Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu nhằm chế tạo một bộ thí nghiệm cho phép khảo sát lực do từ trường của một nam châm điện chữ U tác dụng lên dòng điện chạy trong các đoạn dây của một cạnh khung dây hình chữ nhật bằng cách sử dụng cảm biến lực và vi điều khiển Arduino.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng vi điều khiển Arduino và cảm biến lực để chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện TẠP CHÍ KHOA HỌC HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH JOURNAL OF SCIENCE Tập 17, Số 8 (2020): 1327-1335 Vol. 17, No. 8 (2020): 1327-1335 ISSN: 1859-3100 Website: http://journal.hcmue.edu.vn Bài báo nghiên cứu * ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN LỰC ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN ĐOẠN DÂY DẪN THẲNG CÓ DÒNG ĐIỆN Nguyễn Thành Phúc, Lê Lâm Anh Phi, Ngô Minh Nhựt, Nguyễn Hoàng Long, Nguyễn Tấn Phát*, Nguyễn Lâm Duy Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam * Tác giả liên hệ: Nguyễn Tấn Phát – Email: phatnt@hcmue.edu.vn Ngày nhận bài: 12-12-2019; ngày nhận bài sửa: 07-01-2020; ngày duyệt đăng: 20-8-2020 TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu nhằm chế tạo một bộ thí nghiệm cho phép khảo sát lực do từ trường của một nam châm điện chữ U tác dụng lên dòng điện chạy trong các đoạn dây của một cạnh khung dây hình chữ nhật bằng cách sử dụng cảm biến lực và vi điều khiển Arduino. Bộ thí nghiệm có khả năng đo đạc giá trị lực tương tác từ tự động, liên tục với độ sai biệt giữa giá trị tính theo lí thuyết và giá trị đo thực nghiệm nhỏ hơn 10%. Vi điều khiển Arduino được lập trình để thay đổi góc hợp bởi từ trường và dòng điện một cách tự động. Tuy nhiên, sai số của phép đo còn lớn khi giá trị lực từ nhỏ hơn 2,5mN và việc ghi nhận số liệu thực nghiệm chưa được hoàn toàn tự động hoá. Nếu khắc phục được hạn chế này, bộ thí nghiệm có thể được sử dụng để giúp giáo viên phát triển năng lực vật lí cho học sinh về phần lực từ trong môn Vật lí 12 thuộc Chương trình giáo dục phổ thông 2018. Từ khóa: tương tác từ; dòng điện thẳng; Arduino; cảm biến lực; thiết bị thí nghiệm 1. Giới thiệu Vật lí học là một bộ môn khoa học thực nghiệm, do đó các thí nghiệm đóng vai trò rất quan trọng trong việc giảng dạy và học tập môn Vật lí. Không những giúp người học hiểu sâu hơn về các kiến thức lí thuyết, các thí nghiệm còn góp phần làm tăng thêm tính hấp dẫn của môn học, rèn luyện và phát triển năng lực vật lí và tư duy nhạy bén với các hiện tượng vật lí cho học sinh. Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, các kiến thức về từ trường và lực từ trong môn Vật lí lớp 12 chiếm thời lượng đáng kể (khoảng 18 tiết) (Ministry of Education and Training, 2018). Tuy nhiên, các kiến thức này lại tương đối trừu tượng, khó hiểu đối với học sinh, đòi hỏi giáo viên cần phải sử dụng thí nghiệm để mô tả và giải thích cho học sinh. Hiện nay, bộ thí nghiệm khảo sát lực từ và cảm ứng từ PTVL2038 [Book and Educational Equipment Joint Stock Company of Ho Chi Minh City, 2019] được trang bị ở nhiều trường trung học phổ thông trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. Mặc dù bộ thí Cite this article as: Nguyen Thanh Phuc, Le Lam Anh Phi, Ngo Minh Nhut, Nguyen Hoang Long, Nguyen Tan Phat, & Nguyen Lam Duy (2020). The application of arduino microcontroller and force sensor in fabricating an apparatus examining magnetic force acting on a current-carrying straight wire. Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 17(8), 1327-1335. 1327 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Tập 17, Số 8 (2020): 1327-1335 nghiệm này có thể khảo sát sự phụ thuộc của lực từ theo góc hợp bởi từ trường và dòng điện nhưng việc hiệu chỉnh cân đòn đến vị trị cân bằng đòi hỏi thao tác rất cẩn thận của người làm thí nghiệm, lực kế có độ chính xác không cao là những hạn chế của bộ thí nghiệm này. Ngoài ra, trên thị trường còn có bộ thí nghiệm EX-9933 (Pasco, 2019) kết hợp sử dụng các dụng cụ đo hiện số do Công ty thiết bị giáo dục Pasco sản xuất. Giáo viên và học sinh có thể sử dụng bộ thí nghiệm này ngay trên lớp học nhờ ưu điểm nhỏ gọn và kết quả đo đạc có độ chính xác cao. Tuy nhiên, bộ thí nghiệm này chưa được trang bị rộng rãi do giá thành cao, không phù hợp với thực tế của hầu hết các trường phổ thông. Ngày nay, việc ứng dụng khoa học, công nghệ vào giảng dạy đang là một xu thế tất yếu trong việc đổi mới phương pháp dạy học Vật lí. Nhiều nghiên cứu trong nước (Nguyen et al., 2018, p.92-97; Ngo et al., 2018, p.113-122; Nguyen et al., 2019, 81-89) đã ứng dụng các cảm biến, vi điểu khiển để chế tạo các bộ thí nghiệm giúp cho việc đo đạc, xử lí số liệu được thuận lợi và dễ dàng hơn. Do đó, với mục đích chế tạo một bộ thí nghiệm có khả năng ứng dụng được vào quá trình dạy học phát triển năng lực trong môn Vật lí lớp 12, bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu và chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát lực do từ trường tác dụng lên dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng có sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến lực và các linh kiện điện tử hiện có trên thị trường Việt Nam để có thể khảo sát tự động lực từ với độ chính xác cao, hỗ trợ người dùng trong việc thao tác, các vấn đề xử lí số liệu, vẽ đồ thị để so sánh với các kết quả từ lí thuyết. 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1. Cơ sở lí thuyết và mô hình bộ thí nghiệm Hình 1. (a) Cơ sở lí thuyết và (b) mô hình của bộ thí nghiệm Mô hıǹ h bô ̣ thı́ nghiê ̣m đươ ̣c mô tả trong Hıǹ h 1 gồm một nam châm điện chữ U được gắn chặt vào động cơ bước và có thể xoay quanh trục OO’ (Hình 1a); khung dây có một đầu gắn cố định vào cảm biến lực, đầu còn lại đặt trong vùng từ trường tạo ra bởi nam châm. Khi có dòng điện chạy qua, nam châm điện tạo ra một từ trườ ...