SLO Natuurwetenschappen: Fysica - KU Leuven · 2013-09-13 · 1. Doe vaste paraffine in een...

Vlie

be

rgh

-Sen

cie

cen

tru

m

Computergestuurd

meten in de fysicales

woensdag 27 april 2011

Mieke De Cock Geneviève Janssens Jo Vanhaecht

REN Vlaanderen is een initiatief van de Vlaamse Minister van Onderwijs en Vorming

Nascholing Vliebergh-Scenciecentrum& REN -27 april 2011- Computergestuurd meten in de fysicales

© K.U.Leuven pag. 1

INHOUD

Stuiterende ballen (LabPro) ................................................................................................................................................ 2

Stroom door een gloeilamp (LabPro) ............................................................................................................................. 9

Faseovergang van paraffine (LabPro) ........................................................................................................................ 14

Statische en dynamische wrijvingskracht (LabQuest) ......................................................................................... 20

De magnetische inductie in een spoel (CoachLab II+) ......................................................................................... 26

De geluidssnelheid (Coachlab II+) ................................................................................................................................. 35

Het draaiend rad (Videometen in Coach 6) .............................................................................................................. 44

Wet van Boyle-Mariotte (PASPort) ............................................................................................................................... 48

Bumpertest (PASPort) ......................................................................................................................................................... 53

EM-inductie (ScienceWorkshop) .................................................................................................................................... 59

Resonantie (ScienceWorkshop) ...................................................................................................................................... 63

Trampoline (PASPort Xplorer) ........................................................................................................................................ 67

BIJLAGE: specificaties van enkele meetsystemen ................................................................................................... 71



STUITERENDE BALLEN (LABPRO)

1. Onderzoeksvraag /Doelstelling

Hoe verandert de energie van een botsende bal als functie van de tijd?

In deze proef gaan we –met behulp van een bewegingssensor- na hoe de energie van

een bal verandert tijdens het botsen.

2. Doelgroep

3de graad – 2de leerjaar

3. Meerwaarde

Door de positie en snelheid als functie van de tijd te meten, kunnen de kinetische, po-

tentiële en totale energie van de bal berekend worden en grafisch worden weergege-

ven. Een dergelijke snelle meting van positie als functie van de tijd kan enkel op deze

manier.

4. Stappenplan

1. Meet de positie en snelheid van de botsende bal als functie van de tijd.

2. Bepaal de massa van de bal.

3. Bereken op basis van de positiegegevens de potentiële energie van de bal.

4. Bereken op basis van de snelheidsgegevens de kinetische energie van de bal.

5. Bereken de totale energie van de bal.

5. Benodigdheden

- tafelklem, dubbelnoten, statiefstaven

- bal

- weegschaal

- LabPro interface, USB verbindingskabel, kabel voor stroomvoorziening

- bewegingssensor met verbindingskabel

- computer



6. Werkwijze

a. Proefopstelling

Monteer m.b.v. het statiefmateriaal de bewe-

gingssensor verticaal naar beneden gericht op

een hoogte van ongeveer 1,5 m.

b. Dataverzameling voorbereiden

Voor deze proef maken we gebruik van de Lab-

Pro interface van Vernier gecombineerd met

een computer. De bijhorende software is Logger

Pro.

LabPro verbinden met de computer

De LabPro computer verbinding bevindt zich aan

de rechterkant van de interface.

De verbinding met de computer wordt gemaakt

met een USB kabel. Plug het vierkante uiteinde

van de USB kabel in de LabPro USB connectie; plug

het andere uiteinde in een USB poort van de com-

puter.

De stroomvoorziening kan gebeuren door de interface te verbinden met een stop-

contact met de kabel met het ronde uiteinde. De stroomvoorziening kan ook via

batterijen gebeuren.

Van zodra de stroomvoorziening in orde is, wordt een zelftest uitgevoerd en zal je

een reeks van zes pieptonen horen en rode, gele en groene lichtjes zien oplichten.

Sensoren koppelen

Voor deze proef zullen we gebruik maken van de

digitale bewegingssensor van Vernier. De sensor

kan rechtstreeks gekoppeld worden aan de in-

terface in de poort aangeduid met DIG/SONIC.



Sensoren instellen

Om de instellingen van de dataverwerving te wij-

zigen, ga je naar ‘Experiment > Data Collection’.

Als je hierop klikt, opent een venster waarin je de

instellingen kan aanpassen:

Stel de meetduur in op 15 s en de sample rate op 30 samples/second.

Logger Pro opstarten en datacollectie voorbereiden

Start Logger Pro door dubbel te klikken op het Logger Pro-icoontje, of gebruik het

Start menu.

Als je de bewegingssensor met de interface hebt verbonden en de computer heeft

de LabPro interface gedetecteerd, dan zie je het volgende scherm:



Merk op dat het programma automatisch de bewegingssensor heeft gedetecteerd.

Door op ‘Collect’ te klikken kan de meting worden gestart.

Alles staat nu klaar om gegevens te verzamelen.

c. Data verzamelen

- Bepaal de massa van de bal.

- Laat de bal vallen recht onder de bewegingssensor en laat hem een aantal keren

botsen. Zorg dat de afstand tussen bal en sensor in het begin minstens 20 cm

bedraagt. Registreer tegelijkertijd de positie van de bal door op ‘Collect’ te klikken.

Druk eventueel op ‘Stop’.

d. Data verwerken

In de kolommen links werden de meetgegevens geregistreerd (tijd (s), positie (m) en

snelheid (m/s)). De positie(tijd)- en snelheid(tijd)-grafiek worden automatisch weer-

gegeven.

Berekenen van de hoogte van de bal

De positie van de bal wordt op dit moment in

de kolom weergegeven ten opzichte van de

detector. We willen dit omrekenen naar de

hoogte boven de grond. Bepaal eerst op basis

van de grafiek de hoogte h0 van de detector

(bijv. 1,5) ten opzichte van de grond.

Ga dan naar ‘Data > New Calculated Column’:



Als je hierop klikt, opent een nieuw venster waarin je kan aangeven welke

grootheid je wil berekenen:

Vul hierin de naam van de nieuw te berekenen grootheid (hoogte), de afkorting (h)

en de eenheid (m) in de daarvoor voorziene vakken in.

Om de hoogte te berekenen, maken we gebruik van het vak ‘Equation’.

Geef hier in h0 . Ga dan naar ‘Variables (Columns)’ en kies ‘Position’.

Een nieuwe kolom ‘hoogte’ wordt nu berekend.

Om de grafiek van deze nieuwe grootheid als functie van de tijd weer te geven,

kies je ‘Insert > Graph’. De nieuwe grafiek verschijnt.

Berekenen van de potentiële energie

Maak op dezelfde manier een nieuwe kolom waarin je de potentiële energie

berekent, en geef die weer als grafiek.

Berekenen van de kinetische energie

Maak op dezelfde manier een nieuwe kolom waarin je de kinetische energie

berekent, en geef die weer als grafiek.

Berekenen van de totale energie

Maak op dezelfde manier een nieuwe kolom waarin je de totale energie berekent,

en geef die weer als grafiek.



7. Resultaten



8. Aandachtspunten

- Gebruik een voldoende grote bal, anders botst hij te snel uit het ‘zicht’ van de detec-

tor (bv. basket- of volleybal).

- Werk op een vlakke ondergrond, zodat de bal recht terug omhoog botst.



STROOM DOOR EEN GLOEILAMP (LABPRO)


Hoe varieert de stroom door een gloeilamp als die wordt aangestoken?

2. Doelgroep

3de graad – 1ste leerjaar

3. Meerwaarde

Door de stroom als functie van de tijd te meten, zien we hoe deze varieert. Omdat het

om een erg snel proces gaat, is een hoge meetsnelheid nodig. Dit kan niet bereikt wor-

den met een gewone multimeter.

4. Stappenplan

1. Schakel een gloeilamp (6 V) aan op een spanningsbron, voorzie een schakelaar in de

schakeling.

2. Schakel een ampèremeter in het circuit.

3. Meet de stroom door de gloeilamp als functie van de tijd als de gloeilamp wordt

aangestoken (met de schakelaar).

5. Benodigdheden

- spanningsbron

- verbindingsdraden

- gloeilampje (6 V) en lamphoudertje of schakelbord

- schakelaar

- computer

- LabPro interface, USB verbindingskabel, kabel voor stroomvoorziening

- stroomsensor met verbindingskabel



6. Werkwijze

a. Proefopstelling


Voor deze proef maken we gebruik van de LabPro interface van Vernier

gecombineerd met een computer. De bijhorende software is Logger Pro.





met een USB kabel. Plug het vierkante uiteinde

van de USB kabel in de LabPro USB connectie;

plug het andere uiteinde in een USB poort van de computer.

De stroomvoorziening kan gebeuren door de interface te verbinden met een

stopcontact met de kabel met het ronde uiteinde. De stroomvoorziening kan ook

via batterijen gebeuren.

Van zodra de stroomvoorziening in orde is, wordt een zelftest uitgevoerd en zal je

een reeks van zes pieptonen horen en rode, gele en groene lichtjes zien oplichten.



