Xây dựng công nghệ kết nối thiết bị thí nghiệm vớiđiện thoại thông minh

II. MÔ TẢ GIẢI PHÁP

1. Thực trạng dạy học các kiến thức về dao động của con lắc đơn và con lắc lò xo

2.2.1. Xây dựng công nghệ kết nối thiết bị thí nghiệm vớiđiện thoại thông minh

minh

Thí nghiệm kết nối với điện thoại thông minh có

+ Lập trình Arduino IDE tương thích với hệ điều hành Android được sử dụng rộng rãi trong các hãng điện thoại thông minh hiện nay (Samsung, Oppo..), có chức năng đa dạng mà giá thành đáp ứng được nhiều khách hàng. Vì vậy mỗi gia đình học sinh đều có thể sử dụng được.

+ Công nghệ cho phép sử dụng các bộ phận của các TBTN thực hành hiện có ở trường THPT, đã được bổ sung một vài bộ phận, chi tiết dễ gia công, để lắp ráp thành các TBTN sẽ được kết nối với điện thoại thông minh.

Từ những ưu điểm nêu trên của công nghệ kết nối đơn giản TBTN vớiđiện thoại thông minh mà chúng tôi đã xây dựng được các TN về dao động cơ có thể được tiến hành dưới hình thức TN đồng loạt của HS trong các giờ học, cũng có thể tiến hành thí nghiệm tại nhà khi giáo viên giao nhiệm vụ học tập.

a) Arduino Uno R3

Arduino đóng vai trò là một mạch giao tiếp với các chân vào/ra đã có sẵn để giao tiếp với cảm biến và các thiết bị ngoại vi. Nó được coi như một bộ phận xử lý trung tâm, bằng cách nạp chương trình cho arduino ta hoàn toàn có thể đọc được số liệu từ cảm biến, điều khiển một thiết bị nào đó.Tùy vào mục đích sử khác nhau mà có các loại arduino khác nhau để có thể lựa chọn: arduino Uno, arduino Mega, arduino Nano, arduino Mini, arduino Pro Mini, arduino Robot, arduino Due, ...

Arduino Uno R3 là thế hệ thứ 3 của dòng mạch arduino Uno. kích thước tương đối nhỏ gọn. Chức năng ghi nhận dữ liệu từ cảm biến, tôi đã sử dụng nó để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị thí nghiệm dao động của các loại con lắc của mình.

b)Phần mềm Arduino IDE

Để lập trình cho arduino người ta đã tạo ra một phần mềm lập trình arduino IDE (Intergrated Development Environment).Phần mềm này có thể chạy trên các hệ điều hành phổ biến là Windows, Mac OS, Linux. Do có tính chất mở nên phần mềm lập trình này là hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm.Phần mền này dùng để lập trình cho arduino một cách dễ dàng với ngôn ngữ sử dụng là ngôn ngữ lập trình Wiring dựa trên nền tảng của C hay C/C++.

c)Phần mềm trên điện thoại có hệ điều hành android

Có một số phần mềm điện thoại có sẵn để hiển thị dữ liệu từ arduino lên điện thoại thông minh nhờ bluetooth như: Arduino bluetooth controller, arduino bluetooth control, arduino bluetooth, ...Tuy nhiên trong đề tài của mình tôi sử dụng phần mềm Arduino Centrale free để hiển thị các dữ liệu từ arduino lên điện thoại thông minh. Ứng dụng này có thể kết nối với

arduino, các thiết bị vi điều khiển khác để gửi và nhận dữ liệu thông qua module thu phát bluetooth HC – 05. Trong đề tài của mình tôi sử dụng app này với mục đích hiển thị số liệu thu được lên màn hình điện thoại.

Cài đặt cho phần mềm Arduino Centrale free miễn phí trên điện thoại: + Vào phần mềm Arduino Centrale free Vào “Menu ” Chọn “Setting”. + Tích vào “Enable Auto Start for Logging”: để lưu số liệu ngay từ lúc bắt đầu đo.

