Sáng kiến kinh nghiệm Nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp khảo sát chuyển động cơ học dùng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính

 SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGHỆ AN 
 ------------------- 
 SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 
 ĐỀ TÀI 
 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG 
BỘ THÍ NGHIỆM TÍCH HỢP KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC 
 DÙNG CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH 
 KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH 
 LĨNH VỰC: PPDH VẬT LÍ 
 Người thực hiện: Phan Văn Thuận 
 Trường THPT DTNT Nghệ An 
 Điện thoại: 0975752288 
 Email: phanthuan108@gmail.com 
 Vinh, tháng 4/2023 Phần 1. MỞ ĐẦU 
I. Lí do chọn đề tài 
 Như chúng ta đã biết, Bộ môn Vật lý THPT là bộ môn khoa học thực nghiệm, do đó 
việc giảng dạy Vật lý ở bậc THPT cũng được xây dựng theo tinh thần đó. Các thí nghiệm 
trong dạy học Vật lý ở bậc THPT có nhiều thể loại: thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm minh 
hoạ, thí nghiệm thực hành, ... qua đó hình thành và xây dựng các tiếp cận và nghiên cứu 
Vật lý ở mức độ phù hợp. Vì vậy, Bộ giáo dục đã và đang kết hợp cùng các nhà trường 
trang bị các bộ thí nghiệm cơ bản phục vụ cho việc giảng dạy bộ môn Vật lý. 
 Tuy nhiên, hiện nay thực trạng của các bộ thí nghiệm ở các trường học đã xuống cấp, 
giảm chất lượng rõ rệt do thời gian sử dụng và công nghệ chế tạo đã lạc hậu dẫn không 
đảm bảo độ chính xác và hiệu quả sử dụng. Cụ thể, ở lớp 10 có hai bộ thí nghiệm về 
chuyển động thẳng: Khảo sát sự rơi tự do, xác định hệ số ma sát trượt đều giảm chất lượng 
rõ rệt. Mặt khác, phương pháp xác định thời gian chuyển động thông qua cổng quang điện 
và đồng hồ hiện số là tương đối phức tạp, các số liệu chỉ được thu thập thô còn việc xử lí 
chúng phải do học sinh tự làm. 
 Với bộ khảo sát rơi tự do, công tắc nam châm điện, các chốt cắm nam châm của đồng 
hồ hiện số rất nhanh hỏng; bộ điều chỉnh đế ba chân để giá thí nghiệm theo phương thẳng 
đứng cũng rất khó thực hiện, dẫn đến trong quá trình rơi khi ở khoảng cách lớn, vật không 
chắn được tia hồng ngoại của cổng quang điện nên đồng hồ không thể xác định được thời 
gian rơi của vật. Tuy nhiên, phương pháp khảo sát chuyển động rơi tự do cũng tương đối 
phức tạp, việc thu thập số liệu để vẽ đồ thị s(t2) và v(t) không phải lúc nào cũng cho kết 
quả như mong muốn. 
 Với bộ thí nghiệm: đo hệ số ma sát trượt, ngoài các hạn chế về đồng hồ hiện số còn 
gặp thêm một số vấn đề về mặt bản chất thí nghiệm dẫn đến kết quả không chính xác. 
Chuyển động của mẫu vật (trụ tròn) không phải là trượt tịnh tiến mà là chuyển động vừa 
trượt vừa quay; dẫn đến quỹ đạo của vật cũng không phải là quỹ đạo thẳng; một số trường 
hợp khi trượt, vật còn tiếp xúc với thành của giá nên xuất hiện thêm ma sát ở phần mặt 
bên của vật. Mặt khác, việc đo gia tốc theo bài toán mặt phẳng nghiêng cũng tương đối 
phức tạp, không phải đối tượng học sinh nào cũng dễ tiếp cận với bài toán này. 
 Bên cạnh đó, nhiều nội dung kiến thức cần có thí nghiệm để minh hoạ hoặc kiểm 
chứng lại không được cung cấp đầy đủ như: chuyển động thẳng đều, định luật bảo toàn 
động lượng... dẫn đến những nộ dung này được giảng dạy tương đối áp đặt. 
 Ở chương trình Vật lý 12, đặc biệt chương trình vật lí lớp 11, thuộc chương trình GD-
THPT 2018, một chuyển động rất quan trọng và nền tảng là dao động điều hoà thì được 
xây dựng dựa trên nền tảng toán học mà không có bất kỳ một thí nghiệm kiểm chứng 
hoặc minh hoạ. Do đó, học sinh sẽ tiếp cận kiến thức rất hàn lâm, thiếu trực quan và áp 
đặt. 
 1 Từ những phần tử đó tiến hành chế tạo và sử dụng thí nghiệm trong dạy học. 
IV. Phạm vi nghiên cứu 
Nghiên cứu, chế tạo bộ thí nghiệm để sử dụng vào dạy học vật lí cấp THPT 
V. Nhiệm vụ nghiên cứu 
 + Nghiên cứu sách giáo khoa vật lí 10, 12 THPT (các thí nghiệm biểu diễn và thí 
nghiệm thực hành) có thể sử dụng các thí nghiệm trên trong quá trình dạy học. 
 + Nghiên cứu, chế tạo bộ thí nghiệm để sử dụng vào dạy học. 
 + Đề xuất phương án sử dụng các thí nghiệm đó vào dạy học vật lí ở trường phổ thông 
(thí nghiệm trong bài học xây dựng kiến thức mới; thí nghiệm trong bài học bài tập vật lí 
(bài tập thí nghiệm vật lí); thí nghiệm trong tiết thực hành. 
VI. Giả thuyết khoa học 
Có thể và cần thiết phải sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp khảo sát chuyển động cơ học sử 
dụng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính trong dạy học vật lí. Từ đó góp phần 
nâng cao chất lượng dạy học và giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học vật lí. 
VII. Phương pháp nghiên cứu 
Nghiên cứu lý thuyết: 
+ Cơ sở lý thuyết của các đề tài; 
+ Xây dựng phương án dạy học. 
Nghiên cứu thực nghiệm: 
+ Nghiên cứu các thiết bị điện tử liên quan đến thí nghiệm gồm mạch Arduino và cảm 
biến khoảng cách; 
+ Thiết kế chế tạo trên cơ sở các thiết bị đã có; 
+ Tiến hành sử dụng bộ thí nghiệm để thử nghiệm các chức năng, hoạt động của bộ thí 
nghiệm; 
VIII. Kết quả nghiên cứu 
+ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công bộ thí nghiệm tích hợp dùng để khảo sát chuyển 
động cơ học sử dụng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính: Bộ thí nghiệm có thể tiến 
hành được nhiều thí nghiệm, độ nhạy (100 ms) và độ dịch chuyển có độ chính xác cao (1 mm). 
+ Đề xuất các thí nghiệm sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp vào trong dạy học vật lí. 
IX. Điểm mới của đề tài 
- Cách loại bỏ ma sát bằng đệm từ trường là một ưu điểm vượt trội của bộ thí nghiệm. 
Trước đây, người ta thường dùng đệm khí, với nhiều thiết bị, máy móc đi kèm. Bằng cách 
dùng thanh nam châm dài gắn vào máng trượt và vật để tạo ra lực từ, qua đó nâng vật lên 
 3 3 Thí nghiệm khảo Chưa có Đo li độ tự động Vẽ đồ thị li độ 
 sát dao động điều bằng xung phát và vận tốc trên 
 hòa của con lắc lò laze máy tính. 
 xo. 
 4 Thí nghiệm khảo Đo khoảng cách Vẽ đồ thị quãng 
 sát chuyển động bằng xung phát đường, vận tốc, 
 thẳng biến đổi đều Laze rút ra hệ số ma 
 và xác định hệ số sát bằng máy 
 ma sát. tính theo công 
 thức đã lập trình 
 sẵn. 
Ngoài ra, các thí nghiệm trước đây còn dùng hai cổng quang điện để xác định vận tốc của 
vật, phép đo còn mang tính thủ công, bộ thí nghiệm cần có đệm không khí nên rườm rà, 
khó thực hiện trong một tiết dạy. Nhưng với cảm biến đo khoảng cách kết nối với máy 
tính, bộ thí nghiệm đã thay đổi cách thức thu thập và xử lý số liệu. Qua sử dụng tôi thấy 
số liệu được thu thập tự động và chính xác, cho thấy cho bộ thí nghiệm cải tiến có nhiều 
ưu điểm vượt trội so với các bộ thí nghiệm truyền thống trước đây. Do đó, đề tài này hoàn 
toàn mới, giá thành rẻ, dễ chế tạo và sử dụng linh hoạt trong dạy học vật lí. 
 5 1.1.5. Yêu cầu của thiết bị dạy học 
Thiết bị dạy học phải đảm bảo các yêu cầu: tính khoa học (mức độ chuẩn xác trong việc 
phản ánh hiện thực), tính sư phạm (sự phù hợp với các yêu cầu về mặt sư phạm như độ 
rõ, kích thước, màu sắc, dễ sử dụng, phù hợp tâm lý học sinh), tính kinh tế (giá thành 
tương xứng với hiệu quả giáo dục và đào tạo). 
1.2. Cơ sở thực tiễn 
Cơ sở lý luận đã cho ta hiểu đầy đủ về khái niệm, nội dung, vị trí, vai trò, yêu cầu, cách 
quản lý về công tác tự làm, sử dụng và bảo quản thiết bị dạy học. Thế nhưng, thực tế trong 
các nhà trường hiện nay, thiết bị dạy học còn thiếu về số lượng, không đảm bảo về chất 
lượng, không đồng bộ về cơ cấu, một số thiết bị đã cũ, hỏng, nguồn kinh phí do nhà nước 
cấp, mua sắm thiết bị còn rất hạn hẹp. 
Bên cạnh đó, việc quản lý và sử dụng các thiết bị dạy học hiện có của nhà trường còn bất 
cập; nhận thức của cán bộ, giáo viên, về vai trò và ý nghĩa của thiết bị dạy học trong giáo 
dục còn hạn chế; kỹ năng sử dụng, sửa chữa, bảo quản thiết bị còn yếu; việc tổ chức dạy 
học các giờ thực hành còn hình thức, chiếu lệ, ... còn một số trường THPT cũng nằm 
trong tình trạng kể trên. 
Những khó khăn và bất cập trên mâu thuẫn với yêu cầu của việc đổi mới phương pháp 
dạy học, với nguyện vọng của giáo viên được giảng dạy, với các thiết bị dạy học phù hợp 
để nâng cao chất lượng bài giảng, với nguyện vọng và nhu cầu của học sinh mong muốn 
được nắm bắt kiến thức một cách trực quan sinh động và rèn luyện kỹ năng thực hành. 
Đây là cơ sở thực tiễn, là nguyên nhân để tôi tìm ra các biện pháp nhằm quản lý hiệu quả 
việc tự làm, sử dụng thiết bị dạy học đáp ứng mục tiêu, chương trình giáo dục. 
II. Thực trạng của vấn đề 
2.1. Đặc điểm tình hình ở nhà trường 
2.1.1. Thuận lợi 
Hiện nay các trường thường xuyên nhận được sự quan tâm chỉ đạo của sở, của ngành, của 
các cấp chính quyền địa phương. Hầu như các nhà trường đều có đủ phòng học, bàn ghế 
để học một ca và được trang bị một số đồ dùng, thiết bị phục vụ giảng dạy. 
Đa số đội ngũ giáo viên nhiệt tình, năng động, 100% giáo viên được tham gia tập huấn 
chuyên đề sinh hoạt chuyên môn thường xuyên, đã bước đầu có kinh nghiệm. Một số giáo 
viên có ý thức tự làm đồ dùng dạy học, biết cách sử dụng và bảo quản đồ dùng dạy học. 
2.1.2. Khó khăn 
Thiết bị dạy học của các nhà trường đã được trang bị nhưng chưa đồng bộ. Một số thiết 
bị được trên cấp từ những năm trước đã kém chất lượng, một số nhà trường còn thiếu các 
phòng học chuyên dụng nên thiết bị dạy học sắp xếp chưa khoa học, việc sử dụng chưa 
phát huy hết hiệu quả của thiết bị dạy học. 
Nguồn kinh phí dành cho mua sắm, bổ sung thiết bị dạy học còn hạn hẹp. 
 7 
 Hình 2.1. Kết quả khảo sát thực trạng của thí nghiệm khảo sát chuyển động cơ và 
 tính khả thi của đề tài. 
III. Chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm trong dạy học vật lí 
3.1. Chế tạo bộ thí nghiệm 
Bộ thí nghiệm được chế tạo với các bộ phận sau: 
a. Vật chuyển động: Khối trụ hình chữ nhật bằng gỗ có gắn một loại nam châm để tạo 
lực từ nâng vật lên khi chuyển động. 
b. Máng từ: dành cho các thí nghiệm: khảo sát chuyển động thẳng đều, khảo sát dao 
động điều hoà, kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng. 
Máng từ là một máng trượt thông thường để vật chuyển động trên đó. Đặc biệt trên máng 
được gắn một loại nam châm nhằm tạo ra đệm từ trường để loại bỏ ma sát giữa vật và 
máng bằng cách tạo ra lực nâng giúp vật chuyển động mà không tiếp xúc với máng. Cách 
làm này tuy đơn giản lại lại tạo ra hiệu quả hơn rất nhiều so với đệm không khí trong các 
bộ thí nghiệm truyền thống. Đây là một trong những điểm nổi bật của bộ thí nghiệm. 
 Trong trường hợp các thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều và xác định 
hệ số ma sát trượt, nam châm được tháo ra để vật tiếp xúc trực tiếp với máng trong quá 
trình chuyển động. 
Để vật chuyển động không ma sát và cân bằng trên máng từ ta chế tạo khối chuyển động 
của vật như Hình 2.2. Khi đó lực nâng của 2 nam châm 2 bên gắn vào vật sẽ cân bằng với 
trọng lực của vật, đồng thời là lực giúp cho vật chuyển động không bị lệch khỏi máng. 
 Hình 2.2. Ảnh vẽ mô tả vật chuyển động trên máng từ (trên) và thanh nam châm dài 
 (dưới trái) giải thích nguyên lí cân bằng của vật chuyển động (dưới phải). 
 9 #include "Adafruit_VL53L0X.h" //goi thu vien cua cam bien khoang cach 
 Adafruit_VL53L0X lox = Adafruit_VL53L0X(); //gan dau vao cho cam bien 
 void setup() { 
 Serial.begin(115200); //lua chon cong de lay du lieu 
 if (!lox.begin()) { 
 Serial.println(F("Failed to boot VL53L0X")); // 
 while(1); 
 } 
 } 
 void loop() { 
 VL53L0X_RangingMeasurementData_t measure; //yeu cau cam bien thuc hien do 
 int i; 
 for (i = 1;i<=1000;i=i+1) { 
 long int t1 = millis(); 
 delay(100); // //thoi gian do 100ms 
 long int t2 = millis(); 
 Serial.print((t2-t1)*0.001*i); //khoang thoi gian giua 2 lan do 
 Serial.print(","); 
 lox.rangingTest(&measure, false); 
 if (measure.RangeStatus != 4) { 
 Serial.println(measure.RangeMilliMeter); //xuat du lieu 
 } 
 } 
 } 
+ Xuất dữ liệu này thành file Excel với cột thời gian và khoảng cách (vị trí); 
 Hình 2.5. Giao diện của phần mềm thu thập dữ liệu và vẽ đồ thị vận tốc – thời gian 
 trong chuyển động đều 
Giá thành sản phẩm: 
 TT Tên thiết bị Link đặt mua Giá 
 1 Thanh nam châm dài https://shopee.vn/product/135041345 193 000 đ 
 60 cm, kèm giá đỡ /19300145269 
 2 Mạch Arduino Uno https://nshopvn.com/product/arduino- 230 000 đ 
 uno-r3-dip-kem-cap/ 
 11