Szükséges előzetes mérés: Bevezetés az erőmérő szenzor használatába 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 A tanult szoftverbeállítások és szenzorbeállítások után végezd el a feladatokat! : Mérd meg egy ismeretlen tömegű test súlyát! A méréshez használd a száras mérlegserpenyőt! Azokban az esetekben, amikor valamilyen segédeszközre van szükségünk a mérendő tárgy felfüggesztéséhez, akkor a segédeszköz súlyát is figyelembe kell vennünk. Akaszd az erőmérőre a mérlegserpenyőt, A beállítás varázsló 1. lépésében: o ( Set Zero ) állítsd be, hogy a szenzornak a jelenlegi állapota jelentse a nulla newton értéket. 3
o ugyanennek a párbeszédablaknak a Measurement aloldalán állítsd be, hogy a lefelé húzás (pull) iránya legyen a pozitív! A beállítás varázsló 2. lépésében állítsd be, hogy a mintavétel gyakorisága (Rate) másodpercenként 1 db legyen (Every second), A beállítás varázsló 3. lépésében állítsd be, a mintavétel számát (By samples) 10-re, Hányszor mérjük meg a kő súlyát ezzel a beállítással?... Helyezd a serpenyőbe a mérendő kavicsot! Mérd meg a kavics súlyát, azaz indítsd el a mérést! Nézd meg a táblázat adatait: egyformák az adatok?...... Mivel magyarázható a különbözőség?...... Az Analysis menüpont Statistic parancsával megnyíló ablakból leolvashatod a mérések során használatos statisztikai mutatókat. (lásd minta) Töltsd ki az alábbi táblázatot a kavics megmérése után! Nem minden típusú adatra értelmezhető mindegyik statisztikai jellemző. Jelöld a név előtt oszlopban, amelyik szerinted hasznos információ a konkrét mérés során. 4
Average átlag egyszerű matematikai átlag Median medián a sorba rendezett adatok közül a középső érték; vagy másképpen: a medián az az érték, amely a sorba rendezett adatokat két egyenlő részre osztja. Páros számú elem esetén két középső adat van, a két érték számtani közepét szokták megadni. StDev tapasztalati szórás Az egyes mért értékek milyen közel helyezkednek el az átlaghoz, értékét mindig pozitívnak tekintjük. Gyakorlatilag a mérési bizonytalanságot mutatja meg. Min minimum a legkisebb mért érték Max maximum a legnagyobb mért érték Sum összeg a mért adatok összege Area terület a görbe alatti terület Samples a mintavétel száma Rate mintavétel gyakorisága A fentiek alapján melyik értéket fogadod el a kavics súlyának?... Mekkora a kavics súlya?... Állítsd be, hogy 20 másodpercen keresztül, másodpercenként 100 mérési adatot gyűjtsön a szoftver! Indítsd el a kavics súlyának mérését, majd teremts zavaró körülmény -t: ököllel csapj az asztalra (nem kell túlzottan)! Vázold, hogy milyen eltérést okozott a külső zavar! Olvasd le, kb. mennyi ideig tartott rázkódás?... Írd le, hogy mit mutat a grafikon!... Mi lehet a magyarázat?...... 5
: Határozd meg 1 db csavaralátét súlyát! Egy mérés, nem mérés! halljuk gyakran. A szenzoros mérést egyszer indítjuk el, de a jelenlegi beállítással másodpercenként gyűjt adatot a változatlan helyzetben lévő test súlyáról. Ez tehát gyakorlatilag 10 azonos mérés. Több azonos mérést elvégezve, hagyományos módszereknél és számítógépes méréseknél egyaránt a mérések átlagát szoktuk venni. Az Analysis menüpont Statistic parancsával megnyíló ablakból leolvashatsz több, a konkrét mérésre vonatkozó statisztikai adatot is. Válaszd ki innen az alábbiakat! Az átlag (Average):... a mért legkisebb érték (Minimum):... a mért legnagyobb érték (Maximum):... Mire következtetsz ezekből az adatokból?...... Milyen ötlettel lehet áthidalni ezt a problémát?...... Az ismeretek ellenőrzése: 1. Milyen elven működik az erőmérő szenzor? 2. Melyik az a két eset, amikor szükséges a nulla newton értékét beállítani? 3. Milyen méréshatárok között tudsz mérni a DT272 jelű erőmérő szenzorral? 4. Mit jelent a mérőeszköz felbontása? 5. Mit értesz mérési hibán? 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. 6