ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης Θάνος Ι., Σκλαβενίτης Δ., Αντωνίου Α. Δύο εργαστηριακές εφαρμογές με το Σύστημα Συγχρονικής Λήψης και Απεικόνισης Δεδομένων MultiLog-DBLab ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης Θάνος Ι., Σκλαβενίτης Δ., Αντωνίου Α.

Η φυσική Τι είναι, γιατί την εμπιστευόμαστε, γιατί την εκτιμάμε. Τι είναι, γιατί την εμπιστευόμαστε, γιατί την εκτιμάμε. Πως δουλεύει; Ποια εργαλεία, ποιες αναπαραστάσεις, χρησιμοποιούν οι φυσικοί. Ισχυρά ερμηνευτικά μοντέλα των φυσικών φαινομένων. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Η εργαστηριακή δραστηριότητα Σε ένα σχολικό περιβάλλον, όπου στο μαθητή παρέχεται υλικό (είσοδος) και αυτός είναι υποχρεωμένος σε «συνθήκες εξέτασης» να εκθέσει το υλικό (έξοδος). Αντιστέκεται Επιβιώνει Αναπτύσσεται ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Η πρόσληψη Στο εργαστήριο η πρόσληψη είναι Αυθεντική Συμμετέχουν όλες οι αισθήσεις Χωρίς μετασχηματισμούς από 3D σε 2D όπως στο βιβλίο ή την οθόνη. Περιλαμβάνει όμως και μια λειτουργία διερμηνείας, κατά την οποία η συνολική εικόνα Καθαρίζει Κάποια σημεία τονίζονται. Η προϋπάρχουσα γνώση και οι αντιλήψεις παίζουν σημαντικό ρόλο στην όλη διαδικασία. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Οι έμπειροι και η αρχάριοι Το εργαστήριο ως χώρος με πλήθος από ερεθίσματα, προκαλεί ένα σωρό ερωτήματα. Η πρόσληψη των πληροφοριών, εκείνο που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις φιλτράρεται , με κριτήρια επιλογής από τους έμπειρους αλλά οι αρχάριοι δίνουν την ίδια σημασία σε όλα τα ερεθίσματα αδυνατώντας να ξεχωρίσουν τι έχει ενδιαφέρον και τι όχι. Οι δάσκαλοι είναι περισσότερο έμπειροι «μαθητές», των οποίων οι δεξιότητες, για το πώς να μαθαίνουν, είναι αυτό που χρειάζονται οι μαθητές. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Σύνθεση ταλαντώσεων – διακροτήματα Στόχοι της πειραματικής δραστηριότητας είναι ο μαθητής: Να συνθέτει απλές αρμονικές ταλαντώσεις Να σχεδιάζει και να εκτελεί συγκεκριμένα πειράματα μηχανικών και ηλεκτρικών ταλαντώσεων. (όπως αναφέρονται στο αναλυτικό πρόγραμμα του Λυκείου για την Γ’ τάξη (ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΌ ΙΝΣΤΙΤΟΎΤΟ 2000)) Η εξοικείωση των μαθητών στη χρήση των σύγχρονων ψηφιακών τεχνολογιών στη λήψη και επεξεργασία πειραματικών δεδομένων. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Πειραματικές προσεγγίσεις Ηχητικά κύματα που διαδίδονται στο χώρο και θέτουν το τύμπανο του αυτιού σε σύνθετη ταλάντωση. Ηλεκτρικές ταλαντώσεις, παραγόμενες από γεννήτριες συχνοτήτων, συντίθενται και παρουσιάζονται στην οθόνη παλμογράφου. Όλες δρουν συμπληρωματικά και ενισχυτικά. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Η παρούσα προσέγγιση Χρησιμοποιεί απλά υλικά και σώματα τα οποία βρίσκονται στο εργαστήριο των λυκείων όπως ελατήρια, βαρίδια και νήματα. Η λειτουργία τους είναι απλή και είναι αντικείμενο μελέτης στο πλαίσιο του μαθήματος της φυσικής. Παρατηρείται η κίνηση σώματος. Η παρατήρηση είναι εύκολη και εφικτή από όλους τους μαθητές. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Πειραματική διάταξη Δύο όμοια κατακόρυφα ελατήρια, των οποίων το ένα άκρο είναι σταθερό και στο άλλο άκρο υπάρχουν προσαρτημένα βαρίδια. Ένα νήμα έχει τα δύο του άκρα προσδεμένα στους δύο ταλαντωτές διέρχεται από δύο δακτυλίους, οι οποίοι είναι στερεωμένοι στο ύψος που βρίσκονται τα σταθερά άκρα των ελατηρίων, έτσι ώστε ένα τμήμα του νήματος να είναι κατακόρυφο και διέρχεται επίσης από μικρό δαχτυλίδι το οποίο είναι στερεωμένο σε ένα ελαφρύ κομμάτι φελιζόλ. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Πειραματική διάταξη ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Microcomputer Based Laboratory Χρησιμοποιείται το σύστημα συγχρονικής λήψης και απεικόνισης δεδομένων MultiLog - DBLab, το οποίο περιλαμβάνει: Τους αισθητήρες (Sensors), δηλαδή συσκευές με τις οποίες, με τη χρήση κατάλληλων τεχνικών και τεχνολογιών, καταγράφονται ένα πλήθος φυσικών μεγεθών. Το MultiLog, μια ενδιάμεση συσκευή (Interface), η οποία εξυπηρετεί την επικοινωνία των αισθητήρων και του υπολογιστή. Το DBLab, το λογισμικό με το οποίο ο χρήστης συγκεντρώνει, επεξεργάζεται και παρουσιάζει τα δεδομένα. Το MultiLog-DBLab υπάρχει στα εργαστήρια των φυσικών επιστημών των Λυκείων. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Ο αισθητήρας κίνησης Χρησιμοποιείται ο αισθητήρας κίνησης για την ανίχνευση της θέσης του σώματος που εκτελεί τη σύνθετη ταλάντωση. Προσοχή στις προδιαγραφές λειτουργίας το αισθητήρα. (Εκπέμπει παλμούς υπερήχων και καταγράφει τα ανακλώμενα, από το αντικείμενο, κύματα. Ο αισθητήρας κίνησης μπορεί, με ακρίβεια, να μετρήσει τη θέση αντικειμένων που βρίσκονται σε αποστάσεις 0,4 - 6 μέτρα. Ανιχνεύει το πλησιέστερο αντικείμενο σ' ένα κώνο περίπου15 μοιρών.) ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Πειραματική διαδικασία ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Τυπικές μετρήσεις ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Συμπεράσματα – παρατηρήσεις Η τιμή της συχνότητας των διακροτημάτων είναι με καλή προσέγγιση εκείνη που υπολογίζεται από τη θεωρία Οι επιμέρους ταλαντώσεις, κυρίως λόγω των τριβών που υπάρχουν, είναι φθίνουσες, άρα το μέγιστο πλάτος στη δεύτερη περίοδο του διακροτήματος είναι εμφανώς μικρότερο από εκείνο της πρώτης. Στην εκτέλεση του πειράματος θα πρέπει να ληφθεί μέριμνα, ώστε οι προς σύνθεση ταλαντώσεις να έχουν περίπου το ίδιο πλάτος. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Κίνηση μαγνήτη σε σχέση με ακίνητο πηνίο Η δραστηριότητα έχει αφενός ως στόχους εκείνους που τίθενται από το αναλυτικό πρόγραμμα για την Β’ Λυκείου (ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ 2000), ο μαθητής: Να περιγράφει ποιοτικά και ποσοτικά το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής Να σχεδιάζει και να εκτελεί συγκεκριμένα πειράματα με πηνία και μαγνήτες αφετέρου Την εξοικείωση των μαθητών με τη χρήση των σύγχρονων ψηφιακών τεχνολογιών στην λήψη και επεξεργασία πειραματικών δεδομένων. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Αναλογικό γαλβανόμετρο … ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Η πειραματική διάταξη Ένα πηνίο 300 σπειρών χωρίς πυρήνα, το οποίο στερεώνεται σε ένα ορθοστάτη με τον άξονά του κατακόρυφο, και Ένας ραβδόμορφος μαγνήτης, ο οποίος αφήνεται να πέσει και να διέλθει από το εσωτερικό του πηνίου. Το πηνίο συνδέεται με τον αισθητήρα ρεύματος (±2.5 Amp) και αυτός, με άλλο κατάλληλο καλώδιο, συνδέεται στο MultiLog. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Ως επέκταση της δραστηριότητας … … ένα δεύτερο όμοιο πηνίο τοποθετείται κάτω από το πρώτο με τον άξονά του στην ίδια κατακόρυφη διεύθυνση. Τυπικές ρυθμίσεις στο DBLab είναι οι 2500 μετρήσεις με ρυθμό 500 μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Πειραματική διαδικασία Αμέσως μετά την έναρξη «λήψης δεδομένων» στο περιβάλλον του λογισμικού DBLab, αφήνουμε το ραβδόμορφο μαγνήτη να πέσει. Στο παράθυρο του DBLab εμφανίζεται η γραφική παράσταση του ηλεκτρικού ρεύματος σε σχέση με το χρόνο. Με τα εργαλεία της προβολής – μεγέθυνσης μπορεί να επιλεχθεί όσο γίνεται καλύτερη εμφάνιση των καμπυλών. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Διδακτική αξιοποίηση Πως ερμηνεύεται καταρχήν το φαινόμενο της εμφάνισης ηλεκτρικού ρεύματος στο πηνίο; Πως ερμηνεύεται το γεγονός ότι το ρεύμα στο πηνίο αλλάζει φορά καθώς ο μαγνήτης περνά από το εσωτερικό του πηνίου; ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Προσανατολισμός του μαγνήτη ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Το εμβαδόν και η φυσική του σημασία το εμβαδό, το οποίο περικλείεται από τη γραφική παράσταση και τον άξονα του χρόνου εκφράζει το φορτίο που κινήθηκε στο πηνίο κατά τη διάρκεια του επαγωγικού φαινόμενου. Με τη δυνατότητα ολοκλήρωσης που παρέχει το λογισμικό υπολογίζεται το συνολικό φορτίο. νόμος Neumann ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Η μέγιστη τιμή του ρεύματος Η σύγκριση των μέγιστων τιμών των ρευμάτων στους δύο κλάδους. Η ταχύτητα με την οποία πλησιάζει ο μαγνήτης το πηνίο είναι μικρότερη από εκείνη με την οποία απομακρύνεται. Αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη τιμή του ρεύματος στο πλησίασμα του μαγνήτη είναι μικρότερη από την μέγιστη τιμή, όταν αυτός απομακρύνεται. Μετρώντας τις τιμές αυτές στο περιβάλλον του λογισμικού διαπιστώνουμε την θεωρητική πρόβλεψη (Εικόνα 5). Δεξιά η μέτρηση του ρεύματος είναι η μέγιστη θετική τιμή, τη χρονική στιγμή των 210 msec. ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009

Συμπεράσματα – παρατηρήσεις Δεχόμαστε ότι η δύναμη από το πηνίο στο μαγνήτη δεν επηρεάζει σημαντικά την κίνηση του μαγνήτη, ως πυκνού σώματος που πέφτει με την επίδραση τους βάρους. Οι μικρές αποκλίσεις στις μετρήσεις των εμβαδών στις γραφικές παραστάσεις είναι δυνατόν να ελαττωθούν και οπωσδήποτε δεν δημιουργούν σοβαρά προβλήματα σε σχέση με τα προσδοκώμενα μαθησιακά οφέλη. Επέκταση ΕΚΦΕ Πειραιά – Καλλίπολης, Σύρος 2009