Thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát trong chương trình vật lý lớp 10 trung học phổ thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THÀNH LUÂN

THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT
TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ LỚP 10
TRUNG HỌC PHỔ THƠNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

THIẾT KẾ BỘ THỊ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT
TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ LỚP 10
TRUNG HỌC PHỔ THƠNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Văn Thành
Sinh viên thực hiện khóa luận: Nguyễn Thành Luân

Hà Nội – 2018

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Phạm Văn
Thành và thầy Đỗ Quang Lộc đã tận tình chu đáo dạy bảo, giúp đỡ tơi trong suốt q
trình hồn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Tiếp theo, tơi xin cám ơn các thầy cô và các bạn trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến
không những đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên ngành cần thiết mà còn tạo
điều kiện, mơi trường nghiên cứu tốt nhất để có thể thực hiện và hồn thành khóa luận.
Cuối cùng, tơi chân thành cám ơn các thầy cô Khoa Vật Lý- Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên và các thầy cô trường Đại học Giáo dục đã giảng dạy cho tôi không
chỉ về kiến thức chun mơn mà cịn là những bài học làm người, những kinh nghiệm
q báu để tơi hồn thành tốt quá trình học tập trong 4 năm trên giảng đường đại học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Nguyễn Thành Luân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu............................................................................................ 4
3. Cấu trúc khóa luận .............................................................................................. 4
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP VẬT LÝ PHỔ
THÔNG VỀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT.................................................................. 5
1.1.

Tổng quan về dạy học Thí nghiệm Vật lý ...................................................... 5

1.1.1.

Thí nghiệm Vật lý........................................................................................ 5

1.1.2.

Các loại thí nghiệm trong dạy học Vật lý .................................................. 5

1.2.

Yêu cầu khi tiến hành xây dựng thí nghiệm Vật lý phục vụ dạy học .......... 6

1.3.

Tổng quan về lực ma sát và hệ số ma sát ....................................................... 7

1.3.1.

Ma sát .......................................................................................................... 7

1.3.2.

Phân loại ..................................................................................................... 7

1.4.

1.3.2.1.

Ma sát nghỉ............................................................................................ 7

1.3.2.2.

Ma sát trượt........................................................................................... 8

1.3.2.3.

Ma sát lăn.............................................................................................. 8

1.3.2.4.

Ứng dụng ma sát ................................................................................... 8

1.3.2.5.

Giảm ma sát .......................................................................................... 8

Cơ sở lý thuyết của phép đo xác định hệ số ma sát ....................................... 9

1.4.1.

Mục đích thí nghiệm ................................................................................... 9

1.4.2.

Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 9

1.5.

Đề xuất phương án tiến hành ........................................................................ 10

1.6.

Yêu cầu thí nghiệm ......................................................................................... 11

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT VÀ
XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH PHỔ
THƠNG TRUNG HỌC ............................................................................................... 12
2.1. Thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát trong chương trình phổ
thơng trung học. ........................................................................................................ 12
2.1.1.

Phần cứng ................................................................................................. 12


2.1.1.1.

Mạch Arduino ..................................................................................... 12

2.1.1.2.

Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK ..................................................... 13

2.1.1.3.

Bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát................................................... 18

2.1.2.

Phần mềm Arduino IDE........................................................................... 19

2.1.2.1.

Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE ................................................ 19

2.1.2.2. Cách kết nối và xây dựng màn hình hiển thị kết quả. Một số lưu ý khi
sử dụng phần mềm Arduino IDE. ........................................................................ 20
2.1.3.
2.2.

Bộ thí nghiệm sau khi hồn thiện ............................................................ 24

Xây dựng thí nghiệm xác định hệ số ma sát trong chương trình THPT ... 28

2.2.1.

Mục đích thí nghiệm ................................................................................. 28

2.2.2.

Dụng cụ thí nghiệm .................................................................................. 28

2.2.3.

Tiến hành thí nghiệm ............................................................................... 28

2.2.4.

Kết thúc thí nghiệm ................................................................................... 29

2.2.5.

Xử lí số liệu ............................................................................................... 29

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................... 31
3.1.

Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 31

PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 42


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Chữ viết tắt

Nội dung

1

GD&ĐT

Giáo dục và Đào tạo

2

GV

Giáo viên

3

HS

Học sinh

4

LCD

Liquid Crystal Display

5

STEM

Science, Technology, Engineering, Math

6

THPT

Trung học phổ thơng

7

TN

Thí nghiệm

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Phân tích các lưc tác dụng lên vật ................................................................... 9
Hình 2. 1. Mạch Arduino Uno R3 .................................................................................. 13
Hình 2. 2. Cảm biến E18-D80NK .................................................................................. 14
Hình 2. 3. Cách module E18-D80NK phát - thu tín hiệu............................................... 15
Hình 2. 4. Đồ thị sự phụ thuộc của góc nghiêng vào điện áp qua biến trở .................... 17
Hình 2. 5. Sơ đồ khối của bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát .................................... 19
Hình 2. 6. Chu trình hoạt động của một chương trình Arduino IDE. ............................ 21
Hình 2. 7. Cửa sổ làm việc của phần mềm Arduino ...................................................... 22
Hình 2. 8. Cửa sổ màn hình Serial Monitor ................................................................... 22
Hình 2. 9. Lưu đồ thuật tốn Arduino ............................................................................ 23
Hình 2. 10. Bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát .......................................................... 24
Hình 2. 11. Thước đo góc thủ cơng................................................................................ 24
Hình 2. 12. Thước thẳng gắn trên máng nhơm để xác định khoảng cách ...................... 25
Hình 2. 13. Thước thủy Nivo để chỉnh độ cân bằng cho hệ .......................................... 25
Hình 2. 14. Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK ................................................ 26
Hình 2. 15. Giá đỡ điều chỉnh độ dốc ............................................................................ 26
Hình 2. 16. Hộp điều khiển, chứa mạch Arduino và nguồn .......................................... 26
Hình 2. 17. Biến trở để xác định góc ............................................................................. 26
Hình 2. 18. Màn hình máy tính hiển thị kết quả đo. ...................................................... 27
Hình 2. 19. Màn hình LCD hiển thị kế quả đo............................................................... 27
Hình 3. 1. Đồ thị sự phụ thuộc của hệ số ma sát trượt của trụ thép vào góc nghiêng của
hệ .................................................................................................................................... 32


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Hệ số ma sát trượt (gần đúng) của một số cặp vật liệu................................. 11
Bảng 2. 1. Thông số kĩ thuật Arduino Uno R3: ............................................................. 12

Bảng 2. 2. Kết quả đo sự phụ thuộc của góc nghiêng với điện áp qua 2 đầu biến trở ... 17
Bảng 2. 3. Dụng cụ thí nghiệm ...................................................................................... 28
Bảng 2. 4. Bảng ghi kết quả đo ...................................................................................... 29
Bảng 3. 1. Kết quả đo được khi trụ thép trượt trên máng nhơm khi góc nghiêng là 29o
........................................................................................................................................ 31
Bảng 3. 2. Kết quả đo được khi trụ thép trượt trên máng nhôm khi góc nghiêng là 36o
........................................................................................................................................ 31
Bảng 3. 3. Kết quả đo khi trụ thép trượt trên máng nhơm khi góc nghiêng tăng dần ... 32
Bảng 3. 4. Kết quả đo được khi gỗ hương trượt trên máng nhơm khi góc nghiêng là 36 o
........................................................................................................................................ 33
Bảng 3. 5. Kết quả đo được khi gỗ hương trượt trên máng nhơm khi góc nghiêng là 36 o
........................................................................................................................................ 33
Bảng 3. 6. Kết quả đo được khi nhựa trượt trên máng nhơm khi góc nghiêng là 28o ... 34
Bảng 3. 7. Kết quả đo được khi nhựa trượt trên máng nhơm khi góc nghiêng là 35o ... 34
Bảng 3. 8. Kết quả đo được khi bi thép r trên máng nhơm khi góc nghiêng là 21o ....... 35
Bảng 3. 9. Kết quả đo được khi bi thép R trên máng nhơm khi góc nghiêng là 22o 35


