Transcript Introductie computermeten

ICT voor bèta-onderwijs
Module I, Niveau I
Introductie computermeten
CMA - Amsterdam
Definitie van Computermeten
 De 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
CMA - Amsterdam
 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.
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
CMA - Amsterdam
wordt doorgelaten.
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 verlichtingsomstandigheden.
CMA - Amsterdam
Biologie:
Fotosynthese
 Het volgen van de fotosynthese over
CMA - Amsterdam
een langere tijdsperiode (72 uur)
 Bij dit experiment kunnen veel
verschillende sensoren zoals voor O2
(gas), CO2 (gas), licht, temperatuur en
vocht worden gebruikt.
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 -200C tot 1400C)
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 zuurbasetitraties te meten. Als zuur wordt toegevoegd aan de base,
verandert de pH geleidelijk, totdat de oplossing dicht bij het equivalentiepunt 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
CMA - Amsterdam
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..
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 temperatuursensor
CMA - 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 meetinstrument
 De 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
Computermeten: Unieke kenmerken
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 worden
 De 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 meetproces
 Dit 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 vastleggen
 Deze is superieur aan handmatige methodes.
Ook is het gemakkelijk om veel punten te meten.
CMA - Amsterdam
Computermeten: Unieke kenmerken
7. Geen afleesfouten
 Dit leidt tot informatie van een betere kwaliteit
die de helderheid van de relaties tussen
variabelen kan verbeteren.
CMA - Amsterdam
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