CC BY
8ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА CASIO FX-9860Gn — EA-200
И. Е. ВОСТРОКНУТОВ, доктор педагогических наук
ННГУ им. Н. И. Лобачевского (Арзамасский филиал) vostroknutov_i@mail.ru
Статья посвящена применению современных цифровых измерительных устройств в лабораторном практикуме по физике раздела «Термодинамика». Показано, как собирать и настраивать лабораторную установку, проводить измерения и обрабатывать полученные данные с помощью графического калькулятора.
The article deals with the use of modern digital measuring devices in laboratory workshop on Physics of thermodynamics section. Demonstrates how to compile and configure lab installation, measure and process the data obtained using the graphical calculator.
Ключевые слова: лабораторный практикум, термодинамика, изотермический процесс, графический калькулятор, обработка экспериментальные данныьх
Key words: laboratory workshop, thermodynamics, isothermal process, graphing calculator, processing of experimental data
В обучении физике в средней школе важную роль играет учебный эксперимент. Генеральной тенденцией его развития следует считать автоматизацию и компьютеризацию процессов измерения и обработки данных.
В настоящее время школьная методика обучения основным естественнонаучным предметам переживает сложный период. Связано это с бурным развитием средств информационных и коммуникационных технологий и проникновением их во все сферы человеческой деятельности, включая систему образования. Логическим продолжением развития средств информационных технологий стало появление новых средств обучения на основе этих технологий, что потребовало создания иных методик обучения. Новые средства и методики обучения в ведут к трансформации обучения, а также и к
свою очередь методов форм пересмотру содержания обучения. Все это
стимулирует совершенствование методик обучения. Еще совсем недавно использование интерактивных досок на уроке вызывало удивление и восхищение учителей, а сегодня стало вполне привычным; развитие же средств обучения и новых методик обучения уже идет в сторону интерактивных предметных кабинетов и мультисервисных информационно-образовательных сред [1].
В обучении физике в средней школе важную роль играет учебный эксперимент. Генеральной тенденцией его развития следует считать автоматизацию и компьютеризацию процессов измерения и обработки данных. Это существенно облегчает деятельность учащихся, освобождая время для обсуждения результатов и формирования важного физического содержания. Применение средств автоматизации эксперимента исследований
100
И. Е. ВОСТРОКНУТОВ. Исследование физических процессов с использованием.
особенно необходимо для развития самостоятельности учеников, что является стратегической задачей ФГОС.
Существенной трудностью становится совмещение возможностей физического кабинета с его оборудованием и компьютерных средств с устройствами обработки данных. Прогресс в развитии средств обучения физике привел к появлению цифровых измерительных комплексов для проведения физических экспериментов. Одним из наиболее удачных измерительных комплексов является CASIO fx-9860GII —EA-200.
Этот измерительный комплекс создан на основе графического калькулятора CASIO, поэтому его преимущества состоят прежде всего в его компактности и мобильности в сочетании с мощными вычислительными возможностями и наличием графического экрана. Комплекс обладает простым и дружественным интерфейсом в сочетании с программно реализованными процедурами обработки результатов экспериментов, включая вычисление погрешностей измерения и их статистической обработки. Методические возможности комплекса уже апробированы в ходе экспериментальной работы в ряде школ Московской области и составляют основу интерактивных кабинетов физики [1].
Методической основой применения комплексов CASIO fx-9860GII — EA-200 служит идея самостоятельных ученических исследований.
Рассмотрим проведение исследования физических процессов с использованием цифрового измерительного CASIO fx-9860GII — EA-200 на примере лабораторной работы по изучению изотермического процесса.
Целью работы является экспериментальное определение уравнения изотермы. В зависимости от методического замысла учителя уравнение Бойля — Мари-отта уже может быть известно учащимся, и в этом случае его следует экспериментально подтвердить, либо оно являет-
ся объектом самостоятельного ученического открытия.
Для проведения исследования необходимы: цифровой анализатор данных ЕА-200; графический калькулятор fx-9860GII; кабель для обмена данными между ЕА-200 и fx-9860GII; датчик абсолютного давления; датчик температуры; прибор для исследования изопроцессов и уравнения состояния газа; лед в термосе; пластиковый контейнер для воды и электрический чайник на 42 В.
Одним из вариантов проведения исследования является наблюдение за изменением давления воздуха в изотермическом процессе при комнатной температуре термостата. В данном случае термостатом служит воздух, находящийся в кабинете физики.
Соберем измерительный комплекс CASIO fx-9860GII — EA-200 согласно инструкции, присоединив к ней два датчика — абсолютного давления и температуры. Подключим измерительный комплекс к измерительной установке.
Настроим измерительный комплекс. Для этого:
3 освободим зажим короткого патрубка;
3 опустим поршень до минимального объема баллона шприца;
3 зажмем зажим короткого патрубка;
3 подготовим термостат для выполнения задания: нальем в чайник воду из-под крана и включим его в розетку лабораторного стола.
Проведение измерений
Запустим комплекс на проведение измерения в режиме мультиметра в соответствии с инструкцией. Измерим давление исходного состояния газа, то есть атмосферное давление.
Внесем данные в таблицу.
Проведем еще шесть измерений, перемещая поршень с интервалом 1—2 мл медленным вращением винта.
Прогресс в развитии средств обучения физике привел к появлению цифровых измерительных комплексов для проведения физических экспериментов.
Существенной проблемой для учебного физического эксперимента являются определение статистических характеристик результатов, прежде всего погрешностей полученных данных, установление достоверного вида функциональных связей величин [6]. Использование возможностей измерительного комплекса позволяет легко провести статистический анализ результатов эксперимента. В статье будут приведены реальные результаты эксперимента и обработки данных в виде скриншотов с программного эмулятора калькулятора.
Обработка результатов измерений
Рассчитаем в режиме STAT калькулятора произведение давления на объем для каждого состояния газа и заполним последние строки таблицы.
По результатам исследования в режиме STAT калькулятора определим константу C в уравнении PV = С для комнатной температуры. Оценим абсолютную и относительную погрешности С.
Построим в режиме STAT калькулятора графики зависимости давления от объема при комнатной температуре.
Образец возможных экспериментальных данных
Величина Комнатная температура, 23°С
1 (P ) х атм.' 2 3 4 5 6 7
V, мл 15 16 17 18 19 20 21
Р, кПа 99,5 93,6 88,3 83,4 78,8 75,5 71,9
PV, кПа мл 1492,5 1497,6 1501,1 1501,2 1497,2 1510 1509,9
Рассчитаем произведение давления на объем для каждого состояния газа (рис. 1).
SUE L;St 1 L;St E L;St 9 L;St Ч
UjML PjKPA С
1 15 99.5 1493.5
S 1 Е 93.Е 1Ч9П.Е
3 П ВВ.З I5DI.1
ч IB 93. Ч 1ГПИ=
____1581■2
ИМ1НЯИ ПИ» fiíllilГСПЯ Г"~
Рис. 1. Ввод расчетной формулы и определение произведения PV
нее значение PV — функцией х и случайную погрешность функцией sx~^c. 2).
lía =1?5778Е+07 sx =6!55257128
Рис. 2. Результаты статистических расчетов
Произведем статистическую обработку результатов эксперимента, найдем сред-
Построим график исследуемой зависимости p (V).
Р, кПа
100 т
98 -96 94 -92 -90 88 86 84 82 14,5
График исследуемой закономерности
15
15,5
16
16,5
17
17,5
18
V мл 18,5
102
И. Е. ВОСТРОКНУТОВ. Исследование физических процессов с использованием...
Определим уравнение гиперболы Р = С/У на основе метода наименьших квадратов. Из представленных в калькуляторе функций наиболее соответствующей теоретическим положениям будет степенная функция. Калькулятор выдает нам показатели регрессии, как показано на рисунке 3.
га =0?99960318 _М5е=4.6503е-06
Рис. 3. Вычисленные значения коэффициентов уравнения регрессии, коэффициент кореляции
Таким образом, экспериментальные данные, представленные в таблице, удовлетворяют уравнению:
У = 1372 • х0'97« 1372,
где переменная у выражает значения давления Р, а переменная х — значения объема V. Это и есть уравнение изотермы.
Рассмотренный пример использования цифрового измерительного комплекса CASIO fx-9860GII — EA-200 для исследования изотермических процессов наглядно продемонстрировал, насколько быстро, просто и удобно проводить с ним экспериментальные исследования и статистический анализ результатов, облегчая собственную исследовательскую деятельность учащихся. Более подробно методика проведения лабораторных исследований представлена в пособиях [2; 3; 4; 5].
ЛИТЕРАТУРА _
1. Вострокнутов, И. Е. Интерактивные предметные кабинеты — новое направление информатизации школьного образования / И. Е. Вострокнутов, Д. С. Розанов // Школьные технологии. — 2014. — № 1. — С. 100—103.
2. Вострокнутов, И. Е. Лабораторный практикум по физике на основе цифрового измерительного комплекса ^аЬ — (х-9860СН / И. Е. Вострокнутов, Г. Г. Никифоров, Д. С. Розанов [и др.]. — Вып. 1 «Электродинамика». — М. : Принтберри, 2015.
3. Вострокнутов, И. Е. Лабораторный практикум по физике на основе цифрового измерительного комплекса ЕА-200 — fx-9860GH / И. Е. Вострокнутов, Г. Г. Никифоров, Н. С. Никитина [и др.]. — Вып. 2 «Осциллографические исследования и акустика». — Троицк : Тровант, 2011.
4. Вострокнутов, И. Е. Лабораторный практикум по физике на основе цифрового измерительного комплекса ^аЬ — fx-9860GH / И. Е. Вострокнутов, Г. Г. Никифоров, Д. С. Розанов [и др.]. — Вып. 3 «Механика». — М. : Принтберри, 2015.
5. Вострокнутов, И. Е. Лабораторный практикум по физике на основе цифрового измерительного комплекса ЕА-200 — fx-9860GH / И. Е. Вострокнутов, Г. Г. Никифоров, В. Б. Трухманов [и др.]. — Вып. 4 «Молекулярная физика и термодинамика» / под ред. И. Е. Вострокнутова, Г. Г. Никифорова. — Троицк : Тровант, 2013.
6. Каменецкий, С. Е. Теория и методика обучения физики в школе: частные вопросы : учебное пособие для студентов педагогических вузов / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Т. И. Носова. — М. : Академия, 2000.
