Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 5, 7/08

Л.В.ПИГАЛИЦЫН,
школа № 2, г. Дзержинск, Нижегородская обл.

levp@rambler.ru

Компьютерный физический эксперимент

1. ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НА УРОКАХ ФИЗИКИ (продолжение)

Эксперименты с применением виртуальных и реальных приборов. На прошлых занятиях мы познакомились с виртуальным генератором звуковой частоты и виртуальным осциллографом. А теперь давайте проделаем опыты с этими виртуальными приборами, а также с комбинированными установками, состоящими из виртуальных и реальных приборов.

Работа 1. Исследование электромагнитных колебаний звуковой частоты. В этом эксперименте вы сможете изучать основные параметры электромагнитных колебаний звуковой частоты, не подключая к звуковой карте компьютера никаких внешних приборов. В качестве источника звуковых колебаний будем использовать виртуальный звуковой генератор (см. № 5/2008), а в качестве осциллографа – виртуальный осциллограф (см. № 7/2008).

Ход работы

1. Для совместной работы виртуальных генератора и осциллографа необходимо сделать следующее. На панели «Пуск» найдите иконку, изображающую громкоговоритель и быстро нажмите левую кнопку мыши два раза. На рабочем столе появится панель «Громкость». В верхней части этой панели находится ниспадающее меню «Параметры». Наведите на него курсор и щёлкните левой кнопкой мыши. Появится ещё одно ниспадающее меню. Наведите курсор на кнопку «Свойства» и щёлкните левой кнопкой мыши. Раскроется панель «Свойства». По умолчанию в панели «Настройка громкости» включена кнопка «Воспроизведение». Наведите курсор на кнопку «Запись» и, нажав левую кнопку мыши, включите её, как показано на рисунке. В нижнем окне «Отображать регуляторы громкости» найдите «StereoMix» и поставьте в окошке галочку. После этого нажмите кнопку «ОК».

Появится панель регулятора громкости «Stereo Mix». Поставьте галочку в окне «Выбрать» и сверните эту панель.Теперь вы сможете работать с обоими виртуальными приборами одновременно.

Примечание: на панелях «Свойства» и «Уровень записи» вы видите название моей звуковой карты Realtek AC97 Audio. У вас может быть другая звуковая карта и, естественно, название будет другое. Не смущайтесь, установка работать всё равно будет.

2. Закройте все окна на рабочем столе. Запустите программу «Звуковой генератор». Установите частоту 1000 Гц и амплитуду 10%. Форма сигнала синусоидальная. Не закрывая программу «Звуковой генератор», запустите программу «Осциллограф» и сразу выключите канал В, если он окажется включённым (просто уберите галочку в окошке канала В).

На экране виртуального осциллографа появится осциллограмма сигнала, вырабатываемого виртуальным звуковым генератором. Если осциллограмма на экране осциллографа не убирается по вертикали, уменьшите чувствительность канала А: наведите курсор на кнопку со стрелкой «Вниз» и, нажимая на левую кнопку мыши, уменьшите чувствительность канала А так, чтобы осциллограмма не выходила за пределы экрана. После этого должно получиться примерно то, что показано на рисунке справа.

Выясним, как будет изменяться осциллограмма при увеличении или уменьшении частоты генератора. С этой целью непрерывно увеличивайте частоту колебаний генератора с шагом 100 Гц, вы увидите на экране уменьшение периода колебаний. Синусоиды станут же. При больших частотах, возможно, придётся изменить частоту развёртки осциллографа на панели «Х».

А теперь посмотрим, что будет, если уменьшать или увеличивать амплитуду колебаний генератора: увеличивайте её с шагом + 1% или + 10%. При изучении звуковых волн на установке можно продемонстрировать весь звуковой диапазон – от 20 Гц до 20 кГц. С методической точки зрения такая демонстрация полезна тем, что учащиеся не только услышат звук, но и увидят графики соответствующих колебаний.

Работа № 2. Сложение двух колебаний, происходящих в одном направлении. Биения

В этом эксперименте вы сможете работать с реальным звуковыми генераторами и виртуальным осциллографом. При сложении двух колебаний, происходящих в одном направлении с близкими частотами возникают колебания с частотой, равной разности частот складываемых колебаний. Эти колебаниями называются биениями. На биениях построена работа супергетеродинного радиоприёмника, в котором сигнал принимаемой радиостанции складывается с сигналом гетеродина, а возникающие биения называют промежуточной частотой.

Биения можно использовать для проведения некоторых физических экспериментов: измерять, например, диэлектрическую проницаемость диэлектрика, ёмкость конденсатора, индуктивность катушки и т.д.

На основе биений можно сделать электромузыкальный инструмент – терменвокс, – изобретателем которого был Лев Сергеевич Термен (см. № 11, 13, 15, 17, 19/06). При движении руки около антенны, соединённой с колебательным контуром, его частота изменяется, что влияет на частоту биений, которые можно преобразовать в звук. Также Лев Сергеевич создал уникальный вариант цветоэлектромузыкального инструмента – терпситон. Обкладками конденсатора колебательного контура одного из генераторов являлись две большие металлические пластины, расположенные в левой и правой кулисах сцены. Когда на сцене двигались танцоры, то изменялась ёмкость этого конденсатора, а следовательно, и частота одного из генераторов. В результате возникали биения звуковой частоты, которые подавались на вход усилителя низкой частоты и на установку цветного освещения сцены.

На основе биений работает большинство металлоискателей.

Оборудование: виртуальный осциллограф, два реальных звуковых генератора (типа ГЗЛ-1), кабель для звуковой карты с делителями напряжения (см. № 7/2008).

Ход работы

Подключите звуковые генераторы к звуковой карте ПК так, как показано на рисунке.

Включите генераторы. Установите на них разные частоты, например, 1000 Гц и 1100 Гц. Закройте все окна на рабочем столе. Запустите программу «Оsc.ехе» и выключите канал В, если он окажется включённым (уберите галочку в окошке канала В).

На экране виртуального осциллографа появится сложное колебание, являющееся суммой складываемых колебаний. Если осциллограмма не будет убираться по вертикали на экране осциллографа, уменьшите чувствительность канала А так, как было рассказано выше.

Если при неизменной частоте первого генератора изменять частоту второго, то форма результирующего колебания будет изменяться. При разности частот складываемых колебаний 10–20 Гц на экране появятся биения примерно такие, какие изображены на фотографии в левой колонке внизу. Если осциллограмма биений неустойчива, измените частоту развёртки осциллографа на панели «Х» и вместо непрерывной развёртки включите ждущую.

А вот так выглядит реальная установка, состоящая из компьютера и двух звуковых генераторов.

Во всех описанных экспериментах можно использовать и другие версии виртуальных приборов:

– однолучевой цифровой осциллограф DigitalOscilloscope3.0 (программа на сайте http://payalnik.hypermart.net);

– двухлучевой осциллограф и спектроанализатор Oscilloscope2.51, частотный диапазон 20 Гц–20 кГц (программы на сайте , http://radiotech.by.ru/;);

– звуковой генератор NCH Tone Generator с частотным диапазоном 1–20 000 Гц. Форма сигналов: синусоидальная (sine), прямоугольная (square), треугольная (triangle), пилообразная (sawtooth), импульсная и «белый шум» (white noise). Программа на сайте http://payalnik.hypermart.net/ в разделе «Приборы/генераторы», или www.nch.com.au/action;

– генератор Generator Version 1.02 (beta 1), позволяющий устанавливать как частоту, так и амплитуду сигнала независимо для левого и правого каналов. При необходимости один из каналов можно отключить. Верхний диапазон частот ограничен значением 22 050 Гц. Программа на сайтах http://user.rol.ru/~hels/generat.htm и http://radiotech.by.ru/ в разделе «Программы»;

– генератор Sine Wave Generator 3.0 – с ярким дизайном и верхним уровнем частоты в установках 40 000 Гц. Сигнал только синусоидальной формы. Программа на сайте http://www.radiofan.gaw.ru.

Если у вас возникнут проблемы, то напишите (levp@rambler.ru. www.levpi.narod.ru), и я отвечу на все ваши вопросы.

Продолжение см. в № 11/08