Цифровая лаборатория «Архимед» на уроках физики: за и против

Недавно в качестве современного учебного оборудования в нашу школу, как и во многие другие школы, поступила цифровая лаборатория «Архимед» - набор из 24 электронных датчиков и портативного компьютера «Nova X-500».

Часть датчиков позволяла измерять физические характеристики человеческого организма, поэтому вместе со старшеклассниками я спланировала осуществить учебно-исследовательский проект на тему: «Исследование изменения физических показателей учеников в начале и в конце учебного дня». Но начав работу, мы столкнулись с некоторыми трудностями, возникла проблема в методике использования и точности измерений с помощью датчиков данной цифровой лаборатории. Поэтому мы с ребятами решили серьезно заняться проверкой качества работы электронных датчиков цифровой лаборатории «Архимед»».

Первыми под нашу проверку попали следующие 10 датчиков: датчик напряжения (DT001), датчик тока(DT005 и DT006), датчик дыхания(DT037), датчик частоты сердечных сокращений(DT155), датчик индукции магнитного поля (DT156), датчик расстояния (DT020-1), датчик температуры (DT029), датчик Гейгера-Мюллера (DT116), датчик ЭКГ (DT189), датчик влажности (DT014).

Сначала с помощью справочного пособия, прилагаемого к комплекту датчиков, мы узнали подробную информацию о датчиках, а именно их характеристику, область применения, диапазон, погрешность. Мы поняли, что с помощью данных датчиков мы можем измерить следующие физические величины:

датчиком напряжения (DT001) - напряжение,

датчиком тока(DT005 и DT006) -сила тока,

датчик дыхания(DT037) - скорость движения воздуха,

датчик частоты сердечных сокращений(DT155) - интенсивность света,

датчик индукции магнитного поля (DT156) - индукция магнитного поля,

датчик расстояния (DT020-1) - расстояние,

датчик температуры (DT029) - температура,

датчик Гейгера-Мюллера (DT116) - интенсивность радиоактивности,

датчик ЭКГ (DT189) - напряжение,

датчик влажности (DT014) - относительная влажность.

Затем мы провели эксперименты, сначала проводили замеры обычными приборами, а затем тоже самое проделали уже с электронными датчиками. После этого провели анализ результатов и выявили плюсы и минусы данных датчиков.

Проводя эксперимент, мы выяснили, что у датчиков цифровой лаборатории есть общие достоинства, которые связаны с использованием их совместно с компьютерной техникой:

1. Использование программы MultiLab позволяет получать результаты измерения мгновенно и не тратить учебное время на расчеты.

2. Анализ данных эксперимента на портативном компьютере можно представить в трёх видах: график, таблица, модель прибора. При исследовании температуры в разных точках класса нами были получены данные в этих 3-х видах (Рис.1)

Рис.1

3. В портативный компьютер «Nova» можно одновременно включать 4 датчика. Так, например, при изучении электромагнитной индукции при сравнении графиков силы тока и магнитной индукции (Рис.2) видно изменение направления магнитной индукции и тока, уменьшение амплитуды колебаний силы тока при уменьшении скорости изменения магнитного поля.

Рис.2 Графики силы тока и магнитной индукции при исследовании электромагнитной индукции

4. Цифровая лаборатория «Архимед» совместно с программой MultiLab проста в использовании.

5. Программа MultiLab позволяет отображать информацию с датчиков на настольном компьютере.

6. Производить калибровку датчиков, настройку параметров эксперимента (частота замеров, количество замеров и длительность эксперимента, условия начала и прекращения эксперимента)

7. Режим «Видео» в программе MultiLab дает возможность наблюдать процесс измерения не только на маленьком экране портативного компьютера, но и на обычном компьютере и на доске в классе с помощью мультимедийного компьютера.

В ходе экспериментов и сравнения датчиков с обычными приборами (амперметром, вольтметром, психрометром, термометром) мы выявили достоинства и недостатки каждого из них.

Наиболее точным из них является датчик напряжения DT001 - вольтметр, так как производит не косвенные, а прямые измерения. Имеет широкий диапазон измерений + 25В и маленькую погрешность +3%, что является преимуществом при учебно-исследовательской деятельности. Этот датчик можно использовать не только для нахождения среднеарифметического значения величины, как в обычном вольтметре, но и при изучении изменения напряжения как колебательного процесса, то есть исследовать его амплитуду и частоту.

Аналогичны по своим характеристикам и преимуществам - датчики силы тока. В них недостатков не обнаружено.

В прилагаемом справочном пособии указанный диапазон датчика дыхания равен +5 л/с, но при исследовании максимальный показатель оказался больше, а именно 5,71 л/с (Рис.3). Но даже при таком диапазоне невозможно проводить исследования, так как у человека объём воздуха, поглощаемого лёгкими в 1 секунду гораздо больше.

Рис.3 Результаты измерения скорости движения воздуха датчиком дыхания

При использовании датчика частоты сердечных сокращений мы сделали вывод, что он не может быть использован для определения частоты сердечных сокращений, не только в исследовательских, но и в учебных целях, так как очень неточный. График количества перекачиваемой крови с течением времени не соответствует действительности. При проведении опытов, когда мы фиксировали зажим от датчика на конце пальца, то график частоты сердечных сокращений менялся непонятно по каким причинам. Это не зависело от того, что человек находился в покое или после физических нагрузок.

Датчик индукции магнитного поля DT156 измеряет магнитную индукцию в мТл, а для здоровья человека вредной считается магнитная индукция превышающая значение 0,2 мкТл (приложение 3).Мы пробовали использовать электронную настройку единиц магнитной индукции, но она не применима для этого датчика. Мы считаем, что разработчики датчиков допустили ошибку в указании единиц диапазона измерения в 1000 раз.

Датчик расстояния DT020-1 основан на работе принципа звукового локатора, в нём есть ультразвуковой излучатель и микрофон. Когда эхо попадает на ультразвуковой микрофон, процессор внутри датчика рассчитывает расстояние до объекта по разнице во времени между выходом и получением сигнала. Датчик даёт точные показания расстояния до первого предмета, на который наткнется его ультразвуковая волна. Проводить измерения было бы удобней, если бы данный датчик был снабжён ещё и источником видимого лазерного излучения.

Датчик температуры DT029 даёт точные показания. Можно использовать как в учебной, так и исследовательской деятельности.

При работе счётчик Гейгера-Мюллера DT116 издаёт звук, означающий попадание радиоактивной частицы в счётчик. Данный процесс фиксируется на графике импульсом. За счёт маленького «мёртвого» времени - 90 мкс можно фиксировать все попадающие частицы. (Рис.4)

С датчиком ЭКГ DT189 работать невозможно. С этим датчиком должна быть поставлена упаковка из 100 серебряных электродных накладок, прикрепляемых к поверхности кожи на теле человека, но в нашей цифровой лаборатории их не оказалось. К тому же одним из минусов данных пластин является их ограниченный срок использования - 1 год.

Датчик влажности DT014 снабжён влагочувствительными компонентами для компенсации непостоянства температуры при измерениях. Это уменьшает погрешность измерения связанную с колебаниями окружающей среды. Поэтому датчик даёт точные показания.

Хотя, в целом, цифровая лаборатория имеет ряд неоспоримых преимуществ: результаты измерения мгновенно появляются на экране, из-за этого очень удобно исследовать процесс; подключая компьютер «Нова» к настольному компьютеру, мы можем видеть результаты на проекторе, но степень возможности применения цифровых датчиков в учебно-исследовательской деятельности учеников различна.

Мы пришли к выводу, что датчики цифровой лаборатории «Архимед», с которыми мы работали, в большей степени подходят для учебно-лабораторной деятельности, чем для исследовательской. При проведении лабораторных работ учеников не так важны точные показания, как принцип действия и умения ученика работать с оборудованием, а для исследовательской деятельности необходима точность в результатах. Однако из вышеперечисленных датчиков есть и такие, которые можно использовать в учебно-исследовательских работах: датчик напряжения DT001, датчики тока DT005 и DT006, датчик температуры DT029, счётчик Гейгера-Мюллера DT116, датчик влажности DT014, датчик расстояния, они дают точные показания.

Хочется надеяться что, результаты наших исследований могут помочь учителям и обучающимся при дальнейшей работе с электронными датчиками цифровой лаборатории «Архимед».

Список использованных первоисточников

1. Цифровая лаборатория «Архимед»: справочное пособие, версия 3.0, М.: институт новых технологий. - 259 с.

2. Перышкин А. В. Физика 9кл.: Учеб. Для общеобразоват. учеб. заведений. - М.: Дрофа, 2013.

Ресурсы Интернет:

3. Институт новых технологий [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

int-edu.ru/object.php?m1=747&m2=2&id=656, свободный. - Загл. С экрана

4.Официальный физический сайт ГОУ Лицея №1502, Лицейский FIZfaq, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: fizfaq1502.narod.ru/arhimed/ свободный. - Загл. С экрана

5. Охрана труда в России, проект Техдок.ру, Сан Пин 2.2.2.542-96.- [электронный ресурс]: Режим доступа tehdoc.ru/files.687.html свободный. - Загл. С экрана