Осциллоскоп

Актуальность

Для изучения в школьных лабораторных условиях колебательных процессов авторы решили изготовить макет математического маятника.

Осциллоскоп – устройство, предназначенное для наглядной демонстрации колебаний математического маятника при изучении колебательных процессов на уроках физики.

Анализ российского рынка показал, что устройства с подобным функционалом в продаже отсутствуют.

Цель

Разработать учебное устройство осциллоскоп для использования на уроках физики при изучении темы «Колебательные процессы».

Задачи

1. Изучить основные физические законы, описывающие колебательные процессы.
2. Разработать электрическую схему и собрать устройство.
3. Написать программу для контроллера.
4. Предложить варианты демонстрации колебаний с применением осциллоскопа.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Плата Arduino Mega 2560
• Сервопривод DS-04NFC360
• Аккумулятор 7,2V 3000 мАч
• Клавиши SMRS-102, SMRS-101
• Клавиша питания MRS-101
• Фоторезистор MLG5516B
• Светодиод GNL-5013HD
• Резисторы

Описание

На начальном этапе автор изучил теорию по теме исследования. Осциллоскоп предназначен для наглядной демонстрации колебаний математического маятника при изучении колебательных процессов на уроках физики.

Для лучшей наглядности к движению маятника добавлен бегущий огонь. Бегущий огонь имеет несколько режимов:

– линейный бегущий огонь, который следует за движением маятника;

– огонь, бегущий по синусоиде, ось времени которой направлена вверх.

Далее автор приступил к моделированию устройства, определив составляющие его компоненты. Осциллоскоп моделирует колебательный процесс, описываемый косинусоидой. Для имитации процесса используется сервопривод, к которому прикреплена металлическая тяга, имитирующая нить.

Применяется сервопривод SG-5010, который поворачивается на заданный угол командой от контроллера Arduino. Поскольку сервопривод поворачивается на заданный угол, для имитации разной скорости движения необходимо повернуть коромысло сервопривода на 1 градус, выждать определённую паузу, для того чтобы мотор успел повернуть коромысло, и увеличить на 1 счётчик угла, повернуть снова и т.д. Разное время пауз создаёт эффект разной скорости движения.

Для того чтобы подкрепить движение маятника бегущим огнём на определённых углах, соответствующих размещению светодиодов, необходимо их зажигать. Углы размещения светодиодов установлены опытным путём.

На следующем этапе автор создал электрическую схему устройства, по ней собрал и запрограммировал его. На прямоугольной доске размещаются прорезь для маятника, отверстия для светодиодов, отверстия для клавиш управления. Выбирается место размещения платы управления Arduino Mega 2560, место для сервопривода, место для аккумулятора.

При включении электропитания начинает колебаться маятник в режиме незатухающих колебаний.

При включении жёлтой клавиши начинает работать бегущий огонь на световой линии около маятника. Светодиоды включаются в тот момент, когда маятник находится рядом со светодиодом. Режим – линейный.

При включении красной клавиши начинает работать бегущий огонь по большой синусоиде.

При включении синей клавиши амплитуда уменьшается в 2 раза, увеличивается в 2 раза частота, начинает работать бегущий огонь по малой синусоиде.

Результаты работы/выводы

Разработано устройство осциллоскоп, которое можно использовать при изучении темы «Колебательные процессы» на уроках физики.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе авторы планируют разработать учебное пособие «Осциллоскоп» для использования на уроках физики при изучении темы «Колебательные процессы».

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ЦТПО МГТУ им. Н.Э. Баумана