Sensoren koppelen

Voor deze proef zullen we gebruik maken van de

stroomsensor van Vernier. De sensor kan

rechtstreeks gekoppeld worden aan de interface

in de poort aangeduid met CH1.

Sensoren instellen

Om de instellingen van de dataverwerving te wij-

zigen, ga je naar ‘Experiment > Data Collection’.


instellingen kan aanpassen:

Stel de meetduur in op 10 s en de sample rate op 50 samples/second.

Logger Pro opstarten en datacollectie voorbereiden

Start Logger Pro door dubbel te klikken op het Logger Pro-icoontje, of gebruik het

Start menu.

Als je de stroomsensor met de interface hebt verbonden en de computer heeft de

LabPro interface gedetecteerd, dan zie je het volgende scherm:



Merk op dat het programma automatisch de stroomsensor heeft gedetecteerd.

Door op ‘Collect’ te klikken kan de meting worden gestart.


c. Data verzamelen

- Schakel de bron in.

- Registreer de stroom door de gloeilamp door op ‘Collect’ te klikken. Schakel de

lamp aan met de schakelaar. Druk eventueel op ‘Stop’.



7. Resultaten

8. Aandachtspunten

De gloeilamp moet voldoende afgekoeld zijn om de piek te kunnen zien.



FASEOVERGANG VAN PARAFFINE (LABPRO)


Hoe varieert de temperatuur van paraffine tijdens het smelten en het stollen?

In deze proef gaan we –met behulp van een temperatuursensor– na hoe de faseover-

gang verloopt als we een hoeveelheid vaste paraffine continu verwarmen

We meten daarna de temperatuur van de gesmolten paraffine terwijl deze tijdens het

afkoelen opnieuw stolt.

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Door de temperatuur als functie van de tijd te meten, terwijl je continu warmte toevoegt

aan paraffine, bestudeer je hoe de toegevoegde energie tijdens het smelten volledig om-

gezet wordt om de verbindingen tussen de moleculen te verbreken.

Het verwarmingsproces moet traag en continu gebeuren. Met een lange computerge-

stuurde meting vermijd je het repetitieve handmatige meten. Bovendien kan je in de

buurt van de faseovergang het aantal metingen veel hoger instellen. Bij paraffine mis je

anders de effecten die je wilt aantonen.

4. Stappenplan

1. Doe vaste paraffine in een hittebestendige beker.

2. Breng de beker in een waterbad en zet deze op een kookplaat.

3. Meet de temperatuur tijdens het opwarmen en het smelten van de vaste paraffine.

4. Meet de temperatuur tijdens het afkoelen en het stollen van de vloeibare paraffine.

5. Vergelijk beide processen.

5. Benodigdheden

- paraffineschilfers(minimum 50 g)

- kleine glazen beker of proefbuis

- pan gevuld met water

- kookplaat of andere regelbare warmtebron

- temperatuursensor en LabPro-interface

- PC en Logger Lite. Deze software heeft beperkte mogelijkheden in vergelijking met

LoggerPro.



6. Werkwijze

a. Proefopstelling


Voor deze proef maken we gebruik van de LabPro interface van Vernier gecombineerd

met een computer. We gebruiken de software Logger Lite.





met een USB kabel.

Van zodra de stroomvoorziening in orde is, wordt

een zelftest uitgevoerd en zal je een reeks van zes

pieptonen horen en rode, gele en groene lichtjes

zien oplichten.

Sensoren koppelen

Voor deze proef maken we gebruik van

de Stainless Steel Temperature tempe-

ratuursensor van Vernier.

De sensor kan rechtstreeks gekoppeld

worden aan de interface in de poort

aangeduid met CH1.



Logger Lite opstarten en datacollectie voorbereiden

Start het programma Logger Lite als dat niet automatisch gebeurt. In het menu

Experiment>Set up sensors>LabPro 1 kan je de juiste thermometer zoeken uit de

lijst als de sensor niet automatisch herkend wordt.

Je krijgt een scherm te zien met

kolommen voor tijd en tempe-

ratuur en een lege grafiek.

Links van de groene startpijl

kan je zo nodig de eenheid °C

instellen.

Opmerking:

De balk met iconen is beperkter dan in het programma Logger Pro.

Het verschil met deze software ligt dus vooral in het aantal toepassingen en de verwerkings-

mogelijkheden.

Sensoren instellen

Om de instellingen van de dataverwerving te wijzigen,

ga je naar ‘Experiment > Data Collection’.


instellingen kan aanpassen.

Stel de meetduur in op 30 min en de sample rate op 50

samples/min.

Deze instellingen vind je ook in de bibliotheek met

toepassingen van Logger Lite.

Menu Open>Program Data> Vernier> Logger Lite> en-US> experiments>

Investigating Temperature> Act09 Solid Liquid Gas.




c. Data verzamelen

- Doe de paraffineschilfers in de proefbuis of beker.

- Zet de temperatuursensor vast zodat hij de rand of de bodem niet raakt.

- Plaats het geheel in de pan met water en verwarm zachtjes op een kookplaat.

- Start het meetprogramma. Registreer de temperatuur van de paraffine door op

‘Collect’ te klikken. Druk eventueel op ‘Stop’.

- Stolcurve: neem voorzichtig de beker uit het bad en plaats die op een koelelement.

- Houd de temperatuursensor in het midden van de stollende massa.

d. Data verwerken

In de kolommen links werden de meetgegevens geregistreerd (tijd (s), temperatuur

(°C)). De temperatuur(tijd)- grafiek wordt automatisch weergegeven.

7. Resultaten

Logger Pro, 2 metingen per seconde



Logger Lite, 1 meting per minuut.

We hebben ingezoomd (Zoom Graph In)op het gebied waar we tijdens de afkoeling de

faseovergang vloeibaar-vast verwachten. De meetpunten accentueren we in Graph Op-

tions.

Door te vergelijken met een eerdere meting waarbij we elke halve seconde een meting

lieten doen, merken we dat de faseovergang waarschijnlijk tussen 2 meetpunten in

heeft plaatsgevonden.

8. Aandachtspunten (Tips bij de uitvoering)

- Deze opstelling “au bain marie” zorgt voor een geleidelijke opwarming.

- De tijdsduur van de meting is afhankelijk van de hoeveelheid paraffine en van het

ingestelde vermogen. (richtwaarden: 45 g paraffine, smelten in10 minuten bij ge-

middeld vermogen, stollen in 20 minuten op koelelement).



- Eens je in de buurt van het smeltpunt of het stolpunt komt, kan je de meting stop-

pen, het aantal meetpunten instellen op 2 metingen per seconde en de meting op-

nieuw starten.

- Kies voor Append to Latest en je krijgt een zeer gedetailleerd stuk aan je grafiek.

Opdrachten/Vragen:

- Beschrijf op de smelten stolgrafieken het verloop van de temperatuur van de pa-

raffine in de verschillende fasen: vast, deels gesmolten, vloeibaar.

- Vergelijk het smelten het stolproces met elkaar.

- Denk na over de betekenis van de tijd op de horizontale as: wat doe je precies gedu-

rende die tijd om de paraffine te doen smelten/te laten stollen?

- Vergelijk de temperatuur tijdens de faseovergang van vast naar vloeibaar met de

temperatuur tijdens de faseovergang van vloeibaar naar vast.

- Je kunt de proef uitvoeren met kaarsvet, of naftaleen en de resultaten vergelijken

met die voor zuivere paraffine.

- Breng de gegevens over in Excel voor verdere verwerking. Dat kan eenvoudig door

in de tabel de gewenste data te markeren, kopiëren en plakken in Excel.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

tem

p (

°C)

t (s)

Stolcurve van paraffine



STATISCHE EN DYNAMISCHE WRIJVINGSKRACHT (LABQUEST)


Welke factoren bepalen de statische en/of dynamische wrijvingskracht?

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Door de kracht als functie van de tijd te meten, kunnen de dynamische en statische

wrijvingscoëfficiënt bepaald worden.

4. Stappenplan

1. Trek een voorwerp in beweging, meet hierbij de uitgeoefende kracht als functie van

de tijd.

2. Bepaal de grootte van de maximale kracht die wordt uitgeoefend als het voorwerp

in beweging komt, dit is de grootte van de statische wrijvingskracht.

3. Bepaal de grootte van de kracht die moet worden uitgeoefend om het voorwerp met

een constante snelheid te laten voortbewegen. Dit is de grootte van de dynamische

wrijvingskracht.

5. Benodigdheden

- blok met haak

- touw

- massa’s om het blok te verzwaren

- weegschaal

- krachtsensor met verbindingskabel

- LabQuest



6. Werkwijze

a. Proefopstelling


Voor deze proef maken we gebruik van LabQuest van Vernier en de daarop geïnstal-

leerde software.

Sensoren koppelen

We meten de kracht met behulp van een krachtsensor (Vernier). De sensoren

kunnen rechtstreeks gekoppeld worden aan in de poorten CH1 – CH4 of DIG1 en

DIG2. De krachtsensor is een analoge sensor die wordt aangesloten op één van de

CH-poorten. LabQuest herkent de sensoren automatisch.

