Цифровой Лаборатории «Архимед»
Цифровая Лаборатория «Архимед» (ЦЛА) представляет собой комплект оборудования для проведения широкого спектра исследований, демонстраций и лабораторных работ по физике и биологии. Ее использование позволяет выполнять классический набор лабораторных работ из образовательного минимума по физике и, кроме того, исследовать временные зависимости силы, расстояния, давления, тока и других физических величин с помощью цифровых датчиков Fоurier Systems. Запись результатов измерений может производиться на карманный персональный компьютер (КПК) Palm, на специализированный портативный компьютер NOVA5000 или непосредственно на персональный компьютер (ПК) с помощью нового интерфейса Trilink. В комплект ЦЛА помимо названного выше оборудования входит программное обеспечение для сбора, анализа и обработки данных на карманном и персональном компьютерах.
Основная цель фронтальных лабораторных работ по физике с использованием ЦЛА заключается в осознании сущности изучаемых явлений, процессов и законов или зависимостей, принципов действия прибора или методов измерения тех или иных физических величин. Во время лабораторных работ учащиеся приобретаются элементарные навыки экспериментирования: умение организовать свое рабочее место, собирать установки, наблюдать, выполнять измерения с помощью школьных приборов, производить элементарные расчеты, аналитически и графически оформлять результаты опыта, делать выводы. Важно, чтобы параллельно с выполнением фронтальных работ с использованием ЦЛА проводились лабораторные работы в традиционной форме.
В настоящее время создано большое количество методических рекомендаций по проведению лабораторных работ с использованием Лаборатории «Архимед». Однако среди них отсутствует описание работы по изучению колебаний математического маятника с использованием датчика расстояния.
Этот эксперимент был разработан и проведен под руководством С.М. Дунина, М.А. Петровой, составлено его описание (представлено ниже).
Задачи работы:
- установить зависимость координаты от времени;
- исследовать зависимость периода свободных колебаний математического маятника от его длины.
При проведении данного эксперимента было использовано следующее оборудование (см. рисунок 1):
2 - штатив с муфтой и лапкой;
3 – шарик (с надетой на него картонкой, имеющей размер с кредитную карточку) на бифилярном подвесе.
Так как в работе мы изучаем колебания математического маятника, то длина нити l должна быть много больше размеров подвешенного на ней тела, масса нити ничтожна мала по сравнению с массой тела и деформации нити настолько малы, что ими вообще можно пренебречь.
Датчик расстояния – прибор, работающий по принципу эхолокации, при помощи которого измеряется расстояние до ближайшего предмета, на который наткнется его ультразвуковая волна. Его недостатком, однако, является то, что он не имеет никакого «прицела» и поэтому довольно трудно измерить расстояние до тел маленького размера или тел, находящихся на большом расстоянии.
Ход работы.
На стол ставим штатив (2), в лапке которого закрепляем шарик на бифилярном подвесе. Используем бифилярный подвес для предотвращения кручения шарика на нити. К шарику прикрепляем карточку, имеющую размер с кредитную, чтобы данная система попадала в «поле зрения» датчика расстояния (1), установленного справа или слева от маятника (на расстоянии не менее 60 см от математического маятника, находящегося в состоянии равновесия). Датчик (1) подключаем к интерфейсу, с которым соединен КПК.
Выводим маятник из положения равновесия на 3 - 5 см и отпускаем. Датчик расстояния регистрирует зависимость координаты от времени.
Полученный график зависимости координаты от времени представляет собой синусоиду (рис. 2).
По графику определяется период колебаний.
Зная длину нити,рассчитываем период колебания математического маятника и сравниваем его с периодом, полученным экспериментально.
Изменяем длину нити и проделываем действия, описанные выше.
Доказываем зависимости периода свободных колебаний математического маятника от его длины.
Данная лабораторная работа с использованием ЦЛА может быть включена в список фронтальных лабораторных работ, проводимых в школьном курсе физики.
Таким образом, опыты, проводимые с использованием оборудования лаборатории «Архимед» позволяют увидеть результаты экспериментов на экране компьютера, построить графики зависимостей различных параметров физических процессов как от времени, так и друг от друга, а также более наглядно увидеть результаты опытов на экране компьютера. То есть, по сравнению с традиционными лабораториями, «Архимед» позволяет существенно сократить время на организацию и проведение работ, повышает точность и наглядность экспериментов, предоставляет практически неограниченные возможности по обработке и анализу полученных данных, существенно расширяет список экспериментов, проводимых во время урока, и лабораторных работ в целом, кроме того, обеспечивается уникальная возможность для создания интегрированных курсов по естественным наукам, математике и информатике.