CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ “THỜI TIẾT” TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ LỚP 10 THEO HƯỚNG BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC VẬT LÝ CHO HỌC SINH
2.2. Thiết kế chủ đề STEM “Thời tiết”
2.2.4. Thiết bị và học liệu
2.2.4.1. Chuẩn bị của giáo viên
a. Thiết bị
Bảng 2. 6. Thiết bị và dụng cụ cho mô hình ‘‘Ẩm kế khô ướt’’
STT
Tên nguyên vật liệu, dụng
cụ
Ảnh chụp thật dụng cụ
Số lượng dự kiến
Dự kiến giá thành
1 Hộp nhựa nhỏ 2 cái 8.000đ
2 Cồn 90 độ 1 chai 25.000đ
40
3 Màu thực phẩm
1 chai (Đỏ hoặc đen)
5.000đ
4 Lọ thuỷ tinh 30 ml có nắp
2 cái 10.000đ
5 Ống truyền dịch 1 cái 10.000đ
6 Kim tiêm 1 cây 1.000đ
41
7 Ván gỗ (40 x 20cm)
1 cái 10.000đ
8 Ống nhựa đường kính 21mm
1 cái 10.000đ
b. Sơ đồ thiết kế và giải thích b.1 Sơ đồ thiết kế
Hình 2. 1. Sơ đồ thiết kế mô hình ẩm kế khô – ướt b.2. Giải thích bản thiết kế
Bảng 2. 7. Giải thích chức năng từng bộ phận bản thiết kế mô hình ẩm kế khô – ướt
STT Bộ phận Chức năng
1 Nhiệt kế khô Đo trực tiếp nhiệt độ 𝑡𝑘 của không khí
42
2 Nhiệt kế ướt Đo nhiệt độ hơi nước 𝑡𝑎 ở trạng thái bão hoà
3 Hộp nhựa Bảo vệ các bầu nhiệt kế
4 Các nút ống nhưa Dùng để nâng tấm gỗ sao cho dây chuyền dịch nằm ngang với các bầu nhiệt kế
43
c. Nguyên lý hoạt động
- Dựa trên hiện tượng sự giãn nỡ vì nhiệt của chất lỏng, chất lỏng ở đây là cồn 90 độ - Dựa vào kiến thức bài độ ẩm không khí :
+ Bầu khô (Dry bulb): là một nhiệt kế khô để đo nhiệt độ không khí
+ Bầu ướt (Wet bulb): là một nhiệt kế có bầu được quấn quanh bởi 1 lớp vải mỏng, ướt do đầu dưới của miếng vải nhúng trong một cốc nước nhỏ
+ Nhờ hiện tượng mao dẫn, nước sẽ dâng lên từ đầu vải nhúng vào cốc làm ướt mảnh vải
+ Vì độ ẩm không khí thường không đạt được trạng thái bão hoà, do đó nước ở mảnh vải sẽ thu nhiệt và bay hơi làm cho nhiệt độ bầu ướt thấp hơn bầu khô.
