Сайт "Компьютерное моделирование физических явлений"

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Дальнейшее движение к информационному обществу требует формирования у учащихся и студентов информационной культуры, понимания сущности информационных процессов, умения работать с информацией, используя для ее получения, обработки и передачи компьютерную технологию, современные технические средства и методы.

Важным направлением использования компьютеров в образовании является применение сетевых технологий, создание единой информационной образовательной среды с подключением к глобальной сети Интернет. Это позволяет оптимальным образом удовлетворить образовательные потребности, обеспечить доступ к информационным ресурсам, формирует информационную культуру, способствует переходу учебного процесса на качественно более высокий уровень, повышает эффективность самостоятельной работы учащихся. В результате открываются большие возможности для внедрения передовых технологий и в первую очередь мультимедия--технологий, позволяющих создать на уроке эффект виртуальной реальности.

Информатизация образования отразилась на методике преподавания всех дисциплин, и в первую очередь --- дисциплин физико-математического цикла. Применение ИТ при изучении физических явлений существенно расширяет возможности преподавателя, позволяя ему использовать современные методы исследования и сочетать теоретическое изучение явлений с компьютерным моделированием, демонстрацией видеофрагментов и анимаций, реальным экспериментом, в котором компьютер выступает в качестве части экспериментальной установки или для обработки результатов измерений и т.д.

Между физикой и информатикой существует тесная связь, обусловленная тем, что: 1) вычислительная техника позволяет объяснить и показать использование физических принципов на практике; 2) компьютер может быть использован в качестве генератора сигналов или измерительного устройства в учебном эксперименте; 3) появилась возможность осуществления в рамках учебного процесса вычислительного эксперимента. Кроме того, ПК может быть использован для обработки файлов, полученных на других устройствах (сканерах, фото-- и видеокамерах и т.д.), для математической обработки и графического представления результатов.

Основным инструментом учителя, использующего ИТ, является персональный компьютер, соединенный по локальной или глобальной сети с другими ПК, к которому подключены различные периферийные устройства: принтер, сканер, микрофон, колонки, цифровая фото и видеокамера, проектор и т.д. Результативное использование этих сложнейших электронных устройств требует не только понимания современных методов обработки информации, принципов функционирования ЭВМ и периферийных устройств, но и осознания возможностей и овладения методикой использования информационных технологий в образовании.

1. Сопряжение ПК с внешними устройствами. Персональный компьютер — многофункциональный прибор, который может быть использован в экспериментах в качестве генератора сигналов и измерителя различных физических величин. Для этого можно использовать последовательный COM — порт или параллельный порт LPT, которые позволяют обмениваться информацией с подключенным к нему внешним устройством.

Порт LPT состоит из 25 выводов и используется для подключения принтера. При этом используется стандарт Bitronix. Назначение каждого вывода: 1 вывод — стробирующий, то есть передающий сигнал, синхронизирующий передачу информации, 2 — 9 выводы — восьмиразрядная шина, используемая для передачи 1 байта от ПК к внешнему устройству, 10 — 17 — шина передачи данных о состоянии принтера (подтверждение приема данных, сигнал "занят", конец бумаги, перевод строки, ошибка, готовность к работе и т.д.). Выводы 18 — 25 образуют общую шину заземления (корпус ПК). Для считывания 1 байта информации от внешнего устройства используются 10 — 17 выводы LPT — порта, при этом передаваемое восьмиразрядное двоичное число записывается в ячейку ОЗУ с адресом 379₁₆ = 889₁₀. Чтобы переслать 1 байт информации от ПК к внешнему устройству необходимо записать соответствующее восьмиразрядное двоичное число в ячейку памяти ОЗУ с адресом 378₁₆ = 888₁₀.

В языке Basic для считывания числа из ячейки памяти используется команда x = INP(&H379) или x = INP(889), а для записи числа в порт — OUT &H378, 123 или OUT 888, 63. В языке Pascal им соответствуют операторы: Port[888]: = 212; Port[&378]: = 12; — запись числа в ячейку ОЗУ с адресом 888₁₀; x: = Port[889]; или x: = Port[&379]; — считывание числа из ячейки 889₁₀ и его присвоение переменной x.

2. Изучение магнитоконтактного датчика. Геркон (герметичный контакт) — стеклянный баллон с двумя ферромагнитными контактами, которые замыкаются при поднесении магнита. Подключим геркон 2 к параллельному порту LPT (выводы 11 и 25) и поднесем магнит 1 (рис.1, а). Вдали от магнита геркон незамкнут, на всех выводах порта логическая 1, поэтому в ячейке памяти с адресом H379 находится число 11111111 (255). При поднесении магнита соответствующий вывод LPT порта замыкается на общий, на нем появляется логический 0. В ячейку памяти H379 помещается число 01111111 (127), которое может быть считано командой x = INP(&H379).

CLS : x = INP(&H379)  'Пр-1 
WHILE INKEY = ""        
WHILE x = 255: x = INP(&H379)
PRINT "1"; : WEND 'Цикл 1.1
WHILE x = 127: x = INP(&H379)
PRINT "0"; : WEND 'Цикл 1.2
WEND : END

Опыт 1. Тестирование геркона. Наберите программу 1 (Пр-1), к порту LPT подключите геркон. Запустите программу и поднесите к геркону магнит. Пронаблюдайте, как на экране компьютера 0 сменяется на 1 и наоборот. Пока геркон замкнут, переменная x равна 225, программа вращается в цикле 1.1, печатая на экране "1". Когда геркон разомкнут, x равно 127, программа вращается в цикле 1.2, печатая на экране "0". При нажатии на пробел компьютер выходит из программы.

