- Trang Chủ
- Báo cáo khoa học
- Báo cáo nghiên cứu khoa học: Một số giải pháp nâng cao chất lượng bài thí nghiệm “Tổng hợp dao động của con lắc kép”
Xem mẫu
- §¹i häc Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVII, sè 1A-2008
Mét sè gi¶i ph¸p N©ng cao chÊt l−îng Bµi
thÝ nghiÖm “Tæng hîp dao ®éng cña con l¾c kÐp”
Vâ Thanh C−¬ng (a)
Tãm t¾t. N©ng cao chÊt l−îng ®µo t¹o thÝ nghiÖm vËt lý lµ mét viÖc lµm cÇn
thiÕt. Víi môc ®Ých trªn, trong bµi b¸o nµy chóng t«i ®−a ra mét sè gi¶i ph¸p tù chÕ
t¹o bé kÕt nèi thÝ nghiÖm “Tæng hîp dao ®éng cña con l¾c kÐp” víi m¸y vi tÝnh.
1. LÝ luËn d¹y häc quan niÖm qu¸ tr×nh d¹y häc ph¶i ®¶m b¶o mét sè nguyªn
t¾c nhÊt ®Þnh, tr−íc hÕt lµ nguyªn t¾c trùc quan. TÝnh trùc quan trong d¹y häc
th−êng ®−îc thùc hiÖn qua c¸c ph−¬ng tiÖn d¹y häc. VËt lý lµ m«n häc thùc nghiÖm,
bëi vËy thÝ nghiÖm vËt lý cã vai trß quan träng trong viÖc t¨ng tÝnh trùc quan, n©ng
cao chÊt l−îng d¹y vËt lý. Tù thiÕt kÕ c¸c bé kÕt nèi (interface) gi÷a mét sè thÝ
nghiÖm vËt lý víi m¸y vi tÝnh lµ mét viÖc lµm cÇn thiÕt cho viÖc d¹y thùc hµnh ë c¸c
tr−êng ®¹i häc còng nh− ë c¸c bËc häc phæ th«ng. Trong c¸c thÝ nghiÖm vËt lý, phÐp
®o thêi gian lµ mét trong c¸c phÐp ®o c¬ b¶n vÝ dô nh−: c¸c thÝ nghiÖm (TN) vÒ ®Þnh
luËt 2 Newton, TN vÒ ®Þnh luËt b¶o toµn ®éng l−îng, TN vÒ tæng hîp dao ®éng cña
hai con l¾c kÐp, TN vÒ con l¾c thuËn nghÞch vv... §Ó n©ng cao chÊt l−îng thÝ nghiÖm
®· cã rÊt nhiÒu gi¶i ph¸p vÒ c¸c bé kÕt nèi m¸y vi tÝnh víi c¸c thÝ nghiÖm trªn, vÝ dô
nh−: c¸c bé Cassy hoÆc c¸c bé VideoCom cña h·ng Leybol hoÆc cña h·ng Phywe. C¸c
bé kÕt nèi nhËp ngo¹i nµy gi¸ thµnh cao vµ cã nhiÒu yªu cÇu vÒ kü thuËt nªn ch−a
®−îc phæ biÕn vµ sö dông réng r¶i. Bµi viÕt nµy sÏ giíi thiÖu mét sè gi¶i ph¸p kÕt nèi
gi÷a thÝ nghiÖm vËt lý víi m¸y vi tÝnh, trong ®ã m¸y vi tÝnh ghi nhËn vµ xö lÝ c¸c kÕt
qu¶ c¸c phÐp ®o thêi gian trong c¸c thÝ nghiÖm nãi trªn. §Ó thùc hiÖn c«ng viÖc ®ã ta
cÇn ®iÓm l¹i mét sè nÐt c¬ b¶n cña c¸c bé c¶m biÕn, bé kÕt nèi thiÕt bÞ ngo¹i vi víi
m¸y vi tÝnh vµ kü thuËt truyÒn th«ng RS232 (kü thuËt giao tiÕp m¸y vi tÝnh víi thiÕt
bÞ ngo¹i vi).
