Использование персонального компьютера в учебном эксперименте по механике

Майер Роберт Валерьевич, зав. кафедрой дидактики физики и ИТ, профессор

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики

Применение информационных технологий на уроке физики существенно расширяет возможности учителя, позволяя ему использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с натурным и вычислительным экспериментом. Компьютер – многофункциональное устройство, которое может быть использовано: а) в качестве источника сигналов или измерительного прибора; б) для обработки файлов, полученных на других устройствах (сканерах, фото- и видеокамерах и т.д.); в) для математической обработки результатов измерений и построения графиков, диаграмм и т.д.; г) для компьютерного моделирования и проведения вычислительного эксперимента.

В статье рассматривается методика использования универсального прибора, состоящего из персонального компьютера (ПК), к которому через параллельный порт LPT, обычно используемый для соединения с принтером, подключаются различные датчики (геркон, оптодатчик и датчик координаты). Схемы цепей, обрабатывающих сигнал с фотодиода и с резистивного датчика координаты, представлены на рис. 1 и 2. Ниже представлена система экспериментальных заданий, выполняя которые, учащиеся знакомятся с различными видами датчиков, их подключением и использованием для измерения времени, координаты и скорости. Все программы написаны на языке QBasic.

Общие принципы использования параллельного интерфейса для обмена информацией с внешними устройствами и конкретные примеры программ рассмотрены в [1, 2, 3]. В нашем случае питание оптодатчика и датчика координаты осуществляется от компьютера. В качестве общего провода используется один из 18, 19, 20, … 25 выводов параллельного интерфейса LPT. Проводом питания + 5 В служит 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или 9 вывод. В начале программы, обрабатывающей сигналы с датчика, с помощью команды OUT &H378, 255 в ячейку памяти 378h записывают число 255, что соответствует двоичному числу 11111111. При этом на выводах 2–9 порта LPT появляется напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1, которое и используется для питания датчика. Совокупность 8 логических нулей и единиц, снимаемых с выводов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 порта LPT, записывается в ячейку памяти с адресом 379h. Если сигнал с формирователя импульсов подается на один из перечисленных выводов параллельного интерфейса, то в этой ячейке памяти при различных состояниях датчика находятся различные числа. Для считывания информации из порта LPT используется оператор INP(&H379). Оператор TIMER возвращает время, отсчитанное по системным часам ПК.

1. ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТОКОНТАКТНОГО ДАТЧИКА (ГЕРКОНА)

Геркон (герметичный контакт) – стеклянный баллон с двумя ферромагнитными контактами, которые замыкаются при поднесении магнита. Подключим геркон 2 к параллельному порту LPT (выводы 11 и 25) и поднесем магнит 1 (рис. 3). Вдали от магнита геркон незамкнут, на всех выводах порта логическая 1, поэтому в ячейке памяти с адресом H379 находится число 11111111 (255). При поднесении магнита соответствующий вывод LPT порта замыкается на общий, на нем появляется логический 0. В ячейку памяти H379 помещается число 01111111 (127), которое может быть считано командой x = INP(&H379).

           Программа 1.
           CLS : x = INP(&H379) 
           WHILE INKEY$ = "" 'Начало цикла 1: Пока не нажат пробел
           WHILE x = 255: x = INP(&H379): PRINT "1"; : WEND 'Цикл 1.1
           WHILE x = 127: x = INP(&H379): PRINT "0"; : WEND 'Цикл 1.2
           WEND 'Конец цикла 1
           END

Опыт 1.1. Тестирование геркона. Наберите программу 1, к порту LPT подключите геркон. Запустите программу и поднесите к геркону магнит. Пронаблюдайте, как на экране компьютера 0 сменяется на 1 и наоборот. Пока геркон замкнут, x равно 225, программа вращается в цикле 1.1, печатая на экране "1". Пока геркон разомкнут, x равно 127, программа вращается в цикле 1.2, печатая на экране "0". При нажатии на клавишу клавиатуры компьютер выходит из цикла 1.

            Программа 2.
            CLS : x = INP(&H379) 
            WHILE x = 127: x = INP(&H379)  'НАЧАЛО ЦИКЛА 1
            PRINT "ОЖИДАНИЕ "
            WEND                            'КОНЕЦ ЦИКЛА 1
            T0 = TIMER
            WHILE x = 255: x = INP(&H379)   'НАЧАЛО ЦИКЛА 2
            PRINT "ГЕРКОН ЗАМКНУТ"
            WEND                           'КОНЕЦ ЦИКЛА 2
            T = TIMER: PRINT "ВРЕМЯ ЗАМЫКАНИЯ ", T - T0
            END

Опыт 1.2. Измерение времени замыкания геркона. Наберите программу 2 и запустите ее. Сначала ПК находится в режиме ожидания (цикл 1), на экране – сообщение "ОЖИДАНИЕ". При поднесении магнита ПК выходит из цикла 1, переменной T0 присваивается текущее время ПК, программа начинает вращаться в цикле 2, печатая на экране сообщение "ГЕРКОН ЗАМКНУТ". Удалите магнит, – переменной T присваивается время ПК, соответствующее моменту размыкания геркона, время замыкания T-T0 выводится на экран. Измерьте время замыкания геркона с помощью секундомера и компьютера, сравните полученные результаты.

Опыт 1.3. Измерение времени между последовательными замыканиями. Самостоятельно напишите программу и запустите ее. К геркону поднесите магнит, удалите его и через время 5–20 с, отсчитанное по секундомеру, снова поднесите. На экран компьютера должно выводиться время между последовательными замыканиями. Сравните результаты.

2. ИЗУЧЕНИЕ ОПТОДАТЧИКА

Оптодатчик состоит из инфракрасного светодиода 3, напротив которого установлен фотодиод 5, подключенный к формирователю сигнала 6 (рис.3). При пересечении оптодатчика флажком 4 на выходе формирователя сигнала резко меняется напряжение: логическая 1 сменяется логическим 0 и наоборот. Зная время пересечения светового пучка или время между двумя последовательными пересечениями можно определить скорость тела. Питание оптодатчика осуществляется от 3 и 25 выводов порта LPT, для чего по адресу H378 записывают число 255.

            Программа 3.
            OUT &H378, 255 
            WHILE INKEY$ = ""   'ЦИКЛ 1
            x = INP(&H379): WHILE x = 255: x = INP(&H379): PRINT "1";'ЦИКЛ 1.1
            WEND
            t0 = TIMER: WHILE x = 127: x = INP(&H379): PRINT "0"; 'ЦИКЛ 1.2
            WEND
            t = TIMER: PRINT t - t0    'ПЕЧАТЬ ВРЕМЕНИ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ПУЧКА
            WEND                      'КОНЕЦ ЦИКЛА 1
            END 

Опыт 2.1. Тестирование оптодатчика. Подключите оптодатчик, наберите программу 3 и запустите ее. Программа содержит цикл 1, в котором находятся вложенные циклы 1.1 и 1.2. Если в порт LPT поступает число 11111111 (225), то программа вращается в цикле 1.1 и на экране печатается "1". Если в порт LPT поступает число 01111111 (127), то программа вращается в цикле 1.2, на экран выводится "0". Пересекая световой пучок, убедитесь в том, что программа работает описанным выше образом.

Опыт 2.2. Измерение времени пересечения светового пучка. Загрузите программу 3, закомментируйте операторы PRINT "0" И PRINT "1". Когда при перекрывании светового пучка программа выйдет из цикла 1.1, переменной T0 будет присвоено текущее время ПК. Пока фотодиод затемнен, программа вращается в цикле 1.2. При освещении фотодиода программа выходит из цикла 1.2 и теперь переменной T присваивается текущее время ПК. Разность T-T0 выводится на экран ПК, после чего все повторяется снова (цикл 1) до нажатия на пробел. Измерьте время затемнения фотодиода с помощью секундомера и сравните его с результатом, выдаваемым ПК.

Опыт 2.3. Измерение времени между двумя пересечениями светового пучка. Самостоятельно напишите программу, которая ждет первого затемнения оптодатчика, после чего присваивает переменной T0 текущее время по часам ПК, затем ждет второго пересечения оптодатчика и соответствующее время присваивает переменной T. Разность T-T0 должна выводиться на экран. Запустите программу, измерьте время между последовательными пересечениями оптодатчика с помощью секундомера и ПК, сравните результаты.

3. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОЙ КООРДИНАТЫ ТЕЛА

Для измерения координаты можно использовать резистивный датчик 8, сопротивление которого зависит от положения подвижного контакта 7 (рис. 3). Установка состоит из релаксационного RC-генератора 9, формирующего прямоугольные импульсы (чередующиеся логические 0 и 1), и ПК. Частота этих импульсов зависит от сопротивления резистора, который одновременно может являться датчиком координаты. Чем меньше сопротивление резистора, тем быстрее происходит заряд или разряд конденсатора, соответственно выше частота импульсов. Сигнал с RC-генератора поступает в ПК, который в течение заданного времени dt = 1 с считает количество поступивших импульсов, тем самым определяя их частоту. Результаты подсчета импульсов выводятся на экран в графическом виде или в числовом формате, либо записываются в файл.

            Программа 4.
            SCREEN 2: LINE (10, 180)-(640, 180): LINE (10, 0)-(10, 480) 
            OUT (888), 255: M = .2 'M - Масштаб по ОY
            WHILE INKEY$ = ""
            j = 0: dt = 1: t0 = TIMER: t = t0 + .01
            WHILE t - t0 < dt
            x = INP(889): 'PRINT 'СОСТОЯНИЕ ПОРТА ', x;
            IF (y = 127) AND (x = 255) THEN j = j + 1
            y = x: t = TIMER
            WEND
            j = M * (j - 80): tt = tt + dt
            LINE (10 + tt * 5, 180 - j / dt)-(10 + (tt - dt) * 5, 180 - jj /dt)
            LINE (11 + tt * 5, 181 - j / dt)-(11 + (tt - dt) * 5, 181 - jj /dt)
            jj = j: 'PRINT 'КООРДИНАТА ', j / dt;
            WEND
            END

Опыт 3.1. Изучение датчика координаты. К ПК подключите формирователь сигнала с датчиком координаты. Наберите программу 4 и запустите ее. Поворачивая подвижный контакт резистора, пронаблюдайте получающуюся кривую зависимости координаты от времени. Повторите предыдущий опыт, задав другие время счета импульсов dt и масштаб M. Измените программу так, чтобы она через заданное время dt выводила координату в числовом виде.

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПК ПРИ ИЗУЧЕНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Персональный компьютер, соединенный с одним из рассмотренных выше датчиков, при наличии соответствующего программного обеспечения становится универсальным прибором, позволяющим измерять длительность исследуемого процесса, подсчитывать количество импульсов за заданный промежуток времени, вычислять скорость движения и координату, строить графики. Ниже рассмотрены лишь некоторые примеры использования ПК в учебном эксперименте по механике.

Опыт 4.1. Изучение вращения Сегнерова колеса с помощью геркона. Экспериментальная установка состоит из Сегнерова колеса, выполненного в виде подвешенной на нити пластиковой бутылки с двумя изогнутыми трубками. К боковой поверхности бутылки приклеены два постоянных магнита, а рядом с ней расположен геркон так, что при вращении бутылки происходит его срабатывание. Геркон подключают к ПК и запускают программу, периодически определяющую время замыкания геркона и скорость вращения Сегнерова колеса. Результаты измерений могут выводиться на экран в текстовом и графическом виде или сохраняться в файле. Под действием реактивной силы Сегнерово колесо набирает скорость, закручивая нить, останавливается и начинает вращаться в противоположную сторону, совершая затухающие колебания.

Опыт 4.2. Изучение реактивного движения Сегнерова колеса с помощью оптодатчика. Соберите установку, состоящую из подвешенной на нити двухлитровой пластиковой бутылки с двумя изогнутыми трубками, к горлышку которой прикреплен диск с прорезями по краю. В верхней части бутылки имеется отверстие для воздуха. Вблизи края диска установите оптодатчик, подключенный к параллельному порту ПК. При вращении бутылки с диском происходит периодическое освещение и затемнение фотодиода, в результате чего в компьютер поступает последовательность логических 0 и 1, которая обрабатывается соответствующей программой написанной на языке Pascal или Qbasic [3, 4]. Результаты измерений скорости вращения в последовательные моменты времени выводятся на экран в цифровом или графическом виде. Запустите Сегнерово колесо и получите на экране компьютера график зависимости скорости колеса от времени.

Опыт 4.3. Изучение движения системы с одной степенью свободы. К неподвижному блоку прикрепите диск с прорезями, а рядом установите оптодатчик так, чтобы прорези при вращении диска пересекали световой пучок оптодатчика, периодически открывая и закрывая фотодиод. На блок намотайте нить, к концу которой привяжите тело. На ПК запустите программу, считающую количество импульсов в единицу времени с выхода оптодатчика. Отпустите груз и получите на экране монитора график зависимости угловой скорости диска от времени. Проведите серию опытов при различных массах груза.

Опыт 4.4. Вращение тела в вязкой среде. В центре алюминиевого диска с прорезями прикрутите стальной болт, за который подвесьте диск к постоянному магниту так, чтобы он вращался вокруг вертикальной оси, оставаясь в горизонтальной плоскости [2]. На диск наденьте крыльчатку, увеличивающую влияние силы сопротивления, действующей со стороны воздуха. Под диском расположите магнитный движитель, состоящий из двух обмоток на U-образном сердечнике, одна из которых замкнута накоротко, а другая подключена к ЛАТРу. Вблизи края диска установите соединенный с ПК оптодатчик так, чтобы при вращении диска прорези пересекали световой пучок. Запустите на ПК программу, определяющую количество прорезей, прошедших мимо оптодатчика за 1 c, вычисляющую угловую скорость и строящую график ее зависимости от времени. Проведите серию опытов, включая и выключая движитель, подавая на него различные напряжения и поворачивая его так, чтобы изменялось направление вращающего момента, действующего на диск [2].

Опыт 4.5. Затухающие колебания физического маятника. Соберите установку, состоящую из физического маятника, выполненного в виде металлической пластины с флажком на конце, и оптодатчика, подключенного к ПК. Оптодатчик должен быть расположен под точкой подвеса так, чтобы, проходя положение равновесия, маятник пересекал световой пучок. Напишите программу, измеряющую время пересечения светового пучка и определяющую скорость прохождения маятником положения равновесия. Результаты измерений амплитуды скорости должны сохраняться в файле и выводиться на экран в текстовом или графическом виде. Убедитесь в том, что графиком зависимости амплитуды скорости от времени в случае затухающих колебаний является экспонента.

Опыт 4.6. Изучение нелинейности колебаний физического маятника. Используется программа, измеряющая время между двумя пересечениями оптодатчика. Соберите установку, состоящую из физического маятника, вблизи положения равновесия которого расположен оптодатчик (опыт 4.5). Отклоните маятник от положения равновесия и отпустите, – на мониторе ПК будет выведена длительность половины колебания. Несколько раз повторите опыт, отклоняя маятник на 10 – 90 градусов от вертикали и убедитесь в том, что период колебаний с ростом амплитуды увеличивается. Это доказывает, что при большой амплитуде колебания физического маятника нелинейны. Аналогичный опыт рассмотрен в [5].

Опыт 4.7. Затухающие колебания крутильного маятника. На длинной нити подвесьте осесимметричое тело (например, пластиковую бутыль с водой), к которому прикреплен диск с прорезями по краю. Рядом с краем диска расположите оптодатчик, соединенный с ПК. Закрутите тело и отпустите его так, чтобы оно совершало крутильные колебания. Период колебаний должен быть не менее 10 с. Запустите программу, подсчитывающую число прорезей, проходящих мимо оптодатчика, и строящих график зависимости модуля угловой скорости от времени.

Рассмотренные выше опыты не исчерпывают всех возможностей использования ПК в учебном эксперименте по механике. Подключение к порту LPT цифро-аналогового преобразователя позволяет получить универсальный генератор сигналов произвольной формы. Возможно превращение ПК в цифровой осциллограф [1, 5]. Эти приборы позволяют модернизировать многие эксперименты по механике и другим разделам физики.

Литература

1. Акатов Р.В. Компьютерные измерения: Аналого-цифровой преобразователь. – "Учебная физика". – 1999. – N 3. – С. 48–64.

2. Майер В.В., Майер Р.В. Экспериментальное изучение вращения тела в вязкой среде // Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов. – N 7. – М.: Прометей, 1996. – С. 59–68.

3. Майер Р.В. Измерение времени замыкания с помощью ПК // Инженерно-экономическое образование: вопросы дидактики: Тез. докл. регион. науч.-практич. конф. – Глазов: Издательство ГИЭИ ИжГТУ, 2005. – C. 49–51.

4. Майер Р.В. Использование компьютера для изучения реактивного движения Сегнерова колеса // Материалы XVI Международной конференции "Применение новых технологий в образовании". – Троицк, 2005. – 145-147 с.

5. Матаев Г.Г. Компьютерная лаборатория в вузе и школе. Учебное пособие. – М.: Горячая линия - Телеком, 2004. – 440 c.

Вы можете познакомиться с другой статьей:

Фестиваль 2005/2006 года

Компьютерное моделирование физических явлений на уроке информатики

Автор:       Майер Роберт Валерьевич

Статья отнесена к разделу: Преподавание информатики
В статье рассмотрены компьютерные модели одномерного и двумерного движения точки, движения системы материальных точек, распространения волны в одномерной упругой среде, автоволновых процессов в двумерной активной среде. В их основе лежит метод конечных разностей Эйлера. Все программы написаны на языке Pascal и могут быть использованы при изучении информатики в школе.