Расширение возможностей демонстрационного эксперимента при одновременном контроле нескольких параметров системы и обработке данных в режиме реального времени.

Чарушин А.В.

  Школьный физический эксперимент должен показать и привить школьнику современную культуру проведения исследований и обработки результатов. Проводя опыт или наблюдая за его ходом, ученик познает универсальные алгоритмы и правила решения реальных задач. Очевидно, что для этого в кабинете физики должен быть современный инструментарий, как для проведения экспериментов, так и для представления результатов. На наш взгляд, сейчас существуют все предпосылки для создания новой системы школьного физического эксперимента, базирующегося на использовании современных технологий, в том числе и информационных.

 Конкретной реализацией такого подхода к школьному демонстрационному эксперименту стало создание системы оборудования L-микро.
 Представленное рядом наборов по физике, химии и биологии оборудование L-микро служит необходимым и существенным дополнением к уже используемым в кабинете приборам и выводит учебный процесс по физике на уровень требований сегодняшнего дня.
 Использование компьютеров позволяет сделать возможными демонстрации физических величин и явлений которые не могут быть продемонстрированы традиционным оборудованием. Возможность обрабатывать входящие данные и в реальном времени демонстрировать физическую величину, являющейся производной от одного или более измеренных параметров.
 Самый простой пример - это демонстрация измерения физической величины, которая сложно (часто не линейно) зависит от напряжения передаваемого датчиком. Введение калибровочной зависимости, когда каждому значению напряжения, полученного от датчика, ставится в соответствие одно значение измеряемой величины, позволяет нам работать не с напряжением, а сразу со значением исследуемого параметра системы.
 Еще более интересна возможность изучать физические величины, которые не являются следствием математических преобразований полученных от датчиков сигналов. Например, мы можем ввести и впрямую работать с такой физической величиной как частота (пульса человека, колебаний маятника, переменного тока), что является уже производной от сигнала датчика и времени.
 Интересные результаты дает возможность использование нескольких датчиков одновременно. Например, в случае изучения газовых законов, пользуясь показаниями датчика объема и давления можно говорить о демонстрации внутренней энергии газа. Можно продемонстрировать, что внутренняя энергия зависит только от температуры газа. Можно ввести понятие работы газа как изменение его внутренней энергия.
 Датчики тока и напряжения вместе могут нам позволить провести измерение и продемонстрировать в реальном времени важной для понимания принципов работы электрических схем как измерение мощности. Понятие мощности, выделившийся на конкретном элементе цепи, в постоянном токе вводится, как произведение тока в цепи и напряжения на выбранном элементе P = U*I . Здесь величина мощности положительна во всех случаях кроме тех, когда исследуемый элемент сам является источником тока. Демонстрация этого эффекта может быть интересна для пояснения природы ЭДС.
 Для переменного тока можно ввести понятие мгновенной мощности, выражение для которой совпадает с выражением для мощности в случае постоянного тока. Очевидно, что в таком случае для активных элементов электрической цепи (лампа, резистор) мощность всегда положительна. Для элементов, которые имеют реактивное сопротивление, возможны отрицательные мгновенные значении мощности, т.е. в какие-то моменты времени они становятся источником тока. Понятие средней мощности объясняются как среднее значение мощности в единицу времени. Очень полезно показать учащимся разницу между активным и реактивным сопротивлением, если провести усреднение мощности и продемонстрировать ее значение в случае активной нагрузки (например, лампы) и реактивной (конденсатора). Демонстрация того, что на реактивной нагрузке не смотря на то, что присутствует падение напряжения и ток, мощность не выделяется.
 Воспользовавшись комбинированным датчиком (тока и напряжения) только уже для определения сопротивления можно продемонстрировать присутствие реактивного сопротивление, чего нельзя продемонстрировать традиционной техникой. Можно показать, что это вполне реальная величина, и она зависит от частоты (для этой демонстрации удобно использовать функциональный генератор звуковой частоты ФГ-100).
 Использование двух датчиков температуры так же позволяет получить интересные результаты и выполнить эксперименты с измерением двух физических величин, например измерение относительной влажности. Несложное устройство позволит произвести измерение зависимости относительной влажности от температуры.
 Возможны эксперименты на стыке наук. Воспользовавшись датчиком ЭКГ и датчиком кровенаполнения (датчиком пульса). Можно сделать выводы о скорости перемещения по сосудам пульсовой волны.
 Одновременное использование датчика звука и датчика относительного давления может позволяет провести эксперимент по измерению систолического и диастолического артериального давления.
 Измерение проводимости водного раствора и его температуры позволяет с достаточно высокой степенью определять концентрации соли в растворе.
 С использованием компьютера как средства сбора данных, их обработки и последующей визуализации позволяет не только показать физические явления, но и объяснить, как работают те приборы, которые становятся неотъемлемой частью нашей жизни, все больше вытесняя устаревшее оборудование.
 Существует бытовая техника, работающая по точно таким же принципам, и одним из важных следствий демонстрации является приложение полученных знаний к современному окружающему каждого ученика миру. Это позволит на уроке физики показать объяснить, как работает прибор, объяснить область и границы его применимости.
 Датчиковые системы все глубже проникают в нашу жизнь. Датчики все чаще используются в быту и промышленности. Без использования датчиков не может обойтись ни одна автоматическая система. Практически все современные автоматические приборы в быту и промышленности содержат как обязательный компонент - датчики. Телевизоры, стиральные машины, автомобили.