ICT voor bèta-onderwijs

Module I, Niveau I Introductie computermeten

CMA - Amsterdam

Definitie van ComputermetenDe term ‘Computermeten’ wordt gebruikt om het

proces van verzamelen en vastleggen van meetgegevens van sensoren.

Tot het computermeetproces behoort ook hardware: sensoren en interface. De sensor wordt aangesloten op een interface of datalogger. Deze zet het spanningsignaal van de sensor om naar digitale code, die ofwel direct naar de computer wordt verzonden (gewoonlijk via een USB-poort), of in de datalogger wordt opgeslagen om later naar de computer overgezet te worden.

Sensoren nemen de plaats in van conventionele meetinstrumenten zoals thermometers, voltmeters, pH-meters.

CMA - Amsterdam

Schematische weergave

Sensor

Interface

PC

Sensor zet een grootheid om in een spanning (digitale sensoren zetten de spanning zelf om in digitale waarden).

Interface voorziet de sensor van voeding, zorgt vaak voor de omzetting van de analoge ingangssignalen in digitale waarden, en geeft deze informatie door aan de PC.

PC rekent spanning terug naar waarde van de grootheid (op basis van ijktabel) en slaat meetresultaten op. Gegevens worden weergegeven en is naar keuze bewerking en analyse mogelijk.

CMA - Amsterdam

Voorbeelden van Computermetingen

CMA - Amsterdam

Biologie: Een ECG opnemen

De ECG sensor wordt gebruikt om een ECG op te nemen om de elektrische activiteit van het hart te bestuderen.

De spiervezels van het hart produceren kleine elektrische spanningen die kunnen worden gemeten via elektrodes op de huid van de polsen.

CMA - Amsterdam

Biologie: De hartslag meten

De hartslagsensor wordt gebruikt om de hartslag te meten en in een grafiek te tonen.

Met de hartslagsensor kan de bloedtoevoer in een oorlel (of pink) worden gevolgd. Elke keer dat de hartspier zich samentrekt wordt er bloed in de aderen gepompt. Hierdoor stijgt de bloeddruk en neemt de bloedtoevoer in het oor (pink) toe. De sensor schijnt licht op de oorlel en meet hoeveel licht wordt doorgelaten.

CMA - Amsterdam

Biologie: Fotosynthese

Het proces van fotosynthese onderzoeken.

De CO2-sensor wordt gebruikt om de productie van CO2 gas door groene spinaziebladeren te volgen, in het donker en in verschillende verlichtingsom-standigheden. CMA - Amsterdam

Biologie: Fotosynthese

Het volgen van de fotosynthese over een langere tijdsperiode (72 uur)

Bij dit experiment kunnen veel verschillende sensoren zoals voor O2 (gas), CO2 (gas), licht, temperatuur en vocht worden gebruikt.

CMA - Amsterdam

Biologie: Ademhaling bij meelwormen

Het proces van ademhaling bij meelwormen volgen

De CO2-sensor wordt gebruikt om de veranderende CO2-niveaus in een gesloten reactievat met levende meelwormen te meten.

CMA - Amsterdam

Sensoren voor Biologie

Voorbeelden van sensoren voor biologie: – CO2 sensor – Geleidbaarheidsensor – Zuurstofsensor (vloeistof)– ECG-sensor – Hartslagsensor– Lichtsensor – Zuurstofsensor (gas)– pH-sensor – Vochtsensor– Spirometer– Bloeddruksensor– Temperatuursensor– Draaihoeksensor (voor volumes)

CMA - Amsterdam

Scheikunde: Endothermische

reacties

Meten en tonen van de temperatuur tijdens endotherme en exotherme reacties

Tijdens de spontane reactie tussen kristalsoda (Na2CO3.10 H2O) en citroenzuur (C6H8O7.H2O) vindt een flinke temperatuurdaling plaats.CMA - Amsterdam

Scheikunde: Vlamtemperaturen

Een thermokoppel is een eenvoudige temperatuursensor voor het meten van temperaturen in een groot bereik (van -200C tot 1400C) die kan worden gebruikt voor het bestuderen van de temperatuur in vlammen.

Op deze manier kunnen temperatuurverschillen tussen verschillende plaatsen van de vlam gemakkelijk gedemonstreerd worden.

CMA - Amsterdam

Scheikunde: Zuur-basetitraties

De pH-sensor kan worden gebruikt om de pH-waarde tijdens zuur-basetitraties te meten. Als zuur wordt toegevoegd aan de base, verandert de pH geleidelijk, totdat de oplossing dicht bij het equivalen-tiepunt komt. Bij dit punt treedt een snelle verandering van pH op.

Het toevoegen van de titrant kan automatisch worden gedaan via de stappenmotorburet die wordt aangestuurd door een programmaatje. Zo kan de hoeveelheid toegevoegde titrant worden gemeten.

CMA - Amsterdam

Scheikunde: Reactiesnelheid

Waarnemen van de reactiesnelheid door de verandering van concentratie te meten met een colorimeter.

CMA - Amsterdam

Scheikunde: Energie van voedsel

Bepalen van de hoeveelheid energie van één aardappelchip door meten van de warmte die vrijkomt tijdens de verbranding ervan.

De meting gebeurt met een temperatuursensor die in goed thermisch contact geplaatst is met een calorimeter. De hoeveelheid warmte kan worden berekend via vergelijking met een ijkmeting die gedaan is met een standaard elektrische lamp in plaats van de brandende chip..

CMA - Amsterdam

Sensoren voor Scheikunde

Voorbeelden van sensoren voor Scheikunde: – Colorimeter– Geleidbaarheidsensor– pH-sensor– Druksensor (voor gasdruk)– Temperatuursensoren – Troebelheidsensor – Spanningsensor– Ion-selectieve sensoren– ORP-sensor (oxidatie-reductiepotentiaal)– Draaihoeksensor (voor meten van gasvolume)

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Faseveranderingen

Waarnemen van het proces van faseverandering (van vloeistof naar vaste stof) bij de afkoeling van stearinezuur

Meten met de temperatuursensorCMA - Amsterdam

Natuurkunde: Elektromagnetische

inductie

Meten van de geïnduceerde spanning door een vallende magneet door een spoel over de uiteinden ervan

Onderzoeken hoe de geïnduceerde spanning wordt beïnvloed door het omdraaien van de magneet of door magneten van verschillende sterkte.

Alhoewel de proef binnen een halve seconde voorbij is, kan de geïnduceerde spanning worden gemeten via triggering.

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Verdamping van

vloeistoffen

Waarnemen van het proces van afkoelen door verdamping van verschillende vloeistoffen (water, alcohol, ether)

Meten gebeurt met een temperatuursensor

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Aanzetten van een

lampje

Stroomsensor, spanningssensor, lichtsensor (triggering, zelf grafieken maken, nieuwe grootheid berekenen)

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Zwevingen bij geluid

Onderzoeken van de vorm van geluidsgolven en van zwevingen.

Zeer korte (tussen 50 en 500 ms) en zeer snelle (50.000 Hz) metingen met de geluidsensor.

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Meten van de

geluidsnelheid

De geluidsnelheid bepalen met gebruik van de echomethode.

De geluidsensor detecteert het begingeluid en de echo die gereflecteerd wordt van het andere uiteinde. De reistijd van de heen-en-weergaande golf kan worden afgelezen uit de grafiek. Uit de bekende afstand en de reistijd wordt de geluidsnelheid berekend.

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Wet van Boyle

Onderzoeken van de relatie tussen volume en luchtdruk in de spuit (wet van Boyle).

De luchtdruk wordt gemeten met de druksensor en de bijbehorende waarde van het luchtvolume wordt afgelezen van de spuit en ingetypt via het toetsenbord.

CMA - Amsterdam

Natuurkunde: Toestel van Atwood

Bepalen van g door gebruik van het gatenwiel als een toestel van Atwood. Twee massa’s worden opgehangen over de katrol aan een draad. De spaken van het wiel blokkeren de lichtsensor, die pulsen genereren als het wiel draait. De pulsen worden geteld en geijkt in een afstand in meters.

Er wordt gebruikgemaakt van pulsgestuurde meting: bij iedere puls op de telleringang door de lichtsluis wordt een meting gedaan.

CMA - Amsterdam

Sensoren voor Natuurkunde

Voorbeelden van sensoren voor Natuurkunde: – Versnellingsensor– Draaihoeksensor– Ladingsensor – Stroomsensoren – Krachtsensor– Lichtsensor – Magnetisch-veldsensor– Bewegingsdetector– Lichtsluis met gatenwiel– Druksensoren– Stralingsensor– Geluidsensor– Temperatuursensor – Spanningsensor

CMA - Amsterdam

Meerwaarde van computermeten

Om de meerwaarde van computermeten te kunnen inzien is het belangrijk om verschillende unieke kenmerken ervan te herkennen die niet beschikbaar zijn bij conventionele meetmethoden.

CMA - Amsterdam

Deze kenmerken bieden mogelijkheden tot om het leerproces van leerlingen te verbeteren, wanneer de docent zich hiervan bewust is en de leeractiviteit zodanig toepast of ontwerpt dat deze mogelijkheden optimaal benut worden.  

CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

1. De computer wordt een meetinstrumentDe computer, voorzien van een interface

en een groot scala aan sensoren wordt een universeel meetinstrument dat voor een veelheid aan verschillende experimenten kan worden gebruikt.

Al deze ‘instrumenten’ gebruiken dezelfde software-omgeving. Dit maakt het voor gebruikers eenvoudiger computermeten op een veelheid van gebieden toe te passen.CMA - Amsterdam

2. Het meetproces verloopt automatisch (Jonge) leerlingen met weinig

meetvaardigheden kunnen ook al met meten bezig zijn;

Het spaart tijd die kan worden besteed aan het doen van waarnemingen aan het verschijnsel en aandacht te geven aan de grafiek

Er kunnen veel meer meetgegevens verzameld worden dan handmatig mogelijk is.

CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

3. ‘Overal’ meten en langdurig meten met een datalogger kunnen gegevens

worden verzameld en opgeslagen, onafhankelijk van de computer

Dit maakt meting mogelijk in een groot aantal omgevingen, ook buitenshuis.

En het maakt langdurig verzamelen van gegevens mogelijk, langer dan de normale tijdsduur van lessen in de school.

Via videometen zelfs op de maan!

CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

4. De tijdschalen waarop gemeten kan wordenDe snelheid waarmee gegevens gemeten

worden (meetfrequentie) is in te stellen op tijdschalen (heel snel en kortdurend, of traag en langdurig) die niet mogelijk zijn voor handmatig verzamelen van gegevens.

Het verzamelen van gegevens met heel snelle of heel langzame bemonstering maakt het mogelijk te meten in nieuwe contexten. Dit verbreedt en verdiept de wijze waarop leerlingen verschijnselen kunnen onderzoeken.

CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

5. ‘Real-time’ rapporteren – gegevens worden gepresenteerd tijdens het meetprocesDit maakt verzamelen van meetgegevens

een interactief proces waarbij rechtstreekse waarnemingen van het verschijnsel ogenblikkelijk kunnen worden vergeleken met de grafiek. Met de juiste vragen bevordert dit het nadenken over het verschijnsel en stimuleert dit leerlingen om nieuwe dingen te onderzoeken.CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

6. Grote meetnauwkeurigheid en nauwgezette wijze van vastleggenDeze is superieur aan handmatige

methodes. Ook is het gemakkelijk om veel punten te meten.

CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

7. Geen afleesfoutenDit leidt tot informatie van een betere

kwaliteit die de helderheid van de relaties tussen variabelen kan verbeteren.

CMA - Amsterdam

Computermeten: Unieke kenmerken

Koppeling met eigen ervaringen

Formuleer voor jezelf welke aspecten van computermeten voor jou (in jouw lessen, voor je eigen leerproces) de meerwaarde ervan bepalen.

In hoeverre maak je al gebruik van deze kennis in je lessen?

CMA - Amsterdam