Измерения кинематических величин электрическими методами icon

Измерения кинематических величин электрическими методами



НазваниеИзмерения кинематических величин электрическими методами
Дата конвертации02.07.2012
Размер114.53 Kb.
ТипРеферат
1. /Измерение кинематических величин -3.docИзмерения кинематических величин электрическими методами

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2

с углубленным изучением предметов физико-математического цикла»


Измерения кинематических величин электрическими методами


Авторы работы:

Васильев Олег,

ученик 9 «В» класса

Шишкин Иван

ученик 9 «В» класса.


Научный руководитель:

Пигалицын Лев Васильевич,

учитель физики,

Народный учитель России.


Г. Дзержинск 2011 год


Содержание


Введение ……………………………………………………………………………….. 3


Измерение расстояний ………………………………………………………………… 3


Измерение скорости движения тел…………………………………………………… 5


Измерение ускорения………………………………………………………………….. 6


Измерение частоты вращения и угловой скорости………………………………….. 7


Измерение углового ускорения……………………………………………………….. 8


Выводы ………………………………………………………………………………….. 10


Список литературы ……………………………………………………………………... 11


Введение.


Физический эксперимент является основой для обучения учащихся физике. Поэтому при проведении физического эксперимента, особенно демонстрационного, все учащиеся должны видеть, что происходит с той или иной физической величиной во время эксперимента. А вот этого зачастую и не бывает, так как шкалы физических приборов, даже демонстрационных настолько малы, например, у термометров, что разглядеть их могут только учащиеся, сидящие на первых партах.

В данной работе будет рассмотрено два варианта изготовления различных демонстрационных приборов, позволяющих выводить информацию о кинематических величинах, изучаемой в школьном курсе физике – пути, скорости, ускорения для прямолинейного движения и частоты вращения, угловой скорости и углового ускорения для вращательного движения на демонстрационный вольтметр или на экран монитора ПК, а с помощью видеопроектора и на большой экран.

При выводе информации об изучаемой величине на экран ПК, можно строить и график изменения данной величины со временем.

Варианты измерения неэлектрических величин.

    • Вариант 1.

Преобразователь : физическая величина- напряжение.

Источник питания на 5 В.

Лабораторный или демонстрационный вольтметр 0 – 5 Вольт.


  • Вариант 2.

Преобразователь : физическая величина- напряжение.

Источник питания на 5 В.


Микроконтроллер : USB – эмулятор СОМ порта – «Fourier», «KE-USB24A», «Arduino», «Freeduino» и т.п.

Программное обеспечение.


Элементная база.

Для измерения различных физических величин необходимы приборы, называемые датчиками. Датчики – это такие приборы, у которых изменяются какие-либо параметры при измерении конкретной физической величины. Примерами датчиков для измерения температуры являются металлические проводники и полупроводники, сопротивление которых зависит от температуры.

Наиболее распространенными датчиками являются резистивные, емкостные и индуктивные датчики.

- Резистивные датчики.

- Емкостные датчики.

- Индуктивные датчики.


Измерение расстояний.

Вариант 1.

Измерить расстояние можно с помощью обычного потенциометра. Подключим к крайним клеммам потенциометра источник тока на 5 В. Это может быть обычная плоская батарея для карманного фонаря или лабораторный источник питания. А к движку потенциометра и его левой клемме подключим вольтметр. Когда движок потенциометра находится в крайнем левом положении, напряжение на вольтметре будет равным нулю.

Если на ось потенциометра надеть небольшое колесо, то при вращении колеса движок потенциометра будет перемещаться вправо и будет увеличиваться напряжение на вольтметре. Причем напряжение будет увеличиваться практически прямо пропорционально расстоянию Х, пройденному колесом.



Действительно, Ux = IRx , а так как R = ?Х/s, то Ux = I ?Х/s. Сила тока I будет практически постоянна, так как внутреннее сопротивление вольтметра намного больше сопротивления резистора R.

Для большей наглядности необходимо заменить шкалу напряжений вольтметра на самодельную шкалу расстояний, предварительно проградуировав ее в единицах длины. Всю схему для удобства можно поместить в корпус, так как это изображено на рисунке.

Для измерения больших перемещений можно подключить к редуктору, который можно взять из детского механического конструктора или из старых механических часов. При этом следует иметь в виду, что для получения линейной шкалы на вольтметре необходимо, чтобы зависимость сопротивления переменного

резистора от угла поворота была линейной ( типа А). Для этой же цели можно применять и многооборотные резисторы ( некоторые из них имеют до 60 оборотов). Получается своеобразный электронный курвиметр.


А теперь давайте подключим датчик для измерения расстояний к компьютеру. Как уже указывалось выше? есть два способа подключения :




Вариант 2. Для подключения датчика расстояния к USB порту ПК нужно промежуточное устройство. Это устройство называется микроконтроллер. В настоящее время выпускается большое количество дешевых микроконтроллеров с выходом на USB порт. Мы решили воспользоваться микроЭВМ «Freeduino», которая содержит 14 цифровых портов ввода/вывода, 6 с преобразованием цифрового сигнала в аналоговый и 6 аналоговые портов АЦП. На плате есть небольшая память, что позволяет при необходимости использовать ее без ПК в роботизированных устройствах.

Датчик расстояния подключаем к аналоговому входу № 1, загружаем созданные на языке «Wiring» скетчи в специализированные программы в «Arduino» и в «Processng» и запускаем их.


Измерение скорости движения тел.

Вариант 1.


Для измерения скорости воспользуемся тем, что скорость это первая производная от пути по времени.

В эксперименте первую производную от пути по времени можно получить, если воспользоваться электрической схемой, которая называется дифференцирующей цепочкой. Она состоит из конденсатора и активного сопротивления.

Если записать для нее дифференциальное уравнение, связывающее входное и выходное напряжение, то, решив его, получим выходное напряжение, которое прямо пропорционально скорости движения тела.

U вых = CR dUвх/dt.

Таким образом, подключив датчик расстояния к дифференцирующей цепочке, мы получим схему скоростемера. Как видно на рисунке она состоит из резистивного датчика расстояния и дифференцирующей цепочки, состоящей из конденсатора С и резистора R. При изменении R и С максимальное отклонение стрелки вольтметра будет изменяться. Изготовление добавочного сопротивления и градуировка шкалы производится так, как это было описано в предыдущей установке.

У данного прибора есть интересная особенность. Если двигать датчик в сторону увеличения расстояния, то du/dt ,будет больше нуля и, следовательно, значение производной тоже будет больше нуля и показания вольтметра будут положительными.

А вот если Вы «поедете» в обратную сторону, du/dt будет меньше нуля и, следовательно, значение производной тоже будет отрицательное, и стрелка вольтметра будет отклоняться в обратную сторону.

Эту особенность можно использовать следующим образом – превращаем вольтметр в нуль- гальванометр, соответственно проградуируем его шкалу и тогда мы получим скоростемер, который будет выдавать не только значение скорости, но и по отклонению стрелки в ту или другую сторону - ее направление.

К сожалению, подключить к этой схеме демонстрационный гальванометр нельзя, так как внутренне сопротивление гальванометра вместе с добавочным сопротивлением на предел измерения до 5 В сравнительно мало и оно просто шунтирует резистор R в дифференцирующей цепочке.

Для того, чтобы устранить это недостаток возьмем дифференциатор на операционном усилителе. У него два достоинства : во первых он усиливает подаваемый на его вход сигнал, а во вторых у него очень небольшое выходное сопротивление и демонстрационный вольтметр не шунтирует его выход.


Окончательный вид скоростемера изображен на рисунке.

Если взять два демонстрационных вольтметра, то можно одновременно наблюдать за пройденным расстоянием и величиной скорости. Вольтметры подключаются так, как это показано на схеме. V1 будет показывать пройденный путь, а V2 величину скорости движения тела.


Вариант 2. Для измерения скорости с помощью ПК сделаем специальный модуль.

За основу возьмем схему модуля, разработанную для демонстрационного вольтметра. Сигнал с дифференцирующей цепочки подадим на вход АЦП микроконтроллера через диод VD, так как на вход АЦП нельзя подавать отрицательное напряжение ( помните про движение назад !).

Подключите имеющийся у Вас микроконтроллер к USB порту. Загрузите программу «dat_skor1» и проводите эксперименты по измерению скорости.

Если в микроконтроллере есть два АЦП ( Freeduino, Fourier или «Архимед»), то можно вывести одновременно на экран компьютера и проходимый путь и скорость движения. Через диод VD1 на АЦП1 микроконтроллера пойдет информация о пройденном пути, а через диод VD2 на АЦП2 – о величине скорости.


Измерение ускорения.

Вариант 1.




Ускорение, как известно, есть первая производная от скорости по времени или вторая – от пути ко времени. Таким образом, если к схеме скоростемера, добавить еще одну дифференцирующую цепь, то на ее выходе мы получим напряжение, которое будет соответствовать ускорению тела.

Как и в случае со скоростемером, шкалу вольтметра V3 необходимо проградуировать в единицах ускорения.


При наличии трех демонстрационных вольтметров можно в соответствии с данной схемой создать модуль, позволяющий одновременно измерять путь, скорость и ускорение тела движущегося с ускорением.




Установка для одновременного измерения пути, скорости и ускорения.


Вариант 2. Для подключения акселерометра к USB порту ПК необходимо взять схему модуля для измерения ускорения, добавить к его выходу диод и подключить его к АЦП микроконтроллера.

Затем подключают микроконтроллер к USB порту, загружают программу «dat_uskor1» и проводите эксперименты по измерению ускорения. Если в микроконтроллере есть три АЦП ( Freeduino, Fourier или «Архимед»), то можно вывести одновременно на экран компьютера проходимый путь, скорость движения и ускорение. Через диод VD1 на АЦП1 микроконтроллера пойдет инфрмация о пройденном пути, а через диод VD2 на АЦП2 – о величине скорости, а через диод VD 3 на АЦП3. Подключите имеющийся у Вас микроконтроллер к USB порту. Загрузите программу «dat_р_sk_usk1» и проводите эксперименты по одновременному измерению пути, скорости и ускорения.


Измерение частоты вращения и угловой скорости.

Вариант 1.

Для измерения частоты вращения и угловой скорости собираем установку, изображенную на рисунке. На ободе вращающегося диска расположены чередующиеся черные и белые стробоскопические полоски. Рядом с диском расположена оптопара, состоящая из светодиода и фотодиода. При вращении диска свет излучаемый светодиодом, попадает на фотодиод, если свет падает на белую полоску то отражается от нее и попадает на фотодиод.

Если свет от светодиода попадает на темную полоску, то он поглощается и не попадает на фотодиод. Сигнал с фотодиода, при попадании на него света поступает на один из входов компаратора, собранного на операционном усилителе, и на его выходе появляется логическая единица. К выходу компаратора подключен конденсатор, который периодически заряжается и разряжается через диод VD3. При увеличении частоты вращения конденсатор заряжается чаще и напряжение на нем увеличивается. Это напряжение VD4 подается на вольтметр, шкала которого V1градуируется в единицах частоты и на вольтметр V2, шкала которого градуируется в единицах угловой скорости.




Вариант 2. Для подключения установки к USB порту ПК необходимо напряжение с выхода установки подключить к АЦП микроконтроллера. Затем подключить микроконтроллер к USB порту, загружают программу «dat_ugl1» и проводите эксперименты по измерению частоты вращения и угловой скорости.


Измерение углового ускорения.

Вариант 1.


