Использование датчиков Vernier в физическом эксперименте

Проведение исследований физических явлений с компьютерной обработкой результатов и применением роботов – новое направление экспериментальной деятельности на уроках в школе. Знания, полученные учеником с помощью прямого исследования действительности, развивают у школьника способность самостоятельно мыслить и побуждают к новым экспериментам. Наличие графической среды программирования LabVIEW, используемой в современной промышленности для управления крупными производствами, и широкой линейки точных и удобных датчиков, которые можно прикрепить к роботу NXT, превращает все эксперименты в захватывающие, динамичные и познавательные исследования.

Подобная практика наблюдалась в летней школе в Звенигороде, куда были приглашены лучшие школьники России, отобранные программой «Лифт в будущее». Этой талантливой молодежи было предложено в рамках спецкурса провести исследования с датчиками Vernier. Сразу оговоримся, что в летней школе ребята должны были активно и интересно отдыхать, поэтому времени на занятия отводилось не так много. Хотим ознакомить вас с некоторыми нашими исследованиями.Самый понятный и простой в использовании датчик – датчик температуры. С его помощью проводили эксперимент с определением температуры воды в нескольких стаканах, отыскивая их местоположение. Для этого был сконструирован голосовой термометр. Робот перемещался вдоль прямой, отыскивая с помощью датчика освещенности стаканы с водой разной температуры. Обнаружив объект исследования, робот останавливался и опускал в стакан датчик температуры Vernier. Затем происходил замер температуры в течение порядка 10 секунд (время срабатывания датчика в воде). С помощью проигрывания соответствующего звукового файла сообщалась температура воды. Для поиска стаканов применялся штатный датчик освещенности LEGO Mindstorms: использование датчика освещенности Vernier оказалось проблематично из-за его слишком большой чувствительности.Составленная в среде LabVIEW программа имела удобный интерфейс. С ее помощью были проведены многочисленные успешные опыты. Ученик математического лицея №1 г. Магнитогорска Андрей Пикунов смог все это сделать в короткие сроки, хотя предварительно не был знаком ни со средой программирования, ни с конкретным LEGO-конструктором и датчиками Vernier.Наиболее интересным оказалось для нас проведение роботизированного химического эксперимента. Была поставлена задача сконструировать робота, способного провести реакцию получения полимера. Реакция состояла в добавлении в водный раствор резорцина (C6H4(OH)2), формальдегида 40% (HCHO) и соляной кислоты 10%. Химическая часть эксперимента была предложена и разработана педагогом химического факультета МГУ, преподавателем СУНЦ МГУ Олегом Владимировичем Колясниковым, сам опыт проводила Александра Малашихина из пятигорской школы №30. Предварительно была проведена оптимизация задачи получения полимера красивого однородного цвета со временем реакции в пределах пяти минут. Полимер должен был быть достаточно эластичным, для того чтобы робот мог, не повредив реакционной колбы, изъять полимер. Артем Ломов и Андрей Исаченко из лицея №1557 г. Москвы сконструировали робота довольно сложной конструкции и составили программу эксперимента на LabVIEW. Самым интересным оказался процесс управления реакцией. Во время формирования полимера повышалась температура раствора. После того как полимер был сформирован, температура понижалась и проходило остывание и затвердевание полимера. В опыте наблюдались изменения оптической плотности объекта и изменение температуры. Эти характеристики измерялись с помощью датчиков освещенности и температуры поверхности Vernier и выводились на график в режиме on-line.Регулируя с помощью программы процесс остывания, можно было правильно рассчитать момент извлечения полимера из пробирки и успешно снять его со специального щупа. Все операции робот проводил автоматически: процесс захвата реактива из одной пробирки, добавление его в реакционную пробирку, захват и добавление катализатора в реакционную пробирку, опускание в пробирку щупа для формирования на нем полимера и снятие готового полимера со щупа.Роботизированная реакция получилась очень впечатляющей и вызывала у всех восторг и желание узнать, какие вещества в ней работают и что за полимер получается.В заключение хотелось бы отметить, использование LEGO NXT микрокомпьютера для робота-экспериментатора, оснащенного точными датчиками Vernier, работа в графической среде программирования LabVIEW для автоматической обработки данных поможет школьникам быстро проверить многие свои гипотезы, самостоятельно поставить эксперименты в межпредметных областях и научиться основам проведения современных исследований.​Лидия Белиовская, к.ф.-м.н., учитель информатики лицея №1557 г. Москвы