8. Những đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
2.1. Thí nghiệm đo hệ số ma sát theo phương pháp động lực học
2.1.1. Tăng độ chính xác của phép đo hệ số ma sát nghỉ
Từ lí thuyết ta thấy giá trị hệ số ma sát nghỉ cần xác định sẽ càng gần giá trị thực nếu giá trị góc nghiêng đo được khi vật bắt đầu trượt càng chính xác, độ chính xác này không chỉ phụ thuộc vào thao tác thực hiện mà còn phụ thuộc độ chính xác của dụng cụ đo. Chỉ cần một sự thay đổi rất nhỏ của góc nghiêng thì vật cũng có thể chuyển sang trạng thái trượt. Trong bộ thí nghiệm, thước đo góc được gắn trên máng nhôm giúp đọc trực tiếp giá trị góc nghiêng, không phải đo gián tiếp góc qua các chiều dài, tuy nhiên sợi dây dọi của thước có kích thước lớn gần ngang bằng khoảng độ chia nhỏ nhất của thước đo góc nên không thể đọc chính xác góc được.
→Cải tiến về mặt thiết bị
Cải tiến 1: Thay dây dọi ở thước đo góc bằng sợi dây chỉ mảnh, có chú ý đảm bảo điểm đầu dây dọi trùng gốc của thước.
Cải tiến 2: Thay thước đo góc của bộ thí nghiệm bằng thước đo góc tự chế vẽ trên giấy bìa cứng có độ chia nhỏ hơn.
Khi dùng thước đo độ để đo góc α, sai số tỉ đối trong phép đo góc khoảng 3 - 5%. Từ nhận xét rằng nếu kéo dài các vạch trên thước đo góc thì với cùng một góc ở tâm ta sẽ có các cung chắn có chiều dài lớn bé khác nhau. Do đó, khi làm thước đo góc lớn hơn, ta có thể tạo ra độ chia nhỏ nhất là 0,50
hay 0,250. Có thể gắn thước tại giữa hoặc đầu máng bằng băng keo hai mặt.
Hình 2.2 - Thước đo góc tự chế bằng giấy rôki.
Cải tiến 3: Chế tạo cơ cấu nâng hạ máng nghiêng thay cho việc dùng tay
Như đã phân tích, để giảm sai số phép đo hệ số ma sát nghỉ ta cần giảm sai số trong việc đo góc. Sau khi tăng độ chính xác của thước đo góc, tôi khắc phục sai số do chủ quan của người thực hiện bằng việc chế tạo một giá đỡ có thể thay đổi độ cao sử dụng ván ép và bùlong. Việc chế tạo không mất nhiều thời gian, có thể chế tạo số lượng nhiều với chi phí thấp và chủ yếu dùng khi cần thực hiện thí nghiệm nghiên cứu.
Hình 2.3 - Bộ thí nghiệm đo hệ số ma sát nghỉ với giá đỡ thay đổi độ cao.
2.1.2. Tăng độ chính xác của phép đo hệ số ma sát trượt
Đo hệ số ma sát khi vật đang chuyển động trượt trên mặt phẳng nghiêng thông qua đo gia tốc a và góc nghiêng α đã được đánh giá là một phương pháp đo khách quan và cho kết quả đáng tin cậy hơn các phương pháp khác. Nhưng do đây thực chất là bộ thí nghiệm rơi tự do chuyển thành nên cũng gặp khó khăn khi sử dụng hệ thống công tắt đóng ngắt: Thời gian bấm công tắc không phải bằng 0 mà mất một khoảng nhất định, để kiểm nghiệm ta cắm chốt của công tắc vào cổng A (hay B), chuyển mạch về MODE A (hay MODE B) và bấm công tắc thì thời gian hiển thị trên đồng hồ là thời gian công tắc ngắt điện.
Nguyên lí đo thời gian của hệ thống công tắc - đồng hồ như sau: Khi khóa K mở (nhấn nút trên hộp công tắc), đồng hồ đo thời gian bắt đầu đếm. Thời điểm đó tương ứng với vật khảo sát bắt đầu chuyển động. Nếu chùm tia hồng ngoại tại cổng quang E bị ngắt thì đồng hồ ngừng đếm. Điều này xảy ra khi vật hình trụ đi đến cổng E và bắt đầu chắn tia. Như vậy, có thể xác định thời gian tính từ thời điểm bắt đầu trượt đến thời điểm cổng E bắt đầu bị chắn sáng.
Trong thí nghiệm chỉ dùng một cổng quang điện thì công tắc là dụng cụ tạo xung bắt đầu đếm, còn cổng quang tạo xung ngừng đếm. Thời điểm bắt đầu đếm, cũng là thời điểm vật hình trụ rời khỏi nam châm. Để thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ này thì công tắc phải được thiết kế dạng kép, nghĩa là với một thao tác bấm, công tắc phải vừa ngắt mạch nam châm ngay vừa đồng thời tạo ra xung đếm.
Thực tế, tính không đồng thời của công tắc kép và nam châm đã gây ra sai số đáng kể trong phép đo thời gian, gia tốc a = 2s/t2tính được sẽ nhỏ hơn và kết quả đo
α α µ cos tan g a
t = − sẽ lớn hơn, nhiều khi giá trị tính được lớn hơn cả hệ số ma sát
Hình 2.4 - Nguyên lí đo thời gian của hệ thống đồng hồ đo thời gian và cổng quang điện [2], trong đó: A, B là các ổ cắm 5 chân của đồng hồ; E là cổng quang điện; V là vật trụ; N là nam châm điện; K là công tắc.
ĐếnA Đến B K E D1 D2 V N
Lối ra tạo xung đếm cho đồng hồ Lối ra cấp điện cho nam châm
nghỉ. Thực tế các nhóm có thể giảm sai số bằng cách đo khá nhiều lần và chọn ra những lần đo có kết quả gần nhau, nhưng như thế sẽ tốn khá nhiều thời gian.
→Cải tiến về mặt phương án
Cải tiến 1: đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp động lực học, sử dụng hai cổng quang điện và không dùng nam châm điện.
Cơ sở lí thuyết của phương án đo như sau: khi một vật chuyển động trượt thẳng nhanh dần đều không vận tốc đầu với gia tốc a. Gọi O, A và B lần lượt là vị trí đầu, vị trí khi đi qua cổng quang 1 và 2 của vật. Đặt tA, tB và tA → B lần lượt là thời gian vật đi từ O đến A, O đến B và A đến B. Áp dụng các công thức của chuyển động ta tìm được công thức tính gia tốc của vật là ( )
2 2 2 B A t OA OB a → − = . Đo
góc nghiêng α ta tính được hệ số ma sát trượt, vẫn theo công
thứcµ α α cos tan g a t = − .
Hình 2.6 - Bộ thí nghiệm đo hệ số ma sát sử dụng hai cổng quang.
Cải tiến 2: đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp vận dụng định luật bảo toàn năng lượng, sử dụng một cổng quang và dùng nam châm điện.
Trong tài liệu bồi dưỡng giáo viên thực hiện chương trình SGK lớp 10 THPT môn Vật lí của Bộ GD&ĐT có trình bày một cách đo hệ số ma sát trượt bằng phương pháp vận dụng định luật bảo toàn năng lượng, cơ sở lí thuyết của phương
pháp này là: Nếu một vật nằm trên mặt phẳng nghiêng góc α so với mặt phẳng ngang tại một vị trí có độ cao h so với mặt phẳng ngang thì có thế năng trọng trường
t
W =mgh =mgs sinα. Cho vật trượt xuống không vận tốc đầu từ vị trí đó, sau khi đi được đoạn đường s thì nó có tốc độ v, một phần thế năng ban đầu chuyển thành
động năng 2
d
W =mv / 2, phần còn lại dùng thắng công của lực ma sát trượt
Fmst t A = −µ mg cos .sα . Từ Wt =Wd+ AFmst suy ra 2 t v tan 2gs cos µ = α − α. Xác định v, đo s và α ta sẽ tính được µt.
Các thao tác tiến hành như sau: Đặt máng nghiêng góc α sao cho vật có thể trượt xuống dễ dàng và không dừng giữa chừng. Mở công tắc đồng hồ, nhấn nút RESET cho đồng hồ về giá trị 0000. Đặt đồng hồ ở MODE B. Dịch chuyển cổng quang đến vị trí cách trụ thép một khoảng s. Cho trụ thép trượt không vận tốc đầu từ nam châm xuống chân máng nghiêng, thời gian ∆t hiện trên đồng hồ là thời gian trụ thép chắn cổng quang. Đo đường kính d của khối trụ (bằng thước kẹp) sẽ tính được tốc độ tức thời của nó ở nơi đặt cổng quang theo công thức v = d/∆t.
2.1.3. Thí nghiệm xác định hệ số ma sát trượt giữa gỗ và gỗ
Hiện nay, bộ thiết bị đo hệ số ma sát trượt sử dụng cổng quang điện và đồng hồ đo thời gian hiện số đã được sản xuất đại trà, nhiều trường đã trang bị và sử dụng hiệu quả. Tuy nhiên, bên cạnh đó vẫn còn không ít trường chưa trang bị hoặc có nhưng vì nhiều lí do không dùng được. Do đó, việc GV tự tìm hiểu và tiến hành đo hệ số ma sát trượt giữa gỗ và gỗ theo phương án SGK 10 nâng cao là giải pháp để khắc phục tình trạng trên, hơn nữa các dụng cụ lại dễ tìm và chi phí không lớn. Về bố trí thí nghiệm và hướng dẫn thực hiện của SGK, tôi có một số nhận xét sau: - Lực kế chỉ móc vào điểm cố định như hình thì khó nằm ngang, sự ma sát với vỏ lực kế sẽ làm cho số liệu đọc được trên lực kế không phải là độ lớn lực ma sát trượt. - Việc kéo đều chỉ thực hiện được nếu độ nhám bề mặt không đổi, hơn nữa chuyển động quan sát được có thật sự đều hay không thì cũng khó khẳng định được.
- Với dây kéo được buộc phía cuối khúc gỗ trượt và tư thế kéo dây như hình 25.4 SGK thì người kéo không thể kiểm tra sự không đổi của số chỉ lực kế, cần thêm người đọc số chỉ lực kế khi kéo đều.
→Cải tiến về mặt thiết bị và kĩ thuật tiến hành
Để thay đổi kĩ thuật tiến hành của thí nghiệm, ngoài các dụng cụ như lực kế ống (giới hạn đo 2 N và 5 N), hệ thống giá đỡ (gồm đế 3 chân, trụ thép, khớp đa năng), các khối gỗ và tấm gỗ với bề mặt nhám đều (trên khối gỗ có các lỗ hình trụ tròn để đặt các vật nặng), các tấm giấy rôki, các gia trọng có trọng lượng 0,5 N thì tôi đã sử dụng thêm kẹp đa năng để giữ cho lực kế thật sự nằm ngang.
Với những dụng cụ này, tôi thực hiện các thí nghiệm sau: khảo sát sự phụ thuộc của độ lớn lực ma sát trượt Fmst vào diện tích tiếp xúc giữa hai bề mặt, vào độ lớn của áp lực N, vào vật liệu và tình trạng của hai mặt tiếp xúc.
Hình 2.7 - Bố trí thí nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa gỗ - gỗ với giá đỡ và kẹp đa năng.
Hình 2.8 - Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của lực ma sát trượt vào áp lực.
Hình 2.10 - Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của Fmst vào diện tích tiếp xúc.
2.1.4. Hiệu quả cải tiến Trước khi cải tiến Trước khi cải tiến
- Dây dọi có kích thước khá to so với ĐCNN 1,00đã làm cho việc đọc số đo góc trở nên khó khăn, người đọc phân vân nên đọc giá trị phía trên hay dưới.
- Máng trượt được nâng hạ bằng tay theo cảm tính nên không đều.
- Các nam châm của các bộ thí nghiệm đo hệ số ma sát trượt hoạt động không ổn định, kết quả đo thời gian vẫn phụ thuộc nhiều vào tốc độ bấm.
- Kết quả đoµt trước cải tiến được trình bày trong bảng 2.1 bên dưới:
Bảng 2.1- Kết quả đo µt dùng 1 cổng quang trước cải tiến
Chọn α = 300, s = 60 cm; g = 9,79 m/s2 (gia tốc g ở TPHCM theo SGK cơ bản)
Lần t (s) a (m/s2) µt ∆µt 1 0,346 1,671 0,380 0,004 2 0,344 1,793 0,366 0,018 3 0,341 1,720 0,375 0,009 4 0,359 1,552 0,394 0,010 5 0,370 1,461 0,405 0,021 Trung bình 0,384 0,0124 Sai số tỉ đối 3,2 %
Sau khi cải tiến
- Việc thay dây dọi ở thước đo góc bằng sợi dây chỉ mảnh có kích thước bằng vạch chia giúp cho việc đọc số đo trở nên nhanh chóng.
- Thước đo góc tự chế với độ chia nhỏ nhất 0,50 cho phép đọc giá trị góc đến một số lẻ thập phân, nhờ vậy đã giảm sai số trong việc đo góc.
- Giá đỡ thay đổi độ cao cho phép giảm từ từ góc nghiêng của máng trượt nhưng thực tế cho thấy không cải thiện được tình hình bao nhiêu vì vẫn có tác động đến trạng thái của vật trong quá trình vặn bùlong, không chế được bùlong có bước ren lớn nên việc thay đổi độ cao diễn ra rất chậm, tốn nhiều thời gian làm thí nghiệm. - Việc đo thời gian bằng 2 cổng quang với chế độ MODE A↔B và 1 cổng quang với chế độ MODE A (hoặc MODE B) mà không cần dùng nam châm và hộp công tắc đã giúp thời gian đo ở các lần thí nghiệm không lệch nhau xa như trước nên người đo không cần phải tiến hành nhiều lần thí nghiệm để chọn ra các giá trị gần nhau, tức là đã giảm bớt được khó khăn cho người đo cả về mặt thao tác lẫn thời gian tiến hành. Các kết quả đo µt sau cải tiến được trình bày trong bảng 2.2 và 2.3:
Bảng 2.2 - Kết quả đo µt bằng phương án cải tiến dùng 2 cổng quang với chế độ MODE A↔B, không dùng nam châm và công tắc, bề mặt trượt là nhôm.
Chọn α = 300, OA = 20 cm, s = 60 cm, g = 9,79 m/s2 Lần t (s) a (m/s2) µt ∆µt 1 0,323 2,055 0,335 0,001 2 0,323 2,055 0,335 0,001 3 0,324 2,042 0,336 0 4 0,329 1,980 0,344 0,002 5 0,320 2,093 0,330 0,006 Trung bình 0,336 0,002 Sai số tỉ đối 0,6 %
Bảng 2.3 - Kết quả đoµt bằng phương án cải tiến dùng 1 cổng quang với chế độ MODE A, không dùng nam châm và công tắc, bề mặt trượt là nhôm.
Chọn α = 300± 0,50,s = 600,0 ± 0,5 (mm),d = 29,90 ± 0,02 (mm),g = 9,79 (m/s2) Lần ∆t v = d/∆t µt ∆µt 1 0,019 1,574 0,3338 0,0048 2 0,019 1,574 0,3338 0,0048 3 0,020 1,495 0,3576 0,0190 4 0,019 1,574 0,3338 0,0048 5 0,019 1,574 0,3338 0,0048 TB 0,3386 0,0076 Sai số tỉ đối 2,2%
Kết quả tính trong các bảng cho thấy các sai số tỉ đối của các phép đo sau cải tiến thu được (0,6%; 2,2%) đều nhỏ hơn giá trị trước khi cải tiến.
- Với số liệu trong thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của Fmst vào N, dùng phương pháp đồ thị để xác định hệ số ma sát trượt (hoặc tính theo công thức như SGK). Với kết quả thu được, tôi thấy hoàn toàn có thể cho HS thực hiện tốt thí nghiệm này.
Hình 2.11 - Bảng số liệu và đồ thị khảo sát sự phụ thuộc của Fmst vào N.
2.2. Thí nghiệm đo hệ số căng bề mặt của chất lỏng
Phương pháp bứt vòng kim loại ra khỏi mặt chất lỏng mà nó bị dính ướt hoàn toàn là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và cho kết quả khá chính xác so với các phương pháp khác (phương pháp dùng ống mao dẫn, ống pipet, hai bản mặt song
song...). Trước kia, bộ dụng cụ dựa trên phương pháp này sử dụng cân đòn tạo khó khăn trong việc đo chính xác giá trị lực căng bề mặt và việc trang bị một số lượng lớn cân đòn cho giáo dục đại trà là một vấn đề lớn. Mặt khác, nếu GV và HS chế tạo bộ thí nghiệm tự chế như trình bày ở trang 248 SGV 10 nâng cao cũng chỉ mang tính chất khắc phục tình hình thiếu trang thiết bị hoặc rèn luyện năng lực nghiên cứu chứ khó đáp ứng được các tiêu chí thực hành. Bộ dụng cụ mới sử dụng bình thông nhau khá đơn giản và chi phí sản xuất thấp, có thể tự chế được.
2.2.1. Giảm thời gian đo các đường kính của vòng nhôm
Có thể đo một chiều dài bằng nhiều dụng cụ và nhiều cách khác nhau nhưng khi đo các chiều dài không quá lớn thì dùng thước kẹp sẽ cho kết quả có độ chính xác cao hơn. Khi tiến hành đo đường kính trong của vòng nhôm tròn bằng thước kẹp thì người đo thường hay lúng túng không biết chiều dài đang đo có phải là đường kính trong không nên dẫn đến mất nhiều thời gian cho thao tác đo này.
→ Cải tiến về mặt thiết bị
Để tiết kiệm thời gian đo, tôi dùng bút chì kẻ 3 đường kính ở mặt ngoài và mặt