ИНТЕРАКТИВНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ УЧИТЕЛЯ ПО СВОЙСТВАМ ГАЗОВ

Интерактивная лаборатория учителя по свойствам газа предназначена для экспериментальной демонстрации основных закономерностей, изучаемых по теме «Молекулярная физика», знакомства учащихся с такими понятиями, как изопроцессы в идеальном газе, работа газа, циклический процесс, насыщенный пар. Кроме того, в рамках лаборатории может выполняться расчетное моделирование процесса сжатия и расширения газа с учетом влияния теплообмена. Набор включает в себя установку «Изотерма», в которую встроен датчик объема газа, установку «Изохора», в объем которой встроен датчик температуры, установку «Изобара», объем резервуара которой изменяется, сохраняя постоянным давление во внутреннем объеме, а температура газа контролируется встроенным датчиком температуры, цифровой датчик абсолютного давления, а также зажим и комплект трубок с переходником. Кроме того в состав набора входят флеш-накопитель с ПО проведения эксперимента (сценариями экспериментов) и флеш-накопитель с ПО моделирования.

 Объем установки «Изотерма» может изменяться в пределах 30-120 см3, объем установки «Изобара» может изменяться от 300 до 750 см3, объем установки «Изохора» составляет 250см3. Все установки имеют стержень для закрепления их в штативе. Цифровой датчик абсолютного давления имеет диапазон измерения от 0 до 200 кПа, погрешность измерения — 2%. Время отклика — 0,01 с. Размер корпуса 70х40х25 мм. Датчик имеет разъем USB (BF) для подключения к компьютеру с помощью соединительного кабеля. Корпус датчика имеет отверстие с вмонтированной гайкой для вкручивания стержня (и закрепления в штативе) и слой магнитной резины на одной из сторон для крепления датчика на металлической поверхности. Толщина стенок и материал соединительных трубок, входящих в состав набора, обеспечивают откачку воздуха из установок до давлений порядка 0.1% от атмосферного.

Программное обеспечение набора содержит 8 сценариев для проведения демонстрационных экспериментов при изучении газовых законов, уравнения состояния идеального газа, свойств паров и влажности воздуха, выполняемых с использованием цифровых датчиков объёма, температуры и абсолютного давления, с регистрацией сигнала на компьютере.

Программное обеспечение позволяет работать с интерактивной доской и интерактивной панелью (управлять кнопками интерфейса, увеличивать зоны внутри окна, перетаскивать числовые значения из окна в окно и т. п. )

Интерфейс программного обеспечения позволяет обучать основным этапам проведения экспериментального исследования, а также позволять проводить с учениками совместные исследования.

Программное обеспечение содержит сценарии экспериментов разбитые по темам и разделам. Каждый из сценариев включает в себя оптимальные настройки используемых датчиков для проведения эксперимента и для последующей обработки собранных данных.

Сценарии могут позволять выполнить все этапы научного исследования явления: демонстрировать качественные закономерности наблюдаемого процесса, проистекающего в газе (больше – меньше, растет-убывает-не зависит), проводить количественные исследования с измерением величин, формированием таблицы наблюдений, построение графика и сопоставления полученных экспериментальных данных с графиками различных функций, проводить обработку данных методом линеаризации.

Окна сценария при проведении эксперимента содержат:

• график сигнала, поступающего от одного или нескольких датчиков,

• окна обработки полученных данных (вкладки для формирования таблиц, построения графиков на основе сформированных таблиц и изображения, поясняющим суть явления)

Программное обеспечение предоставляет данные в различных видах:

• зависимость от времени

• зависимость показаний одного датчика от другого,

• расчет площади под кривыми с ее визуализацией в реальном времени. В частности, алгоритм обработки данных в эксперименте по циклическому процессу в газе обеспечивает наглядное представление работы газа в виде закрашиваемых в красный цвет (положительная работа) и синий цвет (отрицательная работа) областей графика в координатах (V, p).

Окно регистрации имеет механизм изменения масштаба, механизм прокрутки, механизм вертикальных (одинарных и двойных) маркеров для определения показаний датчиков в интересующий момент времени и интервалов времени между двумя состояниями датчиков. Для удобства демонстрации в окне регистрации есть возможность установки неограниченного числа двойных и одинарных маркеров. Программное обеспечение позволяетудалять установленные маркеры.

Окно обработки данных предусматривает:

• Одну или несколько таблиц для обработки данных, полученных от датчиков, занесение экспериментальных данных в таблицу методом drag-n-drop, при этом программное обеспечение позволяет заносить в таблицу как отдельные точки, так и весь выделенный интервал;

• наличие заполненных столбцов с исходными данными, характеризующими детали поставляемых установок,

• заполнение столбцов данными, перетаскиваемыми из окна регистрации

• таблица содержит различные типы ячеек (экспериментальные данные; константы; вычисляемые значения, на основании данных из других ячеек; линеаризующие ячейки);

• наличие возможности вносить в ячейки определенных столбцов таблицы данные с клавиатуры,

• проведение автоматически заложенных в сценарии арифметических и алгебраических операций с данными столбцов,

• нанесение на график точек, связанных с определенной строкой таблицы

• стирать строки таблицы

• увеличивать изображение чисел и букв в ячейках таблицы

• возможность экспорта таблицы во внешний файл и рассылки ее по локальной сети для дальнейшей обработки

В окне с Графиком сценарии позволяют

• наносить точки на один график или несколько графиков при оптимальном выборе масштаба,

• аппроксимировать получаемые зависимости графиками аналитических функций из имеющегося набора (10 функций) 

• подбирать график выбранного типа функций методом наименьших квадратов, который максимально близко подходит

 к экспериментальным точкам, насколько это возможно

• совмещать график подобранной функции с экспериментальной зависимостью на одной координатной сетке

• выводить уравнение подобранной функции на экран

Программное обеспечение позволяет вывести в отдельное окно изображение с видеокамеры, подключенной к персональному компьютеру, для детального рассмотрения на интерактивной доске, интерактивной панели или экране ПК отдельных элементов используемых при проведении эксперимента.

Программа моделирования обеспечивает расчет процессов сжатия и расширения газа с учетом влияния теплообмена. При моделировании сжатия и расширения газа программа может задавать исходные параметры газа: давление, температуру, молекулярную массу, количество атомов в молекуле. Кроме того, могут задаваться параметры установки: диаметр цилиндра, начальное положение поршня и его скорость движения, а также характеристики теплообмена газа с окружающей средой. Компьютерное моделирование осуществляется с учетом теплообмена газа с окружающей средой, скорость которого пропорциональна возникающей разности температур. Результаты моделирования представляются в виде графиков зависимости параметров состояния газа от времени и друг от друга. При этом обеспечивается наложение друг на друга соответствующих кривых, полученных при различных скоростях движения поршня. На поле графика работает маркер, позволяющий считывать с графика значения параметров состояния газа в рассматриваемой точке. Программа формирует таблицу результатов расчета магнитного поля, которая вставлена в электронную таблицу для дальнейшей работы с данными. Расчетная модель наглядно демонстрирует, что реальные процессы сжатия и расширения газа не являются изотермическими и адиабатными процессами, и что изотермический и адиабатный процессы – предельные с точки зрения эффективности теплообмена процессы, отвечающие условиям идеально быстрого теплообмена и полной теплоизоляции. Компьютерная модель воспроизводит наблюдаемый в эксперименте циклический процесс, возникающий при быстром движении поршня в установке «Изотерма» при изменении объема от максимального значения к минимальному и обратно.

Программное обеспечение работает под управлением операционных систем семейства Windows.

Методическое руководство содержит указания по выполнению 8 экспериментов на собираемых установках и указания по выполнению одного численного эксперимента по моделированию сжатия и расширения газа с различной скоростью при варьируемой эффективности теплообмена с окружающей средой. Описание опытов сопровождается фотографией установки и скриншотами программного обеспечения, показывающими какие результаты учитель должен получить в ходе демонстрации. Методичка отпечатана на бумаге плотностью 80 гр./м2, форматом А4, печать двусторонняя, красочность 4+4 (полноцвет).