Lye hướng tâm. Lực quán tính li tâm.
So db 2.1. Chu trúc nội dung chương “Động lực học chất điểm”
Trong chương này có rất nhiều TN đã được xây đựng dé phục vụ cho mục địch giảng day như: TN tổng hợp lực, TN bằng cổng quang . Và trong khuôn khó của để tải này tôi đã nghiên cứu xây dựng hệ thống TN kết nếi với máy vi tính dé dạy học ba định luật Newton của chương “Động lực học chất điểm” Vật lí 10
THPT theo định hướng dạy học khám phá.
1.1. Giới thiệu bộ thí nghiệm
Trong các ứng dụng của máy vi tính vào day học vật lí thì việc sử dung
máy vi tính hỗ trợ các TN vật li 1a một trong các ứng dụng đặc trưng nhất của nó.
Dé hỗ trợ các TN vật lí thì máy vi tính cần được ghép nếi với các thiết bị TN. Sơ
30
do hệ thông thiết bị TN được ghép nỗi với máy vi tinh về nguyên tắc được thẻ hiện
như sau:
xử lí số liệu
So dé 2.2. Nguyên tắc chung của thiết bị thí nghiệm két nối máy tính
Theo sơ đỏ nảy, việc thu thập các số liệu đo về đối tượng nghiên cứu được
dam nhiệm bởi bộ phận có tên là “bộ cám biển”, Nguyễn tắc làm việc của bộ cam
biển như sau: Trong bộ cảm biển, các tương tác của đối tượng đo lên bộ cảm biển
đưới các dang khác nhau như cơ, nhiệt, điện, quang, từ..v..v.. đều được chuyển
thành tín hiệu điện. Mỗi một bộ cảm biến nói chung chí có một chức năng hoặc
chuyển tin hiệu cơ sang tín hiệu điện hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu
điện..v..v.... Vi vậy, ứng với từng phép đo khác nhau ma người ta phải dùng các
bộ cảm biến khác nhau. Sau khi tín hiệu điện được hình thành tại bộ cảm biến, nó
sẽ được chuyển qua dây dẫn đến bộ phận tiếp theo trong hệ thống có tên là “thiết
bị ghép tương thích”, Tại thiết bị ghép tương thích nảy, các tín hiệu điện sẽ được
số hoá một cách hợp lí để đưa vào máy vi tính (bởi vì máy vi tính chi làm việc với
các tín hiệu đã được số hoá). Dé số hoá các tín hiệu điện từ bộ cam biển chuyển
tới, với một bộ ghép tương thích (Interface) ta có thé số hoá các tín hiệu điện của
nhiều loại bộ cảm biến khác nhau như: Chuyển động, gia tốc, lực, áp suất, nhiệt
độ. âm, ánh sáng...v..v.. Sau khi các tin hiệu đã được số hoá, có thé sử đụng máy vi
tinh (đã cài đặt phan mềm thích hợp) dé tính toán, xử lí các tin hiệu số này theo
mục đích của người nghiên cửu. Vi dụ như ta cỏ thé lập bang số liệu vẻ mối quan
hệ giữa các đại lượng mà bộ cảm biến đã thu thập được hay vẽ đồ thị về mối quan hệ nay, hoặc xử lí tuỳ theo ý muỗn nếu phần mém cho phép.
Trong quá trình tìm hiểu va đánh giá tôi đã xây dựng hệ thong TN dựa trên các sản phẩm của Pasco kèm theo phan mém DataStudio, bộ cảm biến Go!
Motion, cảm biến lực của Vemier cùng phần mềm Logger Pro.
31
2.2.1. Cảm biến lực
Cảm biến là dung cụ có thé cam nhận trị số tuyệt đối hoặc độ biển thiên của một đại lượng vat li (vd. nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, độ pH, cường độ ánh
sảng, âm thanh hoặc sóng vô tuyến, vv.) và biến đổi thành một tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho một hệ thống thu thập và xử lí thông tin, Cam biến lực dựa vào nguyên tắc đo lực tức là lam cân bằng lực cẳn đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng va mémen tổng của chúng bằng không. Trong các cam biến do lực thường có một vặt trung gian chịu tác động của lực cần do và biến dang. Biển
dang của vật trung gian là nguyên nhãn gây ra lực đối khang va trong giới hạn đản
hỏi biến dang tí lệ với lực đối kháng. Biển dang va lực gây ra biến dạng có thé do trực tiếp bằng các cảm biến biến dạng, hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo trung gian phụ thuộc vào biến dạng Ta cũng có thé xác định một lực bằng cách cân bằng nó với một lực đã biết. Theo công thức xác
định trọng lực của một vật trong trọng trường trái đất.
P=mg
Trong đó môi trường có g biết trước, cân khối lượng m của vật ta có thé xác định được trọng lực của vật đó, ngược lại nếu sử dụng một vật có khối lượng đã biết sẽ có một lực xác định. Đây chính là nguyên tắc chuẩn cảm biến bằng máy đo có khối lượng treo.
Trong để tài này tôi sử dụng hai bộ cảm biến lực của Pasco và cảm biến lực
của Vernier. Cả hai cảm biến này đều có các thông số kỳ thuật như nhau, va khi kết nỗi với máy vi tính đều phải thông qua một trung tâm xửli số liệu.
Bang 2.1. So sánh thông số kỹ thuật cảm biến lực của Pasco và Vernier
Công kết nối với thiết bị
Hình 2.1. Cảm biến lực của Pasco và Vernier
2.2.2. Cảm biến Go! Motion [8] .
Cam biến Go!Motion là một loại cảm biến chuyển động hay còn gọi là cảm
biển SONAR (Sound Navigation Ranging). Nguyên tắc hoạt động cơ ban của cảm
biển SONAR là tạo ra các xung sóng siêu âm truyền đến một đối tượng vả ghi nhận xung phản xạ trở lại cảm biến. Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí
với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cam biến phat ra sóng siêu âm vả thu vẻ các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu vẻ, thì
máy tính có thé xác định được quãng đường ma sóng đã di chuyển trong không gian. Quang đường di chuyển của sóng sẽ bang 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới
chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cám
biến tới chưởng ngại vật sẽ được tinh theo nguyên lí Time Of Flight (TOF):
Nguyên lí Time Of Flight : d=vw*=ft>
33
oeHình 2.2. Nguyên li Time Of Flight (TOF)
Cảm bien Go!Motion có kha nang xac dinh vj tri, van toc, gia tốc của các
đối tượng chuyên động trong phạm vi cách dau dò cảm biến từ 0,15 m đến 6 m.
Phạm vi này cho phép các sóng phản xạ trở về cảm biến mà không bị lạc đi. Trong quá trình thực hiện TN đo đạc với cảm biến Go! Motion can phái chú ý các thao
tắc sau:
Đặt đối tượng đo trong pham vị đo đạc của cảm biến, cách cảm biến khoảng tử 0.15 m đến 6 m.
Kết nối máy
tính
Hình 2.3.Cảm biến chuyển động Go! Motion - Chọn chế độ đo trên cảm biến phủ hợp với doi tượng do.
- Phai đảm bảo trong khoảng cách từ cảm biến đến đổi tượng đo không
có bắt kỷ vật cản nào.
34
2.2.3. Thiết bị ghép nỗi tương thích
Dé có thé kết nói các cảm biến với máy vi tính các hang thường sử dụng
một thiết bị ghép tương thích. Các thiết bị ghép này có nhiệm vụ số hoá các tín hiệu điện của nhiều loại bộ cảm biến đưa may vi tinh (đã cài dat phản mềm thích hợp) dé tính toán, xứ lí các tín hiệu số này theo mục đích của người nghiên cứu Cúc cảm biến của Pasco được ghép nối với thiết bị Science Workshop 750
Hình 2.4. Thiết bị ghép nỗi Science Workshop 750 Interface của Pasco và LabQuest
Mini của Vernier
2.2.4. Phần mềm DataStudio và phần mém Logger Pro a. Phan mém DataStudio
Đây là một phần mềm sử lí số liệu dành cho các sản phẩm của Paseo. Khi
kết nỗi bộ phận xử lí số liệu với máy vi tính thông qua phần mềm DataStudio, các
số liệu thu thập thông qua các cảm biến được hiển thị chỉ tiết trên màn hình làm
việc của DataStudio. Ngoài ra DataStudio cho phép vẽ các đồ thị thông qua các số
liệu vừa thu thập được nhờ công cụồ-k⁄ Gaph _ Trong việc xây dựng hệ thống TN
thì việc sử dụng các đè thị sẽ giúp HS nhận biết tính chất của hiện tượng vật lí vừa
IN.
35
ne i
Hình 2.5. Giao diện làm việc của phần mềm DataStudio b. Phan mềm Logger Pro
Cũng giếng như Pasco, các sản phẩm của Vernier cũng sử dụng phan mém xử lí số liệu thu thập được từ các cảm biến đó là LoggerPro. Phần mềm này cung
cấp cho người sử dụng nhiều tiện ích, giao điện đơn giản và để sử dụng. Phần mềm LoggerPro cung cấp rất nhiều công cụ để phân tích các kết quả TN, một
trong các công cụ đó là:
- Khi ta muốn biết các số liệu TN ở một thời điểm bắt kì trên dé thị ta
nhấp chuột vào biểu tượng “Examine”, Gi) và ré chuột đến vj tri trên
đồ thị mà ta muốn lấy dữ liệu.
- Để xác định các giá trí lớn nhất, nhỏ nhất, trung bình của các số liệu
trên đồ thị trong một khoảng thời gian nao dé ta nhấp chuột vao biêu
tượng “Statistics", #€.
Nếu đồ thị ta có dạng y = ax +b, thi để xác định các thông số a và b nhanh chóng ta nhấp chuột vào biểu tượng “Linear Fit”, x€..
Để xác định dang hàm số của để thị ta dùng công cụ “Curve Fit”,
nhấp chuột vào biểu tượng * . Cửa số Curve Fit hiện ra: Chọn ham
36
sé phù hợp với đẻ thị, và thử lại bằng cách nhấp chuột vào biểu tượng
“Try it". Trong trưởng hợp, trong danh sách không có dang ham số phù hợp với dé thị ta có nhấp chuột vào “Define Fuction” dé khai báo
dang ham số ma minh mong muốn. Khi quá trình xác định dạng ham
số hoàn tit, nhấp chuột vào biểu tượng “Ok”, thi trên giao điện
chương trình sẽ hiện lên dang hàm số của đẻ thị
2.3. Xây dựng hệ thing TN dé sử dụng trong dạy học ba định luật Newton của chương “Động lực học chất điểm” Vật lí 10 theo định hướng tim tòi khám phá 2.3.1. Định luật I của Newton về chuyén động
+ Dụng cụ TN
- Cam biến chuyển động Go! Motion
Xe động, lực và thanh ray - Xe trượt và đệm khí
Máy vi tinh có cải đặt phan mém LoggerPro
TN 1. Khi vật đứng yêm a. Mục tiêu TN
- Kiểm chứng định luật | Newton thông qua quan sát, đo đạc các đại lượng tọa độ của xe, vận tốc của xe trong các trường hợp.
b. Bá tri TN
TN được bế trí như hình mô hình đưới đây.
Cảm biến
Go!Motion
Thanh ray Xe động lực \
— #®' I..
Hình 2.6. Bồ trí thí nghiệm định luật 1 Newton.
Đặt đường ray trên một mặt phẳng nằm ngang.
3?
Đặt xe động lực lên đường ray, nếu xe chuyển động thì điều chính óc vận phía cuối đường ray đến khi xe đứng yên
Đặt cam biến lực phía cuối thanh ray vả kết nổi với máy tính có phản mềm LoggerPro thông qua công USB.
c._ Tiến hành TN và kết quả
- _ Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phủ hợp nhuhinh. ee
- _ Đặt xe động lực lên thanh ray, cách cảm biến tối thiếu 15 cm. “
Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, ẹ trờn cửa số phần mềm dộ
bắt đầu thu thập dữ liệu.
38
Hình 2.& Số liệu thi nghiệm định luật | Newton khi xe đứng yên.
Từ kết quả TN cho thấy toa độ không thay đổi và vận tốc luôn bằng 0 trong cả quá trình tiến hành TN,
TN 2. Khi xe động lực chuyển động thăng đều trên thanh ray
a. Mục tiêu TN
- Kiểm chứng định luật | Newton thông qua quan sát, đo đạc các đại lượng vận tốc, tọa độ của xe động lực khi chuyển động trên thanh ray.
Xác định được dạng để thị tọa độ, vận tốc của vật chuyển động theo thời gian khí tổng hợp lực tác dụng vảo vật bằng 0.
b. BốtriTN
TN được bồ trí như hình đưới day.
ờ _——`
39
Trước khi tiến hành các TN với thanh ray nắm ngang cin phải lưu ý điều chính cho thanh ray thực sự nằm ngang trên bản bing cách: Dat dụng cụ kiếm tra
thăng bằng lên mặt thanh ray, vặn nút điều chính ở phía dưới thanh ray cho đến
khi vị tri bọt khí trong ống năm ở chính giữa.
* Tiến hành TN đề hình thành khái niệm chuyên động thẳng déu
- Kết nối cảm biển Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB va khới động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: tọa độ theo thời gian va vận
tốc theo thời gian xuất hiện ở giao điện của Logger pro. Chọn thời
gian thu thập dữ liệu cho la Logger pro 10 giây.
- at cảm biển Go! Motion ở một đầu của thanh ray.
- Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phủ hợp như „„ . 3
hình. ®
- _ Đặt xe động lực lên thanh ray, cách cảm biến tối thiểu 15 cm.
- Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, ME trên cửa số phản mém,
đồng thời dùng tay day nhẹ xe động lực đề bắt đầu thu thập dữ liệu.
* Kết quả TN
- Sau khi tiến hành TN thi trên cửa sé làm việc của LoggerPro xuất hiện bảng số liệu và dé thị của tọa độ và vận tốc theo thời gian.
