ИНТЕРАКТИВНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ УЧИТЕЛЯ ПО ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМУ

Интерактивная лаборатория учителя по Электромагнетизму предназначена для экспериментальной демонстрации магнитного поля, создаваемого электрическим током и силового взаимодействия между проводниками при протекании по ним электрического тока. Лаборатория обеспечивает изучение зависимости индукции магнитного поля от силы тока и плотности витков соленоида, изучения распределения магнитного поля плоской катушки и колец Гельмгольца, демонстрацию взаимодействия катушек с током одинаковой и противоположной направленности. Кроме того, лаборатория обеспечивает расчетное моделирование конфигураций магнитного поля внутри реального соленоида конечной длины и вокруг плоской катушки.

В состав лаборатории входит: соленоид сдвоенный, катушка плоская (2 шт.), провод специальный длиной 120 см, цифровой датчик магнитного поля, соединительный кабель, шкала на магнитной основе, резистор 1 Ом, нить (2 шт.), флеш-накопитель с ПО для проведения экспериментов и флеш-накопитель с ПО для моделирования.

Соленоид сдвоенный устанавливается на собственную подставку. К каркасу плоской катушки прикреплен стержень диаметром 8 мм и длиной 150мм для фиксации катушки в штативе. Цифровой датчик магнитного поля имеет чувствительный элемент смонтированный на конце щупа длиной 240мм и ориентированный таким образом, чтобы регистрировалась составляющая индукции магнитного поля, направленная вдоль оси щупа. Датчик имеет 2 диапазона и обеспечивает измерения в пределах от -40 мТл до + 40мТл и от -5мТл до + 5мТл соответственно. Погрешность измерений датчика — 5%. Время отклика — 0,1 сек. Размер корпуса 70х40х25 мм. Датчик имеет разъем USB (BF) для подключения к компьютеру с помощью соединительного кабеля. Корпус датчика имеет отверстие с вмонтированной гайкой для вкручивания стержня (и закрепления в штативе) и слой магнитной резины на одной из сторон для крепления датчика на металлической поверхности. Для контроля положения датчика магнитного поля используется шкала, которая выполнена на магнитной основе. Резистор включается в цепь питания катушек для контроля тока в цепи.

Основные технические характеристики элементов набора:

• Диаметр катушки сдвоенной — 51 мм

• Длина секции катушки сдвоенной — 230 мм

• Число витков секции катушки сдвоенной — 230/115

• Диаметр плоской катушки (средний) — 140 мм

• Число витков плоской катушки - 175

Программное обеспечение для проведения экспериментов содержит 4 сценария для проведения демонстрационных экспериментов по изучению зависимости магнитного поля от силы тока и регистрации на компьютере зависимостей магнитного поля от координаты.

Программное обеспечение позволяет работать с интерактивной доской и интерактивной панелью (управлять кнопками интерфейса, увеличивать зоны внутри окна, перетаскивать числовые значения из окна в окно и т. п. )

Интерфейс программного обеспечения может позволять обучать основным этапам проведения экспериментального исследования, а также позволять проводить с учениками совместные исследования.

Каждый из сценариев включает в себя оптимальные настройки используемых датчиков для проведения эксперимента и для последующей обработки собранных данных.

Сценарии позволяют выполнить все этапы научного исследования явления: демонстрировать качественные закономерности наблюдаемого процесса, проистекающего в газе (больше – меньше, растет-убывает-не зависит), проводить количественные исследования с измерением величин, формированием таблицы наблюдений, построение графика и сопоставления полученных экспериментальных данных с графиками различных функций, проводить обработку данных методом линеаризации.

Окна сценария при проведении эксперимента содержат:

• график сигнала, поступающего от одного или нескольких датчиков,

• окна обработки полученных данных (вкладки для формирования таблиц, построения графиков на основе сформированных таблиц и изображения, поясняющих суть явления).

Окно обработки данных предусматривает:

• Одну или несколько таблиц для обработки данных, полученных от датчиков, занесение экспериментальных данных в таблицу может осуществляться методом drag-n-drop, при этом программное обеспечение может позволять заносить в таблицу как отдельные точки, так и весь выделенный интервал;

• наличие заполненных столбцов с исходными данными, характеризующими детали поставляемых установок,

• заполнение столбцов данными, перетаскиваемыми из окна регистрации

• таблица может содержать различные типы ячеек (экспериментальные данные; константы; вычисляемые значения, на основании данных из других ячеек; линеаризующие ячейки);

• наличие возможности вносить в ячейки определенных столбцов таблицы данные с клавиатуры,

• проведение автоматически заложенных в сценарии арифметических и алгебраических операций с данными столбцов,

• нанесение на график точек, связанных с определенной строкой таблицы

• стирать строки таблицы

• увеличивать изображение чисел и букв в ячейках таблицы

• возможность экспорта таблицы во внешний файл и рассылки ее по локальной сети для дальнейшей обработки

В окне с Графиком сценарии позволяют:

• наносить точки на один график или несколько графиков при оптимальном выборе масштаба,

• аппроксимировать получаемые зависимости графиками аналитических функций из имеющегося набора (10 функций)

• подбирать график выбранного типа функций методом наименьших квадратов, который максимально близко подходит

к экспериментальным точкам, насколько это возможно

• совмещать график подобранной функции с экспериментальной зависимостью на одной координатной сетке

• выводить уравнение подобранной функции на экран

Программное обеспечение позволяет вывести в отдельное окно изображение с видеокамеры, подключенной к персональному компьютеру, для детального рассмотрения на интерактивной доске, интерактивной панели или экране ПК отдельных элементов используемых при проведении эксперимента.

Программное обеспечение для моделирования конфигурации магнитного поля, создаваемого электрическим током обеспечивает расчет и представление на экране картины магнитного поля, возникающего вокруг катушки с током. Программа имеет два экрана представления данных – экран векторного представления поля и экран графиков. Экран векторного представления поля включает в себя изображение катушки, пространство для вывода векторов индукции магнитного поля, а также слайдеры для задания параметров катушки и слайдеры для задания положения осей построения графиков. При этом обеспечено задание длины катушки и ее радиуса, плотности витков намотки и силы тока. Вектор индукции магнитного поля представляется отрезком, начинающимся в точке установки маркера. Длина и направление отрезка характеризуют величину и ориентацию вектора индукции. При этом на экране показаны координаты маркера и величины проекций индукции магнитного поля в точке установки маркера. На экране графиков выводятся зависимости продольной (вдоль оси катушки) и радиальной (вдоль направления радиуса катушки) проекций вектора индукции магнитного поля на выбранные координатные оси. На поле графика работает маркер, позволяющий считывать с графика значение индукции магнитного поля и координату рассматриваемой точки. Программа формирует таблицу результатов расчета магнитного поля, которая может быть вставлена в электронную таблицу для дальнейшей работы с данными. Результаты расчета позволяют находить силу взаимодействия между соосно расположенными плоскими катушками при произвольном расстоянии между ними.

Программное обеспечение работает под управлением операционных систем семейства Windows.

Методическое руководство содержит указания по выполнению 6 экспериментов на собираемых установках и указания по выполнению моделирования магнитных полей. Описание опытов сопровождается фотографией установки и скриншотами программного обеспечения, показывающими, какие результаты учитель должен получить в ходе демонстрации. Методичка отпечатана на бумаге плотностью 80 гр./м2, форматом А4, печать двусторонняя, красочность 4+4 (полноцвет).