2. Do yªu cÇu kü thuËt, trong c¸c thÝ nghiÖm kh¸c nhau sö dông c¸c bé c¶m
biÕn kh¸c nhau vÝ dô nh−: trong thÝ nghiÖm vÒ ®o hÖ sè nhít b»ng ph−¬ng ph¸p
Stock ta sö dông bé c¶m biÕn tõ [2], trong c¸c thÝ nghiÖm vÒ chuyÓn ®éng trªn ®Öm
kh«ng khÝ ta dïng c¸c bé c¶m biÕn quang (Fock Light Barie) [1], víi c¸c phÐp ®o chu
kú con l¾c dao ®éng ta l¹i dïng c¸c bé c¶m biÕn hång ngo¹i vv...Tuy cÊu t¹o vËt lý
kh¸c nhau, nh−ng c¸c bé c¶m biÕn ®Òu cã ®iÓm gièng nhau: khi vËt ®i qua vÞ trÝ ®Æt
c¶m biÕn, ®Çu ra c¸c bé c¶m biÕn xuÊt hiÖn tÝn hiÖu ®iÖn. C¸c tÝn hiÖu nµy ®−îc c¸c
bé khuyÕch ®¹i thÝch hîp t¹o thµnh c¸c xung ®iÒu khiÓn cho c¸c bé kÕt nèi víi m¸y
vi tÝnh.
Bé kÕt nèi gi÷a thÝ nghiÖm vËt lý vµ m¸y tÝnh ta cã thÓ sö dông IC vi xö lÝ
AT89C52. IC AT89C52 ho¹t ®éng nh− mét m¸y tÝnh mini ®éc lËp: cã bé xö lÝ trung
t©m (CPU), cã 255 thanh ghi víi bé nhí 64 KB, bé nhí sè liÖu ®éng RAM 128 KB, 32
cæng giao tiÕp vµo ra (I/O ports), 2 ng¾t (interrupts) ngoµi vµ 3 ng¾t trong, 2 bé ®Õm
thêi gian (time & counter) víi chÕ ®é ®Õm trµn (overflow), 4KB ROM cho c¸c lÖnh
NhËn bµi ngµy 16/10/2008. Söa ch÷a xong 07/01/2008.
11
- … “Tæng hîp dao ®éng cña con l¾c kÐp”, tr. 11-15
Vâ Thanh C−¬ng
ngÇm ®Þnh, bé t¹o dao ®éng OSC cã thÓ ho¹t ®éng víi dao
®éng th¹ch anh (xtal), c¸c ®−êng truyÒn sè liÖu 8 bit
(parallel bus), ®−êng truyÒn sè liÖu nèi tiÕp (serial port) tèc
®é cao vv... phï hîp cho viÖc chÕ t¹o c¸c bé kÕt nèi thÝ
nghiÖm vËt lý víi m¸y vi tÝnh. Xung ®iÒu khiÓn (tõ c¸c bé
c¶m biÕn) ®−îc truyÒn tíi c¸c ng¾t ngoµi (ch©n P3.2 hoÆc
ch©n P3.3) cña IC AT89C52. Víi phÇn mÒm cµi s½n IC
AT89C52 sÏ xö lÝ c¸c th«ng tin, sau ®ã göi kÕt qu¶ vÒ m¸y
tÝnh ®Ó tÝnh to¸n vµ hiÓn thÞ kÕt qu¶. C¸c th«ng tin ®−îc
truyÒn tõ ch©n TxD (Serial output port) cña IC AT89C52
sang ch©n RxD (Receive Data) trªn cæng RS232 cña m¸y vi
tÝnh. C¸c ch©n cæng RS 232 cña m¸y vi tÝnh cã s¬ ®å nh−
h×nh 1, trong ®ã ch©n RxD lµ ch©n thø 2. Møc ®iÖn ¸p logic cña cæng RS 232 lµ hai
møc +15V vµ -15V (vÝ dô víi ®−êng d÷ liÖu sö dông logic ©m, logic 1 cã ®iÖn thÕ gi÷a
-5V vµ -15V, logic 0 cã ®iÖn thÕ gi÷a +5V vµ 15 V). §Ó truyÒn tÝn hiÖu tõ ch©n TxD
cña IC AT8952 (cã ®iÖn ¸p tõ 0V ®Õn 5V) sang cæng RS 232 cña m¸y tÝnh ta ph¶i
truyÒn tÝn hiÖu qua mét IC cã chøc n¨ng khuÕch ®¹i vµ chuyÓn ®æi tÝn hiÖu vÝ dô
nh−: IC H1N232CP hoÆc Max232... [6]
1. TC AT89C52
2. Th¹ch anh 24 MHz
3. IC H1N 232
H.2 M¹ch ®iÖn tö cña bé kÕt nèi
Cã nhiÒu gi¶i ph¸p kh¸c nhau ®Ó chÕ t¹o bé kÕt nèi tÝn hiÖu tõ c¸c bé c¶m
biÕn ®Õn m¸y vi tÝnh. Nh−ng phÇn mÒm truyÒn sè liÖu tõ IC vi xö lÝ vµ nhËn sè liÖu
tõ cæng COM vµo d÷ liÖu m¸y vi tÝnh ®Òu nh− nhau.
