Đề tài Đồ chơi vật lý phổ thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ – LỚP 3B BÀI THI MÔN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI Giảng viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Nhóm 19 Phạm Tiến Phát (Nhóm trưởng) Huỳnh Thị Ngọc Bích Đồng Thị Diễm Phương Nguyễn Thị Phương Thảo Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2011 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................... 1 Mở đầu ........................................................................................................... 2 1. Thế nào là một đồ chơi vật lý phổ thông ................................................... 5 1.1. Đồ chơi trong vật lý .......................................................................... 5 1.2. Đồ chơi vật lý phổ thông .................................................................. 5 2. Sơ lược một số đồ chơi vật lý phổ thông ................................................... 6 3. Sản phẩm từ nhóm nghiên cứu ................................................................ 14 Máy tạo lốc xoáy .......................................................................................... 15 3.1. Cách làm ......................................................................................... 15 3.2. Vận hành ......................................................................................... 21 3.3. Nguyên lý hoạt động ...................................................................... 22 3.4. Những khó khăn ............................................................................. 22 3.5. Hướng khắc phục ............................................................................ 23 4. Kết luận và hướng phát triển .................................................................... 24 Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 25 2 Mở đầu Đồ chơi vật lý là công cụ cực kì hữu ích, kinh tế để minh họa các nguyên lý vật lý một cách tinh tế, đơn giản và dễ hiểu. Do đó, tác dụng của đồ chơi vật lý trong giảng dạy Vật lý và cuộc sống là không thể phủ nhận. Cụ thể: - Dùng đồ chơi vật lý để mở đầu 1 bài học – phần học. Đặt học sinh vào 1 tình huống có vấn đề - Dùng đồ chơi vật lý để minh họa một hay nhiều nguyên lý, quy luật, định luật Vật lý - Dùng đồ chơi vật lý để củng cố bài học - Dùng đồ chơi vật lý đơn thuần kích thích lòng ham hiểu biết, trí tò mò của học sinh để khơi dậy lòng yêu khoa học - Dùng đồ chơi vật lý như vật trang trí, giải trí – thư giãn - Làm đồ chơi vật lý để tăng cường khả năng thực hành của Giáo viên – Học sinh: để chỉ rõ cách thức và kinh nghiệm áp dụng các kiến thức vật lý vào thực tế Chúng tôi chưa tìm thấy một tài liệu chính qui cũng như website nào của Việt Nam nói về đồ chơi vật lý một cách chi tiết, cụ thể trong khi ở một số nước, đồ chơi vật lý đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, có hàng loạt trang web chuyên về phổ biến đồ chơi vật lý như: ……………………………………………………………………… Với mong muốn đóng góp phần nào vào tình hình giáo dục nước nhà, chúng tôi thực hiện đề tài này với các mục đích chính sau: - Luyện tập khả năng áp dụng kiến thức vật lý vào thực tế, từ mô hình hóa đến vật thực - Tích lũy và chia sẻ kinh nghiệm trong việc: + Chế tạo đồ chơi vật lý + Cách thức tính toán, xử lý kĩ thuật để đồ chơi hoạt động đúng như thiết kế 3 - Sử dụng đồ chơi vật lý vào các hoạt động giáo dục ở Việt Nam Với mục đích đó, chúng tôi đã, đang và sẽ thực hiện một số mục tiêu ban đầu như sau: - Định nghĩa “đồ chơi vật lý phổ thông” và cũng là tiêu chí để thiết kế các đồ chơi cũng như áp dụng chúng trong suốt đề tài - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của một số đồ chơi phổ biến để chúng ta có cái nhìn tổng quan về đồ chơi vật lý hiện nay - Thiết kế, chế tạo 1 đồ chơi tiêu biểu được chúng tôi chọn lọc làm cơ sở để chia sẻ kinh nghiệm, kĩ thuật tính toán và một số ứng dụng sư phạm Do đặc thù như trên, phương pháp nghiên cứu chúng tôi sử dụng chủ yếu là: - Thu thập tài liệu để tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của các đồ chơi vật lý từ đó đề xuất phương pháp chế tạo thích hợp ở qui mô thủ công - Trao đổi với những người chuyên làm đồ chơi vật lý nói chung và những người đã từng làm một số đồ chơi xác định nói riêng để học hỏi kinh nghiệm. Trên cơ sở đó, chúng tôi phát triển kĩ thuật chế tạo sao cho phù hợp với hoàn cảnh xã hội và nguồn nguyên vật liệu ở Việt Nam Để truyền tải nội dung hợp lý, tiểu luận này được chia thành 4 chương: Phần 1: Thế nào là một đồ chơi vật lý phổ thông Phần 2: Sơ lược một số đồ chơi vật lý phổ thông Phần 3: Sản phẩm thủ công từ nhóm nghiên cứu Phần 4: Kết luận và hướng phát triển Trong chương 1, chúng tôi trình bày những tiêu chuẩn của một đồ chơi vật lý và đồ chơi vật lý thủ công để chúng ta có cái nhìn chuẩn hơn về đồ chơi vật lý, làm cơ sở để đánh giá các sản phẩm. Chương 2 giới thiệu hàng loạt các đồ chơi vật lý và tính muôn hình vạn trạng của chúng về hình dáng, nguyên tắc hoạt động và các quy luật vật lý chi phối chúng để chúng ta có cái nhìn tổng quan về đồ chơi vật lý hiện nay cũng như ứng dụng của chúng trong cuộc sống và giáo dục. Chương 3 là trọng tâm khi giới thiệu 1 sản phẩm từ chúng tôi: Máy tạo lốc xoáy. Chương này cũng trình bày chi tiết nguyên tắc hoạt động, cách chế tạo và giải pháp kĩ thuật mà chúng tôi đã áp dụng. Trong chương cuối cùng, chúng tôi tổng kết những thành 4 công bước đầu cũng như những thất bại và khó khăn gặp phải cùng với đề xuất khắc phục và hướng phát triển sắp tới của nghiên cứu. Thiết nghĩ, chúng ta là những nhà giáo tương lai, hy vọng đề tài của chúng tôi củng cố thêm lòng yêu nghề, sự tận tâm vì học trò và sự tự tin của các bạn khi đứng trên giảng đường Xin chân thành cám ơn: - Thầy Lê Văn Hoàng đã hướng dẫn tận tình, cho nhiều góp ý quý báu - Các thành viên trong lớp SP Vật Lý K34 đã giúp đỡ về mặt kĩ thuật, chia sẻ nhiều kinh nghiệm và khích lệ về mặt tinh thần Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 5 năm 2011 Nhóm tác giả 5 1. Thế nào là một đồ chơi vật lý phổ thông 1.1. Đồ chơi trong vật lý Thực ra, không thể nói chính xác một vật có phải là một đồ chơi vật lý hay không. Một vật có trở thành một đồ chơi vật lý hay không còn tùy vào cách thức và đối tượng nó được giới thiệu đến. Chẳng hạn như chiếc đèn kéo quân, nếu chỉ được trưng bày trong nhà thì nó chỉ là một vật trang trí, nếu các em nhỏ xách nó tung tăng dạo phố trong Tết Trung Thu thì nó là một đồ chơi, nhưng nếu nó được một cô giáo mang lên giới thiệu trên lớp học thì nó trở thành một ví dụ để minh họa hiện tượng đối lưu, định luật 3 Newton hoặc là một thí nghiệm định tính, thậm chí là một thí nghiệm định lượng Nói chung, dựa trên thực tiễn áp dụng, một đồ chơi vật lý phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Là sản phẩm mà hoạt động của nó dựa trên một hoặc một số nguyên lý Vật lý - Có tính hấp dẫn nhất định đối với người quan sát - Khi dùng đồ chơi vật lý để minh họa một nguyên lý nào đó thì nguyên lý đó phải được thể hiện rõ ràng, trọng tâm, nổi bật 1.2. Đồ chơi vật lý phổ thông Trong số các đồ chơi vật lý, phổ biến nhất là nhóm đồ chơi vật lý phổ thông, đây là nhóm đồ chơi được áp dụng rộng rãi nhất, bạn có thể dễ dàng nhìn thấy một đồ chơi vật lý phổ thông trong cửa hàng bán đồ chơi, trong bộ dụng cụ thí nghiệm phổ thông hay trong nhà một ai đó với tư cách là một vật trang trí. Điều đó rất dễ hiểu vì một số đặc thù sau của đồ chơi vật lý phổ thông: - Hoạt động dựa trên một hoặc một số nguyên lý vật lý được trình bày ở bậc phổ thông - Kích cỡ không quá lớn, có thể vận chuyển, đóng gói dễ dàng - Không quá khó chế tạo - Giá thành không quá đắt 6 2. Sơ lược một số đồ chơi vật lý phổ thông [3] Cổ nhất có thể nói tới bông vụ hay con quay [Hình 1]. Bông vụ là một khối hình chóp, phần nhọn hướng xuống đất. Khi bông vụ quay, trục quay của nó giữ phương cố định thẳng đứng theo định luật bảo toàn momen động lượng. Ma sát sẽ làm hãm chuyển động của con quay làm nó quay chậm dần cho đến khi khối tâm của nó mất ổn định, lệch ra khỏi trục quay, khi đó, con quay sẽ tuế sai quanh trục ban đầu cho đến khi đổ xuống. Một số biến thể hiện đại của con quay là con quay hồi chuyển [Hình 2], trục quay của con quay loại này có thể định hướng tự do trong không gian. Khi đó, nếu kích thích con quay định hướng theo một trục thì nó sẽ hướng theo trục đó mãi mãi bất kể ta có quay các ổ trục theo hướng nào đi chăng nữa. Việc giải thích tính ổn định của trục quay có thể dễ dàng đối với học sinh phổ thông nhưng khi đi vào chi tiết mô tả chuyển động tuế sai của con quay thì nên dành cho sinh viên đại học. Nói đến tính hấp dẫn của con quay, phải kể đến Đĩa bay bỏ túi (Levitron) [Hình 3] là một con quay bay lơ lửng giữa không trung. Đó là là một sự thu hút cao độ đối với tất cả mọi người. Nguyên lý hoạt động của nó là sự kết hợp các kiến thức về từ và cơ học. Cấu tạo cơ bản của đồ chơi này là một cái đế nhằm ngụy trang cho một nam châm hình giếng lớn, đưa cực Bắc lên trên. Levitron là một nam châm đất hiếm (loại nam châm rất mạnh) đưa cực Bắc xuống dưới, được ngụy trang trong lớp áo một con quay. Nếu chỉ thế thôi thì con quay có thể bị đẩy Hình 1 Hình 3 Hình 2 7 lên nhưng ngay sau đó, nó sẽ quay mặt Nam xuống dưới và bị hút mạnh về phía đế do tính tự ổn định của momen lưỡng cực từ. Mấu chốt của trò chơi này là con quay được cấp cho một vận tốc góc ban đầu (dùng tay quay) để trục quay của nó luôn ổn định dưới tác dụng của lực từ. Khi đó, con quay luôn hướng cực Bắc xuống dưới và bị nâng lên bởi lực từ. Bằng cách nâng con quay lên một khoảng vài cm so với đế bên dưới, nó sẽ bay lơ lững giữa không trung. Con quay sẽ hoạt động khá lâu (5-7 phút) do ma sát với không khí là khá nhỏ. Một số hãng sản xuất Levitron còn trang bị cho nó một cơ cấu bổ sung năng lượng sau mỗi vòng quay, khi đó, với một nguồn chẳng hạn như cục pin tiểu, con quay có thể hoạt động cả ngày. Dường như những đồ chơi càng đơn giản thì nguyên lý vận hành càng phức tạp. Dưới con mắt của những học sinh – sinh viên nhanh trí, những đồ chơi đó là cả một kho thông tin bổ ích, lôi cuốn đến kì lạ. Một trong số đó phải kể tới Tip-top: cái chày [Hình 4] hay cái trứng gỗ [Hình 5] là những tip-top. Tip-top nói chung có dạng giống cái nấm, khi quay nó quanh một trục bằng đỉnh nấm thì sau một lúc, nó lại lật ngược để quay bằng chân nấm: một cái trứng chín (hoặc trứng gỗ) ban đầu ở trạng thái cân bằng thông thường của nó (nằm ngang), nếu quay đủ nhanh, quả trứng sẽ “đứng dậy” và quay quanh trục đối xứng của nó. Đây cũng là một cách để phân biệt trứng sống - trứng chín thay vì quay các quả trứng và đặt nhẹ ngón tay lên chúng. Hình 4 Hình 5 8 Nhắc đến cơ học cổ điển, không thể không nhắc tới định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng. Các con lắc dù núp dưới hình dáng nào luôn là những tín đồ của định luật bảo toàn năng lượng. Sách giáo khoa luôn chọn những con lắc như một ví dụ điển hình của định luật bảo toàn cơ năng. Con lắc luôn có một vị trí cân bằng mà tại đó, thế năng của nó là cực tiểu, động năng là cực đại, khi rời vị trí cân bằng, thế năng tăng dần, động năng giảm. Cho đến vị trí biên, động năng bằng 0, thế năng là cực đại. Thú vị nhất và hay thấy trưng bày trên bàn làm việc của các vị giám đốc là con lắc Newton [Hình 6]: đó là một hệ 5 con lắc giống nhau hoàn toàn, đặt sát nhau. Khi kéo một con lắc ra và buông tay thì khi va chạm, con lắc ngoài cùng sẽ văng lên trong khi những con lắc ở giữa hầu như đứng yên. Cứ thể, quá trình lặp lại rất lâu chỉ với 1lần kích thích. Con lắc Newton là một minh họa rõ nét cho định luật bảo toàn động lượng và bảo toàn cơ năng trong trường hợp va chạm tuyệt đối đàn hồi. Động lượng và động năng được truyền nguyên vẹn qua các con lắc. Phức tạp hơn là những đồ chơi thuộc nhóm “không trơn tru” bởi vì một biểu hiện của chúng là kết hợp của vài quá trình con. Học sinh phải rất chú ý và suy nghĩ sâu sắc mới ngộ ra được vấn đề. Đầu tiên, phải kể đến trò diễn viên nhào lộn, con gõ kiến, vịt con tập đi [Hình 7]. Các trò này gồm những quá trình sau: ban đầu, hệ để mất cân bằng sao cho trọng lực kéo vật xuống vị trí kế tiếp, tại đó, một cơ chế gây mất cân bằng momen làm vật tiếp tục bị lật xuống vị trí kế tiếp và cứ thế, toàn bộ quá trình được lặp lại. Hình 6 Hình 7 9 Slinky [Hình 8] là một ví dụ phổ biến của định luật bảo toàn cơ năng. Khi mới ra đời, Slinky gây ra một cơn sốt trên toàn thế giới: người người mua slinky, nhà nhà mua slinky. Slinky có thể đi xuống cầu than, có thể nhảy từ tay này sang tay kia,… và là một ví dụ tốt cho Định luật Hooke, sự lan truyền của sóng dọc, sóng dừng,… Các đồ chơi biết bay luôn có một sự hấp dẫn nhất định chẳng hạn như máy bay trực thăng bong bóng, xe phản lực và tên lửa nước [Hình 9]. Chúng hoạt động trực tiếp dựa trên định luật 3 Newton. Không khí phụt ra từ bong bong qua một cái kèn phát ra tiếng kêu vui tai đồng thời đẩy bong bóng xuống. Khi đó, cánh quạt của trực thăng sẽ quay do va đập với không khi và đẩy bong bong bay lên. Tên lửa nước đã trở nên quá phổ biến, rất nhiều website bàn về kĩ thuật làm tên lửa nước, phóng tên lửa nước và các trường học, các hiệp hội thường xuyên tổ chức các cuộc so tài bắn tên lửa nước. Tuy làm việc với tên lửa nước quả thật rất thú vị và phấn khích bởi tốc độ, sự mạnh mẽ, những tia nước và áp lực của nó nhưng cũng tiềm ẩn những nguy hiểm như va chạm khi rơi, nổ thân tên lửa,… nên phải rất cẩn thận và đảm bảo tốt các quy định về an toàn khi chơi tên lửa nước. Xe phản lực sẽ được chúng tôi bàn kĩ ở chương sau. Như trên đã trình bày, chúng ta đã thấy những đồ chơi “khô” hoặc bay được, có nhiều đồ chơi vật lý lại rất “mát” vì chúng chứa đầy nước. Đó là những đồ Hình 8 Hình 9 10 chơi minh họa cho sự nổi, định luật Archimède,…Chúng ta sẽ chú ý đến trò Anh thợ lặn dễ thương [Hình 10]. Anh thợ lặn có một bong bóng bên trong (và bong bóng này nên tiếp xúc với nước) và khá lơ lửng khi thả trong nước. Nếu áp suất trong nước tăng lên thì thể tích bong bóng giảm làm lực đẩy Archimède lên anh thợ lặn giảm, anh ta sẽ lặn xuống, ngược lại, anh ta sẽ nổi lên. Một cách để điều khiển áp suất này là để anh thợ lặn trong chai kín đầy nước và bóp thân chai, khi đó, anh thợ lặn sẽ trồi lên ngụp xuống trông rất dễ thương. Một số đồ chơi lại kết hợp các nguyên lý của sự nổi với sự đối lưu của nhiệt học. Chẳng hạn như vật trang trí nổi tiếng: đèn dung nham [Hình 11]. Đó là một bình thủy tinh trong suốt, đầy nước hoặc rượu, kín hơi, chứa một chất lỏng sệt như sáp dưới đáy bình. Chất sáp này được nung nóng bởi một bóng đèn dây tóc dưới đáy bình làm cho nó trở nên lỏng hơn và giảm khối lượng riêng, khi đó, sáp lỏng nổi lên với màu sắc sặc sỡ. Khi chạm đỉnh bình, chất lỏng nguội dần cho đến khi nó nặng hơn nước và chìm xuống. Cứ thế, từng đợt dung nham cứ phun trào lên xuống, lấp lánh bắt mắt. Chế tạo đèn dung nham đòi hỏi một dây chuyền công nghiệp hơn Hình 10 11 là thủ công vì để làm thứ sáp đó, phải có một kiến thức hóa học không tồi để không gây tai nạn nghiêm trọng. Lại có những đồ chơi thuần nhiệt như là bập- bênh nhiệt [Hình 12]. Cấu tạo gồm một bập-bênh, một vòng kim loại, một lò xo gắn vào một quả cầu và một cây nến. Nến cháy nung nóng lò xo làm nó giãn ra, đẩy quả cầu qua một bên làm hệ mất cân bằng đồng thời đẩy lò xo xa cây nến, khi lò xo nguội, nó co lại làm quả cầu về vị trí cũ, bập-bênh lại nghiêng về trạng thái ban đầu. Cứ thế, từng chu kì cứ lặp đi lặp lại chậm dần cho đến khi nến tắt. Bập-bênh nhiệt chính là một động cơ nhiệt đơn giản mà nguồn nóng là cây nến, nguồn lạnh là không khí và tác nhân nhiệt là lò xo. Một động cơ nhiệt nổi tiếng khác là Bánh xe phát xạ [Hình 13]. Đồ chơi này quả thật chỉ có thể làm được với một số kĩ thuật và công nghệ nhất định chỉ có ở quy mô công nghiệp vì nó đòi hỏi một sự chính xác cao và một môi trường chân không tốt. Nhiều sinh viên nhầm tưởng sự giải thích cho trò chơi này là sự chênh lệch của “áp suất ánh sáng” lên những miếng kim loại có màu khác nhau Hình 11 Hình 12 Hình 13 12 (màu bạc và màu đen). Thực ra, mấu chốt của vấn đề là lớp không khí ở gần bề mặt tấm đen có nhiệt độ cao hơn không khí bên mặt trắng, nên nó gây ra một lực đẩy làm chong chóng quay. Khi tô 2 phía của tấm kim loại bằng những màu ít tương phản hơn thì chong chóng sẽ quay chậm hơn và nó sẽ quay ngược lại nếu ta đặt trong môi trường lạnh hơn chẳng hạn tủ lạnh. Một ví dụ thú vị khác cho sự muôn màu muôn vẻ của những động cơ nhiệt là trò chơi Chú chim uống nước [Hình 14]. Thân chim là một bình chứa một chất dễ bay hơi như CH2Cl2. Ở nhiệt độ phòng, nước ở đầu chim bay hơi làm nhiệt đổ ở đầu giảm đi đôi chút. Hiện tượng tương tự xảy ra ở thân chim đối với chất dễ bay hơi. Sự mất cân bằng nhiệt độ đó gây ra một sự chênh áp đẩy chất lỏng lên. Đồng nghĩa với việc đó là khối tâm của chim cũng nâng lên theo, khi vượt qua điểm cân bằng thì chim cúi xuống uống nước. Hành động này làm bão hòa nước trong phần đầu của chim nên chất lỏng tụt xuống, chim lại ngẩng đầu lên. Như vậy, động cơ nhiệt này đã biến thế năng hóa học thành động năng mà không cần một phản ứng hóa học nào cả. Những đồ chơi về điện và từ luôn có một sức hút kì lạ đối với mọi lứa tuổi, có lẽ sức hút ấy đến từ những thứ không thể thấy được như dòng điện và từ trường. Thậm chí một cái động cơ điện [Hình 15] quay tíu tít cũng làm cho lũ trẻ ồ lên ngạc Hình 14 13 nhiên. Để làm một động cơ điện đơn giản nhất, chỉ cần một nam châm mạnh, một cục pin và mấy sợi dây đồng, chúng ta có thể hô biến thành một trò chơi nho nhỏ nhưng rất lạ lẫm trong mắt trẻ. Con lắc điên [Hình 16] thoạt nhìn tưởng đơn giản nhưng ẩn chưa những kiến thức rất cao cấp, có thể là một ví dụ điển hình để dẫn đắt sinh viên vào bộ môn Lý thuyết nhiễu loạn: điều kiện đầu xác định khá chính xác lại dẫn tới quỹ đạo kì dị không lường trước được mặc dù tuân thủ nghiêm ngặt các định luật Newton. Nhắc đến những đồ chơi về điện từ, không thể không nhắc tới quả cầu Plasma [Hình 17], chúng ta thường thấy nó trong những quán bar, quán coofee hay quán trà sữa,… Tại tâm của quả cầu là một ống dây Tesla với thế hiệu rất cao làm cho các electron bị kích thích lên những mức năng lượng lớn đến nỗi bức ra khỏi ống dây và chạy trong môi trường bị plasma hóa giữa ống dây và bề mặt quả cầu tạo thành những tia điện mềm dẻo rất đẹp. Khi trở về trạng thái cơ bản, chúng phát ra ánh Hình 15 Hình 16 Hình 17 14 sáng khả kiến. Tất nhiên, việc giải thích này chỉ dành cho Sinh viên hơn là cho học sinh phổ thông vì chúng liên quan nhiều đến vật lý lượng tử. Quang học cũng được áp dụng vào đồ chơi sinh ra những hiện tượng không thể tưởng tượng nổi. Đó quả là một sự hấp dẫn tột cùng cho học sinh. Đặc biệt phải kể tới trò chơi kính vạn họa [Hình 18] và Đuổi hình bắt bóng [Hình 19]. Trò chơi kính vạn họa dựa trên việc tạo ảnh của nhiều mảnh gương sinh ra vô vàn các hình thù kì ảo. Trò chơi Đuổi hình bắt bóng là sự kết hợp của một tấm gương với một con heo đặt bên dưới một cái mâm tráng gương bên trong. Hệ quang học này tạo ra 2 ảnh, một ảnh đối xứng của con heo qua gương phẳng bên dưới (ảnh ảo) và một ảnh thật của con heo ngay trên đỉnh của mâm sinh ra cảm giác: có con heo ở đó nhưng lại không thể chạm được nó. Hình 18 Hình 19 15 3. Sản phẩm từ nhóm nghiên cứu Máy tạo lốc xoáy Đây là đồ chơi phức tạp, kết hợp nhiều kiến thức vật lý: điện từ học, thủy tĩnh học,… Khi đặt máy tạo lốc bên ngoài và phía dưới một vật chứa nước, cùng một số thủ thuật nho nhỏ, chúng ta có thể tạo ra một vòi rồng trong vật chứa. Chúng ta có thể trang trí cho vòi rồng với chất tạo màu và đèn LED. Toàn bộ kiến thức chúng tôi thu thập từ và cùng kiến thức bản thân. 3.1. Cách làm Chúng tôi chỉ trình bày các phần chính yếu và đã hoàn chỉnh theo kiểu module của trò chơi. Để làm từng thành phần, người làm có thể tùy biến phụ thuộc vào hoàn cảnh và nguyên vật liệu sẵn có. Đồ chơi này gồm các phần chính sau: - Một đĩa mini CD đã tạo sẵn trục, có gắn 2 nam châm đất hiếm (loại rất mạnh) đối xứng 2 bên để hạn chế rung [Hình 25, 26, 27] Hình 25 16 - Một đế có gắn một motor loại 12VDC [Hình 28] Hình 26 Hình 27 17 - Sau đó, đĩa được gắn lên đế [Hình 29, 30, 31] Hình 28 Hình 29 18 Hình 30 Hình 31 19 - Đặt hệ thống trong một cái hộp [Hình 32, 33] Hình 32 Hình 33 20 - Motor được nuôi bằng một nguồn 12 VDC, ở đây chúng tôi tận dụng ATX của desktop PC [Hình 34] - Một ít đèn LED để làm cho vòi rồng rực rỡ hơn [Hình 35] Hình 34 Hình 35 21 3.2. Vận hành - Chúng tôi đã thử nghiệm với chai nước ngọt cao 32cm, đường kính 8,5cm, mực nước khoảng 2/3 chai - Thả một cái đinh nhỏ xuống đáy chai - Đặt chai lên đế và kích hoạt motor - Xoáy được hình thành [Hình 36] - Sau đó, chúng tôi thử cho một ít dầu ăn vào nước, vòi rồng hình thành nhanh và sâu hơn ngay khi mực nước ngang cổ chai nhưng sau đó, dầu bị đánh tơi thành hạt nhỏ làm đục nước [Hình 37] Hình 36 22 3.3. Nguyên lý hoạt động - Khi motor quay, 2 nam châm quay theo và làm đinh nhỏ dưới đáy chai quay. Đinh quay gây ra một vùng thấp áp dưới đáy chai và hút mặt thoáng chất lỏng lõm xuống. Khi đó, lực quán tính li tâm kết hợp với lực căng mặt ngoài định hình một cái xoáy - Việc tính toán chi tiết rất khó nên chúng tôi không đi sâu vào. Chỉ đề xuất đồ chơi như ví dụ trình diễn hoặc thí nghiệm định tính 3.4. Những khó khăn Khi làm đồ chơi này, chúng tôi gặp phải một số khó khăn nhất định, có khó khăn dễ dàng khắc phục nhưng cũng có những hạn chế khó mà cải thiện được. Đầu tiên phải nhắc tới việc tìm kiếm nam châm đất hiếm. Nam châm này theo chúng tôi nhận định là không dễ kiếm ở Tp. Hồ Chí Minh và giá thành của nó khá cao (50.000đ/viên – loại mà chúng tôi mua). Những nam châm này có từ tính rất mạnh gây khó khăn khi vận hành và dễ xảy ra tai nạn khi thao tác với chúng. Khó khăn kế tiếp là phải làm sao thiết kế một dĩa trục có gắn 2 nam châm nặng nhưng lại đủ đối