Реферат на тему:
Оперативное использование компьютерных технологий при проведении
лекционного физического эксперимента
Существующая тенденция широкого применения математических методов в
современных физических исследованиях приводит к тому, что в большей
степени стал применяться математический аппарат и при изложении курса
общей физики. При этом, с целью недопущения нечеткого представления
студентами причинно-следственной связи рассматриваемых в лекциях
физических закономерностей, возникает необходимость и в разработке, а
также внедрении в учебный процесс лекционного эксперимента,
способствующего развитию абстрактного мышления студентов (1-5) . С этой
же целью предлагается использование компьютерных технологий в постановке
и проведении лекционных физических экспериментов, что осуществляется при
помощи устройства, в основу действия которого положен принцип генерации
сигналов при помощи цифро-аналоговых преобразователей, на входы которых
подаются заранее записанные цифровые коды.
Блок-схема устройства: 1-кварцевый генератор; 2- Двоичный счетчик;
3,4,7- Постоянное запоминающее устройство 5,6,8 Цифро-аналоговый
преобразователь
Устройство, блок-схема которого изображена на рис.1, состоит из
цифрового генератора, двоичного счетчика и трех каналов формирования
сигналов, каждый из которых состоит из постоянного запоминающего
устройства (микросхемы ROM), хранящего коды сигнала, и
цифроаналогового преобразователя (ЦАП).
Двоичный счетчик подсоединен к адресной шине ПЗУ и осуществляет перебор
его адресов. Данные каждого ПЗУ поступают непосредственно на цифровые
входы соответствующего цифроаналогового преобразователя. При изменении
состояния двоичного счетчика, изменяется адрес, поступающий на вход ПЗУ,
и тем самым изменяется номер ячейки данных, информация из которой
поступает на вход ЦАП, и тем самым изменяется выходной аналоговый
сигнал, формируемый ЦАП.
Устройство является трехканальным и генерирует одновременно три
сигнала. Период всех сигналов равен времени перебора всех адресов ПЗУ и
зависит от частоты задающего генератора. Форма каждого сигнала
определяется записанной в ПЗУ информацией. Для формирования сигналов
достаточно перебрать 256 значений за период, что соответствует объему
информации 256 байт. Для формирования сигнала
достаточно иметь 8-ми разрядную точность сигнала, что соответствует
256 градациям уровня сигнала. (При размахе сигнала 10 В дискретность
амплитуды составляет 40 мВ).
В устройство емкостью 64 килобайт можно записать 256 различных
сигналов, что вполне достаточно для проведения семестрового курса
экспериментов. Для перенастройки устройства достаточно вынуть из колодок
микросхемы ПЗУ и заменить их на содержащие другие сигналы.
Для программирования ПЗУ применяется персональный компьютер с
подсоединенным к нему программатором микросхем. Данные для сигналов
генерируются программно и затем заносятся в микросхемы.
В качестве задающего генератора используется кварцевый генератор,
собранный на логических вентилях. Восьмиразрядный двоичный счетчик
реализован на микросхеме 555ИЕ19. В качестве ПЗУ используются три
микросхемы 27256, имеющие емкость по 64 кбайт каждая, что обеспечивает
формирование 256 различных сигналов. В качестве ЦАП используются три
микросхемы 572ПА1 с операционными усилителями 140УД25 на выходе.
Выбор сигналов осуществляется внешним 5-разрядным кодом, поступающим от
внешнего переключателя, что позволяет, изменяя код, выбирать 256
различных наборов сигналов.
Использование для формирования компьютера позволяет получать сигналы,
изменяющиеся по любому заданному математическому закону.
Непосредственное использование компьютера для генерации сигналов
представляется нецелесообразным т.к. требует наличия компьютера,
снабженного специализированными платами ввода- вывода аналоговой,
информации непосредственно в лекционной аудитории.
Рассмотрим в качестве примеров два лекционных эксперимента.
Сформированная в устройстве (см. рис. 3а) диаграмма зависимости падения
напряжения UR1 от времени в резисторе R1 создает в соленоиде L1 такую
же зависимость магнитного потока Ф от времени , так как и магнитный
поток и падение напряжения пропорциональны силе тока. (см. рис. 3.б)
ЭДС индукции Ei созданная в соленоиде L2 имеет временную диаграмму
Ei(t), изображенную на рис. 3в, по которой можно судить , что Ei
является первой производной магнитного потока Ф по времени, а из
смещения меток следует , что при dФ >0, dФ/dt 0, то есть демонстрируется закон, что ЭДС электромагнитной индукции
Ei=
=-dФ/dt
gd?#?
???????????Незамкнутая фигура Лиссажу, формируемая устройством при
соотношении частот 1:1.3. Сигнал выводится на осциллограф ,
разверты-вающий луч по двум координатам.Устройство управляет лучём по
трем координатам X,Y,Z(яркость луча).
Существенным преимуществом предлагаемого устройства является как
сравнительная простота получения сигналов специальной формы различного
рода модельных процессов, так и их хранение с целью оперативного
использования при проведении лекционного физического эксперимента.
Литература
Караханова Х.М., Ковязин Л.М., Трофимов В.А. Демонстрация закона
электромагнитной индукции.// Успехи физических наук -1990- т.160.
-с 145-148.
Перкальскис Б.Ш. Использование современных научных средств в
физических демонстрациях . Изд-во “Наука “, М 1966.
Серденко В.В. , Трофимов В.А. , Флора В.Ф. Учебный прибор по физике для
демонстрации волновых процессов. Авт.свид. SU
№ 1485290A1 кл. G09 23/06, 07.06.89. Бюл. №21.
4. Трофимов В.А. , Рублев Ю.В. Демонстрация закона Малюса // Успехи
физических наук -1968- т.94. -с.743-744.
5. Franson M. Experiences de Physiquе (Experiences de Demonstration)
Paris 1958
1
2
3
4
5
6
7
8
сигнал 1
сигнал 2
сигнал 3
Рис 1
A15 RAM D7
A14 256 K D6
A13 D5
A12 D4
A11 D3
A10 D2
A9 D1
A8 D0
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
CS
OE
D9 DAC
D8
D7
D6
D5
D4 out
D3
D2
D1
D0
+
R CT2 Q1
Q1
Q2
Q3
+
+
R CT2 Q1
Q1
Q2
Q3
D9 DAC
D8
D7
D6
D5 out
D4
D3
D2 –
D1
D0 +
+
D9 DAC
D8
D7
D6
D5 out
D4
D3
D2
D1
D0
+
&
&
A15 RAM D7
A14 256 K D6
A13 D5
A12 D4
A11 D3
A10 D2
A9 D1
A8 D0
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
CS
OE
A15 RAM D7
A14 256 K D6
A13 D5
A12 D4
A11 D3
A10 D2
A9 D1
A8 D0
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
CS
OE
Канал 2
Канал 2
140УД25
572ПА1
27256
555 ЕИ19
Канал 1
Рис 2. Конкретный вариант реализации данного устройства.
Рис. 4 Демонстрация возникновения и направления обхода фигуры Лиссажу.
б)
вход выход
R2
L1
R1
L2
в)
Ei
t
0
а)
UR1
t
0
Рис.3 Схема демонстрации закона электромагнитной индукции.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter