O příspěvku
PDF ke staženíVyužití systému firmy Vernier při řešení úloh
Příspěvek vznikl za podpory grantu GAUK č. 374711.
V rámci studia fyziky je nutné také provádět kvantitativní měření fyzikálních veličin. Toto měření může v řadě případů žákům (resp. studentům) nebo učitelům usnadnit použití dataloggeru LabQuest od firmy Vernier a sada čidel různých fyzikálních veličin. V příspěvku budou popsány některé možnosti použití tohoto systému.
Úvod
Jak jsem již zmínil v příspěvku [1], pomůcky od firmy Vernier mají tu výhodu, že práce s nimi je velmi snadná a žáci (resp. studenti) se s nimi velmi brzy naučí pracovat. Navíc čidla určená pro měření řady fyzikálních veličin umožňují v řadě případů proměřit závislosti, jejichž proměřování by bylo ve školní praxi nevhodné (zdlouhavá práce, pracnější vyhodnocování získaných dat, …). Proto práci s těmito čidly do výuky zařazuji v těch částech fyziky, v nichž jsem přesvědčen, že mohou přinést žákům nový pohled na zkoumanou problematiku či přesné hodnoty fyzikálních veličin vhodné pro ověření resp. potvrzení studovaného jevu.
Úlohy vhodné pro použití systému Vernier
Ne pro všechny experimenty nebo úlohy, které se žáky řešíme, je použití čidel a dataloggeru firmy Vernier vhodné. Jsou ale úlohy, které s využitím tohoto systému mohou donutit žáky zopakovat si probíranou látku tak, aby byli schopní vymyslet, jaká čidla budou potřebovat a jak měření sestavit, a dát si do souvislostí znalosti probírané separátně. Navíc, jsou-li čidla dostupná v kabinetu fyziky, lze je použít i aktuálně bez předchozí přípravy na práci s nimi (např. při referátech žáků, dotazech k probírané látce, …).
Torricelliho experiment
Při probírání atmosférického tlaku vzduchu většinou žákům za jejich vydatné pomoci ukazuji Torricelliho experiment (viz např. [4]), kterým byla prokázána existence atmosférického tlaku (resp. atmosférické síly) vzduchu. Žáci na vlastní oči vidí, že atmosférická síla udrží ve svislé hadici přibližně 10 metrů vysoký sloupec vody (ve skutečnosti je to vlivem vnitřního tření vody, její viskozity, … méně). Tomuto vodnímu sloupci odpovídá normální atmosférický tlak, tj. přibližně 100 kPa. Je ale rozdíl atmosférického tlaku mezi dolním a horním koncem svislé 10timetrové hadice 100 kPa? Není! Jednak je možné velmi jednoduchou argumentací doložit, že tato úvaha je nesmyslná, a pak je možné se s využitím sondy barometr a LabQuestu přesvědčit, že uvažovaný rozdíl tlaků činí přibližně 200 Pa. Sonda spolu s LabQuestem byla zavěšena na dolním konci hadice, který byl opatrně spouštěn z okna ve výšce necelých 10 m nad okolním terénem. Závislost atmosférického tlaku na čase během popsaného spouštění hadice z okna je zobrazena na obrázku 1.
Obr. 1 Graf závislosti tlaku na čase při poklesu hadice s vodou z okna
Tuhost pružiny
Tuhost pružiny je pro praktické využití pružin důležitá veličina a je proto nutné, aby žáci měli představu o její hodnotě pro konkrétní typ pružiny. S využitím čidla polohy, siloměru a LabQuestu firmy Vernier a délkového měřidla je možné tuto fyzikální veličinu naměřit. A dokonce si tak mohou žáci ujasnit důležité fyzikální veličiny popisující mechanické kmitání.
Na pružinu zavěsíme těleso takové hmotnosti, aby toto těleso na dané pružině dobře kmitalo. Pomocí čidla polohy, které umístíme pod kmitající těleso, naměříme závislost okamžité polohy na čase. Na základě této závislosti lze buď přímo v LabQuestu nebo v programu LoggerPro odečíst periodu kmitání tělesa. Ze známé hmotnosti (určené např. pomocí čidla siloměr) již můžeme na základě hmotnosti tělesa a periody jeho kmitání určit tuhost pružiny. Detailně je tento experiment popsán v [1].
Takto získanou hodnotu tuhosti pružiny je pak možné ověřit druhou metodou, která vyplývá z rozboru sil působících na těleso zavěšené na pružině. Stačí změřit prodloužení pružiny vlivem zavěšeného tělesa a uvědomit si, že toto prodloužení způsobila tíhová síla tělesa. A z úvahy, že síla způsobující prodloužení pružiny je přímo úměrná prodloužení pružiny a její tuhosti, lze určit tuhost pružiny. Obě metody přitom dávají srovnatelné výsledky a žáci si při tomto experimentu zopakují důležité souvislosti fyzikálního popisu mechanického kmitání.