xứng để khi quay, hệ thống không bị rung mạnh. Sự rung lắc làm cho các nam châm bật ra khỏi dĩa làm vỡ nam châm hoặc gây tai nạn cho người quan sát. Sự rung còn làm cho động cơ mau hỏng, đồ chơi vận hành không được trơn tru. Quạt chênh áp chúng tôi dùng đơn thuần chỉ là một cái đinh nhỏ thô sơ hiệu suất không cao và gây ồn khi vận hành. Hình 37 23 Chúng tôi cố gắng tìm kím một bình chứa có dạng trụ thẳng đứng, cao, đồng đều, trong suốt, đường kính hẹp để quan sát vòi rồng dễ hơn, tiện cho việc trang trí. Trên hết, với dạng bình đó, vòi rồng sẽ kéo dài như sợi dây rất bắt mắt và gần với hình dạng vòi rồng trong tự nhiên. Trong điều kiện kinh tế cho phép, chúng tôi chỉ mua được dạng bình nhựa không cao lắm nên một số ý đồ không thể hiện được. Hệ thống đèn LED hoạt động không như mong muốn nên vòi rồng không đẹp mắt. Trên thực tế, nhà sản xuất đồ chơi này sử dụng bình trụ thủy tinh, loại quạt thấp áp đặt biệt không gây ồn và sự cạnh tranh của họ thể hiện ở chất lỏng nổi mà được thêm vào nước. Với chất lỏng đặc biệt này, vòi rồng ổn định và phản quang nhiều màu tùy theo ánh sáng chiếu vào trong khi nước xung quanh thì hầu như trong suốt. Khi đó, vòi rồng đúng là một vật trang trí – giải trí thật sự. 3.5. Hướng khắc phục Chúng tôi đang khảo sát những cửa hàng bán nam châm đất hiếm với giá rẻ, phong phú và nhiều tùy chọn hơn để đồ chơi này được phổ biến tới mọi người. Việc thiết kế một trục quay hoàn toàn đối xứng là bất khả trong quy mô thủ công nên cách khắc phục duy nhất là thao tác phải khéo léo và cẩn thận. Chúng tôi cũng đang nghiên cứu công nghệ làm chất lỏng đặc biệt của nhà sản xuất để đẩy trò chơi này vào vị trí vật trang trí thật thụ. Với chất lỏng này, vòi rồng sẽ lấp lánh nhiều màu sắc rất bắt mắt. Cùng với việc điều chế loại chất lỏng này là thiết kế một loại quạt chênh áp hợp lí, hiệu suất cao mà không gây ồn khi vận hành. Sau đó, chúng tôi sẽ tối ưu hóa thiết bị để nó nhỏ gọn hơn, có thể thả trọn vào bể cá kiểng, tạo vòi rồng trong nhiều loại bình chứa khác nhau. 24 4. Kết luận và hướng phát triển Chúng tôi đã hoàn thành một cách cơ bản những mục tiêu đưa ra ban đầu: đã định nghĩa được thế nào là một đồ chơi vật lý làm tiêu chí để định hướng nghiên cứu và chế tạo. Chúng tôi cũng đã khảo sát nhiều đồ chơi vật lý phổ thông để có cái nhìn tổng quan về chúng và ứng dụng của chúng trên thế giới trong ngành giải trí và giáo dục. Đặc biệt, chúng tôi còn tự tay thiết kế, chế tạo 1 đồ chơi vật lý, được đối mặt với những khó khăn và rút ra nhiều kinh nghiệm quý báu. Nhận xét chung của chúng tôi là làm một đồ chơi vật lý thủ công không quá khó nếu có nghiên cứu kĩ càng từ trước và tham khảo những sản phẩm sẵn có từ sách báo, internet,…Trong tương lai, chúng tôi sẽ thiết kế nhiều đồ chơi vật lý khác trong điều kiện giáo dục của Việt Nam và tiến tới xây dựng một Source các đồ chơi vật lý để các thầy cô có thể tham khảo và áp dụng trực tiếp vào hoạt động dạy học. 25 Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] J Guemez, C Fiolhais, M Fiolhai 2009 Toys in physics lecture sand demonstrations - a brief review Physics Education