Методичні рекомендації щодо використання «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» в навчальному процесі.

Про матеріал

У методичних рекомендаціях розглядається аспект: методика навчання фізики з використанням цифрових емуляторів вимірювальних приладів.

В методичних вказівках для використання «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» в навчальному процесі докладно розповідається про методичні аспекти використання віртуальних цифрових генератора, осцилографа, спектроаналізатора при вимірюваннях і демонстраціях.


Перегляд файлу

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ВІННИЦЬКИЙ КОЛЕДЖ 

НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ 

 

щодо використання «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» в навчальному процесі

 

ІНСТРУКЦІЯ ДО ЕКСПЛУАТАЦІЇ   ЕК-1.0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вінниця, 2017

 

УДК 004.432.2                                

 

Тичук Р.Б.  Інструкція до експлуатації   ЕК-1.0. Методичні рекомендації щодо використання «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» в навчальному процесі.  Вінниця, 2017 р.      

 

Анотація. Сучасна вимірювальна апаратура використовується спільно з цифровими і процесорними засобами управління та обробки інформації. Цифроаналогові (ЦАП) і аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) знаходять широке застосування в різних областях сучасної науки і техніки. Однак, висока ціна та вузьконаправлена специфіка використання не роблять це обладнання поширеним в навчальних закладах. Але навіть придбавши дорогий прилад, не завжди можна ефективно провести експеримент. Одна з багатьох причин малі розміри шкали, або екрану осцилографів. Пропонується використовувати на заняттях фізики та суміжних дисциплін комп’ютер, як універсальний електровимірювальний прилад, в основі якого використовуються  АЦП І ЦАП звукового адаптера з акцентом на використанні елементи, засоби і принципи програмування в його програмному забезпеченні.

У інструкції до експлуатації ЕК-1.0 наведено опис приладу і його складових, їх використання та наведені їх характеристики. 

У методичних рекомендаціях докладно розглядає методика навчання фізики з використанням цифрових емуляторів вимірювальних приладів: генератора, осцилографа, спектроаналізатора. 

Електронний комплекс студентами може бути використаний для опрацювання матеріалу самостійної роботи, підготовки до занять, використовувати фрагменти програмного коду для створення власних програмних продуктів. 

 

Ключові слова: аудіоадаптер; програми-емулятори; реальний і віртуальний навчальний фізичний експеримент; професійні компетенції техніків-програмістів.

 

Рецензент:  Арсенюк Ігор Ростиславович к.т.н. - доцент кафедри комп’ютерних наук ВНТУ.

 

 

Ухвалено на засіданні методичної ради Вінницького коледжу НУХТ

Протокол №__  від “__” ______ 2017 р

Голова методичної ради

Н.М. Данильченко _____________

                                            ( підпис)

 

Передмова

 

Існує кілька способів використання сучасних цифрових приладів, в тому числі осцилографів, на заняттях з фізики: придбати вартісний автономний цифровий осцилограф з високим класом точності; придбати, або створити приставку до ПК з порівняно високим класом точності (у якій буде програмно керуючий АЦП) та підключити до USB або LPT порт (але ціна також буде високою і оцінюється кількома тисячами гривень) і найоптимальніший спосіб використання АЦП – від звукового адаптера ПК.

Використання ПК, як універсального електровимірювального приладу досить поширено серед радіолюбителів і, на наш погляд, має зайняти чільне місце в методичному забезпеченні викладача фізики. Базова конфігурація ПК вже містить найпростіший пристрій збору і обробки звукових даних – звуковий адаптер. У сучасних ПК він зазвичай інтегрований у системну плату. Властивості аудіоадаптера з обробки інформації сприяли створенню радіолюбителями програм, які емулюють роботу таких вимірювальних приладів як осцилограф, спектроаналізатор, звуковий генератор, вольтметр, частотомір тощо. Більшість із них є вільними для використання з некомерційною метою. Тому, маючи ПК з невисокими технічними характеристиками, викладач фізики може отримати у своє розпорядження одну з модифікацій вимірювального комплексу на основі ПК [5].  

Проблемам удосконалення змісту, методики та техніки навчального фізичного експерименту з застосуванням комп’ютерних технологій у навчальному процесі присвячено роботи О.І. Бугайова, С.П. Величка, М.Ф.

Вукса, В. Ф. Заболотного,  О.М. Желюка, Ю.О. Жука, Л.Р. Калапуші, В.Ю. Кліха, О.І. Ляшенка, О.С. Мартинюка, В. Ф П’яних  та ін. Дослідженню проблем залучення програмно-апаратних засобів для постановки навчального експерименту з фізики присвячували свої публікації Ю.П. Бендес, О.І.

Денисенко, Я.Ю. Дима, О.С. Мартинюк, О.П. Руденко, О.В. Саєнко, В.І. Тищук,  та інші. 

Аналіз педагогічної, технічної та іншої літератури [4-6] і власний педагогічний досвід використання комп’ютерних засобів дає підстави стверджувати, що нині впровадження інформаційно-комунікаційних технологій у процес навчання, є актуальною проблемою, яка потребує наукового, експериментального та методичного обґрунтування і подальшого дослідження. 

Метою методичних рекомендацій є опис і методика використання програм-емуляторів  вимірювальних приладів в навчальному процесі.

 

1. Загальні відомості

 

У зв’язку з широким розвитком комплексної автоматизації виробничих процесів і експериментальних досліджень із застосуванням комп’ютерів зростають відповідні вимоги до вимірювальної техніки:

-                      підвищення точності, швидкодії, чутливості при вимірюванні величин, які змінюються;

-                      здійснення повної автоматизації складних процедур прямих, непрямих, сукупних і сумісних вимірювань;

-                      видача результатів вимірювань у кодованій формі безпосередньо інформаційно-вимірювальній системі;

Ці завдання вирішують цифрові вимірювальні прилади (ЦВП), поширення яких зумовлене наступними перевагами цих засобів вимірювання порівняно з аналоговими вимірювальними приладами. Швидкодія до сотень, мільйонів вимірювань у секунду. Висока інформаційна спроможність цифрових відлікових приладів значно підвищує здатність оператора до сприйняття інформації. Тому ЦВП мають крім цифрових відлікових пристроїв вихід у вигляді коду для зв’язку з ЕОМ, пристроями пам’яті або принтерами. Висока точність, яка перевищує при наявності автоматичної обробки результатів вимірювань точність цифрових приладів ручного зрівноважування. Відсутність суб’єктивної похибки результату вимірювання, наявність якої (при обмеженій довжині шкали) лімітує максимально досяжну точність аналогових вимірювальних приладів. Наявність виходу у вигляді кодового сигналу, зручного для цифрової обробки, а також для запам’ятовування і передачі. Можливість автоматичної калібровки і автоматичного введення поправки для зменшення систематичної похибки. Можливість усереднення результатів вимірювання для зменшення випадкових похибок.

Цифровими називаються такі вимірювальні прилади, в яких вимірювана величина автоматично в результаті квантування, дискретизації, порівняння, цифрового кодування і відповідних обчислень постає у вигляді коду, що виражає значення цієї величини.

Принцип роботи ЦВП ґрунтується на дискретному відображенні неперервних величин. Неперервна величина Х(t) - це величина, яка може мати в заданому діапазоні нескінченно велике число значень в інтервалі часу Т при нескінченно великому числі моментів часу. Величина може бути неперервною або за значенням, або у часі. Процес перетворення неперервної в часі величини в дискретизовану називається дискретизацією. Кроком дискретизації називається проміжок часу між двома сусідніми моментами видання миттєвих значень сигналу. 

               Аналого-цифровий    перетворювач     (АЦП)    перетворює    аналогову

(вимірювану) величину в цифровий двійковий (дискретний) код, а ЦВП відображає це значення в десятковій системі числення.

Аналого-цифрові перетворювачі — не тільки складова частина ЦВП, вони можуть і самостійно використовуватись у вимірювальних, інформаційних, керуючих та інших системах. АЦП випускається промисловістю як автономні пристрої, котрі на відміну від ЦВП не мають цифрового відлікового пристрою; вони видають на виході тільки двійковий код. Порівняно з цифровими вимірювальними приладами АЦП виконуються більш швидкодіючими, але менш точними, найчастіше вони мають один діапазон для однієї вимірюваної величини. Крім АЦП до цифрових перетворювачів відносяться цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) призначені для перетворювання двійкового кода в аналогову квантовану величину. Такі перетворювачі застосовуються не лише як вузол ЦВП і АЦП, а й як автономні пристрої.

В даній роботі описується робота ЦВП: осцилографа, генератора, спектроаналізатора, на основі АЦП і ЦАП звукового адаптера комп’ютера.

Осцилограф - це складний універсальний вимірювальний прилад, за допомогою якого можна спостерігати графіки змінного струму та напруги і досліджувати різні коливальні процеси. Осцилограф дає можливість вимірювати напругу, силу струму, частоту, різницю фаз змінних струмів.

За способом обробки вхідного сигналу осцилографи поділяють на аналогові та цифрові. Цифрові осцилографи також поділяються на запам'ятовуючі, люмінофорні та стробоскопічні.

Віртуальні цифрові осцилографи: осцилографи цього класу можуть бути як зовнішніми приладами з USB або паралельним портом вводу-виводу даних, так і внутрішнім приладом у комп'ютері на основі PCI або ISA карток. Програмне забезпечення дає можливість повного керування приладом, а також забезпечує імпорт-експорт даних, математичну обробку сигналів, цифрову фільтрацію тощо. Недоліком такого типу приладів є неможливість побачити та виміряти постійну складову сигналів. В лабораторному практикумі з фізики використовується віртуальний цифровий запам’ятовуючий осцилограф.

Сучасні цифрові осцилографи мають високу чутливість (градація шкали від 1 мВ) та роздільну здатність (від 8 до 14 біт), широкий діапазон часу розгортки (від 2 нс до 50 с), розвинену логіку синхронізації з будь-якими затримками запуску розгортки. Крім звичайних схем запуску синхронізації може відбуватися запуск у разі досягнення сигналом певного значення. Процесори цифрової обробки дають змогу досліджувати спектр сигналу з використанням швидкого перетворення Фур'є. Цифрове подання інформації забезпечує можливість її збереження у пам'яті комп'ютера або виводу безпосередньо на принтер.

 

 

 

2. Технічна характеристика «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» 

(інструкція до експлуатації   ЕК-1.0)

2.1. Можливості використання електронного комплексу

 

Створений нами «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» може використовуватись при вивченні дисциплін: «Фізика» (5 лабораторних занять), «Електрорадіовимірювання» (3 лабораторних заняття), «Комп’ютерна електроніка» (5 лабораторних занять) та може бути використаний на лабораторних і лекційних заняттях для аудиторного експерименту, при вивченні інших спеціальних дисциплін у технічних коледжах.  Методику використання на лабораторних заняттях з фізики аналогів описано в літературі [4-6]. 

В процесі вивчення фізики у коледжі «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» використовується у якості демонстрацій фізичних явищ з акустики і електромагнетизму на лекційних та лабораторних заняттях: «Дослідження змінного струму за допомогою осцилографа», «Вимірювання швидкості звуку у повітрі методом інтерференції», «Дослідження додавання коливань в одній площині», «Дослідження складання взаємноперпендикулярних електромагнітних коливань», «Дослідження гістерезису феромагнітних матеріалів». 

Можливості такого вимірювального комплексу дозволяють використовувати його в якості таких приладів: вольтметр, амперметр, частотомір, осцилограф, звуковий генератор, самописець (для визначення малих інтервалів часу при дослідженні електричних сигналів). 

Вдало скомпонований вимірювальний комплекс на базі ПК надає більші можливості порівняно із традиційними вимірювальними приладами з аналогічним рівнем технічних характеристик, адже реалізує великий набір методів вимірювання, аналізу та відображення інформації, є гнучким у керуванні. За його допомогою можуть проводити вимірювання не лише фахівці з радіоелектроніки, а й викладачі та студенти технічного коледжу. Входом в ПК потрібно обрати мікрофонний вхід, а виходом генератора – вихід на колонки. Щоб убезпечити дослід від спотворення результатів, решту пристроїв краще відключити (для уникнення «акустичної зав’язки», усунення «додаткових шумів» тощо). Також слід перевірити положення повзунків «Гучність» та «Баланс» як для запису, так і для відтворення і встановити на максимум або середнє положення (тоді легко відтворити дослід в наступний раз). Бажано відключити звуки, що супроводжують події операційної системи Windows та інших програм.

 

2.2. Технічний опис апаратної частини електронного комплексу

 

Розроблений вимірювальний комплекс на базі ПК, має програмну частину 

(програмне забезпечення комплексу) і апаратну частину – пристрій-приставку (дільник напруги), сигнал з якого подається на мікрофонний вхід звукового адаптера ПК. 

Вдало скомпонований вимірювальний комплекс на базі ПК надає більші можливості порівняно із традиційними вимірювальними приладами з аналогічним рівнем технічних характеристик, адже реалізує великий набір методів вимірювання, аналізу та відображення інформації, є гнучким у керуванні. За його допомогою можуть проводити вимірювання не лише фахівці з радіоелектроніки, а й викладачі та студенти технічного коледжу. Входом в ПК потрібно обрати мікрофонний вхід, а виходом генератора – вихід на колонки. Щоб убезпечити дослід від спотворення результатів, решту пристроїв краще відключити (для уникнення «акустичної зав’язки», усунення «додаткових шумів» тощо). Також слід перевірити положення повзунків «Гучність» та «Баланс» як для запису, так і для відтворення і встановити на максимум або середнє положення (тоді легко відтворити дослід в наступний раз). Бажано відключити звуки, що супроводжують події операційної системи Windows та інших програм.

Вхідний пристрій призначений для нормування (ослаблення або підсилення) вхідного сигналу до рівня, який визначається межею роботи АЦП звукового адаптера. Коефіцієнт передачі вхідного пристрою може регулюватися або вручну, або програмно.

 

 

Рис. 2.1 - Апаратна частини осцилографа

 

На рисунках 2.2-2.4 подано можливі схеми двоканального дільника напруги, що є апаратною частиною «Електронного комплексу дослідження електромагнітних коливань, а програмна частина складається з трьох віртуальних двоканальних приладів: осцилографа, генератора сигналів, спектроаналізатора. Аналоги електричних схем і програмного забезпечення досить часто зустрічаються на сайтах радіолюбителів, але проаналізувавши можливості таких безкоштовних засобів і сучасних вартісних цифрових та віртуальних USB-осцилографів, ми прийшли до висновку, що необхідно розробити власне програмне забезпечення для вимірювального комплексу на основі звукового адаптера, яке буде досить дешевим і достатньо дієвим в електричних вимірюваннях (точність вимірювань достатня для навчального процесу) у порівнянні з аналогами.

 

Рис. 2.2- Електрична схема двоканального осцилографа на діодах 

 

 

Рис. 2.3 - Електрична схема двоканального осцилографа на спарених стабілітронах

 

 

Рис. 2.4 - Електрична схема двоканального осцилографа на стабілітронах

Опір R1=100 кОм - 2 шт.

Опір R3=20 кОм - 2 шт. Опір R2=10 кОм - 2 шт.

Стабілітрони до 1,9 В - 2 шт. (наприклад, КС139А, 1N3995, BZX29C4V7, GLA47A, MZ4A, ZEC4.7, і т.д.)

 

Звуковий адаптер і вплив його характеристик на роботу ЕК-1.0

 

Звукова карта (плата) – це спеціальне пристосування, яке дозволяє відтворювати і записувати звук на ПК.

Будова звукової карти передбачає наявність мікшерів, аналоговоцифрових (цифро-аналогових) перетворювачів, процесора, а також відповідних входів / виходів.

Частота дискретизації – це така характеристика звукової карти, яка показує кількість сигналів, які карта обробляє за одиницю часу при роботі зі звуком. Вимірюється вона в герцах.

У більшості випадків сучасні звукові плати мають частоту 96 або 192 кГц. Чим більше цей показник – тим краще. Загалом, варто орієнтуватися на ці частоти.

Розрядність перетворювачів. У структуру звукової карти входять аналого-цифрові (АЦП) і цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), які відповідають за перетворення звуку з аналогового формату в цифровий і навпаки. Розрядність перетворювача вказує на кількість рівнів сигналу, з якими він може працювати. Вимірюється в бітах. Нові звукові карти мають переважно перетворювачі з розрядністю 24 біта, чого цілком достатньо і на цей показник можна орієнтуватися.

Співвідношення сигнал/шум (S/N). Цей показник вказує на співвідношення сигналу аудіо карти і шуму, який виникає при відтворенні такого сигналу. Вимірюється це співвідношення в децибелах. Для хорошої зовнішньої звукової карти цей показник повинен бути більшим 90 Дб.

Професійні звукові карти можуть мати співвідношення 100 Дб і більше.

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Технічний опис програмної частини електронного комплексу

 

Характеристика програмного засобу

Прилад ЕК-1.0, виконаний на базі звукової карти, має два незалежних 24бітних канали. Він дозволяє досліджувати сигнали приблизно від рівня 150 мікровольт. Частотний діапазон не більше 44100 Гц. Дана програма призначена  для фізичних вимірювань, або наукових досліджень. Вона дозволяє отримувати дані від звукової карти (SB), відображати їх подібно осцилографу чи спектроаналізатору, зберігати цифрові дані в файли .wav або .xlsx,  а потім відтворювати і досліджувати їх. Програмний засіб дозволяє створювати два незалежні сигнали за допомогою віртуального осцилографа

 

Установка

 

Скопіювати на диск ПК файл oscilograph.rar, розархівуйте його, в папці oscilograph отримаєте файл Oscilograf.exe – приблизно 6,4 МБ. На Вашому комп'ютері повинна бути встановлена звукова карта (SB). В гнізді мікрофона має бути ввімкнена апаратна частина ЕК -1.0 або будь яке інше джерело сигналу. Слід перевірити положення повзунків «Гучність» та «Баланс» як для запису, так і для відтворення і встановити на максимум або середнє положення (тоді легко відтворити дослід в наступний раз). Бажано відключити звуки, що супроводжують події операційної системи Windows та інших програм.

 

2.3.1 Опис головного вікна програми

 

Даний «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» містить три додатки: генератор сигналів, осцилограф і спектроаналізатор.  Робота з ЕК-1.0 розпочинається з завантаження головного вікна програмної частини, копія якого подана на рисунку 2.5. Головне вікно містить головне меню програми з пунктами:

Сервіс:

Осцилограф;

Спектроаналізатор;

Генератор сигналів;

Калькулятор; 

Календар;  Довідка:

Про програму;

В користуванні програмою; Вихід.

Назви пунктів меню співзвучні з їх призначенням. 

У вікні розміщені три кнопки (див. рис. 2.5, 2, 3, 4), що реалізують завантаження 3    програмних додатків відповідно: генератора сигналів, осцилографа, спектроаналізатора. Ці кнопки дублюють дію відповідних підпунктів пункту меню «Сервіс». Пункт меню «Калькулятор» є звичайним сервісом, що реалізую звичайний калькулятор для арифметичних обчислень, а пункт меню «Календар» служить для відкриття поточних часових даних: годинника і календаря.   

Пункт меню «Довідка» служить для отримання довідки про програму і в користуванні програмою, де описано як користуватись програмою в цілому і по додатках, які реалізують емулятори: генератора сигналів, осцилографа, спектроаналізатора. Кнопки 5 і 6(див. рис. 2.5, 5, 6) відповідно запускають сторінку розробника і сторінку Вінницького коледжу НУХТ.

 

Рис. 2.6 - Вікно сервісу «Калькулятор»

 

 

Рис. 2.7 - Вікно «Про програму»

 

Рис. 2.8 - Вікно «Довідка в користуванні програмою»

Оскільки в програмі використанні компоненти, що розповсюджуються вільно, внаслідок  цього перед завантаженням програми з’являється вікно повідомлення «Увага», що є нормальним. 

 

 

Рис. 2.9 - Вікно «Увага» перед завантаженням програми

 

 

2.3.2 Опис і засоби управління вікнами емулятора осцилографа

 

Осцилограф забезпечує спостереження періодичних сигналів у діапазоні частот від 1 до 22000 Гц і амплітудою від 2 мВ до 200 В. 

Вікно «Осцилограф» можна поділити на такі основні зони (зверху в низ):

головне меню (рис. 2.10, 12), робоча зона осцилографа (містить вісі, маркери і графічну побудову сигналів), панель керування, панель стану  (рис. 2.10, 8).

 

Рис. 2.10 - Вікно «Осцилограф» з відкритою вкладкою «Режими роботи» панелі керування

 

Панель керування містить такі основні поля: кнопки управління, панель підсилення/послаблення сигналу,  розгортка та діапазони по часу, закладки панелі управління.

Робота програмного засобу керується чотирма основними кнопками: «Пуск» - ввімкнення осцилографа для отримання осцилограми в реальному часі

(рис. 2.10, 1), «Стоп» - припинення прийому і відображення сигналів в режимі реального часу (рис. 2.10, 2), «Миттєва осцилограма» - знімає осцилограму на протязі декількох мілісекунд (рис. 2.10, 3), «Вихід» - вихід з програми «Осцилограф». 

Панель підсилення/послаблення сигналу (рис. 2.10, 5) служить для підсилення чи послаблення сигналу на задану величину вибором опції параметру підсилення чи плавною зміною параметру підсилення повзунком.  

Керування розгорткою по вісі часу здійснюється круглим елементом керування  (рис. 2.10, 7), що задає і змінює плавно масштаб часу - кількість мілісекунд на поділку. Змінюючи значення цього елемента керування можна плавно міняти кількість періодів коливань сигналів вздовж вісі часу. Після вибору діапазону встановлюється інтервал і одиниця вимірювання вісі часу, а також максимальне значення масштабування розгортки даного діапазону по часу.

 За допомогою цього елементу можна масштабувати і досліджувати осцилограму уже знятого сигналу, тобто після на жаття кнопки «Стоп». 

Панель управління має такі закладки:  

канал А – задає параметри відображення каналу А; канал В – задає параметри відображення каналу В;

режими роботи – вибір режиму роботи осцилографа за частотою дискретизації (чим вища частота дискретизації тим менший інтервал часу зняття осцилограми, тобто вища точність у часових проміжках,

осцилографування ближче до реального часу) та вибір частоти синхронізації; вид – задання виду фону відображення робочої області осцилографа та

керування зміщенням положення вісей осцилографа; параметри вхідних сигналів – панель відображення параметрів вхідних

сигналів (частоти, періоду, максимальної напруги, діючого значення напруги) маркери і вхідні сигнали – панель відображення параметрів сигналів під

маркерами, що розміщенні на робочій області (для відображення потрібно змістити маркер); керування записом вхідних сигналів у файл wav і

відтворенням;   

результуючий сигнал взвємноперпендикулярнного складання

керування видом при взаємно перпендикулярному складанні вхідних сигналів (масштабування сигналу по вісях Х,У).

Для оптимального відображення сигналу потрібно вибрати частоту дискретизації відповідно до частоти досліджуваного сигналу при виборі режиму роботи по частоті дискретизації (рис. 2.10, 10) автоматично встановлюється частота дискретизації відповідно режиму (можна встановити і шляхом вибору (рис. 2.10, 9)), під режимами є підказка -  які низькочастотні, а які високочастотні режими. 

Для більш статичнішого відображення сигналу служить синхронізація, якщо потрібно стабілізувати відображення сигналу А (рис. 2.10, 11), то потрібно обрати «Синхронізація по каналу А», аналогічно по каналу В. Якщо подавати сигнал напряму з генератора на осцилограф поза звуковим адаптером (ідеальні сигнали) то бажано обрати синхронізацію по частоті дискретизації. 

Вверху вікна міститься головне меню програми (рис. 2.11, 12), яке використовується для керування програмним засобом.

    

Рис. 2.11 -  Головне меню вікна «Осцилограф»  з відкритими пунктами  Меню Файл:

Зберегти копію вікна – служить для збереження копії всього вікна в графічний файл;

Зберегти копію графічної побудови – служить для збереження графічної побудови в графічний файл;

Друкувати копію вікна –  вивід на принтер копії вікна осцилографа;

Друкувати копію графічної побудови – вивід на принтер копії лише робочої області осцилографа;

Експорт/імпорт даних – робота з панелю імпорту /експорту знятих даних обраних сигналів (див. рис. 2.12), з Excel в осцилограф і навпаки

(таблиця залежності миттєвого значення напруги від часу);

Вихід – вихід з осцилографа; Меню Складання коливань:

Однонаправлених:

Відображенння результуючого  сигналу – в робочій області відобрежається лише результуючий сигнал складання однонаправлених

коливань UА(t)+ UB(t);

Відображенння результуючого і вхідних сигналів – в робочій області відобрежається три графічні залежності напруги від часу: UА(t), UB(t),  UА(t)+ UB(t);

Взаємноперпендикулярних:

Відображенння результуючого  сигналу – в робочій області відображається лише результуючий сигнал складання взаємноперпендикулярних коливань UА(UB);

Відображенння результуючого і вхідних сигналів  – графічно

відобрежається три графічні залежності напруги від часу: UА(UB ),  UА(t), UB(t);

                Відображенння    лише           вхідних сигналів – в робочій області

відобрежається три графічні залежності напруги від часу: UА(t),  UB(t); Генератор – завантаження емулятора «Генератор»; Меню Налаштування:

Згладжування каналу А – вибір для графічної залежності U(t)  каналу А одного з методів згладжування: нема, слабке, середнє, сильне;

Згладжування каналу В – вибір для графічної залежності U(t) каналу В одного з методів згладжування: нема, слабке, середнє, сильне;

Відкрити панель керування – відкриває панель керування;

Закрити панель керування – скриває панель керування (зручно при демонструванні осцилограми на весь екран);

Панель налаштувань – відкриває  панель налаштування осцилографа

(задаються параметри графічного відображенння сигналів і вікна в цілому) Меню Довідка:

Про програму – відкриває вікно, що містить довідку про програму і автора;

В користуванні програмою –  – відкриває вікно, що містить довідку про користування емулятором осцилографа.

 

 

Рис. 2.12 -  Панель імпорту/експорту знятих даних обраних сигналів

 

Сигнал з входу каналів А та В подається на звуковий адаптер в залежності від підключених клем на апаратній частині обирається відповідна опція Клеми для маштабування значення напруги (див. рис. 2.13, 1), за допомогою елемента керування зображеного на рисунку 2.13, 6 можна змінювати плавно цей масштаб. Оскільки бувають випадки коли на один з каналів потрібно подати дослідний сигнал (див. рис. 2.13, 4), а на інший відомий (еталонний, подається програмно одразу на осцилограф минуючи звуковий адаптер (див. рис. 2.13, 5), якщо потрібно скрити графічну залежність каналу то можна його відключити (див. рис. 2.13, 3). 

Рис. 2.13 -  Вікно «Осцилограф» з відкритою вкладкою «Канал А» панелі керування

 

Для вертикального зміщення графічної залежності каналу разом з вісю служать кнопки зображені на рисунку 2.13, 8 для каналу А і для каналу В – 9.

Для дослідження сигналів можна використовувати 2 графічні маркери для вісі часу та відповідно для сигналів А (рис. 2.13,  7) та В (рис. 2.13,  10).

Робоча область дозволяє зміщувати  її за допомого миші при нажатій правій клавіші.

Зовнішній вид осцилографу можна налаштувати за допомогою вікна «Панель налаштувань» причому всі налаштування після їх вибору записуються у файл настройок клацанням на кнопці «Зберегти зміни», параметри настройки вікна інтуїтивно зрозумілі, тому детальний їх опис не надається. «Панель налаштувань» дозволяє змінити скін всіх вікон програми, наявні 95 скінів

(видів вікон), можна добавити ще свої чи з інтернету, скинувши файл з розширенням .asz у папку skin. 

 

 

Рис. 2.14 - «Панель налаштувань» емулятора осцилографа

 

Підготовка до роботи та зняття осцилограми

 

Обов’язково на вхід мікрофона в ПК потрібно вставить штекер TRS «міні джек» (навіть якщо не використовується для подачі сигналу звуковий адаптер) і тоді подавати сигнал з апаратної частини приладу, або одразу подавати сигнал на мікрофонний вхід, наприклад з мікрофону. 

Вихід на колонки, зелене гніздо ПК, використовується як вихід з програми–емулятора «Генератор».  

Роботу програм–емуляторів «Генератор» і «Осцилограф» можна перевірити ввімкнувши кабель  з двома штекерами 3.5mm — TRS «міні джек» в вихід колонки ПК і в осцилограф гніздо універсальне.

Якщо подати на мікрофонний вхід ПК сигнал з мікрофора (або використовується внутрішній мікрофон в ноутбуках) то отримаємо осцилограму зображену на рисунку 2.15.

  

 

Рис. 2.15 - Вікно «Осцилограф» при знатті осцилограми з мікрофонного двох канального сигналу 

 

 

 

2.3.3 Опис і засоби управління вікном емулятора генератора

 

Емулятор генератора є двоканальним джерелом синусоїдальних і прямокутних електричних коливань в діапазоні звукової і ультразвукової частоти 1-22000 Гц.

 Гератор дозволяє змінювати плавно змінювати частоту з точністю до 1 Гц. Для створення сигналу використовується звуковий адаптер. Генератор дозволяє створювати два найпоширеніших типи сигналів: синусоїдальний, прямокутний (меандр) (див. рис.  2.16, 3).  

 

 

 

 

Керування генерацією і поданням сигналу здійснюється кнопками «Пуск» і «Стоп» (див. рис.  2.16, 1). Перед генерацією сигналу потрібно вибрати параметри сигналів каналів: частоту (див. рис.  2.16, 2), рівень сигналу (амплітуду, (див. рис.  2.16, 4)),  початкову фазу (див. рис. 2.16, 5). Змінювати кожний параметр можна або грубо за допомогою повзунків, що підписані назвою відповідного сигналу, або елементом урпавління з текстовим індикатором, який змінюється також і при зміні повзунка.

Створений сигнал можна записати у оперативну пам’ять (див. рис.  2.16, 7), а потім і в звуковий файл (див. рис.  2.16, 8), який можна відтворити на ПК в будь-який момент часу. 

Вихідна амплітуда напруги керується рівнем сигналу і залежить від звукового адаптера (залежить від виставлених параметрів звукового мікшера гучності). 

 

 

 

2.3.4 Опис і засоби  управління вікном емулятора спектроаналізатора

 

Емулятор спектроаналізатора є реєструючим приладом амплітуд спектру частот в діапазоні звукової і ультразвукової частоти 1-22000 Гц. 

Спектроаналізатор – прилад для вимірювання і відображення спектра сигналу. За його допомогою відбувається розподіл  енергії сигналу по частотах. Використовуються спектроаналізатори в акустиці, наприклад, в процесі дослідження характеристик шуму, при розробці і обслуговуванні аудіоапаратури та ін.

Вікно «Спектроаналізатор» має такі елементи: головне меню (див. рис. 

2.17), робоча область, панель керування, рядок стану. 

 

 

Рис. 2.17 - Головне меню вікна «Спектроаналізатор» 

 

Діапазон частот 1-22000 Гц розділений на  8 піддіапазонів (див. рис.  2.16, 1), які визначаються принципом роботи звукового адаптера.

Управління прийомом сигналу та його зупинкою  і графічною фіксацією в робочій зоні здійснюється кнопками «Старт», «Стоп» (див. рис.  2.18, 2-3). Області «Лівий канал» та «Правий канал» призначені для вибору параметрів графічного відображення спектру частот: відображення лінією, відображення стовпчиковою діаграмою, підсилення (див. рис.  2.18, 4-5). 

За допомогою меню (див. рис.  2.12) можна відкрити панель параметрів сигналів (див. рис.  2.18, 6)  та спостерігати значення параметрів сигналів з максимальною амплітудою. 

 

 

2.3.5. Основні технічні характеристики емуляторів

 

Технічні характеристики ЕК-1.0. Осцилограф

Параметр

 

Значення

 

Кількість каналів 

 

Діапазон вимірювальних напруг вхідних сигналів

 

 

Максимальна частота дискретизації (х-ка зв.

адаптера)

 

Число розрядів АЦП і ЦАП (х-ка зв. адаптера)

 

К-ть режимів роботи осцилографа по частоті дискретизації

 

Частота дискретизації (х-ка зв. адаптера)

 

Тип вхідних  розємів 

 

 

Діапазон частот вхідних сигналів

 

Відношення сигнал/шум (х-ка зв. адаптера)

 

Вхідний опір (х-ка зв. адаптера)

2  (канали ідентичні)

 

10 мкВ-2 В (без адаптера) 10 мкВ-200 В (з адаптером)

 

 

192 кГц

 

24

 

 

5

 

11.025, 22.05, 44.1, 88.2, 192 кГц

 

3.5 мм mini jack In Клеми електричні 

 

1 – 96 000 Гц:

 

> 90 дБ (чим більше тим краще)

 

 

47 кОм

(без адаптера)

 

Технічні характеристики ЕК-1.0. Генератор

Параметр

 

Значення

 

 

Кількість каналів 

 

Діапазон напруг вихідних сигналів

 

Число розрядів АЦП і ЦАП (х-ка зв. адаптера)

 

Частота дискретизації (х-ка зв. адаптера)

 

Тип вихідних  розємів  (ПК)

 

Діапазон частот вихідних сигналів

 

Вид сигналів 

 

2  (канали ідентичні)

 

0  -3 В 

 

24

 

44.1 кГц

 

3.5 мм mini jack Out

 

1  – 22 000 Гц:

 

Синусоїдальний,

(меандр)

прямокутний

 

Технічні характеристики ЕК-1.0. Спектроаналізатор

Параметр

 

Значення

 

Кількість каналів 

 

Діапазон напруг вхідних сигналів

 

 

 

Число розрядів АЦП (х-ка зв. адаптера)

 

Частота дискретизації (х-ка зв. адаптера)

 

Тип вхідних  роз’ємів 

 

 

Діапазон частот вхідних сигналів

2  (канали ідентичні)

 

10 мкВ-2 В (без адаптера) 10 мкВ-200 В (з адаптером)

 

 

24

 

44.1 кГц

 

3.5 мм mini jack In  Клеми електричні 

 

1 – 96 000 Гц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Методичні аспекти формування професійних компетентностей техніків-програмістів на основі програмного коду електронного комплексу

 

Методичні рекомендації розглядають міжпредметні зв’язки таких дисциплін: фізика, математика, програмування, системне програмування.

Важливим є і той факт, що сучасне програмування є колективним, і робота окремого програміста тісно пов’язана з його корисністю для всієї команди, а тому вимагає від робітника навичок роботи у команді, комунікаційних якостей, певних знань з галузі психології й управління. На нашу думку, особливістю успішного ІТ-спеціаліста є не деякий фіксований набір знань, умінь і навичок у галузі програмування, а сформованість комплексу компетенцій, які забезпечують майбутнє кар’єрне зростання. Побудова навчального процесу саме на засадах компетентнісного підходу є найефективнішою для забезпечення підготовки майбутнього фахівця відповідно до сучасних вимог суспільства. [3]

Проте, досі не повністю є вирішеним питання формування професійних компетентностей майбутніх техніків-програмістів засобами інформаційнокомунікаційних технологій у професійній підготовці студентів. Дослідженням змісту професійної компетентності програмістів та її елементів займалися М.С.

Головань, Н.В. Кузьміна, А.К. Маркова, С.А. Раков, В.О. Сластьонін, Ю.В.

Триус, А.В. Хуторський та інші науковці.   

Компетенція в перекладі з латинського competencia означає коло питань, в яких людина добре обізнана, володіє знаннями і досвідом; competens (лат.) – відповідальний, обізнаний; competere (лат.) – здатний зробити професійно, бути відповідним; competence (англ.) – здібність (компетенція) [9]. В енциклопедичному словнику поняття “компетенція” трактовано як коло повноважень, питань, в якому певна особистість має досвід, знання.

Професійна компетентність розглядається як системна, інтеграційна єдність, синтез інтелектуальних і навичкових складових (загальні знання, вміння і навики), особистісних характеристик (ціннісні орієнтації, здібності, риси вдачі, готовність до здійснення своєї діяльності) і досвіду, що дозволяє використовувати свій потенціал, здійснювати складні види діяльності, оперативно і успішно адаптуватися в суспільстві і професійній діяльності [10]. Такими компетентностями є: 

1)                 готовність і здатність спонукати інших людей працювати спільно заради досягнення поставленої мети; 

2)                 готовність і здатність робити що-небудь ефективніше, ніж раніше;

3)                 готовність і здатність вирішувати складні питання; 

4)                 готовність і здатність виступати зі своїми новими ідеями; 

5)                 готовність і здатність посідати керівні посади; 

6)                 готовність і здатність вчитися все життя як основа безперервної підготовки в професійному плані; 

7)                 готовність і здатність навчатися самостійно [10].

Розглядаючи професіоналізм програміста, науковці (Е.В. Дейкстра, М.Л. Смульсон, Б. Шнейдерман) виділяють якості, які йому властиві, що пов’язані безпосередньо із створенням програмного продукту, психологічні й загальнолюдські риси, які повинні бути притаманні програмісту. [8]. 

У галузевому стандарті напрямку підготовки «Інформатика» наведено такі означення: компетентність – інтегрована характеристика якостей особистості, результат підготовки випускника ВНЗ для виконання діяльності в певних професійних і соціально-особистістних предметних областях

(компетенціях), який визначається необхідним обсягом і рівнем знань і досвіду в певному виді діяльності. Компетенція включає знання й розуміння (теоретичне знання академічної галузі, здатність знати й розуміти), знання як діяти (практичне й оперативне застосування знань до конкретних ситуацій), знання як бути (цінності як невід'ємна частина способу сприйняття й життя з іншими в соціальному контексті) [5].

У рамках копетентнісного підходу акцент має бути зміщено від формування певного набору професійних знань, умінь і навичок у галузі програмування на виховання таких якостей, як робота в команді, лідерські якості, відповідальність, здатність до рефлексії, здатність до самостійного навчання й освоєння нових технологій протягом життя, самоосвіта, планування діяльності, логічне й алгоритмічне мислення, цілеспрямованість, наполегливість, уміння самостійно ухвалити рішення, швидко адаптуватися до нового завдання, широкий кругозір у предметній галузі. Крім того, виникає затребуваність у специфічних знаннях психології й менеджменту, зокрема, управління проектами. [11]

Створений нами «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» використовується при вивченні дисциплін: «Фізика» (5 лабораторних занять), «Електрорадіовимірювання» (3

лабораторних заняття), «Комп’ютерна електроніка» (5 лабораторних занять) та може бути використаний на лабораторних і лекційних заняттях для аудиторного експерименту, при вивченні інших спеціальних дисциплін у технічних коледжах.  Методику використання на лабораторних заняттях з фізики аналогів описано в літературі [4-6]. 

В процесі вивчення фізики у технічному коледжі «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» використовується у якості демонстрацій фізичних явищ з акустики і електромагнетизму на лекційних та лабораторних заняттях: «Дослідження змінного струму за допомогою осцилографа», «Вимірювання швидкості звуку у повітрі методом інтерференції», «Дослідження додавання коливань в одній площині», «Дослідження складання взаємноперпендикулярних електромагнітних коливань», «Дослідження гістерезису феромагнітних матеріалів». Корисним  і важливим є те, що студенти можуть вивчити основи використання програмного забезпечення приладу в домашніх умовах, оскільки є можливість скачати його з мережі Інтернет і мати доступ до програмного коду.

В процесі вивчення фізики (2 курс), студенти уже мають деякі навички структурного програмування, оскільки вивчають дисципліну «Алгоритми і методи обчислень». З метою розвитку професійних компетентностей і активізації пізнавальної діяльності на лекційних, практичних і лабораторних заняттях в процесі використанні власного програмного забезпечення демонструється програмний код реалізації тих чи інших програмних рішень, в тому числі фізичних задач. Один з важливих моментів у використанні власного програмного забезпечення є наявний вихідний програмний код.   Тому при знайомстві з програмним забезпеченням даного електронного комплексу зроблено акцент на таких засобах в технологіях програмування, які студенти будуть вивчати при вивченні дисциплін «Системне програмування» і «Програмування»: робота з регіонами (візуальні об’єкти неправильної форми, (рис. 2), робота з іні-файлами (запис конфігурації налаштувань програми у файл), робота зі звуком, робота з графікою (в тому числі візуальні можливості та використання класу Chart), робота з масивами, підключення сторонніх додаткових компонентів до середовища програмування, використання технології перетягування візуальних обєктів DragOnDrop, використання асемблерних вставок, використання скінів та інші. Майбутні технікипрограмісти у технічному коледжі на другому та третьому курсі вивчають мову програмування С++ , а на четвертому – С#, Delphi, Java.

Гурткова робота сприяє більш інтенсивному вивченню програмування, набуттю навичок виготовлення фізичних приладів, а також формуванню професійних компетентностей майбутніх техніків-програмістів. Так використовуючи метод проектів, студенти отримують досвід роботи в команді і вміння працювати самостійно. Досліджуючи програмний код не лише даного програмного засобу, а й власних програмних розробок, вивчають основи програмування і сучасні методи програмування, розробляють нові і вдосконалюють вже існуючі програмні засоби. А в процесі вивчення дисциплін «Системне програмування»  і «Програмування» здійснюється аналіз існуючого програмного коду для реалізації можливостей і застосування методів і технологій програмування і відбувається повторення основних фізичних явищ. Причому в процесі проведення гуртка студенти вивчають синтаксис мов програмування.

Розроблений нами вимірювальний комплекс на базі ПК, має програмну частину  (програмне забезпечення комплексу) і  апаратну частину – пристрійприставку (дільник напруги), сигнал з якого подається на мікрофонний вхід звукового адаптера ПК. На рисунку 1 подано одну із можливих схем двохканального дільника напруги, що є апаратною частиною «Електронного комплексу дослідження електромагнітних коливань, а програмна частина складається з 9 модулів, які реалізують три віртуальні двоканальні прилади: осцилограф, генератор сигналів, спектроаналізатор. Програмне забезпечення розроблене на мові програмування Delphi. Аналоги електричних схем і програмного забезпечення досить часто зустрічаються на сайтах радіолюбителів, але проаналізувавши можливості таких безкоштовних засобів і сучасних вартісних цифрових та віртуальних USB-осцилографів, ми прийшли до висновку, що необхідно розробити власне програмне забезпечення для вимірювального комплексу на основі звукового адаптера, яке буде досить дешевим і достатньо дієвим в електричних вимірюваннях (точність вимірювань достатня для навчального процесу) у порівнянні з аналогами.

Вдало скомпонований вимірювальний комплекс на базі ПК надає більші можливості порівняно із традиційними вимірювальними приладами з аналогічним рівнем технічних характеристик, адже реалізує великий набір методів вимірювання, аналізу та відображення інформації, є гнучким у керуванні. За його допомогою можуть проводити вимірювання не лише фахівці з радіоелектроніки, а й викладачі та студенти технічного коледжу. Входом в ПК потрібно обрати мікрофонний вхід, а виходом генератора – вихід на колонки. Щоб убезпечити дослід від спотворення результатів, решту пристроїв краще відключити (для уникнення «акустичної зав’язки», усунення «додаткових шумів» тощо). Також слід перевірити положення повзунків «Гучність» та «Баланс» як для запису, так і для відтворення і встановити на максимум або середнє положення (тоді легко відтворити дослід в наступний раз). Бажано відключити звуки, що супроводжують події операційної системи Windows та інших програм. Можливості такого вимірювального комплексу дозволяють використовувати його в якості таких приладів: вольтметр, амперметр, частотомір, осцилограф, звуковий генератор, самописець (для визначення малих інтервалів часу при дослідженні електричних сигналів). 

Розглянемо основні можливості вимірювального комплексу і його програмну реалізацію, яка досліджується в процесі проведення гуртка. На рисунку 2 показано головне вікно програмного забезпечення «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» форма якого є неправильною і вирізи на формі реалізовані процедурою procedure Form_r, яка реалізує застосування поняття регіонів.

 

procedure Form_r; var

hRgn1,hRgn2,hRgn3,hRgn4,hRgn5,hRgn11,

hRgn12,hRgn13,hRgn14,hRgn15:  Cardinal; begin

hRgn2 := CreateRectRgn(0,0,Form3.ClientWidth+20,

Form3.ClientHeight+90); hRgn1 := CreateRectRgn(47, 275, 175, 475); // прямокутник hRgn3 := CreateEllipticRgn(-75, 250, 45, 500);   // еліпс

CombineRgn(hRgn3, hRgn3, hRgn1, RGN_DIFF);

 

hRgn5 := CreateEllipticRgn(7, 353, 47, 393);  // коло

CombineRgn(hRgn3, hRgn3, hRgn5, RGN_DIFF);

CombineRgn(hRgn2, hRgn2, hRgn3, RGN_DIFF);

 

hRgn11 := CreateRectRgn(Form3.ClientWidth-47, 275,

Form3.ClientWidth-175, 475); // прямокутник hRgn13 := CreateEllipticRgn(Form3.ClientWidth+75, 250,Form3.ClientWidth- 45, 500);   // еліпс CombineRgn(hRgn13, hRgn13, hRgn11, RGN_DIFF); hRgn15 := CreateEllipticRgn(Form3.ClientWidth-7, 353,

Form3.ClientWidth-47, 393);  // коло

CombineRgn(hRgn13, hRgn13, hRgn15, RGN_DIFF);

CombineRgn(hRgn2, hRgn2, hRgn13, RGN_DIFF);

 

SetWindowRgn(Form3.Handle, hRgn2, true);

DeleteObject(hRgn3);  DeleteObject(hRgn2);  end;

 

Даний «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» містить три додатки: генератор сигналів, осцилограф і спектроаналізатор. 

 

 

Рис. 2 - Головне вікно «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань»

 

Генератор сигналів дозволяє створювати два сигнали за формою синусоїди або меандр з заданими параметрами: частотою, амплітудою, фазою (рис. 3). На прикладі програмного коду реалізації генератора демонструється використання асемблерних вставок, адже досить часто студенти цікавляться яким чином використовується в сучасних програмах мова програмування низького рівня асемблер. Даний програмний код демонструє роботу мікшера звуку (змішування двох масивів даних (каналів) First и Second, змішує масиви і розміщує результат в масив Buffer) з використанням асемблерної вставки і використанням стеку.

 

procedure Mix(Buffer,First,Second : PChar; Count : LongInt);

assembler;

{       EAX - Buffer       }

{       EDX - First        }

{       ECX - Second       } {       Count -- в стеку   }

asm

        PUSH    EBX

        PUSH    ESI

        PUSH    EDI

        MOV     EDI,EAX     

MOV     ESI,ECX                      XCHG    ESI,EDX      @@Loop:

        MOVSW              

        XCHG    ESI,EDX    

        LOOP    @@Loop     

 

        POP     EDI

        POP     ESI         POP     EBX end;

 

Демонстрація вивчення характеристик звуку подається як створення потоку даних в програмі «Генератор». Фізична демонстрація відбувається з поясненням програмного коду програми:  

 

  OmegaC := 2*PI*Freq;

  PSmallInt(buf)^ := Round(Lev*sin(OmegaC*t+f));

 

  

Рис. 3 - Вікно «Генератор сигналів»

 

 

Рис. 4 - Вікно «Спектроаналізатор»

 

Демонстрація використання стовпчикової діаграми реалізована в спектроаналізаторі (рис. 4).     Робота програмного модуля заснована на загальній методиці дослідження сигналів, в основі якої розкладання сигналів в ряд Фур’є при допомозі алгоритму швидкого обчислення дискретного перетворення Фур’є,  Fast Fourier Transform (FFT).  Спектроаналізатор – прилад для вимірювання і відображення спектра сигналу. За його допомогою відбувається розподіл  енергії сигналу по частотах. Використовуються спектроаналізатори в акустиці, наприклад, в процесі дослідження характеристик шуму, при розробці і обслуговуванні аудіоапаратури та ін.

Третім приладом-емулятором з створеного вимірювального комплексу є осцилограф. На рисунку 5 подано вікно емулятора осцилографа при осцилографуванні звуку, що знімається з мікрофона.

 

Рис. 5 - Вікно «Осцилограф» при осцилографуванні звуку

 

Функціонал закладки «Режими роботи» панелі керування дозволяє обирати режим роботи по частоті дискретизації. Також можна вибрати синхронізацію сигналів по першому чи другому сигналу, або частоті дискретизації. Як осцилограф використовується даний прилад в процесі вивчення акустики і вивченні змінного струму, а також електромагнітних коливань. 

Студенти мають можливість не тільки ознайомитись з принципом дії і програмним забезпеченням приладу  в домашніх умовах, а навіть досліджувати різні сигнали з малою амплітудою коливань напруги (до 2 вольт) і виконувати творчі завдання (проекти) з використанням акустики і змінного струму. Також при цьому вони використовують широкі графічні можливості компоненту

ТChart. 

На рисунку 6 показано вікно при осцилографуванні музичного тону, для дослідження сигналу можна використовувати маркери, зміна положення яких реалізована на основі технології перетягування візуальних об’єктів DragOnDrop, а значення параметрів (що обираються безпосередньо із значень компонента класу ТChart) під маркерами відображаються на закладці «Маркери і вхідні сигнали» панелі керування. Функціонал цієї закладки дозволяє записувати і відтворювати вхідні сигнали, запис здійснюється в файл формату wav. За таким принципом працює диктофон. На прикладі розробленого програмного коду студентам пропонується створити власний диктофон. Наступний програмний код демонструє найпростішу команду відтворення звукового файлу.

 

mciSendString(PChar('play ' + OpenDialog1.FileName), nil, 0,

Handle);

 

Також увага студентів, в процесі аналізу програмного коду, акцентується на тому, що принцип використання функцій WinAPI, та інших спеціальних програмних модулів однаковий в різних мовах програмування і наводяться конкретні приклади.

 

 

Рис. 6 - Вікно «Осцилограф» при осцилографуванні гармонічного сигналу Осцилограф дозволяє складати однонаправлені (рис. 7) та взаємоперпендикулярні (рис. 8) коливання, причому можна відображати їх одночасно з вхідними сигналами. На рисунку 7 на панелі управління відкрита закладка, що відображає основні параметри вхідних сигналів, які можна використати на лабораторних роботах для вимірювання параметрів вхідних сигналів: напруги, частоти, малих інтервалів часу, сили струму (враховуючи  опір включений послідовно в коло).

На рисунку 8 показано вікно в процесі спостереженні фігур Ліссажу (складання взаємноперпендикулярних коливань). Є можливість відображати результуючий сигнал, або в комбінації результуючий і вхідні сигнали. Закладки «Канал А» і «Канал В» дозволяють керувати параметрами відображення вхідних сигналів. Вмикати, вимикати сигнал; вказувати клеми на які подається вхідний сигнал, а також подавати сигнал або з звукового адаптера, або безпосередньо програмно від генератора (ідеальний чистий сигнал), оскільки навіть дуже якісний звуковий адаптер створює власні мікрошуми, які спотворюють дуже малі за амплітудою сигнали (але в цілому прилад є чутливим,  можна вимірювати сигнали до долей мілівольт). Для програмного підсилення сигналу служить панель «Підсилення сигн.», яка розміщена на панелі керування, а також можна калібрувати вхідні сигнали за допомогою круглих ручок на апаратній частині приладу. Круглі елементи управління на панелі керування створені для масштабування графічної залежності по часу

(панель «Розгортка») і по амплітуді (закладки «Канал А/В»).

 

 

Рис. 7 - Вікно «Осцилограф» при осцилографуванні складання двох однонаправлених коливань

 

 

Рис. 8 - Вікно «Осцилограф» при осцилографуванні складання двох взаємноперпендикулярних коливань

 

В процесі проведення гурткової роботи при вивченні поняття «Музичні ноти» доцільно використати завдання створення  найпростішого звукового генератора з використанням функції Beep, а також створення мелодій на їх основі. На основі відомостей про музичні ноти і акустику студенти створюють графічний синтезатор звуку. Далі показано приклад програмного коду, який демонструє програвання мелодії.

 

void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)

{

        Beep(264, 125);

        Sleep(250);

        Beep(264, 125);         Sleep(125);

        Beep(297, 500);         Sleep(125);

        Beep(264, 500);         Sleep(125);         Beep(352, 500); ...

}

 

У Вінницькому коледжі НУХТ під час використання лабораторного практикуму і фізичних демонстрацій із використанням ПК викладачі надають перевагу застосуванню програм-емуляторів, а не програм симуляторів. А в процесі організації гурткової роботи використовуються дослідні проекти, які потребують знань з фізики та програмування.  

Простота описаного методу організації навчального експерименту з фізики, доступність відповідного програмного забезпечення з відкритим програмним кодом, інтенсивна гурткова робота з програмного моделювання фізичних процесів,  дозволяють створювати експериментальні установки на основі ПК. Таким чином створюються педагогічні умови для формування професійних компетентностей майбутніх техніків-програмістів. Це відкриває можливості як для поза аудиторної роботи з фізики і програмування, так і для створення підґрунтя подальшого вивчення методів програмування і підвищення мотивації до навчання.

Зазначимо, що важливе завдання викладача полягає в створенні педагогічних умов для поетапного створення можливості для студентів управляти дією механізмів стабілізації, доповнення й трансформації своєї професійної компетентності. Етапи нарощування умов такі: управління викладачем діяльністю студента; спільне керування викладачем і студентом механізмами функціонування професійної компетентності; самоуправління майбутнім фахівцем процесом професійного саморозвитку.

 

 

 

 

4. Методичні аспекти використання електронного комплексу при вивченні фізики

 

Найчастіше вчителі та викладачі фізики зараз використовують ПК для ілюстрації фізичного процесу засобами комп’ютерного моделювання. Однак можливості сучасних ЕОМ дозволяють демонструвати з їх допомогою й натурні експерименти. Відомо, що підбором датчиків, заснованих на різноманітних фізичних явищах, можливо здійснити перетворення практично будь-яких фізичних величин в електричні сигнали, які можуть бути введені в комп’ютер. Машина здатна опрацювати та візуалізувати ці сигнали для їх якісного дослідження та кількісного оцінювання.

Завдяки застосуванню додаткових пристроїв, що підключаються до ПК, та спеціального програмного забезпечення комп’ютер може виконувати функції одночасно декількох вимірювальних приладів. А отже, мова йде про використання ЕОМ в якості цілого вимірювального комплексу. Дослідженню проблем залучення програмно-апаратних засобів для постановки навчального експерименту з фізики присвячували свої публікації Ю. П. Бендес, О. І.

Денисенко, О. С. Мартинюк, В. І. Тищук, Т. М. Яценко та інші вчені.

Вказаний підхід до проведення вимірювань уже широко використовується під час провадження наукових досліджень, для контролю та автоматизації процесів на промисловому виробництві, у стендових випробуваннях тощо. Оскільки зміст навчального процесу з фізики повинен відповідати сучасному рівню розвитку науки і техніки, та має забезпечуватися політехнічна направленість навчання, комп’ютер повинен використовуватися в якості інструменту під час проведення фізичного експерименту.

Правильно сконфігурований вимірювальний комплекс на базі ПК надає набагато більші можливості порівняно із традиційними вимірювальними приладами з аналогічним рівнем технічних характеристик, адже реалізує довільний набір методів вимірювання, аналізу та відображення інформації, гнучкий у керуванні. За його допомогою можуть проводити вимірювання не лише фахівці з радіоелектроніки, а й учителі та викладачі фізики  студенти та учні. Властивості такого вимірювального комплексу дозволяють використовувати його в ролі таких дорогих, а отже, недоступних для більшості фізичних лабораторій приладів, як звуковий генератор, осцилограф, спектроаналізатор, частотомір.

Методично виправданим також є включення до переліку лекційних демонстрацій з використанням програм-емуляторів дослідів або їх фрагментів, які потім студенти будуть виконувати під час лабораторних робіт. Це сприяє розвитку вмінь та навичок роботи студентів із вимірювальною апаратурою. Прикладом може слугувати демонстрація викладачем осцилограми змінного струму на екрані емулятора осцилографа, лабораторна робота з зняття якої проводиться згодом. Це допоможе студенту у подальшому швидше опанувати цей спосіб проведення експерименту та дане програмне забезпечення під час лабораторних занять.

Досліди з використанням програм-емуляторів зводять до мінімуму час на їх підготовку, демонстрація їх викладачем може проводитися дуже оперативно без втрати ефективності. Це дозволяє виконати на занятті не лише передбачений навчальною програмою мінімальний обсяг демонстраційних експериментів, але також і деякі додаткові. 

Запропонована методика передбачає використання реального лабораторного обладнання та програм-емуляторів вимірювальних приладів. Оскільки у цьому випадку ПК емулює роботу вимірювальних приладів, то користувач дістає інформацію про явища та дані вимірювань контактуючи лише з комп’ютером, тобто керування дослідом здійснюється за допомогою ПК. Таким чином для проведення досліду користувачеві не обов’язково знаходитись поряд із виконавчим обладнанням, що й надає можливість організувати дистанційне проведення досліду.

Технічно використання ПК у якості вимірювального комплексу реалізується за допомогою програм-емуляторів вимірювальних приладів та підключення лабораторних установок до звукової карти комп’ютера. Основи користування емуляторами викладені в розділі 2 даних методичних вказівок, що є інструкцією до експлуатації ЕК-1.0. 

Для реалізації викладених ідей було розроблено цикл робіт фізичного практикуму з розділу «Коливання і хвилі». Лабораторні установки створювалися спеціально для роботи зі звуковою картою, а.тому після їх підключення до комп’ютера (та, у випадку наявності в їх складі підсилювачів звукової частоти, до мережі 220 В) керування їх роботою здійснюється програмно, за допомогою програм-емуляторів вимірювальних приладів. Останні представлені емуляторами звукового генератора, спектроаналізатора та електронного осцилографа. Приклади інструкцій до лабораторних робіт з даної тематики наведені у додатку.

Домашні досліди та спостереження надзвичайно важливі й корисні як доповнення до шкільного фізичного експерименту. Вони дозволяють розширити область зв’язку теорії з практикою, привчити студентів до самостійної дослідницької роботи. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток A Використання «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» в лабораторному практикумі з фізики.

Інструкції до лабораторних робіт

 

 

Інструкція до лабораторного заняття з фізики

Тема:  Дослідження змінного струму за допомогою осцилографа.

Мета роботи: Ознайомитися з принципом дії осцилографа, навчитися користуватися ним і застосовувати його для вивчення електричних коливань.

Прилади і матеріали:

1.                 Осцилограф лабораторний.

2.                 Трансформатор лабораторний.

3.                 Панель з одноперіодним випрямлячем.

4.                 Панель з двопівперіодним випрямлячем.

5.                 Резистор опором 1 кОм.

6.                 Батарея конденсаторів.

7.                 Камертон "ля" на резонаторному ящику з гумовим молоточком.

8.                 Телефон головний.

9.                 Комплект проводів з'єднувальних.

 

Теоретичні відомості:

Осцилограф - це складний універсальний вимірювальний прилад, за допомогою якого можна спостерігати графіки змінного струму та напруги і досліджувати різні коливальні процеси. Осцилограф дає можливість вимірювати напругу, силу струму, частоту, різницю фаз змінних струмів.

За способом обробки вхідного сигналу осцилографи поділяють на аналогові та цифрові. Цифрові осцилографи також поділяються на запам'ятовуючі, люмінофорні та стробоскопічні.

Віртуальні цифрові осцилографи: осцилографи цього класу можуть бути як зовнішніми приладами з USB або паралельним портом вводу-виводу даних, так і внутрішнім приладом у комп'ютері на основі PCI або ISA карток. Програмне забезпечення дає можливість повного керування приладом, а також забезпечує імпорт-експорт даних, математичну обробку сигналів, цифрову фільтрацію тощо. Недоліком такого типу приладів є неможливість побачити та виміряти постійну складову сигналів. В лабораторному практикумі з фізики використовується віртуальний цифровий запам’ятовуючий осцилограф.

Сучасні цифрові осцилографи мають високу чутливість (градація шкали від 1 мВ) та роздільну здатність (від 8 до 14 біт), широкий діапазон часу розгортки (від 2 нс до 50 с), розвинену логіку синхронізації з будь-якими затримками запуску розгортки. Крім звичайних схем запуску синхронізації може відбуватися запуск у разі досягнення сигналом певного значення. Процесори цифрової обробки дають змогу досліджувати спектр сигналу з використанням швидкого перетворення Фур'є. Цифрове подання інформації забезпечує можливість її збереження у пам'яті комп'ютера або виводу безпосередньо на принтер.

 

Хід роботи.

Завдання 1. Ознайомлення з осцилографом та органами його керування:

Осцилограф цифровий навчальний забезпечує спостереження періодичних сигналів у діапазоні частот від 1 до 22000 Гц і амплітудою від 2 мВ до 200 В. Осцилограф має три входи канал А (три чорні клеми 1, 10,100 та червона заг), канал В (аналогічно як і у каналу А) та універсальний вхід (гніздо 3.5mm — TRS «міні джек») на який подається одразу два канали.

Дві круглі ручки на осцилографі служать для калібровки каналів по напрузі.

Вмикається осцилограф до входу мікрофона ПК (гніздо червоного чи рожевого кольору). 

Для роботи осцилографа використовується програмне забезпечення «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань» (рис.1).

Осцилограф у цьому комплексі є лиш одним з його складових. Управління осцилографом є повністю програмним.

Після завантаження програми-емулятора осцилографа відкривається вікно «Осцилограф», яке зображене на рисунку 2. Робота з програмним засобом керується чотирма основними кнопками: «Пуск» - ввімкнення осцилографа для отримання осцилограми (рис.2, 1), «Стоп» - припинення прийму і відображення сигналів режимі реального часу (рис.2, 3), «Миттєва осцилограма» - знімає осцилограму на протязі декількох мілісекунд (рис.2, 2), «Вихід» - вихід з програми «Осцилограф». Вверху вікна міститься головне меню програми (рис.2, 8), яке використовується для керування програмним зособом.

Для правильного відображення сигналу потрібно вибрати частоту дискретизації відповідно до частоти досліджуваного сигналу при виборі режиму роботи по частоті дискретизації (рис.2, 6) автоматично встановлюється частота дискретизації відповідно режиму (можна встановити і шляхом вибору (рис.2, 5)), під режимами є підказка -  які низькочастотні, а які високочастотні режими. 

Для більш статичнішого відображення сигналу служить синхронізація, якщо потрібно стабілізувати відображення сигналу А, то потрібно обрати «Синхронізація по каналу А», аналогічно по каналу В. Якщо подавати сигнал напряму з генератора на осцилограф поза звуковим адаптером (ідеальні сигнали) то бажано обрати синхронізацію по частоті дискретизації. 

 

 

Рис.  1 – Головне вікно програмного забезпечення «Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань

 

 

Рис.  2 – Програма-емулятор осцилографа з відкритою вкладкою «Режими роботи» панелі керування

 

Рис.  3 – Програма-емулятор осцилографа з відкритою вкладкою «Канал

А» панелі керування

 

Для керування динамічним відображення осцилограм в режимі реального часу служать елементи керування, які зображенні на рисунку 3. Якщо осцилограма сигналу виходить за межі по амплітуді то сигнал можна послабити чи підсилити (масштабувати) програмно (рис.3, 1). 

Діапазони по часу служать для масштабування вісі часу.  При виборі діапазону (діапазони відрізняються в 10 раз зменшуючись послідовно вниз (рис.3, 2).  Після вибору діапазону встановлюється інтервал і одиниця вимірювання вісі часу, а також максимальне значення масштабування розгортки даного діапазону по часу. Змінюючи значення круглого елемента керування (рис.3, 3) можна плавно міняти кількість періодів коливань сигналів.

Вихід на колонки, зелене гніздо ПК, використовується як вихід з програми–емулятора «Генератор».  

Роботу програм–емуляторів «Генератор» і «Осцилограф» можна перевірити ввімкнувши кабель  з двома штекерами 3.5mm — TRS «міні джек» в вихід колонки ПК і в осцилограф гніздо універсальне.

 

Застереження. Щоразу осцилограф вмикайте тільки з дозволу викладача.

 

Завдання 2. Спостереження осцилограм звукових коливань:

1.                 До входу "Унів. вхід" осцилографа під'єднайте головний телефон (наушники). Ударте по камертону гумовим молоточком. Піднесіть телефон до резонатора камертона. Ручкою "Частота" доберіть таку частоту розгортки, за якої на екрані було б видно декілька періодів синусоїдних коливань. Щоб осцилограма не зміщувалась у горизонтальному напрямі, натисніть кнопку "Синхр.". Дослід повторіть декілька разів і спостерігайте, як з часом змінюється амплітуда коливань променя.

2.                 Перед телефоном скажіть голосно декілька слів і спостерігайте осцилограму. Поясніть відмінність осцилограм, записаних від камертона, що звучить, і мовлення людини.

 

Завдання 3. Спостереження осцилограми напруги змінного струму:

1.                   Ознайомтесь із будовою шкільного трансформатора і схемою з'єднання його секцій.

2.                   До затискачів з позначенням "4,4 В" вторинної котушки трансформатора під'єднайте резистор на 1000 Ом. Для дослідження напруги на ньому під'єднайте резистор до входу "У" осцилографа (рис.2.2). Трансформатор установіть далі від осцилографа.

 

Рис.2

3.        Після дозволу вчителя увімкніть осцилограф у коло. Первинну обмотку трансформатора з'єднайте з джерелом (U = 36 В). Спостерігайте за вертикальними коливаннями променя. Ручкою "У" змінюйте вертикальне відхилення. Натисніть кнопки "Разв." і "1 Гц - 10 кГц", а ручкою "Частота" доберіть таку частоту розгортки, щоб на екрані утворився один або декілька періодів синусоїди. Натисніть кнопку "Синхр." і ручкою "Частота" забезпечте стабільність осцилограми. Зробіть малюнок утвореної осцилограми, а потім вимкніть осцилограф і трансформатор.

4.        Зробіть малюнок осцилограми в зошиті.

Завдання 4. Спостереження осцилограми напруги при випрямленні змінного струму:

 

Рис.3

1.                   Складіть електричне коло за схемою, яку зображено на рис.3. Для цього вторинну котушку трансформатора під’єднайте до входу панелі однопівперіодним випрямлячем. Вхід випрямляча під’єднайте до входу “У” осцилографа. Спостерігайте осцилограму випрямлення напруги. 

2.                   Зробіть малюнок осцилограми в зошиті.

3.                   Зробіть висновок.

 

 

Контрольні запитання

1.                 Основні складові-блоки осцилографа.

2.                 Призначення керуючих елементів осцилографа.

3.                 Поняття змінного струму, характеристики змінного струму.

4.                 Ємність, індуктивність та акривний опір в колі змінного струму.

Закон Ома для кола змінного струму.

5.                 Робота та потужність в колі змінного струму.

 

 

Інструкція до лабораторного заняття з фізики

Тема: Вимірювання швидкості звуку у повітрі методом інтерференції.

Мета роботи – Визначити швидкість звуку у повітрі методом інтерференції.

Прилади і приладдя: установка для визначення швидкості звуку, ПК.

 

Теоретичні відомості

 

Хвилі з частотами 16 Гц<<20 000 Гц сприймаються органом слуху людини і називаються звуком; з ν<16 Гц – інфразвуком, з ν>20 000 Гц – ультразвуком. Властивості звуку і звукові властивості середовища вивчає акустика.

Процес поширення звукових хвиль у газах відбувається адіабатно, тобто звукові хвилі у газах поширюються, так швидко, що зумовлені локальні зміни об’єму і тиску в газовому середовищі відбуваються без теплообміну з навколишнім середовищем. На основі цього уявлення Лаплас вивів формулу для розрахунку фазової швидкості поширення звуку у газах, яку можна записати у вигляді  RT, де CPCV – показник адіабати (для повітря γ=1,4); μ – молярна маса газу (для повітря μ = 0,029 кг/моль); R – універсальна газова стала (R = 8,31 Дж/(моль·К)).

Інтерференція – це явище накладення когерентних хвиль, в результаті якого коливання в одних точках підсилюють, а в інших точках ослабляють одне одного. При цьому відбувається перерозподіл енергії хвилевого поля і утворюються стійкі в часі максимуми або мінімуми інтенсивності коливань.

 

Рис. 1 – Явище інтерференції для двох когерентних хвиль

 

За певних умов при накладанні двох хвиль амплітуди результуючих коливань різних частинок середовища матимуть неоднакові величини, значення яких з часом не змінюватимуться. В одних місцях хвильового поля коливання підсилюються, в інших – послаблюються. Явище накладання хвиль, при якому амплітуда результуючих коливань різних ділянок середовища з часом не змінюється і в загальному випадку не дорівнює арифметичній сумі амплітуд складових коливань, називають інтерференцією хвиль. Характерною ознакою інтерференції хвиль є існування зон з максимальними і мінімальними амплітудами результуючих коливань. Ці зони чергуються, але не переміщуються.

Для виникнення інтерференційної картини необхідно, щоб хвилі були когерентними, тобто мали незмінну в часі різницю фаз. Джерела когерентних хвиль називають когерентними джерелами. Явище інтерференції властиве хвилям будь-якої природи.

Особливий випадок інтерференції звукових хвиль – інтерференція двох зустрічних хвиль з однаковими частотами і амплітудами. Тоді утворюються так звані стоячі хвилі. На практиці стояча хвиля утворюється при відбиванні хвилі від перешкоди. Падаюча на прешкоду хвиля і біжуча їй на зустріч відбита хвиля, накладаючись одна на одну, дають стоячу хвилю.

 

Рис. 2 – Утворення стоячих хвиль

Точки, в яких амплітуда коливань стоячої хвилі дорівнює нулю, називаються вузлами, а точки, в яких амплітуда максимальна, називаються пучностями (рис. 2).

Відстань l між сусідніми вузлами, так само як і відстань між сусідніми пучностями дорівнює половині довжині хвилі: l , де λ − довжина хвилі. 2

Довжина хвилі пов'язана з частотою ν і швидкістю v розповсюдження

хвилі співвідношенням . На основі двох попередніх співвідношень

формула для розрахунку швидкості звуку в повітрі:   2l. (1)

 

Опис експериментальної установки

 

Лабораторна установка складається з комп’ютера, до звукової карти якого підключені телефон та мікрофон, програмного забезпечення, яке емулює роботу звукового генератора та осцилографа, і труби 1 з рухомим поршнем 2 (рис. 3). З виходу звукової карти сигнал синусоїдальної форми, згенерований програмою-емулятором, подається на телефон, що встановлений впритул до відкритого отвору труби. Інший її отвір закритий поршнем, який може переміщуватися, змінюючи довжину стовпа повітря в трубі. Стояча звукова хвиля утворюється в обмеженому з обох боків стовпі повітря з хвилі, що випромінюється телефоном у трубу, і відбитої від торця поршня, фаза якої змінилася на обернену (оскільки відбиття відбувається від акустично щільнішого середовища), приймається мікрофоном. При певних умовах у трубі виникає резонанс.  

 

 

Рис. 3 – Лабораторна установка для визначення швидкості звуку в повітрі: 1 – труба, 2 – поршень, 3 – вимірювальна лінійка.

 

Для створення звукового сигналу ми використовуємо віртуальний звуковий генератор «генеротор сигналів» з пакету «Електронний цифровий комплекс для дослідження електромагнітних коливань» (рис. 4). На установку подається сигнал лівого каналу. 

 

 

Рис. 4 – Програма-емулятор генератора сигналів

 

Рекомендується встановлювати амплітуду сигналу 2/3 максимального  значення (відповідає рівню сигналу 20000 у.о.), частоту задає викладач, керуючись діапазоном відтворюваних телефоном частот. (від 3000-10000 Гц). 

Результуючий сигнал з мікрофона подається на цифровий осцилограф, на робочій області потрібно добитись чіткої осцилограми гармонічних коливань. В нижній частині осцилографа у третій колонці рядка статусу відображаються підказки призначення елементів керування осцилографа при наведенні курсору миші на відповідний елемент. (Чистота експерименту залежить від тиші у аудиторії).

 

Рис. 5 – Програма-емулятор осцилографа

 

Виконання роботи

1.                      Підключити установку до ПК (до гнізд мікрофона і колонок). 

2.                      Подати звуковий сигнал з програми-емулятора генератора сигналів з параметрами  які описані в описі установки.

3.                      Встановити частоту дискретизації 44100 Гц (встановлено по замовчуванню). Обрати такий діапазон розгортки по часу і відповідне підсилення, щоб на екрані осцилографа була видна чітка осцилограма сигналу.  4. Пересунути поршень максимально близько до кінця труби з мікрофоном і динаміком. Переміщати поршень у зворотному напрямі до тих пір, поки гучність звуку не стане максимальною , а амплітуда коливань досягне максимуму. Записати поділку п1 шкали, напроти якого при цьому розташований покажчик.

5.                      Продовжуючи переміщати трубу, визначити наступний максимум. Записати відповідну n2 поділу шкали і визначити відстань l=n2-n1 між двома послідовними пучностями.

6.                      Повторити  пункт 5, віддаляючи поршень від свого початкового положення і визначити відстані між пучностями і записати їх у таблицю 1. 

7.                      Повторити п. 4,5 збільшуючи кожного разу частоту на 200 Гц. Для різних частот визначити середні значення величин таблиці. 

8.                      За формулою (1) розрахувати швидкість звуку для кожного досліду при даній температурі. Знайти середнє значення швидкості звуку.

9.                      Знайти відносну похибку вимірювань. Результат записати у стандартному вигляді: v=v±Δv.

10.                 Порівняйте визначені значення швидкості звуку з табличним значенням при даній температурі і зробіть висновок про достовірність отриманого результату.

 

Таблиця 1

№ п/п

l, м

λ, м

ν, Гц

υ, м/с

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

серед.

 

 

 

 

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

серед.

 

 

 

 

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

серед.

 

 

 

 

 

vт=__________ vс=__________ Δv=_________ v=v±Δv= ____________.

 

 

Контрольні запитання.

1.     Що називається звуком, ультразвуком, інфразвуком?

2.     Назвіть параметри хвилі і напишіть зв’язок між ними.

3.     Як змінюється швидкість звуку в газі при зміні його температури?

4.     Що називається інтерференцією хвиль?

5.     Які умови повинні виконуватись для виникнення інтерференційної картини?

6.     Виведіть рівняння стоячої хвилі. Поясніть, що таке вузли і пучності стоячої хвилі.

7.     Що називається довжиною стоячої і біжучої хвиль?

8.     З якими хвилями працювали в даній роботі: поздовжніми, поперечними, плоскими, сферичними?

9.     Яке явище використовується для визначення швидкості звуку? Що називається резонансом, акустичним резонансом?

 

 

Інструкція до лабораторного заняття з фізики

Тема: Дослідження додавання коливань в одній площині.

Мета: Визначити період електромагнітних коливань і дикремент затухання.

Обладнання

1.                   Генератори електромагнітних коливань ГЗУ і ГЗ-34.

2.                   Осцилограф.

3.                   Цифровий вольтметр.    

4.                   Магазин опорів.

5.                   З’єднувальні провідники.

6.                   ЕК-1.0. Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань.

7.                   Персональний комп’ютер (ПК).

 

Теоретичні відомості

 

Нехай точка одночасно бере участь у двох гармонічних коливаннях однакового періоду, напрямлених вздовж однієї прямої.  Ці коливання зручно додавати, користуючись методом векторних діаграм.  Нехай коливання визначаються рівняннями:

 x1 A1 cos(t 1) x2 A2 cos(t 2 )

Оскільки коливання відбуваються вздовж однієї прямої, то й результуючі коливання відбуватимуться вздовж цієї самої прямої. 

Відкладемо з точки О опорної лінії під кутом 1 вектор амплітуди А1 і під кутом 2 вектор амплітуди А2. Обидва вектори обертаються проти стрілки годинника з однаковою кутовою швидкістю , тому кут 2 1 між ними весь час залишається незмінним. Відомо, що проекція на будь-яку вісь рівнодійного вектора дорівнює алгебраїчній сумі проекцій на цю саму вісь усіх складових векторів.  Тому  результуючі коливання можна подати вектором амплітуди А, що дорівнює сумі векторів А1, А2:

А=А12

І обертається навколо точки О з тією самою кутовою швидкістю , що й вектори А1 і А2.  Результуючі коливання можна подати у такому виді:

x Acos(t )

 

Квадрат амплітуди результуючих коливань

A2 A 1 A22 2A1A2 cos(2 1),

а початкова фаза визначається із співвідношення 

tg = A1sin1+A2sin2/ A1cos1+A2cos2

A1 sin1 A2 sin2 tg       

A1 cos1 A2 cos2

 

Послідовність виконання роботи

 

Завдання можуть виконуватись як на основі електронних приладів: 2 генератора і осцилограф (див. рис. 2, а). так і за допомогою цифрового приладу ЕК-1.0 і ПК (див. рис. 2, б) за вказівкою викладача.

1. Виконати з'єднання за схемою (див. рис. 2).

Рис. 2

 

Виставити на магазині R - 34 опір 700 Ом (якщо дослідження ведуться за схемою рис. 2, а).

2.                   Ввімкнути генератор ГЗУ (канал А)  і осцилограф. Добитися чіткого  зображення осцилограми і встановити на генераторі частоту 50 Гц.

 

 

 

 

3.                   Ввімкнути генератор Г3 - 34 (канал В)  і встановити частоту 45 Гц. 

Замалювати отриману картину.

 

 

 

 

 

 

 

4.                   Встановити частоту на генераторі ГЗУ (канал А)   500 Гц і замалювати отриману картину.

 

 

 

 

 

 

5.                   Встановити частоту на генераторі Г3 (канал В)   - 34 600 Гц.

Замалювати отриману картину.

 

 

 

 

 

 

 

6.                   Виставити частоту на ГЗУ (канал А)  - 60 Гц, а на Г3 – 34 (канал В)   - 2000 Гц.  Замалювати отриману картину.

 

 

 

 

 

 

Порівняйте отримані осцилограми дослідним шляхом і за допомогою комп’ютерного моделювання. Зробіть висновок.

 

Контрольні запитання

1. Основні складові частини осцилографа.

2. Складання однонапрямлених коливань.

3. Поняття резонансу та биття.

4. Параметри коливального руху.

 

 

 

Інструкція до лабораторного заняття з фізики

Тема: Дослідження складання взаємноперпендикулярних електромагнітних коливань.

Мета роботи: Ознайомитися з принципом дії осцилографа, навчитися користуватися ним і застосовувати його для вивчення електричних коливань.

 

Обладнання

1.                   Генератори електромагнітних коливань ГЗУ і ГЗ-34.

2.                   Осцилограф.

3.                   Цифровий вольтметр.    

4.                   З’єднувальні провідники.

5.                   ЕК-1.0. Електронний комплекс для дослідження електромагнітних коливань.

6.                   Персональний комп’ютер (ПК).

 

 

Теоретичні відомості

Розглянемо кілька окремих випадків складання взаємноперпендикулярних коливань.

Початкові фази коливань однакові. 

Виберемо момент початку відліку часу так, щоб початкові фази обох коливань дорівнювали нулю.  Тоді зміщення вздовж осей ОХ і ОУ можна подати рівняннями:

A1sint y A2 sint

Поділивши почленно ці рівності, знайдемо рівняння траєкторії точки С- точка, яка одночасно бере участь у двох гармонічних коливаннях, що здійснюється з однаковими періодами Т в двох взаємно перпендикулярних напрямах. 

Отже, внаслідок додавання двох взаємно перпендикулярних коливань точка С коливається вздовж прямої, що проходить через початок координат.

Такі коливання – лінійно поляризованими. 

Початкова різниця фаз дорівнює .

Рівняння коливань для цього випадку мають вигляд:

A1sint A1sint y A2 sint Рівняння траєкторії точки С:

A2

y 

A1

Отже, точка С коливається вздовж прямої, що проходить через початок координат, але лежить в інших квадрантах, ніж у першому випадку. Амплітуда

А результуючих коливань в обох розглянутих випадках 

AA12 A22

Різні криві, що їх дістають при додаванні взаємно перпендикулярних коливань, прийнято називати фігурами Ліссажу. Форма цих кривих залежить від співвідношення амплітуд, частот і початкових фаз коливань. Тому в найпростіших випадках частоти двох взаємно перпендикулярних гармонічних коливань можна порівнювати за формою фігур Ліссажу.   

 

Послідовність виконання роботи

рис. 3

 

2. В осцилографі перемикач діапазону розгортки поставити в  положення нуль. На екрані буде світитися точка, яку потрібно помістити в центр екрану.

1.                 Ввімкнути ГЗШ і встановити частоту 500 Гц, а  також  допустиму амплітуду (див. по осцилографу).

2.                 Вимкнути ГЗШ і ввімкнути ГЗ - 34. Встановити частоту 500 Гц, а також допустиму амплітуду (див. по осцилографу).

3.                 Ввімкнути генератор ГЗШ і на  екрані  осцилографа  отримається фігура Ліссажу (коло).

4.                 Змінюючи амплітуди і частоти на генераторах (див. табл. 2) замалювати вигляд фігур Ліссажу із занесенням у таблицю 2.

(перевірити отриманні дані за допомогою компютерної програми

“Складання взаємноперендикулярних коливань”)

5.                 Закрити паперовою вставкою шкалу генератора ГЗУ. Вважаючи генератор Г3 - 34 за еквівалент, за фігурами Ліссажу  проградуювати генератор ГЗУ.

6.                 Визначити точність вашої шкали і ціну її поділки.

Порівняйте отримані осцилограми дослідним шляхом і за допомогою комп’ютерного моделювання. Зробіть висновок.

 

Примітка. 5 поділок на шкалі електронного осцилографа відповідає за замовчуванням амплітуді напруги 0.6 В на шкалі емулятора осцилографа, якщо нема інших вказівок викладача. 

 

Таблиця 2.

A1

A2

A1/A2

F1 Гц

F2 Гц

F1/F2

Вигляд фігури

Ліссажу

5

5

1

50

50

1

 

 

 

10

5

2

50

50

1

 

 

 

5

10

1/2

50

50

1

 

 

 

5

5

1

100

50

2

 

 

 

5

5

1

50

100

1/2

 

 

 

10

5

2

100

50

2

 

 

 

5

10

1/2

100

50

2

 

 

 

5

5

1

150

50

3

 

 

 

5

5

1

200

50

4

 

 

 

5

5

1

2000

500

4

 

 

 

 

   

 

Контрольні запитання.

1.                   Які коливання називаються власними, затухаючими, вимушеними та їх диференціальні  рівняння і розв’язки?

2.                   Як визначається власна частота електромагнітних коливань контуру?

3.                   Чим пояснюється затухання електромагнітних коливань?

4.                   Що таке коефіцієнт затухання і від яких параметрів  він залежить?  

5.                   Призначення основних керуючих елементів осцилографа.

 

Висновок

 

Залучення новітньої техніки і, в першу чергу, комп’ютера до навчального процесу викликає неабиякий інтерес у молодого покоління. А інтересу належить особлива роль у свідомому та активному засвоєнні знань. Завданням викладача фізики і програмування є формування, в тому числі й за допомогою програмно-апаратних засобів, стійкого інтересу до навчальної дисципліни, до навчальної діяльності взагалі.

Отже, використання вищеописаних методів у практиці викладання фізики у технічному коледжі буде сприяти створенню педагогічних умов, які впливають на формування професійних компетентностей, а також професійно значущої спрямованості діяльності студентів.

Розроблені програми-емулятори, є складовою частиною освітньої системи становлення й формування професійних компетентностей випускників коледжу, вони сприяють первісному створенню професійно-ціннісної бази оволодіння професією, поступовому формуванню теоретичної, практичної й мотиваційної готовності й здатності здійснювати професійну діяльність на високому рівні.  

У Вінницькому коледжі НУХТ під час використання лабораторного практикуму і фізичних демонстрацій із використанням ПК надається перевага застосуванню програм-емуляторів, а не програм симуляторів. 

В процесі організації гурткової роботи використовуються дослідні проекти, які потребують знань з фізики та програмування.  Простота описаного методу організації навчального експерименту з фізики, доступність відповідного програмного забезпечення з відкритим програмним кодом, інтенсивна гурткова робота з програмного моделювання фізичних процесів,  дозволяють створювати експериментальні установки на основі ПК. 

 

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

 

1.                 Беспалов П. В. Компьютерная компетентность в контексте личностно ориентированного обучения [Текст] / П. В. Беспалов // Педагогика. – №4. – 2003. – С.41–45.

2.                 Вінник М.О. Формування дослідницьких компетентностей студентів спеціальності «Програмна інженерія» на прикладі викладання курсу «Групова динаміка та комунікації»/ Вінник М.О., Осипова Н.В., Тарасіч Ю.Г., Савенко А.П., // Наукові праці: Наук.-метод. журнал. – Вип. 216. Педагогіка. – Миколаїв:

Вид-во ЧДУ ім. Петра Могили, 2014.

3.                 Галузевий стандарт вищої освіти України. Освітньо-кваліфікаційна характеристика бакалавр. Галузь знань 0403 Системні науки та кібернетика. Напрям підготовки 040302  Інформатика. Міністерство  освіти і науки України.

– К., 2010. – 32 с

4.                 Дима Я. Методичні аспекти використання програм-емуляторів вимірювальних приладів у демонстраційному експерименті на уроках фізики / Я. Дима, О. Саєнко // Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету ім. В. Гнатюка. Сер. Педагогіка / гол. ред. Г.

Терещук. – Тернопіль, 2011. – № 1. – С. 135-140.

5.                 Дима Я. Ю. Проведення лабораторних робіт з фізики із застосуванням інтерактивних методик та комп’ютерної техніки / Я. Ю. Дима, О. П. Руденко, О. В. Саєнко // Збірник наукових праць Уманського державного педагогічного університету імені Павла Тичини. — Умань : ПП Жовтий О. О., 2009. — Ч. 2. — С. 99–106.

6.                 Лаврова А.В. Підхід до організації і проведення шкільного навчального фізичного експерименту / Лаврова А.В, Заболотний В.Ф.// Інформаційні технології і засоби навчання, 6 (50). (2015). 57-70с

7.                 Леонтян М. А. Поняття "компетенція" і "компетентність" у теорії освіти / М. А. Леонтян // Наукові праці Чорноморського державного університету імені Петра Могили комплексу "Києво-Могилянська академія"]. Сер.:Педагогіка. - 2012. - Т. 188, Вип. 176.-С.73-75.–Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ Npchduped_2012_188_176_18.

8.                 Осипова Н.  Модель формування дослідницької компетентності у майбутніх інженерів-програмістів [Текст] / Н. Осипова, М. Вінник,

Ю. Тарасіч // Інформаційні технології в освіті. – 2014. – Вип. 20. – С. 150-159.   

9.                 Петрович С. Д. Формування професійної компетентності у майбутніх фахівців з обчислювальної техніки в процесі вивчення спеціальних дисциплін в технічних коледжах: Дис. канд. пед. наук: 13.00.04/С.Д. Петрович; Вінниц. держ. пед. ун-т ім. М. Коцюбинського. – Вінниця, 2011. – 255 с.

10.             Радельчук Г. І. Формування професійних компетенцій сучасного інженера-програміста // Збірник наукових праць факультету прикладної математики та комп'ютерних технологій Хмельницького національного університету.– Хмельницький:ХНУ.– № 1 (2).– 2009. – С. 142–147.

11.             Щедролосьєв Д.Є. Компетентнісний підхід до підготовки інженерів-програмістів//Д.Є. Щедролосьєв, 2011, Інформаційні технології і засоби навчання. 2011. №4 (24). Режим доступу до журналу: http://www.journal.iitta.gov.ua.

12.             Тичук Р.Б. Використання програм-емуляторів у навчанні фізики майбутніх техніків програмістів / Тичук Р.Б., Петрович С.Д.//  Інформаційні технології та засоби навчання, 2016 р. № 6 (56). Режим доступу http:// http://journal.iitta.gov.ua/index.php/itlt/article/view/1505.

13.             Тичук Р.Б. Формування професійних компетентностей технікапрограміста на основі міжпредметних зв'язків та інформаційно-комунікаційних технологій / Тичук Р.Б. // І Регіональна конференція «Сучасні педагогічні технології та інноваційні методики навчання у підготовці фахівців у ВНЗ І-ІІ р.а.: досвід, проблеми, перспективи». Вінниця: ВТК. -  2014.   

 

 

ЗМІСТ

         Передмова…………………………………………………………...……   3

1.  Загальні відомості………….……………………………….………..  5

2.  Інструкція до експлуатації ЕК-1.0 ………………….……………..     8

2.1.  Можливості використання електронного комплексу……………  8

2.2.  Технічний опис апаратної частини електронного комплексу…      9

2.3.  Технічний опис програмної частини електронного комплексу…  13

2.3.1                  Опис головного вікна програми…………………………………       13

2.3.2                  Опис і засоби управління вікнами емулятора осцилографа    17

2.3.3                  Опис і засоби  управління вікном емулятора генератора        24

2.3.4                  Опис     і         засоби управління        вікном        емулятора  

          спектроаналізатора……………………………………………………      26

3.  Методичні аспекти формування професійних компетентностей        

               техніків-програмістів на основі програмного коду електронного          

          комплексу……………………………………………………………….    29

4.  Методичні аспекти використання електронного комплексу при        

          вивченні фізики………………………………………………..………...   44

            Додаток    A.    Використання    «Електронного    комплексу    для        

            дослідження    електромагнітних    коливань»    в    лабораторному       

          практикумі з фізики…………………………………………………….    47

          Висновок ………………………………………………………………… 70

          Список використаної літератури……………………….………………   71

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

щодо використання «Електронного комплексу для дослідження електромагнітних коливань» в навчальному процесі для студентів спеціальності 

5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж” 

Тичук Р.Б.

 

Вінницький  коледж НУХТ

 

 

 

pdf
Пов’язані теми
Фізика, 11 клас, Інші матеріали
Додано
23 грудня 2018
Переглядів
400
Оцінка розробки
Відгуки відсутні
Безкоштовний сертифікат
про публікацію авторської розробки
Щоб отримати, додайте розробку

Додати розробку