Комп'ютерні технології в фізичному експерименті

Робота №5. КОМП'ЮТЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ В НАВЧАЛЬНОМУ ФІЗИЧНОМУ ЕКСПЕРИМЕНТІ

План роботи. Познайомитися з методикою й технікою використання комп’ютерних засобів у навчальному фізичному експерименті; навчитися складати установки та використовувати програмне забезпечення.

Загальна характеристика технологій

Сучасний навчальний експеримент передбачає: формулювання теоретичної гіпотези, яка вимагає практичного підтвердження, розробку методу дослідження, постановку експерименту, спостереження за його ходом, зняття фізичних параметрів, їх систематизацію, аналіз та узагальнення і формулювання висновків щодо проведеної роботи. Зважаючи на універсальність, комп’ютерну техніку можна використати на всіх етапах проведення експерименту. Це відкриває нові, перспективні підходи щодо отримання експериментальних даних.

Застосування ЕОМ в експериментально-дослідницькій діяльності дозволяє:

- забезпечити високу точність результатів та їх достовірність;

- підвищити якість та інформативність дослідження за рахунок ретельнішої обробки даних; і збільшити кількість об’єктів, що контролюються;

- скоротити час проведення дослідів завдяки зменшенню часу на підготовку установок;

- підвищити оперативність одержання результатів за рахунок зменшення часу обробки та систематизації даних.

Комп’ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним фізичним явищем, формує їх практичні навички й надає їм упевненості при використанні сучасних експериментальних методів, ознайомлює з передовими засобами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому розглядати методику постановки шкільного експерименту.

Сучасні персональні комп’ютери (ПК) роблять можливим використання ЕОМ у дослідній роботі з підключенням відповідних допоміжних пристроїв як засобів контролю, реєструючих приладів, пристроїв відображення та ін. У експериментально-дослідній роботі проміжною ланкою між ЕОМ і об’єктом дослідження є датчики та перетворюючі пристрої. На екрані графічного дисплея можна формувати систему шкал різних вимірювальних приладів залежно від використовуваних датчиків (вимірювальних перетворювачів) що реєструють певні параметри досліджуваних об’єктів. Як правило, датчики сприймають інформацію в аналоговому вигляді (температура, тиск, освітленість, вологість, напруга та ін.), яка за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП) перетворюється в цифрову форму й надходить до комп’ютера При роботі з групою датчиків програми забезпечують періодичне опитування стану кожного з них. Після обробки експериментальних даних ЕОМ результати надходять в необхідному для аналізу вигляді на пристрої виводу.

Для використання апаратних засобів ЕОМ, опрацювання сигналів, що надходять, і виведення результатів у зручній для сприйняття формі створюють відповідні програмні засоби обробки та дослідження сигналів. Такі програми можуть бути спеціалізовані — призначені для дослідження конкретною фізичного об’єкта, або універсальні — для забезпечення різних експериментів.

Програмні засоби, призначені для забезпечення сприйняття інформації про зміну параметрів фізичних величин та їх характеристик від датчиків та перетворюючих пристроїв для її наступної обробки в цифровому вигляді, збереження та реєстрації на засобах виводу, відносять до експериментально-дослідницьких.

Для шкільного фізичного експерименту на сьогодні випускається значна кількість різних комп’ютерних вимірювальних засобів, серед яких датчики до них.

УНІВЕРСАЛЬНИЙ КОМП'ЮТЕРНИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ ПРИЛАД ІТМ

Призначення та основні параметри

"Універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад", основний блок якого показаний на мал. 37, є складовою частиною "Мультимедіа лабораторії ІТМ" і може використовуватися як самостійний засіб у навчальному процесі з природничих та технологічних дисциплін для вимірювання фізичних величин, та створення "мультимедійних проектів" - електронних засобів навчання на основі даних вимірювань та відеозаписів. "Вимірювальний прилад" розраховано на роботу з аналоговими та цифровими вимірювальними датчиками, джнрелами цифрових та аналогових відеосигналів.

Мал. 37

Основне призначення - підвищення ефективності процесу навчання з природничих та технологічних дисциплін, автоматизація навчального експерименту.

Технічні характеристики

У комплект "Універсального комп’ютерного вимірювального приладу" входить програмне забезпечення й датчики, що дають можливість виконувати наступні функції:

Базовий комплект

Електронний блок
Датчик температури -10+120°С
Термопара
Динамометр З Н (ваги 300 г)
Датчик для вимірювання напруги ±2.5 В
Датчик для вимірювання напруги ±25 В
Датчик для вимірювання сили струму ±0.1 А
Датчик для вимірювання сили струму ±5 А
Датчик тиску диференціальний 50 кПа
Датчик абсолютного тиску 10...115 кПа(100 кПа)
Вимірник індукції магнітного поля ±100мТл
Датчик вологості
Датчик освітленості
Частотомір, лічильник імпульсів, секундомір, зовнішній пуск Комплект з’єднувальних шнурів і клем
Кабель USB А-В

Загальний опис

"Універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад" забезпечує виконання наступних функцій:

  • вимірювання фізичних величин;
  • запис результатів вимірювання;
  • відображення результатів вимірювань у вигляді цифрових табло, таблиць, графіків на екрані комп’ютери або проекційному екрані;
  • експорт даних у формат Ехсеl;
  • синхронний запис даних вимірювань та відеозображень ходу експерименту;
  • одночасне вимірювання декількох фізичних величин;
  • активізація процесу вимірювань за амплітудою вимірюваного сигналу, або за імпульсом зовнішньої синхронізації;
  • створення мультимедійного проекту експерименту (в складі текстового файлу опису, відеоролика з поясненнями сутності експерименту, групи файлів з даними ходу експерименту) з подальшим відтворенням на будь-якому комп’ютері.

Електронний блок виготовлено в металевому або пластмасовому корпусі розміром 260х150x45 мм. На верхній поверхні корпусу розташовано чотири роз’єми типу DВ-15 призначені для під’єднання зовнішніх пристроїв (аналогових та цифрових датчиків, устаткування). На правій бічній поверхні корпусу знходиться роз’єм типу USB-В для під’єднання до комп’ютера. Обмін даними між комп’ютером та електронним блоком, а також живлення електронного блока і датчиків, які входять до комплекту поставки, здійснюється через з’єднувальний шнур USB А-В, який входить до комплекту поставки.

Датчик температури (мал.38)

Мал. 38

Призначений для вимірювання температури твердих тіл, рідин і газів. У стандартному комплекті поставляється датчик, розрахований на вимірювання температури в межах від -10°С до +120°С. Чутливий елемент датчика вміщений у скляну трубку для захисту від впливу агресивних середовищ. Чутливість датчика 0,2°С. Є датчики, розраховані на діапазон вимірюваних температур від -50°С до +300°С. Для вимірювання вищих і нижчих температур потрібно використовувати термопари. У стандартний комплект входить один датчик температури на основі термопари мідь-константан з робочим діапазоном температур від -200°С до +400°С. Для вимірювання температури термопарним датчиком, місце спаю потрібно помістити в точку вимірювання температури. Температуру газів і твердих тіл можна вимірювати без захисної скляної трубки. Температуру рідин і розплавлених металів слід вимірювати, попередньо помістивши термопару в скляну трубку (входить у комплект постачання). Проте, трубка виготовлена з легкопавкого скла й розрахована на роботу при температурах не вище 450°С. Щоб закріпити скляну трубку термодатчика в затискачі штатива, не пошкодивши її, використовується силіконова трубка як прокладка.

Датчик тиску (мал. 39)

Мал. 39

У стандартний комплект входять: диференціальний датчик тиску ±50 кПа і датчик абсолютного тиску 10...115 кПа, останній використовується як барометр, однак, його можна використовувати й як датчик низького вакууму.

Датчики для вимірювання сили струму (мал. 40)

Мал. 40

Виготовляються і поставляються датчики для вимірювання сили струму на наступні межі вимірювань: ±1 ма; ±100 мА; ±500 мА; ±1 А; ±5 А; ±10 А. Постійна складова сили струму може бути представлена у вигляді показів цифрового дисплея, або визначена за графіком. Змінна складова сили струму визначається за графіком, потім обчислюється (амплітудне значення сили струму і його діюче значення). У стандартний комплект входять датчики дія вимірювання сили струму ±100 мА, ±5 А. При вимірюванні сили струму варто пам’ятати, що один з виводів датчика з’єднаний із загальним проводом (корпусом приладу). Тому при одночасному вимірюванні струму й напруги потрібно стежити за тим, щоб не було короткого замикання через неправильне приєднання вимірювальних приладів до електричного кола.

Датчики для вимірювання напруги

Виготовляються й поставляються датчики для вимірювання напруги на наступні межі вимірів: ±25 мВ; ±250 мВ; ±2,5 В; ±25 В; ±250 В. Постійна складова напруги може бути представлена у вигляді показів цифрового дисплея, або визначена за графіком. Змінна складова напруги визначається за графіком, потім обчислюється (амплітудне значення напруги і його діюче значення). У стандартний комплект входять датчики для вимірювання напруг у межах ±2,5 В і ±25 В. При вимірюванні напруги слід пам’ятати, що один з виводів датчика і з’єднаний із загальним проводом (корпусом приладу). Якщо при цьому полярність одного чи кількох приладів виявиться зворотною, то для правильного відображення результатів у налаштуваннях програми необхідно встановити інверсію даних для обраного приладу.

Рекомендовані розробниками приладу схеми увімкнення датчиків напруги та сили струму показані на мал. 41 а, б, в.

Вимірник індукції магнітного поля (мал. 42)

Мал. 42

Датчик виготовлено на основі датчика Холла. Виготовляються і постачаються датчики індукції магнітного поля доя роботи в наступних діапазонах: ±3 мТл; ±30 мТл; ±100 мТл; ±300 мТл; ±3 Тл. У стандартний комплект включено датчик, що працює в діапазоні значені, індукції поля до ±100 мТл.

Люксометр

Прилад для вимірювання освітленості, має такі діапазони вимірів: 0...100 лк; 0...1000 лк; 0... 10000 лк; 0... 100000 лк. Прилад має спектральну характеристику, близьку до спектральної чутливості людского ока.

Датчик вологості

Призначений для вимірювання відносної вологості в діапазоні від 20% до 100%. Датчик має температурну компенсацію. При вимірюванні вологості в приміщенні потрібно забезпечиш циркуляцію повітря від 0,5 до 2 м/с. При відсутності циркуляції повітря, час вимірювання збільшується й покази приладу встановлюються протягом 10...30 хвилин.

Частотомір, лічильник імпульсів, секундомір, зовнішній пуск

Робота цих приладів здійснюється за допомогою спеціальною шнура. Забезпечуються наступні режими роботи: зміна частоти імпульсів рівнів ТТЛ, а також синусоїдальних сигналів 8...12 В, від 0 до 3,5 МГц; вимірювання кількості імпульсів від 0 до 65535 за один вимір; здійснення зовнішнього пуску та зупинки електронного секундоміра; зовнішній запуск процесу вимірювань після замикання або розмикання контактів.

Динамометр, терези

Пружинний динамометр призначений для вимірювання сил. У базовому комплекті поставляється динамометр, розрахований на росіоту із силами до 3 Н. Виготовляються також динамометри з межами вимірювання сили 0...100 мН (мілідинамометр); 0...1 Н; 0…3 Н; 0...10 Н; 0...50 Н.

Геркон

Магнітний граничний датчик магнітного поля. Призначений для запуску процесу вимірювання під впливом поля постійного магніту.

Мікрофон

Електретний мікрофон призначений для реєстрації звукових сигналів. Може бути використаний для активації вимірів за звуковим сигналом.

Датчик освітленості

Фоторезистивний датчик, який може бути використаний:

  • для активації процесу вимірювання за рівнем освітленості;
  • вимірювання інтервалів часу між подіями;
  • у колориметричних вимірюваннях.

Світлодіодні випромінювачі

Чотири світлодіодних випромінювачі різних кольорів: червоний, жовтий, зелений, голубий призначені для використання в колориметричних вимірюваннях, а також можуть використовуватися разом з датчиком освітленості для реалізації датчика "Світлові ворота" (оптопара).

Комплект з'єднувальних шнурів і клем

У базовий комплект входять з’єднувальні проводи з контактами різного типу ("штекер", "крокодил") для з’єднання елементів електричних схем та кабель USB А-В призначений для з’єднання електронного блоку з комп’ютером.

Принцип роботи

Принцип роботи "Вимірювального приладу" ґрунтується на перетворенні сигналів датчиків вимірювання фізичних величин з аналогової форми в цифрову та їх подальшої обробки. Сигнали від аналогових та цифрових датчиків надходять до входів електронного блоку. З входів сигнали подаються на аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Дані, отримані від АЦП через порт USB передаються до комп’ютера. Алгоритм роботи електронного блоку задається програмно. Користувач має можливість підключити необхідні датчики, налагодити режими вимірювання, задати спосіб відображення результатів вимірювань (налагодити інтерфейс), здійснити відеозапис ходу експерименту синхронно з даними вимірювань, обрати важливі моменти ходу експерименту та багаторазово відтворити їх на екрані комп’ютера, експортувати дані вимірювань для подальшої обробки до електронних таблиць Ехсеl.

Послідовність роботи з приладом

УВАГА! Робочий діапазон АЦП знаходиться в межах 0...5 В. Для вимірювань сигналів з більшою амплітудою користуйтеся зовнішніми подільниками напруги. Подача до входів пристрою сигналів, які перевищують ±12 В можуть вивести з ладу вхідні кола електронного блоку. Забороняється вмикати та вимикати роз’єми датчиків під час роботи програми вимірювання.

Загальні положення. Інформацію щодо роботи "Вимірювального приладу" та програми "Навчальна лабораторія ІТМ" подано у вигляді списку основних понять з поясненнями. Основні поняття виділено жирним шрифтом. Курсивом у лапках відображено назви активних об’єктів (кнопок, написів, позначок на інтерфейсі та ін., а стрілками - послідовність їх натискання для одержання бажаного результату.

Приклад: "Робота з вимірювальним приладом" —> "Проведення” —> "Вид" —> "Налагодження" —> "Пристрій" —> "Частотомір" —> 'v' (подвійний клік лівої клавіші миші) —> "Цифровий дисплей" —> "Так" - відповідає ланцюжку дій, які забезпечують доступ до необхідного приладу (у даному випадку до частотоміра).

Підключення "Вимірювального приладу", установка програмного забезпечення "Навчальна лабораторія ІТМ". Вставте компакт-диск в пристрій запису, запустіть програму-інсталятор ITMLabSetup та виконуйте інструкції. Після закінчення установки програмного забезпечення перевантажте операційну систему та під’єднайте електронний блок до комп'ютера за допомогою шнура USB A-B.

Пуск програми та вибір режимів роботи. Наведіть курсор на іконку "Навчальна лабораторія ІТМ", яка знаходиться на робочому столі Вашого комп’ютера, та натисніть ліву клавішу миші. Пуск програми можна здійснити також натискання відповідної позначки з меню "Програми" ("Пуск" —> Програми" —> "Навчальна лабораторія ІТМ"), або іконки на панелі швидкого запуску. На екрані з’явиться вікно вибору режимів роботи з активними написами:

- "Робота з вимірювальним приладом" ("Робота з вимірювальним приладом" —> "Проведення");

- "Бібліотека експериментів" ("Бібліотека експериментів" —> виберіть експеримент —> "Далі" —> "Проведення"). Оберіть необхідний режим роботи.

Меню програми "Навчальна лабораторія ІТМ". Верхній (перший) рядок меню програми "Навчальна лабораторія ІТМ" (мал. 43) складається з таких кнопок:

Мал. 43

"Файл" - після натискання цієї кнопки з’являється список команд: "Створити" (відкрити новий проект); "Відкрити" (відкрити список записаних проектів); "Закрити" вихід поточного режиму); "Вихід" (вихід з програми).

Натиснувши кнопку "Вид", можна дістати доступ до підменю "Налагодження" і здійснити вибір датчиків, які будуть використовуватися при вимірюванні; налаштувати режими вимірювань; налагодити вікна графіків, цифрових дисплеїв, відео. "Повний екран” та команду "Зафіксувати" (блокування рухливості вікон).

Натискання останньої кнопки верхнього рядка "Довідка" відкриває вікно з інформацією про програму.

У другому рядку розташовано кнопки "Створити" (Новий експеримент), "Відкрити" (Бібліотека експериментів), "Експорт даних в Ехсеl", а також група кнопок налаштовувань вікон "Хід експерименту”, "Відео” та кнопки керування відтворюванням даних з активних датчиків. Останні дозволяють показувати та ховати відповідні вікна. Кнопки "Експорт даних в Ехсеl, "Хід експерименту", "Відео", "Датчик - № входу", з’являються тільки після обрання режиму "Проведення" "Нового експерименту" або будь-якого експерименту з "Бібліотеки експериментів" (кнопки "Створити", "Відкрити"), а кнопки "Відео" та "Датчик - № входу” - за умови підключення та налаштовування відповідного обладнання.

Новий експеримент. Вікно "Новий експеримент" відкриває доступ до створення файлу опису експерименту "Опис” та початку роботи з вимірювальним приладом "Проведення".

Після закінчення сеансу роботи з вимірювальним приладом в режимі запису експерименту можна вибрати "Зберегти" або "Зберегти як" для збереження запису експерименту.

Входи "Вимірювального приладу". На верхній поверхні корпусу розташовано чотири роз’єми типу DB-15 призначені для підключення зовнішніх пристроїв (аналогових та цифрових датчиків, устаткування). До входів 1-4 підключається по одному аналоговому датчику вимірювання фізичних величин. Одночасно до пристрою можна підключати до 4-х датчиків. До всіх чотирьох роз’ємів під’єднано п’ять цифрових входів. У базовій комплектації використовується лише два цифрових входи. На один з них подається сигнал "Зовнішній пуск" режиму "Вимірювання", та зовнішні сигнали управління секундоміром "Вимірювання" та "Зупинити". Інший вхід є входом "Частотоміра" та "Лічильника імпульсів".

Входи 1, 2, 3 та 4 аналого-цифрового перетворювача розраховані на роботу з електричними сигналами в межах від "0" до "+5" вольт. Усі датчики, які постачаються в комплкті, перетворюють вимірювані фізичні величини в аналоговий сигнал, який змінюється в межах робочого діапазону АЦП. Цифровий вхід призначений для роботи з імпульсними сигралами в межах від "0" до "+5" вольт або з сигалами стандарту TTL. Для градуюсання приладів, що відображаються на екрані та встановлення їх на "0" використовується вікно "Градуювання" (мал.44).

Мал. 44

Вибір входів, підключення датчиків, вимірювання. Щоб побачити списки датчиків, які вже підключалися до входів і мають таблиці градуювання, потрібно виконати такі дії: "Робота з вимірювальним приладом" —> "Проведення" —> "Вид" —> "Налагодження" —> "Пристрій" —> "+" "входу 1"; —> "+" "входу 2"; —> "+" "входу 3"; —> "+" "входу 4". Після проведення цих процедур, у вікні відображення стану входів відкриється cписок датчиків, для яких задані параметри та "градуювання". Наведення курсора миші на віконце попереду назви необхідного датчика та подвійне натискання на ліву кнопку миші виведуть у вікно налагоджень органи настроювань вибраного датчика. Перед назвою вибраного датчика з’явиться позначка "v". Для підтвердження обраного режиму натисніть кнопку "Так".

Після виконання цих дій на екрані з’являться вікна "Меню", "Графік" та вікно "Хід експерименту”, на останньому розташовано кнопки керування процесами вимірювання, запису та відтворення.

Щоб почати вимірювання потрібно натиснути ліву кнопку вікна "Хід експерименту" - "Вимірювання". Для закінчення вимірювань потрібно натиснути кнопку "Зупинити". Список датчиків можна доповнювати за умови їх попереднього підключення до електронного блоку перед кожним новим сеансом запуску програми. Для доповнення знову потрібно відкрити вікно "Налагодження" (мал. 45), натиснути лівою клавішею миші на вибраному вході, фон під назвою входу стане синім, а потім на клавіатурі клавішу "ins" або натиснути праву кнопку миші на тому ж місці й обирати "Додати".

Мал. 45

У списку датчиків з’явиться "Новий" датчик. Вписати у відповідні комірки вікна "Налагодження" назву датчика, вимірювану ним величину та одиницю вимірювання. Провести "Градуювання" датчика (мал. 46).

Мал. 46

Параметри вимірювань. Вимірювання різних фізичних величин та умови проведення дослідів вимагають переналагодження параметрів вимірювання. Ці параметри поділяються на дві групи. Перша група - параметри, які налагоджуються для кожного датчика окремо і є доступними у вікні настроювань датчиків: "Коефіцієнт демпфірування”, "Інверсія даних”, "Градуювання", "Форма сигналу", "Підсилення вхідного сигналу". Друга група - загальні параметри, які діють незалежно від того, які датчики підключено. Такими є: "Час вимірювання", "Період вимірювання", "Зовнішній пуск", пуск "За рівнем вимірюваного сигналу".

"Коефіцієнт демпфірування" - включає цифровий фільтр верхніх частот. Зменшує дію електричних періодичних та випадкових перешкод. Встановлюється експериментально в межах від 1 до 20 од.;

"Інверсія даних" - змінює знак даних вимірювання на протилежний. Є еквівалентом переключення полярності вхідного сигналу;

"Градуювання" - процедура встановлення відповідності між сигналами датчика та значенням вимірюваного параметру;

"Зміщення" - узгодження меж зміни електричного сигналу датчика з діапазоном вимірювань АЦП (0-5 В);

"Форма сигналу" - гальванічна розв’язка входу. Відділяє постійну складову вимірюваного сигналу шляхом включення розв’язувального конденсатора у вимірювальне коло.

"Підсилення вхідного сигналу" - задає коефіцієнт підсилення вхідного підсилювача. Діє на "Вхід 1" та "Вхід 2". Діапазони вимірюваних АЦП електричних потенціалів для різних коефіцієнтів підсилення становлять: К=1 (0...5 В); К=10 (0... 0.5 В); К=100 (0...0.05 В).

Друга група параметрів:

"Час вимірювання" - встановлює загальний час проведення вимірювань в одиницях часу або знімає часові обмеження;

"Період вимірювання" - встановлює час між послідовними вимірюваннями. Мінімальний період вимірювань - 100 мкс;

"Зовнішній пуск" - активація процесу вимірювання за зовнішнім синхронізуючим імпульсом (замиканням або розмиканням контактів "синхро" з набору датчиків);

"За рівнем вимірюваного сигналу" - активація процесу вимірювання за величиною вимірюваного параметру вибраного із списку датчика.

Відображення результатів вимірювання. Результати вимірювань можуть відображатися на екрані комп’ютера у вигляді чисел - "Цифровий дисплей" та графіків - "Графік".

Приклад: "Робота з вимірювальним приладом" —> "Проведення" —> "Вид" —> "Налагодження" —> "Пристрій" —> "+" "Входу 2" —>"v" "Термометр" —> "." —> "Цифровий дисплей" або "." —> "Графік" —> "Так" —> "Вимірювання". У процесі роботи і приладом параметри "Цифрового дисплею" та "Графіка" можна змінювати, або відключати кнопками меню (кнопки "Вхід" другої строки меню). За бажанням користувач може змінити колір цифр та розміри вікна "Цифрового дисплею", або вікна "Графік". Колір цифр дисплею змінюється наступними процедурами: "Налагодження" —> "Пристрій" —> "+" "входу 2" —> "Термометр" —> "Колір" (Натиснути лівою кнопкою миші і на кольоровому прямокутнику і обрати колір з палітри) —> "Так".

Настроювання "Графіків" здійснюється наступним чином. Після натискання "v" "Графік" активізуються написи поля "Графік" у вікні "Налагодження". Вісь "У” відображує зміни параметрів, вимірюваних поточним датчиком. Вісь "X" за замовчуванням відображує плин часу. Але, якщо до інших вкодів пристрою підключені датчики, то їх покази можна відобразити на осі "X", вибравши відповідний датчик із списку "Вісь X". Подальше налагодження вікна "Графік" здійснюється безпосередньо на цьому вікні. За замовчуванням масштабування поля графіку відбувається автоматично. Подвійне натискання лівої кнопки миші на полі графіку призводить до появи інструментів налагодження. З їх допомогою можна скасувати автоматичне масштабування по осях шляхом видалення позначок "v" і встановленням бажаних меж змін параметрів. Налагодження слід підтвердити натисканням кнопки "Застосувати" (мал. 47).

Мал. 47

Налагодження відео. Для запису ходу експерименту можна використовувати різні типи відеокамер. Для цього комп’ютер повинен бути оснащений портом USB (WEB камера), відеокартою з аналоговим або цифровим входом, портом ІЕЕ-1394. Найкращий результат можна отримати з допомогою цифрових камер.