* ` = = —
' = c@ +“
40
Sử dụng công cụ “Curve Fit”, nhấp chuột vào biểu tượng * . Cửa số
Curve Fit hiện ra: Chọn ham số phú hợp với để thị, va thử lại bang cách nhấp chuột vảo biểu tượng “Try ít. Trong trưởng hợp, trong
danh sách không có dang ham số phi hợp với do thị ta có nhấp chuột
vào “Define Fuction” để khai bảo dang ham số mà mình mong muốn.
Khi quá trình xác định dạng hàm số hoản tắt, nhấp chuột vào biểu tượng “Ok”, thi trên giao diện chương trình sẽ hiện lên dang ham sé của dé thị.
Hình 2.11. Cửa sé làm việc của công cụ Curve fit
- _ Xác định các giá trí lớn nhất, nhỏ nhất, trung bình của các số liệu trên
để thị trong một khoảng thời gian nào đó ta nhấp chuột vào biểu
4i
Trong kết qua cho ta thu được
Vein = 0.1109m/s; veg. £ O.1490m/s; ve © 0.1276m/s; Av
0.0073 m/s
Tir kết qua thu được dé dang nhận thấy sai số vận tóc rat nhỏ Š 43% do
đó ta dé dàng kết luận vận tốc gần như không thay đồi.
Tir đỏ thị trên ta cũng nhận thấy tọa độ tăng tuyến tinh theo thời gian.
phù hợp với dé thị tọa độ theo thời gian trong chuyển động thắng đều
TN 3. Khi vật chuyển động thang déu trên đệm khi.
a. Muc tiêu TN
Kiểm chứng định luật | Newton thông qua quan sát, do đạc các đại
lượng vận tốc, tọa độ của vật chuyên động trên đệm khi.
Xác định được dang đề thị tọa độ, vận tốc của vật chuyển động theo
Hình 2.13. Bé trí thí nghiệm định tuật I Newton khi xe trượt trên đệm khong &hí
42
a) Tiến hành TN và kết quả TN
Trước khi tiến hành TN với đệm khi nằm ngang cần phái lưu ý điều chính cho đệm khí thực sự nằm ngang trên bản bằng cách: Đặt dụng cụ kiểm tra thang bing đọc theo đệm khi, van nút điều chính ở phia dưới đệm khi cho đến khi vị trí
bọt khí trong ống năm ở chính giữa.
* Tiển hành TN dé hình thành khái niệm chuyên động thang đều
Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bang cáp USB va khơi
động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục lả tọa độ theo thời gian va vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao điện của Logger pro. Chon thời
gian thu thập dữ liệu cho 1a Logger pro Š giây.
- __ Đặt cảm biến Go! Motion ở một đầu của đệm khí. ›
Đẩy nat gạt của cảm biến sang chế độ TN phủ hợp như hình. ”” “@
- Dat vật chuyển động trên đệm khí, cách cảm biến tối thiếu 15 em.
- Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa số phản mém,
đồng thời dùng tay day nhẹ vật để bắt đầu thu thập dữ liệu.
* Kết quả TN
- Sau khi tiến hành TN thì trên cửa số làm việc của LoggerPro xuất hiện bảng số liệu và đẻ thị của tọa độ vả vận tốc theo thời gian.
Hình 2.14. Số liệu thí nghiệm định luật I Newton khi xe trượt trên đệm khi.
4
Xác định các giá trí lớn nhất, nhó nhất, trung bình của các số liệu trên đề thị trong một khoáng thời gian nào đó ta nhấp chuột vào biểu
tượng “Statistics”, v.
- Trong kết qua ta thu được:
Vạua ° 0.068ẹĐm4s; Vaux = 0.0822m/s; Vo," 0.0758m/s; Av = 0.0028n/s
- Tir kết qua thu được dé dàng nhận thấy sai số vận tốc rất nhỏ 3.6% do đó ta dễ dàng kết luận vận tốc gan như không thay đỏi.
- _ Từ đỗ thị trên ta cũng nhận thấy tọa độ tăng tuyến tính theo thời gian,
pha hợp với đồ thị tọa độ theo thời gian trong chuyển động thắng đều.
2.1.2. Định tuật II của Newton về chuyển động
> Dụng cụ TN
- Cam biến chuyên động Go! Motion - Cam biển lực
- Gia treo cảm biến lực
- Lô xo và quả nặng có tiết điện đủ lớn dé hứng sóng siêu am - Máy vi tinh có cài đặt phần mém LoggerPro
a. Muc tiêu TN
- Théng qua quan sát TN, đo đạc và xử lí số liệu trên may tinh, đưa ra mối quan hệ giữa tông hợp lực tác dụng vào vật và gia tốc vả khỏi
lượng của vật.
- Xây đựng được định luật III của Newton về chuyên động.