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Ở Việt Nam hiện nay, việc đổi mới căn bản, toàn diện GV đang trở thành một
yêu cầu khách quan và cấp bách của sự nghiệp đẩy mạnh cơng nghiệp hóa, hiện đại
hóa, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc. Theo nghị quyết 29_NQ/TW trong Hội nghị trung
ương 8 khóa 11 về đổi mới căn bản tồn diện có nêu rõ “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ
phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng
tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học” “Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ
thông tin và truyền thông trong dạy và học”. Chính vì thế, việc đẩy mạnh cơng việc
giáo dục theo hướng tiếp cận năng lực người học kết hợp dạy học tích hợp cơng nghệ
thơng tin nhằm tạo ra những giờ học bổ ích ln là một việc cần thiết.
Theo Nghị quyết Trung ương 2 khóa VIII và các chủ trương của Đảng, Nhà

nước về định hướng chiến lược phát triển giáo dục - đào tạo trong thời kỳ cơng nghiệp
hóa, hiện đại hóa, lĩnh vực GV đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng. Song bên cạnh
những thành tựu và kết quả đạt được vẫn còn tồn tại những hạn chế như chất lượng
GD&ĐT còn thấp, nặng lý thuyết, nhẹ thực hành, thiếu gắn kết công nghệ khoa học
trong q trình học tập. Chính vì thế, cơng việc đổi mới căn bản và tồn diện địi hỏi
những nhà giáo dục, GV tương lai cần có sự trau dồi về kiến thức, kĩ năng, phá vỡ lối
mòn của nền giáo dục hàn lâm kinh viện, xa rời thực tế để sớm hình thành nền giáo dục
theo hướng ứng dụng, thực hành, bảo đảm đáp ứng nhu cầu nhân lực kỹ thuật công
nghệ của thị trường lao động trong nước và quốc tế.
Hiện nay, một số chương trình mới đã được áp dụng tại một số tỉnh thành trên
cả nước. Trong đó có một mơ hình dạy học vơ cùng lý thú và đạt được nhiều phản hồi
tích cực: Giáo dục STEM. STEM là viết tắt của các từ Science (khoa học), Technology
(công nghệ), Engineering (kỹ thuật) và Math (tốn học). Đây là chương trình dạy học
tích hợp nhằm trang bị cho HS những kiến thức và kĩ năng cần thiết về công nghệ,

1


khoa học, kỹ thuật và tốn học. STEM khơng chỉ giúp HS có thể hiểu sâu hơn các
nguyên lý, mà có thể thực hành và tạo ra những vật phẩm trong cuộc sống hàng ngày.
Giáo dục STEM là phương pháp tiếp cận liên ngành tạo ra sự kết hợp hài hịa giữa các
lĩnh vực khoa học, cơng nghệ, kỹ thuật và toán học để mang đến cho HS những trải
nghiệm thực tế thực sự có ý nghĩa. Việc dạy và học STEM tăng tính hấp dẫn với HS,
giúp HS hiểu sâu hơn các vấn đề, để đạt được hiểu quả của việc học hơn và hơn nữa
cũng giúp HS nhìn nhận ra được sự liên hệ được những gì được học.
Với các mơn 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 nhiên, từ vi mơ đến vĩ
mơ thì việc ứng dụng mơ hình STEM vào giảng dạy là vơ cùng hữu ích. Vật lý là cơ sở
của nhiều ngành kỹ thuật - công nghệ quan trọng như chế tạo máy, điện, hạt nhân và có
tác động trực tiếp tới sự tiến bộ của các ngành đó. Nó có nhiệm vụ quan trọng trong

việc giải thích và chứng minh một cách khoa học các hiện tượng, quy luật tự nhiên
trong cuôc sống thường ngày và ứng dụng những điều đó vào đời sống. Nhưng từ thực
trạng giảng dạy mơn vật lí tại các trường phổ thông cho thấy kiến thức mà HS được
học vẫn cịn mang tính hàn lâm, khơ khan. Bên cạnh đó, các phương pháp dạy học vật
lý hiện nay còn tách rời lý thuyết và thực hành, tách rời kiến thức nhà trường và kiến
thức thực tế cuộc sống. Chính vì vậy, khi áp dụng mơ hình STEM vào dạy học sẽ làm
giảm những hạn chế mà phương pháp dạy học truyền thống mang lại. Mơ hình STEM
là cầu nối nối liền khoảng cách lớn giữa học và làm, giữa lý thuyết và thực tế. Học
sinh, sinh viên được đào tạo theo mơ hình STEM sẽ được học cách làm thế nào để tìm
hiểu cơ sở lý thuyết, nguyên lý qua các bài TN được tích hợp các lĩnh vực khoa học,
cơng nghệ, kỹ thuật và tốn học, được tư duy logic liên kết các sự vật, hiện tượng với
các ứng dụng và kỹ thuật để từ đó các lý thuyết đã được biết đó thành các ứng dụng
thực tế. Không những thế, việc giảng dạy bằng các bài TN STEM, ngồi lợi ích phát
huy tính tích cực, chủ động học tập của HS, gây khơng khí học tập sơi nổi thì TN cịn
là cầu nối giữa lý thuyết và thực hành, là công cụ hỗ trợ giúp HS nắm vững kiến thức,

