Luận văn: Thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát Vật lý lớp 10 THPT

Luận văn hướng dẫn chi tiết thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát Vật lý 10, bao gồm sơ đồ mạch, dụng cụ và bảng số liệu thực nghiệm.

• Tác giả: Nguyễn Thành Luân
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Thành
• Trường học: Trường Đại Học Giáo Dục, Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Thí Nghiệm Xác Định Hệ Số Ma Sát Trong Chương Trình Vật Lý Lớp 10 Trung Học Phổ Thông
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và ý nghĩa của hệ số ma sát trong Vật lý 10

Hệ số ma sát là một đại lượng vật lý quan trọng giúp học sinh lớp 10 hiểu rõ hơn về lực ma sát trong tự nhiên. Đây là tỉ số giữa lực ma sát và lực ép vuông góc giữa hai bề mặt tiếp xúc. Việc xác định chính xác hệ số ma sát có ý nghĩa thực tiễn cao, ứng dụng trong thiết kế máy móc, vận tải, và many lĩnh vực khác. Thí nghiệm xác định hệ số ma sát giúp học sinh không chỉ nắm vững lý thuyết mà còn phát triển kỹ năng thực hành, khám phá quy luật vật lý thông qua trải nghiệm trực tiếp. Đây là một bộ phận thiết yếu trong chương trình Vật lý 10 theo chuẩn giáo dục hiện đại.

1.1. Định nghĩa hệ số ma sát trượt

Hệ số ma sát trượt (ký hiệu μ) được định nghĩa là tỉ số giữa lực ma sát trượt và lực ép vuông góc: μ = f/N. Đây là đại lượng không có đơn vị, phụ thuộc vào bản chất của hai bề mặt tiếp xúc. Giá trị hệ số ma sát thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1, tuỳ thuộc vào vật liệu của hai bề mặt ma sát như thép, gỗ, nhựa và nhôm.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của hệ số ma sát

Hiểu biết về hệ số ma sát giúp kỹ sư thiết kế lốp xe, phanh ô tô, và các thiết bị cơ khí an toàn hơn. Trong đời sống, nó ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của các máy móc công nghiệp, tính an toàn giao thông, và hiệu quả năng lượng của các hệ thống cơ khí.

II. Nguyên lý và thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát

Bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát được thiết kế dựa trên phương pháp mặt phẳng nghiêng. Nguyên lý cơ bản là khi một vật trượt trên mặt phẳng nghiêng một góc θ, tại điểm bắt đầu trượt, lực ma sát cân bằng với thành phần tiếp tuyến của trọng lực. Công thức tính hệ số ma sát được rút ra từ điều kiện cân bằng lực: μ = tan(θ). Bộ thí nghiệm hiện đại kết hợp cảm biến hồng ngoại E18-D80NK và Arduino Uno R3 để đo chính xác góc nghiêng tương ứng. Thiết kế này giúp nâng cao độ chính xác so với phương pháp truyền thống, cho phép học sinh thu thập và xử lý dữ liệu một cách khoa học.

2.1. Cấu trúc bộ thí nghiệm với mặt phẳng nghiêng

Bộ thí nghiệm gồm một máng nhôm có thể điều chỉnh góc nghiêng, các vật mẫu (trụ thép, gỗ, nhựa), và dụng cụ đo lường. Máng được trang bị hệ thống điều chỉnh độ dốc dùng ốc vít để thay đổi góc nghiêng từ 0° đến 90°. Các cảm biến xác định hệ số ma sát được gắn chặt để đảm bảo độ ổn định.

2.2. Vai trò của cảm biến hồng ngoại và Arduino

Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK phát hiện chuyển động của vật trên máng và gửi tín hiệu đến Arduino Uno R3. Bộ xử lý này tính toán góc nghiêng tương ứng và hiển thị hệ số ma sát trên màn hình LCD. Công nghệ này đảm bảo độ chính xác cao, tránh sai số do đo đạc thủ công.

