Az erőmérés általános célkitűzései: Az erő mérése során ismerkedjenek meg a tanulók többféle hagyományos és újszerű módszerrel, kézi és digitális eszköz használatával. Az erőmérő szenzor haladó szintű megismerésére irányuló szenzoros méréssorozat konkrét célkitűzései: A diákok ismerjék meg az erőmérő hitelesítésének egy lehetséges módszerét, gyűjtsenek tapasztalatot többféle test súlyának mérésében. Lássanak példát arra, hogy mit jelez a szenzor, ha méréshatár feletti súlyt próbálunk mérni, és hogyan valósítható meg a mérési pontosságnál kisebb súlyú test súlyának maghatározása. Ismerjék meg a nyúlásmérő bélyeg technológiájával működő erőmérő és az USB link mérési adatgyűjtőből álló rendszer célszerű használatát, valamint a számítógéppel támogatott mérés lehetőségét a Multilab szoftver felhasználásával. Alkalmazzák a kézi mintavételezéssel történő adatgyűjtés módszerét. Szerezzenek tapasztalatot abban, hogy a külső körülmények hogyan befolyásolják a mérést. A kilencedikes tanulók matematikai tudása megfelelő ahhoz, hogy a szoftver által kínált elemzési lehetőséget is megismerjék, ezért mérési gyakorlat célja az is, hogy az alapfeladatokon keresztül rávilágítson ezekre a lehetőségekre. Javasolt munkaforma: A feladatlapon keresztül az eszköz megismerésére a páros vagy az egyéni kipróbálás a legmegfelelőbb. Eszközszükséglet: 1 db USB-Link mérésadatgyűjtő 1 db tanulói laptop, telepített MultiLab szoftverrel 1 db USB kábel a mérésadatgyűjtő csatlakoztatásához 1 db erőmérő szenzor (DT272 Fourier Force Sensor) 1 db állvány, keresztrúd és állványfej a szenzor rögzítéséhez 1 db adatkábel a szenzorhoz 4 db egyforma tömegű nehezék, (javasolt tömeg 50g) 1 db ismeretlen tömegű, de 5kg-nál nem nehezebb test (pl. egy nagyobb kavics) 30 db kis tömegű fém alátét, 1 db mérlegserpenyő szárral együtt 1
Eszközismertető A DT272 erőmérő szenzor jellemzői: Méréshatár: pontosság az eszköz felbontása, azaz ennél kisebb eltérésű két értéket nem különböztet meg. alapértelmezett mintavétel: -10N-tól +10N-ig -50N-tól +50N-ig ±2% a teljes mérési tartományban 0,005 N (ha ±10N) 0,025 N (ha ±50N) 10 minta / másodperc A MultiLab szoftver szükséges ahhoz, hogy az USBLink által gyűjtött mérési adatokat kezelni tudjuk. A szoftver fontos, általános része az adattérkép (Data Map), amely a képernyő baloldalán látható, és a feldolgozott adatok közötti navigációt segíti. A Multilab szoftver Adat térkép (Data Map) ablaka segítségével navigálhatunk méréseink, illetve a megjelenítendő táblázatok és grafikonok között. Ha nem látunk a képernyő bal szélén Data Map feliratú részt, akkor a View menüben, vagy az eszköztár ikonjára kattintva állíthatjuk be ezt a funkciót. A mérések Exp1. Exp2. elnevezéssel követik egymást (a feliratok átnevezhetők, ha sok mérést rögzítünk, akkor érdemes átnevezni a később felhasználandó méréseket). Még a mérések elindítása előtt majd közben is rendszeresen érdemes lementeni munkánkat, ugyanis a mérések automatikusan hozzáadódnak az adatcsomaghoz (ezt látjuk is a Data Map-ban), de a program bezárása után a mentetlen adatcsomagok elvesznek. A MultiLab mentése során.mlp kiterjesztésű állományok keletkeznek. A szoftver többi beállítását a szükséges helyen mutatjuk be. 2
A mérés fizikai háttere: A tömeg és a súly két különböző fogalom, a hétköznapi életben sajnos előfordul, hogy egymás szinonimájaként használják. Az erő SI mértékegysége a newton (1N). A súly az az erőhatás, amellyel a test az alátámasztását nyomja, vagy a felfüggesztését húzza. A súly jele: G. A tömeg SI mértékegysége a kilogramm (1kg=1000g). A 100g nyugalomban lévő test súlya a Földön megközelítőleg 1N. A kísérleteink során a megfigyelt test nyugalomban van, vagy gyorsul, vagy lassul. Balesetvédelmi figyelmeztetés Vedd figyelembe az erőmérő méréshatárát, figyelj arra, hogy ne terheld jelentősen túl. Ha kézzel fejtesz ki erőt az erőmérőre, akkor az általad kifejtett erő ne oldalirányú legyen, hanem hatásvonala egyezzen meg az erőmérő tengelyével. Gondosan alakítsd ki a mérési környezetet, legyen elegendő hely a kísérlet megvalósításához. Célszerűen helyezd el a laptopot és a kísérleti berendezést egymáshoz képest, legyen lehetőséged a feladatlap kitöltésére is. Figyelj arra, hogy a kábelek ne akadályozzák a munkát. Az éppen nem használt eszközöket az asztal közepén érdemes tárolni. A mérés menete Először kézben tartva kipróbáljuk, hogy hogyan képes a szenzor a folyamatosan változó erőhatásokat rögzíteni, majd az állványra rögzített erőmérővel több test súlyát megmérjük a kézi, majd automatikus mintavételezés módszerével. : Állítsd össze a kísérleti elrendezést, és végezd el az előzetes beállításokat! Csatlakoztasd az USB-Link mérésadatgyűjtő berendezést a számítógéphez az USB kábel segítségével! Csatlakoztasd az 1-es portra az erőmérőt! A számítógép bekapcsolása után futtasd a Multilab szoftvert! 3
Ellenőrizd le, hogy a Logger menüpont Auto ID parancsa legyen kiválasztva. Ekkor a Multilab program automatikusan érzékeli a hozzá csatlakoztatott USB-Link mérésadatgyűjtőt és az erőmérő szenzort is. Az angol nyelvű szoftverben a Setup wizard segítségével a következő beállításokat kell elvégezni: Az erőmérőt 10N méréshatárú módban fogjuk használni, ha nem ezt ismerte fel a szoftver, akkor az erőmérő jobboldalán található kapcsolót a ±10N-os pozícióba kell átállítani. jelöld, hogyan melyik irányt választod pozitívnak: a lefelé húzás (pull), vagy a felfelé nyomás (Push) irányát. Most válaszd pozitívnak a felfelé mutató irányt a mintavétel gyakorisága (Rate) másodpercenként 10 db legyen (10 samples per second) A beállítás varázsló 3. lépésében a mintavételt idő alapján korlátozzuk, állítsunk be 20 másodpercet, így 200 adatot fogunk feldolgozni. A mérés előtt végezz mentést! Az állomány neve eromero_szenzor_diak1nev_diak2nev legyen. Mérés közben is gyakran mentsetek ugyanezen a néven! : Ismerkedj meg a szenzor használatával! A Play nyomógombra kattintva indítsd el a mérést, az erőmérő szenzornak csupán a helyzetét változtasd! 4
Tartsd függőleges helyzetben, a rögzítő gombnál fogva, a horog ilyenkor alul van. Függőleges helyzetben maradva, fordítsd meg a szenzort, azaz a horog legyen felül! Végül fektesd az asztalra az erőmérőt! Rajzold ide milyen alakú grafikont kaptál, írd a vonal fölé, hogy melyik pozícióhoz tartozik! Mi okozhatja az egyes helyzetek közötti eltérést?...... Ismételd meg a mérést úgy, hogy függőlegesen tartva, a szenzor tengelye körül körbeforgatod az eszközt. Van-e eltérés a kiindulási értéktől kezdve?... fejjel lefelé tartva, forgatod körbe az eszközt a tengelye körül, van-e eltérés kiindulási értékhez képest?... vízszintesen tartva forgatod körbe az eszközt a tengelye körül, van-e eltérés kiindulási értékhez képest?... A fenti megfigyelésekből látszik, hogy az erőmérő szenzor pozíciója befolyásolja a mérés eredményét. Ezért fontos, hogy valahányszor más helyzetbe rögzítjük az erőmérő szenzort, 5
mindig végezzük el az alábbi beállítást a Setup wizard 1. lépésében, a szenzor tulajdonságai párbeszédablak Set Zero aloldalán. A következő feladatban az asztalra fektetett erőmérőt használunk, ezért ebben a helyzetben legyen a szenzor, amikor elvégezed a mérőszenzor 0N (nulla newton) értékének a beállítását. Indíts egy mérést, ha jól végezted el a beállítást, akkor az asztalra fekvő szenzor most 0N erőt mér. A kipróbálás ebben a feladatban jelentse a következőt: az erőmérő kampós végére gyakorolj toló, majd húzó erőt, ügyelve arra, hogy az erő hatásvonala essen egybe az erőmérő tengelyével. Fektesd az asztalra a szenzort! a Play nyomógombra kattintva indítsd el a mérést! a fent leírtak szerint próbáld ki a szenzort, közben figyeld a grafikont! törekedj vízszintes szakaszokat is produkálni. 6
Nyomtasd ki a kapott grafikont, és írd a vonalakra, hogy melyik szakaszt hogyan állítottad elő? csökkenő tolóerő, növekvő tolóerő, csökkenő húzóerő, növekvő húzóerő; Mit jelez a grafikonon a legfelső, vagy a legalsó vízszintes szakasz?... Mit jelez a grafikonon egy közbeeső vízszintes szakasz?.......... A szoftver Set Zero beállítását frissítsd függőleges helyzetű, horoggal lefelé néző szenzorhoz. Majd végezd el az alábbi kísérleteket! Indítsd el a mérést, miközben nyugalomban van az erőmérő a kezedben. Vázold a kapott mérési grafikont! Indítsd el a mérést, majd gyorsítsd felfelé az erőmérőt a kezeddel. Vázold a kapott mérési grafikont! Indítsd el a mérést, majd gyorsítsd lefelé az erőmérőt a kezeddel. Vázold a kapott mérési grafikont! Fogalmazd meg a tapasztalatodat!......... 7
Bizonyosodjunk meg arról, hogy nyugalmi helyzetben valóban jól mér az erőmérő szenzor. Ehhez ismert tömegű testek súlyát fogjuk meghatározni. Az állványt a fotón látható módon állítsd össze! Rögzítsd az állvány felső részére az erőmérő szenzort! A Setup wizard -ban két beállítást kell módosítanunk: 1. Az erőszenzor új helyzetére aktualizált 0N beállítása ( Set Zero ) a varázsló 1. lépésében, a korábban megismert módon. 2. A másodpercenkénti 10 adat gyűjtéséről áttérünk kézi mintavételezésre. ezt az alábbi módon tehetjük meg a varázsló 2. lépésében: A Setup wizard segítségével kézi mintavételezést (Select ratemanual) és a Setup wizard 3. lépésében a legkisebb mintaszámot (samples=10) érdemes beállítani. Kézi mintavételezésnél célszerű a mért értékeket megjelölni a keletkező grafikonon. Ehhez a Graph menü Properties parancsánál graph1# vagy graph2# kiválasztásával nyisd meg a Format graph párbeszédablakot, ahol a Lines fülre kattintva kapcsold be a jelölőket (Markers Visable), ugyanakkor a vonalak láthatóságát szüntesd meg (Line Visable). 8
A Play nyomógombra kattintva a mérés elindítható. A képernyő jobb szélén már automatikusan megjelenik az első mérés, ami a terheletlen állapotban 0 newton kell, hogy legyen. Ezt követően helyezzünk egy 50g tömegű nehezéket az erőmérőre, majd gombra kattintva végezzük el a kézi mintavételezést. Folytassuk a mérést úgy, hogy egyre több, azonos tömegű nehezékkel terheljük a szenzort. a 4. nehezék elhelyezése és mérése után STOP gombbal állítsuk le a mérést! Ekkor összesen 5 mérési pontunk van. A függvény illesztésének (felső eszköztár ) kiválasztásával a MultiLab megkeresi, hogy milyen alakzat illeszkedik legjobban a kapott pontokra: Mi az egyenlete a szoftver által illesztett egyenesnek:... Mit fejez ki matematikailag a 0,48 érték?... Mi a fizikai jelentése a 0,48 értéknek.... Mit fejez ki matematikailag a 0,0024 érték?... Mi a fizikai jelentése a 0,0024 értéknek?... Megegyezik-e a táblázatban található legfelső valóban mért értékkel?... Mi az oka?... Miért nem pontosan nulla newtont mért az eszköz, ha előzetesen beállítottuk, hogy az üres mérlegtányér legyen a 0N érték?... Hasonlítsuk össze a mért és számított értéket a 4 db tömegegység esetében! 9
A méréssel kapott érték: Számítással: m=200 g = 0,2kg g= 9,81 m s 2 G=m*g= Fogadjuk el a számított értéket helyes értéknek! Számítsuk ki a mérés hibáját! (a mérés hibája = mérési eredmény-helyes érték)... Jelöld bekeretezéssel, hogy az elvégzett mérés esetében hogyan fejezhető be a mondat, több helyes befejezés is van. Mivel az erőmérő szenzor felbontása a használt ± 10N-os méréshatáron belül 0,005 N, ezért a mérési hibát. okozhatta a mérőeszköz pontatlansága. nem a mérőeszköz pontatlansága okozta. a mérendő test nem hitelesített tömegegység, ezért előfordulhat, hogy nem pontosan 200g volt. a mérőberendezés nem pontosan függőlegesen állt. Az ismeretek ellenőrzése: 1. Milyen elven működik az erőmérő szenzor? 2. Melyik az a két eset, amikor szükséges a nulla newton értékét beállítani? Felhasznált szakirodalom: A MultiLab szoftver: http://fourieredu.com/store/products/multilab A Force Sensor DT272 szenzor adatlapja (letölthető: http://fourieredu.com oldalról a force_dt272_final-12.pdf állomány. 10