XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение синусоидальных и несинусоидальных колебаний с помощью цифровой лаборатории «еinstein Tablet»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пашко А.Е. 1

---

1МКОУ Тогучинского района "Березиковская средняя школа"

Герман А.В. 1

---

1МКОУ Тогучинского района "Березиковская средняя школа"

Работа в формате PDF

870.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе рассмотрена возможность применения цифрового измерительного комплекса еinstein Tablet+  для получения колебаний синусоидальной и несинусоидальной формы.

Лабораторный практикум является важной составляющей обучения физики в школе. На лабораторных занятиях, в процессе проведения реального физического эксперимента происходит осознание физических законов и формируется единая картина мира

Актуальность.На развитие информационного общества влияет формирование новой информационной культуры. Это внедрение в мировое информационное пространство, умение оперировать информационными ресурсами, умение использовать мультимедийные средства представления информации для самовыражения.

В данной работе предложен наглядный эксперимент из раздела физики «Механика» изучения механических колебаний с помощью цифрового измерительного комплекса еinstein Tablet+ .

Цель данной исследовательской работы: моделирование учебных экспериментов, включающих синусоидальные и несинусоидальные механические колебания, используя, наряду с цифровым измерительным комплексом, простейшие вспомогательные устройства;

Поставлены следующие задачи:

1. Изучить и проанализировать литературу по данному вопросу;

2. Провести исследование характерных опытов по изучению синусоидальных и несинусоидальных колебаний, используя математический маятник и груз на пружине;

3. Сделать выводы по результатам исследования;

Этапы проведение работ физического практикума:

1. сбор первичной информации,

2. выдвижение гипотезы,

3. экспериментальная проверка гипотезы,

4. уточнение и формулировка выводов.

Глава 1.Теоретическая часть

1.Существенность школьного физического эксперимента в процессе изучения физики.

Активное использовать физического эксперимента в учебном процессе- это важное и необходимое условие результативности изучения физики. Любая физическая теория сопровождается анализом опытов и экспериментов, которые создали данную теорию и подтверждают её основные положения.

Эксперимент представляет редкую возможность самостоятельно выявить первопричину физического явления на опыте, а именно, в процессе его рассмотрения. Экспериментально изучив количественные связи между величинами, можно выявить закономерности. Но основе закономерностей развивается общая теория явлений.

Демонстрационный эксперимент способствует наглядному восприятию учебного материала, его пониманию и запоминанию, повышает интерес к изучению физики и создает мотивацию учения, при этом происходит познание окружающего мира на основе собственного опыта и собственных ощущений.

Большой вклад в методику и практику проведения физического эксперимента сделали такие авторы как: П.Л.Капица, В.Л.Гинзбург, но они отмечают, что современная физика изучает разнообразные явления и процессы с помощью очень сложной техники. Использовать эту технику в школьном практикуме в большинстве случаев не представляется возможным из-за сложности оборудования. А также усложняя эксперимент, на их взгляд лишает его наглядности.

Поэтому, нужно приспосабливать сложный эксперимент к учебным целям с сохранением физической сущности и глубины исследуемого явления, заменяя сложное оборудование более простым и доступным.

Мы предлагаем использовать цифровой измерительный комплекс еinstein Tablet применительно к механическим колебаниям.

2.Цифровой измерительный комплекс еinstein Tablet  одно из новейших средств, при проведении школьного физического практикума.

Современные средства измерения сокращают время для подготовки оборудования, и дают возможность проводить более сложные или ранее недоступные эксперименты.

Цифровая лаборатория еinstein Tablet+ включает в себя усовершенствованный планшетный компьютер еinstein на платформе Android OS с 8-ю встроенными датчиками и с разъемами для подключения 8-и внешних датчиков. Предоставляет возможность проводить увлекательные естественно-научные эксперименты, демонстрировать эксперимент всему классу, подключив регистратор к мультимедийному проектору.

Регистратор данных  еinstein Tablet  с программным обеспечением  MiLAB способен одновременно регистрировать данные, поступающие с 16 датчиков (используя разные способы соединения), производить до 100 000 измерений в секунду, осуществлять передачу данных посредством беспроводных соединений Wi-Fi и Bluetooth.

В регистратор данных еinstein Tablet+ встроены 8 датчиков: влажности, ЧСС, температуры, освещенности, ультрафиолета, звука, местоположения и акселерометр.

Рисунок 1.

Программное обеспечение MiLAB – инструмент для профессионального анализа экспериментальных данных имеют простой, удобный, интуитивно понятный школьникам интерфейс. 

Рисунок 2.

Основные возможности:

• Несколько режимов отображения данных: графический, табличный, панель измерительных приборов, спутниковая карта

• Пользовательские настройки отображения информации

• Проведение измерений в масштабе реального времени

• Функции экспорта и публикации данных

К планшетному компьютеру  подключаются датчики, необходимые для проведения эксперимента и проводится работа в демонстрационном режиме, выводя результаты исследований на экран через мультимедийный проектор в виде графиков и таблиц.

С помощью цифровой лаборатории еinstein Tablet мы будем проводить экспериментальные исследования, чтобы получить колебания синусоидальной и несинусоидальной формы. 

3. Механические и электрические колебания в курсе физики

Колебаниями называются движения или процессы, которые обладают определенной повторяемостью во времени.

Свободными (или собственными) называются колебания, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энергии, без дальнейшего внешнего воздействия на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Вынужденными называются колебания, если они происходят под действием периодически изменяющейся внешней силы.

Физическая природа колебаний бывает разная. Существуют механические (колебания маятников: физического, математического, груза на пружине), электромагнитные (колебания напряжений и токов в колебательных контурах и электрических цепях) и другие колебания.

Все колебательные процессы описываются одинаковыми уравнениями.

Гармонические колебания – периодические колебания, в которых зависимость колеблющейся величины от времени выражается функцией sin или cos.

Гармонические колебания величины х описываются уравнением типа

x = A cos(ωt+φ₀)

Рисунок 3.График гармонических колебаний.

Ангармонические (электрические) периодические колебания – периодические колебания, которые отличаются по форме от гармонических колебаний.

x x х

t

Рисунок 4. Графики ангармонических (электрических)колебаний.

1.1.Пружинный маятник.

Пружинным маятником называется груз массой m, подвешенный на упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием силы упругости.

Рисунок 5. Пружинный маятник.

Если шарик сместить из положения равновесия на расстояние x (равное деформации пружины) и отпустить, то на него будет действовать сила упругости пружины F , проекция которой на ось x равна с учетом малых растяжений пружины (когда справедлив закон Гука)

F=-kx,

где k – жесткость пружины, x – смещение.

1.2. Математический маятник.

Математическим маятником называется идеализированная система, состоящая из материальной точки массой m, подвешенной на невесомой и нерастяжимой нити длинной l, и колеблющейся под действием силы тяжести без трения (рисунок 1).

Период свободных колебаний математического маятника

.

Период свободных колебаний математического маятника не зависит от его массы, а определяется лишь длиной нити и ускорением свободного падения в том месте, где находится маятник.

1.3.Затухающие колебания

Свободные затухающие колебания – колебания, амплитуда которых из-за потерь энергии реальной колебательной системой с течением времени уменьшается.

Простейшим механизмом уменьшения энергии колебаний является ее превращение в теплоту вследствие трения в механических колебательных системах, а также омических потерь и излучения электромагнитной энергии в электрических колебательных системах.

Отличие затухающих колебаний от гармонических заключается в том, что из-за потерь механической энергии амплитуда колебаний не является постоянной величиной. На тело, движущееся в вязкой среде, действуют две силы: сила упругости и сила сопротивления среды, которая приводит к превращению механической энергии в теплоту (диссипация энергии).

В условиях слабого затухания колебания системы мало отличаются от гармонических. Присутствие сил трения приводит к рассеянию энергии и уменьшению амплитуды колебаний. Силы трения замедляют движение, при этом увеличивается период, то есть уменьшается частота колебаний. Такие колебания не будут гармоническими.

Зависимость смещения Х от t затухающих колебаний представлена на рисунке 7.

В этой системе отсутствует главный признак колебаний – повторяемость. Такого рода движения называют апериодическими.

Глава 2. Практическая часть.

1. Использование цифровой лаборатории еinstein Tablet в учебном физическом эксперименте по изучению механических колебаний. 

Прежде чем приступить к работе с ЦИК, была изучена инструкция по его эксплуатации, которая позволила без существенных затруднений выполнить заявленные работы.

Разработка инструментария для проведения экспериментальной работы

Для проведения эксперимента необходимо провести ряд предварительных действий: разработать гипотезу, подлежащую проверке, создать программу экспериментальных работ, определить способы и приемы вмешательства в объект исследования, обеспечить условия для проведения процедуры экспериментальных работ, разработать пути и приемы фиксирования хода и результатов эксперимента, подготовить средства эксперимента (приборы, установки).

Особое значение имеет правильная разработка методики эксперимента.

Наша методика состояла в следующем:

- для начала мы провели предварительное целенаправленное наблюдение за колебаниями математического маятника и груза на пружине с целью определения варьируемых факторов;

- создали условия, при которых возможно экспериментирование;

- систематически наблюдали за ходом развития колебаний маятника в процессе эксперимента и точно описывали факты;

- проводили систематическую регистрацию измеряемых величин;

- от эмпирического изучения перешли к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.

Во время работы было сделано 3 опыта.

Опыт 1. «Изучение колебаний пружинного маятника»

Оборудование: штатив, пружина определенной жесткости, лабораторный набор грузов (масса одного груза 100 грамм).

Цель исследования: выявление зависимости силы упругости от массы грузов. Расчет коэффициента жесткости пружины на основе полученных опытных данных.

Груз, подвешенный на пружине, растягивает её на величину x. Для экспериментального исследования зависимости силы упругости от массы груза, необходимо использовать во всех опытах грузы одинаковой массы.

Опыт повторяем, увеличивая каждый раз массу груза на 100 грамм.

В каждом опыте фиксируем результат растяжения пружины. По результатам опыта определяем жесткость пружины, используя закон Гука.

F=-kx,

где k – жесткость пружины, x – удлинение тела.

Зависимость массы груза от удлинения.

k= k= k=10,2 Н/м

Коэффициент жесткости пружины равен k=10,2 Н/м.

Вывод: Исходя из полученных измерений, мы видим, что удлинение практически мало отличается во всех опытах, а значит, колебания груза совершаются по гармоническому закону. Они синусоидальные. С помощью груза на пружине нельзя продемонстрировать несинусоидальные колебания.

Опыт 2. «Изучение несинусоидальных колебаний математического маятника»

Оборудование: математический маятник, оптический датчик, цифровая лаборатория еinstein Tablet 

Цель исследования: обнаружить зависимость между амплитудой и временем прохождения маятника через оптический датчик, получение несинусоидальных колебаний.

Соберем установку: к штативу подвесим математический маятник длиной 100см, стальной шарик находится в равновесном состоянии на уровне оптического датчика, к датчику подключена цифровая измерительная лаборатория еinstein Tablet+ 

Рисунок 9. Установка для получения несинусоидальных колебаний с помощью математического маятника

Колебания шарика, подвешенного на длинной нити, можно рассматривать как гармонические, в том случае, когда угол отклонения очень мал, порядка 3-5⁰. Необходимо выбрать интервал, в пределах которого может меняться амплитуда. Амплитуду мы будем менять.

Отклоняем шарик от положения равновесия и отпускаем его. Когда шарик проходит оптический датчик, еinstein Tablet+  фиксирует результат.

Зависимость между амплитудой и периодом колебаний математического маятника.

Результаты всех измерений занесены в таблицу. На экране дисплея мы получаем следующий вид колебаний.

Рисунок 10. Колебания математического маятника.

С увеличением амплитуды, разница между значениями больше, а значит, мы получили несинусоидальные колебания.

Опыт 3. «Изучение колебаний математического маятника с помощью датчика угла»

Оборудование: жестко подвешенный шар, датчик угла, цифровая лаборатория еinstein Tablet+ 

Цель исследования: получение несинусоидальных колебаний.

В положении устойчивого равновесия центр масс маятника расположен ниже точки подвеса на одной вертикали с ней. При отклонении из этого положения на угол φ сила тяжести создает возвращающий момент, пропорциональный Sinφ. При малых углах отклонения φ (т.е. при малых колебаниях маятника) значение синуса угла и самого угла практически совпадают, и маятник ведет себя подобно линейному осциллятору. В отсутствии трения маятник совершает простое гармоническое колебание. При больших амплитудах консервативный маятник совершает периодические колебания, которые уже не будут гармоническими. Графики таких колебаний заметно отличаются от синусоиды, а период колебаний существенно зависит от амплитуды.

Наша установка состоит из математического маятника, закрепленного на штативе с помощью муфты и лапки. Математический маятник представлен с помощью пластилинового шара массой 280 г, стального стержня, входящего в комплект датчика угла поворота и алюминиевого стержня. Датчик угла поворота с помощью проводов соединен с еinstein Tablet+, с помощью которого регистрируется этот быстро протекающий процесс.

Датчик угла поворота предназначен для преобразования угла поворота вращающегося объекта в цифровые или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Рисунок 11. Установка для изучения жестко подвешенного математического маятника.

Зависимость периода от угла подъема математического маятника

Рисунок 14. Графики угла отклонения математического маятника при колебаниях с амплитудой от 10⁰ до 90⁰.

С увеличением угла подъема маятника, увеличивается значение периода колебаний маятника.

Таким образом, получены несинусоидальные колебания жестко подвешенного математического маятника.

2.Использование результатов измерения в образовательном процессе.

Физика - одна из основных наук естествознания.

Физический эксперимент имеет большое значение в системе физического образования в связи с тем, что эксперимент занимает особое место в методологии научного познания в физике. Физика является экспериментальной наукой, и роль эксперимента в ней двояка. С одной стороны: эксперимент – это основа для выдвижения гипотезы, а с другой стороны, это критерий, подтверждающий справедливость их следствий.

Учебный физический эксперимент в обучении физики является основным инструментом для получения информации, средством наглядности, фактором развития и познания окружающего мира.

Появление цифровых измерительных комплексов упростило задачу автоматизации физического эксперимента. Данный вид учебного эксперимента интересен, позволяет познакомить с современными технологиями, ускорить процесс измерения, высвободив время для обработки, анализа и обсуждения результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цифровой комплекс не заменяет традиционное оборудование, а дает новые возможности для получения планируемых результатов при проведении лабораторных и практических работ по физике.

Опыт проведения экспериментов с использованием цифровой лаборатории еinstein Tablet+ и анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Требуется дополнительное время для обучения работе с цифровым измерительным комплексом, так как проведение измерений отличаются от измерений традиционных учебных экспериментов.

2. Производство измерений занимает гораздо меньше времени, чем в традиционном эксперименте.

3. Большим плюсом применения цифровой лаборатории является повышенная наглядность результатов, так как они записываются автоматически и графически представляются.

Итак, цифровые измерительные комплексы упрощают вычислительную работу, уменьшают время, затраченное на всевозможные расчеты, позволяют решать задачи с реальными данными, организовать численные и графические эксперименты, выдвигать и проверять гипотезы.

Применение цифровых измерительных комплексов способствует углублению знаний по физике, повышению интереса к изучению физики, развитие исследовательских и коммуникативных умений.

Обучение физике с применением цифровых измерительных комплексов нужно строить с учетом принципов проблемности.

Существенным плюсом применение цифрового измерительного комплекса является наглядность результатов, так как они записываются всегда автоматически в форме для графического представления и любой математической обработки. Таким образом, практическое освоение математического аппарата повышает компетенции в области физического эксперимента.

Список литературы

1.Оспенникова Е.В., Оспенников Н.А., Антонова Д.А., Оспенников А.А. под общ. ред. Е.В. Оспенниковой. Теория и методика обучения физике в средней школе. Избранные вопросы. Школьный эксперимент в условиях современной информационно-образовательной среды: учебно-методическое пособие. Пермь. гос. гуманит.- пед. ун-т.– Пермь, 2013, – 357с.

2.Лансберг Г.С. Элементарный учебник физики. Учебное пособие. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

3.Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе. Научный метод познания и обучение [Текст], - М.:ВЛАДОС,2004.– 463с.

4.Шахмаев Н. М., Шилов В. Ф. Физический эксперимент в средней школе: Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. – М.: Просвещение, 1989. – 255с.: ил. – ( Б-ка учителя физики).

5.Эксперименты по физике для MiLAB. Центр инновационных технологий в образовании. ЦИТО, Москва, 2019