Lực tổng hợp (Net Force)

Làm thế nào để một chiếc máy bay không người lái cất cánh? Nó sẽ bị tác động bởi các lực gì? Lực tổng hợp đóng vai trò gì khi máy bay bay lên? Với giáo án STEM môn Toán – Vật lý – Kỹ thuật dưới đây, các giờ học sẽ không còn khô khan nữa mà nó sẽ trở nên thú vị hơn, hấp dẫn hơn. Ngoài ra, qua bài học này, người học sẽ có cái nhìn trực quan và hiểu hơn về khái niệm lực tổng hợp.

Chuyên đề STEM liên quan: Toán học, Vật lý, Kỹ thuật

Bậc học: THPT (Lớp 9-12)

Mục tiêu chính

Trong bài học này, người học được học về lực, lực tổng hợp và gia tốc thông qua hoạt động STEM THPT sử dụng máy bay không người lái – Drone. Người học có thể hình dung các lực liên quan khi một máy bay không người lái bay lên (được nâng lên) theo chiều thẳng đứng, bằng cách xác định lực nâng tác động lên các cánh quạt của máy bay.

Bên cạnh đó, người học sẽ được tham gia thực hành lập kế hoạch, thực hiện các cuộc điều tra, tổng hợp và phân tích dữ liệu cũng như áp dụng tư duy toán học và kỹ năng tính toán vào hoạt động này.

Kiến thức tích hợp

Công thức tính lực tổng hợp

• Theo định luật II Newton phát biểu rằng lực tổng hợp (F net) tác dụng lên một vật sẽ bằng khối lượng (m) của vật đó nhân với gia tốc (a) .

Phương trình 1: F net = ma. 

• Trong trường hợp một máy bay không người lái bay theo phương thẳng đứng, lực tổng hợp (F net) cũng bằng tổng của hai lực tác động ngược chiều là trọng lượng của máy bay không người lái (F w) và lực nâng được cung cấp bởi các cánh quạt máy bay không người lái (F L) .

Phương trình 2: F net = F w + F L . 

Công thức tính trọng lượng

• Người học có thể xác định trọng lượng của máy bay không người lái (F w) bằng cách sử dụng một cái cân để đo khối lượng của máy bay (m) nhân cho gia tốc trọng trường (g). Trong đó, gia tốc trọng trường trên mặt đất có giá trị là g = 9,83 m/s2.

Phương trình 3: F w = mg

Công thức tính gia tốc

• Lực nâng của các cánh quạt máy bay không người lái (F L) có thể được tính bằng cách áp dụng Phương trình 2. Người học có thể tính toán gia tốc của máy bay không người lái bằng cách sử dụng bất kỳ phương trình gia tốc tiêu chuẩn nào. Một cách hay và đơn giản là người học nên ghi lại dữ liệu thời gian và độ cao từ lúc bắt đầu đến khi hạ cánh và định thời gian cho máy bay không người lái đạt đến độ cao đã cho trước.

Phương trình 4: d = v i t + 1 / 2at2

• Một tùy chọn khác là sử dụng dữ liệu từ giao diện điều khiển máy bay không người lái để ghi lại vận tốc ban đầu trong khi xác định thời gian bay lên của máy bay không người lái.

Phương trình 5: vf2 = vi2 + 2ad

• Sau khi tính được gia tốc của máy bay không người lái người học có thể xác định lực tổng hợp tác dụng lên máy bay không người lái bằng cách sử dụng phương trình 1. 

Thực hành thí nghiệm 

Vật dụng cần thiết

• Một máy bay không người lái cho mỗi nhóm. Nên sử dụng những máy bay không người lái có giá rẻ có thể hoạt động mà không cần bộ điều tốc.
• 1 cân/ nhóm
• 3 bộ hẹn giờ/ nhóm
• Vòng đệm hoặc đồng xu (để giúp thêm vào nhằm tăng khối lượng cho máy bay không người lái)
• Có vạch xác định độ cao cho trước mà máy bay cần đạt được.

Thực hành

Bước 1: Người dạy giảng giải cho người học về khái niệm cũng như kiến thức cơ bản về các loại lực: lực, lực tổng hợp và gia tốc.

Bước 2: Hướng dẫn cho người học hiểu, những lực xuất hiện (liên quan) khi một máy bay không người lái nâng theo phương thẳng đứng. Các lực cụ thể là: trọng lượng, lực nâng và lực tổng hợp.

