Thiết kế chế tạo thiết bị đánh dấu vị trí của vật chuyển động bằng đèn led để sử dụng trong dạy học phần Cơ học

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Educational Sci. 2010, Vol. 55, No. 8, pp. 22-27 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐÁNH DẤU VỊ TRÍ CỦA VẬT CHUYỂN ĐỘNG BẰNG ĐÈN LED ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC PHẦN CƠ HỌC Nguyễn Văn Biên Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 1. Mở đầu Các đại lượng cơ học trong nhiều thí nghiệm cơ học đều thông qua mối quan hệ giữa tọa độ của vật và thời gian. Để thực hiện các thí nghiệm này đòi hỏi phải có thiết bị đánh dấu vị trí của vật theo thời gian. Hiện nay ở các trường phổ thông, có những phương án đánh dấu vị trí của vật như: Cần rung điện nằm cố định; Thiết bị đánh dấu tương tác từ gắn trên vật chuyển động; Thiết bị đánh tia lửa điện; Chụp ảnh hoạt nghiệm; Cảm biến chuyển động. Phương án sử dụng cần rung điện đặt nằm cố định có sai số đáng kể vì điện áp dân dụng không ổn định ở 220V, vật liệu làm cần rung điện (lá thép), cuộn dây nam châm từ đưa ra tần số rung không chính xác ở mức 50Hz. Hơn nữa, việc cần rung điện đặt nguyên tại một vị trí và đánh dấu trên một băng giấy thực chất là đánh dấu vị trí của vật trong chuyển động tương đối chứ không phải là ghi lại trực tiếp vị trí của vật. Thiết bị đánh dấu tương tác từ gắn trên vật chuyển động khắc phục được nhược điểm này, nhưng vẫn chỉ nghiên cứu được một số chuyển động của vật trong mặt phẳng nằm ngang hoặc mặt phẳng nghiêng. Còn các chuyển động như chuyển động rơi tự do, chuyển động ném ngang, hoặc những chuyển động phức tạp của vật thể, tay, chân thì vẫn không khảo sát được. Phương án sử dụng thiết bị đánh tia lửa điện có độ chính xác nhưng dễ gây ra nguy hiểm cho người sử dụng trong thí nghiệm vật lí phổ thông. Phương án chụp ảnh hoạt nghiệm tuy rất hiện đại và khảo sát được chuyển động nhanh mà mắt thường không cảm nhận được, nhưng thiết bị đắt tiền, cồng kềnh và cần đến kĩ thuật chụp ảnh cao, không phù hợp với thí nghiệm phổ thông. Một trong những xu hướng dạy học hiện đại hiện nay là tăng cường việc giao nhiệm vụ cho học sinh trong khảo sát những đối tượng, quá trình thực. Ví dụ trong phần Động học, ngoài việc nghiên cứu chuyển động của những vật thể trong phòng thí nghiệm, cần mở rộng thêm những đối tượng trong cuộc sống vào nội dung dạy học, chẳng hạn như khảo sát quy luật chuyển động của bàn tay, bàn chân vận động viên ở các môn thể thao như ném xa, bóng chuyền, bóng đá hoặc quy luật chuyển 22 Thiết kế chế tạo thiết bị đánh dấu vị trí của vật chuyển động... động của người đi xe đạp, của người chạy bộ... Để xác định vị trí của các vật này, người ta thường dùng cảm biến chuyển động có kết nối với máy vi tính. Những thiết bị này đắt tiền và sử dụng khá phức tạp, chưa thực sự phù hợp với điều kiện dạy học ở nước ta. Từ những lí do trên, cần có một thiết bị đánh dấu vị trí vật để sử dụng không chỉ trong phòng thí nghiệm mà cả những không gian rộng, có giá thành phù hợp với điều kiện dạy học hiện nay. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đánh dấu tọa độ của vật theo thời gian hiển thị trên đèn LED điều khiển bằng mạch sử dụng IC NE555 Từ những ưu, nhược điểm của những bộ thiết bị thí nghiệm đánh dấu vị trí của vật chuyển động đã có như trên, chúng tôi đã xây dựng một thiết bị để đánh dấu tọa độ của vật theo thời gian hiển thị trên đèn LED điều khiển bằng mạch sử dụng IC NE555. Thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc sau: Dùng IC NE555 điều khiển một đèn LED cứ chiếu sáng 10 ms rồi lại dừng 10 ms liên tiếp nhau. Chụp ảnh vật cần đánh dấu tọa độ có gắn đèn LED này bằng máy ảnh kĩ thuật số với thời gian mở ống kính đủ lớn (khoảng 2 s) để ghi lại quá trình chuyển động của vật trong thời gian đó. Mạch tạo xung điều khiển đèn tắt, sáng liên tiếp trong thời gian 10 ms có nguyên tắc hoạt động như Hình 1. Hình 1. Mạch nguyên lí tạo xung vuông dùng trong thiết bị Trong mạch này, ta sử dụng IC NE555, ở đó chân 2 được nối với chân 6 để cho chân ngõ vào và chân giữ mức thềm (mức ngưỡng) có chung điện áp phân cực. Chân 5 được nối với tụ C2 xuống GND để lọc nhiễu tần số cao. Vì vậy, tụ này thường có giá trị không lớn lắm, được chọn vào khoảng từ 10 nF đến 1 µF. Chân 4 nối nguồn Vcc vì không dùng chức năng Reset. Chân 7 là chân xả điện nên được nối giữa 2 điện trở RA và RB làm đường nạp và xả điện cho tụ C1. Khi được cấp nguồn Vcc, ở nửa chu kì đầu, tụ C1 được nạp điện thông qua RA và RB. Thông thường trong đoạn mạch dao động, ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của Transistor là: T = RC ln 2 = 0, 693RC. Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C1 được nạp dòng qua RA 23 Nguyễn Văn Biên và RB. Hằng số thời gian nạp cũng chính là thời gian đèn LED không sáng: Tn = 0, 693(RA +RB)C1. Đồng thời RA và RB làm nhiệm vụ phân cực bên trong IC, lúc này mạch sẽ tự dao động. Sau khi tụ C1 nạp đầy, ở nửa chu kì sau, tụ C1 phóng điện thông qua RB vào chân 7. Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả dòng qua RB. Hằng số thời gian xả cũng chính là thời gian đèn LED phát sáng: Tx = 0, 693RBC1 Chân 7 nối với chân C của Transistor trong IC NE555, chân 1 nối với chân E của Transistor, chân 3 nối với chân B của transistor trong IC NE555. Tụ C1 phóng điện qua RB vào chân 7 DISCHARGE (chân C của Transistor trong IC NE555) làm Transistor này kích mở tín hiệu ra chân 3 TRIGGER OUTPUT (chân B của Transistor trong IC NE555) và Transistor phóng điện xuống chân 1 GND (chân E của Transistor trong IC NE555). Như vậy, tín hiệu ở đầu ra chân 3 nối ra LED đã được khuếch đại và điều khiển với chu kì là tổng thời gian nạp và thời gian xả (thời gian nạp và thời gian xả không bằng nhau (Tn > Tx)): T = Tn + Tx = 0, 693(RA + 2RB)C1. Vậy, tần số ra của tín hiệu xung vuông là: f = 1 T = 1, 44 (RA + 2RB)C1 . Như vậy, muốn thay đổi độ lớn của tần số dao động của mạch thì chỉ cần thay đổi giá trị của RA, RB hoặc C1. Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi giá trị của RA hoặc RB không thôi thì tần số f cũng như độ rộng xung (duty cycle) cũng bị thay đổi cùng lúc. Muốn thay đổi tần số (giữ nguyên độ rộng xung) thì RA, RB phải được thay đổi cùng lúc (cùng tăng hoặc cùng giảm một giá trị như nhau). Muốn thay đổi độ rộng xung (giữ nguyên tần số) thì RA và RB phải được thay đổi cùng một lúc nhưng có chiều ngược lại (khi RA tăng thì RB giảm cùng một giá trị như nhau). Trong thực tế thiết kế mạch, để có dạng xung vuông đối xứng, có thể thực hiện một trong hai phương pháp sau: - Vì thời gian nạp và thời gian xả không bằng nhau (Tn > Tx) nên chọn giá trị RA << RB. Lúc này sai số giữa thời gian nạp và thời gian xả xem như không đáng kể. - Chọn RA ≈ RB, sau đó mắc song song một điốt D phân cực thuận nạp cho tụ không qua RB, còn khi xả điện thì điốt D bị phân cực ngược nên vẫn xả điện qua RB. 24 Thiết kế chế tạo thiết bị đánh dấu vị trí của vật chuyển động... Tuy nhiên, trong thực tế, điốt có nội trở, nên thời gian nạp qua RA và D vẫn lớn hơn RB, nên để cho mạch thật đối xứng, người ta thường bổ sung thêm một điốt D2 giống như điốt D1. Điốt D2 được mắc nối tiếp với RB để cho đường nạp và đường xả điện hoàn toàn giống nhau. Giá trị RA và RB có thể có sai số, vì thế nên giảm trị số của RA hoặc RB để cho độ rộng xung (duty cycle) đạt được 50%. Mạch trên dùng thêm 2 điốt với D1 nối tiếp với RB và C1 (anot D1 nối C1, catot D1 nối RB), D2 nối giữa chân 6 và chân 7 (nối song song RB và D1, anot D2 nối giữa RA và RB, catot D2 nối giữa C1 và D1) để Tn = Tx, đảm bảo có được xung vuông tại chân OUT 3 là đối xứng. Sở dĩ có thêm 2 điốt tạo nên tác dụng như vậy là vì lúc nạp dòng chỉ qua RA nhờ có điốt D2. Khi đó, thời gian nạp là Tn = t1 = 0, 693RAC1. Và khi tụ xả cũng vậy, nhờ có D2 mà dòng xả chỉ qua RB và thời gian xả là Tx = t2 = 0, 693RBC1. Mà do RA = RB chọn lúc thiết kế nên Tn = Tx. Với các linh kiện có sẵn trên thị trường, chúng tôi đã lắp được mạch điều khiển đèn LED với chu kì T = 20 ms (Hình 2A). Trong khoảng thời gian chu kì T ấy thì đèn LED sáng 10 ms và tắt 10 ms. Tín hiệu được tạo ra từ mạch này có thể được kiểm tra bằng dao động kí và được xác nhận với độ chính xác cao (Hình 2B). Hình 2. (A) Đèn LED điều khiển bằng mạch sử dụng IC NE555 (B) Tín hiệu của mạch tạo xung vuông T = 20 ms trên dao động kí 2.2. Sử dụng thiết bị đánh dấu quỹ đạo chuyển động bằng đèn LED trong một số thí nghiệm cơ học Để sử dụng thiết bị này trong thí nghiệm, ta gắn thiết bị vào vật cần xác định tọa độ vị trí theo thời gian. Đặt máy ảnh ở chế độ mở ống kính khoảng 2 s. Chụp ảnh chuyển động của vật sao cho thời gian cần khảo sát nằm trong khoảng thời gian mở ống kính. Với cách tiến hành như trên, chúng tôi đã tiến hành được các thí nghiệm sau: 2.2.1. Thí nghiệm rơi tự do và đo gia tốc rơi tự do Ta đặt cạnh vật rơi một thước 1 m, cho thiết bị đánh dấu quỹ đạo gắn trên vật rơi, đặt máy ảnh với thời gian mở ống kính là 2 s. Kết quả chụp đưa ra hình ảnh như trên Hình 3. 25 Nguyễn Văn Biên Đầu mỗi vệt sáng này đến đầu mỗi vệt sáng kia có chu kì T = 20 ms. Ảnh thu được có thể được in ra phát cho học sinh tự đo quãng đường vật đi được trong khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau 20 ms. Từ đó, dựa vào dấu hiệu chứng tỏ vật chuyển động nhanh dần đều: Hiệu quãng đường vật đi được trong thời gian bằng nhau là như nhau: S1 − S2 = S3 − S2 = S4 − S3 = ∆s, chứng tỏ rơi tự do là chuyển động nhanh dần đều. Từ công thức ∆S = g.