Применение микроконтроллеров Arduino в лабораторных работах по физике в школах и вузах

В современном мире интеграция электроники и программирования в учебный процесс является неотъемлемой частью образования. Arduino предоставляет простое и доступное средство для создания учебных проектов в области физики. Активное использование Arduino в лабораторных работах позволяет студентам проводить исследования, анализировать данные, разрабатывать управляющие системы и многое другое. В данном исследовании мы рассмотрим конкретные примеры применения Arduino в физических экспериментах и оценим их эффективность.

Эксперименты

Лабораторные работы по физике с использованием Arduino представляют собой эффективный инструмент обучения, позволяющий студентам погружаться в мир науки через практические эксперименты. Одними из интересных тем для лабораторных работ являются исследования светодиода с кнопкой, процессов заряда и разряда конденсатора [2].

Изучение работы светодиода с кнопкой позволяет студентам понять принципы работы полупроводниковых устройств и применение кнопки для изменения состояния цепи. Анализ процессов заряда и разряда конденсатора позволяет углубить по- нимание законов сохранения заряда и энергии.

Arduino как универсальная платформа позволяет легко создавать и программировать эти эксперименты, делая учебный процесс более интересным и доступным для студентов [3].

Таким образом, лабораторные работы на эти темы с использованием Arduino способствуют не только углублению знаний студентов о физических явлениях, но и развитию их навыков программирования, работы с электроникой и решения практических задач.

Светодиод с кнопкой.

Схема, в которой светодиод загорается при нажатии кнопки.

Инструменты и материалы, которые необходимы для сборки светодиода с кнопкой:

• 1.    Нормально разомкнутая кнопка (например, модель OMORON B3F размером 12 мм или аналогичная);

• 2.    Светодиод;

• 3.    Резистор номиналом на 470 Ом;

• 4.    Макетная плата;

• 5.    Батарейка напряжением на 9 В с контактной колодкой;

• 6.    Перемычки или соединительные провода [1].

  
  
  

  Рис. 1. Схема со светодиодом и кнопкой

  
  

Перед сборкой этой простой схемы, следует проанализировать ее принцип работы (рис. 1). Когда контакты кнопки разомкнуты ток по цепи не течёт [5]. При её нажатии ток потечёт через резистор, светодиод, и светодиод начнёт светиться. Для расчета силы тока, протекающего по цепи, пройдем по единственному контуру и просуммируем все напряжения у нас есть напряжение 9 В, получаемое от батарейки. От этого напряжения вычтем падение напряжения на резисторе и падение напряжения на выводах светодиода, предположительно 2 вольта.

9-TR-2=0 (2)

Таким образом, на резисторе у нас должно быть падение напряжения 7 В. Сила тока составит:

/ =^В-= 0,0148 А = 14,8 мА (1) 470 Ом , ,

Проверим эти значения после сборки схемы. Схема достаточно проста, все компоненты собраны на макетной плате (рис. 2).

Рис. 2. Цепь для светодиода с кнопкой, собранная на макетной плате

С помощью тестера проверим значения напряжений и токов. Для этого переключим прибор в режим измерения тока. Далее следует разорвать цепь в любой точке. Тестер должен показать значение около 15 мА.

Заряд и разряд конденсатора.

Изменим цепь, собранную в предыдущем эксперименте, и понаблюдаем как происходит заряд конденсатора. Конденсатор заряжается в течение некоторого времени, когда на его обкладках накапливаются заряды [4]. Для эксперимента используем конденсатор на 100 мкФ, последовательно соединенный с резистором но- миналом на 470 Ом и светодиодом. Максимально заряженное состояние конденсатора достигается меньше, чем за одну десятую секунды. Заряд осуществляется за 5 циклов, что в нашем случае составляет 0,04 секунды. После того как конденсатор зарядился, он сохраняет заряд в течение некоторого времени (по этой причине эти компоненты могут быть опасны, будьте осторожны, когда разбираете старые электроприборы, которые могут содержать заряженные конденсаторы). Нажмём вторую кнопку, чтобы разрядить конденсатор через второй светодиод (рис. 3).

Рис. 3. Схема для проверки заряда конденсатора

Инструменты и материалы, которые необходимы для проверки заряда конденсатора:

• 1.    две нормально разомкнутые кнопки (например, модель OMRON В3F размером 12 мм);

• 2.    красный и зеленый светодиоды;

• 3.    резистор номиналом на 470 Oм;

• 4.    конденсатор ёмкостью на 100 мкФ;

• 5.    макетная плата;

• 6.    батарейка напряжением на 9В с контактной колодкой;

• 7.    перемычки или соединительные провода.

Когда первая кнопка будет нажата, ток потечёт по цепи резистор – светодиод – конденсатор, и конденсатор зарядится [1]. Ток будет течь, пока конденсатор заряжается. Когда конденсатор зарядится, ток по цепи течь прекратит. Пока конденсатор будет заряжаться, светодиод будет светиться, затем погаснет. При нажатии на эту же кнопку, ничего не произойдет, потому что конденсатор зарядился, следовательно, ток течь не будет. При нажатии на вторую кнопку, через которую подключен второй светодиод к заряженному конденсатору. Конденсатор будет выполнять функцию батарейки, отдав заряд зеленому светодиоду.

Рис. 4. Монтаж схемы на макетной плате

Для проведения лабораторных работ по физике на темы «светодиод с кнопкой» и «заряд и разряд конденсатора» с использованием Arduino есть несколько преимуществ, как в школьных, так и в вузовских лабораториях:

• 1.    Интерактивность и интерес студентов: Arduino позволяет создавать инновационные учебные проекты, которые делают учебный процесс более увлекательным и интерактивным. Студенты могут сами управлять экспериментами, что способствует их активному участию.

• 2.    Простота и доступность: Arduino обладает простым интерфейсом, что делает его использование в лабораториях доступным для широкого круга студентов. Стоимость компонентов Arduino также невысока, что позволяет экономить средства на оборудовании.

• 3.    Возможность программирования: С использованием Arduino студенты могут не только проводить эксперименты, но и программировать микроконтроллер для решения конкретных задач. Это помогает

• 4.    Точность и надежность: Arduino позволяет получать данные с высокой точностью и сохранять их для further анализа, что важно при исследовании физических явлений.

им развивать навыки программирования и автоматизации.

Таким образом, использование Arduino в лабораторных работах по физике в школах и вузах позволяет стимулировать интерес учащихся к науке, развивать их технические навыки, а также делает обучающий процесс более доступным и эффективным.

Заключение

Применение электроники Arduino в лабораторных работах по физике дает студентам возможность не только получить теоретические знания, но и на практике освоить навыки работы с современными технологиями. Arduino позволяет создавать инновационные проекты, расширять представления о физических явлениях и мотивирует учащихся к изучению науки. Таким образом, использование Arduino в образовательном процессе способствует повышению интереса к физике и развитию технических навыков у студентов и школьников.