CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005 59

Experimente cu achiziţie de semnale pentru lecţii de Ştiinţe

Elena-Mihaela Garabet*, Ion Neacşu*, Liceul Teoretic “Grigore Moisil”, Bucureşti

Rezumat—Studiile noastre privind dezvoltarea de experimente cu achiziţie de semnale reale pentru lecţii de ştiinţe au continuat sub egida proiectului Socrates-Comenius “Hand’s on Science” (Project nº. 110157-CP-1-2003-1-PT). Am incercat diverse combinaţii intre placa de achiziţie de date NIDAQ 6013, elemente din vechile truse de Fizică şi senzori mai mult sau mai putin specializaţi pentru a studia lumea reală (montaje experimentale, circuite electrice, soluţii apoase, fiinţe). Astfel au aparut o serie de instrumente cu traductor real şi afişaj digital precum cronometru, voltmetru, ampermetru, dinamometru, teslametru, microfon, pH-metru, termometru, pletismograf, etc. Se conturează tot mai clar necesitatea tratării interdisciplinare a fenomenelor naturale, motiv pentru care am construit sisteme pentru monitorizarea şi studiul transpiraţiei unei plante, spre exemplu, sau pentru simularea unei ploi acide.

Cuvinte-cheie—achiziţie de date, lecţii de fizică, NIDAQ 6013

—————————— ——————————

1. Studiul forţei de frecare la alunecare

Modul în care variază forţa de frecare la alunecare atunci când se tractează un corp pe o suprafaţă orizontală poate fi evidenţiat cu ajutorul unui senzor de forţă (fig1.1) cuplat cu placa de achiziţie şi utilizat ca dinamometru.

Semnalul inregistrat de senzorul de forţă în timpul tragerii cu viteză constantă a unei foi de hârtie pe sub paralelipedul de lemn arată ca în figura 1.2, ceea ce demonstrează că forţa de frecare statică are valori mai mari decât forţa de frecare manifestată în timpul alunecării corpurilor.

fig.1.2

fig1.1

60 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005

2. Oscilaţii ale pendului elas-tic

Tot cu ajutorul senzorului de forţă se poate vizualiza mişcarea oscilatorie a pendului elastic în medii cu diverse vâscozităţi. Montajul experimental se află în figura 2.1, iar oscilaţiile cu grade diferite de amortizare sunt ilustrate în figurile 2.2 şi 2.3.

3. Studiul ciocnirilor Varianta 1

fig.2.1

Senzorul de fotimp a forţei acţiona asupra3.2). MontajulAnaliza semnade impuls a bi

Varianta 2- mMaşinuţa se asemeni ciocni

fig.3.2

fig.2.2

fig.2.3

fig.3.1

rţă permite inregistrarea dependenţei de cu care o bilă aflată în cădere liberă va senzorului atunci când îl ciocneşte (figura experimental este prezentat în figura 3.1. lului înregistrat permite calculul variaţiei

lei la ciocnirea senzorului.

ontajul experimental se află în figura 3.3. ciocneşte de senzorul incastrat în masă, rii cu un zid.

fig.3.3

E. – M. GARABET, I. NEACŞU: EXPERIMENTE CU ACHIZIŢIE DE SEMNALE PENTRU LECŢII DE ŞTIINŢE 61

Pentru determinarea vitezei maşinuţei inainte de ciocnire am înregistrat semnalul generat la trecerea sa pe sub o poartă de la vechile cronometre electronice din trusa de Fizică (cu roşu în figura 3.4). Cât timp mobilul se află în dreptul ledului obturând fotodioda, la bornele acesteia apare o cădere a tensiunii, permiţând astfel cronometrarea pe o distanţă egală cu lungimea maşinuţei. La câtava fracţiuni de secundă, urmează ciocnirea cu senzorul (semnalul alb în figura 3.4). Din analiza şi interpretarea sa se pot formula concluzii legate de variaţia de energie şi de impuls a maşinuţei în timpul ciocnirii.

DSmrsrd

5. MĂSURAREA INDUCŢIEI CÂMPULUI MAGNETIC

Senzorul de câmp magnetic din figura 5.1 poate fi etalonat pentru măsurarea intensităţii câmpului magnetic al unor conductori parcurşi de curent (fig.5.2).

fig3.4

4. Verificarea experimentală a legii lui Hooke

ispozitivul experimental utilizat se află în figura 4.1. enzorul de forţă va lucra pe post de dinamometru ăsurând forţa deformatoare din resortul metalic,

espectiv dintr-o bandă de elastic. Valorile alungirilor unt introduse manual în VI-ul care efectuează eprezentarea grafică a alungirilor ca funcţii de forţa eformatoare. (figura 4.2)

fig.4.1

S

fig,4.2

fig.5.1

fig.5.2

cala acestui teslametru arată ca în figura 5.3.

62 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005

6. Înregistrări acustice Am utilizat ca senzor de sunet un explorator acustic achiziţionat de magazinul de jucării (figura 6.1.În figura 6.2 este reprezentat sunetul emis de un diapazon care emite nota LA.

Figurile 6.3 şi 6.4 prezintă înregistrarea sunetului emis de două diapazoane în funcţie de poziţia brăţării de reglaj. Frecvenţele indicate de software-ul de achiziţie de semnal coincid cu cele inscrise pe diapazon (456 Hz-fig.6.3, respectiv 360Hz-fig.6.4).

Acelaşi sunet LA emis de orga din figura 6.5 arată ca în diagrama din figura 6.6.

Am înregistrat (figura 6.8), apariţia bătăilor la utilizarea a două diapazoane cu frecvenţe puţin diferite, aşezate ca în figura 6.7.

fig.6.3

fig. 5.3

fig.6.4

fig.6.5

fig. 6.1

fig.6.6

fig.6.2

E. – M. GARABET, I. NEACŞU: EXPERIMENTE CU ACHIZIŢIE DE SEMNALE PENTRU LECŢII DE ŞTIINŢE 63

fig.7.1

Şi pentru  că  am vrut  să  înregistrăm un  sunet din lumea  reală  am  provocat‐o  pe  țestoasa  Mia  din laboratorul nostru şi a ieşit ceea ce apare în figura 6.9. 

7. Circuite de curent alternativ

fig.6.8

fig.6.7

Producerea curentului electric (alternativ sau continuu) este una dintre cele mai importante aplicaţii ale fenomenului de inducţie electromagnetică. Condiţia necesară apariţiei curentului electric indus într-un circuit electric închis este apariţia unei variaţii a fluxului magnetic prin suprafaţa sa. Aceasta presupune fie mişcarea de rotaţie a circuitului, fie a câmpului magnetic. Principiul de funcţionare al generatoarelor de curent are la bază rotaţia unei spire în jurul unei axe perpendiculare pe liniile unui câmp magnetic uniform. Modelul de laborator al alternatorului (figura 7.1) are rotorul, piesa aflată în mişcare de rotaţie, compus din patru bobine inseriate. Câmpul magnetic este generat de către un stator constituit dintr-un electromagnet: două bobine montate pe un miez în formă de U şi alimentate fiecare la 12 V c.c.

fig.6.9

Dacă se conecteaza toate cele trei perechi de borne se obţine semnal trifazic ca în figura 7.2, iar dacă se utilizează o singură pereche, se obţine curent alternativ monofazat, ca în figura 7.3. În cazul semnalului real amortizarea este foarte mare.

fig.7.2

64 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005

Studiul circuitelor de curent alternativ ar trebui să debuteze cu ilustrarea modului în care bobinele şi condensatoarele funcţionează în curent alternativ.

fig.7.3

Ld7ta

Circuitele virtuale permit modificarea valorilor elementelor şi a tensiunii aplicate. Înregistrarea (prin achiziţie de semnale) a dependenţei de timp a

tensiunilor la bornele bobinei şi respectiv a condensatorului, precum şi a intensităţii curentului din circuitul serie demonstrează modul cum ele produc defazaje.

8. Transformări de fază Pentru a trasa dependenţa temperaturii ca funcţie de timp (figura 8.1), la încălzirea şi fierberea unei cantităţi de apă am utilizat ca senzor de temperatură un termistor, măsurând rezistenţa acestuia ca raport între tensiunea la borne şi intensitatea curentului stabilit prin

fig 7.4 Curentul prin bobină este defazat în urma tensiunii aplicate

ipsa unui osciloscop cu dublu spot ar putea fi suplinită e utilizarea unor circuite virtuale de c.a. (figura 7.4 şi .5), sau a unor circuite reale care conţin componente din rusele de Fizică şi din care se achiziţionează semnale cu jutorul unei plăci de achiziţie de date. (figura 7.6 şi 7.7).

e

fig 7.5 Bobina şi condensatorul au rol antagonist în ceea ce priveşte defazarea curentului faţă de tensiunea aplicată

fig.7.6

l şi procedând ulterior la etalonarea sa in grade Celsius.

fig.8.1

E. – M. GARABET, I. NEACŞU: EXPERIMENTE CU ACHIZIŢIE DE SEMNALE PENTRU LECŢII DE ŞTIINŢE 65

9. Transpiraţia la plante Studiul transpiraţiei plantelor presupune monitorizarea temperaturii şi a umidităţii sub o incintă unde se află planta. Senzorii utilizaţi au fost un termistor pentru temperatură şi un senzor special de umiditate. (figura9.1).

Rezultatele înregistrate se află în figura 9.2.

10. Înregistrarea ritmului cardiac

Am utilizat un pletismograf construit dintr-un led cu emisie în domeniul infraroşu şi un fototranzistor care să recepţioneze fluxul de radiaţie infraroşie care străbate lobul urechii umane.(figura 10.1) Radiaţia infraroşie este absorbită în sângele din lobul urechii, iar cantitatea de sânge din lob variază în funcţie de ritmul bătăilor inimii. Semnalul înregistrat la bornele fototranzistorului arată ca în figura 10.2, ceea ce permite calculul unui ritm cardiac de 74 bătăi/min.

fig.10.1

fig.9.1

fig.10.2

fig.9.2