JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br />
Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 93-99<br />
This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br />
<br />
DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0163<br />
<br />
CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU<br />
CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT BỊ NÉM<br />
TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 10<br />
Nguyễn Ngọc Hưng1 , Nguyễn Đức Lâm2<br />
1 Khoa<br />
2 Trường<br />
<br />
Vật lí, Trường Đại học sư phạm Hà Nội<br />
Trung học phổ thông Chuyên Sư phạm Hà Nội<br />
<br />
Tóm tắt. Học sinh thường gặp nhiều khó khăn và mắc sai lầm khi học về chuyển động tròn<br />
đều và chuyển động của vật bị ném. Để giúp học sinh phát huy tính tích cực và phát triển<br />
năng lực sáng tạo, chúng ta cần cho họ tham gia vào quá trình làm thí nghiệm để tìm hiểu<br />
kiến thức. Các thí nghiệm hiện tại còn nhiều hạn chế, chúng tôi thấy cần thiết phải nghiên<br />
cứu chế tạo thí nghiệm mới về chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném. Với<br />
thí nghiệm đã chế tạo, chúng tôi đã giúp học sinh tìm hiểu sâu hơn các quá trình vật lí và<br />
phát huy năng lực sáng tạo của họ.<br />
Từ khóa: Chuyển động, tròn đều, vật bị ném, chuyển động cong, thiết bị thí nghiệm.<br />
<br />
1.<br />
<br />
Mở đầu<br />
<br />
Trong vật lí 10, kiến thức về chuyển động tròn đều và chuyển động của vật bị ném là cơ sở,<br />
nền tảng cho các nghiên cứu về chuyển động của điện tích trong điện trường và từ trường ở lớp<br />
11,12. Ngoài ra, kiến thức này có nhiều ứng dụng trong thực tế nên khi học sinh học xong cần có<br />
hiểu biết về các ứng dụng kĩ thuật có liên quan.<br />
Trong thực tế, các nhà trường phổ thông chưa có thiết bị thí nghiệm về động học chuyển<br />
động tròn đều và chuyển động ném. Thí nghiệm về lực hướng tâm của Trung Quốc tiến hành thí<br />
nghiệm song song có thể tìm ra mối quan hệ tỉ lệ giữa độ lớn lực hướng tâm với khối lượng của<br />
vật, tốc độ quay, bán kính quỹ đạo.<br />
Ngoài ra, chúng tôi được biết thiết bị thí nghiệm của Phywe [3], đo được lực hướng tâm khi<br />
vật đang chuyển động, quan sát số chỉ lực kế rõ, thay đổi tốc độ tuỳ ý, đọc được chu kì quay. Còn<br />
có một số hạn chế là khó cố định bán kính quỹ đạo, kích thước khá cồng kềnh. Thiết bị thí nghiệm<br />
của Leybold [4], có thể cố định bán kính quỹ đạo, xác định bán kính đơn giản, kích thước nhỏ,<br />
thay đổi tốc độ quay tuỳ ý, đọc được chu kì quay. Nhưng có một số hạn chế là không xác định được<br />
lực hướng tâm ngay trong lúc chuyển động quay.<br />
Về các nghiên cứu trong nước, chúng tôi được biết một số tác giả đã đưa ra các phương án<br />
để xác định vị trí của vật bị ném và chuyển động tròn đều như: đề tài sinh viên nghiên cứu khoa<br />
học trường Đại học Sư phạm Hà Nội của Nguyễn Thị Thơm, Nguyễn Tiến Lộc năm 2012 [5]. Tuy<br />
nhiên, thiết bị thí nghiệm vẫn chưa xác định được vị trí của vật tại từng thời điểm mà chỉ cho kết<br />
Ngày nhận bài: 19/7/2016. Ngày nhận đăng: 25/9/2016.<br />
