ЦП Автоматизированные системы управления и промышленная безопасность

БК Автоматизированные системы управления и кибернетика

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ «ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ АТОМОВ РТУТИ И ВОДОРОДА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ РИДБЕРГА ПО СПЕКТРУ ВОДОРОДА»

E-mail Печать PDF

Пилипенко А.В.

С каждым днем разрабатываются достаточно совершенные комплексы лабораторных работ по различным предметам. Однако не каждое учебное заведение готово потратить многозначные суммы на приобретение этого оборудования. В таких ситуациях становится незаменимым программное обеспечение, позволяющее имитировать работу реального оборудования, которое может работать на уже имеющихся в учебном заведении компьютерах. Причем, точность работы виртуальных приборов, как правило, выше чем у учебного оборудования. 
Целью данной работы является разработка автоматизированной системы обучения, включающей в себя виртуальные лаборатории и системы тестов по дисциплинам естественно-научного и общепрофессионального блоков.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие зада-чи:
1. Анализ вопроса.
2. Создание алгоритмов управления автоматизированной системы.
3. Подбор программного обеспечения и оборудования.
4. Создание имитационных моделей.
5. Калибровка программ для достижения максимальной точности. 
6. Проведение экспериментов и проверка адекватности автоматизиро-ванной системы.
7. Определение эффективности АС.
Одним из этапов в создании автоматизированной системы являлась разработка имитационной модели лабораторной работы по физике «Исследование спектров атомов ртути и водорода, определение постоянной Ридберга по спектру водорода». В современной квантовой механике строго доказано, что атомы каждого химического элемента имеют присущий только им набор возможных стационарных энергетических состояний. Переходы между этими состояниями и образуют спектр частот излучения (или поглощения), характерный только для данного элемента. Именно поэто¬му оказывается возможным отождествление химического элемента по его спектру испускания или поглощения, т.е. качественный спектральный анализ.
Число спектральных линий одинаковых атомов может быть очень велико. Например, спектр железа только в видимой и ультрафиолетовой областях содержит около 60 тысяч линий. Y других много электронных атомов число линий того же порядка. Следовательно, не исключено случайное совпадение некоторых частот в спектре различных атомов, что называется в спектроскoпии "наложением" линий.



Поэтому качественный спектральный анализ следует проводить по нескольким наиболее интенсивным линиям в исследуемом спектре. Совпадение измеренных длин волн этик линий c табличными данны¬ми надежно показывает присутствие элемента в источнике излучения.
Каждой линии соответствует определенная частота v и длина вол¬ны, которые связаны соотношением:

где с — скорость света, с=3.108 м/с. Подставляя (5.2) в (5.1) получаем:

Длину волны , для любой линии спектра атома водорода можно найти гго формуле, полученной Бором

где R — постоянная Ридберга.
Серия линий Лаймана возникает при переходе электронов из энер-гетически более высоких стационарных состояний в первое. Для этик линий п=1, a m=2, З,... , а частоты находятся в ультрафиолетовой об¬ласти спектра. Линии видимой части спектра – серия Бальмера – характеризуется переходами из состояний c номерами m=З, 4, 5,... в со-стояние c номером п=2. 
Исходя из выше казанного, для серии Бальмера длины волн спек-тральных линий определяются по формуле:

Метод измерений, используемый в работе: По известным длинам волн спектра ртути проводят градуировку монохроматора УМ-2. По графику градуировки определяют длины волн спектра водорода, c помощью которых определяют постоянную Ридберга.
Новизна предлагаемой виртуальной работы заключается в совмещении физического эксперимента и компьютерных технологий за счет создания имитационной модели лабораторной установки.
Подобные автоматизированные комплексы позволяют заменить реальное оборудование во многих лабораториях, тем самым повысить качество образования и сократить расходы.
Имитационная модель лабораторной работы по физике разработана на графическом языке программирования LabVIEW 8.0 с модулем технического зрения(Vision), установленным в виде дополнительных функций и библиотек.
Для работы данной программы предполагается использование персонального компьютера не ниже INTEL PENTIUM II с тактовой частотой процессора 450 мГц, 2 Mb свободного места на жестком диске. А также требуется установленная на компьютере программная среда NI LabVIEW версии 8.0(и выше) с модулем vision или достаточно спец. набора библиотек LabVIEW run-time engine которая распространяется бесплатно и прилагается к программе. Для расширения границ работы программы с целью работы с другими спектрами достаточно заменить фотографии в папке с архивом.
Алгоритм работы программы:

1. Знакомство с инструкцией на вкладке «Теория».
2. Переход на вкладку «Практика». 
3. Выбор режима работы. Для данной возможности используется функция Case Structure.
a. Используя имеющиеся снимки спектра.
b. В режиме реального времени(для преподавателя), с использованием web-камеры.
4. Выбрав режим (дальнейшие рассуждения будут проходить с режимом «a»), проводится запуск программы путем нажатия на .
5. После запуска на двух дисплеях появляются спектр.
6. С помощью элемента управления Knob, управляем движением элемента Picture. Когда белая стрелка индикатора находится по центру нужной цветовой гаммы, показания заносятся в таблицу. 
7. По табличным данным программа автоматически строит график отношения длины волны к показаниям снятых в предыдущем пункте.
8. Запуск снимка другого спектра проводится путем нажатия на кнопку «выбор спектра» и последующего запуска программы.
9. Снимаются показания тем же способом.
По сравнению с лабораторными работами, выполненными на физическом оборудовании, данная система имеет некоторые преимущества:
1. Скорость выполнения лабораторных работ увеличивается в несколько раз.
2. Стоимость данной системы намного меньше стоимости реального оборудования.
3. С данной системой лабораторную работу могут выполнять несколько групп студентов одновременно, в том числе дистанционно.
4. Имеется возможность менять спектр (фото), не проводя лабораторную работу с новыми материалами.
Использование подобных автоматизированных систем рождают пер-спективы по внедрению инновационных технологий в методику обучения, связанных не только с внедрением современных информационных технологий, но и с развитием междисциплинарных связей.


 

 

Поиск по сайту

Голосование

Какую среду программирования вы используете чаще всего?
 

Посетители