Đóng một con tàu phục vụ cho nghiên cứu khoa học

Đóng một con tàu phục vụ cho nghiên cứu khoa học là giáo án STEM môn Vật lý – Kỹ thuật trong đó các em học sinh thiết kế một con tàu mô hình theo quy trình tương tự quy trình thiết kế các con tàu nghiên cứu Khoa học trong đời thực.

Chuyên đề STEM liên quan: Vật lý, Kỹ thuật

Bậc học: Tiểu học (Lớp 4-5), THCS (Lớp 6-8), THPT (Lớp 9-12)

Tài liệu tải về:

• Thảo luận: Vì sao các con tàu lại có hình dạng khác nhau
• Bản kế hoạch Đóng một con tàu phục vụ cho cho nghiên cứu khoa học

Mục tiêu chính

Trong bài học này, nhóm học sinh sẽ cùng đóng một con tàu sử dụng kiến thức về Lực nổi (Boyancy) để thiết kế thuyền và cân nhắc phương án, chọn lựa đánh đổi để đạt được nhu cầu / yêu cầu được đặt ra (tốc độ/ tính ổn định/ trọng lượng và không gian).

Kiến thức tích hợp

Lực nổi (Boyancy)

Một lực hướng lên tạo bởi chất lưu, đối kháng lại trọng lực hướng xuống.

Theo nguyên lý Lực đẩy Archimedes thì một vật thể bị nhúng trong một chất lưu sẽ bị một lực đẩy lên với độ lớn tương đương trọng lượng của phần chất lưu bị nó choán chỗ.

Dựa theo định luật này, nếu vật thể có khối lượng riêng trung bình lớn hơn khối lượng riêng của chất lưu mà nó choán chỗ thì nó sẽ có xu hướng chìm xuống, ngược lại thì nó sẽ nổi.

Trọng tâm của phần thể tích chất lỏng bị choán chỗ được gọi là tâm bồng bềnh (center of buoyancy) của vật thể đó, tức là gốc vectơ lực nổi.

Khối lượng riêng trung bình

Khối lượng riêng trung bình của một vật thể được tính bằng khối lượng, m, của nó chia cho thể tích, V, của nó, và thường được ký hiệu là ρ (đọc là “rô”; tiếng Anh: rho):

ρ = m/V

Khối lượng riêng của nước

Người ta quy định khối lượng riêng của nước là:

D nước = 1000kg/m3 (Điều kiện 4°C)

Như vậy nói khối lượng riêng của nước là 1000kg/m3 nghĩa là cứ 1m3 nước thì có khối lượng là 1000kg

Khối lượng của 1000kg nước được xác định bằng khôi lượng của một đơn vị thể tích (1m3).

Tức là 1 mét khối nước sẽ nặng 1 tấn = 1.000 Kg

Trong khi đó 1 mét khối nước = 1000 dm³ = 1000 lít (vì 1 lít nước = 1 dm³)

==> Ta tính được 1lit nước = 1 kg

Kỹ năng vận dụng

• Phân tích câu hỏi giáo viên đặt ra để lựa chọn cách thiết kế và đóng tàu;
• Đánh giá: Đưa ra nhận xét về sản phẩm của nhóm mình và nhóm khác, chấm điểm sản phẩm các nhóm.
• Thực hành tạo sản phẩm – con tàu mô hình
• Làm việc nhóm: phân công nhiệm vụ rõ ràng, hỗ trợ nhau.
• Thuyết trình: Trình bày một cách thuyết phục sản phẩm – con tàu mô hình của nhóm mình về ý tưởng, thiết kế và sự ổn định
• Phản biện: Trao đổi, chia sẻ ý kiến cá nhân một cách thuyết phục, lắng nghe và chấp nhận ý kiến của nhau;
• Quản lý thời gian: chủ động trong thời gian quy định và phân công nhiệm vụ hợp lý để hoàn thành con tàu đúng tiến độ;
• Sáng tạo: Thiết kế được sản phẩm – con tàu mô hình với hình dáng đẹp, bắt mắt; sử dụng vật liệu thông minh, tiết kiệm.
• Định hướng nghề nghiêp: Có cái nhìn tổng quát ngành Khoa học Hàng hải, cụ thể là công việc đóng tàu, nghiên cứu khoa học Đại dương.
• Quản lý tài chính: Học sinh lựa chọn vật liệu đảm bảo yêu cầu của sản phẩm.
• Thái độ:
  • Yêu đại dương
  • Yêu thích Giáo dục STEM
  • Yêu ngôi trường đang học
  • Biết bảo vệ môi trường

Câu hỏi

Làm thế nào để được một con tàu nổi trên mặt nước khi chuyên chở các thiết bị nặng? Làm thế nào để làm cho con tàu đó giữ được trạng thái ổn định, nhờ đó các em có thể tiến hành thu thập dữ liệu một cách thuận lợi nhất?

Vấn đề

Ủy ban Quốc tế về Thăm dò Đại dương (ICOE – The International Commission for Ocean Exploration) có một số tàu nghiên cứu thực hiện các nghiên cứu tầm cỡ thế giới và được ứng dụng nhiều. Nhiều tàu nghiên cứu hiện tại của họ đã xuống cấp và cần được thay thế. ICOE ký hợp đồng với một nhà máy đóng tàu để đóng một số tàu mới và hiện đại. Chúng sẽ hoạt động ở các vùng ven biển trên toàn thế giới và trên đại dương rộng lớn.

Các thách thức

ICOE đã liên hệ với xưởng đóng tàu của các em để lên kế hoạch thiết kế tàu trong đó ước tính chi phí đóng tàu cũng như làm một mô hình mẫu con tàu cần thực hiện. Các em cần trình bày kế hoạch với ICOE và cho họ biết lý do tại sao họ nên chọn xưởng đóng tàu của mình.

Tiêu chí đánh giá thiết kế tàu

• Kích thước: Không dài hơn 30cm
• Không gian: Có boong tàu và không gian buồng lái để có chỗ cho thiết bị, phòng thí nghiệm, phi hành đoàn từ 6-8 người cũng như các vật tư, hàng dự trữ khác.
• Tính ổn định: Chịu được trọng lượng của các thiết bị nghiên cứu khác nhau mà không bị chìm hoặc trở nên rung lắc, thiếu ổn định khi thử nghiệm (tối thiểu chở được 100 đồng xu ~150gr)
• Tính thẩm mỹ: Vẻ ngoài bắt mắt, dễ nhìn

Quan sát kết quả thực hành Đóng một con tàu phục vụ cho nghiên cứu khoa học

Khi nhóm của các em đã hoàn thành mô hình con tàu, các emsẽ có cơ hội kiểm tra mô hình của mình và so sánh với các mô hình khác. Sau đó, các em sẽ có cơ hội thiết kế và xây dựng lại mô hình của mình nếu cần thiết. Quan sát là một phần quan trọng để hiểu thứ gì hiệu quả và thứ gì không hiệu quả.

Thông tin Tham khảo: Tàu nghiên cứu hạng Khu vực (RCRV – Regional Class Research Vessel)

Nguồn: Regional Class Research Vessel (RCRV) | College of Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences | Oregon State University

Đại dương ven biển (Coastal Ocean) bao gồm một loạt các hiện tượng đại dương phức tạp nhất trên thế giới, và các con tàu nghiên cứu đóng vai trò quan trọng hơn bao giờ hết trong việc quan sát và hiểu những hiện tượng này. Đại học Bang Oregon, Mỹ đang đi đầu trong việc thiết kế và cung cấp thế hệ tàu nghiên cứu tiếp theo để đẩy mạnh ngành khoa học nghiên cứu đại dương ven biển.

Với công nghệ và khả năng hiện đại hơn các thế hệ tàu nghiên cứu đại dương trước đây, các Tàu Nghiên cứu hạng Khu vực (RCRV) này sẽ là nền tảng công nghệ tiên tiến cho phép các nhà khoa học và nhà giáo dục con đường tiếp cận tốt hơn với lĩnh vực hàng hải.

Sylvan Learning Việt Nam vừa giới thiệu giáo án STEM Đóng một con tàu phục vụ cho nghiên cứu khoa học khá vui và dễ áp dụng. Cùng thực hành nhé!