2


hồn thiện kiến thức (đánh giá được tính chân thực của kiến thức), phát triển các kỹ
năng, kỹ xảo của bản thân.
Để làm được những điều đó, đặc biệt là với mơn vật lý, các nhà giáo dục khuyến
khích sử dụng phương pháp dạy học qua con đường thực nghiệm, mà cụ thể ở đây, là
phương pháp dạy học TN. Song từ thực trạng cho thấy, có 2 nguyên nhân chính dẫn
đến việc dạy học TN ở các trường phổ thông bị hạn chế:
Thứ nhất, do các hạn chế về thiết bị TN, HS khơng có điều kiện tự nghiên cứu
trước khi tiến hành TN (công việc này chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu trên giấy), nên
khi làm việc ở phòng TN, HS mất nhiều thời gian làm quen với các dụng cụ, các bước
tiến hành TN, ít có thời gian rèn luyện kĩ năng sử dụng các bộ TN đó trong q trình
học. Đồng thời, các bộ TN này hầu hết là cố định về phương án tiến hành, dụng cụ TN,

cũng như cách lắp ráp, sử dụng thiết bị, cho nên việc phát huy tính tích cực, sáng tạo
của HS là hồn tồn khơng có.
Thứ hai, phần lớn các bài TN theo quy chuẩn của sách giáo khoa thường đòi hỏi
nhiều thiết bị rất đắt tiền mà khơng phải trường phổ thơng nào cũng đáp ứng được.
Chính vì thế, nắm bắt được thực trạng này, dựa trên những yêu cầu thách thức
đặt ra trong thực tế, nhằm đáp ứng nhu cầu đổi mới, phù hợp với tình hình tài chính và
quốc sách của Việt Nam cho nền giáo dục, khóa luận này được xây dựng nhằm thiết kế
hệ thống bài thực hành TN khảo sát xác định hệ số ma sát áp dụng cho dạy học vật lý
tại các trường phổ thơng.
Khóa luận này đề cập đến việc sử dụng kết hợp khoa học kỹ thuật trong giảng
dạy kiến thức vật lý tại trường THPT. Vấn đề của khóa luận đặt ra nhằm nghiên cứu,
thiết kế bài TN dựa trên thiết bị thông minh giúp khảo sát và tính hệ số ma sát trên các
chương trình máy tính, từ đó giúp tìm hiểu mối quan hệ của các đại lượng vật lý, giúp
HS có thể hiểu rõ hơn cũng như có thể tự thực hành để trau dồi các kỹ năng cần thiết.

3


Chính vì vậy tơi đề xuất và nghiên cứu đề tài: “Thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số
ma sát trong chương trình vật lý lớp 10 Trung học phổ thơng”
2. Mục đích nghiên cứu
Thiết kế và cải tiến bộ thí nghiệm về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến
hành nhằm thực hiện những mục tiêu của bài thực hành đề ra. Qua đó nâng cao hiệu
quả của việc thực hành TN xác định hệ số ma sát trong chương trình vật lý lớp 10 –
THPT.
3. Cấu trúc khóa luận
Gồm 3 phần:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết xây dựng bài thực tập vật lý phổ thông về xác định
hệ số ma sát.
Chương 2: Thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát và xây dựng bài thí

nghiệm dao động cơ tắt dần trong chương trình THPT.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
Kết luận và khuyến nghị

4


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP VẬT
LÝ PHỔ THÔNG VỀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT
1.1.

Tổng quan về dạy học Thí nghiệm Vật lý

1.1.1. Thí nghiệm Vật lý.
Thí nghiệm hay thực nghiệm là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con
người vào đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà
trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể kiểm nghiệm
và phát hiện ra những tri thức mới.
“Các điều kiện của thí nghiệm Vật lí phải được lựa chọn và được thiết lập có
chủ định sao cho thơng qua thí nghiệm, có thể trả lời được câu hỏi đặt ra, có thể kiểm
tra được giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết.
Mỗi thí nghiệm có 3 yếu tố cấu thành cần được xác định rõ: Đối tượng cần
nghiên cứu, phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu và phương tiện
quan sát, đo đạc thu nhận các kết quả của sự tác động.
Các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác ở mức độ nhất định. Đầu tiên chúng ta
tìm thấy một quy luật sai và rồi chúng tìm ra quy luật đúng. Bây giờ, thí nghiệm có thể
sai như thế nào? đầu tiên, trong một lần thử: Nếu điều gì đó sai do dụng cụ thí nghiệm,
chúng ta khơng để ý đến nó. Nhưng những điều này dễ xác định, kiểm tra đi, kiểm tra
lại, cho đến khi khơng cịn một lỗi nhỏ, vậy làm sao kết quả thí nghiệm có thể sai
được? Chỉ vì sự thiếu chính xác của dụng cụ đo.

Đảm bảo sự quan sát được của các đại lượng biến đổi trong khi tiến hành thí
nghiệm. Có thể làm lại các thí nghiệm nhiều lần và đảm bảo kết quả thu tương đối
giống nhau.” [4, tr. 95]
1.1.2. Các loại thí nghiệm trong dạy học Vật lý
-

“TN biểu diễn của GV: là các TN GV giới thiệu một cách tương đối
nhanh với HS chủ yếu về những cái HS có thể cảm thụ được bằng mắt và

5


tai. TN biểu diễn có thể phân ra thành 3 loại: TN mở đầu, TN nghiên cứu
hiện tượng, TN củng cố.
-

TN do HS thực hiện:

-

TN đồng loạt của HS

-

TN thực hành vật lý

-

Các bài toán thực nghiệm: Các bài toán thực nghiệm địi hỏi phải tìm tịi
bằng thực nghiệm tự lực những số liệu khởi đầu để giải quyết về mặt lý

thuyết các bài tốn đó và kiểm tra tiếp theo bằng thực nghiệm tính đúng
đắn của kết quả thu được.

1.2.

TN ngoài giờ lên lớp”[4, tr. 96-98]

Yêu cầu khi tiến hành xây dựng thí nghiệm Vật lý phục vụ dạy học

TN Vật lý trong Nhà trường phục vụ cho việc dạy học cần đáp ứng những yêu cầu
sau:
-

Về nội dung:
• TN có các đặc điểm cơ bản của TN Vật lý.
• Kết quả TN đưa ra được hiện tượng trực quan.
• TN gắn liền với nội dung bài học, phù hợp với tiến trình dạy học.

-

Về hình thức:
• Dụng cụ có kích thước đủ lớn, dễ quan sát, an tồn.
• TN đẹp mắt, ngắn gọn, bố trí hợp lý, dễ thay thế, sửa chữa.

-

Về tính khả thi và ứng dụng:
• Dụng cụ dễ kiếm hoặc có sẵn trong các phịng TN.
• Thời gian tiến hành TN phù hợp với việc bố trí thời gian dạy học,
nên đưa ra được kết quả ngay sau khi tiến hành TN để phục vụ

cho bài dạy.

6


• Đảm bảo việc sử dụng được ở các giai đoạn khác nhau trong quá
trình dạy học như: đặt vấn đề vào bài, xây dựng kiến thức, củng cố
vận dụng.
• Khuyến khích dụng cụ hiện đại, sử dụng được trong nhiều TN
1.3.

Tổng quan về lực ma sát và hệ số ma sát

1.3.1. Ma sát
Theo wikipedia[14] thì lực ma sát được định nghĩa như sau:
“Ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng
thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt.
Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt
thành năng lượng ở dạng khác. Việc chuyển hóa năng lượng thường là do va chạm
giữa phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến
dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được tích lũy một phần thành điện
năng hay quang năng. Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt
được chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.
⃗ vng góc với hai bề mặt,
Lực ma sát tỷ lệ với lực ép hai bề mặt lên nhau, áp lực 𝑁
và hệ số ma sát μ, giữa các vật liệu.
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗
𝐹𝑚𝑠 = 𝜇𝑁
1.3.2. Phân loại

Có ba loại lực ma sát: ma sát trượt, ma sát nghỉ, ma sát lăn.
1.3.2.1.

