Применение современных датчиков и средств сбора данных при демонстрации физических законов

Актуальность

Автоматизированные измерения на основе датчиков и разнообразных систем сбора данных широко применяются на современных производствах и в науке. Для работы с такими системами требуются квалифицированные кадры, а подготовка кадров начинается уже в школе. При проведении демонстрационных опытов и лабораторных работ в школе требуется наряду с изучением физических явлений прививать понимание современных методов исследования. Необходимо культивировать осознание того, что компьютер нужен не только для развлечений и расчётов, но и для помощи при измерениях и управлении физическими и технологическими процессами.

Цели

1. Создать автоматизированную систему измерения скорости движения тела и силы взаимодействия тела и препятствия.

2. На примере закона сохранения импульса и второго закона Ньютона показать взаимосвязь импульса и силы на более глубоком уровне понимания.

Задачи

1. Ознакомиться с закономерностями связи силы и импульса, понятиями производной, первообразной и определённого интеграла.

2. Смонтировать экспериментальный стенд на основе стандартных демонстрационных элементов (тележки, рельс, крепёж), датчиков (динамометр, оптические ворота).

3. Ознакомиться с принципом действия и основными параметрами платы АЦП и средой программирования LabVIEW.

4. Провести калибровку динамометра с применением аптечных мер массы.

5. Разработать алгоритм, создать и отладить программу измерения скорости движения тела и силы взаимодействия тела с препятствием.

6. Разработать программный модуль обработки данных для вычисления импульса тела до и после столкновения.

7. Провести эксперименты при различных условиях движения (скорость, масса) и соударения (жёсткость препятствия и буферных пружин, потери энергии).

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленной средой разработки LabVIEW

• Плата сбора данных NI USB 6009 OEM

• Динамометр KDS-1029

• Оптические ворота KDS-1023

• Набор мер массы

• Тележки и рельс для демонстрации законов раздела «Механика»

Описание

Перед началом экспериментов была проведена большая подготовительная работа. По школьным и вузовским учебникам физики авторы более глубоко ознакомились с понятиями силы и импульса, а также их связью, изучили физический и геометрический смыслы операций дифференцирования и интегрирования на примере взаимосвязи механического импульса тела и силы.

Собрали экспериментальный стенд с использованием тележек, рельса и датчиков из комплекта KDS, ознакомились с их конструкциями и принципами действия.

Для измерения сигналов датчиков применили плату сбора данных NI USB-6009 OEM, подключённую к персональному компьютеру с установленной средой программирования LabVIEW 2012. Ознакомились с характеристиками платы, основами аналогово-цифрового преобразования и идеологией сбора данных с аналоговых датчиков. Для разработки программного интерфейса и кода овладели основными элементами среды программирования LabVIEW.

Перед проведением измерений необходимо было провести калибровку датчика силы, которая заключается в измерении выходного напряжения датчика, пропорционального известной приложенной силе. Для калибровки использовалась сила тяжести, действующая на грузы из набора аптечных мер массы. Калибровка проводилась по стандартной процедуре усреднения кривых нагрузки и разгрузки. В результате калибровки была получена калибровочная кривая, вычислен коэффициент пропорциональности выходного напряжения датчика приложенной силе.

После подготовки была проведена серия экспериментов по измерению силы взаимодействия движущегося тела (тележки) и препятствия при их соударении с вариацией условий: начальный импульс тела (различные сочетания массы и скорости) и жёсткость буферных устройств. Скорость перед соударением измерялась при помощи двух оптических ворот, находящихся на расстоянии 1 см и 6 см от точки соударения (расстояние между воротами 5 см). По фронтам соответствующих импульсов можно определить время, за которое тележка проедет путь в 5 см, и рассчитать её скорость. Можно считать, что эта скорость не изменится до соударения, потому что платформа выставлена по уровню, а трение в подшипниках тележки пренебрежимо мало. Масса тележки измеряется заранее при помощи того же датчика силы. Скорость тележки после соударения измеряется аналогично.

Для расчёта изменения импульса за время соударения сигнал динамометра численно интегрировался с использованием данных осциллограммы и запрограммированной в LabVIEW процедуры интегрирования методом трапеций. Результаты, полученные при прямом измерении скорости и массы, сопоставлялись с результатами интегрирования силы взаимодействия.

Результаты работы/выводы

В результате работы создана автоматизированная система измерения для демонстраций и проведения школьных лабораторных работ по темам:

• «Закон сохранения импульса»;

• «Изменение импульса в незамкнутой системе»;

• «Взаимосвязь импульса и силы взаимодействия».

Перспективы использования результатов работы

На основе полученных знаний и навыков, а также разработанных алгоритмов можно расширить круг школьных демонстрационных экспериментов и заданий для лабораторных работ.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Российский университет дружбы народов

Мнение автора

«В процессе выполнения работы мы узнали много новой информации, освоили интерфейс программы LabVIEW, научились собирать экспериментальный стенд и проводить эксперименты. Данная работа вызвала у нас желание дальше изучать физику на более глубоком уровне.

Выступление с докладом на конференции было для нас интересным опытом»