Bước 3: Người dạy cần mô tả và giải thích chi tiết về nhiệm vụ của người học trong hoạt động này. Cụ thể: Xác định được lực tổng hợp và lực nâng tác động vào các cánh quạt của máy bay không người lái. Để làm được điều này, người học phải tìm gia tốc, lực tổng hợp và trọng lượng của máy bay không người lái. 

Bước 4: Để bắt đầu, người học phải thu thập dữ liệu về khối lượng của máy bay không người lái (Trong đó gồm trọng lượng của máy bay và tổng trọng lượng khi cho thêm đồng xu/vòng đệm). Thứ 2, dùng bộ hẹn giờ để đo thời gian cần thiết để máy bay không người lái đạt đến độ cao đã cho trước.

Bước 5: Kết thúc bài học, hãy cho người học viết tóm tắt công việc của mình (quy trình, kết quả, kết luận), bao gồm biểu đồ về hệ thống các lực có trong hoạt động cũng như biểu đồ kết quả.

Một số Lưu ý 

Người dạy có thể cung cấp cho người học bài thu hoạch (mẫu đính kèm ở cuối bài). Bên cạnh đó, người dạy nên ưu tiên để người học tự đưa ra phương pháp và quy trình thu thập dữ liệu như thế nào, trước khi tính lực nâng tác động vào cánh quạt của máy bay không người lái.

Hướng dẫn người học sử dụng các công thức trong định luật II Newton để đi tìm các giá trị cần thiết.

Câu hỏi

1. Tìm trọng lượng của máy bay không người lái đối với từng trường hợp cài đặt máy bay khác nhau?
2. Đưa ra công thức và kết quả tính độ cao, gia tốc trung bình của máy bay không người lái cho từng trường hợp cài đặt máy bay khác nhau?
3. Sử dụng định luật II Newton, xác định lực tổng hợp (F net) tác động lên máy bay cho từng trường hợp cài đặt máy bay khác nhau?
4. Làm thế nào để so sánh hệ thống các lực đã tác động lên máy bay không người lái đối với từng trường hợp cài đặt máy bay khác nhau? Điều đó cho bạn biết gì về hiệu suất của máy bay không người lái?
5. Cho người học nhận xét nhiệm vụ và các công thức đã sử dụng. Yêu cầu họ xem xét dữ liệu nào họ sẽ cần ghi lại.

Các thách thức

• Để thí nghiệm thành công, yêu cầu người học phải có kiến thức và phân biệt được các lực có trong thí nghiệm, chú trọng vào lực, lực tổng hợp và gia tốc.
• Người học cũng phải hiểu và nắm vững các công thức để đi tìm các giá trị cần thiết. Có như vậy họ mới lập được kế hoạch và quy trình thực hiện đúng, phú hợp.
• Người học cần sử dụng thành thạo các vật dụng có trong hoạt động và biết cách đọc chỉ số.
• Máy bay không người lái rất nhạy cảm với sự phân bố trọng lượng, vì vậy khi bố trí và gắn các vật nặng (đồng xu, vòng đệm) một cách cẩn thận.
• Việc thêm trọng lượng vào máy bay không người lái không chỉ làm thay đổi giá trị của định trọng lượng của máy bay, mà còn cả giá trị của khối lượng máy bay. 
• Máy bay không người lái rất dễ hư hỏng và xảy ra sự cố.

Tiêu chí đánh giá

• Người học có thể lập kế hoạch và thực hiện thí nghiệm hoàn chỉnh.
• Người học có thể phân tích và giải thích vì sao có dữ liệu mà mình đã thu được.
• Người học áp dụng toán học và tư duy tính toán chính xác, linh hoạt.
• Tính được kết quả đúng cho các giá trị: trọng lượng, gia tốc, độ cao, thời gian, lực tổng hợp và lực nâng.

Quan sát kết quả thực hành

Hoạt động nên diễn ra dưới sự quan sát và hỗ trợ mọi lúc mọi nơi của người dạy. Sau hoạt động người học nên tóm tắt kết quả thực hành và trả lời 3 câu hỏi: bạn đã làm gì (bằng tay), bạn đã thấy gì (bằng mắt), và bạn đã học được gì (bằng trí óc)? Qua đó, người học có thể củng cố kiến thức và khái niệm liên quan đến lực, lực tổng hợp và gia tốc một cách trực quan, hiệu quả.

Hoạt động STEM THPT trên là bài học giúp người học có cái nhìn trực quan và dễ hiểu hơn về các loại lực, bao gồm: lực nâng, lực tổng hợp và gia tốc. Hy vọng, với bài viết này người dạy và người học sẽ có những giờ học thú vị, hiệu quả và mang tính ứng dụng cao.