Эксперимент
П. П.
Головин;
И. В.
Шикерин
Использование датчиков при изучении физики
П.П.ГОЛОВИН <golovin_pp@mail.ru>, р.п. Ишеевка,
Ульяновская обл.,
И.В.ШИКЕРИН <www@demonstratus.ru>,
учколлектор № 1, г. Москва
Использование датчиков при изучении физики
Новые технологии в образовании
В последние годы цифровые технологии всё шире используются в образовательном процессе. В школьный обиход входят учебно-наглядные пособия демонстрационного и лабораторного назначений нового поколения. Одним из таких пособий является универсальный комплект «Естествоиспытатель», включающий в себя компьютерный измерительный блоки с разнообразными электронными датчиками (рис. 1), предназначенными для проведения исследовательских работ по естественнонаучным дисциплинам и контроля за различными процессами.
C помощью этого комплекта можно:
– проводить индивидуальные лабораторные работы (практикум) с отображением параметров и результатов исследуемого явления на дисплее и сохранением их в памяти небольшого автономного компьютерного измерительного блока, к которому одновременно можно подключать до трёх датчиков различного назначения;
– использовать во внелабораторных (полевых) условиях благодаря портативности и автономному электропитанию;
– использовать в научно-исследовательских работах, т.к. датчики обладают высокой чувствительностью и обеспечивают хорошую точность измерений;
– переносить экспериментальные данные из памяти измерительного блока в память персонального компьютера (ноутбука) для непосредственного наблюдения и дальнейшей обработки;
– проецировать параметры исследуемого объекта посредством мультимедийного оборудования на экран для визуального аудиторного наблюдения (демонстрации) в режиме реального времени;
– обрабатывать данные в программе Excel.
Приводим примеры использования комплекта на уроках физики. Монтажная плата с пружинными контактами и радиоэлементы брались из комплектов «Фронтальные лабораторные работы и практикум по электродинамике» и «Демонстрационный комплект по электродинамике», разработанных народным учителем СССР П.П.Головиным. Опыты демонстрировались на Марафоне-2007. Инструкцию пользователя можно посмотреть в рубрике «Дополнительные материалы» к № 3/2008 на сайте газеты http://fiz.1september.ru.
1. Определение сопротивления участка
Оборудование: резистор неизвестного сопротивления Rx (5–10 000 Ом); источник питания 1–5 В (например, «квадратная» батарея напряжением 4,5 В); выключатель; датчики тока – амперметр и гальванометр (использовать для измерения тока только до 12,5 А); датчик напряжения – вольтметр; компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата; соединительные проводники (2 шт.).
Практическая работа
Подключите к исследуемому участку Rx согласно рис. 2 датчики тока (амперметр) и напряжения (вольтметр). На дисплее блока вы увидите их показания и значение сопротивления резистора Rx. Повторите опыт несколько раз с другими участками.
2. Снятие вольт-амперной характеристики резистора
Оборудование: постоянные резисторы сопротивлением 10 Ом, 30 Ом, 100 Ом; переменный резистор 10...100 Ом (реостат); источник питания на 3–5 В (например, «квадратная» батарея на 4,5 В); выключатель; датчики тока (амперметр) и напряжения (вольтметр); компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата.
Соберите цепь по рис. 3. Плавно изменяя напряжение на резисторе Rx с помощью переменного резистора R, наблюдайте на дисплее блока (или на экране монитора компьютера, или на экране мультимедийного проектора) график вольт-амперной характеристики резистора и анализируйте его. Повторите опыт с другими резисторами.
3. Исследование независимости сопротивления резистора от силы тока в нём
Оборудование: резистор 10 Ом мощностью 5–10 Вт; переменный резистор 10–100 Ом (реостат), источник питания на 1–5 В (например, «квадратная» батарея на 4,5 В); выключатель; датчики тока (амперметр) и напряжения (вольтметр); компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата; соединительные проводники (2 шт.).
Практическая работа
Соберите электрическую цепь по рис. 3, где в качестве исследуемого участка возьмите постоянный резистор сопротивлением 10 Ом и мощностью 5–10 Вт. Плавно изменяя напряжение на нём, убедитесь в независимости сопротивления резистора от силы тока (напряжения).
4. Исследование зависимости сопротивления спирали лампы от нагрева лампы
Оборудование: миниатюрная лампа накаливания на 3–6 В; переменный резистор 10 Ом (реостат); источник питания на 6–8 В; выключатель; датчики тока (амперметр) и напряжения (вольтметр); компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата; соединительные проводники (2 шт.).
Практическая работа
1. Соберите цепь по рис. 4, где в качестве исследуемого участка использована миниатюрная лампа накаливания, и в ходе эксперимента убедитесь в том, что с увеличением силы тока в лампе, а следовательно, и температуры спирали, сопротивление спирали увеличивается многократно.
2. Постройте вольт-амперную характеристику лампы на дисплее блока и обратите внимание на то, что график с увеличением силы тока искривляется в сторону оси напряжения.
5. Определение сопротивления соединительного (монтажного) проводника (проводника сопротивлением 0,01–0,1 Ом)
Оборудование: резистор неизвестного сопротивления в пределах 0,01–0,1 Ом (мы используем монтажный медный провод НВ-35 длиной 60 см, имеющий оголённые участки длиной по 1 см на концах и через каждые 10 см); ограничительный резистор 10 Ом; источник питания на 1–5 В (например, «квадратная» батарея на 4,5 В); выключатель; датчик тока (амперметр); датчик напряжения (вольтметр); компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата; соединительные проводники (2 шт.).
Практическая работа
Соберите цепь по рис. 5 и найдите сопротивление монтажного провода. Убедитесь в том, что оно составляет всего 0,01–0,1 Ом.
Примечание. Проводник с малым сопротивлением, использованный в данном опыте, можно применить в качестве внешнего шунта для измерения внутреннего сопротивления лабораторного амперметра.
6. Исследование зависимости сопротивления проводника от длины и площади поперечного сечения
Оборудование: (см. опыт 5).
Практическая работа
1. Определите сопротивление монтажного проводника половинной длины от использованного в опыте 5. Убедитесь в том, что уменьшение длины проводника в два раза приводит к уменьшению его сопротивления тоже в два раза. Измерьте сопротивление этого же проводника других длин и сделайте вывод о прямо пропорциональной зависимости сопротивления проводника от его длины.
2. Измерьте сопротивление использованного в опыте 5 проводника, сложенного вдвое (втрое). Убедитесь в том, что сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения.
7. Определение удельного сопротивления проводника
Оборудование: см. опыт 5 плюс проводник из любого сплава, диаметр которого известен заранее.
Практическая работа. Собрав
схему, как в опыте 5, но взяв в качестве
исследуемого участка Rx не медный
проводник, определите его сопротивление и по
формуле 
вычислите его удельное сопротивление.
8. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления самодельного гальванического элемента
Оборудование: картофель, цинковая и медная пластинки, соединительные провода, резистор 100 Ом, датчики тока (гальванометр) и напряжения (вольтметр); компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата.
Практическая работа
1. Воткните в картофель цинковую и медную пластинки и, подключив к ним датчик напряжения (рис. 6) определите ЭДС данного источника тока.
2. Соберите цепь по рис. 7 и определите
силу тока в замкнутой цепи. По формуле 
определите внутреннее
сопротивление самодельного гальванического
элемента.
3. Исследуйте зависимость внутреннего сопротивления источника тока от расстояния между медным и цинковым электродами.
9. Заряд и разряд электролитического конденсатора
Оборудование: конденсатор ёмкостью 1000 мкФ; светодиод с ограничительным резистором; датчики тока (гальванометр) и напряжения (вольтметр); выключатель; источник питания на 4–6 В; компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; монтажная плата; соединительные проводники (2 шт.).
Практическая работа
1. Соберите цепь по рис. 8 и, замкнув её, убедитесь, что светодиод светится только в период зарядки конденсатора. На дисплее компьютерного блока наблюдайте за графиком зависимости силы тока в цепи (или напряжения на конденсаторе) от времени зарядки (рис. 9).
2. Переключите заряженный конденсатор на светодиод (рис. 10) и следите за процессом его разрядки по приборам. На дисплее компьютерного блока наблюдайте за графиком зависимости силы тока в цепи (или напряжения на конденсаторе) от времени разрядки (рис. 11).
10. Определение относительной влажности
Оборудование: датчик относительной влажности; компьютерный измерительный блок KDM-1001 или KDM-1002; стеклянная банка (например, ёмкостью 0,5 л), наполовину наполненная водой; синтетическая крышка к банке, в середине которой сделано прямоугольное отверстие для плотной установки датчика влажности.
Практическая работа
10.1. Определение относительной влажности воздуха в помещении и вне помещения. Подключите датчик относительной влажности к измерительному блоку, на его дисплее появится значение относительной влажности в помещении. Повторите опыт в различных местах помещения и вне его.
10.2. Определение относительной влажности над открытым водоёмом. Установите датчик влажности на некоторое время над открытой банкой с водой и убедитесь в том, что здесь воздух более влажный, чем в комнате, но далёк от насыщения.
10.3. Определение относительной влажности в пространстве над закрытым водоёмом. Банку с водой закройте синтетической крышкой. В предварительно сделанное в ней отверстие плотно вставьте датчик влажности. По дисплею блока следите за тем, как растёт относительная влажность, приближаясь к 100%.
10.4. Определение относительной влажности выдыхаемого человеком воздуха. Медленно дышите непосредственно на датчик относительной влажности и убедитесь в том, что человек (и животные тоже) выдыхают насыщенный водяным паром воздух.
11. Наблюдение за изменением температуры среды при адиабатном процессе
Оборудование: датчик температуры; медицинский шприц 20 мл, у которого отросток для иглы спилен, а отверстие расширено так, чтобы стержень датчика температуры вставлялся плотно (герметично).
Практическая работа
Передвигая поршень шприца в ту или другую сторону (сжимая и разрежая воздух), по графику зависимости температуры от времени на дисплее блока следите за изменением (увеличением и уменьшением) температуры.
12. Наблюдение гармонического колебания груза на подвесе
Оборудование: металлический шарик с подвесом (маятник), установленный на штативе; ультразвуковой датчик движения; компьютерный измерительный блок KDM-1002.
Практическая работа
Соберите установку по рис. 12. Датчик движения и шарик маятника установите на одном уровне по высоте от поверхности стола и на расстоянии 30–60 см друг от друга.
Выведите шарик из положения равновесия, отклонив вдоль линии соединения с датчиком на 5–6 см и отпустите. На дисплее блока наблюдайте запись движения шарика (колебания маятника) в зависимости от времени, график которого имеет форму синусоиды (рис. 13), по которой определите параметры колебательного процесса.
13. Наблюдение гармонического колебания груза на пружине
Оборудование: груз на пружине (пружинный маятник); динамометр; штатив; компьютерный измерительный блок KDM-1002.
Практическая работа
Закрепите на штативе динамометр и подвесьте к нему груз с пружиной. Выведите груз из положения равновесия на 2–3 см по вертикали и отпустите, рис. 14
На дисплее блока наблюдайте запись движения груза на пружине (колебания пружинного маятника) в зависимости от времени, график которого имеет форму синусоиды, по которой определите параметры колебательного процесса.
На московском Марафоне-2007: Иван Викторович Шикерин (слева) и народный учитель СССР Пётр Петрович Головин