УДК 372.8

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕСА СЕГНЕРА С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРА

Майер Роберт Валерьевич
Глазовский государственный педагогический институт им. В.Г.Короленко
доктор педагогических наук, профессор кафедры физики и дидактики физики ГГПИ

Аннотация
В статье описаны различные экспериментальные методы изучения реактивного движения колеса Сегнера, в которых его угловая скорость измеряется с помощью: 1) оптодатчика, подключенного к компьютеру; 2) магнитоконтактного датчика, подключенного к компьютеру; 3) видеокамеры, создающей видеоклип, который затем раскладывают на отдельные кадры. Предложена компьютерная модель вращения колеса Сегнера, проанализированы экспериментальные графики зависимости угловой скорости от времени и кривые, получающиеся в результате компьютерного моделирования.

Ключевые слова: вращение колеса Сегнера, колесо Сегнера, компьютерная модель, реактивное движение колеса Сегнера


EXPERIMENTAL STUDYING OF ROTATION SEGNER WHEEL BY MEANS OF THE COMPUTER

Mayer Robert Valerievich
FSBEI of HPE “The Glazov Korolenko State Pedagogical Institute”
doctor of pedagogical sciences, associate professor

Abstract
In article are described various experimental methods of studying of reactive motion of Segner's wheel in which its angular speed is measured with the help of: 1) the optosensor connected to the computer; 2) the magnetocontact sensor connected to the computer; 3) the video camera creating a videoclip which then are divided on separate frames. The computer model of rotation of a wheel of Segner is offered, experimental plots of dependence of angular speed from time and the curves which are obtained as a result of computer modeling are analysed.

Рубрика: 01.00.00 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Майер Р.В. Экспериментальное изучение вращения колеса Сегнера с помощью компьютера // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 8. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/36372 (дата обращения: 29.09.2017).

При изучении механики в курсах общей и теоретической физики рассматривают движение тел переменной массы, выводят уравнения Мещерского и Циолковского, анализируют реактивное движение. Методика экспериментального изучения этого явления, как правило, сводится к демонстрации опытов качественного характера. Развитие компьютерной техники позволяет изучить это явление на количественном уровне [1]. Нами разработан эксперимент, в котором осуществляется серия измерений скорости вращения сегнерова колеса и строится график этой зависимости. В качестве измерителя скорости используется персональный компьютер, к параллельному порту LPT которого подключен оптодатчик или геркон.

1. Использование оптодатчика, подключенного к ПЭВМ

Установка для изучения реактивного движения (рис. 1.1) состоит из сегнерова колеса, выполненного в виде подвешенной на нити 1 двухлитровой пластиковой бутылки 3 с двумя изогнутыми трубками 5 диаметром 3–5 мм. К крышке бутылки прикреплен диск 2 диаметром 200 мм, по краю которого выполнены 96 или 48 прорезей. В верхней части бутылки имеется отверстие для воздуха. Вблизи края диска находится оптодатчик, состоящий из лампочки накаливания 6 на 6,3 В и фотодиода 7, подсоединенного к формирователю счетных импульсов 8, который подключен к параллельному порту компьютера 9. Формирователь импульсов представляет собой усилитель на двух транзисторах, к выходу которого подключен триггер Шмидта. При вращении диска происходит периодическое освещение и затемнение фотодиода, в результате чего в компьютер поступает последовательность логических 0 и 1, которая обрабатывается программой, написанной на языке Pascal или QBasic. Результаты измерений выводятся на экран в цифровом или графическом виде. Рассматриваемый метод определения скорости вращения с помощью оптодатчика описан в статье [2].

Общие принципы использования параллельного интерфейса для обмена информацией с внешними устройствами и конкретные примеры программ рассмотрены в [3–5]. В нашем случае питание датчика осуществлялось от компьютера. В качестве общего провода может использоваться один из 18, 19, 20, … 25 выводов параллельного интерфейса LPT. Проводом питания + 5 В может служить 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или 9 вывод. Для этого в начале программы, обрабатывающей сигналы с датчика, в ячейку памяти 378h записывают число 255, что соответствует двоичному числу 11111111. При этом на выводах 2–9 порта LPT появляется напряжение высокого уровня, соответствующее лог. 1,  которое используется для питания датчика. Совокупность 8 логических нулей и единиц, снимаемых с выводов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 порта LPT, записывается в ячейку памяти с адресом 379h. Если сигнал с формирователя импульсов подается на один из перечисленных выводов параллельного интерфейса, то в этой ячейке памяти при различных состояниях датчика будут записаны различные числа.

Рассмотрим программу 1, позволяющую протестировать оптодатчик, подключенный к параллельному порту принтера. Она включает питание схемы и считывает число из ячейки памяти 379h, которое зависит от состояния выхода формирователя счетных импульсов.  Если после запуска программы осветить фотодиод, то на экран будет выводиться одно число (например, 255), а если затемнить, – то другое (127).

Программа 2 запускает формирователь импульсов и затем в течение заданного интервала времени (1–3 с) считает количество прорезей диска, прошедших через оптодатчик. В этом же цикле определяется угловая скорость, результат записывается в файл и на экране ставится соответствующая точка графика. После этого все повторяется. На экране компьютера получается график зависимости угловой скорости диска от времени.

Эксперимент проводят следующим образом. Закрывают сопла сегнерова колеса пластилином и наполняют бутылку водой, после этого закручивают крышку с диском и подвешивают бутылку на нити. Запускают программу и открывают сопла, – бутылка с диском начинает вращаться. На экране компьютера строится графика зависимости модуля угловой скорости бутылки от времени (рис. 2.1). Скорость вращения бутылки сначала возрастает, достигает максимального значения, после чего уменьшается. За счет закручивания нити возникает момент упругих сил, который останавливает сегнерово колесо и заставляет его вращаться в противоположном направлении. Возникают крутильные колебания, амплитуда которых уменьшается.

Аналогичный эксперимент был проведен с колесом Сегнера, имеющим вид цилиндрического сосуда с двумя изогнутыми трубками, который установлен на вертикальном заостренном стержне. Нами использовалась готовый прибор “Сегнерово колесо”, у которого масса вращающейся части без воды 0,3–0,4 кг, объем сосуда 1 л, причем сопла расположены на 25 см ниже дна сосуда. Перед проведением измерений сопла закрывают пробками, сосуд наполняют водой и закрывают цилиндрической крышкой, к которой прикреплен диск с 96 или 48 прорезями по краю. Получающийся график зависимости угловой скорости от времени представлен на рис. 2.2. Из него видно, что скорость сегнерова колеса сначала возрастает, достигает максимума, затем, когда вода почти вся вытекла, уменьшается до нуля вследствие действия тормозящего момента.

2. Использование геркона, подключенного к ПЭВМ

Для экспериментального изучения вращения сегнерова колеса можно использовать датчик замыкания–размыкания на герконе. Геркон следует подключить, например, к 13 и 25 выводам параллельного порта принтера. При поднесении к нему магнита контакты геркона замыкаются. Если запустить программу 1 при разомкнутых выводах 13 и 25 (общий) порта принтера, то оператор INP(&H379) возвратит число 01111111 (или 127 в десятичной системе счисления), в чем можно убедиться, выведя его на экран с помощью оператора PRINT INP(&H379). При замыкании выводов 13 и 25 оператор INP(&H379) возвращает число 01101111 (или 111), в котором 5 бит инвертирован.

Для измерения скорости вращения сегнерова колеса к сосуду с противоположных сторон приклеивают два постоянных магнита, а рядом устанавливают датчик на герконе так, чтобы прохождение мимо него магнита вызывало замыкание контактов. Программа должна определять время замыкания или время между двумя последовательными замыканиями (размыканиями). Получающиеся при этом графики полностью аналогичны рассмотренным выше.

 3. Использование видеокамеры

Еще один метод изучения зависимости скорости вращения от времени состоит в записи движущегося тела на видеокамеру и разложении получившегося видеоклипа на отдельные кадры. В опыте используется пластиковая бутылка с двумя изогнутыми трубками, к которой прикреплен горизонтальный диск с радиальной полосой (меткой). Над ним устанавливают цифровую видеокамеру, а ее объектив направляют вниз. Включают видеокамеру и открывают сопла колеса Сегнера, оно начинает вращаться. Для разложения получившегося видеофрагмента в последовательность отдельных кадров применяется программа Adobe Premiere 6.0. С помощью графического редактора Paint определяют координаты   начала и конца полоски в каждом 10 кадре (рис. 3.1). Если частота кадров 25 кадров/c, то это позволяет вычислить угловую координату диска через каждые 1/2,5 с. Результаты вводят в электронные таблицы Excel и строят графики зависимостей угловой скорости и координаты от времени (рис. 3.2).

Погрешность определения координаты тела зависит от его скорости. Размытость изображения точки при скорости 0,5 м/с и частоте кадров 25 Гц (время съемки одного кадра равно 1/25=0,04 с) составляет 1–2 см.

4. Компьютерная модель явления

С целью компьютерного моделирования вращения сегнерова колеса, подвешенного на нити, написана программа, строящая графики зависимостей его массы, угловой координаты и скорости от времени. В основу компьютерной модели положен метод конечных разностей Эйлера, заключающийся в нахождении малых приращений анализируемых функций (массы сегнерова колеса, высоты жидкости, скорости, ускорения и т.д.), которые соответствуют малым приращениям времени. Модель учитывает, что при закручивании нити возникает момент упругих сил. Получающиеся результаты имитационного моделирования (рис. 1.2) согласуются с экспериментальными кривыми. При этом используется следующий алгоритм:

Рассмотренные эксперименты способствуют формированию научного мировоззрения студентов и школьников [6], приводят к повышению интереса к физике и информационным технологиям. Они могут лечь в основу учебного исследования, проекта, курсовой или дипломной работы студента.


Библиографический список
  1. Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте [Текст] // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.
  2. Майер В.В., Майер Р.В. Экспериментальное изучение вращения тела в вязкой среде // Преподавание физики в высшей школе. Сборник научных трудов. – №  7. – М.: Прометей, 1996. – С. 59­–68.
  3. Майер Р.В. Информационные технологии и физическое образование [Текст]. – Глазов: ГГПИ, 2006. – 64 с. (http://maier-rv.glazov.net)
  4. Майер Р.В. Как стать компьютерным гением или книга о информационных системах и технологиях [Текст]. – Глазов: ГГПИ, 2008. – 2004 c. (http://maier-rv.glazov.net)
  5. Матаев Г.Г. Компьютерная лаборатория в вузе и школе. Учебное пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 440 с.
  6. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе: Научный метод познания и обучение. – М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2004. – 120 с.


Все статьи автора «Майер Роберт Валерьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: