1 Meten met de computer: Inleiding

1 Meten met de computer: Inleiding 1.1

Algemeen principe

•

In onderstaande figuur zie je een blokschema van een meetopstelling met de computer. digitaal signaal

Grootheid

spanning SENSOR

•

ADCONVERTOR

PC

De grootheid (druk, spanning, stroom enz.) wordt met de sensor gemeten. Deze sensor zet de te meten grootheid om in een gewone (analoge) spanning. De computer werkt echter alleen met binaire getallen. Daarom zal de analoge sensorspanning door de analoog-digitaal omzetter (AD-convertor of meetinterface) worden omgezet in een digitaal signaal dat door de PC kan worden ingelezen en verwerkt De meetwaarde die de PC nu ontvangt bestaat uit een combinatie van 0V- en 5Vspanningen (nullen en enen).

•

Het meten met behulp van de PC biedt een aantal voordelen:

1.2 •

Zowel snelle als langzame veranderingen van fysische grootheden kunnen makkelijk gemeten worden. Het verzamelen en verwerken van gegevens vraagt minder tijd De meetgegevens kunnen makkelijk bewaard worden De experimenten zijn makkelijk herhaalbaar en kunnen dus makkelijk onder verschillende omstandigheden uitgevoerd worden.

Het gebruikte meetsysteem: de EURO-LAB of €-LAB interface In onze school maken we gebruik van de eurolab analoog-digitaal-convertor ( Zie figuur 2.1: de €-lab meet-interface van het Centrum voor Microcomputer Applicaties CMA van de universiteit van Amsterdam) . Deze AD-convertor kan je gewoonweg op de USB-poort van een PC aansluiten en maakt gebruik van de COACH-software. (zie later)

Kanaal 1 Kanaal 2 USB

figuur 2.1 1

•

De €Lab interface wordt gevoed vanuit de USB-voeding. Hierdoor is de kwaliteit van de vaste +5V- voeding voor de sensoren afhankelijk van de kwaliteit van de USB-voeding, en kan deze per computer verschillen. Deze vaste +5Volt voeding kan maximaal via de USB-bus een stroom van 440 mA leveren.

•

De €-lab interface beschikt over twee onafhankelijke meetkanalen K1 en K2. (zie figuur 2.1) Dit betekent dat met deze meetinterface 2 metingen tegelijkertijd kunnen worden gemeten: bv. druk en temperatuur. Ieder meetkanaal bezit 2 meetbereiken : van -10 Volt tot +10 Volt

en

van 0 Volt tot + 5Volt

Dit meetbereik kan door middel van de software worden geselecteerd. Merk dus op dat de meetinterface enkel spanningen kan meten! •

€Lab gebruikt een 12-bit ADC. De 12-bits resolutie bepaalt dan ook de meetnauwkeurigheid of resolutie van AD-convertor: hiermee kunnen dus 212 of 4096 binaire getallen gevormd worden. Het meetbereik van de analoge kanalen wordt door de €Labinterface in 4096 gelijke digitale porties verdeeld.

Bij een meetbereik van -10Volt tot +10Volt bedraagt de resolutie dan ook ongeveer 5 mV Bij een meetbereik van -0Volt tot +5Volt bedraagt de resolutie ongeveer 1,2mV Opdracht: reken dit na!

De maximale meetfrequentie hangt af van het aantal kanalen dat gebruikt wordt en de manier waarop de kanalen gebruikt worden. In de normale modus kan de interface elke 100 µ s een meting uitvoeren. Dit betekent dat één kanaal op maximaal 10 kHz bemonsterd kan worden en twee kanalen op maximaal 5 kHz bemonsterd kunnen worden. •

Ieder meetkanaal bezit indien gewenst ook een telfunctie. Deze telfunctie kan door de COACH-software worden geactiveerd. Tellen is mogelijk voor één kanaal tegelijkertijd. Het kanaal wordt elke 200 µ s gemeten om te bepalen of het signaal de ingestelde drempelwaarde heeft overschreden(op- of neergaand). Telkens als de drempelwaarde werd overschreden wordt de teller met 1 verhoogd. De maximale telfrequentie van een signaal dat geteld moet worden is dan ook 1/(2x200 µ s ) = 2,5 kHz voor het geval van een symmetrisch signaal.

2

1.3 •

Aansluiting van de sensoren op de €-lab interface: het meetpaneel Om op een vlotte manier sensoren op de €-lab interface te kunnen aansluiten werd er rond de €-lab interface een meetpaneel gebouwd. ( Zie onderstaande figuur 2.3)

K1 -10V → +10V

0V → +5V

+5V

-10V → +10V

0V → +5V

+5V

K2

figuur 2.3

•

•

Dit meetpaneel bevat zoals de €-lab interface 2 meetkanaallijnen K1 en K2 met telkens per kanaal de volgende mogelijke aansluitingen ( zie figuur 2.3 en van links naar rechts):

Een aansluitingsbus om spanningen van -10Volt tot +10Volt te meten.

Een aansluitingsbus om spanningen van 0Volt tot +5Volt te meten.

Een aardingsbus ten opzichte van dewelke de spanningen gemeten worden.

Een aansluitingsbus die een vaste spanning van ongeveer +5Volt ten opzicht van de aardingsbus levert. Indien je deze bus gebruikt dan moet je eerst de exacte spanning tussen de aardingsbus en deze bus voor vaste spanning meten.

OPMERKING:

De werking van de hardware is leerstof en dien je tegen de volgende les te studeren. Zonder kennis van de hardware kan je geen experiment met de PC begrijpen en/ of opstellen

3

1.4 •

Gebruik van de softwareCOACH 6 Om de gegevens, gemeten door de €-lab AD-convertor, te verzamelen en te verwerken maken we gebruik van het softwarepakket COACH 6

1.4.1

Een nieuwe meetactiviteit opstarten uitvoeren en bewaren

¾ Coach opstarten -)Ga naar Start / Programma’s en klik coach 6 docent aan. Vul als wachtwoord 0000 in (4nullen)

-)Door als docent in te loggen verkrijg je alle toegangsrechten tot het programma. Een volgend scherm verschijnt: ¾ Aanmaken van een nieuwe meet-activiteit -) De kant en klare proeven worden in coach 6 activiteiten genoemd. Meerdere activiteiten of proeven die bij elkaar behoren worden een project genoemd. -) In wat volgt zullen we de eenvoudige activiteit of proef “voltmeter” aanmaken. De bedoeling is dat de computer een aangelegde spanning in functie van de tijd meet en in een grafiek weergeeft.

Kies nu de knop nieuwe activiteit of kies Bestand/Nieuw. Het scherm Activiteit-Instellingen opent zich nu. (zie figuur 2.4.1)

Figuur 2.4.1 -) Aangezien we bij deze proef willen meten met de meetinterface, mag je meten aangevinkt laten. -) Als paneel kies je ( zie figuur 2.4.1) uit het vallend menu-systeem CMA-EuroLab. Bevestig nu je keuze door op de OK-knop te drukken. Het eurolab-icoon verschijnt nu in een venster Maak nu het venster van het eurolab-icoon nu kleiner totdat het venster zich links-onderaan bevindt. ( zie figuur 2.4.2)

4

sensorhokje

Figuur 2.4.2 ¾ Aansluiten van een sensor op een kanaal van het meetpaneel -) Voor je kan beginnen te meten moeten we aan tenminste één van de ingangskanalen van het meetpaneel een sensor met bijbehorende ijking toewijzen. -) Voor het meten van de spanning zullen we de voltmetersensor toewijzen aan de -10V+10V ingang van het meetkanaal K1 op het meetpaneel. Dit doen we als volgt:

Klik met de rechter muistoets in het sensorhokje (zie figuur 2.4.2) en selecteer Sensor uit bibliotheek kiezen. Selecteer nu voltmeter (algemeen) (-10V …+10V) als sensor. Bevestig je keuze met de OK – knop. Versleep nu het icoontje van de volmeter-sensor naar kanaal 1 van de eurolabinterface (zie figuur 2.4.3) .

VERSLEPEN

Figuur 2.4.3 -) In principe kan je nu reeds starten met meten via de aansluitingsbus -10V……+10V van het kanaal 1 van het meetpaneel.

5

¾ Het resultaat van een meting in diagram op het scherm brengen: -) Klik op het kies-diagram icoon (zie figuur 2.4.4) en selecteer de voltmeter door er met de linker muisknop op te klikken en klik op OK.

Tabel

Meetpaneel Meetinstelling

Diagram START

Figuur 2.4.4

Meetwaarde

-) Versleep nu het diagram-icoon in een leeg venster en plaats het neer door op de linker muistoets te drukken. -) Alles is nu klaar om de spanning te meten in functie van de tijd. We moeten enkel nog de verbindingen met het meetpaneel maken:

We gebruiken de vaste 5V uitgang van het meetpaneel als te meten signaal. Verbind daarom met een meetsnoer de vaste 5V uitgang van het meetpaneel met de -10V……+10V ingangsbus van meetkanaal 1 van het meetpaneel. (zie figuur 2.4.5)

K1 -10V → +10V

0V → +5V

+5V

-10V → +10V

0V → +5V

+5V

K2

Figuur 2.4.5

Druk op de STARTKNOP (zie figuur 2.4.4) en de meting kan nu beginnen. In de grafiek verschijnt nu de ongeveer vaste 5Volt spanning in functie van de tijd.

Met de ESC –toets van het toetsenbord of de STOP-knop kan je steeds een lopende meting onderbreken.

¾ Een activiteit bewaren: -) In Coach 6 wordt er gewerkt met projecten en activiteiten. Een project is een verzameling van bij elkaar horende activiteiten. Het werken met projecten zullen we meestal achterwege laten. -) De activiteiten in coach 6 krijgen het achtervoegsel .cma We spreken af dat we alle activiteiten in de volgende map onderbrengen: d:\document\coach6\vijfdes\fysintcu* waarbij * staat voor het nummer van de cursus.

6

GEBRUIK NOOIT DE BEVEILIGDE C-PARTITIE OM JE GEGEVENS OP TE SLAAN. DE GEGEVENS WEGGESCHEVEN OP DE C-PARTITITIE WORDEN BIJ EEN VOLGENDE START VAN DE PC AUTOMATISCH GEWIST! -) Je hebt nu reeds een volledig proefje in COACH aangemaakt. Tijd dus om dit op harde schijf op te slaan. Kies daarom in het menu Bestand/Opslaan als of klik op het Opslaan als-icoon Vervolgens sla je het bestand in de juiste map op die je door je leerkracht werd toegewezen: D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu*……………………………………….. (de juiste map kan je ook vlug openen door op het favorieten-icoontje te klikken de juiste map aan te duiden.)

en daar

-) Je vult als naam voor het activiteitenbestand voltmeterinitialen in (initialen vervang je door je eigen initialen, zo kan je ten allen tijde je eigen aangemaakte bestanden terugvinden). Bevestig het opslaan, nadat je eerst de juiste map hebt gekozen, door op de knop Opslaan te klikken -) Merk op dat een activiteitenbestand in COACH steeds de extensie .CMA krijgt. -) HET IS ERG BELANGRIJK VAN STEEDS DE JUISTE MAP TE KIEZEN VOOR HET OPSLAAN VAN DE BESTANDEN, ANDERS KUNNEN JE BESTANDEN VERLOREN GAAN. -) Gebruik nooit de beveiligde C-partitie om je gegevens op te slaan. -) BRENG OOK STEEDS EEN USB-STICK MEE OM JE BESTANDEN PERSOONLIJK OP TE SLAAN! 1.4.2

De instelling en aard van de meting aanpassen

¾ Meetinstelling van de meting veranderen -)Dit doe je via Opties / Meetinstelling of het icoon meetinstelling (zie figuur 2.4.4). Klik nu op het icoon meetinstellingen; je verkrijgt nu onderstaand venster:

Bij tijdsduur stel je de tijdsduur van de meting in. Voer hier nu 20 seconden in.

7

Bij frequentie stel je het aantal metingen per aangegeven tijdseenheid in. Voer hier nu 5 metingen per seconde in.

Bij aantal monsters bepaal je het maximaal aantal metingen die door de software zal gemeten worden. Hier verschijnt hier 20s x 5 metingen/per seconde = 100 monsters of metingen. Je kan hier zelfs een triggervoorwaarde of trigering ( = automatisch starten van de meting op basis van een welbepaalde waarde van het inkomend signaal op een meetkanaal van het meetpaneel; zie later ) invoeren.

-) Bevestig nu je instellingen door op de OK-knop te drukken. Op de vraag: “Met de wijziging van de meetinstelling worden de meetgegevens gewist. Doorgaan? “ antwoord je bevestigend met de Ja – knop. -) Voer nu terug het voorgaande proefje met de voltmeter uit opnieuw uit (Klik op startknop). ¾ Meetwaarden van de sensor digitaal op het scherm brengen -) Klik op het meetwaarde icoon

(zie ook figuur 2.4.4) , en selecteer de voltmeter .

-)Versleep nu het meetwaarde icoon in een leeg venster en plaats het neer door op de linker muistoets te drukken. -) De waarden van de spanningen van meetkanaal 1 verschijnen nu in het digitale meetvenster. ¾ Meetwaarden van de sensor in tabelvorm op het scherm brengen -) We gaan nu in één van de lege vensters een tabel met het resultaat van de spanningsmetingen plaatsen:

-) Klik daarom op het tabel icoon

(zie ook figuur 2.4.4) en selecteer de voltmeter.

-) Versleep nu het tabel-icoon in een leeg venster en plaats het neer door op de linker muistoets te drukken. -) Druk op de STARTKNOP en de meting kan beginnen. In de tabel verschijnt de spanning van meetkanaal 1 in functie van de tijd.

8

1.4.3

Verwerken van de meetgegevens -) Klik met de rechtermuis toets op het diagramma van de voltmeter. Een waaier van mogelijkheden openen zich nu. Je bevindt je nu in het verwerkingsmenu

verwerkingsmenu

¾ Grafiek-weergave instellen -) Open het verwerkingsmenu (is reeds gebeurd ) Klik op de instelling weergave . Verwijder nu de lijn-lijn verbinding tussen de meetpunten en kies als symbool Punt(2x2) (zie onderstaande figuur)

Klik nu op OK; de onderscheiden meetpunten worden nu zichtbaar. -) Merk op: bij de meeste metingen zal je steeds de lijn-lijn verbinding in de weergave moeten afzetten. (Waarom?, Rol van de meetfout!) ¾ Meetwaarden uitlezen -) Open terug het verwerkingsmenu. ( Klik nogmaals met de rechtermuis toets op het diagramma van de voltmeter). Kies voor uitlezen. Klik nu op een willekeurig meetpunt; de waarde van dit meetpunt wordt nu in de rechterbovenhoek van het diagramma-venster uitgelezen.

9

-) Bekijk nu nog een aantal meetpunten via uitlezen. Stop nu het uitlezen van de meetwaarden. ¾ Een functiefit uitvoeren -) Door middel van een functiefit berekent het programma automatisch de kromme of rechte die het meest nauwkeurig aansluit bij de meetpunten. Dit doe je als volgt:

Open het verwerkingsmenu en kies voor Analyse/Verwerking en daarna Functiefit.

De software stelt de functievorm f(x)=a.x + b voor. Klik nu op schatting en vervolgens op verfijnen; de software bepaalt nu de coëfficiënten a en b zodanig dat de rechte het best aansluit bij de meetwaarden.

Noteer nu hier de waarden van a en b die de software berekende: a=……………………….. b= ………………………. Lees ook de standaard afwijking af: ………………………. Een kleine standaard afwijking betekent een goede functiefit!

Merk op: de berekende rechte loopt schijnbaar een beetje schuin, is dit niet fout??!!!! Los dit schijnbaar probleem op door goed naar de eenheden op de assen te kijken!

Beëindig de functiefit door op de OK-toets te klikken.

¾ Een meetresultaat wissen(Nu niet uivoeren) -) Open het verwerkingsmenu en kies Gegevens wissen. 1.4.4

• 1.4.5

Afsluiten van het coach-programma

Bewaren van de activiteit: Kies voor bestand/activiteit/bewaar als en sla je activiteit in de juiste map op; geef aan je bestand steeds een eenduidige naam! .

Bewaren van de meetresultaten: Kies voor bestand/opslaan als en sla je metingen in de juiste map D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu* op; meetresultaten krijgen als achtervoegsel .cmr Coach afsluiten: Sluit nu Coach af via Bestand / afsluiten Coach Opdracht en opmerkingen:

• • •

Te studeren: de werking van de eurolab-interface Bestudeer het gebruik van de COACH-software Zorg ervoor dat vanaf nu steeds een USB-stick mee hebt om je gegevens veilig op te slaan.

•

In wat volgt ga je een aantal projecten moeten afwerken die allen een experiment met de PC bevatten. Het is dus echt van belang dat de werking van €-lab-interface en de Coachsofware goed begrijpt.

10

2 Meten met de computer: enkele projecten •

2.1

Vooraf: experimenten in de fysica verlopen zomaar niet in het wilde weg maar planmatig volgens het OPUCE-model. Dit OPUCE-model wordt hier uitgelegd. Je dient het steeds te volgen bij het uitvoeren van een experiment.

HOE EEN LABO-EXPERIMENT ZELFSTANDIG UITVOEREN:HET OPUCE-MODEL

•

Het uitvoeren van een practicum verloopt steeds volgens de vijf stappen van het OPUCE – MODEL ( Oriëntatie, Planning, Uitvoering, Controle, Evaluatie).

•

ORIENTATIE: -) In de oriëntatiefase bestudeer je de opdracht: waarover gaat het ? Wat is het doel? Op welke leerstof heeft de opdracht betrekking; kijk deze leerstof eventueel nog even na. -) Formuleer een onderzoekhypothese. Indien mogelijk probeer je de onderzoekshypothese reeds vanuit de theorie te verklaren : vb.: de druk bij een gas in een afgesloten vat neemt toe bij toenemende temperatuur. ( Verklaring: bij hogere temperatuur bewegen de gasdeeltjes sneller en zal de druk dus ook stijgen omdat de botsingen tussen de gasdeeltjes heviger worden). -) Formuleer wat je wenst te onderzoeken om te toetsen of je hypothese correct is en bepaal welke grootheden je zal meten: vb.: verband druk en temperatuur bij gassen; meten van druk en temperatuur.

•

PLANNING: -) Ga na welke apparatuur je het best zal gebruiken om de grootheden te meten of om de hypothese te toetsen. -) Maak een schets van de proefopstelling die je nodig hebt om het onderzoek uit te voeren. Noteer tevens de meetnauwkeurigheid van de meettoestellen. Ga nauwkeurig na dat je proefopstelling de apparatuur niet kan beschadigen. (Leg je meetplan ter goedkeuring voor aan de leerkracht) -) Bepaal in deze fase ook hoe je de meetgegeven gaat noteren ( tabelvorm, grafiek, film, ….) -) Indien je gebruik maakt van de PC als meetinterface, ga dan ook na welke meetinstellingen je in de meetsoftware (vb. coach) zal gebruiken. (Zie modelblad)

•

UITVOERING: -) Maak nu de meetopstelling en maak indien nodig de meetsoftware op de PC klaar . -) Laat de leraar je meetopstelling controleren. -) Voer nu de meting uit.

•

CONTROLE: -) Verwerk de meetresultaten. -) Geef antwoord op de onderzoeksvraag en controleer de hypothese. Toets de onderzoeksvraag aan de meetresultaten.

•

EVALUATIE: -) Je hebt een conclusie getrokken over de geldigheid van de hypothese. Ben je zeker dat de conclusie juist is? Is er niets fout gelopen tijdens de meting? Wat kan je doen om de meting te verbeteren.

11

2.2

PROJECTWERK: METEN VAN WEERSTANDEN DOOR MIDDEL VAN WEERSTANDSSENSOR (tijdsgebruik:1,5 lesuur)

2.2.1 • •

Oriëntatie

De bedoeling van dit project is je te laten kennismaken met het meten met de PC via euro-lab. Daartoe gaan we een weerstandssensor opbouwen en deze ijken in COACH en vervolgens een meting op weerstanden uitvoeren met deze weerstandssensor. Het principe van een weerstandssensor is gebaseerd op spanningsdeling van een vaste bronspanning over een bekende weerstand R en een te meten onbekende weerstand Rx. In de praktijk zullen we een vaste weerstand van 200Ω en een vaste spanning van 5V (afkomstig van het meetpaneel) gebruiken. Zie ook het schema hieronder. D

C

F

E

Rx

R = 200Ω Ugem

Ux schema 3.2.1 Ub = 5V

A

•

B

De onbekende weerstand Rx kan men als volgt bepalen : ……………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………. Dus

•

In deze formule is Ugem de gemeten spanning over de vaste weerstand R van 200Ω. Indien men Ugem kent, kan men dus ook met de formule Rx= 200Ω.(5V-Ugem)/Ugem de onbekende weerstand bepalen. In de onderstaande tabel 3.2.1 krijg je de omzettingstabel waarbij de gemeten spanningval Ugem over de gekende weerstand R, wordt omgezet in de waarde van de onbekende weerstand Rx.(Deze tabel werd door middel van een rekenblad aangemaakt) Ugem (V)

Rx (Ohm)

0,300

3133

Onbekende weerstand - gemeten spanning

0,600

1466

0,900

911,1

3500

1,200

633,3

3000

1,500

466,6

1,800

355,5

2,100

276,1

2,400

216,6

2,700

170,3

3,000

133,3

3,300

103,0

500

3,600

77,77

3,900

56,41

0

4,200

38,09

4,500

22,22

4,800

8,333

5,000

0

2500 Rx (Ohm)

•

Rx= 200Ω.(5V-Ugem)/Ugem

2000 1500 1000

0

2

4 Ugem (V)

12

6

2.2.2 •

Planning en uitvoering

In wat volgt maak je eerst de nodige software instellingen in Coach. Vervolgens bouw je de weerstandssensor en zal je deze gebruiken. ¾

AANMAKEN VAN DE NIEUWE SENSOR + INVOEREN IJKCURVE IN COACH

Om deze opstelling in Coach te kunnen gebruiken als weerstandsensor zullen we de weerstandsensor eerst moeten ijken. Dit doen we door het invoeren van de ijkcurve in Coach.

Start COACH op (Docent wachtwoord 0000) en open het algemene activiteitenbestand meten-eurolab-algemeen.cma. Kies nu direct voor bestand/opslaan als en sla het activiteitenbestand op in de juiste map D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu met als naam weerstandsensor+initialen

AANMAKEN VAN DE NIEUWE SENSOR -) Klik met de rechter muistoets op een sensorhokje en kies voor nieuw sensoricoon maken. -) We willen de ijking van weerstandssensor de volgende eigenschappen toekennen: naam: WEERSTANDSSENSOR, grootheid: R, eenheid: OHM, een meetgebied dat gelegen is tussen 0Ω en 3200Ω en een numeriek display. Vul daarom nu deze gegevens in zoals aangegeven op onderstaand schermbeeld:

13

INVOEREN VAN DE IJKING VOOR DE WEEERSTANDSENSOR -) Vink nu onderaan, de keuze ijkcurve aan en druk op de geavanceerd. Onderstaand scherm verschijnt:

-) Zorg ervoor Spline aangevinkt is (Spline:de niet ingevoerde punten worden nu bepaald door middel van een functieaanpassing op basis van de reeds ingevoerde punten en dit volgens de SPLINE methode. Zo kunnen tijdens de meting ook niet ingevoerde spanningen direct in weerstandswaarden worden omgezet.) -) Je kan nu de ijktabel ( zie tabel 3.2.1 ) die de onbekende weerstandswaarde in functie van de gemeten spanning weergeeft als volgt invoeren:

Klik op de knop RIJ TOEVOEGEN; typ nu de eerste spanning en de overeenkomstige weerstandswaarde in. Bevestig telkens de invoer met de OKknop. Herhaal deze procedure totdat alle ijkwaarden uit de tabel werden ingevoerd. (TIP: door middel van de TAB-toets kan je makkelijk van het ene naar het andere invoerveld gaan) Nadat je alle gegevens hebt ingevoerd sluit je de invoer van de ijking af door twee maal op de OK-toets te drukken.

-) De weerstandsensor verschijnt nu gebruiksklaar in het sensorhokje. ¾

MEETINSTELLING VOOR DE DIGITALE WERSTANDSMETER

De ijking die in het vorige gedeelte werd opgesteld zal nu gebruikt worden in het meetprogramma. Hierdoor zullen de gemeten spanningen op kanaal 1 van het meetpaneel direct in een weerstandswaarde worden omgezet.

