Úvod a přílohy

Koncepce počítačem podporovaných laboratorních prací

Laboratorní práce k učebnici „Elektřina a magnetismus“ byly ověřeny ve dvouhodinovém cvičení ve fyzice 3. ročníku gymnázia Dašická v Pardubicích. Závěrečné úlohy již poněkud přesahují rámec běžného učiva a byly proto měřeny ve fyzikálním semináři. V pracovně fyziky měří vždy polovina třídy v pěti až osmi skupinách, dle uvážení vyučujícího. Tato koncepce laboratorních prací byla zahájena ve školním roce 1999/2000 v šesti paralelních třídách (12 skupin), v roce 2000/2001 probíhá druhý rok měření.

Úlohám měřeným na počítačích předcházejí laboratorní práce (především v nižších ročnících víceletého gymnázia), ve kterých se měří pomocí běžných voltmetrů, ampérmetrů, ohmmetrů.

V nově vybavené pracovně fyziky je jedenáct studentských pracovišť a jedno pracoviště učitele. Počítače jsou vybaveny procesorem CELERON 360 MHz, 16 MB RAM, síťovou kartou a vzájemným síťovým propojením. Napájení počítačů a síťových zásuvek na každém stole ovládá učitel z rozvaděče za katedrou. Ochrana proti „nežádoucím“ zásahům studentů do software počítačů je uskutečněna systémem SODAT. Disketové mechaniky jsou např. aktivní pouze při odblokování heslem, které zadá učitel. Počítače jsou vybaveny měřícími systémy ISES (ISES základní souprava). Měřícím programem je ISES-WIN. Pro měření uvedených laboratorních prací je třeba pracoviště vybavit moduly voltmetr, ampérmetr, ohmmetr, capacity-meter a teploměr.

Každé laboratorní práci je vyhrazena samostatná část v prosklené uzamykatelné skříni. Pro každou pracovní skupinu jsou zde pomůcky a písemný návod odpovídající této příručce. Studenti pochopitelně nemají k dispozici výsledky úloh. Vypracovaný protokol (ručně nebo počítačově zpracovaný) odevzdává každý student do týdne od data měření úlohy. V učebně je k dispozici i tiskárna a na počítačích je nainstalován Word a Excel. V samotném dvouhodinovém cvičení však nezbývá čas na úplné zpracování protokolu a jeho vytisknutí.

Měření laboratorních prací pomocí počítačem podporovaných prostředků jako jsou měřící systémy, vyhodnocovací programy, ale i standardní „office“ programy přinášejí do laboratorních úloh efektivitu, objektivitu, přesnost, pečlivost aj. Student na počítači nejenom měří a zpracovává experiment, ale často i vypracovává protokol.

Systém ISES studenti před započetím laboratorních prací znají pouze částečně z některých demonstračních pokusů prováděných učitelem nebo jej sami ovládají při jednoduchých frontálních úlohách. V počátečních úlohách je proto využíváno jen málo možností ISESu, postupně jsou však úlohy náročnější. V závěrečných úlohách se využívá i nástrojů integrál, aproximace exponenciální funkcí, rozmítač, zobrazení veličiny vypočtené přímo při měření z aktuální hodnoty jiné veličiny. Praxe ověřila, že při tomto přístupu zvládnou úlohy všichni studenti.

Ve dvou úlohách (Řazení kondenzátorů, Řazení rezistorů) si každá skupina nastavuje konfiguraci měření. Ve zbývajících úlohách se využívá spojení počítačů do sítě. Na učitelském počítači je vytvořen adresář G:\\katedra\software\ises, ve kterém jsou uloženy konfigurační soubory s příponou .imc. Tento adresář je díky nastavení ochranného systému SODAT studentům přístupný a mohou z něho patřičný soubor načíst z okna „Parametry experimentu“. Tím se jim automaticky nastaví takové parametry experimentu jako doba měření, vzorkovací frekvence, typ startu, okna pro zobrazení, rozsahy os apod. Tento přístup poněkud snižuje studentovo porozumění měřícímu systému ISES, zato umožňuje více se soustředit na fyziku a stihnout více obměn experimentu. Použité konfigurační soubory a ukázky naměřených experimentů jsou na disketě přiložené k této příručce, případně je lze stáhnout z internetu (http://kdt-12.karlov.mff.cuni.cz).

Při dodržení předepsaného postupu naměří libovolná skupina s náhodně vybranými pomůckami na libovolném počítači výsledky, které se velmi blíží těm, které má uvedeny učitel. Studenti navíc postupují samostatně podle návodů a učitel je jen koordinátorem.

Tvorba pomůcek

Pro zdárné naměření laboratorních prací je nezbytně nutné mít spolehlivé spojovací vodiče s banánky! Pokud nejsou připájené, je to velký zdroj nepříjemností.

Souprava ISES obsahuje ovládací panel, do kterého se zasouvá řada modulů k měření fyzikálních veličin. Pomůcky k měření laboratorních prací je však třeba získat z jiných sad pomůcek nebo je vyrobit. Dále je uveden přehled pomůcek k jednotlivým úlohám, jenž umožní jejich opatření nebo výrobu.

1. Řazení kondenzátorů

Sada kondenzátorů: na desce jsou umístěny svitkové kondenzátory 1 nF, 2 nF, 2 nF, 5 nF. Zdířky pro zasunutí banánků jsou zdvojeny.

2. Odpor kovového vodiče

Odporový drát na dřevěném pravítku: v prodejně elektrosoučástek lze zakoupit kanthalový odporový drát tvaru tenkého pásku o průřezu 0,7 mm x 0,1 mm, délce 1 m a odporu 21 Ω (výrobcem je ELCHEMCO, s.r.o.). Je umístěn na dřevěném pravítku, jeho konce jsou připájeny ke zdířkám. Proti přetržení je částečně chráněn tím, že prochází čtyřmi nevodivými špalíčky rozmístěnými pravidelně po celé délce.

Laboratorní elektronický stabilizovaný zdroj PS – 302 A: napájení ze sítě 230V/50Hz, výstupní napětí 0 V – 30 V, proud 0 A – 2 A, ochrana proti zkratu, vestavěný analogový voltmetr měří přibližně výstupní napětí, při přepnutí na ampérmetr se měří odebíraný proud.

Rezistor 100 Ω: pochází ze soupravy pomůcek „Souprava žákovských destiček SET II.“, je dimenzován na příkon 25 W.

3. Řazení rezistorů

Sada rezistorů 1 Ω - 50 Ω : obsahuje rezistory 1 Ω, 2 Ω, 2 Ω, 5 Ω, 10 Ω, 20 Ω, 20 Ω, 50 Ω, 100 Ω, 200 Ω, 200 Ω, 500 Ω dimenzované na 10 W a rezistory 1 kΩ, 2 kΩ, 2 kΩ, 5 kΩ, 10 kΩ, 20 kΩ, 20 kΩ, 50 kΩ dimenzované na 1 W. Zdířky pro zasunutí banánků jsou zdvojeny.

4. Elektrický zdroj napětí

Držák monočlánku na desce, žárovka 12 V na desce: „Souprava žákovských destiček SET II.“.

Fotodioda na desce: pochází ze soupravy pomůcek „Polovodičové součástky na destičkách“, jde o typ 1PP75.

Odporový drát z úlohy č. 1.

Sada rezistorů z úlohy č. 3.

5. Fotorezistor

Fotorezistor: pochází ze soupravy pomůcek „Polovodičové součástky na destičkách“, jde o typ WK 65067. Za běžného osvětlení je jeho odpor řádu stovek ohmů až kiloohm.

Spojovací vodiče s hroty: jsou součástí stejné soupravy.

Filtry: průhledné barevné kancelářské desky jsou rozstříhány na obdélníky, které jsou vloženy do rámečků na diapozitivy. Filtry jsou barvy červené, modré, zelené a žluté, pro každé pracoviště je 8 stejných filtrů. Zářivky: jedná se o běžné zářivky na stropě učebny.

6. Termistor

Termistor: typ MMT-4, za běžné laboratorní teploty je jeho odpor přibližně 1 kΩ. V plastovém víčku jsou osazeny dvě zdířky a k nim je termistor připájen. Přívodní vodiče jsou kvůli elektrické izolaci od vody nabarveny. Ve víčku je otvor pro teploměr ISES.

Kádinka: 50 ml, nasazuje se na ni plastové víčko s termistorem. Azbestová síťka, stojan, lihový kahan: běžné vybavení laboratoře.

7. Polovodičová dioda

Křemíková a germaniová dioda na deskách: pochází ze soupravy pomůcek „Souprava žákovských destiček SET II.“, jedná se o diodu KY722F a GA203.

Červená LED na desce: vyrobena podle předchozích dvou.

Tři LED na desce: pochází ze soupravy pomůcek „Polovodičové součástky na destičkách“, každá dioda má k anodě připojen ochranný odpor 170 Ω.

Spojovací vodiče s hroty: jsou součástí stejné soupravy.

Trubička: kovová, průměr 10 mm, délka 30 mm.

8. Elektrolytický vodič

Kyveta: kvádr z průhledného plexiskla o podstavě 9 cm x 4 cm a výšce 9 cm.

Elektrody: měděné, tvaru obdélníka o rozměrech 2 cm x 10 cm.

Stojánky: možnost uchycení a posouvání elektrod s otvory pro připojení vodičů. Vše pochází ze soupravy pomůcek „Souprava žákovských destiček SET II.“.

Laboratorní elektronický stabilizovaný zdroj PS – 302 A z úlohy č. 2.

9. R, C v obvodu střídavého proudu

Kondenzátor: bipolární elektrolytický kondenzátor BIPOLAR ELKO RAUH 6,8 μF/100V na desce se zdvojenými zdířkami.

Sada rezistorů z úlohy č. 3.

10. Rezonance v obvodu RLC

Kondenzátor č.1: z úlohy č. 9.

Kondenzátor č.2: na desce se zdvojenými zdířkami, typ TESLA TC517 32/32M /250V/270V.

Cívky: ze soupravy pomůcek „Souprava žákovských destiček SET II.“. Každá cívka má 2 x 200 závitů a dá se navléci na železné jádro tvaru U uzavíratelné jhem. Průřezem sloupku je čtverec 2 cm x 2 cm.

11. Polovodičový usměrňovač

Sada rezistorů z úlohy č. 3.

Jednocestný usměrňovač: zhotoven na desce podle obr. 1 (Usměrňovač 1). Dioda je křemíková (např. KY132), odpor 1,8 kΩ je miniaturní. Filtrační kondenzátory jsou dva o kapacitách 200 μF/12V, připojit se dají zasunutím banánku do zdířky.

Dvoucestný usměrňovač: zhotoven na desce podle obr. 1 (Usměrňovač 1). Diody jsou křemíkové (např.KY132), filtrační kondenzátor má kapacitu 200 μF/12V. Rezistory se používají externí ze sady rezistorů.

12. Vybíjecí křivka kondenzátoru

Kondenzátor: na desce se zdvojenými zdířkami, typ 6,8 μF/100V M5 (není elektrolytický, neosvědčil se).

Přepínač: ze soupravy pomůcek „Souprava žákovských destiček SET II“.

Sada rezistorů z úlohy č. 3.

Laboratorní elektronický stabilizovaný zdroj PS – 302 A z úlohy č. 2.

13. Elektromagnetický oscilátor

Kondenzátor z úlohy č. 12.

Cívky s jádrem z úlohy č.10.

Laboratorní elektronický stabilizovaný zdroj PS – 302 A z úlohy č. 2.

Přepínač z úlohy č. 12.

Sada rezistorů z úlohy č. 3.

Popis systému ISES

Souprava ISES pro měření a řízení experimentů ve fyzice, chemii a biologii je nabízena ve třech variantách. Nejrozšířenější je tzv. ISES - Základní souprava. V poslední době si náročnější zákazníci častěji volí soupravu ISES - Professional. Možná pro podmínky základní školy by vyhovovala i souprava ISES – COM, která má pouze vstupní kanály.

Soupravu ISES je možno nainstalovat na počítač typu 286 až Pentium, stačí mu i pouze disketová jednotka (platí pouze pro verzi DOS programu). V poslední době si již musíme dát pozor, aby počítač měl alespoň jeden volný slot ISA (novinkou roku 2001 je též ISES ADDA karta pro sběrnici PCI). Samozřejmě na lepších počítačích je provozování soupravy ISES daleko příjemnější. Souprava ISES vám okamžitě vytvoří z Vašeho počítače osciloskop, multimetr, XY zapisovač, multifunkční generátor - (výstupní napětí - sinus, obdélník, pila, rozmítač aj.).

Souprava se skládá z elektronické desky (ADDA převodník), která se nainstaluje do Vašeho počítače, z ovládacího panelu, kde se provádí propojení s experimentem, a ze sady modulů, což jsou vlastně samostatné přístroje jako např. voltmetr, ampérmetr, siloměr, teploměr, snímač polohy, tlakoměr, mikrofon, měřič kapacit, manometr, relé, reproduktor, ohmetr, měřič kapacit, sonar, pH metr, konduktometr, snímač EKG, snímač srdečního tepu, atd.

Základní programové vybavení ISES–WIN verze 2.0 je určeno pro platformu WINDOWS 3.1 až WIN 98. Novinkou rolu 2001 bude ISES-WIN pro nové WIN 2000, ME a NT. K dispozici je stále ISES-DOS verze 3.50. (pozn.: lze ho samozřejmě spouštět z plochy Windows jako DOS aplikaci).

Soupravu doplňuje manuál s popisem 50 experimentů, které si můžete sami podle podrobných návodů ověřit. Další sbírka experimentů je z chemie (50 experimentů). Třetí sbírka je dalších 50 experimentů z fyziky. Novinkou roku 2001 tato sbírka laboratorních úloh z fyziky.

Soupravy ISES jsou nejrozšířenější v naší republice. Pracují na 350 školách. Instalace jsou většinou na středních školách a vysokých školách. V poslední době se zvyšuje počet instalací na základních školách. Většina instalací je po jedné „demonstrační“ soupravě ve třídě. Avšak stále více se objevují i vícenásobné instalace ve třídě pro „frontální práci“- např. v Praze, Brně, Pardubicích, Poděbradech, Vyškově, Liberci, Brandýse nad Labem, Kyjově aj.V Praze na gymnáziu Nad Štolou a na gymnáziu v Pardubicích je laboratoř, kde je 12 souprav ISES v jedné třídě, v Brně na gymnáziu M. Lercha je 10 souprav v Kyjově 7 souprav ISES Professional. Pro uživatele souprav je pořádán každoročně seminář „Experimenty s počítačem i bez“, kde se učitelé proškolují a kde si vzájemně sdělují své zkušenosti.

Školení uživatelů systému ISES na semináři „Experimenty s počítačem i bez“
Gymnázium Dašická v Pardubicích (prosinec 2000)

Ovládání soupravy nevyžaduje téměř žádné počítačové dovednosti. Uživatel jenom spustí program ISES a potom se již pohybuje v experimentálním prostředí velmi podobném klasickému experimentování. Počítač zde slouží jako zobrazovač, paměťové médium, jako nástroj s dalšími zpracovatelskými funkcemi (aproximace, derivace, integrace , aj.).

Program ISES-WIN kromě standardního měření a zpracování podporuje komunikaci po internetu. Experimenty i laboratorní úlohy lze pohodlně stahovat do svého počítače z internetu. Pro podporu systému ISES jsme prozatím provizorně spustili WWW stránky. Na http://kdt-12.karlov.mff.cuni.cz naleznete mnoho informací ohledně systému ISES, naleznete zde i mnoho experimentů nejenom popsaných, ale i včetně naměřených experimentálních hodnot. Pokud máte hardware ISES, můžete svůj experiment porovnat se stáhnutým.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014