Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17, 19, 23/2009

7. Компьютерные физические конструкторы (продолжение)

7.4. Электронный конструктор «Начала электроники». Конструктор позволяет собирать простейшие схемы и может быть полезен школьникам как на уроке, так и дома. Но если предыдущий электронный конструктор «Сборка» предназначался только для восьмиклассников, то этот можно использовать и в старших классах.

При запуске программы на экран монитора выводятся: монтажный стол с контактными площадками, на котором можно собирать и анализировать работу электрических схем (в центре экрана), панель деталей, содержащая набор электрических элементов (в правой части экрана), мусорная корзина, куда выбрасываются перегоревшие и ненужные детали (в левом нижнем углу экрана), панель комментариев (в нижней части экрана), панель управления программой с кнопками для вызова вспомогательных инструментов.

Основной элемент интерфейса – монтажный стол. Он представляет собой набор из 49 (7 × 7) контактных площадок, к которым «припаиваются» электрические детали для сборки различных электрических схем. Каждая деталь может располагаться лишь между двумя ближайшими контактными площадками – или вертикально, или горизонтально. К деталям, , в точках их соединения с контактными площадками, можно подключать щупы измерительных приборов.

С помощью конструктора можно:

– изучать зависимость сопротивления проводников от удельного сопротивления материала, длины и поперечного сечения;

– изучать законы постоянного тока – закон Ома для участка цепи и закон Ома для полной цепи;

– изучать законы последовательного и параллельного соединений проводников, конденсаторов и катушек;

– изучать принципы использования предохранителей в электронных схемах;

– изучать законы выделения тепловой энергии в электронагревательных и осветительных приборах, принципы согласования источников тока с нагрузкой;

– знакомиться с принципами проведения измерений тока и напряжения в электронных схемах с помощью современных измерительных приборов (мультиметр, двухканальный осциллограф), наблюдать график переменного тока на отдельных деталях, сдвиг фаз между током и напряжением в цепях переменного тока;

– изучать проявление ёмкостного и индуктивного сопротивлений в цепях переменного тока, их зависимость от частоты генератора переменного тока и номиналов деталей;

– изучать выделение мощности в цепях переменного тока;

– исследовать явление резонанса в цепях с последовательным и параллельным колебательными контурами;

– определять параметры неизвестной детали;

– исследовать принципы построения электрических фильтров для цепей переменного тока.

Одной из главных особенностей комплекса является максимально возможная имитация реального физического процесса. Для этой цели предусмотрено, например, следующее:

– изображения деталей конструктора и измерительных приборов приводятся не в схематическом, а в реальном виде;

– при превышении номинальной мощности электрического тока, протекающего через сопротивление, последнее сгорает и чернеет;

– лампочка и электронагревательный прибор при номинальной мощности начинают светиться и перегорают, если рассеиваемая на них мощность превышает рабочее значение;

– при превышении рабочего напряжения на конденсаторе последний также выходит из строя;

– при превышении номинального рабочего тока через предохранитель тот перегорает;

– большинство операций и их результаты сопровождаются звуковыми эффектами.

Всё это делается для того, чтобы учащийся мог наглядно видеть последствия своих ошибок, учился разбираться в причинах того или иного неудачного эксперимента и вырабатывал необходимые навыки предварительного анализа схемы. Следует иметь в виду, что на рабочем столе не могут быть одновременно расположены источники переменного и постоянного тока.

Конструктор можно также использовать и для решения других задач в самостоятельной творческой работе учащихся.

Цифровой мультиметр. Цифровой мультиметр в данном конструкторе является практически полным аналогом мультиметров, выпускаемых промышленностью. С его помощью можно измерять сопротивления резисторов, напряжение и силу постоянного и переменного тока.

Расположение элементов управления и гнёзд для подключения мультиметра к электронной схеме показаны на рисунке. Переключение режимов работы и пределов измерения производится щелчком мыши на метках соответствующих пределов (он принимает вид руки).

Двухканальный осциллограф предназначен для визуального наблюдения формы переменного напряжения. Он позволяет также определять количественные характеристики сигнала: частоту и амплитуду переменного напряжения, длительность импульса, сдвиг фаз между двумя периодическими сигналами (для этого осциллограф и должен быть двухканальным).

Входное сопротивление осциллографа достаточно велико (около 10 МОм). Аналогичный осциллограф описан в № 07/2008 (моя статья «Виртуальный двухканальный осциллограф»), поэтому на его описании я останавливаться не буду, тем более что в программе есть подробная инструкция.

Работа с конструктором

Опыт 1. Соберём на монтажном столе простейшую электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки, ключа и соединительных проводов.

Выбираем мышью деталь из набора конструктора (курсор принимает вид пинцета), нажимаем левую кнопку мыши, перемещаем деталь в нужное место монтажного стола, удерживая кнопку нажатой, отпускаем кнопку – деталь будет установлена в указанном месте. Горизонтальное и вертикальное положения деталь принимает автоматически при приближении её к любой паре горизонтальных или вертикальных контактов.

Например, разместим детали, как показано на рисунке. Чтобы замкнуть цепь, наведём курсор с помощью мыши на изображение ключа и нажмём на правую кнопку мыши. Появится диалоговое окно со строками «Включить» и «Выбросить деталь». Выбираем «Включить». Ключ замыкается, и лампочка загорается.

Для удаления ненужных и испорченных деталей надо щёлкнуть на детали правой кнопкой мыши и в появившемся диалоговом окне щёлкнуть по строке «Выбросить деталь».

Опыт 2. На рис. а показана более сложная цепь, состоящая их двух источников тока, двух лампочек и ключа. Если включить ещё один источник ток, как показано на рис. б, то одна из лампочек перегорает. При этом очень полезно обсудить с учащимися, почему перегорела лампочка и почему именно эта. 

Опыт 3. Рассмотрим схему с электронагревательными приборами – из источника тока, двух ключей и двух электрических плиток. Учащемуся необходимо выбрать для данной цепи подходящий предохранитель из тех, которые находятся на монтажном столе. Для этого ему прежде всего надо выяснить параметры предложенных приборов. Это делается так: наводим курсор на нужную деталь и щёлкаем дважды левой кнопкой мыши. Справа появляется всплывающее окно с параметрами данной детали. На рисунке показаны параметры предохранителя. При необходимости эти параметры можно изменить, выбрав их в окне «Предельный ток». Зная параметры деталей, можно рассчитать силу тока в цепи и выбрать необходимый предохранитель. Если сила тока в цепи больше той, на которую рассчитан предохранитель, то он весьма эффектно перегорает.

Опыт 4. Проверить результаты вычислений можно, дополнив данную электрическую цепь двумя мультиметрами, работающими в режиме измерения силы тока. На рисунке левый мультиметр показывает общую силу ток в цепи, а правый – силу тока в правой электрической плитке. Для данной схемы творчески работающий учитель может предложить учащимся много эвристических задач.

Работа с электрическими схемами на постоянном токе достаточно проста и доступна всем учащимся, тем более что в программе имеются восемь примеров схем на постоянный ток, в том числе и мост Уитстона.

А теперь рассмотрим схемы с источниками переменного тока.

Опыт 5. Исследуем цепь переменного тока, состоящую из генератора переменного тока, резистора и конденсатора. Частоту генератора можно изменять от 1 Гц до 910 Гц, ёмкость конденсатора – от 1,0 мкФ до 910,0 мкФ, сопротивление резистора – от 1 Ом до 910 Ом. В данной схеме частота переменного тока 50 Гц, амплитудное значение напряжения 5 В, сопротивление резистора 320 Ом, ёмкость конденсатора 10,0 мкФ.

Для исследования сдвига фаз между током и напряжением включим двухканальный осциллограф. График тока в цепи совпадает с графиком падения напряжения на резисторе. Поэтому для получения графика тока мы подключаем «Канал А» осциллографа параллельно резистору. Для получения графика напряжения на конденсаторе «Канал В» подключим параллельно конденсатору. Подобрав соответствующие усиления каналов А и В и длительность развёртки, получим осциллограммы, изображённые на рисунке. Из графиков видно, что ток опережает напряжение по фазе на π/2. Аналогичную схему можно собрать для исследования LC-цепи.

Опыт 6. В заключение рассмотрим схему для исследования последовательного электрического резонанса. Она состоит из генератора переменного тока (частота 50 Гц), катушки индуктивности (L = 1 Гн), резистора (R = 3 Ом) и конденсатора (С = 10 мкФ). Для измерения питающего напряжения, снимаемого с генератора переменного тока, параллельно генератору подключаем вольтметр переменного тока. В качестве него используем мультиметр (слева на рисунке в начале статьи). Для измерения напряжения на конденсаторе (или на катушке) используем правый мультиметр.

При соответствующем подборе частоты переменного тока, ёмкости конденсатора и индуктивности катушки можно добиться электрического резонанса, – он как раз и изображён. Вольтметр, подключённый к генератору переменного тока, показывает 3 В, а вольтметр, подключённый к конденсатору, – во много раз больше – 218 В! На экране осциллографа можно увидеть сдвиг фаз между током и напряжением на всей цепи и на конденсаторе.

Кроме проведения всевозможных экспериментов и решения творческих задач по электрическим цепям конструктор позволяет проводить и виртуальные лабораторные работы, которые позволяют учителю организовать фронтальные работы и работы физического практикума, требующие большого количества разно­образных элементов электрической цепи – резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и т. д., – а также сложного специального оборудования – цифровых мультиметров и двухканальных осциллографов.

 

Авторы программы предлагают следующие виртуальные лабораторные работы:

• № 1: изучение зависимости сопротивления реальных проводников от их геометрических параметров и удельных сопротивлений материалов;

• № 2: исследование сопротивлений проводников при параллельном и последовательном соединениях;

• № 3: ЭДС и внутреннее сопротивление источников постоянного тока. Закон Ома для полной цепи;

• № 4: исследование сложных цепей постоянного электрического тока;

• № 5: мощность в цепи постоянного тока;

• № 6: принципы работы плавких предохранителей в электрических цепях;

• № 7: элементы цепей переменного тока. Ёмкостное и индуктивное сопротивления, их зависимость от частоты переменного тока и параметров элементов;

• № 8: явление резонанса в цепи переменного тока.

Программа бесплатная. Она создана учёными Казахского национального университета имени аль-Фараби. Скачать её можно с сайта http://elektronika.newmail.ru.

Если у читателей возникнут вопросы, связанные с установкой программы «Начала электроники» или методикой работы с ней, то напишите, я отвечу на все вопросы.

В следующей статье я познакомлю читателей с более совершенными электронными конструкторами, которые позволяют учащимся проводить не только демонстрационные опыты и лабораторные работы, но и различные эксперименты для своих учебно-исследовательских работ.

Продолжение следует