CLS : x = INP(&H379)     'Пр-2 
WHILE x = 127: x = INP(&H379)  
PRINT "ОЖИДАНИЕ "    'Цикл 1
WEND : T0 = TIMER
WHILE x = 255: x = INP(&H379) 
PRINT "ГЕРКОН ЗАМКНУТ" 'Цикл 2
WEND         
T = TIMER: PRINT "ВРЕМЯ ", T - T0
END

Опыт 3. Измерение времени между последовательными замыканиями. Самостоятельно напишите программу и запустите ее. К геркону поднесите магнит, удалите его и через время 5 — 20 с, отсчитанное по секундомеру, снова поднесите. На экран компьютера должно выводиться время между последовательными замыканиями. Такая программа на языке Pascal приведена в приложении.

3. Подключение и программирование оптодатчика. Для измерения скорости тела к нему прикрепляют флажок длиной Δ l и определяют время пересечения Δ t светового пучка, идущего от светодиода (лампочки) к фотодиоду оптодатчика. Скорость будет равна v = Δ l / Δ t .

Оптодатчик состоит из инфракрасного светодиода 3, напротив которого установлен фотодиод 5, подключенный к ПК через схему сопряжения 6 (рис. 1, б). При пересечении оптодатчика флажком 4 на выходе схемы резко меняется напряжение: логическая 1 сменяется логическим 0 или наоборот. Зная время пересечения светового пучка или время между двумя последовательными пересечениями, можно определить скорость тела. Схема оптодатчика изображена на рис. 2, а). Его питание осуществляется от 3 и 25 выводов порта LPT, для чего по адресу H378 записывают число 255.

Опыт 4. Тестирование оптодатчика. Подключите оптодатчик, наберите программу Пр-3 и запустите ее. Программа содержит цикл 1, в котором находятся вложенные циклы 1.1 и 1.2. Если в порт LPT поступает число 11111111₂ = 225, то программа вращается в цикле 1.1 и на экране печатается "1". Если в порт LPT поступает число 01111111₂ = 127, то программа вращается в цикле 1.2, на экран выводится "0". Освещая и затемняя фотодиод, убедитесь в том, что программа работает описанным выше образом.

OUT &H378, 255       'Пр-3
WHILE INKEY = "" 
x = INP(&H379): WHILE x = 255
x = INP(&H379): PRINT "1";
WEND
t0 = TIMER: WHILE x = 127
x = INP(&H379): PRINT "0";    
WEND
t = TIMER: PRINT t - t0  
WEND: END

Опыт 6. Измерение времени между двумя пересечениями светового пучка. Самостоятельно напишите программу, которая ждет первого затемнения оптодатчика, после чего присваивает переменной T0 текущее время по системным часам ПК, затем ждет второго пересечения оптодатчика и соответствующее время присваивает переменной T. Разность T-T0 должна выводиться на экран. Запустите программу, измерьте время между последовательными пересечениями оптодатчика с помощью секундомера и ПК, сравните результаты.

4. Подключение датчика координаты к ПК. Для измерения медленно изменяющихся величин может быть использован аналого — цифровой преобразователь, состоящий из генератора прямоугольных импульсов 2, частота которых зависит от сопротивления резистора 1, являющегося, например, датчиком координаты (рис. 3, а). Сигнал с генератора подается в ПК. Чем меньше сопротивление резистора, тем быстрее происходит заряд или разряд конденсатора, соответственно выше частота импульсов. Генератор собран на микросхеме К155ЛА3 (рис. 2, б), питание — от параллельного LPT — порта.

ПК в течение заданного промежутка времени dt (например, 1 с) считает количество поступивших импульсов, и определяет их частоту. Результаты подсчета импульсов могут выводиться на экран в графическом виде, в числовом формате, либо записываться в файл.

Опыт 7. Изучение датчика координаты. К ПК подключите АЦП с датчиком координаты. Наберите программу Пр-4 и запустите ее. Поворачивая подвижный контакт резистора, пронаблюдайте получающуюся кривую зависимости координаты от времени. Повторите предыдущий опыт, задав другие время счета импульсов dt и масштаб M. Измените программу так, чтобы она через заданное время dt выводила координату в числовом виде.

SCREEN 2: LINE (10, 180)-(640, 180) 
LINE (10, 0)-(10, 480)    'Пр-4
OUT (888), 255: M = .2
WHILE INKEY = ""
n = 0:dt = 1:t0 = TIMER:t = t0 +.01
WHILE t - t0 < dt
x = INP(889): 'PRINT " x= ", x;
IF (y = 127) AND (x = 255) 
           THEN n = n + 1
y = x: t = TIMER
WEND
n = M * (n - 80): tt = tt + dt
LINE (10 + tt * 5, 180 - n / dt)-
(10 + (tt - dt) * 5, 180 - nn / dt)
nn = n: 'PRINT "КООРДИНАТА", n / dt;
WEND: END

5. Использование ПК в опытах по механике. Персональный компьютер, соединенный с одним из рассмотренных выше датчиков, при наличии соответствующего программного обеспечения становится универсальным прибором, позволяющим измерять длительность исследуемого процесса, подсчитывать количество импульсов за заданный промежуток времени, вычислять скорость движения и координату, строить графики. Ниже рассмотрены лишь некоторые примеры использования ПК в учебном эксперименте по механике.

Опыт 9. Изучение вращения Сегнерова колеса с помощью геркона. Сегнерово колесо, выполнено в виде подвешенной на нити пластиковой бутыли на 2 л с двумя изогнутыми трубками. К боковой поверхности бутылки приклеены два постоянных магнита, а рядом с ней расположен геркон так, что при вращении бутылки происходит его срабатывание. Геркон подключают к ПК и запускают программу, периодически определяющую время замыкания геркона и скорость вращения Сегнерова колеса. Результаты измерений могут выводиться на экран в текстовом и графическом виде или сохраняться в файле. Под действием реактивной силы Сегнерово колесо набирает скорость, закручивая нить, останавливается и начинает вращаться в противоположную сторону, совершая затухающие колебания.

Опыт 10. Изучение реактивного движения Сегнерова колеса с помощью оптодатчика. Соберите установку, состоящую из подвешенной на нити 1 пластиковой бутыли 3 на 2 л с двумя изогнутыми трубками 5, к горлышку которой прикреплен диск 2 с 96 прорезями по краю (рис. 4). В верхней части бутылки имеется отверстие для воздуха. Вблизи края диска установите оптодатчик (лампочка 6, фотодиод 7), подключенный через схему сопряжения 8 (рис. 2, б) к параллельному порту ПК 9. При вращении бутыли с диском происходит периодическое освещение и затемнение фотодиода, в результате чего в компьютер поступает последовательность логических 0 и 1, которая обрабатывается соответствующей программой написанной на языке Pascal или Qbasic. Результаты измерений скорости вращения в последовательные моменты времени выводятся на экран в цифровом или графическом виде. Запустите Сегнерово колесо и получите на экране компьютера график зависимости скорости от времени (рис. 5, а). Скорость сначала увеличивается до некоторого значения, затем бутыль останавливается и начинает вращаться в противоположном направлении.

Аналогичный опыт был проведен с другим колесом Сегнера, имеющим вид цилиндрического сосуда с двумя соплами, установленного на вертикальном заостренном стержне. Экспериментальная кривая изображена на рис. 5, б). Результаты компьютерного моделирования, представлены на рис. 5, в).

Опыт 11. Ускоренное движение тела под действием вращающего момента. К неподвижному блоку прикрепите диск с прорезями, а рядом установите оптодатчик так, чтобы прорези при вращении диска пересекали световой пучок оптодатчика, периодически открывая и закрывая фотодиод. На блок намотайте нить, к концу которой привяжите тело. На ПК запустите программу, считающую количество импульсов в единицу времени с выхода оптодатчика. Отпустите груз, система придет во вращение и на экране монитора получится график зависимости угловой скорости диска от времени. Проведите серию опытов при различных массах груза.

Для изучения торможения диска силами трения используется скамья Жуковского (диск с подшипником, способный вращаться вокруг вертикальной оси), на которую кладут постоянный магнит. Рядом с диском устанавливают геркон так, чтобы при вращении магнит вызывал замыкание контактов геркона. Геркон подключают к ПК, рукой раскручивают диск и запускают программу, измеряющую время замыкания геркона (или время между последовательными замыканиями). Из — за сил трения скорость вращения &omega уменьшается. Исходя из экспериментальной зависимости ω = ω (t) методами численного интегрирования и дифференцирования ПК рассчитывает угловое перемещение φ (t) и ускорение ε (t), строит соответствующие кривые (рис. 6).

Опыт 12. Вращение тела в вязкой среде. К центру алюминиевого диска 1 с прорезями прикрутите стальной болт, за который подвесьте диск к постоянному магниту 3 так, чтобы он вращался вокруг вертикальной оси, оставаясь в горизонтальной плоскости (рис. 8). На диск наденьте крыльчатку 2, увеличивающую силу сопротивления воздуха. Под диском расположите магнитный движитель 8, состоящий из двух обмоток на U-образном сердечнике, одна из которых замкнута накоротко, а другая подключена к ЛАТРу. Вблизи края диска установите соединенный фотодиод 6 и лампочку 7 так, чтобы при вращении диска прорези пересекали световой пучок (рис. 8).

Фотодиод 6 подключите через схему сопряжения 4 (рис. 2, а) к ПК 5 и запустите программу, определяющую количество прорезей, прошедших мимо оптодатчика за 1 c, вычисляющую угловые скорость, перемещение и строящую график их зависимости от времени (рис. 7). Проведите серию опытов, включая и выключая движитель, подавая на него различные напряжения и поворачивая его так, чтобы изменялось направление вращающего момента, действующего на диск.

Опыт 13. Затухающие колебания физического маятника. Установка включает в себя физический маятник, выполненный в виде металлической пластины 1 с флажком 3 на конце, и оптодатчик, состоящий, например, из лазерной указки 4, фотодиода 5 и схемы сопряжения 6 (рис. 9, а). Оптодатчик подключите к ПК и расположите его под точкой подвеса так, чтобы, проходя положение равновесия, маятник пересекал световой пучок. На языке Pascal напишите программу, определяющую скорость прохождения маятником положения равновесия. Результаты измерений амплитуды скорости можно сохранять в файле и выводить на экран в текстовом или графическом виде (рис. 9, б). Графиком зависимости амплитуды скорости от времени в случае затухающих колебаний является экспонента. По экспериментальным результатам можно оценить логарифмический декремент затухания для маятника без флажка и с флажком (кривые 1 и 2, рис. 9, б).

Опыт 14. Изучение нелинейности колебаний физического маятника. Используется программа на языке Pascal, измеряющая время между двумя пересечениями оптодатчика. Соберите установку, состоящую из физического маятника, вблизи положения равновесия которого расположен оптодатчик (опыт 4 и 5). Отклоните маятник от положения равновесия и отпустите, — на мониторе ПК будет выведена длительность половины колебания. Несколько раз повторите опыт, отклоняя маятник на 10 — 90 градусов от вертикали, и убедитесь в том, что период колебаний с ростом амплитуды незначительно увеличивается. Это доказывает, что при большой амплитуде колебания физического маятника нелинейны.

Опыт 15. Затухающие колебания крутильного маятника. На длинной нити подвесьте осесимметричое тело (например, пластиковую бутыль с водой), к которому прикреплен диск с 96 прорезями по краю. Рядом с краем диска расположите оптодатчик, соединенный с ПК. Закрутите тело и отпустите его так, чтобы оно совершало крутильные колебания. Период колебаний должен быть не менее 10 с. Запустите программу, которая считает число прорезей, проходящих мимо оптодатчика, и строит график зависимости модуля угловой скорости от времени (рис. 10). Повторите опыты при других параметрах маятника.

Рассмотренные выше опыты не исчерпывают всех возможностей использования ПК в учебном эксперименте по механике. Подключение к порту LPT цифро — аналогового преобразователя позволяет получить универсальный генератор сигналов произвольной формы. Возможно превращение ПК в цифровой осциллограф. Эти приборы позволяют модернизировать многие эксперименты по механике и другим разделам физики.

6. Изучение параллельного порта ПК. Для визуализации состояния и изучения работы паралеллельного LPT-порта может быть использована линейка из 8 светодиодов, подключаемых к его выводам. В случае записи в ячейку ОЗУ 379₁₆ числа 1₁₀ = 00000001₂ будет гореть 1 светодиод, если записать число 64₁₀ = 01000000₂, загорит 7 светодиод. Если записать число 15₁₀ = 00001111₂, загорит последние 4 светодиода и т.д.

Опыт 16. Управление линейкой светодиодов. Напишите программу, вызывающую свечение а) пятого и восьмого светодиодов; б) всех светодиодов кроме третьего; в) восьмого, седьмого и шестого светодиодов; г) всех четных светодиодов; д) всех нечетных светодиодов.

WHILE INKEY = ""      'Пр-5
x = 0 : OUT &H378, x 
FOR i = 1 TO 100: PRINT x: NEXT
x = 1 : OUT &H378, x 
FOR i = 1 TO 100: PRINT x: NEXT
...............................
x =128: OUT &H378, x 
FOR i = 1 TO 100: PRINT x: NEXT
WEND

Опыт 18. Мигание четных и нечетных светодиодов. Напишите программу, которая вызывает периодическое загорание четных светодиодов, их гашение с одновременным загоранием нечетных светодиодов и т.д. Повторите опыты изменяя время свечения светодиодов и частоту их мигания.

7. Создание ЦАП и опыты с ним. В учебном эксперименте компьютер может быть использован в качестве формирователя сигналов заданной формы. Для этого к порту LPT подключают цифро — аналоговый преобразователь. Простейший ЦАП может быть собран из резисторов (рис. 11).

Если в ячейку памяти 378₁₆ записать число u от 0 до 255, то на 8 выводах параллельного порта, соединенных с входами АЦП, появляется комбинация из 8 логических 0 и 1, соответствующая числу u в двоичном коде. Схема АЦП такова, что вклад логической 1, поданной на вход более старшего разряда, в соответствующее число раз больше. Получается так, что напряжение на выходе ЦАП прямо пропорционально величине u, в чем можно убедиться с помощью вольтметра.

Для того, чтобы получить на выходе ЦАП прямоугольные импульсы, в параллельный порт следует записывать числа x, равные 0, ... 0, 255, ... 255, 0, ..., 0, 255, ... Для получения пилообразного напряжения, величина u должна в цикле равномерно увеличиваться от 0 до 255, затем обращаться в 0, после чего снова увеличиваться. Аналогичным образом генерируются синусоидальные колебания. Для сглаживания ступенек, получающихся на выходе ЦАП, параллельно вольтметру подключают конденсатор.

WHILE INKEY = ""       'Пр-6
OUT &H378, 255  
FOR i = 1 TO 3000: PRINT "255": NEXT
OUT &H378, 127
FOR i = 1 TO 3000: PRINT "127": NEXT
OUT &H378, 0
FOR i = 1 TO 3000: PRINT "0": NEXT
WEND

WHILE INKEY = ""       'Пр-7
OUT &H378, 255 
FOR i = 1 TO 1000: PRINT "255": NEXT
OUT &H378, 0
FOR i = 1 TO 1000: PRINT "0": NEXT
WEND          

 uses crt, dos;      'Пр-8   
 var i: integer; {Пилообразные}    
 begin        {импульсы} 
 Repeat                
 for i:=1 to 255 do          
 begin port[888]:=i; write(i,' '); 
 delay(500); end; until KeyPressed;  
 end.                 

 uses crt, dos;     'Пр-9
 var i: integer; {Гармонические}  
 begin        {колебания}
 Repeat i:=i+1; 
 port[888]:=round(127+127*sin(i/5000));
 until KeyPressed;
 end.

8. Цифровой осциллограф на базе компьютера. Использование ПК в учебном процессе в качестве осциллографа имеет ряд преимуществ: 1) компьютеры многофункциональны, распространены и доступны, в то время как современный средний осциллограф имеет высокую стоимость и решает сравнительно узкий класс задач; 2) ПК имеет большой экран, что позволяет демонстрировать осциллограммы аудитории; 3) оцифрованный сигнал можно записать в графический файл и затем его обработать; 4) учащиеся учатся программировать, понимают сущность оцифровки аналогового сигнала.

В цифровом осциллографе осуществляется преобразование аналогового сигнала в цифровой. Это может быть сделано, например, с помощью самодельного аналого — цифрового преобразователя на базе ПК (Р. В. Акатов, О. Е. Данилов) либо с помощью звуковой платы (Г. Г. Матаев).

Нами использовался простейший АЦП (Р.В.Акатов), включающий в себя компаратор 2, цифро — аналоговый преобразователь 3 и персональный компьютер 4, выполняющий роль блока подбора двоичного числа (рис. 12). Оцифровка входного сигнала, снимаемого с генератора 1, осуществляется с помощью специальной программы, написанной на языке Pascal.

Программа быстро перебирает все числа n от 0₁₀ = 00000000₂ до 255₁₀ = 11111111₂, выводя их в параллельный порт, соединенный с 8 входами ЦАП. На выходе ЦАП возникает пилообразное напряжение u₀(t) = nΔ U, где Δ U — шаг квантования по напряжению. Оно подается на вход операционного усилителя (ОУ), работающего в режиме компаратора. На другой вход ОУ подается исследуемое напряжение u(t), изменяющееся значительно медленнее. Когда u(t) оказывается равным u₀(t) логический 0 на выходе ОУ сменяется логической 1. Это регистрируется компьютером и он запоминает двоичное число x_i, соответствующее входному напряжению в момент отсчета t_i. Это число записывается в массив, после чего все повторяется снова. Когда массив оказывается заполнен, программа стирает предыдущий и, перебирая все элементы массива, строит новый график зависимости u(t). Затем все повторяется снова.

Опыт 21. Исследование работы цифрового осциллографа. Соедините вход АЦП с источником и плавно измените величину подаваемого напряжения. Выведите результаты измерений медленно меняющегося напряжения в числовом или графическом виде. Подайте переменное напряжение от генератора звуковой частоты и получите осциллограмму. Измените амплитуду и частоту. Оцените чувствительность осциллографа и максимальную частоту входного сигнала, осциллограмма которого может быть получена на экране.

9. Цифровой осциллограф со ждущей разверткой. Для изучения быстро протекающих процессов осциллограф переключают в ждущий режим. Для запуска ждущей развертки следует использовать еще один вход LPT — порта, на который подают запускающий сигнал. При появлении на нем логического 0 программа начинает оцифровку сигнала на входе АЦП, заполняет массив, стирает предыдущую и строит новую осциллограмму на экране, после чего переходит в режим ожидания, который длится до прихода следующего импульса.

Цифровой осциллограф со ждущей разверткой может быть использован для изучения распространения звуковых импульсов. Экспериментальная установка состоит из генератора импульсов 1 с динамиком 2 на выходе, микрофона 3, подключенного через усилитель 4 к аналого — цифровому преобразователю, состоящему из компаратора 5, цифро — аналогового преобразователя 6 и персонального компьютера 7 (рис. 13). Сигнал с генератора идет к порту LPT ПК для синхронизации развертки. Оцифровка сигнала с микрофона осуществляется с помощью программы, написанной на языке Pascal.

При включении генератор импульсов вырабатывает импульсы частотой около 1 Гц, которые преобразуются динамиком в звуковые и одновременно подаются в LPT-порт ПК. В результате ПК начинает оцифровывать аналоговый сигнал с микрофона. Когда звуковой сигнал достигает микрофона, на его выходе возникает импульс напряжения, который оцифровывается и сохраняется в массиве. После этого осуществляется очистка экрана и по записанным в массив значениям строится график зависимости напряжения на выходе усилителя от времени. С приходом нового импульса все повторяется снова. На экране монитора возникает осциллограмма сигнала с микрофона, синхронизированная сигналом с генератора импульсов.

Приближая и удаляя микрофон от динамика, можно обнаружить, что осциллограмма импульса на экране ПК смещается влево или вправо соответственно. Если сзади микрофона поднести экран, отражающий звуковые волны, то на экране появится осциллограмма отраженного импульса. Перемещая экран можно пронаблюдать интерференцию падающего и отраженного импульсов.

Для измерения скорости распространения звука следует отградуировать экран монитора по горизонтали в миллисекундах. Для этого динамик подключают к звуковому генератору, работающему на частоте 5 кГц, и определяют расстояние на экране монитора, соответствующее длительности одного колебания. Затем динамик снова подсоединяют к генератору импульсов и, удаляя микрофон на 0,5 — 1,0 м, измеряют смещение осциллограммы импульса на экране монитора, вычисляя соответствующее время и скорость звука. Установка также позволяет продемонстрировать интерференцию звуковых импульсов и принцип эхолокации.

Опыт 22. Изучение распространения звуковых импульсов. Соберите установку, запустите ПК и генератор импульсов, получите на экране осциллограмму сигнала с микрофона. Приближая и удаляя динамик от микрофона на 0,5 — 1 м, измерьте соответствующее смещение осциллограммы и вычислите скорость звука. Пронаблюдайте интерференцию непосредственно падающего и отраженного импульсов. Для изучения модели эхолота и принципа эхолокации установите динамик и микрофон рядом, между ними поставьте экран, а перед ними — препятствие, от которого будут отражаться звуковые волны.

10. Учебные опыты со звуковой платой ПК. Для превращения ПК в измерительный прибор или генератор сигналов применяются специальные платы расширения, стоимость которых сравнительно велика. Но даже обычная звуковая плата содержит АЦП, ЦАП и может осуществить оцифровку входного и генерацию выходного сигналов специальной формы. Для получения из ПК цифрового вольтметра, частотомера, осциллографа или спектроанализатора исследуемый сигнал подают на микрофонный вход, либо на линейный вход LINE — IN звуковой платы. Линейный вход позволяет заводить в ПК два сигнала амплитудой около 1 — 2 В и частотой до 20 кГц. Генерируемые сигналы снимаются с линейного выхода LINE — OUT.

Требуемое программное обеспечение (Oscilloscope2.51, Audio Tester, Marchand Function Generator) можно скачать из Интернета. На рис. 14 показаны осциллограммы двух сигналов с релаксационного генератора, полученные с помощью программы Virtins Sound Card Oscilloscope, эммулирующей двулучевой осциллограф.

Существуют специальные аудиоредакторы, позволяющие генерировать звуковые колебания требуемой частоты, записывать сигнал с микрофона, осуществлять его спектральный анализ, строить сонограмму — зависимость амплитуды и частоты от времени. К ним относятся, например, Cool Edit Pro и Sound Forge.

На рис. 15 показан результат сканирования звукового поля между двумя динамиками, полученный с помощью Cool Edit Pro. Компьютер работает в многозадачном режиме: под управлением одной программы колонки вырабатывают звуковой сигнал, а с помощью другой осуществляется запись сигнала с микрофона в файл. При равномерном перемещении микрофона между динамиками на экране ПК получается последовательность минимумов и максимумов, соответствующая узлам и пучностям стоячей волны.

11. Программирование звуковой платы. 1. Определенный интерес представляет собой самостоятельное написание программы, обрабатывающей сигналы со звуковой платы. На основе работ Матаева Г.Г. нами написано несколько программ (Пр-10 — 12), решающих эту задачу.

Параметры используемого ПК: Intel Celeron, 416 МГц, операционная система Windows 98 SE. Звуковая плата ES1868 Plug and Play AudioDrive, диапазон ввода — вывода: 0220-022F. Перед запуском программ требуется отключить драйвер звуковой платы: Мой компьютер ==> Панель управления ==> Система ==> Устройства ==> ES1868 Plug and Play AudioDrive (WDM). Выбрать "Свойства", поставить галочку в опции "Отключено в данной конфигурации". Интерфейс звуковой платы отключать не следует. После этого необходимо перезагрузить ПК. К входу звуковой платы следует подключить микрофон, либо подать исследуемый сигнал амплитудой в несколько милливольт. Листинг программы на Basic представлен ниже (Пр — 10).

SCREEN 11          'Пр-10
OUT &H226, 1 
FOR t = 0 TO 100: NEXT 
OUT &H226, 0  
FOR t = 0 TO 100: NEXT 
n = 1000: DIM u(n) 
100 : CLS : i = 1  
WHILE ABS(x(i) - 127) < 10
GOSUB 200: WEND
FOR i = 1 TO n
GOSUB 200 
CIRCLE (i,(x(i) - 127) * 1 + 200), 1
LINE (i -1,z)-(i,(x(i) - 127) + 200)
z = (x(i) - 127) * 1 + 200
NEXT i
GOTO 100 
END
'=======================
200: OUT &H22C, &H20 
x(i) = INP(&H22A): RETURN

Программирование звуковой платы состоит в записи команды 20h (команда ввода 1 байта данных) в ячейку 22Ch с помощью оператора port[&22C]: = &20;. Операторы port[&226]: = 1; port[&226]: = 0; используются для сброса цифрового сигнального процессора и обеспечения правильной работы звуковой платы. Результат оцифровки входного сигнала считывается оператором port[&22A]; (Пр-11).

uses crt, graph;       'Пр-11
Const n=1000;
var x: array [0..N] of integer;
Gd, Gm, i, z: integer;
BEGIN Gd:=Detect; 
InitGraph(Gd,Gm, 'c:\bp\bgi');
if graphResult <> grOk then Halt(1);
port[226]:=1; delay(10); port[226]:=0;    
Repeat 
Repeat port[22C]:=20; 
     until port[22A]-127>10;
cleardevice;                   
for i:=1 to n do
 begin port[22C]:=20; 
   x[i]:=port[22A]-127; 
   circle(i,240-x[i],2);          
   line(i,240-x[i],i-1,240-z); 
   z:=x[i]; delay(5);
 end;
until KeyPressed;                
END.

2. Компьютер можно одновременно использовать в качестве генератора сигнала и регистрирующего устройства. Это позволяет осуществить следующий эксперимент: с LPT порта послать импульс на звуковые колонки, а перед ней установить микрофон, соединенный с входом звуковой платы компьютера. Колонки будут генерировать звуковые импульсы, а на экране монитора получится осциллограмма сигнала с выхода микрофона. Возможно написать программу так, чтобы процесс оцифровки сигнала с микрофона запускался импульсом, вырабатываемым динамиком.

Рассмотрим листинг предлагаемой программы (Пр-12). С помощью оператора port[888]: = 255; (или 0) осуществляется подача логической 1 (или 0) на 2 — 9 выводы LPT — порта. К одному из них через резистор 1 кОм и следует подключить вход активных колонок. С приходим импульса колонки выдают щелчок и одновременно запускается оцифровка сигнала с выхода микрофона. В результате положение осциллограммы на экране (рис. 16, б) зависит от расстояния между микрофоном и динамиком. При удалении микрофона импульс на экране смещается вправо. Для стабилизации осциллограммы на экране монитора вычисляется среднее значение sredn оцифрованного напряжения по всему массиву x[i] и учитывается его изменения.

uses crt, graph;       'Пр-12
Const n=200; m=5;
var x: array [0..N] of integer;
s, sredn, Gd, Gm, i, z: integer;
BEGIN Gd:=Detect; 
InitGraph(Gd,Gm, 'c:\bp\bgi');
if graphResult <> grOk then Halt(1);
port[226]:=1; delay(10); port[226]:=0;
Repeat 
{Repeat port[22C]:=20; until port[22A]-127>5;}
port[888]:=255; delay(15); 
port[888]:=0; delay(15);
port[888]:=255; delay(15); 
port[888]:=0; s:=0;
for i:=1 to n do 
 begin port[22C]:=20; 
 x[i]:=(port[22A]-127);
 delay(1); s:=s+x[i]; 
 end; sredn:=round(s/n);
for i:=1 to n do begin 
 circle(m*i,240-x[i]+sredn,2);
 line(m*i,240-x[i]+sredn, 
           m*(i-1),240-z+sredn); 
 z:=x[i]; end;
delay(3000); cleardevice;
until KeyPressed;
END.

На рис. 17 показан результат подобной обработки дифракционной картины, получающейся при дифракции пучка лазерного света на щели. Дифракционная картина была сфотографирована цифровым фотоаппаратом, после чего обработана в редакторе Adobe Photoshop. Сначала необходимо получить из цветного изображения черно-белого (режим: градации серого) и соответствующим образом изменить его контрастность. Последовательность действий при обработке фотографий в среде MathCAD описана в различных учебниках. Файл записывают в формате .bmp или .jpg в каталог "C". Оператор M:=READ..IMAGE("...") позволяет получить матрицу M, элементы которой соответствуют яркости отдельных пикселей цифровой фотографии. С помощью оператора submatrix(M,..,..,..,..) вырезается заданная часть матрицы, содержимое которой также можно вывести на экран. После этого осуществляется суммирование элементов в каждом столбце, сглаживание и построение графика зависимости интенсивности от координаты.

13. Использование фото — и видеокамеры. 1. Видеокамера состоит из объектива, ПЗС — матрицы, на которую фокусируется изображение предмета, и запоминающего устройства. Происходит последовательный опрос светочувствительных элементов, в результате чего формируется кадр, который сжимается и записывается в видеофайл. После этого происходит считывание следующего кадра и т.д. Фотокамера как правило используется для получения одиночного кадра.

Современная аналоговая и цифровая фото — и видеотехника часто применяется в учебном процессе для получения и демонстрации фотографий и видеозаписей различных физических явлений, экспериментальных установок, а также для создания анимаций. Кроме того, видеокамера может быть использована для записи исследуемого процесса и его разложения по кадрам, что позволяет проследить динамику развития явления. При необходимости отдельные этапы развития процесса могут быть растянуты, и показаны с требуемым замедлением.

В качестве примера рассмотрим следующий опыт. Чтобы продемонстрировать влияние силы вязкого трения на движение тела, учитель бросает под углом к горизонту небольшой груз с парашютом. При этом учащиеся видят, что за счет сопротивления воздуха тело движется по траектории, сильно отличающейся от параболы, причем из — за потери скорости кривая спуска более крутая, чем кривая подъема. Нами в качестве тела использовался груз массой 10 г, парашют сделан из простого полиэтиленового пакета и имеет куполообразную форму диаметром 10 см. В другом варианте тело представляет собой смятый лист бумаги с привязанной к нему резиновой петлей для запуска.

Эта демонстрация может быть дополнена показом видеофрагмента. Для этого тело с парашютом бросают параллельно стене, снимая его полет на видеокамеру. В опытах применялась аналоговая видеокамера Panasonic, отснятый видеоматериал был перезаписан на видеомагнитофон, а затем оцифрован с помощью тюнера AVerMedia AverTV и программы Adobe Premiere 6.0 Rus. В результате была получена последовательность кадров в формате .bmp, на которых видны положения тела через определенные промежутки времени. Кроме того, был создан видеоклип, длительность которого увеличена в 10 раз.

С помощью графического редактора Paint были определены координаты тела на каждом кадре по отношению к стене, на фоне которой происходило движение. По таблице результатов, созданной в электронных таблицах Exсel, была построена траектория движения тела (рис. 18, а). Вырезая различные фрагменты кадров, содержащие движущееся тело с парашютом, и, накладывая их друг на друга, удалось получить фотографию стены, на фоне которой видны последовательные положения тела. Из стробоскопической фотографии (рис. 18, а) видно, что, опускаясь, тело движется практически равномерно.

2. Этот метод может быть использован для изучения реактивного движения колеса Сегнера, состоящей из пластиковой бутылки с двумя изогнутыми трубками. К ней прикрепляют горизонтальный диск с радиальной меткой, а над ним устанавливают видеокамеру, оптическая ось которой направлена вертикально вниз. Включают видеокамеру и открывают сопла колеса Сегнера, оно начинает вращаться. Нами использовалась цифровая видеокамера типа Panasonic NV — GS400 (12-кратный zoom, 4,0 MPixel), записывающая видеопоток на магнитную ленту с возможность последующей перезаписи на НЖМД ПК. После разложения получившегося видеофрагмента в последовательность отдельных кадров с помощью графического редактора Paint определяют координаты x₀, y₀ и x, y начала и конца полоски в каждом 10 кадре (рис. 18, б). Если частота кадров 25 кадров/c, то это позволяет вычислить угловую координату диска φ = arctg[(x-x₀)/(y-y₀)] через каждые 1/2,5 с. Результаты вводят в электронные таблицы Excel и строят графики зависимостей угловой скорости и координаты от времени.

Погрешность определения координаты тела зависит от его скорости. Размытость изображения точки при скорости 0,5 м/с и частоте кадров 25 Гц (время съемки одного кадра Δ t = 1/25 = 0,04 с) составляет 1 — 2 см.

14. ПК в натурном и вычислительном эксперименте. Рассмотрим комплексное использование компьютера в реальном и вычислительном экспериментах при изучении кипения электролита при протекании переменного тока. Установка содержит электрический нагреватель, состоящий из двух металлических пластин, разделенных диэлектрическими прокладками так, чтобы расстояние между ними составляло 3 — 5 мм. Если на пластины подать напряжение 100 — 200 В и опустить их в сосуд с водой, то наблюдается протекание тока, сопровождающееся электролизом и нагреванием воды вплоть до кипения. При кипении амплитуда силы тока в цепи хаотически изменяется. Для получения экспериментальных кривых зависимости силы тока от времени можно использовать трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена через выпрямитель и фильтр с цифровым осциллографом на базе компьютера (рис. 19). Хаотические изменения тока через первичную обмотку вызывают соответствующие изменения постоянного напряжения на выходе фильтра, которые регистрируются компьютером.

На рис. 20 представлены графики зависимости температуры воды между пластинами и в сосуде, а также силы тока от времени, полученные в результате компьютерного моделирования. Участки АВ и АД соответствуют нагреванию воды между электродами и воды в сосуде соответственно, которое продолжается до температуры кипения воды (точка В). Участок ВС соответствует кипению воды между электродами. При этом температура воды в сосуде продолжает расти (участок ДЕ).

Из графиков видно, что в момент закипания воды между электродами начинаются хаотические изменения силы тока и возникают релаксационные колебания, обусловленные периодическим отрыванием пузырьков пара от электродов. С ростом пузырька пара эффективное сечение электролита уменьшается, сопротивление растет, ток падает. Когда пузырек всплывает, сопротивление скачком падает, ток возрастает. Колебания тока носят неупорядоченный характер вследствие того, что между электродами одновременно растут несколько пузырьков, которые достигнув критического размера отрываются и медленно всплывают.

* * * * * * *

Конец XX — начало XXI века ознаменован наступлением цивилизационного кризиса, обусловленного высокими темпами развития техники и технологии, и как следствие — победой технократической парадигмы образования. Выход из кризиса — в переходе от техногенной к антропогенной цивилизации, построенной на принципах эволюционного и гармоничного воспроизводства человеческого общества и окружающей среды, реализующей гуманистическую парадигму образования.

Даже на современном этапе развития информационных технологий использование компьютерной техники в образовании существенным образом изменяет учебный процесс. Дальнейшая информатизация общества приведет к возникновению открытого информационного образовательного пространства, возможности построения виртуальной реальности — электронной модели реального мира. Скоро практически любой учащийся сможет в любой момент выйти в Интернет, получить ответ на интересующий вопрос, разместить свою информацию, пообщаться с другими людьми.

Разработка телекоммуникационных устройств, позволяющих легко подключаться к Интернет, создание информационных систем, содержащих объемы информации, значительно превышающие знания конкретного специалиста, — все это коренным образом изменит систему образования, приведет к качественно иному взаимодействию учителя (преподавателя) с учеником (студентом). Учитель из источника абсолютной истины превращается в наставника, который не столько сообщает новую информацию, сколько управляет развитием учащегося, сотрудничает с ним при решении учебных задач.

Распространение компьютерных технологий, как отмечают ученые, не всегда приводит к однозначно положительному результату. Если раньше информационный поиск трудно было осуществить из-за низкой скорости информационного обмена, малого числа источников информации и отсутствия доступа к ним, то теперь — из—за большого числа информационных ресурсов, массового доступа к сети, высокой скорости информационных процессов. Наличие в Интернет больших объемов информации создает ощущение, что в глобальной сети можно найти ответ на любой вопрос. Учащиеся вместо самостоятельной работы над рефератом скачивают работу по сети, либо с какого—нибудь CD или DVD диска. При этом возникает синдром Маугли: обучаемый в поисках готового ответа переходит с одной страницы на другую, не успевая обдумать полученную информацию.

Учащиеся должны помнить о том, что виртуальная реальность — это лишь воображаемая модель реального мира, используемая для его познания. Ни один "виртуальный эксперимент" не заменит реального опыта. Школьник, занимаясь с помощью компьютера изучением электрических цепей, не сможет сформировать у себя таких экспериментальных умений, как сборка цепи, использование измерительных приборов и т.д. Вычислительный эксперимент является отдельным методом познания, который ни в коем случае не может подменить проведение натурных опытов и наблюдений.

В условиях стремительного расширения информационно—образовательного пространства актуальной становится проблема возврата к гуманизации образования, первичности воспитания личности. Человек поручает ЭВМ выполнение элементарных операций мышления, беря на себя решение творческих задач. Учитель должен воспитывать конструктивное мышление, критический взгляд на полученную информацию, способствовать формированию научного мышления и диалектического мировоззрения, творческому развитию личности учащегося.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акатов Р. В. Компьютерные измерения: Аналого-цифровой преобразователь. — Учебная физика. — 1999. — N 3. — 48—64 с.
2. Данилов О. Е. Теория и методика использования метода сканирования в учебном физическом эксперименте: Дис. \ldots канд. пед. наук: 13.00.02. — Глазов, 2005.— 207 с.
3. Красильников С.С., Красильникова Н.А., Гридчин В.В., Радченко В.В., Смирнов А.В. Демонстрация Бозе—природы фотонов. Эксперимент "на коленке" // Материалы 8-ой международной конференции "Физика в системе современного образования". — С. Петербург, Изд—во РГПУ: 2005. — С. 72—74.
4. Красильникова Л.М., Майер Р.В. Методика изучения электрических цепей с источником негармонической ЭДС // Научно—технические и социально—экономические проблемы регионального развития: Сборник научных трудов. Выпуск 3. — Глазов: Изд—во ГГПИ, 2005. — С. 62—63.
5. Майер В.В., Майер Р.В. Установка для изучения вращательного движения: Патент N 2104585 С1, МКИ G 09 B 23/06. N 95108173/28; заявл. 19.05.95; опубл. 10.02.98. Бюл. N 4.
6. Майер В.В., Майер Р.В. Экспериментальное изучение вращения тела в вязкой среде // Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов. — N 7. — М.: Прометей, 1996. — С. 59—68.
7. Майер Р.В. Исследование процесса формирования эмпирических знаний по физике. — Глазов: ГГПИ, 1996. — 132 с.
8. Майер Р.В. Проблема формирования системы эмпирических знаний по физике: Дисс. ... докт. пед. наук. 13.00.02. — С.Петербург, 1999. — 350 c.
9. Майер Р.В. Компьютерная модель кипения электролита при протекании электрического тока // Научно—технические и социально—экономические проблемы регионального развития. — Глазов: ГИЭИ филиал ГОУ ВПО ИжГТУ, 2004. — C. 9—12.
10. Майер Р. В. Проверка принципа экстремального действия Гамильтона методом численного моделирования // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных трудов. Выпуск 20.— М.: ИОСО РАО, 2004.— C. 82—86.
11. Майер Р. В. Измерение времени замыкания с помощью ПК // Инженерно—экономическое образование: вопросы дидактики: Тез. докл. регион. науч.-практ. конф. "Образовательная деятельность в технических и экономических учебных заведениях: организация, содержание и новые технологии образования." — Глазов: Издательство ГИЭИ (филиал) ИжГТУ, 2005. — С. 49—51.
12. Майер Р.В. Информационные технологии и физическое образование. --- Глазов: ГГПИ, 2006. --- 64с.
13. Майер Р.В. Использование компьютера для изучения реактивного движения Сегнерова колеса // Материалы XVI Международной конференции "Применение новых технологий в образовании". — Троицк, 2005. — С. 145—147.
14. Майер Р.В. Нагревание и кипение электролита вследствие протекания электрического тока // Матерiали IV Мiжнародноi науково-практичноi конференцii "Динамiка науковых дослiджень—2005". Том 39. Сучаснi методи викладання. Днiпропетровськ: Наука i освiта, 2005. — С. 20—22.
15. Майер Р. В., Веретенников Р. М. Демонстрация распространения звукового импульса с помощью ПК // Научное обозрение. — 2006. — 2 — С. 111—112.
16. Майер Р.В., Никулина М.В. Использование компьютера при изучении затухающих колебаний // Инженерно-экономическое образование: Вопросы дидактики. — Глазов: ГИЭИ, 2006. — С. 127-130.
17. Матаев Г.Г. Компьютерная лаборатория в вузе и школе. Учебное пособие. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 440 c.
18. Никулина М. В., Майер Р. В. Падение тела, брошенного под углом к горизонту, с учетом сопротивления воздуха // Матерiали Першоi Мiжнародноi науково—практичноi конференцii "Науковий потенцiал свiту 2004". Том 44. Сучаснi методи викладання.— Днiпропетровськ: Наука i освiта, 2004.— C. 21—24.
19. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе: Научный метод познания и обучение. — М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2004. — 463 с.