Działa tylko w IE - sorry!    
     

Pomiar czasu drgań wahadła za pomocą komputera

mgr Piotr Krasny


Od kiedy powszechnym stało się korzystanie z komputerów multimedialnych wyposażonych w systemy typu WINDOWS, praktycznie zapomnieliśmy o maszynach starszych typów, gdzie środowiskiem był DOS. Zdarza się jednak, że w szkole znajdzie się jeszcze PC klasy 386 (np. po modernizacji pracowni komputerowej) i wtedy pojawia się pytanie, czy można go jeszcze w jakiś sposób wykorzystać.

W proponowanej tu metodzie pomiaru czasu drgań wahadła korzystam z komputera typu 386 posiadającego port joysticka, z którym współpracuje skonstruowana przeze mnie bramka świetlna. Pomiar odbywa się dzięki współpracy modułu obsługi portu joysticka [1] z napisanym w środowisku Turbo Pascal 6.0 programem odmierzającym czas kolejnych 10, 20, 30 i 40 drgań. Pomysł na taki sposób eksperymentowania zrodził się po przeprowadzeniu zajęć w oparciu o temat "Wahadło" zaczerpnięty z podręcznika "Fizyka dla gimnazjum klasa 2" [3], gdzie autorzy proponują uczniom pomiary z użyciem stoperów dla wahadeł o długościach: 0.25 m, 1 m, 2.25 m.

Wykorzystanie komputera i zautomatyzowanie pomiaru jest szczególnie przydatne w przypadku wahadła najkrótszego, gdzie zadowalająca dokładność przy użyciu czasomierza uruchamianego ręcznie jest najtrudniejsza do osiągnięcia.

Opis konstrukcji bramki świetlnej

Do zbudowania bramki świetlnej (fotografia poniżej) użyłem: dwóch modułów lasera półprzewodnikowego (elementy popularnych wskaźników laserowych), dwóch fotorezystorów RPP 131, dwóch rezystorów 150, wyłącznika, przewodu 5 żyłowego, wtyczki zasilania, wtyczki do gniazda joysticka 15 PIN, sklejki.

Źródła światła i detektory umieściłem parami w przeciwległych (wykonanych ze sklejki) ściankach bramki świetlnej. Początkowo w zestawie zastosowałem superjasne diody LED, jednak okazało się, że układ pomiarowy był wrażliwy na oświetlenie zewnętrzne i koniecznym było ustawianie w programie czułości zależnie od oświetlenia gabinetu. Problem ten udało się wyeliminować, wykorzystując moduły laserowe, których zasilanie odbywa się z dodatkowego gniazda +5V umieszczonego na tylnej ścianie komputera przez wtyczkę i rezystory 150. Detektorami światła są fotorezystory RPP 131 połączone z wtyczką 15 PIN w sposób przedstawiony na schemacie.

Jak odbywa się pomiar

Po połączeniu bramki świetlnej z portem joysticka i źródłem napięcia fotorezystory są oświetlane przez laser, czego efektem jest mała ich rezystancja. Pomiar czasu zostaje rozpoczęty w chwili, gdy poruszające się wahadło przecina wiązkę światła pierwszej pary: źródło - detektor. To i każde następne przesłonięcie fotooporników skutkuje wzrostem ich oporu, na co reaguje program. Zastosowanie dwóch par: źródło - detektor powoduje, że komputer odczytuje przesłonięcie jednego z fotorezystorów i "czeka" na moment, w którym przesłonięty zostanie drugi. Wynikiem tego jest pomiar czasu trwania pełnych drgań wahadła. Każdy ze zmierzonych okresów zapisywany jest w pamięci, a na monitorze wyświetlane są wartości dla kolejnych: 10, 20, 30, 40 drgań.

Wyniki pomiarów

Poniższe tabele przedstawiają wyniki pomiarów wykonanych w trzech seriach dla wahadeł od długościach: 0.25 m, 1 m, 2.25 m

Proponowany przebieg zajęć z użyciem zestawu pomiarowego

  1. Powtórka dotycząca wcześniejszych zajęć (okres, częstotliwość, amplituda).
  2. Doświadczenia uczniowskie z użyciem stoperów:
    a)podział zespołu klasowego na 10 grup
    b)5 grup wyznacza za pomocą stopera okres drgań (zamocowanych nad każdym stołem uczniowskim) wahadeł o długościach 2,25 m; w tym samym
        czasie pozostałe grupy wyznaczają (z użyciem komputera i bramki świetlnej) okresy drgań wahadeł o długościach 1m oraz 0,25 m (wahadła wiszą
        na statywach); zapisują dane w tabelach; sporządzają wykres t(n).
    c)zamiana grup.
    W przypadku, gdy mamy do dyspozycji jedną tylko bramkę świetlną i komputer uczniowie mogą w grupach wyznaczyć okresy drgań wahadeł o długościach 2,25 m i 1 m, a nauczyciel przeprowadza z użyciem opisanego zestawu pomiar czasu drgań wahadła o długości 0,25 m.
  3. Sformułowanie wniosków dotyczących zależności między okresem drgań wahadła a jego długością.
  4. Podsumowanie zajęć (rozwiązywanie zadań i problemów dotyczących wahadła).

W załączeniu (wahadlo.txt - 4KB) moduł obsługi portu joysticka (który należy skompilować do formatu joystick.tpu) oraz program główny wahadlo.

Uwagi

  • Wartość stałej: czulosc w programie głównym należy dobrać eksperymentalnie.
  • Bramka świetlna współpracuje także z komputerami: Pentium 133 MHz, Pentium II 266 MHz (komputery należy uruchomić w trybie DOS)
  • Światło lasera jest niebezpieczne. Należy zatem pamiętać, żeby konstrukcja bramki świetlnej uniemożliwiała bezpośrednie oświetlanie oczu tym światłem.
  • O szczegóły można zapytać: pkrasny@wp.pl

Literatura

[1].K. Mikulski: Komputer IBM PC w prostych ćwiczeniach uczniowskich na lekcjach techniki i fizyki, "Komputer w Szkole" miesięcznik MEN marzec/kwiecień
      1993/III,OFEK Jelenia Góra 1993
[2].J. Szachowicz: Komputer w laboratorium , "Fizyka w szkole" 1/1999.
[3].M. Rozenbajgier i R. Rozenbajgier: Fizyka dla gimnazjum część 2 , Wydawnictwo ZamKor, Kraków 2001