Sensoren instellen

Wanneer de LabQuest wordt opgestart, kom je in volgend scherm:

Ga dan naar ‘Sensors > Data Collection’. Hier kan je de Sample Rate en de duur

van de meting instellen. Klik ‘Ok’.



c. Data verzamelen

- Bepaal de massa van het blok.

- Verbind de krachtsensor met CH1 . Zet de Range van de krachtsensor op 10N.

- Verbind het haakje van de krachtsensor met het haakje van het houten blok met

behulp van een touwtje. Maak ook een touwtje vast aan het andere uiteinde van de

krachtsensor.

- Oefen even om het blok in beweging te trekken met het touwtje aan de krachtsensor:

trek zachtjes horizontaal. Trek stilaan harder tot het blok in beweging komt en laat

het blok dan verder glijden met een constante snelheid.

- Zet alles klaar: zet de krachtsensor klaar om te trekken, maar zorg dat het touwtje

nog niet gespannen is. Zet nu de krachtsensor op 0 door ‘Sensors > Zero’ te klikken.

- Klik dan op het groene pijltje onderaan om te starten met meten. Trek nu het blok

vooruit zoals eerder beschreven. De meetgegevens worden automatisch in een

grafiek weergegeven:

- Sla de meetgegevens op door ‘File > Save’ te klikken, de naam in te vullen (gebruik

hiervoor het toetsenbord onderaan het scherm), en dan ‘Save’ te klikken.

- Herhaal voorgaande stappen 3 keer om achteraf gemiddelden te kunnen bepalen.



- Verander de massa van het blok door er massa’s bovenop te leggen. Herhaal

voorgaande metingen.

- Herhaal de metingen eventueel met een andere ondergrond, ...

d. Data verwerken

Bepalen van de statische wrijvingskracht

Roep de gegevens van de verschillende metingen telkens terug op door ‘File >

Open’ te klikken en dan de meting waarin je geïnteresseerd bent. De grafiek

roep je op door op het grafiek-icoontje te klikken.

In de F(t)-grafiek merk je een piek op het moment dat het blok in beweging komt.

Bepaal de maximale waarde van de kracht door ‘Analyze > Statistics > Force’ te

klikken. Rechts kan je de maximale waarde aflezen.

Berekenen van de dynamische wrijvingskracht

Kijk in welk deel van de grafiek het blok met een constante snelheid

voortgetrokken werd. Selecteer dit gebied door het aan te duiden met de pen.

Kies dan opnieuw ‘Analyse > Statistics > Force’ en lees de gemiddelde waarde van

de kracht in dit geselecteerde deel af.

Samenbrengen meetgegevens

Vul handmatig volgende tabellen aan (bvb. door gebruik te maken van Excel):

Totale

massa (m)

Normaal- kracht (N)

Statische wrijvingskracht Fs (N)

<Fs> (N)

Meting 1 Meting 2 Meting 3

Totale

massa (m)

Normaal- kracht (N)

Dynamische wrijvingskracht Fd (N)

<Fd> (N)

Meting 1 Meting 2 Meting 3



Statische wrijvingscoëfficiënt bepalen

Maak een grafiek van de statische wrijvingskracht (verticale as) als functie van de

normaalkracht (horizontale as). Doe dit met behulp van Excel. Bepaal de

vergelijking van deze rechte. De richtingscoëfficiënt is de statische

wrijvingscoëfficiënt.

Dynamische wrijvingscoëfficiënt bepalen

Op dezelfde manier kan je een grafiek maken van de dynamische wrijvingskracht

als functie van de normaalkracht en zo de dynamische wrijvingscoëfficiënt

bepalen.

7. Resultaten

statische wrijvingskracht

totale massa (kg) normaalkracht (N) meting 1 meting 2 meting 3 <Fs> (N)

0,09 0,88 0,537 0,567 0,543 0,55

0,5896 5,78 2,922 2,815 2,881 2,87

1,0865 10,66 5,078 4,887 4,875 4,95

Fs = 4,4133 Fn + 0,1913

0

1

2

3

4

5

6

0 0,5 1 1,5

stat

isch

e w

rijv

ings

krac

ht

(N)

normaalkracht (N)

statische wrijvingskracht

Reeks1

Lineair (Reeks1)



dynamische wrijvingskracht

meting 1 meting 2 meting 3 <Fd> (N)

0,09 0,88 0,472 0,472 0,451 0,47

0,5896 5,78 2,325 2,151 2,075 2,18

1,0865 10,66 3,724 3,526 3,742 3,66

8. Aandachtspunten

- Het in beweging trekken van het blok en voorttrekken met een constante snelheid

vraagt wel wat oefening vooraf.

- Je kan uiteraard variëren: andere ondergrond, natte ondergrond, met zeep, ...

Fd= 0,3273 Fn + 0,2142

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 5 10 15

dyn

amis

che

wri

jvin

gskr

ach

t (N

)

normaalkracht (N)

dynamische wrijvingskracht

Lineair (Reeks1)



DE MAGNETISCHE INDUCTIE IN EEN SPOEL (COACHLAB II+)


Welk verband is er tussen de magnetische inductie in een spoel en de stroom door die

spoel?

In deze proef laten we de stroom door een vaste spoel veranderen en meten we de bij-

horende magnetische inductie in de spoel.

2. Doelgroep

3de graad – 1ste leerjaar

3. Meerwaarde

Bij de studie van een spoel zijn er meerdere parameters die een invloed hebben op de

magnetische inductie 𝐵 in die spoel. Deze vectoriële grootheid wordt met een teslame-

ter opgemeten. De hallsensor meet in zijn lengterichting de grootte en het teken van de

component van de vector in die richting.

Dat maakt een snelle studie van het magnetisch veld mogelijk, waarbij de richting, de

zin en de grootte van 𝐵 in een punt meteen weergegeven worden op een digitale meter.

De invloed van het aardmagnetisch veld kan aangetoond worden en gecompenseerd

worden door de nulinstelling van de teslameter te gebruiken in de meetrichting.

Hier wordt het verband B(I) in een spoel meteen op grafiek weergegeven. De functiefit

door de meetpunten laat ons toe om het theoretische verband tussen B en I te controle-

ren.

4. Stappenplan

1. Maak een opstelling met een veranderlijke gelijkspanningsbron over een spoel .

2. Plaats een magnetische veldsensor in de spoel en een spanningsensor over de spoel.

(Of gebruik een stroomsensor in serie met de spoel)

3. Stel het meetprogramma in om de grootte van 𝐵 te meten als functie van de

stroom I.

4. Laat het programma een functiefit maken van de B(I)- grafiek..

5. Zoek de betekenis van de coëfficiënten.

5. Benodigdheden

- Een spoel van 4x500 windingen over een lengte van 28 cm en een opening waarin

de hallsensor centraal gepositioneerd wordt, zonder ijzeren statieven of klemmen!

- Een veranderlijke gelijkspanningsbron.

- CoachLab II+ interface, USB verbindingskabel, kabel voor stroomvoorziening.



- Een hallsensor en een differentiële spanningsensor (of een stroomsensor) met ver-

bindingskabels.

6. Werkwijze

a. Proefopstelling


Voor deze proef maken we gebruik van de CoachLab II+ interface van CMA gecombi-

neerd met een computer. De bijhorende software is Coach 6.

CoachLab II+ verbinden met de computer

De CoachLab II+ computer verbinding bevindt zich aan de achterkant van de

interface.

De verbinding met de computer wordt gemaakt met een USB kabel. Plug het

vierkante uiteinde van de kabel in de CoachLab II+ connectie; plug het andere

uiteinde in een USB poort van de computer.

De stroomvoorziening gebeurt door de interface te verbinden met een

stopcontact met de kabel met adapter.

Van zodra de stroomvoorziening in orde is, zal je het groene lichtje vooraan de

interface zien oplichten.



Sensoren koppelen

Voor deze proef zullen we gebruik maken van

een hallsensor en een differentiële

spanningsensor. De sensoren hebben een

MBT-plug die past in de analoge ingangen 1

en 2 van het CoachLabII+ paneel.

De hallsensor heeft 2 mogelijke instellingen:

wij kiezen voor de meest gevoelige, met aan-

duiding 50x.

De differentiële spanningsmeter die wij ter

beschikking hebben heeft een meetbereik tot

6 V. Daarom beperken we de spanning van de

bron tot 6 V. Dat is ruim voldoende om in deze

spoel de magnetische inductie te meten.

Coach 6 opstarten

Start Coach 6 door dubbel te klikken op het Coach 6-icoontje met de benaming

leerling, of gebruik het Start menu. Je krijgt het startscherm te zien met icoontjes

linksboven.

Ook het programma Coach6Lite is voldoende om deze proef uit te voeren. Dit

programma wordt automatisch gestart als de interface met of zonder sensoren

aangeschakeld wordt.

Je krijgt dan een scherm met de nodige uitleg om de sensoren te verbinden.



Wens je de volledige Coach 6 te gebruiken, dan sluit je dit programma en start de

leerling of docent versie van Coach 6.

Wij werken hier verder met Coach6Lite.

Sensoren instellen

De sensoren die wij gebruiken worden niet automatisch herkend. Ze staan ook

niet in het lijstje beschikbare sensoren.

Daarom moet je in het lege grijze vak bij de lijst van sensoren rechtsklikken en

een sensor kiezen uit de bibliotheek. Daarin vonden we een

magneetveldsensor en een differentiële spanningsensor die wel herkend werden:

je ziet dat aan de cijfers die verschijnen onder elk icoon, als je dat naar de correcte

ingangen 1 en 2 sleept.



We kiezen op de bovenste menubalk het icoon meetinstelling (klokje, 6de icoon)

We kiezen voor een tijdgestuurde meting die 120 s duurt en waarbij 25 metingen

per seconde genomen worden. Dat kan achteraf nog gewijzigd worden als de

metingen dat vereisen.

We sluiten het menu Meetinstelling af met OK.

Grafieken klaarmaken

We stellen nu een grafiek in. Dat gebeurt met het 11de icoon. In dat menu zien we

een lijst van de gebruikte sensoren en de ingang waarin ze ingeplugd zijn.



- Spanningsgrafiek U(t) en hierin stroom I(t) definiëren

We kiezen voor een nieuwe grafiek (of de

bewerking van de grafiek spanningsensor

die automatisch aangemaakt werd). We

veranderen de grootheid in U.

De klok staat in kolom C1, de spanning

staat in kolom C2.

Vermits we niet rechtstreeks de stroom

meten, maar wel de spanning, moeten we I

nog in een formule uitrekenen. Dat gebeurt

door bij kolom C3 in het vak verbinding voor

formule te kiezen.

In het vak formule rechts worden we stap

voor stap begeleid om de formule te vormen

met behulp van de gemeten parameter U,

afgelezen op de spanningsensor.

De weerstand van één wikkeling van de

spoel is 17,6 Ω, dus is I = U / 17,6 en staat het resultaat in A.

- Grafiek voor Magnetische inductie B(I) instellen

Voor het diagram B(I) brengen we een

paar wijzigingen aan in het diagram

Magneetveldsensor.

We klikken op kolom C1 waarin de

klok staat. Die willen we vervangen

door de stroom I die we zopas

berekend hebben. In Verbinding

kiezen we voor formule I.

I stellen we in als horizontale (x-as)

en we passen de eenheid, het aantal

decimalen, de minimum en maximum

waarden voor I aan.



We klikken op kolom C2 om daarin de

Magneetveldsensor van het analoge

kanaal 1 te plaatsen.

Beide grafieken plaatsen we in een

leeg venster. Heb je niet voldoende

vensters, dan kies je op de bovenste

menubalk voor beeld, en daarin

vensterschikking, 2x2horizontaal.

(Als je een stroomsensor hebt kan je rechtstreeks de meetresultaten van I in

kolom C1 plaatsen, ipv de klok.)

Alles staat klaar om te meten.

c. Data verzamelen

In het meetvenster staan nu twee grafieken klaar.

Je duwt de startknop (groene pijl) in.

Manueel draai je op de spanningsbron de spanning geleidelijk hoger. Op de linker

grafiek volg je dat proces als functie van de tijd. De berekende waarde van I kan je

zo controleren.



Op de B(I) grafiek verschijnt het verband tussen beide als een rechte, niet

helemaal door de oorsprong omdat de nulinstelling wat fluctueert en B moeilijk

op nul te houden is.

d. Data analyseren

Op deze grafiek kunnen we een functiefit laten uitvoeren.

Door rechtsklikken in het venster van de B(I) grafiek verschijnt een menu, waarin

je kiest voor Analyse/verwerking > Functiefit.

Er wordt een rechte voorgesteld , die met een duimspijker (punaise) op één van de

punten staat. Je kan die verschuiven en vastzetten door dubbelklikken. Met het

handje kan je de richting van de rechte. Je kan ook kiezen voor verfijnen.

De coëfficiënten van de lineaire functie verschijnen in een venster en je kan die

rechte ook op het grafiekvenster toevoegen.



Dat levert een wiskundige functie op

F(x) = ax + b a= 1,95 b=0,088

Die we herschrijven als

B = (1,95 mT/A)*I + 0,088 mT

7. Besluit

Eens je de hele instelling van sensoren, data verzameling en grafieken hebt

uitgewerkt, bewaar je het experiment in zijn geheel. Door het later aan te klikken,

opent Coach 6 automatisch het meetvenster en kan je meteen starten.

Zo zijn er een hele reeks klaargemaakte experimenten in de bibliotheek van Coach.

Deze zijn wel beschikbaar in het programma Coach 6, niet in de Coach6 Lite versie.



DE GELUIDSSNELHEID (COACHLAB II+)


Hoe groot is de geluidssnelheid in lucht?

In deze proef gaan we - met behulp van twee microfoons op een gekozen afstand van

elkaar - na hoeveel tijd het geluid nodig heeft om die afstand af te leggen.

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Door de geluidsdruk in beide microfoons als functie van de tijd met elkaar te vergelij-

ken, kunnen we het tijdsverschil meten die een geluidsgolf nodig heeft om zich te ver-

plaatsen van de ene plaats naar de andere. Een dergelijke snelle meting van twee apar-

te geluidspulsen in een zeer korte tijd kan enkel op deze manier.

4. Stappenplan

1. Meet de afstand tussen twee microfoons.

2. Geef een duidelijke korte geluidspuls vlakbij één van de microfoons.

3. Meet de tijd tussen de ontvangst in beide microfoons.

4. Bereken de geluidssnelheid uit de afstand en de tijd.

5. Varieer de afstand tussen beide microfoons en herhaal de proef.

5. Benodigdheden

- tafelklemmen, dubbelnoten, statiefstaven

- lange buis om de omgevingsgeluiden te dempen

- CoachLab II interface, seriële verbindingskabel, kabel voor stroomvoorziening

- (ofwel CoachLab II+ interface, USB verbindingskabel, kabel voor stroomvoorzie-

ning)

- 2 Geluidssensoren met verbindingskabels



6. Werkwijze

a. Proefopstelling


Voor deze proef maken we gebruik van de CoachLab II interface van CMA

gecombineerd met een computer. De bijhorende software is Coach 6.

CoachLab II verbinden met de computer

De CoachLab II computer verbinding bevindt zich aan de achterkant van de

interface.

De verbinding met de computer wordt gemaakt met een seriële kabel. Plug het

ene uiteinde van de kabel in de CoachLab II connectie; plug het andere uiteinde in

een seriële poort van de computer.

De stroomvoorziening gebeurt door de interface te verbinden met een

stopcontact met de kabel met adapter.

Van zodra de stroomvoorziening in orde is, zal je het groene lichtje vooraan de

interface zien oplichten.

Sensoren koppelen

Voor deze proef zullen we gebruik maken van twee digitale geluidssensoren

(microfoons)van Coach-cma. De sensoren hebben 3 aansluitkabels: zwart, rood

en geel. Deze worden gekoppeld aan de interface in de 3 stekkers van de

overeenkomstige kleur.



Zwart is de aarding, rood levert een spanning van +5V en geel is het

ingangssignaal van de microfoon.

Coach 6 opstarten

Start Coach 6 door dubbel te klikken op het Coach 6-icoontje met de benaming

leerling, of gebruik het Start menu. Je krijgt volgend startscherm te zien met

icoontjes linksboven.

Inloggen(4de icoon met sleutel, kiezen activiteit)

Hardware installeren, (3de icoon met plug) kiezen uit de lijst voor CMA CoachLab

II/II+

Menu openen (2de icoontje)

Kiezen voor 1. Meten, daarna …. Kiezen voor 1.Meten met CMA CoachLab II

Kiezen voor 3. Laboratorium, daarna … Kiezen voor Afdeling Natuurkunde



Dat levert het startscherm op, met 4 vakken. Linksonder zie je de interface

afgebeeld:

Meestal worden de sensoren meteen herkend. Zo niet, sleep je het icoon van de

geluidssensor uit de lijst 2 maal naar de analoge ingangen 3 en 4, waar de

sensoren in het paneel steken. Als de verbinding correct is, lees je nu onder elk

icoon de actuele meetwaarde af.

Datacollectie voorbereiden

We kiezen op de bovenste menubalk het icoon meetinstelling (klokje, 6de icoon)



Bij Methode kiezen we het type “Tijdgestuurd”, voor een tijdsduur van “1 seconde”,

een frequentie van “20000” per seconde. Daarmee hebben we voldoende

meetpunten in een klein tijdsinterval.

Wij wensen dat de tijdsopname pas begint als de 1ste microfoon een duidelijk

sterk signaal ontvangt. Dat kunnen we instellen in het volgende menu-onderdeel.

De Triggering zetten we aan in het 2de menuonderdeel .

Onze 1ste microfoon is ingeplugd in kanaal 4, dat kiezen we als “Triggerkanaal”.

We kiezen een “Triggerwaarde “ van 2 Pa.

De “Richting” is de opgaande flank van het signaal.

Je zou nog een pre-triggerwaarde kunnen instellen, zodat je net voor het signaal

gegeven wordt ook enkele meetpunten opneemt. Dat hebben we hier niet gedaan.

We sluiten het menu Meetinstelling af met OK .

Datavoorstelling in grafiek klaarmaken

Dat gebeurt met het grafiek- icoon (11de). In dat menu zien we een lijst van de

gebruikte sensoren en de ingang waarin ze ingeplugd zijn.



We kiezen voor een nieuwe grafiek .

Er wordt een naam voorgesteld, die kan je naar wens aanpassen.

Er volgt een reeks kolommen, waarin de data zullen komen.

We klikken op kolom C1 om daarin de klok te plaatsen. De tijdsas stellen we in als

horizontale (x-as) en we passen de eenheid en het aantal decimalen aan.

We klikken op kolom C2 om daarin de 2de microfoon in het analoge kanaal 3 te

plaatsen. Dat is de microfoon die het signaal pas na tijdsverloop zal ontvangen.

De geluidsdruk stellen we in als verticale (y-as) en we passen de eenheid en het

aantal decimalen aan. We kiezen een rode kleur en verbinden de meetpunten voor

een betere zichtbaarheid. Minimum en maximumwaarde kunnen hier ook

ingesteld worden.



We doen hetzelfde voor kolom C3, waarin we de 1ste microfoon plaatsen.

Het diagram dat we zo klaargemaakt hebben slepen we in het venster

rechtsboven.

We hebben ook nog een aparte grafiek gezet in het venster rechtsonder: daarin

komt het signaal van de 1ste microfoon nog eens apart, zodat we de beide signalen

duidelijk herkennen.

Er is nog een venster linksboven, waarin je een tekst kan plaatsen om het

experiment te ondersteunen. De teksten moeten aangemaakt worden in de

“docent”-versie.

Op het scherm zie je volgend beeld, Coach is klaar om te meten.



c. Data verzamelen

- Controleer of beide microfoons correct gepositioneerd staan, aan beide uiteinden

van de buis.

- Meet nauwkeurig de afstand tussen beide microfoons: in onze opstelling was dat

Δx = 1,50 m .

- Druk op de startknop, de groene pijl in de menubalk.

-

- -

- Zolang de 1ste microfoon geen signaal detecteert, blijft de opstelling op “wacht”.

- Geef een korte droge klap vlakbij de 1ste microfoon.

- Je krijgt het volgende scherm, het blauwe signaal geeft de start van de meting aan,

het rode signaal volgt een tijd later en heeft een gelijkaardig verloop .

-



d. Data verwerken

We lezen op de bovenste grafiek af dat een scherpe piek gedetecteerd werd op het

tijdstip t = 0.0042 s.

Dit is de tijdsduur Δt die de geluidsgolf nodig heeft om de 2de microfoon te

bereiken.

Berekenen van de geluidssnelheid

De geluidssnelheid vinden we door de deling uit te voeren:

𝑣 = ∆𝑥

∆𝑡=

1,50 𝑚

0.0042 𝑠= 357

𝑚

𝑠

Herhaal de meting

Door de snelle meting kunnen we het experiment een aantal keer opnieuw

uitvoeren, eventueel voor verschillende afstanden tussen de microfoons.

7. Aandachtspunten en varianten

- Het is niet strikt nodig om een buis te plaatsen tussen beide microfoons, maar in een

klassikale omgeving is het beter om de storende omgevingsgeluiden te dempen.

- Heb je maar één microfoon ter beschikking, dan kan je een opstelling maken waar-

bij het geluid weerkaatst en dezelfde microfoon ook het weerkaatste geluid ( met

duidelijk kleinere intensiteit)opvangt. Het brongeluid moet dan wel zeer kort zijn,

en de totale afstand lang genoeg, om beide signalen van elkaar te onderscheiden.



HET DRAAIEND RAD (VIDEOMETEN IN COACH 6)


Hoe kunnen we een 2-dimensionale beweging in grafiek voorstellen?

In deze proef gaan we - met behulp van een digitale camera – een 2-dimensionale be-

weging opnemen, bestuderen en analyseren.

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Een 2-dimensionale beweging kan vrij complex zijn om op te meten omdat er meerdere

parameters zijn die gelijktijdig evolueren. De informatie bevat in achtereenvolgende

filmbeelden, legt die parameters vast. De beelden kunnen dan in detail opgemeten

worden met de activiteit Videometen van Coach 6. Het vertraagd herspelen van het

fragment samen met de opbouw van de grafiek legt het verband sterk visueel vast.

4. Stappenplan

1. Maak een filmopname van een draaiend rad met een digitale camera.

2. Hou daarbij rekening met een reeks voorwaarden (zie 6.a. Proefopstelling) om

bruikbare beelden te bekomen.

3. Breng de film over naar een computer waarop het programma Coach 6 staat.

4. Selecteer in dat programma een bruikbaar filmfragment.

5. Meet op achtereenvolgende beelden de stand van een gekozen duidelijk punt van

het draaiend rad t.o.v. de draaias of een ander vast punt.

6. Laat het programma de nodige grafieken en tabellen aanmaken om de beweging

punt voor punt te reconstrueren.

7. Speel het filmfragment daarna opnieuw af samen met de grafiek die punt voor punt

wordt opgebouwd.

5. Benodigdheden

- Een digitaal fototoestel met mogelijkheid om te filmen of een digitale camera.

- De nodige kabels om de beelden van de camera over te brengen op een computer.

- Het programma Coach 6 met de activiteit videometen.

- Een draaiend rad op een kermisattractie of een schaalmodel.

- Een duidelijk zichtbare meetlat of een voorwerp met gekende afmetingen dat mee

gefilmd wordt.



6. Werkwijze

a. Proefopstelling

Een schaalmodel van een draaiend rad dat met een zonnepaneel elektrisch

aangedreven is, wordt op een tegelvloer in de zon gezet. De tegelafmeting is

30x30cm².

Het vlak waarin het rad draait staat evenwijdig met de richting van de tegels. De

camera staat loodrecht op het draaivlak en blijft tijdens het filmen vast. Omdat er

geen statief gebruikt werd zullen we elk beeld apart moeten centreren.

De camera wordt ter hoogte van het rad geplaatst. Toch is er nog een zekere

perspectiefafwijking te zien. Die correctie is mogelijk, maar wordt hier niet

uitgevoerd.

b. Filmbeelden overbrengen op computer

Via de meegeleverde USB verbindingskabel worden de filmbeelden overgebracht

naar de computer. Het formaat van het filmbestand is *.AVI , wat zonder

problemen in Coach kan overgebracht worden.

c. Het programma Coach 6 starten

Open de activiteit “videometen”, je hebt geen interfacepaneel nodig.

Je kiest voor 1.Introductie videometen en daarin 5. Zelf een video opnemen.

Daar verschijnt een venster met uitgebreide uitleg om je stap voor stap te

begeleiden.

Ofwel kies je 6. Een lege videometing en volg je deze beknopte uitleg.

Je beschikt over 4 vensters, waarvan één de hoofding “videometen” heeft. Dit

moet je meteen controleren, want je kan in een leeg venster ook een film

binnenhalen en afspelen, maar je kan deze enkel bewerken als het venster

“videometen” heet!



d. De filmbeelden in het venster “videometen” binnenhalen

Alle bewerkingen uit het menu bereik je door rechts te klikken in dit venster.

Je kiest Openen en daarin Video … . Je moet een Video toevoegen. Daarvoor

verschijnt een venster zodat je in je de mappen van je computer het gewenste

bestand kan opzoeken. Je opent je eigen filmbestand en bevestigt je keuze met OK.

In het venster komt je film en onderaan verschijnt een balk die het aantal beelden

voorstelt. Je maximaliseert het venster en zo heb je volgend beeld, met een

assenkruis en een ijkafstand. Die zullen we instellen in f.

e. Het beeldmateriaal verkennen

Met de groene pijl links onderaan

speel je het filmfragment af. Op de

bijhorende horizontale afspeelbalk

volg je de voortgang beeld per beeld.

Je kan hier het gewenste

deelfragment kiezen door de blauwe

begin- en eindpijlen te verschuiven.

Rechts lees je het aantal beelden af.

f. De nodige ijkingen uitvoeren

Rechtsklikken op het filmfragment en kies eerst tijd-ijking. Daarop lees je de

beeldfrequentie af. Controleer of het aantal beeldjes en de tijdsduur van het

fragment hetzelfde resultaat opleveren.

Opnieuw rechtsklikken op het filmfragment en kiezen voor assenstelsel. Wij

kozen voor de oorsprong eerstgeklikte punt in elk beeldje. Op die manier

compenseer je lichte verschuivingen van het beeld als je geen statief gebruikt.

Schaal aanpassen. Verschuif de oorsprong van het assenstelsel naar het midden

van het rad op de as. De rode bolletjes aan de uiteinden van de ijkschaal verschuif

je en laat je samenvallen met de horizontale afstand van 2 volle tegels: deze

afstand is 0,600 m.

g. Een reeks beelden selecteren

Je moet nog een aantal punten kiezen per beeld en kiezen of je alle beelden gaat

selecteren. Het totaal aantal beeldjes ligt best rond 20.

h. Een diagram klaarmaken

Rechtsklikken op het filmfragment en diagram tonen levert een icoon van een

diagram dat je naar een leeg venster sleept. Voor elk punt dat je kiest zal een x- en

een y- coördinaat als functie van de tijd opgenomen worden.



i. De eigenlijke meting uitvoeren

Nu klik je op de groene pijl bovenaan om de meting te starten. Beeld voor beeld

wordt je aangeboden met een duidelijke kruiscursor die je eerst sleept naar de

rotatieas om de oorsprong aan te

klikken. Je krijgt opnieuw een

kruiscursor die je sleept en klikt op

het punt waarvan je de beweging zult

volgen: wij kiezen voor het

ophangpunt van een bakje aan het

rad.

Het volgend beeld wordt aangeboden

en je herhaalt de sleep- en

klikoperatie met de kruiscursor.

Punt voor punt zie je de grafiek

verschijnen in het diagram-venster.

j. Bijkomende vensters maken

Je kan in de menubalk beeld >

vensterschikking bijkomende

vensters maken (beeld:

1x3verticaal).

Daarin plaatsen we een y(x)-grafiek

en een tabel. In de tabel kan je nog

bewerkingen maken met kolommen,

zoals de afstand van elk punt tot de

oorsprong laten berekenen. We

vinden een constante straal van 10

cm.

k. Het bestand opslaan

De meetresultaten vertraagd afspelen

Rechts van de groene pijl bovenaan klik je het symbool aan. Het filmfragment

wordt met een gekozen vertraging afgespeeld terwijl de grafieken punt voor punt

opgebouwd worden: de band tussen het beeld en de grafiekvoorstelling wordt op

deze manier duidelijk gelegd.



WET VAN BOYLE-MARIOTTE (PASPORT)

1. Onderzoeksvraag / Doelstelling

Hoe verandert de druk in een meetspuit als functie van het volume?

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Hier maken we gebruik van het zelf invoeren van volumegegevens gecombineerd met

het nauwkeurig meten van de druk in de meetspuit. Tijdens het meten kan men onmid-

dellijk de resultaten in een grafiek zien verschijnen. Het is een eenvoudige meting die

zeker ook als leerlingenpracticum dienst kan doen.

4. Stappenplan

1. Sluit de druksensor aan op de pc.

2. Sluit de meetspuit aan op de druksensor.

3. Meet de druk bij verschillende volumes.

4. Analyseer de bekomen grafiek.

5. Toets de resultaten aan de theorie.

5. Benodigdheden

- PASPort absolute druksensor (PS-2107), USB-link (PS-2100A)

- grote meetspuit (bv. 60 mL)

- kort stukje (1 à 2 cm) darm om de meetspuit te verbinden met de druksensor

- PC met DATASTUDIO

PASPort



6. Werkwijze

a. Proefopstelling

Trek de meetspuit open en sluit ze met

het stukje darm aan op de druksensor. Let

er op dat alles goed (=luchtdicht) op

elkaar aansluit.


Voor deze proef maken we gebruik van de PASPort interface van PASCO

aangesloten op een computer. De bijhorende software is Datastudio.

Sensoren verbinden met de computer

Plug de sensor in een USB-link en sluit deze aan op een vrije USB-poort van de

computer (of eventueel via USB-hub). De sensor wordt onmiddellijk herkend in

Datastudio en er verschijnt een grafiek die de druk als functie van de tijd weer-

geeft.

Sensoren instellen

Om de instellingen van de dataverwerving te wijzigen, klik je in de menubalk op

.

1. Klik op Sampling Options…

2

3

1

4 5



2. Zet een vinkje bij ‘Keep data values only when commanded’ en laat de 2 on-

derstaande vinkjes staan.

3. Tik Volume bij ‘Name’.

4. Geef de eenheid op (bv. mL) en

5. de meetnauwkeurigheid.

c. Data verzamelen

- De meetspuit stond bv. op 60 mL als deze werd aangesloten.

- Druk op Start. De druk wordt gemeten maar enkel geregistreerd als je op

‘Keep’ klikt waarna een venster verschijnt waarin het Volume moet

opgegeven worden.

- Verklein het volume tot bv. 50 mL en klik terug op ‘Keep’ (als je op ‘Keep’

geklikt hebt, mag je de meetspuit terug loslaten).

- Ga zo verder voor 40 mL, 30 mL, …

d. Data verwerken

1. Pas eventueel de assen van de grafiek aan:

* de muisaanwijzer op de aslijn plaatsen (de muisaanwijzer wordt een handje)

om de as te verschuiven

* de muisaanwijzer op de cijfers naast of onder de aslijn plaatsen (de muisaan-

wijzer wordt een dubbel gekronkeld pijltje) om de asschaal uit te rekken of in te

krimpen.



(Via dubbelklik op een as kan je ook de asopmaak en schaal opgeven)

2. Voor een ‘Curve Fit’ van de resultaten, klik op en selecteer ‘Inverse Fit’.

Dubbelklik op de legende van de Curve fit om de betekenis van de coëfficiënten

te zien.

7. Resultaten

- We zien een omgekeerd evenredigheidscurve. De 1/x-curve loopt redelijk goed door

de meetpunten.

- Als we de uitdrukking van de ‘Curve Fit’ vertalen naar de gemeten grootheden, krijgen

we 𝒑 =A

𝑽+ B . Toetsen we dit aan de theorie, nl. 𝒑 =

nRT

𝑽 dan kunnen we de waarden

van de coëfficiënten A en B controleren.

- Het is ook mogelijk om de druk p uit te zetten als functie van 1/V om te controleren of

dit een rechte geeft. Klik hiervoor op in de menubalk van de grafiek om een nieuwe

variabele te berekenen (bv. 1/V = 1/x waarbij x de gemeten volumes zijn). Maak ver-

volgens een grafiek met p versus 1/V. (zie vb. volgende blz.)



BUMPERTEST (PASPORT)


Hoe verandert de aard van de bumper (hier de kreukel-

zone) de kracht die inwerkt op een wagen bij een fron-

tale botsing?

In deze proef gaan we –met behulp van een kracht- en bewegingssensor- na hoe een

bumper de impact op een wagen beïnvloedt bij een frontale botsing.

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Door nauwkeurig de kracht als functie de tijd te meten en deze in een grafiek weer te

geven krijgt men een duidelijk beeld van wat nu het nut is van een langere ‘botsingstijd’.

Door tegelijkertijd ook de snelheidsverandering op te meten, is het mogelijk de relatie

𝐹. ∆𝑡 = 𝑚. ∆𝑣 te controleren.

4. Stappenplan

1. Laat een karretje van een helling bollen en meet m.b.v. PASCO-meetsysteem

- de grootte van de kracht als functie van de tijd en

- de snelheid als functie van de tijd van het karretje dat tegen de krachtsensor aan-

botst.

2. Voorzie het karretje van verschillende bumpers en herhaal de test.

3. Analyseer de bekomen grafieken.

4. Welke bumper levert de kleinste maximale kracht?

5. Toets de resultaten aan de theorie (bv. F.∆t = m.∆v )

5. Benodigdheden

- PASPort krachtsensor (PS-2104), Motion Sensor (PS-2103A), PowerLink (PS-2001)

of 2x USB-link (PS-2100A)

- PASCO baan 1,2m met Gocart (wagentje 500g)

- Bumperknutselmateriaal (dubbelzijdige kleefband, karton, absorptieschuim, vlok-

kenschuim, …)

- Statiefmateriaal

- PC met DATASTUDIO

PASPort



6. Werkwijze

a. Proefopstelling

Het wagentje rijdt van een helling en botst

tegen de krachtsensor. Vermits de

krachtsensor maximaal 50 N kan meten en

het wagentje (Gocart) redelijk zwaar is,

wordt er slechts een kleine helling

genomen (2°). Het wagentje wordt

losgelaten op ongeveer 30 cm van de

krachtsensor.

Let er op dat de baan en sensoren stevig

vast staan zodat ze niet bewegen tijdens de

botsing.


Voor deze proef maken we gebruik van de PASPort interface van PASCO



1. met Powerlink

Verbind kracht- en Motion Sensor met de Powerlink en sluit deze aan op een

USB-poort van de computer.

of

2. met 2x een USB-link

Plug de sensoren in een USB-link en sluit beide aan op 2 vrije USB-poorten van

de computer (of eventueel via USB-hub).

De sensoren worden onmiddellijk herkend in Datastudio.



Sensoren instellen


.

1. Selecteer de Motion Sensor

2. Bij ‘measurements’ zorg je ervoor dat de snelheid geselecteerd is.

3. Een sample rate van 50 Hz voor de snelheid is voldoende.

4. Bij de ‘Sample Options’ kan je een ‘delayed start’ instellen. Zo kan er voor ge-

zorgd worden dat de verschillende metingen gelijk vallen op de tijdsas (door bv.

de meting te starten als v > 0,40m/s). Bij ‘Automatic stop’ kan je instellen dat

de meting na bv. 3 s mag stoppen (dan hoef je zelf niet op stop te klikken bij het

meten).

5. Selecteer de krachtsensor

6. Stel hier de sample rate in op 1000 Hz.

1

2

3

4

5



c. Data verzamelen

1. Plaats het karretje op de helling (bv. 30 cm van de krachtsensor) en start de me-

ting door in de menubalk op de start-knop de klikken.

2. Laat het karretje los. De datacollectie begint als v > 4,0 m/s.

3. Herhaal de meting met verschillende bumpers.

d. Data verwerken

1. Na elke meting kan je best de benamingen ‘Run 1’ vervangen door meerzeggen-

de naam bv. ’absorptieschuim 8 mm’. Dit kan door dubbelklikken op ‘Run 1’ in

de datalijst links.

2. Indien het niet automatisch is gebeurd, toon beide grafieken v(t) en F(t) op een

zelfde tijdsas door in de grafiekmenubalk op te klikken.

3. Statistieken opvragen kan m.b.v. de statistiekenknop in de grafiekmenubalk.

Door eerst een stuk van een grafiek te selecteren kan je via ‘Area’ de oppervlakte

onder de curve berekenen.

5

6



7. Resultaten



8. Enkele vaststellingen

- Het is duidelijk dat de bumper invloed heeft op de maximale kracht tijdens de im-

pact. Hoe langer de botsing duurt, hoe kleiner de kracht.

- F.∆t = m.∆v

Bv. Voor botsing zonder bumper is F.∆t = 0,4 Ns (oppervlakte onder de curve) en

m.∆v = 0,5 kg (0,42+0,34)m/s = 0,38 kgm/s = 0,38 Ns

- Hoe langer de botsing duurt, hoe meer energie er door vervorming wordt opgeno-

men. Dit zien we aan de kleinere terugbotssnelheid.



EM-INDUCTIE (SCIENCEWORKSHOP)


Hoe varieert de inductiespanning (of inductiestroom) als een magneet door één (of

meerdere) spoelen valt?

2. Doelgroep

3de graad – 1e leerjaar

3. Meerwaarde

Door nauwkeurig en snel de spanning over een spoel als functie van de tijd te meten en

deze in een grafiek weer te geven, krijgt men een duidelijk beeld van de inductiespan-

ning (of inductiestroom).

4. Stappenplan

6. Laat een staafmagneet door een spoel vallen en registreer de inductiespanning over

of de inductiestroom door de spoel.

7. Analyseer de verkregen grafieken.

8. Herhaal de proef met 2 of meer spoelen onder elkaar.

5. Benodigdheden

- ScienceWorkshop 750 (of 500) USB interface

- ScienceWorkshop spanningssensor CI-6503

(en/of ScienceWorkshop stroomsensor CI-6556)

- PVC-buis die in spoel(en) past

- statiefmateriaal

- staafmagneet + opvangkussentje

6. Werkwijze

a. Proefopstelling

1. Bevestig een spoel m.b.v. het statiefmateriaal ver-

ticaal. Plaats de buis door een spoel en leg er een

opvangkussentje onder (om de vallende magneet

te beschermen).

2. Sluit de spanningssensor aan over de spoel.

ScienceWorkshop




Voor deze proef maken we gebruik van de ScienceWorkshop interface van

PASCO aangesloten op een computer. De bijhorende software is Datastudio.


1. Verbind de ScienceWorkshop via een USB-poort met de computer.

2. Plug de spanningssensor in Analoge input A van de ScienceWorkshop.

Sensoren instellen


.

1. Selecteer de spanningssensor (Voltage Sensor) op kanaal A.

2. Zet de sample rate op 1000Hz.



3. Bij de ‘Sample Options’ kan je eventueel een ‘Delayed Start’ instellen (bv. de

meting starten als U>0,1V en toch de metingen van een bepaalde tijd voor de

start bijhouden). Zo kan er voor gezorgd worden dat de verschillende metingen

gelijk vallen op de tijdsas. Bij ‘Automatic Stop’ kan je instellen dat de meting bv.

na 1 s stopt.

4. Sluit het setupvenster.

5. Selecteer een grafiek door te dubbelklikken

op ‘Graph’ bij Displays.

c. Data verzamelen

1. Houd de magneet vast bovenaan de buis met noordpool naar onder.

2. Start de meting door in de menubalk op ‘Start te klikken’.

3. Laat de magneet vallen.

4. Herhaal de meting met de zuidpool naar onder.

d. Data verwerken

1. Na elke meting kan je best de benaming ‘Run 1’ vervangen door meerzeggen-

de naam bv. ‘N-pool naar onder’. Dit kan door dubbelklikken op ‘Run 1’ in de

datalijst links.

2. Pas eventueel de assen van de grafiek aan:

* de muisaanwijzer op de aslijn plaatsen (de muisaanwijzer wordt een hand-

je) om de as te verschuiven

* de muisaanwijzer op de cijfers naast of onder de aslijn plaatsen (de muis-

aanwijzer wordt een dubbel gekronkeld pijltje) om de asschaal uit te rekken

of in te krimpen.

(Via dubbelklik op een as kan je ook de asopmaak en schaal opgeven)



7. Proefuitbreidingen

1. Vervang de spoel door eentje met een ander aantal windingen.

2. Meet de stroomsterkte door de spoel.

3. Plaats twee (of meerdere) identieke spoelen onder elkaar.

Schakel deze spoelen parallel zodat de spanning over elke spoel wordt gemeten.

Of schakel de spoelen in serie samen met de A-meter om de stroomsterkte door de

spoelen te meten.

8. Resultaten

Hieronder een grafiek van de inductiespanning geïnduceerd door een vallende

staafmagneet door 2 onder elkaar en parallelgeschakelde identieke spoelen

(N=500).


- Het is duidelijk als de magneet door de spoel valt de polariteit van de inductiespan-

ning wisselt (als gevolg van fluxtoename gevolgd door fluxafname).

- De grootte van de inductiespanning neemt toe door de toenemende snelheid van de

magneet.



RESONANTIE (SCIENCEWORKSHOP)


Hoe een veer door toevoeging van een hele kleine aandrijfkracht in resonantie brengen.

In deze proef wordt gebruik gemaakt van de mogelijkheid van de ScienceWorkshop om

een triller aan te drijven en ondertussen de uitrekking van een veer te meten.

2. Doelgroep

3de graad – 2e leerjaar

3. Meerwaarde

Door de uitrekking van de veer als functie van de tijd te meten, kan de eigenfrequentie

van het massa-veersysteem heel nauwkeurig worden bepaald. Deze frequentie wordt

dan ingesteld in de functiegenerator die de triller aanstuurt die op zijn beurt de veer

aandrijft. Om de veer in resonantie te krijgen is het belangrijk de eigenfrequentie heel

nauwkeurig te kennen.

4. Stappenplan

1. Laat een massa aan een veer verticaal trillen.

2. Bepaal de eigenfrequentie.

3. Drijf de veer aan en controleer dat het systeem in resonantie gaat als de aandrijffre-

quentie overeenkomt met de eigenfrequentie.

5. Benodigdheden

- ScienceWorkshop 750 (of 500) USB interface

- ScienceWorkshop motion sensor CI-6742A

- Triller (Mechanical Wave Driver) SF-9324

- statiefmateriaal, veer, massa

- 2 lange (>1m) kabeltjes

ScienceWorkshop



6. Werkwijze

a. Proefopstelling

1. Bevestig de triller stevig aan een sta-

biel statief

2. Hang de veer+massa aan de triller

(best hiervoor de triller even op

‘LOCK’ zetten).

3. Plaats de Motion Sensor recht onder

de massa.


Voor deze proef maken we gebruik van de ScienceWorkshop interface van PASCO



1. Verbind de ScienceWorkshop via een USB-poort met de computer.

2. Plug de Motion Sensor in de digitale input 1 (gele fiche) en 2 (zwarte fiche) van

de ScienceWorkshop. (1)

3. Verbind de triller met ‘Signal Output’ van de ScienceWorkshop. (2)

1

2



Sensoren instellen


.

1. Klik op het gele cirkeltje van kanaal 1 en selecteer

de Motion Sensor (Voltage sensor) op kanaal A.

2. Selecteer enkel ‘Position, Ch 1&2’

3. Zet de sample rate op 50 Hz.

4. Sluit het setup-venster.

5. Selecteer een grafiek door te dubbelklikken op ‘Graph’ bij Displays.

c. Data verzamelen: Bepalen van de eigenfrequentie van het massa-veersysteem

1. Geef de massa aan de veer een uitwijking zodat ze begint te trillen.

2. Start de meting.

3. Stop na een vijftal periodes de meting.

d. Data verwerken

1. Pas eventueel de assen aan van de grafiek:





krimpen.

