Современный стандарт физического и информационного образования предполагает активное освоение современных способов получения, обработки и представления информации. Применение интерактивных средств обучения, в том числе, цифровых лабораторий, в образовательном процессе позволяет активизировать мыслительную и познавательную активность школьников, формировать у них такие метапредметные универсальные учебные действия, как опыт работы с современной техникой, компьютерными программами, опыт информационного поиска.
Использование цифровой лаборатории Relab на уроках физики позволяет расширить диапазон опытов и исследований, рассматривать быстропротекающие процессы, изучать процессы в динамике, фиксировать малые изменения, неочевидные в традиционном эксперименте. Её использование помогает повысить научность исследовательских работ, обеспечить точность измерений, позволяет непрерывно контролировать процесс, сохранять, отображать, анализировать и воспроизводить данные и строить на их основе графики.
В результате испарения воды с поверхности многочисленных водоёмов (океанов, морей, озёр, рек), а также с растительных покровов в атмосферном воздухе всегда содержится водяной пар. От количества водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит погода, самочувствие человека, функционирование многих его органов, жизнь растений, а также сохранность технических объектов, архитектурных сооружений, произведений искусства. Поэтому очень важно следить за влажностью воздуха и уметь её измерять.
В современной литературе достаточно подробно освещены следующие вопросы:
- понятие относительной влажности воздуха [1, 9];
- способы расчёта относительной влажности воздуха с помощью формул [4, 7];
- оптимальный уровень влажности [6];
- значение влажности [7, 9];
- различные современные способы измерения относительной влажности воздуха: с помощью механических гигрометров (волосного, плёночного) и электронных гигрометров-датчиков (емкостного, оптического, резистивного, термисторного) [3, 5]. С помощью психрометров (стационарного, аспирационного, дистанционного) [2, 8, 9].
Существенным преимуществом волосного гигрометра является то, что, во-первых, показания влажности воздуха не зависят от температуры воздуха, поэтому он позволяет определять влажность воздуха не только при положительных, но и при отрицательных температурах воздуха; во-вторых, он не потребляет энергию и процесс замера основан лишь на механических действиях. К недостаткам работы волосного гигрометра можно отнести низкую точность измерения.
Преимущества плёночного гигрометра - дешевизна и простота его эксплуатации. Основной недостаток - невысокая точность показаний.
Главным достоинством электронных гигрометров-датчиков является высокая точность измерения, которую не всегда можно достичь с использованием аналогичного механического оборудования и очень низкий процент погрешности.
Преимуществом стационарного психрометра (психрометра Августа) заключается в его простоте и удобстве обслуживания. Недостатком стационарного психрометра является влияние текущего атмосферного давления. Поэтому в результаты, рассчитанные при помощи психрометрической таблицы, нужно вносить поправку при существенном отклонении значения атмосферного давления от нормального значения.
Достоинством аспирационного и дистанционного психрометров является точность и надёжность.
В литературе описаны возможности измерения относительной влажности воздуха как традиционными способами: с помощью волосного гигрометра и психрометрического гигрометра (психрометра Августа), так и с помощью датчиков влажности цифровых лабораторий L-микро, Архимед, EINSTEIN.
Приведём пример использования цифровой лаборатории Relab при определении относительной влажности воздуха и установлении зависимости относительной влажности воздуха от температуры с помощью датчиков относительной влажности воздуха и температуры. Эксперимент позволяет наглядно и быстро определить относительную влажность воздуха, проиллюстрировать увеличение относительной влажности выдыхаемого воздуха, увеличение относительной влажности воздуха в сосуде с водой, уменьшение относительной влажности воздуха при повышении температуры.
Тема исследования: «Определение относительной влажности воздуха с использованием цифровой лаборатории Relab».
Объектом исследования: атмосферный воздух.
Предмет исследования: относительная влажность воздуха.
Цель исследования: измерение относительной влажности воздуха, модернизация традиционных опытов по определению относительной влажности воздуха с помощью цифровой лаборатории Relab для повышения точности и наглядности эксперимента.
Задачи исследования:
- подбор литературы по выбранной проблеме;
- изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
- определение относительной влажности воздуха и установление зависимости относительной влажности воздуха от температуры с помощью датчиков относительной влажности воздуха и температуры;
- обработка и анализ полученных материалов.
Оборудование, используемое при проведении эксперимента, представлено в таблице 1.
Таблица 1. Оборудование, используемое в ходе исследования
|
№ |
Название приборов и материалов |
Кол-во, шт. |
|
1 |
Психрометрический гигрометр ВИТ-1 |
1 |
|
2 |
Штатив с муфтой и лапкой |
1 |
|
3 |
Мультидатчик ФИЗ-2 (с датчиком влажности и датчиком температуры) |
1 |
|
4 |
USB кабель |
1 |
|
5 |
Ноутбук Lenovo |
1 |
|
6 |
Стеклянная банка (V = 0, 5 л) с водой |
1 |
|
7 |
Линейка |
1 |
|
8 |
Электрическая плитка (Р = 350 Вт) |
1 |
|
9 |
Удлинитель |
1 |
|
10 |
Фотоаппарат цифровой |
1 |
Порядок проведения эксперимента
1. Сравнение результатов измерения относительной влажности воздуха в кабинете физики двумя способами: с помощью психрометрического гигрометра и датчика относительной влажности воздуха
Сначала определяется относительная влажность воздуха с помощью психрометрического гигрометра ВИТ-1 (психрометра). Психрометр закрепляется в лапке штатива. Измеряется температура сухого термометра, измеряется температура влажного термометра и находится разность показаний сухого и влажного термометров (рис. 1). С помощью психрометрической таблицы, находящейся на передней панели психрометра, определяется относительная влажность воздуха в кабинете.
Рис. 1
Определение относительной влажности воздуха с помощью психрометрического гигрометра
Затем мультидатчик ФИЗ-2 цифровой лаборатории RELAB (рис. 2) подключается к USB разъёму ноутбука Lenovo и укрепляется в лапке штатива. К мультидатчику подключается выносной температурный зонд. Запускается программа Relab Lite. Включается связка датчиков относительной влажности и температуры воздуха, входящие в состав мультидатчика и запускается сбор данных кнопкой «Пуск». Снимаются показания датчика относительной влажности воздуха и температуры воздуха (рис. 3).
Внешний вид мультидатчика ФИЗ-2
Рис. 2
Определение относительной влажности и температуры воздуха с помощью датчиков относительной влажности и температуры
Рис. 3
Сравниваются значения относительной влажности воздуха, измеренные разными способами.
2. Измерение относительной влажности выдыхаемого человеком воздуха и его температуры
Датчики температуры и относительной влажности воздуха подносятся ко рту. Выполняется несколько вдохов и выдохов в течение 30 с (рис. 4). Измеряются относительная влажность выдыхаемого воздуха и его температура.
Полученные результаты подвергаются анализу.
Измерение относительной влажности и температуры выдыхаемого воздуха
Рис. 4
3. Измерение относительной влажности воздуха над водой, находящейся в стеклянной банке
В стеклянную банку, объёмом 0,5 литра наливается водопроводная вода объёмом 0,3 л, имеющая температуру 18°С.
Снимаются показания датчика относительной влажности при его медленном вертикальном погружении в банку с водой с высоты 20 см до 2 см над поверхностью воды (рис. 5).
Полученные результаты подвергаются анализу.
Измерение относительной влажности воздуха в сосуде с водой
Рис. 5
4. Определение зависимости относительной влажности воздуха от его температуры над электрической плиткой
На столе устанавливается электрическая плитка мощностью 350 Вт, рассчитанная на напряжение 220 В.
Датчики относительной влажности и температуры располагаются на расстоянии 10 см от поверхности плитки (рис. 6).
Определение зависимости относительной влажности воздуха от его температуры над электрической плиткой
Рис. 6
Электрическая плитка включается в сеть. Запускается сбор данных кнопкой «Пуск» и измеряются относительная влажность и температура воздуха над нагревающейся плиткой.
Полученные результаты подвергаются анализу.
Обобщаются результаты эксперимента:
Во-первых, относительная влажность воздуха, измеренная с помощью психрометрического гигрометра, составила 37% (рис. 8). Относительная влажность воздуха, измеренная с помощью датчика относительной влажности, составила 37,6%. (рис. 7).
