Tanulókísérlet Tehetséggondozás
Szoftveres jelfeldolgozás: izzók ellenállásának hımérsékletfüggése
Ajánlott évfolyam 10., 11., Idıtartam
B.P.
60 perc
Kötelezı védıeszközök
Szükséges eszközök • • • • • • • • •
F.103
Balesetvédelmi figyelmeztetések
Szükséges anyagok
NOVA5000 Árammérı szenzor Feszültségmérı szenzor Izzók: 3,5 V/0,1 A ; 6 V/0,5 A Izzófoglalat Mérıvezetékek Áramforrás 100 Ω-os potenciométer Multiméter
A kísérlet leírása, menete A szoftveres jelfeldolgozás a NOVA5000 kézi számítógéppel történik, ami egy „digitális iskolatáskába” van csomagolva. A hordozható érintıképernyıs (7”), kismérető, kis súlyú (kb.1kg) számítógép egy mérésadat győjtıt tartalmaz, amely a telepített MULTILAB megjelenítı és kiértékelı szoftver segítségével, a megfelelı szenzor használatával, valós idejő mérések eredményeit numerikusan vagy grafikusan megjeleníti. A mérési folyamat rögzíthetı vagy visszajátszható. Webkamera segítségével multimédiás mérési utasítások, jegyzıkönyvek készíthetık a mérésekhez, kísérletekhez. A szoftver munkafüzetet is tartalmaz, mely a munkafolyamatokat bemutatja, konfigurálja az éppen aktuális MULTILAB programot a szükséges beállítások elvégzésével. A NOVA 5000 HASZNÁLATI ÚTMUTATÓT KÜLÖN MELLÉKELJÜK! Az áramkört összeszerelt állapotban készítjük elı. Az összeállított kapcsolásban elıször a 3,5 V-os, majd a 6 V-os izzót vizsgáljuk. A potenciométer 100 Ω-os végállásában 0 V feszültséget, 0 Ω-os végállásában a kb. 4,5 V-os feszültséget állíthatjuk be. A potenciométer gombjának lassú – a két végállapot közötti – csavarásával mind a feszültség, mind az áramerısség függvény grafikusan felvehetı a NOVA 5000 használatával, a megfelelı beállításokat követıen. Tetszılegesen választott feszültségértékekhez (a kurzor érintıképernyın való t tengelyő mozgatásával) minden esetben a kurzor függıleges mozgatásával a megfelelı áramerısség érték is leolvasható.
A kurzort bármelyik grafikon egy konkrét pontjához mozgatva a képernyı alján megjelenik a ponthoz tartozó függvényérték a megfelelı mértékegységgel együtt. Ilyen módon tetszıleges számú számpárt (feszültség/áramerısség) rögzíthetünk, melyekbıl számított R= U/I nem állandó, a feszültség növelésével növekszik. Minél jobban világít az izzó, a hımérséklete nyilvánvalóan annál nagyobb, a mérésbıl számolt R is nıni fog. Mindezt jól mutatja az U(t) grafikon nagyobb meredeksége az I(t)-hez képest.
A mérési / megfigyelési feladatok 1. Vegyük fel a 3,5 V-os izzó U(t), I(t) grafikonjait ahol t a változtatható ellenállás (potenciométer) két végállapota között a forgatógomb elforgatásának ideje. A kiinduló helyzet a potenciométer 100 Ω-os végállása legyen (U=0). Az izzó csak a másik végállás közelében kezd világítani, ekkor kezd a feszültség erıteljesebben növekedni. Ezért ebben a szakaszban nagyon lassan forgassuk a forgatógombot. Végezzünk el 3 mérést! 2. Végezzük el ismét 3-szor az elıbbi mérést, az izzót a 6V-osra cserélve! 3. Rögzítsünk a kurzor mozgatásával mindkét izzó esetén 10-10 feszültségértéket a hozzájuk tartozó áramerısség értékekkel együtt (20 számpár). Rendezzük ezeket a szoftver segítségével táblázatba. Egészítsük ki a táblázatot 10-10 R=U/I számított értékkel. 4. Elemezzük az U(t), I(t), R(t) grafikonokat. 5. Rajzoljuk fel mindkét izzó esetén – a megfelelı 10 pont összekötésével – az R(U), R(I) grafikonokat. Egészítsük ki ezeket az U=0 (I=0) értékhez tartozó multiméterrel mért „hidegellenállással”! 6. Vonjuk le a tanulságot izzók ellenállásának hımérséklet függésével kapcsolatban. Milyen alapvetı okra vezethetı ez vissza?
Nova 5000 Bekapcsolás • A készüléket a kijelzı alatt található fekete gombbal tudjuk bekapcsolni. Tartsa nyomva a gombot, amíg a képernyın megjelenik a kép. • A bekapcsoló gomb megnyomása után körülbelül egy perc elteltével a Windows CE operációsrendszer asztala fogadja a felhasználót.
Altatás, felébresztés • Bekapcsolt készülék esetén amennyiben a bekapcsoló gombot 1 másodpercig tartjuk nyomva, a készülék alvó állapotba kerül. • Ilyenkor a készülék nem kapcsol ki teljesen, minimálisra csökken az áramfogyasztása, így az akkumulátorról használható üzemidı meghosszabbodik. • Alvó állapotból a készüléket felébresztve gyorsabban folytathatjuk a munkát, mint kikapcsolt állapotból történt indítással. • A megnyitott programok altatás esetén nem záródnak be, a gép felébresztésével a munka ott folytatható, ahol abbahagytuk. • Alvó állapotból a készüléket a gomb ismételt – 1 másodpercig történı – megnyomásával tudjuk felébreszteni.
Kikapcsolás • A készüléket a kijelzı alatt található fekete gombbal tudjuk kikapcsolni. • Teljes kikapcsoláshoz tartsa nyomva a gombot legalább 4 másodpercig.
MultiLab
Elıkészületek • A MultiLab programot a Start menü / Programs / Science & Math / MultiLab menüponttal indíthatjuk el. • A program használata elıtt csatlakoztassunk 1-4 szenzort a készülékhez. A szenzorok csatlakozóit óvatosan dugjuk a készülékbe, mindenképp figyeljünk arra, hogy a megfelelı pozícióban helyezzük az aljzatba úgy, hogy a csatlakozón lévı nyíl alul legyen. Egyéb esetben a csatlakozó megrongálódhat, az apró tők elgörbülnek és a csatlakozó tönkremegy. • A csatlakozókat számozási sorrendben kell a készülékhez csatlakoztatni, szembıl nézve jobbról balra, a készüléken feltőntetett számok sorrendjében. Egyéb esetben a készülék nem ismeri fel a szenzort.
Szenzorok beállítása • A készülék által detektált szenzorokat a Logger / Setup menüpontban lehet megtekinteni. • Az ablak tetején három fül található: Sensors, Rate, Samples
Sensors • Ha egy szenzor érzékenységét nem tudjuk megállapítani, csatlakoztatva a mőszerhez (feltéve, hogy az automatikus felismerı be van kacsolva) a program felismeri, így a nevébıl könnyen kiolvashatjuk azt. Pl. „Temperature -25 – 110°C”, tehát a hımérsékletmérı szenzor -25 és +110 °C között képes hımérsékletet mérni. • Amennyiben az „Auto Detect Sensors” mellett a négyzetet bepipáljuk, a készülék automatikusan felismeri a csatlakoztatott szenzorokat (ajánlott). Egyéb esetben ezt manuálisan kell megtennünk a lenyíló listák segítségével (Input 1, Input 2 stb.) • Minden Input mezı mellett található egy ikon („sárga kéz”). Az ikonra kattintva az elıugró ablakban lehetıség van beállítani, hogy az adott szenzorhoz milyen színt használjon a program a grafikon rajzolásakor.
Rate • A Rate lenyíló listában lehetıség van beállítani, hogy a mérés végzése során a készülék milyen gyakorisággal vegye a mintákat a szenzorról. • Pl. „10 samples per second” = 10 mintavétel történik másodpercenként. • „Every 30 minutes” = minden 30 percben 1 mintavétel történik
Samples • A Samples lenyíló listában beállíthatjuk, hogy a mérés során maximum hány mintát szeretnénk rögzíteni. • Ha a mérés során rögzített minták száma elérte a beállított értéket, a mérés automatikusan megáll. • Az érték állításával a lenyíló menü felett látható, hogy a mérés maximálisan mennyi ideig fog tartani (természetesen lehetıség van hamarabb leállítani a folyamatot). • Pl. „You will record 25:13 MM:SS” = A mérés maximum 25 perc 13 másodpercig fog tartani.
Triggering • Ebben az ablakban lehetıség van beállítani minden csatlakoztatott szenzorhoz, hogy a mérés milyen érték hatására kezdıdjön el. Például: • Based on: „Temperature -25 – 110°C” = A hımérsékletmérı szenzor neve Type: „Above level”= érték felett; „Below level” = érték alatt; • Level: Adott érték, ami kiváltja a mérés kezdetét
Mérések kezelése • A programban lehetıség van a készülékkel végzett mérések mentésére, újbóli megnyitására, törlésére. Ezek a funkciók a bal felsı sarokban található Files menübıl érhetık el. • Clear All: Az összes mérési eredmény törlése az aktuális (jelenleg megnyitott) mérések közül. • Open File: Egy korábban elmentett mérési dokumentum betöltése a fájlrendszerrıl. • Save File: Az aktuális mérési dokumentum mentése a fájlrendszerre. • Save As: Az aktuális mérési dokumentum mentése a fájlrendszerre más néven.
Megjelenítési módok: • Alapvetıen két fı részre lehet bontani a mérı program ablakát. • Baloldalon található listában a mérések találhatóak, minden egyes mérés „Exp.”-nek van elnevezve a listában, majd a mérés sorrendje szerint egy szám követi. Pl. „Exp. 3” a harmadik mérést jelenti. Az adott mérés során használt szenzorokhoz külön-külön található egy sor az adott mérést „kibontva” a listában. (pl. „Temperature, Magnetic” stb.) Az adott szenzornak megfelelı sort kijelölve az ablak alján található „Show” és „Hide” gombokkal tudjuk a szenzorhoz tartozó mért értékeket megjeleníteni, ill. elrejteni. • Az ablak nagyobbik, jobb oldali fele a mért értékek különféle megjelenítésére szolgál. • A program a mérések három féle megjelenítését támogatja. Ezek közt a felsı menüsor ikonjaival tudunk váltani (balról a 7. ikontól a 9. ikonig). A nézetek balról jobbra haladva a következık: o Grafikon: egy grafikonra rajzolja ki a mérés során összes a készülékhez csatlakoztatott szenzor által mért jelet. o Táblázat: a mérés során egy táblázatot tölt ki a program a mérté értékekkel. Minden egyes mintavétel értéke külön sorban jelenik meg a táblázatban. o Vizuális értékkijelzés: különbözı (összesen öt) vizuális megjelenítési módszerekkel jelzi ki a mért értéket. Ezek közül a megjelenítési ablak alján tudunk váltogatni az apró ikonok segítségével (jobbról balra): analóg, oszlop, digitális, négyzet, kombinált
Mérés • Miután a méréshez szükséges összes szenzort csatlakoztattuk a készülékhez, kezdıdhet a mérés. • A szenzorok teszteléséhez válassza ki a Logger / Preview menüpontot. Ilyenkor a program nem tárolja el a mért értékeket, viszont a grafikonon/táblázaton megjelennek a mért értékek, így tesztelhetjük, a szenzor mőködését. Érdemes ezt elvégezni a mérés rögzítése elıtt. • A mérés rögzítéséhez válassza ki a Logger / Run menüpontot. Ez látszólag ugyanazt csinálja, mint az elıbbi Preview menüpont, azonban a mérés ekkor már rögzítve lesz, befejeztével a bal oldali listában megjelenik az adott méréshez tartozó bejegyzés. • Amennyiben a mérés túl hamar leáll, a már fentebb említett Rate és Samples menüpont alatt megfelelı értékek beállításával tudunk növelni a mérés hosszán (pl. kevesebb mintát vegyen adott idı alatt, vagy több mintát vegyen a mérés során). • Ha elıbb szeretnénk a mérést befejezni, mint ahogy az magától leállna, a Logger / Stop
menüpontban tudjuk megszakítani a mérést. • Lehetıség van közvetlenül az eszköztárról is elindítani / leállítani a rögzítést, egy futó embert ábrázoló ikonnal jelzett gombra kattintva a mérés rögzítése elindul, majd ugyanerre (ekkor már piros) gombra kattintva megállíthatjuk a mérést. • Az összes mérést a File / Clear All menüponttal törölhetjük. Ezzel a bal oldali lista is törlésre kerül.
