Основи мікроелектроніки в школі

Склад набору

Комплект зображений на малюнку, його вміст:

1. Плата розширення Arduino;
2. 9 В батарея зі з'єднувальним кабелем;
3. Набір із семи алюмінієвих важків для створення маятників різної маси - в діапазоні від 2 г до 30 г;
4. Фотосенсор  для реєстрації руху маятника. Це недорогий датчик, що складається з інфрачервоного (ІЧ) діода і фототранзистора встановлених в корпус з чорного пластика  як показано на малюнку. ІЧ-промінь детектується фототранзистором на протилежній стороні від інфрачервоного діода.
5. Набір з 3 монтажних платформ;
6. USB-кабель для програмування Arduino;
7. 2,5 м тонка мотузка для підвісу маятника.

Плата розширення

Плата розширення використовується для збору даних від датчиків. Версія 2.0 плати розширення має мікроконтроллер Arduino Nano, графічний РК-дисплей для відображення даних в режимі реального часу, потенціометр для керування підсвічуванням РК-дисплея, роз'єм живлення для виконання експериментів з джерелом живлення або 9В батареєю і 4-контактний роз'єм для підключення фотосенсора. Зверніть увагу на червоний світлодіод в положення D1 - індикатор горить, коли напруга низька, тобто коли промінь через фотосенсор заблокований. Коли маятник гойдається через фотосенсор, то світлодіод на платі блимає. Це хороший візуальний спосіб перевірки того, що фотосенсор і Arduino функціонують нормально.
Відкрите апаратне забезпечення - файли дизайну плати публікуються IO Rodeo під відкритою ліцензією (Creative Commons Attribution). Плату розширення було розроблено з використанням KiCad (програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом для створення друкованих плат). Дизайн файлів, включаючи файли KiCad, схеми, Gerber-файлів і специфікації можна знайти на сторінці http://www.iorodeo.com/content/sensor-expansion-board-v2 . Схема для плати розширення:

Проведення експерименту та отримання даних

Підключіть кабель від фотосенсора до білого 4-контактного роз'єму на платі розширення та підключіть живлення (9 В батарею). Через кілька секунд на дисплеї буде короткочасно відображено повідомлення: Pendulum експеримент, IO Rodeo Inc . Через кілька секунд, р на РК-дисплеї буде відображено розрахунковий період коливань маятника в у секундах. Для проведення досліду слід відхилити маятник на невеликий кут і відпустити. Під час коливання маятника через фотосенсор, період повинен відображатися, як показано на малюнку.

Вивчення взаємозв'язку між довжиною маятника та періодом коливань маятника

Лабораторна установка дозволяє легко змінювати довжину підвісу маятника. Зверніть увагу, що довжина маятника - це відстань від верхньої частини маятника до центру мас маятника.


Нижче наведені приклади даних, зібраних для різних довжин маятника, а також відмінності від теоретичного значення.

Довжина маятника (м)	Період коливань (с)	Різниця (% від теоретичного)
0,4635	1,367	0,09
0,3835	1,246	0,29
0,2835	1,072	0,37
0,1925	0,881	0,09
0,1505	0,780	0,23
0,0975	0,614	1,90

Вивчення взаємозв'язку між масою маятника та періодом коливань маятника

До набору входить набір важків різної маси, вони можуть бути використані для вивчення взаємозв'язку між масою маятника та періодом його коливань.
Нижче наведені приклади даних, зібраних з використанням семи різних мас маятника з комплекту, а також відмінності від теоретичного значення.

Маса (г)	Період коливань (с)	Різниця (% від теоретичного)
2,6	1,236	0,39
5,4	1,267	0,08
9,3	1,270	0,16
14,3	1,270	0,16
20,3	1,270	0,16
27,5	1,270	0,16
34,4	1,270	0,16

Експериментальне визначення g

Рівняння для визначення періоду коливань маятника:

де T = період коливань маятника у секундах,  L = довжина маятника в метрах.
За допомогою рівняння маятника і отрманих даних періоду коливань можна експериментально визначити значення g.