Ma sát nghỉ

Ma sát nghỉ (hay còn được gọi là ma sát tĩnh) là lực xuất hiện giữa hai vật tiếp xúc
mà vật này có xu hướng chuyển động so với vật cịn lại nhưng vị trí tương đối của
chúng chưa thay đổi. Ví dụ, lực ma sát nghỉ ngăn cản một vật định trượt (chuẩn bị trượt
nhưng vị trí tương đối vẫn chưa thay đổi nhiều - thay đổi ít) trên bề mặt nghiêng. Hệ số
7


của ma sát nghỉ, thường được ký hiệu là 𝜇𝑛 , thường lớn hơn so với hệ số của ma sát
động. Lực ban đầu làm cho vật chuyển động thường bị cản trở bởi ma sát nghỉ.
Giá trị lớn nhất của lực ma sát nghỉ khi vật bắt đầu chuyển động được tính bằng
cơng thức:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗
𝐹𝑚𝑠𝑛 = 𝜇𝑛 𝑁
1.3.2.2.

Ma sát trượt

Ma sát trượt xuất hiện khi hai vật thể trượt trên nhau. Lực ma sát trượt cản trở làm
cho vật đó khơng trượt nữa. Ví dụ như đẩy một quyển sách trên mặt bàn.
1.3.2.3.

Ma sát lăn

Ma sát lăn là lực ngăn cản lại sự lăn của một bánh xe hay các vật có dạng hình trịn

trên mặt phẳng bởi sự biến dạng của vật thể và/ hoặc của bề mặt(có thể cũng khơng
nhất thiết là có dạng hình trịn). Lực ma sát lăn nhỏ hơn các lực ma sát động khác. Hệ
số ma sát lăn thường có giá trị là 0,001. Ví dụ điển hình nhất của lực ma sát lăn là sự di
chuyển của bánh các loại xe cộ trên đường.
1.3.2.4.

Ứng dụng ma sát

Lực ma sát có thể được ứng dụng để làm biến dạng các bề mặt như trong kỹ
thuật đánh bóng, mài gương, sơn mài,... Nó được dùng để hãm tốc độ các phương tiện
giao thông trên Trái Đất, chuyển động năng của phương tiện thành nhiệt năng và một
phần động năng của Trái Đất.
Nhiệt năng sinh ra bởi lực ma sát còn được ứng dụng để đánh lửa, trong đá lửa,
hoặc các dụng cụ tạo lửa của người tiền sử như theo một số giả thuyết.
1.3.2.5.

Giảm ma sát

Lực ma sát cũng gây nhiều ảnh hưởng đôi khi ngược với mong muốn. Nó ngăn trở
chuyển động, gây thất thốt năng lượng. Nó mài mịn các hệ thống cơ học cho đến lúc
8


các hệ thống này bị biến dạng vượt qua ngưỡng cho phép của thiết kế. Nhiệt năng sinh
ra bởi lực ma sát có thể gây chảy hoặc biến chất vật liệu, thay đổi hệ số ma sát. Trong
các trường hợp như vậy, có thể áp dụng các phương pháp làm giảm ma sát như: sử
dụng ổ bi hay chất bôi trơn.”[14]
1.4.

Cơ sở lý thuyết của phép đo xác định hệ số ma sát

1.4.1. Mục đích thí nghiệm
-

Xác định bằng thực nghiệm hệ số ma sát trượt và ma sát nghỉ giữa 2 vật.

-

Củng cố kiến thức về lực ma sát, động học và động lực học.

-

Củng cố các thao tác TN và xử lý số liệu.

1.4.2. Cơ sở lý thuyết
-

Xét 1 vật khối lượng m chuyển động trượt xuống không vận tốc đầu, có
ma sát từ mặt nêm nghiêng góc α so với phương ngang (như hình vẽ).

-

Chọn hệ trục Oxy như hình bên.

