Experimenty se „Vzduchovou dráhou“ připojenou na PC
Tomáš Novotný, František Špulák
V roce 1988 začaly vyrábět Učebné pomôcky národný podnik Banská Bystrica trojrozměrnou učební pomůcku „Vzduchová dráha“, která je součástí souboru pomůcek, obsahově zaměřených na kvantitativní demonstrační experimenty z oblasti mechaniky. Souprava byla připojitelná na tehdy jediný ve školách v ČR hromadně využívaný počítač IQ 151. Vzhledem k zastaralosti počítače IQ 151, který je v současné době svým malým výkonem, poruchovostí bez možnosti zajištění servisu a nekomfortností obsluhy a zobrazování výsledků nevyhovující, jsme se rozhodli zachovat vzduchovou dráhu (kterou již vlastní mnoho škol v České i Slovenské republice) v původním stavu a zaměnit počítač IQ 151 za počítač typu IBM PC.
obr. 1: Schéma připojení „Vzduchové dráhy“ k počítači PC
Toto řešení umožní mnoha školám využívat po zakoupení karty DT do počítače a softwaru „DRÁHA“ stávající „Vzduchovou dráhu“ (která většinou leží nevyužita v kabinetech fyziky) za zlomek ceny, kterou by zaplatily za pořízení kompletní experimentální soupravy. V ČR totiž v současné době analogickou učební pomůcku nikdo nevyrábí a cena obdobné soupravy nakoupené v zahraničí dosahuje řádově vyšší ceny (okolo 80 000 Kč).
Komunikace s počítačem je zajištěna pomocí speciální karty DT, kterou lze napojit na libovolný počítač typu PC. Minimální hardwarové nároky jsou: mikroprocesor třídy 286, 2 MB RAM, což splňuje naprostá většina počítačů na našich školách. Dráha může být s počítačem propojena stabilně, protože nezabírá místo (sériové ani paralelní porty) ostatním perifériím (např. tiskárna). S kartou je dodáván i potřebný software, jenž pracuje pod prostředím Windows 3.1. Ovládání programu je podobné jako u ostatních aplikací, a proto nebude činit učitelům ani žákům potíže. V programu je přednastaveno 13 základních pokusů z oblasti kinematiky přímočarého pohybu hmotného bodu (tuhého tělesa):
P1: Pohyb rovnoměrný
P2: Pohyb nerovnoměrný
P3: Průměrná rychlost
P4: Okamžitá rychlost
P5: Průměrné zrychlení
P6: Okamžité zrychlení
P7: Pohyb rovnoměrný s nulovými počátečními podmínkami
P8: Pohyb rovnoměrný s nenulovými počátečními podmínkami
P9: Rovnoměrně zrychlený pohyb s nulovými počátečními podmínkami
P10: Rovnoměrně zrychlený pohyb s nenulovými počátečními podmínkami
P11: Pohyb rovnoměrně zpomalený
P12: Volný pád – pohyb rovnoměrně zrychlený
P13: Volný pád – tíhové zrychlení
Uživatel si může ovšem navolit jiný experiment a své vlastní nastavení si uložit pro další využití. Program automaticky kontroluje, zda nastavení odpovídá typu experimentu a v případě nesrovnalostí oznámí toto zjištění uživateli. Rovněž je zkontrolována funkčnost všech čidel, aby nemohlo dojít k nesprávnému provedení experimentu či zablokování počítače.
obr. 2: Nastavení parametrů pokusu P10
Po uskutečnění měření program zobrazí tabulku s naměřenými hodnotami a dalšími vypočtenými fyzikálními veličinami (rychlost a zrychlení).
obr. 3: Tabulka s výsledky měření
Uživatel má možnost si také zobrazit grafy závislosti dráhy, rychlosti a zrychlení na čase a naměřené hodnoty porovnat s ideálním průběhem, který je určován na základě platných fyzikálních vztahů při znalosti průměrného zrychlení.
obr. 4: Graf závislosti dráhy na čase
Program je přizpůsoben i k vedení protokolu a fyzikálním měřeni při práci žáků na laboratorních úlohách. Karta DT není vázána pouze na použití se soupravou Vzduchová dráha. Kartu lze použít na spínání libovolného obvodu s napětím 5 V a proudem do 5 A a k současnému načítání osmi nezávislých digitálních veličin z libovolných snímačů. Bližší informace o možnosti připojení Vaší „Vzduchové dráhy“ a demonstrační verzi programu můžete získat na adrese – RNDr. František Špulák, Pedagogická fakulta JU, Jeronýmova 10, 371 15 České Budějovice. Předpokládaná cena karty DT (včetně propojovacího kabelu), software (plus manuál) a souboru metodických návodů na experimenty je 7000–12000 Kč (podle provedení karty DT).
Závěrem lze říci, že experimentální souprava Vzduchová dráha s připojením na PC je didakticky vhodným experimentálním zařízením pro vyučování kinematiky hmotného bodu a tuhého tělesa na středních školách. Proto se předpokládá, že bude využívaná ve vyučování fyziky v plném rozsahu. Z odborně metodického hlediska mají experimenty na Vzduchové dráze značně vysokou účinnost z toho důvodu, že všechny demonstrované pohyby jsou přímo a bez časových ztrát vyhodnocované kvantitativně formou tabulek a grafů, což dosud žádná (pro školy finančně dostupná pomůcka), zaměřená na uvedený tematický celek, neumožňovala.