Cải tiến bộ thí nghiệm khảo sát momen lực điều kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay cố định trong dạy học vật lý ở trường trung học phổ thông

Vương Thị Kim Yến<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 188(12/2): 17 - 20<br /> <br /> CẢI TIẾN BỘ THÍ NGHIỆM “KHẢO SÁT MOMEN LỰC. ĐIỀU KIỆN CÂN<br /> BẰNG CỦA MỘT VẬT RẮN CÓ TRỤC QUAY CỐ ĐỊNH” TRONG DẠY HỌC<br /> VẬT LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG<br /> Vương Thị Kim Yến*<br /> Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày cách lắp ráp và cải tiến bộ thí nghiệm“Khảo sát momen lực. Điều kiện cân bằng<br /> của một vật rắn có trục quay cố định”, nhằm góp phần làm phong phú thêm các bộ thí nghiệm trên<br /> với cách bố trí khác nhau và đáp ứng được nhu cầu cần nhiều bộ thí nghiệm; triển khai nghiên cứu<br /> theo yêu cầu dạy học mới hiện nay ở trường THPT. Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy, bộ thí<br /> nghiệm cải tiến có tính chính xác cao, dễ quan sát, dễ chế tạo và có khả năng sử dụng hiệu quả ở<br /> trường THPT cũng như trong đào tạo và bồi dưỡng giáo viên ở trường Đại học Sư phạm.<br /> Từ khóa: Bộ thí nghiệm momen lực, vật rắn, trục quay cố định, cân bằng.<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Vật lý là môn khoa học thực nghiệm, trong đó<br /> thí nghiệm vật lý có vai trò rất quan trọng và<br /> không thể thiếu được trong quá trình nghiên<br /> cứu, học tập và giảng dạy Vật lý[1], [2],[3].<br /> Bởi vì thí nghiệm vật lý không đơn thuần chỉ<br /> kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết mà<br /> còn giúp chúng ta khảo sát các hiện tượng<br /> cũng như các đại lượng vật lý, giải thích hoặc<br /> tiên đoán kết quả thí nghiệm. Đồng thời các<br /> thí nghiệm vật lý còn tăng cường tính trực<br /> quan, tính khoa học, góp phần nâng cao chất<br /> lượng lĩnh hội, nắm vững kiến thức, phát triển<br /> năng lực tư duy độc lập, sáng tạo, kiên trì, cẩn<br /> thận và phong cách của nhà nghiên cứu khoa<br /> học cho người học[1]. Thông qua thí nghiệm<br /> còn giúp giáo dục kỹ thuật tổng hợp cho học<br /> sinh (HS). Mặt khác, theo yêu cầu đổi mới<br /> giáo dục hiện nay ở trường phổ thông là dạy<br /> học theo nhóm, tức là HS được chia nhỏ<br /> thành nhiều nhóm tự dùng thí nghiệm để tìm<br /> tòi, nghiên cứu nên cần phải có nhiều bộ thí<br /> nghiệm cùng loại cho HS làm, sau đó các<br /> nhóm thảo luận, phản biện lẫn nhau rồi đưa ra<br /> kiến thức, còn giáo viên (GV) sẽ đóng vai trò<br /> định hướng, quan sát và khẳng định sự đúng<br /> đắn của kiến thức.Với phương pháp dạy học<br /> mới này, cần nhiều bộ thí nghiệm nhưng lại<br /> *<br /> <br /> Tel: 0977 599218, Email: yenquangsp@gmail.com<br /> <br /> được cấp lại quá ít. Bởi vậy để đáp ứng được<br /> yêu cầu trên, việc nghiên cứu cải tiến các bộ<br /> thí nghiệm luôn là vấn đề cấp thiết và có tính<br /> thời sự [4], nên chúng tôi đã nghiên cứu cải<br /> tiến và lắp ráp thành công 05 bộ thí nghiệm<br /> “Khảo sát momen lực. Điều kiện cân bằng của<br /> một vật rắn có trục quay cố định”.<br /> KIẾN THỨC CHUẨN BỊ<br /> Đối tượng nghiên cứu: bộ thí nghiệm<br /> Momen của lực. Điều kiện cân bằng của một<br /> vật rắn có trục quay cố định.<br /> Phương pháp nghiên cứu: Phối hợp phương<br /> pháp nghiên cứu lí luận, phương pháp điều<br /> tra, phương pháp lấy ý kiến chuyên gia và<br /> phương pháp thực nghiệm.<br /> Cơ sở lý thuyết<br /> Momen lực: Giả sử có một đĩa tròn A quay<br /> quanh trục cố định, nếu ta bố trí lực F và<br /> F1 như (hình 1), khi đó đĩa tròn A cân bằng,<br /> ta thấy rằng:<br /> <br /> F1d1  Fd<br /> (1)<br /> Nếu chỉ riêng lực F tác dụng lên đĩa A thì đĩa<br /> quay theo chiều kim đồng hồ, còn nếu chỉ<br /> riêng lực F1 tác dụng lên đĩa A thì đĩa quay<br /> theo chiều ngược lại. Nếu cả hai lực<br /> F và F1 tác dụng đồng thời lên đĩa A thì đĩa<br /> cân bằng. Khi đó tác dụng làm quay của hai<br /> lực bằng nhau và ngược chiều nhau.<br /> 17<br /> <br /> Vương Thị Kim Yến<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Đánh giá của GV về bộ thí nghiệm “Khảo<br /> sát momen lực. Điều kiện cân bằng của một<br /> vật rắn có trục quay cố định” (hình 2) hiện<br /> đang sử dụng dụng rộng rãi ở các trường<br /> THPT và ở trường Đại học [3], [4].<br /> <br /> A<br /> d<br /> D<br /> 1<br /> <br /> 188(12/2): 17 - 20<br /> <br /> F<br /> <br /> F1<br /> <br /> d1<br /> D<br /> 1<br /> <br /> Hình 1. Nguyên lý hoạt động của thí nghiệm<br /> momen lực. Điều kiện cân bằng của vật rắn có<br /> trục quay cố định<br /> <br /> Nếu thay lực F1 bằng lực F2 khác có khuynh<br /> hướng làm cho đĩa quay ngược chiều kim<br /> đồng hồ và có tay đòn d2 thì ta cũng thấy:<br /> <br /> F2d 2  Fd<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Qua nhiều lần thực hiện thí nghiệm như vậy,<br /> có thể kết luận rằng đại lượng Fd đặc trưng<br /> cho tác dụng làm quay đĩa A của lực F và<br /> gọi là momen của lực, kí hiệu là M.<br /> M = Fd<br /> d: cánh tay đòn.<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Đơn vị của momen lực trong hệ SI là Niuton<br /> mét, kí hiệu N.m<br /> Từ thí nghiệm trên suy ra: Muốn cho một vật<br /> rắn có trục quay cố định nằm cân bằng thì tổng<br /> momen của các lực có khuynh hướng làm cho<br /> vật quay theo một chiều phải bằng tổng momen<br /> của các lực có khuynh hướng làm vật quay theo<br /> chiều ngược lại.<br /> Nếu ta qui ước momen lực làm vật quay<br /> ngược chiều kim đồng hồ có giá trị dương,<br /> cùng chiều kim đồng hồ có giá trị âm, thì ta<br /> có thể viết điều kiện trên dưới dạng đại số:<br /> M1 + M2 + ... = 0<br /> Trong đó M1, M2 ... là momen của tất cả các<br /> lực đặt lên vật.<br /> 18<br /> <br /> Hình 2. Bộ thí nghiệm momen lực. Điều kiện cân<br /> bằng của vật rắn có trục quay cố định hiện có.<br /> <br /> Để nắm được thực trạng trang bị số bộ thí<br /> nghiệm và tình hình sử dụng bộ thí nghiệm<br /> trên của GV, HS ở Trường phổ thông, nhóm<br /> nghiên cứu đã tiến hành điều tra thực tế tại<br /> trường THPT Vùng cao Việt Bắc, Trường<br /> THPT Thái nguyên và Khoa Vật lý Trường<br /> Đại học Sư phạm Thái nguyên. Thời gian<br /> điều tra từ ngày 20/5 đến ngày 30/5/2018. Có<br /> 12 giáo viên được khảo sát. Các câu hỏi<br /> hướng tới việc tìm hiểu bộ thí nghiệm “Khảo<br /> sát momen lực. Điều kiện cân bằng của một vật<br /> rắn có trục quay cố định” có dễ sử dụng<br /> không? Kết quả chính xác không? Số lượng bộ<br /> thí nghiệm này được trang bị tại trường như thế<br /> nào? Kết quả điều tra được trình bày trong bảng 1.<br /> Bảng 1.<br /> Đánh giá của GV<br /> <br /> Số bộ thí<br /> nghiệm<br /> <br /> Dễ sử<br /> dụng<br /> <br /> Chính<br /> xác<br /> <br /> Không<br /> Chính xác<br /> <br /> 1<br /> bộ<br /> <br /> 2 bộ<br /> <br /> 100%<br /> <br /> 75%<br /> <br /> 25%<br /> <br /> 0%<br /> <br /> 100%<br /> <br /> Kết quả điều tra cho thấy, bộ thí nghiệm trên<br /> dễ sử dụng, độ chính xác khá cao, song với<br /> phương pháp dạy học mới thì đòi hỏi phải có<br /> nhiều bộ thí nghiệm cùng loại để cho các<br /> nhóm HS làm thí nghiệm đồng loạt lại không<br /> <br /> Vương Thị Kim Yến<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> đáp ứng vì số bộ thí nghiệm được cung cấp<br /> quá ít, hầu hết GV đều cho rằng cần thiết phải<br /> cải tiến bộ thí nghiệm mới. Trong khi đó, số<br /> bảng từ trắng nhỏ để làm thí nghiệm “Tổng<br /> hợp lực đồng qui và tổng hợp lực song song”<br /> lại có khá nhiều. Vậy ta có thể tận dụng lắp ráp,<br /> cải tiến kết hợp để làm thí nghiệm “Khảo sát<br /> momen lực. Điều kiện cân bằng của một vật rắn<br /> có trục quay cố định” mà không hề ảnh hưởng<br /> khi sử dụng cho hai thí nghiệm kia.<br /> <br /> 188(12/2): 17 - 20<br /> <br /> + Để xác định được cánh tay đòn d, chúng tôi<br /> gắn một nam châm vào thước nhựa. Thước<br /> này có thể tháo ra được khi không sử dụng,<br /> còn khi sử dụng bảng từ này cho các thí<br /> nghiệm tổng hợp lực đồng qui, song song thì<br /> không bị ảnh hưởng.<br /> Các bộ thí nghiệm cải tiến được lắp đặt tại<br /> phòng thí nghiệm phương pháp giảng dạy<br /> Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm - Đại<br /> học Thái Nguyên và hiện nay đang được GV<br /> và sinh viên Khoa Vật lý của trường sử dụng.<br /> Kết quả thực nghiệm sư phạm<br /> Để kiểm tra các yêu cầu đối với bộ thí nghiệm<br /> được cải tiến, chúng tôi đã triển khai thực<br /> nghiệm bộ thí nghiệm này ở một số trường phổ<br /> thông, trường đại học đã nói ở trên và lấy ý<br /> kiến đánh giá của một số GV ở các trường đó.<br /> <br /> 3<br /> Hình 3. Đánh giá của GV về sự cần thiết phải cải<br /> tiến bộ TN mới (mức độ 1 là mức độ thấp nhất)<br /> <br /> Vậy để phần nào đáp ứng được yêu cầu trên,<br /> chúng tôi đã cải tiến và lắp ráp thành công 05<br /> bộ thí nghiệm cùng loại mới.<br /> <br /> 4<br /> <br /> KẾT QUẢ<br /> Bộ thí nghiệm“Khảo sát momen lực. Điều<br /> kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay cố<br /> định” cải tiến<br /> <br /> 1<br /> <br /> - Dụng cụ gồm:<br /> 1) Bảng từ.<br /> <br /> 5<br /> <br /> 2) Giá đỡ chân đế hình sao.<br /> 3) Đĩa momen.<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4) Thước nhựa 20cm.<br /> <br /> 2<br /> <br /> 5) Các quả gia trọng.<br /> 6) Lực kế.<br /> - Những điểm cải tiến:<br /> + Như đã trình bày ở mục 2.4, nhóm nghiên<br /> cứu sử dụng kết hợp bảng từ ở các bài thí<br /> nghiệm khác, trên đầu bảng từ thiết kế một trục<br /> quay để lắp đĩa momen (hình 4), đĩa này được<br /> tận dụng từ những thiết bị thí nghiệm cũ.<br /> <br /> Hình 4. Bộ thí nghiệm momen lực. Điều kiện cân<br /> bằng của vật rắn có trục quay cố định cải tiến<br /> <br /> 1) Bảng từ.<br /> 2) Giá đỡ chân đế hình sao.<br /> 3) Đĩa momen.<br /> 4) Thước nhựa 20cm.<br /> 5) Các quả gia trọng.<br /> 6) Lực kế.<br /> 19<br /> <br /> Vương Thị Kim Yến<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Bảng 2. Tổng hợp ý kiến đánh giá của GV<br /> Dễ<br /> thực<br /> hiện<br /> 100%<br /> <br /> Đánh giá của GV<br /> Chính<br /> Không<br /> Đạt<br /> xác<br /> chính<br /> yêu<br /> xác<br /> cầu<br /> 83,3%<br /> 16,6%<br /> 100%<br /> <br /> Không<br /> đạt yêu<br /> cầu<br /> 0%<br /> <br /> Từ số liệu bảng 2 cho thấy, 100% GV được<br /> điều tra đều nhận định bộ thí nghiệm này dễ<br /> thực hiện. Có 83% GV cho rằng, thí nghiệm<br /> cho kết quả chính xác. Có 100% GV đánh giá<br /> bộ thí nghiệm đạt yêu cầu. Với kết quả đánh<br /> giá thu được, có thể nhận xét bộ thí nghiệm<br /> cải tiến đạt được các yêu cầu của một bộ thiết<br /> bị thí nghiệm để phục vụ trong quá trình dạy<br /> và học môn vật lý cũng như trong quá trình<br /> nghiên cứu các hiện tượng vật lý. Có thể sử<br /> dụng rộng rãi bộ thí nghiệm này tại các<br /> trường THPT, các trường đại học.<br /> KẾT LUẬN<br /> Bộ thí nghiệm“Khảo sát momen lực. Điều<br /> kiện cân bằng của một vật rắn có trục quay<br /> cố định” cải tiến đáp ứng đầy đủ yêu cầu của<br /> một bộ thí nghiệm vật lý về tính khoa học,<br /> tính sư phạm, tính trực quan và tính bền vững.<br /> Do đó, bộ thí nghiệm này có thể sử dụng rộng<br /> rãi trong quá trình dạy và học ở các trường<br /> THPT, các trường đại học. Không những vậy,<br /> việc chế tạo bộ thí nghiệm đó rất dễ, tiết kiệm<br /> <br /> 188(12/2): 17 - 20<br /> <br /> nên các GV và HS đều có khả năng lắp ráp,<br /> cải tiến tạo ra các bộ thí nghiệm để phục vụ<br /> cho mình trong việc dạy và học môn vật lý,<br /> bằng cách tận dụng bảng từ có sẵn của bộ thí<br /> nghiệm tổng hợp lực đồng qui và tổng hợp<br /> hai lực song song cùng chiều. Đĩa momen có<br /> thể tự tạo từ các vật liệu tận dụng phù hợp<br /> trong cuộc sống. Để tăng độ chính xác của<br /> thiết bị chúng tôi cố gắng giảm thiểu tối đa<br /> sự không cân bằng của đĩa, bằng cách tăng độ<br /> khít của ổ trục với trục quay.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Bernd Meier, Nguyễn Văn Cường (2005), Phát<br /> triển năng lực thông qua phương pháp và phương<br /> tiện dạy học mới, Hội thảo tập huấn, Hà Nội.<br /> 2. Bộ Giáo dục và Đào tạo (2009), Những vấn đề<br /> cơ bản về công tác thiết bị dạy học, lắp đặt, sử<br /> dụng, bảo quản, bảo dưỡng các thiết bị dùng<br /> chung (quyển 1), Tài liệu bồi dưỡng nghiệp vụ cho<br /> viên chức làm công tác thiết bị dạy học ở cơ sở<br /> giáo dục phổ thông, Giáo dục Việt Nam. Hà Nội.<br /> 3. Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Vật lý lớp 10<br /> nâng cao, Giáo dục Việt Nam. Hà Nội.<br /> 4. Bộ môn phương pháp giảng dạy, Sử dụng thiết<br /> bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý ở trường phổ<br /> thông, Tài liệu lưu hành nội bộ (2016), Khoa vật<br /> lý - Trường ĐHSP - Đại học Thái Nguyên.<br /> 5. Nguyễn Đức Thâm (2002) Phương pháp dạy<br /> học Vật lý ở trường phổ thông), Đại học Sư phạm<br /> Hà Nội.<br /> <br /> SUMMARY<br /> RENOVATING THE SETUP OF “TORQUE EVALUATION AND<br /> EQUILIBRIUM OF A RIGID BODY IN FIXED AXIS ROTATION” IN<br /> TEACHING PHYSICS AT HIGH SCHOOLS<br /> Vuong Thi Kim Yen*<br /> University of Education - TNU<br /> <br /> In this article, we present the assembly of the newly-renovated experimental setup “Torque<br /> evaluation and Equilibrium of a rigid body in fixed axis rotation” in order to enrich Physics<br /> experimental setups and to meet the need of new Physics equipment in high schools; to deploy<br /> research activities according to the new requirements of the Education Ministry. The initial result<br /> of this paper has proved that this setup is highly accurate, easy to observe, and applicable in not<br /> only high schools but also in the universities of Education for training purposes.<br /> Keywords: Torque experiment setup, equilibrium, rigid body, fixed axis rotation.<br /> Ngày nhận bài: 17/8/2018; Ngày phản biện: 17/9/2018; Ngày duyệt đăng: 12/10/2018<br /> *<br /> <br /> Tel: 0977 599218, Email: yenquangsp@gmail.com<br /> <br /> 20<br /> <br />