Давным-давно, а точнее – в конце прошлого года не где-нибудь, а в нашем глубокоуважаемом учебном заведении, лицее №1502 появилась новость о том, что в ближайшее время к нам поступит «лаборатория «Архимед»- набор цифровых измерительных приборов, позволяющих проводить лабораторные работы по Физике не только с помощью аналоговых амперметров, вольтметров и т.п., но и с помощью цифровых датчиков. Он позволил бы нам увидеть результаты своих экспериментов на экране компьютера, построить графики зависимостей различных параметров физических процессов, как от времени, так и друг от друга, а также более наглядно увидеть результаты опытов на экране компьютера. Весть эта очень обрадовала весь наш творческий коллектив и теперь, проведя первые эксперименты с этой техникой, я не мог не написать о своих впечатлениях.
Итак, что же представляет собой цифровая лаборатория? Первое, что мы увидим, когда бросим свой взгляд на это произведение Института Новых Технологий®, будет картонная коробка, пластиковый тазик с плотно закрывающейся крышкой и несколько толстых томов с инструкциями. После тщательной проверки оказалось, что «тазик» оказался вовсе не ёмкостью для того, что останется от экспериментатора, а контейнером для хранения цифровых датчиков. В картонной коробке находился КПК Palm®m130 и несколько компакт-дисков с ПО.

Первые же эксперименты, проведенные с помощью цифровых датчиков показали, что не всё так уж безоблачно, как показалось на первый взгляд.
Погрешность измерения оставляет желать наилучшего, а программа Imagi Probe 2.0 сохраняет данные туда, куда ей заблагорассудится, а не туда, куда мы ей говорим их сохранить.
Я, конечно, немного погорячился, когда сказал про погрешность. В инструкции написано, что она составляет в среднем 3-5%. Видимо, мы как-то неправильно измеряли... Однако с помощью цифровых датчиков довольно трудно измерить именно тот параметр, который необходим. Давайте рассмотрим отдельно каждый датчик цифровой лаборатории с его достоинствами и недостатками. Надо сказать, что практически все датчики представляют собой вольтметры, подключенные либо к конденсаторам переменной ёмкости либо к резисторам с переменным сопротивлением.

Датчик напряжения DT001 – вольтметр, предназначенный для измерения напряжения в диапазоне ±25В. Напряжение преобразовывается в диапазон 0-5В, данные о котором поступают на КПК.
Наиболее точный из всех датчиков, так как производит не косвенные, а прямые измерения. С его помощью (как и у всех электрических датчиков) трудно ошибиться в том, что именно мы собираемся измерить. Недостатков не обнаружено.

Датчики силы тока DT005(±2,5А) и DT006(±250мА) – амперметры, предназначенные для измерения силы тока в разных диапазонах. Измеряют напряжение в пределе 0-5В на внутренних сопротивлениях 0,1 и 1 Ом соответственно. Недостатков не обнаружено.

Звуковой датчик (Микрофон) DT008 – предназначен для измерения свойств звука частотой 35-10000Гц (не сказано, каких свойств). Чувствительным элементом датчика является конденсатор переменной ёмкости, одна из пластин которого - чувствительная мембрана, колеблющаяся под действием звуковой волны. Последовательно к конденсатору подключено сопротивление. Когда звуковые волны изменяют параметры конденсатора, выходное напряжение, измеряемое на сопротивлении, изменяется в пределах 0-5В. Видимо, создатели этого датчика не смогли вывести зависимость параметров звуковой волны от измеряемого напряжения, поэтому нам приходится довольствоваться «величиной звука» в вольтах.

Датчик освещенности DT009-1 предназначен для измерения интенсивности светового потока видимого диапазона в пределе 0-300лк. В нём установлен фотоэлемент с небольшой платой из «пин-диодов» Когда к фотоэлектрической ячейке приложено запирающее напряжение, то при каждом падении фотона на пин-диод из ячейки выходит электрон. В результате, чем сильнее освещенность фотоэлектрической ячейки, тем больше величина электрического тока на её выходе. Этот ток проходит через сопротивление, на котором и происходит измерение напряжения в пределах 0-5В. Недостатков не обнаружено

Датчик давления DT015-1 предназначен для измерения абсолютного давления газов в пределе 0-700 кПа. Основным чувствительным элементом датчика является мембрана с эластичным резистором, при сгибании которого изменяется величина его сопротивления. При изменении давления газа изменяется в пределах 0-5В измеряемое падение напряжения на резисторе. Недостатком датчика является то, что эластичная трубка, служащая для подключения датчика к сосуду, в котором мы ходим измерить давление, имеет на конце твёрдый пластмассовый наконечник. Гораздо лучше было бы приделать к датчику обыкновенную резиновую трубку, которая позволила бы подключить его к металлическим трубкам разного диаметра.

Датчик силы DT120 предназначен для измерения силы в двух диапазонах: ±10Н и ±50Н. Датчик монтируется на штативе. Датчик имеет довольно сложное устройство, позволяющее перевести измеряемую величину силы в величину напряжения, которое можно зафиксировать. Минусов у данного датчика много… Самым существенным из них является то, что без какого-либо воздействия на датчик, его показания равны примерно 0,5Н. Может быть, это говорит о высокой точности прибора, который способен измерить даже силу притяжения Земной атмосферы к Марсу… Хотя, вряд ли… В инструкции написано, что для устранения подобных неприятностей у датчика есть подстроечный винт… Что ж… Поверив инструкции, мы бросились искать на его корпусе этот винт… Минут через пять нашли… винт… я бы сказал винтик… даже винтичек. Садисты- производители датчика сделали этот «винт» таким маленьким и запихнули его в такое место, что подстроить датчик без спецаппаратуры не представлялось возможным. Пришлось срочно вызывать службу спасения и отправлять её в хозяйственный магазин за «супермелкими» отвертками. Но даже калибровка датчика с помощью этих приборов дантиста-садиста и батона сверхточно взвешенной колбасы не дала желаемого результата. Что ж, мы не оставляем надежды в ближайшем будущем всё-таки победить датчик силы в нашей борьбе за точные науки…

Датчик индукции магнитного поля DT156 также имеет два диапазона измерения: ±10мТл и ±0,2мТл. Маленький диапазон предназначен для изучения постоянных магнитов, соленоидов и т.п., а большой - для измерения магнитного поля Земли. В этом приборе используется датчик ЭДС Эдвина Герберта Холла. (См. Эффект Холла) Измеряется величина напряжения, пропорциональная составляющей магнитного поля, параллельной трубке датчика. Недостатков не обнаружено в силу малой используемости этого датчика.

Датчик цвета (Колориметр) DT034 Предназначен для определения концентрации растворов по степени их окрашивания. Прибор способен определить, какого цвета полупрозрачное тело, помещенное внутрь корпуса датчика (для экспериментаторов-дальтоников). Он освещает тело последовательно тремя монохроматическими лучами (RGB) и определяет яркость света луча на выходе из тела. Исходя из этого, высчитывается процент пропускания телом световой волны той или иной частоты. Чаще всего в качестве тела используется пробирка с жидкостью того или иного цвета. В физических экспериментах этот датчик пока что не нашел применения.

Датчик расстояния DT020-1 – наиболее громоздкий, тяжелый и неповоротливый из всех датчиков цифровой лаборатории. Потребляет много электроэнергии и поэтому должен быть постоянно включен в розетку. Обычно, розетки в нашей стране находятся в самых труднодоступных местах, а производители датчика, видимо не учли этого прискорбного факта и снабдили комплект довольно коротким проводом. Это отнюдь не облегчает проведение экспериментов с использованием этого датчика. Кроме того, прибор работает по принципу эхолокации и измеряет расстояние до первого предмета, на который наткнется его ультразвуковая волна. Он не имеет никакого «прицела» и поэтому довольно трудно измерить расстояние до тел маленького размера или находящихся на большом расстоянии. Для наиболее точного измерения, расстояние до тела должно быть соизмеримо с его линейными размерами, то есть на расстоянии двух метров довольно трудно направить датчик на футбольный мяч, а в десяти метрах от датчика удобно проводить эксперименты с колеблющимся на пружине книжным шкафом. Как бы то ни было, с помощью этого прибора уже были получены результаты некоторых экспериментов. Наиболее точным из них является изучение траектории Броуновского движения (на примере кошки, движущейся по комнате в случайном направлении).

Датчик температуры DT029 служит для измерения температуры с погрешностью ±1ОС (так, что если решите измерить температуру своего тела, не пугайтесь). Он представляет собой чувствительный термоэлемент (резистор, изменяющий сопротивление при изменении температуры), помещенный в стальной корпус, служащий для его защиты. Не знаю, сильно ли это уменьшает точность прибора, но если бы создатели цифровой лаборатории сделали свой «защитный чехол» их двух слоев стали и выкачали бы воздух между ними, термоэлемент был бы намного лучше защищен - им надо подумать над этим предложением. Одним из неудобств при работе с датчиком является то, что его необходимо целиком помещать в вещество, температуру которого мы хотим измерить. Как же, скажите, нам измерить температуру газа в термодинамическом процессе? Ведь датчик должен быть соединен проводом с «Измерительным Интерфейсом». При этом необходимо будет нарушить герметизацию сосуда, а это испортит весь эксперимент. Так что при проведении термодинамических процессов приходится ограничиваться показаниями температуры воздуха рядом с исследуемым сосудом.

Ну и какой же можно сделать вывод из полученной информации? Цифровая лаборатория «Архимед», конечно хорошая вещь и она, бесспорно, является важным шагом на пути объединения на школьном уровне физики и информатики, наук, которые в наше время не могут существовать друг без друга. Но она ещё далека от совершенства. Будем надеяться, что сотрудники «Института Новых Технологий®» прислушаются к нашим пожеланиям и будущие поколения лицеистов смогут поработать с усовершенствованной версией «Цифровой Лаборатории» и получить более точные результаты в своих экспериментах.