Διάταξη Πειραμάτων με χρήση αισθητήρων

Διάταξη Πειραμάτων με χρήση αισθητήρων

Γενική περιγραφή H συγκεκριμένη Διάταξη Πειραμάτων βασίζεται στη χρήση μικροελεγκτών και αισθητήρων και προορίζεται να αντικαταστήσει πολλές από τις ηλεκτρονικές πειραματικές διατάξεις ενός σχολείου. Σκοπός της είναι η εκτέλεση συνόλου εργαστηριακών ασκήσεων ώστε να καλύπτει το σύνολο των αναγκών ενός σύγχρονου σχολικού εργαστηρίου φυσικών επιστημών. Πάνω στη κεντρική μονάδα, στις ειδικές θέσεις, συνδέονται τόσο οι φωτοπύλες (1 έως 4) όσο και ο ηλεκτρομαγνήτης. Οι τιμές (χρόνου) που λαμβάνονται από τις φωτοπύλες καταγράφονται στην κεντρική μονάδα και μπορούμε εύκολα να τα μεταφορτώσουμε και σε Η/Υ. Επιπλέον η Διάταξη συνοδεύεται από δικό της λογισμικό.

Εικόνα: Ο καταγραφέας της Διάταξης Πειραμάτων

Η Διάταξη είναι πλήρης και αποτελείται από τα ακόλουθα τμήματα:

• κεντρικό τμήμα / κεντρική μονάδα με οθόνη αφής και με ικανότητα αποθήκευσης των μετρήσεων (καταγραφέας)
• αισθητήρες (φωτοπύλες) που συνδέονται ενσύρματα στον καταγραφέα
• συλλογή από δομικά υλικά με τα οποία μπορούν να συναρμολογηθούν διάφορες πειραματικές διατάξεις

Πιο αναλυτικά περιλαμβάνει:

• 1x κεντρική μονάδα (καταγραφέα) με καλώδιο τροφοδοσίας
• 4x φωτοπύλες με τα καλώδια σύνδεσης για την κεντρική μονάδα
• 1x καλώδιο USB για σύνδεση της κεντρικής μονάδας με Η/Υ
• 1x ηλεκτρομαγνήτη
• 1x ορθοστάτη 90cm (με βάση)
• 2x μεταλλικούς συνδέσμους
• 1x μεταλλική ράγα 120cm για χρήση με τη διάταξη κεκλιμένου & ελεύθερης πτώσης & εκκρεμούς
• 1x μοιρογνωμόνιο για μέτρηση κλίσης ράγας στη διάταξη κεκλιμένου
• 1x μεταλλικό σφαιρίδιο για χρήση με τη διάταξη κεκλιμένου
• 1x μεταλλικός δίσκος για χρήση με τη διάταξη ελεύθερης πτώσης
• 1x μεταλλική σφαίρα με άγκιστρο για χρήση με τη διάταξη εκκρεμούς
• Δομικά στοιχεία (πλαστικά) για σύνθεση βάσεων και στηριγμάτων διατάξεων

Προς το παρόν υποστηρίζονται 3 διατάξεις: κεκλιμένο επίπεδο, ελεύθερη πτώση, εκκρεμές.

Ο εκπαιδευτικός συναρμολογεί τη διάταξή της επιλογής του, στη συνέχεια διεξάγει το πείραμα και τέλος παίρνει τις μετρήσεις από την οθόνη του καταγραφέα. Αν το επιθυμεί μπορεί να συνδέσει ενσύρματα υπολογιστή στον καταγραφέα και τότε οι μετρήσεις μπορούν να αποθηκευτούν στον υπολογιστή.

Αναλυτικότερα, τα στάδια διεξαγωγής ενός πειράματος είναι τα ακόλουθα:

Α) Συναρμολόγηση της μηχανικής διάταξης

Ο εκπαιδευτικός μόνος ή και με τη βοήθεια των μαθητών του, συναρμολογεί τα μηχανικά μέρη της επιθυμητής πειραματικής διάταξης (πχ μεταλλική ράγα, ορθοστάτη, κοχλία σύσφιξης).

Β) Προσάρτηση αισθητήρων στη μηχανική διάταξη

Επιλέγονται οι απαραίτητοι αισθητήρες και προσαρτώνται στη διάταξη (πχ φωτοπύλες)

Γ) Σύνδεση των αισθητήρων στον καταγραφέα

Οι αισθητήρες συνδέονται ενσύρματα στον καταγραφέα.

Δ) Διεξαγωγή του πειράματος

Πραγματοποιώντας πλοήγηση στην οθόνη αφής του καταγραφέα, επιλέγουμε το πείραμα που πρόκειται να διεξάγουμε, ρυθμίζουμε τις παραμέτρους του και τέλος εκτελούμε το πείραμα.

Ε) Συλλογή μετρήσεων

Οι μετρήσεις που καταγράφει η διάταξη εμφανίζονται στην οθόνη της για να τις σημειώσουμε. Αν επιπλέον έχουμε συνδέσει υπολογιστή στη διάταξη (μέσω σύνδεσης USB), μπορούμε να αποθηκεύουμε τις μετρήσεις στη μορφή αρχείου .txt.

Παραδείγματα Πειραματικών Διατάξεων

Α) Κεκλιμένο Επίπεδο

Εικόνα: Η Πειραματική Διάταξη διαμορφωμένη για πείραμα κύλισης σε κεκλιμένο επίπεδο με 4 φωτοπύλες και απελευθέρωση από ηλ/μαγνήτη

Το μηχανικό μέρος αποτελείται από μεταλλική ράγα στην οποία μπορεί να κυλά μεταλλική σφαίρα με ελάχιστη τριβή. Η ράγα αυτή μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιαδήποτε κλίση ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Διαθέτει κοχλία σύσφιξής της στην επιθυμητή κλίση και μοιρογνωμόνιο με νήμα στάθμης για την άμεση ένδειξη της γωνίας κλίσης που είναι τοποθετημένη.

Η σφαίρα συγκρατείται στην αρχική της θέση με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνήτη που ελέγχεται από τον καταγραφέα. Κατά μήκος της διαδρομής κύλισης της σφαίρας υπάρχει η δυνατότητα τοποθέτησης έως και τεσσάρων φωτοπυλών. Η απόσταση της κάθε φωτοπύλης από την αρχική θέση της σφαίρας μπορεί να προσδιοριστεί με τη βοήθεια μετροταινίας που μπορεί να προσαρμοστεί στη ράγα.

Β) Ελεύθερη πτώση Το μηχανικό μέρος της διάταξης αναπροσαρμόζεται για το πείραμα της ελεύθερης πτώσης. Για τον σκοπό αυτό η ράγα τοποθετείται κατακόρυφα και το διάκενο των φωτοπυλών μεγαλώνει ώστε να χωρά ανάμεσά τους ο κυκλικός δίσκος που θα εκτελέσει την ελεύθερη πτώση. Η διάταξη διαθέτει νήμα στάθμης για τη ρύθμισή της ως προς την κατακόρυφο, χρησιμοποιώντα τρία στηρίγματα βάσης ρυθμιζόμενα καθ’ ύψος. Ο κυκλικός δίσκος (που θα εκτελέσει την ελεύθερη πτώση) συγκρατείται στην αρχική του θέση με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνήτη που ελέγχεται από τον καταγραφέα. Οι ίδιες 4 φωτοπύλες τώρα είναι τοποθετημένες κατακόρυφα, δίνοντας η κάθε μία μέτρηση από το σημείο που περνάει ο κυκλικός δίσκος.

Εικόνα: Η Πειραματική Διάταξη για πείραμα ελεύθερης πτώσης

Γ) Εκκρεμές Το μηχανικό μέρος της διάταξης αναπροσαρμόζεται για το πείραμα της μελέτης του εκκρεμούς.Για τον σκοπό αυτό η ράγα τοποθετείται κατακόρυφα, ενώ μία μόνο φωτοπύλη τοποθετείται στο κάτω τμήμα της. Στο επάνω τμήμα της ράγας προσαρμόζουμε βάση στήριξης του νήματος του εκκρεμούς. Θέτουμε το εκκρεμές σε ταλάντωση και η φωτοπύλη σε πραγματικό χρόνο συνεχώς μετρά τους χρόνους εισόδου και εξόδου της σφαίρας που εκτελεί την ταλάντωση. Θεωρώντας τις παραδοχές που έχουμε κάνει στο πείραμα του κεκλιμένου επιπέδου, η διαφορά ανάμεσα στο χρόνο εισόδου και εξόδου της σφαίρας από την φωτοπύλη μας δίνει την στιγμιαία ταχύτητά της. Επίσης η διαφορά των χρόνων ανάμεσα σε 3 διαδοχικές διελεύσεις μας δίνει την περίοδο του συστήματος. Κατά τη διέλευση της σφαίρας από το κατώτερο σημείο, όλη η ενέργειά της βρίσκεται στη μορφή κινητικής ενέργειας. Η διάταξή μας σε πραγματικό χρόνο υπολογίζει το τετράγωνο της ταχύτητας, άρα υπολογίζει μια ποσότητα ανάλογη της ενέργειας του συστήματος.

Εικόνα: Η Πειραματική Διάταξη διαμορφωμένη για πείραμα απλού εκκρεμούς