Cos’è il laboratorio RTL?
RTL significa Real Time Laboratory, ossia Laboratorio in tempo reale (detto anche Laboratorio on line)
Esso è basato su tre elementi fondamentali: i sensori (o sonde) l’interfaccia il computer (dotato di un opportuno
software)
Perché il laboratorio RTL? Il laboratorio RTL si basa sui moderni strumenti
tecnologici forniti dallo sviluppo dei calcolatori e dell’elettronica digitale
Esso ha avuto, negli ultimi anni, grande sviluppo e progressiva diffusione, anche a livello scolastico
Ma perché si dovrebbe sostituire il laboratorio didattico tradizionale con questi nuovi strumenti tecnologici?
I motivi sono molti: cercheremo di evidenziare i principali
Come si fa una misura oggi?
Nei laboratori di ricerca reali (non quelli didattici) le misure vengono fatte, al giorno d’oggi, quasi sempre con apparecchi connessi ad un computer
È perciò importante che gli studenti possano utilizzare apparati di misura che, almeno qualitativamente, si colleghino all’effettiva ricerca scientifica odierna
Il metodo scientifico
Si sente parlare molto, negli ambienti più vari, di metodo scientifico, ma pochi sanno che cosa sia precisamente
Certamente non è il metodo con cui vengono insegnate a scuola, tradizionalmente, le materie scientifiche!
Vogliamo quindi provare a proporvi un modo di avvicinare la Fisica simile a quello che praticano gli scienziati veri
Lo strumento di misura universale
Nel laboratorio RTL si usa in realtà un unico strumento di misura universale: esso è costituito dall’insieme sensore + interfaccia
+ computer Naturalmente si userà un sensore diverso per
ogni tipo differente di grandezza fisica che si vuol misurare; ma lo strumento si rapporta con l’utente sempre nella stessa maniera!
Ruolo attivo e motivazione
Col laboratorio RTL è più facile organizzare l’attività didattica in modo che lo studente esegua in prima persona misure ed esperimenti
Anche se il laboratorio dispone di una sola copia dell’attrezzatura (sensore + interfaccia), la relativa abbondanza di computer nelle scuole superiori rende possibile quanto meno l’analisi individuale dei dati sperimentali!
Tutto questo, come ben sappiamo, aumenta la motivazione degli studenti nei confronti dell’attività sperimentale
Come funziona?
Come abbiamo gà detto, lo strumento universale è costituito dall’insieme sensore + interfaccia + computer
L’interfaccia è necessaria (quasi sempre) per convertire i segnali (elettrici) provenienti dal sensore in informazioni “comprensibili” al computer
L’interfaccia da noi utilizzata si connette al computer tramite l’ormai diffusissima porta USB (Universal Serial Bus)
Acquisizione di dati con sensori
Si utilizza un sensore per trasformare la grandezza oggetto in una più facilmente misurabile
La misura consiste nella conversione della grandezza da misurare nel risultato della misura, tramite una funzione di trasferimento
Per dare significato alla misura bisogna eseguire la taratura del sensore
Diversi tipi di sensori
Sensori a risposta digitale danno in uscita direttamente un numero, che esprime il
valore della grandezza misurata
Sensori a risposta analogica danno in uscita una corrente o una tensione elettrica, il
cui valore dipende dalla grandezza misurata
Sensore analogico
I sensori analogici producono un segnale continuo Y(t): corrente o tensione
Il sistema di utilizzazione (calcolatrice grafica o computer) accetta solo valori numerici discreti delle grandezze
Il convertitore rende compatibile il sensore analogico con il sistema di utilizzazione
Convertitori analogico-digitali(ADC)
Nell’acquisizione RTL il segnale analogico deve essere digitalizzato
I convertitori ADC (Analogic Digital Converter) eseguono la digitalizzazione di un segnale analogico
Se il segnale arriva dal sensore già in formato digitale non c’è invece bisogno di conversione
L’interfaccia LabPro Memorie Flash aggiornabili
Possibilità di acquisizione indipendente dal calcolatore
Frequenza massima di lavoro (non vale per tutte le sonde): 50kHz
Tempo minimo tra due campionamenti successivi: 20 s
4 canali analogici
2 canali digitali
Una uscita analogica ± 3 V 100 mA (il quarto canale analogico)
12 bit di conversione ADC
Memoria dati interna fino a 12000 punti
Software per la gestione dell’interfaccia LabPro con il PC
LoggerPro permette di collegare l’interfaccia LabPro alla porta USB del PC
Il software riconosce automaticamente l’interfaccia e i sensori ad essa collegati
Permette la calibrazione dei sensori e l’azzeramento
Consente una frequenza di campionamento che dipende dal tipo di sensore
Permette la lettura in tempo reale dei grafici e l’analisi dei dati sperimentali
Qualunque fit curvilineo! A differenza di altri software (ad esempio il foglio
elettronico Excel), LoggerPro è in grado di realizzare il fit di un insieme di dati mediante una qualsiasi funzione definita dall’utente
L’unico limite è il numero di parametri contenuti nella funzione, che non può superare 6
Si possono realizzare fit sia automatici sia manuali
La curva interpolatrice può essere visualizzata nel grafico insieme ai punti sperimentali
Sonar Sensore digitale; il sonar rileva il tempo di andata e ritorno di un
impulso ultrasonoro di frequenza circa 49 KHz È predisposto per lavorare in aria in condizioni standard di
umidità alla temperatura di 20°C Emissione e ricezione avvengono dallo stesso dispositivo Durante l’emissione il sensore non può ricevere:
questo corrisponde alla presenza di una zona “buia” davanti all’emettitore di circa 25 cm
La massima distanza rilevabile è circa 6 m Il fascio si allarga con un cono di circa 20°
Range: 0.25 - 6m Sensibilità: 1mm Temperatura standard della taratura: 20°C
Sensore di forza Sensore analogico; il funzionamento del sensore si basa sulla proprietà
delle resistenze a film sottile: sottoposte ad allungamento od accorciamento variano la propria resistenza in modo proporzionale alla forza applicata
Nel sensore utilizzato le resistenze sono inglobate su film di plastica incollati alla superficie del campione che è sottoposto allo sforzo
La variazione di resistenza viene letta mediante un ponte di Wheatstone
La variazione di resistenza viene tradotta in una tensione nel range 0-5 volt
Anche questo sensore è sensibile alla temperatura Range: ± 10N e ± 50 N Sensibilità (dipende da ADC dell’interfaccia):
Scala ± 10N: 0.02 N con CBL 2 0.006 N con LabPro
Temperatura di funzionamento standard: 20°C
Termometro Sensore analogico; i sensori sono dei termistori, cioè resistori a
semiconduttore la cui resistività dipende dalla temperatura: può aumentare con la temperatura (PTC)
o diminuire con la temperatura (NTC)
I termistori sono costituiti da materiali policristallini misti ad ossidi
I coefficienti di temperatura sono circa un ordine di grandezza maggiori che nei metalli
Range: –25 +125 °C
La sensibilità varia nelle diverse zone del range di funzionamento: 0.03 °C tra 0 e 40 °C
0.1 °C fino a 100°C
La capacità termica del termometro va determinata sperimentalmente
Sonda di tensione È un sensore analogico
Può misurare tensioni nell’intervallo 10 volt
Il puntale nero è connesso a massa; bisogna tenerlo presente soprattutto se si usano più sonde contemporaneamente
La sensibilità è pari a 5 mV se la sonda è collegata a LabPro
Esisteva in passato un’altra versione della sonda, denominata raw voltage probe, che misurava tensioni da 0 a 5 V; ora non è più in produzione
Sonda di tensione differenziale
È un sensore analogico
Può misurare tensioni nell’intervallo 6 volt
Nessuno dei puntali è connesso a massa; questo consente di utilizzare contemporaneamente più sonde per misurazioni indipendenti (nessun estremo in comune)
La sensibilità è pari a circa 3 mV se la sonda è collegata a LabPro
L’impedenza di ingresso è di 10 M
Sensore di moto rotatorio È un sensore analogico
Misura angoli di rotazione in senso orario o antiorario
Ha una sensibilità dell’ordine di un grado sessagesimale
Può essere utilizzato per varie misure; è in grado di misurare la posizione angolare, da cui si possono calcolare velocità e accelerazione angolari
Il particolare, è utile per lo studio del moto di un pendolo
RTL- Operazioni tipiche Scegliere i sensori per le misure da eseguire Collegare l’interfaccia al PC e i sensori all’interfaccia Avviare il PC e lanciare il programma di acquisizione
(LoggerPro): il programma riconosce automaticamente i sensori
Eseguire la calibrazione dei sensori Scegliere la frequenza di campionamento dei dati e il
numero di dati da raccogliere Iniziare la raccolta dei dati; in generale la misura
delle grandezze viene presentata sullo schermo in funzione del tempo
Esempio
Cosa faremo Al termine di questa presentazione
cominceremo ad esaminare in dettaglio il funzionamento del sistema RTL, in particolare del software LoggerPro
Ogni gruppo avrà a disposizione una postazione dotata di: computer con software LoggerPro interfaccia LabPro sonar (sensore di posizione) sensore di forza sensore di temperatura (termometro)
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