2. Fit een sinusfunctie door de meetresultaten. In de legende die verschijnt, staat

de eigenperiode (B). Bepaal met rekentoestel (op PC) de eigenfrequentie f=1/T.



7. Resonantie

1. Hou de massa aan de veer stil.

2. Controleer of de triller los staat (metalen schuivertje op ‘LOCK OFF’)

3. Ga terug naar setup en klik op de signaalgenerator.

4. Selecteer als uitgangssignaal ‘Sine Wave’ en stel de uitvoerspanning (Amplitude) op

1V.

5. Zet de signaalgenerator op ‘On’. Het staafje van de triller begint nu aan de opgeleg-

de frequentie enkele millimeters op en neer te trillen.

6. Sluit het setupvenster, het Signal Generator venster laat je zichtbaar staan.

7. Klik in de menubalk op Experiment Monitor Data (of op ALT-M) om de elongatie

als functie van de tijd terug weer te geven in grafiek.

(Als je ‘Monitor Data’ kiest i.p.v.’ Start Data’ worden de data niet bewaard.)

8. Resultaten

Als de signaalgenerator aanstaat, zal de veer beginnen trillen. Als de aandrijffre-

quentie niet overeenkomt met de eigenfrequentie, neemt de amplitude toe en even

later terug af. Als de aandrijffrequentie wel overeenkomt met de eigenfrequentie,

neemt de amplitude steeds toe (tot de fysische grens van de veer weliswaar).



TRAMPOLINE (PASPORT XPLORER)


Welke versnelling ondergaat een trampolinespringer?

In deze proef gaan we –met behulp van een versnellingssensor– na hoe de versnelling

varieert.

2. Doelgroep


3. Meerwaarde

Door nauwkeurig en snel de versnelling als functie de tijd te meten van iemand die ver-

ticaal op een trampoline springt, kan men heel wat leren van deze gecombineerde be-

weging. Tevens kan men tegelijk ook m.b.v. een bewegingssensor de verplaatsing van

het springoppervlak van de trampoline bestuderen.

4. Stappenplan

1. Laat een persoon voorzien van de versnellingssensor verticaal springen op een

trampoline.

2. Lees de gemeten data in op een PC.

3. Analyseer de bekomen grafieken.

4. Je kan de proef uitbreiden door ook de uitrekking van het springoppervlak van de

trampoline te registreren en analyseren.

5. Benodigdheden

- PASCO PASPort Xplorer (PS-2000), versnellingssensor 2-axis

(PS-2118) of 3-axis (PS-2119), Motion Sensor (PS-2103A),

Xplorer Vest (PS-2520), USB verbindingskabel

- PC met DATASTUDIO

PASPort Xplorer



6. Werkwijze

a. Proefopstelling


Sensor verbinden met de PASPort Xplorer

1. Plug de versnellingssensor in de PASPort Xplorer en zet de

PASPort Xplorer aan (2). De sensor wordt onmiddellijk her-

kend.

Sensor instellen

2. Druk op +knopje (4) om “Acceleration, Y” in te stellen.

3. Versnellingen kunnen in g of m/s/s uitgedrukt worden. Dit wijzigen kan door

op het check-knopje (8) te drukken, dan op + (4) en bevestigen met (8).

4. Druk op het display-knopje (5) to sample rate verschijnt. Druk op het check-

knopje (8) en dan op +knopje tot bv. 100 Hz. Bevestig met (8).

5. Druk terug op het display-knopje (5) tot “Acceleration, Y” weer verschijnt.

Opmerking:

Als de PASPort Xplorer via een USB-kabel met de PC verbonden is, kunnen al de-

ze instellingen in Datastudio ook eenvoudig aangepast worden door op

te klikken en dan .



c. Data verzamelen

1. Plaats het PASPort Xplorer in het vestje (vastzetten met de voorziene rekband).

Het vestje moet ook zo vast mogelijk aangetrokken worden opdat de sensor zo

weinig mogelijk kan bewegen t.o.v. het lichaam.

2. Als de persoon klaar is om te springen, drukt hij/zij op de start/stop-knop (7).

3. De proefpersoon probeert nu zo verticaal mogelijk een 10-tal keren te springen.

Druk terug op de start/stop-knop (7) om de dataverzameling te stoppen.

d. Data verwerken

1. Start op de PC Datastudio op en selecteer “Create new experiment”.

2. Sluit de PASPort Xplorer via de USB-kabel aan op de PC. De data worden ingele-

zen door op “Retrieve Now” te klikken.

3. Pas eventueel de assen van de grafiek aan.





krimpen.



7. Resultaten


- De versnelling in de Y-richting van de sensor is in rust 9,81 m/s² en in gewichtloze

toestand 0 m/s² m.a.w. deze geeft het gewicht weer i.p.v. de versnelling. Correcter is

dus een berekening te maken acorr= ay-9,81. Dit kan in Datastudio via . Op de

voorbeeldgrafiek is dit zo uitgevoerd.

- Ook werd een afstandsensor onder de trampoline geplaatst waardoor een afstands-

bepaling van het springoppervlak kan gemeten worden. Beide grafieken zijn hier

wel niet gelijktijdig gemeten maar wel onder elkaar weergegeven.

- Bij het afstoten worden er dus versnellingen geregistreerd tot 50 m/s²!

- Wanneer de persoon in de lucht hangt, is de versnelling ongeveer -10 m/s².



BIJLAGE: SPECIFICATIES VAN ENKELE MEETSYSTEMEN

PASCO USB-LINK - Eenvoudig verbinding om PASPort sensoren rechtstreeks aan te sluiten

op de PC

PASCO XPLORER DATALOGGER

- datalogger kan zowel offline als online data registreren

- 1 ingang voor PASPORTsensoren

- max 100 datasets of 25000 (of 50000) waarden

- Maximum Sampling Rate: 1000 Hz

- Software: Datasudio

- simultaan meten met meerdere Xplorers aangesloten via USB op PC is

mogelijk

PASCO XPLORER GLX

- 4 ingebouwde sensoren (2x temperatuur, geluid, spanning)

- 4 vrije poorten voor PASPORTsensoren

- ingebouwde functiegenerator + speaker

- kan ook gebruikt worden als PASPORTinterface met PC

- Software: Datastudio

- Maximum Sampling Rate: 50 000 Hz

- Mogelijkheid om m.b.v. de Xplorer GLX Power Amplifier (PS-2006) via de ingebouwde

functiegenerator spanning en stroom te sturen (±10 V bij 1A).

- USB-poort om bv data naar geheugenstick te kopiëren, printer, …

PASCO SCIENCE WORKSHOP 750

- 4 digitale en 3 analoge poorten

- via USB verbinden met pc + DataStudio

- Software: Datastudio

- ingebouwde signaalgenerator

±5V (of ±10 V met versterker)

- Maximum Sampling Rate: 250 000 Hz

20 000 Hz Oscilloscope



VERNIER LABPRO

- datalogger die zowel in combinatie met de computer als losgekop-

peld gebruikt kan worden om metingen te verrichten.

- geen eigen display, maar maakt voor het tonen van gegevens gebruik

van het display van een aangesloten rekenmachine of van de computer.

- 4 analoge ingangen, 2 digitale ingangen

- 1 analoge uitgang, 2 digitale uitgangen

- meetfrequentie:

on-line real-time: f < 50 Hz

on-line non-realtime: 50 < f < 10 000 Hz of

50 < f < 50 000 Hz voor metingen met triggering op alleen CH1

off-line: 0 < f < 10 000 Hz of

0 < f < 50 000 Hz voor metingen met triggering op alleen CH1

- software: Logger Lite - gratis bij Labquest (of downloaden)

Logger Pro - ( $258)

VERNIER LABQUEST

- stand-alone of via computer

- Labquest emulator

Demonstreren van Labquest op PC + meten m.b.h.v. Labquest

- software: Labquest emulator

(Demonstreren van Labquest op PC + meten m.b.h.v. Labquest)

Logger Lite - gratis bij Labquest (of downloaden)

Logger Pro - ( $258)

COACHLAB II+

- multifunctionele interface (meten en regelen) verbonden met de

computer via de USB-poort

- Maximale samplefrequentie : 100 kHz.

- Autonome timing door ingebouwde klok

- Analoge ingangen: Twee met 4 mm bussen en twee met een BT-

bussen

- Bereik : 0 tot 5 V en -10 tot +10 V (via voorkeuze in de software).

- Frequentiebereik: DC - 100 kHz (-3 dB punt).

- Op de twee digitale ingangen kunnen ultrasone sensoren (USA II of TI-CBR) worden

aangesloten.

- Uitgangen: Vier paar bidirectionele uitgangen. De maximale uitgangsstroom van elk ka-

naal is 0,6 A. De uitgangsstroom van alle kanalen tezamen is maximaal 1,2A.

- Software: Coach 6 Lite (gratis) of Coach 6

SLO Natuurwetenschappen: Fysica - KU Leuven · 2013-09-13 · 1. Doe vaste paraffine in een...

Documents

Transcript of SLO Natuurwetenschappen: Fysica - KU Leuven · 2013-09-13 · 1. Doe vaste paraffine in een...