Elektronika a následně počítače podstatným způsobem proměnily řadu oborů lidské činnosti. Výjimkou rozhodně není ani oblast měření fyzikálních veličin a vlastně celý fyzikální experiment. Elektronické měřicí přístroje a počítače umožnily rutinně provádět řadu dříve stěží představitelných měření a přinesly naprosto nové možnosti do zpracování a prezentace naměřených dat v kvalitativní i kvantitativní rovině, ale i do vlastního řízení experimentu.

Náš fyzikální kabinet disponuje sadou zařízení od americké firmy Pasco, která se specializuje na školní pomůcky pro výuku přírodních věd. S její pomocí se snažíme seznámit naše žáky také s moderními trendy ve fyzikálním měření. Soupravu používáme při demonstračních pokusech, v rostoucí míře se však snažíme zařazovat ji i do laboratorních cvičení, kde s ní žáci přijdou do přímého kontaktu.

Jak všichni víte, počítače pracují s informacemi v digitální podobě. Proto musíme pomocí vhodných převodníků a snímačů převést fyzikální veličiny nejprve na měřitelné (většinou elektrické) signály a tyto následně převést do digitální podoby. Běžné domácí počítače (notebooky, tablety aj.) nejsou přizpůsobeny k přímému připojení typických elektronických sond výše popsaného typu. Propojení se většinou provádí prostřednictvím rozhraní (interface), která zajišťují správné časování, synchronizaci, elektrické přizpůsobení a další.

Některé součásti soupravy Pasco, které žáci mají možnost vidět v činnosti, jsou popsány v následujících odstavcích.

Powerlink PS-2001 slouží jako rozhraní mezi počítačem a dalšími snímači. Zajišťuje rozeznání snímačů, konverzi a předávání naměřených údajů a vzájemnou synchronizaci.

K počítači se připojuje pomocí USB kabelu, může pracovat zároveň jako rozbočovač USB¹⁾. Pomocí přípojných míst na přední straně k němu lze připojit tři různé Pasco snímače (viz obrázek). Po rozeznání a aktivaci snímače se rozsvítí příslušná zelená LED na horní straně.

Celé rozhraní je napájeno pomocí síťového adaptéru, konektor naleznete na zadní straně. Pro měření v terénu lze alternativně využít bateriové napájení.

Alternativou k modulu PowerLink je SparkLink PS-2009. Má dvě univerzální přípojná místa pro snímače, kromě toho však navíc disponuje možností přímého připojení teplotní sondy²⁾ (konektor 3,5 mm jack) a lze s ním přímo měřit napětí v rozsahu ±10 V.

Neobsahuje rozbočovač USB, ale na druhé straně není potřebné externí napájení pomocí síťového adaptéru³⁾. Odpadá možnost bateriového napájení.

Pro experimenty, kde vystačíme s jedním snímačem, lze použít jednoduché rozhraní USB Link PS-2100A, které rovněž nepotřebuje externí napájení. Připojuje se kablíkem přímo k USB konektoru na počítači.

Pasco PS-3200 je dalším univerzálním rozhraním pro připojení jednoho snímače, umožňuje jednak připojení pomocí kablíku USB, jeho hlavní výhodou je však možnost bezdrátového připojení pomocí technologie Bluetooth 4. K tomu je modul vybaven i vestavěným akumulátorem pro napájení vlastní elektroniky i připojeného snímače. Protože škola tyto moduly také zakoupila a budete je v rámci laboratorních cvičení potkávat, je možné se o jejich použití dozvědět více zde.

Snímač PS-2104 slouží k měření síly v jednom směru, na obrázku je to směr vertikální. Síla přitom může být jak tlaková, tak tahová (v tomto případě je na snímací prvek připevněn háček (např. pro zavěšení závaží apod.).

Rozsah měření síly je ±50 N (tj. 50 N v tahu i tlaku), přesnost dosahuje 1%, rozlišení je 0,03 N. Maximální vzorkovací rychlost je 1000 Hz, tj. je možné získávat hodnoty s časovým rozlišením až 1 ms. Důležité je zabezpečit působení síly ve správném směru, aby měřená hodnota odpovídala realitě.

Před začátkem měření je doporučeno provést počáteční vynulování vnitřního tenzomentrického snímače. V okamžiku, kdy na snímač nepůsobí vnější sily, stiskneme tlačítko ZERO (na obrázku vyznačeno červenou šipkou).

V ovládacím programu můžeme kromě obvyklých věcí jako vzorkovací frekvence apod. také nastavit, jaké působení síly vede ke kladným měřeným hodnotám: pro sílu působící v tlaku volíme push positive, pro tahovou sílu pak pull positive.

Pro měření polohy a jejích změn můžeme použít snímač PS-2103A. K měření vzdálenosti od snímače je využito měření zpoždění ultrazvukových pulzů. Tyto jsou generovány pomocí piezoelektrického elementu, odrážejí se od měřeného předmětu a následně jsou zachyceny ve snímači⁴⁾. Na obdobném principu pracují dnes již běžné parkovací senzory v automobilech.

Kromě polohy je možné snímačem měřit i rychlost a zrychlení. Tyto veličiny nejsou přímo měřeny, jsou určovány početně—rychlost jako změna polohy za časový interval a zrychlení jako změna rychlosti za úsek času. Požadavané veličiny můžeme určit v nastavení snímače. Před začátkem měření je vhodné ověřit správnou funkci snímače, tj. především to, zda jsme správně „zacílili“ na měřený objekt (aktivní úhel je totiž poměrně malý), aby se zabránilo falešným hodnotám. Při činnosti vydává snímač charakteristický klapavý zvuk a zároveň bliká zelená LED vedle čidla.

Snímacím prvkem lze otáčet kolem dokola, což umožňuje měření vzdálenosti v libovolném směru. Přístroj pracuje ve dvou rozsazích, režim volíme přepínačem (viz červená šipka na obrázku). Při práci na kratších vzdálenostech (řekněme na laboratorním stole) přepneme na symbol vozíku, pro delší vzdálenosti na symbol postavičky. Rozsah je přibližně 15 cm až 8 m ( při kratších vzdálenostech dostáváme nesmyslné hodnoty, není však hlášená žádná chyba). Vzdálenosti jsou měřeny s rozlišením 1 mm, maximální vzorkovací rychlost je 50 Hz.

Pro měření úhlových veličin (úhlu polohy, rychlosti otáčení a zrychlení) slouží snímač PS-2120. Je to zařízení, které umožňuje velmi přesné určení polohy hřídelky a vyhodnocení změny a rychlosti jejího pohybu stejně jako smyslu otáčení.

Díky třem kladkám nasazeným na hřídeli je možné provádět i měření lineárních vzdáleností—stačí přes kladku vést lanko spojené s měřeným tělesem a při známém průměru kladky již není obtížné provést přepočet.

Snímač rozlišuje 4000 úhlových poloh (tj. úhlové rozlišení je 0,09°), dle průměru kladky to odpovídá délkovému rozlišení až 0,02 mm. Tři kladky mají průměr postupně 10 mm, 29 mm a 48 mm. Poloha je bezpečně vyhodnocována při rychlostech otáčení do 30 otáček za sekundu. Hřídel je uložena v masivním ložisku, které zaručuje minimální tření a spolehlivou činnost i při větším zatížení.

Optická brána je zařízení, které přesně určí čas, kdy sledované těleso protne určenou linii. Známe to všichni např. ze sportu—cílová fotobuňka je realizována optickou branou. Ta se skládá z vysílače světelného paprsku (přitom nezáleží na tom, zda se jedná o viditelné nebo infračervené světlo) a přijímače, který detekuje okamžik, kdy byl světelný paprsek přerušen.

V systému Pasco má optická brána označení ME-9498A (je to ta černá část ve tvaru U na obrázku). Dráha infračerveného paprsku je znázorněna červenou přerušovanou čarou. Výstupní signál je zpracováván digitálním převodníkem PS-2159 (na obrázku modře). Ten může obsloužit až dvě optické brány a podle nastavení měřit průchody nezávisle nebo jako rozdíl (např. startovní a cílový čas). Díly jsou propojeny kablíkem s konektorem RJ-12 na straně optické brány a 6,3 mm jack na straně převodníku.

Měření času probíhá s rozlišením 1 μs, v nastavení lze určit, zda rozhodný okamžik nastává při přerušení paprsku nebo jeho znovuobjevení a další charakteristiky.

