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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 Nội1. Mở đầu Các đại lượng cơ học trong nhiều thí nghiệm cơ học đều thông qua mối quanhệ giữa tọa độ của vật và thời gian. Để thực hiện các thí nghiệm này đòi hỏi phải cóthiết bị đánh dấu vị trí của vật theo thời gian. Hiện nay ở các trường phổ thông, cónhững phương án đánh dấu vị trí của vật như: Cần rung điện nằm cố định; Thiết bịđánh dấu tương tác từ gắn trên vật chuyển động; Thiết bị đánh tia lửa điện; Chụpảnh hoạt nghiệm; Cảm biến chuyển động. Phương án sử dụng cần rung điện đặt nằm cố định có sai số đáng kể vì điệnáp dân dụng không ổn định ở 220V, vật liệu làm cần rung điện (lá thép), cuộn dâynam châm từ đưa ra tần số rung không chính xác ở mức 50Hz. Hơn nữa, việc cầnrung điện đặt nguyên tại một vị trí và đánh dấu trên một băng giấy thực chất làđánh dấu vị trí của vật trong chuyển động tương đối chứ không phải là ghi lại trựctiếp vị trí của vật. Thiết bị đánh dấu tương tác từ gắn trên vật chuyển động khắcphục được nhược điểm này, nhưng vẫn chỉ nghiên cứu được một số chuyển động củavật trong mặt phẳng nằm ngang hoặc mặt phẳng nghiêng. Còn các chuyển độngnhư chuyển động rơi tự do, chuyển động ném ngang, hoặc những chuyển động phứctạp 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 gâyra 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 chuyểnđộng nhanh mà mắt thường không cảm nhận được, nhưng thiết bị đắt tiền, cồngkềnh 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 giaonhiệm vụ cho học sinh trong khảo sát những đối tượng, quá trình thực. Ví dụ trongphần Động học, ngoài việc nghiên cứu chuyển động của những vật thể trong phòngthí nghiệm, cần mở rộng thêm những đối tượng trong cuộc sống vào nội dung dạyhọc, chẳng hạn như khảo sát quy luật chuyển động của bàn tay, bàn chân vận độngviên ở các môn thể thao như ném xa, bóng chuyền, bóng đá hoặc quy luật chuyển22 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 thiếtbị này đắt tiền và sử dụng khá phức tạp, chưa thực sự phù hợp với điều kiện dạyhọc ở nước ta. Từ những lí do trên, cần có một thiết bị đánh dấu vị trí vật để sử dụng khôngchỉ trong phòng thí nghiệm mà cả những không gian rộng, có giá thành phù hợp vớiđiều kiện dạy học hiện nay.2. Nội dung nghiên cứu2.1. 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 trícủa vật chuyển động đã có như trên, chúng tôi đã xây dựng một thiết bị để đánhdấu tọa độ của vật theo thời gian hiển thị trên đèn LED điều khiển bằng mạch sửdụng IC NE555. Thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc sau: Dùng IC NE555 điềukhiển một đèn LED cứ chiếu sáng 10 ms rồi lại dừng 10 ms liên tiếp nhau. Chụpảnh vật cần đánh dấu tọa độ có gắn đèn LED này bằng máy ảnh kĩ thuật số vớithời gian mở ống kính đủ lớn (khoảng 2 s) để ghi lại quá trình chuyển động của vậttrong thời gian đó. Mạch tạo xung điều khiển đèn tắt, sáng liên tiếp trong thời gian 10 ms cónguyên tắc hoạt động như Hình 1. Trong mạch này, ta sử dụng IC NE555,ở đó chân 2 được nối với chân 6 để cho chânngõ vào và chân giữ mức thềm (mức ngưỡng) cóchung điện áp phân cực. Chân 5 được nối với tụC2 xuống GND để lọc nhiễu tần số cao. Vì vậy,tụ này thường có giá trị không lớn lắm, đượcchọn vào khoảng từ 10 nF đến 1 µF. Chân 4 nốinguồn Vcc vì không dùng chức năng Reset. Chân7 là chân xả điện nên được nối giữa 2 điện trởRA 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 Hình 1. Mạch nguyên lí tạothường trong đoạn mạch dao động, ta có công xung vuông dùng trong thiết bịthức 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 Biênvà RB . Hằng số thời gian nạp cũng ...