ИНТЕРАКТИВНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ УЧИТЕЛЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ЗВУКОВЫХ ВОЛН

Интерактивная лаборатория учителя по звуковым волнам предназначена для демонстрации основных понятий и закономерностей волновых процессов, изучения распространения и отражения продольных упругих волн, знакомства с такими явлениями как интерференция и дифракция, акустический резонанс и биения звуковых колебаний. Лаборатория позволяет выполнить 14 экспериментов и расчетное моделирование двумерной интерференционной картины звуковых волн. Набор обеспечивает проведение экспериментов на вертикальной поверхности магнитной классной доски. В состав набора входит:

• Цифровой датчик звука двухканальный, который регистрирует звуковые волны в 2-х точках рабочей поверхности, удаленных друг от друга на расстояние от 0 до 2 м включительно. Для этого, он состоит из основного модуля и двух микрофонов, соединенных кабелями длиной 1 м с основным модулем. Микрофоны и основной модуль датчика имеют магниты для крепления на вертикальной металлической поверхности. Микрофоны выполнены в цилиндрических корпусов диаметром 14 мм и длиной 20 мм. Датчик будет регистрировать звуковые колебания в диапазоне частот 0,3-5 кГц. Частота оцифровки сигнала минимум 100 кГц по каждому из каналов, рассогласование каналов по времени 0.01 мс. Габариты корпуса основного модуля 70х40х25мм. Основной модуль датчика имеет разъем USB (BF) для подключения к компьютеру (нетбуку) с помощью соединительного кабеля.

• Комплект из 2 динамиков, будет подключаться к управляемому от компьютера генератору, имеет мощность 2 Вт, обеспечивать генерацию звуковых колебаний в диапазоне 0,3-5 кГц и имеет магниты для крепления на вертикальной металлической поверхности.

• генератор двухканальный, к которому подключаются динамики и который сам подключается к USB-разъему компьютера и управляться с помощью компьютерной программы. Габариты корпуса генератора 70х40х25мм, при этом имеется магнитное крепление генератора к вертикальной металлической поверхности.

• Соединительный кабель длиной 3 м – 2шт.

• Линейка (4 шт.), на магнитной основе и размером 500х50мм.

• Экран (2 шт.), размером 355х265 мм и имеет магниты для крепления на вертикальной металлической поверхности.

• Флеш – накопитель с программным обеспечением для демонстрационного эксперимента.

• Флеш – накопитель с программой моделирования.

Программное обеспечение для демонстрационного эксперимента содержит 16 сценариев проведения экспериментов, посвященных основным понятиям волновых процессов, изучению распространения и отражения продольных упругих волн, знакомства с такими явлениями как интерференция и дифракция, акустический резонанс и биения звуковых колебаний, выполняемых с использованием 2-х канального осциллографического датчика звука, двух динамиков и сопутствующей оснастки, с управлением генерацией звукового сигнала с помощью компьютера и с регистрацией сигналов на нем.

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 обучает основным этапам проведения экспериментального исследования, а также позволять проводить с учениками совместные исследования.

Программное обеспечение содержит сценарии экспериментов разбитые по темам и разделам. Каждый из сценариев включает в себя оптимальные настройки используемых датчиков для проведения эксперимента, а также оптимальные настройки звукового генератора.

Сценарии позволяют выполнить все этапы научного исследования явления: демонстрировать качественные закономерности наблюдаемого явления (быстрее – медленнее, растет-убывает-не зависит), проводить количественные исследования с измерением величин, формированием таблицы наблюдений, построение графика и сопоставления полученных экспериментальных данных с графиками различных функций.

Окна сценария при проведении эксперимента содержат:

• диаграммы сигнала поступающего от одного или нескольких чувствительных элементов датчика,

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

Окно регистрации показывает различное представление данных получаемых от датчика (в виде осциллограммы, в виде столбчатой диаграммы). Окно регистрации имеет механизм изменения масштаба, механизм прокрутки, механизм вертикальных (одинарных и двойных) маркеров для измерения показаний датчиков в интересующий момент времени и интервалов времени между двумя состояниями датчиков, а также механизм горизонтальных маркеров, для измерения амплитуды сигнала. Для удобства демонстрации в окне регистрации установки не ограничено число маркеров. Программное обеспечение позволяет удалять установленные маркеры. Программное обеспечение позволяет управлять звуковым генератором, используемым в эксперименте. Звуковой генератор может устанавливать различные виды сигнала (синусоидальный, треугольный, прямоугольный, тишина), позволяет смешать фазу сигнала на полупериод, выбирать тип сигнала (непрерывный или прерывистый), управлять амплитудой, частотой и длительностью сигнала (в случае прерывистого сигнала). Программное обеспечение имеет автоматическое вычисление амплитуды и частоты сигнала, приходящего на один или несколько чувствительных элементов осциллографического датчика звука. Программное обеспечение позволяет вводить положение чувствительного элемента с клавиатуры.

Окно обработки данных имеет:

• Одну или несколько таблиц для обработки данных, полученных от датчиков, занесение экспериментальных данных в таблицу будет осуществляться методом drag-n-drop;

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

• заполнение столбцов данными, перетаскиваемыми из окна регистрации

• таблица содержит различные типы ячеек (экспериментальные данные; константы; вычисляемые значения, на основании данных из других ячеек);

• 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 могут:

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

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

• подбирать «наилучший» график выбранного типа функций методом наименьших квадратов

• 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.

Программа моделирования обеспечивает расчет интерференционной картины при распространении звуковых волн от двух динамиков. При этом программа позволяет задавать координаты расположения динамиков, включать и выключать один из них, задавать частоту колебаний и скорость распространения звуковых волн. Кроме того, обеспечивает рассмотрение влияние ослабления интенсивности колебаний при удалении от источников звука. Результаты расчета будут представляться в виде распределения интенсивности колебаний на рассматриваемой плоской области распространения волн, и в виде графиков распределения интенсивности колебаний вдоль одной из координат. Размеры области распространения волн и расположение динамиков при моделировании могут, в частности, воспроизводить условия эксперимента, что обеспечивает удобство сравнения наблюдаемых интерференционных картин.

Программное обеспечение работает под управлением операционных систем семейства Windows.

Описание опытов в методическом руководстве сопровождается фотографией установки и скриншотами программного обеспечения, показывающими, какие результаты учитель должен получить в ходе демонстрации. Описание работы с программой моделирования содержит примеры расчетов в виде скриншотов, а также задания для выполнения моделирования и сравнения его результатов с экспериментом. Методичка отпечатана на бумаге плотностью 80 гр./м2, форматом А4, печать двусторонняя, красочность 1+1, обложка — мелованная глянцевая 200 г/м.кв; красочность 4+0.

Предусмотрена система хранения в пластиковом контейнере с ложементом и прозрачной крышкой. Контейнер имеет габаритные размеры: высота — 150 мм, ширина — 312 мм, длина — 427 мм.