình có mức độ chính xác tới đâu.
- Các số liệu cho thấy với các góc nghiêng đều có thể tiến hành thí nghiệm. Nhưng theo tôi phải khẳng định nên tiến hành với các góc lân cận 350 vì hai lí do sau: + Với góc nhỏ quá thì khi đặt lên máng vật có thể trượt nhưng không trượt hết quãng đường cần đo thời gian. Thông thường, lực ma sát trượt tác dụng khi có chuyển động thì nhỏ hơn giá trị cực đại của lực ma sát nghỉ khi không có chuyển động. Do đó, tại góc nghiêng αo vật bắt đầu trượt (lực kéo tác dụng lên vật khi đó là mgsinαo) thì tại góc nghiêng αnhỏ hơn αo một ít vật sẽ trượt với tốc độ không đổi. + Với góc lớn quá thì khi trượt xuống chân máng vật có động năng lớn làm hư hộp đỡ. Mặt khác, theo lí thuyết, giá trị của hệ số ma sát trượt có phụ thuộc vào tốc độ của vật vì khi một mặt kim loại khô trượt lên một mặt kim loại khác thì có những mảnh kim loại tí xíu được xé ra khỏi mỗi mặt này, điều này làm độ nhám bề mặt thay đổi. Chưa kể trụ thép là một vật rắn có kích thước, với những góc lớn thì khả năng vật thực hiện chuyển động quay trước chuyển động trượt là rất cao.
3.3. Đo hệ số căng bề mặt của nước nguyên chất với những khung nhôm có hình dạng đường chu vi mặt ngoài khác nhau. nhôm có hình dạng đường chu vi mặt ngoài khác nhau.
Một câu hỏi được nhiều GV và HS đặt ra với bộ thiết bị này là tại sao lại sử dụng vòng nhôm tròn, có thể thực hiện với các khung nhôm có hình dạng khác không? Theo lí thuyết thì độ lớn của lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn thẳng của đường giới hạn bề mặt tỉ lệ với chiều dài đoạn đó, tức là ta có thể làm thí nghiệm với các khung nhôm có hình dạng khác nhau. Thực hiện các thí nghiệm với vòng nhôm tròn và các khung nhôm hình chữ nhật để cùng đo hệ số căng bề mặt của nước cất ở 31,60C, tôi thu được các kết quả ghi trong bảng 3.5 bên dưới:
Bảng 3.5: Kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước nguyên chất với những khung nhôm có hình dạng đường chu vi mặt ngoài khác nhau.
Vòng nhôm tròn Khung nhôm hình chữ nhật 1 - Chu vi ngoài: 2.3,14.49,88 = 313,2464 mm - Chu vi trong: 2.3,14.48,30 = 308,2852 mm - Trọng lượng: P = 0,038 N - Lực kéo bứt màng nước: F = 0,059 N - Giá trị σ: 68,1.10-3 N/m - Chu vi ngoài: (38,20 + 25,16).2 = 126,72 mm - Chu vi trong: (36,60 + 23,74).2 = 120,68 mm - Trọng lượng: P = 0,025 N - Lực kéo bứt màng nước: F = 0,040 N - Giá trị σ: 60,6.10-3 N/m
Khung nhôm hình chữ nhật 2 Khung nhôm hình chữ nhật 3 - Chu vi ngoài: (50,70 + 24,60).2 = 150,6 mm - Chu vi trong: (48,80 + 23,42).2 = 144,44 mm - Trọng lượng: P = 0,031 N - Lực kéo bứt màng nước: F = 0,048 N - Giá trị σ: 57,6.10-3 N/m - Chu vi ngoài: (76,10 + 37,80).2 = 227,8 mm - Chu vi trong: (74,14 + 36,48).2 = 221,24 mm - Trọng lượng: P = 0,059 N - Lực kéo bứt màng nước: F = 0,079 N - Giá trị σ: 44,5.10-3 N/m
Hình 3.2 - Các khung nhôm vuông, chữ nhật và tấm nhôm dùng trong thí nghiệm.
Một số nhận xét:
- Kết quả thu được với vòng nhôm tròn là gần nhất với số liệu ghi trong các sách tra cứu. Có thể chỉ ra nguyên nhân ở đây là tại 4 đỉnh hình chữ nhật là các điểm kì dị, hình dạng màng chất lỏng sẽ khác đi so với vòng nhôm tròn, khi đó tổng lực căng bề mặt lúc màng chất lỏng bứt ra không bằng tích của hệ số căng bề mặt và tổng chu vi đường giới hạn như trường hợp vòng nhôm tròn.
- Tiến hành với khung nhôm vuông tôi gặp khá nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm và thực hiện đo đạc. Dù chọn khung có cạnh 3 mm, cao chỉ 8 mm nhưng trọng lượng của khung đã gần đạt tới giới hạn đo của lực kế là 0,01 N của bộ thiết bị đại trà. Nếu sử dụng lực kế có giới hạn đo lớn hơn thì lại có ĐCNN lớn hơn nên việc so sánh các số liệu đo được sẽ khập khiễng. Vì vậy tôi không thực hiện phép đo này. - Rất khó thực hiện thí nghiệm với đường giới hạn chỉ là một đoạn thẳng bằng tấm nhôm phẳng vì không đảm bảo được sự tiếp xúc đều của cạnh tấm nhôm với mặt nước, dẫn đến khi hạ mực nước xuống thì một phần của cạnh bị tách trước làm cho toàn bộ phần nhôm tiếp xúc nhanh chóng bứt ra.
