BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ

NGÔ MINH NHỰT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN GIA TỐC
VÀ LỰC SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ

NGÔ MINH NHỰT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN
ĐO GIA TỐC VÀ LỰC SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ
Mã số: 102
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
ThS. MAI HOÀNG PHƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 2016


MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................................................... I
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................................... VI
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................................... VII
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................1
1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu.........................................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................................................2

3.

Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................................2

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................................................2

5.

Nhiệm vụ nghiên cứu .........................................................................................................................3

6.

Những đóng góp của đề tài.................................................................................................................3


Quy trình xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí ............................................9

1.3.

GIỚI THIỆU VỀ BỘ THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH .................................................... 14

1.3.1.

Vi điều khiển Atmega328P ................................................................................................. 14

1.3.2.

Board Arduino ..................................................................................................................... 16

1.3.3.

Chuẩn phát sóng radio ......................................................................................................... 17

1.4.

TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN .................................................................................................. 19

1.4.1.

Cảm biến đo lực .................................................................................................................. 19

1.4.2.

Cảm biến đo gia tốc ............................................................................................................. 20


Chuẩn cảm biến ................................................................................................................... 29

2.3.

THIẾT KẾ MẠCH PHÁT SÓNG RADIO TRUYỀN DỮ LIỆU ............................................... 32

2.3.1.

Khối nguồn .......................................................................................................................... 33

2.3.2.

Khối xử lí tín hiệu từ cảm biến............................................................................................ 34

2.3.3.

Vi điều khiển và phát sóng radio truyền dữ liệu ................................................................. 34

2.4.

MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ BỘ THÍ NGHIỆM HOÀN CHỈNH ................................ 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC .................................................................................... 37
3.1.

THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC BẰNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW ............... 37

3.1.1.



4.1.1.

Mục đích thí nghiệm ........................................................................................................... 43

4.1.2.

Các bước tiến hành thí nghiệm. ........................................................................................... 44

4.2. BÀN LUẬN KẾT QUẢ VÀ CÁC Ý TƯỞNG KHAI THÁC BỘ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY
HỌC VẬT LÍ .......................................................................................................................................... 56
KẾT LUẬN ................................................................................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................... 60
PHỤ LỤC .................................................................................................................................................... 62
1.

Chức năng các chân vi điều khiển Atmega328P ............................................................................. 62


III

2.

Chương trình nạp cho arduino uno.................................................................................................. 64

3.

Chương trình nạp vi điều khiển Atmega328P. ................................................................................ 67



Hình 3. 1. Sơ đồ thuật toán chương trình giao diện trên máy tính. .................................... 37
Hình 3. 2. Giao diện dạy học. ............................................................................................. 39
Hình 3. 3. Chức năng tìm hàm tuyến tính. ......................................................................... 40
Hình 3. 4. Hộp thoại xuất file JPEG ................................................................................... 40
Hình 3. 5. Sao chép dữ liệu từ bảng biểu sang chương trình bảng tính Excel. .................. 41


V

Hình 4. 1. Bố trí thí nghiệm 1. ............................................................................................ 45
Hình 4. 2. Đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) trong chuyển động thẳng đều. ...................... 46
Hình 4. 3. Bố trí thí nghiệm 2.1.......................................................................................... 47
Hình 4. 4. Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong thí nghiệm 2.1....................................... 48
Hình 4. 5. Bố trí thí nghiệm 2.2.......................................................................................... 49
Hình 4. 6. Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong thí nghiệm 2.2....................................... 49
Hình 4. 7. Đồ thị lực – thời gian (F – t) trong chuyển động nhanh dần đều. ..................... 50
Hình 4. 8. Thí nghiệm dao động điều hòa. ......................................................................... 51
Hình 4. 9. Đồ thị F – t trong giao động điều hòa................................................................ 51
Hình 4. 10. Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong dao động điều hòa. ............................. 52
Hình 4. 11. Đồ thị lực – gia tốc (F – a) trong dao động điều hòa. ..................................... 52
Hình 4. 12. Bố trí thí nghiệm 5. .......................................................................................... 53
Hình 4. 13. Bố trí thí nghiệm va chạm đàn hồi. ................................................................. 55
Hình 4. 14. Đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) trong va chạm đàn hồi. ............................... 55


VI

DANH MỤC CÁC BẢNG
1.1.


TN : Thí nghiệm
SPI: Serial Peripheral Interface


1

MỞ ĐẦU
1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu
Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm gần gũi và gắn liền với cuộc sống. Do

vậy, việc dạy và thực hành thí nghiệm vật lí đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành
kiến thức, kỹ năng và phát triển tư duy cho học sinh THPT. Tuy nhiên do những điều kiện
khách quan cũng như thiếu thốn về dụng cụ thí nghiệm mà việc đưa thí nghiệm vật lí vào
dạy học hay thực hành thí nghiệm vật lí ở các trường THPT còn nhiều khó khăn và hạn
chế. Đặc biệt là việc sử dụng các bộ thí nghiệm phần Động lực học – Vật lí 10 luôn gặp
khó khăn trong việc xác định các đại lượng như gia tốc, vận tốc và lực tác dụng,… Các
phương pháp truyền thống như dùng cần rung điện, đồng hồ hiện số, lực kế thường cho
kết quả kém chính xác và việc thu nhận xử lí số liệu tốn nhiều thời gian, gây khó khăn
cho việc dạy và học của giáo viên, học sinh.
Hiện nay một số bộ thí nghiệm ghép nối với máy vi tính cùng với các phần mềm
xử lí số liệu thí nghiệm giúp cho việc mà việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên
nhanh chóng và dễ dàng hơn. Cụ thể như các thiết bị ghép nối và các phần mềm tương
ứng của Cassy, Phywe (Đức), Pasco, Vernier (Mỹ), Coach (Hà Lan)… Tuy nhiên, các bộ
thí nghiệm này chủ do các hãng nước ngoài sản xuất nên giá thành tương đối cao, chương
trình xử lí số liệu khó sử dụng nên khó trang bị rộng rãi trong dạy và học Vật lí ở Việt
Nam.
Trong chương trình Vật lí lớp 10, GV thường gặp nhiều khó khăn trong việc giảng
dạy nội dung phần động lực học. Do những khó khăn trong khảo sát các đại lượng tức

các loại cảm biến, lý thuyết truyền nhận dữ liệu bằng sóng radio và lý luận phương pháp
dạy học vật lí THPT.
Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Nhờ giảng viên hướng dẫn để xây dựng sơ đồ
và cấu tạo bộ thí nghiệm.
Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát đặc tính cũng như hoạt động của của cảm
biến, truyền nhận dữ liệu giữa hai board mạch bằng sóng radio trên testboard, từ đó rút ra
ưu nhược điểm và thiết kế mạch hoàn chỉnh. Làm thí nghiệm khảo sát, sau đó đánh giá sai
số tương đối, so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết và kết quả từ các bộ thí
nghiệm khác, đánh giá độ chính xác của bộ thí nghiệm.
4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


3

Đối tượng nghiên cứu: Các cảm biến đo lường, kiến thức điện – điện tử cơ bản, vi
điều khiển AVR, ngôn ngữ lập trình Labview, các nội dung kiến thức vật lí THPT có sử
dụng các bộ thí nghiệm ghép nối máy tính.
5.

Nhiệm vụ nghiên cứu
− Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại và việc xây dựng, sử dụng các thiết bị thí
nghiệm theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh
trong dạy học vật lí ở trường phổ thông.
− Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho việc đo đạc các đại lượng lực và gia
tốc: phạm vi đo đạc, mức độ chính xác, phương thức hoạt động.
− Nghiên cứu kiến thức điện – điện tử: ngôn ngữ lập trình Labview, bảng mạch điện
tử Arduino, vi điều khiển Atmega328P, module truyền nhận dự liệu bằng sóng
radio nRFl01: cách thức hoạt động, cách lập trình cho arduino và vi điều khiển,

tích cực học tập là sự phát triển ở mức độ cao hơn trong tư duy, đòi hỏi một quá trình hoạt
động “bên trong” hết sức căng thẳng với một nghị lực cao của bản thân nhằm đạt được
mục đích là giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra.
Các biểu hiện của tính tích cực trong học tập:
Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của HS thể hiện ở những hoạt động cơ bắp
nhưng quan trọng hơn là sự biểu hiện ở hoạt động trí tuệ: hai hình thức biểu hiện này
thường đi liền với nhau. Có thể nêu những dấu hiệu của tính tích cực hoạt động trí tuệ như
sau:
− HS khao khát tự nguyện tham gia trả lời câu hỏi của GV, bổ sung câu trả lời của
bạn, thích được phát biểu ý kiến của mình về những vấn đề nêu ra.
− HS hay nêu thắc mắc, đòi hỏi GV phải giải thích cặn kẽ những vấn đề GV trình
bày chưa đủ rõ.
− HS chủ động vận dụng linh hoạt những kiến thức kỹ năng đã học được để nhận ra
vấn đề mới.
− HS mong muốn đóng góp với thầy, với bạn những thông tin mới mẻ lấy từ những
nguồn thông tin khác nhau, có khi vượt ra ngoài phạm vi bài học.
1.1.2. Tính sáng tạo của HS trong học tập.


5

Năng lực sáng tạo là khả năng tạo ra những giá trị mới về tinh thần, vật chất, tìm ra
kiến thức mới, giải pháp mới, công cụ mới, vận dụng thành công những hiểu biết đã có
vào hoàn cảnh mới. Như vậy, sản phẩm của sự sáng tạo không thể suy ra từ cái đã biết
bằng cách suy luận logic hay bắt chước làm theo . Năng lực sáng tạo gắn liền với kỹ năng,
kỹ xảo và vốn hiểu biết của chủ thể.
Trong bất cứ lĩnh vực hoạt động nào, càng thành thạo và có kiến thức sâu rộng thì
càng nhạy bén trong dự đoán, đề ra được nhiều dự đoán, nhiều phương án để lựa chọn,
càng tạo điều kiện cho trực giác phát triển. Bởi vậy, không thể rèn luyện năng lực sáng
tạo tách rời, độc lập với học tập kiến thức về một lĩnh vực nào đó.

− Pha thứ nhất: Chuyển giao nhiệm vụ, bất ổn hoá tri thức, phát biểu vấn đề
Trong pha này, GV giao cho HS một nhiệm vụ có tiềm ẩn vấn đề. Dưới sự
hướng dẫn của GV, HS quan tâm đến nhiệm vụ đặt ra, sẵn sàng nhận và tự nguyện
thực hiện nhiệm vụ. Trong quá trình giải quyết nhiệm vụ đó, quan niệm và giải
pháp ban đầu của HS được thử thách và HS ý thức được khó khăn. Lúc này vấn đề
đối với HS xuất hiện, dưới sự hướng dẫn của GV vấn đề đó được chính thức diễn
đạt.
− Pha thứ hai: Học sinh hành động độc lập, tích cực, trao đổi, tìm tòi giải quyết vấn
đề. Sau khi đã phát biểu vấn đề, HS độc lập hoạt động, xoay sở để vượt qua khó
khăn. Trong quá trình đó, khi cần, vẫn phải có sự định hướng của GV. Trong quá
trình tìm tòi giải quyết vấn đề, HS diễn đạt, trao đổi với người khác trong nhóm về
cách giải quyết vấn đề của mình và kết quả thu được, qua đó có thể chỉnh lí, hoàn
thiện tiếp. Dưới sự hướng dẫn của GV, hành động của HS được định hướng phù
hợp với tiến trình nhận thức khoa học và thông qua các tình huống thứ cấp khi cần.
Qua quá trình dạy học, cùng với sự phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS,
các tình huống thứ cấp sẽ giảm dần. Sự định hướng của GV chuyển dần từ định
hướng khái quát chương trình hoá (theo các bước tuỳ theo trình độ của HS) tiệm


7

cận dần đến định hướng tìm tòi sáng tạo, nghĩa là GV chỉ đưa ra cho HS những gợi
ý sao cho HS có thể tự tìm tòi, huy động hoặc xây dựng những kiến thức và cách
thức hoạt động thích hợp để giải quyết nhiệm vụ mà họ đảm nhận. GV cần phải
nắm vững quy luật chung của quá trình nhận thức khoa học, logic hình thành các
kiến thức vật lí, những hành động thường gặp trong quá trình nhận thức vật lí,
những phương pháp nhận thức vật lí phổ biến để hoạch định những hành động,
thao tác cần thiết của HS trong quá trình chiếm lĩnh một kiến thức hay một kỹ năng
xác định.
− Pha thứ ba: Tranh luận, thể chế hoá, vận dụng tri thức mới. Trong pha này, dưới sự

Thí nghiệm vật lí nếu được tổ chức đúng sẽ là một phương tiện giáo dục các phẩm
chất cá nhân cho học sinh, như tính kiên trì đạt được mục đích đặt ra, tính thận trọng
trong việc thu nhập các sự kiện và trong công việc sau này. Phát triển ở học sinh các kỹ
năng quan sát và rút ra trong các hiện tượng được nghiên cứu những dấu hiệu bản chất...
1.2.2. Vai trò của thí nghiệm trong tiến trình dạy học vật lí
Thí nghiệm vật lí là cơ sở để xây dựng, chứng minh kiến thức vật lí.
Thí nghiệm là phương tiện kích thích sự hứng thú học tập vật lí, tổ chức quá trình
học tập tích cực, tự chủ và sáng tạo của học sinh. Trong quá trình thí nghiệm, học sinh
phải tiến hành một loạt các hoạt động trí tuệ, thể chất như: thiết kế phương án, kế hoạch
thí nghiệm, lập bảng giá trị đo, chọn dụng cụ bố trí và tiến hành thu thập xử lí kết quả thí
nghiệm,… Chính vì vậy thí nghiệm là phương tiện hữu hiệu để bồi dưỡng năng lực sáng
tạo cho học sinh [1, tr.11].
Thí nghiệm góp phần vào việc phát triển toàn diện của học sinh. Việc sử dụng thí
nghiệm trong dạy học góp phần quan trọng vào việc hoàn thiện những phẩm chất và năng
lực của học sinh, đưa đến sự phát triển toàn diện cho người học. Trước hết, thí nghiệm là
phương tiện nhằm góp phần nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo
vật lí cho HS. Nhờ thí nghiệm HS có thể hiểu sâu hơn bản chất vật lí của các hiện tượng,
định luật, quá trình... được nghiên cứu và do đó có khả năng vận dụng kiến thức vào thực
tiễn của HS sẽ linh hoạt và hiệu quả hơn.


9

Thí nghiệm vật lí có thể sử dụng như phương tiện để đề xuất vấn đề; để cho học
sinh vận dụng, củng cố kiến thức, để kiểm tra kiến thức vật lí của học sinh.
Thí nghiệm là phương tiện góp phần quan trọng vào việc giáo dục kĩ thuật tổng
hợp cho học sinh. Thí nghiệm là phương tiện tổ chức các hình thức làm việc tập thể khác
nhau, bồi dưỡng phẩm chất đạo đức của học sinh. Một số thí nghiệm được phân công cho
một nhóm học tiến hành do vậy đòi hỏi sự phân công phối hợp làm việc tự chủ của mỗi cá
nhân trong tập thể, vì vậy trong quá trình thí nghiệm đã diễn ra một quá trình bồi dưỡng

để có thể sản xuất hàng loạt và trang bị cho các trường phổ thông.
1.2.3.2. Quy trình sử dụng TN trong dạy học vật lí [3, tr.29-30]
Giai đoạn 1: TN được sử dụng làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu.
Trong giai đoạn làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu ở HS, GV có thể sử dụng TN
theo các bước sau:
Bước 1: GV mô tả hoàn cảnh thực tiễn tạo nên một vấn đề lôi cuốn HS và yêu cầu
HS dự đoán hiện tượng có thể xảy ra.
Bước 2: GV làm một TN hoặc GV cho HS làm một TN đơn giản để HS thấy được
hiện tượng xảy ra không phù hợp với dự đoán của mình.
Bước 3: GV hướng dẫn HS phát biểu vấn đề của bài học. Căn cứ vào trình độ của
HS, vào nội dung bài học mà GV lựa chọn và đưa ra mức độ thích hợp nhằm yêu
cầu HS tự lực phát biểu vấn đề của bài học.
Giai đoạn 2: TN được sử dụng để hỗ trợ việc đề xuất giả thuyết của HS
Trong giai đoạn này TN được sử dụng theo các bước sau:


11

Bước 1: GV yêu cầu HS đề xuất giả thuyết để nêu nguyên nhân của vấn đề đã được
phát biểu ở giai đoạn trước. HS có thể đề xuất giả thuyết dựa trên một số gợi ý
như:
− Dựa vào sự liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có.
− Dựa trên sự tương tự.
− Dựa trên sự xuất hiện đồng thời giữa hai hiện tượng mà dự đoán giữa chúng có
mối quan hệ nhân quả.
− Dựa trên nhận xét thấy hai hiện tượng luôn luôn biến đổi đồng thời, cùng tăng
hoặc cùng giảm mà dự đoán về mối quan hệ nhân quả giữa chúng.
− Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình.
− Dự đoán về mối quan hệ định lượng.
Bước 2: Nếu HS vẫn không đề xuất được giả thuyết thì GV sẽ tiến hành một TN để

phải sử dụng TN theo cách sau:
Cách 1: GV giao cho HS nhiệm vụ sử dụng thiết bị TN đã được sử dụng để tiến
hành TN khác hoặc phải sử dụng thiết bị TN có sẵn để tiến hành TN.
Cách 2: GV giao cho HS nhiệm vụ chế tạo dụng cụ TN và tiến hành TN với nó.
2. Trong hai cách sử dụng TN ở giai đoạn vận dụng kiến thức, GV có thể tổ chức
hoạt động của HS dựa theo một số dạng hướng dẫn cụ thể:
− GV cho HS những dụng cụ TN cần thiết, nêu các bước tiến hành TN và yêu cầu
HS tiến hành TN theo các bước này rồi giải thích các kết quả TN.


13

− GV cho HS những dụng cụ cần thiết, nêu các bước tiến hành TN và yêu cầu HS
dự đoán kết quả TN, rồi mới làm TN kiểm tra.
− GV cho HS những dụng cụ TN cần thiết và yêu cầu HS thiết kế tiến trình TN để
đạt được mục đích đề ra.
− HS tự lựa chọn dụng cụ có sẵn, lập tiến trình TN (gồm bố trí, các bước tiến hành
TN, đo kết quả, sử lý kết quả đo) để đạt mục đích đề ra.
Việc sử dụng TN theo cả hai cách đã nêu không đơn thuần chỉ tiến hành TN với
các thiết bị, không phải là sự vận dụng máy móc các kiến thức, kỹ năng đã biết mà phải
có những yếu tố chứa đựng sự sáng tạo của HS, ở một số khâu hoặc ở tất cả các khâu của
việc sử dụng TN: thiết kế phương án TN, lựa chọn các chi tiết để thiết kế TN mong muốn,
tiến hành TN, xử lý kết quả TN thu được.
Trong giai đoạn vận dụng kiến thức, GV có thể lựa chọn cách sử dụng thiết bị TN
trên cơ sở các yêu cầu về nội dung kiến thức, kỹ năng cần đạt được ở HS, trình độ của
HS. Quá trình tổ chức hướng dẫn của GV trong giai đoạn này có thể theo các bước sau:
Bước 1: GV giao cho HS nhiệm vụ sử dụng TN để giải quyết vấn đề đặt ra.
Bước 2: GV tổ chức cho HS thảo luận để lựa chọn, thiết kế, chế tạo dụng cụ TN,
lập kế hoạch TN.
Bước 3: GV hướng dẫn HS tiến hành TN, thu thập và xử lý kết quả TN.

(2)

Vi điều
khiển (3)

Truyền dữ liệu bằng
sóng Radio 2,4 GHz
(4)

Board
Arduino
(5)

Máy tính +
Phần mềm
(6)

Hình 1. 1. Sơ đồ bộ cảm biến kết nối máy tính.
1.3.1. Vi điều khiển Atmega328P
1.3.1.1. Sơ đồ chân
Atmega328P là một vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ
MegaAVR. Đây là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp.


15

Hình 1. 3. Sơ đồ các chân Atmega328P.

Hình 1. 2. Vi điều khiển Atmega328P.