Изучение затухающих колебаний маятника с помощью виртуального измерителя угла его отклонения от положения равновесия

В статье приводится описание компьютерной экспериментальной установки с потенциометрическим датчиком для исследований затухающих колебаний физического маятника. Кратко рассмотрены конструкция датчика и назначение основных частей экспериментальной установки.

Ключевые слова:затухающие механические колебания, маятник, виртуальный измеритель, виртуальный прибор, учебная экспериментальная установка, обучение физике.

При подготовке занятия по физике, на котором будет демонстрироваться эксперимент, учитель решает проблему оптимального выполнения опыта. Иными словами, он выясняет, как с минимальной затратой времени добиться максимального воздействия на учащихся. В этом случае ему может помочь компьютерная техника [5, с. 189].

При традиционном подходе к школьным демонстрациям физические опыты имеют преимущественно качественный характер, так как количественные расчеты отнимают слишком много времени. Применение компьютера в демонстрационных опытах позволяет быстро и надежно получать количественные оценки наблюдаемых явлений и процессов. Это достигается за счет автоматизации эксперимента. Используя компьютерный эксперимент, учитель имеет возможность неоднократно повторять эксперимент, менять условия его проведения. Сделать это достаточно быстро с помощью традиционных средств очень сложно.

Сейчас в школьных кабинетах физики появилось оборудование, сопрягаемое с компьютерной техникой, — учебные информационно-измерительные системы [2; 5, с. 88]. Упрощенные схемы информационно-измерительных систем рассматривались нами в статье [3]. Практика показывает, что такие системы могут создаваться учителем физики самостоятельно из доступного оборудования [4].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки с потенциометрическим датчиком

Рассмотрим следующий пример. В своей работе для демонстрации графика зависимости угла отклонения маятника от времени мы используем относительно простую с точки зрения ее конструкции экспериментальную установку, схема которой показана на рис. 1. Укажем назначение ее частей и конструктивные особенности некоторых из них. Объектом исследования является физический маятник, состоящий из металлической пластины, к нижней части которой прикреплен груз в виде цилиндра. Маятник насажен на ось, которой является движок потенциометра (переменного резистора). На потенциометр подается напряжение с помощью батареи. А напряжение с выхода потенциометра подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который выполняет функцию вольтметра [1]. Таким образом, в установке используется потенциометрический датчик, входным сигналом которого можно считать положение контакта потенциометра, а выходным сигналом — напряжение, которое снимается с этого контакта. Конструкция переменного резистора такова, что наш датчик представляет собой преобразователь угловых перемещений. Используя другие переменные резисторы, можно получить и преобразователи линейных перемещений. Следовательно, в нашем случае напряжение на выходе потенциометра пропорционально углу поворота движка потенциометра или углу отклонения маятника от положения равновесия. В заключении укажем, что АЦП преобразует электрическое напряжение в цифровой код, поступающий в компьютер, основная задача которого — визуализация результата измерения в режиме реального времени.

Рис. 2. Учебная экспериментальная установка для изучения затухающих механических колебаний

Предлагаемая экспериментальная установка проста в использовании и удовлетворяет как дидактическим требованиям, предъявляемым к учебному оборудованию, так и требованиям техники безопасности (рис. 2).

Литература:

1.   Данилов О. Е. Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 4. — С. 114–119.

2.   Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.

3.   Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.

4.   Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.

5.   Смирнов А. В. Методика применения информационных технологий в обучении физике: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / А. В. Смирнов. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 240 с.