Chiếc điện thoại trong túi bạn là một phòng thí nghiệm vật lý bỏ túi. Bên trong nó có cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến từ trường, cảm biến ánh sáng, micro, và ở nhiều máy còn có cảm biến áp suất không khí. Với một ứng dụng đọc được số liệu từ các cảm biến này, bạn có thể đo gia tốc của viên bi lăn xuống dốc, cảm nhận thang máy tăng tốc, dò từ trường quanh nam châm, hay so độ ồn giữa các phòng.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Các thế hệ học sinh trước phải chờ tới giờ thực hành ở phòng thí nghiệm mới được chạm vào dụng cụ đo. Bây giờ, nhiều dụng cụ đó nằm sẵn trong máy của bạn. Tập này mình kể từng cảm biến làm gì và gợi ý vài thí nghiệm an toàn, cùng những giới hạn bạn cần biết để không tin quá mức vào con số.
Những cảm biến nằm trong điện thoại
Cảm biến gia tốc là một cấu trúc siêu nhỏ trên con chip, có một khối nhỏ treo trên những thanh mảnh. Khi điện thoại tăng tốc hay nghiêng, khối nhỏ lệch đi một chút, mạch điện đo độ lệch đó. Nhờ nó, màn hình tự xoay khi bạn lật ngang máy.
Con quay hồi chuyển đo tốc độ xoay của máy quanh các trục. Cảm biến từ trường đo từ trường xung quanh, chính là la bàn điện tử mình đã kể ở tập về nam châm. Cảm biến ánh sáng đo độ sáng để tự chỉnh màn hình.
Micro biến dao động không khí thành tín hiệu điện, nên dùng được để đo độ to, tần số âm thanh. Một số máy có cảm biến áp suất, đo được chênh lệch áp suất khi bạn đi cầu thang lên vài tầng.
Có những ứng dụng miễn phí, một số do các trường đại học phát triển cho mục đích giáo dục, hiển thị số liệu từ những cảm biến này thành đồ thị theo thời gian và cho xuất ra để phân tích.
Thí nghiệm một: gia tốc trong thang máy và trên dốc
Đặt điện thoại nằm phẳng trên sàn thang máy, bật đồ thị gia tốc theo phương thẳng đứng, rồi đi từ tầng một lên tầng cao. Bạn sẽ thấy đường đồ thị nhô lên lúc thang bắt đầu đi lên, bằng phẳng khi thang chạy đều, rồi lõm xuống khi thang hãm lại.
Đó chính là cảm giác bạn thấy người nặng hơn khi thang khởi động lên và nhẹ hơn khi nó dừng, như mình đã kể ở tập về phi hành gia. Nay bạn thấy nó bằng con số.
Thí nghiệm thứ hai: kê một tấm ván lên vài cuốn sách tạo dốc nhẹ, đặt điện thoại trong một hộp xe đồ chơi hay trượt trên ván, đo gia tốc dọc dốc. Đổi độ dốc, xem gia tốc thay đổi ra sao. Đó là thí nghiệm mặt phẳng nghiêng của Galileo phiên bản hiện đại.
Luôn kê đệm, khăn hay gối ở cuối dốc và đứng sẵn để đỡ. Đừng để điện thoại lao khỏi bàn.
Thí nghiệm hai: dò từ trường và đo âm thanh
Mở đồ thị từ trường, đưa một nam châm nhỏ lại gần điện thoại từ từ. Bạn sẽ thấy cường độ tăng rất nhanh khi nam châm tới gần, đúng như mình đã nói: từ trường của nam châm giảm mạnh theo khoảng cách. Thử tìm xem cảm biến nằm ở góc nào của máy bằng cách dò nơi số đo nhảy mạnh nhất.
Đừng đưa nam châm mạnh dính sát vào máy quá lâu, có thể làm nhiễu la bàn cho tới khi hiệu chỉnh lại. Không tháo máy hay đưa điện thoại vào gần ổ điện, dây điện lưới để dò.
Với micro, đo độ ồn ở các nơi trong nhà, ngoài đường, cạnh máy giặt đang vắt. Thử phát một nốt nhạc từ đàn hay ứng dụng, xem tần số hiện ra. Hát một nguyên âm dài, xem các bồi âm hiện ra như những đỉnh nhỏ trên đồ thị phổ, đúng như tập về đàn bầu.
Hai người với hai điện thoại đứng cách nhau một quãng đã đo, cùng ghi âm một tiếng vỗ tay, có thể ước lượng được tốc độ âm thanh từ chênh lệch thời gian. Đây là thí nghiệm khó hơn, cần đồng bộ cẩn thận, nhưng rất đáng thử với học sinh lớn.
Đừng tin con số quá mức: giới hạn của cảm biến
Cảm biến trong điện thoại được thiết kế cho mục đích tiêu dùng, như xoay màn hình, đếm bước chân, la bàn bản đồ. Chúng không được hiệu chuẩn như dụng cụ đo trong phòng thí nghiệm chuyên nghiệp.
Mỗi máy có sai số khác nhau. Micro có thể tự giảm âm lượng khi tiếng quá to, nên đo độ ồn chỉ mang tính tham khảo. Cảm biến từ trường bị ảnh hưởng bởi các bộ phận kim loại ngay trong máy và ốp lưng có nam châm.
Cách khôn ngoan là dùng điện thoại để so sánh tương đối: chỗ nào to hơn chỗ nào, dốc nào gia tốc lớn hơn, xu hướng tăng hay giảm. Còn muốn số liệu chính xác tuyệt đối thì cần dụng cụ chuyên dụng.
Một thói quen tốt của người làm khoa học là luôn ghi kèm số liệu cách mình đo và mình nghi ngờ điều gì. Kết quả không chắc chắn được ghi rõ ràng vẫn có giá trị hơn một con số đẹp mà không ai biết từ đâu ra.
Giữ an toàn cho máy và cho người
Mọi thí nghiệm có chuyển động nên đặt điện thoại trong hộp đệm hay bọc khăn, làm ở độ cao thấp, trên nền mềm. Không buộc điện thoại lên dây quay vòng, không thả rơi để đo rơi tự do trừ khi có đệm dày bên dưới và chấp nhận rủi ro.
Không làm thí nghiệm khi đang đi đường, đang lái xe. Trong thang máy, đứng vững, không nhảy để thử số liệu.
Với trẻ em, người lớn nên cùng làm, vừa giữ máy vừa trò chuyện về kết quả. Biến buổi tối thành buổi thí nghiệm gia đình là cách nuôi dưỡng tò mò rất tốt.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: hôm nay bạn cầm trong tay những dụng cụ đo mà các nhà khoa học vài thế kỷ trước chỉ mơ tới. Vậy người đầu tiên chĩa một ống kính lên trời, với dụng cụ thô sơ hơn nhiều, đã nhìn thấy những gì làm đảo lộn hiểu biết của cả thời đại?
Câu hỏi thường gặp
Điện thoại nào cũng có đủ các cảm biến này không?
Hầu hết điện thoại thông minh có cảm biến gia tốc, cảm biến ánh sáng và micro. Con quay hồi chuyển, cảm biến từ trường và cảm biến áp suất thì tuỳ đời máy, xem thông số của máy hoặc mở ứng dụng để biết.
Ứng dụng đo vật lý có tốn phí không?
Có nhiều ứng dụng miễn phí phục vụ giáo dục. Hãy tải từ kho ứng dụng chính thức, đọc kỹ quyền truy cập ứng dụng xin, và tránh những ứng dụng đòi quyền không liên quan.
Đo độ ồn bằng điện thoại có dùng làm bằng chứng được không?
Số đo từ điện thoại chỉ mang tính tham khảo vì thiết bị không được hiệu chuẩn. Khi cần số liệu chính thức về tiếng ồn, nên liên hệ cơ quan có thẩm quyền hoặc đơn vị đo đạc có thiết bị chuẩn.
Cảm biến gia tốc hoạt động thế nào?
Bên trong chip có một khối vật liệu siêu nhỏ treo đàn hồi. Khi máy tăng tốc, khối này lệch đi so với khung, làm thay đổi điện dung giữa các bản cực nhỏ, mạch điện đo thay đổi đó thành gia tốc.
Học sinh có thể dùng thí nghiệm bằng điện thoại cho bài tập không?
Có, nhiều giáo viên khuyến khích. Hãy ghi rõ cách bố trí thí nghiệm, số lần đo, giới hạn của cảm biến, và so sánh kết quả với lý thuyết để bài làm có giá trị.