Робота з відеокамерою

  • підключити відеокамеру до комп’ютера;
  • включити живлення відеокамери та режим відеозйомки;
  • підключити вимірювальний прилад до комп’ютера;
  • запустити програму "Навчальна лабораторія ІТМ";
  • виконати наступні дії: "Робота з вимірювальним приладом" Проведення" —> "Вид" —> "Налагодження" —> "Відео" - > "v" "Включити відео" —> "Джерело" (Вибрати із списку) -> "Так". Якщо список джерел відео пустий, перевірте правильність підключення та наявність драйверів відеокамери. При нормальній роботі комп’ютера та відеокамери на екрані з’явиться вікно "Відео".

Експорт даних у формат Ехсеl. Дані, отримані в результаті вимірювань можна експортувати в формат Ехсеl. Для цього натисніть відповідну кнопку в другому рядку меню програми "Навчальна лабораторія ІТМ".

Вікно керування ходом вимірювання, записом та відтворенням записаних експериментів. У вікні (мал. 48) відображено:

  • покажчик та цифровий індикатор плину процесу, який відбувається;
  • кнопки "Вимірювання", "Відтворювання", "Пауза", "Зупинити", "Вперед", "Назад", "Зміна швидкості", "Запис", "Понулити”, "Повний екран", "Індикатор завантаження процесора";
  • регулятор швидкості відтворення. Цей орган керування (кнопка "Зміна швидкості") активний лише при відтворенні записаного експерименту за умови наявності відеофайла.

Запис експерименту. Для запису експерименту потрібно провести наступні процедури:

  • під’єднати до входів вимірювального приладу необхідні датчики;
  • вибрати режим "Робота з вимірювальним приладом" у вікні вибору режимів;
  • вибрати режим "Проведення" у вікні "Новий експеримент;
  • відкрити вікно налагоджень командами "Вид" —> "Налагодження";
  • установити параметри вимірювань;
  • натиснути кнопку "Так" для підтвердження налагоджень;
  • впорядкувати на екрані комп’ютера вікна, які використовуються в експерименті;
  • натиснути кнопку "Вимірювання" та провести попередній експеримент. Якщо результати експерименту незадовільні, змінити налагодження параметрів вимірювань або умови проведення експерименту;
  • за умови задовільних результатів та їх повторюваності, експеримент можна записати. Для запису експерименту натиснути червону кнопку "Режим запису" —> "Запис" ("Вимірювання"), а після закінчення —> "Зупинити" у вікні керування "Хід експерименту";
  • для перегляду записаного експерименту натиснути кнопку "Відтворення" того ж вікна.

Мал. 48

Бібліотека експериментів. При виборі режиму "Бібліотека експериментів" на екрані з’явиться вікно "Бібліотека експериментів"в якому відображено список записаних експериментів. Обирати експеримент для відтворення і натиснути кнопку "Далі" —> "Проведення".

Обслуговування. При роботі та зберіганні апаратури не слід допускати забруднення контактів електричних роз’ємів та попадання на них вологи. Зберігати електронний блок та вичини необхідно в спеціальній упаковці. Не можна користуватися для очищення контактів абразивним папером, пастами, порошками тощо.

Підготовка до виконання роботи

  1. За технічним паспортом познайомитися з будовою й дією комп’ютерного вимірювального засобу.
  2. Познайомитися з програмним забезпеченням до комп’ютерного засобу та його інсталяцією.
  3. З’ясувати, які датчики входять у комплект приладу та познайомитися з їх технічними характеристиками.
  4. Знайти відповіді на запитання:
    1. У чому переваги застосування комп’ютерного вимірювального засобу в навчальному фізичному експерименті?
    2. За яких умов переваги використання комп’ютерних засобів можуть бути реалізовані в повній мірі?
    3. Які принципи покладені в основу дії комп’ютерних вимірювальних засобів?
  5. Виписати основні характеристики вимірювального засобу та характеристики датчиків.
  6. Скласти конспект пропонованих у даній роботі демонстрацій.

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Дослід 5-01. Ознайомлення з будовою й дією вимірювального засобу

Обладнання. Універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад; технічна документація до прилада.