§Ó truyÒn sè liÖu tõ IC AT89C52 ta lµm nh− sau: sè liÖu thùc nghiÖm (tÝn
hiÖu b¸o ng¾t hoÆc kho¶ng thêi gian ®o ®−îc gi÷a hai tÝn hiÖu ng¾t) ®−îc ghi nhËn
vµo thanh ghi A (Accumulator register) cña IC vi xö lÝ AT 89C52. §o¹n phÇn mÒm
sau (®−îc viÕt trªn ng«n ng÷ C chuyªn dïng cho lËp tr×nh IC vi xö lÝ IC AT89C52
[3]) sÏ truyÒn sè liÖu ®· l−u trªn thanh ghi A sang cæng RS232 trong suèt thêi gian
gi¸ trÞ TI = 1.
out_pc:
sbuf, A ‘göi gi¸ trÞ trong thanh ghi A ®Õn ch©n TxD
mov
jnb TI, $ ‘chê cho ®Õn khi TI=1
clr TI ‘Xo¸ TI (TI=0)
ret
12
- §¹i häc Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVII, sè 1A-2008
§Ó nhËn sè liÖu vµo m¸y vi tÝnh, ta sö dông phÇn mÒm Visual Basic 6.0. Khi
nhËn tÝn hiÖu tõ AT89C52, m¸y tÝnh tù ®éng gäi hµm Private Sub Form Load () vµ
ch¹y tÊt c¶ c¸c hµm trong Private Sub Form Load () cho tíi khi gÆp lÖnh End Sub:
1. Private Sub Load ()
2. MSComm1.CommPort = 1 ‘(®Æt sè hiÖu cæng COM.)
3. MSComm1.Seting= “9600, n, 8, 1” ‘(®Æt tèc ®é baud vµ sè liÖu truyÒn
nhËn).
4. MSComm1. PortOpen = True ‘m· lÖnh më cæng COM.
5. End Sub
Dßng 2 lµ lÖnh khai b¸o cæng COM. Mét m¸y vi tÝnh cã nhiÒu cæng COM. Sö
dông cæng COM nµo ta khai b¸o cæng COM ®ã. Dßng 3 lµ khai b¸o tèc ®é truyÒn tin.
Baud lµ tèc ®é truyÒn tõng bit trªn 1 gi©y, tèc ®é baud b»ng 9600 ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ
9600 bit d÷ liÖu truyÒn trong 1s. (Th«ng th−êng mét khung truyÒn (Frame) gåm 1 bit
start vµ 1 bit stop vµ 8 bit d÷ liÖu, tæng céng lµ 10 bit ®−îc göi ®i, do ®ã trong mét
gi©y víi tèc ®é baud 9600 cho phÐp truyÒn nhiÒu nhÊt 960 khung d÷ liÖu). Dßng thø
4 lµ m· lÖnh më cæng COM.
Hµm sau sÏ ®−îc ch¹y khi cã bÊt cø d÷ liÖu nµo ®−îc göi ®Õn ch©n RxD cña
cæng COM.
1. Private Sub MSComm1_OnComm()
2. Dim s As String
3. s = MSComm1.Input
4. lblrec.Caption = CStr(Asc(MiD(s, Len(s),1)))
5. End Sub
Dßng 1 vµ dßng 6 lµ m· lÖnh b¾t ®Çu vµ kÕt thóc hµm, dßng 2 ta khai b¸o
chuçi tªn lµ s, dßng 3 ®äc d÷ liÖu tõ ch©n RxD vµo chuçi s, dßng 4 hiÓn thÞ kÕt qu¶
cuèi cïng tõ ch©n RxD cña cæng COM.
Khi t¾t ch−¬ng tr×nh hµm sau sÏ ®−îc gäi:
1. Private Sub Form Unload ( Cancel As Integer)
2. MSComm1.PortOpen=False
3. End Sub
M· lÖnh duy nhÊt trong hµm nµy lµ lÖnh ®ãng cæng COM.
Nh− vËy bÊt cø gi¸ trÞ nµo tõ ch©n TxD cña IC AT89C52 ®Òu ®−îc truyÒn vµ hiÓn thÞ
vµo Form cña Visual Basic.
3. Trªn c¬ së c¸c vÊn ®Ò ®· tr×nh bµy trªn, chóng t«i ®· ®−a ra hai gi¶i ph¸p
nh− sau ®Ó chÕ t¹o bé kÕt nèi thÝ nghiÖm “Tæng hîp hai dao ®éng cña con l¾c kÐp”
víi m¸y vi tÝnh. Trong thÝ nghiÖm nµy cÇn ®Õn hai th× kÕ (stopclock) ®Ó ®o chu kú
dao ®éng cña hai con l¾c.
Gi¶i ph¸p 1: C¸c xung tõ hai bé c¶m biÕn hång ngo¹i ®−îc ®−a vÒ hai ng¾t
ngoµi cña IC vi xö lÝ. IC vi xö lÝ AT89C52 ®· ®−îc lËp tr×nh nh− mét th× kÕ. NÕu sö
dông th¹ch anh 24 MHz, víi bé ®Õm thêi gian 1 (time & counter 1), th× kÕ ®Õm ®−îc
kho¶ng thêi gian nhá nhÊt lµ 1µs. Bé ®Õm thêi gian 2 (time & counter 2) víi sù hç
trî tÝn hiÖu tõ c¸c ng¾t ghi l¹i kho¶ng thêi gian con l¾c hai lÇn ®i liªn tiÕp qua bé
c¶m biÕn, c¸c gi¸ trÞ nµy ghi l¹i d−íi d¹ng m· thËp ph©n (decode). KÕt qu¶ vÒ viÖc
13
- … “Tæng hîp dao ®éng cña con l¾c kÐp”, tr. 11-15
Vâ Thanh C−¬ng
lËp tr×nh IC AT89C 52 ®Ó ho¹t ®éng nh− th× kÕ ®· ®−îc tr×nh bµy trong [4]. C¸c gi¸
trÞ thêi gian thu ®−îc d−íi d¹ng m· thËp ph©n ®−îc chuyÓn qua cæng RS232 cña
m¸y vi tÝnh. PhÇn mÒm Visual Basic ghi l¹i c¸c kÕt qu¶ nµy ®Ó tÝnh to¸n vµ vÏ ®å thÞ
dao ®éng cña hai con l¾c.
Gi¶i ph¸p 2: Còng nh− gi¶i ph¸p 1 xung ®iÒu
khiÓn tõ c¸c bé c¶m biÕn ®−îc ®−a vÒ hai ng¾t cña IC vi xö
lÝ. Khi mét trong hai ng¾t cña IC vi xö lÝ AT AT89C52
nhËn tÝn hiÖu, IC vi xö lÝ chuyÓn ngay mét con sè (d¹ng m·
thËp ph©n) sang ch©n RxD. Víi sù hç trî cña hai bé ®Þnh
thêi gian (biÕn timer cña Windows) ta cã thÓ thiÕt kÕ trong
Visual Basic hai ®ång hå ®Õm chu k× dao ®éng cña hai con
l¾c. M· d¹ng thËp ph©n võa ®−îc chuyÓn tõ IC vi xö lÝ AT
89C52 sang m¸y vi tÝnh ®−îc sö dông nh− m· lÖnh ®iÒu
khiÓn bé ®Õm thêi gian trong Visual Basic. PhÇn mÒm thiÕt
kÕ m¸y vi tÝnh nh− mét th× kÕ ®iÒu khiÓn b»ng chuét
(mouse) ®· ®−îc tr×nh bµy trong [5]. Ngoµi ra còng nh− gi¶i ph¸p 1, phÇn mÒm
Visual Basic ®−îc sö dông ®Ó xö lÝ sè liÖu, tÝnh to¸n kÕt qu¶ vµ vÏ ®å thÞ.
4. Hai con l¾c ®−îc liªn kÕt víi nhau b»ng mét lß xo ®−îc gäi lµ con l¾c kÐp.
Trong thÝ nghiÖm “Tæng hîp dao ®éng cña con l¾c kÐp” ta cÇn ®o chu kú cña c¸c con
l¾c trong c¸c tr−êng hîp chóng dao ®éng cïng pha, ng−îc pha vµ ph¸ch [1]. Trong bé
thÝ nghiÖm cña h·ng Leybold Didatic phÐp ®o thêi gian ®−îc sö dông b»ng th× kÕ
hiÖn sè cã bé nhí. §Ó thùc hiÖn bµi nµy Ýt nhÊt ph¶i cã hai sinh viªn cïng thùc hiÖn.
§Ó n©ng cao chÊt l−îng ®µo t¹o, trong thÝ nghiÖm nµy chóng t«i ®· sö dông m¸y vi
tÝnh nh− th× kÕ cã bé nhí trong víi dung l−îng lín, c¸c kÕt qu¶ ®· ®−îc tr×nh bµy
trong [5]. Ph−¬ng ph¸p ®· tiÕt kiÖm ®−îc thiÕt bÞ ®o thêi gian. Gi¸o viªn ë tr−êng
THPT kh«ng cã th× kÕ hiÖn sè cã bé nhí, nÕu cã m¸y vi tÝnh vÉn cã thÓ lµm ®−îc thÝ
nghiÖm trªn. Víi bé kÕt nèi tù chÕ b»ng IC AT89C52, thÝ nghiÖm “Tæng hîp dao
®éng cña con l¾c kÐp” ®· ®−îc tù ®éng ho¸ hoµn toµn vµ ®é chÝnh x¸c cao. Ngoµi ra,
víi −u ®iÓm cña Visual Basic, c¸c kÕt qu¶ thÝ nghiÖm cã thÓ xö lÝ b»ng m¸y vi tÝnh
víi c¸c phÇn mÒm tù viÕt.
Chóng t«i ®· h−íng dÉn thùc hiÖn c¸c gi¶i ph¸p trªn cho sinh viªn khoa VËt
lý, gi¶i ph¸p 2 ®−îc sinh viªn tiÕp nhËn nhanh h¬n. Tuy nhiªn, gi¶i ph¸p 1 cã ®é
chÝnh x¸c h¬n v× tÊt c¸c gi¸ trÞ thêi gian ®o ®−îc tõ thùc nghiÖm ®· xö lÝ trong IC vi
xö lÝ, m¸y vi tÝnh chØ ®ãng vai trß tÝnh to¸n, hiÓn thÞ kÕt qu¶, nh−ng gi¶i ph¸p nµy
®ßi hái sinh viªn ph¶i thµnh th¹o ng«n ng÷ lËp tr×nh IC vi xö lÝ AT89C52.
Bé kÕt nèi TN víi m¸y tÝnh b»ng IC AT89C52 ngoµi gi¸ trÞ vÒ kinh tÕ, dÔ chÕ
t¹o vµ sö dông cßn cã thÓ phæ biÕn réng r·i cho gi¸o viªn d¹y thùc hµnh m«n vËt lý
vµ sinh viªn. C¸c phÇn mÒm cho IC AT89C52 vµ phÇn mÒm Visual nãi trªn sau khi
hoµn thµnh ®−îc l−u l¹i d−íi d¹ng c¸c bé cµi ®Æt (software), thuËn tiÖn cho ng−êi sö
dông. Bé kÕt nèi víi m¸y tÝnh b»ng IC AT89C52 cã thÓ sö dông trong nhiÒu thÝ
nghiÖm vËt lý kh¸c nhau.
14
- §¹i häc Vinh T¹p chÝ khoa häc, tËp XXXVII, sè 1A-2008
T i liÖu tham kh¶o
[1] Becker, University Physics experiments for scientists and engineers, Leybold
Didatic Germany, 1992, pp. 47.
[2] §ç TrÇn C¸t, Ph¹m Kh¾c Hïng..., Th− viÖn phÇn mÒm øng dông trong vËt lý, Hµ
Néi, 1998, tr. 14.
[3] Intel Corporation, MCS51 Microcontroller Family user’s manual, USA, 1997, pp.
17- 231.
[4] Vâ Thanh C−¬ng, Sö dông IC vi xö lÝ MCS51 ®Ó chÕ t¹o c¸c bé ®iÒu khiÓn tõ xa
cho c¸c dông cô ®o trong vËt lý, T¹p chÝ Khoa häc, Tr−êng §¹i häc Vinh, TËp 34,
sè 3A, 2005, tr. 11 - 16.
[5] Vâ Thanh C−¬ng vµ NguyÔn ViÕt Lan, Sö dông phÇn mÒm Visual Basic 6.0 hç
trî thÝ nghiÖm nghiªn cøu dao ®éng cña con l¾c kÐp, T¹p chÝ gi¸o dôc, sè
10/2006, tr. 78 – 79.
[6] Web site: http://Rocbydigkey.com/maxim, 5 V RS 232 transceiver with 0, 1 µF
external capacitor, pp. 1-18.
Summary
Some solutions improving the Quality of the experiment
“Coupling oscillation of the double pendulums”
To improve the training quality of the Physics experiments in necessary. This
paper with the mentioned purpose gave solutions to make interface of the
experiment "Coupling oscillation of the double pendulums" and the computer.
(a) Khoa vËt lý, Tr−êng ®¹i häc Vinh.
15
nguon tai.lieu . vn