+ Nhiệt độ bầu ướt chỉ 𝑡𝑎 là nhiệt độ bay hơi của nước ở trạng thái bão hoà, nhiệt kế khô chỉ nhiệt độ không khí 𝑡𝑘
+ Nếu không khí càng khô thì độ ẩm tỉ đối càng nhỏ, nước sẽ bay hơi càng nhanh và bầu nhiệt kế ướt lạnh càng nhiều (𝑡𝑎 𝑐à𝑛𝑔 𝑛ℎỏ 𝑠𝑜 𝑣ớ𝑖 𝑡𝑘). Vậy hiệu nhiệt độ 𝑡𝑘 − 𝑡𝑎 phụ thuộc vào độ ẩm tỉ đối f của không khí
+ Khi biết được hiệu nhiệt độ 𝑡𝑘 − 𝑡𝑎 ta sẽ dùng bảng tra cứu để xác định độ ẩm tỉ đối f của không khí ứng với nhiệt độ 𝑡𝑘 trên nhiệt kế khô
Độ ẩm tương đối (%)
Ví dụ: Nhiệt độ bầu khô là 22, độ chênh lệch nhiệt độ giữa bầu khô và bầu ướt là 2 =>
Độ ẩm không khí là 83%
Bảng 2. 8. Bảng tra cứu độ ẩm không khí
44
Nhiệt độ của nhiệt kế
khô (℃)
Nhiệt độ chênh lệch giữa nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt (℃) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20
2 84 68 52 37 22 8 4 85 71 57 43 29 16 3 6 86 73 60 48 35 24 11 8 87 75 63 51 40 29 19 8 10 88 77 66 55 44 34 24 15 6 12 89 78 68 58 48 39 29 21 12 14 90 79 70 60 51 42 34 26 18 10 16 90 81 71 63 54 46 38 30 23 15 18 91 82 73 65 57 49 41 34 27 20 7 20 91 83 74 66 59 51 44 37 31 24 12 22 92 83 76 68 61 54 47 40 34 28 17 6 24 92 84 77 69 62 56 49 43 37 31 20 10 26 92 85 78 71 64 58 51 46 40 34 24 14 5 28 93 85 78 72 65 59 53 48 42 37 27 18 9 30 93 86 79 73 67 61 55 50 44 39 30 21 13 5 32 93 86 80 74 68 62 57 51 46 41 32 24 16 9 34 93 87 81 75 69 63 58 53 48 43 35 26 19 12 5
45
d.Các bước chế tạo
- Đổ cồn đã pha màu vào lọ thuỷ tinh, đóng kin nắp, nắp gắn với một đoạn dây truyền dịch.
- Cố định lọ thuỷ tinh vào hộp nhựa.
- Gắn các nút ống nhựa vào ván gỗ sao cho đặt ống truyền dịch lên thì ống nằm ngang với miệng lọ thuỷ tỉnh.
- Bơm thêm cồn vào ống truyền dịch bằng kim tiêm để có mực chất lỏng ban đầu (Mục đích để khi nhiệt độ giảm thì vẫn còn chất lỏng trong ống).
- Bỏ lọ thuỷ tính vào nước ở nhiệt độ 50°𝐶, vì nhiệt độ trong không khí ở nước ta thường không quá cao, để mực chất lỏng dâng lên ta sẽ đánh dấu vạch 1 ở ống truyền dịch.
- Đợi lọ thuỷ tinh hạ nhiệt độ về 15°𝐶, đánh dấu mực chất lỏng là vạch 2.
- Ta dùng thước chia đều khoảng cách giữa 2 vạch, mỗi vạch nhỏ ứng với 1°𝐶.
- Làm tương tự các bước trên để có thêm một bầu nhiệt kế.
- Quấn vải quanh 1 bầu và cho đầu vải vào cốc nước ta sẽ thu được nhiệt kế ướt.
e. Sản phẩm minh họa
36 94 87 81 75 70 64 59 54 50 45 37 29 21 15 8 38 94 88 82 76 71 66 61 56 51 47 39 31 24 17 11 40 94 88 82 77 72 67 62 57 53 48 40 33 26 20 14 42 94 88 83 77 72 67 63 58 54 50 42 34 28 21 16 44 94 89 83 78 73 68 64 59 55 51 43 36 29 23 18
46
Hình 2. 2. Sản phẩm minh họa mô hình ẩm kế khô – ướt 2.2.4.1.2. Vũ lượng kế (Máy đo lượng mưa)
a. Thiết bị:
Bảng 2. 9. Thiết bị và dụng cụ cho mô hình “Vũ lượng kế”
STT
Tên nguyên vật liệu, dụng cụ
Ảnh chụp thật dụng cụ
Số lượng
dự kiến
Dự kiến giá thành
1 Phễu 1 cái
2
Mạch hiển thị lcd 1602
1 cái
47
3
Cảm biến hồng ngoại
1 cái
4 Test
board 1 cái
5
Mạch arudino
nano
1 cái
6 Vi biến
trở 100k 1 cái
48
7 Dây cắm 1 bó
8 Máy hàn 1 cái
Tổng cộng
b. Sơ đồ thiết kế và giải thích b.1. Sơ đồ thiết kế
Hình 2. 3. Sơ đồ thiết kế mô hình vũ lượng kế
49
b.2. Giải thích bản thiết kế:
Bảng 2. 10. Giải thích chức năng từng bộ phận của bản thiết kế mô hình vũ lượng kế
STT Bộ phận Chức năng
1 Phễu Dẫn nước mưa vào một trong hai gầu lật.
2 Gầu lật Hứng nước mưa từ phễu và tính toán lượng mưa chảy vào hai gầu lật.
3 Bộ mạch cảm biến hồng ngoại
Xử code và hiển thị lượng mưa đo được trên màn hình một cách tự động.
4 Ống thoát nước Nước đổ ra từ gầu lật sẽ chảy xuống mặt đất thông qua lỗ thoát nước ở đáy thiết bị.
c. Nguyên lý hoạt động
- Hoạt động dựa trên cơ chế gầu lật cảm biến hồng ngoại.
- Đo được lượng mưa bằng cách đo lượng nước chảy xuống phía dưới chia cho diện tích bề mặt phễu. Mô hình dựa trên nguyên tắc moment và đo một cách tự động bằng cách sử dụng cảm biến hồng ngoại. Khi mỗi một lần gầu đầy nước thì nó sẽ lật xuống để chắn sáng và nó tạo ra một cái xung để đếm và lượng nước chưa trong mỗi gầu này được tính toán từ trước và lập trình để mỗi lần đếm thì nó nhân lên và báo ra màn hình hiển thị.
d. Các bước chế tạo (tùy chọn)
Bảng 2. 11. Các bước chế tạo mô hình vũ lượng kế Các
bước
Nội dung (làm những việc gì?)
Ảnh thực tế từng bước tương ứng
50
1 Tạo khung và ống thoát nước cho mô hình.
2 Gắn gầu lật vào giữa hai ống thoát nước.
3 Làm giá đỡ để phễu hứng nước.
4 Lập trình code và gắn bộ mạch cảm biến hồng ngoại vào mô hình.
5 Thử nghiệm sản phẩm.
e. Sản phẩm minh họa
51
Hình 2. 4. Sản phẩm minh họa mô hình vũ lượng kế https://youtu.be/LHsUVvHWZG8
2.2.4.1.3. Phong tốc kế (Máy đo tốc độ gió) – Mô hình 1 (Ống Pito) a. Thiết bị:
Bảng 2. 12. Thiết bị và dụng cụ cho mô hình “Phong tốc kế”
STT
Tên nguyên vật liệu, dụng cụ
Ảnh chụp thật dụng cụ
Số lượng dự kiến
Dự kiến giá thành
1 Ống nhựa 1m5
2 Khớp nối chữ T
2 cái
3 Khớp nối 90 độ
1 cái
52
4 Ống lưới dẻo màu xanh
1m
5 Thước đo 2 cái
Tổng cộng b. Sơ đồ thiết kế và giải thích
b.1. Sơ đồ thiết kế
Hình 2. 5. Sơ đồ thiết kế mô hình phong tốc kế b.2. Giải thích bản thiết kế:
Bảng 2. 13. Thiết bị và dụng cụ cho mô hình “Phong tốc kế”
STT Bộ phận Chức năng
1 Khung ống Đế đứng cho mô hình và điểm tựa ống lưới 2 Khớp nối 90 độ Đầu đón gió
3 Ống lưới Đựng chất lỏng, nối tiếp đầu đón gió 4 Thước đo Đo độ chênh lệch mực chất lỏng 2 đầu ống
lưới
53
c. Nguyên lý hoạt động
- Ống Pitô cho phép xác định tốc độ của luồng khí vào trong ống (cũng là tốc độ của vật chuyển động trong không khí khi lặng gió).
- Ban đầu gắn ống Pitô vào vật (ví dụ như xe máy), khi vật chưa chuyển động thì mực nước ở 2 nhánh U là như nhau.
- Khi vật chuyển động, luồng không khí vào ống, mực chất lỏng ở 2 nhánh chữ U có sự chênh lệch: mực chất lỏng ở nhánh gắn nối góc 90° bị tụt xuống, mực chất lỏng ở nhánh còn lại (có gắn thước dài) bị dâng lên. Đo độ chênh lệch mực chất lỏng 2 nhánh là h , cho phép xác định tốc độ dòng không khí vào ống (cũng là tốc độ của vật chuyển động trong điều kiện lặng gió).
- Tốc độ dòng khí được tính theo công thức 𝒗 = √𝟐𝝆𝟏𝒈∆𝒉
𝝆𝒌𝒌
Trong đó: 1 là khối lượng riêng của chất lỏng, kk là khối lượng riêng của không khí; g là gia tốc trọng trường.
Lưu ý: Để kết quả đo chính xác, cần đặt ống Pitô cân bằng trên phương nằm ngang.
d. Các bước chế tạo (tùy chọn)
Bảng 2. 14. Các bước chế tạo mô hình phong tốc kế Các
bước
Nội dung (làm những việc gì?)
Ảnh thực tế từng bước tương ứng
1 - Tạo khung cho mô hình và thước đo độ chênh lệch
- Các ống nhựa PVC, nối chữ T với nhau thành một khung chữ U để làm giá đỡ. Một nhánh chữ U có gắn thước dài, độ chia nhỏ nhất 1mm.
54
2 - Uốn ống nhựa dẻo hình chữ U áp theo khung giá đỡ, dùng dây kẽm để giữ cố định.
- Nối một đầu của ống nhựa dẻo ở nhánh chữ U còn lại của khung với nối góc 90° để định hướng luồng không khí vào 3 Lắp đầu đón gió vào ống lưới,
thử nghiệm mô hình
(chú ý: khi mô hình hoạt động, miệng của nối góc 90° phải vuông góc với vận tốc luồng khí, miệng ống nhựa dẻo ở nhánh còn lại phải song song với vận tốc luồng khí)
e. Sản phẩm minh họa
Hình 2. 6. Sản phẩm minh họa mô hình phong tốc kế https://youtu.be/UESI0AaEEQI
2.2.4.1.4. Phong tốc kế (Máy đo tốc độ gió) – Mô hình 2 a. Thiết bị
Bảng 2. 15. Thiết bị và dụng cụ cho mô hình “Phong tốc kế” – Mô hình 2
55
STT
Tên nguyên
vật liệu, dụng
cụ
Ảnh chụp
thật dụng cụ Số
lượng dự kiến
Dự kiến
giá thành
1 Que
kem 1 bịch 10.000
2
Vỏ trứng
nhựa
3 quả 15.000
3 Trục
sắt 1 cái 5.000
4
Mạch hiển thị
lcd 1602
1 cái 45.000
5 Test
board 1 cái 30.000
56
6
Mạch arudino
nano
1 cái 185.000
7 Modun
i2c 1 cái 25.000
8
Cảm biến encoder
1 cái 18.000
9 Dây
cắm 1 bó 10.000
10 Máy
hàn 1 cái
57
11 Tấm gỗ 1 tấm
12 Ốc vít
zzzzz
5 cái 1.000
13 Ổ bi 2 cái 8.000
b. Sơ đồ thiết kế và giải thích bản thiết kế b.1. Sơ đồ thiết kế
58
Hình 2. 7. Sơ đồ thiết kế mô hình phong tốc kế (Mô hình 2) b.2. Giải thích bản thiết kế:
Bảng 2. 16. Giải thích chức năng từng bộ phận của bản thiết kế mô hình phong tốc kế - Mô hình 2
STT Bộ phận Chức năng
1 Cánh quạt
Thay đổi chiều theo hướng gió để hứng luồng không khí chuyển động.
2 Chân đế
Giữ cho mô hình đứng vững khi gặp gió.
3 Bộ mạch cảm biến hồng ngoại
Xử code và hiển thị tốc độ gió đo được trên màn hình một cách tự động.
59
c. Nguyên lý hoạt động
- Hoạt động dựa trên cơ chế cánh quạt quay cảm biến encoder đếm xung
- Khi cánh quạt quay, đĩa xung quay đi qua cảm biến sẽ chắn tia sáng, dựa vào đó cảm biến đếm số xung trong một giây hay số vòng trên giây → tốc độ gió
d. Các bước chế tạo
Bảng 2. 17. Các bước chế tạo mô hình phong tốc kế - Mô hình 2 Các
bước
Nội dung (làm những việc gì?)
Ảnh thực tế từng bước tương ứng 1 Tạo cánh quạt cho mô hình
2 Làm chân đế để cố định cánh quạt
3 Gắn cánh quạt vào chân đế
4 Lắp và gắn bộ mạch cảm biến hồng ngoại vào mô hình
60
5 Thử nghiệm sản phẩm
e. Sản phẩm minh họa
Hình 2. 8. Sản phẩm minh họa mô hình máy đo tốc độ gió https://youtu.be/wn9w-Za2NIw
2.2.4.1.5. Thiết bị cảnh báo lũ a. Thiết bị
Bảng 2. 18. Thiết bị và dụng cụ cho mô hình “Thiết bị cảnh báo lũ”
STT
Tên nguyên vật liệu, dụng
cụ
Ảnh chụp thật dụng cụ
Số lượng dự kiến
Dự kiến giá thành
61
1 Chuông điện
1 cái 13.000đ
2 Dây dẫn điện ( lõi 1 dây, lõi 4
dây)
2m ( mỗi loại)
40.000đ
3 Đèn led (xanh, đỏ)
3 cái (2 xanh, 1
đỏ)
6.000đ
4 Công tắc 2 chân 1 cái 3.000đ
62
5 Transistor (BC547 NPN)
4 cái 2.000đ
6 Điện trở (220v) 6 cái 5.000
7 Ống nhựa cố định
1,5m 25.000đ
8 Pin (9v), đế pin 1 cục 9.000đ
Tổng cộng 103.000
đ b. Sơ đồ thiết kế và giải thích bản thiết kế
b.1. Sơ đồ thiết kế
63
Hình 2. 9. Sơ đồ thiết kế thiết bị cảnh báo lũ b.2. Giải thích bản thiết kế:
Bảng 2. 19. Giải thích chức năng từng bộ phận của bản thiết kế thiết bị cảnh báo lũ
STT Bộ phận Chức năng
1 Điện trở 220V Kiểm soát sự ổn định của nguồn điện , giúp giữ cường độ dòng điện để các linh kiện có thể hoạt động bình thường
2 Đèn led Phát tín hiệu cảnh báo bằng ánh sáng
3 Nguồn điện Cung cấp năng lượng cho thiết bị
64
4 Trasistor BC547 Đóng vai trò như một công tắc cho từng mức cảnh báo
5 Chuông điện Phát tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh
6 Khoá K Công tắc của thiết bị
c. Nguyên lý hoạt động
+ Khi khoá K đóng, trong nguồn điện sẽ có dòng điện chạy nhưng transistor sẽ đống vai trò nhưu một công tắc của mỗi mức cảnh báo khi không có dòng điện chạy qua đầu hở của nó ( đầu A B C D).
+ Khi mức lũ dâng lên, dòng điện sẽ thông qua dòng nước để nối cực dương của nguồn điện với các đầu hở từ đó transistor sẽ dẫn điện làm cho đèn sáng (ở mức 1,2,3) và chuông kêu ( ở mức báo động)
d. Các bước chế tạo
Bảng 2. 20. Các bước chế tạo thiết bị cảnh báo lũ Các bước
Nội dung (làm những việc gì?)
Ảnh thực tế từng bước tương ứng
65
1 Vẽ sơ đồ mạch điện, bản thiết kế
2 Tiến hành lắp mạch điện + Đảm bảo mạch điện được lắp chính xác ( không bị chập mạch) + Cố định các linh kiện, dây nối 3 Điều chỉnh chiều dài của dây dẫn
(ABCD) sao cho phù hợp với từng mức cảnh báo
+ Đảm bảo khoảng cách giữa các dây dẫn là hợp lý để dòng điện có thể truyền qua nước tới các dây 4 Thử nghiệm mô hình với nước,
kiểm tra sự ổn định của thiết bị + Đảm bảo đèn sáng theo từng mức cảnh báo
+ Ở mức báo động, chuông kêu to, rõ, đều đặn
5 Lắp vỏ cho thiết bị, trang trí, hoàn thiện sản phẩm
e. Sản phẩm minh họa
66
Hình 2. 10. Sản phẩm minh họa thiết bị cảnh báo lũ https://youtu.be/jsGIQKtKedQ