De instelling verloopt als volgt: -) Versleep de weerstandssensor naar meetkanaal 1.

14

-) Klik op het icoon kies Waarde en kies als waarde de weerstandssensor. Bevestig met kies en versleep het icoon naar een vrij venster.

Bewaar nu de activiteit in de juiste map (geen C-partitie!) D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu* en geef het bestand de naam weerstandssensorinitialen

Alles staat nu klaar om te meten, of toch niet? We moeten nu nog wel onze sensor aan het meetpaneel aansluiten.

¾

AANSLUITEN VAN DE WEERSTANDSSENSOR OP HET MEETPANEEL EN METEN

Benodigdheden: €-lab, componentenpaneel, R = 200 Ω, potentiometer, verbindingskabels

De weerstandssensor wordt op het componentenpaneel gemonteerd:( zie schema 3.2.1) -) Neem het componentenpaneel en zorg dat de schakelaar op 1 staat. -) Sluit de gekende weerstand R = 200 Ω aan tussen de schroefklemmen C en D. Verbind de veranderlijke weerstand Rx of potentiometer met de schroefklemmen E en F.

Aansluiting van de weerstandssensor op het meetpaneel: -) De vaste bronspanning Ub = 5V wordt geleverd door het meetpaneel. Verbind daarom door middel van verbindingssnoeren de klem A van het componentenpaneel met de aarding van kanaal 1 van het meetpaneel. Klem B wordt met de vaste +5V uitgang van het meetpaneel verbonden. Respecteer de kleurcodes bij het maken van de verbindingen met de verbindingssnoeren: min-pool: zwart, plus-pool: rood. De sensor staat nu onder spanning. -) Om de spanningsval over de vaste weerstand R = 200Ω te kunnen meten sluit men door middel van een meetsnoer punt D van het componentenpaneel aan op kanaal 1 van het meetpaneel.

2.2.3

De meting kan nu beginnen. Draai gewoon wat aan de potentiometer en je kan de ingestelde weerstandswaarde van de potentiometer zo op het scherm aflezen.

Vragen - opdrachten: 1a) In welk meetgebied is de weerstandssensor erg nauwkeurig, in welk meetgebied is hij minder nauwkeurig?

b) Hoe stel je dat vast tijdens de meting.

c) Hoe zie je dat in de omzettingstabel?

2) Hoe kan je het meetbereik van het meetgebied van de sensor uitbreiden?

15

2.3

TUSSENVOEGSEL: OPSTELLEN VAN EEN VERSLAG BIJ EEN METING

Het verslag zal steeds zoals in onderstaand voorbeeld aangeduid, worden opgesteld. Nummer meerdere verslagbladen; houd ze samen met een nietje. Structureer je verslag en verzorg de lay-out. Geef duidelijk aan wat jou bijdrage geweest is in het tot stand komen van het verslag. Gebruik deze tekst als checklist.

ONDERWERP Naam: ....................................................……Klas: ........... Nr: ......... Datum: ................... Bijdrage: …………………………………………………………………………………..…….. Naam medewerker..................................……………… Klas: ..................... Nr: ............... Bijdrage: …………………………………………………………………………………………..

1) DOEL VAN DE PROEF - HYPOTHESE •

Korte beschrijving van het doel van de proef en formulering van de onderzoeksvragen en/of hypothesen.

2) GEBRUIKTE APPARATUUR EN OPSTELLING • • • •

Teken een schematische figuur van de opstelling . Noteer de naam van de gebruikte toestellen. Voorzie de figuur van alle symbolen van de te meten grootheden. Beschrijf kort de werkwijze. Soms is de werkwijze zeer duidelijk en af te leiden uit de opstelling, zodat je de werkwijze niet te uitgebreid hoeft te vermelden.

3) MEETRESULTATEN EN VERWERKING •

•

•

Resultaten noteren in een tabel: o

Schrijf bovenaan de tabel steeds de grootheid en de eenheid waarin gemeten wordt. Gebruik enkel SI-eenheden.

o

Let op de meetnauwkeurigheid: je meetresultaten moeten even nauwkeurig genoteerd worden als je ze kan aflezen met het gebruikte meettoestel maar ook niet nauwkeuriger dan mogelijk is.

o

Bepaal tevens indien mogelijk de absolute fout voor de metingen: die mag je gelijk stellen aan de kleinste schaalverdeling van het meettoestel.

Verwerking van de meetresultaten o

Je verwerkt de meetresultaten in de tabel door middel van een elektronisch rekenblad. Soms gebeuren ze rechtstreeks in de tabel, bij de meetresultaten. Soms moet je de meetresultaten apart (niet in een tabel) verwerken . In ieder geval moet je vermelden : welke formules je gebruikt en over welke reeks metingen deze berekeningen gaan.

o

Vergeet bij de verwerking niet rekening te houden met de beperkte meetnauwkeurigheid. Respecteer het aantal decimalen en beduidende cijfers overeenkomstig de regels van de vereenvoudigde foutentheorie!

Een grafiek tekenen 16

Een grafiek tekenen is de snelste manier om verbanden tussen grootheden te zien. Een grafiek tekenen doe je steeds door middel van een elektronisch rekenblad. Een goede grafiek moet aan volgende criteria voldoen: o

Bovenaan staat er steeds een titel!

o

Op de horizontale as zet je de onafhankelijk veranderlijke: de oorzaak van de verandering. Dit is meestal de grootheid die je zelf verandert of de tijd.

o

Op de verticale as zet je de afhankelijk veranderlijke: het gevolg. Dit is de grootheid die verandert als gevolg van de waarde die je de onafhankelijk veranderlijke geeft.

o

Bij de assen zet je steeds de grootheid en de eenheid en de ijk.

o

De ijk kies je zelf. Deze is voor beide assen verschillend. De ijk moet zo gekozen zijn dat de meetpunten een zo groot mogelijk gedeelte van de grafiek beslaan. Maak de ijk zo eenvoudig mogelijk. Of de oorsprong een meetpunt is, en dus op de grafiek moet staan moet je zelf beredeneren.

o

De lijn in de grafiek die het verband aangeeft tussen de meetpunten is altijd een vloeiende lijn. Punt-punt verbindingen zijn steeds uit den boze. Deze vloeiende lijn laat je het best bepalen door je rekenblad via de optie trendlijn. (Zie handleiding: maken van een grafiek in een rekenblad). In de fysica hebben grafieken dikwijls de vorm van een rechte, een parabool of een hyperbool. Hierbij hoort ook telkens een wiskundig verband dat uitgedrukt wordt in een formule. Bepaal dit wiskundig verband, indien mogelijk, via de optie trendlijn van je rekenblad of de optie functie-fit van Coach,.

o

Vergeet niet in de grafiek de absolute fout op de ingevoerde meetresultaten in te voeren.

4) CONCLUSIE • • • •

Trek een besluit uit het onderzoek. Het besluit moet in volzinnen een antwoord geven op de onderzoeksvraag of hypothese. Om het besluit te formuleren maak je gebruik van de meetresultaten, berekeningen en grafieken. Verwijs op een eenduidige manier naar grafieken en tabellen. Indien mogelijk noteer je het besluit in een formule of met symbolen.

5) EVALUATIE: • •

•

Met de evaluatie wordt bedoeld dat je opmerkingen en suggesties doet en dat je kritisch je eigen onderzoek beoordeelt. Je kan dat doen door: o te zoeken naar informatiebronnen om je resultaat mee te vergelijken; o proberen te verklaren waarom jouw resultaat verschillend is van dat uit andere informatiebronnen; o te vermelden wat er fout gelopen is tijdens de meting; o te vermelden waarom je meetresultaten onvoldoende betrouwbaar zijn; Doe voorstellen om de resultaten te verbeteren ( materiaal, opstelling, werkwijze).

17

2.4 •

2.4.1

PROJECTWERK STUDIE VAN DE CONDENSATOR (aantal te besteden lesuren: 4; zorg dat je een usb-stick meebrengt!) Bij dit project is het de bedoeling dat je de eigenschappen van een condensator , meer bepaald de laad- en ontlaadstroom van een condensator gaat onderzoeken door een meting met de PC uit te voeren. Tevens zal je ook de C-waarde van de condensator moeten bepalen. Oriëntatie ¾ WAT IS EEN CONDENSATOR -) Condensatoren vind je o.a. in radio's, TV's, wasmachines, stofzuigers en labo-voedingen. Een condensator (symbool C) bestaat uit twee geleidende platen die van elkaar gescheiden zijn door een isolator. We stellen hem voor als volgt:

-) Bij een plaatcondensator zijn de geleiders vlakke evenwijdige platen. -) Zijn de platen draaibaar ten opzichte van elkaar, dan is de condensator regelbaar. Zo'n regelbare condensator wordt gebruikt in een radiotoestel om op de juiste zender af te stemmen. -) Bij een elektrolytische condensator zijn de geleiders opgerold en gescheiden door een papiertje dat doordrenkt is met een elektrolytische oplossing. Bij de fabricage stuurt men een stroom door de elektrolyt. Door elektrolyse ontstaat een dun isolerend laagje. Het geheel wordt in een cilindervormig busje gemonteerd.

¾ CAPACITEIT VAN EEN CONDENSATOR -) Indien men een condensator verbindt met een gelijkspanningsbron dan worden platen van de condensator tegengesteld elektrisch geladen.

|Q1| = |Q2| = Q -

+ + + + + +

U

18

-) Er is dan ook een potentiaalverschil of spanning U aanwezig tussen de twee geleiders tengevolge van de ladingen +|Q| en -|Q| op beide platen.

C C ==

Q Q U U

-) De capaciteit C van een condensator wordt dan als volgt gedefinieerd: -) We leiden hieruit af dat Q = C.U of een condensator met een grote capaciteit C kan veel lading Q bevatten bij een welbepaalde spanning. Een condensator kan je als het ware beschouwen als een “ladingsspons”. -) De SI-eenheid van capaciteit afgeleid uit de formule is coulomb per volt:1 C/V, waarvoor de nieuwe naam "farad", symbool F, wordt ingevoerd. -) De eenheid is voor de praktijk veel te groot, hetgeen aanleiding geeft tot het gebruik van: 1 µF (10-6 F), 1 nF (10-9 F) en 1 pF (10-12 F). ¾ LAAD- EN ONTLAADSTROOM VAN EEN CONDENSATOR -) In onderstaande figuur zijn een weerstand met waarde R en een condensator met capaciteit C in serie aangesloten op een bron met spanning Ub. Men noemt dit een RC-kring. Als je de schakelaar op stand 1 zet, loopt er even een stroom in de geleider en laadt de condensator op tot de condensatorspanning Uc = Ub ( de bronspanning).

-) Met de A-meter kun je de laadstroom meten. Je vindt dan de volgende grafiek:

-) Als je de schakelaar sluit op het ogenblik t = 0 s, wordt die grafiek van de laadstroom beschreven door: I(t) = I0. e-t/(R.C)

19

I0 is de stroom op het ogenblik t = 0 s, en wordt bepaald door I0 = Ub/R -) De functie I(t) = I0. e-t/(R.C) is van de vorm y = a.eb.x met a = I0 en b = - 1/(R.C). Omdat a positief en b negatief is, is de functie dalend: de stroom I daalt als functie van de tijd t. -) Opdracht: ga het verloop na van de functie y = e-x Doe dit door middel van je TEXAS TI rekentoestel, zoek eerst de functie e-x op (blauwe toets), voer de functie y = e-x in en laat dan de functie tekenen (Graph). Merk op in y = e-x bezit het grondtal e de waarde 2,718 -) Als R klein is, is de absolute waarde van b groot en is de kromme steil: bij een kleine weerstand wordt de condensator vlug geladen! Als R groot is, is de absolute waarde van b klein en is de kromme minder steil: bij een grote weerstand wordt de condensator traag geladen! ( zie onderstaand figuur 3.4.1 a) Daarom wordt een relatief grote weerstand gebruikt bij het onderzoek van het laden van een condensator.

Figuur 3.4.1 a : laadkromme van een condensator voor twee verschillende weerstanden.

-) Het oppervlak onder beide krommen is gelijk aan de lading die werd opgenomen door de condensator. Als de capaciteit C en de aangelegde spanning Uc dezelfde zijn, is deze lading ook hetzelfde, want | Q | = C . U . De oppervlakte onder de twee krommen van figuur 3.4.1 a is dan eveneens hetzelfde. -) Opmerking: Als je de schakelaar in het onderstaand schema van stand 1 op stand 2 zet , wordt de condensator ontladen. De 'ontlaadstroom' wordt weergegeven door dezelfde curve als de laadstroom. Daar de stroomzin van de ontlaadstroom echter verandert echter het teken van de stroom bij het ontladen van de condensator. -) In onderstaande figuur wordt de condensator geladen door de schakelaar op 1 te plaatsen.

Duid op onderstaande figuur de elektronenstroom (dus van min naar plus) aan.

20

-) In onderstaande figuur wordt de condensator ontladen door bij de geladen condensator de schakelaar op 2 te plaatsen. Duid op onderstaande figuur de elektronenstroom aan

-) Als je de schakelaar enkele malen heen en weer beweegt tussen stand 1 en stand 2, krijg je de volgende I(t)-grafiek:

Fig 3.4.1 b

¾ HALVERINGSTIJD -) Als de schakelaar op het ogenblik t = 0 s op stand 1 wordt gezet, begint er lading naar de condensator te lopen. De stroom op t = 0 s is I0: I(t=0s)=Io -) Naarmate de condensator meer geladen wordt, loopt er minder lading naar de condensator: de stroom daalt. Je kan dit als volgt begrijpen: een lege condensator gedraagt zich als een lege uitgeknepen spons. In het begin zal de spons veel water (lading) opslorpen, naarmate de spons meer en meer verzadigd wordt, neemt de spons steeds minder en minder water (lading) op. -) Je kunt nagaan dat na een tijd gelijk aan 0,69 .R . C (dus op het tijdstip t = 0,69 . R . C) de stroom gehalveerd is; dit tijdstip wordt de halveringstijd T1/2 genoemd. Ga dit na met je texas TI-rekentoestel voor de volgende concrete waarden:

I0 = 5,0 mA, R = 1000 Ω en C = 330 µF (vul dus waarden in de formule I(t) = I0. e-t/(R.C)

met t= 0,69x1000x330x10-6s in)

21

I (t = 0,69.R.C) = …………………………………………………………..

Ga na dat het produkt 0,69 . R . C in tijdseenheden wordt uitgedrukt. ………………………………………………………………………………………………

-) Het tijdsverloop waarin de stroom gehalveerd wordt, noemt men de halveringstijd T1/2: T1/2=0,69•R•C Je kunt nagaan dat algemeen geldt: telkens wanneer de tijd met T1/2=0,69•R•C verdubbelt, de stroom ook gehalveerd wordt. Gebruik de formule I(t) = I0. e-t/R.C en vul in de onderstaande tabel de concrete stroomwaarden voor in T1/2, 2. T1/2 enz. in. t (s)

I(t) ( mA)

0

I0 =

T1/2 = 0,2277 2.T1/2 = 3.T1/2 = 4.T1/2 =

-) Zoek nu nog enkele praktische toepassingen van een condensator op ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ¾ Taak: -) Bestudeer de werking van de eurolab hardware, zorg dat je vlot kunt werken met de COACH-software. -) Studeer de werking en de theorie in verband met de condensator. ¾ Onderzoekshypothese en onderzoeksopdrachten: -) De laad- en ontlaadstroom gedraagt zich theoretisch als een exponentieel dalende functie of stijgende functie (zie fig. 3.4.1) met als formule I(t) = I0. e-t/(R.C) -) Bepaal op 3 verschillende manieren de capaciteit C van de blauwe en oranje condensator

22

2.4.2

Planning:

¾ Onderzoekshypothese en onderzoeksopdrachten: -) De laad- en ontlaadstroom gedraagt zich theoretisch als een exponentieel dalende functie of stijgende functie (zie fig. 3.4.1) met als formule I(t) = I0. e-t/(R.C) -) Bepaal op 3 verschillende manieren de capaciteit C van de blauwe en oranje condensator. -) Om de eigenschappen van de condensator te onderzoeken zullen we de laad- en ontlaadstroom van de condensator onderzoeken. Dit kunnen we als volgt doen:

¾ Een ampèremetersensor voor de UIB- meetkaart en de COACH-software bouwen Om dit gedeelte te begrijpen moet je de theorie (hardware en software) in verband met het meten met de computer goed kennen! Daarom volgt hier een korte opfrissing van de theorie. • Waarom een sensor gebruiken ? De €-lab meetinterface verbonden met de PC kan via de kanalen k1 (max 10V), k2 (max 10V), enkel een spanning meten. Indien men een andere grootheid dan spanning wenst te meten moet men gebruik maken van een sensor. Deze sensor zal dan de te meten grootheid (temperatuur, druk, stroom enz.) omzetten in een spanning die direct door meetkaart kan verwerkt worden. • Het ijken van de sensor Opdat de PC de door de sensor gemeten spanning juist zou kunnen omzetten in de te meten grootheid zal men in de COACH-software een ijking voor de desbetreffende sensor moeten invoeren. De ijking vertelt dus de PC wat het verband is tussen de gemeten spanning en de te meten grootheid. Een voorbeeld zal dit duidelijk maken: we beschikken over een temperatuurssensor met volgende eigenschappen: -) 0°C stemt overeen met 0V; 100°C stemt overeen met 5V. -) Het verband tussen temperatuur en spanning is verder lineair: vb. bij 50°C zal de sensor 2,5V aangeven. -) In COACH voeren we nu een nieuwe sensor met volgende ijking in:

Bekijk de rubriek ijking: 0V (x0) stemt overeen met 0°C(y0) ; 5V(x1) stemt overeen met 100°C(y1) .

23

•

Een ampèremetersensor bouwen -) Het bouwen van een ampèremetersensor is vrij eenvoudig: We plaatsen in het circuit waarvan we de stroom I wensen te kennen, serieel een kleine weerstand R met gekende waarde. Deze weerstand met gekende waarde R doet nu dienst als ampèremetersensor.

Toestel

gekende R

Ugemeten

I

Inderdaad: indien het meetpaneel een spanning U over de gekende weerstand R meet dan is de stroom I in het circuit gelijk aan:

I=

Ugemeten R

-) Het invoeren van de ijking in COACH wordt uitgelegd door middel van onderstaand voorbeeld: Stel de weerstandswaarde van de ampèremetersensor R=0,10Ω, We meten via het meetkanaal k1 (max. 10V). Het minimum en maximum meetbereik van onze sensor is dan: Ugemeten = -10 V stemt overeen met een stroom I van −

Ugemeten = 10V stemt overeen met een stroom I van Verder gedraagt de sensor zich lineair: I =

10V = − 100 A . 0,10Ω

10V = 100 A 0,10Ω

Ugemeten 0,10Ω

In COACH zal men dan ook de volgende ijking invoeren:

24

¾ Opstelling van de proef voor het laden en ontladen van een condensator •

Algemene opmerking:

•

Materiaal:

•

Om nu verder te kunnen gaan moet je de theorie in verband met de condensator goed kennen alsook het principe van de weerstandssensor! Opgelet voor de polariteit van de aansluitingen van de condensator! Houd steeds rekening met het aantal beduidende cijfers bij berekeningen!

3 snoeren PC, €-lab meetinterface, meetpaneel, componentenpaneel 1 weerstand R = 1kΩ die tevens dienst doet als ijkweerstand voor de ampèremeter 1 condensatoren C = 330µF(blauw) en 1 condensator C = 110µF (oranje)

Algemeen principe: -) Beschouw onderstaand schema (fig. 3.4.2. a) dat gerealiseerd werd door middel van het componenten-paneel:

fig. 3.4.2a

C

K1

2

+ +

S 1

C

R D

E

A

F

B

+5V

0V

-) Een weerstand met waarde R = 1000Ω en een condensator met capaciteit C zijn in serie aangesloten op de constante spanningsbron van Ub = 5V van het meetpaneel. Dit noemt men een RC-kring. Als je de schakelaar S op 1 zet loopt er even een stroom door de kring en laadt de condensator op, totdat UCondensaor = UBron . De condensator gedraagt zich hier als het ware als een ‘elektronenspons’; eenmaal dat de condensator vol lading zit kan er geen lading meer bij en zal ook de stroom in de keten stilvallen. -)De laadstroom in de kring kan men makkelijk meten door de spanningsval UR over de weerstand R te meten; de stroom I die door de keten loopt is dan gelijk : I = UR /1000Ω. Of om het gemakkelijk te houden: je meet de spanning over de weerstand en het getal dat je dan afleest is dan ook gelijk aan de stroom in de keten uitgedrukt in milliampère. De spanning UR kan men via het meetpaneel meten door B te verbinden met de aarding van kanaal 1 en de door E te verbinden met kanaal 1 van het meetpaneel. Het ontladen van de capaciteit kan men bestuderen door de schakelaar S in stand 2 te plaatsen.

25

2.4.3

Uitvoering

¾ AANSLUITING HARDWARE: -) Bevestig de blauwe condensator ( Let hierbij op de polariteit, anders wordt de capaciteit beschadigd) en de weerstand van 1kΩ op het componentenpaneel (zie figuur 3.4.2a ). Plaats nu de schakelaar S op stand 2 -) Sluit de bus A van het componentenpaneel aan op de vaste +5V uitgang van het meetpaneel. Bus B wordt aangesloten op de aarding van de kanalen (je kan de aardingbus van kanaal 1 gebruiken). Via bus E meet je de spanningsval over de gekende weerstand R = 1kΩ, sluit dus E aan op meetkanaal 1 (aansluiting -10V,+10V)

¾ GEBRUIKSKLAAR MAKEN VAN SOFTWARE: A) Aanmaken van de activiteit laden en ontladen van een condensator: -) Start COACH op (Docent wachtwoord 0000) en open het algemene activiteitenbestand meteneurolab-algemeen.cma dat zich bevindt in jouw map D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu* -) Kies nu direct voor bestand/opslaan als en sla het activiteitenbestand op in de juiste map D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu* met als naam condensator+initialen B) Instellen van de ijking voor de milliampèremeter sensor -) De bedoeling van dit experiment is dat we de laad- en ontlaadstroom van de condensator in de kring bestuderen en deze in een grafiek weergeven. Zoals al werd uitgelegd gaan we de stroom meten door de spanningsval over de weerstand van 1000Ω te meten; de stroom in de keten wordt dan I = Ugemeten/1000Ω. -) Daar we de spanning verkrijgen van het meetpaneel zal deze maximaal +5V bedragen. Bij een weerstand van 1000 Ω zal de maximale stroom dan ook 5V/1000 Ω = 5mA bedragen. Hiermee zullen we dan ook rekening houden bij het invoeren van de ijken van de milliampèremeter sensor. Daarom gaan we een nieuwe milliampèremeter sensor ijken en deze toewijzen aan meetkanaal 1 zodanig dat je op meetkanaal 1 direct de stroom kan meten in milliampère. Je gaat als volgt tewerk:

sensorhokje

Klik met de rechter muistoets op het sensorhokje en kies voor nieuw sensoricoon maken. Vul nu de gegevens in zoals in onderstaand scherm:

26

Bewaar nu je instellingen voor de milliampèremeter sensor door op OK te drukken.

Kies nu als sensor de pas aangemaakte milleampèremeter sensor en wijs deze nu toe aan het meetkanaal 1. Op kanaal 1 zal de gemeten spanning nu worden omgezet in een stroom.

