Национальный фонд подготовки кадров (НФПК)
Проект «Информатизация системы образования» (ИСО)

Конкурс на разработку информационных источников сложной структуры

 

 

 

 

Книга

ДЛЯ УЧИТЕЛЯ

 

Компьютер в системе школьного практикума по физике

 

 

 

 

Авторы: Ханнанов Н.К., Федорова Ю.В., Панфилова А.Ю., Казанская А.Я., Шаронова Н.В

 

Контракт: ELSP/A2/Gr/001– 004 – 03/28/07   

 

 

 

 

 

 

 

 

Фирма «1С»

2007
 
 

Авторы: Ханнанов Н.К., Федорова Ю.В., Панфилова А.Ю., Казанская А.Я., Шаронова Н.В.
Использованы фрагменты книги:
Цифровая лаборатория «Архимед». Методические материалы к цифровой лаборатории по физике. – М.: ИНТ. – 212 с.
Под общей редакцией Ханнанова Н.К.

 

 

 

 

 

 

 

 


Содержание

Структура ИИСС

Глава 1. Общие методические рекомендации по использованию ИИСС

Введение.

§1.1. Лабораторный эксперимент в школе и цифровые технологии в нем

§1.2. Соответствие целей использования компьютеризированных лабораторных работ требованиям современного стандарта школьного курса физики

§1.3. Особенности компьютеризированных лабораторных работ для основной и старшей профильной школы

§1.4. Цифровые инструменты, используемые в ИИСС

§1.5. Комментарии к работам, рекомендованным для выполнения в рамках ИИСС

Цифровая лаборатория «Архимед»

Глава 2. Установка программного обеспечения с компакт–диска «Цифровая лаборатория «Архимед»

Введение

§2.1. Установка и удаление программы MultiLab PC и программ для осуществления передачи информации с регистратора данных на PC

§2.2. Установка программ Palm Desktop, MultiLab Palm, регистрация карманного компьютера и его русификация

Глава 3. Работа с регистратором данных Trilink, соединенным с настольным компьютером

§3.1. Общая информация о регистраторе данных TriLink
§3.2. Подготовка к регистрации данных с регистратором данных TriLink

3.2.1. Электропитание и зарядка аккумулятора

3.2.2. Подключение датчиков
3.2.3. Калибровка датчиков
3.2.4. Знакомство с интерфейсом программы MultiLab PC
3.2.5. Настройка режима регистрации данных
§3.3. Регистрация показаний цифровых датчиков (кроме видео) с помощью программы MultiLab

3.3.1. Создание нового проекта

3.3.2. Выбор способа записи данных и представления их на графике

3.3.3. Запуск и остановка записи данных из программы Multilab

3.3.4. Запуск и остановка записи данных с корпуса TriLink’а

3.3.5. Независимая регистрация данных TriLink’ом и загрузка данных с него на PC

3.3.6. Сохранение данных

3.3.7. Импорт данных, полученных с помощью регистратора TriLink и хранящихся на другом компьютере
§3.4. Использование Журнала для работ с заранее подготовленными настройками регистратора TriLink

3.4.1. Создание HTML–документа при помощи Word

3.4.2. Создание файла настроек для выполнения работы

3.4.3. Использование описания работы с готовыми настройками
§3.5. Модификация графиков временных зависимостей физических величин, полученных с помощью цифровых датчиков
3.5.1. Разнесение двух зависимостей на графике на отдельные графики
3.5.2. Вместо зависимости двух величин от времени построить график зависимости одной величины от другой
3.5.3. Курсоры на графике
3.5.4. Подписи на графике
3.5.5. Изменение масштаба графика и его смещение
Глава 4. Работа с КПК Palm и MultiLab

Введение

§4.1.Установка беспроводного соединения между КПК и регистратором данных

§4.2. Регистрация данных

§4.3. Просмотр полученных данных

§4.4. Анализ данных

§4.5. Экспорт данных

§4.6. Программирование TriLink’а

Глава 5. Получение и обработка видео файлов с помощью программы MultiLab.

§ 5.1. Создание на PC видеофайлов для обработки в программе MultiLab
5.1.1. Запись нового видеофрагмента с помощью Web–камеры
5.1.2. Создание видеофрагмента в цифровом формате с видеомагнитофона
5.1.3. Использование готовых видеофрагментов
§ 5.2. Подготовка к обработке видеофрагментов в программе MultiLab
5.2.1. Загрузка видеофрагмента в окно для видеоанализа
5.2.2. Настройка цветов объектов на экране
5.2.3. Выбор положения начала системы координат
5.2.4. Выбор направления оси X системы координат
5.2.5. Выбор масштабного отрезка
5.2.6. Выбор промежутка времени между кадрами в ходе анализа
§ 5.3. Фиксирование координат движущегося объекта при обработке видеофрагмента в программе MultiLab
5.3.1. Отображение данных обработки видео в виде таблицы
5.3.2. Отображение данных обработки видео в виде графика

Глава 6. Обработка данных полученных с датчиков при подготовке отчета о проведенном исследовании

Введение
§6.1. Обработка табличных данных
6.1.1. Форматирование таблиц
6.1.2. Экспорт таблиц в Excel
6.1.3. Редактирование таблиц
§6.2. Обработка данных, представленных графически
6.2.1. Функции основных кнопок окна График
6.2.2. Функции обработки графика
6.2.3. Подбор аналитического выражения, описывающего экспериментальный график
§6.3. Формы представления отчета
        6.3.1. Экспорт полученных графиков и таблиц в текстовый редактор Word
6.3.2. Печать таблиц и графиков
6.3.3. Создание страницы отчета в виде Web–страницы
6.3.4. Создание электронного отчета с использованием синхронного видео

 

Цифровой инструмент «1С:Измеритель»

Глава 7. Основные операции при использовании «1С:Измерителя» при обработке фото– и видеофайлов

Введение

§7.1. Открытие программы. Описание интерфейса

§7.2. Загрузка графических объектов для обработки

§7.3. Операции со статичным кадром (фото) – измерение расстояний

§7.4. Операции со статичным кадром (фото) – измерение углов

§7.5. Операции с серией статичных кадров (фото) – измерение расстояний и углов

§7.6. Операции с видеофайлом – установление формы траектории

§7.7. Операции с видеофайлом – установление зависимости координат точки от времени

 

Описания исследований с использованием цифровых инструментов.

Глава 8. Описание работ для учеников

§8.1. Измерение размеров крупных и мелких объектов с помощью цифрового фотоаппарата (7 – 9 класс)

§8.2. Изучение кинематики свободного полета мяча (9 – 10 класс)

§8.3. Исследование формы поверхности жидкости во вращающемся сосуде (10 класс)

§8.4. Исследование взаимодействия движущейся тележки с неподвижным препятствием (9 – 10 класс)
§8.5. Изучение удара шаров о твердую поверхность (9 – 10 класс)
§8.6. Сравнение работы сил и изменения кинетической энергии (10 класс)
§8.7. Изучение зависимости электрического сопротивления термистора от температуры (11 класс)
§8.8. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника (11 класс)
§8.9. Движение по наклонной плоскости (10 класс)
§8.10. Изучение магнитного поля стержневого магнита (8–11 класс)
§8.11. Изучение колебательного движения  (9 – 11 класс)
§8.12. Измерение индуктивности катушки (11 класс)
§8.13. Изучение резонанса в электрическом колебательном контуре (11 класс)
§8.14. Измерение температуры нити лампы накаливания в номинальном режиме (11 класс)
§8.15. Измерение магнитного поля земли (8–11 класс)
§8.16. Исследование процесса выравнивания температуры соприкасающихся жидкостей (8 класс)
§8.17. Изучение  изотермического процесса (10 класс)
§8.18. Измерение КПД генератора тока (11 класс)
§8.19. Изучение законов гидростатического давления (7–10 класс)
§8.20. Измерение скорости звука (7–9 класс)
§8.21. Изучение электродвигателя постоянного тока (11 класс)
§8.22.Сравнение энергии, выделяемой в элементах электрической цепи переменного тока, содержащей резистор и конденсатор (11 класс)
§8.23. Изучение периода колебаний жидкости в U-образной трубке (11 класс)
§8.24. Определение электроемкости конденсаторов методом зарядки и разрядки (11 класс)
§8.25. Изучение закономерностей движения частиц жидкости в струях (10 класс)
§8.26. Исследование кривых нагревания и остывания аморфного и кристаллического вещества (10 класс)
§8.27. Изучение явления поляризации света (11 класс)
§8.28. Моделирование эквипотенциальных поверхностей (9–11 класс)
§8.29. Моделирование интерференции волн от нескольких когерентных источников (9–11 класс)

§8.30. Моделирование поля равномерно заряженной плоскости с использованием метода суперпозиции (10 класс)

 

 

 
Глава 9. Методические указания по проведению работ для учителя
§9.1. Работа «Измерение размеров крупных и мелких объектов с помощью цифрового фотоаппарата»
§9.2. Работа «Изучение кинематики свободного полета  мяча»
§9.3. Работа «Исследование формы поверхности жидкости во вращающемся сосуде»

§9.4. Работа «Исследование взаимодействия движущейся тележки с неподвижным препятствием»

§9.5. Работа «Моделирование интерференции волн от нескольких когерентных источников»

 

 

 

 

 

 


Структура ИИСС

 
Глава 1. Общие методические рекомендации по использованию ИИСС

 

 

Введение

В системе общего образования физика и другие учебные предметы до недавнего времени воспринимались как срезы соответствующих научных дисциплин. В настоящее время происходит смещение к выявлению общеинтеллектуальных или моторных навыков, освоению которых способствует тот или иной учебный предмет, поиску компетенций, которыми овладевает учащийся в ходе обучения. При первом подходе не задаются вопросом, зачем этому надо учить, полагая, что соответствующая наука доказала свое право на существование и, овладевая ее методами, ребенок  развивает интеллект и получает конкретную социализацию. Второй подход зачастую сводится к оперированию навыками, необходимыми в обществе на данный момент, на основании чего считается, что учебное время должно тратиться на освоение определенных на данный момент видов деятельности.

Ясно, что и та и другая позиции являются крайностями и истина лежит где–то посередине. Время, когда физики в почете, потому что интеллект главным образом используется для создания вооружений, будем надеяться, уходит. Неуклонное повышение финансирования научных разработок в области медицины и экологии показывает, что для человечества сегодня гораздо  актуальнее другие проблемы. В то же время техническая цивилизация развивается такими темпами, и так кардинально меняются навыки, которыми человек должен обладать, что появился новый тезис: главной целью обучения является привитие навыка учиться, приобретать новые умения и профессиональные навыки. Усложнение устройства приборов, их миниатюризация у многих вызывает ощущение, что познать принципы их действия невозможно, да и не нужно. Кажется, что политехническая направленность преподавания физики для большинства учеников вообще становится невостребованной. Однако не следует забывать, что кто–то в обществе все–таки создает эти электронные блоки и для людей, будущее которых будет связано с разработкой и созданием таких устройств, школьный курс физики должен давать базу. Другое дело, что уменьшается доля учеников, которым необходимо образование такого профиля. Следует искать такие формы обучения, которые увеличат социальную базу, для которой курс физики будет востребован.

Давно известно, что математика – это не только умение считать, но и гимнастика для ума, поэтому следует выявить аналогичную формулу для школьного курса физики и выстроить процесс обучения в этом направлении. Присутствие математики в физике подтверждает тезис о гимнастике ума, однако ясно, что математика – лишь часть физического метода познания мира.

Обучение физике способ не только создания кадров для развития техники, но и способ обучения познанию мира. Процесс обучения должен быть ориентирован не столько на получение суммы знаний, сколько на развитие умений приобретать эти знания, поскольку по окончанию обучения в средней и тем более в высшей школе любая сумма знаний не будет вполне соответствовать техническим условиям и социальным потребностям. Цель обучения способам получения знаний о состоянии объекта изучения на данный момент близка задаче развития умственных способностей учеников, достигаемой при решении достаточно сложных проблем.

Такие проблемы человек решал в течение всей истории познания окружающей природы, поэтому организация процесса обучения как процесса субъективного открытия законов природы является не только естественным способом освоения суммы знаний, приобретенных человечеством, но и познанием методов их получения.

 

§1.1. Лабораторный эксперимент в школе и цифровые технологии в нем

 

Общепризнано, что организовать познание закономерностей неизвестных явлений наиболее целесообразно в рамках школьного физического практикума. Именно здесь реализуются возможности преодоления трудностей наблюдения реальных явлений, подбор условий для выделения основных черт явления, его описание, установление причинно–следственных закономерностей, получение числовых значений величин, характеризующих явление, взаимосвязи между ними, осознание того, что закономерности выполняются с определенной точностью, и т.д. Все перечисленные навыки и составляют научный метод познания мира, который наиболее развит в в рамках школьного курса физики. В классических школьных курсах химии и биологии представления о грубости модели, точности измерений не обсуждаются, количественные измерения при проведении экспериментальных работ редки и ограничиваются в основном длиной и массой.

Если взять различные отрасли деятельности человека, в которых имеется потребность что–либо измерять, то окажется, что компьютерные технологии уже глубоко внедрились в них. в каждом современном автомобиле работает микропроцессорная система управления двигателем, обрабатывающая сигналы от датчиков и выдающая соответствующие команды исполнительным устройствам, в автосервисных центрах и передвижных лабораториях по определению технических неисправностей в двигателях – компьютерная система диагностики. В медицине  компьютерная томография, ультразвуковые исследования и другие технологии, связанные с компьютерной обработкой информации, вытесняют аппараты прямого наблюдения (рентгенографию и рентгеноскопию, например), методы биохимического анализа и рутинные измерительные процедуры все чаще компьютеризированы или работают с помощью электронных датчиков с процессорами. Бытовые приборы (часы, телевизоры, СВЧ–печи, телефоны, музыкальные центры и т.д.) все чаще также используют индикацию электрического сигнала в виде цифр, приобщая людей к цифровой форме представления и обработки информации.

Казалось бы, физика как школьный предмет (и физический практикум, в частности) должна не только приобщать школьников к цифровым методам представления и обработки информации, но и разъяснять физические принципы оцифровывания  сигнала, полученного с датчиков, измеряющих различные параметры, способы хранения, передачи, переработки информации в цифровом виде. Однако движение в этом направлении в учебной и методической литературе для школьников крайне робко. Данный комплекс предлагает, не дожидаясь оформления этих идей в виде глав печатных учебников, познакомить школьников с этими идеями через деятельность с использованием компьютерной техники, датчиков и цифровой фотокамеры в ходе изучения имеющегося содержания курса физики. Эта деятельность будет относиться к области выполнения лабораторных работ в ходе физического практикума. Необходимые сведения о принципах работы самой используемой техники школьник (да и учитель) почерпнет в описании самих работ.

На наш взгляд, школьный физический эксперимент должен не только показать возможности и преимущества новой техники для проведения измерений физических величин, но и привить школьнику современную культуру проведения исследований и обработки результатов. Проводя опыт или наблюдая за его ходом, ученик познает универсальные алгоритмы и правила решения реальных задач. Очевидно, что для этого в кабинете физики должен быть современный инструментарий – как для проведения экспериментов, так и для представления результатов. На наш взгляд, сейчас существуют все предпосылки для создания новой системы школьного физического эксперимента, базирующегося на использовании современных технологий, в том числе и информационных.

Остановимся на роли информационных технологий в физическом практикуме.

Во–первых, в современной физике как научной дисциплине компьютер давно занял функцию устройства, помогающего моделировать на основе теорий процессы либо недостижимые в условиях реального эксперимента, либо дорогостоящие при реальном экспериментальном моделировании. К первым можно отнести планетарные процессы, процессы в звездных системах, квантово–химическое моделирование молекул, ко
вторым – испытание блоков самолетов, корпусов автомобилей, водных транспортных средств и т.д. Поэтому использование компьютера в практикуме должно отражать роль компьютера как средства численного моделирования
в реальной научной и инженерно–технической практике, существующей в мире в настоящее время.

Во–вторых, введение в школьный практикум современной измерительной и вычислительной техники неизбежно должно внедрить в сознание идеологию оцифровывания аналоговых сигналов, свойственную всей современной бытовой технике и средствам телекоммуникаций. Таким образом, может произойти столь необходимое сейчас сближение предмета школьной физики и окружающего предметного мира ребенка.

В–третьих, автоматизация процесса получения и обработки информации, полученной в эксперименте, отражает роль компьютера в современной экспериментальной физике. Такая автоматизация увеличивает часть времени практикума, отданного осмыслению полученных данных. Ученик получает возможность для проведения дополнительных измерений, если появились сомнения в достоверности предыдущих, для постановки эксперимента в новых, измененных условиях, если это нужно для проверки возникшей гипотезы по объяснению наблюдений.

В–четвертых, вычислительная техника дает возможность создания абсолютно нового инструментария для обработки измерений, разработки принципиально новых работ школьного практикума, получения в них кардинально новых результатов, недостижимых в условиях применения стандартного школьного оборудования.

В–пятых, появляются новые возможности применения мультимедиа для обучения ученика технике проведения экспериментальных работ, оценке ошибок измерений, заполнения экспериментальных таблиц, построения по ним графиков. Это может облегчить труд учителя. В то же время использование шаблонов по оформлению экспериментальных работ позволит быстрее воспитать в школьниках культуру представления результатов собственных исследований в наиболее наглядном виде, что важно в условиях современного общества.

Таким образом, компьютеризированный практикум по физике может сыграть существенную роль в достижении общих целей образования,
в воспитании современного человека.

 

§1.2. Соответствие целей использования компьютеризированных лабораторных работ требованиям современного стандарта школьного курса физики

 

Проект современного стандарта крайне мало внимания уделяет использованию информационной техники при проведении лабораторных работ. Все работы можно провести без использования современных измерительных устройств, без информационной техники. В  рамках школьного курса физики заложено овладение умениями применять только простые измерительные приборы для изучения физических явлений. Есть только два упоминания о компьютерных технологиях : поиск информации с помощью компьютерных баз данных и Интернет, а также компьютерное моделирование движения небесных тел.

С другой стороны, стандарт и не запрещает добиться тех же навыков с помощью современных цифровых приборов и способов обработки экспериментальных данных. Ясно, что навыки «самостоятельного приобретения новых знаний, выполнение экспериментальных исследований, подготовка докладов, рефератов и других творческих работ» для «развития познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей» могут проходить и без новой техники. Однако степень адаптации в современном обществе школьников, которые ориентируются только в полиграфических изданиях, работают только с приборами прошлого века, будет низкой. Более того, восприятие физики как науки, изучающей окружающий мир и стоящей у истоков современной цивилизации, также будет искажено.

Поэтому в рамках ИИСС предполагается научить учащихся не только измерять простейшие физические величины, но и пользоваться современными датчиками, системами регистрации и обработки информации, таким образом знакомя их и с возможностями современной измерительной техники. Как показывает развитие физики XX века, повышение точности измерений за счет смены поколений измерительной техники приводит к созданию приборов прикладного назначения, основанных на простых физических принципах. Так, измерение ускорения свободного падения с помощью лазерных гравиметров с точностью до 8–го знака после запятой позволяет определять наличие под поверхностью Земли полости размером в полметра. Такой прибор может применяться и в археологии, и в геологии, и в военном деле, поэтому повышение точности измерения имеет не только академическое, но и вполне прикладное значение.

Без сомнения, можно изучить законы равноускоренного движения, используя наклонный желоб, ведро с водой, бокал, весы и линейку, как это сделал в XVII веке Г. Галилей, измеряя время по массе, вытекшей из ведра воды. Но можно воспользоваться современными датчиками расстояния и компьютерной обработкой сигнала с них, чтобы одновременно измерять не только время движения, но и скорость движения объектов по наклонной плоскости. Если к этому добавить еще возможность использования компьютера для графической и аналитической обработки полученных данных, то мы получим вполне современную работу, предназначенную одновременно и для «субъективного» открытия, и для «сокращения времени созревания» такого открытия и ознакомления с современными способами измерения времени. Она, как и любое школьное исследование, не претендует на абсолютное открытие, однако многое дает для развития самого ребенка.

Традиционное оборудование – это то, что было современным пятьдесят лет назад. Однако большие успехи в становлении количественной физики XX века, связанные с этим оборудованием, не должны создавать иллюзий о его вечности и незыблемости. Песочные часы в некоторых экспериментах, например, для подсчета числа колебаний маятника за определенный период времени – вполне адекватный характеру задачи инструмент исследования, но почему–то мы его не только не применяем, но и не пытаемся обосновывать, почему берем в руки секундомер.

Вероятность встречи современного школьника в дальнейшей жизни даже со стрелочными приборами, на наш взгляд, становится ничтожной по сравнению с вероятностью использования компьютера и устройств с цифровой индикацией измеряемых параметров. Поэтому в данном ИИСС широко использованы датчики температуры, положения, давления и т.д., в которых заложена идея преобразования физических величин в электрический сигнал, его оцифровывания и выведения на экран соответствующих числовых значений.

Кроме того, в состав ИИСС входят программный продукт и методики проведения измерений и обработки их результатов, принципиально новые для школы. Речь идет о видеосъемке процесса с помощью доступного цифрового фотоаппарата с последующей обработкой каждого кадра и проведения измерений с помощью компьютерного инструментария на экране монитора. Примером задачи для такого рода аппаратно–программного инструмента может служить изучение траектории шарика, брошенного под углом к горизонту. Такие методики должны многократно сократить время проведения и обработки эксперимента. Это позволит поставить перед учащимися задачи более творческие, чем трудоемкое получение заранее известных результатов.

Хотя в составе предлагаемых работ мало таких, которые направлены на изучение виртуальной реальности, работы по компьютерному моделированию включены в состав практикума под названием «Численный эксперимент». Это работы по моделированию молекулярных процессов. Это существенно отличает данный практикум от разрабатываемых виртуальных практикумов, уводящих учащихся от приобретения навыков изучения реальных явлений к идеализированной компьютерной модели. Компьютерное моделирование в рамках данного ИУМК применено только там, где его невозможно заменить живым экспериментальным исследованием.

В ИИСС существенное внимание уделено изменению технологии обработки результатов работы, освобождению ее от рутинных расчетов (вычисление среднего, построение графика по экспериментальным данным, сопоставление с графиком разных функций и т.д.). При использовании компьютерной техники идея численного интегрирования, например, реализуется напрямую с помощью стандартных методик вычислительной математики.

Таким образом, в рамках компьютеризированного физического практикума учащиеся смогут:

·         ознакомиться с современными методами измерения физических величин на основе датчиков и оцифровывания электрического сигнала с них, сравнить эти методы с традиционными;

·         получить возможность открыть (проверить) многие законы в собственных исследованиях за счет интенсификации и автоматизации процесса измерений и обработки;

·         освоить современный метод научного исследования явлений от измерения отдельных количественных параметров объекта до установления причинно–следственных связей и количественных закономерностей между многими параметрами, характеризующими явление, за счет выполнения выстроенной серии лабораторных работ;

·         проверить достоверность высказанных для объяснения явления гипотез посредством выполнения творческих исследований в реальном и численном эксперименте.

Это должно вывести учащихся профильных классов старшей школы на уровень мышления, необходимый современному человеку.

Известно, что проведение собственных исследований с получением информации от всех органов чувств позволяет ученику лучше запечатлеть получаемые знания в памяти. Такие исследования заставляют реагировать на постоянно возникающие случайные факторы, мешающие провести эксперимент в идеальных условиях, помогают научиться выделить основные черты изучаемого явления.

 


§1.3. Особенности компьютеризированных лабораторных работ
для основной (7 – 9–й класс) и старшей (10 – 11–й класс) профильной школы

 

Предполагается, что компьютеризированный практикум начнет использоваться с самого начала изучения физики, в 7 классе.

Для основной школы разработана серия работ, в которых учащиеся проводят измерения физических величин, требуемые образовательным стандартом по физике, как традиционным оборудованием, так и с помощью цифровой техники. Так, измерение промежутков времени в 7 классе может проводиться секундомером, фиксированием моментов прохождения объекта мимо оптоэлектронных или магнитных датчиков, ультразвуковым датчиком расстояния или путем обработки видеофрагмента процесса, снятого на цифровой фотоаппарат. Измерение температуры в 8 классе будет производиться стандартным спиртовым термометром и датчиками на основе термосопротивления (или термопары).

В описаниях работ заложено краткое изложение принципов работы современных измерительных приборов. Кроме того, ученики вместе с учителем должны будут сравнивать точность различных приборов, их преимущества и недостатки. Это позволит рассмотреть на уроке стороны человеческой деятельности, в которых могут быть использованы одни, и не могут быть использованы другие.

В 7 и 8 классах при оформлении работ возможности компьютерной техники лежат в основном в области простейшего формирования текста отчета с фотографиями, иллюстрациями в текстовом редакторе Word. В 9 классе предлагается использование шаблонов на основе редактора таблиц Excel для построения графиков или инструментария по обработке графиков и таблиц цифровой лаборатории «Архимед».

Таким образом, работы практикума для основной школы позволяют ознакомиться со всем арсеналом технических средств, используемым в компьютеризированном практикуме, и подготовиться к выполнению в старшей школе творческих работ и более сложных исследований, связанных с установлением числовых закономерностей, функциональных зависимостей между физическими величинами. Кроме того, происходит формирование представлений о физической величине как величине, измеряемой с ошибкой, но имеющей объективное значение, входящее в доверительный интервал, различный для различных измерительных приборов и методик измерения. Использование цифрового фотоаппарата, датчиков, компьютерной обработки сигналов, таблиц должно способствовать повышению мотивации к изучению предмета и служить предпрофильной ориентацией в выборе профильного класса в старшей школе.

Предложенные работы для основной школы по учебным методическим целям, по использованию теоретических понятий, физических величин никак не превышают объем учебников основной школы. По времени в основной школе компьютеризированные лабораторные работы займут не более 20% времени, отводимого в рамках курса физики 7 – 9 классов для выполнения экспериментальных работ. Форма их использования (фронтальная работа в течение года, фронтальная работа в рамках экспериментальной сессии раз в полугодие, творческий практикум, кружковая работа, проектная деятельность) зависит от оснащенности кабинета физики или практикума оборудованием, доступности компьютерной техники и т.д. Учитель и администрация школы должны определить ее после ознакомления со всем перечнем работ, описанных ниже.

В старшей профильной школе практикум может быть реализован в рамках часов, отведенных на элективные курсы в рамках интеграции физики и информатики, а также традиционного физического практикума при 5–6 часах в неделю, отведенных на физику.

В работах для старшей профильной школы превалируют такие работы, где получение результата качественно зависит от возможности цифровой обработки информации и не может быть достигнуто традиционными методами (или существенно упростится). Здесь особенно должны проявиться возможности компьютерной техники в обработке результатов, полученных при измерениях. Предполагается, что рутинные операции, выполняемые на компьютере, пройдут очень быстро и больше времени останется на  творческие задачи: подбор аналитической функции, выбор масштабных единиц, обозначений на осях, выдвижение и проверка гипотез.

В качестве примера можно привести работу по измерению емкости конденсатора по заряду, протекающему по резистору, через который разряжаются пластины конденсатора. Работа требует интегрирования кривой зависимости силы тока от времени. В традиционной методике делается путем построения графика по точкам на миллиметровке и далее путем подсчитывания клеточек площадью 1 мм2 или определения интеграла под кривой путем вырезания графика и взвешивания. В предлагаемом варианте работы результат получается методами численного интегрирования экспериментальной кривой.

Другим примером может служить работа с видеосъемкой полета мяча с помощью доступного цифрового фотоаппарата с последующей обработкой каждого кадра и проведения измерений с помощью компьютерного инструментария на экране монитора. Работа позволяет установить закон движения не путем теоретических выкладок, а путем анализа экспериментальных графиков зависимости координат тела от времени.

Важной частью практикума старших классов является возможность одновременного фиксирования нескольких параметров с датчиков (ток и напряжение, объем и давление, температура и ток), что позволяет в течение одного занятия исследовать сложные зависимости и добиться точности значений для построения экспериментальных графиков близких к теоретическим зависимостям.

Так, например, процедура регистрации напряжения на источнике тока и силы тока через него при изменении переменного сопротивления во внешней цепи требует после сборки цепи не менее 10 минут времени. В предлагаемом варианте регистрация значений величин займет не более 30 с, после соответствующей обработки в течение нескольких секунд будет получена графическая зависимость U(I), и при применении инструмента автоматического подбора коэффициентов линейной зависимости также за несколько секунд будут определены числовые значения ЭДС источника и его внутреннего сопротивления. Главной частью работы является объяснение (осознание) полученной экспериментальной зависимости. Помимо того, что сокращение времени позволяет, например, сравнить внутреннее сопротивление разных источников тока, на наш взгляд, должно произойти изменение мотивации выполнения этой экспериментальной работы по сравнению с получением значений внутреннего сопротивления источника и его ЭДС и традиционным способом.

Все работы для основной и старшей (профильной) школы вписываются в список работ, рекомендуемых для проведения по всем линиям учебников путем замены традиционных инструментов на новые, цифровые.

Мы глубоко убеждены в том, что элективный курс на базе компьютеризированного школьного физического практикума будет востребован учащимися, поскольку он ведет к параллельному приобретению навыков проведения собственного творческого исследования и целенаправленному использованию информационной техники. Все требования стандарта физического образования по приобретению экспериментальных измерений будут освоены. Однако оборудование, программное и методическое обеспечение ИИСС позволят учителю и ученику создать новые экспериментальные работы и включить их в арсенал преподавания физики. Например, возможно создание работ по изучению принципов записи, считывания и хранения информации. Мы надеемся, что такое развитие компьютеризированного практикума приведет и к постепенному внедрению идей современной цифровой техники в школьные учебники физики.

Как показала апробация электронных изданий по физике серии «1С: Школа» в 7 – 10 классах школ России, их использование на стадии объяснения нового материала, закрепления понятий, аттестации, они повышают мотивацию к изучению физики и достижению требований нового стандарта физического образования. Надеемся, что внедрение компьютеризированного школьного практикума по физике также будет способствовать достижению этих целей.

 

§1.4. Цифровые инструменты, используемые в ИИСС

 

Благодаря деятельности компьютерных фирм в представлении учителей и методистов компьютерная лабораторная работа ассоциируется с виртуальным практикумом, в котором длина виртуальных брусков на экране измеряется виртуальными линейками, которые нужно поднести с помощью мыши к виртуальному бруску. В качестве рекламных акций такие виртуальные практикумы позиционируются на рынке

Данный практикум рассматривает компьютер как помощника:

·         в подготовке и проведении реальных (живых) экспериментов с реальными объектами;

·         на стадии обработки данных полученных в результате фиксации состояние реальных объектов в реальном времени;

·         на стадии оформления результатов работы в виде электронного документа;

·         в моделировании молекулярных и астрономических процессов, при этом выводы можно сопоставить с реальными наблюдениями.

Ключевым элементом структуры ИИСС является Датчик, фиксирующий состояние объекта исследования и переводящий его в форму электрического сигнала (рис. 1.1). Затем электрический сигнал преобразуется в цифровую форму и фиксируется в форме таблицы. Эту функцию осуществляет аналого-цифровой преобразователь – АЦП. Таблица в виде файла может с АЦП попадать сразу на компьютер или в течение некоторого времени хранить в блоке памяти, смонтированном в одном корпусе с АЦП. Такой блок, содержащий АЦП и блок памяти, используется в цифровой лаборатории «Архимед» (см. часть II) и называется Регистратор данных.

 

 

Рис. 1.1.

 

С использованием Регистратора данных в рамках ИИСС выполняются работы с использованием датчиков температуры, давления, расстояния, микрофонного датчика звука, датчика освещенности и т.д. С регистратора данных таблицы передаются уже на компьютер (настольный или карманный), на котором располагается Программа обработки табличных данных, которая может представлять данные в виде стандартных таблиц, графиков, обеспечивать ручной или автоматический подбор функций, описывающих графики с помощью элементарных функций, экспортировать таблицы и графики в другие программы Windows и т.п.

В работах ИИСС задействован еще один тип датчика – Видеодатчик. Это может быть цифровой фотоаппарат, видеокамера или веб-камера. Этот тип датчика осуществляет функцию преобразования изображения на светочувствительной матрице в серию электрических сигналов с формированием последовательности цифр, описывающих освещенность каждой ячейки матрицы (оцифровывание изображения). При формировании видеофайла формируется последовательность групп цифр, описывающих освещенность ячеек прямоугольной матрицы в каждом кадре видео и последовательность кадров. Сформированный видеофайл переносится на компьютер в готовом виде, минуя аналого-цифровой преобразователь (рис. 1.1). Далее видеофайл может быть обработан с помощью Программы обработки изображения с формированием таблиц. В ней ученик, пролистывая видеофайл кадр за кадром, может ставить метку на каждом кадре там, где располагается движущаяся точка, за которой ученик хочет проследить, задавать масштаб изображения предмета, занося известный размер предмета в кадре. Таким образом формируется таблица координат точки от времени: x(t) и y(t).

После такой обработки видеофайла может быть использован тот же арсенал средств для преобразования табличных данных в графическую и аналитическую, что и при обработке данных с Регистратора данных с датчиками (рис. 1.1). Для Программы обработки табличных данных нет разницы– обрабатывать таблицу зависимостей напряжения и силы тока в проводнике от времени (U(t) и I(t)) или таблицу зависимостей координат от времени (x(t) и y(t)). При построении графиков компьютер преобразует подробную таблицу в псевдонепрерывную кривую, и на экране компьютера мы будем видеть как бы непрерывную кривую (рис. 1.2)

Рис. 1.2.

 

На рис. 1.1 в столбце слева показано, что описанные блоки ИИСС или их совокупности (показаны пунктирными линиями) могут комбинироваться в разных наборах. Так в качестве блока Программа обработки изображения с формированием таблиц может выступать специально написанная в ходе реализации данного ИИСС программа «1С:Измеритель», а в качестве Программы обработки табличных данных стандартный редактор таблиц Excel. В то же время в программе MultiLab фирмы Fourier System объединены и Программа обработки изображения с формированием таблиц, и Программа обработки табличных данных, и, кроме того, Программа синхронизации видео и графиков зависимостей в электронном документе, которая позволяет, двигая метку на видеофрагменте, следить за курсором на графике зависимости координаты от времени и, наоборот, двигая курсор по графику зависимости координаты от времени, наблюдать, какому этапу движения соответствует данная точка графика.

Получаемый с датчиков сигнал с помощью программы MultiLab может быть обработан компьютером фактически автоматически, то есть будут выстроены графики, подобраны функции, описывающие наблюдаемые зависимости. Однако такая «глубокая» автоматизация обработки эксперимента, пригодная для работы профессиональных физиков или для демонстрационного эксперимента, требующего только иллюстрации определенной закономерности, наблюдаемой в эксперименте, неприемлема для проведения экспериментальной исследовательской работы школьником. Требуется максимально сознательное оперирование получаемыми данными, освоение всех этапов проведения эксперимента, формирование навыков анализа получаемой информации и планирования следующего ее этапа.

В предлагаемых в рамках ИИСС автоматизация обработки используется только для того, чтобы уместить исследование и оформление результатов в определенные временные рамки одного занятия. Ведь в рамках одного, максимум двух, занятий ученик должен получить конечный результат в виде электронного документа и работа его должна быть оценена.

В ИИСС включены методические указания для старших школьников, в которых задачи и последовательность действий сформулированы в максимально обще, и только в работах для основной школы дается подробный план работы. В то же время книга для учителя содержит подробные описания работ для учителя, чтобы , зная ход выполнения работы,он максимально гибко «вел» учеников, сохраняя максимальную степень их самостоятельности в постановке задач и составлении плана действий. Для более быстрого освоения цифрового инструментария ИИСС помимо текстовых Инструкций (см. ч. 2 и ч. 3), в ИИСС входят видеоинструкции, где видеоряд сопровождается текстом диктора.
Цифровые инструменты позволяют учителю выстроить работу максимально гибко, в зависимости от подготовленности школьников в области физики и ИКТ.
Даже если с помощью датчиков получена таблица, причем в настройках Регистратора данных задан максимально жесткий сценарий представления данных, а затем полученная таблица распечатана, то уже ясно, что цифровая лаборатория частично использована в работе, хотя вся дальнейшая обработка таблиц может быть проведена вручную. При этом мы добиваемся реализации идей повышения мотивации школьников к выполнению работы за счет тяготения к цифровым технологиям. Аналогично можно сказать о работах с самостоятельной съемкой видеофрагментов и их обработкой в программе MultiLab или «1С:Измеритель». Если один ученик освоил видеосъемку и предоставил видеофайл второму ученику для обработки, способному такую обработку провести, следует на первых порах считать такую работу с цифровой лабораторией успешной.
Если полученная таблица обработана с помощью шаблонов, созданных в рамках ИИСС, на основе Excel, то реализуется идея междисциплинарности исследований, когда ученик видит, как цифровой инструментарий, изучаемый на уроке информатики, оказывается полезным в работе по физике.
Если ученик сам программирует процедуры обработки таблицы в Excel, используя макросы программы, то реализуется востребованность навыков программирования для реальной работы.
И наконец, если ученик сам, настраивая Регистратор данных, планирует эксперимент исходя из поставленных целей, сам выбирает координаты для осей графика, чтобы отразить суть явления, сам подбирает вид функций и числовые коэффициенты в них для аппроксимации полученного графика, значит, достигнута высшая степень использования цифрового инструментария ИИСС для проведения экспериментальных исследовательских работ.

В сценариях работ даются указания по подготовке отчета о работе в электронном виде. Предполагается, что отчет готовится в текстовом редакторе Word, с включением иллюстративного материала в виде фотографии установок, таблицы данных, графиков. Он также содержит текстовые ответы на поставленные в описании для ученика вопросы и выводы о результатах.

Кроме того, Программа синхронизации видео и графиков зависимостей в электронном документе, включенная в программу MultiLab, поставляемую вместе с цифровой лабораторией «Архимед», позволяет включить в отчет цифровой документ в виде сохраненного проекта, где, запуская видео, можно следить за процессом в динамике, останавливать просмотр и комментировать его звуковым сопровождением.

Такой материал позволит легко создать и презентацию по результатам работы, которую ученик сможет использовать при устном докладе – например, если работа используется при защите проектной работы.

 
 

§1.5. Комментарии к работам, рекомендованным для выполнения в рамках ИИСС

 
Ниже приводится список работ, к которым в рамках ИИСС даны описания для учеников.
 
Название
Рекомендуемое позиционирование в школьной программе
Рекомендуемый для использования цифровой Инструмент
Примечание
1
Измерение размеров крупных и мелких объектов с помощью цифрового фотоаппарата.
7 – 9 класс
«1С: Измеритель по обработке фото и видео»
Возможно использование программы видеоанализа в программе MultiLab
Изучение кинематики свободного полета  мяча 1
9 – 10 класс
«1С: Измеритель по обработке фото и видео» + «Шаблон для обработки результатов на основе Excel»
Содержательное наполнение соответствует содержанию работы «Бросок мяча 2»
Изучение кинематики свободного полета  мяча 2
9 – 10 класс
Видеоанализ в программе MultiLab
Содержательное наполнение соответствует содержанию работы «Бросок мяча 1»
 
3
Исследование формы поверхности жидкости во вращающемся сосуде
10 класс
«1С: Измеритель по обработке фото и видео» + «Шаблон для обработки результатов на основе Excel»
Возможно использование программы видеоанализа в программе MultiLab
4
Исследование взаимодействия движущейся тележки с неподвижным препятствием
9 – 10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
5
Изучение удара шаров о твердую поверхность
9 – 10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
6
Сравнение работы сил и изменения кинетической энергии
9 – 10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
7
Изучение зависимости электрического сопротивления термистора от температуры
11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
8
Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника
11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
9
Движение по наклонной плоскости
10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
10
Изучение магнитного поля стержневого магнита
8–11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
11
Изучение колебательного движения
9 – 11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
12
Измерение индуктивности катушки
11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед
 
13
Изучение резонанса в электрическом колебательном контуре
11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед
 
14

Измерение температуры нити лампы накаливания в номинальном режиме

11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед
 
15

Измерение магнитного поля земли

8–11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
16

Исследование процесса выравнивания температуры соприкасающихся жидкостей

8 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
17

Изучение  изотермического процесса

10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
18
Измерение КПД генератора тока
11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед
 
19

Изучение законов гидростатического давления

7 10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
20

Измерение скорости звука

7 9 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
21

Изучение электродвигателя постоянного тока

11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
22

Сравнение энергии, выделяемой в элементах электрической цепи переменного тока, содержащей резистор и конденсатор

11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
23

Изучение периода колебаний жидкости в U-образной трубке

11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
24

Определение электроемкости конденсаторов методом зарядки и разрядки

11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
25

Изучение закономерностей движения частиц жидкости в струях

10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
26

Исследование кривых нагревания и остывания аморфного и кристаллического вещества

10 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
27
Изучение явления поляризации света
11 класс
Цифровая лаборатория «Архимед»
 
28
Моделирование эквипотенциальных поверхностей
9 – 11 класс
Интерактивная модель в среде Flash Macromedia
 
29

Моделирование интерференции волн от нескольких когерентных источников

9–11 класс
Интерактивная модель в среде Flash Macromedia
 
30

Моделирование поля заряженной плоскости с использованием метода суперпозиции

10 класс
Интерактивная модель в среде Flash Macromedia
 
 
Первые три работы посвящены обработке результатов эксперимента, заснятого на цифровой фотоаппарат или видеокамеру с помощью программ по обработке цифровых фотографий и видеофрагментов. Работа 2 дана в двух вариантах, отличающихся тем, что в описании для ученика приводится обработка видеофрагмента примерно одинакового содержания (полет мяча, брошенного под углом к горизонту) разными цифровыми инструментами.
В варианте 2а – это программа по обработке фото и видео фирмы «1С», дающая возможность формировать таблицу координат двигающегося тела от времени и экспортировать ее в стандартный редактор таблиц Excel фирмы Microsoft. Для облегчения обработки полученных в этой работе таблиц в редакторе Excel созданы специальные «Шаблоны», которые позволяют строить графики зависимости координат от времени, одной координаты от другой и сравнивать экспериментальные зависимости с теоретическими.
В варианте 2б – для обработки используется программа MultiLab фирмы Fourier, входящая в набор инструментов цифровой лаборатории «Архимед».
В ней получение таблицы зависимости координат от времени совмещено с построением  этой зависимости на графике.
Работа 1 является подготовительной в освоении инструментария по обработке статичных кадров, тем не менее она вполне уместна для учащихся основной школы как метод сравнения стандартных и цифровых методов определения расстояний. Может быть выполнена и с помощью программы MultiLab, и с помощью программы «1С:Измеритель», однако включенное в ИИСС описание работы для школьников основано на использовании «1С:Измерителя».
Работы №7, 8,  могут быть в принципе проведены с помощью стандартного оборудования, поэтому могут быть использованы для сравнения мотивации учащихся к использованию цифровых инструментов и сравнения времени, которое будет затрачено на получение результатов и их обработку.
Последние три работы – работы по компьютерному моделированию процессов.
Остальные работы используют цифровые датчики лаборатории «Архимед», сигнал с которых поступает на Регистратор данных, хранится на нем в виде таблиц, а затем может быть обработан на карманном персональном компьютере или настольном персональном компьютере с помощью программы MultiLab.
Описания работ для учеников и методические указания для учителя приведены в главах 8 и 9 данного пособия. Описания для ученика также даны в электронной части инструментария, при вхождении в программу ИИСС и выборе названия соответствующей работы в дереве содержания инсталлированного на компьютере диска. Из описания работы ученик может всегда вызвать Инструкцию по работе с цифровой лабораторией «Архимед» (приведена в главах 2–6) или Инструкцию по работе с программой «1С:Измеритель» (приведена в главе 7). При работе с компьютерными моделями справка по Инструментарию включена в Помощь каждой модели или включена в описание работы.
 

Цифровая лаборатория «Архимед»

 

Глава 2. Установка программного обеспечения с компакт–диска «Цифровая лаборатория «Архимед»

 

Введение

 

В состав программного обеспечения цифровой лаборатории «Архимед» входят четыре программы:

1.         MultiLab PC – приложение Windows для регистрации и обработки экспериментальных данных на настольном персональном компьютере.

2.         Palm Desktop – приложение Windows для синхронизации КПК Palm и настольного компьютера.

3.         Piloc – приложение PALM OS для русификации КПК Palm.

4.         MultiLab Palm – приложение PALM OS для регистрации и обработки экспериментальных данных на КПК Palm.

Если Вы выбираете конфигурацию I (см. Введение) компоновки оборудования лаборатории, в которой предусматривается использование датчиков, Регистратора данных и настольного компьютера (PC), то достаточно установить на вашем РС только одну программу MultiLab PC. Установки этой одной программы достаточно и для обработки данных видеоэкспериментов, когда вашим датчиком, регистрирующим первичную информацию, является цифровой фотоаппарат или видеокамера. Установка этой программы описана в §1.1.

Остальные три программы – Palm Desktop, Piloc и MultiLab Palm – нужны для использования карманного компьютера Palm при проведении и обработке экспериментов. Установка этих программ описана в §1.2.

 

Чтобы облегчить процедуру установки, все четыре программы помещены на компакт–диске «Цифровая лаборатория «Архимед», где имеется и программа «Мастер установки». С его помощью можно корректно установить необходимое для цифровой лаборатории программное обеспечение.

Эта глава может служить самостоятельным руководством по установке программного обеспечения, если вы решили не прибегать к услугам Мастера установки.

 

Примечание. Вы можете установить все программное обеспечение полностью самостоятельно, не обращаясь ни к первой главе, ни к Мастеру установки. При этом важно соблюдать определенную последовательность (в противном случае некоторые программы могут оказаться неработоспособными): сначала устанавливается MultiLab PC, затем Palm Desktop, далее проводится русификация КПК Palm, потом загружается программа MultiLab Palm.

Для инсталляции программы Palm Desktop можно воспользоваться компакт–диском «Sofware Installation CD for Windows». Помощь в установке вам окажет находящийся на этом диске Мастер установки (на английском языке).

Для инсталляции программы Piloc предназначена помещенная на компакт–диске «Цифровая лаборатория «Архимед» папка Piloc. При установке может оказаться полезной книга «PalmOS. Руководство пользователя».

Инсталлировать программы MultiLab Palm и MultiLab PC позволит компакт–диск «Цифровая лаборатория «Архимед». Инсталляторы программ расположены на нем в папке MultiLab.


§2.1. Установка и удаление программы MultiLab PC и программ для осуществления передачи информации с регистратора данных на PC

 

Для работы с MultiLab система должна удовлетворять следующим требованиям.

 

Программное обеспечение

·         Windows 98, ME, 2000, XP.

·         Internet Explorer 5.0 или более поздняя версия (дистрибутив Internet Explorer 5 имеется на диске «Цифровая лаборатория «Архимед»).

 

Аппаратные требования

·         Pentium II 600 MГц или выше (Pentium 4 1,6 Гц или выше рекомендуется для видеоанализа).

·         32 Mб RAM (64 Mб рекомендуется).

·         10 Mб свободного дискового пространства для приложения MultiLab (50 Mб для временного размещения инсталляционных ресурсов).

·         Свободный USB– или COM–порт.

·         Для работы с видео необходимы видеокамера и соответствующий драйвер видеокамеры, свободный USB–порт (драйвер для поставляемой веб–камеры входит в состав инсталляционного диска).

·         Чтобы записывать и воспроизводить звуки и голосовые комментарии, необходимы звуковая карта, микрофон и звуковой динамик.

 

1. На диске «Цифровая лаборатория «Архимед» откройте папку MultiLab\MultiLab PC и дважды щелкните на пиктограмме setup.exe.

 

Примечание. Инсталлятор программы MultiLab PC может устанавливать также дополнительные ресурсы, позволяющие пользоваться медиа – возможностями программы (Darling Camera Driver, QuickTime, MS Windows Media Player, MS Windows Media Encoder, MS Windows Media Audio and Video 8 codecs). Загрузка каждого из этих ресурсов запускается автоматически, но только в том случае, если они не были установлены на вашем компьютере ранее.

Кроме того, можно вручную установить драйвер веб–камеры D–Link DSB–C310. Для этого найдите на компакт–диске «Цифровая лаборатория «Архимед» папку MultiLab\MultiLab_PC\D–Link DSB–C310 Camera Driver и дважды щелкните в ней на пиктограмме setup.exe.

Внимание! В процессе установки дополнительных ресурсов могут появиться предложения перезагрузить компьютер. Пожалуйста, чтобы не прерывать работу нашего Мастера установки, ОТКАЗЫВАЙТЕСЬ ОТ ВСЕХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПЕРЕЗАГРУЗИТЬ КОМПЬЮТЕР! Перезагрузите компьютер позже, когда все программное обеспечение лаборатории будет установлено, на последнем шаге работы Мастера.

 

В первом окне инсталлятора программы MultiLab нажмите кнопку Next:



2. Откроется следующее окно инсталлятора:

 

 

В этом окне введите имена пользователя и организации, выберите вариант использования программы Anyone who uses this computer (Любой пользователь компьютера) и нажмите кнопку Next.

 

3. В следующем окне выберите место для установки программы:

 

 

Примечание. Установщик предлагает разместить программу по адресу, указанному в секции Distination Folder. Если вас это не устраивает, нажмите кнопку Browse и задайте другую папку.

 

Указав папку программы, нажмите кнопку Next.

 

4. В следующем окне сообщается, что программа MultiLab успешно установлена  и для начала работы с программой необходимо перезагрузить компьютер:

 

Если вы не хотите устанавливать остальные программы, например, если не планируете на первом этапе работы с цифровой лабораторией «Архимед» использовать карманный компьютер Palm, то выберите Yes? I want to restart my computer now и нажмите кнопку Finish. Компьютер перезагрузится, и на Рабочем столе появится иконка программы MultiLab PC. Это позволит вам проводить работу с лабораторией, используя для управления и обработки данных только настольный компьютер, регистратор данных Trilink и цифровую камеру.

 

Если вы планируете работать с карманным компьютером (конфигурации II и III компановки оборудования, см. Введение), то не стоит прерывать процедуру установки всего программного обеспечения лаборатории, ОТКАЖИТЕСЬ ОТ ПЕРЕЗАГРУЗКИ КОМПЬЮТЕРА. Для этого щелкните на поле No, I will restart my computer later и нажмите кнопку Finish. И вы продолжите установку программ с помощью Мастера установки программ цифровой лаборатории «Архимед» (§1.2).

 

Для удаления программы MultiLab PC выберите в меню Пуск Þ Настройки Þ Панель управления, затем воспользуйтесь сервисом Установка Þ Удаление программ.

 

Для управления регистратором данных Trilink с настольного компьютера, для получения и обработки данных с помощью программы MultiLab PC необходим канал передачи информации с одного устройства на другое. Поэтому следует проверить работу свободного USB – порта компьютера и при необходимости инсталлировать драйвер USB, позволяющий распознавать регистратор данных, присоединенный с помощью кабеля к этому порту. Для этого нужно:

·         вставить компакт–диск в CD–дисковод; еcли MultiLab уже установлен, а инсталляция начнется автоматически, следует остановить ее нажатием на кнопку Cancel;

·         подсоединить TriLink к USB–порту своего компьютера и включить его; Windows автоматически определит новое устройство и запустит процедуру добавления нового устройства;

·         выбрать опцию Specify the location of the driver, затем нажать Next;

·         выбрать пункт Search for the best driver for your device, затем поставить флажок Removable Media и нажать Next.

Windows автоматически найдет и установит все необходимое программное обеспечение.

Возможна беспроводная передача информации с регистратора данных TriLink на настольный компьютер. TriLink поддерживает беспроводную технологию связи Bluetooth. Чтобы вы могли воспользоваться ею, ваш настольный компьютер также должен быть снабжен устройством Bluetooth. В дальнейшем мы будем придерживаться предположения, что связь между PC и TriLink осуществляется с помощью кабеля через USB – порт. Технология подключения компьютера с помощью устройства Bluetooth описана в главе 3, касающейся организации работы с карманным компьютером Palm.

 

 

§2.2. Установка программ Palm Desktop, MultiLab Palm, регистрация карманного компьютера и его русификация

 

Программа Palm Desktop служит для обмена данными между карманным и настольным компьютерами, для резервного копирования данных Palm’а, а также для инсталляции и обновления его программного обеспечения.

1. Вставьте компакт–диск «Цифровая лаборатория «Архимед» в дисковод компьютера (если это еще не сделано). Запустится Мастер установки. Если вы хотите использовать вместо него данную инструкцию, закройте окно Мастера. Щелкните правой кнопкой на пиктограмме CD–дисковода и выберите команду Открыть.

2. В развернувшемся окне найдите папку Palm Desktop и запустите инсталлятор двойным щелчком на пиктограмме Setup.exe. На экране появится окно подготовки программы к инсталляции:

 

 

 

 

Когда подготовка будет закончена, это окно автоматически закроется, и откро­ется следующее.

 

3. В открывшемся окне сообщается, что программа–установщик готова к работе.

 

 

Нажмите в этом окне кнопку Next.

4. В следующем окне представлен текст лицензионного соглашения, которое вы должны принять, чтобы работать с программой.

 

 

Выберите опцию I accept these terms (подтвердите, что согласны с условиями соглашения) и нажмите кнопку Next.

5. В следующем окне предлагается получить последние версии настроек для вашего КПК через Интернет.

 

 

Откажитесь от этого предложения, сняв флажок в поле Download latest settings from the Internet и нажав кнопку Next.

6. В следующем окне предлагается выбрать место программы на жестком диске вашего компьютера.

 

 

Примечание. Установщик предлагает адрес, указанный в секции Install Location. Если вас это не устраивает, нажмите кнопку Browse и укажите другую папку. Нажмите кнопку Next. Начнется процесс инсталляции.

 

7. В следующем окне сообщается, что для завершения установки программы на некоторых компьютерах может потребоваться произвести перезагрузку.

 

 

Нажмите кнопку Finish.

Если после этого появится предложение перезагрузить компьютер:

 

 ,

 

откажитесь от него, нажав кнопку No.

На этом процедура установки программы Palm Desktop заканчивается.

Следующий этап – регистрация вашего КПК Palm.

 

Регистрация карманного компьютера

 

1. Выберите в меню Пуск команду Программы Þ PalmOne ÞPalmDesktop:

 

 

2. В открывшемся окне Users нажмите кнопку New, чтобы зарегистрировать имя своего КПК в программе PalmDesktop.

 

 

3. В поле Enter a new user name введите имя, которое вы хотите дать КПК, и нажмите кнопку ОК. Окно New User закроется, а в окне Users будет записано имя КПК.

4. Выделите это имя и нажмите кнопку ОК.

 

 

Откроется главное окно программы PalmDesktop.

На этом регистрация КПК в программе PalmDesktop заканчивается.

Не закрывайте окно  PalmDesktop, оно понадобится на следующем этапе – русификации КПК.

 

 


 

Русификация карманного компьютера

 

Процедура русификации Palm’а состоит из двух шагов. На первом шаге вы установите на Palm файлы программы–русификатора Piloc, а на втором – активизируете эту программу на Palm'e, после чего его операционная система будет русифицирована.

 

Передача файлов программы Piloc на карманный компьютер

 

1. Подключите карманный компьютер к настольному. Включите карманный компьютер.

2. В окне Palm Desktop щелкните на кнопке Quick Install.

Откроется окно palmOne Quick Install. В центре окна имеется поле Handheld со списком файлов, которые будут переданы на карманный компьютер в ближайшем сеансе связи.

 

 

3. Откройте на компакт–диске «Цифровая лаборатория «Архимед» папку PiLoc и скопируйте все имеющиеся в ней файлы в поле Handheld окна palmOne Quick Install.

4. Запустите процедуру синхронизации, нажав кнопку USB–кабеля в месте его подключения к КПК.

Если вы еще ни разу не подключали свой КПК к PC, то программа Palm Desktop, отвечающая за связь с КПК, не может сопоставить его ни с одним ранее зарегистрированным пользователем. В этом случае она открывает окно запроса, в котором просит вас либо указать, к какому из зарегистрированных пользователей относится подключенный КПК, либо зарегистрировать этот КПК как нового пользователя.

 

Щелкните в этом окне на поле Select an existing user account, выберите в списке имя, которое вы зарегистрировали в Palm Desktop для своего КПК ранее, и нажмите кнопку ОК.

В результате этой процедуры на КПК Palm будут переданы файлы программы Piloc.

Активизация программы Piloc на карманном компьютере

1. По окончании процедуры синхронизации нажмите на карманном компьютере пиктограмму программы Piloc (с изображением буквы «Ы»), в открыв­шемся окне нажмите кнопку в виде стрелки рядом со строкой System language (Язык системы) и выберите опцию Russian.

 

2. В открывшемся диалоговом окне Set System Language (Установить язык системы) нажмите кнопку ОК.

 



 
 
 
 
 
 
 

 

Окно Piloc примет следующий вид:

3. В списке Интерфейс выберите пункт Перевести.

Программа Piloc произведет русификацию операционной системы Palm’а.

4. Зарегистрируйте программу PiLoc. Нажмите на меню PiLoc в верхней части экрана и выберите команду Ввести серийный номер. Откроется окно с полем для ввода серийного номера.

Серийные номера программы Piloc для карманных компьютеров вашей лаборатории приведены на вкладыше к диску «Архимед».

Введите серийный номер и нажмите кнопку OK. Серийный номер следует записывать ПРОПИСНЫМИ буквами, не пропуская тире и обращая внимание на разницу между буквой О и цифрой 0, а также между буквой L и цифрой 1!

На этом русификация КПК заканчивается.

 

Установка и передача MultiLab Palm на карманный компьютер

 

Установку этой программы можно начинать только после того, как будет загружена программа Palm Desktop.

 

Внимание! Если в настоящий момент программы Palm Desktop и\или QuickInstall работают, пожалуйста, закройте их!

 

1. На диске «Архимед» откройте папку MultiLab\MultiLabPalmSetup и  дважды щелкните на пиктограмме MultiLabPalmSetup_rus.exe.

Откроется следующее окно:

 

 

 

2. В этом окне нажмите кнопку Next. Появится следующее окно инсталлятора, в котором предлагается выбрать место программы на жестком диске компьютера.

 

 

Примечание. Установщик предлагает разместить программу по адресу, указанному в секции Distination Folder. Если вас это не устраивает, нажмите кнопку Browse и укажите другую папку.

 


3. На следующем шаге проводится сеанс синхронизации КПК и настольного компьютера.

 

'

 

Убедитесь, что Palm подсоединен к настольному компьютеру, и проведите процедуру синхронизации, нажав кнопку USB –кабеля в месте его подключения к КПК. В результате этой процедуры файлы программы Multilab PALM будут переданы на КПК.

Чтобы закрыть программу инсталляции, нажмите кнопку Finish.

Теперь, когда все программное обеспечение установлено, рекомендуем перезагрузить настольный компьютер.

 


Глава 3. Работа с регистратором Trilink, соединенным с настольным компьютером
 

§3.1. Общая информация о регистраторе данных TriLink

 

TriLinkä – регистратор данных фирмы Fourier. В нем применяется технология беспроводной связи Bluetooth, однако он может осуществлять передачу данных на компьютер и с помощью кабеля.

 

TriLink может фиксировать и хранить информацию с нескольких датчиков одновременно, способен произвести 21 000 замеров в секунду и хранить во встроенной памяти до 100 000 экспериментальных точек.

 

TriLink снабжен электрическим аккумулятором и предназначен для измерений «на ходу» (класс, улица, лес и т.д.). Аккумулятор автоматически переводится в резервный режим через 5 минут после последней регистрации данных, или после последнего нажатия кнопки, или после последнего сеанса связи с PC. В резервном режиме TriLink отключает питание электронной схемы и дисплея и потребляет минимальную мощность.

 

TriLink поставляется с мощным программным обеспечением MultiLab. Если TriLink соединен с PC, то за 1 секунду отображается 100 показаний датчиков, и процесс сохранения данных происходит с высокой скоростью. MultiLab обеспечивает возможность выводить данные в виде графиков, таблиц, шкалы приборов, анализировать данные при помощи различных математических инструментов, показывать ход эксперимента в режиме реального времени, записывать его как видеофильм.

 

В комплект поставки регистратора TriLink входят:

·         датчики (напряжения, тока, микрофоны, расстояния, освещенности, давления, температуры, индукции магнитного поля и др.);

·         кабель USB;

·         адаптер для зарядки аккумулятора от цепи переменного тока (220 В, 50 Гц).

 

На рис. 3.1 показаны внешний вид регистратора и увеличенный фрагмент передней панели TriLink'а.

В корпусе имеется:

·         4 порта для датчиков In–1, In–2, In–3, In–4, хотя, в принципе возможна работа и с 8 датчиками одновременно;

·         порт USB для подсоединения кабеля, обеспечивающего связь с настольным компьютером;

·         разъем кабеля питания, к которому присоединяется кабель адаптера для зарядки аккумулятора или электропитания устройства непосредственно от электрической сети.

Нажатие кнопки On/off  приводит к включению (выключению) устройства. После включения на экране можно увидеть отображение процесса короткой самопроверки, загрузки параметров, которые были установлены в момент прошлого выключения, номера версии и уровня зарядки аккумулятора, имена данного регистратора, а затем – текущего состояния.

                                                                        Рис. 3.1

Кнопка Run/Stop  служит для запуска и остановки сбора данных с датчиков, присоединенных к TriLink'у. При этом по умолчанию используются параметры регистрации, сохраненные после прошлого сеанса.

Перед началом регистрации данных TriLink автоматически проверяет размер доступной для записи памяти. Если он окажется недостаточным, то на экране регистратора появляется сообщение:

 

_ _ _ LOGGER–RUN _ _ _

Clear = (Run)

При повторном нажатии кнопки Run/Stop память очищается, и запускается новая регистрация данных.


§3.2. Подготовка к регистрации данных с регистратором данных TriLink

 

3.2.1. Электропитание и зарядка аккумулятора

TriLink оборудован аккумулятором типа 2,4 В/750 мАч NiMH. Прежде чем в первый раз приступить к работе с TriLink'ом, необходимо произвести зарядку аккумулятора в течение 10–12 часов (при этом TriLink должен быть выключен). Если основной аккумулятор разрядился, то работоспособность запоминающего устройства поддерживается трехвольтовой литиевой батарейкой – таким образом обеспечивается сохранность данных.

 

Внимание! Срок службы аккумулятора составляет примерно 100 часов. Чтобы его продлить, достаточно соблюдать следующие простые требования: отсоединять датчики только при выключенном TriLink'е; обязательно выключать TriLink, прежде чем отсоединять его от компьютера. Можно продолжать работу подключив TriLink к электросети.

Электропитание от внешнего источника переменного тока осуществляется через адаптер AC/DC 9–12 В. Адаптер снабжен встроенным выходным емкостным фильтром 12 В DC, 300 мA и коаксиальным разъемом с минусовым центром. Зарядка аккумулятора начинается автоматически при включении внешнего питания.

Если при загрузке данных TriLink на экране передней панели показывается уровень зарядки аккумулятора 100%, то питание при присоединенном кабеле внешнего питания осуществляется от внешней цепи.

 

3.2.2. Подключение датчиков

Датчики должны  подключаться последовательно, начиная с первого порта In–1. Один датчик присоединяется к порту In–1, два – к портам In–1 и In–2 и т.д. После присоединения следует убедиться, что регистратор TriLink идентифицирует датчики. Для этого нажмите кнопку On/off  Регистратора. После окончания отображения на экране процесса инициализации вы увидите имя датчика. Такой режим Автоматической идентификации задан в Регистраторе по умолчанию, если не был изменен Пользователями в ходе предыдущей эксплуатации. После идентификации датчиков следует отключить Регистратор.

 

3.2.3. Калибровка датчиков

1.      В TriLink'е предусмотрено четыре типа калибровки:

2.      Фабричная калибровка (ручная калибровка не требуется).

3.      Автоматическая калибровка нуля TriLink'ом.

4.      Устранение аппаратного смещения.

5.      При помощи функции Калибровка датчиков в MultiLab.

 

Фабричная калибровка. Ультразвуковой датчик расстояния измеряет период времени от момента отправки звукового импульса до момента получения ответного эха. Он покидает фабрику полностью калиброванным и сохраняет свою точность. Ручная калибровка при этом не требуется.

 

Автоматическая калибровка нуля для каждого нового эксперимента возможна, когда легко создаются условия, при которых датчик должен показывать нулевое значение:

1)      разъемы датчика тока разомкнуты;

2)      датчик освещенности и микрофонный датчик накрыты;

3)      датчик силы разгружен;

4)      датчик температуры находится в воде со льдом.

Регистратор выясняет, не отклоняется ли его показание от его нулевого значения больше чем на 2 %. Если это условие выполняется, TriLink считает данное показание нулем.

Аппаратная калибровка возможна для некоторых датчиков, которые имеют винт, управляющий смещением. Вращайте этот винт, пока датчик не покажет правильное значение («правильное значение» должно быть получено из другого источника, который заведомо является точным).

Калибровку с использованием программы MultiLab можно провести используя функцию Калибровка датчиков из меню Регистратор MultiLab PC, когда датчик соединен с регистратором данных, который, в свою очередь, соединен кабелем с настольным компьютером (см. описание функций кнопок в меню программы MultiLab PC п. 3.2.4).

 

3.2.4. Знакомство с интерфейсом программы MultiLab PC

Как уже говорилось, Регистратор данных TriLink может работать как с настольным компьютером, так и карманным, как в режиме беспроводной связи, так и по кабелю. Для однозначности здесь рассматривается простейшая комбинация элементов лаборатории «Архимед» Датчик – Регистратор данных Trilink и настольный компьютер, соединенный через USB –– порт с регистратором данных.

Программа MultiLab, установленная на PC, обеспечивает взаимодействие с TriLink'ом: сбор данных, отображение их в виде графиков, показаний приборов, отображение хода эксперимента в видеоокне и запись видеофильма и, наконец, математическую обработку полученных данных.

На рис. 3.2 показан вид экрана после открытия программы MultiLab.

Рис. 3.2

 

Интерфейс содержит четыре окна: окно графиков, окно таблиц, окно видео и навигационное окно, называемое Картой данных. Можно открывать все окна одновременно или только некоторые из них.

Наиболее часто используемые инструментальные средства и команды отображаются на трех Панелях инструментов. Инструменты, которые действуют во всех режимах работы программы, и инструменты управления TriLink'ом размещены на основной (верхней) панели. Инструменты для работы с графиками находятся на панели графиков, инструменты таблицы – на панели таблицы (рис. 3.2). Назначение кнопок всех панелей будет описано в соответствующих главах данного пособия.

 

Еще одна полезная функция MultiLab – Журнал. Этот лабораторный инструмент позволяет учащемуся шаг за шагом просмотреть все предстоящие ему действия, а затем автоматически конфигурирует MultiLab и настройки TriLink так, чтобы можно было приступать к сбору данных. Вы можете открывать существующий Журнал или создать новый с помощью меню Журнал.

 

3.2.5. Настройка режима регистрации данных

Для настройки параметров регистрации данных TriLink'ом, к которому присоединены датчики, будет необходимо воспользоваться кнопкой Мастер настройки  верхней Панели инструментов. Однако необходимо понимать, для каких целей осуществляется такая настройка перед определенным экспериментом и каковы пределы возможностей такой настройки. В ходе настройки придется выбрать и задать:

·         частоту, с которой TriLink будет регистрировать значения показаний датчика (датчиков);

·         время, в течение которого следует продолжать регистрацию экспериментальных данных.

Частота замеров. Если вы регистрируете параметры явления только одним датчиком, то необходимо, чтобы частота опроса датчиков отвечала природе исследуемого явления.

Если явление носит характер монотонного убывания или возрастания или проходит через максимум (или минимум) за время, определяемое минутами, то частота фиксирования точек может быть не очень большой. Достаточно, например, задать время регистрации 10 минут и частоту регистрации точек 10 с, таким образом общее число точек, зарегистрированных в ходе эксперимента достигнет 600 с / 10 c = 60. Так, температуру воздуха в комнате можно измерять с небольшой частотой – порядка одного замера в секунду или еще реже – в зависимости от скорости ожидаемого изменения. Хотя, конечно, ЛИШНИХ ЗАМЕРОВ НЕ БЫВАЕТ, эксперимент определяется отведенным на него временем и объемом памяти регистратора. При нанесении регистрируемых точек на график он получается практически гладкой кривой, если характерное время изменения величины в 20 раз больше, чем время между двумя моментами регистрации данных TriLink'ом. Если, например, вы регистрируете пройденное телом расстояние в ходе равноускоренного движения в течение 1 с, то для получения гладкой кривой частоту замеров следует поставить никак не меньше 20 замеров в 1 с.

Если оно носит периодический характер, то частота замеров должна по крайней мере вдвое превосходить частоту изменения измеряемой величины. Например, при записи звуковых колебаний с частотой 10 кГц (10 000 колебаний мембраны микрофона в секунду) требуется выставить максимально возможную частоту регистрации данных
20 800 замеров в секунду.

Однако следует понимать, что при таком измерении длительность эксперимента будет небольшой, поскольку объем памяти регистратора ограничен 170 000 замеров. При частоте регистрации 20 800 замеров в секунду суммарное время регистрации процесса звучания не превысит 8 с.

 

 

Внимание! При недостаточной частоте замеров вы рискуете получить ложную картину явления. Так, кривая, проведенная через экспериментальные точки в примере, представленном на рис. 3, дает заниженную частоту изменения измеряемой величины, поскольку частота замеров была по крайней мере втрое меньше необходимой.

 

Рис. 3.3.

Ограничение на число точек в памяти Регистратора ограничивает и число экспериментов, которое можно провести не перенося данные из памяти TriLink'а в память компьютера. Если частота опроса превышает 100 в секунду, в памяти может сохраниться только четыре эксперимента – по 32 000 замеров в каждом.

 

Ограничения на время регистрации и на частоту замеров накладывает и число датчиков, которые подсоединены к TriLink'у, ведь Регистратор проводит последовательный опрос всех датчиков. Увеличение числа работающих датчиков уменьшает число точек, которые могут быть зарегистрированы.

 

ЧИСЛО ТОЧЕК * ЧИСЛО РАБОТАЮЩИХ ДАТЧИКОВ < РАЗМЕР ПАМЯТИ;

 

В таблице приведено максимальное число замеров в секунду при разном количестве датчиков, присоединенных к регистратору данных TriLink'.

.

 

Количество

датчиков

Максимальная частота, замеров в секунду

Разрешение,

бит

1

20 800

10

1

11 200

12

2

3 400

12

3

2 500

12

4

1 900

12

Однако для каждого из датчиков можно задавать собственную частоту регистрации показаний датчика и таким образом подбирать более оптимальные условия регистрации при одновременном использовании двух и более датчиков.

Для выбора частоты замеров в каждом эксперименте проще всего использовать Мастер настройки программы MultiLab.

На основной панели инструментов нажмите кнопку Мастер настройки . Откроется окно:

Рис. 3.4

 

На первом шаге назначаются датчики для каждого входа. Если TriLink работает в режиме Автоматическая идентификация, датчики определяются автоматически, в момент подключения к TriLink'у. Если нет, то можно это сделать вручную, выбирая для каждого входа нужный датчик из списка.

Нажатие кнопки Далее приводит к окну (рис. 3.5):

Рис. 3.5.

 

В поле Выбор частоты нужная частота опроса датчиков устанавливается из списка. Если вы хотите, чтобы изображение графика смещалось по мере поступления новых данных, выбирается режим Смещение, если считается приемлемым сжатие масштаба по мере накопления данных, то выбирается режим Во все окно.

В поле Выбор режима записи выбирается нужный режим записи данных и нажимается кнопка Далее. В третьем окне настройки регистрации данных (рис. 3.6) выбирается длительность эксперимента.

Рис. 3.6.

 

По умолчанию длительность записи измеряется временем. Если поставить переключатель Время в положение По замерам, она будет выражаться количеством замеров.

В секции Время задается длительность записи в минутах и секундах. Количество замеров связано со временем регистрации соотношением:

 

КОЛИЧЕСТВО ЗАМЕРОВ = ЧАСТОТА ЗАМЕРОВ ´ ВРЕМЯ ЗАПИСИ

Чтобы открыть окно, в котором можно указать условия начала записи, нажмите кнопку Условия (см. §3). После окончания выбора настроек TriLink'а параметры отправляются на регистратор данных нажатием кнопки Финиш.

 

§3.3. Регистрация показаний цифровых датчиков (кроме видео)
 с помощью программы MultiLab

Предполагается, что все операции по подготовке и настройке TriLink'а к началу этого этапа работы с цифровой лабораторией уже проведены, то есть выполнены следующие действия:

1.      TriLink подсоединен к PC:

·         подключен мини–разъем USB–кабеля к TriLink’у;

·         другой конец кабеля подсоединен к USB–порту компьютера PC;

2.      TriLink включен.;

3.      к TriLink’у подключен какой–нибудь датчик (датчики);

4.      запущен MultiLab на PC;

5.      проведена настройка TriLink’а:

·         выбрана частота регистрации данных каждым датчиком;

·         выбрана длительность регистрации;

·         выбран тип масштабирования оси времени при представления информации с датчиков на графике в программе MultiLab.

Если эти операции не произведены, то MultiLab выдаст предупреждение о том, что их надо провести (рис. 3.7).

Рис. 3.7.

 

3.3.1. Создание нового проекта

До начала регистрации данных с целью сбора данных в серии экспериментов требуется создать в рамках программы MultiLab новый проект. Есть три пути создания нового проекта:

·         Открыть программу MultiLab – каждый раз при открытии она создает новый файл проекта.

·         В режиме Отдельная запись новый проект открывается при каждом нажатии кнопки Пуск.

·         В любой момент нажать на Панели инструментов кнопку Новый .

 

3.3.2. Выбор способа записи данных и представления их на графике

MultiLab позволяет записывать данные различными способами.

 

 Простое измерение

MultiLab открывает новый проект каждый раз, когда вы начинаете новый сеанс записи.

 

Заменить

Новый набор данных отображается на графике вместо старого. Старые записи проекта остаются в том же файле. Они присутствуют в Карте данных и в любой момент могут быть выведены на графике.

 

 Добавить

Новые данные добавляются к графикам старых. На графике может быть показано не более восьми наборов данных одновременно.

Для выбора одного из перчисленных способов записи данных нажмите на стрелку в значке кнопки Пуск  и выберите один из вариантов.

 

3.3.3. Запуск и остановка записи данных из программы MultiLab

Нажмите на панели инструментов кнопку Пуск  . После этого на экране компьютера в окне графиков сразу начинает строиться график зависимости измеряемых величин от времени. Одновременно показания датчиков фиксируются после поступления на компьютер в виде таблицы, а также могут быть выведены на экран в виде показаний виртуальных приборов (стрелочного, цифрового или с индикаторной полосой). Также одновременно с регистрацией данных с датчиков можно фиксировать наблюдаемое визуально протекание эксперимента на цифровую камеру (см. главы 4 и 5). По умолчанию данные поступающие с датчика на экране показываются в виде графика.

В зависимости от настройки TriLink’а отображение данных на графике происходит
по-разному:

·         если сбор данных с датчиков производится с частотой не более 100 замеров в секунду, MultiLab отображает данные в реальном времени и строит график в темпе замеров;

·         если частота замеров превышает 100 замеров в секунду, данные сначала загружаются, а отображаются потом, когда все будет записано;

·         если делается 500 или 1 000 замеров в секунду, MultiLab показывает данные 25 раз в секунду в режиме online.

Вы можете остановить запись в любой момент, нажав на основной Панели инструментов кнопку Стоп .

 

3.3.4. Запуск и остановка записи данных с корпуса TriLink’а

Если операции по подготовке к регистрации данных уже проведены и Регистратор данных с датчиками подсоединен к РС кабелем, то можно для запуска и остановки регистрации воспользоваться кнопкой Run/Stop  на корпусе самого Регистратора данных. Отображение данных в окне графиков программы MultiLab происходит также
по – разному в зависимости от настройки частоты сбора данных с датчиков (см. п.
2.3.3). Например, если TriLink подсоединен к ПК и запрограммирован на сбор данных с частотой 11 200 или 20 800 замеров в секунду, данные аккумулируются в памяти TriLink'а и не передаются на ПК до тех пор, пока запись данных не будет полностью закончена. По окончании записи данные автоматически загружаются на PC и отображаются в MultiLab.

 

3.3.5. Независимая регистрация данных TriLink’ом и загрузка данных с него на ПК.

Помимо управления регистрацией данных с настольного компьютера с помощью программы MultiLab, возможно управление регистрацией данных с помощью кнопок на корпусе TriLink’а, даже если он не присоединен кабелем к настольному компьютеру. При этом предполагается, что настройка TriLink’а уже проведена до отключения кабеля. Такой режим работы необходим, если проводится регистрация данных о физических параметрах на большом удалении от настольного компьютера, а воспользоваться карманным компьютером нет возможности (см. главу 3).

Для записи показаний датчиков следует воспользоваться кнопкой Run/Stop  на корпусе самого Регистратора данных TriLink. А после этого требуется провести операцию загрузки этих данных на настольный компьютер.

Чтобы загрузить данные, записанные в режиме offline (пока TriLink не был подключен к компьютеру), соедините TriLink с компьютером, запустите MultiLab и щелкните на Панели инструментов на пиктограмме Загрузка . Таким образом запускается передача данных в режиме После эксперимента. Когда передача закончится, данные автоматически появятся на графиках и в таблице.

В памяти TriLink'а может храниться несколько экспериментов, среди них могут быть и поврежденные файлы, которые могут остановить загрузку нужного эксперимента. Поэтому, если вам требуется загрузить определенный эксперимент, выберите в меню Регистратор команду Выборочная загрузка и в открывшемся окне укажите номер нужного эксперимента.

Передача данных может быть отменена в любой момент нажатием кнопки Отмена в окне процесса загрузки.

 

3.3.6. Сохранение данных

Чтобы сохранить проект, щелкните в основной Панели инструментов на пиктограмме Сохранить . По этой команде в одном файле проекта сохраняются все наборы данных, графики, таблицы и видеоматериалы.

Сохранение проекта включает в себя и сохранение всех установленных вами параметров форматирования и масштабирования.

Если в ранее сохраненном проекте были сделаны изменения, то для их сохранения выберите в меню Файл команду Сохранить (обновление файла) или Сохранить как… (сохранение нового варианта проекта в другом файле).

Внимание! Удалить какой–нибудь набор данных, график или таблицу позволяет Карта данных (см. главу 5). Необходимо выделить элемент в Карте данных и, кликнув на него правой кнопкой мыши, выбрать опцию Удалить.

 

3.3.7. Импорт данных, полученных с помощью регистратора TriLink и хранящихся на другом компьютере

Данные, полученные при помощи датчиков, присоединенных к Регистратору данных TriLink, являются текстовыми файлами, в которых данные разделены запятыми (формат CSV). Их можно импортировать в MultiLab на другом компьютере с помощью переносного устройства или по сети. Для этого в меню окна Файл выберите команду Импорт CSV–файла и в открывшемся окне укажите файл, который нужно импортировать.

Нажмите кнопку Открыть.

 

§3.4. Использование Журнала для работ с заранее подготовленными настройками регистратора TriLink

В программе MultiLab имеется инструмент Журнал, позволяющий учителю заранее подобрать настройки регистрации данных, если он считает, что эта операция трудна для учеников данного класса или требуется сэкономить время на проведение других этапов работы. В Журнале настройка Регистратора данных осуществляется после того, как создан html–файл с описанием работы. Поэтому создание страницы Журнала по выбранной работе состоит из двух шагов. На первом шаге при помощи html–редактора (например, Word или Front Page) создается HTML–документ. Он включает инструкции по проведению эксперимента. На втором шаге при помощи MultiLab создается конфигурационный файл, в котором хранятся специфические настройки для данного эксперимента. Они включают настройки TriLink'а, формат окна MultiLab, режим записи данных, формат графиков, параметры масштабирования, параметры датчиков и т.д.

 

3.4.1. Создание HTML–документа при помощи Word

·         Вызовите документ Word, на основании которого вы хотите создать веб–страницу.

·         Выберите команду Сохранить как Веб–страницу в меню Файл.

·         В открывшемся окне укажите путь до папки, где хранятся файлы журнала с описаниями лабораторных работ, и нажмите кнопку Сохранить.

 

3.4.2. Создание файла настроек для выполнения работы

·         Откройте MultiLab.

·         В меню Журнал выберите команду Новый Журнал.

·         В открывшемся окне выберите и откройте файл, для которого надо создать файл настроек измерителя данных и режима оформления экрана при обработке полученных данных. Развернется окно Журнал (рис. 3.8):

Рис. 3.8.

 

·         Чтобы открыть Мастер настройки, нажмите кнопку Настройки Эксперимента.

·         При помощи Мастера настройки проведите предварительную настройку Регистратора  так же как при обычной настройке (см. §2.2).

·         Когда настройка будет закончена, нажмите кнопку Финиш, чтобы обновить Журнал.

·         Нажмите OK.

·         Нажмите Закрыть.

Теперь при каждом запуске эксперимента из Журнала MultiLab будет открывать новый проект с одними и теми же предварительными настройками.

 

3.4.3. Использование описания работы с готовыми настройками.

 Ученику для начала регистрации с заданными настройками нужно проделать следующие операции:

·         выбрать в меню Журнал команду Открыть Журнал;

·         указать папку, в которой хранится файл с описанием работы 4;

·         открыть соответствующее описание работы двойным щелчком на имени файла (рис. 3.9).

Рис. 3.9

 

·         Прочитать описание работы (следуйте экранным указаниям, пользуйтесь полосами прокрутки, гиперссылками и кнопками Вперед и Назад).

·         Нажать кнопку Запуск и далее в окне MultiLab начать сеанс записи данных нажатием на кнопку Пуск  в основной Панели инструментов.


§3.5. Модификация графиков временных зависимостей физических величин полученных с помощью цифровых датчиков

 

На рисунке 3.10 показан вид экрана программы MultiLab после регистрации с помощью датчиков расстояния и силы графиков зависимости от времени координаты груза на пружине и силы натяжения вертикальной пружины, прикрепленной к крючку датчика силы. Наряду с графическим отображением величин в окне Таблиц показано значение показаний двух датчиков в 2107 точках.

 
Рис. 3.10
 

Программа MultiLab представляет широкий спектр возможностей по обработке этих данных.

Кратко опишем те из них, которые реализуются с помощью кнопок, расположенных на панели инструментов в нижней части окна отображения графиков.

 

3.5.1. Разнесение двух зависимостей на графике на отдельные графики

Если щелкнуть в Панели инструментов График на пиктограмме Разделение графика , появятся два окна для графиков. Если затем щелкнуть на пиктограмме Редактирование графика ., появится диалоговое окно, в котором можно указать, что откладывать по осям на графике 1 и графике 2, в этом окне наборы данных для каждого графика (рис. 3.11). Чтобы соединить два графика в один, надо еще раз нажать кнопку Разделение графика .

 

 
Рис. 3.11.
 

3.5.2. Вместо зависимости двух величин от времени построить график зависимости одной величины от другой можно после нажатия кнопки Редактирование графика  и выбора координат в окне редактирования графика одной величины в качестве переменной откладываемой по оси X, а второй величины по оси Y в качестве  (рис. 3.12).

Рис. 3.12.
 
 

3.5.3. Курсоры на графике

 Первый курсор служит для отображения значений отдельных точек графика. Координаты точки, на которой стоит курсор, появляются на информационной панели в нижней части окна графиков.

Первый курсор вызывается  двойным щелчком на какой-нибудь точке графика или нажатием на кнопку Включить первый курсор .

Два курсора позволяют показать значение разности координат двух точек графика, а также отметить диапазон точек. Для вызова второго курсора нажмите кнопку Включить второй курсор .

На информационной панели теперь будут показаны значения разности координат двух точек (рис. 3.13).

Спрятать курсоры можно повторным нажатием кнопки .

Для вызова курсоров в режиме разделения графиков:

·         для верхнего графика – выполните процедуру вызова курсоров в обычном режиме;

·         для нижнего графика – сначала удалите курсоры из верхнего графика, а затем двойным щелчком в любом месте области нижнего графика вызовите первый курсор. Второй двойной щелчок выводит второй курсор, а третий двойной щелчок удаляет курсоры.

Рис. 3.13.
 

5.3.4. Подписи на графике.

Название графика заносится в окне редактирования графика  (рис. 3.12). Дополнительные комментарии можно создать и переместить с помощью кнопок  и . Для создания комментария:

·         поместите курсор на точку, к которой нужно создать комментарий;

·         нажмите кнопку . Откроется окно , в котором надо ввести текст комментария и нажать кнопку OK (рис. 3.14).

Чтобы комментарий был виден на экране, в меню График на главной панели экрана должна быть включена команда Показать комментарии.

Рис. 3.14.

 

Чтобы отредактировать комментарий:

·         поместите курсор на точку, комментарий к которой следует изменить;

·         в меню График выберите команду Изменить комментарий;

·         в открывшемся окне исправьте текст комментария и нажмите кнопку OK.

Чтобы удалить комментарий:

·          поместите курсор на точку, комментарий к которой вы хотите удалить.;

·          в меню График выберите команду Удалить комментарий.

 

3.5.5. Изменение масштаба графика и его смещение

Программа MultiLab может уменьшать размер графика, сохраняя пропорции между максимальным изменением величин. Нажав кнопку Увеличить  на Панели инструментов окна графиков и после изменения формы курсора на «лупу» обвести нужный участок графика. Можно также использовать главное меню экрана ГрафикУменьшить (Увеличить).

Сместить график можно воспользовавшись кнопкой  на панели инструментов графиков, а после изменения формы курсора перетащить график. На рис. 3.15 показан результат проведения этих двух операций к участку графика на рис. 3.14.

Рис. 3.15.
 

Кроме того, можно провести процедуру сжатия/расширения осей. Для этого нужно провести указателем вдоль одной из осей. Указатель примет вид двойной стрелки (↔). Нажав кнопку мыши и перемещая указатель, можно сжать или растянуть ось. На рисунке 2.16 показано применение этой операции к красной оси слева на графике (рис. 3.15). Заметим, что при этом синий график остается неизменным.

Рис. 3.16.
 

Двойной щелчок на оси восстанавливает режим автомасштабирования. Восстановления можно добиться и нажатием на кнопку

 

Возможности программы MultiLab по математической обработке графиков описаны в главе 5.


Глава 4. Работа с КПК Palm и MultiLab

 

Введение

Для установки программного обеспечения MultiLab Palm на КПК Palm на нем требуется приблизительно 700 Кб памяти и операционная система Palm OS ® 3.5 или выше. Установка описана в §2.2.

Программа MultiLab Palm предназначена для выполнения семи основных функций:

·         обеспечения беспроводной связи с TriLink'ом;

·         настройки TriLink'а;

·         сбора и отображения данных в ходе эксперимента;

·         загрузки хранимых в TriLink'е данных;

·         отображения данных в виде графиков, таблиц и показаний шкалы прибора;

·         анализа данных;

·         экспорта данных на настольный компьютер или другой Palm.

Все функции программы MultiLab Palm, кроме первой и заключительной, имеются и в программе MultiLab PС, работа с которой описана в Главе 3. Однако если пользователем на данном этапе работы выбрана стратегия использования цифровой лаборатории «Архимед» в конфигурации Датчик – Регистратор данных – КПК, а PC используется лишь для обработки полученных данных, то приводимое ниже описание достаточно для работы, даже если пользователь не знакомился с главой 2.

Каждый раз, когда вы начинаете новый эксперимент, MultiLab автоматически создает новый файл проекта. Все данные, полученные в процессе эксперимента, и сам ход этого эксперимента записаны в едином файле. Каждый такой файл хранит все наборы данных, собранные при помощи TriLink'а, результаты их математической обработки, а также заданные в MultiLab параметры эксперимента.

Внимание! Во всех наборах данные отдельного проекта должны быть получены при одинаковой частоте замеров.

 

Окно MultiLab Palm показано на рисунке.

 

Ниже приводится описание функций всех кнопок на разных панелях.

 

Основная (верхняя) панель

Пуск

– начинается сбор данных.

Стоп

– останавливается сбор данных.

Настройка

– открывается окно настроек TriLink'а.

 

 

 

Карта данных

– вызывается Карта данных.

График

– отображаются графики.

Таблица

– выводится таблица

Прибор

– открывается окно прибора.

 

Панель инструментов графиков (нижняя)

Увеличить

– увеличивается изображение в области выделенной точки или выделенного диапазона.

Уменьшить

– отменяется последняя операция увеличения изображения.

Увеличить выделенную область

– увеличивается выделенная область изображения.

Автомасштаб

– отображаются все данные.

1–й курсор

– вызывается или удаляется первый курсор.

2–й курсор

– вызывается или удаляется второй курсор.

Сдвинуть вправо

– курсор сдвигается на одну точку вправо.

Сдвинуть влево

– курсор сдвигается на одну точку влево.

 

Панель приборов

Аналоговый

– отображается табло аналогового прибора.

Индикаторный

– отображается табло индикаторного прибора.

Цифровой

– отображается табло цифрового прибора.

 

 

§4.1. Установка беспроводного соединения между КПК и Регистратором данных

Palm и TriLink соединяются посредством беспроводной технологии Bluetooth.
Во избежание наложения сигналов от нескольких устройств TriLink использует процедуру «сцепления», которая позволяет любому КПК связываться только с одним, заданным, TriLink'ом.

Каждый TriLink имеет свое уникальное имя. Процедура сцепления задает КПК имя назначенного ему TriLink'а.

Перед началом работы с TriLink'ом и Palm'ом нужно выполнить процедуру сцепления. Адрес TriLink'а сохраняется в памяти MultiLab, поэтому при запуске MultiLab связь с TriLink'ом устанавливается автоматически.

Чтобы назначить КПК другой TriLink, проведите процедуру сцепления еще раз.

Для предотвращения несанкционированного переназначения имени процедура сцепления защищена паролем.

 

1. Сцепление Palm’а с TriLink'ом

·       Включите TriLink: нажмите на нем кнопку on/off .

·       Откройте программу MultiLab: нажмите пиктограмму MultiLab.

·       Появится сообщение о том, что TriLink не найден.

·       Откройте меню MultiLab.

·       В меню Опыт выберите команду Выбор порта.

·       Выберите пункт Bluetooth в списке Порт и нажмите кнопку Соединение с TriLink.

·       Введите пароль (по умолчанию 1234).

·       Нажмите OK.

·       MultiLab начнет поиск устройств, имеющих Bluetooth, и покажет список найденных.

 

·       Укажите имя TriLink, который вы хотите назначить для КПК, а затем нажмите кнопку Соединить.

Внимание! TriLink может показать свое имя только после того, как он будет включен.

 

·       После завершения этой процедуры MultiLab отобразит имя сцепленного с КПК TriLink’а.

·       Нажмите OK.

·       Теперь все готово для сбора данных. С этого момента MultiLab будет связываться с TriLink'ом, назначенным КПК  автоматически.

 

2. Переименование TriLink

·       Выведите на экран меню MultiLab.

·       В меню Опыт выберите команду Выбор порта.

·       В поле Порт выберите пункт Bluetooth, а затем нажмите кнопку Переименовать TriLink.

·       Введите пароль (по умолчанию 1234).

·       Нажмите OK.

·       Введите новое имя и нажмите OK.

Внимание! Имя может содержать до 15 знаков.

MultiLab покажет новое имя. Вы можете в любой момент восстановить фабричное имя, нажав кнопку Отменить имя TriLink.

 

3. Изменение пароля

·       Отметьте меню MultiLab.

·       В меню Опыт выберите команду Выбор порта.

·       В поле Порт выберите пункт Bluetooth, а затем нажмите одну из кнопок – Переименовать TriLink либо Соединение с TriLink.

·       Введите пароль (по умолчанию 1234), а затем нажмите кнопку Изменить пароль.

·       Введите новый пароль в поле Новый пароль.

·       Подтвердите новый пароль в поле Подтвердить пароль.

·       Нажмите OK.

 

§4.2. Регистрация данных

 

4.2.1. Настройка сеанса сбора данных

1.      Подсоедините датчик.

2.      Откройте программу MultiLab.
Нажмите на пиктограмму MultiLab

MultiLab начнет поиск сцепленного с Palm’ом TriLink’а. Когда этот TriLink будет найден, экран пример такой вид:

Внимание! Если MultiLab не обнаружит своего TriLink’а, будет выведено сообщение о том, что TriLink не найден. Проверьте наличие связи между TriLink’ом и Palm’ом. При отсутствии связи вы сможете работать только в режиме off – line с теми данными, которые были сохранены ранее.

 

3.      Настройте TriLink.
На основной панели инструментов нажмите кнопку Настройка .

Если вы работаете в режиме автоматической идентификации датчиков (это режим по умолчанию, флажок стоит против пункта Автоопределение), MultiLab отобразит установленные датчики автоматически, в противном случае укажите датчики вручную, выбрав их из списков соответствующих портов.

На вкладке Частота выберите из списка количество замеров в единицу времени, походящее для вашего опыта:

          

На вкладке Замеры выберите из списка нужное для вашего опыта общее количество замеров:

Нажмите OK.

 

4.      Тип окна.


Нажмите на основной панели инструментов одну из следующих кнопок:

График , Таблица  или Прибор .

Внимание!      Если вы начинаете сбор данных при открытом окне Карта данных, MultiLab предложит экран типа Графика.

 

5. Запуск записи данных.

Нажмите на панели инструментов кнопку Пуск .

Если производится не более 100 замеров в секунду, MultiLab выводит данные в реальном времени, строя график в темпе замеров. Когда частота сбора данных превышает 100 замеров в секунду, данные загружаются, а отображаются потом, когда все будет записано.

Если за секунду выполняется 500 или 1 000 замеров, MultiLab показывает данные  в режиме on line 25 раз в секунду.

Вы можете остановить запись в любой момент, нажав на основной панели инструментов кнопку Стоп .

Загрузка данных

Загруженные из TriLink'а данные хранятся и отображаются в программе MultiLab. Есть два способа загрузки данных – в режиме оn line и после эксперимента.

Режим оn line

Когда TriLink подсоединен к Palm’у и запрограммирован на сбор данных с частотой до 100 замеров в секунду, TriLink передает на Palm каждый замер. Программное обеспечение сразу показывает эти данные на графике и в таблице.

Подключенный к Palm’у TriLink, запрограммированрый на сбор данных с частотой 500 или 1000 замеров в секунду, передает каждый двадцатый или каждый сороковой замер. Это означает, что MultiLab выводит 25 значений в секунду, пока данные записываются в помять TriLink’а. К моменту окончания записи все данные будут автоматически переданы на Palm и показаны в MultiLab.

Если TriLink, подсоединенный к Palm’у, запрограммирован на сбор данных с частотой 11 200 или 20 800 замеров в секунду, данные аккумулируются в памяти TriLink’а. Они не передаются на Palm до тех пор, пока запись данных не будет полностью закончена. По завершении записи данные автоматически загружаются на Palm и отображаются в MultiLab.

Режим оff line – загрузка данных после эксперимента

Для загрузки всех хранящихся в TriLink'е данных подсоедините TriLink к Palm’у, запустите MultiLab и выберите команду Загрузка из меню Опыт. Когда передача данных будет закончена, вы увидите загруженные данные на экране в виде графиков и таблиц. Если в памяти TriLink'а хранится несколько экспериментов, то первым загружается самый последний (самый «свежий») эксперимент, затем – первый («самый старый»), после этого второй и так далее.

Чтобы загрузить только некоторые эксперименты, выберите в меню Опыт команду Выборочная загрузка, а затем укажите в открывшемся окне интересующие вас эксперименты.


Сохранение данных

Для сохранения проекта выберите в меню Данные команду Сохранить. Все данные будут записаны в одном файле проекта. Если изменения произведены в ранее сохраненном проекте, можете выбрать команду Сохранить ,чтобы обновить уже существующий файл проекта, или Сохранить как, чтобы сохранить измененный проект в новом файле.

Открытие проекта

Вызовите меню MultiLab.
В меню Данные выберите команду Список опытов.
Отметьте имя опыта, который следует открыть.

MultiLab откроет Карту данных указанного проекта. Карта данных используется для выбора набора данных.

Создание нового проекта

Новый проект можно создать двумя способами:

Просто запустить программу MultiLab, которая при каждом открытии создает новый проект.
Выбрать в меню Данные команду Стереть все.

 

§4.3. Просмотр полученных данных

Функции просмотра

MultiLab имеет три функции просмотра данных. Карта данных содержит наименование входящих в проект наборов данных. Три другие функции позволяют просмотреть выбранные в Карте данных наборы.

Для переключения между функциями в основной Панели инструментов предусмотрены четыре кнопки:

 

Карта данных,

График,

Таблица,

Прибор.

 

 

Карта данных

Карта данных содержит список всех входящих в проект наборов данных: записанных показаний датчиков и результатов их математической обработки.

Эта карта представлена в виде дерева категорий:

·                     Эксперименты;

·                     Результаты их обработки.

Для просмотра списка датчиков какого–либо эксперимента достаточно нажать на значок «плюс» (+) рядом с его именем.

Чтобы свернуть список датчиков эксперимента, нажмите на значок «минус» (–) рядом его именем.

Просмотреть значения какого–либо набора данных можно, если нажать на его имя, а затем на кнопку Показать.

Отключается показ какого–либо набора данных при последовательном нажатии на имя этого набора, а затем на кнопку Спрятать.

Включение и отключение показа данных действуют и на График, и на Таблицу.

 

График

Откройте окно графиков нажатием кнопки График  на основной Панели инструментов. По умолчанию график отображает зависимость значений набора (или наборов) данных от времени. Но вы можете назначить для оси Х любой другой набор (аналогично работе с программой MultiLab на настольном компьютере, см. главу 2).

 

 

Обычно на графике видны все записанные наборы данных, но Карта данных позволяет отключить демонстрацию любого набора (см. главу 2).

Чтобы не перегружать окно графиков, в нем обычно показывается только одна ось Y. Укажите, данные из какого набора  следует наносить на оси Y, выбрав соответствующий датчик из открывающегося списка, расположенного рядом с осью.

 

 

Узнать, какая величина отложена по оси Y, можно по цвету, назначенному для каждого набора данных в окне Свойства графика.

1. Курсор

Для работы с графиками вы можете воспользоваться одним или двумя курсорами одновременно.

Первый курсор служит для отображения значений отдельных точек графика, выбора кривой или вызова скрытой оси Y.

Посредством двух курсоров можно показать величину разности между координатами двух точек графика или отметить диапазон точек.

Чтобы вызвать первый курсор, нажмите на какую–нибудь точку графика или на кнопку
 1–й Курсор  в панели инструментов графиков. Вы можете перетащить курсор в другую точку графика или переместить его на другую кривую. Для точного перемещения курсора пользуйтесь кнопками панели инструментов графика  (вперед) и  (назад).

Координаты указанной курсором точки появляются под окном графика.

 

Чтобы вызвать второй курсор, нажмите кнопку 2–й Курсор  на панели графиков.

Теперь MultiLab будет отображать разность координат между точками под первым и вторым курсорами.

Чтобы удалить курсор, нажмите еще раз кнопку 1–й  Курсор.

Чтобы удалить второй курсор, нажмите еще раз кнопку 2–й  Курсор.

2. Изменение масштаба

Чтобы центр графика нового масштаба совпадал с центром исходного:
·               для увеличения масштаба нажмите кнопку Увеличить ;
·               для возврата к первоначальному масштабу нажмите кнопку Уменьшить .
Чтобы центр графика нового масштаба совпадал с одной из точек графика:
·               выделите нужную точку при помощи курсора (см. выше);
·               для увеличения масштаба нажмите кнопку Увеличить  на Панели инструментов графика Ошибка! Закладка не определена.;
·               для возврата к первоначальному масштабу нажмите кнопку Уменьшить .

 

Чтобы изменить масштаб диапазона точек:
·               выделите диапазон точек при помощи двух курсоров;
·               для увеличения масштаба нажмите кнопку Увеличить  на Панели инструментов графика;
·               для возврата к первоначальному масштабу нажмите кнопку Уменьшить .

 

Чтобы изменить масштаб определенной области, нажмите на панели инструментов графика кнопку  и проведите стилусом диагональ прямоугольной области, масштаб которой требуется увеличить. Подняв стилус, завершите операцию.

Для дезактивации инструментов изменения масштаба нажмите кнопку  еще раз.

 
Автомасштабирование

Можно изменить масштаб графика так, чтобы заполнить всю его область и при этом отобразить все точки. Для этого достаточно нажать на панели инструментов графиков кнопку Автомасштаб .

 
Ручное масштабирование:
Выведите на экран меню Данные.Ошибка! Закладка не определена.
Выберите команду График и вызовите вкладку Линии,
В раскрывающемся списке График выберите ось, масштаб которой вы хотите изменить.
Снимите флажок Автомасштаб и введите соответствующие значения в поля Мин и Макс.
Нажмите OK.

Чтобы вернуть режим автоматического масштабирования, нажмите кнопку Автомасштаб .

 
Инструменты сжатия/расширения осей

Проведите стилусом вдоль одной из осей. Появится изображение двойной стрелки –можно уменьшить или увеличить масштаб этой оси. Вы можете проделать ту же операцию и для другой оси.

Чтобы вернуть режим автоматического масштабирования, нажмите кнопку Автомасштаб .

3. Назначение данных для оси X

Выведите на экран меню Данные.
Выберите команду График, а в появившемся окне – вкладку Ось Х.

 

В раскрывающемся списке выберите набор данных, который вы хотите назначить оси X.
Нажмите OK.

 

4. Выбор цвета графика

Чтобы выбрать цвет графика:

Разверните меню Данные;
Выберите команду График, а в появившемся окне – вкладку Линии.

 

В раскрывающемся списке График выберите график, цвет которого надо изменить.
Нажмите на поле Цвет.
Выберите в палитре цвет.
Нажмите OK.

Таблица

Таблица открывается нажатием на кнопку Таблица .

Данные таблицы всегда соответствуют данным графика. Чтобы установить, какие данные должны отображаться, воспользуйтесь Картой данных (см. главу 2).

Приборы

Для вызова на экран табло прибора надо нажать кнопку Прибор .

1. Свойства Прибора

При помощи Прибора можно просматривать данные в двух режимах: с записью данных и без нее.

Чтобы просматривать данные не запуская запись (не пользуясь кнопкой Пуск ), просто нажмите на значок Прибора .

TriLink при этом постоянно получает показания всех активных датчиков. MultiLab отображает эти данные, но не сохраняет их.

На экране может находиться только один Прибор. Укажите, какой набор данных он должен показывать, выбрав соответствующий датчик в раскрывающемся списке рядом со значком Прибора.

Если, работая с Прибором, вы хотите приступить к записи данных, просто нажмите кнопку Пуск .

2. Типы Приборов

MultiLab располагает тремя типами Приборов: Аналоговым , Цифровым  и Индикаторным .

 

Тип Прибора выбирается нажатием на соответствующий значок под окном Прибора.

 

                   

Предварительный просмотр данных

Перед записью данных иногда бывает полезно просмотреть их – это позволит:

В режиме предварительного просмотра данные не сохраняются.

Чтобы начать предварительный просмотр:

приведите TriLink в рабочее состояние;
откройте меню Опыт;
выберите команду Просмотр.

 

§4.4. Анализ данных

 

Получение координат точек графика

Поместите курсор на точку графика – координаты этой точки будут отображены на панели под окном графиков.

Получение разности координат двух точек графика

Поместите первый курсор на одну точку графика, а второй курсор – на другую. На панели под окном графиков вы увидите значения разности координат этих двух точек.

Инструменты анализа

Инструменты анализа могут применяться только к тем данным, которые показаны на графиках.

Установите курсоры, чтобы указать диапазон точек графика, к которым должен применяться инструмент.
Выберите инструмент анализа.

Результат обработки также появится в окне графиков.

Чтобы применить инструмент анализа:

вызовите меню Данные;
выберите команду Анализ. Откроется окно:

В этом окне в секции График выберите график, который надо обработать (если он еще не указан курсором в окне графиков).
В секции Операция выберите необходимую математическую операцию.
Нажмите ОК.

Результат обработки вы увидите в окне графиков.

Операции

1. Линейное приближение

Линейное приближение определяется методом наименьших квадратов. Формула полученной прямой отображается на панели под графиками.

2. Производная

Каждая точка графика производной определяется как наклон для трех последовательных точек исходного графика.

3. Интеграл

Каждая точка графика интеграла определяется как интеграл всех предшествующих точек исходного графика.

4. Статистика

Инструмент Статистика отображает статистические данные для всего указанного набора данных или заданного диапазона его точек.

Среднее – усредняет значения всех точек диапазона данных.

Ст. откл. – определяет стандартное отклонение.

Мин – находит минимальное значение в диапазоне данных.

Макс – находит максимальное значение в диапазоне данных.

Сумма – определяет сумму всех значений в диапазоне данных.

Площадь – определяет площадь, ограниченную участком кривой и осью Х.

Замеры – определяет количество замеров в заданном диапазоне данных.

Частота – показывает частоту замеров.

 

§4.5. Экспорт данных

 

Передача данных на другой Palm при помощи операции беспроводного обмена данных

Для сохранения файлов опытов:

откройте меню Данные;
выберите команду Передача.

Выберите файлы для передачи – в списке Файлы отметьте запись нужного файла, а затем нажмите значок стрелки. Указанная запись появится в списке Передается. Повторите эту процедуру для каждого файла, который вы хотите передать.
Включенные Palm'ы разместите друг против друга так, чтобы их ИК – порты были направлены друг на друга.
Нажмите кнопку Передать.
Следуйте экранным инструкциям.

Экспорт данных на настольный компьютер

Чтобы экспортировать данные КПК на настольный компьютер:

подключите КПК к настольному компьютеру;
нажмите на КПК кнопку синхронизации.

Файлы данных передаются на настольный компьютер в папку Мои Документы\MultiLab Palm.

Эти данные могут быть использованы любой программой, воспринимающей запись данных в виде текста, разделенного табуляцией (например, AppleWorks, Excel)

Для импортирования данных  в MultiLab:

запустите MultiLab;
в меню Файл выберите команду Импорт файла данных Palm;
в открывшемся окне укажите файл, который следует импортировать, и нажмите кнопку Открыть.

 

§4.6. Программирование TriLink’а

Настройка TriLink’а

Установите соединение между TriLink'ом и Palm'ом.
Нажмите на основной панели инструментов кнопку Настройка .

Если вы работаете в режиме автоматической идентификации (режим, включенный по умолчанию, посмотрите, установлен ли флажок Автоопределение), MultiLab покажет все подключенные датчики, в противном случае укажите датчики вручную, выбирая их из списков соответствующих портов.
Вызовите вкладку Частота и в одноименном раскрывающемся списке выберите нужное количество замеров в единицу времени.

На вкладке Замеры выберите из раскрывающегося списка количество замеров, которое вы хотите сделать в вашем эксперименте.

Нажмите OK.

Примечание. При выключении TriLink’а установленные настройки сохраняются до следующего сеанса работы.

Автоматическое определение датчиков

TriLink имеет два режима работы. По умолчанию установлен режим автоматического определения датчиков, в котором TriLink находится при первом включении. Если вы подключаете более четырех датчиков либо пользуетесь датчиками VERNIER или  какими–то своими датчиками, переключитесь в режим 8 датчиков. Это можно сделать при помощи MultiLab.

TriLink сохраняет установленный режим и автоматически воспроизводит его при следующем включении.

Чтобы перейти в режим автоматической идентификации:

создайте соединение между TriLink’ом и Palm’ом;
нажмите на основной панели инструментов кнопку Настройка ;
откройте вкладку Датчики;
поставьте флажок Автоопределение.

Нажмите OK.

Для возвращения в режим 8 датчиков нажмите на поле Автоопределение еще раз, чтобы поставить флажок.

 

Режим сохранения энергии

При выполнении длительных экспериментов с небольшим количеством замеров, до одного замера в минуту, TriLink может работать в режиме сохранения энергии. В этом режиме TriLink «спит» все время, кроме тех коротких периодов, когда в соответствии с расписанием проводятся замеры.

Благодаря этому TriLink может непрерывно работать в течение 100 часов без подзарядки (в обычном режиме – только 5 часов).

Чтобы перевести  TriLink в режим сохранения энергии:

установите соединение между TriLink’ом и Palm’ом;
нажмите на основной Панели инструментов кнопку Настройка ;
откройте вкладку Частота.
Поставьте флажок Режим сохранения энергии

Нажмите OK.

Внимание! Этот флажок можно поставить только тогда, когда измерения проводятся с частотой меньшей или равной одному замеру в минуту.

Запуск по условию (триггеринг)

Можно настроить TriLink таким образом, чтобы регистрация данных начиналась только при выполнении определенных условий:

установите соединение между TriLink'ом и Palm'ом;
нажмите на основной Панели инструментов кнопку Настройка ;
откройте вкладку Замеры;
нажмите кнопку Условия.

    

 

В поле На основе датчика отметьте датчик–триггер,  по которому должны определяться условия запуска.
В секции Тип укажите один из типов условий:

·             Нет – функция триггера у этого датчика отключена.

·             Выше уровня – регистрация данных начинается только после того, как величина замера превысит уровень, заданный в поле Уровень.

·             Ниже уровня – регистрация данных начинается, когда величина замера становится ниже уровня, заданного в поле Уровень.

Внимание! Триггером можно назначать лишь аналоговый датчик (датчик расстояния на эту роль не годится). Условие срабатывания триггера должно выполняться по крайней мере в течение 300 мсек.

·               Управление по уровню – этот тип триггера позволяет создать автоматическую сенсорную систему управления. Подключите одновременно обыкновенный датчик ( например, температуры) и какое–нибудь исполнительное устройство – и вы будете иметь автоматический механизм, приходящий в движение, когда показание датчика становится меньше или больше некоторого заданного уровня. Вентилятор, например, будет включаться лишь в случае, если температура окружающего воздуха поднимется выше 30 °С. Чтобы использовать эту возможность, требуются кабель–делитель и датчик–контроллер. После задания уровня управляющего сигнала и начала регистрации обыкновенный датчик делает замеры, которые записываются как обычно, но как только измеренная величина превысит заданное пороговое значение, датчику–контроллеру поступит через провод контроллера импульс 5 В. Получив этот сигнал, датчик–контроллер откроет (закроет) реле, управляющее подачей напряжения (110/220 В), на какое–нибудь исполнительное устройство;

·               Задержка по времени – посредством триггера такого типа можно задавать временную задержку начала регистрации. Укажите этот тип триггера и выберите в поле Уровень один из 17 методов отсчета времени. Обратный отсчет времени начнется после нажатия кнопки Пуск, а регистрация – по окончании обратного отсчета.

В поле Уровень внесите пороговое значение триггера.
Нажмите OK.

Внимание! При выключении TriLink'а настройки сохраняются для следующего сеанса.

 

 


Глава 5. Получение и обработка видеофайлов с помощью программы MultiLab.

 
Программа Multilab позволяет обрабатывать видеофайлы в формате *.mov и *.avi, полученные с помощью цифрового фотоаппарата или видеокамеры, а также создавать видеофайлы с помощью Web–камеры или из фрагментов видеофильма на магнитной пленке для видеомагнитофонов. Вновь создаваемые видеофайлы также могут быть обработаны с получением таблиц зависимости координат выбранной точки перемещающегося в кадре тела от времени. Получаемые зависимости можно при обработке сразу представлять в виде графиков x(t), y(t) или траектории y(x).
Если видеофайл создается с помощью Web–камеры непосредственно в ходе проведения эксперимента с использованием цифровых датчиков для измерения физических величин, то программа MultiLab позволяет синхронизовать два файла по времени и создавать электронные документы с синхронным просмотром видеофайла и графика величины, фиксируемой цифровым датчиком.
 
§ 5.1. Создание на PC видеофайлов для обработки в программе MultiLab
 
5.1.1. Запись нового видеофрагмента с помощью Web–камеры
Такое устройство, как веб – камера, может загружать фильм в компьютер напрямую. Фильмы, получаемые от таких источников, как правило, невысокого качества.
Записывать фильм при помощи веб – камеры можно только в том случае, если она подсоединена к компьютеру.

Чтобы записать фильм с Web–камеры, подключите веб – камеру к компьютеру. Имейте в виду, что этого НЕЛЬЗЯ делать этого до инсталлирования программы MultiLab на ваш ППК.

Внимание!    При первом подключении камеры Windows автоматически запустит Мастера установки нового устройства. Следуйте экранным инструкциям. В ответ на запрос о способе установки выберите способ Install software automatically (в этом случае вам не понадобится установочный компакт–диск).

          Windows сам найдет и инсталлирует необходимое программное обеспечение.

В меню Видео выберите команду Подключить видео. На основной панели инструментов в верхней части экрана нажмите кнопку Видеоанализ .

Рис. 5.1
 
На панели инструментов видеоанализа, расположенной под окном показа видео, нажмите кнопку Новый фильм . Под этим окном панель инструментов видеоанализа сменится панелью инструментов для создания нового фильма.