Результаты измерения температуры воздуха в кабинете и относительной влажности воздуха с помощью датчиков
Рис. 7
Графическая интерпретация величины относительной влажности воздуха, измеренной с помощью психрометра и датчика относительной влажности
Рис. 8
Во-вторых, человек при дыхании выделяет водяной пар. При этом относительная влажность воздуха значительно возрастает при практически неизменной температуре окружающего воздуха (рис. 9).
Увеличение относительной влажности при выдыхании воздуха
Рис. 9
В-третьих, величина относительной влажности воздуха над водой в сосуде больше величины относительной влажности воздуха вдали от сосуда с водой, что связано с испарением воды с её свободной поверхности (рис. 10).
Увеличение относительной влажности воздуха в сосуде с водой
Рис. 10
В-четвёртых, с увеличением температуры воздуха над плиткой, его относительная влажность уменьшается (рис. 11).
Уменьшение относительной влажности воздуха с ростом температуры воздуха
Рис. 11
Значения относительной влажности воздуха измеренные двумя способами приблизительно равны. Расхождения в полученных результатах связаны с неточностью определения температуры сухого и влажного термометров психрометрического гигрометра. Датчики относительной влажности и температуры воздуха позволяют сделать измерения автоматически более точно.
Увеличение относительной влажности при выдыхании воздуха связано с выделением человеком водяного пара при дыхании.
Увеличение относительной влажности воздуха в сосуде с водой объясняется испарением со свободной поверхности жидкости.
Уменьшение относительной влажности при повышении температуры воздуха объясняется тем, что парциальное давление водяного пара остается постоянным, а парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе увеличивается с повышением температуры.
Полученные результаты подтверждают физические законы и теории.
Работа в выбранном направлении может быть продолжена постановкой опытов по определению зависимости относительной влажности воздуха от плотности испаряющейся жидкости.
По сравнению с традиционными экспериментами с использованием волосного и психрометрического гигрометров, для измерения относительной влажности воздуха, достоинством модернизации опытов с использованием датчиков влажности и температуры, является большая наглядность эксперимента, точность измерения и быстрота проведения анализа.
Недостатком использования цифровой лаборатории является отсутствие приобретения навыков работы с физическими приборами и расчёта погрешности измерения. Поэтому для повышения эффективности проведения экспериментов в школьной физической лаборатории целесообразно сочетать использование компьютерных технологий и приборов для эмпирического изучения законов природы.
Практическая значимость работы состоит в том, что постановка опытов позволит сократить время на организацию и проведение работы, получить данные, недоступные в традиционных опытах, повысить точность и наглядность экспериментов, быстро обработать и проанализировать полученные данные при изучении темы «Влажность воздуха» на уроках физики в 8 классе.
Список литературы
- Влажность воздуха https://housekeeping.academic.ru/164/ВЛАЖНОСТЬ_ВОЗДУХА.
- Всё про приборы, предназначенные измерять влажность воздуха http://about-air.ru/vozduh_i_zdorovie/uvlazhnenie-vozduha/pribor-dlya-izmereniya-vlazhnosti-vozduha.html.
- Гигрометры: приборы для измерения влажности http://www.eksis.ru/materials/articles/gigrometry-pribory-dlya-izmereniya-vlazhnosti.php.
- Количественная оценка влажности https://www.calc.ru/Molekulyarnaya-Fizika-Vlazhnost-Vozdukha.html.
- Метод волосного гигрометра https://studopedia.ru/16_64772_III-metod-volosnogo-gigrometra.html.
- Норма влажности в квартире: норма содержания воды для комфортных условий жизни http://remoo.ru/ventilyaciya/vlazhnost-vozduha-v-kvartire-norma/.
- Что такое влажность воздуха https://www.kakprosto.ru/kak-242390-chto-takoe-vlazhnost-vozduha.
- Что такое психрометр? http://www.анероид.рф/info/articles/psixrometr.htm.
- Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. /Под. Ред. Г.С.Ландсберга: Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.: Физматлит, 2017. - 512 с.