Általános célkitűzések: Különböző mozgások vizsgálata során ismerkedjenek meg a tanulók többféle hagyományos és újszerű mérési módszerrel, hagyományos és digitális eszköz használatával. Az egyenletes mozgás megfigyelésére irányuló kézi és szenzoros méréssorozat konkrét célkitűzései: A diákok gyűjtsenek tapasztalatot különböző mozgások kísérleti célú előidézésében. Ismerjék meg az állócsigából és fotokapuból álló elfordulás mérő szenzor és az USB link mérési adatgyűjtő célszerű használatát, valamint a számítógéppel támogatott mérés lehetőségét a Multilab szoftver felhasználásával. Szerezzenek jártasságot ezáltal mechanikus és elektronikus elemek, valamint a kapcsolódó szoftver együttes használatában. Javasolt munkaforma: 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 Fourier Smart Pulley elfordulás mérő szenzor (DT122A) 1 db állvány és állványfej a csiga rögzítéséhez kb. 1,2 m hosszú, nyújthatatlan, elhanyagolható tömegű zsineg 2 db egyforma tömegű nehezék (javasolt tömeg: 50g) 1 db adatkábel a szenzorhoz Eszközismertető Fotokaput számos helyen alkalmaznak, elsősorban tárgyak jelenlétének észlelésére, valamint kis elmozdulások érintésmentes mérésére. A fotokapu egy adó fényemittáló diódából és egy vevő fototranzisztorból áll,amelyeket egymással 1
szemben helyeznek el. Ha a résben nincs tárgy, akkor a vevő látja az adó fényét, ha van valami, akkor nem. A fotokapuhoz képest az állócsiga tengelye rögzített, így az ezt a helyzetet jellemző távolságokból (csiga mérete, küllők száma, szélessége) és az adott kísérletben mért időből a kiértékelő MultiLab program kiszámítja a csiga egy kerületi pontjához tartozó út, sebesség és gyorsulás értékeket is. Ha nyújthatatlan zsinórral dolgozunk, akkor a csigával együtt mozog a zsineg vége, így az általunk vizsgált mozgást is jellemzik a fent kiszámított adatok. Balesetvédelmi figyelmeztetés A szenzorok nagy értékű eszközök. Az elfordulás érzékelő tárcsája sérülékeny, ezért óvd a leeséstől. Ha közvetlenül kézzel indítod, akkor óvatosan, egyszeri lendítéssel hozd mozgásba. 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 Helyezd el az állványra rögzített szenzort úgy, hogy a csiga kb 1,2 m magasan legyen. Csatlakoztasd az USB-Link mérésadatgyűjtő berendezést a számítógéphez az USB kábel segítségével. Csatlakoztasd az 1-es portra az elfordulás mérőt. 2
A számítógép bekapcsolása után futtasd a Multilab szoftvert. A Multilab program automatikusan érzékeli a hozzá csatlakoztatott USB-Link mérésadatgyűjtőt és az elfordulás érzékelőt is. Az angol nyelvű szoftverben a Setup wizard segítségével a következő beállításokat kell elvégezni: Az 1-es bemeneti portnál (Input 1) válaszd ki a Smart Pulley szenzort jelöld, melyik grafikont szeretnéd megjeleníteni, egyszerre több is kiválasztható, most a távolság és a sebesség legyen beállítva. o Distance (m) távolság o Velocity (m/s) sebesség o Acceleration (m/s 2 ) gyorsulás a mintavétel gyakorisága (Rate) másodpercenként 10 db legyen (10 samples per second) 3
A mintavételt idő alapján korlátozzuk: állítsunk be 5 másodpercet, így 50 adatot fogunk feldolgozni. A kísérlet során többször megismételjük a mérést, más és más szempontok alapján figyeljük meg a mozgást. 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). 4
A név előtti + jelre kattintva kibontjuk az adott méréshez tartozó adatcsomagot, és a méréskor aktuális beállításainknak megfelelően megjelenik a vizsgált mennyiség(ek) neve. A megnevezésen jobb gombbal kattintva eldönthetjük, hogy melyik grafikon (graph#1 vagy graph#2) jelenjen meg. 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 grafikonok kezelését a diagramterület alatti eszköztár segíti, pl. itt állítható be, hogy egy vagy két grafikonterülettel dolgozunk. A mérés végén az elkészített grafikonokat érdemes kinyomtatni (felső eszköztár), és csatolni a munkalaphoz. A Play nyomógombra kattintva a mérés elindítható. Ezt követően kézi erőhatással megindítjuk a felső helyzetben lévő testet. A mérés a beállításaink szerinti feltétel teljesüléséig (pl. megadott ideig, esetünkben 5 másodpercig) tart, de bármikor leállíthatjuk a STOP gombbal. 5
A mérés előtt végezz mentést! Az állomány neve elfordulas_szenzor_diak1nev_diak2nev legyen. Mérés közben is gyakran mentsétek el ugyanezen a néven! 1. feladat Ismerkedj meg az elfordulás mérő szenzor használatával! Óvatosan forgasd a csiga kerekét, közben figyeld, hogy a fénykapun lévő jelző LED időnként felvillan. Tapasztalatod alapján keretezd be a helyes állítást! 2. feladat A jelző LED akkor világít, ha a fényemittáló dióda és a fotoszenzor között van tárgy. A jelző LED akkor világít, ha a fényemittáló dióda és a fotoszenzor között nincs semmi. Indítsd el a mérést a szoftverrel, és óvatosan forgasd meg a csiga kerekét! Várd meg, amíg lelassul, közben figyeld a kirajzolódó grafikonokat! Vizsgáld meg az adatokat tartalmazó táblázatot. Lezajlott-e a mozgás 5 másodperc alatt? Ha nem, akkor állítsd hosszabbra a mérés idejét, és ismételd meg a kísérletet! Helyezd különböző diagramra az út-idő és a sebesség-idő grafikonokat. Jelenítsd meg mindkét ábrát egymás alatt a képernyőn! Milyen mozgást vizsgáltál? Keretezd be a helyes választ! egyenletes mozgást változó mozgást 6
3. feladat A mai mérés során egyenletes mozgást fogunk vizsgálni. Ilyen például a csigán átvetett fonálra rögzített, egyforma tömegű testek mozgása. Fűzd át a zsineget a csigán, majd rögzíts a két végére egyenlő tömegű testeket. A zsinór hosszát úgy állítsd be, hogy ha az egyik test a talajon van, akkor a másik fenn, a csigánál legyen. Ha kis lökéssel megindítjuk a felső csigánál lévő testet, akkor a rendszer egyenletes sebességgel mozog, feltéve, hogy a súrlódás elhanyagolhatóan kicsi. Végezd el a kísérletet! Kis lökéssel indítsd el a felső testet! Figyeld a számítógép kijelzőjét! Vázold a jobboldali grafikonokon, milyen alakúak a diagramok! Állandó-e a sebesség?... Ha igen, akkor olvasd le a grafikonról az értékét!... Ha nem, akkor indokold meg az egyenletes mozgástól való eltérést!......... Hogyan lehet kompenzálni ezt az eltérést?...... Ismételd meg a mérést úgy, hogy a másik irányba forogjon a csiga! Mit tapasztalsz, van-e eltérés az előző kísérlethez képest? (... Ha igen, akkor mi okozhatja?...... 7
Az ismeretek ellenőrzése: 1. Milyen eszközök szükségesek a számítógépes mérési adatgyűjtéshez? 2. Nevezd meg a szenzoros elfordulás érzékelő részeit! 3. Milyen elven működik a szenzoros elfordulás érzékelő? 4. Mikor jelez a piros LED a fotokapu oldalán? 5. Milyen mozgást végez a csigán átvetett, nyújthatatlan fonállal összekötött két, egyenlő tömegű test? Felhasznált szakirodalom: A MultiLab szoftver: http://fourieredu.com/store/products/multilab4 A Smart Pulley Sensor DT122A szenzoradatlapja (letölthető: http://fourieredu.com oldalról a smartpulley_dt122a_final-12.pdf állomány. A fotokapu működési elve: Nulláról a robotokig - PIC Mikrovezérlők II rész http://www.hobbielektronika.hu/cikkek/nullarol_a_robotokig_- _pic_mikrovezerlok_ii_resz.html?pg=4 8