Vlastnosti polovodičů
Dalším tématem, ve kterém lze velmi dobře využít soupravu firmy Vernier, je zkoumání vlastností polovodičů. S čidly ampérmetr a voltmetr lze pohodlně proměřit voltampérové charakteristiky běžně používaných polovodičových součástek (dioda, termistor, …), s využitím luxmetru a teploměru pak lze proměřit např. závislost napětí solárního panelu na jeho osvětlení (obr. 2), závislost odporu termistoru na teplotě a další závislosti. Podrobně jsou metody měření těchto závislostí popsány v příspěvcích [3].
Obr. 2 Graf závislosti napětí solárního panelu na jeho osvětlení
S využitím těchto závislostí lze snáze objasnit princip činnosti daných součástek i společně se žáky domyslet jejich možná použití v praxi.
Dlouhodobé měření
Někdy je nutné, především pro vědecké účely (nebo studentské referáty), data měřit dlouhodobě, nestačí pouhé aktuální krátkodobé měření ve třídě. Pro tyto účely jsme vytvořili intuitivní program Flower Safeguard. Nabízí řadu pro tyto účely užitečných funkcí. Samotný program se skládá ze dvou částí – klientská část, která je nainstalovaná na pevném počítači uživatele programu, a serverová část, která je umístěna na zvoleném serveru (v našem případě na serveru [6]). Jakmile uživatel zahájí v klientské části na počítači měření hodnot z připojených zařízení, data se asynchronně (pomocí vytvoření nového programového vlákna) odešlou na zvolený server pomocí jeho API. Na serveru se pak data dále ověřují a podle potřeby zpracovávají.
Data se ukládají do databáze typu MySQL. Celá serverová část je postavena na jazyku PHP a frameworku .Nette s využitím notace JSON pro odezvu klientské části. Tato druhá část programu je napsána v jazyce C++ s využitím Windows API (program je tedy určen pro operační systém Windows), vlastních programových knihoven od firmy Vernier (SDK - viz [5]). Data se s využitím internetu odesílají na server pomocí knihoven CURL a funkce pro šifrování MD5. Program zajišťuje také podporu znakové sady UTF-8.
Teplotní rozdíly
Jedním z mnoha využití právě popsaného programu je měření teploty. Dlouhodobě lze například sledovat změnu teploty v pokoji během dne, ve kterém je umístěný přístroj náchylný právě na teplotní změny. Program během měření automaticky posílá data na server, kde se vyhodnocují. Pokud by nastaly určité předem nadefinované změny, může být uživatel o těchto změnách upozorněn např. pomocí jeho e-mailové adresy, takže ani nemusí být během měření přítomen. Data se na serveru ukládají, lze pak tedy sledovat změny hodnot měřené veličiny během celého dne, a to přehledně v grafu.
Mechanické kmitání
Pro dlouhodobé měření je také vhodný pokus s kmitajícím tělesem. Pomocí čidla polohy lze sledovat pozici kmitajícího tělesa do té doby, než přestane kmitat. Pak bude uživatel upozorněn určitým způsobem (podle definice na serveru). Naměřená data lze poté využít např. pro zkoumání odporu vzduchu během kmitání.
Závěr
Systém Vernier je tedy pro své snadné ovládání, množství dostupných čidel a kvalitní úroveň výstupu velmi vhodným nástrojem pro měření fyzikálních veličin. Pro příznivce klasických pomůcek (běžné multimetry, teploměry, …) se může tento systém zdát až příliš přívětivý (řadu výpočtů zvládne datalogger nebo program LoggerPro provést za uživatele) a tím tedy pro žáky nevhodný (žáci nemusí zdánlivě víc pracovat ani přemýšlet). Ovšem opak je pravdou: chtějí-li žáci naměřit správné hodnoty zkoumaných fyzikálních veličin, musejí si dobře promyslet, co a jak budou měřit (např. při měření okamžité velikosti síly, kterou působí těleso kmitající na pružině zavěšené na siloměru systému Vernier na toto čidlo, je velmi nutné provést správně rozbor sil, neboť jinak budou žáci pracovat s chybně interpretovanými výsledky). Skutečnosti, že se jedná o digitální přístroj, se není nutné obávat, neboť jak učitelé, tak žáci s ním práci zvládnou velmi rychle.
S možností vzdáleného měření, které v rámci ročníkové práce navrhl Přemysl Černý, se nabízejí další možnosti využití tohoto systému. A to nejen na ukázky „školních“ měření, ale i pro praktické využití.
Literatura a zdroje
[1] Reichl J.: Experimenty se systémem firmy Vernier. In: Sborník konference Veletrh nápadů učitelů fyziky 15. Ed.: Drozd Z. Prometheus Praha 2010, s. 191 - 197.
[3] http://www.jreichl.com/fyzika/vernier/vernier.htm
[4] http://jreichl.com/fyzika/studenti/09m/atmosfericky_tlak.htm