Главная / Методические материалы / Преподавание физики
Использование персонального компьютера в учебном эксперименте по механике
Автор(ы): Майер Роберт Валерьевич, профессор кафедры ИТФО
Notice: Undefined variable: content in /home/area7ru/area7.ru/docs/metodic-material.php on line 278
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) `ПРОГРАММА 2
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 к...
ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами методического материала урезан на треть (33%)!
Чтобы просматривать этот и другие тексты полностью, авторизуйтесь на сайте:
|
|
Добавлено: 2010.09.29 | Просмотров: 1482
При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательна!
|