Угловое ускорение, как уже говорилось выше для ускорения прямолинейного движения, есть первая производная от угловой скорости времени или вторая – от пути ко времени. Таким образом, если к схеме для измерения угловой скорости добавить дифференциатор на ОУ, то на его выходе показания вольтметра V3 будет соответствовать угловому ускорению диска.

Как и в предыдущих случаях, шкалу вольтметра необходимо проградуировать в единицах углового ускорения.




Внешний вид установки для измерения частоты вращения, угловой скорости и углового ускорения изображен на рисунке.





Вариант 2. Для подключения акселерометра к USB порту ПК необходимо взять схему модуля для измерения ускорения, добавить к его выходу диод и подключить его к АЦП микроконтроллера.

Затем подключают микроконтроллер к USB порту, загружают программу «dat_ugl2» и проводите эксперименты по измерению ускорения.

Если в микроконтроллере есть три АЦП ( Freeduino, Fourier или «Архимед»), то можно вывести одновременно на экран компьютера частоту вращения, угловую скорость и угловое ускорение.

Напряжение, соответствующее угловому ускорению на АЦП необходимо подавать через п/п диод. Подключите имеющийся у Вас микроконтроллер к USB порту. Загрузите программу «dat_n_usk_ugusk2» и проводите эксперименты по одновременному измерению частоты вращения, угловой скорости и углового ускорения.

Напряжение, соответствующее угловому ускорению на АЦП необходимо подавать через п/п диод.





На фотографии представлена установка для измерения расстояния, скорости и ускорения в прямолинейном движении в действии.


Выводы


Преобразование неэлектрических физических величин в электрические с выводом на демонстрационные приборы или на экран ПК позволяет учителю более наглядно демонстрировать учащимся изучаемые физические явления, что приводит к повышению мотивации учащихся к изучению физики.

Данная работа не имеет аналогов в школьном и вузовском демонстрационном и лабораторном экспериментах. Так, например, в отечественной цифровой лаборатории «L-микро» есть возможность только для измерения мгновенной скорости, а в цифровой лаборатории признанного мирового лидера израильской лаборатории «Архимед» можно измерять только расстояние, а измерение скорости, ускорения, угловой скорости, частоты вращения и углового ускорения – не предусмотрено.

Использование резистивного датчика в данных приборах позволяет визуализировать демонстрационные эксперименты по кинематике, демонстрируя учащимся путь, перемещение, проекции векторов скорости, ускорения, угловой скорости и углового ускорения на координатные оси. В мировой практике демонстрационного эксперимента это осуществлено практически впервые.

Для повышения мотивации школьников к изучению физики в этой работе предусмотрено подключение резистивного датчика к демонстрационным вольтметрам, входящим в оборудование школьных кабинетов физики и к компьютеру с выводом информации на большой экран с использованием видеопроектора.


Список литературы :


  1. Мякишев, Г. Я. Физика. Механика. 10 класс / М. : Дрофа, 2005.

  2. Меерсон, А. М. Радиоизмерительная техника / Л. : Энергия, 1978.

  3. Пигалицын, Л. В. Школьный компьютерный физический эксперимент / Дзержинск: Восток-Запад, 2009.









Похожие:

Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
1. /Вепшек Я.Измерение низких температур электрическими методами.1980.djvu
Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
1. /Электрические измерения физических величин.djvu
Измерения кинематических величин электрическими методами iconКонтрольная работа №2 (8 класс)
Укажите наименование и единицы измерения всех физических величин входящих в формулы
Измерения кинематических величин электрическими методами iconКонтрольная работа №2 (8 класс)
Укажите наименование и единицы измерения всех физических величин входящих в формулы
Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
1. /Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. 1970.djvu
Измерения кинематических величин электрическими методами iconГ количество теплоты, выделяющееся при конденсации
Укажите наименование и единицы измерения всех физических величин входящих в формулы
Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
...
Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
...
Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
1. /МРБ-0744. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. (1971).djvu
Измерения кинематических величин электрическими методами iconДокументы
1. /МРБ 0903. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин (2-е изд.).djvu
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов