Luận văn Thiết kế bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến Sonar và sử dụng trong dạy học chương “các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông

ộ cảm biến nói chung chỉ có một chức năng hoặc chuyển tín hiệu cơ sang tín hiệu điện hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điệnVì vậy, ứng với từng phép đo khác nhau mà người ta phải dùng các cảm biến khác nhau. Ví dụ, để đo nhiệt độ, dùng cảm biến nhiệt độ; để đo áp suất, dùng cảm biến áp suất; để đo vị trí, vận tốc và gia tốc ta dùng cảm biến chuyển động. Mỗi cảm biến (đo các đại lượng vật lí khác nhau hoặc do các công ty khác nhau sản xuất) có nguyên tắc hoạt động riêng về mặt kĩ thuật để các chuyển tín hiệu thành tín hiệu điện. Ở một số phòng TN vật lí phổ thông, ta có thể gặp một số bộ TN có sử dụng các cảm biến do các công ty khác nhau sản xuất như: Cassy, Comex, Cobra, Vernier (CHLB Đức), Pasco (Mỹ), Addestation (Singapore),... Một trong các loại cảm biến thường dùng trong các thí nghiệm cơ học nhưng ít được sử dụng trong chương trình vật lý phổ thông là cảm biến SONAR (Sound Navigation Ranging). Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến SONAR là tạo ra các xung sóng siêu âm truyền đến một đối tượng và ghi nhận xung phản xạ trở lại cảm biến. Sóng âm được truyền đi trong môi trường nước với vận tốc cỡ 1500 m/s, trong chất rắn khoảng 5000 m/s, còn đối với không khí khoảng 343 m/s. Nếu một cảm biến phát ra đồng thời các sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, thì ta đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, từ đó có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý Time Of Flight (TOF): 38 Nguyên lý Time Of Flight : S = v× 2 t Với v = 343 m/s : vận tốc sóng âm trong không khí. Các cảm biến sonar được dùng trong các TN cơ học ở trường THPT được nhiều công ty khác nhau sản xuất. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn, tôi sử dụng bộ cảm biến sonar có tên gọi là “Go! Motion” của hãng Vernier, để xây dựng bộ TN cơ học ở trường THPT. Vì bộ cảm biến này có nhiều ưu điểm hơn so với các cảm biến sonar của các hãng khác, chẳng hạn như nó rất nhỏ gọn, linh động, kết quả đo đạc rất chính xác và phần mềm xử lí số liệu kèm theo có giao diện đẹp, dễ sử dụngrất phù hợp với các TN cơ học ở trường THPT hiện nay. Cảm biến Go! Motion được sử dụng để thu thập các dữ liệu về vị trí, vận tốc, gia tốc của các đối tượng chuyển động. Cổng USB của cảm biến cho phép kết nối trực tiếp với cổng USB của máy tính mà không cần thiết bị ghép tương thích như các cảm biế khác, điều này làm đơn giản hóa việc thiết lập các thí nghiệm. Các dữ liệu thí nghiệm được thu thập và xử lí bởi phần mềm Logger Pro được cài đặt trên máy vi tính. Hình 2.1. Nguyên lí TOF Hình 2.2. Cảm biến Go! Motion của Vernier 39 Cảm biến Go! Motion phát ra các sóng siêu âm từ đầu dò của máy và các sóng này hợp thành một hình nón với góc ở đỉnh từ 150 đến 200. Khi các sóng này gặp đối tượng TN thì bị phản xạ trở lại và đầu dò cảm biến thu nhận lại các sóng phản xạ. Cảm biến tiến hành xác định thời gian sóng siêu âm đến đối tượng TN và quay trở lại đầu dò cảm biến. Sử sụng thời gian này và vận tốc âm thanh trong không khí để xác định khoảng cách từ cảm biến đến đối đượng gần nhất theo nguyên lí TOF. Cảm biến Go!Motion có khả năng xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của các đối tượng chuyển động trong phạm vi cách đầu 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. Go!Motion có chức năng điều chỉnh (bù) nhiệt độ tự động, cho phép ta sử dụng nó trong nhà ở nhiệt độ phòng hoặc ngoài trời ở nhiệt độ lớn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ phòng. Hình 2.3. Giao diện phần mềm Logger Pro Hình 2.4. Góc quét của cảm biến 40 Trục xoay của cảm biến Go! Motion rất linh động, giúp cho việc hướng đầu dò cảm biến đến đối tượng TN cần đo dễ dàng. Ngoài ra, để gắn cảm biến trên các giá đỡ TN, bàn hoặc ghế, ta có thể dùng kẹp có ốc vít gắn cố định vào mặt sau của cảm biến. Rồi dùng kẹp gắn cố định lên các giá đỡ, hoặc bàn ghế để hướng đầu dò cảm biến vào đối tượng TN cần đo một cách dễ dàng. Hai vấn đề thường gặp khi tiến hành đo đạc với cảm biến Go! Motion là thiết bị không phát hiện được đối tượng TN cần đo và hai là đồ thị biểu diển số liệu thất thường hoặc bị nhiễu. Để khắc phục điều này ta cần phải lưu ý những vấn đề sau: - Phải đặt đối tượng TN trong pham vị đo đạc của cảm biến, cách cảm biến khoảng từ 0.15 m đến 6 m. - Tiến hành điều chỉnh nút gạt cảm biến đến vị trí phù hợp với đối tượng TN, để thiết lập lại độ nhạy của cảm biến và tiến hành việc đo đạc lại. - Kiểm tra xem trong phạm vi giữa cảm biến và đối tượng TN có vật nào khác ( chẳng hạn như một phần bàn, ghế, hay quyển sách) nằm trong phạm vi hình nón của sóng siêu âm phát ra. Nếu có, phải loại bỏ khỏi phạm vi đo đạc của cảm biến, vì nó có thể làm nhiễu các sóng phản xạ về cảm biến. - Thử thay đổi tốc độ thu thập dữ liệu, vì đôi khi trong từng điều kiện TN khác nhau thì việc thay đổi tốc độ thu thập dữ liệu giúp cảm biến đo đạc chính xác hơn. - Nếu bề mặt đối tượng TN gồ ghề, không bằng phẳng thì đôi khi các sóng phản xạ trở lại đầu dò của cảm biến và đôi khi không. Do đó kết quả đo đạc bị nhiễu, cách khắc phục là gắn thêm một tấm chắn có bề mặt bằng phẳng vào đối tượng TN để việc phản xạ sóng siêu âm trở lại đầu dò cảm biến tốt hơn. Hình 2.5. Các ưu điểm của Go! Motion 41 - Nếu có một nguồn khác phát ra sóng siêu âm có cùng dải tần số với sóng siêu âm do cảm biến phát ra, dẫn đến là làm cho cảm biến đo đạc không chính xác nữa. Chẳng hạn như việc hoạt động của các động cơ, máy quạt, máy lạnh, do đó khi tiến hành TN ta nên phải tắt các máy móc này. 2.3.2. Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với xe động lực Sử dụng bộ thí nghiệm xe động lực gồm: - Thanh ray dài 1,2 m trên có hai rảnh song song để tạo chuyển động thẳng, một đầu thanh gắn vật chắn cố định, đầu kia là thanh chắn có thể dịch chuyển bằng cách nới và vặn ốc xiết. Trên thanh ray có dán cố định thước để xác định vị trí. - Hai xe động lực, mỗi xe có khối lượng m = 500 g - Các vật nặng có khối lượng 500 g - Ròng rọc và các cuộn chỉ để tạo gia tốc cho xe động lực. - Thước đo góc cho mặt phẳng nghiêng. Hình 2.6. Xe động lực và vật nặng Hình 2.7. Bộ TN xe động lực 42 Thí nghiệm 1: Thí nghiệm về chuyển động thẳng đều a) Mục tiêu thí nghiệm - Hình thành khái niệm chuyển động thẳng đều thông qua quan sát, đo đạc các đại lượng vận tốc, tọa độ của xe động lực khi chuyển động trên thanh ray. - Hình thành khái niệm vận tốc của chuyển động thẳng đều; xác định được dạng đồ thị tọa độ, vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian. b) Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm theo hình c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Trước khi tiến hành các TN với thanh ray nằm ngang cần phải lưu ý điều chỉnh cho thanh ray thực sự nằm ngang trên bàn bằng cách: Đặt dụng cụ kiểm tra thăng bằng lên mặt thanh ray, vặn nút điều chỉnh ở phía dưới thanh ray cho đến khi vị trí bọt khí trong ống nằm ở chính giữa. Bật lò xo đẩy của xe động lực để khi va chạm vào thanh chắn cố định, nó bật ngược trở lại. Giúp kéo dài thời gian chuyển động của xe động lực để cảm biến thu thập được nhiều dữ liệu hơn. * Tiến hành thí nghiệm để hình thành khái niệm chuyển động thẳng đều - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: tọa độ theo thời gian và vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. - Đặt cảm biến Go! Motion ở một đầu của thanh ray. Hình 2.8. Sơ đồ bố trí TN chuyển động thẳng đều của xe động lực 43 - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt xe động lực lên thanh ray, cách cảm biến tối thiểu 15 cm. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay đẩy nhẹ xe động lực để bắt đầu thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm * Lưu ý để phân tích các kết quả thí nghiệm : Phần mềm Logger pro 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 bất kì trên đồ thị ta nhấp chuột vào biểu tượng “Examine”, và rê chuột đến vị trí 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 nào đó ta nhấp chuột vào biểu tượng “Statistics”, . - Nếu đồ thị ta có dạng y = ax +b, thì để xác định các thông số a và b nhanh chóng ta nhấp chuột vào biểu tượng “Linear Fit”, . Hình 2.9. Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời 44 - Để xác định dạng hàm số của đồ thị ta dùng công cụ “Curve Fit”, nhấp chuột vào biểu tượng . Cửa sổ Curve Fit hiện ra: Chọn hàm số phù hợp với đồ thị, và thử lại bằng cách nhấp chuột vào biểu tượng “Try it”. Trong trường hợp, trong danh sách không có dạng hàm số phù hợp với đồ thị ta có nhấp chuột vào “Define Fuction” để khai báo dạng hàm số mà mình mong muốn. Khi quá trình xác định dạng hàm số hoàn tất, nhấp chuột vào biểu tượng “Ok”, thì trên giao diện chương trình sẽ hiện lên dạng hàm số của đồ thị. Hình 2.10. Cửa sổ Cruve Fit Hình 2.11. Kết quả phân tích đồ thị của vật chuyển động thẳng đều 45 Thí nghiệm 2: Thí nghiệm về chuyển động thẳng biển đổi đều  Phương án 1: Xe động lực trượt trên mặt phẳng nghiêng a) Mục tiêu thí nghiệm - Xác định được quy luật biến đổi của vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Từ đó hình thành khái niệm chuyền động thẳng biến đổi đều và khái niệm gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều. - Xác định quy luật về tọa độ và đường đi theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. b) Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm theo hình c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Trước khi tiến hành các TN với thanh ray nằm nghiêng, để có thể điều chỉnh độ nghiêng của thanh ray một cách dễ dàng ta có thể đặt một đầu thanh ray trên một giá đỡ. Bằng cách điều chỉnh độ cao của giã đỡ ta có thể điều chỉnh độ nghiêng của thanh ray theo ý muốn. Lưu ý là bật pittông của xe động lực ra, để khi trượt xuống xe va chạm với đầu cố định của thanh ray và sau đó chuyển động lên dốc, rồ lại đi xuống va chạm với đầu cố định của thanh ray Quá trình diễn ra nhiều lần, giúp ta thu thập được nhiều dữ liệu hơn. - Hình 2.12. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều 46 * Tiến hành thí nghiệm để hình thành khái niệm chuyển động thẳng biến đổi đều - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Ba hệ trục: tọa độ theo thời gian, vận tốc theo thời gian và gia tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. - Đặt cảm biến Go! Motion ở một đầu của thanh ray. - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt xe động lực lên thanh ray, cách cảm biến tối thiểu 15 cm. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay thả nhẹ để xe động lực trượt xuống mặt phẳng nghiêng và bắt đầu quá trình cảm biến thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm Hình 2. 13. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian 47  Phương án 2: Xe động lực thu gia tốc trên mặt phẳng ngang nhờ hệ thống ròng rọc và gia trọng. a) Mục tiêu thí nghiệm - Xác định được quy luật biến đổi của vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Từ đó hình thành khái niệm chuyền động thẳng biến đổi đều và khái niệm gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều. - Xác định quy luật về tọa độ và đường đi theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. b) Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm theo hình. Lưu ý là bật lò xo nén của xe động lực ra, để khi bị gia trọng kéo xuống, thì nó va chạm với thanh chắn động của thanh ray và sau đó chuyển động bật ngược lại , rồ lại bị gia trọng kéo xuống Quá trình diễn ra nhiều lần, giúp ta thu thập được nhiều dữ liệu hơn. c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm - * Tiến hành thí nghiệm để hình thành khái niệm chuyển động thẳng biến đổi đều - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Ba hệ trục: tọa độ theo thời gian, vận tốc theo thời gian và gia tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. - Đặt cảm biến Go! Motion ở một đầu của thanh ray. - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt xe động lực lên thanh ray, cách cảm biến tối thiểu 15 cm. Hình 2.14. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều 48 - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay thả nhẹ để gia trọng kéo xe làm xe chuyển động và bắt đầu quá trình cảm biến thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm Hình 2. 15. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian 49 Thí nghiệm 3: Thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng a) Mục tiêu thí nghiệm - Qua thí nghiệm, HS quan sát quá trình va chạm giữa các vật chuyển động, xác định được vận tốc của hai xe từ đó xây dựng nội dung của định luật bảo toàn động lượng. b) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Trước khi tiến hành các TN với thanh ray nằm ngang cần phải lưu ý điều chỉnh cho thanh ray thực sự nằm ngang trên bàn bằng cách: Đặt dụng cụ kiểm tra thăng bằng lên mặt thanh ray, vặn nút điều chỉnh ở phía dưới thanh ray cho đến khi vị trí bọt khí trong ống nằm ở chính giữa.  Phương án 1: TN với hai xe động lực cùng khối lượng, xe 1 chuyển động đến va chạm mềm vào xe 2 đang đứng yên. Sau va chạm hai xe dính vào nhau và cùng chuyển động. - Bố trí thí nghiệm như hình: Trong phương án 1 này ta chỉ cần dùng một cảm biến để xác định vận tốc trước và sau tương tác của các xe động lực. Để hai xe dính vào nhau sau khi va chạm, ta dùng hai xe động lực có lớp đệm gài đặt đối diện nhau khi va chạm. * Tiến hành thí nghiệm: - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hệ trục vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. Hình 2.16. Sơ đồ bố trí TN va chạm mềm của hai xe cùng khối lượng 50 - Đặt cảm biến Go! Motion ở một đầu của thanh ray, cách xe 1 (xe chuyển động) tối thiểu 15 cm. - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay đẩy nhẹ xe 1 đến va chạm mềm với xe 2 đứng yên để bắt đầu thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm Hình 2.17. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe va chạm mềm trước và sau tương tác 51  Phương án 2: TN với hai xe động lực cùng khối lượng, xe 1 chuyển động đến va chạm đàn hồi vào xe 2 đang đứng yên. - Bố trí thí nghiệm như hình: Trong phương án 2 này ta dùng hai cảm biến để xác định vận tốc trước và sau tương tác của các xe động lực. Cụ thể một cảm biến xác định vận tốc trước và sau tương tác của xe 1, cảm biến còn lại xác định vận tốc trước và sau tương tác của xe 2. Lưu ý để việc va chạm đàn hồi ít bị mất mát năng lương, ta tiến hành cho hai mặt từ của hai xe đặt đối diện nhau khi tiến hành thí nghiệm. * Tiến hành thí nghiệm: - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hệ trục vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. - Đặt hai cảm biến Go! Motion ở hai đầu của thanh ray, xe 1 (xe chuyển động) đặt cách cảm biến tối thiểu 15 cm. Xe 2 ( ban đầu đứng yên) đặt ở chính giữa thanh ray. - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. Hình 2.18. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực cùng khối lượng va chạm đàm hồi 52 - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay đẩy nhẹ xe 1 đến va chạm đàn hồi với xe 2 đứng yên để bắt đầu thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm  Phương án 3: TN với hai xe động lực cùng khối lượng đứng yên , sau đó tương tác với nhau cùng chuyển động ngược chiều nhau. - Bố trí thí nghiệm như hình: Trong phương án 2 này ta dùng hai cảm biến để xác định vận tốc trước và sau tương tác của các xe động lực. Cụ thể một cảm biến xác định vận tốc trước và Hình 2.19. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác đàn hồi Hình 2.20. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực đứng yên, sau đó tương tác với nhau 53 sau tương tác của xe 1, cảm biến còn lại xác định vận tốc trước và sau tương tác của xe 2. Ép lò xo nén ở đầu một xe động lực lại, và đặt xe này tiếp xúc nhau với xe còn lại ở vị trí chính giữa của thanh ray. * Tiến hành thí nghiệm: - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hệ trục vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. - Đặt hai cảm biến Go! Motion ở hai đầu của thanh ray. - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời nhấn dứt khoát nút phóng cho lò xo bung ra để hai xe tương tác với nhau và bắt đầu thu thập dữ liệu. - Lưu ý để nhấn nút phóng một cách dứt khoát, ta dùng một vật nặng (ví dụ một cây thước gỗ) gõ nhẹ vào nút phóng. * Kết quả thí nghiệm Hình 2.21. Đồ thị vận tốc hai xe trước và sau tương tác 54 2.3.3. Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với bộ thí nghiệm đệm không khí Bộ TN đệm không khí bao gồm: - Ray đệm không khí (air track): Thanh nhôm rỗng, hình hộp, dài 1,2 m. Mặt trên có hình chữ V, có nhiều lổ nhỏ để không khí thoát ra làm giảm ma sát khi xe trượt trên nó. Trên ray có gắn thước đo, độ thăng bằng của thanh ray được điều chỉnh nhờ các đinh vít của chân đỡ. - Bộ cấp khí: Một máy bơm khí dùng điện xoay chiều 220 V. Không khí được cấp cho ray nhờ ống dẫn khí. Ta có thể điều chỉnh lượng khí vào thanh ray với 6 mức độ khác nhau. - Xe trượt: Bản kim loại hình chữ V, có khối lượng 180 g. Khối lượng xe có thể tăng thêm nhờ các quả gia trọng gắn hai bên thành xe. Khi xe trượt trên đệm không khí có thể coi ma sát là không đáng kể. - Phụ kiện: Các tấm nhựa phẳng có chiều dài L = 10 cm được gắn trên xe trượt, có tác dụng giúp phản xạ sóng trở về đầu dò cảm biến. Bộ va chạm đàn hồi gồm các khung dây cao su và các thanh chắn nhôm, bộ va chạm mềm gồm có ống trụ nhỏ rỗng và ống trụ có kim để kết nối với nhau. Ròng rọc và các gia trọng có khối lượng 1g, 2g, 5g, 10g để gia tốc cho xe trượt trên đệm khí. - - Hình 2.22. Ray đệm không khí Hình 2.23. Bộ cấp khí Hình 2.24. Xe trượt Hình 2.25. Các phụ kiện của bộ đệm khí 55 Tương tự như các TN của bộ TN xe động lực trình bày ở trên, ở đây ta tiến hành thực hiện lại các TN trên bằng cách dùng bộ TN đệm không khí Thí nghiệm 1: Thí nghiệm về chuyển động thẳng đều a)Mục tiêu thí nghiệm - Hình thành khái niệm chuyển động thẳng đều thông qua quan sát, đo đạc các đại lượng vận tốc, tọa độ của xe trượt khi chuyển động trên đệm khí. - Hình thành khái niệm vận tốc của chuyển động thẳng đều; xác định được dạng đồ thị tọa độ, vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian. b) Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm theo hình. Trước khi tiến hành các TN với đệm khí nằm ngang cần phải lưu ý điều chỉnh cho đệm khí thực sự nằm ngang trên bàn bằng cách: Đặt dụng cụ kiểm tra thăng bằng lên mặt đệm, vặn nút điều chỉnh ở phía dưới đệm khí cho đến khi vị trí bọt khí trong ống nằm ở chính giữa. Gắn khung dây cao su vào thanh chắn cố định để khi xe trượt va chạm vào khung, nó bật ngược trở lại. Giúp kéo dài thời gian chuyển động của xe trượt để cảm biến thu thập được nhiều dữ liệu hơn. c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm * Tiến hành thí nghiệm để hình thành khái niệm chuyển động thẳng đều - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: tọa độ theo thời gian và vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. Hình 2.26. Bố trí TN chuyển động thẳng đều trên đệm không khí của xe trượt 56 - Đặt cảm biến Go! Motion lên giá đỡ sao cho đầu dò cảm biến thẳng hàng với phương chuyển động của xe trượt. Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt xe trượt lên đệm khí, cách cảm biến tối thiểu 15 cm. Bật công tắc của bộ cấp khí để đệm khí hoạt động. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay đẩy nhẹ xe trượt để bắt đầu thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm Thí nghiệm 2: Thí nghiệm về chuyển động thẳng biển đổi đều  Phương án 1: Xe trượt chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của đệm khí a) Mục tiêu thí nghiệm - Xác định được quy luật biến đổi của vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Từ đó hình thành khái niệm chuyền động thẳng biến đổi đều và khái niệm gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều. - Xác định quy luật về tọa độ và đường đi theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Hình 2.27 Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian 57 b) Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm theo hình. c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Trước khi tiến hành các TN với đệm khí nằm nghiêng, để có thể điều chỉnh độ nghiêng của đệm khí một cách dễ dàng ta có thể đặt một đầu thanh ray trên một giá đỡ. Bằng cách điều chỉnh độ cao của giã đỡ ta có thể điều chỉnh độ nghiêng của đệm khí theo ý muốn. Lưu ý là gắn khung dây cao su vào thanh chắn cố định, để khi trượt xuống xe va chạm với đầu cố định của đệm khí và sau đó chuyển động lên dốc, rồ lại đi xuống va chạm với khung dây cao su của đệm khí Quá trình diễn ra nhiều lần, giúp ta thu thập được nhiều dữ liệu hơn. - * Tiến hành thí nghiệm để hình thành khái niệm chuyển động thẳng biến đổi đều - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Ba hệ trục: tọa độ theo thời gian, vận tốc theo thời gian và gia tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 10 giây. Hình 2.28 Bố trí TN xe trượt chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của đệm khí 58 - Đặt cảm biến Go! Motion lên giá đỡ sao cho đầu dò cảm biến thẳng hàng với phương chuyển động của xe trượt. Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt xe trượt lên đệm khí, cách cảm biến tối thiểu 15 cm. Bật công tắc bộ cấp khí cho đệm khí hoạt động. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay thả nhẹ để xe động lực trượt xuống mặt phẳng nghiêng và bắt đầu quá trình cảm biến thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm  Phương án 2: Xe trượt thu gia tốc trên đệm không khí nằm ngang nhờ hệ thống ròng rọc và gia trọng. a) Mục tiêu thí nghiệm - Xác định được quy luật biến đổi của vận tốc theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Từ đó hình thành khái niệm chuyền động thẳng biến đổi đều và khái niệm gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều. Hình 2.29 Đồ thị tọa độ và vận tốc theo thời gian của xe trượt trên mặt phẳng nghiêng 59 - Xác định quy luật về tọa độ và đường đi theo thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều. b) Bố trí thí nghiệm Bố trí thí nghiệm theo hình. c) Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Lưu ý là ở vị trí thanh chắn cố định ta gắn khung dây cao su, để khi bị gia trọng kéo xuống, thì nó chuyển động bật ngược lại , rồ lại bị gia trọng kéo xuống Quá trình diễn ra nhiều lần, giúp ta thu thập được nhiều dữ liệu hơn. * Tiến hành thí nghiệm để hình thành khái niệm chuyển động thẳng biến đổi đều - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy vi tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Ba hệ trục: tọa độ theo thời gian, vận tốc theo thời gian và gia tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho là Logger pro 5 giây. - Đặt cảm biến Go! Motion ở một đầu của thanh ray. - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt xe trượt lên thanh đệm không khí, cách cảm biến tối thiểu 15 cm. - Nhấp chuột vào biểu tượng “Collect”, trên cửa sổ phần mềm, đồng thời dùng tay thả nhẹ để gia trọng kéo xe làm xe chuyển động và bắt đầu quá trình cảm biến thu thập dữ liệu. Hình 2.30. Bố trí TN xe trượt chuyển động thẳng biến đổi đều trên đệm khí 60 * Kết quả thí nghiệm Thí nghiệm 3: Thí nghiệm kiểm