Оборудование школьного физического кабинета

Датчик проводимости предназначен для измерения удельной электрической проводимости различных водных растворов. Действие датчика основано на измерении сопротивления среды между электродами при пропускании переменного тока высокой частотой до 1 кГц.

Датчик индукции постоянного магнитного поля состоит из чувствительного полупроводникового элемента, через который пропускают электрический ток. Физический принцип действия основан на эффекте Холла, который заключается в следующем. Если в полупроводнике движутся заряды, то в магнитном поле они отклоняются силой Лоренца в направлении, перпендикулярном к направлению тока (то есть скорости носителей тока) и индукции магнитного поля. В результате в поперечном сечении полупроводника возникает разность потенциалов, пропорциональная индукции магнитного поля. Эта разность может быть измерена. Чувствительный полупроводниковый элемент размещается в щупе (узкой трубке). Датчик измеряет тангенциальную составляющую вектора индукции магнитного поля, направленную вдоль оси щупа.

Датчик освещенности выполнен на основе полупроводникового фотоэлемента, ЭД С которого зависит от величины падающего на него светового потока.

В основе принципа действия датчика силы лежит изменение сопротивления переменного резистора (реостата), размещенного на одной оси с динамометрической пружиной.

Для передачи информации с аналоговых датчиков в компьютер требуются аналого-цифровые преобразователи. Обычно они являются составной частью так называемых интерфейсов – устройств с набором входов для подключения датчиков и выходом USB для подключения к компьютеру. Существуют также интерфейсы, подключаемые к мобильным компьютерам через Bluetooth или wi-fi, что значительно упрощает проведение лабораторных работ с использованием датчиков. К одному интерфейсу можно подключить сразу несколько датчиков, что позволяет измерять несколько физических величин одновременно.

Основной характеристикой аналого-цифрового преобразователя является частота дискретизации (преобразования аналогового сигнала в дискретный). Чем она выше, тем шире спектр цифрового сигнала, а значит, возможность более детального анализа данных, поступающих с датчика. Массив получаемых данных обычно обрабатывается специальным программным обеспечением, позволяющим получать графики изменения физических величин в реальном времени, сохранять их в памяти компьютера, а также выполнять экспорт массива в формат электронной таблицы для проведения детального анализа.

В качестве примера рассмотрим цифровую лабораторию от американской компании PASCO, выпускающей учебные датчики для естественнонаучных и инженерных дисциплин. В России продукцию этой компании представляет фирма Polymedia. В комплект ученика входят: датчик движения, датчик освещенности, датчик магнитного поля, датчик низкого давления, датчик силы, поворотный датчик движения, датчик температуры, датчик напряжения, два датчика момента времени, стальной зонд для датчика температуры, цифровой преобразователь, кабель-удлинитель. Комплект для учителя помимо вышеперечисленных элементов включает датчик заряда, двухканальный датчик напряжения и датчик альфа/бета/гамма-излучений (счетчик Гейгера). К комплекту датчиков требуется приобрести регистратор данных, позволяющий снимать показания с датчиков, визуализировать данные и проводить их анализ, либо интерфейс для подключения к компьютеру в комплекте с программным обеспечением, либо беспроводной интерфейс для подключения к мобильным устройствам на базе ОС Android или Apple iOS. С помощью таких комплектов можно проводить большое количество лабораторных работ и демонстрационных экспериментов, с интересом воспринимаемых школьниками. Пока, однако, методические описания для проведения лабораторных работ с использованием рассматриваемых датчиков имеются только на английском языке. Тем не менее множество подобных комплектов уже имеется в образовательных организациях России с русскоязычным описанием.

Интерес к использованию портативных информационно-измерительных систем в учебном физическом эксперименте будет возрастать. Это легко объяснимо возможностями комплексного их использования для учебной работы в различных условиях, как в учебных физических лабораториях, так и вне учебных лабораторий, например, в различных выездных мероприятиях (производственных экскурсиях, лабораторных занятиях на природе по изучению экологической обстановки и т. п.). Особенно перспективным является использование портативных систем в самостоятельном учебно-научном физическом эксперименте, что достигается целым рядом удобств, по сравнению с использованием обычных стационарных информационно-измерительных систем.

При выборе портативной информационно-измерительной системы для учебного физического эксперимента следует руководствоваться учебными задачами, в решении которых должны оказать помощь эти средства. Например, следует внимательно изучить состав датчиков, предлагаемых в комплекте (от этого в значительной степени зависит цена комплекта, так как датчики очень дорогие). Не следует приобретать комплекты, имеющие в своем составе датчики, которые в учебном физическом эксперименте не используются. Дело в том, что производители (особенно зарубежные фирмы) стараются изготавливать широкий спектр датчиков, дабы покрыть весь спектр физико-химических величин, измерением которых приходится заниматься в дисциплинах естественно-научного цикла (физике, химии, биологии и т. д.). Российские распространители (дилеры) не всегда учитывают особенности преподавания отдельного предмета (в нашем случае физики) и предлагают для лабораторий физики перенасыщенные комплекты. Например, в составе портативной информационно-измерительной системы, производимой израильской фирмой Fourier system Inc, имеется датчик цветности. Он предназначен для определения концентрации растворов по степени их окрашивания. В учебном физическом эксперименте этот датчик вряд ли найдет применение.

Особое внимание следует обращать на погрешности измерений физических величин. Встречаются случаи, что указанные в инструкциях на систему данные не отвечают действительности. Для проведения учебной экспериментально-исследовательской деятельности студентов требуются приборы с погрешностью не более 5 %.

Наконец, следует обращать внимание на представление информации о результатах измерений и программные возможности их дальнейшей обработки. Обратите внимание, все ли физические величины отображаются на экране в шкалах, соответствующих международной системе.

Перспективы развития компьютеризированного физического учебного эксперимента связаны в первую очередь с повышением его доступности для всех участников учебного процесса. Особенно важен этот факт для дистанционной формы обучения. Обучение физике в домашних условиях серьезно снижает возможности обучающегося по проведению эксперимента, вследствие отсутствия необходимого оборудования. Однако уже сейчас эта проблема активно решается с помощью нового поколения мобильных компьютеров, представленного смартфонами. Современный смартфон (например, семейства HTC One) содержит в себе набор устройств, способных измерять ускорение, угловую скорость, индукцию магнитного поля, освещенность, расстояние, уровень шума.

Завершая описание комплекса аппаратных средств электронного обучения физике, подчеркнем, что в его основе лежит принцип вариативности, позволяющий изменять составы модулей в зависимости от условий конкретного образовательного процесса и методик, используемых в нем.

Если взглянуть на процесс организации и проектирования электронного обучения, то сперва определяются основные задачи обучения, его масштабность, затем для их решения подбираются электронные образовательные ресурсы и другие программные средства, а затем строится аппаратная платформа. Таким образом, несмотря на то что аппаратный комплекс является, на первый взгляд, более фундаментальным, нюансы его проектирования должны определяться на последнем этапе.

4.2. Оборудование общего назначения

В номенклатуре учебной техники, предназначенной для осуществления учебного процесса по физике в общеобразовательной школе, есть оборудование, которые обеспечивает работу всего учебно-технического комплекса и может быть использовано как при проведении различных видов учебного эксперимента, так и различных форм ведения занятий. Такое учебное оборудование составляет модуль «Оборудование общего назначения», который состоит из трех блоков:

• общее оборудование;

• измерительные приборы;

• принадлежности для опытов.

Блок «Общее оборудование» обеспечивает, посредством комплекта электроснабжения (внешний вид щита электроснабжения представлен на рис. 4.2), электропитание рабочих мест учителя (1 точка) и обучаемых (30 точек) переменным током напряжением 42 В, частотой 50 Гц на рабочие места обучаемых. От щита идут три линии по 10 точек, ток нагрузки – по 10 А. Одна точка расположена на рабочем месте учителя, там же имеются еще три дополнительные точки напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Защита электрической цепи автоматическая в течение 0,1 с при возникновении тока утечки более 0,001А. Рабочее место учителя обеспечивается: выпрямленным регулируемым напряжением 0–24 В, 10 А, переменным регулируемым напряжением 0–30 В, 1 А (на рис. 4.3 представлен внешний вид источника переменного и постоянного тока), высоким напряжением от 5 кВ до 30 кВ, 0,3 мА (на рис. 4.4 представлен внешний вид источника высокого напряжения). Кроме того, обеспечивается генерирование электрических колебаний синусоидальной, прямоугольной и пилообразной формы в диапазоне частот от 0,1 Гц – 100 кГц при амплитуде напряжения на нагрузке 8 Ом, регулируемом в диапазоне 0–10 В (на рисунках 4.5 и 4.6 представлены функциональный и звуковой генераторы). Рабочее место учителя обеспечивается насосами, которые позволяют быстро получить вакуум до 0,3 мм рт. ст. (насос вакуумный, рис. 4.7) и создать давление воздуха до 200 кПа (насос воздушный ручной, рис. 4.8). Кроме того, обеспечивается создание механического давления до 15,2 МПа (пресс гидравлический, рис. 4.9).

Блок «Измерительные приборы» обеспечивает: измерение времени методом совпадений с подачей звуковых сигналов в интервалах метронома 40–240 ударов в минуту (на рис. 4.10 представлен внешний вид электронного метронома); измерение физических величин с помощью датчиков, подключенных к компьютерному измерительному блоку (на рис. 4.11 дан внешний вид компьютерного измерительного блока):

• датчик момента времени (измеряемый интервал – не менее 0,004 с, точность – не менее 0,0002 с);

• датчик угла поворота (0–8 ? 360 градусов);

• датчик угловой скорости вращения (0,1–10 об/с);

• датчик температуры (–20… +100 градусов);

• датчик температуры (0… +1000 градусов);

• датчик давления (0–2 атм., погрешность 1 %);

• датчик силы (0–5 Н, погрешность 2 %);

• датчик влажности (10–98 %, погрешность 5 %);

• датчик напряжения (–10 В… +10 В с возможностью одновременного измерения напряжения на двух произвольных элементах электрической цепи);

• датчик индукции постоянного магнитного поля (–200… +200 мТл, погрешность 5 %);

• датчик электрической проводимости растворов (5 мкСим/см – 10 мСим/см, погрешность 5 %);

• датчик ионизирующего излучения (10–999 мкР/ч, погрешность 5 %).

Рис. 4.2. Щит электроснабжения кабинета физики

Рис. 4.3. Источник переменного и постоянного тока

Рис. 4.4. Источник высокого напряжения

Рис. 4.5. Функциональный генератор

Рис. 4.6. Генератор звуковой частоты

Рис. 4.7. Насос вакуумный с тарелкой-манометром и колпаком

Рис. 4.8. Насос воздушный ручной и прибор для демонстрации атмосферного давления

Рис. 4.9. Пресс гидравлический

Рис. 4.10. Электронный метроном

Рис. 4.11. Компьютерный измерительный блок

Измерение физических величин цифровыми приборами: времени (0–999 с, точность 0,001–0,1 с в зависимости от измеряемого интервала), силы постоянного тока (0–10 А), силы постоянного тока (0–999 мА); силы переменного тока (0–999 мА), напряжения постоянного тока (0–100 В), напряжения постоянного тока (0–999 мВ), напряжения переменного тока (0–100 В), температуры (–20… +100 °C), влажности (40–98 %), индукции постоянного магнитного поля (до 200 мТл), индукции переменного магнитного поля (до 20 мкТл), давления (до 100 кПа). На рисунках 4.12–4.15 представлены цифровые измерительные приборы.

Рис. 4.12. Комплект цифровых измерителей тока и напряжения

Рис. 4.13. Мультиметр цифровой демонстрационный

Рис. 4.14. Прибор комбинированный цифровой

Рис. 4.15. Измеритель индукции магнитных полей

Измерение физических величин аналоговыми приборами: температуры (0–100 градусов), влажности (0–100 %), массы (до 1 кг, чувствительность 0,2 г), силы (0–12 Н, чувствительность 1 Н; 0–0,01 Н, чувствительность 0,001 Н), атмосферного давления (720–780 мм рт. ст.), давления газов (0–1,6 ат; 0–6 ат), изменений давления в жидкостях и газах (0–20 мм вод. ст.; 0–400 мм вод. ст.), плотности жидкостей (0,7–1,4 г/см

), силы постоянного тока (0–10 А), силы переменного тока (0–1 А), напряжения постоянного тока (0–15 В), напряжения переменного тока (0–250 В); осциллографирование периодических электрических сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы (частота 0–1 кГц; амплитуда 0,05–10 В). На рисунках 4.16–4.22 представлены аналоговые измерительные приборы.