3.4. Kiểm nghiệm lại sự phụ thuộc của hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic vào nhiệt độ. rượu etylic vào nhiệt độ.
Theo lí thuyết, hệ số căng bề mặt của chất lỏng phụ thuộc nhiệt độ, cụ thể là giảm khi nhiệt độ tăng. Giá trị hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic ở các nhiệt độ khác nhau đã được ghi trong tài liệu của các tác giả nước ngoài [10], [11]:
Bảng 3.6 - Giá trị hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic ở các nhiệt độ khác nhau được ghi trong một số tài liệu nước ngoài.
t (0C) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 300 σnước (mN/m) 75,6 71,18 66,18 60,75 54,9 48,63 42,225 35,4 28,57 14,4 σrượu (mN/m) 24,4 21,9 19,2 16,4 13,4 10,1 6,7 3,3 0,1 - Dụng cụ để tiến hành là bộ thí nghiệm đại trà và cảm biến đo nhiệt độ (hoặc nhiệt kế thông thường). Để có kết quả đo ứng với các nhiệt độ khác nhau trong một thời gian xác định, tôi thực hiện thay đổi nhiệt độ của chất lỏng bằng hai cách sau: - Cách 1: đun chất lỏng đến nhiệt độ cao (thấp hơn nhiệt độ sôi) rồi đổ vào một cốc của bình thông nhau, cốc này đặt trong một chậu điều nhiệt lớn.
- Cách 2: đặt cốc đựng chất lỏng ở nhiệt độ thấp (khoảng 200C) vào trong chậu điều nhiệt lớn chứa nước nóng ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi.
Thực hiện thí nghiệm với cách 1, tôi thu được kết quả sau: - Trọng lượng vòng nhôm: P = 0,043 N
- Đường kính ngoài và đường kính trong của vòng nhôm:
D=49, 64mm; d =48, 04 mm⇒ = πL (D+d)=3,14.(49, 64+48, 04)=306, 72 mm - Giá trị hệ số căng bề mặt của nước ở các nhiệt độ được ghi trong bảng 3.7:
Bảng 3.7 - Kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước ở một số nhiệt độ.
Nhiệt độ (0
C) F (N) F (N) c σ (N/m)
30,3 0,064 0,021 0,0685
51,3 0,059 0,016 0,0522 68,1 0,058 0,015 0,0489 71,0 0,056 0,013 0,0424 77,8 0,052 0,009 0,0293 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0 20 40 60 80 100 nhiet do h e so can g b e m at cu a n u o c s
Hình 3.3 - Đồ thị biểu diễn kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước theo nhiệt độ.
- Giá trị hệ số căng bề mặt của rượu etylic ở các nhiệt độ được ghi trong bảng 3.8
Bảng 3.8 - Kết quả đo hệ số căng bề mặt của rượu etylic 960ở một số nhiệt độ.
Nhiệt độ (0C) F (N) Fc (N) σ (N/m) 29,0 0,052 (5) 0,009 0,0293 50,5 0,051 (5) 0,008 0,0261 Một số nhận xét:
- Kết quả thu được giống với các kết luận lí thuyết và thực nghiệm đã có. Do hệ số căng bề mặt của rượu thay đổi ít theo nhiệt độ nên tôi chỉ thu được 2 số liệu.
- Trong thí nghiệm tôi dùng cồn trắng 960 lấy ở phòng thí nghiệm Hóa (không dùng cồn xanh ở ngoài bán vì trong nó có chất tạo màu nên chắc chắn đã làm thay đổi chút ít bản chất của cồn nguyên chất).
Hình 3.4- Bộ dụng cụ đo hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic theo nhiệt độ.
3.5. Kết luận chương 3
Các TNTH mở rộng trên đây do tôi đề xuất và đã nhận được sự góp ý của Thầy hướng dẫn. Qua đó cho thấy rằng nếu có điều kiện thì GV không chỉ cho HS thực hiện những yêu cầu trong SGK không thôi mà nên khai thác tối đa hết chức năng của các bộ dụng cụ trong hoàn cảnh thiếu thiết bị thí nghiệm Vật lí cung cấp cho các trường học hoặc có nhưng không đạt yêu cầu chất lượng.
KẾT LUẬN CHUNG
Đối chiếu với mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài, luận văn đã đạt được một số kết quả sau:
Nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Tìm hiểu về TN Vật lí nói chung và TNTH Vật lí nói riêng về đặc điểm, vai trò, những yêu cầu về mặt kĩ thuật và phương pháp dạy học, các phương pháp đánh giá và biểu diễn kết quả phép đo, các yêu cầu cơ bản trong việc chế tạo thiết bị TNTH, những thuận lợi và khó khăn khi dạy và học các bài TNTH trong cả hai chương trình chuẩn và nâng cao hiện nay.
- Tình trạng thiết bị và những khó khăn gặp phải khi tiến hành các TNTH trên các bộ thiết bị hiện có ở các trường phổ thông. Kết quả điều tra giúp tôi chọn ra một số TNTH cần cải tiến và có thể cải tiến về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành trong khả năng của mình.