Нирс/Студенты


ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Автоматизация школьного и вузовского физического эксперимента с использованием многоканальной платы аналого-цифрового преобразования
Евзютин А.А.

   
   Наиболее яркой чертой научно-технического прогресса наших дней стало повсеместное внедрение компьютерной технологии в различные отрасли человеческой деятельности. Все, начиная со школьника и кончая инженером и научным сотрудником, в учебе и производственной деятельности используют ЭВМ.
   Вспомним, какое главное применение нашел первый компьютер. Он использовался для решения сложных задач ядерной физики, задач, требующих после ввода данных и программ их обработки, огромного числа математических операций до получения результата.
   Гораздо чаще в физике имеют дело с более простыми, а иногда и общедоступными задачами, требующими лишь минимальных знаний, навыков, аккуратности и большого времени. Так физик-экспериментатор помимо обдумывания целей эксперимента и его выводов, заносит в таблицы данные опытов, оценивает их погрешность. Потом, опять выполняя чисто техническую работу, строит по полученным результатам графики. Физик-теоретик не только создает систему представлений о физических процессах, но и постоянно занимается рутинной работой. Ему постоянно приходится в пределах заранее принятых допущений искать количественные соотношения между конкретными экспериментальными результатами и более общими физическими теориями, измерять граничные условия и снова повторять те же действия. Школьники и студенты при изучении физики порой не вдумываются в прочитанное в учебнике, а занимаются механическими вычислениями.
   Перепоручение компьютеру части работы иногда даже не требует написания сложных программ. Компьютер легко осуществляет вычисления по математическим формулам, распечатывает результаты в таблицы, записывает в память самое важное. Компьютер может взять на себя существенную часть оформительской и расчетной работы, которой в физике очень много.
   Во многих случаях компьютер в состоянии решать такие физические задачи, которые не под силу человеку. К ним относятся физические проблемы, требующие решения большого количества сложных уравнений, обращения к огромным объемам данных, принятия строго определенного незамедлительного решения при возникновении какой-либо из множества наперед заданных последовательностей или известного сочетания событий
   Компьютер давно уже стал инструментом современного ученого. При этом среди множества областей применения ЭВМ лабораторные исследования - наиболее массовые потребители относительно недорогих компьютеров, которые используются в основном для автоматизации экспериментальных исследований и связанных с ними научно-технических расчетов. Надо отметить все большее усложнение экспериментальных исследований, что приводит к обработке больших потоков информации, которые трудно обработать экспериментатору своими силами.
   Приобретя компьютер, с набором периферийных устройств и создав экспериментальную установку, мы должны в первую очередь соединить их между собой, чтобы сигналы с датчиков поступали в компьютер. Но именно здесь и кроется первая трудность: сигналы, поступающие с датчиков, имеют различную физическую природу (напряжение или ток), а компьютер понимает только язык двоичных кодов, причем переданных ему строго определенным образом. Эта проблема решается применением аппаратуры сопряжения или интерфейсов связи компьютера с экспериментальной установкой. Интерфейсы переводят сигналы различного типа на язык стандартных сигналов, воспринимаемых ЭВМ. На нашем факультете, было решено создать самим аппаратуру сопряжения, используя отечественные аналоги необходимых деталей.
   При работе над проектом я столкнулся с проблемой создания аппаратуры сопряжения. В связи с отсутствием в нашем вузе той технической базы, которая применяется для создания аппаратуры сопряжения, было принято решение обратится за помощью на кафедру радиофизики Алтайского государственного университета. Совместно с ними бала создана аппаратура сопряжения компьютера и экспериментальной установки.
   При разработке этой темы преследовалась такая цель, как создание комплекса лабораторного практикума с применением специальных плат.
   После решения проблемы сопряжения компьютера с экспериментальной установкой, встает проблема разработки программ обслуживания эксперимента, представления экспериментальной информации в графической форме. Эта проблема была решена с помощью пакета Microsoft Excel и программно-аппаратного комплекса LabVIEW.
   При разработке данного проекта я ставил следующие задачи:
       ознакомиться с литературой по разработке аппаратуры сопряжения;
       разработать комплекс уже известных работ лабораторного практикума;
       разработать новые и оригинальные лабораторные работы;
       подключить лабораторные установки к аппаратуре сопряжения;
       создать методические разработки по проведению данных работ с достаточным теоретическим материалом;
   Таким образом, объектом моего исследования является внедрение компьютерных технологий в лабораторию физического практикума для использования при исследовании различных физических явлений и ускорения этого процесса.
   Предметом моего исследования является сопряжение лабораторных установок с электронно-вычислительной машиной и подготовка полученных данных к обработке с помощь пакета LabVIEW.
   Применение ЭВМ в физическом эксперименте может позволить автоматизировать и ускорить проведение эксперимента на всех этапах. Необходимость этого в современной физике определяется следующими положениями:
   1) чрезвычайной сложностью некоторых экспериментов (эксперименты ядерной физики, космические эксперименты);
   2) исследованиями большого числа объектов (проблемы надежности, набор статистики при плохой воспроизводимости экспериментальных данных и т.д.);
   3) перехода от экспансивного развития науки (рост числа исследователей) к интенсивному (увеличение продуктивности исследований).
   Таким образом, применение ЭВМ в физическом эксперименте является одной из важных задач.
   В данной работе разработан курс лабораторного практикума по электродинамике (15 работ). Также восстановлены и подключены к компьютеру некоторые лабораторные установки, которые необходимы в лабораториях нашего факультета.
   Я считаю, что при использовании разработанного комплекса лабораторных работ, студенты не только более подробно разберутся в исследуемых работах, но и так же параллельно с этим они будут осваивать работу и с ЭВМ, и с аппаратно-программным комплексом LabVIEW. Это позволит им в дальнейшем более качественно и быстро осваивать данный пакет и стать высококлассными специалистами в области физики и информатики.


Назад
Скачать