Liên hệ: Nguyễn Đức Lâm, e-mail: Nguyenlamda@gmail.com.<br />
<br />
93<br />
<br />
Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Lâm<br />
<br />
quả vết quỹ đạo của vật. Như vậy, thiết bị đó chưa xác định được tính chất chuyển động của vật từ<br />
thời điểm t1 đến thời điểm t2. Ngoài ra, còn có cách xác định vị trí bằng chụp ảnh hoạt nghiệm<br />
bằng đèn LED của tác giả Nguyễn Văn Biên [6], với thiết bị thí nghiệm này, cần mất thời gian<br />
chụp ảnh rồi cho học sinh xem trên ảnh nên phần nào giảm bớt tính hứng thú so với việc làm thí<br />
nghiệm và đo đạc trên vật thật.<br />
Vì vậy, chúng tôi kế thừa các ưu điểm và khắc phục nhược điểm của các thiết bị thí nghiệm<br />
trước đây để chế tạo một thiết bị thiết nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động<br />
của vật bị ném.<br />
<br />
2.<br />
2.1.<br />
<br />
Nội dung nghiên cứu<br />
Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm<br />
Các bộ phận của thiết bị được gắn trên một giá hình hộp chữ nhật bằng nhựa gồm có:<br />
<br />
Hình 1. Thiết bị thí nghiệm<br />
1 - Giá gắn động cơ và thanh gắn lò xo với vật nặng<br />
+ Động cơ điện được gắn tại chính giữa của một giá cố định hình chữ U. Trục quay của<br />
động cơ được gắn với một thanh sắt dài 20cm để truyền chuyển động quay cho thanh đó.<br />
+ Một lò xo nhẹ có một đầu gắn với thanh sắt tại các vị trí khác nhau để thay đổi bán kính<br />
quỹ đạo chuyển động của vật. Đầu còn lại của lò xo được gắn với một vật nặng. Vật có thể trượt<br />
hầu như không có ma sát đối với thanh và kích thước, khối lượng của vật nhỏ hơn thanh để khi<br />
chuyển động hệ không bị lắc.<br />
2 - Màn hình LED<br />
Màn hình cho hiển thị khoảng thời gian giữa hai lần xác định vị trí của vật và cho biết các<br />
thông số đặc trưng của chuyển động.<br />
3 - Đèn phát hồng ngoại<br />
Đèn được gắn trên cạnh dài và cạnh rộng của giá thí nghiệm để phát ra lưới hồng ngoại trên<br />
94<br />
<br />
Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động...<br />
<br />
mặt phẳng giá thí nghiệm.<br />
4 - Bảng đèn LED phát ánh sáng đỏ<br />
Sau khi mạch vi xử lí xác định được vị trí của vật chuyển động tại thời điểm khảo sát thì<br />
truyền tín hiệu đến vị trí các bóng đèn LED trên mặt phẳng chuyển động của vật. Khi đó, đèn LED<br />
sẽ phát ánh sáng màu đỏ tại đúng vị trí của vật.<br />
5 - Đầu thu tín hiệu hồng ngoại<br />
Các đèn thu tín hiệu hồng ngoại được gắn đối diện với đèn phát trên giá thí nghiệm. Khi tín<br />
hiệu ánh sáng đến nhỏ hơn một giá trị xác định thì đầu thu tín hiệu hồng ngoại sẽ gửi thông tin đến<br />
bộ vi xử lí để xác định vị trí của vật khi đó.<br />
<br />
2.2.<br />
<br />
Hoạt động của thiết bị<br />
<br />
+ Khi đặt một vật có đường kính 5mm trên mặt bảng thí nghiệm, tín hiệu từ đèn hồng ngoại<br />
và đầu thu xác định được vị trí tọa độ của vật trong mặt phẳng.<br />
+ Thông tin về tọa độ của vật được truyền đến bộ vi xử lí và được truyền đến các đèn LED<br />
trên mặt bảng thí nghiệm và đèn LED sáng tại đúng tọa độ của vật.<br />