Зміст роботи

Познайомитися з будовою та складом комплекту комп'ютерного засобу. Користуючись технічною документацією на прилад виконати його підключення до комп’ютера та інсталювали програмне забезпечення до нього.

За технічним паспортом з’ясувати порядок керування за допомогою персонального комп’ютера процесом вимірювання різних величин і виведення результатів.

Дослід 5-02. Залежність індукції магнітного поля електромагніта від сили струму в ньому

Обладнання. Універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад; джерело постійного струму (вихідна напруга до 5 В, сила струму до 2 А); універсальний трансформатор з дросельною котушкою й конусоподібними наконечниками; датчик напруги; датчик сили струму; датчик індукції магнітного поля; з’єднувальні провідники; ключ.

Підготовка і проведення демонстрації

На осердя універсального трансформатора одягають дросельну котушку. До котушки за схемою а) або б) (мал. 41) приєднують датчики амперметра та вольтметра і через ключ приєднують до джерела струму. У зазор між конусними наконечниками поміщають датчик індукції магнітного поля.

Налаштовують прилад згідно процедур його підготовки для вимірювання напруги, сили струму та індукції магнітного поля. Замикають ключ у колі котушки і проводять вимірювання згідно інструкції у технічному паспорті.

Варіант відображення результатів одного з експериментів показано на малюнку (мал. 49), де відображено графіки зміни напруги, сили і струму в колі та вектора магнітної індукції в магнітопроводі.

Мал. 49

Дослід 5-03. Вимірювання сили поверхневого натягу методом відриву кільця

Обладнання. Універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад; мілідинамометр з комплекту датчиків; металеве кільце діаметром біля 10 см з підвісом на трьох нитках; посудина з водою на підйомному столику (можна скористатися обладнанням з набору для визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву петлі).

Підготовка та проведення демонстрації

Складають установку для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву кільця. Металеве кільце підвішують до повідця динамометра на 3-х нитках. Налагоджують універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад за описом у технічному паспорті до приладу.

Кювету з розчином (водою) спочатку піднімають угору до занурення кільця, а потім плавно опускають униз до відриву кільця. Результат одного з експериментів відображено на мал. 50.

Мал. 50

Дослід 5-04. Залежність температури розчину солі від рівня мінералізації

Обладнання. Універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад; датчик температури; хімічна склянка (200...250 мл); електроплитка; сіль; терези.

Зміст і послідовність виконання завдання

Готують універсальний прилад для вимірювання температури. Наливають у хімічну склянку воду й ставляють її на плитку. Занурюють у воду датчик температури в захисній трубці й починають вимірювання. Поки гріється вода, готують 4...5 порцій кухонної солі масою по 50 г. Після закипання води додають у неї порцію солі. Продовжують нагрівання, і після повторного закипання розчину знову додають сіль. Так повторюють кілька разів. Аналізують і пояснюють одержаний графік. Відображення на моніторі одного з результатів проведених експериментів показано на мал. 51.

Мал. 51

Самоконтроль і звітність

1.Дати відповіді на запитання:

  1. У чому полягають особливості використання комп’ютерній засобів у шкільному фізичному експерименті?
  2. Які датчики входять у базовий набір комп’ютерного засобу вимірювання?
  3. Скільки і які датчики можуть одночасно бути приєднані до комп’ютерного засобу вимірювання?
  4. Чи може комп’ютерний засіб бути використаний для керування ходом експерименту?
  5. Як здійснюється обробка результатів експерименту? У якій формі може бути виведений результат проведення експерименту?
  6. Як експортувати результати експерименту в табличний процесор Ехсеl та провести з його допомогою їх обробку?
  7. Які особливості використання датчиків для вимірювання сили струму і напруги?
  8. Як за графіком зміни сили при відриві кільця від поверхні води визначити масу кільця, виштовхувальну силу, силу поверхневого натягу?
  9. Які вимоги техніки безпеки щодо використання приладу?
  10. Як можна використати універсальний комп’ютерний вимірювальний прилад для створення мультимедійних дидактичних засобів?

2. Виконати творче завдання, запропоноване викладачем.

Попередня лекція На початок лекції Наступна лекція

  •     

































© 2003-2019 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting