Публикации и видеосюжеты

"Возможные применения датчиков звука в исследовательской работе". - Публикация в журнале "Физика для школьников" 2015, №4

С.В. Лозовенко, к.п.н., доцент кафедры ТиМОФ МПГУ, учитель физики лицея № 1501, Москва.


Рассмотрена проблема использования датчиков звука при выполнении исследовательских работ.


На  протяжении  последнего  десятилетия  в  средние  школы  осуществляются поставки  современных  комплектов различных  производителей: цифровая лаборатория «Архимед», оборудование под торговой маркой «Научные развлечения» (ранее L-микро), цифровые лаборатории  AFSTM,  система автоматизированного физического эксперимента немецкой компании  PHYWE, цифровые  лаборатории PASCO. Каждый из этих комплектов имеет свои достоинства и недостатки, но физические  принципы  работы  датчиков любых  лабораторий одинаковы,  поэтому они применимы для любого физического эксперимента. Отличаться будет в каждом случае лишь технология применения той или иной лаборатории и точность измерений, поэтому для выполнения исследовательской работы может быть использован любой из них.

В качестве примера рассмотрим организацию исследовательской работы с использованием цифровой лабораторией Vernier (AFSTM). В качестве регистратора в этой лаборатории используется LabQuest 2 (рис. 1).

Некоторые возможности использования этого устройства в исследовательской деятельности учащихся описаны, например, в [1, 2]. В данной статье рассмотрим примеры использования датчика звука для проведения исследований. Описанные ниже работы достаточно просты в организации и не требуют большой подготовки.

 

Рис. 1

 

Датчик звука способен производить измерения во всем диапазоне восприятия звука человеком, т.е. от 20 Гц до 16 кГц. С его помощью можно легко определить скорость звука.

Исследование 1.

Определение скорости звука

Цель работы: определить скорость звука в воздухе при нормальных условиях.

Приборы и материалы: 2  датчика  звука,  метр,  2  штатива,  компьютер,

LabQuest 2.

Идея эксперимента: два датчика, установленные на расстоянии 1,5 м друг от друга, позволяют зафиксировать момент времени, когда был произведен хлопок в ладоши. Из-за конечности скорости распространения звуковой волны, моменты времени хлопка, которые будут зафиксированы датчиками, будут различаться.

Порядок проведения эксперимента: Соберите установку: зафиксируйте датчики звука на расстоянии 1,5 м, так что  бы  они  находились  на одной  высоте; подключите последовательно датчики к  LabQuest 2,  LabQuest 2  к компьютеру (рис. 2).

Рис. 2

Запустите программу Logger Pro. После чего на экране откроется окно (рис. 3).

Рис. 3

Произведите настройку проводимого эксперимента. Для этого, измените количество проводимых измерений за 1 секунду и длительность эксперимента в разделе эксперимент, пункт измерения (рис. 4). При нажатии откроется окно с параметрами, проводимого эксперимента (рис. 5). В этом окне надо поменять частоты выборки с 10 на 25000 и установить время эксперимента 1 с (рис. 6).

Рис. 4

 Рис. 5

 Рис. 6

Запустите сбор данных в программе и хлопните в ладоши. На мониторе должен высветиться график (рис. 7).

 Рис. 7

Выделите интересующую часть графика и приблизьте ее с помощью лупы, расположенной на приборной панели. Получите следующую картину (рис. 8).

 Рис. 8

Определите разницу во времени между первыми максимумами и рассчитайте скорость звука, зная расстояние между датчиками.

Полученный результат

Скорость звука может быть рассчитана следующим образом:

Исследование 2.

Определение  ускорения свободного  падения

Цель работы: определить ускорение свободного падения шарика от настольного тенниса.

Приборы и материалы: шарик от настольного тенниса, датчик звука, метр, штатив, компьютер, LabQuest 2, видеокамера (можно воспользоваться камерой на мобильном телефоне).

Идея эксперимента: проследим процесс свободного падения теннисного шарика. Он, ударится о поверхность стола, «подпрыгнет» и через некоторое время опять ударится о стол. Если зафиксировать время между ударами шарика с помощью датчика звука и определить высоту подъема шарика с помощью линейки и камеры, то ускорение свободного падения можно определить так:

Порядок проведения эксперимента: Соберите установку: зафиксируйте ли- нейку с помощью штатива; подключите последовательно датчик звука к LabQuest 2, LabQuest 2 к компьютеру (рис. 9).

Рис. 9

Отпустите шарик с высоты 0,5 м и "на глаз" определите высоту его подъема после удара о стол. Установите камеру так, чтобы она фикси, ровала движение шарика напротив линейки.

Далее выполните действия 2 и 3 «Исследования 1», но время эксперимента установите 3 с.

Включите камеру, запустите в программе Logger Pro сбор измерений и отпустите шарик с высоты 0,5 м. По окончанию эксперимента получим следующий график зависимости (рис. 10).

Рис. 10

Определите разницу во времени между первыми максимумами.

Рассмотрите покадрово видео с движущимся шариком и зафиксируйте кадр, на котором шарик первый раз поднимается на максимальную высоту.

Рассчитайте ускорение свободного падения, используя полученные величины.

Полученный результат

Ускорение свободного падения может быть рассчитано следующим образом:


Литература

  • 1. Лозовенко С.В. Цифровые лаборатории в исследовательской работе учащихся по физике // Физика в школе. - 2013. - № 3. - С. 28-33.
  • 2. Лозовенко С.В., Паутова А.А. Использование смартфонов и планшетных компьютеров в учебном физическом эксперименте // Школа будущего. - 2014. - № 3. - С. 92-97.
Facebook YouTube Вконтакт Flickr