ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 1 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com SỞ GD&ĐT QUẢNG NAM TRƯỜNG THPT LÝ TỰ TRỌNG ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO NHỜ SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH Tác giả: Phan Công Thành I. Đặt vấn đề: Trong chương trình Vật lý 10, để xác định gia tốc rơi tự do một cách chính xác, điều cần thiết là đo chính xác thời gian rơi của vật và cổng quang điện là thiết bị được chọn trong chương trình Vật lý 10 để thực hiện điều này. Ở đây, tôi trình bày một phương án khác đo thời gian rơi của vật một cách chính xác và dễ thực hiện với sự trợ giúp của một máy tính. Một cách vắn tắt, trong phương án này tại các thời điểm bắt đầu rơi và thời điểm chạm đất của vật đồng thời có âm thanh phát ra. Các âm này được ghi lại trong một tập tin âm thanh. Dùng một phần mềm phân tích phổ âm thanh trên máy tính xác định các thời điểm t 1 bắt đầu rơi và thời điểm chạm đất t 2 của vật. Gia tốc rơi tự do được tính bằng công thức: 2 2 h g t   (1) trong đó, h là quãng đường rơi tự do của vật, t  = t 2 - t 1 là thời gian rơi của vật, kết quả thu được của gia tốc rơi tự do khá chính xác trung bình khoảng g = 10(m/s 2 ). II. Nội dung chính: 1.Phương tiện cần chuẩn bị gồm: + Một máy tính được cài đặt phần mềm xử lý âm thanh Cool Edit Pro 2.0 (có thể download từ http://www.softpedia.com/get/Multimedia/Audio/Audio-Editors-Recorders/Cool-Edit- Pro.shtml ). + Một microphone đủ nhạy để ghi âm (chúng tôi sử dụng loại SOMIC SM-360) nếu không có micro ta có thể dùng máy nghe nhạc MP3 hay MP4 để ghi âm. + Loa kết nối với máy tính. ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 2 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com + Một thước đo chính xác tới mm. + Một nam châm điện điều khiển bằng công tắc sao cho khi bật tắt công tắc có phát ra âm thanh. + Vật nặng bằng thép. 2. Các bước tiến hành thí nghiệm: Bước 1: Treo vật nặng ở độ cao 1 2 m h m   (các thao tác ở khoảng độ cao này dễ thực hiện, từ thực tế thí nghiệm chúng tôi nhận thấy với 1,6 2 m h m   cho kết quả với độ chính xác cao hơn). Đo cẩn thận độ cao h. Bước 2: Đặt microphone (đã kết nối với máy tính) ở độ cao h/2 (nhằm loại trừ sự trễ do âm thanh khi truyền trong không khí, làm giảm độ chính xác của phép đo). Bước 3: Khởi động máy tính, mở tiện ích ghi âm theo đường dẫn sau: Start\Programs\Accessories\Entertainment\Sound recorder Kích chuột vào nút lệnh ghi âm trên tiện ích Sound recorder để bắt đầu ghi âm. ( Ta cũng có thể ghi âm bằng Cool Edit Pro 2.0) Bước 4: Tại một thời điểm thích hợp (đủ yên lặng để các âm cần thu không bị nhiễu), bật công tắc một cách dứt khoát, âm do công tắc phát ra đồng thời với lúc vật bắt đầu rơi t 1 (1) . Khi vật chạm đất lúc t 2 , đồng thời cũng phát ra âm thanh. Mọi âm đều được ghi lại. Bước 5: Dừng tiến trình ghi âm. Lưu tập tin vừa tạo dưới tên giatoc chẳng hạn. Bước 6: Trên máy tính, mở chương trình Cool Edit Pro 2.0. Từ giao diện của Cool Edit Pro 2.0, mở tập tin giatoc đã lưu. Ta thấy phổ âm thanh của giatoc trên cửa sổ Cool Edit Pro 2.0. Bước 7: Kích vào biểu tượng để phát tập tin giatoc, chú ý lắng nghe để xác định vị trí các âm lúc bắt đầu rơi t 1 và lúc vừa chạm đất t 2 . Để dễ định vị các thời điểm t 1 và t 2 trên phổ âm thanh, kích vào biểu tượng để phóng đại phổ này. Dịch chuyển vạch chỉ thị đến vị trí các âm lúc bắt đầu rơi lúc t 1 và lúc vừa chạm đất t 2 . Ghi lại các thời điểm này. Bước 8: Áp dụng công thức (1) để tính g. 3. Một số điểm cần lưu ý: ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 3 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com + Phần mềm xử lý âm thanh chuyên dụng Cool Edit Pro 2.0 (CEP)) có khả năng phân giải phổ âm thanh chính xác đến 1‰ s. Kết quả thu được có độ chính xác cao. Tuy nhiên, khi không có CEP, ta có thể sử dụng tiện ích Windows Movie Maker được tích hợp sẵn trên hệ điều hành Windows. Tuy nhiên, Windows Movie Maker chỉ xử lý thời gian chính xác đến 7% s, nên độ chính xác không cao (2) . + Hiện nay, các phương tiện có hỗ trợ ghi âm kỹ thuật số như MP3, MP4 và một số loại điện thoại di động đã khá phổ biến. Nếu có, chúng ta có thể dùng chúng để ghi các tập tin âm thanh cần thiết rồi xử lý tương tự thì quy trình ghi âm trở nên đơn giản hơn nhiều. III. Các kết quả thí nghiệm và đề xuất: Chúng tôi đã thực hiện một số thí nghiệm và dưới đây là bảng ghi vài kết quả : h(m) t 1 (s) t 2 (s) g (m/s 2 ) Ghi chú 1.448 6.73 7.27 9.93 * 1.448 6.777 7.319 9.85 ** 1.505 8.87 9.40 10.7 * 1.505 8.833 9.385 9.9 ** 1.852 5.809 6.425 9.76 ** (*) : Xử lý phổ bằng Movie Maker (**) : Xử lý phổ bằng CEP Các kết quả trên khá gần với kết quả chính thức được công bố, có độ ổn định cao trong nhiều lần đo khác nhau, sai số phát sinh ở đây không phụ thuộc nhiều vào sai số của h, phụ thuộc rất đáng kể vào t 1 . ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 4 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com Trong năm học 2006-2007, tại Thị trấn Hà Lam và trường THPT Lý Tự Trọng, một số em học sinh đã thực hiện nhiều lần đo và kết quả khá chính xác (có những kết quả g = 9,8 m/s 2 hay 9,86 m/s 2 ) và ổn định của các phép đo khiến các em rất hứng thú . Trong năm học 2007-2008, chúng tôi tổ chức thực hiện thí nghiệm này tại các lớp 11B1, 11B2, 11C2, 11D3 trường THPT Lý Tự Trọng, kết quả được ghi nhận có tần suất xuất hiện lớn nhất là 2 g = 9,76m / s (3) . So với việc đo gia tốc dùng cổng quang điện, thí nghiệm của chúng tôi có phần phức tạp hơn, độ chính xác lại không cao bằng, bù lại, nó tạo ra một không khí sinh động do sự hiện diện của công nghệ thông tin trong quá trình dạy và học, sự tương tác giữa các quá trình bên ngoài và máy tính. Hơn nữa, các em có thể tự thực hiện ở nhà nếu ở nhà có máy vi tính và ghi âm. Chúng tôi hy vọng rằng, với sự hiện diện khá phổ biến của máy tính trong trường phổ thông hiện nay, thực hiện thí nghiệm gia tốc rơi tự do theo phương án này sẽ có lợi cho nhận thức của học sinh trên nhiều phương diện. Chú thích: (1) Thực ra, trong hệ thống của chúng tôi – xem video minh họa trong CD kèm theo - từ lúc dòng điện bị ngắt thì vật bắt đầu rơi đến lúc công tắc phát ra âm thanh lúc t 1, chúng tôi có khảo sát thời gian trễ khoảng 0,01s có ảnh hưởng đến kết quả song chúng tôi bỏ qua để các em học sinh dễ theo dõi. Dưới đây là các địa chỉ download các file video minh họa: do gia toc roi tu do 1 (http://www.mediafire.com/?2umzyt1imgw) do gia toc roi tu do 2 (http://www.mediafire.com/?mn12cjo0dmk) (2) Các bước tiến hành khi thí nghiệm với Windows Movie Maker : Các bước từ 1 đến 5 tiến hành như làm với CEP: Bước 6: Mở tiện ích Movie maker theo đường dẫn: ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 5 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com C:\Program Files\Movie Maker\moviemk Trong mục Capture video chọn import audio or music, rồi chọn mở tập tin giatoc đã lưu. Tập tin giatoc hiện lên ở bảng Collection. Bước 7: Kích vào biểu tượng của tập tin giatoc trên bảng Collection rồi thả vào rãnh Audio/Music bên dưới bảng Story, phổ âm thanh của tập tin giatoc sẽ hiện ra, kích vào biểu tượng liên tục để phóng đại phổ này, kích vào biểu tượng để phát tập tin giatoc, chú ý lắng nghe để xác định vị trí các âm lúc bắt đầu rơi lúc t 1 và lúc vừa chạm đất t 2 . Đưa con trỏ đến thước hiển thị thời gian bên trên phổ âm thanh một vạch chỉ thị và thời gian được hiển thị trên một cửa sổ bên cạnh. Dịch chuyển vạch chỉ thị đến vị trí các âm lúc bắt đầu rơi lúc t 1 và lúc vừa chạm đất t 2 . Ghi lại các thời điểm này. Bước 8: Áp dụng công thức (1) để tính g. (3) Trong các tiết học trên, bằng cách thay đổi vị trí đặt máy ghi âm – xem bước 2 ở trên, chúng tôi cũng đo được tốc độ truyền âm trong không khí kết quả thu được biến thiên từ 300m/s đến 369m/s ( so với 330m/s được ghi trong SGK Vật Lý 12 CCGD) cũng khá thú vị với học sinh. Chúng tôi cũng đã hoàn thiện một phương pháp đo tốc độ âm thanh trong không khí dựa trên nguyên tắc tương tự với độ chính xác cao hơn, sẽ giới thiệu trong một bài khác. Tài liệu tham khảo: - Sách Giáo khoa Vật lý 10. . ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 1 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com SỞ GD&ĐT QUẢNG NAM TRƯỜNG THPT LÝ TỰ TRỌNG ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO NHỜ SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH Tác. máy tính xác định các thời điểm t 1 bắt đầu rơi và thời điểm chạm đất t 2 của vật. Gia tốc rơi tự do được tính bằng công thức: 2 2 h g t   (1) trong đó, h là quãng đường rơi tự do của. số của h, phụ thuộc rất đáng kể vào t 1 . ĐO GIA TỐC RƠI TỰ DO PHAN CÔNG THÀNH 4 DĐ:0976922758 – pcthanh77@gmail.com Trong năm học 2006-2007, tại Thị trấn Hà Lam và trường THPT Lý Tự Trọng,