III. Quy trình thực hiện thí nghiệm xác định hệ số ma sát

Quá trình thực hiện thí nghiệm bao gồm các bước chuẩn bị dụng cụ, hiệu chuẩn hệ thống, và tiến hành đo lường. Đầu tiên, học sinh chuẩn bị máng nhôm ở vị trí ngang, kiểm tra độ cân bằng bằng thước thủy Nivo. Tiếp theo, đặt vật mẫu trên máng và từng bước tăng góc nghiêng cho đến khi vật bắt đầu trượt. Tại thời điểm đó, hệ thống cảm biến ghi lại góc nghiêng tương ứng. Hệ số ma sát được tính toán tự động bằng công thức μ = tan(θ). Thí nghiệm được lặp lại với các vật liệu khác nhau và các góc nghiêng khác nhau để thu được dữ liệu đầy đủ.

3.1. Các bước chuẩn bị trước khi thực hiện thí nghiệm

Chuẩn bị dụng cụ gồm máng nhôm, các vật mẫu (trụ thép, gỗ, nhựa, bi thép), thước đo góc, thước thẳng, thước thủy, và hệ thống điện tử. Kiểm tra tất cả kết nối điện, nạp chương trình Arduino, và hiệu chuẩn cảm biến. Đảm bảo bộ thí nghiệm ở trạng thái sạch sẽ, không có bụi hoặc chất bôi trơn.

3.2. Tiến hành đo đạc và ghi kết quả

Đặt vật mẫu lên máng ở góc 0°, từng bước tăng góc. Quan sát khi vật bắt đầu trượt, ghi lại góc đó. Hệ thống cảm biến tự động tính hệ số ma sát và hiển thị trên màn hình LCD. Lặp lại 5-10 lần với mỗi vật liệu, tính giá trị trung bình để tăng độ chính xác.

IV. Kết quả và ứng dụng của phương pháp xác định hệ số ma sát

Kết quả từ thí nghiệm xác định hệ số ma sát cho thấy rõ sự khác biệt giữa các cặp vật liệu khác nhau. Trụ thép trượt trên máng nhôm có hệ số ma sát khoảng 0,4-0,5, trong khi gỗ hương trên nhôm cho giá trị khoảng 0,5-0,6. Nhựa có hệ số ma sát thấp hơn (0,3-0,4), còn bi thép cho giá trị cao nhất (0,6-0,7). Những kết quả này giúp học sinh hiểu rõ hơn mối quan hệ giữa bản chất vật liệu và lực ma sát. Phương pháp thí nghiệm này có thể ứng dụng trong giảng dạy, nghiên cứu khoa học, và thiết kế kỹ thuật trong tương lai.

4.1. Giải thích kết quả thí nghiệm thu được

Hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhẫn của bề mặt và độ dính giữa các phân tử. Vật liệu nhôm mịn hơn tạo ra lực ma sát thấp hơn. Kết quả cho thấy độ nhẫn bề mặt ảnh hưởng lớn đến hệ số ma sát, không phụ thuộc vào trọng lượng hay diện tích tiếp xúc.

4.2. Ứng dụng trong giáo dục STEM và thực tiễn

Phương pháp này phát triển kỹ năng STEM cho học sinh, kết hợp kiến thức vật lý với công nghệ điện tử. Nó chuẩn bị học sinh cho các ngành kỹ thuật, cơ khí, và công nghệ. Thí nghiệm này có giá trị thực tiễn cao, giúp thiết kế an toàn, hiệu quả cho các sản phẩm công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIÁ HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYÊN THÀNH LUÂN THIẾT KÉ BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ LỚP 10 TRUNG HOC PHO THONG KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP. NGANH SU" PHAM VATLY Hà Nội - 2018 DAIIIOC QUOC GIA IIA NOT TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC THIẾT KÉ BỘ THỊ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT TRONG CHUONG TRÌNH VẶT LÝ LỚP 10 TRUNG HỌC PIIÖ TIÔNG KHOA LUAN TOT NGHIỆP NGANH SU PHAM VATLY Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Văn Thành Sinh viên thục hiện khóa luận: Nguyễn Thành Luân Ha Noi — 2018 LOI CAM ON Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Tham Văn 'thánh và thầy Đỗ Quang Lộc đã tận tỉnh chủ đáo dạy báo, giúp đố tôi trong suốt qua trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.

"Tiếp theo, tôi xia cám ơn các thầy cô và các bạn trong Bộ môn Vật lý Võ tuyến không những đã truyền đại che Lôi những kiến thức chuyên ngành cần thiết mà gòn tạo diễu kiện, mỗi trường nghiền cửu tốt nhất dẻ có thể thực hiện vá hoàn thành khóa huận. Cuổi cùng, tôi chân thành cám ơn các thầy cỏ Khoa Vật Lý- Trường Đại học Khoa hoc Tự nhiên và các thây cô trường Dại học Giáo dục đã giảng dạy cho tôi không chỉ về kiến thức chuyên món mà còn là những bài học lâm người, những kinh nghiệm quý báu để tôi hoàn thánh tốt quá tình học tập trong 4 nắm trên giảng đường đại học Tôi xm chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Thành Luân. Cảm biến hông ngoại H18-80NK. Hộ thí nghiệm xác định hệ số ma sái.

Phần mỗm Azduine [DE.- Giới thiệu về phần môm Arduino IDH 19 3. Cách kếtnỗi và xây đựng màn hình hiển thị kết quá. Mộtsố lu ý kân sit dung phén mém Arduino IDE „20 213. Bộthí nghiệm sau khi hoàn thiện 2⁄4 2.

Xây dựng thí nghiệm xác định hệ số ma sát trong chương trình THPT.28 Mục địch thí nghiệm 28 Dung cu thi nghiém - - 28 Tiển hành thí nghiệm. - - 28 224 Ket thic thỉ nghiệm. 29 325 Nibli sé liu. sevtnttnbeetsoeseeneoesstnevapsnnnevee 29 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KHUYÊN NGHỊ.

Kết quả thí nghiệm. Lạ nhưng nh tao 31 PHỤ LỤC. TAI LIEU THAM KHẢO 2 DANH MUC BANG 1. Liệ số ma sát trượt (gần đúng) của một số cặp vật liệu.

Thông 6 ki thuat Arduino Uno R3: 12 3. Kết quả đo sự phụ thuộc của góc nghiêng với điện áp qua2 đâu biến trô. Dụng cụ thí nghiệm. - - - 28 + Bảng ghi kết quả đo - - - - 29 Bang 3.

Kết quả đo được khi trụ thép trượt trên máng nhốm khi góc nghiêng là 29° ~ - ~ - ~ - 31 Bang 3 2. Két qua do được khí trụ thép trượt trên máng nhêm khi góc nghiêng là 36° 31 Bang 3. Két qua do khi try thép truct trén mang nhém khi góc nghiêng tăng dân. Kết qua đo được khi gỗ hương trượt trên máng nhôm khi géc nghiéng la 36" Bang 5.5 Kết quả do dược khi gỗ hương trượt trên máng nhôm khi góc nghiêng là 36 TBảng3.

Kết quả do được khi nhựa trượi tr ng nhôm khi góc nghiêng là 28°. Kết quả đo được khi nhựa trượt trên máng nhôm khi góc nghiêng là 35. Kết quả đo được khi bi thép r trén mang nhôm khi gov nghiéng Ja 21°. Kết quả đo được khí bị thép R trên máng nhôm khi góc nghiêng là 22° 35 DANH MUC CHU VIET TAT Chỡ viết tắt Nội dung 1 GD&ĐT Giáo dục và Đào tạo 3 Gv Giáo viên 3 us Lge sinh 4 LCD Liquid Crystal Display 5 STEM Scicnee, Technology, Engineering, Math 6 THEY 1rung học phê thông, 7 TN Thi nghiệm DANH MUC CHU VIET TAT Chỡ viết tắt Nội dung 1 GD&ĐT Giáo dục và Đào tạo 3 Gv Giáo viên 3 us Lge sinh 4 LCD Liquid Crystal Display 5 STEM Scicnee, Technology, Engineering, Math 6 THEY 1rung học phê thông, 7 TN Thi nghiệm DANH MUC HiNH ANH Hinh1.

Phan tich oac lực tác dụng lên vật. Mạch Arduino Uno R3. Cảm biển E18-DSONK. Cách module E18-DSGNK phát - thu tín hiệu.

Đỏ thị sự phụ thuộc của góc nghiẻng vào diện áp qua bi Tình 2. Sơ đô khối của bộ tí nghiệm xác định hệ số ma sáL Tình 2. Chu trình hoạt động, của mộ chương | tinh Arduino TOE. Của số mãn hình Serial Monitor.

Tam đồ thuật toán Ardnino Tlinh 2. Hộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát 1Iinh 2. Thước đo góe thú công Tĩnh 2. Thước thẳng gắn trên mảng nhôm để xác định khoảng các] Hình 2.

13, Thước thủy Nivo để chính độ cân bằng cho hệ. Cam bién vat cdn hong ngoai E18-D80NK. Giá dỡ diễu chính dộ dốc. Hộp điều khiển, chim mach Ar dưảng và nguẫn 26 Hinh 2.

Bién tré dé xac dinh goc. Man hinh may Lính hiển thị kết quá áo. Màn hình LCD hiển thị kế quả đo 2 Hình 3. Đỗ thị sự phụ thuộc của hệ số ma sát trượt của trụ thép vào góc nghiêng của "HT (4114.

Lạ HH HH0 H000 T01 gen mm. 32 DANH MUC CHU VIET TAT Chỡ viết tắt Nội dung 1 GD&ĐT Giáo dục và Đào tạo 3 Gv Giáo viên 3 us Lge sinh 4 LCD Liquid Crystal Display 5 STEM Scicnee, Technology, Engineering, Math 6 THEY 1rung học phê thông, 7 TN Thi nghiệm khoa học, kỹ thuật và toán hoc. STEM không chỉ giúp HŠ có thể hiểu sâu hơn các nguyén ly, ma cé thé thue hành và tạo ra những vật phẩm trong cuộc sống hàng ngày. Giáo duc STEM la phương pháp tiếp cận liên ngành tạo ra sự kết hợp hải hòa giữa cáo lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toản học dé mang dén cho HS những trải nghiệm thực tế thực sự có ý nghĩa.

Việc đạy và học STITM tăng tính hấp din voi IIS, giúp HS liểu sâu hơn các vẫn để, để đại được hiểu quả của việc học hơn và hơn nữa cũng giúp HS nhìn nhận ra được sự liên hệ dược những gì được học. Với các môn trong chương trình THPT, đặc biệt với môn vật lý là một môn học khoa học tự nhiên nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiễn, từ vi mô đến vĩ xnô thì việc ứng dụng mô hình STEM vào giảng đạy là võ cùng hữu ích. Vật lý là cơ sở của nhiều ngành kỹ thuật - công nghệ quan trọng, như chế tạo mảy, điện, hạt nhân và có tac đông trực tiếp tới sự tiễn bộ cỏa các ngành đó. Nó có nhiệm vụ quan trọng trong, việc giải thích vả chứng mình một cách khoa học các hiện tượng, quy luật tự nhiên trong cuộc sống thường ngày và ứng dựng những điều đó vào đời sống.

Nhưng từ thực trạng giâng đạy môn vật Ì{ tại các trưởng phố thông cho thay kiến thức mà HS được học vẫn còn mang tỉnh hàn lâm, khô khan. Bên cạnh dó, các phương pháp day hợc vật lý hiện nay con tách rời lý thuyết và thực hành, tách rời kiến thức nhà trường và kiến thúc thục tế cuộc sống. Chính vì vậy, khi áp dụng mồ hình STEM vào đạy học sẽ làm giảm những hạn chế mả phương pháp day hoc trayén théng mang lai. Mé hinh STEM là câu nối nổi liên khoảng cách lớn giữa hạc và làm, giữa lý thuyết và thực lễ.

Học sinh, sinh viên được đảo tạo theo mô hình STEM sẽ dược học cách lảm thế nào dễ tìm hiểu cơ sở lý thuyết, nguyên lý qua các bái TN được tích hợp các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học, được tư đuy logio liên kết các sự vật, hiến tượng với các ứng dụng và kỹ thuật để từ đỏ các lý thuyết đã dược biết dỏ thành các ứng dụng, thục tế Không những thể, việc giảng dạy bing cac bai TN STEM, ngoai loi ich phat Truy tỉnh tích cục, chủ động học tập của HS, gây không khí học tập sôi nổi thi TN còn là cầu nỗi giữa lý thuyết và thực bảnh, là công cụ hỗ trợ giúp L18 nắm vững kiến thúc, tờ khoa học, kỹ thuật và toán hoc. STEM không chỉ giúp HŠ có thể hiểu sâu hơn các nguyén ly, ma cé thé thue hành và tạo ra những vật phẩm trong cuộc sống hàng ngày. Giáo duc STEM la phương pháp tiếp cận liên ngành tạo ra sự kết hợp hải hòa giữa cáo lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toản học dé mang dén cho HS những trải nghiệm thực tế thực sự có ý nghĩa. Việc đạy và học STITM tăng tính hấp din voi IIS, giúp HS liểu sâu hơn các vẫn để, để đại được hiểu quả của việc học hơn và hơn nữa cũng giúp HS nhìn nhận ra được sự liên hệ dược những gì được học.

Với các môn trong chương trình THPT, đặc biệt với môn vật lý là một môn học khoa học tự nhiên nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiễn, từ vi mô đến vĩ xnô thì việc ứng dụng mô hình STEM vào giảng đạy là võ cùng hữu ích. Vật lý là cơ sở của nhiều ngành kỹ thuật - công nghệ quan trọng, như chế tạo mảy, điện, hạt nhân và có tac đông trực tiếp tới sự tiễn bộ cỏa các ngành đó. Nó có nhiệm vụ quan trọng trong, việc giải thích vả chứng mình một cách khoa học các hiện tượng, quy luật tự nhiên trong cuộc sống thường ngày và ứng dựng những điều đó vào đời sống. Nhưng từ thực trạng giâng đạy môn vật Ì{ tại các trưởng phố thông cho thay kiến thức mà HS được học vẫn còn mang tỉnh hàn lâm, khô khan.

Bên cạnh dó, các phương pháp day hợc vật lý hiện nay con tách rời lý thuyết và thực hành, tách rời kiến thức nhà trường và kiến thúc thục tế cuộc sống. Chính vì vậy, khi áp dụng mồ hình STEM vào đạy học sẽ làm giảm những hạn chế mả phương pháp day hoc trayén théng mang lai. Mé hinh STEM là câu nối nổi liên khoảng cách lớn giữa hạc và làm, giữa lý thuyết và thực lễ. Học sinh, sinh viên được đảo tạo theo mô hình STEM sẽ dược học cách lảm thế nào dễ tìm hiểu cơ sở lý thuyết, nguyên lý qua các bái TN được tích hợp các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học, được tư đuy logio liên kết các sự vật, hiến tượng với các ứng dụng và kỹ thuật để từ đỏ các lý thuyết đã dược biết dỏ thành các ứng dụng, thục tế Không những thể, việc giảng dạy bing cac bai TN STEM, ngoai loi ich phat Truy tỉnh tích cục, chủ động học tập của HS, gây không khí học tập sôi nổi thi TN còn là cầu nỗi giữa lý thuyết và thực bảnh, là công cụ hỗ trợ giúp L18 nắm vững kiến thúc, tờ MO DAU 1.