Исследовательский проект: «Эффективность использования цифровых измерительных приборов в школьном эксперименте».

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Основная общеобразовательная школа № 280» п. Оленья Губа  имени Героя Российской Федерации Дениса Александровича Опарина

        Школьная научно-практическая конференция

                   «Российской науке-Виват!»

                 Исследовательский проект:

«Эффективность использования цифровых измерительных приборов в школьном эксперименте»

                                                      Выполнили:

                                                Назаренко Кирилл,

                                                Демидов Егор,

                                                обучающиеся 8 класса.

                                                Руководитель:

                                    Нурмагомедов Владимир Агамагомедович,

                                    учитель физики.

                                              п. Оленья Губа

                                                        2023 г.

Содержание:

1.Цель исследовательского проекта.

2.Теоретическая часть – цифровые и аналоговые приборы.

  Обзор школьных цифровых и аналоговых приборов.

3.Экспериментальная часть.

4.Заключение, результаты.

1.ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ПРОЕКТА.

   Провести исследовательский анализ эффективности использования цифровых приборов в базовых демонстрационных и фронтальных школьных экспериментах, лабораторных работах.

   Выявить по возможности все положительные и отрицательные стороны в применении как цифровых, так и аналоговых приборов, провести качественный и количественный сравнительный анализ применения аналогового и цифрового оборудования.

   Определить погрешности в проведении некоторых базовых школьных экспериментах с применением выше перечисленных приборов.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Аналоговые приборы.

Школьные аналоговые приборы:

Принципы работы:

Аналоговый инструмент обычно содержит указатель и откалиброванный номеронабиратель с масштабированием для отображения вывода.

Аналоговый прибор также может быть двух типов:

1)Инструмент прямого измерения - это прибор, который преобразует энергию измеряемой величины непосредственно в энергию, которая запускает инструмент, и величину величины, которая должна быть измерена мгновенно. 

2) Инструмент сравнения, который сравнивает неизвестную величину со стандартом, когда требуется высокая точность. Прежде, чем приступить к измерениям, нужно выяснить цену деления прибора.

Спиртовой термометр измеряет  текущую температуру тела в градусах Цельсия. Работает подобное устройство следующим образом: при нагревании жидкость расширяется, и столбик спирта поднимается вверх, а при понижении температуры – опускается. С повышением температуры объем жидкости увеличивается, и мениск перемещается вверх по капилляру.  Диапазон температур измерения от -200 ° C до 78 ° C очень зависит от типа используемого алкоголя.

Принцип действия рычажных весов основан на уравновешивании силы тяжести груза с помощью рычага или системы рычагов. Вес тела может быть определён как через сравнение с весом эталонной массы, так и через измерение этой силы через другие физические величины. Рычажные весы имеют довольно простой принцип работы. С одной стороны располагается чаша, в которую помещают предметы подлежащие взвешиванию, а на другой стороне противовес. Для настройки точности используют определенный уровень, поскольку прибор должен устанавливаться ровно.

Плюсы и минусы приборов:

Плюсом спиртового термометра является: простота в использовании, низкая цена (в среднем 150 рублей)  и безопасность. Очень долгий срок службы. При правильном хранении он может прослужить несколько десятков лет. Не требует подзарядки или замены батареек.

Минусом спиртового термометра является: малая точность в измерениях , невозможность применения в экстремально низких или высоких температурах, цена деления термометра составляет 1-2 С° .

---------------------------------------------------------------------------------

Плюсы рычажных весов:

Большой срок службы и низкая цена. Благодаря прочной механической конструкции и отсутствию электронных элементов, такие решения для лаборатории прослужат крайне долго. Так как они не нуждаются в сложной настройке, обслуживании и уходе, что значительно упрощает работу с ними.

Минусы рычажных весов: недостатками рычажных весов являются трудоемкость процесса уравновешивания путем подбора гирь, не способен точно дать показания до долей деления.

Цифровые приборы.

Школьные цифровые приборы:

Принципы работы:

Принцип работы цифровых измерительных приборов состоит в том, что они преобразуют непрерывную измеряемую величину в дискретный сигнал (в числовой код), а затем отсчетное устройство (устройство индикации) воспроизводит значение измеряемой величины в цифровой форме. Существует несколько методов преобразования непрерывной величины в дискретную, из которых наибольшее распространение получил метод число-импульсного кодирования.

Принцип работы цифровых весов основан на преобразовании силы тяжести, возникающей при установке взвешиваемых предметов на платформу.
Датчик передает сигнал о нагрузке на индикатор в микропроцессорный терминал с последующей выдачей результата на табло агрегата.

Принцип работы цифрового термометра основан на способности материалов-проводников менять электросопротивление при нагреве и охлаждении. Данные выводятся на экран.

  Плюсы и минусы приборов:

Плюсы цифровых весов: Надежность – цифровые весы очень надежны, и вам не нужно беспокоиться о получении неточных показаний. Простота использования – цифровые весы очень просты в использовании. Легкий вес – цифровые весы легко переносить, так как они маленькие и легкие.

Минусы цифровых весов: требуется аккумулятор – важнейшая проблема с цифровыми весами заключается в том, что для работы им требуется аккумулятор. Цена – цена цифровых весов обычно немного выше, чем аналоговых весов, и это также во многом зависит от функций, которые вы выбираете. Калибровка – калибровка весов может быть немного проблематичной в случае использования некоторых цифровых весов, так как вручную откалибровать весы непросто.

---------------------------------------------------------------------------------

Плюсы цифрового термометра: безопасность-отсутствие вредных компонентов. Скорость измерения-быстрое время измерения, несколько секунд. Точность измерения-цифровой термометр измеряет температуру с точностью до 0.1 С°

Минусы цифрового термометра: Цена-цена цифрового термометра обычно выше, чем аналогового термометра

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Эксперимент №1. «Идентификация веществ».

Приборы и материалы: весы (аналоговые рычажные, электронные), мензурка, металлические цилиндры из различных веществ.

Цель эксперимента: выяснить из каких веществ выполнены каждый из металлических цилиндров.

Таблица измерений:

ρ = m/V – расчётная формула.

ρ1 = 2,75г/см3  = 2750 кг/м3 – идентифицировали как алюминий(1) , согласно таблице плотностей.

ρ 2 = 8,050 г/см3 = 8050кг/м3 – идентифицировали как сталь(2).

ρ 2 = 8,630 г/см3 = 8630кг/м3 – идентифицировали как латунь(3).

Результат эксперимента: в ходе идентификации веществ цифровые весы преимуществ перед аналоговыми не показали (точность 3 значащие цифры). Единственно можно выделить удобство и быстроту измерения цифровыми весами.

Эксперимент№2. «Определение удельной теплоёмкости алюминия, стали и латуни с применением школьных аналоговых и цифровых приборов».

Часть 1.

Аналоговые приборы и материалы, применяемые в эксперименте: весы с разновесом, спиртовой термометр, калориметр,  три цилиндра из различных веществ и нагреватель.

Цель эксперимента: определить удельную теплоёмкость веществ, из которых изготовлены металлические цилиндры, сравнить её с табличным значением, оценить погрешность эксперимента.

Таблица измерений (обобщённая):

c2=c1m1(t-t1)/m2(t2-t) – расчётная формула. 

Результаты эксперимента для аналоговых приборов:

с(Al) = 1020 Дж/кг, оС, табличное - 920 Дж/кг, оС.

Погрешность составила 11%.

с(Fe) = 466 Дж/кг, оС, табличное – 500 Дж/кг, оС.

Погрешность составила 6,8%.

c(латунь) = 337 Дж/кг, оС, табличное – 400 Дж/кг, оС

Погрешность составила 16 %.

Усреднённая погрешность эксперимента с применением аналоговых приборов составила 11%, что в принципе для школьного эксперимента хорошо.

Часть 2.

Цифровые приборы и материалы, применяемые в эксперименте: весы электронные, цифровой термометр, компьютер, калориметр, три цилиндра из различных веществ и нагреватель.

Цель эксперимента: определить удельную теплоёмкость веществ, из которых выполнены металлические цилиндры, сравнить полученные результаты с табличными значениями, оценить погрешность экспериментов в 1 и 2 частях, сделать сравнительный анализ применения аналогового и цифрового оборудования.

Результаты эксперимента для цифровых приборов:

с(Al) = 970 Дж/кг, оС, табличное - 920 Дж/кг, оС.

Погрешность составила 5%.

с(Fe) = 470 Дж/кг, оС, табличное – 500 Дж/кг, оС.

Погрешность составила 6%.

c(латунь) = 360 Дж/кг, оС, табличное – 400 Дж/кг, оС

Погрешность составила 10 %.

Усреднённая погрешность эксперимента с применением цифровых приборов составила 7%,что на 4 % лучше чем с аналоговыми приборами.

В данном эксперименте точнее были цифровые приборы.

Эксперимент№3.1 часть: «Определение плотности жидкости (вода) с применением микроманометра (аналоговый прибор).»

Приборы и материалы, используемые в эксперименте: микроманометр, измерительная лента (рулетка), цилиндр с водой, штативы.

Цель эксперимента: определить плотность воды применив формулу гидростатического давления, используя аналоговый микроманометр.

Расчётная формула: ρ = p/gh, где p – давление гидростатического столба (воды), g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения, h – высота гидростатического столба (воды).

Экспериментальные данные: р=300 Па, h=31 мм = 0,031 м.

Результат:  ρ = 987 кг/м3, табличное значение 1000 кг/м3.

Погрешность эксперимента составила 1,3%, очень хороший результат.

2 часть: «Определение плотности жидкости (вода) с применением датчика абсолютного давления (цифровой прибор).»

Цель эксперимента: определить плотность воды применив формулу гидростатического давления.

Приборы и материалы, используемые в эксперименте: цифровой датчик абсолютного давления, компьютер, измерительная лента (рулетка), цилиндр с водой, штативы.

Расчётная формула: ρ = p/gh, где p – давление гидростатического столба (воды), g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения, h – высота гидростатического столба (воды).

Экспериментальные данные: р=5600 Па, h=51,3 см = 0,513 м.

Результат:  ρ = 1100 кг/м3, табличное значение 1000 кг/м3.

Погрешность эксперимента составила 10%, хороший для школьного эксперимента результат.

В данных экспериментах точнее был аналоговый прибор.

Эксперимент№4. Лабораторная работа №5 «Измерение напряжения на различных участках цепи».

 Приборы и материалы, используемые в эксперименте: источник питания, резисторы – 2шт., амперметр ( для фиксации тока), вольтметр (цифровой и аналоговый), ключ, соединительные провода.

Цель работы: измерить напряжение на участке цепи, состоящем из двух последовательных соединённых резисторов, и сравнить его с напряжением на концах каждого резистора с целью проверить соотношение  U = U1 + U2 

Общий вид работы:

Результаты эксперимента:

Как мы видим погрешность в эксперименте для цифрового вольтметра меньше, но кроме этого он (цифровой вольтметр) в данном эксперименте обеспечивает более высокую точность измерения, т.е. определяет сотые доли измеряемого напряжения. В обычном вольтметре это не позволяет более грубая цена деления шкалы прибора.

В данном эксперименте точнее был цифровой прибор.

4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1) Аналоговые приборы в школьном эксперименте не уступают по качеству проведения измерений соответствующим цифровым аналогам.

При этом у них из плюсов: более доступная стоимость, простота обслуживания в случае поломки прибора, имеются в достаточном количестве для проведения фронтальных лабораторных работ, в виду простоты имеет высокую надёжность при эксплуатации.

Из минусов: перед применением необходимо определять цену деления шкалы прибора, имеют меньшую точность измерения, по времени измерение длится дольше.

2) Цифровые приборы в школьном эксперименте более удобны в эксплуатации.

При этом у них из плюсов: имеют более высокую точность измерения, в случае с цифровым мультиметром более широкий диапазон измеряемых величин, получение измерительной информации в цифровой форме на расстоянии, эксперимент протекает быстрее, возможность визуализации эксперимента при помощи построения графиков и диаграмм в ходе самого эксперимента.

Из минусов: высокая стоимость, в случае поломки прибор требует сервисного обслуживания, требуют периодической калибровки по истечении определённого интервала времени эксплуатации.