+ Vào “Serial Terminal Settings” Chọn “Terminal View Character Limit” Chọn “10000”: để giới hạn số liệu đọc được.

Sử dụng phần mềm:

+ Kết nối vào bluetooth:“Settings Connect to device” danh sách các bluetooth mà thiết bị dò được sẽ hiện ra. Ta chọn HC – 05 và nhập mật khẩu mặc định là 1234.Sau khi kết nối số liệu từ arduino sẽ hiển thị lên màn hình điện thoại

Hình 2.1: Số liệu thu được hiển thị trên phần mềm Arduino Centrale free

+ Dừng việc lưu số liệu:

Để dừng việc lưu vào Menu Stop Logging. Khi đó dữ liệu sẽ được lưu vào trong thư mục “Arduino Centrale” với tên file có đuôi ‘.cvs’Sau đó, ngắt nguồn cấp cho Arduino để dừng việc ghi nhận số liệu lên điện thoại

Để vẽ đồ thị từ số liệu thu thập được, ta sử dụng phần mềm Graphical Analysis: + Nhấn vào biểu tượng của phần mềm trên màn hình điện thoại

+ Chọn “Manual Entry” để nhập thủ công số liệu thu được.

+ Nhập các số liệu thu thập được từ phần mềm Arduino centrale free vào bảng: nhấn hai lần ô cần nhập số liệu để nhập số liệu.

+ Khi nhập số liệu vào bảng, phần mềm sẽ tự động biểu diễn số liệu lên đồ thị bằng các điểm

Hình 2.2: Số liệu biểu diễn trên đồ thị

+ Chọn vào biểu tượng đồ thị phía góc trái của màn hình, chọn “Apply Curve Fit”, trong hộp Curve Fit chọn dạng đồ thị phù hợp, sau đó chọn “Apply”

Hình 2.3: Khớp hàm cho đồ thị

2.2.2 Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm kết nối với điện thoại thông minh để khảo sát dao động của các loại con lắc

Chúng tôi xây dựng TBTN sử dụng chung cho nghiên cứu dao động của các loại con lắc. Với TBTN này, chỉ cần thay đổi một số chi tiết là có thể tiến hành các TN với các loại con lắc khác nhau.

- Chúng tôi đã chế tạo được hai bộ thiết bị thí nghiệm, mỗi bộ thí nghiệm được tiến hành với 2 phương án: thiết bị thí nghiệm dùng cảm biến siêu âm HC-SR04, thí nghiệm dùng dải cảm biến cản quang, thí nghiệm dùng cảm biến quang encoder 400 xung, các cảm biến được lập trình với mạch điều khiển Arduino, kết nối với điện thoại thông minh bằng tín hiệu không dây qua Bluetooth thu trên điện thoại và phát ở bộ thí nghiệm.

2.2.2.1.Các bộ phận của thiết bị thí nghiệm

Các bộ phận của thiết bị thí nghiệm bao gồm các chi tiết có thể sử dụng chung và các chi tiết riêng của mỗi loại con lắc. Cụ thể là:

a) Bộ phận dùng chung

- Các loại con lắc (con lắc lò xo thẳng đứng, con lắc đơn) được xây dựng hoặc cải tiến cho phù hợp với yêu cầu của việc dạy học (sẽ trình bay chi tiết ở dưới đây).

- Điện thoại thông minh dùng hệ điều hành Android, dây nối, các giá đỡ và khớp nối...

Hình 2.4: Bộ cảm biến siêu âm

Hình 2.5 : bộ cảm biến cản quang encoder 400 xung

* Con lắc đơn

Ở trường phổ thông hiện nay đã có bộ TN ghi đồ thị dao động của con lắc đơn có sử dụng bút lông và bảng ghi. TBTN này chỉ có thể khảo sát định tính dạng đồ thị li độ dao động theo thời gian thông qua việc ghi lại hình chiếu của li độ cong lên mặt phẳng theo thời gian bằng bút lông gắn trực tiếp trên vật. TN này thường bị tắt dần do ma sát giữa bút lông và bảng ghi, do đó KQTN thu được không chính xác. Vì vậy, việc sử dụng TBTN kết nối với điện thoại thông minh có ưu điểm không làm dao động bị tắt dần do ma sát mà còn thu lại được các số liệu chính xác về xác thời điểm vật đi qua các vị trí xác định. Con lắc đơn để sử dụng cho TN này có cấu tạo gồm:

- Con lắc đơn là một vật nặng nối với sợi dây mảnh nhỏ, đầu kia của dây mắc vào trục quay của encoder 400 là một cảm biến quang

Hình 2.6: Con lắc đơn

* Con lắc lò xo thẳng đứng

Ở các trường phổ thông, hầu hết GV chỉ thông báo kết quả con lắc lò xo thẳng đứng cũng dao động điều hòa tương tự như con lắc lò xo nằm ngang hoặc chỉ ra phương trình động lực học mà không THTN kiểm tra lại. Nguyên nhân ở đây là do chưa có TBTN phù hợp và đủ chính xác để khảo sát dao động của con lắc lò xo thẳng đứng. Chúng tôi sử dụng công nghệ

kết nối TBTN với điện thoại thông minh đã trình bày để làm cho TN này trở nên đơn giản và chính xác hơn. Cấu tạo của con lắc lò xo thẳng đứng sử dụng cho TN này gồm:

- Con lắc lò xo thẳng đứng gồm một lò xo có độ cứng k đầu trên gắn cố định trên giá đỡ, đầu dưới gắn một vật nặng có khối lượng m.

- Vật nặng có kích thước đủ lớn để chắn cảm biên siêu âm, phát xung đo khoảng cách từ cảm biến đến vật nặng, thông qua cảm biến kết nối với điện thoại thông minh hiển thị khoảng cách thay đổi theo thời gian.

Hình 2.7 : con lắc lò xo thẳng đứng

2.2.2.2. Các thí nghiệm được tiến hành với thiết bị thí nghiệm

Khi kết hợp các chi tiết của thiết bị thí nghiệm với nhau, có thể tiến hành được thí nghiệm khảo sát dao động của mỗi loại con lắc khác nhau. Mỗi thí nghiệm đối với mỗi loại con lắc đều có sử dụng phần chung là cảm biến, điện thoại thông minh, các dây nối, giá đỡ... và các phần riêng là các con lắc: con lắc đơn, con lắc lò xo thẳng đứng. Dưới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu cụ thể về từng thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm.

Đối với mỗi thí nghiệm, chúng tôi trình bày theo dàn ý chung bao gồm các mục: Tên TN, Mục đích TN, bố trí TN, tiến hành TN và Kết quả TN, Lưu ý (nếu có).

a) TN về quy luật dao động điều hòa của con lắc đơn và chu kì dao động của con lắc đơn.

- Mục đích TN: Khảo sát sự biến đổi theo thời gian t của tọa độ cung s trong dao động với góc nhỏ của con lắc đơn có chiều dài l để:

+ Kiểm nghiệm quy luật biến đổi theo thời gian của s theo t tuân theo phương trình )

cos( 

A t

s .

+ Kiểm nghiệm công thức tính chu kì của dao động

l g

T 2 .

- Bố trí TN: treo vật nặng vào dây, đo chiều dài con lắc từ tâm vật đến đầu dây treo. Treo con lắc vào trục encoder. Chỉnh giá thí nghiệm để trục và dây treo con lắc theo phương song song.

- Tiến hành TN và kết quả TN:

+ Khởi động chương trình thu thập số liệu trên điện t hoại thông minh bằng cách kết nối bluetooth Đo giá trị chiều dài l con lắc đơn , rồi bật công tắc của bộ cảm biến.

+ Kéo con lắc lệch một góc nhỏ hơn 10o so với phương thẳng đứng, rồi thả nhẹ con lắc. + thu được dãy số liệu, dùng phần phần mềm Gracphical vẽ đồ thị biểu diễn tọa độ cung s của vật theo thời gian t . Điều này chứng tỏ: tọa độ cung của vật biến đổi điều hòa theo thời gian.

+ Từ tham số hàm Fit, ta cũng tìm được 

+ Lặp lại các bước TN trên ứng với các giá trị l khác nhau. Kết quả vẫn cho thấy: sự biến đổi của s theo t tuân theo phương trình s = So.cos(t + )

+ Thay đổi chiều dài con lắc và tiến hành thí nghiệm để kiểm nghiệm như trên để kiểm tra sự phụ thuộc của

- Lưu ý:

+ Cần chọn vật nặng có khối lượng lớn để dao động tắt dần rất chậm, để có thể coi trong thời gian thu số liệu, con lắc đơn gần như là dao động điều hòa.

b) TN về quy luật dao động điều hòa của con lắc lò xo thẳng đứng và chu kì dao động của con lắc lò xo thẳng đứng

- Mục đích TN: Khảo sát sự biến đổi theo thời gian t của li độ x trong dao động của con lắc lò xo thẳng đứng để:

+ Kiểm nghiệm công thức tính chu kì T của dao động:

k m

T2 , trong đó k là độ cứng của lò xo và m là khối lượng của vật nặng gắn dưới lò xo.

- Bố trí TN:

+ Lắp vật nặng có gắn tấm bìa cản âm vào lò xo đã được treo trên giá. Gắn bộ cảm biến lên một giá khác sao cho tấm bìa cản âm chắn cổng của cảm biến siêu âm. Con lắc chưa dao dộng, khoảng cách giữa tấm bìa và cảm biến là không đổi.

- Tiến hành TN và Kết quả TN

+ Khởi động chương trình “ Arduino Centrale Free”.

+ Kết nối điện thoại thông minh với bộ điểu khiển chọn Connect to Device và chọn Bluetooth của chương trình tương ứng, rồi bật công tắc của bộ cảm biến.

+ Kéo vật ra khỏi vị trí cân bằng một đoạn rồi thả tay cho vật dao động. Khi vật đã dao động ổn định tiến hành thu thập số liệu. dùng số liệu thu được vẽ đồ thị trên phần mềm Gracfical + hàm Fit được có dạng x = A.cos(t+), ta thấy. Điều này chứng tỏ tọa độ của vật biến đổi điều hòa theo thời gian.

+ Lặp lại các bước TN trên ứng với các giá trị khác của m bằng cách thay đổi vật nặng. Kết quả vẫn cho thấy: sự biến đổi của x theo t tuân theo phương trình x=A.cos(t+).

Và từ công thức lí thuyết

m k



 sử dụng thí nghiệm để kiểm tra khi m giảm 3 thì  tăng 3 .

+ Lặp lại các bước TN trên ứng với các giá trị k khác bằng cách thay đổi lò xo khác nhau và các giá trị m khác nhau bằng cách treo thêm gia trọng. Kết quả vẫn cho thấy: sự biến đổi của x theo t tuân theo phương trình x = A.cos(t + ), với tần số góc đo được tuân theo công thức tần số góc tính theo lí thuyết

m k



 .

- Lưu ý: Cần chọn lò xo có thể vừa nén vừa dãn và có độ cứng phù hợp với vật nặng, điểu chỉnh lò xo và vật dao động trên phương thẳng đứng để dao động không tắt dần quá nhanh và thu được kết quả chính xác.

Cần chọn vật nặng có khối lượng m lớn và lò xo có độ cứng k lớn để dao động tắt dần đủ chậm để có thể coi trong thời gian thu số liệu, vật dao động gần như là điều hòa. Khi treo vật vảo lò xo nên treo vào 1 điểm ở đầu lò xo để khi vật dao động đảm bảo con lắc dao động không bị xoay thì thu thập số liệu sẽ dễ dàng và chính xác.