C) Aanmaken van het I(t) -diagramma -) Kies nu het diagramma-icoon. Zorg ervoor dat in het diagramvenster de stroom gemeten door meetkanaal 1 in functie van de tijd wordt weergegeven. Maximaliseer nu het diagram-venster. Plaats de cursor op het diagram-venster en klik op de rechter muisknop. Kies voor diagraminstelling en stel bij grootheid tijd 3 decimalen in. Bestig je keuze met de OK knop. D) Verdere meetinstellingen -) We willen 500 metingen per seconde maken (waarom zoveel metingen?) en dat gedurende 12 seconden: kies daarom Opties / instelling of klik op het icoon keuzes invult:

27

en zorg dat je onderstaande

-) We stellen nu nog een triggervoorwaarde in: Klik in het venster meetinstelling op de knop Triggering en vul onderstaande waarden in

Het instellen van de triggervoorwaarde op 0,5 betekent dat de meting pas gestart zal worden als de stroom in de keten gemeten door de milliampèremeter van meetkanaal 1, 0,5 mA bedraagt. Bevestig nu de instellingen met de OK-knop. -) Sla nu ook je activiteit condensator+initialen in de juist map op. Zie zo, je kunt nu de stroom in de keten in functie van de tijd gaan meten. ¾ KWALITATIEVE STUDIE VAN LAAD- EN ONTLAADSTROOM VAN DE BLAUWE

CONDENSATOR -) In dit experiment ga je de vorm van de laad en ontlaadstroom van een condensator meten, om deze dan achteraf te gaan vergelijken met de theoretisch voorspelde vorm van de laad- en ontlaadstromen van een condensator (zie theorie). Lees eerst aandachtig onderstaande paragraaf alvorens je het experiment uitvoert: -) Start nu de meting door op de startknop te drukken . De PC wacht nu op de triggervoorwaarde I =+0,5mA om met de meting te beginnen. Haal nu de schakelaar S om van positie 2 naar 1, de condensator laadt zich op en de laadstroom in milliampère wordt zichtbaar op de Y-as. Na ongeveer 2 seconden breng je de schakelaar S van positie 1 naar 2. De condensator kan zich nu ontladen. Haal zo om de twee seconden de schakelaar om tot de 10 seconden meettijd verstreken zijn. Zorg dat je op het einde van het experiment de schakelaar terug in positie 2 brengt. -) Was het resultaat niet zo denderend? Herbegin dan nog éénmaal de proef nadat je de oude meetresultaten hebt gewist via rechter muistoets + gegevens wissen. De laatste meting met de capaciteit van 330 µF wis je echter niet maar sla het resultaat als volgt op in jouw eigen map: bestand / opslaan als/ Coach6Resultaat(*.cmr): condensatorkwal+initialen -) Je kan in dit diagram zeer mooi de ontlaad- en laadstroom van de condensator bekijken. Kopieer nu de grafiek met de laad en ontlaadstroom in een word-document, dat je later zal moeten gebruiken om je verslag te schrijven. Het kopiëren van het diagramma gebeurt als volgt.

Ga met de cursor op het diagramma-venster staan en klik op de rechter muistoets. Kies nu naar klembord kopiëren; je kan nu de grafiek in een word-document plakken.

28

¾ KWANTITATIEVE STUDIE VAN LAAD EN ONTLAADSTROOM VAN DE BLAUWE

CONDENSATOR -) Wis nu het vorige meetresultaat en stel de tijdsduur van de meting via opties/instelling in op 2 seconden. Meet nu de laadstroom voor de blauwe condensator . Bewaar het meetresultaat onder de naam condensator-blauw+initialen. -) Kopieer nu de grafiek met de laadstroom van de blauwe condensator in het word-document. -) Bepalen van T1/2 en de capaciteit van de blauwe condensator

We gaan nu het tijdstip bepalen waarop de stroom gehalveerd wordt (de halveringstijd T1/2.) Je kan nu best de meetgegevens tonen onder de vorm van een tabel: op rechter muistoets klikken in het diagram en Tabel tonen kiezen en plaats het tabelicoon in een leegstaand venster. Lees nu in deze tabel bij een stroom van 2,5 mA de bijbehorende tijd uit; daar I0 5 mA bedraagt is deze tijd dus de halveringstijd: T1/2 = ………………..s

Uit de formule T1/2=0,69•R•C kan je dan ook direct de waarde van C berekenen: C = ……………………….F

-) Bepalen van de capaciteit van de blauwe condensator door middel van funcie-fit

Een andere manier om op basis van de meetgegevens de capaciteit van de condensator te bepalen is de computer een functiefit te laten uitvoeren op de laadcurve. We weten dat deze laadcurve I(t) = I0. e-t/R.C wiskundig van de vorm y = a.eb.x met a = I0 en b = - 1/(R.C) is. Je kan nu de PC b in de formule y = a.eb.x laten bepalen: -) Klik op rechter muistoets en kies voor Analyse-Verwerking / functie-fit als functietype kies je f(x) = a*exp(b.x) + c en activeer de automatische fit door middel van de knop schatting en vervolgens verfijnen. -) De PC berekent nu automatisch de coëfficiënten a,b en c en bepaalt aldus de functie y = a.eb.x + c die het meest nauwkeurig aansluit bij de meetgegevens. -) Noteer nu de coëfficiënt b: b=…………… -) Daar b = - 1/(R.C) kan je nu makkelijk C bepalen C = ……………………….F -) Vergelijk dit resultaat met het eerder verkregen resultaat

29

-) Bepalen van de capaciteit van de blauwe condensator door middel van oppervlak onder de laadkromme

Van uit de theorie weten we dat het oppervlak onder de laadkromme gelijk is aan de totale lading die op de condensator werd opgeslagen. Het oppervlak onder de laadkromme kunnen we dank zij het COACH-programma als volgt bepalen: -) Klik op rechter muistoets en kies voor Analyse - Verwerking / oppervlak. Geef als begin 0 s en als einde 2 s aan. -) Lees nu het oppervlak uit: Q = I.∆t = ……………milli-coulomb = ……… mC Daar C = Q/U en U = 5,0V kan je nu ook langs deze weg ook C bepalen: C = ………………………. Deze methode is wel de minst nauwkeurige van de 3. Waarom?

¾ KWANTITATIEVE STUDIE VAN LAAD EN ONTLAADSTROOM VAN DE ORANJE

CONDENSATOR •

Herhaal nu de bovenstaande metingen voor de oranje condensator. Bewaar het meetresultaat onder de naam condensator-oranje+initialen

•

-) De halveringstijd: T1/2 = ………………..s Uit de formule T1/2=0,69•R•C volgt dat: C = ……………………….F -) y = a.eb.x + c met b:…………… Daar b = - 1/(R.C) volgt: C = ……………………….F -) Kies voor Analyse-verwerking / oppervlak. Geef als begin 0 s en als einde 1 s aan. Lees nu het oppervlak uit: Q = I.∆t = …………………mA.s = ………………. mC Daar C = Q/U en U = 5,0V volgt: C = ………………………. Vergeet nu je resultaat niet op te slaan onder de naam condensator-oranje+initialen en kopieer de grafiek van de oranje condensator naar het word-document.

•

Maak nu een verslag van dit project volgens de gekende normen. Raadpleeg het document 3.3 OPSTELLEN VAN EEN VERSLAG BIJ EEN METING, gebruik dit document als checklist. Het niet voldoen aan de normen van beschreven in bovenstaand document leidt automatisch tot puntenverlies. Zowel de kwantitatieve als de kwalitatieve studie moet in dit verslag aan bod komen. Confronteer in de kwalitatieve studie de theorie (hypothese) met de gemeten grafieken! Illustreer je verslag dus met de nodige grafieken.

•

BRENG VOLGENDE LES JE CURSUS FYSICA VANAF DE WET VAN OHM MEE

30

2.5

PROJECTWERK - PRACTICUM: STUDIE VAN DE STROOM, WEERSTAND EN VERMOGEN VAN EEN LAMP BIJ HET AANGAAN NAAM:……………………………………KLAS: …….. NR.:…….. VOORBEREIDING:……/10 (aantal te besteden lesuren: 4; zorg dat je een usb-stick en je cursus fysica meebrengt! )

2.5.1

Oriëntatie en planningsfase

Het zal je wel al opgevallen zijn dat een lamp als ze stuk springt, meestal stuk gaat bij het aanzetten. Waarom dat zo is, dat moet je in dit practicum onderzoeken. Tevens onderzoek je ook de stroom, de weerstand en het vermogen van een lamp bij het aangaan en dit bij een vaste spanning. Ga eerst je theorie nakijken! Om dit onderzoek te doen mag je van volgende dingen gebruik maken: -) De euro-lab meetinterface en de COACH software. -) Het componentenpaneel, een vermogensweerstand (5W) van 0,100 Ω die je als ampèremetersensor moet gebruiken en een lampfitting met lampje van 6V – …………… (noteer de kenmerken van het lampje) -) De gestabiliseerde voedingspanning (Denk goed na over hoe je deze spanningsbron moet gebruiken, een spanning groter dan 5V kan het meetpaneel onherroepelijk beschadigen! ) -) De weerstand van 0,100Ω gaan we als ampèremeter schakelen. Zorg ervoor dat je nog weet hoe je met eurolab en Coach een weerstand moet gebruiken om een ampèremeter sensor te bouwen! Indien dit niet het geval is moet je de theorie nog even nakijken! De uitvoering van het practicum verloopt volledig volgens het OPUCE werkplan. Het gebruik van de COACH-software moet vlot gekend zijn. Indien dit niet zo is kijk je dit alles nog even na.

