Zastosowanie rejestratorów danych w nauczaniu fizyki i nie tylko

Poniższy artykuł został opublikowany w Wydawnictwie Jubileuszowym „CDN 30 lat później” wydanym z okazji 30-lecia Centrum Doskonalenia Nauczycieli w Lesznie.

Sądzę, że nikogo nie trzeba przekonywać, że podstawowym narzędziem dydaktycznym w nauczaniu fizyki jest eksperyment zarówno ten przeprowadzany samodzielnie przez ucznia, jak i będący ilustracją do omawianych na lekcji zjawisk czy pojęć. W wielu jednak przypadkach rezygnujemy z przeprowadzania doświadczeń ze względu na czasochłonność ich realizacji. Często zebranie danych i odpowiednie ich przetworzenie w celu wizualizacji w formie wykresów wymagałoby poświęcenia całej, a w niektórych przypadkach, gdy pomiary są trudne i jest ich dużo, nawet kilku lekcji. Tworząc plan realizacji podstawy programowej, niestety nie możemy sobie na to pozwolić. Innym czynnikiem, który wręcz uniemożliwia zebranie danych, jest sama istota zjawiska, którego szybkość przebiegu nie pozwala na „ręczne” zebranie danych, bo np. niepewności takich pomiarów je dyskwalifikują (badanie szybkości granicznej spadania ciała w obecności oporu powietrza) lub szybkość zmian jest poza naszymi możliwościami percepcji (badanie okresu zmienności prądu przemiennego).

Rozwiązaniem takich problemów jest zastosowanie nowoczesnych technik pomiarowych, czyli wykorzystanie tzw. dataloggerów (rejestratorów danych).

Wachlarz urządzeń proponowanych przez producentów jest szeroki. Od urządzeń z możliwością rejestracji jednej lub kilku wielkości fizycznych np. termometrów czy multimetrów z funkcją podłączenia do komputera (np. UT181A True RMS Datalogging Multimeter) do uniwersalnych interfejsów stanowiących niejako pomost pomiędzy podłączanymi do nich sondami pomiarowymi a oprogramowaniem zbierającym i przetwarzającym dane uruchamianym na laptopie czy komputerze stacjonarnym (np. Vernier LabQuest, CMA CoachLab czy SensorDisc firmy Philip Harris). Biorąc pod uwagę względy czysto ekonomiczne, do szkolnych zastosowań bardziej sensowną wydaje się druga opcja.

Rejestratory danych pozwalają na jednoczesne dokonywanie pomiarów kilku wielkości fizycznych z wybraną przez nas częstotliwością próbkowania. Dane przechowywane są w pamięci urządzenia lub przejmowane przez oprogramowanie zainstalowane na komputerze. Zbierane informacje mogą być po prostu wyświetlane na ekranie, mogą być prezentowane w formie kreślonego w czasie rzeczywistym wykresu lub w formie tabeli danych, którą dodatkowo można wyeksportować do pliku, a następnie przetwarzać za pomocą np. arkusza kalkulacyjnego.

Oferta sond pomiarowych, które mogą zostać podłączone do takiego interfejsu, jest imponująca. W zakresie typowo fizycznych eksperymentów mamy sondy dokonujące pomiary „typowych” wielkości takich jak temperatura, napięcie czy natężenie prądu elektrycznego. Można również zbierać bardziej „egzotyczne” dane – ładunek elektryczny, indukcję magnetyczną, natężenie światła czy (bezpośrednio) przyspieszenie występujące np. w czasie zderzenia dwóch wózków na torze z poduszką powietrzną. Zakres dostępnych sond obejmuje również pomiary wykonywane na lekcjach chemii czy biologii, np. pH, stężenie tlenu czy dwutlenku węgla. W ofercie można znaleźć nawet sondę do przeprowadzania badania EKG. Dostępne są rejestratory wymagające do pracy podłączonego do nich komputera (CoachLab), są również urządzenia przenośne z własnym (dotykowym) wyświetlaczem, co pozwala na zastosowanie ich w zajęciach terenowych z każdego przedmiotu przyrodniczego.

W swojej pracy dydaktycznej od kilkunastu lat stosuję datalogger CoachLab II. W mojej opinii jest to nieoceniona pomoc nie tylko w konstruowaniu ciekawych dla ucznia lekcji, ale wyposażenie, które umożliwia wykonywanie przez uczniów w pełni profesjonalnych pomiarów i przetwarzanie zebranych w ten sposób danych czy to za pomocą arkusza kalkulacyjnego, czy po prostu w zeszycie. Nie do przecenienia jest też fakt, że uczniowie już na poziomie szkoły średniej uczą się zastosowania nowoczesnych technik pomiarowych, a tego rodzaju umiejętności z całą pewnością ułatwią im start w kolejnym etapie edukacyjnym.

W dalszej części tego artykułu chciałbym pokrótce zaprezentować kilka przykładów doświadczeń i pokazów, które realizuję na swoich lekcjach. Celowo wybrałem te, które bez opomiarowania elektronicznego byłby trudne, czasochłonne lub wręcz niemożliwe do przeprowadzenia.

Doświadczeniem z zakresu dynamiki jest demonstracja braku zależności przyspieszenia wózka poruszającego się wzdłuż równi pochyłej od jego masy. W doświadczeniu wykorzystuję tor z poduszką powietrzną wraz z wózkiem, którego masę można zmieniać poprzez dociążanie go dodatkowymi odważnikami, datalogger CoachLab II podłączony do laptopa oraz ultradźwiękowy czujnik ruchu zamocowany na statywie (grafika).

Aby, nie stosując rejestratora, wykazać, że przyspieszenie nie jest zależne od masy wózka, czyli wykres zależności x(t) dla każdej masy wózka jest identyczny, konieczne byłoby zebranie dla każdej masy danych z kilku serii pomiarowych, przetworzenie ich i utworzenie wykresów. Jest to jak najbardziej możliwe, ale bardzo czasochłonne i z pewnością problem ten zostawimy w sferze rozważań teoretycznych.

Wykorzystując opisany wcześniej zestaw pomiarowy, natychmiast uzyskujemy na ekranie komputera/rzutnika wykres, a jeśli zmienimy masę wózka, to możemy wyświetlić kolejny wykres, który będzie pokrywał się z poprzednim. Cały pokaz trwa około 1-2 minuty! Dodatkowo można równie szybko sprawdzić, czy zmiana kąta nachylenia równi zmieni wynik tego badania. Grafika obok ilustruje przykładowy rezultat takiego ćwiczenia.

Drugim eksperymentem jest badanie szybkości granicznej spadania ciała w powietrzu. Spadek nawet bardzo lekkiego obiektu trwa na tyle krótko, że mimo zastosowania np. analizy wideo uzyskane wyniki pomiarów nie będą zadowalające. Wykorzystując ponownie ultradźwiękowy czujnik ruchu zamocowany na bardzo wysokim statywie i podłączony do komputera poprzez datalogger, otrzymujemy wykres, za pomocą którego możemy z uczniami przedyskutować fazę rozpędzania się spadającego obiektu, a następnie  etap poruszania się ze stałą szybkością. W eksperymencie przeprowadzanym w ramach lekcji, jako spadający obiekt stosuję papierową foremkę do wypieku muffinek. Sprawdza się znakomicie.

Kolejnym eksperymentem jest badanie zależności napięcia lub natężenia prądu przemiennego od czasu. Można go oczywiście przeprowadzić, stosując oscyloskop lub specjalizowany multimetr wyposażony w funkcję przekazywania danych do komputera. Urządzenia takie są jednak drogie i najczęściej nie należą do wyposażenia typowej pracowni fizycznej. Stosując datalogger z sondą pomiaru napięcia lub natężenia błyskawicznie uzyskujemy wykresy, które, w czasie rzeczywistym, wyświetlamy np. na ekranie rzutnika. Poza obserwacją sinusoidalnego kształtu wykresów możemy z uczniami ustalić okres zmienności badanego prądu i obliczyć jego częstotliwość. Zastosowanie tych samych sond pozwala na analizę działania prostowników prądu przemiennego.

Innym pomysłem doświadczenia, które realizuję w swojej pracy z uczniami, jest badanie częstotliwości i okresu fali akustycznej. Użycie kamertonu (choć jako źródło dźwięku można z powodzeniem użyć np. fletu prostego, czy wręcz gwizdać), rejestratora danych i sondy do pomiaru ciśnienia pozwala na  błyskawiczne wygenerowanie wykresu zależności p(t) (grafika). Oprócz możliwości określania wartości wymienionych wielkości fizycznych badanie takie pozwala na przedyskutowanie z uczniami natury zjawiska fali akustycznej, jako okresowej zmiany ciśnienia powietrza i związku amplitudy tej zmiany z głośnością dźwięku.

Ciekawą modyfikacją tego eksperymentu jest użycie dwóch kamertonów. Jeden z kamertonów rozstrajamy przy użyciu kawałka plasteliny i rejestrujemy zmiany amplitudy fali będącej efektem interferencji różniących się tonów, czyli badamy zjawisko dudnień. Przykładowy rezultat przedstawiony jest na zamieszczonej obok grafice.

Ostatnim eksperymentem, który chciałbym zaproponować, jest badanie krzywej ładowania lub rozładowywania kondensatora. Eksperyment taki można oczywiście z powodzeniem wykonać bez użycia dataloggera, ale „ręczne” zbieranie danych i tworzenie wykresu jest czasochłonne i, jeśli ma to być tylko ilustracja do prowadzonego w toku lekcji wykładu, to ta czasochłonność pomysł ten dyskwalifikuje. Zastosowanie kilku podzespołów elektronicznych i rejestratora danych z sondą napięcia pozwala na uzyskanie wykresu zależności U(t) dosłownie w kilka sekund. Dodatkowo możemy eksperymentować z połączeniami kondensatorów i badać ich wpływ na czas ładowania czy rozładowywania tak utworzonej baterii, z uzyskanych danych wyznaczać stałą czasową obwodu RC, badać związek stałej czasowej z czasem ładowania czy rozładowywania kondensatora.  Prezentowana grafika przedstawia przykładowy wykres z takiego eksperymentu.

Jeśli weźmiemy pod uwagę bardzo szeroką ofertę sond pomiarowych, to przedstawione w artykule propozycje eksperymentów są oczywiście tylko skromną próbką możliwości, jakie daje zastosowanie rejestratorów danych. Mam jednak nadzieję, że przekazane informacje są na tyle interesujące, że zachęcą Państwa do zastosowania dataloggerów w swojej pracy dydaktycznej, co z całą pewnością pozytywnie wpłynie na jakość i atrakcyjność prowadzonych zajęć.