-

Các lực tác dụng vào vật là Trọng lực (P), lực ma sát ( Fms), phản lực
(N).
Hình 1. 1. Phân tích các lưc tác dụng lên vật
⃗

𝑁
y

⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐹𝑚𝑠
⃗⃗⃗1
𝑃
O
⃗⃗⃗⃗
𝑃2

-

α

Áp dụng đinh luật II Newton cho tổng hợp lực tác dụng lên vật m ta có:
⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑃⃗ + 𝑁
𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑎 (1)

-

𝑃⃗

Chiếu phương trình (1) lần lượt lên Oy và Ox:

9

x

Oy: 𝑃2 + 𝑁 = 0
Ox: 𝑃1 − 𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑎 (2)
Với 𝑃 = 𝑚𝑔, 𝐹𝑚𝑠 = 𝜇𝑁 = 𝜇𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼, 𝑃1 = 𝑃𝑠𝑖𝑛𝛼
-

Thay vào phương trình (2) ta có:
𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼 − 𝜇𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼 = 𝑚𝑎
𝜇=

𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛𝛼−𝑚𝑎
𝑚𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼

= tan𝛼 −

𝑎
𝑔𝑐𝑜𝑠𝛼

(3)

-

Yêu cầu tính gia tốc a của vật.

-

Theo phương trình động học của vật chuyển động biến đổi đều với gia
tốc a:
1
𝑥 = 𝑥𝑜 + 𝑣𝑜 𝑡 + 𝑎𝑡 2

2
Với 𝑥𝑜 là tọa độ ban đầu của vật, 𝑣𝑜 là vận tốc ban đầu của vật, trong TN

này đều = 0.
-

Vậy ta có quãng đường dịch chuyển của vật
𝑠=
𝑎=

1.5.

𝑎𝑡 2
2

2𝑠
𝑡2

Thay gia tốc a ở trên vào ta sẽ tính đc hệ số ma sát trượt giữa 2 vật.

Đề xuất phương án tiến hành
-

Bước 1: Xác định góc nghiêng α.

-

Bước 2: Xác định quãng đường dịch chuyển s của vật.

10

-

Bước 3: Xác định thời gian chuyển động của vật trên quãng đường s.
Tính gia tốc a của vật.

-

Bước 4: Xác định hệ số ma sát của vật, đối chiếu với lý thuyết.

-

Bước 5: Tiến hành với các chất liệu khác.

Bảng 1. 1. Hệ số ma sát trượt (gần đúng) của một số cặp vật liệu [2, tr. 76]
Vật liệu

Hệ số ma sát trượt

Thép trên thép

0.57

Gỗ trên gỗ

0.2

Nhôm trên thép

0.47

Cao su trên bê tông khô

0.7

Thủy tinh trên thủy tinh

0.4

Nước đá trên nước đá

0.03

Teflon trên Teflon

0.04

1.6.

Yêu cầu thí nghiệm
-

Bài TN được xây dựng sát với chương trình vật lý phổ thơng.

-

Hiện tượng trực quan, dễ quan sát.

-

Phù hợp với cơ sở vật chất của trường phổ thông.

11


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT
VÀ XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TRONG CHƯƠNG
TRÌNH PHỔ THƠNG TRUNG HỌC
Thiết kế bộ thí nghiệm xác định hệ số ma sát trong chương trình phổ

2.1.

thơng trung học.
2.1.1.

Phần cứng

2.1.1.1.

Mạch Arduino

Arduino là một bo mạch xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị
phần cứng như cảm biến, động cơ…Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++, các
ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa.
Trong bài TN này, mạch Arduino được sử dụng là Arduino Uno với MCU
ATmega328P và sử dụng IC nạp CH340.
Bảng 2. 1. Thông số kĩ thuật Arduino Uno R3:
Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân

30 mA

I/O
Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

12


Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)
(Nguồn: Arduino.vn)
Hình 2. 1. Mạch Arduino Uno R3

2.1.1.2.

Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK dùng ánh sáng hồng ngoại để xác
định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt
nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt. Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách
báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần thêm 1
điện trở treo lên nguồn ở chân tín hiệu khi sử dụng.

13


Hình 2. 2. Cảm biến E18-D80NK

Thơng số kỹ thuật:
• Nguồn điện cung cấp: 5VDC.
• Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
• Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
• Dịng kích ngõ ra: 300mA.
• Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra, trở treo
lên áp bao nhiêu sẽ tạo thành điện áp ngõ ra bấy nhiêu.
• Chất liệu sản phẩm: nhựa.
• Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
• Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L).
Sơ đồ chân:
• Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.
• Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
• Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để
tạo thành mức cao.

