Разработка с использованием платформы Arduino, компьютерного приложения и локального сервера платформы Alterozoom лабораторной работы по физике (по разделу “Теория колебаний”), ориентированной на курс физики средней школы с возможностью последующего расширения возможностей работы на курсы радиофизического факультета.

Пройдите вводный тест

Цель работы:

Задачи работы:

 - ознакомится с системами и их свойствами (понятие элементов системы и связей между элементами системы, явиды     обратных связей в системах, эффекты запаздывания, управление системами и т.п.)
- иметь понимание об измерительных системах (элементы измерительных систем, построенных с использованием IoT   технологий),
- умение работать с Arduino - платформа для прототипирования IoT решений (конструкция, возможности, интерфейсы,    особенности работы),
- датчики и актуаторы  (узнать основные принципы работы, характеристики, конструкция, интерфейсы и т.п)
- установить и настроить IoT агент,
- настроить серверные решения,
- получить навыки монтажа элементов Iot системы с Arduino в качестве базового элемента,
- научиться настраивать беспроводные каналы передачи данных ( через SSH протокол),
- получить навыки программирования на С++  в среде Arduino IDE.

По ссылке вы найдете необходимые теоретические сведения для выполнения работы:
Теория

Пройдите тест по теоретической части

Ознакомьтесь с общим описанием лабораторной работы, функциональными возможностями лабораторной    установки и ее конструкцией.
 

 Описание работы:

 Общая схема лабораторной  работы:

1. Организуется колебательная система , состоящая из штатива с грузиком на пружине.            

2. Организуется управляемо-измерительная система.                                                                          

3. У основания держателя штатива имеется датчик , позволяющий измерять расстояние до груза. 

4. У основания самого штатива имеется соленоид для изучения вынужденных колебаний          

5. Управление всей системой и съем параметров сред осуществляется с использованием Arduino, компьютера и   т.п.  

 Функционал лабораторной установки:

Лабораторная установка позволяет:
1. измерять расстояние до груза , тем самым делать вывод об амплитуде колебаний.
2. задавать различные характеристики.                                                                                            

3. фиксировать в реальном времени показания с датчиков и отображать их в виде графиков.
4. считывать данные и организвывать вывод через удаленный сервер Alterozoom. 
5. изучать явления при вынужденных колебаниях. 

Компоненты лабораторной установки:

1. штатив     

2. нить   

3. держатель                                                                                                                                     

4. ИК-датчик Sharp GP2Y0A021                                                                                                            

5. плата Arduino Uno                                                                                                                          

6. комплект проводов для монтажа                                                                                                      

7. пружинка                                                                                                                                              

8. груз стальной полый с двумя отвестиями и петлей для крепления                                                

9. microUSB-кабель                                                                                                                                  

10. саморезы                                                                                                                                            

11. соленоид из трансформаторной стали                                                                                              

12. транзистор                                                                                                                                        

13. резисторы                                                                                                                                          

14. диод            

Алгоритм работы с лабораторной установкой:

0. Собрать лабораторную установку.                                                                                                 

1. Соединить с компьютером microUSB-кабелем.  
2. Настроить подключение установки к локальному серверу Alterozoom.
3. Зафиксировать начальные показания .
4. Наблюдать динамику процесса. Фиксировать интересные особенности процесса в текстовой форме.
5. Сохранить данные эксперимента.
 

Вопросы по работе:

Сборка лабораторной установки:

Сделать в 4-5 ключевых точках сбора установки  фотографии, показывающие этапы ее сборки.

 

В качестве дополнительного задания к данному этапу работы: 
Разработать и создать еще один иструмент способный снижать добротность и анализировать это.

Выполнение экспериментальных исследований:

Задание 1. Изучение свободных колебаний.

Определение периода/частоты колебаний, а также жесткости пружины:

1. Подвешивая различные грузы m 1, m 2, …, определить соответствующие поведение амплитуды с помощью данных с ИК-датчика.

2. Вычислить коэффициент жесткости k при различных грузах и соответсвующих изменениях амплитуды.

3. Вывести грузик из положения равновесия на 40-70мм и наблюдать картину на графике с ИК-датчика, в течении которого совершается 10-15 полных колебаний. Опыт проделать не менее 5 раз.

4. Повторить опыт (3) с использованием грузов различной массы.

 Определение основных характеристик затухающих колебаний:

1. Вывести тело из положения равновесия на А0 и наблюдать на графике за какое время t0  амплитуда колебаний уменьшится до значения An (за величину конечной амплитуды An удобно взять значение примерно в 10 раз меньше А0. Измерения повторить не менее 5 раз. Результаты занести в таблицу (составить самостоятельно).
2. По формуле  определить логарифмический декремент затухания.
3. Используя формулы:
(1) 
(2) 
(3)
(4)
вычислить коэффициент затухания B, время затухания tau, число колебаний за время затухания Ne и добротность Q системы. Сделать микровыводы, приложить скриншоты графиков с ИК-датчика. 

Задание 2. Изучение вынужденных колебаний.

Подключить к Arduino соленоид на макетной плате и запитать от блока питания.  Для определения амплитуды и фазы вынужденных колебаний при заданной частоте следует выбрать в приложении сенсор и нажать  start. На экране монитора при этом выводятся зависимости амплитуды маятника от времени. 

1. Создав магнитное поле с помощью кнопки старт вывести из равновесия груз и наблюдать колебания в то время как магнитное поле импульсами воздействует на груз .
2. Снять зависимость амплитуды от времени с помощью сенсора в приложении Alterozoom.
3. Заменить груз на другой с более высокой массой и также повторить  пункт (2).
4. Вывести с помощью соленоида груз из равновесия и вручную изменитьчастоту колебаний. Наблюдать результат действия.
5. Изменять временную задержку воздействия импульсов на груз со стороны магнитного поля. 
6. Добиться явления резонанса на установке, изменяя параметры описанные выше.
7. Сделать микровыводы, скриншоты графиков и фотографии.
 

Задание 3. Сделать устройство, уменьшающее добротность. 

Анализ данных эксперимента:

Разборка экспериментальной установки выполняется в порядке, обратном порядку сборки.

Выводы:

Вопросы, на которые не сумели найти ответа:

Неясные моменты лабораторной работы:

Дополнительные задания:

 1. Разработать и реализовать систему, обеспечивающую автоматический запуск колебаний
 2. Выполнить моделирование различных режимов работы лабораторной установки, включая
 режим автоматического поддержания  заданных значений параметров. 

 

Любые предложения по улучшению данной лабораторной работы. Предложения по новым лабораторным работам.

В ходе формулирования предложений рекомендуем воспользоваться методами, помогающими генерировать идеи.

Рефлексивное осмысление проделанной работы:

Заполните таблицу