Fyzikální principy v automobilní technice - úvod a popis

Přejít na stručné popisy úloh.

Abstrakt

Tématem této diplomové práce je soubor laboratorních prací pro žáky středních odborných učilišť měřený na počítačové soupravě ISES. První kapitola se zabývá popisem profilu absolventů učebních oborů automechanik a autoelektrikář a jejich pracovních činností. V druhé kapitole jsou popsány jednotlivé laboratorní práce včetně teoretického rozboru, praktického provedení a učebních cílů. Ve třetí kapitole je vlastní zadání laboratorních úloh. Zadání laboratorních úloh obsahuje teoretický úvod, způsob nastavení měřicí soupravy a potřebných měřicích modulů. Je podrobně popsán postup měření včetně detailního nastavení měřicí soupravy. Dále je obsažen popis sestavení a zapojení příslušné úlohy včetně schémat nebo fotografií. Součástí je i protokol naměřených hodnot. Ke každé úloze jsou připojeny vzorové naměřené hodnoty včetně grafů. V poslední kapitole je hodnocení praktického použití úloh na konkrétním odborném učilišti.

Klíčová slova: laboratorní práce, automechanik, autoelektrikář

Oblast uplatnění

Úkolem mojí diplomové práce bylo vytvořit soubor laboratorních úloh z fyziky, měřených soupravou ISES, pro žáky učebního oboru 23-68-H/001 Automechanik a 26-57-H/001 Autoelektrikář, tříletého denního studia na SOU dopravním.

Laboratorní práce jsou zaměřeny na základní elektrické zákony, jež jsou využity v agregátech, akčních členech a snímačích motorových vozidel. Elektrické stroje a přístroje jsou nezbytnou součástí motorového vozidla, kde slouží jako zálohovaný zdroj energie pro spuštění motoru a osvětlení vozidla. Elektrické a elektronické komponenty řídí dávkování paliva, zapálení pohonné směsi elektrickým výbojem, podílejí se rozhodujícím způsobem na řízení motoru, podvozku, převodovky, komfortních systémů atd. Musí spolehlivě pracovat v širokém rozpětí teplot, ve vlhku, v prašném prostředí, odolávat vibracím a akceleračním silám. Navzdory snahám výrobců je velká část vozidel v servisech s poruchou elektrických a elektronických částí vozidla.

Úvod (zkráceno)

Laboratorní práce byly vytvořeny jako doplněk pro prohloubení učiva v předmětech fyzika a elektrotechnika druhého ročníku oboru automechanik a v předmětech základy elektrotechniky a elektronika prvního a druhého ročníku oboru autoelektrikář. V těchto předmětech jsou společná témata, kde lze využít stejné zadání laboratorních úloh.

Motorová vozidla za více než sto let od svého vzniku prošla bouřlivým vývojem. Zejména v posledních desetiletích, vlivem tlaku na snížení spotřeby paliva, snížení škodlivých emisí ve výfukových plynech a rozvojem elektroniky, došlo k zásadním změnám zejména v konstrukci motoru automobilu. Zvýšené požadavky na bezpečnost jízdy si vynutily změny v podvozku automobilu, zejména jeho chování při brždění a rozjíždění. Stranou nezůstal ani požadavek na zvýšený komfort jízdy a zabezpečení vozidla. Rozvoj elektroniky umožnil řešit tyto požadavky pomocí řídicích elektronických jednotek, které regulují činnost jednotlivých agregátů. Jednotky spolu komunikují pomocí společné sběrnice a koordinovaně pomáhají bezpečnému, ekologickému a ekonomickému provozu motorového vozidla.

Zaměříme-li se na elektrické a elektronické části vozidla, absolventi musí znát principy týkající se základní elektrické výbavy vozidla. Tu tvoří zejména generátor, alternátor s usměrňovačem nebo dynamo, regulátor napětí (reléový nebo polovodičový) a akumulátor. Výstupní napětí alternátoru moderněji kontroluje i řídicí jednotka motoru. Při silně vybitém akumulátoru se zvýší otáčky volnoběhu a tím se urychlí nabíjení. Novinkou je systém Start-Stop, kdy alternátor slouží současně jako spouštěč, který dokáže tiše nastartovat motor za třikrát kratší čas než tradiční spouštěč. Systém se využívá k automatickému vypnutí motoru při brždění nebo při přeřazení na neutrál.

Nejsložitější a tudíž nejporuchovější částí vozidla je jeho motor. S motorem je spojena i největší část kontrolních a údržbářských prací automechanika i autoelektrikáře.

Současné spalovací motory jsou komplexně řízeny elektronickou řídicí jednotkou, která na základě vstupních údajů o provozním stavu motoru určuje množství vstříknutého paliva a okamžik jeho zapálení tak, aby měl motor při požadovaném výkonu nejmenší spotřebu paliva a nejmenší obsah škodlivých zplodin hoření ve výfukových plynech. Řídicí jednotka získává informace o činnosti motoru od čidel, jež převádí fyzikální veličiny týkající se stavu motoru na veličiny elektrické. Snímají se otáčky motoru, poloha klikového hřídele, hmotnost nasátého vzduchu, jeho teplota a tlak, teplota motoru a oleje a klepání motoru, signalizující nežádoucí detonační spalování. Snímače využívají nejrůznější fyzikální principy. Pro snímání otáček a polohy klikového hřídele se využívají snímače indukční a s Hallovým prvkem. Poloha škrtící klapky a klapky měřící množství vzduchu se snímá potenciometry. Polohu plynového pedálu snímá kapacitní nebo indukční snímač. Piezoelektrický jev využívá detektor klepání, změna odporu žhaveného odporového drátu se využívá pro měření hmotnosti a teploty nasávaného vzduchu a kyslíkový článek pro detekci množství kyslíku ve výfukových plynech.

Moderní řídicí jednotky mají v paměti uložen vzorek správného signálu od každého snímače, a pokud se při závadě signál liší, přestanou se tímto snímačem řídit a přejdou do nouzového režimu pro dojetí do servisu. Chybu snímače pak zapíší do paměti závad, číslo závady se zobrazí po připojení servisního přístroje.

Další oblastí u moderních dopravních prostředků řízené elektronicky je jejich podvozek. Nejčastější je protiblokovací systém ABS, který zamezuje zablokování kol při jízdě, zejména na kluzké vozovce. Systém kromě elektronické řídicí jednotky obsahuje indukční snímače otáček kol a akční členy s elektromagnetickými ventily, které regulují tlak kapaliny nebo vzduchu v brzdových válcích.

Na protiblokovací systém navazuje protiskluzová regulace ASR, jejímž úkolem je zamezení prokluzu kol při zrychlování vozidla. Jednotka využívá snímače otáčení jednotky ABS a při zvýšení otáček pouze jednoho hnacího kola dojde k jeho přibrzdění. Paralelně k tomu zasáhne řídicí jednotka motoru a sníží jeho výkon.

Dalším zdokonalením je elektronická stabilizace jízdy ESP, jež je určitým rozšířením systémů ABS a ASR. Systém obsahuje snímače příčného zrychlení a otáčení kolem svislé osy. Stabilizace jízdy je dosaženo samočinnými zásahy do brzd jednotlivých kol a točivého momentu motoru; tím se vytvoří točivý moment kolem svislé osy vozidla, který kompenzuje nežádoucí přetáčivý nebo nedotáčivý pohyb vozidla.

...

Ve výuce fyziky musí být kladen důraz na to, aby si žáci nejen osvojili základní fyzikální zákony, ale aby správně chápali činnost zařízení využívajících těchto zákonů. Vzhledem k tomu, že moderní testery využívají analogově–digitální převodníky a počítač ke zpracování dat, je školní měřicí souprava ISES vhodným prostředkem k prvnímu seznámení se zpracováním naměřených hodnot tímto způsobem.

Soubor laboratorních prací je určen pro žáky prvního a druhého ročníku oborů automechanik a autoelektrikář. Jednotlivé práce navazují na tématický plán ve výuce fyziky a elektrotechniky, žáci je vykonávají ve chvíli, kdy je látka dostatečně teoreticky procvičena. Při řešení laboratorních úloh si žáci „osahají“ konkrétní fyzikální jev, seznámí se s jednotlivými veličinami a jejich měřením. Témata jsou vybrána tak, aby co nejvíce korespondovala s látkou, kterou žáci probírají při praktickém výcviku v druhém a třetím ročníku. Úlohy obsahují i popis prostředí programu ISES, jehož jednotlivé části se žáci postupně naučí využívat. Pro zpracování úloh se žáci učí využívat tabulkový procesor, který zjednoduší jednotvárné výpočty a urychlí tvorbu grafů. Žáci se mohou více soustředit na fyzikální interpretaci výsledků měření. Součástí každé laboratorní práce jsou správné naměřené hodnoty, jež umožní vyučujícímu rychlou kontrolu práce žáků.

 

Popis laboratorních prací

1. Napětí indukované v cívce pohybem magnetu

Tady se žáci seznámí s principem elektromagnetické indukce. Na kole poháněném motorkem je přilepen permanentní magnet, v blízkosti magnetu je umístěna snímací cívka. Žáci měří velikost a průběh indukovaného napětí a hledají závislost jeho velikosti na rychlosti změny magnetického toku a na počtu závitů snímací cívky. Ověří lineární závislost indukovaného napětí na otáčkách a na počtu závitů snímací cívky. Seznámí se s průběhem indukovaného napětí v závislosti na průběhu magnetické indukce v cívce. Ověří také platnost vztahu pro velikost indukovaného napětí. Odečtou velikost indukovaného napětí a zároveň odečtou i časový interval pro tuto změnu. Dále odečtou maximální změnu magnetické indukce ze změřeného průběhu při otáčení kola s magnetem. Po výpočtu magnetického toku  Φ = B S  mohou ověřit platnost indukčního zákona ve tvaru

 .

Úloha žákům usnadní pochopení činnosti indukčních snímačů otáček motoru a kol motorového vozidla.

Přejít na zadání úlohy.

2. Napětí indukované pohybem vodiče v magnetickém poli

Zde si žáci ověřují souvislost mezi elektromagnetickou indukcí a silovými účinky magnetického pole. Na volné náboje uvnitř pohybujícího se vodiče v magnetickém poli působí Lorentzova síla a ve vodiči vznikne elektrické pole o intenzitě  E = v × B,  které přemístí volné náboje ke koncům vodiče. Ve vodiči vznikne napětí  U = E · l.  Ke stejnému vztahu žáci odborných učilišť dospějí aplikací indukčního zákona na obdélníkovou smyčku umístěnou ve stacionárním magnetickém poli o intenzitě velikosti B. Jedna strana smyčky o délce l se rovnoměrně pohybuje rychlostí v a zmenšuje tak magnetický tok uzavřený plochou smyčky. ΔΦ = B ΔS,  kde  ΔS = l Δx.  Vodič se za časový úsek Δt přemístí o vzdálenost  Δx = v Δt.  Po dosazení do indukčního zákona žáci získají vztah  U = B v l.

Silný vodič je na krajích připevněný na pružiny. Po natažení a vypuštění proběhne v magnetickém poli permanentního magnetu. Je snímáno napětí ve vodiči připojeném tenkým lankem na měřící soupravu.

Žáci zjistí, že indukované napětí ve vodiči je na rozdíl od předchozí úlohy stejnosměrné, protože změna magnetického toku působí jen jedním směrem. Ověří platnost teoretického vztahu, když předtím změří magnetickou indukci ve vzduchové mezeře magnetu. Zkušenosti získané při měření úlohy žáci využijí pro pochopení činnosti generátorů elektrického napětí, zejména dynama.

Přejít na zadání úlohy.

3. Napětí indukované ve školním generátoru

Tato úloha ověřuje platnost indukčního zákona ve tvaru  U_m = ω N Φ_m.  Tento vztah platí pro sinusový průběh magnetického toku  Φ = Φ_m sin (ωt).  Dosadíme-li tento vztah pro magnetický tok do indukčního zákona, tak po derivaci je indukované napětí  U = ω N Φ_m cos (ωt).  Jeho maximum nastane, když  cos (ωt) = 1.

Školní generátor má rotor s 60 závity vodiče, jehož konce jsou vyvedeny na mosazné kroužky. Stator je tvořen samotnými pólovými nástavci, ke kterým se zespodu přikládá budící cívka s magnetickým obvodem.

Magnetický tok žáci vypočítají z indukovaného napětí při stojícím rotoru a buzení střídavým proudem. Pak přejdou na stejnosměrné buzení a generátor roztočí. Měří napětí při různých otáčkách a zjišťují závislost indukovaného napětí na otáčkách. Platnost vztahu pro indukované napětí kontrolují tím, že do vztahu dosadí vypočtený magnetický tok při buzení střídavým proudem a frekvenci vypočtenou z odečtené periody. V úloze se žáci seznámí s tvarem a velikostí indukovaného napětí modelu alternátoru. Získané poznatky žákům usnadní pochopení funkce automobilového alternátoru.

Přejít na zadání úlohy.

4. Napětí indukované změnou proudu v cívce

V úloze se žáci setkají s principem samoindukce napětí v cívce vlivem změny protékajícího proudu a hodnoty zatěžovacího rezistoru. V cívce připojené na zdroj o napětí U_Z se vlivem změny velikosti procházejícího proudu indukuje napětí . Pokud je cívka zapojená v obvodu o odporu R, způsobí indukované napětí vznik proudu

 ,

kde   a  R_L  je odpor vinutí cívky. Indukovaný proud působí proti změně, jež indukované napětí vyvolala. Jeho velikost exponenciálně klesá z maximální hodnoty I. Při přerušení proudu se v cívce indukuje napětí opačné polarity, než má napájecí zdroj. Velikost napětí vypočteme ze vztahu  U = I(t) R,  dosadíme-li za  ,  je velikost indukovaného napětí  .  V případě, že se  R = R_L,  je indukované napětí rovno napětí zdroje.

V této úloze se žáci seznámí s chováním cívky při změně procházejícího proudu v závislosti na napájecím napětí a hodnotě odporu zatěžovacího rezistoru.

Přejít na zadání úlohy.

5. Cívka jako generátor vysokého napětí

Zde žáci použijí cívku jako zdroj vysokého napětí. Cívka je spínána tranzistorovým spínačem, jehož činnost je řízena výstupním kanálem soupravy ISES. Nejdříve zapojí běžnou laboratorní cívku 250+750 závitů středním vývodem na zdroj stejnosměrného napětí 12 V. Konec vinutí 250 závitů zapojí na kolektor tranzistorového spínače, jehož emitor je spojen se záporným pólem zdroje. Konec vinutí 750 závitů připojí žáci na modul voltmetr přes odporový dělič 1:1000. Báze spínacího tranzistoru je připojena na výstupní kanál E soupravy ISES. Výstupní napětí kanálu E je obdélníkové 0 V až 5 V o frekvenci 50 Hz.

Žáci měří indukované napětí v cívce v závislosti na ovládacím napětí kanálu E. Ověří si, že se v cívce indukuje záporné napětí asi 500 V při rozepnutí tranzistoru, menší kladné napětí se indukuje při jeho sepnutí. Úloha simuluje činnost zapalovací soustavy řízené indukčním snímačem polohy klikového hřídele nebo Hallovým prvkem.

V druhé části úlohy žáci zapojí místo laboratorní cívky skutečnou zapalovací cívku z malého motocyklu. Indukované napětí při rozepnutí tranzistoru se vlivem většího počtu závitů sekundárního vinutí zvětší asi na 5 kV. Po připojení zapalovací svíčky se náběžná hrana indukovaného napěťového impulsu sníží na 1,5 kV, kdy dojde k zapálení elektrické jiskry. Potom napětí mírně poklesne při hoření oblouku v jiskřišti svíčky. Po vyčerpání energie akumulované v cívce dojde ke zhasnutí oblouku a napětí se na krátký okamžik zvýší. Tato úloha je velmi podobná skutečnému měření na zapalovací soustavě, se kterým se žáci setkají při odborném výcviku.

Přejít na zadání úlohy.

6. Napětí dynama

V úloze žáci měří konstantu a linearitu tachodynama MEZ Náchod K 4A2. Stejné tachodynamo použijí v následující úloze ke snímání otáček.

Tachodynamo upevněné v držáku na stojanu propojí s pohonným motorem gumovým řemínkem. Otvory v hnacím kole motoru využijí pro měření otáček optickou závorou. Nastaví závoru tak, aby světelný paprsek procházel otvory kola, a měří čas pro 40 period signálu optické závory. Výslednou hodnotu dělí pěti, protože kolo má osm otvorů. Napětí tachodynama měří voltmetrem a hodnoty pro různé otáčky zaznamenají do tabulky spolu s periodou otáčení. Při řešení úlohy se žáci seznámí s výstupním napětím dynama a jeho závislostí na otáčkách.

Přejít na zadání úlohy.

7. Charakteristiky dynama

Tato úloha má žáky seznámit s charakteristikami dynama s cizím buzením. Napětí dynama je závislé na otáčkách a magnetickém toku statoru dle vztahu  ,  kde p je počet pólů, a je počet paralelních větví, Φ je magnetický tok statoru a n otáčky. V běžné výuce se vztah zjednodušuje na  U = k Φ_n,  kde .  Magnetický tok statoru je vytvářen budícím proudem  Φ = N I / R_m,  kde R_m je celkový magnetický odpor.

Jako dynamo je použit stejnosměrný motor MEZ Náchod K2LL130 24 V / 12 W. Jedná se o dvoupólový stroj, který má zvlášť vyvedené vývody budícího vinutí. Dynamo je poháněno stejnosměrným motorem a otáčky snímány tachodynamem.

Soupravou ISES žáci snímají jak napětí dynama, tak napětí tachodynama úměrné otáčkám. Pohonný motor je napájen stejnosměrným zdrojem AUL 210, který má vyvedený konektor pro externí referenční napětí. Tento vstup je využit pro řízení výstupního napětí zdroje pomocí výstupního kanálu soupravy ISES. Výstupní napětí měřicí soupravy je nastaveno jako pila 0 V až 5 V s frekvencí 0,1 Hz. Pro řízení stejnosměrného zdroje je toto napětí zesíleno operačním zesilovačem se zesílením 3. Po spuštění měření zvyšuje zdroj pro pohonný motor napětí v rozsahu 0 V až 24 V. Otáčky motoru se mění v rozsahu 0 min^-1 až 5000 min^-1.

Žáci pomocí zobrazení typu X-Y změří přímo napěťovou charakteristiku dynama v závislosti na otáčkách. Měření provedou pro různé budící proudy a charakteristiky zobrazí do jednoho okna.

Změřené charakteristiky žákům potvrdí lineární závislost indukovaného napětí na otáčkách a vliv budícího proudu. Ověří si, že se napětí indukuje i při nulovém budícím proudu vlivem remanentní indukce magnetického obvodu. Zjistí, zda je možno tuto skutečnost využít a zapojit toto dynamo jako derivační s vlastním buzením.

V druhé části úlohy provedou měření výstupního napětí dynama v závislosti na budícím proudu při konstantních otáčkách. Pohonný motor je napájen konstantním napětím 12 V a budící vinutí je napájeno řízeným zdrojem 0 V až 24 V. Budící proud se mění v rozsahu 0 A až 0,55 A, protože odpor budícího vinutí je 44 Ω. Žáci použijí opět zobrazení X-Y a změří závislost výstupního napětí dynama na budícím proudu.

Žáci si naměřené grafy vytisknou a doplní skutečnými hodnotami napětí a otáček. Z grafů se žáci učí odečítat hodnoty napětí a příslušných otáček. Ověřují si na nich počáteční linearitu charakteristiky a její zakřivení při větších budících proudech vlivem hysterezní křivky magnetického obvodu.

Naměřené charakteristiky jsou mírně "rozostřené" vlivem zvlněného napětí měřeného dynama a tachodynama.

Přejít na zadání úlohy.

8. Síla působící na vodič v magnetickém poli

V této úloze žáci poznávají sílu působící na vodič v magnetickém poli. Velikost síly lze odvodit z Lorentzova vztahu pro sílu působící na elektrický náboj v magnetickém poli  F = q (v × B).  Je-li v velikost rychlosti nosiče náboje q a koncentrace nosičů n, pak je proudová hustota  j = q n v  a proud  I = q n v S.  Z toho  v = I / (qnS).  Protože celkový počet nábojů ve vodiči je  n S Δl,  vychází vztah pro sílu působící na všechny náboje ve vodiči  ΔF = I (Δl × B)  a po integraci  .  Pro rovný vodič umístěný v homogenním magnetickém poli přechází ve středoškolský vztah  F = B I l.

Sílu žáci měří na obdélníkové cívce s 38 závity lakovaného vodiče. Cívka je zavěšena na modulu siloměr soupravy ISES a pouze její spodní část zasahuje do magnetického pole permanentního magnetu. Měření žáci provádějí pro různé proudy a výsledky graficky zpracují. Ověří si lineární závislost síly na proudu a platnost teoretického vztahu pro velikost síly (po změření magnetické indukce v mezeře).

Přejít na zadání úlohy.

9. Záběrový moment stejnosměrného motoru

Úloha slouží k ověření charakteristik záběrového momentu stejnosměrného motoru a motoru s cizím buzením. Žáci stejnosměrný motor MEZ Náchod K2LL130 24 V / 12 W připevní na stojan. Na jeho hřídeli je kladka s otvory a čepy pro připevnění provázku. Na druhý konec provázku je připojen modul siloměr soupravy ISES.

Nejdříve žáci pomocí proměnného zdroje napětí, řízeného výstupem E soupravy ISES, měří záběrovou sílu motoru při konstantním napájecím napětí 3 V a proměnném budícím proudu 0 A až 0,5 A.

V dalším měření je budící proud konstantní 0,15 A a mění se napájecí napětí 0 V až 11 V. Potom přepojí budící vinutí do série s rotorem a měření opakují.

Měření se zobrazuje do dvou panelů: v horním je závislost procházejícího proudu a v dolním závislost síly motoru.

Žáci si naměřené grafy vytisknou a doplní vypočtenými hodnotami záběrového momentu ze změřené hodnoty ramene síly 0,01 m. Z grafů žáci odečítají hodnoty momentů pro různé proudy a porovnávají nárůst momentu pro dvojnásobné zvětšení napájecího proudu u motoru se sériovým a cizím buzením.

Přejít na zadání úlohy.

10. Snímání otáček ozubeného kola

V úloze si žáci procvičí činnosti snímačů otáček. Otáčky ozubeného kola poháněného motorem jsou snímány současně indukčním a optickým snímačem otáček. Indukční snímač tvoří cívka 30 závitů navinutá na ocelovém válcovém jádru, na jehož konci je permanentní magnet. Optický snímač tvoří optická závora soupravy ISES. Ozubené kolo má 18 zubů s mezerou místo jednoho zubu. Indukční snímač reaguje na průchod mezery větším indukovaným napětím a optický větší šířkou impulsu. Žáci měří současně signály obou snímačů a porovnávají jejich průběh. Ze signálu vypočítají skutečné otáčky kola.

Tento způsob současné indikace otáček a polohy ozubeného kola se v automobilech používá například u snímačů polohy klikového hřídele.

Přejít na zadání úlohy.

11. LC oscilátor

Tato úloha je určena pro žáky učebního oboru autoelektrikář, látka je probírána v druhém ročníku v předmětu elektronika. V úloze si nejdříve žáci ověří vznik tlumených kmitů na LC obvodu. Po odpojení elektrického napětí na obvodu vzniknou elektrické kmity o napětí  U = U₀ e^−δ t sin (ωt + φ),  kde je činitel tlumení a    frekvence vlastních kmitů. Při vysoké jakosti cívky a kondenzátoru tento vztah přechází v Thomsonův vzorec  .

Žáci obvod připojí na stejnosměrný zdroj a po odpojení napájení odečtou frekvenci a amplitudu kmitů. Ověří si, že maximální amplituda kmitů je větší než původní velikost napájecího napětí a s časem exponenciálně klesá.

Stejný obvod využijí při stavbě tranzistorového oscilátoru z elektronické stavebnice SEG. Jedná se o jednoduchý oscilátor typu „Hartley“, u něhož nejsou problémy s nasazením kmitů. Po oživení zapojení se zobrazuje výstupní napětí oscilátoru a žáci porovnávají jeho kmitočet s kmitočtem tlumených kmitů RC obvodu.

Přejít na zadání úlohy.

12. RC oscilátor

Stejně jako předchozí úloha slouží k praktickému procvičení látky druhého ročníku z předmětu elektronika. Žáci se seznamují s principy oscilátoru RC s fázovým článkem. Protože tranzistorový zesilovač v zapojení se společným emitorem otáčí fázi vstupního signálu o 180°, musí obvod zpětné vazby otočit fázi o dalších 180° pro daný kmitočet, aby nastala kladná zpětná vazba. V našem případě je použit trojitý RC článek. Převrácený přenos tohoto článku je

P = 1 − 5ω²C²R² + jωCR (ω²C²R² − 6) .

Pro fázový posuv 180° musí být imaginární část výrazu rovna nule. To nastane při kmitočtech    a  ,  zeslabení pro tyto kmitočty bude  P = −29.

Nejdříve žáci změří kmitočtovou charakteristiku fázového článku pomocí rozmítaného střídavého napětí z výstupu E soupravy ISES. Rozmítané napětí připojí na vstup fázového článku a měří výstupní napětí modulem voltmetr. Zobrazí do jednoho okna rozmítané i výstupní napětí a hledají místo, kde mají oba signály opačnou fázi. V tomto místě odečtou periodu a vypočítají frekvenci. Změří pokles napětí při průchodu fázovým článkem a spolu s frekvencí porovnají s teoretickým vztahem.

Dále žáci sestaví ze stavebnice SEG tranzistorový zesilovač a zapojí změřený RC článek do zpětné vazby. Oživí zapojení, zobrazí výstupní napětí, odečtou frekvenci a porovnají s hodnotou zjištěnou u fázového článku.

Úloha je časově náročná a předpokládá jistou zkušenost při zapojování elektrických obvodů.

Přejít na zadání úlohy.

Poznatky z praxe

Laboratorní práce byly prováděny ve školních rocích 2003/2004 a 2004/2005. Protože naše učiliště vlastní pouze jednu měřicí soupravu ISES, bylo jejich provádění mírně komplikované. Souprava byla umístěna ve fyzikálním kabinetu s přímým vstupem do učebny. Žáci pracovali ve trojicích během normální vyučovací hodiny. Samostatně si sestavili úlohu, s níž se předem seznámili a prováděli měření. Vyučující pouze zkontroloval zapojení a upozornil na obtížné části úlohy. Často žáci nestačili úlohu během jedné vyučovací hodiny dokončit a pokračovali až příští den. Měření úloh bylo značně časově náročné, protože k měření mohli žáci přistoupit až po teoretickém zvládnutí látky, což bylo většinou až v druhém pololetí.

I přes tyto potíže organizačního charakteru žáci měli k měření úloh kladný vztah. Ačkoli se s počítačovým laboratorním pracovištěm setkávali poprvé, rychle si zvykli na ovládání a byli schopni v krátké době měření provádět. Při zpracování naměřených výsledků byli vedeni k prezentaci v elektronické podobě za použití programu Microsoft Excel. Žáci ocenili větší rychlost a přehlednost zejména při tvorbě grafů.

Větším úskalím pro žáky bylo správné sestavení a zapojení měřené úlohy, proto byly některé úlohy doplněny fotografiemi celé sestavy.

Domnívám se, že laboratorní práce prováděné na počítačové soupravě výrazně obohatí výuku, protože měření i složitých závislostí lze zvládnout v krátkém čase a žáci mohou změřit více úloh. Elektronická prezentace výsledků je osvobodí od pracného "papírového" zpracování a mohou se více soustředit na správnou interpretaci naměřených hodnot.

Věřím, že v blízké budoucnosti i naše učiliště vybaví jednu učebnu počítačovými laboratorními soupravami a umožní větší uplatnění samostatné práce žáků nejen ve výuce fyziky.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014