Интернет страница учителя физики и астрономии Пигалицына Льва Васильевича
Школьная компьютерная физическая лаборатория
Эта серия занятий для учителей физики, которые хотят использовать компьютер на уроках и во внеклассной работе и для старших школьников, которые уже «наигрались» и хотят использовать компьютер для управления внешними устройствами и для проведения различных собственных экспериментов.
Занятие 1. Введение.
Занятие 2. Ввод информации в LPT порт ПК .
Занятие 3. Вывод информации из LPT порта ПК.
Занятие 4. Измерение промежутков времени с помощью ПК. Программа "Секундомер".
Занятие 5. Измерение периода и частоты колебаний с помощью ПК. Программа "Частотометр". Прибор "Частотометр".
Занятие 6. Датчики. Измерение R, C, L .
Занятие 7. Измерение напряжения. Гуны. Преобразователи напряжения - частота.
Занятия 8 - 12. Измерение физических величин :
Введение.
В настоящее время компьютерная техника развивается настолько быстро, что буквально через полгода новый компьютер становится «старым» и требует обновления.
А сколько пылится работающих старых компьютеров IBM PC 286, 386, 486, на говоря уже о Pentium 1,2,3.
Для школьного компьютерного физического эксперимента – это настоящий «Клондайк». Надо только собрать несколько несложных радиоэлектронных устройств, подключить их к компьютеру, загрузить в ПК небольшую программу, написанную на Бейсике или на Паскале. И все ! Можно проводить эксперименты.
В компьютерном слэнге есть такое слово «чайник». Это человек, который ничего или почти ничего не знает о какой-то проблеме. Специально для них в книжных магазинах и в Интернете имеется очень много книг и статей самым разным направлениям в области программирования, техники и т.д.
Так вот, эту серию статей я и хочу посвятить таким «физическим чайникам», т.е. людям, которым надо все объяснять с самого начала. Единственно, что они должны уметь – это пользоваться паяльником, знать азы одного из языков программирования : Бейсика или Паскаля и желание заняться физическим компьютерным экспериментом.
Немаловажной проблемой может явиться отсутствие радиодеталей. В связи с этим я старался в своих конструкциях использовать общедоступные детали, например, транзисторы МП35 – МП42, цифровые микросхемы серии 155 и т.д.
Транзисторы, резисторы, конденсаторы можно найти в старых радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах, а микросхемы в различных цифровых устройствах – электронных игрушках, на платах неработающих компьютерах и т.д. В крайнем случае - один рейд школьников по городским «мусоркам», и деталей может хватить не на один год исследовательской работы. Очень большой ассортимент различных деталей имеется на радио-рынках и в Интернет-магазинах.
Итак, Вы уже решили повторить мой путь в компьютерном физическом эксперименте. Замечательно ! С чего же мы начнем ?
А начнем мы с компьютера. Посмотрите на заднюю стенку компьютера. Вы увидите там большое количество разъемов. Не пугайтесь. Сейчас разберемся. Некоторые разъемы уже заняты. Самый верхний разъем это разъем, в который включен провод питания, идущий в розетку с напряжением 220 В. Ниже расположены разъемы, к которым подключены клавиатура, мышь, звуковые колонки и монитор. Возможно, к компьютеру подключен и принтер. Если в компьютере есть встроенный модем для соединения с Интернетом, то у него тоже есть два разъема. К одному из них подключается телефонная линия, а к другому – телефонный аппарат.
Каждый разъем, кроме разъема питания, подключается к так называемому порту компьютера.
Что это такое ? Берем «Словарь по программированию». В нем слово port означает – «точка подключения внешнего устройства к внутренней шине микропроцессора». Слово «точка», как мне кажется, не соответствует действительности, так как от внешнего устройства к порту может идти от 2-х до нескольких десятков проводов. Лучше для этой цели подойдет слово «место». Так вот, порты - это те места в компьютере, куда подключаются внешние устройства : клавиатура, мышь, принтер другие устройства.
В компьютере имеется несколько портов. Мы будем использовать в своих экспериментах следующие порты :
Разъем LPT порта имеет 25 контактов, СОМ порта – 9 контактов ( с старых компьютерах может быть 25 ), GAME порта – 15 контактов.
На заключительном этапе, возможно, мы освоим USB и инфракрасный порты.
Порты компьютера могут работать как на ввод информации в компьютер, так и на вывод информации из компьютера. Как это можно использовать для наших целей ?
Здесь, на мой взгляд, есть две возможности :
1. Подать на какой-либо порт компьютера логический нуль или логическую единицу или принять с выхода этого или другого порта логический нуль или логическую единицу. Понятно ? Для тех кому непонятно, объясняю. Все компьютеры работают с сигналами в двоичной системе счисления : есть напряжение – это логическая единица, нет напряжения – логический нуль.
А какое напряжение можно принять
за логическую единицу? Вообще-то
любое, но в компьютерах выходной
уровень логической единицы – не менее 2,4 В (типовое
значение 3,2…3,5 В, максимально 5 В ),
а логического нуля 0… 0,4 В
( типовое значение 0,1..0,2 В).
Какое отношение это может иметь к физическому эксперименту ? Прямое.
Во многих опытах по механике нам приходится измерять промежутки времени.
Например, время падения тела, движения тела по наклонной плоскости, движения тел в машине Атвуда и т.д. Измерить это время с точностью до 0,01 с может внутренний таймер компьютера, а включать и выключать этот таймер можно автоматически с помощью контактов ( кнопок ), установленном на физическом приборе. При использовании программ перепрограммирования таймера или при применении подключаемого к ПК программируемого таймера точность можно увеличить до 10-6 с.
По измеренному времени ПК с помощью несложной специальной программы вычислит скорость, ускорение и другие физические величины, исследуемые в данном эксперименте.
Эту возможность я называю работой с кнопочками. И вам советую начать работать с кнопочками.
2. Для непосредственного измерения практически любых физических величин с помощью ПК.
С этой целью их необходимо преобразовать ее в серию последовательных или параллельных сигналов. Вначале мы остановимся на преобразовании физических величин в серию последовательных импульсов, так как технически это сделать проще. Основой для измерения различных физических величин является базовая программа для измерения частоты следования прямоугольных импульсов. Теперь остается преобразовать различные физические величины в серию последовательных импульсов, послать их в порт ПК, который измерит частоту этих импульсов и выведет на экран ПК числовое значение измеряемой величины.
Преобразование физических величин в частоту осуществляется с помощью специальных аналого-цифровых преобразователей ( АЦП ). АЦП выпускаются промышленностью, но школам они практически недоступны ( их стоимость - от 100$ и выше ), поэтому несложные АЦП мы будем делать сами.
Точность работы самодельных АЦП
будет вполне достаточна для
демонстрационного, лабораторного и учебно-исследовательского
эксперимента учащихся.