                     

Рис. 5.2

Направьте камеру на объект видеосъемки. Начните запись, нажав  кнопку Запись  на панели инструментов создания фильма.
Для остановки записи нажмите кнопку Стоп .
Чтобы приступить к получению данных (координат объектов, отсчетов времени), нажмите третью кнопку кнопку Видеоанализ  на панели инструментов создания фильма.

Перед началом этой процедуры MultiLab предложит сохранить фильм на компьютере.

 
5.1.2. Создание видеофрагмента в цифровом формате с видеомагнитофона.

Для осуществления этой процедуры требуется, чтобы видеокарта вашего PC была снабжена разъемами видеовхода и видеовыхода (videoin/videoout). Такие видеокарты (карты «видеозахвата») могут работать со множеством различных источников, в том числе,  с видеомагнитофонами.

Чтобы получить фильм с видеопленки через видеомагнитофон, необходимо:

·         вставить в магнитофон кассету, перемотать пленку к месту, с которого должен передаваться фильм, и остановить перемотку;
·         найти на магнитофоне гнездо видеовыхода и подсоединить к нему кабель,
другой конец кабеля подключить к видеовходу своего компьютера;
·         выбрать команду Подключить видео в меню Видео;
·         нажать кнопку Видеоанализ  на основной панели инструментов;
·         на панели инструментов видеоанализа нажать кнопку Новая съемка ;
·         для начала создания видеофайла с цифровым видеофрагментом на вашем компьютере, нажмите на панели создания фильма кнопку Запись ;
·         для завершения получения фильма остановите магнитофон, а затем нажмите кнопку Стоп ;
·         проиграйте фильм. Убедитесь, что просмотр видео запущен после того, как началось получение фильма, так что в начале не были потеряны никакие кадры;
·         чтобы приступить к получению данных (координат тела и отсчетов времени), нажмите на панели создания фильма кнопку Анализ движения .

Перед началом этой процедуры MultiLab предложит сохранить фильм на компьютере.

 
5.1.3. Использование готовых видеофрагментов
Карта видеозахвата позволяет получать фильмы и с присоединенных к компьютеру видеокамер и цифровых фотоаппаратов. Однако поскольку внутри этих цифровых камер формируется видеофрагменты в виде копируемых на компьютер файлов, то проще вести съемку не подсоединяя фотоаппарат или цифровую видеокамеру к компьютеру. После окончания видеосъемки необходимо скопировать соответствующие видеофайлы на жесткий диск вашего PC. Для этого надо воспользоваться кабелем для соединения USB – выхода видеокамеры и USB – входа компьютера (см. инструкцию для фотоаппарата или видеокамеры).
Для того чтобы открыть сохраненный фильм для видеоанализа в программе MultiLab нужно:
·         на основной панели инструментов нажать кнопку Видеоанализ ;
·         на панели инструментов видеоанализа (нижняя панель) нажать кнопку Открыть фильм ;
·         дважды щелкнуть на название фильма, который вы хотите открыть.
 
 
§ 5.2. Подготовка к обработке видеофрагментов в программе MultiLab
 
Обработка видеофрагмента в программе MultiLab сводится к покадровому просмотру фрагмента и установке метки на месте расположения движущейся точки в каждом кадре. Учет времени смены кадров позволяет компьютеру фиксировать время от начала видеосъемки до данного кадра, а установка на кадре масштабной линейки и координатных осей – рассчитывать координаты этой точки на каждом кадре. Ясно, что такая обработка требует определенной техники видеосъемки. Например, движущийся объект должен в ходе движения оставаться в плоскости, перпендикулярной оптической оси линзы объектива фотоаппарата или видеокамеры. При удалении от центра кадра будут возникать искажения пропорций в размерах предметов в реальности и на кадре, поэтому объект съемки должен быть достаточно далеко от объектива или цифровая камера должна иметь качественный многолинзовый объектив, устраняющий эти искажения.
 
 
5.2.1. Загрузка видеофрагмента в окно для видеоанализа
После открытия видеофрагмента (см. 5.1.3), который требуется обработать с получением зависимости координат двигающегося объекта от времени или формы его траектории, фрагмент загружается в окно видеоанализа (рис. 5.3). При этом по умолчанию программа MultiLab загружает на экран одновременно и окно просмотра видео, и окно для отображения графика, и окно для отображения таблицы с временем, соответствующим текущему кадру от начала видеофрагмента и координате точки, за которой пользователь следит.
Рис. 5.3
 
Для более крупного изображения кадра можно использовать возможность выведения на экран только одного из трех информационных окон. Для этого в главном меню требуется выбрать пункт Вид, а в нем – команду Выбор вида. Откроется диалоговое окно (рис. 5.4):

Рис. 5.4

Если вместо трех флажков, отмеченных в настройках программы по умолчанию, выбрать только окно Видео или щелкнуть на картинке с желаемым типом размещения окон, а затем нажать кнопку OK, то окно видео займет большую часть экрана (рис. 5.5)
Рис. 5.5
 
Это даст возможность более точно устанавливать местоположение точки на кадре, за которой ведется наблюдение при обработке видео, однако при этом будут скрыты от глаз и таблица с координатами точек и графическое отображение на графике зависимости координат от времени в ходе обработки видеофрагмента. В дальнейшем мы полагаем, что при обработке открыты все три окна или, по крайней мере, окна Видео и График.
 
5.2.2. Настройка цветов объектов на экране
Из–за цвета фона в кадре, возможно, потребуется сменить цвет координатных осей (пунктирные линии) и других вспомогательных линий и меток на экране.
Для смены цветов системы координат, масштабного отрезка и цвета графиков x(t) и y(t) в окне графиков следует использовать в верхнем меню опцию ВидеоанализНастройка цвета и выбрать нужные цвета в выпадающем окне (рис. 5.6)
Рис. 5.6
 
Метка 1 и Метка 2 – это цвет графиков x(t) и y(t) в окне показа графиков.
Можно также воспользоваться кнопкой Настройка цвета  на панели инструментов видеоанализа, открывающей то же диалоговое окно.
 
5.2.3. Выбор положения начала системы координат
 В показанном на рис. 5.3 видеофрагменте ученик толкает стул по гладкому столу справа налево. Стул ускоряется и тормозит  после того, как ученик отрывает руку от спинки стула. Ясно, что для обработки такого эпизода удобнее использовать систему координат, начало которой в точке старта стула, а горизонтальная ось направлена справа налево, а не слева направо.
Для смены расположения начала системы координат нажмите кнопку Установить начало координат  на панели видеоанализа. Откроется окно Система координат (рис. 5.7):

рис. 5.7

 

Можно передвинуть начало координат, введя соответствующие значения его координат
(в пикселях) в поля
X и Y этого окна или щелкнув на той точке кадра, в которую бы вы хотели поместить начало системы координат. Во втором случае MultiLab автоматически пересчитает значения X и Y в полях диалогового окна, а в окне фильма переместит в указанную точку начало координат.
Можно еще раз передвинуть начало координат, щелкнув на другой точке кадра.

 

5.2.4. Выбор направления оси X системы координат. Для задания направления оси X следует на панели инструментов видеоанализа нажать кнопку Поворот системы координат . После появления диалогового окна Система координат (рис. 5.7) можно или вручную ввести величину поворота в градусах в поле Направление оси X, или щелкнуть в кадре на точке, через которую должна проходить ось X. MultiLab автоматически пересчитает направление оси X, отобразит его в диалоговом окне в поле Направление оси X и соответствующим образом повернет изображение осей в окне видеоанализа.
Для выбора направления осей системы координат часто полезно предварительно просмотреть весь видеофрагмент, нажав кнопку Воспроизведение  на панели видеоанализа. Например, в видеофрагменте, показанном на рис. 5.3, в конце фрагмента видно, что стул в кадре смещается не вдоль горизонтальной границы кадра и оси Х, а чуть влево – вниз, что требует корректировки направления оси.
Можно повторно изменить поворот осей, щелкнув на другой точке кадра. Фиксирование угла поворота осуществляется нажатием кнопки OK.

Можно осуществить поворот заодно со смещением начала координат, вводя значение угла поворота вручную в окно Направление оси X в диалоговом окне Система координат.

В любой момент вы сможете изменить начало координат и направление осей, нажав кнопку Установить начало координат  или Поворот системы координат  и повторив вышеописанные процедуры.

На рис. 5.8. показан выбор начала координат и их направления таким, чтобы нарастание координаты передней точки стула x(t) происходило в сторону положительных значений координат, начиная от нулевого значения, а координата y(t)=0 в пределах точности измерений.
Рис. 5.8

 

5.2.5. Выбор масштабного отрезка

Для задания масштаба вдоль осей координат необходимо, чтобы во всех кадрах фильма присутствовал объект (эталон), реальные размеры которого вам известны. Тогда легко определить, во сколько раз уменьшены размеры изображения в кадре по сравнению с реальным размером предмета.

Масштабирование выполняется в два шага – вы должны разместить эталонный объект в кадре фильма и ввести его реальный размер.

На панели инструментов видеоанализа нажимается кнопка Масштаб , при этом открывается диалоговое окно (рис. 5.9):

Рис. 5.9.

 

После этого следует щелкнуть на одном конце эталонного объекта и на другом его конце (например, на конце и начале ножки стула на рис. 5.3) и после появления меток в этих точках и самого масштабного ввести в окно Реальный размер нужный размер (например, длину ножки реально снятого в фильме стула, равную 60 см).
Можно перетащить метки на новое место и сменить размер масштабного отрезка, до утверждения его нажатием кнопки OK. Позже вы в любое время сможете изменить масштаб, щелкнув на кнопке Масштаб  и повторив вышеописанную процедуру.
 
5.2.6. Выбор промежутка времени между кадрами в ходе анализа
 Для задания числа кадров, прокручиваемых при одном клике на кадр в ходе видеоанализа, следует выбрать в меню Видеоанализ команду Пропуск кадров, и после появления диалогового окна Пропуск кадров (рис. 5.9) сменить число кадров, пролистываемых при одном клике на кадр видеофильма в ходе видеоанализа:

Рис. 5.10

 

При числе «1» в диалоговом окне (рис. 5.10) после каждого щелчка, добавляющего метку в таблицу и точку на график x(t) и y(t), MultiLab автоматически делает следующий шаг, то есть переходит к следующему кадру. При числе «2» после добавления метки по клику на кадр, в окне видеоанализа появляется кадр, смещенный относительно предыдущего на 2 кадра, и т.д.

 
§ 5.3. Фиксирование координат движущегося объекта
при обработке видеофрагмента в программе
MultiLab
 
Традиционная идеология установления закономерностей в физических исследованиях состоит в том, что данные о зависимости одной величины от другой получаются в виде таблицы, затем на основании этой таблицы строится график, качественно иллюстрирующий ход зависимости, и подбирается вид функции, описывающей полученную зависимость. Чаще всего доказательство совпадения вида функции и экспериментальной зависимости базируется на «линеаризации» графика – получение, например, прямой в координатах yx2 или , если график yx похож на параболу. Однако ручной сбор информации в ходе эксперимента в таблицу, построение графика вручную занимают в традиционной лабораторной работе основное время, и зачастую оформление работы задается на дом. В цифровой лаборатории имеется возможность сразу получать графическое отображение величин от времени или друг от друга. Однако, если учитель считает, что в данной работе лучше действовать  традиционным способом, то это всегда можно сделать выбором настроек программы MultiLab. Например, при обработке видео с равноускоренным свободным падением мяча логично показывать только таблицу зависимости координат от времени (5.3.1). Такую таблицу можно отправить в Excel, распечатать и построить вручную график y(t), а затем y(t2) для получения ускорения свободного падения. Или в ходе обработки сразу показывать график y(t) (5.3.2) или одновременно и таблицу  и график. Именно такая загрузка выбрана в программе MultiLab по умолчанию. Считается, что можно избавить ученика от ручного сбора информации по точкам и сразу показать на графике, что зависимость, например y(t) при свободном падении с нулевой начальной скоростью, нелинейная. Если постановка задачи проведение видеосъемки процесса, его обработка и получение значения ускорения свободного падения должны пройти в течение одного занятия,  такая идеология уменьшения «ручных» процедур оптимальна и позволяет повысить уровень трудности работ. Аналогичный вывод об уместности такого подхода может быть сделан, если данная работа ставится не как работа по подтверждению известной из теоретических уроков зависимости, а как экспериментальное исследование по установлению этой зависимости, для того чтобы потом объяснить ее теоретически.
 
5.3.1. Отображение данных обработки видео в виде таблицы.
Если в главном меню  выбрать пункт Вид, а в нем – команду Выбор вида, то в открывшемся диалоговом окне можно выбрать опции Таблица и Видео, в результате чего на экране график не будет показываться (рис. 5.11)

 

Рис. 5.11
 
При последующей загрузке программы MultiLab именно такой вид экрана будет сохраняться.

Чтобы показать или спрятать окно таблицы, нажмите кнопку Показать таблицу .

Кнопка Воспроизведение  на панели видеоанализа служит для просмотра видеофрагмента. При таком предварительном просмотре нужно выбрать, на какую точку тела лучше всего ставить метки. Следует выбирать такую точку, которая отчетливо видна на всех кадрах.
Затем, нажав кнопку В начало , нужно вернуться к первому кадру фрагмента и, нажимая кнопку Следующий кадр , выбрать кадр, с которого вы начнете разметку.
Установив курсор на выбранном месте объекта, кликните левой кнопкой мыши. Это приведет к установке метки в нужном месте кадра и, кроме того, MultiLab автоматически создаст два набора данных (один для координат Y, другой для координат X). В эти наборы будут добавляться координаты каждой новой метки и время, соответствующее номеру кадра.

Увидеть метку на каждом кадре вы сможете только по достижении последнего кадра, поскольку после каждого щелчка автоматически открывается следующий, еще не размеченный, кадр.

Координаты автоматически будут помещены в таблицу (и на график, если он выведен на экран), после чего фильм автоматически сдвинется на один шаг.

Продолжайте наносить метки до тех пор, пока не доберетесь до последнего кадра, после каждого щелчка в таблице (и на графике) появляются новые данные.

 

Примечание. Чтобы после каждого щелчка MultiLab автоматически делал следующий шаг, в пункте меню Видеоанализ Þ Два тела должен быть отмечен вариант Последовательно (этот режим включен по умолчанию).
 
Изменить единицы измерения можно в таблице, где приводятся измеряемые координаты и временные интервалы (по умолчанию это метры и секунды). Для этого следует произвести следующие действия:
·         нажать кнопку Свойства таблицы  на панели инструментов таблицы;
·         открыть вкладку Единицы, а затем в поле График  выбрать переменную, для которой необходимо установить единицы измерений. Выбрать нужное обозначение единиц измерений из предлагаемых;
·         определить количество знаков после десятичной запятой, которое будет присутствовать в записи чисел и выбрать число в соответствующем окне;
·         чтобы числа записывались в научном формате, поставить флажок Научная запись. При этом число 0,231 примет вид 2,31Е–001, что эквивалентно 2,31×10–1 ;
·         нажать кнопку OK.

 

Экспорт данных в Excel можно осуществить открыв в главном меню экрана График и выбрать опцию Экспорт в Excel. MultiLab откроет новую книгу  Excel – и вы увидите в ней только что переданные данные.

Если экспорт данных из MultiLab проходит некорректно, попробуйте изменить настройки процедуры экспорта:

·         выберите в меню Файл команду Настройка файла экспорта;
·         в открывшемся окне установите флажок Игнорировать региональные настройки;
·         нажмите OK.
 
Когда начинается новая запись данных, MultiLab отображает их в новом окне таблицы. Однако можно увидеть и предыдущие данные, указав их в диалоговом окне Редактирование таблицы. Чтобы включить в проект ранее созданную таблицу или сохранить изменения таблицы в уже существующем проекте, нажмите кнопку Добавить таблицу в проект  на панели инструментов таблицы.
 
5.3.2. Отображение данных обработки видео в виде графика.
Отображение данных при обработке видео идет одновременно и в виде таблицы, и виде графиков X(t) и Y(t). Однако настройкой Вид в главном меню экрана можно выставить на экране только окно обработки видео и окно графика (рис. 5.12).
Рис. 5.12
 
Такой вид экрана рекомендуется использовать после проведения видеоанализа, когда график уже сформирован и экран видео требуется только для соотнесения графика с метками на определенных кадрах видеофрагмента. В ходе же видеоанализа следует пользоваться видом экрана, на котором размер окна видеоанализа имеет максимальный размер.
Последовательность процедур видеоанализа уже описана в п. 5.3.1. Остановимся лишь на процедурах, необходимых для предварительного анализа графика, которые можно проводить с помощью кнопок на панели инструментов Графика.
 

Убрать с экрана (выставить на экран) график можно нажатием кнопки График  на верхней панели инструментов. По умолчанию график, формируемый в ходе видеоанализа, отражает зависимость координат от времени. Ось имеет тот же цвет, что и график, к которому она относится.

 
Отразить зависимости X(t) Y(t) на отдельных графиках можно воспользовавшись окна Графика на два окна. Для этого:
·         щелкните в панели инструментов Графика на пиктограмме Разделение графика ;
·         откройте диалоговое окно редактирования свойств графиков щелчком в панели инструментов Графика на пиктограмме Редактирование графика ;
·         укажите в этом окне наборы данных для каждого графика (рис. 5.13).

 

Рис. 5.13
 
Чтобы соединить два графика в один, еще раз нажмите кнопку Разделение графика.
 
Построить график траектории движения Y(X) можно после нажатия кнопки Редактирование графика  и выбора координат X и Y в качестве объектов, отражаемых на осях графика (рис. 5.14).
Рис .5.14
 
Изменение масштаба единиц измерений, вдоль осей. Столь странный график траектории Y(X) на рис. 5.14 связан с тем, что масштабы величин смещения ножки стула вдоль оси Y и X существенно различаются (1 см и 1 м, соответственно), а программа рисует график так, чтобы максимальное и минимальное значения величин перекрывали окно графика полностью. Реально на рис. 5.14 мы имеем отражение точности попадания курсора в одну и ту же точку ножки стула на разных кадрах видеофрагмента.
Программа MultiLab может уменьшать размер графика, сохраняя пропорции между максимальным изменением величин, полученным в ходе проведения обработки видеофрагмента. Для изменения масштаба графика можно использовать кнопку Увеличить  на панели инструментов окна графиков и после изменения формы курсора на «лупу» обвести нужный участок. Можно также использовать главное меню экрана ГрафикУменьшить (Увеличить) (рис .5.15).
Рис.5.15
 
Кроме того, можно провести процедуру сжатия/расширения осей. Для этого

проведите указателем вдоль одной из осей. Указатель примет вид двойной стрелки (↔), показывая тем самым, что можно сжать или увеличить масштаб этой оси.

Нажав кнопку мыши и перемещая указатель, можно сжать или растянуть ось.

На рисунке  5.16 показан график траектории ножки стула Y(X) после изменения масштаба оси Y до масштаба оси X. Теперь видно, что точка двигалась примерно вдоль оси X, а наблюдаемые колебания действительно связаны с точностью установки метки на экране (сравни с рис. 5.14 и 5.15).

Рис. 5.16
 
Двойной щелчок на оси восстанавливает режим автомасштабирования.

Сместить график (рис. 5.16, справа) можно воспользовавшись кнопкой  на панели инструментов графиков, а после изменения формы курсора перетащить график.

 

Использование курсора для отслеживания хода протекания процесса. При проведении видеоанализа каждому кадру видеофрагмента ставятся в соответствие одна строка таблицы и одна точка на каждом графике X(t) и Y(t). Программа MultiLab позволяет после окончания видеоанализа проследить за соответствием точек графика и положением точки на кадрах видео. Для этого при работе с графиками можно воспользоваться одним или двумя курсорами одновременно.

Первый курсор служит для отображения значений отдельных точек графика, два курсора позволяют показать значение разности координат двух точек графика, а также отметить диапазон точек.

Первый курсор вызывается  двойным щелчком на какой–нибудь точке графика или нажатием на кнопку Включить первый курсор  на панели инструментов графиков. Вы можете передвигать этот курсор от точки к точке одного графика или переместить его на другой график. При этом можно пользоваться мышью или (для более точных движений)  клавишами клавиатуры <←> и <→>.

Координаты точки, на которой стоит курсор, появляются на информационной панели в нижней части окна графиков (рис. 5.17).

Рис. 5.17

 

Для вызова второго курсора нажмите кнопку Включить второй курсор .

На информационной панели теперь будут показаны значения разности координат двух точек.

Чтобы спрятать курсоры, снова нажмите кнопку Включить первый курсор.

Для вызова курсоров в режиме разделения графиков:

·        для верхнего графика – выполните процедуру вызова курсоров в обычном режиме;

·        для нижнего графика – сначала удалите курсоры из верхнего графика, а затем двойным щелчком в любом месте области нижнего графика вызовите первый курсор. Второй двойной щелчок выводит второй курсор, а третий двойной щелчок удаляет курсоры.

 

Комментарии к графику можно создать, чтобы отразить характерные точки процесса, которые стали видны при сопоставлении графика и характера движения тела на видео при проигрывании видеофрагмента по нажатию на кнопку  или при сопоставлении кадров видео с точками графика при использовании курсора .

Для создания комментария:

·         поместите курсор на точку, к которой нужно создать комментарий;
·         на панели инструментов графиков нажмите кнопку Добавить комментарий ., откроется окно Комментарий (рис. 5.18):

Рис. 5.18

·         введите текст комментария и нажмите кнопку OK;
чтобы комментарий был виден на экране, команда Показать комментарии (этот режим включен по умолчанию) в меню График должна быть включена.

Чтобы передвинуть надпись с комментарием:

Рис. 5.19
 

Чтобы отредактировать комментарий:

·         поместите курсор на точку, комментарий к которой следует изменить;
·         в меню График выберите команду Изменить комментарий;
·         в открывшемся окне исправьте текст комментария и нажмите кнопку OK.

Чтобы удалить комментарий:

·  поместите курсор на точку, комментарий к которой вы хотите удалить;

·  в меню График выберите команду Удалить комментарий.

 

Копирование графика как картинки и перенос его в другие редакторы Windows

Для того чтобы скопировать график в буфер, а затем вставить его как картинку в другое приложение Windows, например, в Word или PowerPoint, необходимо:

·         в меню График выбрать команду Скопировать график;
·         вызвать файл, в который нужно поместить картинку графика;
·         в этом файле щелкнуть правой кнопкой на нужном месте и выбрать команду Вставить.
 
 

Добавление графика в проект

Когда начинается новая запись данных, MultiLab отображает их в новом окне графиков. Однако можно увидеть и предыдущие графики, указав их в диалоговом окне Редактирование графика или дважды щелкнув на пиктограмме в Карте данных. Для включения в проект ранее созданного графика или сохранения изменений графика в уже существующем проекте достаточно нажать кнопку Добавить график в проект  в панели инструментов окна графиков.

 

Сохранение данных

Чтобы сохранить проект, щелкните в основной Панели инструментов на пиктограмме Сохранить . По этой команде в одном файле, название которого будет запрошено, сохраняются все наборы данных, графики, таблицы и видеоматериалы.

Сохранение проекта включает в себя и сохранение всех установленных вами параметров форматирования и масштабирования.

Если в ранее сохраненном проекте были сделаны изменения, то для их сохранения выберите в меню Файл команду Сохранить (обновление файла) или Сохранить как… (сохранение нового варианта проекта в другом файле).

 
 
 
Остальные сведения по редактированию и обработке таблиц и графиков представлены в главе 6, где описана процедура подготовки отчета по проекту.

Глава 6. Обработка данных, полученных с датчиков при подготовке отчета о проведенном исследовании

 

Введение

Напомним, что в данной книге под «датчиками» мы имеем в виду и цифровые датчики физических величин (температуры, освещенности, напряжения, расстояния и т.д.), и видеодатчики (цифровой фотоаппарат, видеокамера, Web–камера), которые фиксируют перемещение объектов в пространстве или иные физические явления.

При обработке информации с одних (см. главы 2, 3) и других (глава 4) программа MultiLab выдает результаты в виде графиков и таблиц. О предварительной обработке графиков и таблиц в ходе подготовки и выполнения эксперимента уже говорилось в предыдущих главах.  Здесь мы рассмотрим вопросы обработки таблиц и графиков, возникающие при осмыслении эксперимента и подготовке отчета о проделанной работе.

В случае работы с датчиками физических величин, присоединенными к Регистратору данных TriLink, имеется возможность использовать представление данных и в виде показаний виртуальных приборов на экране. MultiLab позволяет отображать данные в виде показаний Приборов (один Прибор для одного датчика), размещая на экране до четырех Приборов одновременно. Приборы могут отображать как поступающие замеры, так и ранее записанные – при просмотре файла проекта.

Когда включен курсор графика, Прибор показывает значение величины в тот момент времени, на который указывает курсор.

Доступны для использования три типа Приборов: аналоговый, диаграммный и цифровой. Масштаб шкалы прибора определяется автоматически, в соответствии с масштабом графика. На рисунке. 6.1 показаны графики зависимости от времени расстояния от датчика магнитного поля до центра катушки Гельмгольца (красный) и показаний датчика магнитного поля (синий), а также диаграммный и стрелочный виртуальные Приборы, показания которых соответствуют моменту времени, указанному на графике курсором..

Рис. 6.1

Чтобы установить Прибор:

1.         Нажмите кнопку Прибор  на основной Панели инструментов.

2.         Выберите тип Прибора и набор данных, которые он должен отображать.

3.         Строки списка, начинающиеся номером графика, обозначают отображенные наборы данных, а начинающиеся словом INPUT – наборы данных, которые будут записываться и отображаться Прибором в следующем сеансе записи.

4.         Повторив эту процедуру, установите другие Приборы (их может быть максимум четыре).

На рис. 6.2 показано заполнение окна Установка индикатора для опыта, показанного на рис. 6.1.
Рис. 6.2
 

5.         Для удаления Приборов нажмите кнопку Прибор , а в открывшемся окне – кнопку Удалить все.

 
§6.1. Обработка табличных данных
В главах 2 и 3 было описано, как настроить Регистратор данных TriLink и получить с его помощью достоверную информацию о проведенных экспериментах. При этом результаты получатся в виде таблицы зависимости физической величины (или нескольких величин) от времени. В главе 4 при обработке видеофрагментов также формировались таблицы и графики x(t), y(t) и y(x).
 
6.1.1. Форматирование таблиц
 Программа MultiLab позволяет проводить стандартный набор операций по форматированию таблиц:
·         Изменение ширины колонок перетаскиванием правой границы заголовка колонки.
·         Изменение высоты строки перетаскиванием нижней границы заголовка строки.
·         Форматирование шрифта с помощью кнопки Свойства таблицы на панели инструментов таблицы и вкладки Шрифт в открывшемся окне.
·         Изменение единиц измерения и формата записи чисел с помощью кнопки Свойства таблицы  на панели инструментов таблицы и вкладки Единицы в открывающемся окне (см. главу 4, п. 4.3.1).
 
6.1.2. Экспорт таблиц в Excel
 Для пользователей хорошо владеющих редактором таблиц Excel, имеется возможность экспорта таблицы текущего проекта из программы MultiLab в Excel. Для этого достаточно нажать на панели инструментов окна графиков кнопку Экспорт в Excel  или воспользоваться пунктом главного меню График и выбрать опцию Экспорт в Excel.
Опытные пользователи Excel всю дальнейшую обработку данных эксперимента могут вести в этом редакторе Таблиц, однако программа MultiLab содержит все нужные в рамках школьного курса физики возможности математической обработки графиков, получаемых в ходе работы с цифровой лабораторией «Архимед» (см. §6.2).
 
6.1.3. Редактирование таблиц
 Программа MultiLab на стадии подготовки отчета по проведенному эксперименту делает упор на обработку информации, представленной уже в виде графиков, однако  для подготовки отчета понадобится произвести следующие операции с таблицами:
·               Добавление колонок в таблицы, если на основании полученных данных проводится дополнительная математическая обработка и в итоговый отчет помещаются данные после такой обработки. Например, в эксперименте получена таблица с зависимостью координаты тела от времени при движении тела с наклонной плоскости, а вы хотите заложить в отчет помимо этих данных информацию о зависимости скорости тела от времени. Для этого вы использовали функцию Мастер анализа  ПреобразованиеОперацияПроизводная и получили в окне графиков помимо графика D(t) график D’(t). Тогда в окне Таблиц остается нажать кнопку Редактирование таблицы , выделить в доступных колонках Функцию производной от данных вашего эксперимента (рис. 6.3) и нажать кнопки Добавить и ОК.
 
Рис. 6.3
 
Колонка со значениями производной от координаты (скорости) появится в окне таблицы.
 
·               Удаление колонок таблиц может, если они не связаны с изучаемой зависимостью или вы хотите включить результаты с наиболее яркими зависимостями из серии полученных величин. Так, например, при регистрации кривой разрядки конденсатора через резисторы вы хотите включить данные не для трех резисторов, которые вы исследовали, а только для резистора с максимальным и минимальным значением электрического сопротивления и качественные изменения для всех резисторов поместить в итоговый график.

Чтобы удалить колонку из таблицы, нужно нажать кнопку Редактирование таблицы на панели инструментов окна Таблиц, выделить название набора данных, соответствующих содержанию колонки в списке Текущие колонки, и нажать кнопку Удалить. В результате в отчет включается таблица с двумя экспериментами, а график с тремя экспериментами (рис. 6.4)

 
Рис. 6.4

 
§6.2. Обработка данных, представленных графически
 
Основные операции по работе с графиками, получаемыми в ходе обработки видеофрагментов, изложены в главе 4 (см.п. 4.3.2). Работа с графиками, полученными с цифровыми датчиками, присоединенными к регистратору данных TriLink, принципиально ничем не отличается от графиков зависимости координат тела x(t), y(t) и траектории y(x).
Действительно, если вы изучаете вольтамперную характеристику проволочного резистора, то датчики напряжения и силы тока дадут вам зависимости этих величин от времени U(t) и I(t), а аналогом графика траектории будет искомая вольтамперная характеристика I(U) или U(I).
 
6.2.1. Функции основных кнопок окна График
 Кратко перечислим функции кнопок окна Графиков, работа с которыми обсуждалась в §4.3 (п. 4.3.2).
 

Добавить комментарий

– добавляется комментарий к графику.

Переместить комментарий

– перемещается комментарий к графику.

Автомасштаб

– задает такой масштаб графика, чтобы заполнить всю его область и при этом отобразить все точки. Если надо при изменении масштаба показать все точки и заполнить всю область только для по одной из осей, дважды щелкните на этой оси.

Сдвиг

– изображение графика перемещается в любом направлении.

Увеличение участка

– увеличивается выделенная область изображения.

1–й курсор

– вызывается или удаляется первый курсор, показывается цифровое значение точек на графике.

2–й курсор

– вызывается или удаляется второй курсор, показывается значение разницы значений переменных по обоим осям для двух точек, отмеченных курсором .

Разделить график

– разделяются окна графиков, и две зависимости могут быть обработаны по отдельности.

Редактирование графика

– графику дается имя, выбирается, какие из зафиксированных переменных будут отложены по осям графика (графиков).

Свойства графика

–выбираются масштаб по осям, единицы измерения величин и форма представления их в таблице, цвет линий.

Добавить в проект

– в проект добавляется отображенный график.

Экспорт в Excel

– таблица, соответствующая данным на выведенном графике, экспортируется в Excel.

 
Ясно, что для выяснения особенностей графика, получаемого с помощью датчиков, требуется несколько операций. Так сочетание кнопок Увеличение участка  и Сдвиг  позволяет выделить любой участок графика и получить нужную информацию. В записи с помощью микрофонного датчика (при частоте регистрации данных 20 800 точек в секунду) звучанием камертона можно зафиксировать огибающую затухающих колебаний, а увеличив малый участок, измерить частоту звука камертона.
Для изменения масштаба осей на графике нужно просто навести курсор на область экрана с осью и после смены вида курсора на « двигать вдоль оси с нажатой левой кнопкой мыши.
 
Кнопка Пауза/Продолжить  используется для остановки регистрации, если изменения измеряемой величины протекают медленно и часть временной зависимости необходимо «вырезать» уже в ходе регистрации в режиме on–line. Показ графика возобновляется после паузы повторным нажатием на кнопку.
 
Инструменты Добавить предсказание  и Стереть предсказание  используются для рисования точек на графике в условиях, когда регистрация приостановлена  или еще не проводилась. Их можно также использовать при оформлении работ, когда ученик строит график самостоятельно на основании таблицы, полученной, возможно, в традиционном эксперименте.
График можно сохранить в виде рисунка в буфер обмена и вставить в текстовый редактор Word или редактор презентаций PowerPoint .
Обратимся теперь к инструментам по обработке графиков, которые ранее не обсуждались.
 
6.2.2. Функции обработки графика

Сглаживание. Наиболее простыми функциями являются Сгладить  и Уменьшить сглаживание . Инструмент сглаживания полезен для устранения случайных ошибок, особенно если для анализа данных затем используется какая–либо математическая функция. Процесс сглаживания заключается в том, что каждая точка заменяется средним значением двух соседних с ней точек. На требуемый график следует двумя кликами поместить курсор и затем нажать кнопку .

Операция сглаживания может быть применена многократно, однако такая операция может привести и к утере истинной формы кривой. Так на рисунке 6.5 показан график зависимости индукции магнитного поля от расстояния до центра катушки до сглаживания, после первого сглаживания и после 25 применений процедуры сглаживания.
                                                         Рис. 6.5.
Гарантией сохранения исходных данных является таблица с исходными данными, которая не меняется в ходе этой процедуры, и возможность вернуться к исходному рисунку, используя кнопку .
 
Производная от функции, представленной графически. В физике много величин, которые можно математически трактовать как производные от других физических величин. К таким величинам можно отнести скорость тела, ускорение (скорость изменения скорости), ЭДС индукции (скорость изменение потока индукции магнитного поля), ЭДС самоиндукции, напряженность поля (производная от потенциала поля). Кроме того, положение максимума и минимума функций определяется с помощью производной более точно, чем просто на глаз, поэтому опция построения производной будет использоваться при обработке графиков достаточно часто.
Для ее применения необходимо отметить нужный график в окне, если их два, и в главном меню выбрать кнопку Мастер анализа . В открывшемся окне выбираем вкладку Преобразование, а в окне Операция – функцию Производная (рис. 6.6). В нижней части окна показываются вид операции и величина, которая дифференцируется, и переменная, по которой идет дифференцирование (на рис. 6.6 дифференцируемая величина G1=[положение по оси Х], параметр, по которому дифференцируется величина – время d(G1)/dt).
Рис. 6.6.
 
Ясно, что математическая операция, которая проводится по экспериментальному графику, имеющему случайные отклонения, может привести к крайне «рваной» функции, поэтому лучше перед использованием операции производная, провести операцию однократного сглаживания. На рис. 6.7 показано, как сильно отличаются производные зависимости от времени координаты x(t) скользящего по полу стула (получена при обработке видео, см. рис. 4.10), если получить производную (синий график) без сглаживания и с одним сглаживанием.
 
Рис. 6.7
 
Для удобства кнопка операции построения производной  вынесена на линейку главного меню.
 
Интеграл (площадь под графиком). В ряде работ необходимо рассчитать площадь под графиком. Так при изучении разряда конденсатора (рис. 6.8) интегрирование функции U(t) позволяет определить емкость конденсатора по известному сопротивлению
резистора
R. Для применения этого инструмента можно воспользоваться кнопкой Анализ главного меню, где использовать опции Интеграл или Статистика, дающие примерно одно и то же значение площади.
Рис. 6.8
 
6.2.3. Подбор аналитического выражения, описывающего экспериментальный график
Программа MultiLab позволяет проводить и автоматический, и ручной подбор коэффициентов элементарных функций, описывающих наблюдаемую в эксперименте зависимость. Методическая оправданность того или иного способа аппроксимации экспериментальной зависимости аналитическим выражением определяется трудностью теоретической базы, лежащей  в основе работы, если она проводится для закрепления теоретического материала, трудоемкостью подготовки экспериментальной установки, математической подготовкой учеников определенного класса и тем, насколько приближена работа к идеологии исследовательской работы. При выполнении работы как исследовательского проекта, конечно, следует рекомендовать ручной подбор и вида функции, и числовых коэффициентов. Если же, к примеру, проводится работа с построением графика производной от экспериментальной зависимости, разбиения зависимости на два участка с разными формами кривой, для которых требуется подбор разных аналитических функций, то уместно на разных этапах работы использовать автоматический подбор, например, коэффициентов  линейной функции.
 
Линейная аппроксимация (автоматический режим). Предположим, выполнена работа по получению зависимости силы тока в цепи и напряжения на источнике тока (рис. 6.9). Целью исследования является получение ЭДС источника тока и его внутреннего сопротивления.
Рис. 6.9
 
В результате получена линейная зависимость U(I) (рис. 6.10):
Рис. 6.10
 
Если ученики получат аналитическое выражение для этой прямой, то это еще не позволит получить искомые величины, поскольку коэффициенты в выражении  сложным образом связаны с исходными параметрами. Главным в данной работе является, скорее всего, путь к пониманию того, почему получается такая зависимость, и выведение формулы, показывающей, как ЭДС E и внутреннее сопротивление r связаны с коэффициентами в такой зависимости. При такой постановке, конечно, допустимо использование кнопки Линейное приближение  в главном меню, позволяющем найти коэффициенты k и b методом наименьших квадратов.
 
Автоматическая аппроксимация графиков другими функциями. Более общий подход заключается в использовании Мастера анализа  главного меню для подбора вида функции для полученной экспериментальной зависимости. В окне Мастера анализа
 (рис. 6.11) имеется вкладка Аппроксимация, предоставляющая возможность автоматического подбора коэффициентов по методу наименьших квадратов для функций:
 
·         линейная
;
·         полином степени n£6
;
·         степенная функция
;