¾ ORIENTATIE: •

Korte beschrijving van wat je wenst te onderzoeken: ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

•

Theorie die betrekking heeft op de proef ( wet van Ohm, vermogen, stroom in een lamp bij het aangaan + grafiek enz.) ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

31

………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

•

Formulering en verklaring van de onderzoekshypothese: ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

¾ PLANNING: •

Welke grootheden ga je meten, hoe meet je deze grootheden en hoe noteer je deze grootheden (tabel, grafiek enz.) . Welke grootheden wil je berekenen, en hoe bereken je ze (rekenblad? + formule)? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

•

Gebruikte apparatuur en componenten; opstelling van het experiment: -) Gebruikte apparatuur en componenten: ……………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… -) Opstelling:

32

•

Software-instellingen in COACH -) Om het experiment uit te voeren zal je de weerstand van 0,100 Ω als ampèremeter sensor gebruiken. Je zal dus in COACH deze weerstand als ampèremeter sensor moeten ijken. Bepaal daarom eerst de maximale stroom die doorheen deze weerstand kan gaan bij een maximale spanning van 5 volt: I max = ………………………………………………………………………………………………… -) IJking van de weerstand als ampèremeter: (vervolledig onderstaand schema)

-) Dank zij de ampèremeter kan je nu de I(t) grafiek in Coach op het scherm brengen. Om deze I(t)-grafiek via de optie diagraminstelling goed te kunnen instellen bepalen we nu eerst de maximale stroom die er theoretisch doorheen de opstelling kan vloeien bij een maximale spanning van 5 volt: Rlamp = U²/P of Rlamp = U/I = (lees eerst P of I en U af op het lampje): …………………… Rtotaal = …………………………………………………………………………………………….. I max = .……………………………………………………………………………………………… Je weet nu welke maximale stroomwaarde je bij de diagraminstelling moet invoeren. (afronden tot een geheel getal)

33

-) Meetinstelling: Hoe lang ga je meten? Hoeveel metingen per seconde meet je best? (Om een oplossing op deze vragen te vinden kan je best even terugkijken naar de proef die als demo-proef in de les werd uitgevoerd.) Dit alles moet je in het onderdeel meetinstelling van COACH invoeren (vul onderstaand schema in):

-) Triggering: Hoe ga je de meting gelijktijdig met het aanzetten van de lamp laten starten? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Je kan dan alvast onderstaand schema invullen:

¾ UITVOERING: •

Start nu de coach-software en open de activiteit met naam meten-eurolab-algemeen.cma die zich bevindt in je eigen map. Maak nu binnen deze activiteit alle software-instellingen zoals in de planning werd beschreven. Deze nieuwe activiteit mag je nu onder de naam Rlampinitialen.cma in de juiste map (D:/document/coach6/vijfdes/ fysintcu*) opslaan.

•

Maak nu de schakeling op het componentenpaneel volgens het schema . Lampje en weerstand moeten serieel geschakeld worden, want de weerstand wordt als ampèremeter gebruikt. Maak ook de verbinding met de spanningsbron en maak de nodige instellingen op de spanningsbron

34

Wat is de maximale spanning die we over het lampje mogen aanleggen? ……………….. volt. Test nu je schakeling, het lampje moet op een normale manier branden. Maak nu de nodige verbindingen met het meetpaneel.

•

Binnen de activiteit Rlamp kan je nu de stroom in de lamp meten wanneer ze pas werd aangezet. Meet nu in het I(t) diagram de stroom in de lamp juist nadat de lamp werd aangezet. Zie je (n)iets bijzonders in het diagram of moeten de instellingen in de activiteit RLamp worden aangepast? Pas eventueel je instellingen aan en doe de meting nogmaals opnieuw. Schijf de meetresultaten weg in je map en op je USB-stick.

•

Voorbereiding van de verwerking van de meetgegevens: Nu de meting goed verloopt kan je beginnen met de voorbereiding van de verwerking van de meetgegevens: -) Exporteer de I(t)-grafiek naar een word-document; zo kan je deze grafiek gebruiken in je verslag. -) Exporteer de meetgegevens naar een rekenblad en bereken daar de weerstand en het vermogen van het lampje direct na het opstarten. Zet deze resultaten ook in grafiek uit.

•

Maak nu van deze proef een verslag volgens het gekende schema (zie : richtlijnen in verband met het opstellen van een verslag.; zorg dat je verslag aan deze richtlijnen voldoet) Denk eerst na over wat je in het verslag gaat schrijven en op welke onderzoeksvragen je in het verslag een antwoord wenst te geven. (Bespreek stroom, weerstand en vermogen!) Formuleer ook in de doelstelling de onderzoekshypothese. Confronteer in je verslag de onderzoekshypothese met de meetresultaten!

35

•

ZELFEVALUATIE-FORMULIER OPUCE-WERKPLAN

-) Bij het uivoeren van het OPUCE-werkplan kan je onderstaand rooster gebruiken als zelf-evaluatie. Vul volgende getallen bij de score in: 0 :sterk onvoldoende 1: onvoldoende 2: voldoende 3: uitstekend. onderdeel

code

Oriëntatie

O1 O2

Omschrijving

score

komen tot een onderzoeksvraag en deze zo formuleren dat met gericht onderzoek een antwoord gevonden kan worden beargumenteerd opstellen van een hypothese waaruit het type antwoord op de onderzoeksvraag blijkt

O3

verkenning van het probleem, zoals mogelijke aanpak, literatuuronderzoek, gidsexperiment

P1

selecteren van de relevante theorie

P2

zelfstandig uitwerken van theorie of het afleiden van het theoretisch te verwachten verband

P3

ontwerpen van een bruikbare proefopstelling, rekening houdend met veiligheid en milieu

P4

overzicht van waarnemingen die gedaan moeten worden en hoe deze gedaan zullen worden

P5

overzicht van grootheden die gevarieerd resp. constant gehouden worden, en hoe daarvoor gezorgd wordt

P6

aangeven hoe meetresultaten/waarnemingen verwerkt zullen worden

Uitvoering

U1

verzamelen benodigde materialen

Experiment

U2

Planning

U3 U4 Uitvoering-

U5

Verwerking

U6 U7

met inzicht verwerken van de meetresultaten in de theorie uit P1 of P2

U10

verklaren van meetresultaten / waarnemingen

U11

vergelijken van resultaten met andere bronnen

C1

beargumenteerd beantwoorden van de onderzoeksvraag, rekening houdend met nauwkeurigheid van resultaten beargumenteerde toetsing van de hypothese, rekening houdend met nauwkeurigheid van de resultaten

E1 E2

Rapportage

doelgericht (onderzoeksvraag, hypothese) verwerken van de waarnemingen

U9

C2 Evaluatie

uitvoeren (herhalen) van metingen / waarnemingen met optimale spreiding, onder zinvolle omstandigheden ordenen van de meetresultaten / waarnemingen

uitvoeren van relevante berekeningen met de vereiste (zie U3) nauwkeurigheid correct en effectief gebruiken van figuren / diagrammen

U8

Conclusie

uitvoeren van het onderzoeksplan, zo nodig met aanpassingen en oplossen van gerezen problemen uitvoeren van de metingen, nauwkeurig genoeg voor beantwoorden onderzoeksvraag / toetsen hypothese

R1 R2 R3 R4

kritische discussie geldigheid van conclusies op basis van nauwkeurigheid & betrouwbaarheid van resultaten suggesties voor verbetering van het uitgevoerde onderzoek, zinvolle voorstellen voor verder onderzoek titel, na(a)m(en); orde, netheid, helderheid van verslag andere rapportage (presentatie, video-opname, internet) overzicht van geraadpleegde informatiebronnen bijhouden van logboek volgens gegeven voorschriften

36

37

1 Meten met de computer: Inleiding

Recommend Documents