τ 2, ta tính được gia tốc rơi tự do g. Hình 3. Thí nghiệm rơi tự do và đo g 2.2.2. Chuyển động nhanh dần đều trên máng nghiêng Làm các bước khảo sát tương tự như chuyển động rơi tự do. Ta chứng minh được chuyển động của một xe trên máng nghiêng là chuyển động nhanh dần đều và đo gia tốc a từ các công thức: S1 − S2 = S3 − S2 = S4 − S3 = ∆s, ∆S = aτ 2, Hình 4. Thí nghiệm chuyển động nhanh dần đều trên máng nghiêng 2.2.3. Chuyển động của vật bị ném Để khảo sát quy luật chuyển động của vật bị ném ta dùng chính thiết bị đã chế tạo làm vật. Để tránh vật bị va chạm khi rơi, ta buộc vật với một sơi dây dài nối với giá thí nghiệm sao cho khi vật chuyển động ném thì dây chùng, dây chỉ căng ra để giữ vật không chạm đất. Đặt vật trên mép bàn rồi đẩy vật chuyển động theo phương ngang sao cho đèn LED luôn hướng về phía máy quay. Đèn LED được thiết kế nằm ở vị trí thích hợp sao cho khi đèn quay trong mặt phẳng song song với bảng chứa linh kiện thì đèn LED chỉ tự quay quanh trục của nó. Do đó, trong quá trình chuyển động ném có thể coi quỹ đạo của đèn LED chính là quỹ đạo của trọng tâm của vật. Đứng cách vật khoảng 3 m và hướng ống kính vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo chuyển động của vật bị ném rồi chụp chuyển động ném của vật với thời gian mở ống kính là 2 s. Nếu mặt bàn được đặt nằm trong mặt phẳng nằm ngang ta thu được quỹ đạo của vật bị ném ngang (Hình 5A) còn nếu đèn được đặt nằm nghiêng thì ta sẽ thu 26 Thiết kế chế tạo thiết bị đánh dấu vị trí của vật chuyển động... được quỹ đạo chuyển động của vật bị ném xiên (Hình 5B). Hình 5. (A) Quỹ đạo của vật bị ném ngang; (B) Quỹ đạo của vật bị ném xiên 3. Kết luận Mạch dao động tự kích tạo xung vuông với chu kì 20 ms dùng IC NE555 hiển thị trên đèn LED là một thiết bị đơn giản, giá thành thấp, được sử dụng với máy ảnh kĩ thuật số rất phổ biến hiện nay, có thể đánh dấu mọi quỹ đạo chuyển động của vật và cho phép đo chính xác thời gian và quãng đường mà vật đi được trên quỹ đạo. Từ đó ta có thể khảo sát các tính chất chuyển động của vật. Phát triển hướng nghiên cứu này, chúng ta có thể sử dụng thiết bị đã chế tạo để khảo sát dao động, chuyển động tròn và một số loại chuyển động phức tạp khác như của tay, chân người khi thực hiện các thao tác ném, đá bóng trong thể thao hay các chuyển động trong đời sống. Việc khảo sát những chuyển động trong thể thao cũng như trong đời sống hàng ngày có thể được dùng trong dạy học theo dự án và dạy học định hướng bối cảnh cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kanwal Singh, 2000. Flight of the bagel. Phys, Teach. 38, pp.432-433. [2] Walter Connolly and John Olson, 1992. Apparatus for teaching physics: An easier way to measure g with a spark timer. Phys, Teach. 30, pp.188-189. ABSTRACT Study using a flashing LED to build apparatus for teaching Physics: Another way to determine positions of moving bodies at their corresponding time In Physics laboratories we often use spark timers to determine positions of moving bodies at their corresponding time. In this paper we use a flashing LED to build apparatus for measuring velocity and acceleration of moving objects. We can use this apparatus to do some experiments, such as: measurement of the accelera- tion of gravity, demonstration experiments appertaining to momentum conservation principles. . . 27