Fyzika 6.1. 2011 Neviditelné síly okolo nás 1. Měření se soupravou GAMA BETA (radioaktivita prostředí - pozadí, radioaktivita zářičů) 2. Měření se silovou deskou GLX – měření síly ve vertikálním a horizontálním směru při chůzi, výskoku, úderu. 3. U-lab datalogger ve spojení se sonarem
Měření bude probíhat v laboratoři 4005.
Návody k úlohám 1. GAMA BETA Čítač impulzů GM01 Ovládání přístroje K ovládání slouží prvky umístěné na čelním panelu, viz fotografie. Kolébkový vypínač na pravé straně slouží k zapnutí a vypnutí přístroje v režimu napájení z akumulátoru, nebo vnějšího zdroje. Při připojení čítače k USB rozhraní dojde k zapnutí automaticky, bez ohledu na polohu vypínače. Bezprostředně po zapnutí čítače se po dobu přibližně pěti sekund zobrazí na displeji úvodní informace, během níž je možné stisknutím tlačítka START (velké černé tlačítko)
přejít do režimu nastavení kontrastu displeje. Tento režim je indikován zobrazením kontextových šipek nahoru a dolů na displeji, vedle příslušných tlačítek. Nastavenému kontrastu je přiřazeno číslo, které je zobrazeno u šipek (optimální výchozí hodnota: 100 až 110). Po nastavení požadovaného kontrastu displeje přejdeme tlačítkem START do režimu měření. V režimu měření lze horním tlačítkem nastavovat dobu, po kterou čítač počítá impulzy (10 s, 50 s, 100 s a nekonečno). Zvolená doba je zobrazována vedle tlačítka na displeji. Stiskem tlačítka START proběhne měření podle přednastaveného času, po jehož uplynutí se měření ukončí a naměřený údaj zůstane na displeji do odstartování dalšího měření nebo do vynulování displeje. V režimu NK -nekonečno je měření jedním stiskem tlačítka START odstartováno a následujícím stiskem ukončeno. Naměřený údaj přitom zůstává na displeji, až dokud jej nevymažeme tlačítkem nulování: Nul. Druhým tlačítkem shora ovládáme pracovní mód přístroje. Tedy to, ze kterého vstupu se údaje zobrazují na displeji. Je možné zobrazovat první vstup (In1 – konektor na levé straně) nebo druhý vstup (In2 – konektor vpravo) zvlášť, případně oba vstupy (Duo) dohromady. Třetím tlačítkem shora (Nul) nulujeme údaj čítače a posledním ovládáme podsvícení displeje. Frekvenční rozsah přístroje je přibližně 10 kHz a dovolené zatížení vstupů je max. 75 V špička. Citlivost vstupu je nepřímo úměrně závislá na vstupní frekvenci signálu a činí přibližně 5V. Činnost obslužného programu Program umožňuje zobrazovat a ukládat měřené údaje ze zařízení GM01 a zároveň je schopný jej řídit. Zařízení lze ovládat z programu, ale i program lze ovládat ze zařízení. Program pracuje ve dvou režimech. V prvním režimu je zobrazování i ovládání umožněno jak na zařízení, tak i v programu. Na konci měření se výsledné údaje zapíší (připíší) do souboru na pevný disk PC do souboru (který se dá zvolit pomocí tlačítka Soubor). Ve druhém režimu se na displeji zařízeni objeví velký nápis PC a zařízení se dá ovládat pouze z programu. Na disk se ukládají jednotlivé záznamy (časy v milisekundách od začátku měření) jednotlivých impulzů. Pokud se nezvolí na začátku měření nový soubor, jsou data z měření připisována do původního souboru. Od dat z předchozího měření jsou oddělena prázdným řádkem. Soubor lze editovat v textovém editoru (PS Pad, Notepad…) a zpracovávat v tabulkovém procesoru (Excel…). Ovládání programu Ovládání programu odpovídá ovládání zařízení GM01. Čtyři menší tlačítka slouží k: nastavení času, volbě režimu činnosti, nulování údajů a ovládání podsvitu displeje. Větší samostatné tlačítko startuje a zastavuje měření. a) 1. tlačítko shora ovládá nastavení času měření čas 10, 50 a 100 provádí měření po určenou dobu v sekundách čas NK nemá určený žádný čas a měří od odstartování do zastavení měření tlačítkem START čas PC xx - v tomto módu je možné nastavit čas od 1 s do 9999 s (zvolený čas měření napište do okénka vedle tlačítka PC – okénko se zobrazuje pouze v módu PC) b) 2. tlačítko shora ovládá nastavení kanálů měření In 1, In 2 vybírají jednotlivé kanály samostatně Duo vybere měření na obou kanálech současně c) 3. tlačítko nuluje zobrazovaná data d) 4. tlačítko zapíná a vypíná podsvit displeje zařízení GM01 e) Tlačítko Start startuje a zastavuje měření. f) Tlačítko Soubor umožňuje vybrat soubor pro ukládání naměřených dat. g) Tlačítko O programu vypíše údaje o verzi programu, a pokud je připojeno zařízení,tak vypíše i verzi firmware, která je v zařízení.
h) Tlačítko Uzavřít ukončuje program. i) Checkbox Opakovat – jeho zaškrtnutí umožňuje nastavit opakování měření (po každém měření se zapíše výsledek do počítače) e) Combobox (se šipkou napravo) umožňuje vybrat komunikační port (nutné např. při prvním připojení čítače k PC, nebo při použití více čítačů najednou). Zobrazovací panel V režimu jednotlivých kanálů se v prvním řádku zobrazuje velkým písmem počet impulzů. Pokud jejich počet překročí 9999, hodnoty 10000 se zobrazují na čtvrtém řádku vpravo. Na druhém řádku vlevo se zobrazuje čas měření v sekundách. Třetí řádek je určen pro informační text. Při měření obou kanálů současně je na prvním řádku zobrazován počet impulzů 1. kanálu a případné přetečení se zobrazuje menším písmem před počtem impulzů. Totéž platí pro druhý kanál, který je na dalším řádku. Na posledním řádku se zobrazuje informační text a měřený čas. Označení polohy zářiče a otvorů clony Umístění zářiče v těle ŠZZ GAMA je vyznačeno značkou (tečkou) na jeho horní části. Dvě značky vedle sebe na hlavici (cloně) označují polohu otvoru pro rozptýlený svazek, jedna značka pak polohu otvoru pro kolimovaný svazek částic. Hlavici je možno natočit do čtyř aretovaných poloh (pohled shora na ŠZZ GAMA): A – rozptýlený svazek částic B – kolimovaný svazek částic C – poloha uzavřeno D – poloha uzavřeno
Úlohy
zvuková a světelná signalizace přítomnosti zdroje záření nalezení skrytého zdroje záření stanovení přírodní radioaktivity hornin nebo stavebních materiálů stanovení úrovně přírodního pozadí záření v prostředí stanovení absorpce záření gama v závislosti na tloušťce vrstvy stínícího materiálu zkoumání vlivu stínícího materiálu na absorpci záření gama
1) Změřte závislost intenzity záření po průchodu stínícím materiálem CuZn v
závislosti na tloušťce vrstvy materiálu (jeden plíšek 0,2 mm). 2) Změřte závislost intenzity záření po průchodu stínícím materiálem (Pb, Cu, Sn, Al, aproximací CuZn) 3) Výpočtem z naměřených hodnot stanovte jaké tloušťky vrstev použitých materiálu jsou potřebné ke snížení intenzity na 1/10.
Přístroj Xplorer GLX
Rychlý start První práce s GLX je snadná - jednoduše připojte AC adaptér, připojte jeden z dodávaných senzorů a sbírejte data. Na příkladu níže zapojíte GLX a budete sbírat teplotní data. Připojení AC adaptéru Zapojte AC adaptér do zdířky napájení na pravé straně GLX a připojte k síti. Jakmile připojíte AC adaptér, GLX se zapne automaticky. Při prvním zapojení přístroj nechte zapojen přes noc ( nejméně 14 hodin ), aby se plně dobila baterie. Jestliže je baterie dobitá, můžete GLX používat bez adaptéru. K zapnutí přístroje použijte tlačítko ¤ v dolním pravém rohu a držte je stisknuté asi 1 vteřinu. Připojení senzoru Připojte teplotní čidlo do zdířky na levé straně přístroje. Ve většině případů se graf průběhu teplot zobrazí na displeji automaticky. Osy grafu jsou "Teplota (°C)" a "Čas (s). Sběr dat Stiskněte ► GLX nyní automaticky nahrává a zobrazuje údaje z čidla. K automatickému zobrazení měřítka stiskněte F1. Držte konec čidla v dlani a pozorujte jak je průběh teplot zobrazován na displeji. Nahrávání zastavíte opětovným stisknutím tlačítka ► Právě máte nahraný a zobrazený průběh teplot. K nahrání dalšího průběhu opět stiskni tlačítko ►. Přehled GLX Předchozí příklad reprezentuje pouze malou část schopností GLX. Tento přehled vám ukáže některá nastavení, která připraví GLX pro provoz. Nastavení Zapnutí. Napájení probíhá automaticky po připojení adaptéru. Jestliže chcete přístroj zapnout na bateriový pohon nebo když je adaptér připojen, stiskněte a držte 1 vteřinu tlačítko zapnutí. Obecně je přístroj nastaven na nový datový soubor, nicméně, jestliže je v nastavení Startovací akce zapnuto Otevři poslední experiment, GLX otevře poslední uložený soubor. Teplotní čidla. Připojení čidel s rychlou odezvou nebo jiných PASCO teplotních čidel do dvou konektorů na levé straně GLX. Rozsah měření od -10 do +70 °C s čidly s rychlou odezvou, nebo od -10 do +135 °C s nerezovými čidly. Čidlo napětí. Připojení dodaného čidla napětí na levé straně GLX. Čidlo měří napětí mezi -10 a +10 V. Čidlo smí být připojeno ke zdroji napětí jen když je již zapojeno do GLX. Nepřipojujte k GLX čidlo pod napětím. Odpojte zdroj napětí před opojením čidla.
Zvukový senzor. Konfiguraci mikrofonu jako zvukového čidla provedete společným stisknutím tlačítek ⌂ a F4. Následným stisknutím F3 otevřete Mikrofon menu. Zde vyberete Zvukový senzor k nahrání zvukových vln, nebo Zvukovou úroveň k měření hladiny hluku v decibelech. Počítač. Jestliže budete GLX používat s počítačem, propojte jej pomocí dodávaného USB kabelu. Výstup signálu. Máte-li k dispozici sluchátka nebo stereo reproduktory a chcete je užít jako zvukový výstup, připojte je do příslušného portu. Optimalizaci GLX proveďte dle menu "Výstup" . USB záloha. USB flashku můžete připojit přes USB port pro zálohování dat. Vypínání Ruční vypínání GLX vypnete stisknutím a držením tlačítka Vypnutí/Zapnutí po dobu 1 vteřiny. GLX vás vyzve k uložení dat a postupu měření před vypnutím. Stiskněte F1 pro uložení, F2 pro vypnutí bez uložení nebo F3 pokud nechcete přístroj vypnout. Pokud podržíte tlačítko déle než 5 vteřin, GLX se vypne bez uložení. GLX nesmíte vypínat pokud jsou dobíjeny baterie, jestliže to zkusíte, objeví se hlášení, že baterie jsou nabíjeny. Po plném nabití baterií se GLX po 60 minutách nečinnosti automaticky sám vypne. Automatické vypínání Časové automatické vypínání. Jestliže je GLX zapnuto na bateriový provoz, po určité době nečinnosti (nastaveno 5 minut) automaticky uloží data a vypne se. Lze nastavit čas vypnutí. Jestliže GLX běží s pomocí AC adapteru a baterie je dobitá, vypne se po 60 minutách nečinnosti. GLX vás bude varovat asi 30 vteřin před vypnutím. Pokud toto hlášení spatříte, potvrďte vypnutí stačením F1 nebo stiskněte F2 a GLX bude pokračovat v práci. Režim spánku mezi odečítáním. Je-li GLX v bateriovém provozu a odečítání dat probíhá po pauze 30 vteřin a delší, můžete nastavit spánek mezi odečítáním. V tomto stavu bliká zelená kontrolka každé 2 vteřiny a ostatní funkce jsou vypnuty. Když nastane čas zápisu, přístroj provede měření a zápis a zase usne. Pro probuzení stiskněte jakékoli tlačítko. Nahrávání Máte-li připojený jeden nebo více senzorů, stisknutím ►zahájíte sběr dat. Data jsou sbírána současně ze všech zapojených senzorů. Opětovným stisknutím ►je záznam dat ukončen. Sticky start – držte tlačítko ► alespoň 5 sekund, uslyšíte 3 pípnutí a uvidíte symbol Sticky start (zámek). Záznam dat bude pokračovat po stisknutí ►, pro ukončení měření je třeba opět stisknout a držet ►, dokud neslušíme zase 3 pípnutí. Záznam je ukončen po stisknutí ►.
Úvodní obrazovka Pro návrat na tuto obrazovku stačí stisknout ⌂. Má 3 sekce – hlavní ikony, spodní řada a horní složka. Hlavní ikony – najedeme na ně pomocí šipek a volbu provedeme pomocí . Data Files – zde jsou uloženy výsledky měření a lze s nimi pracovat. Digits – zobrazení načítaných dat. Informace obsahuje jednotku a zdroj. Stisknutím F1, F2, F3 nebo F4 lze zobrazení rozdělit na 2, 4, 6 nebo 8 segmentů. Meter – simuluje analogové měřidlo ručičkou, která zobrazuje hodnotu měřené veličiny. Zvolíme zdroj dat (data ze senzoru), zvolíme jednotky (Units). Stisknutím F1 zapneme automatické nastavení stupnice. Pokud GLX zaznamenává data, stupnice se upravuje podle největší a nejmenší měřené hodnoty. Stisknutím F4 volíme tisk. Stopky – GLX lze použít jako skutečné stopky. Start a zastavení stopek je přes klávesnici GLX, senzory nejsou potřeba. Timing – slouží k nastavení optické závory a dalším snímačů. Settings – změna jména, času data, dobu automatického vypnutí atd. Output – kontrola výstupu signálu přes zabudovaný reproduktor, sluchátka apod. OUTPUT Output obrazovka je rozdělena do tří částí – Settings, Left Output Channel, Right Output Channel. V každé části jsou 3 kontroly, takže celkem je jich 9. Jedna z možností je vždy aktivní. Posun je možný pomocí šipek.. Stiskem potvrdíme vybranou volbu. Objeví-li se kursor, vložte požadované hodnoty a potvrďte . Objem, frekvence a fáze může být upravena pomocí + a -. Funkční klávesy: F1 – zapnutí/vypnutí levého kanálu, F3 pravého kanálu Je-li vybrána frekvence, stiskem F2 nebo F4 pro zadání kroku pro daný kanál. Otevře se menu, kde zvolíme z nabídky, nebo volíme Custom Step a zadáme vlastní hodnotu. Step size určuje množství (hodnotu) o kterou se frekvence změní při stisku + nebo -, x nebo /. Output Device – volíme Output Kontrol a potvrdíme volbu výstupního zařízení. Můžeme použít sluchátka, vnitřní reproduktor (není-li připojen žádné zařízení), externí reproduktor. Volume -nastavení hlasitosti. Levý a pravý výstupní kanál Vlna – volba typu sin, square, pilovitý (ramp), trojúhelník (triangle). Frequency – nastavení je možné mezi 240 Hz a 5000 Hz pro vnitřní reproduktor, 605000 Hz pro vnější reproduktory nebo sluchátka. Phase – nastavení fáze mezi -360o a 360o. Notes – textové komentáře k experimentům
Graph – grafické zobrazení měřených dat Aktivní klávesy: F1 autoscale – automatické zobrazení, F2 Scale/Move – jeden stisk Scale (pohyb grafu), Move – 2.stisk, Ve Scale modu levá a pravá šipka stáhne a roztáhne graf v horizontálním směru, šipka nahoru a dolů graf roztáhne a smrští směrem vertikálním. V Move modu pomocí šipek grafem pohybujeme. Do normálního modu se vrátíme stisknutím Esc. Do normálního modu se graf vrátí i v případě, že delší dobu s grafem nepracujeme. F3 Tools menu – získání numerických informací z grafu, zobrazení plochy pod grafem, výběr oblasti grafu apod. Smart tool indikace souřadnic, pomocí šipek se lze v grafu pohybovat. Delta tool – v grafu se objeví znak trojúhelníka a kolečka, mezi nimi spojnice, které určí změnu x-ové a y-ové souřadnice. Trojúhelníček označuje aktivní roh. Slope tool – zjištění směrnice ke grafu v daném bodě. Statistics – zobrazení minima, maxima, střední hodnoty, standardní odchylky v oblasti zájmu. Zoom – vybereme oblast grafu a zvětšíme. Stiskneme po volbě hranice. F4 Graphs menu Práce s grafem – nákres grafu, dvou grafů současně atd. Data Cursor – zapnutí a vypnutí datového kursoru a souřadnic grafu Connected Lines – zapnutí a vypnutí spojnice naměřených bodů Scope Mode – z GLX vytvoříme osciloskop – zobrazení dat se cyklicky opakuje, určující je časová osa. Zapneme-li tento mod, graph se automaticky přepne na vzorkování 30 ms a zapne Trigger. Upravuje i data ze senzoru, zaznamenává asi 500 bodů (nebo tolik, kolik je možné) v každém cyklu. Pokud změníme časovou osu, GLX automaticky upraví vzorkování. Two Graphs – současné zobrazení dvou grafů. Jedeno měření je černé, jedno šedé. New Graph Page – GLX disponuje neomezeným počtem grafických stránek. Zviditelnění grafu je volbou z menu. Posun v seznamu grafů je pomocí šipek. Stiskem Print lze tisknou jednu nebo více stránek grafu. Delete Graph Page – touto volbou se vymaže právě zobrazený graf. Table – zobrazení dat v tabulce Zkrácená cesta k tabulce – držet ⌂+F2 Tabulka může obsahovat až 4 sloupce. V každém sloupci lze zobrazit data jednoho zdroje měření. Je-li zobrazován čas, je zobrazen ve zvláštní kolonce. Sloupec může být i prázdný. Aktivování zdroj dat nebo pole běhu stiskneme , pohybujeme se pomocí šipek, stiskneme pro otevření menu, opět pohyb pomocí šipek, potvrzení pomocí . Funkční klávesy v tabulce: F1 Statistics – lze zobrazit Minimum (nejmenší hodnota v souboru), Maximum, Average (střední hodnota naměřených dat), Standard Deviation (odchylky od střední hodnoty), Count # (počet hodnot v souboru dat). Zvolená statistika je zobrazena dole v každém sloupci.
F2 Edit Cell F3 Edit – New Data Column (tvorba nového souboru dat), Insert Cell (nová buňka je přidána přímo nad navigačním boxem. Jestliže buňka obsahuje číselná data, nová buňka bude obsahovat číslo 0. Jestliže buňka obsahuje text, nová buňka bude prázdná. Dosavadní buňky se o jedno posunou dolů. Num Lock (klávesnice pracuje v číselném kódu). F4 Tables – lze takto zvolit počet zobrazených sloupců, nový sloupec je přidán vpravo. Show Time (vždy v levém sloupci, pokud je sloupců hodně, zmizí ten nejvíc vpravo, aby udělal místo)
2. Silová deska Umožňuje měření síly ve vertikálním i horizontálním směru. Měříme sílu když se např. opíráme o desku, když přes ni přecházíme, skáčeme na ní, když na ni házíme míč apod. Síla je měřena pouze v případě, kdy není konstantní. Desku umístíme buď na zem, nebo ji pověsíme na zeď popř. Po upevnění ruček ji lze držet v rukou. Měření lze zpracovávat pomocí Data Studia nebo prostřednictvím Xploreru.
Úlohy 1. Studujte síly ve vertikálním a horizontálním směru vyvolané chůzí. Otázky: Ve kterém směru vaše noha působí silou na desku? V jakém směru působí deska na chodidlo? Úlohu opakujeme pro různé rychlosti chůze. 2. Skoky – postavte se na desku a skákejte vzhůru. Sledujte graf závislosti síly na čase pro určení doby, po kterou „visíte“ ve vzduchu. Je doba ve vzduchu závislá na výšce výskoku? Které další faktory ovlivňují dobu setrvání ve vzduchu? 3. Horizontální skoky – skočte dopředu na desku, otočte se na místě doskoku a skočte zpět. Porovnejte působící síly. 4. Impuls síly – použijte senzor pohybu pro měření místa a rychlosti pohybu na vrcholu hlavy při vertikálním skoku. Jaká je měřená vertikální rychlost, když nohy opustí deku? Stůjte na desce. Dejte kolena k sobě a skočte. Plocha pod křivkou na grafu závislosti síly na čase znázorňuje impuls. Srovnejte impuls při výskoku a při dopadu. Vypočtěte rychlost dopadu.
3. U-lab
se sonarem
Měření rozměrů místnosti Provedení: Měříme rozměry místnosti – délku a, šířku b, výšku c. Měníme polohu experimentátora v místnosti, jednotlivé naměřené rozměry dopočítáváme podle aktuální polohy (např. je-li experimentátor uprostřed místnosti, je třeba změřit vzdálenost k oběma stěnám místnosti a tyto sečíst). Měření několikrát opakujeme. Pořadí měření
Rozměr a
Rozměr b
Rozměr c
1. 2. 3.
Hrátky Ultrazvukový detektor polohy - sonar je možno využít i jako závoru, se širokou přerušovací dráhou např. pro přeběh závodníka, průjezd auta, pohyb pravítka aj. Na změřeném experimentu lze provést odečet počtu přerušení dráhy tj. např. počet průjezdů aut, počet účastníků, počet švihů pravítkem aj. Pomocí známých vztahů lze dopočítat i rychlost těchto velkých těles. Vyzkoušejte: Studium pohybu – chůze směrem k detektoru a od něj Počet švihů pravítkem Průchod účastníků – dopočítejte rychlost chůze Upozornění: rychlost vzorkování je dána rychlostí zvuku ve vzduchu, např. objekt ve vzdálenosti 12 m – trvá 70 ms než signál dorazí k objektu a zpět. Chyby v měření mohou způsobit i různé zdroje zvuku – hlučící spolužáci, projíždějící auta apod. Budeme-li studovat procházející osoby, nechť mají v ruce velký objekt (knihu), která bude zvuk odrážet.
