Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném trong dạy học Vật lí 10 - Nguyễn Ngọc Hưng

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0163 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 93-99 This paper is available online at CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT BỊ NÉM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 10 Nguyễn Ngọc Hưng1, Nguyễn Đức Lâm2 1Khoa Vật lí, Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2Trường Trung học phổ thông Chuyên Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Học sinh thường gặp nhiều khó khăn và mắc sai lầm khi học về chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném. Để giúp học sinh phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo, chúng ta cần cho họ tham gia vào quá trình làm thí nghiệm để tìm hiểu kiến thức. Các thí nghiệm hiện tại còn nhiều hạn chế, chúng tôi thấy cần thiết phải nghiên cứu chế tạo thí nghiệm mới về chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném. Với thí nghiệm đã chế tạo, chúng tôi đã giúp học sinh tìm hiểu sâu hơn các quá trình vật lí và phát huy năng lực sáng tạo của họ. Từ khóa: Chuyển động, tròn đều, vật bị ném, chuyển động cong, thiết bị thí nghiệm. 1. Mở đầu Trong vật lí 10, kiến thức về chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném là cơ sở, nền tảng cho các nghiên cứu về chuyển động của điện tích trong điện trường và từ trường ở lớp 11,12. Ngoài ra, kiến thức này có nhiều ứng dụng trong thực tế nên khi học sinh học xong cần có hiểu biết về các ứng dụng kĩ thuật có liên quan. Trong thực tế, các nhà trường phổ thông chưa có thiết bị thí nghiệm về động học chuyển động tròn đều và chuyển động ném. Thí nghiệm về lực hướng tâm của Trung Quốc tiến hành thí nghiệm song song có thể tìm ra mối quan hệ tỉ lệ giữa độ lớn lực hướng tâm với khối lượng của vật, tốc độ quay, bán kính quỹ đạo. Ngoài ra, chúng tôi được biết thiết bị thí nghiệm của Phywe [3], đo được lực hướng tâm khi vật đang chuyển động, quan sát số chỉ lực kế rõ, thay đổi tốc độ tuỳ ý, đọc được chu kì quay. Còn có một số hạn chế là khó cố định bán kính quỹ đạo, kích thước khá cồng kềnh. Thiết bị thí nghiệm của Leybold [4], có thể cố định bán kính quỹ đạo, xác định bán kính đơn giản, kích thước nhỏ, thay đổi tốc độ quay tuỳ ý, đọc được chu kì quay. Nhưng có một số hạn chế là không xác định được lực hướng tâm ngay trong lúc chuyển động quay. Về các nghiên cứu trong nước, chúng tôi được biết một số tác giả đã đưa ra các phương án để xác định vị trí của vật bị ném và chuyển động tròn đều như: đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội của Nguyễn Thị Thơm, Nguyễn Tiến Lộc năm 2012 [5]. Tuy nhiên, thiết bị thí nghiệm vẫn chưa xác định được vị trí của vật tại từng thời điểm mà chỉ cho kết Ngày nhận bài: 19/7/2016. Ngày nhận đăng: 25/9/2016. Liên hệ: Nguyễn Đức Lâm, e-mail: Nguyenlamda@gmail.com. 93 Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Lâm quả vết quỹ đạo của vật. Như vậy, thiết bị đó chưa xác định được tính chất chuyển động của vật từ thời điểm t1 đến thời điểm t2. Ngoài ra, còn có cách xác định vị trí bằng chụp ảnh hoạt nghiệm bằng đèn LED của tác giả Nguyễn Văn Biên [6], với thiết bị thí nghiệm này, cần mất thời gian chụp ảnh rồi cho học sinh xem trên ảnh nên phần nào giảm bớt tính hứng thú so với việc làm thí nghiệm và đo đạc trên vật thật. Vì vậy, chúng tôi kế thừa các ưu điểm và khắc phục nhược điểm của các thiết bị thí nghiệm trước đây để chế tạo một thiết bị thiết nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm Các bộ phận của thiết bị được gắn trên một giá hình hộp chữ nhật bằng nhựa gồm có: Hình 1. Thiết bị thí nghiệm 1 - Giá gắn động cơ và thanh gắn lò xo với vật nặng + Động cơ điện được gắn tại chính giữa của một giá cố định hình chữ U. Trục quay của động cơ được gắn với một thanh sắt dài 20cm để truyền chuyển động quay cho thanh đó. + Một lò xo nhẹ có một đầu gắn với thanh sắt tại các vị trí khác nhau để thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của vật. Đầu còn lại của lò xo được gắn với một vật nặng. Vật có thể trượt hầu như không có ma sát đối với thanh và kích thước, khối lượng của vật nhỏ hơn thanh để khi chuyển động hệ không bị lắc. 2 - Màn hình LED Màn hình cho hiển thị khoảng thời gian giữa hai lần xác định vị trí của vật và cho biết các thông số đặc trưng của chuyển động. 3 - Đèn phát hồng ngoại Đèn được gắn trên cạnh dài và cạnh rộng của giá thí nghiệm để phát ra lưới hồng ngoại trên 94 Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động... mặt phẳng giá thí nghiệm. 4 - Bảng đèn LED phát ánh sáng đỏ Sau khi mạch vi xử lí xác định được vị trí của vật chuyển động tại thời điểm khảo sát thì truyền tín hiệu đến vị trí các bóng đèn LED trên mặt phẳng chuyển động của vật. Khi đó, đèn LED sẽ phát ánh sáng màu đỏ tại đúng vị trí của vật. 5 - Đầu thu tín hiệu hồng ngoại Các đèn thu tín hiệu hồng ngoại được gắn đối diện với đèn phát trên giá thí nghiệm. Khi tín hiệu ánh sáng đến nhỏ hơn một giá trị xác định thì đầu thu tín hiệu hồng ngoại sẽ gửi thông tin đến bộ vi xử lí để xác định vị trí của vật khi đó. 2.2. Hoạt động của thiết bị + Khi đặt một vật có đường kính 5mm trên mặt bảng thí nghiệm, tín hiệu từ đèn hồng ngoại và đầu thu xác định được vị trí tọa độ của vật trong mặt phẳng. + Thông tin về tọa độ của vật được truyền đến bộ vi xử lí và được truyền đến các đèn LED trên mặt bảng thí nghiệm và đèn LED sáng tại đúng tọa độ của vật. + Khi vật chuyển động, thông tin về tọa độ của vật được bộ vi xử lí không truyền liên tục đến đèn LED. Sau khoảng thời gian ∆t (có thể điều chỉnh được), đèn mới cập nhật thông tin vị trí mới của vật và sáng tại vị trí mới đó. Nhờ đó, chúng ta xác định được quãng đường vật chuyển động trong khoảng thời gian ∆t. 2.3. Các thí nghiệm đã tiến hành Thí nghiệm kiểm nghiệm mối quan hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc Hình 2. Thí nghiệm về chuyển động tròn đều + Đặt khoảng thời gian giữa hai lần đo, sau đó tiến hành thí nghiệm với các bán kính khác nhau và giữ nguyên tốc độ góc. Kết quả thu được v ∼ R. + Thay đổi tốc độ góc và giữ nguyên bán kính quỹ đạo. Kết quả thu được v ∼ ω. + Như vậy, mối quan hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều là v = ω.R Thí nghiệm nghiên cứu độ lớn của lực hướng tâm + Vẫn sử dụng như thí nghiệm trên, để xác định độ lớn của lực hướng tâm là lực đàn hồi, chúng tôi dựa vào độ biến dạng của lò xo theo một bảng tỉ lệ giữa độ lớn của lực đàn hồi và độ biến dạng đã biết trước với các lò xo khác nhau. 95 Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Lâm + Ban đầu, xác định vị trí của vật khi chưa chuyển động. Tiến hành thí nghiệm, chúng tôi thu được vết chuyển động của vật như hình 2. Từ đó, xác định được tốc độ góc và bán kính quỹ đạo chuyển động của vật. So sánh vị trí ban đầu với vị trí quỹ đạo chuyển động, chúng tôi xác định được độ biến dạng của lò xo. Từ bảng số liệu, chúng tôi tìm được độ lớn của lực hướng tâm. + Giữ cố định khối lượng m1 và tốc độ góc ω1 thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của vật ta được đồ thị biểu diễn độ lớn lực hướng tâm theo bán kính quỹ đạo. + Giữ cố định khối lượng m1 và tốc độ góc ω2 thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của vật ta được đồ thị biểu diễn độ lớn lực hướng tâm theo bán kính quỹ đạo. + Giữ cố định khối lượng m2 và tốc độ góc ω2 thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của vật ta được đồ thị biểu diễn độ lớn lực hướng tâm theo bán kính quỹ đạo. + Như vậy, ta có được các họ đồ thị như hình 3. Từ đó, chúng tôi rút ra được các kết luận F ∼ m khi ω và R không đổi; F ∼ ω2 khi m và R không đổi; F ∼ R khi m và ω không đổi. Hình 3. Đồ thị nghiên cứu độ lớn lực hướng tâm Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động ném ngang Hình 4. Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động của vật bị ném + Truyền cho vật vận tốc ban đầu −→v0 tạo với phương ngang góc α, thu được vị trí của vật tại các thời điểm khác nhau. + Từ tập hợp các tọa độ vị trí của vật, chúng tôi khớp với các hàm số. Rút ra kết quả quỹ đạo chuyển động của vật bị ném là đường cong Parabol. + Cũng từ các tọa độ vị trí của vật, chúng tôi tìm được độ cao cực đại H và tầm xa mà vật đạt được L. 96 Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động... + Thay đổi tốc độ ném vật v01, 2v01, 3v01... và giữ nguyên góc ném α, chúng tôi thu được mối quan hệ giữa độ cao cực đại H và tầm xa L theo tốc độ ném α. Kết quả: H ∼ v20 ; L ∼ v20 . + Thay đổi góc ném α = 20◦; 30◦; 45◦ và giữ nguyên tốc độ ném v0, chúng tôi thu được mối quan hệ giữa độ cao cực đại H và tầm xa L theo góc ném α. Kết quả: H ∼ sin2 α;L ∼ sin 2α. 2.4. Sử dụng các thí nghiệm trong dạy học 2.4.1. Sử dụng thí nghiệm trong dạy học chuyển động tròn đều Mối quan hệ giữa tốc độ dài v, tốc độ góc ω và bán kính quỹ đạo R. + Khi nghiên cứu chuyển động tròn đều,vấn đề đặt ra là tốc độ dài và tốc độ góc có mối quan hệ như thế nào? + Từ các kiến thức đã biết, tốc độ dài được tính theo quãng đường vật đi được trong một khoảng thời gian là v = s t ; tốc độ góc được tính theo góc quay được trong cùng khoảng thời gian đó là ω = ∆ϕ t . + Làm thí nghiệm với các khoảng thời gian khảo sát t khác nhau, đo được s và ∆ϕ. Từ đó, tính được v và ω. + Sau đó, rút ra kết luận v ∼ ω khi bán kính quỹ đạo R không đổi. + Làm thí nghiệm với các bán kính quỹ đạo tròn khác nhau và giữ nguyên tốc độ góc. Từ đó, rút ra kết luận v ∼ R khi ω không đổi. + Như vậy, có mối quan hệ giữa tốc độ dài v, tốc độ góc ω và bán kính quỹ đạo R. + Làm thí nghiệm, đo v, ω và R chúng ta kiểm nghiệm được công thức v =ωR. Công thức độ lớn lực hướng tâm + Vấn đề đặt ra tiếp theo là nguyên nhân gây ra chuyển động tròn đều là lực hướng tâm. Vậy độ lớn của lực hướng tâm phụ thuộc vào các đại lượng vật lí nào và mối quan hệ giữa chúng như thế nào? + Theo định luật 2 của Newton, chúng ta thu được công thức độ lớn của lực hướng tâm là: F = mω2R. + Tiến hành thí nghiệm kiểm nghiệm công thức trên. Trước tiên, giữ cố định khối lượng của vật m và tốc độ góc ω, thay đổi bán kính quỹ đạo, chúng ta thu được đồ thị hàm số F ∼ R. + Thay khối lượng m bằng khối lượng 2m, giữ nguyên tốc độ góc ω, thay đổi bán kính quỹ đạo, chúng ta thu được đồ thị thứ 2 của hàm số F ∼ R. Như vậy, chúng ta có được họ đồ thị của F theo R với các tham số m khác nhau. + Thay đổi tốc độ góc ω bằng tốc độ góc 2ω, giữ nguyên khối lượng m, thay đổi bán kính quỹ đạo, chúng ta thu được đồ thị thứ 3 của hàm số F ∼ R. Như vậy, chúng ta có được họ đồ thị của F theo R với các tham số ω khác nhau. + Từ các họ đồ thị trên, chúng ta rút ra được các kết luận: F ∼ R khi m và ω không đổi; F ∼ m khi R và ω không đổi; F ∼ ω2 khi m và R không đổi. + Cuối cùng, làm thí nghiệm đo m, ω2 và R để kiểm nghiệm công thức F = mω2R. 2.4.2. Sử dụng thí nghiệm trong dạy học chuyển động của vật bị ném + Khi một vật đang quay tròn trong mặt phẳng thẳng đứng so với mặt đất, đột ngột bị mất lực hướng tâm thì vật sẽ bị văng đi và chuyển động trong không khí. Vậy, chuyển động của vật bị 97 Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Lâm ném trong không khí có đặc điểm như thế nào? + Vấn đề đầu tiên, chúng ta cần nghiên cứu là quỹ đạo chuyển động của vật bị ném là đường gì? + Từ phép phân tích chuyển động của vật bị ném thành hai chuyển động thành phần theo trục nằm ngang Ox và trục thẳng đứng Oy, chúng tôi rút ra được công thức mô tả quỹ đạo chuyển động của vật là y = (tanα)x− g 2v20 cos 2 α x2. + Vấn đề tiếp theo đặt ra, độ cao cực đại mà vật lên được và tầm bay xa của vật phụ thuộc vào những đại lượng vật lí gì và mối quan hệ đó như thế nào? + Khảo sát chuyển động của vật theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang, chúng tôi rút ra được công thức độ cao cực đại mà vật đó lên được là H = v20 sin 2 α 2g ; tầm bay xa nhất mà vật đạt được là L = v20 sin 2α g . + Làm thí nghiệm, xác định tọa độ của vật tại các thời điểm khác nhau rồi khớp với hàm số mô tả quỹ đạo chuyển động của vật. Từ đó, rút ra kết luận: quỹ đạo chuyển động của vật bị ném là đường cong Parabol. + Thay đổi tốc độ ném v0 và giữ nguyên góc ném α, hình ảnh thu được quỹ đạo chuyển động vẫn là đường cong parabol nhưng với v0 càng nhỏ thì đường cong càng nhọn và ngược lại. + Thay đổi góc ném α và giữ nguyên tốc độ ném v0, hình ảnh thu được quỹ đạo chuyển động vẫn là đường cong Parbol nhưng với α càng lớn thì đường cong càng nhọn và ngược lại. + Từ các số liệu thu được khi làm thí nghiệm với v0 không đổi, thay đổi góc ném α bằng 20◦, 30◦ và 45◦, chúng tôi thu được kết quả độ cao cực đại H ∼ sin2 α; tầm bay xa L ∼ sin 2α. + Từ các số liệu thu được khi làm thí nghiệm với α không đổi, thay đổi tốc độ ném v0 bằng 2v0, 3v0, chúng tôi thu được kết quả độ cao cực đại H ∼ v20; tầm bay xa L ∼ v20 . 3. Kết luận Chúng tôi nhận thấy, kiến thức về chuyển động ném và chuyển động tròn có thể đưa vào trong một chủ đề là chuyển động cong. Trong đó, chúng ta tìm hiểu phần động học và động lực học trong mỗi phần sẽ giúp học sinh nắm vững kiến thức hơn và biết vận dụng linh hoạt, sáng tạo kiến thức vào thực tiễn, cuộc sống. Với thiết bị thí nghiệm đã được chúng tôi thiết kế và chế tạo, các kiến thức về chuyển động cong được kiểm nghiệm rất tốt. Qua đó, học sinh rất hào hứng tham gia học tập và có nhiều ý tưởng độc đáo và thú vị. Mặt khác, thiết bị thí nghiệm chế tạo từ các linh kiện dễ kiếm là các đèn LED, lò xo,.. giá thành của sản phẩm rẻ hơn các thiết bị thí nghiệm khác. Phần mềm xử lí mở, có thể thay đổi được một số thông số kĩ thuật trong quá trình đo để giúp người làm thí nghiệm nghiên cứu được quá trình xảy ra rõ hơn. Ngoài ra, thiết bị có thể kết nối với máy vi tính để đưa ra bộ số liệu hoặc đồ thị minh họa,.. Qua đó, học sinh có thể tiến hành thí nghiệm theo nhiều hướng suy nghĩ của mình để phát triển tư duy sáng tạo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), 2006. Sách giáo khoa môn Vật lí 10 nâng cao. Nxb Giáo dục. [2] Studying circular motion: truy cập 12/4/2016 98 Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động... [3] PHYWE catalogue online: 00217_02_school_catalogue.pdf, truy câp tháng 12/4/2016 [4] 4. Leybold catalog: rotational-motions-of-a-rigid-body.html, truy cập 12/4/2016 [5] Nguyễn Thị Thơm, Nguyễn Tiến Lộc, 2012. Xây dựng thiết bị đánh dấu vị trí của vật nhờ nam châm điện điều khiển bằng vi mạch. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường Đại học Sư phạm 2012, trang 52-58. [6] Nguyễn Văn Biên, 2010. Thiết kế, chế tạo thiết bị đành dấu vị trí của vật chuyển động bằng đèn LED để sử dụng trong dạy học phần cơ học. Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Số 55(8), pp. 22- 27. ABSTRACT Fabrication and utilization research laboratory equipmentflat and round movement of animals are moving throws physics teaching 10 Nguyen Ngoc Hung1, Nguyen Duc Lam2 1Faculty of Physics, Hanoi National University of Education 2High shool for gifted students, Hanoi National University of Education Knowledge of curved motion and circular motion is one of the more confusing knowledge with students.Learning often make mistakes in the learning process. So, we have designed and built the experimental device for throwing motion and circular motionto actively promote and develop the innovative capacity of students. Students participate in an experiment to increase academic interest, to overcome the common mistakes of kinetic motion curved, circular motions. Arose during the research issues that need to design and propose alternatives, students will promote their creative thinking. Keywords: Circular, motion, curved, equipment, throw. 99