Pomocí teploměru PS-2125 lze snadno provádět přesná a rychlá měření teploty v rozsahu -35°C až +135°C. Snímač je osazen polovodičovým prvkem, který samočinně kompenzuje rušivé vlivy, takže vykazuje dlouhodobou stabilitu a opakovatelnost. Uvádí se, že přesnost je ±0,5°C.

Pomocí dodávaného programu je možné provádět dvoubodovou kalibraci snímače (např. při teplotě tání ledu a teplotě varu vody), pak lze dosáhnout opakovatelnosti měření až 0,1°C. Rozlišení je 0,01°C, takže je možné sledovat i velmi malé změny teploty.

Ke snímači lze připojit různé teplotní sondy. Na snímku je vyobrazena sonda PS-2153 zapozdřená v ocelové tyčce, vhodná např. pro měření kapalin. Alternativami jsou sondy pro měření rychlých změn PS-2135 (s velmi malou tepelnou kapacitou) a sonda pro měření povrchové teploty tuhých těles. Sondy jsou ke snímači připojeny pomocí konektoru typu 3,5 mm jack.

Absolutní tlak vzduchu (případně jiného plynu) můžeme měřit pomocí snímače PS-2107 ve velmi širokém rozsahu – prakticky od vakua až do 700 kPa. Pneumatickou část připojujeme ke snímači pomocí hadičky zakončené rychlospojkou s bajonetovým uzávěrem (uzamknutí se provádí mírnou silou ve směru hodinových ručiček, odemknutí v opačném směru). Převodník pracuje s rozlišením 0,01 kPa, opakovatelnost měření je 1 kPa a pro přesnost udává výrobce hodnotu ±2 kPa v celém rozsahu. Vzorkování může probíhat až do 200 vzorků za sekundu.

Při přípravě experimentů i v průběhu měření je potřeba vyvarovat se kondenzace vodní páry či vniknutí vody do pneumatického systému. Zároveň není snímač určen k měření při vysokých teplotách.

Při nejrůznějších experimentech se stejnosměrným i střídavým proudem nalezne uplatnění univerzální snímač napětí a proudu PS-2115. Obsahuje dva nezávislé převodníky, jeden pro napětí, druhý pro proud.

Napětí měříme na vývodech zakončených banánky, dle konvence dostáváme kladné napětí při vyšším potenciálu na červeném vodiči. Měřící rozsah je ±10 V, rozlišení je 5 mV. Základní přesnost je ±50 mV, díky vysoké vstupní impedanci 1 MΩ snímač minimálně zatěžuje měřený obvod.

Při měření elektrického proudu zapojíme snímač pomocí zdířek na vrchní straně do obvodu. Vnitřní odpor snímače je v tomto případě typicky 0,8 Ω. Rozsah měření je ±1 A, rozlišení 0,5 mA a chyba při plném rozsahu 5 mA. Je třeba dát pozor, aby nedošlo k překročení maximálního přípustného proudu ±1,1 A! Pokud by k tomu došlo, dojde díky vnitřní polovodičové pojistce k rozpojení obvodu. Tento stav je hlášen varovným zvukem. Snímač je nutno neprodleně odpojit od obvodu a vyčkat, než se pojistka regeneruje!

Nejvyšší vzorkovací rychlost pro obě veličiny je 1000 měření za sekundu, takže je možné sledovat i střídavé děje s frekvencí do cca 100 Hz.

Velmi užitečnou pomůckou pro experimenty s plyny (stavová rovnice plynu, kruhový děj, atp.) je tzv. tepelný stroj TD-8572. Pomůcka se skládá z válce s pístem (viz obrázek), dále kovového tepelného výměníku (což je dutý válec z hliníkového plechu na jednom čele zakončený gumovou zátkou) a propojovacích trubiček.

Od pístu očekáváme, že bude pokud možno dobře tepelně izolovaný, bude dostatečně těsný a zároveň jeho mechanický pohyb bude vykazovat malé tření. Poslední dva požadavky jsou prakticky protichůdné. Ve spalovacích i parních motorech se situace řeší pomocí mazání a pístních kroužků, tyto technologie ale nejsou příliš vhodné pro laboratorní prostředí.

V tomto případě výrobce použil přesný válec z pyrexového skla (má velmi malou tepelnou roztažnost), ve kterém se pohybuje pečlivě opracovaný píst z grafitu. Pro dodatečnou tepelnou izolaci je válec uzavřen do dalšího skleněného válce s vrstvou vzduchu. Píst je kovovou tyčkou propojen s podložkou umožňující simulaci mechanické práce při zvedání vložených závaží apod. Pomocí šroubu na horní straně lze píst aretovat v požadované pozici. Při běžné práci dbejte na to, aby byl povolen. K propojení se zbytkem pneumatického systému jsou dole vyvedena dvě bajonetová připojení. Průměr grafitového pístu je 32,5±0,1 mm, hmotnost pístu včetně podložky je 35,00±0,06 g. Vnitřní skleněný válec je také vybaven milimetrovým měřítkem, zdvih pístu je více než 95 mm.

Je skutečně překvapivé, jak malé je tření grafitového pístu o válec při zachování dostatečné těsnící schopnosti. Jedná se o poměrně speciální a dosti nákladnou pomůcku, proto při jakékoliv manipulaci s ní buďte velmi opatrní.

Myslím, že je zřejmé, že všechny výše uvedené komponenty by byly pouze mrtvými kusy, pokud by jim nevdechl život odpovídající počítačový program. Naše škola má licenci na program DataStudio, který zajišťuje veškeré potřebné činnosti.

S jeho pomocí lze provádět veškerá dostupná nastavení experimentu i jednotlivých snímačů (nastavení veličin, jednotlivých parametrů jako jsou vzorkování, zobrazované jednotky aj., popřípadě kalibrace atd.). Vlastní spuštění měření může být provedeno ručně nebo automaticky při splnění přednastavené podmínky (např. vzdálenost překročí stanovený limit). Podobně lze nakonfigurovat i ukončení experimentu (např. po uplynutí stanovené doby).

Program má poměrně široké možnosti, jak zobrazovat měřená data. Jednotlivým veličinám lze přiřadit mj. graf jako časovou závislost veličiny, tabulku naměřených hodnot, zobrazení v číselné podobě nebo na „analogové“ stupnici, graf jako závislost mezi měřenými veličinami apod.

S naměřenými údaji lze dále pracovat. Je možné provádět následné výpočty a jejich výsledky opět graficky zobrazovat, lze interaktivně pracovat s grafy, systém je také bohatě vybaven statistickými funkcemi a má poměrně vyspělé možnosti prokládání nejrůznějších křivek naměřenými závislostmi.

Veškeré výstupy je samozřejmě možno tisknout, ale také exportovat v textové podobě (jako tabulky hodnot) nebo jako obrázky, takže je zajištěna návaznost na další zpracování či prezentaci všech dat.

Program podporuje všechny výše popsané moduly rozhraní kromě bezdrátového Airlink, připojený typ sám rozezná a správně s ním komunikuje. Je možné připojit i více modulů rozhraní najednou.

Nástupcem programu DataStudio je PASCO Capstone. Nově navržený a zásadně přepracovaný program umožňuje prakticky všechno co jeho předchůdce, v mnoha ohledech jde však dále. V první řadě je lépe přizpůsoben novým verzím operačních systémům počítačů (Windows i OS X) a ve větší míře je lokalizován dle národních zvyklostí (z našeho hlediska je zajímavé, že mezi podporované jazyky patří nyní i čeština). Z hlediska funkčnosti je podstatná podpora nových komunikačních rozhraní a senzorů z produkce firmy Pasco. I pro tuto aplikaci máme zakoupenu školní licenci.

Zcela nový je přístup ke zpracování experimentálních úloh a jejich výstupů. Postup zpracování úlohy je možné rozdělit do několika kroků, každému odpovídá jedna stránka pracovního sešitu. Ta kromě prvků propojených s měřenými daty (grafy, tabulky, digitální či analogové zobrazení aj.) může obsahovat také další textové či obrazové informace či editační pole pro interaktivní zadávání dalších údajů. Obsah jednotlivých stránek pracovního sešitu lze ukládat do laboratorního deníku, který pak slouží jako záznam všeho podstatného, co se během měření úlohy odehrálo.

Konkrétní způsob práce s programem Capstone v rámci laboratorních cvičení přibližuje samostatný článek.