14


Hình 2. 3. Cách mơ-đun E18-D80NK phát - thu tín hiệu.

Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến E18-D80NK gồm có 1 thiết bị phát và 1 thiết bị thu hồng ngoại. Bên
trong là bộ phận xử lí. Cảm biến sử dụng biến trở để điều chỉnh khoảng cách phát
hiệnNguyên lí hoạt động:. Khi cảm biến nhận tín hiệu, dây tín hiệu sẽ có điện áp là 0V
(tín hiệu được đẩy xuống mức LOW) đồng thời đèn Led phía sau cảm biến sẽ sáng,
ngược lại ở chế độ bình thường khi khơng có vật cản điện áp ở tín hiệu lối ra là 5V( tín
hiệu ở mức HIGH), đèn Led tương ứng sẽ tắt.
Phương pháp xác định thời gian sử dụng cả biến E18-D80NK

15


Ta có thể xác định được thời gian bằng cách đo khoảng thời gian vật chạy qua 2
cảm biến. Khoảng thời gian này chính là khoảng thời gian cả 2 cảm biến đều không
gặp vật cản khi vật chuyển động giữa 2 cảm biến. Phương pháp để đo khoảng thời gian
này như sau:
-

Bước 1: Xác định khoảng thời gian từ lúc chương trình trên bo mạch
Arduino bắt đầu chạy đến khi cảm biến đầu tiên gặp vật cản, ta đặt tên
biến là “time1”.

-

Bước 2: Xác định khoảng thời gian từ lúc chương trình trên bo mạch
Arduino bắt đầu chạy đến khi cảm biến thứ hai gặp vật cản, ta đặt teen
biến là “time2”.

-

Bước 3: lấy “time2” trừ “time1” sẽ ra khoảng thời gian vật đi qua 2 cảm
biến.

Cách xác định khoảng cách
Quãng đường khảo sát trong TN này bằng đúng khoảng cách giữa 2 cảm biến,
khoảng cách này được xác định bằng thước đo gắn trên máng chuyển động của vật, ở
TN này khoảng cách này được cố định ở 94cm.
Cách xác định góc nghiêng α
Trên thực tế, để xác định một góc nghiêng có rất nhiều cách như dùng thước đo
góc một cách thủ cơng, tuy nhiên phương pháp trên thường mang tính cảm tính, tùy
vào mắt người nhìn và góc nhìn. Trên thị trường hiện nay cũng có nhiều loại cảm biến
đo góc nhưng giá thành khơng hề rẻ. Trong bài TN này, ta sử dụng một biến trở (chiết
áp) có điện trở tối đa là 10 kΩ. Biến trở này có thể xoay để thay đổi giá trị điện trở của
nó.

16


Đặt một điện áp một chiều 5V giữa 2 đầu biến trở, thay đổi giá trị biến trở để có
các góc nghiêng khác nhau, với mỗi giá trị góc khác nhau ta có 1 giá trị điện trở khác
nhau, tương ứng với nó là 1 giá trị điện áp lối ra khác nhau. Cụ thể như số liệu đã thực
hiện dưới bảng sau:
Bảng 2. 2. Kết quả đo sự phụ thuộc của góc nghiêng với điện áp qua 2 đầu biến trở
U(mV)

α (ᵒ)

𝑈𝑇𝐵 (𝑚𝑉)

Lần 1

Lần 2

Lần 3

10

19

19

14

17,33

15

131

131

136

132,67

20

249

254

254

252,33

25

337

342

342

340,33

30

444

439

439

440,67

35

552

547

542

547,00

40

610

610

601

607,00

Từ số liệu bảng trên, ta vẽ được đồ thị “ Sự phụ thuộc của góc α và điện thế lối ra biến
trở”:
Hình 2. 4. Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp ra của biến trở vào góc nghiêng
Sự phụ thuộc của góc α vào điện áp qua biến trở
45
40
y = 0,05x + 8,3166
R² = 0,9943

35

α(ᵒ)

30
25
20
15
10
5
0
0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

U(mV)

17

500,00

600,00

700,00