CC BY
44
ББК 4481.27+4486.51
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ ФРОНТАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
Г.П. Пызин, В.Л. Ушаков ЮУрГУ
Представлен комплекс лабораторных работ по механике в высшей школе с использованием микроконтроллерной техники. Модульность комплекса и использование современных электронных средств измерения позволят сократить время проведения лабораторных работ и повысить достоверность полученных результатов, что приводит к улучшению усвоения изучаемого материала.
В физический эксперимент современной высшей школы уже весьма прочно внедрился компьютер. Однако анализ показывает, что внедрение в физический эксперимент опытов с широким применением персональных компьютеров и адаптированных к ним датчиков физических величин оправдано при создании измерительно-вычислительных комплексов, предъявляющих повышенные требования к скорости обработки поступающих с комплекса данных (вплоть до работы в реальном времени) и точности расчетов, необходимых для построения математической модели протекающего процесса. С другой стороны, использование персональных компьютеров не всегда оправдано как с экономической, так и с методической точки зрения. Действительно, при фронтальном обучении стандартной группы студентов необходимо 12-15 персональных компьютеров, подключенных к лабораторным установкам, что потребует дополнительные расходы и дополнительные площади при формировании учебной лаборатории. Кроме того, «неравномерность» квалификации студентов первого курса (когда, как правило, проводятся лабораторные работы по механике в курсе высшей школы) как пользователей персональных компьютеров приводит к потерям рабочего времени и «размыванию» интереса к основной поставленной на лабораторной работе задаче - получению экспериментальных данных, их осмыслению и дальнейшей обработке.
Не стоит забывать и о специфике преподавания физики в лаборатории механики. Здесь необходимо, чтобы студент «прочувствовал» основные протекающие в лабораторной работе процессы, что невозможно, если поручить все измерения и расчеты компьютерному комплексу, а студент полу-
чит только конечный результат на красиво оформленной распечатке.
Тем не менее, автоматизация измерений при проведении лабораторного практикума необходима. Это связано с субъективностью регистрации таких важных при проведении лабораторного практикума событий, как момент начала или окончания какого-либо процесса, регистрация временных интервалов посредством нажатия кнопки на механическом секундомере или, например, регистрация максимального угла отклонения маятника в процессе его колебательных движений. Погрешности, возникающие при измерениях такого рода, обусловлены психофизиологическими особенностями каждого студента и могут вносить существенные ошибки в конечный результат.
В связи с этим при проведении физического эксперимента оправдано использование т.н. микроконтроллерной техники в сочетании с различными датчиками измерения основных физических величин (время, расстояние, угол отклонения и т.д.). Малая автоматизация - золотая середина между использованием мощных и дорогих измерительно-вычислительных комплексов и ручными измерениями в лабораторном эксперименте. Микроконтроллеры сочетают в себе, наряду с невысокой стоимостью, возможности приёма внешней информации как в цифровом, так и в аналоговом виде, обработки полученной информации с помощью внутреннего процессора и программы, введенной в микроконтроллер, вывода обработанной информации на внешние устройства. По сути дела, микроконтроллер - это компьютер размерами с обычную микросхему.
Использование микроконтроллеров в физическом эксперименте позволяет повысить точность получаемых результатов и
снизить погрешности измерения за счет уменьшения влияния субъективных факторов.
Повышение достоверности получаемых результатов и увеличение их корреляции с известными физическими величинами и теоретическими результатами приведет к улучшению усвоения материала.
На кафедре «Общей и теоретической физики» Южно-Уральского государственного университета разработан и с сентября 2004 года внедрен в учебный процесс комплекс лабораторного оборудования по курсу «Механика», состоящий из шести лабораторных работ; в некоторых из них используются электронные датчики, регистрирующие то или иное положение изучаемых механических объектов с последующей обработкой этих данных микроконтроллерами и выводом полученных результатов в виде временных, линейных или угловых значений состояния изучаемых объектов.
Установка для изучения закона сохранения импульса (рис. 1) состоит из горизонтально расположенного плоского рабочего поля с нанесенной координатной сеткой, по которому перемещаются взаимодействующие тела.
Рис. 1
Начальную скорость первому телу сообщает ударный пружинный механизм. Перед выстрелом тело фиксируется между направляющими для гарантированной повторяемости результатов. Устройство ударного механизма позволяет изменять начальный импульс тела. Оба тела, представляющие
собой цилиндры одинаковой толщины, изготовлены из одного материала, поэтому коэффициент трения для этих тел одинаков, и, следовательно, начальную скорость тел можно оценить по длине пути, пройденному телом по рабочему полю до остановки.
Установка для изучения закона динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека (рис. 2) представляет собой крестообразный маятник, который может вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости маятника с малым трением.
Рис. 2
По спицам крестовины могут перемещаться подвижные цилиндры одинаковой массы. На одной оси с крестовиной насажены шкивы разного радиуса. К концу нити, намотанной на один из шкивов и перекинутой через условно невесомый блок, прикрепляется груз, приводящий маятник во вращательное движение. Время прохождения груза от какой-либо верхней точки до основания установки измеряют электронным секундомером. Маятник в исходном положении удерживается электромагнитом; при нажатии кнопки «пуск» на секундомере электромагнит отключается, груз начинает движение и в нижней точке воздействует на датчик Холла, установленный в основании
Лабораторный практикум по физике для фронтального обучения студентов...
установки. Счет времени заканчивается. Система отсчета времени, управления электромагнитом и вывод данных на цифровые индикаторы реализованы на базе микроконтроллера Microchip 12f675 [1]. Кроме того, микроконтроллер следит за тем, чтобы электромагнит не перегревался, находясь во включенном состоянии.
Установка для определения момента инерции маховика (рис. 3) представляет собой насаженное на ось тело, которое может вращаться в вертикальной плоскости с малым трением и момент инерции которого определяют.
На той же оси находится шкив, на кото-
рый наматывается нить. К другому концу нити привязан груз, приводящий систему во вращение. Шкив кинематически соединен со специально разработанным датчиком, сигнал с которого поступает на обработку в измерительное устройство, разработанное на базе двух микроконтроллеров, фиксирующих и выводящих на цифровые индикаторы время опускания подвешенного груза от верхней до нижней точки его движения и последующую высоту подъёма груза. Запуск отсчета происходит после отключения электромагнита, удерживающего установку в статичном состоянии.
В установке для определения момента инерции тела, скатывающегося по наклонной плоскости (рис. 4), используются тела, осью которых является цилиндрический стержень. Одно из тел помещают на параллельные направляющие, образующие с горизонтом разные углы. Изучаемое тело фиксируется в верхней точке своего положения электромагнитом. В момент запуска электронного секундомера, собранного на базе микроконтроллера, тело начинает двигаться по наклонной плоскости, совершая враща-тельно-поступательное движение. Достигнув нижней точки своего движения, ось тел воздействует на датчик Холла, и счет времени заканчивается. В дальнейшем определяется высота подъёма тел при его дальнейшем движении вперед по второй направляющей. Полученные данные используют для экспериментального определения момента инерции изучаемого тела.
Установка для проверки закона сохранения момента импульса (рис. 5) состоит из
Рис. з
Рис. 4
Рис. 5
двух физических маятников разной массы, которые могут вращаться вокруг общей оси.
Маятники снабжены постоянными магнитами, с помощью которых они стягиваются при соприкосновении и могут вращаться вокруг оси как единое целое, что необходимо для имитации абсолютно неупругого удара. Для изменения момента инерции к одному из маятников может быть прикреплён добавочный груз. На оси маятника установлен датчик, на основе которого специальное устройство, разработанное на базе микроконтроллера, рассчитывает и выводит на индикаторы угол отклонения маятников после соударения (угол отклонения первого маятника до соударения задается за счет фиксации маятника в пусковом устройстве). Используя полученные результаты и рассчитав по периоду колебаний инерционные характеристики обоих маятников, можно показать справедливость закона сохранения момента импульса.
Установка для определения ускорения свободного падения с помощью оборотного и математического маятника состоит из толстой стальной полосы переменного сечения, имеющей несколько отверстий, дающих возможность закрепить маятник на оси вращения (рис. 6).
Рис. 6
Это позволяет получать физический маятник с различными периодами колебаний. Изменить положение центра масс маятника можно при помощи дополнительного груза. Используя зависимость периода колебаний маятника от ускорения свободного падения и определив этот период с помощью электронного секундомера для различных положений оборотного маятника относительно оси вращения, определяем искомую величину.
Стоит обратить внимание (см. рис. 2, 3, 5, 6) на модульность механической и электрической частей представленного лабораторного комплекса. Одинаковая основа установок позволяет преподавателю быстро проводить монтирование и демонтирование оборудования при переходе от одной изучаемой темы к другой. Сходные электронные блоки снижают себестоимость комплекса и уменьшают временные затраты студента на освоение нового оборудования при проведении лабораторных работ. Кроме того, возможно расширение функциональных возможностей лабораторных установок настоящего комплекса за счет небольших мо-дификаций отдельных узлов. Так, введение
элемента вязкого трения в установку для определения момента инерции маховика (рис. 3) позволит использовать ее не только в общефизическом практикуме, но и при углубленном изучении механики.
Настоящие установки используют классические схемы построения лабораторного практикума по механике. Интересным является применение для измерения физических величин микроконтроллерной техники взамен ставшим уже традиционным применением персональных компьютеров. Причем эта замена не привела к снижению точности результатов, но, по мнению авторов, повышает качество усвоения материала за счет снижения непродуктивных временных затрат на промежуточные операции, необходимые для получения экспериментальных
Лабораторный практикум по физике для фронтального обучения студентов...
данных, а также за счет повышения достоверности полученных студентом результатов. Модульность комплекса позволяет преподавателю легко и быстро перенастраивать лабораторные установки и не потребует у студента дополнительного времени на освоение нового оборудования. Дальнейшее развитие комплекса позволит существенно расширить его функциональные возможности на основе небольших модификаций.
Настоящий лабораторный практикум внедрен и успешно эксплуатируется в течение трех семестров в ЮУрГУ.
Литература
1. Яценков B.C. Микроконтроллеры Microchip: Практтеское руководство. -М.: Горячаялиния-Телеком, 2002. -269 с.
