Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=64 Дата изменения: Fri May 5 15:26:03 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:23:31 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п

Гимназия ?3 г. Павлодара



Научно-технический прогресс как ключевое звено экономического роста



ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОЧЕНЬ МАЛЫХ

ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ



секция физики



Авторы:

Пукса Денис
Михайловский Дмитрий





Руководитель работы:
к.т.н. Перфилов
Леонид

Александрович


г. Павлодар 2002










Содержание



1. Введение...........................3
2. Технические условия на прибор...............4
3. Теоретические сведения .................. 4
4. Общие принципы конструирования прибора...........4
5. Схема прибора и его работа.................6
6. Расчёт периодичности импульсов в ГИН.............7
7. Конструкция прибора.....................7
8. Технические характеристики элементов прибора........9
9. Работа с прибором.....................10
10. Заключение .......................10
Список литературы .....................

































1. Введение

В разделе «Кинематика» курса «Физика - 9» изучается прямолинейное
движение тела. При этом ученикам приходится выполнять лабораторные
работы, связанные с измерениями временных интервалов, а учителю - проводить
на уроке демонстрационные опыты, также связанные с измерением времени
движения тела. При этом экспериментаторы обычно пользуются либо
часами, либо секундомером, либо метрономом. Наиболее точное измерение
времени, безусловно, достигается при использовании секундомера. Но и в этом
случае возникают большие погрешности в измерениях временных интервалов,
так как человек, управляя хронометром, не может точно зафиксировать
начальные и конечные моменты времени движения тела. В то же время глубокое
понимание сущности процессов равномерного, а тем более неравномерного
движения невозможно без анализа количественных показателей движения. Даже
достаточно опытный и внимательный экспериментатор часто получает настолько
неточные результаты, что подтвердить ими теоретические положения кинематики
тела невозможно. Поэтому и учитель, и ученики должны обладать устройством
для точного отсчета длительности временных интервалов движения тела.
Насколько известно авторам работы, отечественная промышленность ни ранее,
ни сейчас не выпускает приборов или устройств, позволяющих
автоматизировать хронометраж кинематических процессов с достаточным для
практических целей уровнем точности. Цель настоящей работы заключается в
создании такого устройства, которое очень малые (измеряемые сотыми долями
секунды)может автоматически измерять интервалы времени движения тела и
представлять информацию в цифровом виде, более удобном для восприятия.
Устройство должно быть безопасно при использовании его учениками. Кроме
того, конструкция устройства и его отдельные элементы должны быть
достаточно просты и доступны в приобретении, чтобы его можно было
изготовить и растиражировать в условиях средней школы и силами учеников

Необходимость измерения очень малых временных интервалов объясняется
тем ,что прибор предполагается использовать на уроках физики в 9 классах
при изучении равноускоренного движения. При этом важно иметь возможность
измерять мгновенную скорость движения тела.
В качестве хронометров (приборов для измерения длительности временных
интервалов) могут быть использованы либо механические, либо электрические
устройства. Из этих двух видов хронометров было решено применить
электрический, так как он обеспечивает большую точность. К тому же, в
кабинете физики оказался в наличии электронный комбинированный прибор для
отсчета времени или количества электрических импульсов, поступивших на его
вход - "Счетчик импульсов лабораторный". Прибор заводского изготовления,
имеет не стрелочную, а цифровую индикацию, что очень удобно.
Главная проблема исследований состояла в разработке схемы и
конструкции устройства, подборе элементов схемы, в определении и
согласовании их основных характеристик. Наиболее применяемый метод
исследования - физический эксперимент в условиях школьного кабинета физики
по выявлению электрических, электромагнитных и фотометрических параметров
элементов устройства.


2. Технические условия на прибор

Технические условия на выполнение задачи сформулированы перед
авторами работы в следующем виде:
1. Движущееся тело-шарик диаметром 30 мм. Движение шарика

должно быть наблюдаемо для учеников.
2. Перемещение тела, его скорость и ускорение должны быть
изменяемы по желанию экспериментатора.
3. Точность измерения - не ниже 0,01 с. при любых перемещениях тела.
4. Электропитание прибора- от сети электроснабжения кабинета физики

(36 В переменного тока).
5. Прибор должен обеспечивать электрическую
экологическую
безопасность для экспериментатора и окружающих.


3.Теоретические сведения.

Как известно, мгновенная скорость - это скорость тела в заданный
момент времени или в заданной точке траектории.
Математически значение мгновенной скорости можно вычислить по
формуле:
V=[pic],
Где [pic]x - изменение координаты тела; [pic] - время этого изменения.
Используя дифференциальное исчисление, мгновенную скорость можно вычислить
так:
V=[pic][pic]=[pic]
Значит, для более точного измерения мгновенной скорости тела надо
измерять бесконечно малые времена движения. Отсюда и возникает
необходимость измерения очень малых времен движения тела.


4.Общие принципы конструирования прибора.

В качестве прибора, измеряющего длительность временного интервала,
решено было использовать прибор заводского изготовления - «Счетчик
импульсов лабораторный» (СИЛ). Этот прибор позволяет:
1) измерять длительность временных интервалов;
2) считать количество поступивших на его вход электрических импульсов.
Прибор СИЛ имеет следующие технические характеристики:

1.Электрическое питание - однофазный ток напряжением 35,8[pic]46,2 В,
частотой
50[pic]1 Гц.
2.Режим работы счетчика:
а) автономный счет положительных импульсов;
б) автономный счет времени;
в) счет импульсов напряжения от внешнего источника количеством от 0 до
9999 при их частоте от 0,01 Гц до 100 Гц и амплитуде от 3В до 42В;
г) счет времени от 0с до 99,99с с дискретностью 0,01с.


Отсчет времени прибор производит тогда, когда замыкается его пара
контактов «время». Это замыкание вначале осуществлялось с помощью
специальной электронной схемы, выходным органом которой являлась пара
нормально разомкнутых контактов электромеханического малогабаритного реле
РЭС-9. Специально проведенные эксперименты показали, что время срабатывания
этого реле составляет 0,01с, что вполне соответствовало техническим
условиям. Однако уже первые испытания схемы выявили, что
электромеханические реле типа РЭС-9 (и другие подобные) имеют большой
разброс времен срабатывания. Это приводило к тому, что два полностью
повторяющих друг друга опыта приводили к разным результатам, причем
различие было недопустимо большим. Это заставило отказаться от
использования электромеханических элементов и перейти на полностью
электронную схему прибора. Одновременно пришлось перейти на использование
СИЛ в режиме «импульс».
Основное техническое решение по конструированию прибора состоит в
использовании перекрываемого светового потока для управления электронной
схемой с помощью полупроводникового оптического прибора фоторезистора
(фотосопротивления ФС). Принципиальная схема прибора приведена на рис 1.



световой поток





[pic]





Движущийся шарик перекрывает световой поток, падающий на ФС.
Фоторезистор изменяет свое сопротивление, из-за чего начинает работать блок
управления БУ. Блок управления запускает ГИН - генератор импульсного
напряжения, который вырабатывает электрические импульсы, следующие друг за
другом с известной периодичностью. СИЛ считает количество поступивших на
его вход импульсов. Как только шарик откроет световой поток, работа ГИН
прекращается. Если периодичность импульсов Т известна, то время их
поступления t, т.е. время перекрывания светового потока, можно найти так:
t = Tn,
где n- показания счетчика импульсов; Т- периодичность импульсов, с.
За время t шарик пройдет путь, равный своему диаметру d, тогда мгновенная
скорость шарика будет равна:
V=[pic]
Т.к. величины d и T постоянны, то их отношение
A=[pic]
постоянно и заранее известно; значит, мгновенная скорость тела
V=[pic].


5.Схема прибора и его работа.

Электрическая схема прибора приведена на рис 2.


[pic]Рис 2. Электрическая схема прибора.










6.Расчет периодичности импульсов ГИН[4].


Генератор импульсов работает устойчиво, если соблюдается условие

[pic][pic][pic] ,
где [pic]-напряжение эмиттер-коллектор при работе ГИН;
[pic]- удерживающий ток тиристора.
Удерживающий ток [pic] принят [pic]=100мА (см. далее).Напряжение [pic]=12 В
(по измерениям в схеме БУ). Тогда
R8[pic][pic]=120 Ом
Принято R8=300 Ом. Кроме того , R8>>R6; принимаем R6=30 Ом.
Сопротивление R7 принято R7=500 Ом. Для удобства расчета скорости тела V и
в соответствии с параметрами СИЛ периодичность импульсов принята Т=0,02с.
Теперь можно рассчитать емкость конденсатора
С=[pic]=23,2 мкФ.
При выбранных значениях периодичности Т и диаметра шарика d постоянную А в
формуле скорости сила можно рассчитать так
А=[pic]=1,5 м/с,
А саму скорость вычислять по формуле
V=[pic]


7. Конструкция устройства

Конструктивно устройство выполнено в виде 4-х блоков:
1. Желоб.
2. Приемный блок.
3. Электрический блок.
Желоб выполнен в виде деревянного бруска; его форма в поперечном
сечении представлена на рис.2. По углублению в верхней части желоба
движется шарик.
Приемный блок (рис.4) представляет собой платформу 1, на которой
укреплена стойка 2 с фоторезистором 3. На другом конце платформы установлен
осветитель, состоящий из лампочки 4 и отражателя 5. Осветитель закрыт
корпусом 6. Выступы 7 служат для сочленения блока с желобом. Фиксация блока
в нужном месте желоба производится винтом 8. В передней стенке осветителя
сделано отверстие 9 для светового пучка. Приемный блок оборудован
устройством для торможения шарика и предотвращения его отскакивания назад,
так как при этом начинается продолжающийся счет времени, а это недопустимо.
Электрическая часть устройства выполнена в виде ящика, в котором
смонтирована основная часть электрической схемы устройства, и на крышке
которого вертикально укреплен счетчик импульсов.
Желоб

[pic]
Рис.2 Поперечное сечение желоба.




[pic]





Рис.4. Приёмный блок устройства.


8.Технические характеристики элементов прибора
Обозначения элементов - по схеме рис. 2.
1.Фоторезистор R1
Тип..............................ФСД 1
Рабочее напряжение, В.......................300
Темновое сопротивление, мОм...................200
Кратность изменения сопротивления при освещени........500
2.Резисторы R2-R9
Сопротивления резисторов, Ом
R2..............................47000
R3.............................5100
R4.............................1000
R5 (подбирается регулировкой)..............100-1000
R6..............................30
R7...............................500
R8...............................300
R9..............................50
3. Транзисторы V1 и V2
Тип...........................МП 41
Коэффициент усиления по току.................30-60
Напряжение [pic], В......................15
Напряжение [pic],В.........................5
4.Конденсатор С
Тип...........................К 50-6
Емкость, мкФ..........................23,2
Напряжение, В........................50
5.Конденсатор С1
Тип...........................К 50-6
Емкость, мкФ........................100
Напряжение, В........................50
6.Тиристор V3
Тип..........................2У 201А
Ток в открытом состоянии, А...................2
Ток в закрытом состоянии, мА....................5
Ток, удерживающий, мА....................100
Напряжение в закрытом состоянии, В...............25
Напряжение в открытом состоянии, В.................2
Напряжение отпирающее, В...................6
7.Выпрямительный блок V4
Тип............................КЦ-402 Б
Выпрямленный ток, А.......................1
Наибольшее обратное выпрямленное напряжение, В.........500
8.Трансформатор Т1
Первичное напряжение, В....................36
Вторичное напряжение,В.....................12
Мощность, Вт.........................10
9.Лампочка Л
Номинальное напряжение, В...................12
Номинальный ток, А.....................0,1




9.Работа с прибором

Регулирование скорости движения шарика осуществляется выбором угла
наклона желоба с помощью лабораторного штатива. Установив нужный угол
наклона, надо включить прибор в сеть переменного тока, напряжением 36В и
переключить тумблер на лицевой панели прибора в положение «Вкл».
Одновременно с этим включается лампочка Л освещения фоторезистора. Клавиша
счетчиков импульсов «ИМУЛЬСЫ- ВРЕМЯ» должна быть включена в положении
«ИМУЛЬСЫ». Затем необходимо нажать клавишу «УСТ. 0»; этим самым на табло
прибора устанавливается показание «0000». Установить и закрепить приемное
устройство на нужном расстоянии от начала траектории движения шарика.
Установить шарик в углубление желоба, отпустить и считать показание
счетчика имульсов.

10. Заключение

Основные результаты работы состоят в следующем:
1. Опробована и подтверждена идея использования светового пучка для
управления отсчета времени движения тела.
2. Разработана схема устройства, в которой подобраны и согласованы
по техническим характеристикам и конструктивным параметрам элементы,
обеспечивающие выполнение предъявленных технических условий, главное из
которых - автоматизация процесса измерения очень малых отрезков времени
механического движения при высокой (не ниже 0,02с) точности.
3. Изготовлен головной образец устройства, предназначенный для
измерения времени движения шарика по желобу и его мгновенной скорости.
Образец проверен в работе, отвечает техническим условиям задания, работает
устойчиво.
4. Устройство может быть изготовлено и размножено в условиях любой
средней школы при минимальных затратах.
5. Устройство просто в обращении, с ним могут работать не только
учителя, но и ученики.
6. При минимальной реконструкции, без изменений принципиального
характера, устройство можно использовать для хронометража движения не
только шарика, но и других тел.






11. Список используемой литературы

1. А.К. Кикоин и др. Физика: Учеб. для 10 кл. шк. (классов) с углубл. изуч.
физики/ М.: Просвещение, 1992 - стр.223-225.
2. Л.Н.Бочаров. Электронные приборы : Учебник для техников.- М.:
Энергия, 1979.- стр.314-317.
3. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика: Учеб.для Пкл. сред.шк.-М.:
Просвещение, 1991.-стр. 57-59.
4. Л.Ф. Ауэн. Проектирование дискретных устройств автоматики. - Л.:Энергия,
1980.
















































Аннотация


Работа посвящена созданию устройства для точного измерения малых
,временных интервалов механического движения тела в виде шарика.
Приводятся принципиальная и электрическая схемы, описание и технические
характеристики устройства для проведения демонстрационных экспериментов и
выполнения лабораторных работ по разделу «Кинематика» курса физики в
средней школе. Кроме того, приводятся технические характеристики элементов,
входящих в состав представленного образца.
Устройство производит автоматический счет времени движения шарика
диаметром 30 мм по специальному деревянному желобу любой длины. Скорость
движения и перемещение тела могут регулироваться по желанию
экспериментатора в таких пределах, чтобы время движения было не менее 0,02
с.
Устройство выполнено на элементной базе, имеющейся в распоряжении
средней школы. Конструкция достаточно проста, её можно изготовить в
школьной мастерской силами учеников. Экспериментальная часть работы
состоит в определении и согласовании главных технических характеристик
элементов устройства и может быть выполнена учениками старших классов.
Тиражирование устройства поможет решить проблему оснащения кабинетов физики
школ точным хронометрическим устройством. При незначительном изменении
конструкции устройство можно использовать для изучения движения любых тел,
кроме прозрачных для света, слишком больших или слишком малых по размерам.
Научный руководитель, к.т.н., доцент Перфилов Л.А.
















































Annotation


The content of this work is creating of the appliance for exact
measuring of small time intervals of mechanical movement of a round object.
They present of principle and electric schemes, description and
technical characteristics of appliance for exact measuring of prolonged
time intervals while making demonstrative experiments and fulfilling
laboratory works in the passage of Kinematics in the school course of
physics. And we adduce technical characteristics of elements forming part
of presented appliance. You can use this appliance for automatic
calculating of moving time of 30 mm diameter ball along the wooden groove
of any length. An experimenter can regulate the speed of movement the way
of any object within the limit of the time of the movement. It has to be
more than 0.02 second.
Pupils can assemble the appliance using the possibility of laboratories
and workshops of any school. The construction is very simple.
The experimental part of this work consists of the definition and the
coordination of the main mechanical characteristics of all elements of the
appliance.
The problem of providing of school physics laboratories with exact
chronometers can be solved with the help of the these appliance. If someone
makes an insignificant change of the appliance he can have the use of it
and study the movement of any object he want, but not limpid, not too large
or too small one.





























Отзыв

Научного руководителя на работу «Прибор для измерения очень малых временных
интервалов».
Прибор предполагается использовать для демонстрационных опытов
учителями физики при объяснении закономерностей равноускоренного движения в
курсе «Физика - 9». Кроме того прибор может быть использован учениками при
выполнении лабораторных работ по разделу «Кинематика».
Технические условия на прибор выполнены. Многие физические процессы и
явления, с которыми приходилось иметь дело авторам работы, выходят за рамки
программного материала по физике в 9-11 классах.
Примененные в приборе элементы, устройства, материалы экологически
совершенно безопасны, требования электрической безопасности также выполнены
в полном объеме.

Научный руководитель
к.т.н., доцент
Перфилов Л.А.



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

ФС


БУ


ГИН


СИЛ

шарик