Rozszerzenie zmysłów poprzez komputer pomiary termiczne, optyczne ielektryczne

Transkrypt

1 Rozszerzenie zmysłów poprzez komputer pomiary termiczne, optyczne ielektryczne Mario Gervasio, Marisa Michelini, Rossana Viola Research Unit in Physics Education, University of Udine, Italy Streszczenie: Przesłanki użycia komputera wszkolnym laboratorium są rozliczne, poczynając od uwarunkowań społecznych współczesnego świata po powody aparaturowe.przedstawionoprzykładyzastosowania komputera wtrzechgałęziachfizyki:1.czteropunktowy pomiartemperatury wfunkcji czasu, 2. pomiar natężenia światła wfunkcji położenia wzjawisku dyfrakcji i3. pomiar oporu elektrycznego nadprzewodników wfunkcji temperatury za pomocą metody czterech punktów.pomiary przeprowadzane były za pomocą sondy konstrukcji Uniwersytetu wudine. Expanding our senses by computer thermal, optical and electrical measurements Abstract:Thereasonstousethecomputerinschoollaboratoriesarediscussed,startingfromsocial demand and ending on technical advantages. Three examples of the use of computer at school experiments are shown variations of temperature vs. time by four point gauge, measurements of the light intensity vs. position in adiffraction experiment, dependence of resistance in superconductors vs. temperature. Measurements were done with the use of asystem constructed at the University of Udine. 1. Znaczenie czujników on-line wszkolnym laboratorium Społeczne, metodologiczno-dyscyplinarne i praktyczne powody przemawiają za użyciem komputerów wszkolnym laboratorium, gdyż: Nasze życie codzienne jest całkowicie skomputeryzowane, staje się zatem ważne ze społecznego punktu widzeniaprzygotowaniestudentówdokorzystaniazmetod inarzędzi technologii informacyjnej. Wlaboratoriach naukowych komputery zarządzają danymi isą nierozłączną (integralną) częścią badań naukowych. Eksperymenty on-line pozwalają studentom poznać metody badawcze fizyki. Na poziomie praktycznym, doświadczenia on-line oferują skuteczność, wydajność, oszczędność czasu, niezawodność, precyzję ipowtarzalność wyników pomiarów.co więcej,pozwalająonenatychmiastowoibezpośredniozapoznaćsięzprzebiegiemzjawiskafizycznego dzięki następującym możliwościom: obserwacjazdarzeńowiele szybszychiwolniejszych niż pozwala na to mierzenie ręczne pomiary wniedostępnych miejscach łatwiejsze gromadzenie danych, pozwalające na porównanie wyników na diagramach iwykresach, poszukiwaniecharakterystykiróżnychinformacjioanalizowanych systemach (np. energetycznych) badanieprocesównieliniowychdziękiszybkiemupobieraniu danych; jest to niemożliwe wtradycyjnym laboratorium,gdzie pomiary wykonujesię wpoczątkowymikońcowymstanierównowagi;pozwalatona porównanie danych doświadczalnych imodeli teoretycznych. Powyższe możliwości czynią przeprowadzanie doświadczeń wszkole bliższymi rzeczywistości, aprzez to bardziej interesującymi istymulującymi. Doświadczenia on-line pozwalają na: oszczędność czasu idobrą powtarzalność pomiarów, przez co jest możliwe skupienie uwagi na uzyskiwanych wynikach ina planowaniu eksperymentu gromadzenie dużej ilości danych pozwalające na użycie metod statystycznych skupienie uwagę na pojęciowym aspekcie procedury pomiaru, tj. ustawieniu ikalibracji systemu, wybieraniu czasu pomiaru, czułości, rozdzielczości itp. śledzenie wczasie rzeczywistym ewolucji zjawiska, co pobudza uczniów do szukania interpretacji oraz wspólnej dyskusji zastosowaniefunkcjikontrolieksperymentu,co pozwala na poznanie takich pojęć, jak sprzężenie zwrotne, stabilność, nieliniowość; pojęcia te są wprowadzeniem do automatyzacji procesów. Oczywiście, doświadczenia on-line nie mogą inie muszą być jedynym tylko sposobem przeprowadzania doświadczeń laboratoryjnych. POSTEPY FIZYKI TOM 60 ZESZYT6 ROK

2 2. Czujniki USB jako propozycja rozszerzenia zmysłów Skutecznie dydaktycznie pomiary on-line wlaboratoriach szkolnych, szczególnie na niższym poziomie nauczania (12 16 lat), wymagają używania prostych systemów, składających się zczujników połączonych bezpośrednio do komputera za pomocą portu USB. Zazwyczaj oprogramowanie oferuje kilka opcji iużytkownik może dokonać np. kalibracji czujnika, włączyć pomiar, zarządzać plikami, ustawiać czas próbkowania,wybieraćliczbę użytych czujników, ustalać skale wykresów itd. Przedstawimy teraz 3przykłady systemów do pomiarów zjawisk termicznych, optycznych ielektrycznych. 3. Pomiary temperatury wczasie rzeczywistym za pomocą układu TERMOCRONO Termocrono to układ on-line umożliwiający pomiary temperatury wczasie rzeczywistym za pomocą czterech czujników.pozwalaon na śledzenienietylkostanówustalonychaleiprocesówtermodynamicznych.podłączeniedo komputera zrealizowane jest za pomocą portu USB. System pomiarowyskładasię zczęści sprzętowejiprogramu. Część sprzętowa zawiera układ do zbierania danych oraz układ konwersji analogowo-cyfrowej.pomiar temperatury jest oparty na mierzeniu wstecznego prądu nasycenia diody germanowej spolaryzowanej zaporowo. Opór diody germanowejspolaryzowanejzaporowo zależy silnie od temperatury. Konwersja jest typu prądowo-czasowego i wykorzystuje dokładność komputerowego oscylatora kwarcowego. Prąd płynący przez każdą zdiod (z tego samego zasilania komputera) ładuje kondensator podłączony do komparatoranapięcia, który reaguje na zadaną minimalną imaksymalną wartość napięcia. Generator monostabilny wytwarzafalęprostokątną,począwszyodmomentu,wktórym została zarejestrowanazadanaminimalnawartośćnapięcia, aż do momentu, wktórym zarejestrowano maksymalną wartość napięcia. Wten sposób czas, przez jaki jest generowana fala, zależy od czasu ładowania się kondensatora, ten zaś od oporu diody wmomencie pomiaru (zgodnie ze wzorem na stałą czasowąτ=rc). Czas trwania fali prostokątnej jest mierzony za pomocą oscylatora kwarcowego (16 MHz) zliczana jest liczba impulsów fali. Liczba ta zależy bezpośrednio od temperaturydiody.licznikimpulsówjest32-bitowy;22-gi bit (tj zliczeń) przerywa pomiar: powyżej tej wartości czujnik może pracować niepoprawnie. Karta interfejsu, używająca mikrokontrolera18f252 firmy Microchip Technology, jest użyta do czytania wtym samym czasie czterechzliczeń zczterech niezależnychczujników. ZliczeniasąprzesyłanedokomputeraprzezportUSBprzy użyciu dekodującego modułu FT245BM. Rysunek 1pokazuje układ znajdujący się wmałym pudełku (9 cm 4cm 1,5 cm). Diodowe czujniki temperaturowe są połączone do czterech kabli bipolarnych (o długości 2m), które są podłączone do pudełka przez jeden tylko łącznik. Cztery czujniki mogą być użyte także niezależnie. Rys. 1. Układ do wykrywania sygnałów ikonwerter analogowo-cyfrowy nabyty przez Termocrono Rysunek 2pokazuje interfejs użytkownika: umożliwia on wizualizację wtym samym czasie wykresu danych zjednego lub wszystkich czujników. Skala wykresów może być dynamiczna lub zadana. Specyficzna funkcja układu pozwala na kalibrację przez porównanie zinnym termometrem wminimalnej (2) imaksymalnej (15) liczbie termicznie równowagowychstanów.wartości temperaturysą wyznaczaneprzezukład poprzezdopasowanie pomiędzy punktami kalibracji, przy zastosowaniu regresji nieliniowej. Rys. 2. Interfejs użytkownika oprogramowania układu Termocrono Zakres pomiarowy układu wynosi [ 10 C,+100 C], czułość:0,1 C,dokładnośćpomiaru:±0,3 C.Każdagrupa POSTEPY FIZYKI TOM 60 ZESZYT6 ROK

3 czujników wymaga kalibracji przed użyciem. Kalibracja jest stabilna dla tej samej grupy sprzętu komputerowego. Funkcja programu Real Time Plot uruchamia pomiar. Pomiar jest dokonywany co sekundę ina ekranie komputera pojawia się wykres wczasie rzeczywistym. Wykresy itabelkimogąbyćzapisywanenadysku,abymożnajeponowniewczytaćdo badaniai/lub wydrukować.formatzapisutabelekzdanymijestzgodnyzkażdymarkuszemkalkulacyjnym. Układ może współpracować zkażdym komputerem posiadającym port USB Przykłady pomiarów Układ pomiarowy Termocrono dzięki swojej prostocie ielastyczności [Michelini istefanel, 2004; Michelini ipighin, 2005] proponowany jest jako rozszerzenie zmysłów dla doświadczalnego badania zjawisk przyrodniczych przez młodszych uczniów lub nawet przedszkolaków. Dzięki czułości, dokładności iszybkości pobierania danych, pozwala doświadczalnie badać procesy dynamiczne. Pozwala on także na badanie stanów przejściowych inietrwałych, takich jak impulsy ifale termiczne [Mazzera 1996]. Poniżej zaprezentowano kilka przykładów pomiarów, istotnych zróżnych powodów dla zrozumienia znaczenia pomiaru temperatury izerowej zasady termodynamiki. A) Dwa czujniki znajdują się na stole; student bierze wręcepierwszyznich,następnieobaiwkońcuponownie kładzie jeden czujnik na stół. Todoświadczenie uświadamia studentowi, że: stółijegoręcesą dwomaukładamioróżnychistałych temperaturach, czujnik mierzy swoją temperaturę, informację o temperaturze otrzymuje się tylko wtedy,kiedyczujnikiukładsąwrównowadzetermicznej, różnica długości czasu trwania faz ogrzewania ioziębiania czujnika jest spowodowana przez różne efektywności sprzężenia termicznego. B) Na rysunku 3pokazano zmiany wczasie temperatury dwóch mas wody (m 1 =300 gwt 1 =10,2 C im 2 =150 gwt 2 =49,8 C). Układ jest złożony zpojemnika zawierającego wodę omasie m 1 iwłożonego do drugiegopojemnika,zwodąomasiem 2.Dwaukładydążą do wspólnej temperatury równowagowej, tj. średniej wa- Rys. 3. Ewolucja wczasie temperatury dwóch mas wody: 300gi150gotemperaturzepoczątkowejodpowiednio10,2 C i49,8 C żonej temperatur początkowych, gdzie wagą statystyczną są masy tych ciał (praworównowagitermicznejfouriera). Końcowątemperaturąstanurównowagijest24,1 C,copozwala obliczyć równoważne masy pojemników ( równoważne masie wody). C) Czujnikileżąnastole(wtemperaturzepokojowej) isą przykrytefoliami zróżnychmateriałów (np.folią metalową, folią plastikową, kartonem); student kładzie rękę na czujniku iczeka na stan równowagi termicznej. Todoświadczenieuświadamiastudentowi,żeczujniki osiągajątakąsamątemperaturę,alewróżnymczasie,który zależy od grubości folii ijej przewodności cieplnej. D)Rysunek4pokazujedaneotrzymane,kiedycztery czujniki są pokryte różnymi masami aluminium (0, 2, 4 i10 g) oraz zostały włożone wdużą masę ciepłej wody (proces izotermiczny). Rys.4. Ewolucjawczasietemperatury 4czujników zróżnymi masami wwielkiej ilości ciepłej wody Zależność uzyskania równowagi masy aluminium od czasu pozwala zrozumieć znaczenie pojęcia czasu odpowiedzi systemu oraz go obliczyć, Możliwe jest badania wykładniczejzależnościzmiantemperaturywtrakcieosiągania równowagi termicznej. 4. Prosty układ do eksperymentów dyfrakcyjnych: Lucegrafo Przedstawiamy poniżej opis sprzętu komputerowego ioprogramowania dla prostych, domowych układów pomiaru on-line natężenia światła wfunkcji położenia. Wyposażenie zestawu doświadczalnego jest elementarne: komercyjny potencjometr liniowy ze znacznikiem, fototranzystor,pudełko montażowe, kabel USB. Rysunek 5pokazujefototranzystorwłożonywaluminiowąobudowęrazemzsuwakiempotencjometrutak, aby sygnał optyczny był skorelowany zpołożeniem poprzez opór potencjometru. Mały prostokątny ekran (12 cm 2cm),umieszczonynawspólnympostumenciepozwalana jakościową ocenę rozkładu natężenia światła. Wcentrum ekranu jest otwór (o powierzchni 1mm 2 )pełniący rolę diafragmy dla sensora optycznego. Dodatkowo możliwe POSTEPY FIZYKI TOM 60 ZESZYT6 ROK

4 jest zamontowanie regulacji położenia za pomocą śruby mikrometrycznej. Oba czujniki (potencjometru ifototranzystora) są połączone do procesora komputera przez port USB. Kalibracja systemu jest wykonywana przez pomiar intensywnościświatławfunkcjiodległościodpunktowego źródła. Eksperymentalna zależność intensywności światła od kwadratu odległości jest zarówno potwierdzeniem założonej funkcji transferu jak isposobem na znalezienie nieznanych parametrów układu. A) Badanie rozkładu natężenia światła wobrazie dyfrakcji. Jakościowe badanie obrazu dyfrakcji na ekranie przy zmianie odległości D pomiędzy szczeliną a ekranem: ekran przechwytuje stały kątowy rozkład natężenia światła tak, że odległości minimów imaksimów od centralnego maksimum wzrastają proporcjonalnie do odległości D. Układ ten nie może przedstawić wtej samej skali natężenia zarówno centralnego maksimum jak itych leżących wpobliżu, chyba że natężenie wejściowe zostanie zredukowane (porównaj rys. 7irys. 8). Daje to możliwośćdyskusjizarównocharakterystykobrazudyfrakcjijak idziałania czujników optycznych. Rys. 5. Układ Lucegrafo Rys. 7. Obraz dyfrakcji zukładem wzakresie minimum czułości Rys. 6. Aparat do pomiarów Układ posiada 3przedziały czułości tak, aby zmierzyć natężenie maksimów dyfrakcyjnych aż do 12-tego maksimum oraz maksimum centralne; pomiaru dokonujemywodległości2modpojedynczegootworuośrednicy 0,1 mm, przy użyciu lasera odługości faliλ 650 Å. Oprogramowanie: Podczas pomiaru układ zbiera iprzedstawia na ekranie pary wartości (I,x) (natężenie światła, położenie), zarówno wformie graficznej inumerycznej, Pomiary dokonywane są co 1s, tak więc przesuwając kursor liniowo otrzymujesięwciągu10minutprzestrzennyrozkładnatężenia światła na długości60 cm. Pomiar ten jest przedstawianywpostacizależnościliniowej:natężenienawykresie jest przedstawione warbitralnie wybranych jednostkach, proporcjonalnych do natężenia światła oddziałującego na czujnik. Poniżej przedstawiono kilka przykładów ćwiczeń, niemożliwych do przeprowadzenia wtradycyjnych laboratoriach dydaktycznychbez czujników komputerowych. Rys.8. Obrazdyfrakcji zukładem wzakresiemaksimumczułości B) Analiza wysokości maksimum PrawodyfrakcjiwprzybliżeniuFraunhoferadlanatężeniaświatła I M wmaksimumrzędu M>0wodniesieniu do natężenia maksimum centralnego I 0 : I M 4 = I 0 π 2 (2M+1) 2 wyraża proporcjonalność pomiędzy szczytowym pikiem aodwrotnością kwadratu odległości od centralnego maksimum na ekranie. POSTEPY FIZYKI TOM 60 ZESZYT6 ROK

5 Itak,przezwprowadzenieprzybliżonejzależnościdla położenia maksimum: X M X 0 D =(2M+1) λ 2a równanie poprzednie może być zapisane prościej: I ( M Dλ ) 2 1 = I 0 πa (X M X 0 ) 2 1 ( πa ) 1 = (X M X 0 ) IM Dλ I0 Wykreślając 1/ I M wzależności od X M X 0 otrzymuje się, wprzybliżeniu, linię prostą (rys. 9). umożliwiającymi pomiar napięcia na próbce (pomiędzy dwoma wewnętrznymi punktami styczności) do poziomu oporu rzędu milioma. Napięcie kontaktowe na stykach możnapominąć,ponieważwyjściowenapięcieodniesienia możebyćustalonepoprzezukładpomiarowy;minimalizujemywtensposóbprądwejściowywzmacniaczaoperacyjnego.zakreswzmocnieniawynosiod5(otwarcieobwodu) do1000.drugiwzmacniaczgwarantujemierzonewartości rzędu mv.pomiartemperaturyjest prowadzonyprzezplatynowy opornikpt100 (R=100Ωw0 C)orozdzielczości 0,4Ω/ C.12-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) wystarcza do pomiaru temperatury wzakresie roboczym zdokładnością lepszą od 0,1 C. Pozyskiwanie danych ioprogramowanieinterfejsu: Pomiary temperatury ioporności właściwej są przeprowadzane przy użyciu 12-bitowego przetwornika ADC oraz programowalnego multipleksera PIC 18F252 firmy Microchip Technology. Dane są dostarczane przez USB przy użyciu modułu dekodera. Interfejs (rys. 10) jest bardzoprostyiprzyjazny.wykresysągenerowanenaekranie wczasie rzeczywistym. Rys.9.Odwrotnośćpierwiastkakwadratowegonatężeniamaksimum jako funkcja jego odległości od maksimum głównego. Przypadekdlaszczeliny12µmiodległości ekranu D=1,4m. Natężenie maksimum głównego może zostać obliczone zkąta nachylenia prostej przechodzącej przez początek układu współrzędnych, korzystając znatężenia pozostałych maksimów. 5. Pomiar oporu nadprzewodników wfunkcji temperatury Rozwiązania elektroniczne dla pomiarów: Opór próbki jest mierzony wczterech punktach nadprzewodnikależących na linii prostej,za pomocąpomiaru napięcia pomiędzy dwoma wewnętrznymi punktami, przy natężeniu prądu przepływającego (między punktami zewnętrznymi) 100 ma. Ustaloną stałą wartość prądu otrzymujesię przez podanie stałego napięcia odniesienia za pomocą diody Zenera wobwodzie zdwoma wzmacniaczami operacyjnymi Rys. 10. Interfejs użytkownika Skrzynka pomiarowa Rysunek 11 przedstawia układ pomiarowy. Cylindryczne pudełko A1 stanowi przestrzeń grzewczą. Pręt Rys. 11. Układ pomiarowy oporu nadprzewodników POSTEPY FIZYKI TOM 60 ZESZYT6 ROK

6 miedzianypojemnikazostajeumieszczonywciekłymazocie.grzejnikskładasięzdwóchoporników100ω(1watt) wukładzierównoległym,umieszczonychnapodstawiepojemnikaa1. Wzrost temperaturyjest regulowanyvia software za pomocą potencjometru typu helipot podłączonego do tranzystora mocy stabilizującego prąd grzejnika. Pomiary oporu przeprowadzasię na rampie zmian temperatury. Układ testujący Czujnik temperatury jest połączony zpróbką wpudełku A1 aprzewody są zebrane wprzykrywce termosu zawierającego ciekły azot. Testowanie danych Na rysunku 12 pokazano otrzymywanie danych na rampie zmian temperatury 0,02 C/s. Rys.12.Otrzymywaniedanychzkomercyjnej próbkinadprzewodnika grzanej zprędkością 0,02 Cna sekundę Literatura [1] M. Michelini, L elaboratore nel laboratorio didattico di fisica: nuove opportunità per l apprendimento, Giornale di Fisica XXXIII, 4, 1992, p [2] E. Mazzega, M. Michelini, Termograjb: un sistema per misure di temperatura on-line nel laboratorio didattico, La Fisica nella Scuola XXII, 4, 1990, p. 38. [3] D. Girardini, A. Sconza, E. Mazzega. M. Michelini, Studiodellaconduzione del caloreconl utilizzodelcomputer on-line, La Fisica nella Scuola XXIV, 2, 1991, p. 71. [4] E.Mazzega, M.Michelini, On-linemeasurements ofthermal conduction in solids: an experiments for high school and undergraduate students, Teaching the Science of CondensedMatterandNewMaterials,GIREP-ICPEBook,Forum [5] E. Mazzega, M. Michelini, Termografo: a computer on-line acquisition system for physics education, Teaching the Science of Condensed Matter and New Materials, GIREP-ICPEBook, Forum 1996, p. 239; M. Gervasio, M. Michelini, TERMOCRONO. Un semplice sistema economicoeflessibilepermisureditemperaturaintemporeale, Didamatica 2006 Atti, red. A. Andronico, F. Aymerich, G. Fenu, AICA, Cagliari 2006, p [6] V. Mascellani, E. Mazzega, M. Michelini, Nuove opportunità di apprendimento in ottica mediante l uso dell elaboratore, La Fisica nella Scuola XXII, suppl. 4, 4, 1989, p. 48. [7] V.Mascellani, E. Mazzega, M. Michelini, Un sistema per esperienze di ottica on-line eindicazioni per attività didattiche nello studio della dffiazione ottica, La Fisica nella Scuola XXV, (Speciale congiunto AIF-SIF), 1992, p. l32. [8] F. Corni, V.Mascellani, E. Mazzega, M. Michelini, G. Ottaviani, A simple on-line system employed in experiments, Light and Information, GIREPAbstract Book, red. L.C. Pereira, J.A. Ferreira, H.A. Lopes, Univ.do Minho, Braga [9] A.Frisina,M.Michelini, Physicalopticswithon-linemeasurements of light intensity,teaching the Science of CondensedMatterandNewMaterials,GIREP-ICPEBook,Forum 1996, p Tłumaczenie: dr Przemysław Miszta POSTEPY FIZYKI TOM 60 ZESZYT6 ROK