+ Khi vật chuyển động, thông tin về tọa độ của vật được bộ vi xử lí không truyền liên tục<br />
đến đèn LED. Sau khoảng thời gian ∆t (có thể điều chỉnh được), đèn mới cập nhật thông tin vị<br />
trí mới của vật và sáng tại vị trí mới đó. Nhờ đó, chúng ta xác định được quãng đường vật chuyển<br />
động trong khoảng thời gian ∆t.<br />
<br />
2.3.<br />
<br />
Các thí nghiệm đã tiến hành<br />
Thí nghiệm kiểm nghiệm mối quan hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc<br />
<br />
Hình 2. Thí nghiệm về chuyển động tròn đều<br />
+ Đặt khoảng thời gian giữa hai lần đo, sau đó tiến hành thí nghiệm với các bán kính khác<br />
nhau và giữ nguyên tốc độ góc. Kết quả thu được v ∼ R.<br />
+ Thay đổi tốc độ góc và giữ nguyên bán kính quỹ đạo. Kết quả thu được v ∼ ω.<br />
+ Như vậy, mối quan hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc của vật chuyển động tròn đều là v =<br />
ω.R<br />
Thí nghiệm nghiên cứu độ lớn của lực hướng tâm<br />
+ Vẫn sử dụng như thí nghiệm trên, để xác định độ lớn của lực hướng tâm là lực đàn hồi,<br />
chúng tôi dựa vào độ biến dạng của lò xo theo một bảng tỉ lệ giữa độ lớn của lực đàn hồi và độ<br />
biến dạng đã biết trước với các lò xo khác nhau.<br />
95<br />
<br />
Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Lâm<br />
<br />
+ Ban đầu, xác định vị trí của vật khi chưa chuyển động. Tiến hành thí nghiệm, chúng tôi<br />
thu được vết chuyển động của vật như hình 2. Từ đó, xác định được tốc độ góc và bán kính quỹ<br />
đạo chuyển động của vật. So sánh vị trí ban đầu với vị trí quỹ đạo chuyển động, chúng tôi xác định<br />
được độ biến dạng của lò xo. Từ bảng số liệu, chúng tôi tìm được độ lớn của lực hướng tâm.<br />
+ Giữ cố định khối lượng m1 và tốc độ góc ω1 thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của<br />
vật ta được đồ thị biểu diễn độ lớn lực hướng tâm theo bán kính quỹ đạo.<br />
+ Giữ cố định khối lượng m1 và tốc độ góc ω2 thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của<br />
vật ta được đồ thị biểu diễn độ lớn lực hướng tâm theo bán kính quỹ đạo.<br />
+ Giữ cố định khối lượng m2 và tốc độ góc ω2 thay đổi bán kính quỹ đạo chuyển động của<br />
vật ta được đồ thị biểu diễn độ lớn lực hướng tâm theo bán kính quỹ đạo.<br />
+ Như vậy, ta có được các họ đồ thị như hình 3. Từ đó, chúng tôi rút ra được các kết luận<br />
F ∼ m khi ω và R không đổi; F ∼ ω 2 khi m và R không đổi; F ∼ R khi m và ω không đổi.<br />
<br />
Hình 3. Đồ thị nghiên cứu độ lớn lực hướng tâm<br />
Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động ném ngang<br />
<br />
Hình 4. Thí nghiệm nghiên cứu chuyển động của vật bị ném<br />
→<br />
+ Truyền cho vật vận tốc ban đầu −<br />
v0 tạo với phương ngang góc α, thu được vị trí của vật tại<br />
các thời điểm khác nhau.<br />
+ Từ tập hợp các tọa độ vị trí của vật, chúng tôi khớp với các hàm số. Rút ra kết quả quỹ<br />
đạo chuyển động của vật bị ném là đường cong Parabol.<br />
+ Cũng từ các tọa độ vị trí của vật, chúng tôi tìm được độ cao cực đại H và tầm xa mà vật<br />
đạt được L.<br />
96<br />
<br />
Chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm nghiên cứu chuyển động tròn đều và chuyển động...<br />
<br />
+ Thay đổi tốc độ ném vật v01 , 2v01 , 3v01 ... và giữ nguyên góc ném α, chúng tôi thu được<br />
mối quan hệ giữa độ cao cực đại H và tầm xa L theo tốc độ ném α.<br />
Kết quả: H ∼ v02 ; L ∼ v02 . + Thay đổi góc ném α = 20◦ ; 30◦ ; 45◦ và giữ nguyên tốc độ<br />
ném v0 , chúng tôi thu được mối quan hệ giữa độ cao cực đại H và tầm xa L theo góc ném α.<br />
Kết quả: H ∼ sin2 α; L ∼ sin 2α.<br />
<br />
2.4.<br />
<br />
Sử dụng các thí nghiệm trong dạy học<br />
<br />
2.4.1. Sử dụng thí nghiệm trong dạy học chuyển động tròn đều<br />
Mối quan hệ giữa tốc độ dài v, tốc độ góc ω và bán kính quỹ đạo R.<br />
+ Khi nghiên cứu chuyển động tròn đều,vấn đề đặt ra là tốc độ dài và tốc độ góc có mối<br />
quan hệ như thế nào?<br />
+ Từ các kiến thức đã biết, tốc độ dài được tính theo quãng đường vật đi được trong một<br />
s<br />
khoảng thời gian là v = ; tốc độ góc được tính theo góc quay được trong cùng khoảng thời gian<br />
t<br />
∆ϕ<br />
đó là ω =<br />
.<br />
t<br />
+ Làm thí nghiệm với các khoảng thời gian khảo sát t khác nhau, đo được s và ∆ϕ. Từ đó,<br />
tính được v và ω.<br />
+ Sau đó, rút ra kết luận v ∼ ω khi bán kính quỹ đạo R không đổi.<br />
+ Làm thí nghiệm với các bán kính quỹ đạo tròn khác nhau và giữ nguyên tốc độ góc. Từ<br />
đó, rút ra kết luận v ∼ R khi ω không đổi.<br />
+ Như vậy, có mối quan hệ giữa tốc độ dài v, tốc độ góc ω và bán kính quỹ đạo R.<br />
+ Làm thí nghiệm, đo v, ω và R chúng ta kiểm nghiệm được công thức v =ωR.<br />
Công thức độ lớn lực hướng tâm<br />
+ Vấn đề đặt ra tiếp theo là nguyên nhân gây ra chuyển động tròn đều là lực hướng tâm. Vậy<br />
độ lớn của lực hướng tâm phụ thuộc vào các đại lượng vật lí nào và mối quan hệ giữa chúng như<br />
thế nào?<br />
+ Theo định luật 2 của Newton, chúng ta thu được công thức độ lớn của lực hướng tâm là:<br />
F = mω 2 R.<br />
+ Tiến hành thí nghiệm kiểm nghiệm công thức trên. Trước tiên, giữ cố định khối lượng của<br />
vật m và tốc độ góc ω, thay đổi bán kính quỹ đạo, chúng ta thu được đồ thị hàm số F ∼ R.<br />
+ Thay khối lượng m bằng khối lượng 2m, giữ nguyên tốc độ góc ω, thay đổi bán kính quỹ<br />
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<br />
theo R với các tham số m khác nhau.<br />
+ Thay đổi tốc độ góc ω bằng tốc độ góc 2ω, giữ nguyên khối lượng m, thay đổi bán kính<br />
quỹ đạo, chúng ta thu được đồ thị thứ 3 của hàm số F ∼ R. Như vậy, chúng ta có được họ đồ thị<br />
của F theo R với các tham số ω khác nhau.<br />
+ Từ các họ đồ thị trên, chúng ta rút ra được các kết luận:<br />
F ∼ R khi m và ω không đổi; F ∼ m khi R và ω không đổi; F ∼ ω 2 khi m và R không đổi.<br />
+ Cuối cùng, làm thí nghiệm đo m, ω 2 và R để kiểm nghiệm công thức F = mω 2 R.<br />
<br />
2.4.2. Sử dụng thí nghiệm trong dạy học chuyển động của vật bị ném<br />
+ Khi một vật đang quay tròn trong mặt phẳng thẳng đứng so với mặt đất, đột ngột bị mất<br />
lực hướng tâm thì vật sẽ bị văng đi và chuyển động trong không khí. Vậy, chuyển động của vật bị<br />
97<br />
<br />