Использование цифровой лаборатории Архимед для проведения демонстрационных экспериментов и лабораторных работ по физике

Успешное преподавание физики невозможно без
проведения демонстрационных экспериментов и
лабораторных работ. Используемые при этом
технические средства во многом определяют
наглядность и информативность физического
опыта. Новые возможности на этом пути открывает
использование цифровой лаборатории
«Архимед», приобретенной петербургской
школой 550 (адрес сайта школы http://school.ort.spb.ru) в
начале прошлого учебного года. За истекший год
нами было подготовлено и проведено около 20
различных опытов с использованием цифровой
лаборатории «Архимед», подробное их
описание можно найти на сайте автора
http://ifilip.narod.ru.

В состав цифровой лаборатории «Архимед»
входят:

- Датчики различных физических величин -
устройства для измерения параметров опыта,
преобразующие значение измеряемой физической
величины в напряжение (диапазон от 0 до 5 В).

- Интерфейсный блок Trilink – устройство связи
датчиков с компьютером, формирующее файлы
данных. Настройки Trilink позволяют менять частоту
опроса датчиков от 1 замера в час до 20000 замеров в
секунду. В стандартном варианте к устройству Trilink
одновременно можно подключить до 4 датчиков.
Внешний вид устройства Trilink представлен на
рисунке 1. < Рисунок 1>

- программное обеспечение – программа Multilab.
Программа Multilab позволяет настраивать
интерфейсное устройство Trilink, отображать
полученные датчиками данные в виде таблиц и
графиков, проводить математическую обработку
полученных данных (сглаживание,
дифференцирование, аппроксимацию многочленом и
т.д.). При частоте сбора данных, не превышающей 10
замеров в секунду, измерения можно проводить без
применения компьютера, т.к. данные высвечиваются
на жидкокристаллическом экране устройства Trilink.
При более высокой частоте регистрации данные
доступны только после обработки программой Multilab
на компьютере.

Демонстрационные эксперименты с применением
лаборатории «Архимед»

Применение современных технических средств
при проведении демонстрационного эксперимента
способствуют повышению наглядности и
информативности опыта, позволяет акцентировать
детское внимание на деталях эксперимента.
Показания датчиков отображаются на настенном
экране с помощью мультимедийного проектора, т.е.
одновременно с самим экспериментом дети
наблюдают зависимость измеряемых величин от
времени. В качестве примера приведем краткое
описание двух демонстрационных экспериментов.

«Явление самоиндукции«, 11 класс.
Схема установки для опыта приведена на рисунке 2,
фотографии установки в различные моменты
протекания эксперимента – на рисунках 3 и 4. < Рисунок 2> < Рисунок 3> < Рисунок 4> Для
проведения опыта использовались два датчика
тока: первый был включен последовательно с
катушкой (число витков 3600, катушка надета на
замкнутый магнитопровод от универсального
трансформатора), второй — последовательно с
резистором (30 Ом). Параметры датчиков: частота
опроса 25 замеров в секунду в течение 40 сек,
пределы измерения датчиков тока ± 2.5 А.
Подаваемое напряжение составляло около 12 В
(стабилизированный блок питания). После
замыкания ключа индикаторная лампочка,
включенная последовательно с резистором,
загорается сразу (см. рис.3). Лампочка, включенная
последовательно с дроссельной катушкой,
загорается с задержкой более 1/2 секунды (см. рис.4).
Эта задержка во времени хорошо видна и на
графиках тока (см. рис.5). < Рисунок
5> Особенно интересны данные,
зарегистрированные датчиками при размыкании
ключа. Видно, что после размыкания ключа ЭДС
самоиндукции более 1 секунды поддерживает ток в
замкнутой цепи, образованной катушкой и
резистором, причем для резистора направление
тока после выключения питания оказывается
противоположным начальному.



«Исследование затухающих колебаний в
контуре
«, 11 класс, схема установки
приведена на рисунке 6. В установке
использовалась дроссельная катушка, надетая на
замкнутый магнитопровод от универсального
трансформатора. < Рисунок 6>
Напряжение на катушке измерялось датчиком
напряжения с пределами ±25 В, измерения
проводились с частотой 25 замеров в секунду в
течение 40 с. Запись графиков велась в режиме
«добавить», что позволяло накладывать
график текущего эксперимента на графики
предыдущих измерений, соответствующие другим
параметрам колебательного контура.

При правом положении ключа конденсатор
заряжался от блока питания с постоянным
напряжением 20 В. После переброски ключа в левое
положение конденсатор начинал разряжаться через
катушку. Регистрация автоматически запускалась
датчиком напряжения в тот момент, когда
напряжение на катушке принимало заданное
значение (12 В). Из рисунка 7 видно, < Рисунок 7> что в цепи
возникают затухающие колебания. Линия 1 на
графике соответствует числу витков катушки 3600 и
емкости конденсатора 2500 мкФ. Линия 2 — та же
катушка при емкости конденсатора 2000 мкФ. Линия 3 -
катушка 2400 витков, емкость конденсатора 2000 мкФ.

Урок начинался с введения понятия
колебательного контура. Прослеживалась аналогия
колебаний электрического тока в контуре с
механическими колебаниями. Затем проводился
демонстрационный опыт. Из результатов опыта
следовало, что период колебания тока зависит от
емкости и индуктивности элементов контура. Урок
завершался выводом формулы Томсона и
констатацией качественного соответствия
результатов демонстрационного опыта этой
формуле.

Фронтальные лабораторные работы

В качестве примера приведем краткое описание
лабораторной работы » Газовые законы«,
10 класс. Используемое оборудование на группу
(лабораторная работа обычно выполняется в парах):
датчик давления, интерфейсное устройство Trilink,
одноразовый шприц объемом 20 мл. Параметры
регистрации: пределы измерения датчика давления
от 0 до 700 кПа, частота опроса датчика – 10 замеров
в секунду в течение 50 с. Проводится лабораторная
работа в кабинете информатики.
Последовательность измерений: поршень шприца
выставляется на деление 10 мл, шприц
присоединяется к датчику давления, запускается
регистрация на компьютере, на котором запущена
программа Multilab. Далее поршень отводится в
позицию 15 мл и несколько секунд выдерживается,
далее в позицию 20 мл, через несколько секунд
следует возврат в позицию 15 мл, далее 10 мл,
далее 5 мл. На рисунке 8 < Рисунок
8> приведен типичный график зависимости
давления от времени, полученный при проведении
измерений. С полученного графика считываются
значения давления, соответствующие каждому
положению поршня шприца. Полученные данные
ученики переносят в электронные таблицы, и
средствами программы Excel строят графики
зависимости давления от объема. Образцы таких
графиков приведены на рисунке 9. < Рисунок 9> Полученные
результаты (графики, электронные таблицы, анализ
результатов) по электронной почте отсылаются
учителю для проверки.

Заключение

Приведенные примеры показывают, что
использование цифровой лаборатории расширяет
арсенал демонстрационных опытов, делает их более
наглядными и понятными ученикам. Кроме того, с ее
помощью можно проводить фронтальные
лабораторные работы, т.к. оборудование обычно
поставляется комплектами. Описания других
лабораторных работ и демонстрационных опытов с
применением лаборатории “Архимед” можно найти
на страницах сайта автора http://ifilip.narod.ru.




Следующий: